DE1905938A1

DE1905938A1 - Elektrische Energieuebertragungsleitung

Info

Publication number: DE1905938A1
Application number: DE19691905938
Authority: DE
Inventors: Merriam Marshal Fredric
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1968-02-07
Filing date: 1969-02-06
Publication date: 1969-08-14
Also published as: FR2001470A1; DE1905938B2; GB1210192A; US3675042A; CH505490A; CA941888A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, DiPl₁-PhYs. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

Schu/Pi 703 582

GuIf General Atomic Inc.
10955 John Jay Hopkins Drive,
San Diego, Kalifornien, USA

Elektrische Energieübertragungsleitung.

Die vorliegende Erfindung "betrifft allgmein eine elektrische Energieübertragungeleitung und insbesondere eine Energieübertragungsleitung, bei der supraleitende Elenente verwandt werden.

Die Übertragung größerer Mengen elektrischer Energie über längere Entfernungen hinweg erfreut sich auf Grund der Vorteile, die sich durch den Zusammenschluß von Energie-Zentren ergeben, einem wachsenden Interesse. Bei einer derartigen Vereinigung von Energiezentren sind getrennte Energiesysteme, die verschiedene Belastungsverteilungen haben, miteinander verbunden, so daß jedes System eine geringere Eeservenepeicherungskapazität benötigt. Durch

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den zunehmenden Wunsch, die Stromerzeugungsanlagen, sowohl Kernbrennstoffanlagen als auch Anlagen, die mit Kohle, " Erdgas oder Öl geheizt werden, an Punkten aufzubauen, die von den V,erbraucherzentren entfernt liegen, ergibt sich die Notwendigkeit, die Übertragungseinrichtungen zu verbessern. Durch Energieübertragungsverfahren, die ausreichend wirtschaftlich arbeiten, kann es sogar billiger werden, die Energie an der Brennstoffquelle zu erzeugen und diese Energie dem Verbraucherzentrum zuzuleiten, anstatt den Brennstoff zu dem Verbraucherzentrum zu transportieren, bevor dieser in elektrische Energie umgewandelt wird. Elektrische Energiequellen, die jetzt noch als zu entfernt liegend angesehen werden, um ihre Auswertung in Betracht zu ziehen, können durch verbesserte Übertragungsmöglichkeiten erschlossen werden.

Z. Z. findet eine Energieübertragung hauptsächlich durch Überland-Kraftleitungen statt, und nur für einen kleinen Teil der Übertragungsleitungen wird eine unterirdische oder ebenerdige Leitung verwandt. Obgleich solche unter irdischen oder ebenerdigen Leitungen im allgemeinen teuerer als an Masten geführte Leitungen sind, so kommen diese jedoch aus ästhetischen Gründen und aus Sicherheits- und Zuverlässigkeitsüberlegungen immer mehr in Gebrauch. Da unterirdische Leitungen eine steigende Anwendung finden, wurde der Möglichkeit, den Effekt der Supraleitung bei Energieübertragungen zu verwenden, eine größere Aufmerksamkeit geschenkt, da es lediglich bei unterirdischen oder ebenerdigen Einrichtungen praktisch durchführbar ist, die gesamte Energieleitung auf die für die Supraleitung notwendige Temperatur abzukühlen. Eine Energieübertragung, bei der supraleitende Leiterelemente verwandt werden, weist wenigsten· in der Theorie zwei bestimmte Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren auf t das hohe Stromleitungsvermögen der supraleitenden Stoffe, die eine Übertragung

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großer Leistungen ermöglichen würden, und das vollständige Fehlen eines Widerstandes und folglich ohmischer Verluste, das eine Übertragung über weitere Entfernungen erleichtern würde.

Trotz allem müssen praktische supraleitende Übertragungsleitungen erst noch konstruiert werden. Ein wesentliches Hindernis bestand in der großen Masse des isolierten Leiter- oder Kabelteils der Übertragungsleitung, selbst wenn supraleitende Elemente verwandt werden. Diese Masse kann etwa 10 t pro Kilometer betragen, wodurch das Kabel aus verhältnismäßig kurzen Abschnitten bestehen muß, die in häufigen Intervallen elektrisch miteinander verbunden sind. Die Kunst, elektrische Verbindungen von supraleitenden Stoffen herzustellen, wird noch nicht vollständig beherrscht, und durch die Verwendung von normalen Stoffen würde man sich natürlich der Gefahr aussetzen, die durch die Verwendung der supraleitenden Stoffe erhaltenen Vorteile zu verlieren. Andere Schwierigkeiten bestehen darin, die gesamte Leitung unter die supraleitende kritische Temperatur abzukühlen und die angrenzenden Magnetfelder unter dem kritischen Magnetfeld zu halten. Wird eine dieser Forderungen nicht erfüllt, so fällt das supraleitende Element aus bzw. es wird "gelöscht", d. h. es verliert seine supraleitenden Eigenschaften. Ein weiteres Problem besteht darin, daß in einem Supraleiter, der in der Nähe seiner kritischen Grenzen arbeitet, durch örtliche Energiewanderwellen ein kleiner Bereich in den normal leitenden Zustand gelangt, wodurch in diesem Bereich eine hohe Wärmeerzeugung auftritt, wodurch sich seinerseits der normal leitende Bereich vergrößert, so daß schließlich der gesamte Supraleiter ausfällt.

