WO2018197427A1 - Device and method for direct current transmission with a high nominal power - Google Patents

Device and method for direct current transmission with a high nominal power Download PDF

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WO2018197427A1
WO2018197427A1 PCT/EP2018/060362 EP2018060362W WO2018197427A1 WO 2018197427 A1 WO2018197427 A1 WO 2018197427A1 EP 2018060362 W EP2018060362 W EP 2018060362W WO 2018197427 A1 WO2018197427 A1 WO 2018197427A1
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conductor wires
transmission line
superconducting
conductor
coolant
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PCT/EP2018/060362
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Anne Bauer
Sylvio Kosse
Christian Schacherer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the present invention relates to a device for
  • a DC transmission with a superconducting transmission line having a vacuum-insulated shell for thermally isolating a radially inner portion of the transmission line from an external environment. Furthermore, the invention relates to a method for transmitting direct current with such a device.
  • a disadvantage of normallei ⁇ border transmission lines for the high-voltage DC power transmission is that the required thick dielectric insulating layers simultaneously act thermally insulating. By means of this insulating effect, combined with the heat generation by electrical losses, such transmission lines heat up strongly at higher powers, which can lead to damage of the materials, in particular of the insulating layer. The transmitted through a transmission line ⁇ performance is therefore often limited by the heating of the conductor.
  • DC lines with superconducting conductor elements have been proposed, which can transport the current almost lossless and with very high current densities.
  • the superconducting conductor elements in such lines must be cooled by an additional cooling device to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor.
  • This Be ⁇ operating temperature may be dependent on the choice of the superconducting material, for example, between 4 K and 100 K.
  • this cooling is achieved by the transport or circulation of a fluid coolant, for example in a closed circuit, through the interior of the line.
  • the ⁇ provided in the end regions of the line and optionally also in the rich loading of intermediate cooling stations feeders for feeding coolant into the head interior.
  • this line is often at a End area or both end areas with suitable
  • the lead may be connected in one end region to one or more rectifiers to convert alternating current into direct current.
  • the line may optionally be connected to one or more inverters at the opposite end region to convert the DC current transported through the line back to AC for a consumer network.
  • superconducting transmission lines can be designed either as single-pole lines (for the transmission of direct current of only one polarity) or as two-pole lines (for the transmission of direct current of both polarities within a line).
  • a fundamental advantage of superconducting transmission lines is that DC current can be transported almost lossless at high currents.
  • high powers can advantageously be transmitted at comparatively low voltages.
  • standard available Strom ⁇ judge often are not designed for the desired high power range.
  • inexpensive and reliable standard components are often not designed for the high currents that could carry the superconducting transmission lines.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for DC transmission with a superconducting transmission line, which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a transmission device is to be specified, which is suitable for the transmission of high power, at the same time relatively low cost of materials for the conductor insulation.
  • Another object is to provide a method of transmitting direct current with such a device. The transmission should be made possible in particular at a comparatively low voltage level.
  • the DC transmission device has a superconducting transmission line.
  • This over ⁇ tragungs ein comprises a vacuum-insulated casing for ther ⁇ forming separation of a radially inner portion of the transmission line from an external environment and a plurality n of superconducting conductor filaments which are guided together inside the vacuum-insulated shell.
  • the device furthermore has at least a number n of power converters, wherein each of the superconducting conductor cores - or each group of combined conductor cores - is assigned at least one power converter.
  • the device is designed to act on a plurality of common conductors guided within the shell conductor with a direct current of mutually same polarity.
  • this is a multi-wire line, in which the individual conductor wires are arranged together in a line cryostat, wherein either each Lei ⁇ terader or each group of combined conductor wires is connected to at least one own power converter.
  • a plurality of such jointly thermally insulated conductor wires are assigned together to an electrical pole.
  • a plurality of such jointly insulated conductor wires are provided for a given current flow direction. It is possible, but not essential, that all conductor wires arranged together in the cryostat are assigned the same current flow direction. If this is true, then it is a single-pole transmission ⁇ line.
  • a significant advantage of embodiments according to the invention - irrespective of whether it is a single-pole or two-pole ge transmission line - is that an energy transfer with high rated output is made possible by the Vorlie ⁇ gene of multiple wires for each pole, while nevertheless converters each having relatively low rated power or rated current can be used. This is on the one hand possible by DA that is transmitted at comparatively total niedri ⁇ ger voltage and a comparatively high overall current. As a result, the requirements on the dielectrics for avoiding voltage flashovers are comparatively lower than would be the case with a higher transmission voltage.
  • the method according to the invention serves to transmit direct current with a device according to the invention. It includes fully the step of feeding current moving ⁇ cher polarity in several within the common sheath Toggle parent conductor cores of the superconducting transmission line. In this case, the conductor wires can in particular be insulated from one another.
  • the advantages of this process he ⁇ give themselves analogously to the advantages described above of the device according to the invention.
  • the device preferably has a cooling device for cooling the radially inner region of the transmission line to a temperature below a transition temperature of the superconducting conductor wires by means of a fluid coolant.
  • the transmission line allows ⁇ suitably a direct current in the superconducting state of the conductor wires.
  • the substratevorrich ⁇ tion comprises at least one feed device for feeding coolant at an end portion of the transmission line.
  • the transmission line at least one coolant channel which is designed for the transport of fluid coolant along a longitudinal direction of the transfer line and disposed within the common vacuum-insulated shell, so that it ge ⁇ led conductor leads can be effectively cooled by the coolant.
  • the transmission line of the device preferably has at least one such coolant channel which jointly surrounds the superconducting conductor cores disposed within the common sheath.
  • a plurality of such conductor wires may be arranged together within a sol ⁇ Chen coolant channel and thereby be guided side by side.
  • a plurality of conductor cores are arranged concentrically around each other and that at least one radially outer coolant channel surrounds these concentric conductor cores together in a ring.
  • other such coolant channels may also be arranged between such concentric conductor wheels.
  • the conductor cores which are thermally insulated by the common vacuum-insulated sheath, can also be cooled together by the coolant in the coolant channel surrounding them, and thus the device cost for the cooling of the plurality of conductor cores is advantageously low is.
  • the vacuum-insulated sheath may particularly preferably limit the coolant channel surrounding the conductor cores radially outwards.
  • each of the conductor leads is individually cooled or that are cooled separately at ⁇ game as combined groups of conductor leads from one another. This can in turn be done, for example, by coolant channels which are each assigned to individual conductor cores or also groups of conductor cores.
  • the individual, within the common vaku ⁇ umisol striv shell guided conductor wires by means of a dielectric insulating layer are insulated from each other so that during operation of the device, a potential difference between the individual conductor wires of at least 3 kV can be maintained. Even more preferably, even a potential difference of at least 9 kV or even at least 15 kV between the individual conductor wires lie, without the risk of voltage flashovers exists. In particular, such an insulation layer should also be present between those conductor wires of a transmission line which are designed to transmit direct current of the same polarity.
  • this embodiment is nevertheless expedient to at ⁇ play (in case of failure of a converter which is associated with a particular core wire or group of conductor cores ) to be able to continue the current transport over the other conductor wires.
  • ⁇ play in case of failure of a converter which is associated with a particular core wire or group of conductor cores
  • a not inconsiderable Potentialdiffe ⁇ rence between the relevant adjacent conductor wires situated on and the electrical insulation between an active and an inactive conductor wire is relevant.
  • a deactivated conductor can, for example, high impedance to the potential of an adjacent conductor wire and / or to another, suitable for reducing the potential difference potential.
  • the described dielectric insulation layer should thus be designed to electrically insulate each other from each other angeord ⁇ designated conductor wires against each other.
  • the dielectric insulation layer should not be necessary here. can be understood as a solid layer, but it can be particularly preferably partially or even mainly formed ⁇ Lich by the fluid coolant. It is only important that between the adjacent conductor wires a sufficiently dielectric for the respective voltage range dielectric is arranged in sufficient thickness.
  • the dielectric insulating layer may thus preferably comprise a fluid coolant.
  • they may be formed in axial and / or radial portions of the transmission line a majority of fluid coolant at least ⁇ .
  • This may be, in particular, the coolant flowing in an annular coolant channel in the longitudinal direction of the line, which is fed from one end of the line.
  • Such a design with coolant as part of the Isolati ⁇ ons harsh is particularly suitable for Gleichstromübertra ⁇ tion in the lower voltage range and medium voltage range, ie, for example, with voltages between 1 kV and 24 kV, since in this voltage range, for example, liquid nitrogen and liquid hydrogen sufficiently puncture are.
  • Particularly preferred is the use for the
  • the dielectric insulation layer can be formed in particular more ⁇ uniformly from fluid coolant. In other words, a majority of the volume of the insulating layer may be due to fluid coolant.
  • the dielectric isolation layer in the We ⁇ sentlichen can be formed by the filled with coolant annular coolant duct, wherein the hollow cylindrical Ka ⁇ nal next to the coolant additional electrically insulating Supporting elements for supporting the more internal elements of the conduit may have.
  • the transmission line has radially continuous axial segments and / or azimuthal segments in which the dielectric insulation layer is completely formed by fluid coolant.
  • the optionally existing between these segments support elements may be web-like. They may be formed, for example, from stainless steel, glass fiber reinforced plastic and / or cast resin, with non-conductive materials being particularly preferred.
  • a significant advantage of the embodiments in which a significant proportion of the dielectric insulating layer is formed by coolant, is that compared to a pure solid insulation, a high weight saving and material savings can be achieved.
  • the dielectric insulating layer may also include at least one layer of paper embedded in coolant.
  • the paper can thereby flow of fluid or coolant around ⁇ flow through.
  • the paper can be advantageous as the polypropylene-laminated paper (abbreviated PPLP) vorlie ⁇ gen, which is particularly effetschlägstest.
  • PPLP layer consists of a laminate of a polypropylene film which is adjacent to both sides of cellulose paper.
  • the dielectric insulation layer may also comprise a stack of a plurality of such papers, wherein the individual paper layers are respectively flowed around by fluid coolant.
  • the fluid coolant may be routed inside the transmission line at least on a majority part of the longitudinal extent of the conduit inside a smooth-walled tube.
  • a smooth-walled pipe should be such a tube be understood, which in addition to the natural production-related roughness of its surface has no regular, higher-level structure.
  • the tube should not be formed as a corrugated pipe, at least in said majority part.
  • a sufficiently high mass flow rate of the coolant can be achieved in order to ensure the cooling capacity required over the line length, even in a low pressure range.
  • a warming can be kept low by associated with a swirling mechanical friction losses ⁇ to.
  • the thermally effective surface is compared with pipes vacuum-insulated with smooth pipes
  • the coolant channel is delimited over the entire length of the transmission line by a smooth-walled tube.
  • Smooth-walled coolant pipes basically have the disadvantage of lower mechanical flexibility when laying the transmission line. This disadvantage can be compensated for by arranging comparatively shorter segments with wavy boundary tubes between individual segments with smooth-walled boundary tubes. So still a higher mobility of the line can be made possible by bending at predetermined locations.
  • the arrangement may be such segments with corrugated coolant tubes can be advantageous. Nevertheless, the turbulence in these corrugated segments can be kept low by virtue of the fact that a corrugated outer coolant tube is provided with a corrugated outer tube. slippery pipe section is lined, so that in the interior of this smooth pipe section flowing coolant in turn undergoes only a slight turbulence.
  • the coolant tube as a corrugated tube.
  • An advantage of this alternative embodiment is that such a corrugated pipe can be easily positioned around the conductor wires by its greater flexibility.
  • the previously described (smooth and / or corrugated) coolant tubes can each be the common vacuum-insulated shell of the superconducting transmission line.
  • the dielectric insulating layer may advantageously have a dielectric strength of at least 20 kV / mm. It can therefore be designed soteurschlägstest that with the device a DC transmission at voltages above 1 kV at the same time advantageously low thickness of the dielectric insulating layer between adjacent conductor wires is made possible.
  • This thickness of the insulation ⁇ layer can for example be between 1 mm and 10 mm.
  • the superconducting conductor wires can advantageously comprise conductor elements with a high-temperature superconducting material.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and some classes of materials, such as the cuprate Supralei ⁇ tern, above 77 K, where the operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have very high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high temperature superconducting material may comprise magnesium diboride.
  • the conductor elements can magnesium diboride as the main component aufwei ⁇ sen or even consist essentially of magnesium diboride.
  • Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is therefore considered as a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials.
  • the advantages of this material compared to oxide-ceramic high-temperature superconductors lie in its easy and thus inexpensive manufacturability.
  • Magnesium diboride-based conductors can be produced particularly easily and inexpensively by aerosol deposition or by the so-called powder-in-tube process.
  • the conductor elements may also comprise other high-temperature superconducting materials, for example HTS materials of the second generation, ie compounds of the type REBa 2 Cu30 x (REBCO for short), where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements. Due to their high transition temperatures, REBCO superconductors can also be cooled with liquid nitrogen and, especially at temperatures lower than 77 K, have a particularly high current carrying capacity.
  • Other advantageous materials are HTS materials of the first generation, for example the different variants of bismuth strontium calcium copper oxide.
  • superconducting pnictides can also be used. Due ih ⁇ rer rather low critical temperature superconducting Pnictides eligible for an operating temperature of about 20 to 30 K in question.
  • the superconducting conductor wires may be arranged concentrically with each other. They may then, for example, together be surrounded radially by an annular coolant channel which extends between the concentric conductor wires on the one hand and the vacuum-insulated sleeve on the other hand.
  • Alternative or additional borrowed one or more coolant channels can be arranged radially between the individual conductor wires and / or within the innermost conductor core.
  • annular coolant channels between the individual concentric conductor wires these can in turn be designed such that the fluid coolant flowing in them forms a substantial part of the dielectrics which mutually insulate the conductor wires.
  • a solid dielectric it is also fundamentally possible for a solid dielectric to be present between the concentric conductor cores.
  • the concentric superconducting conductor wires can preferably be arranged on a common rod-shaped carrier.
  • a carrier may be formed for example as a solid core or as a tube for the transport of coolant.
  • a carrier material is in particular a metal ⁇ lic material, especially copper or a copper-containing alloy.
  • the individual superconducting conductor wires can be arranged next to one another within the common sleeve.
  • the individual conductor wires each have one or more conductor elements, which are each arranged on a core.
  • each of these conductor elements may be band-shaped conductor elements.
  • the core may in particular be a metallic core, preferably a copper-containing core. Again, this core can be designed either as a solid rod or pipe (in particular for the transport of coolant). In the said embodiment with adjacent ge ⁇ led conductor cores, these may be arranged generally either together on a common core or on separate cores. There may also be several such cores available.
  • a plurality of superconducting conductor elements are arranged grouped on a common core.
  • This ⁇ a individual superconducting conductor elements can in principle either a common core conductor or also to separate conductor cores include (where appropriate then sufficiently impact resistant to be insulated from each other ⁇ th).
  • a plurality of such conductor elements gesta ⁇ pelt are arranged one above the other.
  • a plurality of such conductor elements may be helically wound around a common core next to each other.
  • the adjacent helical coils may optionally be insulated from each other by a respective dielectric isolati ⁇ ons slaughter. Again, this dielectric insulating layer can again be formed mainly by the coolant or it may be a solid dielectric in the spaces between the individual spiral-shaped conductor elements.
  • the number n of the conductor wires of a transmission line may preferably be between 2 and 100, in particular between 7 and 37. More preferably, the number n may be a so-called "magic number", which allows a regular arrangement of the conductor wires according to the pattern of a centered hexagon, n can therefore be an integer number according to the general formula
  • n 3i 2 + 3i, (formula 2) where i is again the number of concentric shells around the now vacant central space. The corresponding sequence of numbers is so
  • n 6, 18, 36, 60, 90, ...
  • the number n of the conductor wires can also be an integer multiple of such a "magic number” or "magic number plus one".
  • a central coolant channel may advantageously extend at this point.
  • a general advantage of the embodiments with a relatively high number of conductor wires is that this relatively high degree of parallel connection of individual wires within a pole enables DC transmission with a high overall rating, without the need for a single converter high performance specification needed.
  • the fluid coolant may advantageously comprise nitrogen, water ⁇ material, helium and / or neon.
