DE69630103T2

DE69630103T2 - Verfahren zur Leitung eines vorgegebenen Stroms durch ein supraleitendes Hochleistungskabel

Info

Publication number: DE69630103T2
Application number: DE69630103T
Authority: DE
Inventors: Piero Metra; Marco Nassi
Original assignee: Pirelli SpA
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: EP0786783A1; EP0786783B1; JPH09231841A; CA2193917A1; DE69630103D1; AU730497B2; NZ299952A; ITMI952776A1; BR9604768B1; AU7532296A; AR005298A1; US20030010527A1; BR9604768A; US6512311B1; KR970051480A; IT1277740B1; US6255595B1; ITMI952776A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen eines vorbestimmten Stroms in einem supraleitenden Kabel, das verwendet wird, um den Strom in einem Zustand sogenannter Supraleitfähigkeit (Supraleitung) zu übertragen, d. h. unter Bedingungen eines elektrischen Widerstands von annähernd Null.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Übertragen eines vorbestimmten Stroms in einem supraleitenden Kabel für Starkstrom, der mindestens eine Phase besitzt, gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
In der nachfolgenden Beschreibung und den anschließenden Ansprüchen bezeichnet der Begriff "Kabel für Starkstrom" ein Kabel, das zum Übertragen von Strommengen verwendet werden soll, die allgemein 5.000 A überschreiten, so dass das induzierte magnetische Feld anfängt, den Wert der maximal erzielbaren Stromdichte in Supraleitfähigkeitsbedingungen zu vermindern.
In der nachfolgenden Beschreibung und den anschließenden Ansprüchen bezeichnet der Begriff "supraleitendes Material" ein Material, wie beispielsweise spezielle Niob-Titaniumlegierungen oder Keramik basierend aus gemischten Kupferoxiden, Barium und Yttrium, oder aus Bismuth, Blei, Strontium, Kalzium, Kupfer, Thallium und Quecksilber, mit einer supraleitenden Phase, die einen Widerstand von im wesentlichen Null bei einer gegebenen Temperatur besitzt, die als kritische Temperatur oder T_c definiert ist.
Der Begriff "supraleitender Leiter" oder kurz "Leiter" bezeichnet nachfolgend jegliches Element, das in der Lage ist, elektrischen Strom im Supraleitfähigkeitszustand zu ertragen, wie beispielsweise eine Schicht aus supraleitendem Material, das durch einen rohrartigen Kern getragen ist, oder Bänder aus supraleitenden Material, die auf einen tragenden Kern gewickelt sind.
Wie es im Gebiet der Übertragung von Dreiphasenstrom bekannt ist, bringt diese Übertragung Wirbelströme mit sich, die eine lokale Konzentration von magnetischen Feldern über den kritischen Feldwert erzeugen können, was den Leiter veranlasst, seine Supraleitfähigkeit zu verlieren.
So offenbart beispielsweise das US-Patent Nr. 3,292,016 die Übertragung von Wechselstrom durch ein supraleitenden Kabel, wobei jeder Phasenleiter aus einem oder mehreren, konzentrisch angeordneten, supraleitenden Doppelleitern aufgebaut ist, und wobei die einzelnen Lastphasen über die inneren und äußeren Leiter und miteinander nur an einem Ende des Kabels verbunden sind. Mittels dieser konzentrischen Anordnung tritt eine Stromverminderung gleichsam über die gesamte Fläche jedes Phasenleiters auf, wodurch Stromanstiege in spezifischen Punkten und entsprechend der Feldkonzentrationen beseitigt werden.
Wie es im Gebiet der Energieübertragung bekannt ist, besteht ferner eines der schwieriger zu lösenden Probleme darin, sowohl den unter Supraleitfähigkeitsbedingungen zu übertragenden Strom als auch die Temperatur, bei welcher die Übertragung stattfindet, soweit wie möglich zu erhöhen.
Obwohl die sogenannten "high-temperature" supraleitenden Materialien heutzutage verfügbar sind, die Ströme bei Temperaturen in der Größenordnung von 70–77°K (etwa –203/ –196°C) übertragen können, wird eine Verminderung der Stromübertragungskapazität durch das Material beobachtet, wenn das induzierte magnetische Feld ansteigt.
Vergleiche in dieser Hinsicht beispielsweise T. Nakahara "Review of Japanese R&D on Superconductivity", Sumitomo Electric Technical Review, Nr. 35, January 1993.
