WO2010108771A1 - Supraleitfähiges elektrisches kabel - Google Patents

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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a superconducting electrical cable which has at least one superconducting conductor consisting of strips or wires, which are wound in at least one layer around a carrier designed as a tube (WO 03/052775 A1).
  • a superconducting cable in today's technology has electrical conductors of a composite material containing ceramic material which changes to the superconducting state at sufficiently low temperatures.
  • the electrical DC resistance of a correspondingly constructed conductor is zero with sufficient cooling, as long as a certain current, the critical current, is not exceeded.
  • Suitable ceramic materials are, for example, rare earth oxide (ReBCO), in particular YBCO (yttrium-barium-copper-oxide), or BSCCO (bismuth-strontium-calcium-copper-oxide).
  • ReBCO rare earth oxide
  • YBCO yttrium-barium-copper-oxide
  • BSCCO bismuth-strontium-calcium-copper-oxide
  • Sufficiently low temperatures to bring such a material into the superconductive state are, for example, between 67 K and 1 10 K.
  • Suitable coolants are, for example, nitrogen, helium, neon and hydrogen or mixtures of these substances.
  • the known cable according to the aforementioned WO 03/052775 A1 has a superconductive conductor which is formed around at least one layer around a pipe.
  • the cable includes additional layers surrounding the conductor. It is, leaving a free space in a two coaxial with each other arranged metallic tubes between which a vacuum insulation is located existing cryostat. A coolant causing the superconductive state of the conductor can be passed through the tube and through the free space of the cryostat.
  • the conductor of a superconductive cable consists, in a known technique, of strips or wires of superconducting material which are wound in at least one layer around a carrier, for example around a tube.
  • the superconducting conductor material shrinks by about 0.25% to 0.3%.
  • this can lead to a shortening of the conductor by about 1.5 m to 1.8 m.
  • the superconducting cable and thus its conductor is fixed at its ends in connection fittings.
  • the significant shortening of the conductor due to the cooling leads to a considerable tensile load on the connection fittings. It can also easily lead to overstretching of the conductor or its individual elements and thus to damage, through which the conductor is unusable.
  • the invention has for its object to make the above-described cable so that temperature-induced changes in length of the conductor can be compensated in a simple manner.
  • the tube is elastically deformable and has a extending over its entire length, extending in the axial direction gap.
  • the tube used as a carrier of the conductor is elastically deformable so that its diameter can be reduced in an externally applied radial pressure load. This is ensured by the extending in the longitudinal direction of the tube gap, which is dimensioned sufficiently wide at room temperature, so that it can constrict during cooling of the conductor or maximum close completely. The reduction during cooling the conductor thus acts essentially in the radial direction to its carrier, so that the connection fittings at the ends of the cable no significant tensile loads are exercised. Since the tube is elastically deformable, the gap expands upon reduction or in extreme cases elimination of the radial load of the tube, so that the diameter of the tube is larger again.
  • the conductor of the superconducting cable is thus regardless of its length during cooling or warming constantly on the surface of the permanently acting as a carrier tube.
  • the words "elastically deformable" in the context of the invention mean that the tube constantly presses against the same surrounding conductor, so in the broadest sense has resilient properties.
  • the width of the gap which is required for a tube acting in the above sense at room temperature, can be calculated or specified depending on the diameter of the tube, the material thereof and the difference between room temperature and operating temperature of the cable in the superconducting state.
  • Fig. 1 shows a cross section of an arrangement with a superconducting cable.
  • Fig. 2 can be used for a superconducting cable according to the invention tube as
  • FIGS. 3 and 4 with respect to FIG. 2 modified embodiments of the tube.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a superconducting cable SK arranged in a cryostat KR.
  • the cable SK has a superconductive conductor 1, which is formed around a designed as a support tube 2.
  • the conductor 1 is surrounded by a dielectric 3, over which a superconducting screen 4 is arranged.
  • the cryostat KR consists of two coaxially arranged metallic tubes 5 and 6, between which a vacuum insulation 7 is located.
  • the cryostat KR encloses the cable SK and a free space FR for passing a coolant.
  • the tubes 5 and 6 of Kryost ⁇ ts KR are advantageously made of stainless steel. They can be corrugated transversely to their longitudinal direction.
  • Conductor 1 and shield 4 may consist of conventional superconducting materials, in particular of the materials YBCO and BSCCO mentioned in the beginning.
  • the conductor 1 is advantageously made of superconductive tapes or wires wound around the tube 2 in at least one layer.
