DE69936093T2

DE69936093T2 - Verfahren zur Herstellung eines Supraleiter-Mehrphasenkabels mit N Phasen

Info

Publication number: DE69936093T2
Application number: DE69936093T
Authority: DE
Inventors: Dag Willen
Original assignee: NKT Cables Ultera AS
Current assignee: NKT Cables Ultera AS
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: WO2000031754A2; CN1291337A; US6684486B1; BR9907101A; ATE362638T1; CA2318592A1; JP2002530829A; NO20003660L; NO20003660D0; DE69936093D1; US7735212B1; EP1057193A2; WO2000031754A3; ZA200003514B; AU1374900A; EP1057193B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines N Phasen umfassenden supraleitenden Mehrphasenkabels, wobei jede Phase in dem Kabel in eine Anzahl von Leitern unterteilt ist und wobei Isolationsmittel in dem Kabel angeordnet sind, wobei die Phasen in n Gruppen mit je N verschiedenen Phasen unterteilt sind.
Supraleiterkabel nutzen den niedrigen Widerstand in Supraleitermaterialien, der erzielt wird, wenn das Supraleitermaterial einer Temperatur ausgesetzt wird, die niedriger als seine so genannte kritische Temperatur ist.
Diese Temperatur kann zum Beispiel 4 bis 7 K (Tieftemperatur-Supraleiter, LTS) oder 30 bis 10 K (Hochtemperatur-Supraleiter, HTS) betragen.
Zur Verwendung bei Umgebungstemperatur sind im Allgemeinen ein künstliches Kältemittel und eine Wärmeisolierung erforderlich, um die Kabelleiter thermisch von ihrer Umgebung zu trennen.
Supraleiterkabel können aus einem supraleitenden Band hergestellt werden, das um einen zentralen Kühlkanal gewickelt wird. Danach wird eine Schicht elektrisch leitendes Material koaxial aufgebracht.
Anschließend kann eine supraleitende oder normalleitende koaxiale Abschirmung aufgebracht werden.
Eine thermisch isolierende Schicht kann entweder zwischen der inneren supraleitenden Schicht und der elektrischen Isolierung oder auf der Außenseite der elektrischen Isolierung aufgebracht werden.
Daher ist die elektrische Isolierung entweder einer hohen Temperatur (Umgebungstemperatur) oder einer niedrigen Temperatur (Tieftemperatur) ausgesetzt.
Darüber hinaus kann ein solches Kabel einen Außendurchmesser aufweisen, der typischerweise im Bereich von 8 bis 15 cm liegt.
Die in dem Supraleiter auftretende elektrischen Wechselstromverluste können verringert werden, indem ein supraleitendes Band oder ein Draht um einen Kühlkanal gewickelt wird, wobei das Umwickeln mit ansteigenden Winkeln so erfolgt, dass eine gleichmäßige Stromverteilung unter den einzelnen Bändern/Drähten erreicht wird.
Sie können auch um mehrere Kühlkanäle gewickelt sein, wie zum Beispiel in US-Patent 4,327,244 beschrieben.
Wenn die Strombelastbarkeit von Kabeln dieser Art erhöht werden soll, kann dies durch Erhöhen der Menge des supraleitenden Materials erreicht werden.
Dies führt jedoch zu einer erhöhten Erzeugung von Blindleistung, da der Blindwiderstand/die Induktivität des Kabels relativ hoch wird, was unerwünschte Phasenverschiebungen in der geleiteten elektrischen Spannung und dem Strom verursachen kann, insbesondere in langen Kabelabschnitten, aber auch in kurzen Kabelstücken, an die eine niedrige Spannung angelegt ist und die einen hohen Strom leiten.
Normalerweise kann dieser Blindwiderstand/diese Induktivität durch Vergrößern des Durchmessers des inneren Halbleiters um zum Beispiel 30 bis 50 cm verringert werden.
Obwohl der Blindwiderstand/die Induktivität dadurch verringert wird, hat diese Verringerung auch Nachteile wie zum Beispiel größere Abmessungen der Kabel, einen höheren Materialverbrauch und schließlich eine höhere Wärmeübertragung aufgrund der vergrößerten Fläche der Wärmeisolierung.
