DE6925352U

DE6925352U - SUPRAL CONDUCTING CABLE FOR THREE-PHASE CURRENT

Info

Publication number: DE6925352U
Application number: DE6925352U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1969-12-04

Description

Die Neuerung betrifft ein supraleitendes Kabel für Drehetrom mit wenigstens drei innerhalb eines zur Kühlmittelführung dienenden Rohres angeordneten» zum Stromtraneport bestimmten Supraleitern.The innovation concerns a superconducting cable for rotating electricity with at least three »destined for the power transmission port, arranged within a pipe serving to guide the coolant Superconductors.

Es sind bereits supraleitende Drehstromkabel bekannt, bei denen wenigstens drei jeweils zur Portleitung einer Drehetromphase dienende Supraleiter innerhalb eines Rohres angeordnet sind, welches beim Betrieb des Kabels zur Führung des Kühlmittels dient, das zur Herbei-führung und Aufrechterhaltung rles supraleitenden Zustandee der Supraleiter erforderlich ist. Als Kühlmittel wird insbesondere flüssiges Helium verwendet, welches die Supraleiter umströmt und gleichzeitig zur elektrischen Isolation der Supraleiter gegeneinander dient. Als Material für das kühlmittelführende Rohr sind bei der Temperatur des Kühlmittels elektrisch normalleitende Metalle, beispielsweise Stahl vorgesehen (Aufsatz von P.A. Klaudy in "Elektrotechnische Zeitschrift", Ausgabe A, Bd. 89 (1968), Seiten 325 bis 330). Der Durchmesser der drei Supraleiter, die wegen der geringen Eindringtiefe des Stromes in das Supraleitermaterial zweckmäßigerweise rohrförmig ausgebildet werden, ist bestimmt durch die maximale magnetische Feldstärke an der Oberfläche der Supraleiter, die zulässig ist, ohne daß die Supraleiter vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergehen. Diese magnetische Feldstärke wird als kritische Feldstärke bezeichnet und "beträgt beispielsweise bei Supraleitern aus Niob etwa 1000 "bis 1200 A/cm. Der Abstand der drei Supraleiter untereinander ist bestimmt durch die Durchschlagafeldstärke des flüssigen Kühlmittels bei der vorgesehenen Betriebsspannung, die beispielsweise 20 bis 30 kV betragen kann, und bei der auf-There are already superconducting three-phase cables known in which at least three each to the port line of a rotating trumpet phase Serving superconductors are arranged within a tube, which during operation of the cable for guiding the coolant serves, which is necessary to bring about and maintain the superconducting state of the superconductor. In particular, liquid helium is used as the coolant, which flows around the superconductor and at the same time serves to electrically isolate the superconductors from one another. As a material for the coolant-carrying pipe are normally electrically conductive metals at the temperature of the coolant, for example Steel provided (article by P.A. Klaudy in "Elektrotechnische Zeitschrift", Edition A, Vol. 89 (1968), pages 325 to 330). The diameter of the three superconductors, which are expediently tubular because of the low penetration depth of the current into the superconductor material, is determined by the maximum magnetic field strength on the surface of the superconductor that is permissible without the superconductor changing from the superconducting to the electrically normal conducting state. This magnetic field strength is referred to as the critical field strength and is, for example, in the case of superconductors made of niobium about 1000 "to 1200 A / cm. The distance between the three superconductors is determined by the breakdown field strength of the liquid coolant at the intended operating voltage, which can be, for example, 20 to 30 kV, and at the