  • the coolant may consist entirely of one of these substances. All ⁇ common, the coolant can be present in the liquid, gaseous and / or supercritical state. It can the
  • the coolant expedient to be adapted to the desired operating ⁇ temperature of the selected superconductor In ⁇ play as second generation HTS materials can easily be cooled with liquid nitrogen while magnesium diboride with liquid or supercritical What can be cooled ⁇ serstoff particularly advantageous.
  • the use of a überkriti ⁇ rule coolant, particularly supercritical hydrogen, is particularly advantageous because the bubbles ⁇ formation is excluded by boiling of the coolant in the coolant channel in this state, and thus the dielectric strength at a use of the coolant is increased as the dielectric insulation ⁇ medium.
  • the operating temperature of the superconducting conductor element may be, for example, in the case of cooling with water. between 20 and 35 K or with nitrogen between 65 and 80 K.
  • the individual power converters can preferably be designed in each case for an operating current of at most 4 kiloamps. In ⁇ play, they may be designed for an operating current for each of between 1 and 2 kiloamps kiloamperes. In this rated current range, in contrast to even higher currents, a large selection of inexpensive and reliable standard components is available.
  • the individual power converters may each for an operating voltage of up to 9 kV, in particular at most 5 kV ⁇ sondere be designed.
  • they can each be designed for an operating voltage between 1 kV and 9 kV, in particular between 3 kV and 4.5 kV. In contrast to even higher voltages, this range of voltages also offers a large selection of inexpensive and reliable standard components.
  • the n power converters can be configured as a rectifier. In other words, they can be adapted to convert a cod- feeding into the circuit wires of the transmission line direct current from an alternating current ⁇ . In this type of input feed-then the entire transmission device to suitable to transport a standing originally in the form of AC available electrical energy within the Kochtra ⁇ supply line as a direct current.
  • the device may also comprise n inverters.
  • the device can be equipped with n power converters which can convert the rated current transmitted on the load side in an alternating current.
  • the power converters eg as rectifiers, inverters and / or inverters
  • these can be implemented, for example, as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), as thyristors and / or as MOSFETs (for metal oxide).
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFETs for metal oxide
  • Semiconductor field-effect transistor be configured.
  • the DC transmission device may generally be preferred for a transmission power of at least 10 MW, in particular even at least 400 MW, or even at least
  • the transmission device can be operated in the region of the superconducting transmission line in a DC voltage range, which lies within the voltage specification of a single power converter.
  • each conductor core or each group of conductor wires
  • each conductor core is assigned in particular only one rectifier and / or only one inverter.
  • This embodiment is particularly preferred because of its lower equipment cost. It can be implemented particularly well with the NEN-described ⁇ multicore concept, since a high power can be transmitted through the parallel current lead in the individual conductor wires without the need for a high voltage level is required.
  • all the superconducting conductor wires of the described transmission line are designed for the transport of direct current with mutually identical polarity. So it is a einpoli ⁇ ge transmission line.
  • the power transmission device may be particularly preferable for the power transmission device to have a second such transmission line for transmitting direct current of the opposite polarity. In other words, it is then a total transmission device for two-pole DC transmission in two separate single-ended transmission lines.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for
  • Direct current transmission according to a first example of the invention shows
  • Figure 2 shows a superconducting transmission line of such a device according to a second example of the invention in a schematic cross section
  • Figure 3 shows a superconducting transmission line according to a third example in schematic cross section
  • Figure 4 shows parts of a superconducting transmission line according to a fourth example in a schematic longitudinal section
  • Figure 5 shows a transmission line according to a fifth example in schematic cross section
  • Figure 6 shows a transmission line according to a sixth example in schematic cross section
  • FIG. 5 shows a transmission line according to a fifth example in schematic cross section
  • Figure 6 shows a transmission line according to a sixth example in schematic cross section
  • Figure 7 shows a schematic diagram of a device for power transmission according to a seventh example.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 1 for DC transmission according to a first embodiment of the invention.
  • a superconducting transmission line 3 which serves to transmit direct current over longer distances.
  • This transmission line 3 has a plurality of individual superconducting conductor wires 5, four of which are shown here by way of example. In particular, however, it may also be a significantly larger number of such leads .
  • these conductor wires 5 are intended to be arranged in a common vacuum-insulated envelope, not shown here, which thermally insulates the interior of the transmission line 3 against a warmer external environment.
  • the individual conductor wires 5 of the transmission line 3 are each connected separately with their associated power converters 6a and 6b.
  • the power converters 6a are designed as rectifiers, with which therefore a direct current can be fed in parallel into the individual conductor wires 5.
  • each of these rectifier 6a are mutually electrically connected in parallel so that the total to be transported direct current is distributed to several pa ⁇ rallele current paths in the individual conductor wires.
  • the individual conductor wires 5 are in each case in turn connected to inverters 6b, which in turn convert the transmitted direct current into an alternating current.
  • These inverters 6b are also electrically parallel to one another switched, so that again results in a summated AC on the output side.
  • the superconducting transmission line 3 represents a single-pole line.
  • the individual conductor wires 5 and the respective rectifiers 6a connected in series with them are thus switched such that current of the same polarity is conducted through the individual conductor wires 5.
  • the power converters 6a and 6b and the individual conductor wires 5 are designed for a voltage range below 3.3 kV. Voltage range in this chip the standardized technical requirements to the inverter and the insulation of the conductor wires 5 advantageous relatively low, so that the design, herstel ⁇ development, installation and operation in accordance with relatively simple and thus fail cheap.
  • the power converters and the conductor wires can also be designed for a slightly higher voltage range. Examples are the following values for rated voltage and currents may be mentioned that share with standard building ⁇ relatively easy can be realized:
  • IGBTs For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 3.3 kV and a rated current of about 1.5 kA.
  • IGBTs For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 4.5 kV and a rated current of about 3 kA.
  • thyristors For the rectifier and / or the inverters thyristors can be used, which for a nominal voltage of about 3.6 kV and a rated current of about 0.9 kA.
  • thyristors For the rectifier and / or the inverters thyristors can be used, which are designed for a nominal voltage of about 7 kV and a rated current of about 1.3 kA.
  • FIG. 2 shows a superconducting transmission line 3 of a DC transmission device according to a second example of the invention in a schematic cross section.
  • the device as a whole can be constructed as a whole as shown in Figure 1.
  • ⁇ restricting portion 9 of the transmission line 3 are exemplary five individual superconducting conductor filaments 5, which are arranged in this example in the form of nested cylindrical tubes concentric with each other here.
  • the number of conductor wires 5 shown by way of example can stand by way of example for a different and, in particular, larger number of conductor wires.
  • the individual conductor wires 5 each have a support tube with a superconducting layer not shown here.
  • this superconducting layer may be, for example, a superconducting coating on the Trä ⁇ gerrohr act or it may also be a coating applied to the pipe winding, for example of a strip conductor.
  • the concentric nested conductor wires 5 are electrically isolated from each other.
  • dielectric insulation layers 31 are arranged between each individual radially adjacent conductor wires 5 .
  • These dielectric insulation layers 31 may be formed, for example, each from fluid coolant 11 and / or a solid insulation.
  • each individual cylinder jacket-shaped cooling ⁇ medium channels 25b are arranged to 25e, so that a substantial portion of the insulation effect can be given by the coolant itself between the individual conductor strands.
  • Exemplary is between the innermost two conductor wires additionally shown a paper insulation 33, wherein the paper should be additionally impregnated by fluid coolant 11.
  • a different solid insulation for example made of plastic, to be arranged between the individual concentric conductor wires 5. However, this is not shown here for the sake of clarity.
  • the radially inner region 9 of the transmission line 3 is thermally insulated from the warmer outside environment 15 through a vacuum-insulated shell ⁇ . 13
  • this envelope 13 an inner cryostat wall 13a and an outer cryostat wall 13b, between which a vacuum is formed of V ⁇ .
  • V may optionally be arranged as a radiation shield multilayer insulation.
  • annular coolant channel 25a is formed, which surrounds all inner conductor wires 5 together.
  • the outermost coolant channel 25a serves simultaneously as a dielectric between the conductor wires 5 and the inner cryostat wall 13a, which can simultaneously act as a cable shield.
  • a cavity 25f is also formed in the interior of the innermost conductor core, which can be used here as an internal coolant channel.
  • a plurality of support elements 39 are provided here, three of which are shown here by way of example. Further Stützele ⁇ elements 39 may expediently be provided between the individual conductor wires 5, as shown here by way of example for the two outermost conductor wires.
  • the transmission line 3 shows a schematic cross-section of a superconducting transmission line 3 according to another example of the invention.
  • the transmission line 3 has a plurality of superconducting conductor wires 5, of which eight are shown here by way of example. Again, these conductor wires 5 are arranged together within a vacuum-insulated casing 13. Furthermore, a coolant channel 25 is provided, which surrounds the individual conductor wires 5, so that they can be cooled together with a fluid coolant 11.
  • the individual conductor cores 5 are arranged on a common rod-shaped core 28.
  • This core is here as industry, as an elongated copper core with an approximately circular cross-section.
  • This copper core can be constructed, for example, from copper strands and thus have a relatively high mechanical flexibility ⁇ .
  • the individual conductor wires 5 are arranged distributed in cross section over the circumference of the common core 28.
  • these individual conductor strands may be helically wound around the common core. They can be arranged electrically separated from one another over the entire length of the transmission line 3. Thus, they can be electrically insulated in each case by an insulating layer, not shown here, in each case from the inner core 28.
  • the electrical separation of the individual conductor wires 5 with one another can be carried out, for example, essentially by the coolant 11 flowing in the coolant channel 25.
  • a further insulating tape 32a may be wound between the be ⁇ neighboring conductor cores op- tional, as exemplified here for an adjacent pair of conductor wires.
  • a general advantage of the helical arrangement of the conductor wires 5 on the core 28 is that the overall conductor arrangement obtains a relatively high mechanical flexibility.
  • the individual conductor wires 5 are each made of stacks of a plurality of superposed superconducting Band conductors 26 formed. However, it is in principle also mög ⁇ Lich to produce a similar spiral winding of individual (unstacked) band conductors.
  • Figure 4 shows a portion of a superconducting transmission line three according to a further embodiment of the invention in a schematic longitudinal section. For the sake of clarity, here only an internal part of the transmission line 3 is shown, which can be arranged similar to those in FIGS. 2 or 3 within a vacuum-insulated casing 13 and can be held there by support elements.
  • FIG. 4 shows a metallic core 28, which, in this case as well, can be designed, for example, either as a solid core or as a stranded structure.
  • a metallic core 28 which, in this case as well, can be designed, for example, either as a solid core or as a stranded structure.
  • a plurality of superconducting conductor wires 5 is arranged spirally wound on this core 28.
  • the individual conductor wires 5 are formed here from stacks of superconducting coated conductors, but each of side by side coiled strip conductors 26th Similar to the example of FIG. 3, the electrical insulation between the individual conductor wires 5 can also be formed, for example, essentially by the coolant 11 flowing in these structures.
  • an insulation tape 32a between the adjacent conductor wires may optionally also be wound in between, as shown here by way of example for the two middle conductor wires 5.
  • 5 shows a superconductive transmission line 3 according to a further embodiment of the invention in schemati ⁇ 's cross-section.
  • the transmission line ⁇ 3-eight individual conductor strands 5 which are also arranged here together within a vacuum-insulated casing 13 and are jointly surrounded by an annular coolant channel 25th
  • the twenty-eight individual conductor wires 5 are divided into seven groups, each group having a separate core 28. These cores can also be formed here of copper-containing material.
  • Around each of these cores four individual superconducting conductor elements 26 are arranged in the form of individual strip conductors. The seven individual strands thus formed are also from here
  • Support members 39 in position relative to the outer
  • FIG. 6 shows a superconducting transmission line 3 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • this transmission line has a very similar construction to that of FIG. 5.
  • twenty-eight conductor cores 5 are subdivided into seven groups, with four band conductors 26 being jointly arranged on one core.
  • the electric Isola- tion is achieved between the individual conductor wires substantially through the fluid coolant 11 and not by too ⁇ additional plastic insulation here.
  • the individual cores 28 are supported by support elements 39 separated from each other supported ⁇ th, of which in figure 6 only one is shown by way of example.
  • the minimum distance between individual adjacent conductor wires 5 can be, for example, at least 1 mm for this purpose.
  • Figure 7 shows a schematic diagram of a device 1 for power transmission according to a further embodiment of the invention.
  • the device 1 has two superconducting transmission lines 3a and 3b. These transmission lines 3a and 3b are configured, for example, respectively similar to one of the Figures 2 to 6 in ⁇ be.
  • these two transmission lines are each again designed as single-pole lines with a plurality of conductor wires.
  • the device for power transmission comprises a cooling device 7 with in this example two separate cooling units 18, in which the fluid coolant 11 is cooled down again after heating in the cooling channels of the lines.
  • Each of the transmission lines may have an extension of, for example, several 10 km in the longitudinal direction 21.
  • Each of the two lines 3a and 3b has at one of its two ends a device 17 for feeding cooled by one of the cooling units 18 down coolant in the radially inner region of the respective conduit.
  • a device 17 for feeding cooled by one of the cooling units 18 down coolant in the radially inner region of the respective conduit.
  • the line 3a is arranged on the first end portion 19a, and the line 3b is disposed at the opposite second end portions 19b.
  • the axially inner region 23 is thus free of such for both lines
  • the fluid coolant 11 circulates in this example in a closed circuit through the coolant channels 25 of the two lines 3a and 3b, the ⁇ at the cooling units 18 and the interposed coolant tubes 47 and feed devices 17.
  • the flow directions 27a and 27b of the coolant in the Both lines are opposite.
  • the thermal insulation of the radially inner regions 9 of the lines 3a and 3b ensures that their respective superconducting conductor elements are maintained over the entire longitudinal extent 21 of the lines at an operating temperature below the transition temperature of the superconductor.

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Abstract

The invention relates to a device (1) for direct current transmission with a superconductive transmission line (3, 3a), wherein the transmission line (3) has • - a vacuum-insulated sheath (13) for thermally isolating a radially inner region (9) of the transmission line (3) from an external environment (15) and • - a plurality n of superconductive conductor wires (5) which are situated together inside the vacuum-insulated sheath (13), • - wherein the device (1) has at least a number n of converters (6a, 6b), each of the superconductive conductor wires (5) or each group of combined conductor wires (5) being assigned at least one converter (6a, 6b), • - and wherein the device (1) is designed to apply a direct current of the same polarity to multiple conductor wires (5) running together inside the sheath (13). The invention also relates to a method for transmitting direct current using such a device, characterised by the method step of feeding current of the same polarity into multiple conductor wires (5), running inside the common sheath (13), of the superconductive transmission line (3).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Gleichstromübertragung mit hoher Nennleistung Apparatus and method for high power DC transmission
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur The present invention relates to a device for
Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung, wobei die Übertragungsleitung eine vakuumisolierte Hülle zur thermischen Trennung eines radial innenliegenden Bereichs der Übertragungsleitung von einer äußeren Umgebung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Gleichstrom mit einer derartigen Vorrichtung. A DC transmission with a superconducting transmission line, the transmission line having a vacuum-insulated shell for thermally isolating a radially inner portion of the transmission line from an external environment. Furthermore, the invention relates to a method for transmitting direct current with such a device.
