DE1640212A1

DE1640212A1 - Elektrisches Kabel

Info

Publication number: DE1640212A1
Application number: DE19671640212
Authority: DE
Inventors: Buchhold Theodor Adam
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-03-31
Filing date: 1967-03-30
Publication date: 1970-06-04
Also published as: FR1515595A; GB1156428A; US3461218A; CA831164A

Description

4478-67/Dr. v.B/E

G.E. 14D-3965
U.S. Serial No.. 559*089
•Piled: March Jl, I966

General Electric Company Schenectady, N.Y., V.St.A.

Elektrisches Kabel

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel mit drei in einem Mantel angeordneten Leitern.

Der Verbrauch an elektrischer Energie nimmt bekanntlich laufend zu, was erhebliche Probleme bezüglich des Transportes der elektrischen Energie von der Erzeugungs-» stelle zum Verbraucher mit sich bringt. Gewöhnlich'¹ wird elektrische Energie über weitere Strecken mit Hilfe von Freileitungen übertragen. Freileitungen erfordern jedoch erhebliche Anlagekosten und sind auch wegen der Bodennutzungsrechte nicht unproblematisch. Durch Erdkabel könnet ein Großteil dieser Probleme vermieden werden. Es war bisher jedoch schwierig, Erdkabel für große Leistungen zu bauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel anzugeben, das hohe Ströme bei verschwindenden Leistungs-

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verlusten zu übertragen vermag.

Durch die Erfindung wird* kurz gesagt, ein elektrisches Kabel angegeben, dessen Leiter bei sehr tiefen Temperaturen arbeiten. Insbesondere soll das Kabel durch eine Kühlflüssigkeit, wie flüssigen Wasserstoff oder Stickstoff, gekühlt werden, um die Leistungsverluste herabzusetzen und die Isolation zu verbessern.

Das Kabel enthält hohle Aluminium- oder Kupferleiter mit optimierten Querschnitten und spezifischen Widerständen. Jeder Leiter enthält zwei hohle Röhren ungleichen Durchmessers, von denen die eine koaxial in der anderen angeordnet ist. Die drei Leiter des Kabels sind in einem Isoliermantel angeordnet, der die niedrige Betriebstemperatur aufrecht zu erhalten gestattet. Die Leiter haben daher im Betrieb einen minimalen elektrischen Widerstand.

Die inneren Röhren der drei Leiter führen Drei phasenstrom (Drehstrom), der an der Innenseite der äußeren Röhren einen Strom induziert. Die äußeren Röhren sind in bestimmten Abständen elektrisch miteinander verbunden. Außerhalb der äußeren Röhren treten daher keine magnetischen Verluste auf und der in den einzelnen äußeren Röhren induzierte Strom strebt dazu, die inneren Röhren zu zentrieren. Die drei äußeren Röhren sind elektrisch miteinander verbunden und die Vektorsummen der induzierten Ströme sind Null.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.

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FIg. 1 1st ein® Q^ersehnlttsansieiit ©ines isolierten Kabels gemäß eineia &ö©f!133rungsbe!spiel der Erfindung.» durch das eine Kühlflüssigkeit geleitet vimvüfsn kann;

Fig» 2 ist eine Q®@ffßsehnittsansienfc eines Isolierten Kabels gemäß einem zweiten Ausftihrungsfesispiel aev Erfindung;

FIg, 3 zeigt setessatlsoh, den FMi @in©§ gwei« oder · d^Qiph&sigen Stromss In äam gleiten Ausfliii'Msgsbelgpiel der

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Dsr slektrisefe© tiiae^E-iGSd Ti©le^ Leiter nimmt bekanntlich mit ribn-s&ELQnaQi? Temperatur stark ab. So ist z.B. der elektrische Widerstand von reinem Kupfer und Aluminium bei Temperaturen"In der HShe des absoluten Nullpunktes nur noch sehr klein.

Bei Kabeln aus Kupfer oder Aluminium hoher Reinheit ist bei tiefen Betriebstemperaturen die Eindringtiefe des elektrischen Stromes aneh bei Netsfrequenz nur noch sehr gering, sie beträgt beispielsweise bei hoctesinem Aluminium und 60 Hz nur noch etwa O»36 nrnu Bei Verwendung von massiven Alumlniuniieitern wtSrde das Material daher nur noch sehr schlecht ausgenutzt.