  • the dielectric 3 is constructed in conventional technology.
  • the cable SK in the embodiment of Fig. 1 is a superconducting cold dielectric cable.
  • the tube 2 used as a carrier for the conductor 1 is elastically deformable in the sense described above, in particular in the radial direction with a variable diameter.
  • the tube 2 is in a preferred embodiment made of stainless steel, copper or aluminum or their alloys. It may advantageously consist for example of a beryllium-copper alloy. It may, according to Fig. 4, be corrugated transversely to its longitudinal direction.
  • the tube 2 has a gap 8 extending over its entire length, which extends in a straight line along a surface line of the tube according to FIG. 2.
  • the gap 8 can also be helical, preferably with a large pitch angle as shown in FIG. 3.
  • the width of the gap 8 can be calculated, for example, as follows:
  • L ⁇ l LS 2 + Tt 2 D 2 given.
  • LK »L.
  • the conductor in the superconducting cable SK, the conductor should be wrapped around a 25 mm diameter pipe 2 made of stainless steel.
  • the diameter DK of the cold tube 2 is then 24.58 mm.
  • the material to be used in the tube 2 is ideally designed so that no shrinkage or only very slight plastic deformation occurs when the gap 8 is narrowed by shrinkage. This can be achieved by a suitable choice of materials with corresponding wall thicknesses.

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Abstract

Es wird ein supraleitfähiges elektrisches Kabel (SK) angegeben, welches mindestens einen supraleitfähigen, aus Bändern oder Drähten bestehenden Leiter (1) aufweist, die in mindestens einer Lage um einen als Rohr (2) ausgeführten Träger herumgewickelt sind. Das Rohr (2) ist elastisch verformbar und weist einen sich über seine ganze Länge erstreckenden, in axialer Richtung verlaufenden Spalt (8) auf.

Description

Suprαleitfähiges elektrisches Kabel
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein supraleitfähiges elektrisches Kabel, welches mindestens einen supraleitfähigen, aus Bändern oder Drähten bestehenden Leiter aufweist, die in mindestens einer Lage um einen als Rohr ausgeführten Träger herumgewickelt sind (WO 03/052775 Al ).
Ein supraleitfähiges Kabel hat in heutiger Technik elektrische Leiter aus einem Verbundwerkstoff, welcher keramisches Material enthält, das bei ausreichend tiefen Temperaturen in den supraleitfähigen Zustand übergeht. Der elektrische Gleichstromwiderstand eines entsprechend aufgebauten Leiters ist bei ausreichender Kühlung Null, solange eine bestimmte Stromstärke, die kritische Stromstärke, nicht überschritten wird. Geeignete keramische Materialien sind beispielsweise oxidische Materialien auf Basis seltener Erden (ReBCO), insbesondere YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid), oder BSCCO (Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer- Oxid). Ausreichend niedrige Temperaturen, um ein derartiges Material in den supraleitfähigen Zustand zu bringen, liegen beispielsweise zwischen 67 K und 1 10 K. Geeignete Kühlmittel sind beispielsweise Stickstoff, Helium, Neon und Wasserstoff oder Gemische dieser Stoffe.
