DE1665599A1

DE1665599A1 - Tieftemperaturkabel fuer Energieuebertragung

Info

Publication number: DE1665599A1
Application number: DE19661665599
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr-Ing Massar
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-04-06
Filing date: 1966-04-06
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1167054A; DE1665599C3; NL6704710A; DE1665610C3; CH459384A; DE1665610B2; DE1665599B2; SE349888B; DE1665610A1

Description

Tieftempersturkabel für Energieübertragung

Zur Übertragung großer elektrischer Energieei mit kleinen Vtr-

luaten besitzen Tieftemperaturkabel mit Leitern aus sehr-reinen

Metallen, besonders Aluminium, oder aus Xateri"al das bei Tief-

temperatur supraleitend ist, besondere $isnung. Zur Erhaltung

der tiefen Temperatur von 4° - 80X bei Supraleitern bzw. - ca. 20°X

bei Aluminiumleitern ist bei bisherigen Vorschlägen eine das

gante Kabel umschließende thermische Isolation vorgesehen, die

im wesentlichen aus einer durchgehend evakuierten Zone besteht,

etwa entsprechend einem Dewar-Gefäß aus 2 konzentrisch angeordneten Röhren mit einem gewissen Abstand voneinander, wobei der Zwischenraum evakuiert ist. Als Kühlmedium kommt Helium oder Wasserstoff in-flüssigem oder gasförmigem Zustand in Betracht, wobei von diesem die Verluste im Leiter, bedingt durch den Laststrom und _ evtl. auftretende 'kirbelströme, abzuführen sind, ebenso wie die in der elektrischen Isolation auftretenden dielektrischen Verluste. Weiter-ist noch die Wärme äbzuführen, die durch die thermische Isolation hindurch in die Tieftemperaturzone eintritt. Die Kühlmaschinen, die_zur Erzeugung der tiefen Temperatur des Kühlmittels benötigt werden, arbeiten mit Wirkungsgraden entsprechend einer zuzuf. Leistung von 50 - 100 W je abzuführendes Watt in der Tieftemperaturzone, wenn diese etwa 200K besitzt und 500 - 1000 W.bei einer Tieftemperatur von 4 0 - 60K.

Werden die Kabel mit Wechselstrom betrieben, so erreichen, besonders bei Ausführungen mit höheren Spannungen, die in der elektrischen Isolation auftretenden dielektrischen Verlusteeinen Wert, der ein Vielfaches der Leiterverluste betragen kann. Ihre Abführung ist bei den genannten Kühlmaschinen-Wirkungsgraden kostspielig und setzt den Wirkungsgrad der Übertragung und die Übertragungsgrenze herab. Die Unterbringung der elektrischen Isolation in der Tieftemperaturzone erfordert ferner Material- mit hinreichender elektrischer und mechanischer Festigkeit und genügender Elastizität bei der tiefen Temperatur., Dies ist entsprechend teuer.

Diese Nachteile werden bei einem Tieftemperaturkabel zur

Energieübertragung,~ vörzugswei-se -für ''@Yec`hs@l't`rom; @ e'r'findungs=

gemäß d:i=dürch' behöfen,, cdäß der f left@mperäturlei'te-r =direk-c"- von -

der thermischen lsolätioii-°umgeben `ist und dä:ß @@die "elektrische

Isolation außerhalb degselben angeordnet ist und-düröh en ° '

Kühlmedium".mt-'höherem Temperätürpotentiäl "gekühlt wird`.

