DE69601875T2 - Elektrische leiter und kabel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft elektrische Leiter zur Verwendung in Kabeln und insbesondere in Energiekabeln mit Leitern, die Material aufweisen, das bei der Betriebstemperatur des Kabels supraleitend ist, und die im folgenden kurz "supraleitende Kabel" genannt werden. Primär betrifft sie supraleitende Leiter für keramische supraleitende "Hochtemperatur"-Materialien aufweisende Kabel mit einer Betriebstemperatur über 15 K. Außerdem betrifft sie die Kabel, in denen solche Leiter zum Einsatz kommen.
• Um ausreichende Suprastromtragfähigkeit in solchen Leitern zu erzielen, müssen sie aus mehreren Elementarsupraleitern hergestellt sein, die normalerweise die Form flacher Bänder haben und gewöhnlich ein abgeflachtes Silberrohr aufweisen, das Teilchen der supraleitenden Keramik enthält, die anisotrop sind und mit ihren Hauptflächen möglichst parallel zu den flachen Oberflächen des Bands ausgerichtet sein sollten. Normalerweise sind diesen Bändern Kupferträger zugeordnet, die in erster Linie konstruktiv stützend wirken und einen alternativen Stromweg mit angemessen niedrigem Widerstand für den Fall bilden, daß ein kleiner Abschnitt des Supraleiters seine supraleitende Beschaffenheit wegen einer lokalisierten hohen Temperatur oder eines Magnetfelds (oder anderer Gründe) verliert.
• Bisher werden in der Praxis normalerweise die Elementarsupraleiterbänder mit den Kupferträgern massiv durch Hartlöten oder Löten verbunden, was nicht nur Herstellungskosten nach sich zieht, sondern auch einen Verbundleiter erzeugt, der relativ steif und beim Biegen beschädigungsanfällig ist. Die EP-A-0451864 schlägt u. a. die Verwendung metallischer oder nichtmetallischer hohler Träger vor, in denen die Bänder unterzubringen sind und an denen sie durch einen Klebstoff oder durch Umbandelung befestigt sein können; allerdings müs sen auch bei Verwendung eines nichtklebenden Befestigungsbands die Stütze und die Bänder so in gegenseitigen "Verbund" gebracht werden, daß sie sich bei Wärmedehnung und -schwund in einem Stück bewegen.
• Im Rahmen der Erfindung wurde nunmehr festgestellt, daß es nicht notwendig ist, den Kontakt zwischen den Bändern und dem Kupferträger an jedem Punkt ihrer Länge beizubehalten, und daß ein robuster und wirksamer Leiter ohne massive Verbindung zwischen den Bändern und dem Träger hergestellt sein kann.
• Erfindungsgemäß weist ein Leiter für ein supraleitendes Kabel einen hohlen Kupferträger mit mindestens einem darin untergebrachten Elementarsupraleiterband auf, dadurch gekennzeichnet, daß das Band lose so untergebracht ist, daß eine Relativbewegung gegenüber dem Kupferträger mindestens in Breitenrichtung des Bands erfolgen kann.
• Zum Maximieren des Kontakts zwischen dem Band und dem Kupferträger sowie zwischen einem Band und einem weiteren, wenn mehr als eines vorhanden ist, ist bevorzugt, daß eine wesentliche Relativbewegung nur in dieser Richtung erfolgen kann, wenn der Leiter endenabgeschlossen ist, aber eine gewisse Bewegungsfreiheit in Dicken- und/oder Längenrichtung des Bands (der Bänder) nicht ausgeschlossen und Bewegungsfreiheit in Längenrichtung des Bands beim Einbau des Leiters in ein Kabel wünschenswert ist.
• Eine lokalisierte Verbindung des Bands (der Bänder) mit dem Kupferträger ist nicht ausgeschlossen, sofern die erforderliche Bewegung für einen großen Anteil seiner Länge verfügbar ist; sie ist jedoch mit Ausnahme der Stellen nicht empfohlen, an denen externe Anschlüsse hergestellt werden.
• Der hohle Kupferträger kann einen geschlossenen Querschnitt (ein Rohr) oder einen offenen (einen Kanal) haben, sollte sich aber vorzugsweise um mindestens drei Seiten des Bands (der Bänder) erstrecken. Ist er anfangs offen, kann er ganz oder teilweise geschlossen werden, indem seine Form geändert oder ein gesondertes Verschlußteil nach Zusammenbau mit dem Band (den Bändern) zugegeben wird. Vorzugsweise hat der Kupferträger mindestens eine flache Innenfläche, die zu einer der flachen Flächen des (oder eines) Bands weist, um eine Flächenkontaktgelegenheit vorzusehen.