Demgemäß bezweckt die vorliegende Erfindung, eine verbes-

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serte elektrische Energieübertragungsleitung anzugeben, bei der supraleitende Elemente verwandt werden.

Die Erfindung bezweckt weiterhin, eine supraleitende Energieleitung anzugeben, die ohne ein Verspleißen oder Verbindungen über große Entfernungen geführt werden kann.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine supraleitende Energieleitung angestrebt, die äußerst zuverlässig arbeitet, und die auch selbst dann ohne eine ernsthafte Verschlechterung weiter arbeitet, wenn einige Elemente Fehler aufweisen.

Die Erfindung bezweckt ebenso, eine supraleitende Energieleitung anzugeben, über die große Energiemengen mit verhältnismäßig kleinen Spannungen geleitet werden können.

Die Erfindung bezweckt ebenso eine supraleitende Energieleitung anzugeben, von der an verschiedenen entlang ihrer Länge angeordneten Punkten verschiedene Energiemengen abgezweigt werden können.

Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsformen erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer supraleitenden Energieübertragungsleitung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 durch die in Fig. 1 gezeigte Energieübertragungeleitung j

Fig. 3 einen Querschnitt eines einzelnen Leiters

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- 5 der Leitung;

Fig. 4· einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines einzelnen Leiters der Leitung;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Kabelbündel der Leitung; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der kritischen Stromdichte und der kritischen Magnetfeldeigenschaften eines supraleitenden Stoffes, der in der Leitung verwandt werden kann.

Wie am besten aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, verläuft eine supraleitende Energieüabertragungsleitung 10 zwischen einer Energieerzeugungsquelle 11, die aus einer elektrischen· Energieerzeugungsanlage bestehen kann, und einem Verbraucher 12, der aus heruntertransformierenden Transformatorstationen oder einer beliebigen anderen Anlage bestehen kann, die elektrische Energie verbraucht. Über die Übertragungsleitung wird vorzugsweise eine Gleichstromenergiejübertragen, da die Übertragungsleitung als eine über längere Entfernungen verlaufende unterirdische oder ebenerdige Übertragung ausbebildet ist, und bei einer derartigen Anwendung wird der Ladestrom, der von der Spannungsdifferenz zwischen einander gegenüberliegenden Wechselstromleitern herrührt, übermäßig groß. Weiterhin wird die für die Supraleitung erforderliche Aufrechterhaltung tiefer Temperaturen durch die Aufheizwirkungen eines Wechselstromes erschwert. An jedem Ende der Leitung kann selbstverständlich gegebenenfalls eine Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt vorgenommen werden. Damit soll jedoch nicht gesagt werden, daß das erfindungs-

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gemäße Prinzip nicht auch in Übertragungsleitungen über kurze Entfernungen oder in Übertragungsleitungen mit Wechselstrom angewandt werden kann.

Die dargestellte Übertragungsleitung 10 weist, was am besten aus dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt hervorgeht, ein sich über die Kabellänge erstreckendes äußeres Gehäuse 14 auf, in dem ein inneres Gehäuse 18 und die Elemente eines Kühlsystems 16 angeordnet sind, mit dem eine erste Temperaturstufe oder eine mittlere niedrige (Temperatur erreicht werden kann. In dem inneren Gehäuse ist ein zweites Kühlsystem 20 für eine zweite Grundteinperaturstufe oder eine niedrigste Temperatur und ein Energieübertragungssystem oder Kabel 22 angeordnet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf das Energieübertragungssystem oder Energieübertragungskabel. Viele Vorteile können Jedoch am besten im Zusammen-: hang mit besonderen Gehäusen und Kühlsystemen erreicht werden, durch die die für die Verwendung der supraleitenden Elemente erforderlichen tiefen Temperaturen erhalten werden. Aus diesem Grunde soll zunächst eine kurze Darstellung der umgebenden Einrichtung gegeben werden.