Es besteht ein Bedarf an Übertragungsleitungen für eine ver- lustarme Stromübertragung über lange Distanzen. Bei der Übertragung hoher elektrischer Leistungen über größere Distanzen sind Wechselstrom-Leitungen zunehmend ungeeignet, da die Eigeninduktivität der Übertragungsleitungen zu hohen Wechselstromverlusten führt. Für Distanzen oberhalb von einigen 10 km sind daher Gleichstromübertragungsleitungen besser geeignet, um höhere elektrische Leistungen verlustarm zu übertragen. Für eine solche Gleichstromübertragung wird meist ein zur Verfügung stehender Wechselstrom gleichgerichtet, als Gleichstrom übertragen und anschließend mittels Wechselrich- terstationen erneut ins Wechselstrom-Netz eingespeist. Insbe¬ sondere durch die steigende Anschlussleistung regenerativ erzeugter Energie fernab von den Verbrauchern wächst der Bedarf für solche Vorrichtungen zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen über längere Distanzen. Um diese hohen Leistungen mit normalleitenden Leitungen übertragen zu können, werden nach dem Stand der Technik zunehmend höhere Spannungen für die Gleichstromübertragung verwendet, beispielsweise Nenn¬ spannungen von 320 kV oder 525 kV. Ein Nachteil von herkömmlichen, normalleitenden Leitungen ist deren begrenzte Strom- tragfähigkeit , was dazu führt, das in vielen Fällen mehrere Leitungen parallel verlegt werden müssen, um die erforderliche Leistung zu übertragen. Dies führt zu hohen Kosten und zum Teil auch zu einem hohen Platzbedarf. Bei einer Ausfüh- rung als Freileitung müssen große Abstände zwischen den einzelnen Leitungen eingehalten werden, um Spannungsüberschläge dazwischen zu vermeiden. Bei einer Übertragung über kabelgebundene Leiter müssen die Leiter innerhalb der Kabel über ausreichend spannungsfeste Dielektrika gegenüber der Umgebung isoliert werden. Solche isolierten Kabel werden typischerwei¬ se als unter Wasser verlegte Seekabel und/oder als unterirdisch verlegte Kabel eingesetzt. Ein Nachteil von normallei¬ tenden Übertragungsleitungen für die Hochspannungs-Gleich- Stromübertragung ist, dass die benötigten dicken dielektrischen Isolationsschichten gleichzeitig thermisch isolierend wirken. Durch diese Isolationswirkung, kombiniert mit der Wärmeentwicklung durch elektrische Verluste heizen sich solche Übertragungsleitungen bei höheren Leistungen stark auf, was zu einer Beschädigung der Materialien, insbesondere der Isolationsschicht führen kann. Die durch eine Übertragungs¬ leitung übertragene Leistung ist daher oft auch durch die Erwärmung des Leiters limitiert. Um das Problem der geringen Stromtragfähigkeiten von derartigen Gleichstromleitungen zu lösen, wurden Gleichstromleitungen mit supraleitenden Leiterelementen vorgeschlagen, welche den Strom nahezu verlustfrei und mit sehr hohen Stromdichten transportieren können. Die supraleitenden Leiterelemente in solchen Leitungen müssen allerdings durch eine zusätzliche Kühlvorrichtung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Diese Be¬ triebstemperatur kann abhängig von der Wahl des supraleitenden Materials beispielsweise zwischen 4 K und 100 K liegen. Bei bekannten supraleitenden Übertragungsleitungen wird diese Kühlung durch die Transport beziehungsweise Zirkulation eines fluiden Kühlmittels, beispielsweise in einem geschlossenen Kreislauf, durch das Innere der Leitung erreicht. Hierzu wer¬ den in den Endbereichen der Leitung und optional auch im Be- reich von Zwischenkühlstationen Einspeisevorrichtungen zur Einspeisung von Kühlmittel in das Leiterinnere vorgesehen. Um Gleichstrom in eine solche supraleitende Übertragungslei¬ tung einspeisen zu können, wird diese Leitung oft an einem Endbereich oder auch beiden Endbereichen mit geeigneten There is a need for transmission lines for low-loss power transmission over long distances. In the transmission of high electrical power over long distances AC lines are increasingly unsuitable because the self-inductance of the transmission lines leads to high AC losses. For distances in excess of a few tens of kilometers, therefore, DC transmission lines are more suitable for transmitting higher electrical power with less loss. For such a direct current transmission usually an available alternating current is rectified, transmitted as direct current and then re-fed by means of inverter stations in the AC mains. In particular ¬ sondere renewable sources by the rising power input power away from consumers is growing, the need for such devices for the transmission of high electrical power over long distances. In order to transfer these high performance with normally conducting lines higher voltages for the direct current used by the prior art, increasingly, for example, nominal voltages of 320 kV or ¬ 525 kV. A disadvantage of conventional, normally-conductive lines is their limited current-carrying capacity, with the result that in many cases several lines have to be laid in parallel in order to transmit the required power. This leads to high costs and sometimes also to a high space requirement. In an execution tion as an overhead line, large distances between the individual lines must be maintained in order to avoid flashovers in between. When transmitting via wired conductors, the conductors within the cables must be isolated from the environment using sufficient voltage-resistant dielectrics. Such insulated cables are typically used as submersible submarine cables and / or subterranean cables. A disadvantage of normallei ¬ border transmission lines for the high-voltage DC power transmission is that the required thick dielectric insulating layers simultaneously act thermally insulating. By means of this insulating effect, combined with the heat generation by electrical losses, such transmission lines heat up strongly at higher powers, which can lead to damage of the materials, in particular of the insulating layer. The transmitted through a transmission line ¬ performance is therefore often limited by the heating of the conductor. To solve the problem of the low current carrying capacities of such DC lines, DC lines with superconducting conductor elements have been proposed, which can transport the current almost lossless and with very high current densities. However, the superconducting conductor elements in such lines must be cooled by an additional cooling device to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor. This Be ¬ operating temperature may be dependent on the choice of the superconducting material, for example, between 4 K and 100 K. In known superconducting transmission lines, this cooling is achieved by the transport or circulation of a fluid coolant, for example in a closed circuit, through the interior of the line. For this purpose, the ¬ provided in the end regions of the line and optionally also in the rich loading of intermediate cooling stations feeders for feeding coolant into the head interior. In order to feed direct current to such a superconducting Übertragungslei ¬ tung, this line is often at a End area or both end areas with suitable
Stromrichtern verbunden. So kann die Leitung beispielsweise in einem Endbereich mit einem oder mehreren Gleichrichtern verbunden sein, um Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln. Zusätzlich kann die Leitung optional am gegenüberliegenden Endbereich mit einem oder mehreren Wechselrichtern verbunden sein um den durch die Leitung transportierten Gleichstrom wieder in Wechselstrom für ein Verbrauchernetz zu wandeln. Grundsätzlich können solche supraleitenden Übertragungslei- tungen entweder als einpolige Leitungen (zur Übertragung von Gleichstrom von nur einer Polarität) oder auch als zweipolige Leitungen (zur Übertragung von Gleichstrom beider Polaritäten innerhalb einer Leitung) ausgeführt sein. Ein grundsätzlicher Vorteil supraleitender Übertragungsleitungen liegt darin, dass Gleichstrom annähernd verlustfrei bei hohen Stromstärken transportiert werden kann. Somit können hohe Leistungen vorteilhaft bei vergleichsweise niedrigen Spannungen übertragen. Problematisch bei dieser Variante ist allerdings, dass standardmäßig zur Verfügung stehende Strom¬ richter oft nicht für den gewünschten hohen Leistungsbereich ausgelegt sind. Insbesondere sind kostengünstig zur Verfügung stehende und zuverlässige Standardbauteile oft nicht für die hohen Ströme ausgelegt, die die supraleitenden Übertragungs- leitungen transportieren könnten. Beispielsweise sind dieConnected power converters. For example, the lead may be connected in one end region to one or more rectifiers to convert alternating current into direct current. In addition, the line may optionally be connected to one or more inverters at the opposite end region to convert the DC current transported through the line back to AC for a consumer network. In principle, such superconducting transmission lines can be designed either as single-pole lines (for the transmission of direct current of only one polarity) or as two-pole lines (for the transmission of direct current of both polarities within a line). A fundamental advantage of superconducting transmission lines is that DC current can be transported almost lossless at high currents. Thus, high powers can advantageously be transmitted at comparatively low voltages. The problem with this variant, however, is that standard available Strom ¬ judge often are not designed for the desired high power range. In particular, inexpensive and reliable standard components are often not designed for the high currents that could carry the superconducting transmission lines. For example, the
Nennströme von standardmäßig zur Verfügung stehenden Stromrichtern oft auf wenige Kiloampere begrenzt. Um diese Proble¬ matik aufzulösen, werden auch bei der Verwendung supraleitender Übertragungsleitungen oft höhere Übertragungsspannungen eingesetzt, als rein aufgrund der Spezifikationen der Übertragungsleitung nötig wäre. Mit anderen Worten wird aufgrund der Spezifikationen der Stromrichter Gleichstrom einer vorgegebenen Leistung zum Teil bei höherer Spannung und niedrigerem Strom übertragen, als es im Hinblick auf die Eigenschaf- ten der supraleitenden Übertragungsleitung optimal wäre. Rated currents of standard available converters are often limited to a few kiloamps. To resolve this Proble ¬ matics, are often used higher transmission voltages even with the use of superconducting transmission lines as purely be needed for the specifications of the transmission line. In other words, due to the specifications of the power converters, DC power of a given power is partly transmitted at higher voltage and lower power than would be optimal in view of the characteristics of the superconducting transmission line.
Hierdurch ergeben sich wiederum stärkere Anforderungen an die eingesetzten Dielektrika, um bei den höheren Übertragungs¬ spannungen Spannungsüberschläge zu vermeiden. Hierdurch ent- steht wiederum ein höherer Materialaufwand bei der Isolation der einzelnen Leiterelemente. This in turn results in greater demands on the dielectrics used in order to avoid voltage flashovers at the higher transmission voltages. As a result, in turn, a higher cost of materials in the isolation of the individual conductor elements.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Übertragungsvorrichtung angegeben werden, welche zur Übertragung hoher Leistungen geeignet ist, bei gleichzeitig relativ geringem Materialaufwand für die Leiterisolation. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Übertragung von Gleichstrom mit einer derartigen Vorrichtung anzugeben. Die Übertragung soll dabei insbesondere bei vergleichsweise niedrigem Spannungsniveau ermöglicht werden. Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebeneThe object of the invention is therefore to provide a device for DC transmission with a superconducting transmission line, which overcomes the disadvantages mentioned. In particular, a transmission device is to be specified, which is suitable for the transmission of high power, at the same time relatively low cost of materials for the conductor insulation. Another object is to provide a method of transmitting direct current with such a device. The transmission should be made possible in particular at a comparatively low voltage level. These objects are achieved by the features described in claim 1
Vorrichtung und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst. Device and the method described in claim 15 solved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gleichstromübertragung weist eine supraleitende Übertragungsleitung auf. Diese Über¬ tragungsleitung umfasst eine vakuumisolierte Hülle zur ther¬ mischen Trennung eines radial innen liegenden Bereichs der Übertragungsleitung von einer äußeren Umgebung und eine Mehrzahl n supraleitender Leiteradern, welche gemeinsam innerhalb der vakuumisolierten Hülle geführt sind. Die Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine Anzahl n an Stromrichtern auf, wobei jeder der supraleitenden Leiteradern - oder jeder Gruppe von zusammengefassten Leiteradern - zumindest ein Stromrichter zugeordnet ist. Ferner ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, mehrere gemeinsam innerhalb der Hülle geführte Leiteradern mit einem Gleichstrom von untereinander gleicher Polarität zu beaufschlagen. The DC transmission device according to the invention has a superconducting transmission line. This over ¬ tragungsleitung comprises a vacuum-insulated casing for ther ¬ forming separation of a radially inner portion of the transmission line from an external environment and a plurality n of superconducting conductor filaments which are guided together inside the vacuum-insulated shell. The device furthermore has at least a number n of power converters, wherein each of the superconducting conductor cores - or each group of combined conductor cores - is assigned at least one power converter. Furthermore, the device is designed to act on a plurality of common conductors guided within the shell conductor with a direct current of mutually same polarity.
Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um eine mehradrige Leitung, bei der die einzelnen Leiteradern gemeinsam in einem Leitungskryostaten angeordnet sind, wobei entweder jede Lei¬ terader oder jede Gruppe von zusammengefassten Leiteradern mit zumindest einem eigenen Stromrichter verbunden ist. Dabei sind jeweils mehrere solcher gemeinsam thermisch isolierten Leiteradern zusammen einem elektrischen Pol zugeordnet. Mit anderen Worten sind jeweils mehrere solcher gemeinsam isolierten Leiteradern für eine vorgegebene Stromflussrichtung vorgesehen. Es ist möglich, aber nicht zwingend notwendig, dass alle gemeinsam in dem Kryostaten angeordneten Leiteradern derselben Stromflussrichtung zugeordnet sind. Trifft dies zu, dann handelt es sich um eine einpolige Übertragungs¬ leitung. Es ist jedoch auch möglich, und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter Umständen vorteilhaft, wenn nur eine Teilmenge der innerhalb der gemeinsamen Hülle vor¬ liegenden Leiteradern zusammen einer Stromflussrichtung zugeordnet sind und wenn eine andere Teilmenge der innerhalb der Hülle vorliegenden Leiteradern der jeweils anderen Strom- flussrichtung zugeordnet sind. In einem solchen Fall handelt es sich also um eine zweipolige Übertragungsleitung. In other words, this is a multi-wire line, in which the individual conductor wires are arranged together in a line cryostat, wherein either each Lei ¬ terader or each group of combined conductor wires is connected to at least one own power converter. there In each case a plurality of such jointly thermally insulated conductor wires are assigned together to an electrical pole. In other words, a plurality of such jointly insulated conductor wires are provided for a given current flow direction. It is possible, but not essential, that all conductor wires arranged together in the cryostat are assigned the same current flow direction. If this is true, then it is a single-pole transmission ¬ line. However, it is also possible, and in connection with the present invention may be advantageous if only a subset of within the common shell before ¬ lying conductor wires are assigned together a current flow direction and if another subset of the present within the shell conductor wires of the other current - are assigned flow direction. In such a case, it is therefore a two-pole transmission line.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung - unabhängig davon, ob es sich um eine einpolige oder zweipoli- ge Übertragungsleitung handelt - ist, dass durch das Vorlie¬ gen von mehreren Adern pro Pol eine Energieübertragung bei hoher Nennleistung ermöglicht wird, wobei trotzdem Stromrichter mit jeweils relativ geringer Nennleistung beziehungsweise Nennstrom zum Einsatz kommen können. Dies wird einerseits da- durch ermöglicht, dass insgesamt bei vergleichsweise niedri¬ ger Spannung und vergleichsweise hohem Gesamtstrom übertragen wird. Hierdurch sind die Anforderungen an die Dielektrika zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen vergleichsweise geringer als dies bei einer höheren Übertragungsspannung der Fall wä- re . Zum anderen können Stromrichter mit jeweils geringen Nennströmen und Nennspannungen zum Einsatz kommen, da der insgesamt zu übertragende Strom auf mehrere Teilströme (in den jeweiligen Leiteradern) aufgeteilt wird und die Leiteradern jeweils einzeln (oder in zusammengefassten Gruppen) mit ihnen jeweils separat zugeordneten Stromrichtern verbunden sind. Hierdurch ist der für jeden einzelnen Stromrichter relevante Nennstrom auf den Teilstrom einer Leiterader (oder einer Gruppe von Leiteradern) reduziert. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung daher eine Gleichstromübertragung mit hoher Gesamtleistung, wobei die Anforderungen an die dielektrische Isolation der verwendeten supraleitenden Übertragungsleitung vergleichsweise gering sind (was zu Mate- rialeinsparungen in der Übertragungsleitung führt) und wobei ferner die Anforderungen an die Nennleistung der jeweiligen Stromrichter ebenfalls vergleichsweise gering sind (was die Verwendung von kostengünstigen und zuverlässigen Standardbauteilen ermöglicht) . A significant advantage of embodiments according to the invention - irrespective of whether it is a single-pole or two-pole ge transmission line - is that an energy transfer with high rated output is made possible by the Vorlie ¬ gene of multiple wires for each pole, while nevertheless converters each having relatively low rated power or rated current can be used. This is on the one hand possible by DA that is transmitted at comparatively total niedri ¬ ger voltage and a comparatively high overall current. As a result, the requirements on the dielectrics for avoiding voltage flashovers are comparatively lower than would be the case with a higher transmission voltage. On the other hand, power converters with low rated currents and rated voltages can be used, since the total current to be transmitted is divided into several partial currents (in the respective conductor wires) and the conductor wires are connected individually (or in combined groups) with power converters which are each assigned separately , As a result, the rated current relevant to each individual power converter is reduced to the partial current of a conductor core (or a group of conductor wires). Total allows the device according to the invention therefore a high-power DC transmission, wherein the requirements for the dielectric isolation of the superconducting transmission line used are comparatively low (which leads to material savings in the transmission line) and also where the requirements for the nominal power of the respective power converters are also comparatively low (which allows the use of inexpensive and reliable standard components).
