DE2157125A1

DE2157125A1 - Stromzufuehrung fuer elektrische einrichtungen mit auf tieftemperatur gekuehlten leitern

Info

Publication number: DE2157125A1
Application number: DE2157125A
Authority: DE
Inventors: Hubert Koehler; Fritz Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1971-11-17
Publication date: 1973-05-24
Also published as: US3764726A; JPS4863695A; DE2157125C3; FR2161646A5; IT970858B; GB1402300A; CA965167A; CH548128A; DE2157125B2

Description

Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern, insbesondere Supraleitern, deren Ende an einem Normalleiter angeschlossen ist, der mit einem Wärmeaustauscher versehen ist.

Bei elektrischen Einrichtungen mit Supraleitern, beispielsweise bei supraleitenden Kabeln, Spulen oder Maschinen, muß häufig elektrischer Strom dem auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur abgekühlten Supraleiter von einer auf höherer Temperatur, insbesondere auf Raumtemperatur, befindlichen Stelle zugeführt werden. Da der Supraleiter schon weit unter Raumtemperatur seine Supraleitfähigkeit verlieren würde, wird zur Überbrückung der Temperaturdifferenz elektrisch normalleitendes Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, verwendet, das an einer Stelle mit dem Supraleiter verbunden ist, die auf einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gehalten wird.

In supraleitenden Wechsel- oder Drehstromkabeln können die Leiter bekanntlich als konzentrische Rohre gestaltet sein, deren Innenrohr als Hinleiter und deren Außenrohr als Rückleiter benutzt wird. Die Verkettung der drei Phasen erfolgt außerhalb des eigentlichen Kabels. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich das elektromagnetische Feld nur zwischen dem Innen- und dem Außenleiter befindet. Die Supraleiter für Wechselstrom von 50 Hz werden am besten aus reinen Metallen,

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wie "beispielsweise Niob oder Blei, hergestellt. Diese haben nur sehr geringe Hystereseverluste, solange man unter einer vorbestimmten kritischen Feldstärke bleibt. Solche Kabel mit konzentrischen Leitern können bei hohen Spannungen von beispielsweise 220 kV und höher betrieben werden. Da supraleitende Kabel für extrem hohe Übertragungsleistungen im Bereich von etwa 1 GW an aufwärts eingesetzt werden, sind die Stromzuführungen somit nicht nur für hohe Spannung, sondern auch für hohe Ströme von etwa 10 kA an aufwärts auszuführen.

Als Kühlmittel für Supraleiter kommt praktisch nur Helium in Frage. Man braucht somit nicht nur eine Stromzuführung für hohe Spannung und hohe Ströme, die für ein Temperaturgefälle von Raumtemperatur bis unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters ausgelegt ist, sondern auch eine spannungsfeste Zuführung der Kühlmedien, weil diese sich auf Leiterpotential und somit auf Hochspannung befinden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1665 940 (VPA 68/8295) ist eine Stromzuführung zu einem supraleitenden Kabel bekannt, bei der Wärmeaustauscher vorgesehen sind, die sich in direktem Kontakt mit dem Normalleiter befinden. Diese Ausführungsform ist jedoch wegen der verhältnismäßig geringen Länge der Kühlmittelzuführungen nur für mittlere Leiterspannungen geeignet. ·

Aus der Druckschrift "Conference on Low Temperatures Electric and Power», London,24· bis 26.3.69, SeitenY2⁵55 und 259 ist eine Stromzuführung zu einem Supraleiter bekannt mit Wärmeaustauschern für den Normalleiter, die durch elektrische Isolierstoffe vom Normalleiter getrennt ist. Für eine hochspannungsfeste Stromzuführung müssen entsprechend hochwertige elektrische Isolierstoffe verwendet werden. Solche Isolierstoffe sind jedoch schlechte Wärmeleiter. Mit dieser Ausführungsform erhält man deshalb mit zunehmender Spannung und hohem Strom eine relativ geringe Wärmeabführung.