Das äußere Gehäuse 14 weist einen langgestreckten Körper auf, der einen rechteckigen Querschnitt besitzt und aus einem bestimmten gegossenen Material gebildet werden kann, das so angeordnet ist, daß die Energieleitung nach Wunsch über oder unter der Erdoberfläche liegt, wobei das Ge häuse in Fig. 2 so angeordnet ist, daß seine Oberkante gerade mit der Erdoberfläche abschließt. Das Gehäuse 14 besitzt eine zentrale Aussparung 24, deren Seiten von der Oberseite dee Gehäuses aus nach unten hin zugespitzt verlaufen, so daß ein langgestreckter Trog gebildet wird.

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Die Innenfläche der Aussparung 24 ist mit einer Metallauskleidung 26 abgedeckt, die an dem bestimmten Gehäuse mit Epoxyharz festgeklebt sein kann. Die Metallauskleidung, die aus Aluminium, korrosionsbeständigem Stahl, mit Zinnplattiertem Stahl oder dgl. bestehen kann, dient als Abschirmung gegen Wärmestrahlung· Die Verbindungen der Metallauskleidung werden je nach Wunsch durch Lötung oder Verkleben mit Epoxyharz vakuumdicht ausgestaltet. Die Oberseite der Aussparung 24 wird durch eine bestimmte Abdeckung 30 verschlossen, auf deren Innenseite gleichfalls eine Metallauskleidung befestigt ist. Die Abdeckung 30 ist mit einer geeigneten Vakuumabdichtungseinrichtung 32, wie etwa einer Gummiabdichtung und O-Ringen versehen, so daß das zusammengebaute äußere Gehäuse 14 vakuumdicht verschlossen werden kann. Die Abdeckung 30 erstreckt sich in Längsrichtung der Leitung 10 und weist gegebenenfalls Abschnitte mit veränderlicher Größe auf, von denen einige oder von denen alle zur Inspektion oder Reparatur der Leitung leicht entfernt werden können, und gleichfalls können diese Abschnitte im Abstand angeordnete Öffnungen für Vakuumpumpleitungen aufweisen.

In der Aussparung 24 sind Elemente des eine erste Temperaturstufe oder eine mittlere niedrige Temperatur einstellenden Kühlsysteme 16 angeordnet, das als Kühlmittel Stickstoff verwendet. Der Stickstoff wird in flüssiger Form in einer Richtung entlang der Leitung 10 durch eine Leitung für flüssigen Stickstoff geleitet und wird unter hohem Druck, z. B. von ungefähr 10 Atmosphären, im gasförmigen Zustand in entgegengesetzter Richtung durch eine Leitung für gasförmigen Stickstoff zurückgeführt. Die Stickstoffleitungen sind übereinander auf dem Boden des Troges mit Hilfe von Wärme isolierenden Trägereinrichtungen angeordnet, so daß die Metallauskleidung, die sich auf Umgebungs-

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temperatur befindet, von dem Kühlsystem für eine erste Temperaturstufe isoliert ist. Das Stickstoffkühlsystem kann, so ausgelegt sein, daß das Innengehäuee 18 auf ungefähr 11⁰JL gehalten werden kann.

Über den Stickstoffleitungen und von diesen durch Wärme leitende Halterungen gehalten, ist das langgestreckte innere Gehäuse 18 angeordnet. Das innere Gehäuse besitzt die Form einer langgestreckten Vakuumflasche, mit einer Innenwand 38, einer Außenwand 40 und einer abnehmbaren oberen Wand 42, die geeignete Vakuumabdichtungen 44 an den Verbindungsstellen der Wände 40 und 42 aufweist» Der " Raum zwischen den beiden Wänden 38 und 40 kann mit einer evakuierten äußerst gut isolierenden Masse ausgefüllt oder einfach evakuiert sein.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, bildet die Innenwand 38 des Innengehäuses 18 einen einen allgemein rechteckigen Querschnitt aufweisenden Behälter 46, in dem die Teile des die niedrigste oder Grundtemperatur herstellenden Kühlsystems 20 und das Kabel 22 angeordnet sind. Der Behälter 46 ist an seinem oberen Ende durch ein abdichtbares und entfernbares, mit Flanschen versehenes Oberteil 48 verschlossen, das sich über die Seitenwände des Behälters hinaus erstreckt. In dem Behälter und in der Nähe seiner Bodenfläche sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, zwei in Längsrichtung verlaufende Kühlleitungen 50 angeordnet. Natürlich können auch nur eine oder mehrere derartige Kühlleitungen verwandt werden. Das Kühlmittel kann aus flüssigem Helium oder kompremiertem gasförmigem Helium unter hohem Druck bestehen. Über dem Behälter 46 und in thermischer Verbindung mit dem mit Flanschen versehenen Oberteil 48 ist eine Heliumrücklauf leitung 52 angeordnet, in der das Helium nach der Kühlung des Kabels zu seiner

