DE1665599B2

DE1665599B2 - Tieftemperaturkabel für Energieübertragung

Info

Publication number: DE1665599B2
Application number: DE1665599A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr.-Ing. 8520 Erlangen Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-04-06
Filing date: 1966-04-06
Publication date: 1974-07-11
Also published as: DE1665599A1; DE1665610B2; GB1167054A; NL6704710A; DE1665610A1; CH459384A; DE1665599C3; DE1665610C3; SE349888B

Description

Diese zusätzliche Wärme muß durch das den Leiter kühlende Kühlmittel abgeführt werden,

Bei einer anderen bekannten Tieftemperaturkabelkonstruktion ist ein innenliegendes, mit Helium gefülltes Rohr, das die supraleitende Schicht trägt oder den Supraleiter des Kabels enthält, zunächst von einer thermischen Isolation in Form eines VakuummanteU umgeben. Dieser Vakuummantel ist seinerseits von einer Umhüllung umgeben, die mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Ein weiterer, ebenfalls zur thermischen Isolation dienender Vakuummantel umgibt wiederum die mit flüssigem Stickstoff gefüllte Umhüllung (Zeitschrift »Proceeding World Power Conference« 1954, Seiten 1954 bis 1971, insbesondere Seite 1965). Bei der mit flüssigem Stickstoff gefüllten Umhüllung handelt es sich um einen in der Tieftemperaturtechnik üblichen Strahlungsschild, der eine Einstrahlung von Wärme von der Außenseite des Kabels zu dem mit Helium gefüllten Rohr hin verhindern soll. Dieser Strahlungsschild ist also innerhalb der eigentlichen thermisc'. en Isolation aus Vakuummänteln angeordnet und Dildet selbst einen Teil dieser thermischen Isolation. Zusätzlich soll die mit Stickstoff gefüllte Umhüllung auch als elektrische Isolation des Tieftemperaturkabels dienen. Der flüssige Stickstoff ist also gleichzeitig Kühlmittel und Dielektrikum. Ein solcher Aufbau des Tieftemperaturkabels birgt jedoch Unsicherheiten im Hinblick auf die elektrische Festigkeit der Isolation in sich und kann daher nicht als eine glückliche Losung bezeichnet werden. Im übrigen ist die elektrische Isolation innerhalb der thermischen Isolation des Kabels angeordnet, so daß nachteilige Wirkungen auf die Kühlung des Leiters nicht auszuschließen sind.

An sich ist es weiterhin bekannt, bei Hochspannungskabeln, die unter normalen Temperaturbedingu^gen betrieben werden, die Übertragungsleistung dadurch heraufzusetzen, daß das Kabel mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt wird. Hierzu ist beispielsweise bei einem kunststotfisolierten Hochspannungskabel vorgesehen, daß zwischen dem hohlen Leiter und der Kunststoffisolierung mit Hilfe einer Abstand haltenden Wendel ein Hohlraum geschaffen wird, der von einem flüssigen, elektrisch leitenden Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung wie der hohle Leiter durchströmt wird. Die derart ausgebildete Kabelader befindet sich ihrerseits in einem Rohr, das ebenfalls mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist (USA.-Patentschrift 3 111 551).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Tieftemperaturkabeln, die eine thermische unii eine elektrische Isolierung aufweisen, durch eine verbesserte Kabelkonstruktion den für die Wärmeabführung erforderlichen Kühlaufwand zu verringern, ohne die elektrische Festigkeit des Kabels nachteilig zu beeinflussen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Tieftemperaturkabel aus, das einen durch ein Kühlmittel kühlbaren Tieftemperaturleiter enthält, der unmittelbar mit einer aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum bestehenden thermischen Isolation umgeben ist, die ihrerseits von einer elektrischen Isola+ion aus festem Isoliermaterial umgeben ist. Gemäß der Erfindung ist zur Kühlung der aus einem festen Isoliermaterial bestehenden elektrischen Isolation eir die Außenseite dieser Isolation umgebendes zweites Kühlmittel von höherer Temperatur als das erste Kühlmittel vorgesehen.

Bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Tieftemperaturkabel läßt sich die Kühlung des Tieftemperaturleiters mit erheblich geringerein Aufwand durchführen. Dies wird durch die Anwendung eines zweiten Kühlmittels zur Kühlung der elektrischen Isolation erreicht, wobei die Temperatur dieses zweiten Kühlmittels höher liegt als die Temperatur des zur Kühlung des Leiters vorgesehenen Kühlmittels. Durch das zweite Kühlmittel wird nämlich die in der

ίο elektrischen Isolation entstehende Wärme abgeführt, so daß eine Erwärmung der elektrischen Isolation gegenüber der äußeren Umgebung des Kabels und damit eine zusätzliche Erwärmung des Leiters durch erhöhte Wärmeleitung bzw. Wärmeeinstrahlung ver-

mieden ist. Es ist sogar möglich, die Temperatur der elektrischen Isolation durch die Kühlung gegenüber der Temperatur der äußeren Umgebung des Kabels abzusenken und damit die Wärmeeinstrahlung bzw. Wärmeeinleitung zum Leiter noch weiter zu verringem. Durch die erfindur, ,gemäße Kühlung des Leiters und der elektrischen Isolation durch Kühlmittel verschiedener Temperatur bei gleichzeitiger thermischer Isolierung des Leiters von der elektrischen Isolation wird somit eine sehr wirtschaftliche Kühlung

2a erreicht, da der Verbrauch des zur Kühlung des Leiters selbst dienenden, besonders kostspieligen Kühlmittels mit tiefer Temperatur verringert wird, weil dieses Kühlmittel die in der elektrischen Isolation entstehende Wärme nicht mehr abführen muß. Diese Wärme wird vielmehr durch das weit weniger kostspielige auf höherer Temperatur befindliche Kühlmittel abgeführt.

Die Kühlung der elektrischen Isolation des neuen Tieftemperaturkabels erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß die elektrische Isolation von einem mit Abstand angeordneten Druckrohr umgeben ist. wobei der Zwischenraum zwischen der elektrischen Isolation und dem Druckrohr von einem Drucköl oder Druckgas durchflossen bzw. durchströmt ist.

Die Belastung des zur Kühlung des Leiters vorgesehenen KühlkreislaufeF kan" dad'Tch weiter verringert werden, daß in Weiterbildung der Erfindung der Leiter aus vielen gegenseitig isolierten Einzeldrähten aufgebaut ist. Auf diese Weise werden die in dem Leiter entstehenden Wirbelstromverluste gesenkt.

Die bei Tieftemperaturkabeln vorgesehene thermische Isolation besteht häufig aus wenigstens einem evakuiertem Hohlraum, der durch konzentrisch angeordnete, gegebenenfalls ganz oder teilweise in axialer Richtung gewellte Rohre begrenzt ist. Bei einer Anwendung dieser thermischen Isolation für das neue Tieftemperaturkabel empfiehlt es sich, daß wenigstens die Oberfläche der Rohre aus Metall besteht und mit dem Tieftemperaturlciter elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch wird die elektrische Festigkeit .'es Kabels verbessert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Äußere der beiden konzentrisch angeordneten Rohre mit einem elektrisch gut leitenden oder elektrisch halbleitenden Belag wie metallisiertes Papier oder Carbonpapier versehen ist, der in axialer Richtung mehrmals mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch verbunden ist.

Um in der thermischen Isolation die Entstehung von Wirbelstromverlusten zu vermeiden, ist es weiterhin sinnvoll, daß die konzentrisch angeordneten Rohre aus elektrisch nichtleitendem Material, wie beispielsweise, einem Verbundmaterial aus Glasgewebe mit Kunststoff bestehen. Sofern die konzen-

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trisch angeordneten Rohre auf der dem evakuierten det sich außerhalb der thermischen Isolation auf dem

Zwischenraum zugewandten Seite verspiegelt sind, ist Temperaturpotential des das Kabel umgebenden Me-

es im übrigen zweckmäßig, die Verspiegelung längs diums, wird durch dieses gekühlt und ist durch einen

des Kabels mehrmals ringförmig zu unterbrechen. Schutzmantel 8 vor Beschädigung geschützt.

Hierdurch wird verhindert, daß elektrische Ströme, 5 Das in F i g. 2 dargestellte Tieftemperaturkabel ist

die beispielsweise durch Induktionswirkungen oder ein supraleitendes Kabel. Auf einem Stahlrohr 9 ist,

Aufladungen hervorgerufen werden könnten, in die- elektrisch isoliert von diesem, eine Supraleiterschicht

ser Spiegelschicht entlang des Kabels fließen. 10 aufgebracht und diese in ähnlicher Weise wie bei

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von dem Aluminiumkabel nach F i g. 1 von gewellten

zwei in den Fig. 1 bis4 dargestellten Ausführungs- io Rohren3 und4, einer Halbleiterschicht6 und einer

beispielen des neuen Tieftemperaturkabels näher er- elektrischen Isolationsschicht 7 umgeben. Durch den

läutert. Es zeigt Hohlraum 2 des Strahlrohres wird zur Kühlung des

F i g. 1 ein kryoleitendes Tieftemperaturkabel in Supraleiters flüssiges Helium geleitet. Die elektrische

perspektivischer Ansicht, Isolationsschicht? ist von einem Druckrohr 11 um-

Fig.2 ein supraleitendes Tieftemperaturkabel im 15 geben und der Zwischenraum von Drucköl durch-

Querschnitt, flössen. Das Drucköl vergrößert die Spannungsfestig-

F i g. 3 einen aus mehreren Einzelleitern bestehen- keit und wirkt zugleich als Kühlmedium für die Iso-

den kryoleitenden Tieftemperaturleiter, lationsschicht.

