DE69208579T2

DE69208579T2 - Stromzuleiter zur kryogenischen Verwendung und für eine kryogenische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69208579T2
Application number: DE69208579T
Authority: DE
Inventors: Pascal Estop; Jean-Pierre Tavergnier; Thierry Verhaege
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1991-10-10
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2012-10-09
Also published as: EP0537073B1; EP0537073A1; ES2083710T3; DE69208579D1; ATE134799T1; DK0537073T3; FR2682526A1; FR2682526B1; GR3019415T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromzuführung für einen Betrieb mit variablem Strom, insbesondere für einen Wechselstrombetrieb, und für eine Verbindung einer Anlage, die sich außerhalb des Kryobereichs befindet (beispielsweise bei Umgebungstemperatur> , mit einer Anlage, die sich im Kryobereich befindet (beispielsweise bei 4,2K).
Die derzeit üblichen Stromzuführungen für Kryoanlagen bestehen beispielsweise aus Kupferleitern von etwa 2 mm Durchmesser, die in ausreichender Zahl parallel angeordnet sind, um den Durchlaß des Stroms von der Quelle zum supraleitenden Leiter zu ermöglichen, oder sie bestehen aus Kupferrohren einer maximalen Dicke von 2 mm, deren Außendurchmesser zu dem zu transportierenden Strom proportional ist. In solchen Stromzuführungen ergeben sich drei Arten von Verlusten, nämlich die Verluste aufgrund der Wärmeleitung, die ohm'schen Verluste, die noch durch den Skineffekt verstärkt werden, und die Verluste aufgrund der Foucault-Ströme in den Zonen, die einen vom supraleitenden Gerät erzeugten variablen Feld unterworfen sind. Unter gewissen Bedingungen aufgrund der Abmessungen der Teile aus Kupfer und aufgrund der verbleibenden Feldkomponenten nehmen die Verluste überhand, sowohl am Übergang zwischen Kupfer- und Supraleiter (Gefahr eines Übergangs in den nicht-supraleitenden Zustand) als auch hinsichtlich des zunehmenden Verbrauchs von flüssigem Helium.
Außerdem führt die Verwendung von massivem Kupfer, wie sie für Stromzuführungen bei Gleichstrom üblich ist, bei Wechselstrom zu einer deutlichen Erhöhung des Widerstands aufgrund des Skineffekts.
Die Verwendung eines Geflechts erfordert im allgemeinen sehr zerbrechliche Kupferadern mit Abmessungen (unter 0,1 mm), die die Verluste aufgrund der Foucault-Ströme und damit den Verbrauch an flüssigem Helium in vernünftigen Grenzen halten. Außerdem stellen die geringe mechanische Steifheit einer solchen Stromzuführung und die zu erwartenden Vibrationen des Litzengeflechts bei Kryotemperatur wesentliche Nachteile für eine solche Technologie dar. Das Geflecht führt auch zum gleichen Verhalten wie massives Kupfer in Höhe der in die Schweißung eingebetteten Verbindungen, die die elektrische Verbindung mit dem supraleitenden Leiter bilden. Wenn man beispielsweise einen Wechselstrom mit 1000 A übertragen wollte, bräuchte man ein Geflecht aus etwa 10.000 Adern, wobei die Verluste aufgrund der Foucault-Ströme durch die dünnen Adern verringert werden. In Höhe des Anschlusses ist es jedoch praktisch unmöglich, einzeln alle diese Adern anzulöten, aber eine globale Verlötung verleiht dem Geflecht das gleiche Verhalten wie ein massiver Kupferstab.
Eines der Ziele der Erfindung ist es, eine Stromzuführung anzugeben, die möglichst geringe Verluste durch Foucault-Ströme besitzt. Hierzu sucht man die Abmessungen der metallischen Bereiche geringen Widerstands zu verringern, die in die Magnetfeldzonen eintauchen.
Erfindungsgemäß wird nun eine Stromzuführung für einen Wechselstrombetrieb vorgeschlagen, die eine außerhalb des Kryobereichs liegende Anlage mit einer im Kryobereich liegenden Anlage verbinden soll, wobei die Stromzuführung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus mehreren eine umgesetzte Struktur bildenden Adern besteht und jede Ader in an sich bekannter Weise (siehe EP-A-354 636) aus Fäden eines hochreinen Metalls gebildet wird, die in eine Matrix aus einer metallischen Legierung erhöhten Widerstands eingebettet sind.
Vorzugsweise ist die Ader verdrillt. Dadurch werden die Foucault-Verluste verringert.
Diese Ausführungsform gemäß einem Aufbau ähnlich dem des Supraleiters ergibt insbesondere die Möglichkeit, den Anschluß der Stromzuführung an den Supraleiter in mehrere Anschlüsse (beispielsweise Ader für Ader) mit kleineren Abmessungen zu zerlegen, um die Verluste durch Foucault- Ströme zu verringern.
Vorzugsweise beträgt der spezifische Widerstand des Metalls der Fäden bei Kryotemperatur weniger als 10&supmin;&sup9; Ωm, während die Metallegierung der Matrix einen spezifischen Widerstand bei Kryotemperatur größer als 10&supmin;&sup8; Ωm besitzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt das Ende einer Ader der erfindungsgemäßen Stromzu führung.
Figur 2 zeigt eine Stromzuführung in Form einer Litze von verdrillten Adern gemäß der Erfindung.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Stromzuführung in Form eines Geflechts.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Stromzuführung in Form eines Roebelstabs.
In Figur 1 ist das Ende einer Ader 1 gezeigt, die aus in eine Matrix 3 eingebetteten Fäden 2 besteht. Die Ader 1 ist vorzugsweise verdrillt und besitzt einen Durchmesser kleiner als 2 mm oder in der Größenordnung von 2 mm. Die Fäden sind aus sehr reinem Metall, beispielsweise aus Kupfer, und besitzen einen Durchmesser bis zu höchstens etwa 0,1 mm. Unter einem hochreinen Metall versteht man ein hinreichend reines Metall, daß es einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand bei Kryotemperatur erreicht. Anstelle von Kupfer könnte man auch Aluminium verwenden. Die Matrix besteht vorzugsweise aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, vorzugsweise mit 30 Massenprozent Nickel.