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Übertragung von Gleichstrom mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es um- fasst den Verfahrensschritt der Einspeisung von Strom glei¬ cher Polarität in mehrere innerhalb der gemeinsamen Hülle an- geordnete Leiteradern der supraleitenden Übertragungsleitung. Dabei können die Leiteradern insbesondere gegeneinander isoliert sein. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens er¬ geben sich dabei analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. The method according to the invention serves to transmit direct current with a device according to the invention. It includes fully the step of feeding current moving ¬ cher polarity in several within the common sheath Toggle parent conductor cores of the superconducting transmission line. In this case, the conductor wires can in particular be insulated from one another. The advantages of this process he ¬ give themselves analogously to the advantages described above of the device according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description. The described embodiments of the device according to the invention and of the method according to the invention can advantageously be combined with one another.
Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Kühlvorrichtung auf zur Kühlung des radial innenliegenden Bereichs der Übertragungs- leitung auf eine Temperatur unterhalb einer Sprungtemperatur der supraleitenden Leiteradern mithilfe eines fluiden Kühlmittels. In dieser Ausgestaltung ermöglicht die Übertragungs¬ leitung zweckmäßig eine Gleichstromübertragung im supraleitenden Zustand der Leiteradern. So kann ein annähernd ver- lustfreier Stromtransport in dem eingesetzten supraleitenden Material erreicht werden. Zweckmäßig umfasst die Kühlvorrich¬ tung wenigstens eine Einspeisevorrichtung zur Einspeisung von Kühlmittel an einem Endbereich der Übertragungsleitung. All- gemein bevorzugt weist die Übertragungsleitung zumindest einen Kühlmittelkanal auf, welcher zum Transport von fluidem Kühlmittel entlang einer Längsrichtung der Übertragungsleitung ausgebildet ist und welcher innerhalb der gemeinsamen vakuumisolierten Hülle angeordnet ist, sodass die darin ge¬ führten Leiteradern effektiv durch das Kühlmittel gekühlt werden können. The device preferably has a cooling device for cooling the radially inner region of the transmission line to a temperature below a transition temperature of the superconducting conductor wires by means of a fluid coolant. In this embodiment, the transmission line allows ¬ suitably a direct current in the superconducting state of the conductor wires. Thus, an approximately loss-free current transport in the superconducting material used can be achieved. Suitably, the Kühlvorrich ¬ tion comprises at least one feed device for feeding coolant at an end portion of the transmission line. Alles- mean preferably, the transmission line at least one coolant channel which is designed for the transport of fluid coolant along a longitudinal direction of the transfer line and disposed within the common vacuum-insulated shell, so that it ge ¬ led conductor leads can be effectively cooled by the coolant.
Die Übertragungsleitung der Vorrichtung weist bevorzugt we- nigstens einen derartigen Kühlmittelkanal auf, welcher die innerhalb der gemeinsamen Hülle angeordneten supraleitenden Leiteradern gemeinsam umgibt. Dabei können beispielsweise mehrere derartige Leiteradern gemeinsam innerhalb eines sol¬ chen Kühlmittelkanals angeordnet sein und dabei nebeneinander geführt sein. Andererseits ist es aber auch möglich, dass mehrere Leiteradern konzentrisch umeinander angeordnet sind und dass zumindest ein radial außenliegender Kühlmittelkanal diese konzentrischen Leiteradern gemeinsam ringförmig umgibt. Optional können auch zwischen solchen konzentrischen Leiter- ädern noch weitere derartige Kühlmittelkanäle angeordnet sein. Wesentlich bei all diesen verschiedenen Varianten ist, dass die durch die gemeinsame vakuumisolierte Hülle gemeinsam thermisch isolierten Leiteradern durch das Kühlmittel in dem sie gemeinsam umgebenden Kühlmittelkanal auch gemeinsam ge- kühlt werden können und dass somit der apparative Aufwand für die Kühlung der Mehrzahl von Leiteradern vorteilhaft gering ist. Besonders bevorzugt kann dabei die vakuumisolierte Hülle den die Leiteradern gemeinsam umgebenden Kühlmittelkanal nach radial außen hin begrenzen. Grundsätzlich ist es jedoch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass jede der Leiteradern einzeln gekühlt ist, oder dass bei¬ spielsweise zusammengefasste Gruppen von Leiteradern jeweils separat voneinander gekühlt werden. Dies kann wiederum beispielsweise durch Kühlmittelkanäle erfolgen, die jeweils sol- chen einzelnen Leiteradern oder auch Gruppen von Leiteradern zugeordnet sind. Bevorzugt sind die einzelnen, innerhalb der gemeinsamen vaku¬ umisolierten Hülle geführten Leiteradern mithilfe einer dielektrischen Isolationsschicht derart voneinander isoliert, dass beim Betrieb der Vorrichtung eine Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Leiteradern von wenigstens 3 kV aufrechterhalten werden kann. Besonders bevorzugt kann sogar eine Potentialdifferenz von wenigstens 9 kV oder sogar wenigstens 15 kV zwischen den einzelnen Leiteradern anliegen, ohne dass die Gefahr von Spannungsüberschlägen besteht. Ins- besondere soll eine solche Isolationsschicht auch zwischen denjenigen Leiteradern einer Übertragungsleitung vorliegen, welche zur Übertragung von Gleichstrom gleicher Polarität ausgelegt sind. Auch wenn bei einem Normalbetrieb der Über¬ tragungsleitungen die einzelnen Leiteradern eines solchen elektrischen Pols annähernd die gleiche Spannung aufweisen, so ist diese Ausführungsform trotzdem zweckmäßig, um bei¬ spielsweise bei einem Ausfall von einem Stromrichter (der einer bestimmten Leiterader oder Gruppe von Leiteradern zugeordnet ist) den Stromtransport über die anderen Leiteradern weiterhin aufrechterhalten zu können. In einem solchen Betriebszustand liegt eine nicht unerhebliche Potentialdiffe¬ renz zwischen den betroffenen benachbarten Leiteradern an und die elektrische Isolation zwischen einer aktiven und einer inaktiven Leiterader wird relevant. Es ist bei dieser Ausfüh- rungsform auch möglich, bei einem Teillastbetrieb der Übertragungsvorrichtung einzelne Leiteradern gezielt zu deaktivieren, beispielsweise in dem der (oder die) dieser Leiterader zugeordnete (n) Stromrichter gezielt abgeschaltet The transmission line of the device preferably has at least one such coolant channel which jointly surrounds the superconducting conductor cores disposed within the common sheath. In this case, for example, a plurality of such conductor wires may be arranged together within a sol ¬ Chen coolant channel and thereby be guided side by side. On the other hand, it is also possible that a plurality of conductor cores are arranged concentrically around each other and that at least one radially outer coolant channel surrounds these concentric conductor cores together in a ring. Optionally, other such coolant channels may also be arranged between such concentric conductor wheels. It is essential with all these different variants that the conductor cores, which are thermally insulated by the common vacuum-insulated sheath, can also be cooled together by the coolant in the coolant channel surrounding them, and thus the device cost for the cooling of the plurality of conductor cores is advantageously low is. In this case, the vacuum-insulated sheath may particularly preferably limit the coolant channel surrounding the conductor cores radially outwards. In principle, however, it is in connection with the present invention, also possible that each of the conductor leads is individually cooled or that are cooled separately at ¬ game as combined groups of conductor leads from one another. This can in turn be done, for example, by coolant channels which are each assigned to individual conductor cores or also groups of conductor cores. Preferably, the individual, within the common vaku ¬ umisolierten shell guided conductor wires by means of a dielectric insulating layer are insulated from each other so that during operation of the device, a potential difference between the individual conductor wires of at least 3 kV can be maintained. Even more preferably, even a potential difference of at least 9 kV or even at least 15 kV between the individual conductor wires lie, without the risk of voltage flashovers exists. In particular, such an insulation layer should also be present between those conductor wires of a transmission line which are designed to transmit direct current of the same polarity. Even if the individual conductor wires of such electric pole approximately the same voltage at a normal operation of the over ¬ tragungsleitungen, so this embodiment is nevertheless expedient to at ¬ play (in case of failure of a converter which is associated with a particular core wire or group of conductor cores ) to be able to continue the current transport over the other conductor wires. In such an operating state, a not inconsiderable Potentialdiffe ¬ rence between the relevant adjacent conductor wires situated on and the electrical insulation between an active and an inactive conductor wire is relevant. In this embodiment, it is also possible to selectively deactivate individual conductor cores in the case of a partial load operation of the transmission device, for example in which the power converter (s) assigned to this (or the) conductor conductor are deliberately switched off
wird/werden. Um die Potentialdifferenz zu minimieren, kann eine deaktivierte Leiterader beispielsweise hochohmig auf das Potential einer benachbarten Leiterader und/oder auf ein anderes, zur Reduzierung der Potentialdifferenz geeignetes Potential gelegt werden. Die beschriebene dielektrische Isolationsschicht soll also dazu ausgebildet sein, jeweils zueinander benachbart angeord¬ nete Leiteradern elektrisch gegeneinander zu isolieren. Die dielektrische Isolationsschicht soll hierbei nicht notwendi- gerweise als feste Schicht verstanden werden, sondern sie kann besonders bevorzugt teilweise oder sogar auch hauptsäch¬ lich durch das fluide Kühlmittel gebildet werden. Wesentlich ist hierbei nur, dass zwischen den benachbarten Leiteradern ein für den jeweiligen Spannungsbereich ausreichend durchschlagfestes Dielektrikum in ausreichender Dicke angeordnet ist . will be. To minimize the potential difference, a deactivated conductor can, for example, high impedance to the potential of an adjacent conductor wire and / or to another, suitable for reducing the potential difference potential. The described dielectric insulation layer should thus be designed to electrically insulate each other from each other angeord ¬ designated conductor wires against each other. The dielectric insulation layer should not be necessary here. can be understood as a solid layer, but it can be particularly preferably partially or even mainly formed ¬ Lich by the fluid coolant. It is only important that between the adjacent conductor wires a sufficiently dielectric for the respective voltage range dielectric is arranged in sufficient thickness.
So kann die dielektrische Isolationsschicht also bevorzugt ein fluides Kühlmittel umfassen. Insbesondere kann sie zumin¬ dest in axialen und/oder radialen Teilbereichen der Übertragungsleitung mehrheitlich aus fluidem Kühlmittel gebildet sein. Dies kann insbesondere das in einem ringförmigen Kühlmittelkanal in Längsrichtung der Leitung strömende Kühlmittel sein, welches von einem Ende der Leitung aus eingespeist wird. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass im Fall eines Spannungsdurchschlags der durch das fluide Kühlmittel gebildete Teil der Isolationsschicht im Gegensatz zu einem Festkörperdielektrikum nicht dauerhaft zerstört wird, da die- ser Teil durch nachströmendes Kühlmittel ersetzt werden kann. Eine solche Ausführung mit Kühlmittel als Teil der Isolati¬ onsschicht eignet sich besonders für die Gleichstromübertra¬ gung im niedrigeren Spannungsbereich und Mittelspannungsbereich, also beispielsweise mit Spannungen zwischen 1 kV und 24 kV, da in diesem Spannungsbereich beispielsweise flüssiger Stickstoff und flüssiger Wasserstoff genügend durchschlags- fest sind. Besonders bevorzugt ist der Einsatz für die Thus, the dielectric insulating layer may thus preferably comprise a fluid coolant. In particular, they may be formed in axial and / or radial portions of the transmission line a majority of fluid coolant at least ¬. This may be, in particular, the coolant flowing in an annular coolant channel in the longitudinal direction of the line, which is fed from one end of the line. An advantage of this embodiment is that, in the case of a voltage breakdown, the part of the insulating layer formed by the fluid coolant, unlike a solid-state dielectric, is not permanently destroyed, since this part can be replaced by an inflowing coolant. Such a design with coolant as part of the Isolati ¬ onsschicht is particularly suitable for Gleichstromübertra ¬ tion in the lower voltage range and medium voltage range, ie, for example, with voltages between 1 kV and 24 kV, since in this voltage range, for example, liquid nitrogen and liquid hydrogen sufficiently puncture are. Particularly preferred is the use for the
Gleichstromübertragung im Spannungsbereich zwischen 1 kV und 9 kV. DC transmission in the voltage range between 1 kV and 9 kV.
Die dielektrische Isolationsschicht kann insbesondere mehr¬ heitlich aus fluidem Kühlmittel gebildet sein. Mit anderen Worten kann ein überwiegender Anteil des Volumens der Isolationsschicht durch fluides Kühlmittel gegeben sein. Bei- spielsweise kann die dielektrische Isolationsschicht im We¬ sentlichen durch den mit Kühlmittel gefüllten ringförmigen Kühlmittelkanal gebildet sein, wobei der hohlzylindrische Ka¬ nal neben dem Kühlmittel zusätzliche elektrisch isolierende Stützelemente zur Abstützung der weiter innen liegenden Elemente der Leitung aufweisen kann. Wesentlich für diese Ausführungsform ist, dass die Übertragungsleitung radial durchgehende axiale Segmente und/oder azimutale Segmente aufweist, in denen die dielektrische Isolationsschicht vollständig durch fluides Kühlmittel gebildet ist. Die zwischen diesen Segmenten optional vorhandenen Stützelemente können stegartig ausgebildet sein. Sie können beispielsweise aus Edelstahl, glasfaserverstärktem Kunststoff und/oder Gießharz gebildet sein, wobei nichtleitende Materialien besonders bevorzugt sind . The dielectric insulation layer can be formed in particular more ¬ uniformly from fluid coolant. In other words, a majority of the volume of the insulating layer may be due to fluid coolant. Examples game, the dielectric isolation layer in the We ¬ sentlichen can be formed by the filled with coolant annular coolant duct, wherein the hollow cylindrical Ka ¬ nal next to the coolant additional electrically insulating Supporting elements for supporting the more internal elements of the conduit may have. Essential for this embodiment is that the transmission line has radially continuous axial segments and / or azimuthal segments in which the dielectric insulation layer is completely formed by fluid coolant. The optionally existing between these segments support elements may be web-like. They may be formed, for example, from stainless steel, glass fiber reinforced plastic and / or cast resin, with non-conductive materials being particularly preferred.
Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsformen, bei denen ein wesentlicher Anteil der dielektrischen Isolationsschicht durch Kühlmittel gebildet wird, ist, dass im Vergleich zu einer reinen Feststoffisolation eine hohe Gewichtsersparnis und Materialersparnis erzielt werden kann. A significant advantage of the embodiments in which a significant proportion of the dielectric insulating layer is formed by coolant, is that compared to a pure solid insulation, a high weight saving and material savings can be achieved.