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Quelle zurückkehren kann. In dem Behälter befinden sich das Kabel 22 und eine Menge zusätzlichen Kühlmittels 54, das das Kabel 22 überdeckt. Dieses zusätzliche Kühlmittel kann gleichfalls aus flüssigem Helium oder komprimiertem gasförmigen Helium unter hohem Druck bestehen. Die Kühlmittel dienen dazu, das Kabel auf einer genügend tiefen Temperatur zu halten, so daß sich die supraleitenden Elemente in dem Kabel in einem supraleitenden Zustand befinden. Insbesondere ist eine Temperatur von nicht mehr als ungefähr 5°K wünschenswert.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besitzt die Übertragungsleitung 10 in geeigneten Abständen gleichfalls Vakuumpumpen 56, mit denen der Raum zwischen den Wänden 38 und 40 und in der mittleren Auasparung 24 evakuiert wird· In geeigneten Abständen sind gleichfalls entlang der Leitung Kühlstationen 58 angeordnet, durch die <Se entsprechenden Leitungen mit flüssigem Stickstoff und flüssigem oder komprimiertem gasförmigem Helium versorgt werden, und durch die der gasförmige Stickstoff und das verbrauchte Heliumkühlmittel zurückgeleitet werden.

Wie in Fig. 1 gleichfalls schematisch dargestellt ist, kann die Leitung mit im geeigneten Abstand voneinander angeordneten Balg- bzw. Federblockeinrichtungen 60 ausgestattet sein, durch die die Expansion und Kontraktion der Leitung während des Abkühlens und des Erwärmens der Leitung vor und nach dem Betrieb ausgeglichen werden kann. Zusätzliche Umlaufpumpen 62 für das Helium- und das Stickstoffkühlmittel können gleichfalls zwischen den Kühlanlagen vorgesehen werden. Weiterhin können Flüssigkeite-Dampfscheider 64 awisehen den Kühlanlagen angeordnet werden, um die Probleme, die durch die allmähliche Verdampfung der Kühlmittel entstehen, während diese sich von den Sühlan-

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- ίο -

lagen entlang den Flüssigkeitsleitungen wegbewegen, dadurch auszuschalten, daß man den Dampf aus der auslaufenden Leitung entfernt und ihn in die Rückführleitung ableitet; Alle diese Einrichtungen »sind jedoch von herkömmlicher Bauart, und sie können bei solchen Anwendungen fortgelassen werden, bei denen die durch sie gelösten Probleme nicht auftreten· Alle derartigen Hilfseinrichtungen können von einem Hilfskabel aus gespeist werden.

Im allgemeinen weist das Kabel 22 mehrere ieiterbündel 70 auf, die auf dem Boden dee Behälters 46 liegen» Jed®s Leiterbündel enthält einen mittleren (Prägerdraht 71 ? um den herum eine gerade Zahl von Leitern 72 angeordnet ist, die einen supraleitenden Teil umfassen, und von denen je zwei Kreise 7^- für die Energieübertragung gebildet werden. Alls Kreise 74· sind parallel zueinander geschaltet« Wie »i^;e Fig. 5 hervorgeht, umfaßt jedes Bündel sechs Leiter 72 oder drei Kreise ?4. Buren die Parallelsohaltirnje der lireise 7* tesm di© Kapasität der Leitung verän&erü wer^asi^ indem einzelne dieser Kreise oder einzeln© Bündel 70 susäiigiich eingebaut oder ausgs·» baut und von dem Verbraucher oder der Energiequelle abgeschaltet oä^r diesen zugeschaltet werden« Eine derartige Anordnung trägt zur Betriebs zuverlässigkeit bei und erleichtert gleichfalls den Abgriff der durch die Übertragungsleituag geleiteten Energie an Mittelpunkten,, die entweder dazu dienen käime». Hilf sleitungünetze zu. speisen oder zu anderen SwfiOken verwandt werden können» Jedes Leiterbündel weifet sin geringes Gewicht auf, so daS Längen von 100 km oder länger verscliiift und olrniQ Ver dung von slektrisch#n MittelverbiD^sagsstüsiEen in das Behälter als eine linfe^it v«:?legt weaf^js. äSssa©a₉ woiso deanooh durch mehrere ssle-fe^ Bündel gpoße fördeirc und folglich große

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werden können. Der supraleitende Teil eines solchen Leiters "befindet sich in enger Berührung mit einem normal leitenden Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß der supraleitende Teil in seinem Zustand stabilisiert und somit die Betriebszuverlässigkeit erhöht wird·