Die 2rfindüng wird @dürch 'Aüsfzhringsbeispile änhärid von - -

4 Figuren näher . erläutert.# - Es*

:. Figur .7 -ein..kryoletendes Tieftemppraturkabel in- perspektivischer

Ansicht=,. ,

Figur- 2 en. .supraleitend.es Teftemper:aturkabel_, im Querschnitt, '

.Fgur_.3. -einen -aus mehreren ,Einzelleitern bestehenden, kryo-- .

setex den Tieftemperaturlei,ter,., '

Figur 4 ein die thermische Isolation begrenzendes Rohr. ,,

Das in rigur,-1-dargestgllte Tieft_emperaturkabel enthält einen

rohrförmigen Tieftempexaturleiter 1 aus Eeinstaluminium., durch

d:es-sen Hohlraum 2 Heliumgas mit einer Temperatur von etwa 200K

geleitet wird. Der Tieftemperaturleiter ist von zwei koaxialen

Rohren 3 und 4 -aus- Kunststoffverbundmaterial umgeben, die in

axialer- Richtung_-Y gewellt sind und . durch wendelförmig verlaufende

Kunststoffstreifen 5 auf Abstand gehalten werden. Der Zwischen-

raum zwischen den beiden.gewellten Rohren ist im Betriebszu-

stand evakuiert und wirkt als; thermische Isolation. Die .Wellig-

keit der Rohre erhöht deren -Flexibilität und bewirkt,.daß die

_ Kunststoffstreifen 5-nur punktförmige-Berührungsstellen mit den

_- *- !r - .. -: @Rohren haben, sodaß der Wärmeübergangswiderstand fiierdurch nicht

wesentlich verschlechtert wird.: .Um einen. Wärmeübergang, durch Strahlung zu verhindern, ,sind die Rohre auf der dem evakujerten Zwischenraum zugewandten,-Seite verspiegelt, An-das äußere ge-. . wellte Rohr aus Kunststoffverbundmaterial.schließt sich'cne -Schicht 6 aus Halbleitermaterial an, die eine ungleichmäßige---. Aufladung dieses Rohres und damit eine ungleichmäßige Belastungder sich anschließenden rohrförmigen.elektrischen Isolierung 7-Terhindert; Die rohrförmige elektrische Isolierung 7 befindet sich außerhalb der thermischen Isolation auf dem Temperatur-- . potential des, das Kabel umgebenden Mediums,, -wird-.durch dieses gekühlt und ist durch einen Schutzmantel 3 vor Beschädigung geschützt.. - ; . .

r Das- in Figur 2 dargestellte Tieftemperaturkabel ist ein supraletendesKabel..Auf einem Stahlrohr g. ist, elektrisch isQliert.von diesem, eine . Supraleiterschich t. 1(J aufgebracht und diese.in . -. - -, ähnlicher Weise wi.e bei dem Aluminiumkabel nach Figur 1 vQn .ge-.-wellten Rohren 3 und 4,_einer Halbleiterschicht 6 und einer..
elektrischen Isolationsschicht 7 umgeben. Duxch_ den Hohlraum 2 des Stahlrohres wird zur Kühlung des Supraleiters, flüssiges . Helium geleitet. Die elektrische. .Isala.tionssc.hic.ht 7 ist:-vo.n . .. einem Druckrohr 11 umgeben und der Zwischenraum. von Drucköl durchflossen. Das Drucköl vergrößert die Spannungsfe#sti°gkgit und wirkt zugleich als Kühlmedium für die Isolationssch-icht,@Ä Bekanntlich ergibt--sich bei Leitern hoher Zeitfähigkeit, z.B, solchen aus Aluminium bei 2U0K, die Wechoelstrom führen,-eine schlechte Ausnutzbarkeit des Leiterquerschnittes, weil die schon von bei Raumtemperatur her bekannte Strömverdrängung (Skin-Effekt) bei dem geringen Widerstand des Tieftemperaturleiters eine überragende Rolle'spielt. Es ist deshalb oft zweckmäßig,. den Leiter aus vielen Einzelleitern aufzubauen. Damit diese Einzelleiter gleichmäßig ausgenutzt werden, sollen sie längs des gesamten.Kables ihre Lage in radialer Richtung gleichmäßig@verändern, um gleiche Feldverkettung zu erzielen. Wie dies geschehen kann, ist@in Figur 3 skizziert. Figur 3 zeigt senkrechte Querschnitte des.Bündelleiters in vorgegebenem Abstand, mit einem dargestellten Einzel-1'eiter 12. Dieser verändert seine Zage von außen nach innen (I - III) und dann von innen nach außen (III - V). Mit 13 ist der innere und mit 1¢ der äußere Radius des Leiters bezeichnet. Anstelle der gewellten Rohre 3 -und ¢, entsprechend der Anordnungen nach den Figuren 1 und 2, kann auch eine Rohrform verwendet werden, die,"wie Figur ¢ zeigt, aus einem wendelförmig und überlappt gewickelten Metallstreifen 15 besteht,-wobei die wendelförmig verlaufende Überlappungszone durch ein elastisches Kunststofftnd 16 abgedichtet ist.