Andere Verfahren sind in der Literatur beschrieben, die eine Senkung des Blindwiderstands/der Induktivität eines Supraleiterkabelsystems ermöglichen.
Normalerweise sind die elektrische Isolierung und die elektrische Abschirmung in bekannten Kabelsystemen für Einphasen-Wechselstromkabel enthalten, wobei drei Kabel mit je einem Phasenleiter verwendet werden, um drei Phasen vorzusehen.
Aus EP 0 786 783 A1 ist ein Mehrphasen-Supraleiterkabel bekannt, bei dem die einzelnen Phasen in eine Anzahl einzelner Leiter unterteilt sind. Die einzelnen Leiter sind jeweils voneinander isoliert und mit einer supraleitenden Abschirmung versehen.
Offensichtlich führt dies zu einem sehr teuren und voluminösen Kabel, da jeder einzelne Leiter ein „Kabel" mit einem Leiter, einer Abschirmung und zwei Schichten Isolierung darstellt.
DE 4340046 A1 beschreibt ein Supraleiterkabel, in dem drei Phasen koaxial zueinander angeordnet und von einer gemeinsamen Rückleitung umgeben sind.
Ein geringerer Materialverbrauch wird dadurch ermöglicht, weil drei Phasenleiter eine gemeinsame Abschirmung aufweisen.
Der Durchmesser der einzelnen Phasenleiter kann mit dem Ziel erhöht werden, die Induktivität zu verringern, ohne das erforderliche Volumen zu erhöhen, wie dies bei Verwendung von drei einzelnen Kabeln der Fall wäre.
Der Nachteil ist jedoch der, dass keine ausreichend verringerte Induktivität erzielt wird, weil die Beziehung zwischen dem Blindwiderstand und dem Durchmesser logarithmisch ist.
In gleicher Weise ist aus JP 1231217 ein Mehrphasen-Supraleiterkabel bekannt, bei dem die einzelnen Phasenleiter aus einem Kühlkanal, einem supraleitenden Phasenleiter und einer elektrischen Isolierung bestehen, wobei jeder einzelne Phasenleiter von einer normalleitenden Abschirmung umgeben ist.
Dies verringert den Verbrauch an supraleitendem Material.
Weil die normalleitende Abschirmung widerstandsbehaftet ist, ist es nach diesem Verfahren nötig, den in diesen widerstandsbehafteten Abschirmungen induzierten Strom auf ein Minimum zu verringern, indem die einzelnen Phasenleiter in einem Dreiecksmuster angeordnet werden, bei dem jeder einzelne Phasenleiter eine andere Phase als Nachbar hat.
Beide vorstehend beschriebenen Phasenteilungsverfahren haben den Vorteil, dass die Erzeugung von Blindleistung entsprechend dem Gesetz der parallelen Kopplung von Blindwiderstand/Induktivität verringert wird. Eine Verringerung des elektrischen Stroms in jedem einzelnen Phasenleiter verringert auch das Magnetfeld an der Oberfläche des Phasenleiters und die elektrischen Wechselstromverluste in dem supraleitenden Material.
Daher liegt der Nachteil dieser bekannten Verfahren darin, dass die einzelnen Phasenleiter aus vollständigen unabhängigen Kabeln mit Kühlkanal, Kabelleiter, elektrischer Isolierung und elektrischer Abschirmung bestehen.
In der Praxis ist es nicht möglich, ein kompaktes und preiswertes Kabel herzustellen, wenn eine große Anzahl von Gruppen mit einer Anzahl von Phasen in jeder Gruppe gewünscht ist.
Ein Ziel der Erfindung ist die Erleichterung der Herstellung eines supraleitenden Stromkabels, vorzugsweise zur Verwendung bei 1 bis 132 kV, wobei das supraleitende Stromkabel weniger voluminös ist und eine höhere Effizienz und niedrigere Herstellungskosten im Vergleich zum Ausstoß aufweist, auch bei einer größeren Anzahl von Gruppen.