• Zur maximalen Wirksamkeit sind der Träger und ein etwaiges gesondertes Verschlußteil vorzugsweise vollständig aus Kupfer hergestellt, wobei aber der Einschluß anderer Materialien (je nach Bedarf z. B. rostfreier Stahl zur mechanischen Unterstützung oder Zinn zum leichteren Löten) zulässig ist und in manchen Fällen ein Verschlußteil völlig nichtleitend sein könnte.
• Kühlanforderungen begrenzen den akzeptablen Querschnitt; und zum Einsatz in einem Kabel praktischer Tragfähigkeit ist es normalerweise notwendig, mehrere der beschriebenen Leiter zusammenzubauen. Vorzugsweise haben sie außen eine Form (oder Formen), die längs oder vorzugsweise mit einem Spiralschlag zusammengebaut werden kann, um einen rohrförmigen Gesamtleiter ohne oder mit Einsatz einer gesonderten zylindrischen Innenstütze zu bilden. Zur Verwendung mit einer Stütze können die Kupferträger trapezförmig oder Segmente eines Zylinders sein (oder sie können quadratisch oder rechteckig sein, wenn die zusammenzubauende Anzahl ausreichend groß ist). Zur Verwendung ohne Stütze sind diese Grundformen vorzugsweise abgewandelt, um ineinandergreifende Gebilde auf den aneinandergrenzenden Oberflächen benachbarter Kupfersegmente zu bilden: Beispielsweise kann eine Fläche jedes Trägers mit einem Vorsprung und seine gegenüberliegende Fläche mit einer entsprechenden Nut gebildet sein, oder (wenn die Anzahl zusammenzubauender Träger geradzahlig ist) die Hälfte der Kupferträger kann Vorsprünge und die andere Hälfte Nuten auf den beiden Flächen haben, die an die andere Trägerart nach Zusammenbau angrenzen.
• Zum Einsatz kann jedes der mehreren bekannten keramischen Supraleitermaterialien kommen; derzeit ist "BSCCO"- Supraleiter der Formel Bi2-xPbxSr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1; O-δ bevorzugt, worin δ kleiner als 1 ist, wobei dies eher durch bessere Verfügbarkeit als durch besondere technische Vorzüge begründet ist. Die Erfindung könnte mit Elementarsupraleiterbändern aus metallischem Material (z. B. aus Nb&sub3;Sn) verwendet werden.
• Beim Einsatz keramischer supraleitender Materialien ist bevorzugt, sie durch ein "Pulver-im-Rohr"-Verfahren zu Bändern auszubilden, wobei ein Silberrohr mit dem supraleitenden Material (oder einem Vorläufer, der durch anschließende Wärmebehandlung supraleitend gemacht werden kann) gepackt und das Rohr danach zu einem Band mit wesentlich kleinerem Querschnitt durch ein Verfahren umgewandelt wird, das Ziehen, Gesenkformen, Längswalzen, Querwalzen, Schrägwalzen und/oder Stufenpressen aufweist. Die letzten drei Verfahren, insbesondere Walzen und Schrägwalzen, sind bevorzugt, da sie einen höheren Grad der Teilchenausrichtung als Ziehen oder Gesenkformen haben.
• Bei derzeitiger Supraleiterbandtechnik liegt die Anzahl von Elementarsupraleiterbändern, die in einen Träger eingefügt sind, voraussichtlich etwa im Bereich von 5 bis 20. Ist der Kupferträger offen und variieren die Eigenschaften der verfügbaren Bänder (was bei derzeitigen Supraleiterbändern aus Vorserien- bzw. Pilotproduktion der Fall ist), ist bevorzugt, Bänder mit den höchsten kritischen Stromdichten (Jc- Werten) für Stellen auszuwählen, die der Basis des Kupferträgers am nächsten sind, da Bänder in dieser Position einen disproportionalen Anteil von Stoßströmen beim Auftreten von Fehl- oder Schaltzuständen führen können.
• Vorzugsweise sind die Bänder zu einem oder mehr als einem Bündel vormontiert, um das Einsetzen in den Kupferträger zu erleichtern; solche Bündel können durch eine geschlossene oder offene Bewicklung aus dünnem flexiblem Kupfer- (oder Silber-) Band oder durch eine offene Bewicklung aus einem geeigneten Kunststoffmaterial befestigt sein.
