DE3811050C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohrsystem für ein supralei­ tendes Kabel mit wenigstens einem starren Innenrohr, in dem mindestens eine supraleitende Leiterader mit einem oxidkera­ mischen Hochtemperatursupraleiter-Material angeordnet ist, das von einem entsprechenden Kühlmedium gekühlt ist, und das von einem starren Außenrohr umschlossen ist, wobei zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ein evakuierter Zwischenraum ausgebil­ det ist. Ein supraleitendes Kabel mit einem derartigen Rohr­ system ist z.B. in der Veröffentlichung von A.P.Malozemoff et al: "Applications of High Temperature Superconductivity", IBM T.J.Watson Research Center and Massachusetts Institute of Technology, August 1987, angedeutet.

Zu einer Drehstromübertragung insbesondere auf der gebräuch­ lichen Spannungsebene von 110 kV werden Kabel gefordert, die für sehr große Leistungen von beispielsweise 1 GVA bei hohen Strömen von z.B. 5 kA ausgelegt sind und bei geringem Platzbe­ darf günstige Übertragungskosten ermöglichen. Entsprechend große Leistungen werden bisher nur mit künstlich gekühlten Öl­ kabeln oder SF₆-Kabeln übertragen.

Entwickelt, jedoch aus wirtschaftlichen Gründen noch nicht ein­ gesetzt, wurden auch supraleitende Hochleistungskabel mit Flüssighelium-Kühlung und Hochvakuumisolation (vgl. z.B. Bei­ trag von G.Bogner in "Nato Advanced Study Institutes Series", Series B: Physics, Vol. 21: "Superconductor Applications", Plenum Press, New York 1977, Chapter 20, Abschnitt V: "Super­ conducting Cables", Seiten 672-717). Entsprechende Kabel weisen jeweils ein Innenrohr auf, in dem mindestens eine supralei­ tende Leiterader angeordnet ist. Diese Leiterader muß von flüssigem Helium (LHe) gekühlt werden, das innerhalb dieses Innenrohres geführt wird. Das Innenrohr wird deshalb vielfach auch als Helium (He)-Rohr bezeichnet. Dieses He-Rohr ist von einem vakuumdichten Außenrohr umschlossen, wobei zur thermi­ schen Isolation der zwischen dem Innen- und dem Außenrohr be­ findliche Zwischenraum evakuiert ist. Als Material für das Außenrohr ist im allgemeinen Stahl vorgesehen. Außerdem ist in dem evakuierten Zwischenraum zur Reduzierung der Wärmeeinlei­ tung auf das He-kalte Innenrohr ein gekühlter thermischer Strahlungsschild angeordnet.

Zumindest das He-Rohr eines solchen supraleitenden Kabels muß aus Metall hergestellt werden, weil die äußerst kleinen Helium­ atome andere Materialien leicht durchdringen würden und dann die Hochvakuumisolation beeinträchtigen könnten. In metalli­ schen Kühlmittelrohren werden aber Wirbelströme induziert, die erhebliche Wärme produzieren. Die damit verbundenen Zusatzver­ luste müssen vom Kühlmedium mit entsprechend großem Aufwand abgeführt werden. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurden in bekannten supraleitenden Drehstromkabeln stets koaxiale, abge­ schirmte Leiteradern verwendet (vgl. z. B. DE-OS 28 03 228). Ein derartiger koaxialer Aufbau bedingt jedoch mindestens doppelt so viel Supraleitermaterial, wie es für einen einfachen Leiteraufbau erforderlich wäre. Außerdem ist für entsprechende Kabel eine entsprechend ange­ paßte, unübliche Beschaltungstechnik erforderlich.