Das bekannte Kabel nach der eingangs erwähnten WO 03/052775 Al hat einen supraleitfähigen Leiter, der in mindestens einer Lage um ein Rohr herumgeformt ist. Zu dem Kabel gehören weitere, den Leiter umgebende Schichten. Es ist unter Freilassung eines Freiraums in einem aus zwei koaxial zueinander angeordneten metallischen Rohren, zwischen denen sich eine Vakuumisolierung befindet, bestehenden Kryostat angeordnet. Ein den supraleitfähigen Zustand des Leiters bewirkendes Kühlmittel kann durch das Rohr und durch den Freiraum des Kryostats geleitet werden. Der Leiter eines suprαleitfähigen Kabels besteht in bekannter Technik aus Bändern oder Drähten aus supraleitfähigem Material, die in mindestens einer Lage um einen Träger, beispielsweise um ein Rohr, herumgewickelt sind. Durch die zum Betrieb des Kabels erforderliche Abkühlung des Leiters von Raumtemperatur auf die für den supraleitfähigen Zustand benötigte Temperatur schrumpft das supraleitfähige Leitermaterial etwa um 0,25 % bis 0,3 %. Das kann bei einer Kabellänge von beispielsweise 600 m zu einer Verkürzung des Leiters um etwa 1 ,5 m bis 1 ,8 m führen. Das supraleitfähige Kabel und damit auch sein Leiter ist an seinen Enden in Anschlußarmaturen festgelegt. Die durch die Abkühlung erhebliche Verkürzung des Leiters führt zu einer erheblichen Zugbelastung der Anschlußarmaturen. Sie kann außerdem leicht zu einer Überdehnung des Leiters bzw. seiner Einzelelemente und damit zu einer Beschädigung führen, durch welche der Leiter unbrauchbar wird. Um derartige Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Leiters zu verhindern, sollen seine Enden gemäß der EP 1 821 380 Bl beispielsweise erst nach erfolgter Abkühlung und damit in einer dem supraleitfähigen Zustand entsprechenden, verkürzten Länge innerhalb des Kryostats fixiert werden. Der Aufwand für diese Maßnahme ist relativ hoch. Wenn ein solches supraleitfähiges Kabel beispielsweise für Reparaturzwecke auf Raumtemperatur erwärmt wird, werden die Anschlußarmaturen außerdem durch das sich ausdehnende Kabel mechanisch belastet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Kabel so zu gestalten, daß temperaturbedingte Längenänderungen des Leiters auf einfache Weise ausgeglichen werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Rohr elastisch verformbar ist und einen sich über seine ganze Länge erstreckenden, in axialer Richtung verlaufenden Spalt aufweist.
Bei diesem Kabel ist das als Träger des Leiters eingesetzte Rohr elastisch so verformbar, daß sein Durchmesser sich bei einer von außen einwirkenden radialen Druckbelastung verringern kann. Das wird durch den sich in Längsrichtung des Rohres erstreckenden Spalt sichergestellt, der bei Raumtemperatur ausreichend breit bemessen ist, damit er sich während der Abkühlung des Leiters verengen bzw. maximal ganz schließen kann. Die während der Abkühlung erfolgende Verkürzung des Leiters wirkt sich damit im wesentlichen in radialer Richtung aut seinen Träger aus, so daß aut die Anschlußarmaturen an den Enden des Kabels keine wesentlichen Zugbelastungen ausgeübt werden. Da das Rohr elastisch verformbar ist, weitet sich der Spalt bei Reduzierung oder im Extremfall Fortfall der radialen Belastung des Rohres wieder auf, so daß der Durchmesser des Rohres wieder größer wird. Der Leiter des supraleitfähigen Kabels liegt dadurch unabhängig von seiner Länge beim Abkühlen oder beim Wärmerwerden ständig an der Oberfläche des damit dauernd als Träger wirkenden Rohres an. Die Worte „elastisch verformbar" bedeuten im Sinne der Erfindung, daß das Rohr ständig gegen den dasselbe umgebenden Leiter drückt, also im weitesten Sinne federnde Eigenschaften hat.
Die Breite des Spaltes, die für ein in obigem Sinne wirkendes Rohr bei Raumtemperatur benötigt wird, kann in Abhängigkeit vom Durchmesser des Rohres, vom Material desselben und von der Differenz zwischen Raumtemperatur und Arbeitstemperatur des Kabels im supraleitfähigen Zustand berechnet bzw. vorgegeben werden.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Anordnung mit einem supraleitfähigen Kabel.
Fig. 2 einen für ein supraleitfähiges Kabel nach der Erfindung einsetzbares Rohr als
Träger für den Leiter des Kabels.
Fig. 3 und 4 gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsformen des Rohres.
In Fig. 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines in einem Kryostat KR angeordneten supraleitfähigen Kabels SK dargestellt. Das Kabel SK hat einen supraleitfähigen Leiter 1 , der um ein als Träger ausgeführtes Rohr 2 herumgeformt ist. Der Leiter 1 ist von einem Dielektrikum 3 umgeben, über welchem ein supraleitfähiger Schirm 4 angeordnet ist. Der Kryostat KR besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten metallischen Rohren 5 und 6, zwischen denen sich eine Vakuumisolierung 7 befindet. Der Kryostat KR umschließt das Kabel SK und einen Freiraum FR zum Durchleiten eines Kühlmittels. Die Rohre 5 und 6 des Kryostαts KR bestehen mit Vorteil aus Edelstahl. Sie können quer zu ihrer Längsrichtung gewellt sein. Leiter 1 und Schirm 4 können aus üblichen supraleitfähigen Materialien bestehen, insbesondere aus den eingangs erwähnten Materialien YBCO und BSCCO. Der Leiter 1 besteht mit Vorteil aus supraleitfähigen Bändern oder Drähten, die in mindestens einer Lage um das Rohr 2 herumgewickelt sind. Das Dielektrikum 3 ist in üblicher Technik aufgebaut. Das Kabel SK ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 ein supraleitfähiges Kabel mit kaltem Dielektrikum.