Die dielektrische Isolationsschicht kann auch wenigstens eine Schicht eines in Kühlmittel eingebetteten Papiers aufweisen. Insbesondere kann das Papier dabei von fluidem Kühlmittel um¬ strömt bzw. durchströmt werden. Das Papier kann vorteilhaft als Polypropylen-laminiertes Papier (abgekürzt PPLP) vorlie¬ gen, welches besonders durchschlägstest ist. Eine solche PPLP-Schicht besteht aus einem Laminat eines Polypropylen- Films, welcher beidseitig von Zellulose-Papier benachbart ist. Vorteilhaft kann die dielektrische Isolationsschicht auch einen Stapel aus mehreren derartigen Papieren aufweisen, wobei die einzelnen Papierlagen jeweils von fluidem Kühlmit- tel umströmt werden. Wird die dielektrische Isolationsschicht durch eine Kombination von PPLP und fluidem Kühlmittel gebildet, dann können vorteilhaft besonders hohe Durchschlagfes¬ tigkeiten erzielt werden. Das fluide Kühlmittel kann im Inneren der Übertragungsleitung zumindest auf einem mehrheitlichen Teil der Längsausdehnung der Leitung im Inneren eines glattwandigen Rohr geführt sein. Unter einem glattwandigen Rohr soll dabei ein solches Rohr verstanden werden, welches neben der natürlichen herstellungsbedingten Rauigkeit seiner Oberfläche keine regelmäßige, übergeordnete Struktur aufweist. Insbesondere soll das Rohr zumindest in dem genannten mehrheitlichen Teil nicht als Wellrohr ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass der Strömungswiderstand für das zu transportie¬ rende Kühlmittel gering gehalten wird und Verwirbelungen des Kühlmittels minimiert werden. Hierdurch kann zum einen ein ausreichend hoher Massendurchsatz des Kühlmittels erreicht werden, um die über die Leitungslänge benötigte Kühlleistung auch in einem niedrigen Druckbereich zu gewährleisten. Zum anderen kann eine Erwärmung durch mit einer Verwirbelung einhergehende mechanische Reibungsverluste gering gehalten wer¬ den. Weiterhin ist die thermisch wirksame Oberfläche bei mit glatten Rohren vakuumisolierten Leitungen im Vergleich zuThe dielectric insulating layer may also include at least one layer of paper embedded in coolant. In particular, the paper can thereby flow of fluid or coolant around ¬ flow through. The paper can be advantageous as the polypropylene-laminated paper (abbreviated PPLP) vorlie ¬ gen, which is particularly durchschlägstest. Such a PPLP layer consists of a laminate of a polypropylene film which is adjacent to both sides of cellulose paper. Advantageously, the dielectric insulation layer may also comprise a stack of a plurality of such papers, wherein the individual paper layers are respectively flowed around by fluid coolant. Is the dielectric insulating layer formed by a combination of PPLP and fluid coolant, then especially advantageous high Durchschlagfes ¬ ACTIVITIES can be achieved. The fluid coolant may be routed inside the transmission line at least on a majority part of the longitudinal extent of the conduit inside a smooth-walled tube. Under a smooth-walled pipe should be such a tube be understood, which in addition to the natural production-related roughness of its surface has no regular, higher-level structure. In particular, the tube should not be formed as a corrugated pipe, at least in said majority part. By this configuration that the flow resistance for the product to transportie ¬ Rende coolant is kept low and turbulence of the coolant are minimized is achieved. In this way, on the one hand, a sufficiently high mass flow rate of the coolant can be achieved in order to ensure the cooling capacity required over the line length, even in a low pressure range. Secondly, a warming can be kept low by associated with a swirling mechanical friction losses ¬ to. Furthermore, the thermally effective surface is compared with pipes vacuum-insulated with smooth pipes
Leitungen mit gewellter Außenhülle verringert, was wiederum die Anforderungen an die Kühlleistung verringert. Diese Merkmale können vorteilhaft dazu beitragen, eine Kühlung des Lei¬ ters über besonders lange Leitungslängen zu ermöglichen, ohne dass zusätzliche axial innenliegende Zwischenkühlstationen benötigt werden. Besonders vorteilhaft wird der Kühlmittelka¬ nal auf der ganzen Länge der Übertragungsleitung durch ein glattwandiges Rohr begrenzt. Glattwandige Kühlmittelrohre haben grundsätzlich den Nachteil einer geringeren mechanischen Flexibilität bei einer Verlegung der Übertragungsleitung. Dieser Nachteil kann dadurch ausgeglichen werden, dass zwischen einzelnen Segmenten mit glattwandigen Begrenzungsrohren vergleichsweise kürzere Seg- mente mit gewellten Begrenzungsrohren angeordnet werden. So kann trotzdem eine höhere Beweglichkeit der Leitung durch Biegung an vorbestimmten Stellen ermöglicht werden. Auch für eine beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder Schrump¬ fung bedingte Längenkompensation der Leitung kann die Anord- nung solcher Segmente mit gewellten Kühlmittelrohren vorteilhaft sein. Die Verwirbelung in diesen gewellten Segmenten kann trotzdem dadurch gering gehalten werden, dass ein gewellt ausgestaltetes äußeres Kühlmittelrohr mit einem einge- steckten glatten Rohrstück ausgekleidet wird, so dass im Inneren dieses glatten Rohrstücks fließende Kühlmittel wiederum nur eine geringe Verwirbelung erfährt. Alternativ zu den vorab beschriebenen Ausführungsformen mit im Wesentlichen glatten Rohren ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass Kühlmittelrohr als Wellrohr auszuführen. Ein Vorteil dieser alternativen Ausführungsform ist, dass ein solches Wellrohr durch seine höhere Flexibilität leicht um die Leiteradern herum positioniert werden kann. Cables with corrugated outer sheath reduced, which in turn reduces the requirements for the cooling performance. These features may advantageously help to facilitate cooling of the Lei ¬ ters extra long line lengths without additional axially inner intermediate cooling stations are required. Particularly advantageously, the coolant channel is delimited over the entire length of the transmission line by a smooth-walled tube. Smooth-walled coolant pipes basically have the disadvantage of lower mechanical flexibility when laying the transmission line. This disadvantage can be compensated for by arranging comparatively shorter segments with wavy boundary tubes between individual segments with smooth-walled boundary tubes. So still a higher mobility of the line can be made possible by bending at predetermined locations. Also, for a conditional, for example, by thermal expansion or Schrump ¬ Fung length compensation of the line voltage The arrangement may be such segments with corrugated coolant tubes can be advantageous. Nevertheless, the turbulence in these corrugated segments can be kept low by virtue of the fact that a corrugated outer coolant tube is provided with a corrugated outer tube. slippery pipe section is lined, so that in the interior of this smooth pipe section flowing coolant in turn undergoes only a slight turbulence. As an alternative to the previously described embodiments with substantially smooth tubes, however, it is basically also possible to design the coolant tube as a corrugated tube. An advantage of this alternative embodiment is that such a corrugated pipe can be easily positioned around the conductor wires by its greater flexibility.
Bei den vorab beschriebenen (glatten und/oder gewellten) Kühlmittelrohren kann es sich grundsätzlich jeweils um die gemeinsame vakuumisolierte Hülle der supraleitenden Übertra- gungsleitung handeln. In principle, the previously described (smooth and / or corrugated) coolant tubes can each be the common vacuum-insulated shell of the superconducting transmission line.
Die dielektrische Isolationsschicht kann vorteilhaft eine Durchschlagfestigkeit von wenigstens 20 kV/mm aufweisen. Sie kann also so durchschlägstest ausgestaltet sein, dass mit der Vorrichtung eine Gleichstromübertragung bei Spannungen oberhalb von 1 kV bei gleichzeitig vorteilhaft niedriger Dicke der dielektrischen Isolationsschicht zwischen benachbarten Leiteradern ermöglicht wird. Diese Dicke der Isolations¬ schicht kann beispielsweise zwischen 1 mm und 10 mm liegen. The dielectric insulating layer may advantageously have a dielectric strength of at least 20 kV / mm. It can therefore be designed so durchschlägstest that with the device a DC transmission at voltages above 1 kV at the same time advantageously low thickness of the dielectric insulating layer between adjacent conductor wires is made possible. This thickness of the insulation ¬ layer can for example be between 1 mm and 10 mm.
Die supraleitenden Leiteradern können vorteilhaft Leiterelemente mit einem hochtemperatursupraleitenden Material umfassen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supralei¬ tern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur sehr hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Insbesondere kann das hochtemperatursupraleitende Material Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft können die Leiterelemente als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufwei¬ sen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Materia- lien eher niedrig. Die Vorteile dieses Materials im Vergleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten und somit kostengünstigen Herstellbarkeit.The superconducting conductor wires can advantageously comprise conductor elements with a high-temperature superconducting material. High-temperature superconductors (HTS) are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and some classes of materials, such as the cuprate Supralei ¬ tern, above 77 K, where the operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have very high critical current densities, depending on the choice of operating temperature. In particular, the high temperature superconducting material may comprise magnesium diboride. Particularly advantageously, the conductor elements can magnesium diboride as the main component aufwei ¬ sen or even consist essentially of magnesium diboride. Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is therefore considered as a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials. The advantages of this material compared to oxide-ceramic high-temperature superconductors lie in its easy and thus inexpensive manufacturability.
Auf Magnesiumdiborid basierende Leiter können besonders ein¬ fach und günstig durch Aerosoldeposition oder durch das sogenannte Powder-in-Tube-Verfahren hergestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Leiterelemente aber auch andere hochtemperatursupraleitende Materialien umfassen, beispielsweise HTS-Materialien der zweiten Generation, also Verbindungen des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. REBCO-Supraleiter können aufgrund ihrer hohen Sprungtemperaturen auch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und weisen vor allem bei tieferen Temperaturen als 77 K eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf. Andere vorteilhafte Materialien sind HTS-Materialien der ersten Generation, beispielsweise die verschiedenen Varianten des Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxids . Alternativ können auch supraleitende Pnictide zum Einsatz kommen. Aufgrund ih¬ rer eher niedrigen Sprungtemperatur kommen supraleitende Pnictide für eine Betriebstemperatur von etwa 20 bis 30 K in Frage . Magnesium diboride-based conductors can be produced particularly easily and inexpensively by aerosol deposition or by the so-called powder-in-tube process. Alternatively or additionally, however, the conductor elements may also comprise other high-temperature superconducting materials, for example HTS materials of the second generation, ie compounds of the type REBa 2 Cu30 x (REBCO for short), where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements. Due to their high transition temperatures, REBCO superconductors can also be cooled with liquid nitrogen and, especially at temperatures lower than 77 K, have a particularly high current carrying capacity. Other advantageous materials are HTS materials of the first generation, for example the different variants of bismuth strontium calcium copper oxide. Alternatively, superconducting pnictides can also be used. Due ih ¬ rer rather low critical temperature superconducting Pnictides eligible for an operating temperature of about 20 to 30 K in question.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die supraleitenden Leiteradern konzentrisch zueinander angeordnet sein. Sie können dann beispielsweise gemeinsam radial von einem ringförmigen Kühlmittelkanal umgeben sein, welcher sich zwischen den konzentrischen Leiteradern einerseits und der vakuumisolierten Hülle andererseits erstreckt. Alternativ oder zusätz- lieh können auch ein oder mehrere Kühlmittelkanäle radial zwischen den einzelnen Leiteradern und/oder innerhalb der innersten Leiterader angeordnet sein. Bei der Ausführungsvariante mit ringförmigen Kühlmittelkanälen zwischen den einzel- nen konzentrischen Leiteradern können diese wiederum so ausgebildet sein, dass das in ihnen fließende fluide Kühlmittel einen wesentlichen Teil des die Leiteradern gegeneinander isolierenden Dielektrikums bildet. Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Kühlmittel-Dielektrikum zwischen den einzel- nen Leiteradern ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass zwischen den konzentrischen Leiteradern ein festes Dielektrikum vorliegt. In a preferred embodiment, the superconducting conductor wires may be arranged concentrically with each other. They may then, for example, together be surrounded radially by an annular coolant channel which extends between the concentric conductor wires on the one hand and the vacuum-insulated sleeve on the other hand. Alternative or additional borrowed one or more coolant channels can be arranged radially between the individual conductor wires and / or within the innermost conductor core. In the embodiment variant with annular coolant channels between the individual concentric conductor wires, these can in turn be designed such that the fluid coolant flowing in them forms a substantial part of the dielectrics which mutually insulate the conductor wires. As an alternative or in addition to such a coolant dielectric between the individual conductor wires, however, it is also fundamentally possible for a solid dielectric to be present between the concentric conductor cores.
Die konzentrischen supraleitenden Leiteradern können bevor- zugt auf einem gemeinsamen stabförmigen Träger angeordnet sein. Ein solcher Träger kann beispielsweise als massiver Kern oder als Rohr zum Transport von Kühlmittel ausgebildet sein. Als Trägermaterial eignet sich insbesondere ein metal¬ lisches Material, vor allem Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung. The concentric superconducting conductor wires can preferably be arranged on a common rod-shaped carrier. Such a carrier may be formed for example as a solid core or as a tube for the transport of coolant. As a carrier material is in particular a metal ¬ lic material, especially copper or a copper-containing alloy.
Alternativ zu den Ausführungsformen mit konzentrischen Leiteradern können die einzelnen supraleitenden Leiteradern innerhalb der gemeinsamen Hülle nebeneinander angeordnet sein. Dabei können insbesondere die einzelnen Leiteradern jeweils ein oder mehrere Leiterelemente aufweisen, welche jeweils auf einem Kern angeordnet sind. Bei diesen Leiterelementen kann es sich insbesondere jeweils um bandförmige Leiterelemente handeln. Auch hier kann der Kern insbesondere ein metalli- scher Kern, bevorzugt ein kupferhaltigen Kern, sein. Auch hier kann dieser Kern entweder als massiver Stab oder als Rohr (insbesondere zum Transport von Kühlmittel) ausgebildet sein . Bei der genannten Ausführungsvariante mit nebeneinander ge¬ führten Leiteradern können diese allgemein entweder zusammen auf einem gemeinsamen Kern oder jeweils auf separaten Kernen angeordnet sein. Es können auch mehrere solche Kerne vorlie- gen, wobei jeweils mehrere supraleitende Leiterelemente auf einem gemeinsamen Kern gruppiert angeordnet sind. Diese ein¬ zelnen supraleitenden Leiterelemente können dabei grundsätzlich entweder zu einer gemeinsamen Leiterader oder auch zu getrennten Leiteradern gehören (wobei sie dann zweckmäßig ausreichend durchschlagfest gegeneinander isoliert sein soll¬ ten) . As an alternative to the embodiments with concentric conductor wires, the individual superconducting conductor wires can be arranged next to one another within the common sleeve. In this case, in particular, the individual conductor wires each have one or more conductor elements, which are each arranged on a core. In particular, each of these conductor elements may be band-shaped conductor elements. Here, too, the core may in particular be a metallic core, preferably a copper-containing core. Again, this core can be designed either as a solid rod or pipe (in particular for the transport of coolant). In the said embodiment with adjacent ge ¬ led conductor cores, these may be arranged generally either together on a common core or on separate cores. There may also be several such cores available. gene, wherein in each case a plurality of superconducting conductor elements are arranged grouped on a common core. This ¬ a individual superconducting conductor elements can in principle either a common core conductor or also to separate conductor cores include (where appropriate then sufficiently impact resistant to be insulated from each other ¬ th).
Bei der Anordnung von mehreren, insbesondere bandförmigen, Leiterelementen auf einem gemeinsamen Kern ist es grundsätzlich auch möglich, dass mehrere solche Leiterelemente gesta¬ pelt übereinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere solche Leiterelemente nebeneinander helixartig um einen gemeinsamen Kern gewickelt sein. Dabei können die nebeneinander angeordneten spiralförmigen Wicklungen optional durch eine entsprechende dielektrische Isolati¬ onsschicht gegeneinander isoliert sein. Auch hier kann diese dielektrische Isolationsschicht wiederum hauptsächlich durch das Kühlmittel gebildet werden oder aber es kann ein festes Dielektrikum in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen spiralförmigen Leiterelementen angeordnet sein. In the arrangement of a plurality, in particular band-shaped, conductor elements on a common core, it is also possible in principle that a plurality of such conductor elements gesta ¬ pelt are arranged one above the other. Alternatively or additionally, a plurality of such conductor elements may be helically wound around a common core next to each other. The adjacent helical coils may optionally be insulated from each other by a respective dielectric isolati ¬ onsschicht. Again, this dielectric insulating layer can again be formed mainly by the coolant or it may be a solid dielectric in the spaces between the individual spiral-shaped conductor elements.
Die Anzahl n der Leiteradern einer Übertragungsleitung kann bevorzugt zwischen 2 und 100 liegen, insbesondere zwischen 7 und 37. Besonders bevorzugt kann die Anzahl n eine sogenannte „Magic number" sein, welche eine regelmäßige Anordnung der Leiteradern nach dem Muster eines zentrierten Sechsecks erlaubt, n kann also eine ganzzahlige Zahl nach der allgemeinen Formel The number n of the conductor wires of a transmission line may preferably be between 2 and 100, in particular between 7 and 37. More preferably, the number n may be a so-called "magic number", which allows a regular arrangement of the conductor wires according to the pattern of a centered hexagon, n can therefore be an integer number according to the general formula
n = 3i2 + 3i + 1, (Formel 1) sein, wobei i die Anzahl der konzentrischen Schalen um den zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also n = 7, 19, 37, 61, 91, ... n = 3i 2 + 3i + 1, (Formula 1), where i is the number of concentric shells around the central place. The corresponding sequence of numbers is therefore n = 7, 19, 37, 61, 91, ...
Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung nicht mit ei- ner Leiterader besetzt ist, sondern frei bleibt, ergibt sich die dann bevorzugte Anzahl n der Leiteradern stattdessen nach der allgemeinen Formel If the central location of such an arrangement is not occupied by a conductor core but remains free, then the then preferred number n of the conductor conductors results according to the general formula
n = 3i2 + 3i, (Formel 2) wobei i wiederum die Anzahl der konzentrischen Schalen um den nun vakanten zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also n = 3i 2 + 3i, (formula 2) where i is again the number of concentric shells around the now vacant central space. The corresponding sequence of numbers is so
n = 6, 18, 36, 60, 90, ...  n = 6, 18, 36, 60, 90, ...