.:..'..- ·,.·■.'. ,· PLA 69/1008 — 2. — .: ..'..- ·,. · ■. '. , · PLA 69/1008 - 2. -

grund der geometrisahen Anordnung der Supraleiter auftretenden Feldkonfiguration. Da die drei in verhältnismäßig geringem Abstand voneinander angeordneten Supraleiter beim Betrieb des Kabels von Wechselströmen durchflossen werden, treten in der Umgebung der Leiter magnetische Weohselfeider auf. Diese Wechselfelder dringen in das die Supraleiter umgebende, zur Kühlmittelführung dienende, aus elektrisch normalleitendem Metall bestehende Rohr ein und erzeugen dort Wirbelstromverluste. Die durch diese Wirbelstromverluste erzeugte Verlustwärme ist zwar wegen der niedrigen Temperatur, auf welcher sich das Rohr befindet, verhältnismäßig klein. Jedoch ist zur Abfuhrung dieser Verluste durch das Kühlmittel, welches das Rohr durchströmt, ein Leistungsaufwand der außerhalb des Kabels befindlichen Kühlanlage erforderlich, der etwa das 500- bis 100Ofache der durch die Wirbelströme erzeugten Verlustwärme beträgt.due to the geometrical arrangement of the superconductors Field configuration. Since the three superconductors, which are arranged at a relatively short distance from one another, are used during operation of the If alternating currents flow through cables, magnetic Weohselfeider occur in the vicinity of the conductors. These alternating fields penetrate into the metal that surrounds the superconductor and is used to guide the coolant A pipe and generate eddy current losses there. The heat loss generated by these eddy current losses is due to the low temperature at which the pipe is relatively small. However, it is necessary to discharge these losses a performance expense due to the coolant flowing through the pipe the cooling system located outside the cable is required, which is about 500 to 100O times that of the Eddy currents generated heat loss is.

Auch durch koaxiale, konzentrische Anordnung der drei zur Stromführung bestimmten Supraleiter lassen sich die Wirbelstromverluste in dem die Supraleiter umgebenden Kühlmittelrohr nicht vermeiden, da das durch den im äußersten Leiter fließenden Strom erzeugte magnetische Wechselfeld im Kühlmittelrohr in voller Stärke wirksam ist. Auch durch Unterbringung einer größeren Zahl von aus je drei Supraleitern bestehenden Drehstromsystemen in einem einzigen Kühlmittelrohr können die in das Kühlmittelrohr eindringenden resultierenden magnetischen Wechselfelder nur verkleinert aber keineswegs beseitigt werden. Außerdem erfordert eine solche Kabelausführung wegen des großen Durchmessers des KühliJiittelrohres einen erheblichen Aufwand.Eddy current losses can also be reduced by the coaxial, concentric arrangement of the three superconductors intended for carrying current not in the coolant tube surrounding the superconductor Avoid, as the magnetic alternating field generated by the current flowing in the outermost conductor in the coolant pipe is in full Strength is effective. Also by accommodating a larger number of three-phase systems, each consisting of three superconductors a single coolant tube can put into the coolant tube penetrating resulting alternating magnetic fields are only reduced but in no way eliminated. Also requires Such a cable design requires considerable effort because of the large diameter of the cooling tube.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem supraleitenden Kabel für Drehstrom mit wenigstens drei innerhalb eines zur Kühlmittelführung dienenden Rohres angeordneten., zum Stromtransport bestimmten Supraleitern die Wirbelstromverluste in dem zur Kühlmittelführung dienenden Rohr zu vermeiden.The innovation is based on the task of a superconducting cable for three-phase current with at least three within one arranged for the coolant conduction serving pipe., for current transport certain superconductors to avoid eddy current losses in the pipe used to conduct the coolant.

Dies wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß an der Innenseite des zur Kühlmittelführung dienenden Rohres eine die Supraleiter umgebende magnetische Abschirmung aus Supraleitermaterial vorgesehen ist.This is achieved according to the invention that on the inside of the pipe used for guiding the coolant, a magnetic shielding made of superconductor material surrounding the superconductor is provided.

69/1008 - 3 -69/1008 - 3 -

Durch dieae magnetische Abschirmung aus Supraleitermaterial, die durch das im kühlmittelführenden Rohr "befindliche Kühlmittel gekühlt wird, werden die beim Betrieb des Kabele auftretenden magnetischen Wechselfelder aus dem Inneren des kühlmittelführenden Rohres ferngehalten und somit die Entstehung von Wirbelstromverlusten innerhalb des Rohres vermieden.Due to the magnetic shielding made of superconductor material, which is cooled by the coolant in the coolant pipe " the alternating magnetic fields that occur during the operation of the cable from the interior of the coolant-carrying Pipe kept away and thus the formation of eddy current losses within the pipe avoided.