• Das erfindungsgemäße Kabel weist mindestens zwei Leiter gemäß der Beschreibung und eine Einrichtung zu ihrem elektrischen Isolieren voneinander und Wärmeisolieren von der Umgebung auf (und ist in einer Installation einer Einrichtung zum Kühlen mindestens der Leiter auf eine Arbeitstiefsttemperatur zugeordnet). Vorzugsweise sind mindestens zwei rohrförmige Gesamtleiter der beschriebenen Art konzentrisch um einen mittleren Kühlmittelkanal angeordnet.
• Bevorzugte elektrische Isoliermaterialien sind Papier (allgemein der Praxis von Energiekabeln mit ölimprägniertem Papier folgend, aber mit einem Isoliergas (oder Flüssiggas) und nicht Öl als Imprägniermittel). Das gleiche Isoliergas (oder Flüssiggas) kann auch als Kühlmittel dienen.
• Im folgenden wird die Erfindung als Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 bis 5 jeweils einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Leiter; und
• Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kabel.
• Fig. 1 zeigt eine Grundform eines erfindungsgemäßen Leiters mit einem Kupferträger 1 mit U-Querschnitt und rechtwinkliger Gesamtform, in dem ein Bündel 2 aus supraleitenden Element arbändern 3 lose untergebracht ist, die von einer offenen Spiralbewicklung 4 aus Polyimid- (Kapton®-) Garn oder Polyaramid- (Kevlar -) Band eingeschlossen sind. Im Kupferträger wird das Bündel durch eine ähnliche Gesamtbewicklung 5 unverlierbar festgehalten, die aber dem Bündel Bewegungsfreiheit in der Größenordnung von 0,5 mm in Breitenrichtung des Bands läßt (waagerecht parallel zur Papierebene der Zeichnung). Durch die Elastizität und relativ geringe Spannung der Bewicklung 4 sind auch vergleichbare Relativbewegungen zwischen den einzelnen Elementarsupraleitern in gleicher Richtung möglich. In anderen Richtungen liegt keine wesentliche Bewegungsfreiheit vor. Obwohl zur Vereinfachung nur vier Bänder gezeigt sind, sind auch größere Anzahlen erwogen.
• In einer ersten und zweiten (nicht gesondert dargestellten) Abwandlung sind die Bewicklung 4 und/oder die Bewicklung 5 jeweils durch ein dünnes flexibles Kupferband ersetzt, das bei Bedarf ausreichend breit sein kann, um das Bündel oder gegebenenfalls das Bündel und den Kupferträger vollständig einzuschließen; in diesem Fall besteht die Möglichkeit, das Kupferband längs statt spiralförmig aufzubringen.
• Fig. 2 zeigt eine Reihe von Abwandlungen, die unabhängig voneinander zum Einsatz kommen können: Erstens sind die Bänder 3 senkrecht statt waagerecht im Kupferträger 1 positio niert (und sind ohne das optionale Bündelband gezeigt); zweitens ist die offene Seite des Kupferträgers 1 mit U-Querschnitt durch einen Kupferstreifen 6 geschlossen, der durch Nahtschweißen oder Punktschweißen befestigt ist, um einen Kupferträger mit geschlossenem hohlem Querschnitt zu bilden (nahtlose geschlossene Hohlquerschnitte können ebenfalls zum Einsatz kommen, wobei aber das Einsetzen der Bänder schwierig ist); und drittens sind die Seitenflächen des Kupferträgers geneigt, um ihm eine Trapezschnittform zu verleihen und den Einbau in einen eng anliegenden rohrförmigen Gesamtleiter zu erleichtern; zu beachten ist, daß die Innenseitenflächen 8 senkrecht bleiben, damit ein Flächenkontakt mit den Bändern 3 vorliegen kann.
• Auch Fig. 3 zeigt eine Anzahl unabhängig voneinander einsetzbarer Abwandlungen: Mehr als ein Bündel 2 aus Bändern ist verwendet; die Seiten des Kupferträgers sind mit potentiell ineinandergreifenden Gebilden 9 (eine Rippe) und 10 (eine Nut) ausgebildet, damit ein selbststützender rohrförmiger Gesamtleiter gebildet werden kann; und die Bodenfläche 11 des Kupferträgers ist konkav gewölbt, damit sie sich an die beabsichtigte glatte Seele eines solchen Gesamtleiters anpaßt.
• Fig. 4 zeigt, wie ein Kupferträger 1, der anfangs die mit punktierten Linien bezeichnete Form hat, nach Einsetzen der Bänder 3 verformt werden kann (z. B. durch Walzen), um sie ohne Einsatz anderer Komponenten unverlierbar zu befestigen.