Seit etwa Anfang 1987 sind supraleitende Materialien bekannt, deren Sprungtemperatur T_c so hoch ist, daß sie nicht mehr mit flüssigem Helium (L He) von etwa 4 K zu kühlen sind, sondern bei denen eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff (L N₂) genügt. Bei diesen Materialien handelt es sich um spezielle Metalloxide wie z.B. auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O (vgl. z.B. "Euro­ physics Letters" Vol. 4 No. 2, 15.7.87 Seiten 247 bis 252 und Vol. 4, No. 5, 1.9.87, Seite 637 oder "Physikalische Blätter", Bd. 43, Nr. 9, 1987, Seiten 357 bis 363). Filme bzw. dünne Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden viel­ fach mit speziellen Bedampfungs- oder Sputterprozessen herge­ stellt. Hierbei wird auf einem geeigneten Substrat zunächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den Komponenten des gewählten Stoffsystems abgeschieden, wobei im allgemeinen der Sauerstoffgehalt nicht exakt eingestellt ist. Dieses Vor­ produkt wird anschließend mittels einer Wärme- und Sauerstoff­ behandlung in das Material mit der gewünschten supraleitenden Phase überführt. Neben dem genannten Stoffsystem Y-Ba-Cu-O weisen auch andere Stoffsysteme so hohe Sprungtemperaturen auf, daß sie mit L N₂ auf ihrer supraleitenden Betriebstemperatur zu halten sind. So sind z.B. Materialien auf Basis des Stoff­ systems Bi-Sr-Ca-Cu-O ("Superconducting News Supplement", Vol. 1, No. 3, Februar 1988) oder auf Basis des Stoffsystems Tl-Sr-Ca-Cu-O ("International Conference on High Temperature Super­ conductors and Materials and Mechanisms of Superconductivity", 29.2.-4.3.1988, Interlaken, CH), gemäß "!Physica C", Vol 153-155, 1988, Seiten 1138-1143) oder auf Basis des Stoff­ systems La-Sr-Nb-O ("Journal of Low Temperature Physics", Vol. 69, Nos.5/6, 1987, Seiten 451 bis 457 oder "The Japan Times" vom 21.1.1988) bekanntgeworden.

Alle diese supraleitenden Materialien sind den Oxidkeramiken zuzurechnen, so daß die entsprechenden Hoch-T_c-Supraleiter vielfach auch als oxidkeramische Supraleiter bezeichnet werden.

Mit dem eingangs genannten Beitrag von A.P.Malozemoff et al ist vorgeschlagen worden, derartige oxidkeramische Supraleiter auch für supraleitende Kabel ("Superconducting Power Transmission Lines-SPTL") vorzusehen. Dabei wird von bekannten Konzepten supraleitender Kabel mit von LHe zu kühlenden Supraleitern ausgegangen. Bei diesen bekannten Konzepten treten aber die er­ wähnten Probleme hinsichtlich Wirbelströmen, Supraleitermate­ rialaufwand und Beschaltungstechnik auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Kabelkonzept ein Rohrsystem für ein supraleitendes Kabel anzugeben, dessen mindestens eine supraleitende Leiterader mit einem bekannten oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter-Mate­ rial zu erstellen ist. Dieses Rohrsystem soll einen möglichst einfachen Aufbau und eine an das Hochtemperatursupralei­ ter (HTSL)-Material angepaßte Kühltechnik ermöglichen, wobei insbesondere die bei den bekannten Kabeln durch Wirbelströme in metallischen Rohrteilen hervorgerufenen thermischen Zusatzver­ luste zumindest weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Innenrohr aus einem vakuum- und kühlmitteldichten Kunststoffmaterial besteht.

Mit der Verwendung von einem Innenrohr aus einem elektrisch nicht-leitenden Material werden vorteilhaft Probleme aufgrund von in metallischen Teilen angefachten Wirbelströmen von vorn­ herein ausgeschlossen. Hierfür geeignete Kunststoffmaterialien, die hinsichtlich LN₂ kühlmitteldicht sind, sind allgemein be­ kannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rohrsystems für ein supralei­ tendes Kabel gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Querschnitt durch ein Rohrsystem veranschaulicht ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils als Längsschnitt eine Ver­ bindungsmöglichkeit von Teilstücken dieses Rohrsystems. Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das Rohrsystem nach der Erfindung kann insbesondere für supra­ leitende Kabel vorgesehen sein, die als Drehstromkabel ausge­ legt sind. Gemäß dem in Fig. 1 schematisch gezeigten Quer­ schnitt enthält ein entsprechendes Kabel 2 ein Innenrohr 3, das aus einem vakuum- und kühlmitteldichten Kunststoffmaterial besteht. Das Innenrohr 3 ist konzentrisch von einem Außenrohr 4 umschlossen, so daß zwischen den Rohren ein Zwischenraum 5 aus­ gebildet ist. Als Material für das Außenrohr kann beispiels­ weise das Material des Innenrohres gewählt werden. Die beiden Rohre 3 und 4 können insbesondere aus faserverstärktem Kunst­ stoff hergestellt werden. Hierfür sind z.B. Epoxidharze oder Thermoplaste geeignet, die mit Glas-, Keflar- oder Kohlefasern verstärkt sind. Die beiden Rohre 3 und 4 sind mittels thermisch schlecht-leitender Stützstrukturen in ihrer konzentrischen Lage gehalten. In der Figur ist die Hälfte eines entsprechenden Stützringes 6 angedeutet. Dieser Stützring ist so ausgebildet, daß verhältnismäßig lange Wege zwischen den Abstützungspunkten 7 und 8 an dem Innenrohr 3 bzw. dem Außenrohr 4 ausgebildet sind. In dem aus thermischen Gründen evakuierten Zwischenraum 5 kann sich ferner zur Begrenzung der Wärmeeinleitung auf das Innenrohr 3 eine bekannte mehrschichtige Superisolation 9 be­ finden. Außerdem kann an der Vakuumseite des Innenrohres 3 ein Sorptionsmittel 10, z.B. Aktivkohle oder Zeolith, angebracht sein, welches im kalten Zustand des Kabels die restlichen Mole­ küle im Vakuumraum bindet.