Durch die am 15.2.1967 bekanntgemachte österreichische Patentanmeldung A 6774/65 ist zwar bereits ein supraleitendes Kabel mit zwei einander umhüllenden, durch eine Isolierschicht voneinander getrennten Schichten aus supraleitendem Material bekannt, bei dem die äußere supraleitende Schicht als ein den von der inneren supraleitenden Schicht gebildeten Stromleiter abschirmender Mantel aus weichem supraleitenden Material ausgebildet ist. Bei diesem bekannten Kabel handelt es sioh jedoch nicht um ein Drehstromkabel. Außerdem dient der abschirmende Mantel nicht zur Verhinderung von Wirbelstromverlusten in einem den Supraleiter umgebenden Kühlmittelrohr sondern zu? Abschirmung des supraleitenden Stromleiters gegen von außen auf das Kabel einwirkende Magnetfelder.Through the Austrian patent application published on February 15, 1967 A 6774/65 is already a superconducting cable with two enveloping one another through an insulating layer separate layers of superconducting material known, in which the outer superconducting layer as one of the inner superconducting layer formed current conductor shielding jacket made of soft superconducting material. However, this known cable is not a three-phase cable. In addition, the shielding jacket is not used for Prevention of eddy current losses in a coolant tube surrounding the superconductor but rather? Shielding the superconducting Conductor against external magnetic fields acting on the cable.

Die magnetische Abschirmung kann beim supraleitenden Kabel gemäß der Neuerung dadurch bewirkt werden, daß das gesamte zur Kühlmittelführung dienende Rohr aus Supraleitermaterial besteht. Das zur Kühlmittelführung dienende Rohr kann aber auch aus einem bei der Temperatur des Kühlmittels nicht supraleitenden Material bestehen und an seiner Innenseite mit einem Abschirmbelag aus Supraleitermaterial versehen sein. Der Abschirmbelag kann dabei eine zusammenhängende Schicht bilden, die beispielsweise auf die Innenseite des Kühlmittelrohres aufplattiert oder aufgespritzt sein kann. Bei einer anderen Ausführungsform des supraleitenden Kabels kann der Abschirmbelag netzartig ausgebildet sein und beispielsweise aus einem Gitter oder Geflecht aus Drähten oder Bändern aus Supraleitermaterial bestehen.The magnetic shielding in the case of the superconducting cable can according to the innovation are brought about by the fact that the entire pipe serving to guide the coolant consists of superconductor material. The However, the pipe used for guiding the coolant can also consist of a material that is not superconducting at the temperature of the coolant and be provided on its inside with a shielding covering made of superconductor material. The shielding coating can Form a coherent layer that is plated or sprayed onto the inside of the coolant tube, for example can be. In another embodiment of the superconducting cable, the shielding covering can be configured in the manner of a network and For example, consist of a grid or mesh made of wires or strips of superconducting material.

Als Supraleitermaterial für die Abschirmung wird vorzugsweise ein Supraleitermaterial mit möglichst kleinen Wechselstromverlusten, also insbesondere sogenanntes Typ I-Supraleitermaterial, vorgesehen. Besonders geeignet sind di* Metalle Niob und Blei,The superconductor material for the shield is preferably a superconductor material with the smallest possible alternating current losses, so in particular so-called type I superconductor material, intended. Di * metals niobium and lead are particularly suitable,

PLA 69/1008PLA 69/1008

die vorzugsweise in hoher Reinheit Verwendung finden können.which can preferably be used in high purity.