Alternativ kann die Anzahl n der Leiteradern aber auch ein ganzzahliges Vielfaches einer solchen „Magic number" oder „Magic number plus eins" sein. Alternatively, however, the number n of the conductor wires can also be an integer multiple of such a "magic number" or "magic number plus one".
Bei einer derartigen Ausführungsform mit einem vakanten zen- tralen Platz kann sich an dieser Stelle vorteilhaft ein zentraler Kühlmittelkanal erstrecken. In such an embodiment with a vacant central place, a central coolant channel may advantageously extend at this point.
Ein allgemeiner Vorteil der Ausführungsformen mit einer relativ hohen Anzahl von Leiteradern (beispielsweise wenigstens 7 Leiteradern) ist es, dass durch diesen relativ hohen Grad der Parallelschaltung einzelner Adern innerhalb eines Pols eine Gleichstromübertragung mit einer insgesamt hohen Nennleistung ermöglicht wird, ohne dass Stromrichter mit einer besonders hohen Leistungsspezifikation benötigt werden. A general advantage of the embodiments with a relatively high number of conductor wires (for example, at least 7 conductor wires) is that this relatively high degree of parallel connection of individual wires within a pole enables DC transmission with a high overall rating, without the need for a single converter high performance specification needed.
Das fluide Kühlmittel kann vorteilhaft Stickstoff, Wasser¬ stoff, Helium und/oder Neon aufweisen. Insbesondere kann das Kühlmittel vollständig aus einem dieser Stoffe bestehen. All¬ gemein kann das Kühlmittel dabei im flüssigen, gasförmigen und/oder überkritischen Zustand vorliegen. Dabei kann dieThe fluid coolant may advantageously comprise nitrogen, water ¬ material, helium and / or neon. In particular, the coolant may consist entirely of one of these substances. All ¬ common, the coolant can be present in the liquid, gaseous and / or supercritical state. It can the
Wahl des Kühlmittels zweckmäßig an die gewünschte Betriebs¬ temperatur des gewählten Supraleiters angepasst werden. Bei¬ spielsweise können HTS-Materialien zweiter Generation gut mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, während Magnesiumdiborid besonders vorteilhaft mit flüssigem oder überkritischem Was¬ serstoff gekühlt werden kann. Die Verwendung eines überkriti¬ schen Kühlmittels, insbesondere überkritischen Wasserstoffs, ist besonders vorteilhaft, da in diesem Zustand die Blasen¬ bildung durch ein Sieden des Kühlmittels im Kühlmittelkanal ausgeschlossen wird und somit die Spannungsfestigkeit bei einer Nutzung des Kühlmittels als dielektrisches Isolations¬ mittel erhöht wird. Die Betriebstemperatur des supraleitenden Leiterelements kann beispielsweise bei einer Kühlung mit Was- serstoff zwischen 20 und 35 K oder bei einer Kühlung mit Stickstoff zwischen 65 und 80 K liegen. Choice of the coolant expedient to be adapted to the desired operating ¬ temperature of the selected superconductor. In ¬ play as second generation HTS materials can easily be cooled with liquid nitrogen while magnesium diboride with liquid or supercritical What can be cooled ¬ serstoff particularly advantageous. The use of a überkriti ¬ rule coolant, particularly supercritical hydrogen, is particularly advantageous because the bubbles ¬ formation is excluded by boiling of the coolant in the coolant channel in this state, and thus the dielectric strength at a use of the coolant is increased as the dielectric insulation ¬ medium. The operating temperature of the superconducting conductor element may be, for example, in the case of cooling with water. between 20 and 35 K or with nitrogen between 65 and 80 K.
Die einzelnen Stromrichter können bevorzugt jeweils für einen Betriebsstrom von höchstens 4 Kiloampere ausgelegt sein. Bei¬ spielsweise können sie für einen Betriebsstrom von jeweils zwischen 1 Kiloampere und 2 Kiloampere ausgelegt sein. In diesem Nennstrom-Bereich steht im Gegensatz zu noch höheren Strömen eine große Auswahl von günstigen und zuverlässigen Standardbauteilen zur Verfügung. The individual power converters can preferably be designed in each case for an operating current of at most 4 kiloamps. In ¬ play, they may be designed for an operating current for each of between 1 and 2 kiloamps kiloamperes. In this rated current range, in contrast to even higher currents, a large selection of inexpensive and reliable standard components is available.
Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Stromrichter jeweils für eine Betriebsspannung von höchstens 9 kV, insbe¬ sondere höchstens 5 kV, ausgelegt sein. Beispielsweise können sie jeweils für eine Betriebsspannung zwischen 1 kV und 9 kV, insbesondere zwischen 3 kV und 4,5 kV ausgelegt sein. Auch in diesem Spannungsbereich steht im Gegensatz zu noch höheren Spannungen wiederum eine große Auswahl von günstigen und zuverlässigen Standardbauteilen zur Verfügung. Alternatively or additionally, the individual power converters may each for an operating voltage of up to 9 kV, in particular at most 5 kV ¬ sondere be designed. For example, they can each be designed for an operating voltage between 1 kV and 9 kV, in particular between 3 kV and 4.5 kV. In contrast to even higher voltages, this range of voltages also offers a large selection of inexpensive and reliable standard components.
Allgemein bevorzugt können bei der Vorrichtung die n Stromrichter als Gleichrichter ausgestaltet sein. Mit anderen Worten können sie dazu ausgestaltet sein, um aus einem Wechsel¬ strom einen in die Leiteradern der Übertragungsleitung einzu- speisenden Gleichstrom umzuwandeln. Bei dieser Art der Ein- speisung eignet sich dann die gesamte Übertragungsvorrichtung dazu, um eine ursprünglich in Form von Wechselstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie innerhalb der Übertra¬ gungsleitung als Gleichstrom zu transportieren. Generally preferred in the device, the n power converters can be configured as a rectifier. In other words, they can be adapted to convert a einzu- feeding into the circuit wires of the transmission line direct current from an alternating current ¬. In this type of input feed-then the entire transmission device to suitable to transport a standing originally in the form of AC available electrical energy within the Übertra ¬ supply line as a direct current.
Alternativ oder - besonders bevorzugt - zusätzlich zu dieser Ausführung mit jeweils einem Gleichrichter pro Leiterader kann die Vorrichtung auch n Wechselrichter umfassen. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung mit n Stromrichtern ausge- stattet sein, welche den als Gleichstrom übertragen Nennstrom auf der Verbraucherseite in einem Wechselstrom wandeln können . Unabhängig von der genauen Ausführung der Stromrichter (z.B. als Gleichrichter, Wechselrichter und/oder Umrichter) können diese beispielsweise als IGBTs (für englisch: „Insulated-Gate Bipolar Transistor), als Thyristoren und/oder als MOSFET (für englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) ausgestaltet sein. Alternatively or - particularly preferred - in addition to this embodiment, each having one rectifier per conductor core, the device may also comprise n inverters. In other words, the device can be equipped with n power converters which can convert the rated current transmitted on the load side in an alternating current. Regardless of the exact design of the power converters (eg as rectifiers, inverters and / or inverters), these can be implemented, for example, as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), as thyristors and / or as MOSFETs (for metal oxide). Semiconductor field-effect transistor) be configured.
Die Vorrichtung zur Gleichstromübertragung kann allgemein bevorzugt für eine Übertragungsleistung von wenigstens 10 MW, insbesondere sogar wenigstens 400 MW oder sogar wenigstensThe DC transmission device may generally be preferred for a transmission power of at least 10 MW, in particular even at least 400 MW, or even at least
1 GW ausgelegt sein. Mit dem vorab beschriebenen Leitungskonzept können derart hohe Leistungen vorteilhaft übertragen werden, ohne dass die einzelnen Stromrichter für einen derartigen Leistungsbereich ausgelegt sein müssen. Dies wird durch die Übertragung bei insgesamt niedriger Spannung und durch die Aufteilung in parallele Teilstrompfade erreicht. 1 GW. With the previously described line concept, such high powers can advantageously be transmitted without the individual power converters having to be designed for such a power range. This is achieved by transmission at low overall voltage and by splitting into parallel sub-current paths.
Bevorzugt kann die Übertragungsvorrichtung im Bereich der supraleitenden Übertragungsleitung in einem Gleichstrom-Span- nungsbereich betrieben werden, welcher innerhalb der Spannungsspezifikation eines einzelnen Stromrichters liegt. Bei dieser Ausführungsform genügt es, dass jeder Leiterader (oder jeder Gruppe von Leiteradern) insbesondere nur ein Gleichrichter und/oder nur ein Wechselrichter zugeordnet ist. Diese Ausführungsform ist wegen ihres geringeren apparativen Aufwands besonders bevorzugt. Sie kann auch mit den beschriebe¬ nen mehradrigen Konzept besonders gut realisiert werden, da durch die parallele Stromführung in den einzelnen Leiteradern eine hohe Leistung übertragen werden kann, ohne dass hierfür ein hohes Spannungsniveau benötigt wird. Preferably, the transmission device can be operated in the region of the superconducting transmission line in a DC voltage range, which lies within the voltage specification of a single power converter. In this embodiment, it is sufficient that each conductor core (or each group of conductor wires) is assigned in particular only one rectifier and / or only one inverter. This embodiment is particularly preferred because of its lower equipment cost. It can be implemented particularly well with the NEN-described ¬ multicore concept, since a high power can be transmitted through the parallel current lead in the individual conductor wires without the need for a high voltage level is required.
Wenn jedoch zur Übertragung der vorgegebenen Leistung tatsächlich eine höhere Spannung an den einzelnen Leiteradern benötigt wird, dann kann alternativ eine Serienschaltung meh- rerer Gleichrichter und/oder mehrerer Wechselrichter an dem jeweiligen Ende der Übertragungsleitung zum Einsatz kommen. Mit einer solchen Serienschaltung kann ein größerer Spannungsbereich zugänglich gemacht werden als mit einem einzel- nen Stromrichter der jeweiligen Ausgestaltung (insbesondere einem einzelnen Gleichrichter oder Wechselrichter pro Ader) . If, however, a higher voltage is actually required at the individual conductor wires to transmit the predetermined power, then alternatively a series connection of several rectifiers and / or several inverters can be used at the respective end of the transmission line. With such a series connection, a larger voltage range can be made accessible than with a single voltage range. NEN converter of the respective configuration (in particular a single rectifier or inverter per wire).
In einer allgemein bevorzugten Ausführungsform sind alle supraleitenden Leiteradern der beschriebenen Übertragungsleitung zum Transport von Gleichstrom mit untereinander gleicher Polarität ausgelegt. Es handelt sich dann also um eine einpoli¬ ge Übertragungsleitung. Bei dieser Ausführungsform kann es besonders bevorzugt sein, wenn die Vorrichtung zur Stromübertragung eine zweite derartige Übertragungsleitung zur Übertragung von Gleichstrom mit der entgegengesetzten Polarität aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich dann insgesamt um eine Übertragungsvorrichtung zur zweipoligen Gleichstromübertragung in zwei getrennten einpoligen Übertragungsleitungen. Alternativ zu dieser Ausführungsform ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, nur eine solche einpolige Übertragungsleitung zu verwenden und den Stromkreis über eine Masseleitung zu schließen. In a generally preferred embodiment, all the superconducting conductor wires of the described transmission line are designed for the transport of direct current with mutually identical polarity. So it is a einpoli ¬ ge transmission line. In this embodiment, it may be particularly preferable for the power transmission device to have a second such transmission line for transmitting direct current of the opposite polarity. In other words, it is then a total transmission device for two-pole DC transmission in two separate single-ended transmission lines. As an alternative to this embodiment, however, it is basically also possible to use only such a single-pole transmission line and to close the circuit via a ground line.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for
Gleichstromübertragung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,  Direct current transmission according to a first example of the invention shows
Figur 2 eine supraleitende Übertragungsleitung einer solchen Vorrichtung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt zeigt,  Figure 2 shows a superconducting transmission line of such a device according to a second example of the invention in a schematic cross section,
Figur 3 eine supraleitende Übertragungsleitung nach einem dritten Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt,  Figure 3 shows a superconducting transmission line according to a third example in schematic cross section,
Figur 4 Teile einer supraleitenden Übertragungsleitung nach einem vierten Beispiel im schematischen Längsschnitt zeigt,  Figure 4 shows parts of a superconducting transmission line according to a fourth example in a schematic longitudinal section,
Figur 5 eine Übertragungsleitung nach einem fünften Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt, Figur 6 eine Übertragungsleitung nach einem sechsten Beispiel im schematischen Querschnitt zeigt und Figure 5 shows a transmission line according to a fifth example in schematic cross section, Figure 6 shows a transmission line according to a sixth example in schematic cross section and FIG
Figur 7 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Stromübertragung nach einem siebten Beispiel zeigt.  Figure 7 shows a schematic diagram of a device for power transmission according to a seventh example.
Allgemein sind hier gleiche oder ähnlich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In general, the same or similar elements here are marked with the same reference numerals.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrich- tung 1 zur Gleichstromübertragung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Nur äußerst schematisch ist hier eine supraleitende Übertragungsleitung 3 gezeigt, welche dazu dient, Gleichstrom über längere Entfernungen hinweg zu übertragen. Diese Übertragungsleitung 3 weist eine Mehrzahl einzelner supraleitender Leitungsadern 5 auf, von denen hier vier beispielhaft dargestellt sind. Es kann sich insbesondere jedoch auch um eine deutlich größere Anzahl sol¬ cher Adern handeln. Wie im Zusammenhang mit den folgenden Ausführungsbeispielen noch deutlicher werden wird, sollen diese Leiteradern 5 in einer hier nicht gezeigten gemeinsamen vakuumisolierten Hülle angeordnet sein, welche das Innere der Übertragungsleitung 3 gegen eine wärmere äußere Umgebung thermisch isoliert. Die einzelnen Leiteradern 5 der Übertragungsleitung 3 sind jeweils separat mit ihnen zugeordneten Stromrichtern 6a und 6b verbunden. Im gezeigten Beispiel sind die Stromrichter 6a als Gleichrichter ausgebildet, mit denen also ein Gleichstrom parallel in die einzelnen Leiteradern 5 eingespeist werden kann. Wie in Figur 1 gezeigt, sind diese einzelnen Gleichrichter 6a elektrisch zueinander parallel geschaltet, sodass der insgesamt zu transportierende Gleichstrom auf mehrere pa¬ rallele Strompfade in den einzelnen Leiteradern 5 aufgeteilt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Übertragungsvor- richtung 1 sind die einzelnen Leiteradern 5 wiederum jeweils mit Wechselrichtern 6b verbunden, welche den übertragenen Gleichstrom wiederum in einem Wechselstrom umwandeln. Auch diese Wechselrichter 6b sind elektrisch zueinander parallel geschaltet, sodass sich auf der Ausgangsseite wiederum ein summierter Wechselstrom ergibt. 1 shows a schematic representation of a device 1 for DC transmission according to a first embodiment of the invention. Only very schematically here is shown a superconducting transmission line 3, which serves to transmit direct current over longer distances. This transmission line 3 has a plurality of individual superconducting conductor wires 5, four of which are shown here by way of example. In particular, however, it may also be a significantly larger number of such leads . As will become more apparent in connection with the following embodiments, these conductor wires 5 are intended to be arranged in a common vacuum-insulated envelope, not shown here, which thermally insulates the interior of the transmission line 3 against a warmer external environment. The individual conductor wires 5 of the transmission line 3 are each connected separately with their associated power converters 6a and 6b. In the example shown, the power converters 6a are designed as rectifiers, with which therefore a direct current can be fed in parallel into the individual conductor wires 5. As shown in Figure 1, each of these rectifier 6a are mutually electrically connected in parallel so that the total to be transported direct current is distributed to several pa ¬ rallele current paths in the individual conductor wires. 5 On the opposite side of the transmission device 1, the individual conductor wires 5 are in each case in turn connected to inverters 6b, which in turn convert the transmitted direct current into an alternating current. These inverters 6b are also electrically parallel to one another switched, so that again results in a summated AC on the output side.