Unter Supraleitfähigkeitsbedingungen ist die Empfindlichkeit supraleitender Materialien gegenüber den Wirkungen des induzierten magnetischen Felds umso ausgeprägter, je größer die Arbeitstemperatur des supraleitenden Kerns des Kabels ist (d. h. die supraleitenden Materialien mit der höchsten kritischen Temperatur sind empfindlicher gegenüber den Wirkungen des magnetischen Feldes), so dass es in der Praxis high-temperature supraleitende Materialien nicht ermöglichen, stärkere Ströme als einige kA zu übertragen, zu Lasten eines unakzeptablen Anstiegs in der Menge supraleitenden Materials, das verwendet wird, und gleichzeitig der entsprechenden Kosten.
Im Falle sogenannter koaxialer Kabel, deren Aufbau zur Übertragung hoher Lasten geeignet ist, sind das induzierte magnetische Feld, der übertragene Strom und der Durchmesser des Leiters durch folgende Beziehung begrenzt: B = (μ_o × I)/(n × D) mit:
B = magnetisches Feld an der Oberfläche des Leiters;
I = übertragener Strom;
μ_o = magnetische Permeabilität;
D = Durchmesser des Leiters.
(Wie es bekannt ist, sind die Werte B und I als Gleichstrom-Istwerte oder als Wechselstrom-Effektivwerte zu verstehen).
Auf der Basis dieser Beziehung ergibt sich, dass jeder Anstieg des übertragenen Stroms einen proportionalen Anstieg des induzierten magnetischen Feldes mit sich bringt, was wiederum in größerem oder geringerem Ausmaß die maximal erzielbare Stromdichte unter Supraleitfähigkeitsbedingungen oder die technisch kritische Stromdichte "Je" begrenzt, die als Verhältnis zwischen dem kritischen Strom und dem Gesamtquerschnitt der Schicht des supraleitenden Materials definiert ist.
Insbesondere wurde festgestellt, dass die kritische Stromdichte drastisch abnimmt – manchmal um bis zu zwei Größenordnungen – ausgehend von einem Schwellwert des magnetischen Feldes, der niedriger ist als das kritische Feld, oberhalb dessen die Supraleitfähigkeit im wesentlichen kompromittiert ist; als Angabe variiert ein derartiger Wert von 0,1 bis 20 mT entsprechend dem verwendeten supraleitenden Material und der Arbeitstemperatur; in dieser Hinsicht wird beispielsweise auf "IEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY", Vol. 5, Nr. 2, Juni 1995, S. 949–952 hingewiesen.
Die Versuche, die zum Halten der kritischen Stromdichte auf akzeptable Werten basierend auf einem Anstieg des Leiterdurchmessers gemacht worden sind, sind bisher fehlgeschlagen, sowohl infolge der praktischen Schwierigkeit, ein Kabel großen Durchmessers herzustellen, zu transportieren und einzubauen, als auch infolge der hohen Kosten, die zum Kühlen des supraleitenden Kerns erforderlich sind, wobei die thermischen Dissipationen proportional zu dem Durchmesser der Isolierschicht sind, welche den Kern des Supraleiters umgibt.
Daher war im Hinblick auf diese Schwierigkeiten technologischer Natur im Gebiet von Koaxialkabeln der Stand der Technik im wesentlichen darauf beschränkt, entweder die gewünschten hohen Strommengen mittels eines geeigneten Metall- oder Keramikmaterials bei der Temperatur von 4°K zu übertragen, bei welcher die zuvor genannten Phänomene weniger ausgeprägt sind, oder eine nicht optimale Ausnutzung des supraleitenden Materials bei der maximalen Temperatur (65° bis 90°K) zu akzeptieren, die mit einer Stromübertragung unter Supraleitfähigkeitsbedingungen kompatibel ist.
In dem ersten Falle ist man mit den hohen Kosten konfrontiert, die mit der Notwendigkeit des Kühlens des supraleitenden Kerns auf eine sehr niedrige Temperatur verbunden sind, während es in dem zweiten Falle erforderlich ist, eine sehr hohe Menge eines supraleitenden Materials zu verwenden.
Gemäß der Erfindung wurde nun festgestellt, dass das Problem der Übertragung hoher Strommengen in einem Koaxialkabel, das mindestens eine Phase besitzt, bei der maximalen Arbeitstemperatur des heute verfügbaren supraleitenden Materials (65° bis 90°K, bestimmt durch die nutzbaren Materialien und Kühlfluids) gelöst werden kann durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Gemäß der Erfindung wurde tatsächlich festgestellt, dass es mit einer derartigen Verteilung des supraleitenden Materials möglich ist:

a) die Abmessungen des Kabels zu vermindern, bei denselben Nutzungsbedingungen des supraleitenden Materials, bei Sicherstellung einer Einfachheit der Konstruktion, des Transports und des Einbaus des Kabels;
b) dieselbe Menge elektrisch isolierenden Materials herkömmlicher Kabel zu verwenden, bei derselben Menge supraleitenden Materials;
c) die Abmessungen der thermischen Isolationsschichten (Cryostat), welche den supraleitenden Kern des Kabels umgeben, bei derselben Menge supraleitenden Materials zu begrenzen, mit einer vorteilhaften Verminderung thermischer Verluste;
d) supraleitende Elemente zu besitzen, die im Falle des Bedarfs unabhängig unterschiedliche Lasten fördern können.

Die Phasenleiter und die neutralen Koaxialleiter jedes der Elemente umfassen bevorzugt eine Mehrzahl übereinander gelegter Bänder aus supraleitendem Material, gewunden auf einen rohrförmigen, zylindrischen Träger, der beispielsweise aus Metall oder isolierendem Material hergestellt ist.
Um mögliche mechanische Spannungen in ihrem Inneren soweit wie möglich zu vermindern, sind die Bänder aus supraleitendem Material an dem Träger mit Wickelwinkeln gewunden, die entweder konstant oder von Band zu Band und innerhalb jedes einzelnen Bandes variabel sind, oder von 10° bis 60°.
Alternativ können die Phasen- und neutralen Koaxialleiter jedes der Elemente eine Mehrzahl von Schichten aus supraleitendem Material aufweisen, die auf den rohrförmigen, zylindrischen Träger übereinander gelegt sind.
Die maximale Anzahl koaxialer leitender Elemente wird durch den minimalen Durchmesser derartiger Elemente bestimmt, der mit den Windungsverformungen der aus supraleitendem Material hergestellten Bändern verträglich ist, oder irgendwie mit der kritischen Zugverformung des gewählten supraleitenden Materials verträglich ist.
Der Durchmesser des Phasenleiters jedes der Elemente variiert bevorzugt von 25 bis 40 mm.
Der supraleitende Kern des Kabels wird bevorzugt auf Temperaturen von nicht mehr als 65° bis 90°K gekühlt, vorteilhaft unter Einsatz sogenannter high-temperature supraleitenden Materialien und flüssigem Stickstoff als Kühlfluid.
Unter diesen high-temperature supraleitenden Materialien können bevorzugt diejenigen verwendet werden, die in dem Fachgebiet durch die Initialen BSCCO bekannt sind, welche die Formel besitzen: Bi_αPb_βSr_γCa_δCu_εO_x (I) mit:
α ist eine Zahl 1,4 bis 2,0; β ist eine Zahl von 0 bis 0,6;
γ ist eine Zahl von 0 bis 2,5; δ ist eine Zahl von 0 bis 2,5;
ε ist eine Zahl von 1,0 bis 4,0; x ist der stoichiometrische Werte entsprechend den verschiedenen vorhandenen Oxiden.
Gemäß der Erfindung sind insbesondere gemischte Oxide der folgenden idealen, allgemeinen Formel besonders bevorzugt: (BiPb)₂Sr₂Ca_n–1Cu_nO_x worin n eine ganze Zahl aus dem Bereich von 1 bis 3 ist, und x ist der stoichiometrische Wert entsprechend den verschiedenen vorhandenen Oxiden.
Unter diesen wurden besonders vorteilhafte Ergebnisse mit dem als BSCCO-2223 bekannten, gemischten Oxid erzielt (d. h. bei welchem n = 3), oder mit geeigneten Mischungen gemischter Oxide der zuvor genannten Metalle in derartigen Verhältnissen, um eine mittlere Stoichiometrie der Mischung entsprechend derjenigen des BSCCO-2223 Oxids zu erhalten.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der übertragene Strom ein Mehrphasenwechselstrom, und die leitenden Elemente, unter denen der Strom aufgeteilt wird, führen eine einzelne Phase des Stroms.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die vorbestimmte Menge des Stromes mindestens 5.000 A.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung und falls flüssiger Stickstoff als Kühlfluid verwendet wird, ist das magnetische Feld, das in der Lage ist, eine Leitfähigkeitsverminderung des verwendeten supraleitenden Materials zu erzeugen, geringer als 200 mT, bevorzugt geringer als 100 mT, und besonders bevorzugt geringer als 20 mT.
Weitere Eigenschaften und Vorteile werden deutlicher anhand der nachfolgenden Beschreibung einiger Beispiele supraleitender Kabel gemäß der Erfindung ersichtlich werden, die mittels einer nicht begrenzenden Veranschaulichung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.
In den Zeichnungen:
1 zeigt eine schematische Ansicht, in einem perspektivischen und teilweisen Schnitt, eines supraleitenden Dreiphasenkabels zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische Ansicht, in einem perspektivischen und teilweisen Schnitt, eines supraleitenden Einphasenkabels zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Kabel zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung unter Einsatz von lowtemperature Supraleitern;
4 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Einphasenkabels zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung mit zwei unabhängigen Lasten;
5 zeigt ein qualitatives Diagramm magnetischer Feldwerte in Koaxialleitern.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein supraleitendes Dreiphasenkabel 1 zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung einen allgemein mit 2 bezeichneten, supraleitenden Kern, der eine Mehrzahl von leitenden Elementen 3 aufweist, die mit 3a, 3b, 3c für jede Phase bezeichnet sind, aufgenommen – bevorzugt lose – in einer ein Rohr enthaltenden Schale 9, die beispielsweise aus Metall wie Stahl, Aluminium oder dergleichen hergestellt ist.
Jedes der leitenden Elemente 3 umfasst wiederum ein Paar von Koaxialleitern, jeweils Phasen- und Neutralleiter 4, 5, die jeweils mindestens eine Schicht aus supraleitenden Material aufweisen.
In den in den Zeichnungen gezeigten Beispielen ist das supraleitende Material in eine Mehrzahl übereinander gelegter Bändern eingeschlossen, die an jeweiligen, rohrförmigen Tragelementen 6 und (möglicherweise) 7 gewickelt sind, welche aus einem geeigneten Material hergestellt sind, beispielsweise aus einem spiralförmig gewickelten Metallband gebildet, oder mit einem Rohr aus Kunststoff oder dergleichen.
Die koaxialen Phasenleiter 4 und die Neutralleiter 5 sind elektrisch voneinander durch Einlegen einer Schicht 8 aus dielektrischem Material isoliert.