Anhand einiger Figuren und Baispiele soll die Neuerung noch näher erläutert werden.The innovation will be explained in more detail using a few figures and examples.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines supraleitenden Kabels gemäß der Neuerung im Querschnitt, Figuren 2 und 3 zeigen den inneren Teil zweier weiterer Ausführungsformen eines supraleitenden Kabels gemäß der Neuerung im Querschnitt.Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a superconducting Cable according to the innovation in cross section, Figures 2 and 3 show the inner part of two further embodiments of a superconducting cable according to the innovation in cross section.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten supraleitenden Kabel sind drei rohrförmig ausgebildete Supraleiter 1 bis 3 zur Fortleitung der einzelnen Drehstromphasen vorgesehen. Sie Supraleiter können beispielsweise aus hochreinem Blei bestehen, das auf Trägerrohre 4- bis 6 aus Aluminium oder Kupfer aufgebracht ist. Me Supraleiter 1 bis 3 sind von einem Rohr 7 umgeben, welches aus Supraleitermaterial, beispielsweise aus hochreinem Blei, besteht und beim Betrieb des Kabels vom flüssigen Helium durchströmt wird. Auch die Trägerrohre 4· bis 6 der Supraleiter 1 bis 3 können von flüssigem Helium durchströmt werden. Der Abstand der Supraleiter 1 bis 3 vom Rohr 7 ist so groß gewählt, daß die maximale beim normalen Betrieb des Kabels an der Innenseite des Rohres 7 auftretende magnetische Feldstärke so weit unterhalb der kritischen Feldstärke des Supraleitermaterials des Rohres 7 liegt, daß die Abschirmung der magnetischen Wechselfelder durch das Rohr 7 praktisch verlustfrei erfolgt. Bei Verwendung von hochreinem Blei sollte die magnetische Feldstärke an der Innenseite des Rohres 7 einen Wert von 300 bis, 4-00 A/cm nicht überschreiten. Die kritische Feldstärke des Bleis liegt dagegen bei etwa 600 A/cm. Die durch die Ströme in den Supraleitern 1 bis 3 hervorgerufenen magnetischen Wechselfelder dringen nur in eine sehr dünne Oberflächenschicht des Rohres 7 ein und werden vom übrigen Material des Rohres 7 abgeschirmt. Magnetische Felder von mehr als 4-00 A/cm sollten an der Innenseite des Bleirohres 7 vermieden werden, da in der Nähe der kritischen Feldstärke wegen der Ungleichmäßigkeiten im Kristallgitteraufbau uie Magnetisierung des Bleis nicht völlig reversibel erfolgt und dadurch Wechselstromverluste auftreten können. Bei Verwendung von Niob für das Rohr 7 sind höhere In the superconducting cable shown in Fig. 1, three tubular superconductors 1 to 3 are used to carry the individual three-phase phases provided. The superconductors can be made of high-purity lead, for example, on support tubes 4 to 6 made of aluminum or copper is applied. Me superconductor 1 to 3 are surrounded by a tube 7, which consists of superconductor material, for example high-purity lead, and liquid helium flows through the cable during operation. The carrier tubes 4 to 6 of the superconductors 1 to 3 can also be from liquid helium are flowed through. The distance between the superconductors 1 to 3 from the pipe 7 is chosen so that the maximum at normal operation of the cable on the inside of the tube 7 occurring magnetic field strength so far below the critical The field strength of the superconductor material of the tube 7 is such that the shielding of the alternating magnetic fields by the tube 7 takes place practically without loss. When using high-purity lead, the magnetic field strength on the inside of the pipe should be 7 Do not exceed a value of 300 to, 4-00 A / cm. The critical one The field strength of the lead, on the other hand, is around 600 A / cm. Those caused by the currents in superconductors 1 to 3 alternating magnetic fields only penetrate a very thin surface layer of the pipe 7 and are shielded from the rest of the material of the pipe 7. Magnetic fields greater than 4-00 A / cm should be avoided on the inside of the lead pipe 7 because it is close to the critical field strength because of the irregularities in the crystal lattice structure uie magnetization of the lead does not take place completely reversibly and alternating current losses can occur as a result. When using niobium for the tube 7 are higher

• ν · - · * ν 4• ν · - · * ν 4

;_: 69/1008; _: 69/1008

magnetische Feldstärken zulässig. Das Rohr 7 ist yon einem vakuumdichten Metallmantel 8, beiopielsweise aus Edelstahl, umgeben. Der ringförmige Raum 9 zwischen dem Rohr 7 und dem Mantel 8 ist beim 3etrieb des supraleitenden Kabels zum Zwecke der thermischen Isolation evakuiert. Innerhalb des ringförmigen Raumes 9 ist ein aus gut wärmeleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, bestehender Strahlungsschild 10 vorgesehen, der mit Metallrohen 11 gut wärmeleitend verbunden ist. Zur Kühlung des ι Strahlungssohildee 10 wird beim Betrieb des Kabele durch diemagnetic field strengths permitted. The pipe 7 is one of them vacuum-tight metal jacket 8, beiopielweise made of stainless steel, surrounded. The annular space 9 between the tube 7 and the jacket 8 is evacuated during operation of the superconducting cable for the purpose of thermal insulation. Inside the annular Space 9 is made of a highly thermally conductive metal, for example Copper, existing radiation shield 10 is provided, which is connected to metal pipes 11 with good thermal conductivity. To cool the ι Strahlungssohildee 10 is when operating the cable by the

! Rohre 11 beispielsweise flüssiger Stickstoff geleitet.! Tubes 11 passed for example liquid nitrogen.