• In Fig. 5 ist eine alternative Befestigungsart des Bündels 2 unter Verwendung eines gesonderten Kupferverschlußteils 12 gezeigt, das anfangs gewölbt ist, aber abgeflacht wird, um in Nuten 13 im Hauptkupferträger 1 einzutreten. Außerdem zeigt sie eine alternative Form für die Rippe 9 und Nut 10 und veranschaulicht, daß die Wölbung der Oberfläche 11 konvex sein kann, um Teil der Außenfläche eines glatten rohrförmigen Leiters zu bilden.
• Fig. 6 ist ein schematischer Querschnitt durch ein komplettes erfindungsgemäßes Kabel. Es weist einen konzentrischen rohrförmigen Innen- und Außengesamtleiter 14 bzw. 15 auf. Der Innenleiter 14 ist spiralförmig auf eine offene rostfreie Stahlspirale 16 gelegt und durch sie gestützt und weist zweiunddreißig Leiter 17 der Form gemäß Fig. 1 auf, wobei jeder Leiter einen Kupferquerschnitt von 15 mm² hat und zehn silberplattierte BSCCO-Elementarsupraleiter mit je 3 mm Breite und 0,2 mm Dicke einschließt und im Mittel einzelne kritische Stromwerte (Ic) von etwa 10 A bei 77 K und etwa 40 A bei 40 K unter Eigenfeldbedingungen in jedem Fall hat, was kritischen Stromdichtewerten (Jc) von etwa 8 kA/cm² bzw. 32 kA/cm² entspricht.
• Eingeschlossen ist der Innenleiter 14 in einem Leiterschirm bzw. einer inneren Leitschicht 18 mit drei kohlenstoffbeladenen Papieren und einem Duplexpapier (mit Lagen aus kohlenstoffbeladenen und Isolierpapierarten, die im Papierherstellungsverfahren belegt und miteinander verbunden werden, wobei die kohlenstoffbeladene Lage zu den kohlenstoffbeladenen Papierbändern weist), einer Isolation 19 mit vierunddreißig Isolierpapierbändern in einer Gesamtdicke von 5 mm und einem dielektrischen Schirm 20 mit einem weiteren Duplexpapierband und einem kohlenstoffbeladenen Papierband, wobei der gewöhnlichen Praxis für Kabel mit imprägnierter Papierisolierung gefolgt wird.
• Der äußere Gesamtleiter 15 ist spiralförmig direkt über dem dielektrischen Schirm aufgebracht und weist zweiunddreißig der in Fig. 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Leiter (hier mit der Bezugszahl 21) und sechs leere Kupferträger auf (im gleichmäßigen Abstand über den Umfang, um die Schicht zu vervollständigen und dabei die Anzahl von Leitern und ihre Abmessungen in beiden rohrförmigen Leitern gleich zu halten) und ist von einem Außenschirm 22 aus drei kohlenstoffbeladenen und einem Duplexpapier sowie einer Außenisolation 23 umgeben, die aus zwanzig Isolierpapierbändern wiederum mit einer Gesamtdicke von 5 mm besteht (einzelne Papierbänder sind dicker als in der ersten Isolierschicht).
• Der übrige Außenteil des Kabels ist herkömmlich und weist auf: einen Kupferwellenmantel 24, der von einer "Supraisolation" 25 (Wärmeisolierung auf der Grundlage von metallisierten Folien unter Vakuum) umgeben ist, weitere konzentrische Kupferrohre 26 und 27, die einen Außenkühlmit telkanal 28 bilden (der durch nicht gezeigte Abstandhalter beibehalten wird), eine weitere Schicht aus Supraisolation 29 sowie einen Außenmetallmantel 30.
• Das Kabel ist durch (z. B.) Heliumgas zu kühlen, das in den mittleren Kühlmittelkanal mit einer Temperatur von etwa 25 K eintritt und sich bis auf etwa 58 K erwärmt, bis es das andere Kabelende erreicht, aus dem es über den äußeren Kühlmittelkanal 28 zurückströmt, in dem es bis auf höchstens etwa 230 K weiter erwärmt wird, bevor es zur Kühlanlage zur Wiederverwendung zurückfließt.
• Eine kurze Modellkabellänge wurde gemäß Fig. 6 mit der Ausnahme hergestellt, daß keine leeren Träger im Außenleiter verwendet wurden (so daß die Tragfähigkeit des Außenleiters größer als die des Innenleiters war), der äußere Teil (beginnend vom Mantel 24) weggelassen war und die Gesamtheit in einen großen Kryobehälter eingetaucht wurde. Endenabschlüsse wurden (vor Eintauchen) durch lokales Verlöten der Bänder miteinander und mit den Kupferträgern mit einer Legierung aus 95% In, 5% Ag hergestellt. Bei einer Betriebstemperatur von 31 R wurde festgestellt, daß dieses Modell einen Suprastrom über 10 kA Gleichstrom in seinem eigenen Eigenfeld führen konnte.