F i g. 4 ein die thermische Isolation begrenzendes Bekanntlich ergibt sich bei Leitern hoher Leitfä-

Rohr. 20 higkeit, z. B. solchen aus Aluminium bei 20° K, die

Das in F i g. 1 dargestellte Tieftemperaturkabel Wechselstrom führen, eine schlechte Ausnutzbarkeit enthält einen rohrförmigen Tieftemperaturleiter 1 aus des Leiterquerschnittes, weil die schon von Kupfer-Reinstalunninium, durch dessen Hohlraum 2 Helium- leitern bei Raumtemperatur her bekannte Stromvergas mit eäner Temperatur von etwa 20° K geleitet drängung (Skin-Effekt) bei dem geringen Widerstand wird. Der Tieftemperaturleiter ist von zwei koaxialen 25 des Tieftemperaturleiters eine überragende Rolle Rohren 3 und 4 aus Kunststoffverbundmaterial um- spielt. Es ist deshalb oft zweckmäßig, den Leiter aus geben, die in axialer Richtung gewellt sind und durch vielen Einzelleitern aufzubauen. Damit diese Einzelwendelfönmig verlaufende Kunststoffstreifen 5 auf leiter gleichmäßig ausgenutzt werden, sollen sie längs Abstand gehalten werden. Der Zwischenraum zwi- des gesamten Kabels ihre Lage in radialer Richtung sehen den beiden gewellten Rohren ist im Betriebs- 30 gleichmäßig verändern, um gleiche Feldverkettung zu zustand evakuiert und wirkt als thermische Isolation. erzielen Wie dies geschehen kann, ist in Fig. 3 skiz-Die Welligkeit der Rohre erhöht deren Flexibilität ziert. F i g. 3 zeigt senkrechte Querschnitte des Bün- und bewirkt, daß die Kunststoffstreifen 5 nur punkt- delleiters in vorgegebenem Abstand mit einem darförmige Berührungsstellen mit den Rohren haben, gestellten Einzelleiter 12. Dieser verändert seine so daß der Wärmeübergangswiderstand hierdurch 35 Lage von außen nach innen (I bis III) und dann von nicht wesentlich verschlechtert wird. Um einen War- innen nach außen (III bis V). Mit 13 ist der innere meübergang durch Strahlung zu verhindern, sind die und mit 14 der äußere Radius des Leiters bezeichnet. Rohre auf der dem evakuierten Zwischenraum züge- An Stelle der gewellten Rohre 3 und 4, entsprewandten Seite verspiegelt. An das äußere gewellte chend der Anordnungen nach den F i g. 1 und 2, Rohr aus Kunststoffverbundmaterial schließt sich 40 kann auch eine Rohrform verwendet werden, die, eine Schicht 6 aus Halbleitermaterial an, die eine un- wie F i g. 4 zeigt, aus einem wendelförmig und übergleichmäßige Aufladung dieses Rohres und damit läppt gewickelten Metallstreifen 15 besteht, wobei eine ungleichmäßige Belastung der sich anschließen- die wendelförmig verlaufende Überlappungszone den rohrförmigen elektrischen Isolierung? verhin- durch ein elastisches Kunststoffband 16 abgedichtet dert. Die rohrförmige elektrische Isolierung? befin- 45 ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

pungszone durch ein elastisches Kunststoffband (16) abgedichtet ist. Patentansprüche:

1. Tieftemperaturkabel zur Energieübertragung mit einem durch ein Kühlmittel kühlbaren Tieftemperaturleiter, einer diesen Tieftemperaturleiter unmittelbar umgebenden, aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum bestehenden thermischen Isolation und einer diese thermische Isolation umgebenden elektrischen Isolation aus festem Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der aus einem festen Isoliermaterial bestehenden elektrischen Isolation ein die Außenseite dieser Isolation (7) umgebendes /.weites Kühlmittel von höherer Temperatur als ij^is erste Kühlmittel vorgesehen ist.

2. Tiefiemperaturkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolation (7) von einem mit Abstand angeordneten Druckrohr (11) umgeben ist, wobei der Zwischenraum zwischen der elektrischen Isolation und dem Druckrohr von einem Drucköl oder Druckgas durchflossen bzw. durchströmt ist.

3. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 1 oder 2 zur Übertragung von Wechselstrom, dadurch gel-°nnzeichnet, daß der Leiter zur Senkung der Wirbelstromverluste aus vielen gegenseitig isolierten Einzelleiter.", aufgebaut ist.

4. Tieftemperaturkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die thermische Isolation aus wenigstens einem evakuierten Hohlraum besteht, der durch konzentrisch angeordnete, gegebenenfalls ganz oder teilweise in axialer Richtung gewellte Rohre begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Oberfläche der Rohre aus Metall besteht und mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch leitend verbunden ist.

5. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere der beiden konzentrisch angeordneten Rohre mit einem elektrisch gut leitenden oder elektrisch halbleitenden Belag wie metallisiertes Papier oder Carbonpapier versehen ist, der in axialer Richtung mehrmals mit dem Tieftemperaturleiter elektrisch verbunden ist.

6. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch angeordneten Rohre zur Vermeidung von Wirbelströmen aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen.

7. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtleitendes Material ein Verbundmaterial aus Glasgewebe mit Kunststoff vorgesehen ist.

8. Tieftemperaturkabel nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die konzentrisch angeordneten Rohre auf der dem evakuierten Zwischenraum zugewandten Seite verspiegelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspiegelung längs des Kabels mehrmals ringförmig unterbrochen ist.

9. Tieftemperaturkabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch angeordneten Rohre aus wendelförmig und überlappt gewickelten Metallstreifen (15) bestehen, wobei die wendelförmig verlaufende Überlap-Um relativ große elektrische Energien mit mögliehst kleinen Verlusten übertragen zu können, ist in neuerer Zeit der Einsatz von Tieftemperaturkabeln vorgesehen worden. Diese Kabel besitzen Leiter aus sehr reinen Metallen, insbesondere aus Aluminium, oder aus Metallen, deren elektrischer Widerstand in

»5 der Nähe des absoluten Nullpunktes verschwindet. Zum Betrieb dieser Kabel müssen die- Leiter auf Temperaturen von4 bis 8~ K bzw. von etwa 2(P K gehalten werden. Hierzu werden die Leiter mit flüssigem oder gasförmigem Helium oder Sauerstoff gekühlt; mit dem Umlauf des Kühlmediums werden gleichzeitig die im Leiter durch den Laststrom und durch eventuell auftretende Wirbelströme bedingten Verluste abgeführt. Außerdem muß die von außen in die Tieftemperaturzone eintretende. Wärme abgeführt werden. Um diese Wärmemenge möglichst klein zu halten, sind die Tieftemperaturkabel mit einer thermischen Isolation ausgestattet, die im wesentlichen aus wenigsten? einem evakuierten Hohlraum besteht. Trotz dieser Maßnahme arbeiten die Kühlmaschinen, die zur Erzeugung der tiefen Temperatur des Kühlmittels benötigt werden, mit Wirkungsgraden ent sprechend einer zuzuführenden Leistung von 50 bis 100 Watt je abzuführendes Watt in der Tieftemperaturzone, wenn diese auf einer Temperatur von etwa 20⁰K gehalten werden soll, und entsprechend einer zuzuführenden Leistung von ^ς00 bis 1000 Watt je abzuführendes Watt in der Tieftemperaturzone, wenn diese auf eine Temperatur von 4 Liis 6° K gehalten werden soll.

Es sind Konstruktionen für Tieftemperaturkabel bekannt, bei denen die elektrische Isolation der Leiter innerhalb der thermischen Isolation angeordnet ist (Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau«, 1965, Seite 280; Zeitschrift »Elektrie«, 1965, Seite 265). Wenn diese Kabel mit Wechselstrom betrieben werden oder wenn bei Gleichstrombetrieb dieser Kabel starke Belastungsschwankungen auftreten, so ergeben sich in der Isolation dielektrische Verluste, deren Wert ein Vielfaches der Leiterverluste betragen kann. Die Abführung dieser Verluste ist bei den genannten Wirkungsgraden der Kühlmaschinen kostspielig und setzt den Wirkungsgrad der Übertragung sowie die Übertragungsgrenze herab.
Bei einem weiterhin bekannten Tieftemperaturkabei ist die elektrische Isolation des Leiters außerhalb der thermischen Isolation angeordnet. Die elektrische Isolation ist hierbei unmittelbar vom eigentlichen Kabelmantel umgeben (JA-AS 38-19 229). Bei dieser bekannten Konstruktion wird die Temperatur der elektrischen Isolation und damit die Temperatur der äußeren Umgebung des Leiters auf Grund der dielektrischen Verluste in der Isolation erhöht. Auf Grund dieser Temperaturerhöhung der Umgebung des Leiters nimmt die trotz der thermischen Isolation nicht zu vermeidende Wärmeleitung und Wärmeeimstrahlung zum tiefgekühlten Leiter hin zu, so daß der Leiter auf Grund der in der elektrischen Isolation auftretenden dielektrischen Verluste erwärmt wird.