Einweiteres Ziel ist die Verringerung des Blindwiderstands/der Induktivität in einem supraleitenden Kabelsystem, ohne dass das Kabelsystem voluminöser oder teurer als bisher bekannt wird.
Das Ziel der Erfindung wird durch eine Anzahl von N Gruppen von Phasenleitern erreicht, die in Gruppen angeordnet sind, und dadurch, dass eine oder mehrere der Gruppen mit einer gemeinsamen elektrischen Abschirmung versehen sind.
Auf diese Weise kann ein Kabel so hergestellt werden, dass die elektrische Isolierung im Wesentlichen in einem Arbeitsschritt hergestellt werden kann, der ausgeführt wird, bevor die verschiedenen Phasenleiter in einem Kabel angeordnet werden, entweder durch Aufbringen auf die Phasenleiter der einzelnen Supraleiter und/oder durch Herstellen einer elektrisch isolierenden Folie.
Auf diese Weise wird eine Produktion erreicht, die kompakter als bisher ist und mit niedrigeren Kosten verbunden ist, da die Anzahl der Arbeitsschritte bei der Herstellung des Kabels verringert werden kann, weil die einzelnen Phasen keine einzelnen elektrischen Abschirmungen aufweisen.
Zur weiteren Senkung der Herstellungskosten enthalten die einzelnen Phasen, wie in Anspruch 2 festgelegt, vorzugsweise nur supraleitenden Kabeldraht und ein Isolierungssystem.
Zur weiteren Vereinfachung des Herstellungsverfahrens können die Gruppen, wie in Anspruch 3 festgelegt, in n koaxialen Gruppen angeordnet werden, entweder mit mehreren verschiedenen Phasenleitern in jeder koaxialen Schicht oder mit jedem einzelnen Phasenleiter in einer separaten koaxialen Schicht.
Auf diese Weise kann ein einfacheres Kühlsystem mit einer begrenzten Anzahl von Strömungswegen für Kältemittel vorgesehen werden.
Durch Anordnen der Gruppen in N flachen Phasen, wie in Anspruch 4 festgelegt, wird das durch den Strom in den Phasen erzeugte Magnetfeld relativ lang, so dass die magnetische Induktion in dem Kabel vermindert wird.
Bei dieser Anordnung können vorzugsweise ein oder mehr elektrisch isolierende Foliensysteme als elektrische Isolierung verwendet werden, wobei die Foliensysteme aus ein oder mehr Schichten isolierender und wahlweise elektrisch leitender Materialien bestehen.
Die Verwendung von elektrisch leitenden Folienschichten oder Oberflächenbeschichtungen impliziert, dass diese Beschichtung wahlweise von ausgewählten Teilen der Folie entfernt werden kann oder auf ausgewählten Teilen der Folie nicht aufgebracht wird.
Darüber hinaus sind entsprechende Ausführungsformen der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen festgelegt.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen gezeigten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Kabels nach der Erfindung.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Kabels nach der Erfindung.
3 zeigt eine erste Variante der Ausführungsform nach 2.
4 zeigt eine zweite Variante der Ausführungsform nach 2.
5 zeigt eine dritte Variante der Ausführungsform nach 2.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform des Kabels nach der Erfindung.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein supraleitendes Kabel in seiner Gesamtheit nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
In dem gezeigten Beispiel ist das Kabel ein Dreiphasenkabel, bei dem die einzelnen Phasen mit den Buchstaben a, b oder c bezeichnet sind. Die Phasen sind auf eine Anzahl von einzelnen Leitern aufgeteilt, die mit einer Ziffer 1 bis n bezeichnet sind. Daher bezeichnet die Bezeichnung n_a einen Leiter Nr. n mit der Phase a.
Wie gezeigt, sind die Leiter in eine Anzahl von Gruppen n aufgeteilt, wobei jede der Gruppen eine Anzahl von Leitern aufweist, die der Anzahl der Phasen entspricht, das heißt drei in dem gezeigten Beispiel.