Innerhalb des Innenrohres 3 sind drei supraleitende Leiter­ adern 11 bis 13 untergebracht, die in bekannter Weise mit Supraleitern aus einem bekannten HTSL-Material aufgebaut sind. Dieses Material soll eine so hohe Sprungtemperatur T_c haben, daß es mit LN₂ zu kühlen ist. Das Kühlmedium wird dabei durch den Innenraum 14 des Rohres 3 gefördert. Dieser Innenraum wird auch als Kühlmittelraum bezeichnet. Jede Leiterader enthält z. B. einen zentralen Stützkörper 15, um den ein Wickel 16 aus einem bandförmigen Leiter mit dem HTSL-Material gewickelt ist. Dieser Leiterwickel 16 ist von einer Isolation 17 umschlossen. Diese Isolation kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß sie von dem LN₂ getränkt ist.

Das Kühlmedium befindet sich z.B. in einem unterkühlten, flüssigen Zustand, d.h. im Normalbetrieb ist ein Sieden des Kühlmediums ausgeschlossen. Beispielsweise wird LN₂ mit einer Temperatur von ca. 70 K und einem Absolutdruck von ca. 5 bar in das Innenrohr 3 eingeleitet. Beim Strömen durch das Rohr wird das Kühlmedium erwärmt und der Druck nimmt ab. Am Ende tritt das Kühlmedium immer noch unterkühlt aus, z.B. mit einer Temperatur von ca. 80 K und einem Absolutdruck von ca. 3 bar.

Wie schließlich noch Fig. 1 zu entnehmen ist, kann das Außen­ rohr 4 des supraleitenden Kabels 2 von einer Schutzschicht 18, die z.B. aus Bitumen besteht, umhüllt sein. Es lassen sich so mechanische Beschädigungen und ein Eindringen von Wasser ver­ meiden.

Das die thermische Isolation der supraleitenden Leiteradern 11 bis 13 bzw. des sie umgebenden LN₂ gewährleistende Rohrsystem des supraleitenden Kabels ist in Fig. 1 allgemein mit 20 bezeichnet. Dieses Rohrsystem wird vorteilhaft aus vorgefertig­ ten Teilstücken mit Außen- und Innenrohr zusammengesetzt. Ein Verbindungsbereich zwischen zwei derartigen Teilstücken geht aus Fig. 2 hervor. Dabei sind in der Figur nur die bzgl. der Kabelachse A oberen Hälften dieser Teilstücke 21 und 22 als Längsschnitt veranschaulicht. Wie aus der Figur ersichtlich, ist jedes Teilstück 21 und 22 so ausgeführt, daß der evakuierte Raum 5 zwischen dem Außenrohr 4 und dem Innenrohr 3 an den Stirnseiten 23 bzw. 24 vakuumdicht abgeschlossen ist. Bereits bei der Herstellung wird dann jedes Teilstück an einem Eva­ kuierstutzen 25 evakuiert, der anschließend vakuumfest ver­ schlossen wird. Um die Vakuumdichtigkeit der einzelnen Kunst­ stoffteile weiter zu verbessern, können gegebenenfalls in dem Außen- und Innenrohr 4 bzw. 3 sowie in den Verbindungsteilen an den Stirnseiten 23 und 24 dünne metallisierte Folien 26 als Diffusionssperren eingearbeitet sein.