Bas Grundelement eines Kabels wird durch den einzelnen Leiter 72 gebildet, der durch den Verbraucher 12 und eine Energiequelle 11 mit einem ähnlichen Leiter verbunden let, so daß ein aus zwei Leitern bestehender Kreis 74 gebildet wird. Zwei Ausführungsformen eines solchen Leiters sind im Querschnitt in den Fig. 5 und 4- dargestellt. Wie aus diesen Fig. hervorgeht, besitzt der Leiter 72 einen supraleitenden Teil 76ι der aus einem Material wie etwa Niob-Zinn (Nb,Sn) besteht, das bei tiefen Temperaturen, die kleiner als ungefähr 5°K sind und durch die Kühlsysteme erzeugt werden, supraleitend ist*

Um den supraleitenden Teil 76 trotz des Energiedurchgangs in diesem Zustand zu halten, besitzt der Leiter einen zweiten Teil 78, der aus einem gut elektrisch normal leitenden Material besteht, das gleichfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Kupfer, Aluminium oder bestimmte Legierungen sind Stoffe, die für diesen Teil geeignet sind, wobei Aluminium auf Grund seines geringen Gewichtes für viele Anwendungen bevorzugt wird. Die beiden Teile 76 und 78 stehen im wesentlichen über ihre gesamte Länge in elektrischem und thermischem Kontakt miteinander. Eine kleine Strommenge kann durch den normal leitenden Teil geführt werden, und dieser dient gleichzeitig ale mechanische Halterung für den supraleitenden Teil· Die wichtigste Funktion dieses Teiles

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bestellt jedoch darin, zu verhindern, daß der gesamte supraleitende Teil ausfällt, wenn ein kleiner Bereich dieses supraleitenden Teiles in den normal leitenden Zustand übergeht. Dies wird dadurch erreicht, daß durch den zweiten Teil 78 ein niederohmiger elektrischer Weg parallel zu dem supraleitenden Teil gebildet wird, und die in einem in seinen normal leitenden Zustand übergegangenen Bereich erzeugte Wärme über den hoch wärmeleitenden zweiten Teil 78 abgeleitet wird. Auf diese Weise wächst der normal leitende Bereich nicht, sondern kühlt sich stattdessen unter seine kritische Temperatur ab und wird wieder supraleitend. Der supraleitende Teil 76 und der normal leitende Teil 78 sind mit einer elektrisch isolierenden Schicht 80 umhüllt, die gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist, so daß sie die Abkühlung des Supraleiters unterstützt. Die thermischen Ausdehnungseigenschaften der Isolation sollten mit den übrigen Stoffen des Kabels abgestimmt werden, weshalb Materialien, wie etwa Kunststoff, Vinyl oder Harz, gefüllt mit einem geeigneten Füllmittel, wie etwa Tonerde, bevorzugt werden. Organische Isolatoren, wie etwa Polyäthylen, können ebenfalls verwandt werden, jedoch sind sie wegen der Falschanpassung ihrer Wärmeausdehnungseigenschaften weniger erwünscht.

In Fig. 3 weist der supraleitende Teil 76 die Form eines Hohlzylinders 82, oder im Querschnitt gesehen eines Ringes auf. Der Zylinder 82 umgibt einen Mitteldraht 84, der einen Teil des normal leitenden Teiles 78 bildet. Der supraleitende Zylinder 82 wird von einer Schicht 86 umgeben, die normal leitet und den übrigen Teil des normal leitenden Teiles darstellt. Die Schicht 86 wird von der Isolationsschicht 80 umgeben. Die beiden normal leitenden Teile 84- und 86 brauchen nicht aus demselben

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Material zu bestehen, jedoch wird der äußere Teil vorzugsweise aus Aluminium gebildet·

In fig. 4 besteht der supraleitende Teil 76 aus einem Mitteldraht 88, der von dem normal leitenden Teil 78 in der Form eines koaxialen Hohlzylinders oder eines Binges umgeben ist, der seinerseits von einer Isolationsschicht 80 umgeben wird.

Die einzelnen Leiter 72, die aus beiden dargestellten Typen bestehen können, sind zu mehreren Kreisen 74 zusammengeschaltet und zu Bündeln 70 zusammengefaßt, von denen ein Bündel in Fig. 5 dargestellt ist. In einem solchen Bündel ist eine gerade Zahl von Leitern in gleichen Abständen voneinander um den mittleren Trägerdraht 71 herum angeordnet, der z. B.aus Stahl bestehen kann. Um das Magnetfeld in der Nähe der Leiter, durch das, wenn es übermäßig * groß wird, der supraleitende Teil gelöscht werden könnte, möglichst klein zu halten, sind die Leiter so miteinander verbunden, daß der Strom in nebeneinander liegenden Leitern in einander entgegengesetzten Richtungen fließt. Weiterhin liegen die beiden Leiter in jedem Kreis 64 nebeneinander, so daß der Ausfall eines Kreises eine möglichst geringe Auswirkung auf die anderen Kreise hat. Der mittlere Trägerdraht und die Leiter werden in ihren jeweiligen relativen Lagen durch eine äußere Schutzhülle 90 gehalten, die möglichst gate Wlrmeleitungseigerischaften aufweist und eine Behandlung aushält, wie sie bei der Verlegung des Kabels auftritt.