Das Kabel 1 umfasst ebenso eine geeignete Einrichtung zum Kühlen des supraleitenden Kerns 2 auf eine Temperatur, die angemessen niedriger ist als die kritische Temperatur des gewählten supraleitenden Materials, das bei dem Kabel aus 1 vom sogenannten "high-temperature" ("Hochtemperaturen") Typ ist.
Die zuvor genannte Einrichtung umfasst eine geeignete Pumpeinrichtung, die an sich bekannt und daher nicht gezeigt ist, welche ein geeignetes Kühlfluid fördert, beispielsweise flüssigen Stickstoff bei einer Temperatur typischerweise von 65° bis 90°K, sowohl innerhalb jedes der leitenden Elemente 3 als auch in den Spalten zwischen solchen Elementen und der rohrförmigen Schale 9. Um die thermischen Verluste zu der äußeren Umgebung soweit wie möglich zu vermindern, ist der supraleitende Kern 2 in eine Haltestruktur oder ein Cryostat 10 eingeschlossen, die eine thermische Isolierung aufweist, beispielsweise durch eine Mehrzahl übereinander gelegter Schichten und mindestens einen Schutzschirm gebildet.
Ein im Stand der Technik bekannter Cryostat ist beispielsweise in einem Artikel von IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, Vol. 7, Nr. 4, Oktober 1992, S. 1745–1753 beschrieben.
Insbesondere umfasst in dem Beispiel der Cryostat 10 eine Schicht 11 aus isolierendem Material, die beispielsweise durch mehrere Oberflächen-metallisierte Bändern (einige Zehntel) gebildet ist, welche aus Kunststoffen (beispielsweise einem Polyesterharz) hergestellt sind, im Stand der Technik als "thermischer Superisolierer" ("thermal superinsulator") bekannt, lose gewickelt, mit der möglichen Hilfe eingelegter Abstandhalter 13. Derartige Bänder sind in einem ringförmigen Hohlraum 12 aufgenommen, der durch ein rohrförmiges Element 14 begrenzt ist, in welchem ein Vakuum in der Größenordnung von 10^–2 N/m² mittels bekannter Vorrichtungen aufrechterhalten wird.
Das aus Metall hergestellte, rohrförmige Element 14 ist in der Lage, den ringförmigen Hohlraum 12 mit den gewünschten Fluid-dichten Eigenschaften auszustatten und ist durch eine äußere Ummantelung 15 bedeckt, die beispielsweise aus Polyethylen hergestellt ist.
Das rohrförmige Metallelement 14 ist bevorzugt durch ein Band gebildet, das in rohrartiger Form gebogen und in Längsrichtung geschweißt ist, hergestellt aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder dergleichen, oder durch ein extrudiertes Rohr oder dergleichen gebildet.
Falls die Flexibilitätsanforderungen des Kabels es vorgeben, kann das Element 14 gewellt sein.
Zusätzlich zu den beschriebenen Elementen können ebenso Kabelzugelemente vorhanden sein, die axial oder peripher gemäß der Konstruktion und den Einsatzanforderungen derselben gelegen sind, um eine Begrenzung mechanischer Spannungen sicherzustellen, die auf die supraleitenden Elemente 3 aufgebracht werden; derartige Zugelemente, die nicht gezeigt sind, können entsprechend im Stand der Technik bekannter Techniken durch peripher angeordnete Metallverstärkungen gebildet sein, beispielsweise durch eingezogene Metalldrähte, oder durch eines oder mehrere axiale Metallseile, oder durch aus dielektrischem Material hergestellte Verstärkungen, beispielsweise Aramidfasern.
Gemäß der Erfindung sind für jede Phase mehrere supraleitende Elemente vorhanden, insbesondere, wie beispielhaft in 1 gezeigt, umfasst jede Phase (a, b, c) zwei supraleitende Elemente, die jeweils durch die Indices 1, 2 für jedes der drei veranschaulichten, supraleitenden Elemente 3a, 3b, 3c bezeichnet sind, so dass der Strom jeder Phase auf mehrere Leiter (zwei in dem gezeigten Beispiel) aufgeteilt wird.
2 und 3 zeigen schematisch zwei unterschiedliche Monophasenkabel.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren werden Bauteile des Kabels, die strukturell oder funktionell zu den zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen gleichwertig sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht weiter diskutiert.
In 2 sind vier supraleitende Elemente 3^I , 3^II , 3^III , 3^IV strukturell unabhängig und magnetisch entkoppelt in der rohrenthaltenden Schale 9 eingeschlossen.
In dem Kabel aus 3 umfassen die Phasen- und Neutralkoaxialleiter 40, 50 von vier Elementen 30^I , 30^II , 30^III , 30^IV ein aus einer Niob-Titanlegierung hergestelltes, supraleitendes Material, für welches die Supraleitfähigkeitsbedingungen durch Kühlen des supraleitenden Kerns 2 auf etwa 4°K mittels flüssigen Heliums erreicht werden.
Der Cryostat umfasst, neben einer ersten Schicht aus Bändern 11, einen Hohlraum 16, in welchem flüssiger Stickstoff bei 65° bis 90°K zirkuliert, und eine zweite Schicht aus Bändern 17, die eine Struktur ähnlich zu den vorhergehenden besitzt.
4 zeigt schematisch ein Beispiel der Verbindung der vier Elemente, wobei ein Monophasengenerator G mit den jeweiligen Phasen- und Neutralsupraleitern 4 und 5 der Elemente 3^I , 3^II , 3^III , 3^IV verbunden ist; die Elemente 3^I , 3^II , 3^III sind ihrerseits mit einer ersten Last C₁ verbunden und das Element 3^IV ist unabhängig mit einer zweiten Last C₂ verbunden.
Unter Bezugnahme auf das zuvor beschriebene werden nachfolgend einige Beispiele gegenwärtiger Übertragungsverfahren beschrieben, die mit den zuvor genannten supraleitenden Kabeln durchgeführt werden.
BEISPIELE 1–3
(Erfindung)
Es wurden drei supraleitende Starkstromkabel vom Monophasentyp entworfen, die 37, 19 bzw. 7 leitenden Elemente 3 in dem supraleitenden Kern 2 aufweisen.
All die Kabel waren dazu ausgelegt, mit Gleichstrom bei einer Spannung von 250 kV (Hochspannung) verwendet zu werden, unter Einsatz einer Dicke der dielektrischen Schicht gleich 10 mm.
In all den Kabeln war das verwendete supraleitende Material das als BSCCO-2223 bekannte, gemischte Oxid.
Da das in diesem Falle verwendete, cryogene Fluid durch flüssigen Stickstoff bei einer Temperatur von 65° bis 90°K gebildet ist, besitzen die Kabel die schematisch in 2 veranschaulichte Struktur, unter Einsatz eines Cryostats 10, der eine Gesamtdicke von etwa 10 mm besitzt.
Der Entwurfsstrom betrug 50 kA.
Die Entwurfseigenschaften der Kabel bei Gleichstrom waren:

– Arbeitsmagnetfeld beim Abklingschwellwert der kritischen Stromdichte bei der Temperatur des cryogenen Fluids (etwa 77°K) = 20 mT;
– Arbeitsmagnetfeld, welchem eine kritische Stromdichte von 50% derjenigen bei einem Feld ≤20 mT bei der Temperatur des cryogenen Fluids (etwa 77°K) entspricht, = 100 mT.

Hinsichtlich Gleichstromverlusten wurde näherungsweise angenommen, dass:

– die Verluste des Leiters verglichen mit anderen Verlusten vernachlässigbar waren;
– die Verluste in dem Dielektrikum verglichen mit anderen Verlusten vernachlässigbar waren;
– die thermischen Dissipationsverluste von dem Cryostat – proportional zu der Oberfläche davon – waren, ausgedrückt durch ein Verhältnis zwischen den eintretenden thermischen Leitung und der Cryostat-Oberfläche, gleich 3,5 W/m²;.
– die Effizienz der Kühlanlage war, ausgedrückt durch ein Verhältnis zwischen der eingebauten Leistung W_i und der abgezogenen thermischen Leistung W_e, gleich 10 W/W.

Daher ist es als erste Näherung erforderlich, für die betrachteten Kabel eine Kühlanlage zu installieren, die eine Leistung W_i von 35 W/m² besitzt.
Dann wurde für all die Kabel die mittlere Ausnutzungseffizienz der Supraleiter basierend auf den folgenden Arbeitshypothesen bewertet:

– dass das in dem supraleitendem Material erzeugte magnetische Feld linear von einem Nullwert der inneren Oberfläche jedes der Phasenkoaxialleiter 4 (Radius R1) bzw. an der äußeren Oberfläche der Neutralen 5 (Radius R4) ansteigen muss, bis zu Maximalwerten an der äußeren Oberfläche der Phasenleiter 4 (Radius R2) und an der inneren Oberfläche der Neutralen 5 (Radius R3), wie es in 5 schematisch gezeigt ist, während in dem Hohlraum zwischen den Phasen- und Neutralleitern (zwischen den Radien R2 und R3) sich das Feld entsprechend dem bereits genannten Gesetz
verändert, wobei r der Radius des Elements und I der durch die Leiter 4 und 5 übertragene Strom ist;
– dass die Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials einen linear abnehmenden Trend durch die Dicke besitzt, mit Schwellwerten von 100 an der Oberfläche, die ein Nullfeld besitzt, und bis zu dem Schwellwertniveau des Feldes, und gleich dem Niveau entsprechend dem durch das maximale Arbeitsfeld an der Oberfläche, welche ein maximales Feld besitzt, erzeugten Abklingen, für jeden der Phasen- und Neutralleiter (insbesondere wurde 100 zwischen 0 und 20 mT und 50% bei 100 mT angenommen).

Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefasst.
BEISPIEL 4
(Vergleich)
Um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen wurde ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, welches ein supraleitendes Material BSCCO-2223 einschließt, das in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Entwurfsbedingungen waren dieselben wie bei den vorhergehenden Beispielen 1 bis 3, mit der zusätzlichen Arbeitsbeschränkung, die durch Tatsache gebildet ist, dass die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials gleich 100 gehalten wird.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefasst.
BEISPIEL 5
(Vergleich)
Erneut wurde, um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, welches ein supraleitendes Material BSCCO-2223 einschließt, welches in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Entwurfsbedingungen waren dieselben wie bei dem vorhergehenden Beispiel 4, mit der zusätzlichen Arbeitsbeschränkung, die durch die Tatsache gebildet ist, dass das Arbeitsmagnetfeld auf 100 mT festgelegt ist.
Als Ergebnis war die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials etwa gleich 70%.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften des entstehenden Kabels sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefasst.
BEISPIEL 5bis
(Vergleich)
Um erneut das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurde ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, das ein supraleitendes Material BSCCO-2223 enthält, welches in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Entwurfsbedingungen waren dieselben wie bei dem vorhergehenden Beispiel 4, mit der zusätzlichen Arbeitsbeschränkung, die durch die Tatsache gebildet ist, dass der Durchmesser des Cryostats auf einen Wert gleich demjenigen des vorhergehenden Beispiels 3 (0,195 m) festgelegt ist. Als Ergebnis nahm die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials auf einen Wert von etwa 60% ab. Daher ist es verglichen mit dem Verfahren der Erfindung notwendig, bei demselben Durchmesser eine größere Menge supraleitenden Materials einzuführen, mit einem bemerkenswerten Anstieg sowohl der Kosten als auch der technologischen Herstellungsschwierigkeiten desselben Kabels.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften des entstehenden Kabels sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefasst.
BEISPIELE 6–8
(Vergleich)
Um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurden drei Kabel entworfen, die in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweisen und ein supraleitendes Material BSCCO-2223 (Beispiel 6) bzw. eine Niob-Titanlegierung (Beispiele 7 und 8) enthalten.
Da das verwendete cryogene Fluid flüssiges Helium bei 4°K war, besitzen die Kabel die schematisch in 3 gezeigte Stuktur, unter Einsatz eines Cryostats, der eine Gesamtdicke von etwa 70 mm besitzt.
In diesen Fällen wurde für die Entwurfsdaten ein minimaler Durchmesser des einzelnen leitenden Elements gleich 0,025 m angenommen, um die Konstruktionsabmessungen zu berücksichtigen, welche die mechanischen Spannungen innerhalb annehmbarer Werte halten.
Die Gleichstrom-Entwurfseigenschaften waren dementsprechend ein Arbeitsmagnetfeld bei der Temperatur des cryogenen Fluids (4°K) von 800 mT, was einer Stromdichte von 100% bzw. 25% der kritischen für die Beispiele 6 bzw. 8 entspricht und ein Arbeitsmagnetfeld von 260 mT bei der Temperatur des cryogenen Fluids (4°K) in Beispiel 7.
Hinsichtlich der Gleichstromverluste wurde näherungsweise angenommen, dass:

– die Verluste des Leiters verglichen mit anderen Verlusten vernachlässigbar sind;
– die Verluste in dem Dielektrikum verglichen mit anderen Verlusten vernachlässigbar sind;
– die thermischen Dissipationsverluste von dem Cryostat – proportional zu der Oberfläche davon – sind, ausgedrückt durch ein Verhältnis zwischen der eintretenden thermischen Leistung und der Cryostatoberfläche, gleich 0, 5 W/m²;
– die Effizienz der Kühlanlage ist, ausgedrückt ist durch ein Verhältnis zwischen der eingebauten Leistung W_i und der abgezogenen thermischen Leistung W_e gleich 300 W/W.

Daher ist es als erste Näherung erforderlich, für das betrachtete Kabel eine Kühlanlage einzubauen, die eine Leistung W_i von 185 W besitzt.
Dann wurde für alle Kabel die mittlere Ausnutzungseffizienz des Supraleiters basierend auf den in den vorhergehenden Beispielen 1–5 veranschaulichten Kriterien bewertet.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefasst.
BEISPIELE 9–11
(Erfindung)
Drei supraleitende Starkstromkabel wurden entworfen, die 37, 19 bzw. 7 leitende Elemente in dem supraleitenden Kern enthalten.
Die Entwurfsdaten waren dieselben wie bei den vorhergehenden Beispielen 1–3, außer für die Gleichstromeinsatzspannung, die in diesem Falle 1 kV (Niederspannung) beträgt.
Daher wurde eine Dicke der die elektrische Materialschicht 8 von 1 mm verwendet.
In allen Kabeln war das verwendete supraleitende Material das als BSCCO-2223 bekannte, gemischte Oxid.
Da das in diesem Falle verwendete cryogene Fluid flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von 77°K ist, besitzen die Kabel die schematisch in 1 veranschaulichte Struktur, unter Einsatz eines Cryostats 10, der eine Gesamtdicke von etwa 10 mm besitzt.
Auch in diesem Falle betrug der Entwurfsstrom gleich 50 kA. Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nach folgenden Tabelle II zusammengefasst.
BEISPIEL 12
(Vergleich)
Um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurde ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, welches das supraleitende Material BSCCO-2223 enthält, das in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Entwurfsbedingungen waren dieselben wie bei den vorhergehenden Beispielen 9–11, mit der zusätzlichen Arbeitsbegrenzung, die durch die Tatsache gebildet wird, eine mittlere Ausnutzungseffizienz des Supraleiters von 100 aufrechtzuerhalten.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefasst.
BEISPIEL 13
(Vergleich)
Erneut um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurde ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, welches das supraleitende Material BSCCO-2223 enthält, welches in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Entwurfsbedingungen waren dieselben wie bei den vorhergehenden Beispielen 9–11, mit der zusätzlichen Arbeitsbegrenzung, die durch die Tatsache gebildet wird, dass das Arbeitsmagnetfeld auf 100 mT festgelegt ist. Als Ergebnis war die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials 70%.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefasst.
BEISPIEL 13bis
(Vergleich)
Erneut um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurde ein Kabel entworfen, das in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweist, welches das supraleitende Material BSCCO-2223 enthält, welches in flüssigem Stickstoff gekühlt wird.
Die Designbedingungen waren dieselben wie bei den vorhergehenden Beispielen 9–11, mit der zusätzlichen Arbeitsbegrenzung, die durch die Tatsache gebildet wird, dass der Durchmesser des Cryostats auf einen Wert entsprechend dem vorhergehenden Beispiel 11 (0,142 m) festgelegt ist.
Als Ergebnis fiel die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials auf einen Wert von etwa 50%. Daher ist es, verglichen mit dem Verfahren der Erfindung, erforderlich, bei demselben Durchmesser eine größere Menge von supraleitendem Material einzuführen, mit einer bemerkenswerten Steigerung sowohl der Kosten als auch der technologischen Herstellungsschwierigkeiten desselben Kabels.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefasst.
BEISPIELE 14–16
(Vergleich)