Man kann so eine Ader herstellen, deren Metall der Fäden bei Kryotemperatur einen spezifischen Widerstand von etwa 10&supmin;¹&sup0; µm besitzen, während die Metallegierung der Matrix bei Kryotemperatur einen spezifischen Widerstand von 4 10&supmin;&sup7; Ωm aufweist.
Die Ader wird mit ausreichend kleinem Durchmesser gewählt, um den Skineffekt zu verringern. Beispielsweise erhöht der Skineffekt in einer Ader mit einem Durchmesser von 2 mm und einem spezifischen Widerstand bei Gleichstrom von 10&supmin;¹&sup0; Ωm den effektiven spezifischen Widerstand im Fall eines sinusförmigen Wechselstroms einer Frequenz von 50 Hz um 8% im Vergleich zum Gleichstromwert. Als Vergleich hätte ein Stab von 20 mm Durchmesser und mit dem gleichen spezifischen Gleichstromwiderstand einen effektiven Widerstand bei 50 Hz, der siebenmal größer wäre.
Je höher die Betriebsfrequenz wird, umso wichtiger ist es, den Durchmesser der Ader zu verringern, um den Skineffekt in Grenzen zu halten. Der Bereich des spezifischen Widerstands der Matrix aus Kupfer-Nickel-Legierung ist einerseits hinreichend hoch, um die Foucault-Ströme zwischen den Fäden auf einen hinreichend kleinen Wert abzusenken und andererseits ausreichend niedrig, um die Transferverluste zwischen der Stromzuführung und dem Supraleiter in Grenzen zu halten, was mit einer isolierenden Matrix nicht möglich wäre.
Die Anzahl von zu kombinierenden Adern hängt vom zu transportierenden Strom ab. Die Adern stellen vorzugsweise einen transponierten Aufbau dar, in dem jede Ader sich von der Nachbarader durch einfache Translation entlang der Achse des Leiters ableitet.
Die Adern können zu Litzen um eine zentrale Ader herum zusammengefügt sein. In diesem Fall besitzt die zentrale Ader vorzugsweise einen hohen Widerstand (und ist aus Kupfer-Nickel-Legierung), da diese Ader nicht transponiert ist. Dadurch verringert man die Verluste durch Wärmeleitung, denn die Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Nickel-Legierung ist deutlich geringer als die von Kupfer.
Figur 2 zeigt einen Aufbau mit einer Litze aus verdrillten Litzen, wobei die aus den Adern 1 gebildeten Basislitzen verdrillt sind und die Stromzuführung bilden.
Die Adern können auch in Form eines Geflechts wie z.B. das Geflecht 5 in Figur 3 zusammengefügt sein. Die gleiche Geflechtstruktur kann auch auf der Basis von Litzen gebildet werden.
Ein anderer transponierter Aufbau ist in Figur 4 gezeigt. Hier handelt es sich um einen Roebelstab bestehend aus zwei Schichten von Adern oder Litzen, die schräg bezüglich der Achse des Stabs angeordnet sind. Wenn eine Ader oder eine Litze einer Schicht einen der Ränder des Stabs erreicht hat, kehrt er in der anderen Schicht zum zweiten Rand zurück usw.
Der Anschluß der erfindungsgemäßen Stromzuführung an einen Supraleiter kann erfolgen, indem ihre Enden über eine Länge von etwa 10 cm nebeneinander gelegt und dann so verlötet werden.
Die Herstellung der Adern der Stromzuführung kann auf dieselbe Art erfolgen wie die der supraleitenden Adern aus mehreren Drähten, d.h. durch aufeinanderfolgendes Heißpressen und Ziehen eines Rohlings bestehend aus Kupferelementen, die mit einer Kupfer-Nickel-Legierung umhüllt sind. Eine solche Ader kann zu einer Litze und mehrere Litzen können miteinander verdrillt werden usw., um den geometrischen Anschlußerfordernissen an den Supraleiter flexibel nachzukommen.
Um beispielsweise Stromzuführungen herzustellen, die einen Strom von 2000 A bewältigen, kann man von einem Kupferrohling mit 180 mm Durchmesser ausgehen, der von einer Hülle aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit 207 mm Durchmesser umgeben ist. Dieses Produkt wird durch Pressen und Ziehen zu einem hexagonalen Stab mit einem Abstand von 8,5 mm zwischen gegenüberliegenden Seiten umgewandelt, der dann in 421 Barren zerschnitten wird. Diese Barren werden in einem Körper aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit einem Durchmesser von 190/207 mm zusammengesetzt. Das Ganze wird gezogen, bis sich eine Ader eines kreisförmigen Querschnitts mit einem Durchmesser von 2 mm ergibt, die dann verdrillt wird. Eine solche Ader enthält 421 Fäden von 72 µm Durchmesser, deren Abstand von 11 µm durch die Kupfer-Nickel- Legierung gefüllt ist. In einer Ader werden also 58% des Volumens mit den Fäden gefüllt. Der spezifische Widerstand in Querrichtung beträgt 7 10&supmin;&sup8; Ωm und in Längsrichtung 1,7 10&supmin;¹&sup0; Ωm für ein thermisch gut vorbehandeltes Kupfermaterial mit einem spezifischen Widerstand von 10&supmin;¹&sup0; Ωm.
Dann verdrillt man das Ganze zu einer Litze mit sechs erfindungsgemäßen Adern um eine zentrale Ader aus einer Kupfer-Nickel-Legierung herum. Anschließend bildet man eine Sekundärlitze aus sechs solchen Primärlitzen und einem zentralen Stab aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, so daß sich insgesamt 42 Adern ergeben, von denen 36 für den Stromdurchgang verwendet werden.
In einer solchen Einheit beträgt der Leistungsverlust aufgrund der Foucault-Ströme in einem restlichen sinusförmigen Feld von 50 Millitesla Spitzenwert bei 50 Hz und für eine Länge der Verbindung von 10 cm 5 10&supmin;³ w gegenüber von 2,4W (360 kW/m³) für einen Leiter mit dem gleichen spezifischen Widerstand bestehend aus 36 Adern reinen Kupfers. Eine solche Höhe der Verluste (2,4 W) ist beachtlich und kann Grund für vorzeitige Übergänge in den nicht-supraleitenden Zustand in Höhe der Anschlüsse sein.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung besitzt einen hohen spezifischen Widerstand in Querrichtung und eine hohe Leitfähigkeit in Längsrichtung. Der Skineffekt ist sehr verringert. Die Erfindung führt zu einer erheblichen Einsparung an Kühlleistung und beseitigt einen heißen Punkt, der die Quelle eines Übergangs des Supraleiters in den normalleitenden Zustand sein kann.
Die Verbindung zwischen der Stromzuführung und dem Supraleiter kann eine Lötung vom Typ Blei-Zinn sein, oder das Ergebnis einer magnetischen Verformung.