Das Kabel 22 wird durch mehrere solche Bündel gebildet, von denen jedes eine vollständig getrennte Einheit darstellt und parallel zu den anderen Bündeln geschaltet ist. Es ist ersichtlich, daß die Größe und das Gewicht jedes

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Bündels bedeutend kleiner als die des gesamten Kabels sein kann, da das Kabel aus einer großen Zahl von Bündeln 'aufgebaut sein kann, folglich kann ein Bündel, das auf eine Spule gewickelt und in einem Arbeitsgang ohne elektrische Verbindungsstücke verlegt werden kann, eine große Länge besitzen. Es werden fortlaufende Bündel mit einer Länge von über 100 km für durchführbar gehalten. Weiterhin wird die Wärme leichter von jedem getrennten Bündel abgeleitet.

Die zweckmäßigen Stoffe und Abmessungen der Leiter stehen natürlich in Beziehung zueinander und sie hängen von den Betriebsbedingungen der Übertragungsleitung, wie etwa der Spannung j dem Strom und der zu übertragenden Leistung ab. Ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung derartiger Parameter, besteht darin, daß im Gegensatz zu den Energieleitungen, bei denen normal leitende Leiter verwandt werden, bei einem Niederspannungsbetrieb Leiter mit kleinen Radien erwünscht sind.

Dies geht aus der Überlegung hervor, daß der maximal au= lässige Strom, der durch eine normal leitende Energie-= leitung geschickt werden kann (X__Q_,)_S durch die maximale Leistung, die in dem Leiter durch ohmische Erwärmung erzeugt wird und sicher ohne Zerstörung der Leitung abgeleitet werden kann (P_„__) und den Leitungswiderstand (E) bestimmt wird. Somit gilt, wenn sowohl P_max und Ausdrücken der Leitungslängeneinheit angegeben werden

^Pmax "

Der Wert von I__„ hängt natürlich von dem Radius (r) d Leiters ab. P hängt annähernd linear von der Oberfläche des Leiters ab. Da P-g— in der obigen Gleichur.·:

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pro Längeneinheit angegeben ist, ist dieser Ausdruck proportional zu r. Andererseits ist der Widerstand R pro-

portional zu 1/r . Folglich ist I proportional zu / max

und ein normaler Leiter mit einem kleinen Radius eignet sich deshalb nicht für die Leitung großer Ströme. Die durch die Leitung transportierte Leistung besteht gleichfalls aus einem Produkt von I und der Spannung (V), die an die Leitung angelegt wird. Die Spannung kann jedoch nicht beliebig groß gemacht werden. Wenn r klein ist und V zu groß ist, wird das an der Oberfläche des Leiters auftretende elektrische !Feld (E) zu hoch und es tritt eine Coronaentladung auf.

Das an der Oberfläche eines zylindrischen Drahtes bestehende elektrische Feld ist bei einer gegebenen Spannung proportional zu dem reziproken Wert des Radius. Die maximale Grenze von E, genannt E , wird durch die Durchbruchsfeldstärke der Luft, von Vakuum oder von der den Draht umgebenden Materie bestimmt. Somit ist die maximal zulässige Spannung proportional zu dem Radius des Drahtes. Folglich eignen sich normal leitende Leiter mit sehr kleinem Radius weder für einen hohen Strom noch für eine hohe Spannung.

Dies gilt jedoch nicht für Supraleiter. Ein einziger supraleitender Leiter muß bei einem Gesamtstrom (I) betrieben werden, der niedrig genug ist, so daß das Magnetfeld an dei Oberfläche des Leiters nicht seinen kritischen Wert (H_c) und die Stromdichte (J.) nicht ihren kritischen Wert überschreitet. Eine beispielsweise graphische Darstellung der kritischen Stromdichte und des kritischen Magnetfeldes ist in Fig. 6 für Nb^Sn bei 4-,2⁰K gezeigt. Hieraus ist zu entnehmen, daß der höchste Strom nur dann möglich ist, wenn das Magnetfeld niedrig ist, und der angezeigte Ar-

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beitspunkt ist natürlich zweckmäßig. Um zu sehen, wie dies erreicht werden kann, soll der in Fig. 4- gezeigte einfache Leiteraufbau angenommen werden. Sa

H . ds
ist«, so folgt

^ I, H.