Um das Verfahren der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik zu vergleichen, wurden drei Kabel entworfen, die in dem Kern 2 ein einzelnes koaxiales Element aufweisen und ein supraleitendes Material BSCCO-2223 (Beispiel 14) bzw. eine Niob-Titanlegierung (Beispiele 15 und 16) enthalten.
Da das verwendete cryogene Fluid flüssiges Helium bei 4°K war, besitzen die Kabel die schematisch in 3 gezeigte Struktur, unter Einsatz eines Cryostats 10, der eine Gesamtdicke von etwa 70 mm besitzt.
Die Entwurfseigenschaften und die Gleichstromverluste der Kabel wurden auf dieselbe Weise wie bei den Beispielen 6–9 veranschaulicht bestimmt.
Die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials wurde basierend auf den in den vorhergehenden Beispielen 1–5 veranschaulichten Kriterien bewertet.
Die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der entstehenden Kabel sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefasst. In den nachfolgenden Tabellen I und II wurden die Kühlkosten unter Bezugnahme auf die mit den Kabeln der Beispiele 3 bzw. 11 durchgeführten Verfahren angegeben, für welche die Abmessungen und die Kosten zum Kühlen des supraleitenden Kerns 2 einen minimalen Wert hatten, zu Lasten einer nicht optimalen Nutzung des supraleitenden Materials, mit der entstehenden Notwendigkeit des Verwendens einer größeren Menge derselben und mit einem höheren Niveau elektrischer Verluste.
Hinsichtlich der in Tabellen I und II dargestellten Daten ist auch zu beachten, dass das Material BSCCO-2223 bei einer Effizienz von 100 mit einem magnetischen Feld von 800 mT (Beispiele 6 und 14) arbeitet, und dass die NbTi-Legierung im Gegensatz hierzu eine Effizienz von 100 bis zu einem magnetischen Feld von etwa 260 mT (Beispiele 7 und 15), und gleich 25% bei 800 mT (Beispiele 8 und 16) besitzt.
Aus dem zuvor beschriebenen und veranschaulichten ist unmittelbar ersichtlich, dass es die Erfindung ermöglicht, eine Übertragung hoher Strommengen mit einer optimalen Ausnutzung von high-temperature supraleitenden Materialien zu koppeln.
All dies wird erzielt, indem die Abmessungen der Kabel und die Kühlkosten auf vollständig annehmbare Werte von einem technologischen Standpunkt her gehalten werden.
Falls die mit einer nicht optimalen Nutzung des hightemperature Supraleiters verbundenen Probleme und Kosten nicht für die Zwecke der spezifischen Anwendung ausschlaggebend sein sollten, ermöglicht die Erfindung ebenso, die Abmessungen des Kabels auf ein Minimum zu reduzieren – wie durch Beispiele 3 und 11 gezeigt – was die Konstruktion, den Transport und die Einbauvorgänge erleichtert, und zwar bis zu Werten, die mit im Stand der Technik bekannten, Helium-gekühlten Kabeln vergleichbar sind, welche viel höhere Herstellungs- und Betriebskosten besitzen.
Insbesondere ist zu beobachten, dass während ein in einem Verfahren gemäß der Erfindung verwendetes Kabel – bei demselben übertragenen Strom – einen Gesamtdurchmesser (einschließlich Cryostat) von weniger als 0,3 m besitzt, um beispielsweise sein Winden auf einer Rolle zu ermöglichen, ein in ein Verfahren des Standes der Technik verwendetes Kabel, welches ein einzelnes koaxiales leitendes Element einsetzt, einen Durchmesser von mehr als 1 m besitzen würde, falls das supraleitende Material bei einer Effizienz von 100% verwendet würde (magnetisches Feld niedriger als 20 mT).
In selber Weise, falls eine Effizienz von 70% des supraleitenden Materials akzeptiert wird (magnetisches Feld bis zu 100 mT), kann ein in einem Verfahren gemäß dieser Erfindung verwendetes Kabel einen Durchmesser von 0,14 m besitzen, während ein in einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik verwendetes Kabel einen Durchmesser von nicht weniger als 0,23 m besitzen würde, mit den entsprechenden Nachteilen, wie beispielsweise einem Anstieg der Kühlkosten um 60%.
Es ist zu beachten, dass die Aufteilung in mehrere supraleitende Elemente nicht einen Anstieg der Gesamtoberfläche derselben Leiter mit sich bringt, und daher verursacht dies keinen wirklichen Anstieg des Volumens der verwendeten Isolierung.
Gemäß der Erfindung ist es ferner vorteilhaft möglich:

– die Abmessungen des Kabels – bei derselben Ausnutzung des supraleitenden Materials – zu vermindern, mit entsprechender Einfachheit der Konstruktion, des Transports und des Einbaus des Kabels (vergleiche Beispiel 2 mit Beispiel 4 und Beispiel 3 mit Beispiel 5);
– verglichen mit den Kabeln des Standes der Technik dieselbe Menge elektrischer Isolation bei derselben Menge supraleitenden Materials zu verwenden;
– die Abmessungen der thermischen Isolationsschichten (Cryostat), welche den supraleitenden Kern des Kabels umgeben, zu begrenzen, mit einer vorteilhaften Verminderung thermischer Verluste (vergleiche Beispiele 1 und 2 mit Beispiel 4, und Beispiel 3 mit Beispiel 5);
– magnetisch ungekoppelte, leitende Elemente zu haben, die in der Lage sind, unterschiedliche Lasten zu fördern;
– flexible, hocheffiziente supraleitende Stromschienen herzustellen;
– das supraleitende Material auf beste Weise zu nutzen und daher die in den verschiedenen Phasen- und Neutralleitern vorhandenen Mengen des supraleitenden Materials zu vermindern, bei demselben Kabeldurchmesser und daher auch bei denselben Kühlkosten.

Es ist zu beachten, dass falls man einen Strom mittels eines Hochspannungskabels (250 kV) mit einem Durchmesser von 0,14 m gemäß dem Stand der Technik, d. h. mit einem einzelnen Element des Koaxialtyps, transportieren möchte, ein magnetisches Feld von 175 mT erreicht werden würde, was eine Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials von 50% entspricht, verglichen mit den erzielbaren 70% gemäß der Erfindung (siehe in dieser Hinsicht Beispiele 3 und 5bis).
Auf selbe Weise, falls man einen Strom mittels eines Niederspannungskabels (1 kV) mit einem Durchmesser von 0,2 m gemäß dem Stand der Technik, d. h. mit einem einzelnen Element des Koaxialtyps, transportieren möchte, würde ein magnetisches Feld von 130 mT erreicht werden, was eine Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials von 60% entspricht, verglichen mit den erzielbaren 70% gemäß der Erfindung (siehe in dieser Hinsicht Beispiele 11 und 13bis).
Was unter Bezugnahme auf Kabel des Monophasentyps beschrieben worden ist, ist ebenso auf Kabel des Dreiphasentyps oder allgemeiner Multiphasentyps anwendbar, des in 1 gezeigten Typs, in welchem ein bemerkenswerter Vorteil durch Aufteilen der leitenden Elemente jeder Phase in mehrere Elemente erzielt wird, von denen jedes einen Teil des Gesamtstromes der Phase führt.
Beispielsweise wurde ein Dreiphasenkabel zum Fördern von 1700 MVA bei 20 kV, hergestellt mit einem einzelnen leitenden Elemente für jede Phase, einen Durchmesser an dem Cryostat von 0,52 m erfordern; gemäß der vorliegenden Erfindung würde durch Aufteilen jeder Phase in 7 Phasenleiter das Kabel einen Durchmesser an dem Cryostat von 0,43 m besitzen, bei derselben Nutzung des supraleitenden Materials.
In selber Weise würde ein Dreiphasenkabel zum Fördern von 35 MVA bei 400 V, hergestellt mit einem einzelnen leitenden Element für jede Phase, einen Durchmesser an dem Cryostat von 0,48 m erfordern; gemäß der vorliegenden Erfindung würde das Kabel durch Aufteilen jeder Phase in 7 Phasenleiter einen Durchmesser an dem Cryostat von 0,32 m besitzen, bei derselben Nutzung des supraleitenden Materials.
Hinsichtlich des Verfahrens der Erfindung wurde ebenso beobachtet, dass Strommengen, die höher sind als ein vorbestimmter Wert, allgemein mindestens 5.000 A, mit den zuvor genannten Vorteilen gekühlt werden können durch Verteilen des Stroms für mindestens eine Phase auf eine vorbestimmte Anzahl n > 1 magnetisch entkoppelter supraleitender Elemente, so dass der in jedem von diesen geführte Stromanteil geringer ist als ein Schwellwert, welcher ein magnetisches Feld induziert, das in der Lage ist, die Leitfähigkeit des supraleitenden Materials zu begrenzen.
TABELLE I
TABELLE II

Claims

Verfahren zum Übertragen eines vorbestimmten Stroms (I) in einem supraleitenden Kabel (1), der mindestens eine Phase besitzt, umfassend: – einen supraleitenden Kern (2), der für jede Phase eine Mehrzahl magnetisch entkoppelter, leitender Elemente (3) aufweist, die jeweils gegenüberliegende Enden zur Verbindung mit einem Generator (G) zum Bereitstellen des Stroms (I), der mindestens eine Phase besitzt, zu mindestens einer Belastung (C1, C2), besitzen, worin jedes der leitenden Elemente (3) einen Phasenleiter (4) und einen neutralen Leiter (5), außerhalb des ersteren und koaxial zu demselben, aufweist, wobei jeder des Phasenleiters (5) und des neutralen Leiters (5) mindestens eine Schicht eines supraleitenden Materials einschließt, die elektrisch voneinander durch Einlegen eines dielektrischen Materials (8) isoliert sind, wobei die leitenden Elemente (3) miteinander derart verbunden sind, dass jedes von diesen für jede Phase einen Bruchteil (I/n) des Stroms (I), der durch den Generator (G) bereitgestellt wird, überträgt; – worin das Verfahren den Schritt des Kühlens des Kerns (2) auf eine Temperatur nicht höher als die kritische Temperatur des supraleitenden Materials aufweist; – wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Strom (I) für mindestens eine Phase unter einer vorbestimmten Anzahl n > 1 der Mehrzahl magnetisch ungekoppelter leitender Elemente (3) geteilt wird, wobei die vorbestimmte Anzahl n einen derartigen Wert besitzt, dass der Bruchteil (I/n) des Stroms (I) geringer ist als ein Wert, der eine oberflächliche Stromdichte in jedem der leitenden Elemente (3) entsprechend einem magnetischen Feld bestimmt, das in der Lage ist, eine Leitfähigkeitsverminderung in dem supraleitenden Material zu erzeugen, und dass – das supraleitende Material unter der vorbestimmten Anzahl n der leitenden Elemente (3) verteilt wird, um dafür zu sorgen, dass die mittlere Ausnutzungseffizienz des supraleitenden Materials etwa 100% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I) ein Mehrphasenwechselstrom ist, und dass für jede Phase Strom (I) unter den leitenden Elementen (3) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Stroms (I) mindestens gleich 5.000 A ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld, das in der Lage ist, eine Leitfähigkeitsverminderung des supraleitenden Materials zu erzeugen, geringer ist als 200 mT.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld, das in der Lage ist, eine Leitfähigkeitsverminderung des supraleitenden Materials zu erzeugen, geringer ist als 20 mT.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) auf eine Temperatur von 65° bis 90°K gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) mittels flüssigen Heliums auf eine Temperatur von etwa 4°K gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material die Formel besitzt: Bi_αPb_βSr_γCa_δCu_εO_x (I)worin α ist eine Zahl von 1, 4 bis 2,0; β ist eine Zahl von 0 bis 0,6; γ ist eine Zahl von 0 bis 2,5; δ ist eine Zahl 0 bis 0,5; ε ist eine Zahl von 1,0 bis 4,0; x ist ein stoichiometrischer Wert entsprechend der verschiedenen vorhandenen Oxide.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Phasenleiter (4) der leitende Element (3) elektrisch parallel verbunden sind.