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Eine Möglichkeit« den Leiterquerschnitt besser auszunutzen, besteht bekanntlich darin« den Leiter in eine Vielzahl von dünnen Adern zu unterteilen, die gegeneinander isoliert und versetzt werden müssen. Um bei solchen verlitzten Leitern einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, müssen die ohmschen Verluste und Wirbelstromverluste in den einzelnen Mern gleich sein. Dies erfordert für jeden Drahtdurchmesser einen bestimmten spezifischen Widerstand oder ein bestimmtes Widerstandsverhältnis. Bei 0,38 mm dicken Aluminiumdrähten ist das optimale Widerstandsverhältnis beispielsweise etwa 150 und ein besseres Widerstandsverhältnis würde höhere Verluste ergeben. Aus Litzen aufgebaute Kabel mit größeren Leiterquerschnitten haben außerdem den Nachteil, daß der Füllfaktor nur sehr gering ist, nämlich etwa 10 biß 15 %, Die Dicke des Kabels wird dann aber untragbar groß.

Ein anderer Kabeltyp, der in Betracht gezogen worden ist, enthält rohrförmige Leiter, deren Wandstärke etwa das Vierfache der Eindringtiefe beträgt. Für Aluminium als Lei« termaterial ist die Wandstärke dann also etwa 1,5 nun. Bei einem solchen Kabel dürfte die Materialausnutzung am günstigsten sein.

Ein Kabel der oben erwähnten Art ist in Fig. 1 dargestellt. Im Betrieb wird eine Cryoflüssigkeit, z.B. flüssiger Wasserstoff oder Stickstoff, durch die hohlen, rohrförmigen Leiter 1 in einer bestimmten Richtung gepumpt. Hierdurch ist

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• ein ausgezeichneter Wärmeübergang von den Aluminiumleitern auf die ihr*Inneres durchströmende Flüssigkeit gewährleistet. Die Leiter sind von einer elektrischen Isolation 2 umgeben, die sie voneinander und von einem Innenmantel 3 isoliert.

Bei einem geschlossenen System muß die Kühlflüssigkeit von einem Ende zum anderen gepumpt und zurüekgeleitet werden. Bei dem vorliegenden Kabel wird hierzu Wasserstoff durch die Röhren 1 gepumpt und durch die Zwischenräume zwischen der Außenseite der Kabeladern und dem Innenmantel 3 zurückgeleitet. Der als Kühlmittel dienende flüssige Wasserstoff oder Stickstoff wirkt dabei gleichzeitig als elektrisches Isoliermittel, wofür er sich ebenso gut eignet wie gutes Isolieröl. Die Außenseite des Mantels wird von einer Wärmeisolation 4 gebildet, die in bekannter Weise ausgeführt sein kann (siehe z.B. die USA-Patentschriften 2,776,776 und 3,179*549).

Bei dem in Pig. I dargestellten Ausführungsbeispiel wird flüssiger Wasserstoff durch das Innere^der Leiter gepumpt, so daß diese von innen gekühlt werden, und der Wasserstoff wird dann über die Außenseite der Leiter im Zwischenraum 5 zurückgeleitet. Die Temperatur der rohrförmigen Leiter 1 wird auf diese Weise in der Nähe des Kochpunktes des flüssigen Wasserstoffes gehalten, also auf ungefähr 20 °K. Bei dieser Temperatur ist der Widerstand der rohrförmigen Leiter sehr klein und das Kabel kann hohe Ströme mit einem Minimum an Wärmeverlusten führen.

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Das in den Fig. 2 und J5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Verbesserung des oben beschriebenen Kabels dar. Bei diesem Kabel sind die rohrförmigen Leiter jeweils von einem leitenden Rohr 6 aus demselben Werkstoff umgeben. Zwischen den entsprechenden Rohren befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht 7. Der längs der Außenseite des inneren Rohres 1 fließende Strom induziert auf der inneren Oberfläche des zugehörigen äußeren Rohres 6 einen Strom gleichen Betrages und entgegengesetzter Richtung. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die äußeren Röhren miteinander an den Enden oder in Abständen längs der Rohre elektrisch verbunden, wie bei 8 in Fig. J5 angedeutet ist. Wenn die äußeren drei Rohre 9, 10 und 11 (Fig. J>) miteinander auf diese Weise verbunden sind und in den inneren Rohren 12, Γ3 und 14 Dreiphasenströme (Drehstrom) fließen, werden in den äußeren Röhren 9, 10 und 11 Ströme gleichen Betrags und entgegengesetzter Richtung induziert. Die äußeren Röhren wirken also praktisch wie Sekundärwicklungen eines Transformators und die Vektorsumme der in den äußeren Röhren 9, 10 und 11 induzierten Ströme ist Null, so daß auch das Feld außerhalb der äußeren Röhren der Leiter neutralisiert wird. Auf diese Weise werden äußere Leistungsverluste vermieden.