Claims (13)

1. Leiter für ein supraleitendes Kabel mit einem hohlen Kupferträger (1) mit mindestens einem darin untergebrachten Elementarsupraleiterband (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Band so lose untergebracht ist, daß eine Relativbewegung gegenüber dem Kupferträger mindestens in Breitenrichtung des Bands erfolgen kann.

2. Leiter nach Anspruch 1, wobei nach Endenabschluß eine wesentliche Relativbewegung nur in dieser Richtung erfolgen kann.

3. Leiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei sich der hohle Kupferträger (1) um mindestens drei Seiten des Bands oder sämtlicher Bänder erstreckt.

4. Leiter nach Anspruch 3, wobei der anfangs offene Kupferträger (1) durch Ändern seiner Form oder durch Zugeben eines gesonderten Verschlußteils (6, 12) nach Zusammenbau mit den Bändern ganz oder teilweise geschlossen ist.

5. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kupferträger (1) mindestens eine flache Innenfläche (8) hat, die zu einer der flachen Flächen des Bands oder eines der Bänder (3) weist, um eine Gelegenheit für einen Flächenkontakt vorzusehen.

6. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der außen eine Form hat, die mit identischen oder entsprechend geformten Leitern längs oder mit einem spiralförmigen Schlag zu einem rohrförmigen Gesamtleiter zusammengebaut werden kann.

7. Leiter nach Anspruch 6 mit ineinandergreifenden Gebilden (9, 10) auf den Oberflächen der Kupferträger, die bei einem solchen Zusammenbau aneinandergrenzen.

8. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Band (3) ein keramisches Supraleitermaterial aufweist.

9. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Band (3) ein Supraleitermaterial der Formel Bi2-xPbxSr&sub2;Ca&sub2; Cu&sub3;O10-δ aufweist, worin 5 kleiner als 1 ist.

10. Leiter nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Bänder (3) durch ein "Pulver-im-Rohr"-Verfahren ausgebildet sind, bei dem ein Silberrohr mit dem supraleitenden Material oder einem Vorläufer, der durch anschließende Wärmebehandlung supraleitend gemacht werden kann, gepackt und das Rohr danach zu einem Band mit wesentlich kleinerem Querschnitt durch ein Verfahren umgewandelt wird, das Ziehen, Gesenkformen, Längswalzen, Querwalzen, Schrägwalzen und/oder Stufenpressen aufweist.

11. Supraleitendes Kabel mit mindestens zwei Leitern (17, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einer Einrichtung zu ihrem elektrischen Isolieren voneinander und Wärmeisolieren von der Umgebung.

12. Kabel nach Anspruch 11 mit mehreren der Leiter (17, 21), die zu mindestens zwei rohrförmigen Gesamtleitern (14, 15), die konzentrisch um einen mittleren Kühlmittelkanal angeordnet sind, zusammengebaut sind.

13. Supraleitende Kabelinstallation mit mindestens einem Kabel nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 und einer Einrichtung zum Kühlen mindestens der Leiter (17, 21) auf eine Arbeitstiefsttemperatur.