Im gezeigten Beispiel der Figur 1 stellt die supraleitende Übertragungsleitung 3 eine einpolige Leitung dar. Die einzelnen Leiteradern 5 und die jeweils in Serie mit ihnen verbundenen Gleichrichter 6a sind also so geschaltet, dass durch die einzelnen Leiteradern 5 jeweils Strom der gleichen Polarität geleitet wird. In the example shown in FIG. 1, the superconducting transmission line 3 represents a single-pole line. The individual conductor wires 5 and the respective rectifiers 6a connected in series with them are thus switched such that current of the same polarity is conducted through the individual conductor wires 5.
Bei einer beispielhaften Dimensionierung der elektrischen Eigenschaften der Übertragungsvorrichtung 1 sind die Stromrichter 6a und 6b und die einzelnen Leiteradern 5 für einen Spannungsbereich unterhalb von 3,3 kV ausgelegt. In diesem Span- nungsbereich sind die normgerechten technischen Anforderungen an die Stromrichter und an die Isolation der Leiteradern 5 vorteilhaft relativ gering, sodass das Design, die Herstel¬ lung, die Installation und der Betrieb entsprechend relativ einfach und damit preisgünstig ausfallen. In an exemplary dimensioning of the electrical properties of the transmission device 1, the power converters 6a and 6b and the individual conductor wires 5 are designed for a voltage range below 3.3 kV. Voltage range in this chip the standardized technical requirements to the inverter and the insulation of the conductor wires 5 advantageous relatively low, so that the design, herstel ¬ development, installation and operation in accordance with relatively simple and thus fail cheap.
Bei einer alternativen beispielhaften Dimensionierung der elektrischen Eigenschaften können die Stromrichter und die Leiteradern jedoch auch für einen etwas höheren Spannungsbereich ausgelegt sein. Beispielhaft seien folgende Werte für Nennspannungen und Nennströme genannt, die mit Standardbau¬ teilen relativ einfach realisiert werden können: In an alternative exemplary dimensioning of the electrical properties, however, the power converters and the conductor wires can also be designed for a slightly higher voltage range. Examples are the following values for rated voltage and currents may be mentioned that share with standard building ¬ relatively easy can be realized:
- Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können IGBTs eingesetzt werden, welche für eine Nennspannung von etwa 3,3 kV und einen Nennstrom von etwa 1,5 kA ausgelegt sind . - For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 3.3 kV and a rated current of about 1.5 kA.
- Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können IGBTs eingesetzt werden, welche für eine Nennspannung von etwa 4,5 kV und einen Nennstrom von etwa 3 kA ausgelegt sind.  - For the rectifier and / or the inverters IGBTs can be used, which are designed for a nominal voltage of about 4.5 kV and a rated current of about 3 kA.
- Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können Thyristoren eingesetzt werden, welche für eine Nennspannung von etwa 3,6 kV und einen Nennstrom von etwa 0,9 kA ausgelegt sind. - For the rectifier and / or the inverters thyristors can be used, which for a nominal voltage of about 3.6 kV and a rated current of about 0.9 kA.
- Für die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter können Thyristoren eingesetzt werden welche für eine Nennspannung von etwa 7 kV und einen Nennstrom von etwa 1,3 kA ausgelegt sind .  - For the rectifier and / or the inverters thyristors can be used, which are designed for a nominal voltage of about 7 kV and a rated current of about 1.3 kA.
Figur 2 zeigt eine supraleitende Übertragungsleitung 3 einer Vorrichtung zur Gleichstromübertragung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt. Die Vorrichtung als Ganzes kann dabei insgesamt ähnlich aufgebaut sein wie in Figur 1 dargestellt. In einem radial innen lie¬ genden Bereich 9 der Übertragungsleitung 3 sind hier beispielhaft fünf einzelne supraleitende Leiteradern 5, welche in diesem Beispiel in der Form von ineinander geschachtelten zylindrischen Rohren konzentrisch zueinander angeordnet sind. Auch hier kann die beispielhaft gezeigte Anzahl von Leiteradern 5 beispielhaft für eine andere und insbesondere auch größere Anzahl von Leiteradern stehen. Im gezeigten Beispiel weisen die einzelnen Leiteradern 5 jeweils ein Trägerrohr mit einer hier nicht näher dargestellten supraleitenden Schicht auf. Bei dieser supraleitenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine supraleitende Beschichtung auf dem Trä¬ gerrohr handeln oder aber es kann sich auch um eine auf das Rohr aufgebrachte Wicklung handeln, beispielsweise aus einem Bandleiter . FIG. 2 shows a superconducting transmission line 3 of a DC transmission device according to a second example of the invention in a schematic cross section. The device as a whole can be constructed as a whole as shown in Figure 1. In a radially inner lie ¬ restricting portion 9 of the transmission line 3 are exemplary five individual superconducting conductor filaments 5, which are arranged in this example in the form of nested cylindrical tubes concentric with each other here. Here, too, the number of conductor wires 5 shown by way of example can stand by way of example for a different and, in particular, larger number of conductor wires. In the example shown, the individual conductor wires 5 each have a support tube with a superconducting layer not shown here. In this superconducting layer may be, for example, a superconducting coating on the Trä ¬ gerrohr act or it may also be a coating applied to the pipe winding, for example of a strip conductor.
Die konzentrisch ineinander geschachtelten Leiteradern 5 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Hierzu sind jeweils zwi- sehen einzelnen radial benachbarten Leiteradern 5 dielektrische Isolationsschichten 31 angeordnet. Diese dielektrischen Isolationsschichten 31 können beispielsweise jeweils aus fluidem Kühlmittel 11 und/oder einer Feststoffisolation gebildet sein. Im gezeigten Beispiel sind zwischen den einzel- nen Leiteradern jeweils einzelne zylindermantelförmige Kühl¬ mittelkanäle 25b bis 25e angeordnet, sodass ein wesentlicher Teil der Isolationswirkung durch das Kühlmittel selbst übernommen werden kann. Beispielhaft ist zwischen den innersten beiden Leiteradern zusätzlich noch eine Papierisolation 33 gezeigt, wobei das Papier zusätzlich von fluidem Kühlmittel 11 getränkt sein soll. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass zwischen den einzelnen konzentrischen Leiteradern 5 noch eine andere FeststoffIsolation, beispielsweise aus Kunststoff, angeordnet ist. Dies ist hier jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. The concentric nested conductor wires 5 are electrically isolated from each other. For this purpose, between each individual radially adjacent conductor wires 5 dielectric insulation layers 31 are arranged. These dielectric insulation layers 31 may be formed, for example, each from fluid coolant 11 and / or a solid insulation. In the example shown each individual cylinder jacket-shaped cooling ¬ medium channels 25b are arranged to 25e, so that a substantial portion of the insulation effect can be given by the coolant itself between the individual conductor strands. Exemplary is between the innermost two conductor wires additionally shown a paper insulation 33, wherein the paper should be additionally impregnated by fluid coolant 11. Alternatively or additionally, however, it is also possible in principle for a different solid insulation, for example made of plastic, to be arranged between the individual concentric conductor wires 5. However, this is not shown here for the sake of clarity.
Der radial innenliegende Bereich 9 der Übertragungsleitung 3 ist gegen die wärmere äußere Umgebung 15 durch eine vakuum¬ isolierte Hülle 13 thermisch isoliert. Im gezeigten Beispiel weist diese Hülle 13 eine innere Kryostatwand 13a und eine äußere Kryostatwand 13b auf, zwischen denen ein Vakuum V aus¬ gebildet ist. Innerhalb dieses Vakuumraums V kann optional auch eine Multilagenisolation als Strahlungsschirm angeordnet sein. Zwischen der vakuumisolierten Hülle 13 und der radial äußersten Leiterader 5 ist ein ringförmiger Kühlmittelkanal 25a ausgebildet, welcher alle innenliegenden Leiteradern 5 gemeinsam umgibt. So können die Leiteradern durch des hier fließenden Kühlmittels 11 (sowie auch durch das Kühlmittel in den weiter innen liegenden Kühlmittelkanälen) wirksam gekühlt werden. Der äußerste Kühlmittelkanal 25a dient hierbei gleichzeitig auch als Dielektrikum zwischen den Leiteradern 5 und der inneren Kryostatwand 13a, welche gleichzeitig als Leitungsschirmwirken kann. Im gezeigten Beispiel ist auch in inneren der innersten Leiterader ein Hohlraum 25f ausgebildet, welcher hier als innenliegende Kühlmittelkanal genutzt werden kann. Um die zueinander konzentrischen Leiteradern im Verhältnis zur vakuumisolierten Hülle 13 auf einem definierten Abstand zu halten, sind hier mehrere Stützelemente 39 vorgesehen, von denen hier drei beispielhaft gezeigt sind. Weitere Stützele¬ mente 39 können zweckmäßig auch zwischen den einzelnen Lei- teradern 5 vorgesehen sein, wie hier für die beiden äußersten Leiteradern beispielhaft dargestellt. In Figur 3 ist eine supraleitende Übertragungsleitung 3 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt gezeigt. Auch hier weist die Übertragungsleitung 3 mehrere supraleitende Leiteradern 5 auf, von denen hier acht beispielhaft gezeigt sind. Auch hier sind diese Leiteradern 5 gemeinsam innerhalb einer vakuumisolierten Hülle 13 angeordnet. Weiterhin ist ein Kühlmittelkanal 25 vorgesehen, welcher die einzelnen Leiteradern 5 umgibt, sodass diese gemeinsam mit einem fluiden Kühlmittel 11 gekühlt werden können. Im Un- terschied zum vorhergehenden Beispiel sind hier die einzelnen Leiteradern 5 auf einem gemeinsamen stabförmigen Kern 28 angeordnet. Dieser Kern ist hier beispielsweise als länglicher Kupferkern mit annähernd kreisförmigem Querschnitt ausgebil¬ det. Dieser Kupferkern kann beispielsweise aus Kupferlitze aufgebaut sein und somit eine relativ hohe mechanische Flexi¬ bilität aufweisen. The radially inner region 9 of the transmission line 3 is thermally insulated from the warmer outside environment 15 through a vacuum-insulated shell ¬. 13 In the example shown, this envelope 13 an inner cryostat wall 13a and an outer cryostat wall 13b, between which a vacuum is formed of V ¬. Within this vacuum space V may optionally be arranged as a radiation shield multilayer insulation. Between the vacuum-insulated casing 13 and the radially outermost conductor core 5, an annular coolant channel 25a is formed, which surrounds all inner conductor wires 5 together. Thus, the conductor wires can be effectively cooled by the coolant 11 flowing here (as well as by the coolant in the coolant channels located further inside). The outermost coolant channel 25a serves simultaneously as a dielectric between the conductor wires 5 and the inner cryostat wall 13a, which can simultaneously act as a cable shield. In the example shown, a cavity 25f is also formed in the interior of the innermost conductor core, which can be used here as an internal coolant channel. In order to keep the mutually concentric conductor wires in relation to the vacuum-insulated shell 13 at a defined distance, a plurality of support elements 39 are provided here, three of which are shown here by way of example. Further Stützele ¬ elements 39 may expediently be provided between the individual conductor wires 5, as shown here by way of example for the two outermost conductor wires. FIG. 3 shows a schematic cross-section of a superconducting transmission line 3 according to another example of the invention. Again, the transmission line 3 has a plurality of superconducting conductor wires 5, of which eight are shown here by way of example. Again, these conductor wires 5 are arranged together within a vacuum-insulated casing 13. Furthermore, a coolant channel 25 is provided, which surrounds the individual conductor wires 5, so that they can be cooled together with a fluid coolant 11. In contrast to the previous example, here the individual conductor cores 5 are arranged on a common rod-shaped core 28. This core is here ausgebil ¬ det, for example, as an elongated copper core with an approximately circular cross-section. This copper core can be constructed, for example, from copper strands and thus have a relatively high mechanical flexibility ¬ .
Im Beispiel der Figur 3 sind die einzelnen Leiteradern 5 im Querschnitt über den Umfang des gemeinsamen Kerns 28 verteilt angeordnet. Entlang einer Längsrichtung der Übertragungslei¬ tung 3 können diese einzelnen Leiteradern helixartig um den gemeinsamen Kern gewickelt sein. Sie können über die gesamte Länge der Übertragungsleitung 3 elektrisch getrennt voneinander angeordnet sein. So können sie insbesondere durch eine hier nicht dargestellte Isolationsschicht jeweils vom innen liegenden Kern 28 elektrisch isoliert sein. Die elektrische Trennung der einzelnen Leiteradern 5 untereinander kann beispielsweise im Wesentlichen durch das im Kühlmittelkanal 25 strömende Kühlmittel 11 erfolgen. Zusätzlich kann jedoch op- tional auch ein weiteres Isolationsband 32a zwischen den be¬ nachbarten Leiteradern gewickelt sein, wie hier beispielhaft für ein benachbartes Paar von Leiteradern dargestellt. In the example of Figure 3, the individual conductor wires 5 are arranged distributed in cross section over the circumference of the common core 28. Along a longitudinal direction of the Übertragungslei ¬ tung 3, these individual conductor strands may be helically wound around the common core. They can be arranged electrically separated from one another over the entire length of the transmission line 3. Thus, they can be electrically insulated in each case by an insulating layer, not shown here, in each case from the inner core 28. The electrical separation of the individual conductor wires 5 with one another can be carried out, for example, essentially by the coolant 11 flowing in the coolant channel 25. However, in addition, a further insulating tape 32a may be wound between the be ¬ neighboring conductor cores op- tional, as exemplified here for an adjacent pair of conductor wires.
Ein allgemeiner Vorteil der spiralförmigen Anordnung der Lei- teradern 5 auf dem Kern 28 ist, dass die Leiteranordnung insgesamt eine relativ hohe mechanische Flexibilität erhält. Im gezeigten Beispiel sind die einzelnen Leiteradern 5 jeweils aus Stapeln von mehreren übereinanderliegenden supraleitenden Bandleitern 26 gebildet. Es ist jedoch prinzipiell auch mög¬ lich, eine ähnliche spiralförmige Wicklung aus einzelnen (ungestapelten) Bandleitern zu erzeugen. Figur 4 zeigt einen Teilbereich einer supraleitenden Übertragungsleitung drei nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur ein innenliegender Teil der Übertragungsleitung 3 gezeigt, der ähnlich wie in den Figuren 2 oder 3 innerhalb einer vakuumisolierten Hülle 13 angeordnet sein kann und dort über Stützelemente gehalten sein kann. A general advantage of the helical arrangement of the conductor wires 5 on the core 28 is that the overall conductor arrangement obtains a relatively high mechanical flexibility. In the example shown, the individual conductor wires 5 are each made of stacks of a plurality of superposed superconducting Band conductors 26 formed. However, it is in principle also mög ¬ Lich to produce a similar spiral winding of individual (unstacked) band conductors. Figure 4 shows a portion of a superconducting transmission line three according to a further embodiment of the invention in a schematic longitudinal section. For the sake of clarity, here only an internal part of the transmission line 3 is shown, which can be arranged similar to those in FIGS. 2 or 3 within a vacuum-insulated casing 13 and can be held there by support elements.