P Andererseits darf I nicht größer als J ·%τ sein, worin J die kritische Stromdichte, r der Leiterradius und I der kritische Gesamtstrom ist. Durch diese beiden Bedingungen wird r beschränkt. Wenn der Sraht bei J betrieben wird, so ist I » I und r darf nicht den Wert r überschreiten, der durch

c ^^rmaxr

gegeben wii'd, und der

5H.

^{G /}-~ praktischen GGS-Einheiten)

beträgt.

Hieraus geht hervor, daß die Leiter von Supraleitern., im Gegensatz zu dem für normale Leiter erhaltenen Ergebnis₉ einen kleinen Radius aufweisen sollten^ tienn man sie für die hohen kritischen Ströme der Supraleiter "bei niedrigen Magnetfeldern verwenden will. Ba die Spannung zwischen angrenzenden Leitern bei Supraleitern ebenso durch eine Ooronaentladung begrenzt wird, wie bei normalen Leitern,, deren Begrenzung oben ausführlich behandelt wurde, so bedeuten kleine Leiterradien, daß man bei niedrigen Span-

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nungen arbeiten muß. Die maximale Spannung, die sich aus den Beschränkungen durch eine Coronaentladung ergibt, wird natürlich durch den Außenradius des Metallleiters, sowohl aus dem normal leitenden Material wie auch aus dem Supraleiter bestimmt. Darauf folgt, daß eine Übertragung vermittels Supraleitung in diesen Abmessungen am wirksamsten bei niedrigen Spannungen erfolgt, was gerade im Gegensatz zu einer bekannten, herkömmlichen Übertragung steht. Typische Werte für Nb_xSn sind für den bezeichneten Arbeitspunkt H ■ I5OOO Gauss und J ■« 5 χ 10 Amp/cm . Der Wert von rkann zu 0,048 mm berechnet werden und I beträgt 360 Amp. Bei einer nach diesen Parametern ausgerichteten, besonderen Ausführungsform wurde ein Radius von 0,048 mm für einen Nb^Sn Supraleiter gewählt. Das Verhältnis des Volumens des normal leitenden Teiles 78, wenn dieser Teil aus Aluminium hergestellt wird, zu dem supraleitenden Teil, beträgt vorzugsweise wenigstens ungefähr 10:1 j aus diesem Grunde wurde für diesen Teil ein Außenradius von 0,6 mm gewählt. Die Isolation wies einen Außenradius von "f,0 mm auf.

Im folgenden soll die in Fig. 3 gezeigte Leiterform betrachtet werden.

Es soll 2.V* · der Durchmesser des normalen Metallkernes, 2t2 » der Außendurchmesser der supraleitenden Schicht

2r-, » der Außendurchmesser der äußeren normalen 0

Metallschicht, und
μ der Außendurchmesser der Isolation sein.

Das maximale Magnetfeld, das das supraleitende Material beeinflußt, tritt bei r2 auf und wird gegeben durch

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J_cx

Für einen gegebenen Strom I

-I -

Wenn man die beiden Leiterformen miteinander vergleicht, so ist r~ größer als der Eadius des supraleitenden Kernes bei der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung § folglich ist das Magnetfeld H für denselben Strom I kleiner« Deshalb ist das Magnetfeld bei demselben Strom wie in dem in Fig» 4 gezeigten Leiter kleiner, wodurch man den Vorteil erhält, daß man einen größeren Spielraum unter der kritischen Feldstärke erhält» Andererseits ist sine erhöhte Stromdichte möglich, oder es kann bei derselben !Feldstärke die Menge des supraleitenden Materials vergrößert werden, wodurch ^jeder Strang größer© Ströme fi&re-a h

Bei einer besonderen Ausführungsfona des in Figo 3 g®= zeigten Leiters enthält der Mittelkern Hastelioy-B Le= gierung und weist einen Durchmesser von 0,474 im auf_o Die supraleitende Schicht besteht aus HTb^Sn und hat einen Außendurchmesser von 0,526 mm« Her äußere Teil der normal leitenden Schicht besitzt einen Außendurchmesser von 1,00 mm und die Isolation hat einen Außendurchmesser von 2,62 mm. Bei einer Verwendung <ä®r typischen Werte von

6 2

Amp/cm

H » 15000 Gauss und Y » 5 x 10" Amp/cm*", wie sie oben angegeben wurden, kann der durch einen ^©dsn solchen Leiter geführte Strom ungefähr 2000 Amp betragen· Ein© typische Betriebsspannung für zwei solcher zu einem Kreis 7^- verbundenen Leiter beträgt - 13 Kilovolt, obgleich ein Be-

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reich von ί 50 Kilovolt für praktisch durchführbar gehalten wird. Ein Bündel von sechs solchen Leitern, die zu drei Kreisen zusammengeschaltet sind, würde einen Strom von 6000 Amp führen, und lediglich 32 solcher Bündel würden einen Strom von 192300 Amp führen. Bei einer Spannung von - 13 Kilovolt könnten über 5000 Megawatt Leistung übertragen werden.