Das als Träger für den Leiter 1 verwendete Rohr 2 ist im weiter oben geschilderten Sinne elastisch verformbar, und zwar insbesondere in radialer Richtung mit veränderbarem Durchmesser. Das Rohr 2 besteht in bevorzugter Ausführungsform aus Edelstahl, Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen. Es kann mit Vorteil beispielsweise aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung bestehen. Es kann entsprechend Fig. 4,,quer zu seiner Längsrichtung gewellt sein.
Das Rohr 2 hat einen sich über seine ganze Länge erstreckenden Spalt 8, der gemäß Fig. 2 geradlinig entlang einer Mantellinie des Rohres verläuft. Der Spalt 8 kann gemäß Fig. 3 auch wendeiförmig, mit vorzugsweise großem Steigungswinkel verlaufen.
Beispiel
Die Breite des Spaltes 8 kann beispielsweise wie folgt berechnet werden:
Wenn ein Leiter mit einer Schlaglänge LS um einen Strang mit dem Durchmesser D verseilt wird, ist die Leiterlänge L pro Schlaglänge LS durch die Gleichung
L = ^l LS2 + Tt2D2 gegeben. Wenn der Leiter abgekühlt wird, wird er durch Schrumpfung insbesondere kürzer. Diese Schrumpfung kann dadurch kompensiert werden, daß eine Reduzierung des Durchmessers des aus dem aufgewickelten Leiter bestehenden Wickelkörpers ermöglicht wird. Dies wird erreicht, wenn für die Länge LK des kalten Leiters folgendes gilt: LK = » L. • ist dabei ein Faktor, der von der thermischen Konfraktion des Materials des Stranges abhängt. Metallische Materialien schrumpfen beispielsweise um etwa 0,3%, wenn sie von Raumtemperatur auf 77 K abgekühlt werden. In einem solchen Falle wäre •= 1 -0,003=0,997. Aus der oben angegeben Gleichung folgt, daß für = -J LS2 + π2D2 x • = \ 1L2 + π2DK2 ein Durchmesser DK bestimmt werden kann, auf den der Wickelkörper des geschrumpften Leiters im kalten Zustand schrumpfen sollte.
In dem supraleitfähigen Kabel SK soll der Leiter beispielsweise um ein aus Edelstahl bestehendes Rohr 2 mit einem Durchmesser von 25 mm herumgewickelt sein. Die Schlaglänge LS soll das zehnfache des Durchmessers betragen, also LS = 250 mm. Mit einem Faktor • von 0,997 ergibt sich dann ein Durchmesser DK des kalten Rohres 2 von 24,58 mm. Ein solcher Durchmesser entspricht einem Umfang des Rohres 2 von 77,22 m. Im Originalzustand war der Umfang desselben - bei einem Durchmesser von D = 25 mm - 78,54 mm. Wenn auch das Rohr 2 radial um 0,3 % schrumpft, dann ist der Durchmesser desselben im abgekühlten Zustand 25 mm x 0,997 = 24,93 mm. Sein Umfang beträgt damit 78,30 mm. Für dieses Beispiel berechnet sich die Breite des Spaltes 8 also zu 78,30 mm - 77,22 mm = 1 ,08 mm.
Das in dem Rohr 2 zur Verwendung kommende Material ist idealerweise so ausgelegt, daß bei dem Verengen des Spaltes 8 durch Schrumpfen keine oder eine nur sehr geringe plastische Verformung auftritt. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Materialien mit entsprechenden Wanddicken erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Supraleitfähiges elektrisches Kabel, welches mindestens einen supraleitfähigen, aus Bändern oder Drähten bestehenden Leiter aufweist, die in mindestens einer Lage um einen als Rohr ausgeführten Träger herumgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) elastisch verformbar ist und einen sich über seine ganze Länge erstreckenden, in axialer Richtung verlaufenden Spalt (8) aufweist.
2. Kabel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) quer zu seiner Längsrichtung gewellt ist.
3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (8) geradlinig entlang einer Mantellinie des Rohres (2) verläuft.
4. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (8) wendeiförmig verläuft.
5. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus Edelstahl besteht.
6. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung besteht.
7. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung besteht.
8. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht.
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