Es ist einleuchtend, daß die Verluste in den Leitern und den sie umgebenden Röhren größer sind als in den Leitern 1 alleine. Der Vorteil des in Fig. 2 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Ausführungsbei-

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spiel der Fig. 1 besteht jedoeh darin, daß der Raum außerhalb der Röhren 6 frei von magnetischen Feldern ist und daß daher außerhalb der Röhren 6 keine Leistungsverluste durch Wirbelströme und dgl. und keine Kräfte zwischen den Röhren 9, 10 und 11 auftreten. Ss treten außerdem auoli keine Verluste infolge der nahen Naetifesi?schaft der Leiter auf und die ' induzierten Ströme in den inneren und äußeren Höhren verursachen keine Kräfte zwischen d©n zusammengesetzte!^ itern_e

Dsi? -"Fuek zwischen den Röhren 9 und 12 „ 10 und IJ ™ uad 8 und 1Λ '':;. c. j5) ist mäßig-w&a gleichmäßig verteilt.

Der ?&cr-ftteaig@ IsmsmmnM&l J, der die Kabelseele umschließt, kann aus ©iiieai beliebigen, niehfc notwendigerweise elektrisch leitenden Werkstoff geaacht werden, der flüssigkeitsdicht ist. In der Praxis hat sich dabei jedoch Edelstahl als besonders geeignet erwiesen.

Die Rohre haben in Abständen eine faltenartige Sicke 16 oder eine Wellung, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn bei Inbetriebnahme des Kabels flüssiger Stickstoff oder Was- m serstoff durch die Röhren gepumifc wird, ziehen sich diese etwas zusammen, wodurch die Sicken auseinander gezogen werden. Bei Unterbrechung des Kühlflüssigkeitsstromes, z.B. bei Reparaturen und dgl., kann sich das Material dann wieder ausdehnen, ohne daß das Kabel und die Röhren sich werfen oder beschädigt werden. Die elektrische Isolation ist in. diesen Wärnedehnungsbereichen spiralförmig gewickelt, um ein Gleiten zu ermög-

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geliehen. Bei dem in den Fig. 2 und J> dargestellten Ausfuhr rungsbeispiel wird die Flüssigkeit durch die inneren Röhren in der einen Richtung gepumpt und strömt durch den Zwischenraum 15 zurück.

Das Kabel wird zweckmäßigerweise in einem Kanal 17 aus Beton oder ähnlichem Werkstoff verlegt (Fig. 5), der durch einen Deckel l8 geschlossen ist. Auf diese Weise wird ein direkter Wärmeübergang vom Kabel auf das umgebende Erdreich vermieden, da dieses das Kabel nicht berührt. Außerdem ist das Kabel gegen die Einflüsse von Wasser und gelösten Chemikalien geschützt, die bei einer direkten Verlegung im Erdreich die Lebensdauer des Kabels beeinträchtigen könnten.

Bei Reparaturen ist das Kabel im Kanal 17 bequem zugänglich. Der Kanal und der Deckel können vom Erdbereich bedeckt oder ganz oder teilwese frei zugänglich sein, wie es am zweckmäßigsten ist.

Die Erfindung umfaßt auch die Anwendung von Materialien und Temperaturen, bei denen Supraleitung eintritt.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrisches Kabel mit drei in einem Mantel angeordneten Leitern, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (l) hohl und im Abstand vom Mantel

(3) angeordnet sind, und daß die Längsachse jedes Leiters parallel zur Längsachse Jedes anderen im Mantel angeordneten Leiters verläuft.

2. Kabel nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter ein hohles, rohrförmiges, äußeres Leiterteil (6) umfaßt, in dem konzentrisch und koaxial ein kleinerer hohler Leiter (1) angeordnet ist»

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Leiter (1, 6) in einem hermetisch abgedichteten Mantel (3) und einer Wärme-» isolation (k) eingeschlossen sind.

b. Kabel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel von einer auf sehr niedriger Temperatur befindlichen Kühlflüssigkeit durchströmt und isoliert ist.

5, Kabel nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils einem

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Inneren und einem äußeren leitenden Rohr (1, 6) eine Isolierschicht (7) angeordnet ist.

6. Kabel nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel in Abschnitte unterteilt ist, und daß eine Kühlflüssigkeit in einer Richtung durch die kleineren Röhren (1) fließt und in der entgegengesetzten Richtung durch den Zwischenraum (5, 15) zwischen dem Mantel (j5) und den größeren Röhren (6) zurückfließt.

7. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet* daß jede Röhre in Abständen mit Sicken (l6) oder Wellungen versehen ist, die Längenänderungen infolge von Temperaturänderungen zulassen.

8. Kabel nach Anspruch j5> dadurch g e kennze ichnet, daß die äußeren Röhren (9, 10, 11) elektrisch miteinander verbunden sind, um einen in den inneren Röhren fließenden Drehstrom abzuschirmen und Induktionsverluste in der Umgebung zu verhindern.

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