Um alle einzelnen Leiter herum ist ein diese umgebender Neutralleiter 4 gezeigt, der eine gemeinsame Abschirmung darstellen kann. Nach der Erfindung kann diese gemeinsame Abschirmung eine oder mehr Phasengruppen umgeben.
Das Kältemittel kann auf jeden einzelnen Phasenleiter, jede einzelne Gruppe, eine Anzahl von Gruppen oder vorzugsweise das gesamte Kabel mit einem Rohrsystem angewendet werden. Das Kältemittel kann in diesem Rohrsystem in einer oder mehr Richtungen fließen.
Dieser Kabelaufbau, besonders in der bevorzugten Ausführungsform, ergibt einen sehr kompakten Aufbau mit optimalen elektrischen Eigenschaften wie zum Beispiel einer niedrigen Impedanz.
Eine zweite Ausführungsform eines supraleitenden Stromkabels nach der Erfindung ist in 2 gezeigt.
Im Vergleich zu der Ausführungsform in 1 ist hier ein flaches Dreiphasenkabel 5 gezeigt, bei dem jede Phase mit a, b und c bezeichnet ist. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Phasen in zwei Gruppen 6 und 7 unterteilt, aber natürlich hindert nichts daran, nur eine Gruppe oder mehr Gruppen zu verwen den. Wie gezeigt, besteht jede Phase in jeder Gruppe jeweils aus einer Reihe von in Reihen angeordneten Bändern. Bei dem gezeigten Beispiel sind alle Reihen durch dieselbe Isolierung 18 getrennt. Alternativ kann ein breites Band mit einer entsprechenden Geometrie implementiert werden, wie in 5 gezeigt, in dem jede Phase in jeder Gruppe durch Isolierschichten getrennt ist.
3 zeigt eine weitere Variante, wobei jede einzelne Phase aus jeder Gruppe durch dieselbe Isolierung wie in 3 umgeben ist, bezeichnet mit 13 und 14.
Auf diese Weise wird eine elektrische Isolierung erhalten, in der jede einzelne Oberfläche eines isolierenden Bands nur mit einer bestimmten Phase in Beziehung steht. Die Gefahr von Leckströmen zwischen den Phasen ist dadurch verringert.
Wenn, wie in 4 gezeigt (siehe das Bezugszeichen 18), die zwei Foliensystemen aus 3 in einer kontinuierlichen Folien angeordnet sind, entsteht ein weiterer verlängerter Streupfad ohne höherer Platzbedarf.
Daher müssen bei den vorstehenden Ausführungsformen die in dem Kabel induzierten Magnetfelder, die beim Leiten von Strom erzeugt werden, eine längere Entfernung zurücklegen, was wiederum zu einer niedrigeren Kabelimpedanz führt.
6 zeigt eine Variante der Ausführungsform nach 5, wobei in 6 ein Kabel mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt ist, in dem die einzelnen Phasen 10 bis 12 konzentrisch angeordnet sind.
Wie gezeigt, besteht jede Schicht aus einer Anzahl von Bändern, die in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform in 4 angeordnet sind, das heißt es gibt n Bänder in jeder Schicht.
Daher gibt es mehrere Gruppen von n Phasenleitern in jeder Schicht.
Schließlich zeigt die Abbildung einen gemeinsamen Kanal 9 für Kältemittel. Die Kühlung kann jedoch auf verschiedene Weise in einem Rohrsystem erfolgen.
Die genannte elektrische Abschirmung, die ein oder mehr Gruppen von Phasen umgeben kann, kann vollständig oder teilweise aus supraleitenden, metallischen und halbleitenden Materialien bestehen, auch in Kombination mit nichtleitenden Materialien und Verbundstrukturen wie zum Beispiel mit Kohlepulver imprägniertes Papier.
Eine oder mehr dieser Verbundstrukturen können mit porösem oder nicht porösem Polymer- oder Keramikmaterial imprägniert sein, das eine hohe oder eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann, so dass die Kühlung durch massive Leitung und/oder mit Hilfe eines Mediums wie zum Beispiel flüssiges oder gasförmiges N₂, He₂ oder Ne erfolgen kann, das in das poröse Material und zwischen eine oder mehr der Phasen oder Gruppen von Phasen eindringt.