Claims

Patentansprüche 1. Tieftemperaturkabel zur Energieübertragung, vorzugsweise für Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Tieftemperaturleiter (1) direkt von der thermischen Isolation (3,4,5) umgeben ist, und daß-die elektrische Isolation (7) außerhalb - derselben angeordnet ist und durch ein Kühlmedium häheren Temperaturpotentials gekühlt wird. _ 2. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tieftemperaturleiter hohl ausgeführt ist und der Hohlraum (2) zur Führung des Kühlmittels dient. 3. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, -'daß der Leiter zur Senkung der Wirbelstromverluste aus vielen, gegenseitig isolierten Einzelleitern aufgebaut =ist. 4. Tieftemperaturkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolation aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum besteht, der durch konzentrisch angeordnete Rohre (3,4) begrenzt ist. 5. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, "daß die konzentrisch angeordneten Rohre ganz oder teilweise in axialer Richtung gewellt sind. - -6. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4 oder 5.-dadurch Bekennzeichnet, daß das Äußere der konzentrisch angeordneten Rohrre mit' dem Tieftemperaturleiterverbunden ist, falls es aus tetäll' besteht., . _r_ _ _ A - .. _ . .. . 7. Tieftemperaturkabel nact.Anspruch 4 oder " dadurch gekenn= zeichnet; daß die_konzentr,isch angeordneten Rohre zur Vermeidung.von Wirbelströmen-aus_elektrsch nicht leitendem ,=Material,-.vorzugswe@s.e.aus Verbundmaterial, bestehen. B. Tiefternperaturkabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial aus Glasgewebe mit Kunststoff besteht. T.ieftemperaturkabel nach _.einemder Ansprüche-- 4 bis 8, dadurch geken.nzeichnet.,e daß.die konzentrisch angeordneten Rohre auf der dem evakuierten Zwischenraum zugewandten Seite verspiegelt sind. _ 1Q...Tieftemperaturkabel nach-Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß di.e Verspiegelung längs des Kables mehrmals ringförmig unterbrochen ist. 11. Ticftemperaturkabel nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren Kunststoffstreifen (5) als Abstandhalter vorgesehen sind. 12.- Tief'temperaturkabel nach- Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, däß die Kunststoffstreifen wendelförmig verlaufend angeordnet sind. 13Tieftemperaturkabel nach einem der Ansprüche 7 biss 12, dadurch gekennzeichnet, daB das äußere der beiden konzentrisch angeordneten Rohre mixt einem gut leitenden oder halbleitenden Belag (metallisiertes .Papier, Karbonpapier) versehen ist, der .n axialer Richtung mehrmals mit dem Tie.ftemperaturleiter :elektrisch verbunden isst. 1_4. Tieftemperaturkabel nach einem der Ansprüche d. biss 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch angeordneten Rohre aus wendelförmig und überlappt gewickelten Metallstreifen (15) bestehen, wobei die Viendelfbrmig verlaufende Überlappungszone durch ein elastisches Kunststoffband (1-b) abgedichtet ist.. 15. Tieitemperaturkabel nach einem-,der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es innerhalb eines von Drucköldurchflossenen bzw* von Druckgas durchströmten Druckrohres (11-). :angeordnet ist.