Man kann berechnen, daß ein solcher Leiter ein Gewicht von 7 630 Gramm pro km aufweist. Das Gewicht eines Bündels von sechs solcher Leiter mit einem in der Mitte angeordneten Stahldraht mit einer Dichte von 7»8 Gramm pro cm und einem Radius von 1,31 M beträgt 88 kg/km. Somit würde eine 100 km Spule lediglich ungefähr 8797 kg wiegen, und die gesamte Länge eines sehr langen Kabels könnte ohne die Anbringung von irgendwelchen elektrischen Mittelleitungsverbindungen verlegt werden. Bei der Ausbildung der "übertragungsleitung brauchten lediglich • r der Abkühlung so viele Bündel in dem Behälter angeordnet zu werden, wie notwendig sind, um die gewünschte Leistung übertragen zu können.

..ü& der obigen Beschreibung geht hervor, daß eine neue ¹JUId nützliche Lösung für die Verwendung der Supraleitung in der Energieübertragung gefunden wurde. Die Kapazität der Leitung ist in kleinen Schritten einstellbar, und Teile der Gesamtleitung können an Mittelleitungspunkten lur~h Verbindungen mit beliebig vielen gewünschten Leitex'kreisen und Bündeln angezapft werden. Durch die zahlreichen Parallelkreise erhält man eine größere Betriebssicherheit, und die körperliche Trennung der Bündel erleichtert die Kühlung. Durch die besondere Leiterausbildung wird jeder getrennte Leiter zuverlässiger, indem der Supraleiter stabilisiert wird, und es wird ein niedriges

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Magnetfeld erzeugt. Die Anordnung der Leiter in jedem Bündel trägt gleichfalls dazu bei, daß ein niedriges Magnetfeld erhalten wird, so daß höhere Stromdichten und folglich eine größere Leistungsübertragung bei niedrigen Spannungen möglich ist.

In der oben beschriebenen Leistungsübertragungsleitung können verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden. Z. B. können verschiedene und verbesserte supraleitende Stoffe und verschiedene normal leitende Stoffe verwandt werden, und die beiden Leiter jedes Kreises 74- können koaxial angeordnet werden. Weiterhin können die normal leitenden und supraleitenden Teile der Leiter in einer Matrix anstatt körperlich bestimmt ausgebildet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

1) Elektrische Energieubertragungslexttmg mit einem Paar Leitern, die zwischen eine Energiequelle und einen Verbraucher geschaltet sind, wobei jeder dieser Leiter einen ersten sich in Längsrichtung erstreckenden Teil aufweist, der aus einem elektrisch supraleitenden Material gebildet wird, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Leiter (72) einen zweiten sich in Längsrichtung erstreckenden Teil (78) aufweist, der aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen normal leitenden elektrischen Leitfähigkeit besteht, und daß dieser erste urfd zweite Teil in im wesentlichen über ihre ganze Länge.in elektrischem und thermischem Kontakt miteinander stehen.

2) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste (76) und der zweite (78) Teil im wesentlichen getrennte aneinandergrenzende Bereiche einnehmen und daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des ersten Teils in Kontakt mit Oberflächen des zweiten Teils steht.

3) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,, daß der erste Teil aus einem Mitteldraht (88) besteht, der von dem zweiten Teil umgeben wird.

4) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

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net, daß der erste Teil einen Hohl zylinder (82) "bildet, der von dem zweiten Teil ausgefüllt und auf seiner Außenseite von einer Schicht des zweiten Teils umgeben ist.

5) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere dieser Paare

(74) von Leitern (72) parallel zueinander geschaltet sind.

6) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß Gruppen dieser Paare von Leitern in einer kreisförmigen Anordnung um einen mittleren Trägerdraht (71) zur Bildung eines Leiterbündels (70) angeordnet sind.

7) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Strom in aneinandergrenzenden Leitern in jeder dieser Gruppen in entgegengesetzten Richtungen fließt.

8) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß der erste Teil aus Nb₂Sn besteht.

9) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Teil wenigstens zum Teil aus Aluminium gebildet wird.

10) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7» hei der der erste Teil aus Fb^Sn und der zweite Teil aus Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet , daß das Volumen

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des zweiten Teiles wenigstens ungefähr 10 mal so groß wie die Masse des ersten Teiles ist.

11) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Leiter kleiner als ungefähr 2 mm ist.

12) Elektrische Energieübertragungsleitung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Spannungsabfall zwischen den Leitern kleiner als ungefähr 100 Kilovolt ist.

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