Figur 4 zeigt wiederum einen metallischen Kern 28, welcher auch hier beispielsweise entweder als massiver Kern oder als Litzenstruktur ausgebildet sein kann. Auch hier ist auf diesen Kern 28 eine Mehrzahl von supraleitenden Leiteradern 5 spiralförmig gewickelt angeordnet. Im Unterschied zum vorhe¬ rigen Beispiel sind die einzelnen Leiteradern 5 hier nicht aus Stapeln von supraleitenden Bandleitern, sondern jeweils aus nebeneinander gewickelten Bandleitern 26 gebildet. Ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3 kann auch hier die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Leiteradern 5 beispielsweise im Wesentlichen durch das in diesen Strukturen strömende Kühlmittel 11 gebildet sein. Zusätzlich kann jedoch auch hier optional zwischen den benachbarten Leiteradern jeweils ein Isolationsband 32a zwischen gewickelt sein, wie hier beispielhaft für die beiden mittleren Leiteradern 5 gezeigt . Figur 5 zeigt eine supraleitende Übertragungsleitung 3 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im schemati¬ schen Querschnitt. In diesem Beispiel weist die Übertragungs¬ leitung 3 achtundzwanzig einzelne Leiteradern 5 auf, welche auch hier gemeinsam innerhalb einer vakuumisolierten Hülle 13 angeordnet sind und gemeinsam von einem ringförmigen Kühlmittelkanal 25 umgeben sind. Die achtundzwanzig einzelnen Leiteradern 5 sind in sieben Gruppen aufgeteilt, wobei jede Gruppe einen separaten Kern 28 aufweist. Diese Kerne können auch hier aus kupferhaltigem Material gebildet sein. Um jeden dieser Kerne sind vier einzelne supraleitende Leiterelemente 26 in Form von einzelnen Bandleitern angeordnet. Die so gebildeten sieben einzelnen Stränge werden auch hier von FIG. 4, in turn, shows a metallic core 28, which, in this case as well, can be designed, for example, either as a solid core or as a stranded structure. Again, a plurality of superconducting conductor wires 5 is arranged spirally wound on this core 28. In contrast to herein are subject ¬ engined example, the individual conductor wires 5 are formed here from stacks of superconducting coated conductors, but each of side by side coiled strip conductors 26th Similar to the example of FIG. 3, the electrical insulation between the individual conductor wires 5 can also be formed, for example, essentially by the coolant 11 flowing in these structures. In addition, however, an insulation tape 32a between the adjacent conductor wires may optionally also be wound in between, as shown here by way of example for the two middle conductor wires 5. 5 shows a superconductive transmission line 3 according to a further embodiment of the invention in schemati ¬'s cross-section. In this example, the transmission line ¬ 3-eight individual conductor strands 5 which are also arranged here together within a vacuum-insulated casing 13 and are jointly surrounded by an annular coolant channel 25th The twenty-eight individual conductor wires 5 are divided into seven groups, each group having a separate core 28. These cores can also be formed here of copper-containing material. Around each of these cores four individual superconducting conductor elements 26 are arranged in the form of individual strip conductors. The seven individual strands thus formed are also from here
Stützelementen 39 in ihrer Position relativ zu der äußerenSupport members 39 in position relative to the outer
Hülle 13 gehalten. Die einzelnen supraleitenden Leiterelemente 26, welche jeweils eine Leiterader 5 ausbilden, sind von¬ einander durch dielektrische Schichten isoliert. Dieses Die¬ lektrikum ist im gezeigten Beispiel durch eine Kombination von strömendem Kühlmittel 11 und von einer KunststoffIsolati¬ on 32b gebildet, wobei diese Kunststoffisolation jeweils die vier Leiterelemente 26 eines Kerns gemeinsam umgibt. Die elektrische Durchschlagfestigkeit zwischen den einzelnen Lei¬ teradern 5 wird hier also durch eine Kombination von Kühlmit- tel-Dielektrikum und zusätzlichem Kunststoff-Dielektrikum erreicht . Case 13 held. The individual superconducting conductor elements 26, which each form a core conductor 5 are insulated from each other by dielectric layers ¬. This ¬ The lektrikum is formed in the example shown, by a combination of flowing coolant 11 and a KunststoffIsolati on ¬ 32b, said plastic insulation surrounds each of the four conductor elements 26 of a core together. The dielectric strength between the individual Lei ¬ teradern 5 is thus achieved here by a combination of coolants dielectric and additional plastic dielectric.
Figur 6 zeigt eine supraleitende Übertragungsleitung 3 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Über- tragungsleitung ist insgesamt sehr ähnlich aufgebaut wie die der Figur 5. Auch hier sind achtundzwanzig Leiteradern 5 in sieben Gruppen unterteilt, wobei jeweils vier Bandleiter 26 gemeinsam auf einem Kern angeordnet sind. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 5 wird hier jedoch die elektrische Isola- tion zwischen den einzelnen Leiteradern im Wesentlichen durch das fluide Kühlmittel 11 erreicht und nicht durch eine zu¬ sätzliche Kunststoffisolation . Hierzu werden die einzelnen Kerne 28 durch Stützelemente 39 voneinander getrennt gehal¬ ten, von denen in Figur 6 nur eines beispielhaft dargestellt ist. Der Mindestabstand einzelner benachbarter Leiteradern 5 kann hierzu beispielsweise wenigstens 1 mm betragen. FIG. 6 shows a superconducting transmission line 3 according to a further exemplary embodiment of the invention. Overall, this transmission line has a very similar construction to that of FIG. 5. Here, too, twenty-eight conductor cores 5 are subdivided into seven groups, with four band conductors 26 being jointly arranged on one core. In contrast to the example of Figure 5, however, the electric Isola- tion is achieved between the individual conductor wires substantially through the fluid coolant 11 and not by too ¬ additional plastic insulation here. For this purpose, the individual cores 28 are supported by support elements 39 separated from each other supported ¬ th, of which in figure 6 only one is shown by way of example. The minimum distance between individual adjacent conductor wires 5 can be, for example, at least 1 mm for this purpose.
Figur 7 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 zur Stromübertragung nach einem weiteren Ausführung Beispiel der Erfindung. In diesem Beispiel weist die Vorrichtung 1 zwei supraleitende Übertragungsleitungen 3a und 3b auf. Diese bei¬ den Übertragungsleitungen 3a und 3b können beispielsweise jeweils ähnlich wie in einer der Figuren 2 bis 6 ausgestaltet sein. Insbesondere sind diese beiden Übertragungsleitungen wiederum jeweils als einpolige Leitungen mit mehreren Leiteradern ausgebildet. Durch die Nutzung beider Leitungen zur Stromübertragung wird eine zweipolige Gleichstromübertragung ermöglicht. Die Vorrichtung zur Stromübertragung weist eine Kühlvorrichtung 7 auf mit in diesem Beispiel zwei getrennten Kühleinheiten 18, in denen das fluide Kühlmittel 11 nach einer Erwärmung in den Kühlkanälen der Leitungen wieder herunter gekühlt wird. Jede der Übertragungsleitungen kann in Längsrichtung 21 eine Ausdehnung von beispielsweise mehreren 10 km aufweisen. Jede der beiden Leitungen 3a und 3b weist an einem seiner beiden Enden eine Vorrichtung 17 zur Einspeisung von durch eine der Kühleinheiten 18 herunter gekühltes Kühlmittel in den radial innenliegenden Bereich der jeweiligen Leitung auf. Im gezeigten Beispiel weist jede der beiden Lei¬ tungen 3a und 3b nur eine solche Einspeisevorrichtung 17 auf, für die Leitung 3a ist sie am ersten Endbereich 19a angeordnet, und für die Leitung 3b ist sie am gegenüberliegenden zweiten Endbereiche 19b angeordnet. Der axial innenliegende Bereich 23 ist also für beide Leitungen frei von solchenFigure 7 shows a schematic diagram of a device 1 for power transmission according to a further embodiment of the invention. In this example, the device 1 has two superconducting transmission lines 3a and 3b. These transmission lines 3a and 3b are configured, for example, respectively similar to one of the Figures 2 to 6 in ¬ be. In particular, these two transmission lines are each again designed as single-pole lines with a plurality of conductor wires. By using both lines for power transmission a two-pole DC transmission is possible. The device for power transmission comprises a cooling device 7 with in this example two separate cooling units 18, in which the fluid coolant 11 is cooled down again after heating in the cooling channels of the lines. Each of the transmission lines may have an extension of, for example, several 10 km in the longitudinal direction 21. Each of the two lines 3a and 3b has at one of its two ends a device 17 for feeding cooled by one of the cooling units 18 down coolant in the radially inner region of the respective conduit. In the example shown, each of the two Lei ¬ obligations 3a and 3b, only one such feeding unit 17, the line 3a is arranged on the first end portion 19a, and the line 3b is disposed at the opposite second end portions 19b. The axially inner region 23 is thus free of such for both lines
Einspeisevorrichtungen. Das fluide Kühlmittel 11 zirkuliert in diesem Beispiel in einem geschlossenen Kreislauf über die Kühlmittelkanäle 25 der beiden Leitungen 3a und 3b, die bei¬ den Kühleinheiten 18 sowie die dazwischen angeordneten Kühl- mittelrohre 47 und Einspeisevorrichtungen 17. Die Flussrichtungen 27a und 27b des Kühlmittels in den beiden Leitungen sind dazu entgegengesetzt. Durch die thermische Isolation der radial innenliegenden Bereiche 9 der Leitungen 3a und 3b wird erreicht, dass ihre jeweiligen supraleitenden Leiterelemente über die ganze Längsausdehnung 21 der Leitungen auf einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gehalten werden. Feeder devices. The fluid coolant 11 circulates in this example in a closed circuit through the coolant channels 25 of the two lines 3a and 3b, the ¬ at the cooling units 18 and the interposed coolant tubes 47 and feed devices 17. The flow directions 27a and 27b of the coolant in the Both lines are opposite. The thermal insulation of the radially inner regions 9 of the lines 3a and 3b ensures that their respective superconducting conductor elements are maintained over the entire longitudinal extent 21 of the lines at an operating temperature below the transition temperature of the superconductor.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur Gleichstromübertragung mit einer supraleitenden Übertragungsleitung (3,3a), wobei die Übertra- gungsleitung (3) 1. Device (1) for DC transmission with a superconducting transmission line (3,3a), wherein the transmission line (3)
- eine vakuumisolierte Hülle (13) zur thermischen Trennung eines radial innenliegenden Bereichs (9) der Übertragungs¬ leitung (3) von einer äußeren Umgebung (15) und - A vacuum-insulated sheath (13) for the thermal separation of a radially inner region (9) of the transmission ¬ line (3) of an outer environment (15) and
- eine Mehrzahl n supraleitender Leiteradern (5) aufweist, welche gemeinsam innerhalb der vakuumisolierten Hülle (13) angeordnet sind,  a plurality of n superconducting conductor cores (5), which are arranged together within the vacuum-insulated envelope (13),
- wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine Anzahl n an  - wherein the device (1) at least a number n to
Stromrichtern (6a, 6b) aufweist, wobei jeder der supralei¬ tenden Leiteradern (5) oder jeder Gruppe von zusammenge- fassten supraleitenden Leiteradern (5) zumindest ein Stromrichter (6a, 6b) zugeordnet ist, Power converters (6a, 6b), each of said supralei ¬ Tenden conductor wires (5) or each group of zusammenge- summarized superconducting conductor wires (5) at least one power converter (6a, 6b) is associated,
- und wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, mehre¬ re gemeinsam innerhalb der Hülle (13) geführte Leiteradern (5) mit einem Gleichstrom von untereinander gleicher Pola- rität zu beaufschlagen. - And wherein the device (1) is adapted to several ¬ re together within the shell (13) guided conductor wires (5) to apply a direct current from each other the same polarity.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, welche eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des radial innenliegenden Bereichs (9) der Übertragungsleitung (3) auf eine Temperatur unterhalb einer Sprungtemperatur der supraleitenden Leiteradern (5) mit Hilfe eines fluiden Kühlmittels (11) aufweist. 2. Device (1) according to claim 1, which has a cooling device for cooling the radially inner region (9) of the transmission line (3) to a temperature below a transition temperature of the superconducting conductor wires (5) by means of a fluid coolant (11).
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Übertragungsleitung (3) wenigstens einen, die Leiteradern (5) gemeinsam umgebenden Kühlmittelkanal (25,25a) zum Trans¬ port von fluidem Kühlmittel (11) entlang einer Längsrichtung (21) der Übertragungsleitung (3) aufweist. 3. Device (1) according to any one of claims 1 or 2, wherein the transmission line (3) at least one, the conductor wires (5) together surrounding coolant channel (25,25a) for Trans ¬ port of fluid coolant (11) along a longitudinal direction ( 21) of the transmission line (3).
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die einzelnen, innerhalb der gemeinsamen Hülle4. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the individual, within the common shell
(13) geführten Leiteradern (5) mit Hilfe einer dielektrischen Isolationsschicht (31) derart voneinander isoliert sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung (1) eine Potentialdifferenz zwi- sehen den einzelnen Adern (5) von wenigstens 1 kV aufrechterhalten werden kann. (13) guided conductor wires (5) by means of a dielectric insulating layer (31) are isolated from each other such that during operation of the device (1) has a potential difference between see the individual wires (5) of at least 1 kV can be maintained.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, bei welcher die dielek- trische Isolationsschicht (31) ein fluides Kühlmittel (11) umfasst und insbesondere zumindest in axialen und/oder radia¬ len Teilbereichen der Übertragungsleitung (3) mehrheitlich aus fluidem Kühlmittel (11) besteht. 5. Device (1) according to claim 4, wherein the dielectric insulating layer (31) comprises a fluid coolant (11) and in particular at least in axial and / or radia ¬ len partial areas of the transmission line (3) consists of a majority of fluid coolant (11 ) consists.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welcher die dielektrische Isolationsschicht (31) wenigstens eine Schicht eines in einem Kühlmittel (11) eingebetteten Pa¬ piers (33) aufweist. 6. Device (1) according to one of claims 4 or 5, wherein the dielectric insulating layer (31) has at least one layer of a in a coolant (11) embedded Pa ¬ piers (33).
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher die zwischen den einzelnen Leiteradern (5) angeordnete dielektrische Isolationsschicht (31) eine Durchschlagfestig¬ keit von wenigstens 20 kV/mm aufweist. 7. Device (1) according to one of claims 4 to 6, wherein the between the individual conductor wires (5) arranged dielectric insulating layer (31) has a Durchschlagfestig ¬ speed of at least 20 kV / mm.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die supraleitenden Leiteradern (5) jeweils ein hochtemperatursupraleitendes Material, insbesondere 8. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the superconducting conductor wires (5) each have a high-temperature superconducting material, in particular
Magnesiumdiborid und/oder ein Material des Typs REBCO umfas¬ sen . Magnesium diboride and / or a material of the type REBCO umfas ¬ sen.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die supraleitenden Leiteradern (5) konzentrisch zueinander angeordnet sind, 9. Device (1) according to one of the preceding claims, in which the superconducting conductor wires (5) are arranged concentrically to one another,
wobei insbesondere radial zwischen den einzelnen Leiteradern (5) konzentrische Kühlmittelkanäle (25b, 25c, 25d, 25e) ausge¬ bildet sind. wherein in particular radially between the individual conductor wires (5) concentric coolant channels (25b, 25c, 25d, 25e) are out ¬ forms.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die einzelnen supraleitenden Leiteradern (5) inner- halb der gemeinsamen Hülle (13) nebeneinander geführt sind, wobei insbesondere die einzelnen Leitadern (5) jeweils ein oder mehrere bandförmige Leiterelemente (26) aufweisen, wel- che jeweils auf einem diese tragenden Kern (28) angeordnet sind . 10. Device (1) according to one of claims 1 to 8, wherein the individual superconducting conductor wires (5) within the common sheath (13) are guided side by side, in particular the individual guide wires (5) each one or more band-shaped conductor elements (26), wel- each on a supporting core (28) are arranged.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Anzahl n der Leiteradern (5) einer Übertragungsleitung zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 7 und 30 liegt. 11. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the number n of the conductor wires (5) of a transmission line between 2 and 100, in particular between 7 and 30 is located.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Stromrichter (6a, 6b) jeweils für einen Betriebsstrom von höchstens 5 kA und/oder für eine Betriebsspannung von höchstens 9 kV ausgelegt sind. 12. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the power converters (6a, 6b) are each designed for an operating current of at most 5 kA and / or for an operating voltage of at most 9 kV.
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die wenigstens n Stromrichter (6a, 6b) ausgestal¬ tet sind, um aus einem Wechselstrom einen in die Leiteradern (5) der Übertragungsleitung (3) einzuspeisenden Gleichstrom umzuwandeln . 13. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least n power converters (6a, 6b) are ausgestal ¬ tet to convert from an alternating current into the conductor wires (5) of the transmission line (3) to be fed direct current.
14. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich eine zweite supraleitende Übertragungslei¬ tung (3b) aufweist, die zur Übertragung von Gleichstrom mit einer zur ersten Übertragungsleitung (3a) entgegengesetzten Polarität ausgestaltet ist. 14. Device (1) according to one of the preceding claims, which additionally comprises a second superconducting Übertragungslei ¬ device (3b), which is designed for the transmission of direct current with a first transmission line (3a) opposite polarity.
15. Verfahren zu Übertragung von Gleichstrom mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Einspeisung von Strom gleicher Polarität in mehrere innerhalb der gemeinsamen Hülle (13) geführten Leiteradern (5) der supraleitenden Übertragungsleitung (3) . 15. A method for transmitting direct current with a device (1) according to any one of the preceding claims, characterized by the step of feeding current of the same polarity in a plurality within the common sheath (13) guided conductor wires (5) of the superconducting transmission line (3).
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