Claims

1. Stromzuführung, um für Wechselstrombetrieb eine in einem außerhalb des Kryobereichs liegende Anlage mit einer Anlage zu verbinden, die sich im Kryobereich befindet, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Adern besteht, die einen transponierten Aufbau besitzen, und daß jede Ader (1) in an sich bekannter Weise aus Fäden (2) eines hochreinen Metalls besteht, die in eine Matrix (3) aus einer Metallegierung mit erhöhtem Widerstand eingebettet sind.

2. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adern (1) verdrillt sind.

3. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transponierte Aufbau eine Litze (4) ist.

4. Stromzuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens einer Litze von verdrillten Litzen besteht.

5. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transponierte Aufbau ein Geflecht (5) ist.

6. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transponierte Aufbau ein Roebelstab (6) ist.

7. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Fäden bei Kryotemperatur einen spezifischen Widerstand unter 10&supmin;&sup9; Ωm besitzt, während die metallische Legierung der Matrix bei Kryotemperatur einen spezifischen Widerstand größer als 10&supmin;&sup8; Ωm aufweist.

8. Stromzuführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Fäden Kupfer oder Aluminium ist, während die Metallegierung eine Kupfer-Nickel-Legierung ist.

9. Stromzuführung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Fäden höchstens 0,1 mm und der Durchmesser einer Ader höchstens 2 mm beträgt.