Es ist denkbar, dass die elektrische Isolierung mit diesem Kältemittel oder einem alternativen Kältemittel getränkt werden kann, um die elektrischen Isoliereigenschaften zu verbessern.
Auch wenn die Erfindung in Zusammenhang mit den bestimmten Ausführungsformen erläutert worden ist, die anhand von 1 bis 3 beschrieben worden sind, steht dem natürlich nichts entgegen, andere Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Ansprüche vorzusehen. Die Querschnitte der Kabel können zum Beispiel andere Formen annehmen; so können sie zum Beispiel oval, eckig und dergleichen sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines N Phasen umfassenden supraleitenden Mehrphasenkabels, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einrichten jeder Phase im Kabel in der Form einer Anzahl von Phasenleitern, Klassifizieren der Phasenleiter in N-Phasengruppen, wobei jede N-Phasengruppe einen Phasenleiter aus jeder der N verschiedenen Phasen umfasst, wobei die Anzahl von N-Phasengruppen größer oder gleich zwei ist, Anbringen von Isolationsmitteln im Kabel um jeden Phasenleiter herum oder zwischen Anordnungen von Phasenleitern und Einrichten, dass die N-Phasengruppen voneinander elektrisch isoliert sind, und Versehen einer oder mehrerer der N-Phasengruppen oder der Anordnungen von N-Phasengruppen mit einer gemeinsamen elektrischen Abschirmung.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die einzelnen Phasen lediglich supraleitenden Kabeldraht und ein Isolierungssystem enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Phasengruppen als eine Anzahl von koaxialen Gruppen angeordnet sind, entweder mit mehreren verschiedenen Phasenleitern, die verschiedenen Phasen in jeder koaxialen Schicht entsprechen, oder mit jedem einzelnen Phasenleiter einer bestimmten Phase in einer separaten koaxialen Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die N-Phasengruppen oder jede der Anordnungen von N-Phasengruppen so angeordnet sind, dass die Phasenleiter N flache Phasen bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Phasen durch eine oder mehrere einzelne Leiter wie etwa Bänder ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle N-Phasengruppen in einer Anordnung gesammelt sind, die von einer gemeinsamen elektrischen Abschirmung umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die N Phasen konzentrisch mit konzentrischer Isolierung zwischen den jeweiligen N Phasen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen in jeder N-Phasengruppe oder Anordnung von N-Phasengruppen voneinander getrennt und elektrisch isoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen in jeder N-Phasengruppe oder Anordnung von N-Phasengruppen voneinander durch eine gemeinsame Isolierung isoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von N-Phasengruppen gross ist, vorzugsweise größer als 10 und darüber hinaus vorzugsweise größer als 100.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Abschirmung bei einem Nullpotential gehalten wird und vollständig oder teilweise aus supraleitenden, metallischen und halbleitenden Materialien oder einer Kombination dieser Materialien mit nichtleitenden Materialien und Verbundstrukturen besteht und nahe dem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Phasen in jeder N-Phasengruppe oder Anordnung von N-Phasengruppen eine solche Dielektrizitätskonstante aufweisen, dass sie magnetisch zusammenwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Phasen durch einen Neutralleiter gebildet ist.
Supraleitendes Mehrphasenkabel, bestehend aus N Phasen, wobei jede Phase im Kabel eine Anzahl von Phasenleitern umfasst, wobei die Phasenleiter in N-Phasengruppen klassifiziert worden sind, wobei jede N-Phasengruppe einen Phasenleiter aus jeder der N verschiedenen Phasen umfasst, wobei die Anzahl von N-Phasengruppen größer oder gleich zwei ist und wobei Isolationsmittel im Kabel um jeden Phasenleiter herum oder zwischen Anordnungen von Phasenleitern angebracht worden sind, so dass die N-Phasengruppen voneinander elektrisch isoliert sind, und wobei eine oder mehrere der N-Phasengruppen oder Anordnungen von N-Phasengruppen mit einer gemeinsamen elektrischen Abschirmung versehen worden sind.