Die einander zugewandten Stirnseiten 23 und 24 der Teilstücke 21 und 22 des erfindungsgemäßen Rohrsystems 20 sind so gestal­ tet, daß jeweils das eine Ende des einen Teilstückes in das andere Ende des anderen Teilstückes konzentrisch hineinragt. Auf diese Weise wird erreicht, daß Wärme, die vom warmen Außen­ rohr 4 zum kalten Innenrohr 3 fließen will, über die konzen­ trisch ineinanderragenden Rohrteile fließen und dabei einen entsprechend langen Weg überwinden muß. Die Wärmeeinleitung in den LN₂-Bereich im Inneren des Innenrohres 3 ist dementspre­ chend gering. Zwischen den ineinanderragenden Teilen der Teil­ stücke 21 und 22 an den Stirnseiten 23 und 24 verbleibt ein schmaler Spalt 27. In einem axial verlaufenden Teil dieses Spaltes befindet sich ein Dichtungselement 28, das den kalten Innenraum 14 mit dem LN₂ von der Umgebung trennt. Zusätzlich kann der Spalt 27 nach außen hin noch mittels einer rohrförmi­ gen Hülse 29 abgedeckt sein, damit eine Konvektion mit Wärme­ transport im Spalt 27 zwischen den beiden Teilstücken 21 und 22 behindert wird. Die Hülse 29 läßt eine gegenseitige axiale Ver­ schiebung der beiden Teilstücke 21 und 22 zu, d.h., sie ist höchstens mit einem dieser Teilstücke starr verbunden. Jedes der Teilstücke 21 und 22 besitzt außerdem noch eine Vorrichtung 30 zum Dehnungsausgleich, mit der die Längenänderung des Innen­ rohres 3 beim Abkühlen kompensiert wird. Diese Vorrichtung 30 ist bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Teil­ stückes 21 in das Außenrohr 4 in der Nähe dessen Stirnseite 23 integriert. Wie schließlich in Fig. 2 angedeutet ist, kann der Verbindungsbereich zwischen den beiden Teilstücken 21 und 22 mit einem zylinderförmigen Teil 31 zum mechanischen Schutz überbrückt sein.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausbildungsmöglichkeit einer Ver­ bindung zwischen zwei vorgefertigten Teilstücken 33 und 34 eines erfindungsgemäßen Rohrsystems in Fig. 2 entsprechender Darstellung angedeutet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch, daß auf ein besonderes Dichtungselement in dem zwi­ schen den beiden stirnseitigen Enden dieser Teilstücke ausge­ bildeten Spalt verzichtet wird und lediglich ein abdichtendes Verbindungselement 29 an der Außenseite vorgesehen ist. Außer­ dem ist bei der dargestellten Ausführungsform die Vorrichtung 30 zum Dehnungsausgleich zwischen dem Außenrohr 4 und dem Innenrohr 3 in das Innenrohr integriert.

Claims (12)

1. Rohrsystem für ein supraleitendes Kabel mit wenigstens einem starren Innenrohr,

• - in dem mindestens eine supraleitende Leiterader mit einem oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter-Material angeordnet ist, das von einem entsprechenden Kühlmedium gekühlt ist, und
• - das von einem starren Außenrohr konzentrisch umschlossen ist, wobei zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ein evakuierter Zwischenraum ausgebildet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest das Innenrohr (3) aus einem vakuum- und kühlmitteldichten Kunststoffmaterial besteht.

2. Rohrsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Außenrohr (4) aus einem vakuum­ dichten Kunststoffmaterial besteht.

3. Rohrsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein Epoxidharz oder ein Thermoplast ist.

4. Rohrsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kunststoffmaterial mit Fasern mechanisch verstärkt ist.

5. Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in seine Kunststoffteile Folien (26) zur Erhöhung der Vakuumdichtigkeit eingelassen sind.

6. Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem evakuierten Zwischenraum (5) eine Superisolation (9) angeordnet ist.

7. Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den evakuierten Zwischenraum (5) begrenzenden Außenseite des Innenrohres (3) Sorptionsmittel (10) aufgebracht sind.

8. Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren vorge­ fertigten Teilstücken (21, 22; 33, 34) zusammensetzbar ist.

9. Rohrsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilstücke (21, 22; 33, 34) in sich geschlossene evakuierbare Zwischenräume (5) zwischen dem je­ weiligen Innen- und Außenrohr (3 bzw. 4) aufweisen.

10. Rohrsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß benachbarte Teilstücke (21, 22; 33, 34) an ihren einander zugewandten Stirnseiten (23, 24) in­ einandergreifend gestaltet sind, wobei zwischen ihnen ein Spalt (27) ausgebildet ist, der mit mindestens einer Dichtungsvor­ richtung (28, 29) verschlossen ist.

11. Rohrsystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalt (27) nach dem Zusammensetzen der Teilstücke (21, 22; 33, 34) mittels eines die beiden Teil­ stücke an ihren Außenrohren (4) verbindenden rohrförmigen Elementes (29) abgedichtet ist.

12. Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (3) und/oder das Außenrohr (4) eine Vorrichtung (30) zum Deh­ nungsausgleich enthält.