: Figur 2 zeigt den inneren Teil einer Ausführungsform eines eupra-'■ leitenden Kabels, bei welcher das zur Kühlmittelführung dienende ': Figure 2 shows the inner part of an embodiment of a eupra- '■ conductive cable, in which the' used to guide the coolant '

^! Rohr 21 aus einem bei der Temperatur des Kühlmittels nicht supra- ^! Tube 21 made of a not super-

- leitendem Material besteht. Zur Abschirmung ist das Rohr 21 an- is made of conductive material. The tube 21 is on for shielding

J seiner Innenseite mit einem Absohirmbelag 22 aus Supraleiter-J on its inside with an Absohirmbelag 22 made of superconductor

^: material versehen. Als Supraleitermaterial für den Belag 22 kom- ^: material provided. As a superconductor material for the covering 22,

; men insbesondere wiederum Blei und Niob in Frage. Das Rohr 21 kann; men in particular lead and niobium in question. The tube 21 can

beispielsweise aus bei der Temperatur des Kühlmittels normallei- ! tendem Metall wie Aluminium oder auch aus Kunststoff bestehen.for example from normal at the temperature of the coolant ! Tendent metal such as aluminum or made of plastic.

Fig. 3 zeigt den inneren Teil einer Ausführungsform des supraleitenden Kabels, bei welcher die supraleitende Abschirmung an der Innenseite des kühlmittelfuhr enden Rohres 31 aus einem Gritter von supraleitenden Niob- oder Bleidrähten 32 besteht. Gegenüber den anderen Ausführungsformen kann bei dieser Ausführungsform der supraleitenden Abschirmung Supraleitermaterial gespart werden. Das Rohr 31 kann aus elektrisch normalleitendem Metall, beispielsweise nichtmagnetisehöm Stahl, bestehen.Fig. 3 shows the inner part of an embodiment of the superconducting cable in which the superconducting shield is displayed the inside of the coolant-conveying tube 31 ends in a grid of superconducting niobium or lead wires 32. Compared to the other embodiments, in this embodiment, the superconducting shielding superconductor material can be saved. The tube 31 can be made of normally electrically conductive metal, for example non-magnetic steel.

Die Supraleiter 1 bis 3 bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 entsprechen den Supraleitern bei der Ausführungsform nach Fig.The superconductors 1 to 3 in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 correspond to the superconductors in the embodiment according to FIG.

7 Schutzansprüohe 3 Figuren7 claims for protection 3 figures

Claims

: PLA 69/1008 protection claims

1. Superconducting cable for three-phase current with at least three inside A superconductor designed to transport electricity and arranged to conduct coolant, characterized in that, that on the inside of the pipe (7) serving for the coolant conduction a magnetic one surrounding the superconductors (1 to 3) Shielding made of superconductor material provided

2. Superconducting cable according to claim 1, characterized in that the entire pipe (7) serving to guide the coolant Superconductor material consists of ^ /

3. Superconducting cable according to claim 1, characterized in that the pipe (21) serving to guide the coolant consists of a material which is not superconductive at the temperature of the coolant and is provided on its inside with a shielding coating (22) made of superconductor material γ

4. Superconducting cable naoh claim 3, characterized in that the shielding coating (22) forms a cohesive layer.

5. Superconducting cable naoh claim 3, characterized in that the shielding coating (32) is formed like a network

6. Superconducting cable according to one of claims 1 to 5, characterized in that as the superconductor material for the shield a superconductor material with the smallest possible alternating current losses is provided.

7. Superconducting cable according to claim 6, characterized in that one of the metals is used as the superconductor material for the shielding Niobium and lead is provided.