Man kann zwar in solchen Stromzuführisjigen. für Leiter, die

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sich auf kryogener Temperatur befinden, das aufsteigende, durch das Sieden der Kühlflüssigkeit entstehende Gas, das sich entsprechend erwärmt, zur Kühlung der Stromzuführung "benutzen. Bei der Kühlung von elektrischen Einrichtungen mit Supraleitern, insbesondere supraleitenden Wechselstromkabeln, mit einem gasförmig-flüssigen Zweiphasengemisch können jedoch Schwierigkeiten auftreten, weil die längs des Kabels auftretende Verdampfung zu ständig zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases führt, das die Plüssigkeitstropfen mitreißt und damit eine gleichmäßige Kühlung verhindert.

Die Verwendung von verdampfenden Kühlmitteln bei getrennten Kühlaggregaten für die Kühlung der Stromzuführung hat außerdem den Nachteil, daß nur eine verhältnismäßig geringe Spannungsdifferenz überbrückt werden kann, weil verdampfende Kühlmittel im gasförmigen Zustand bei Normaldruck bekanntlich nur eine erheblich verminderte Durchschlagsspannung besitzen. Verdampftes Helium hat beispielsweise bei Normaltemperatur nur eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 3 kV/cm, die sich bei strömendem Gas noch vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit Supraleitern zu schaffen, die für hohe Ströme und ein hohes Leiterpotential bei kryogenen Temperaturen geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zu- und Ableitung des Kühlmittels zum Wärmetauscher aus elektrisch isolierendem Material bestehen und jeweils'als'Spirale gestaltet sind, deren Windungen den Normalleiter umschließen, und daß der Zu- und Ableitung jeweils eine elektrische Widerstandsanordnung zugeordnet ist, die einen Spannungsteiler bildet, der einen Spannungsgradienten in der Kühlflüssigkeit erzeugt, der kleiner ist als die Durchschlagsspannung für entsprechende Längeneinheiten. Die Widerstandsanordnung kann in einfacher Weise aus einer Halbleiterschicht an der Innenoberfläche des Kühlrohres bestehen. Diese Halbleiterschicht erzeugt

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einen konstanten Spannungsgradienten und damit einen stetigen Spannungsverlauf über der länge Kühlmittelzu- oder Kühlmittelableitung. Es kann aber auch eine Widerstandsanordnung vorgesehen sein, v/elche die Gesamt spannung Über der Rohrlänge in vorzugsweise gleiche Stufen unterteilt. Zu diesem Zweck kann ein ohmscheri ein ohmisch-kapazitiver oder ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen sein.

Pur die Kühlung der Stromzuführung kann vorzugsweise ein einphasiges Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, verwendet werden, das die Wärme von einem Wärmeaustauscher abführt, " der auf dem Normalleiter in unmittelbarer Nähe des Supraleiteranschlusses angeordnet ist. Zur stufenweisen Temperaturführung des Hormalleiters von der Temperatur des Supraleiters auf Raumtemperatur können zweckmäßig noch mehrere Wärmeaustauscher, vorzugsweise in direktem Kontakt mit dem Normalleiter, angeordnet sein, deren Wärme mit anderen Kühlmitteln abgeführt wird. Es kann beispielsweise der dem Supraleiteranschluß benachbarte Wärmeaustauscher mit Helium, ein weiterer mit Wasserstoff und ein dritter mit Stickstoff gekühlt werden.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Strom-. zuführung nach der Erfindung besteht darin, daß wenigstens * die Zuleitung oder die Ableitung des Kühlmittels zu den einzelnen Wärmeaustauschern den Mantel eines Kegelstumpfs bildet, dessen Achse etwa gleich der Achse des Normalleiters ist. Der Außendurchmesser jeder der Windungen wird dann wenigstens annähernd gleich, vorzugsweise etwas größer gewählt als der Innendurchmesser der folgenden größeren Tfindung der Spirale. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Kühlmittelleitung zugleich einen Strahlungsschild für die in Achsrichtung des Normalleiters, beispielsweise von einer entsprechenden Durchführung in Richtung auf den Supraleiter eingestrahlte Wärme bildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung

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Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Stromzuführung für einen Supraleiter nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

In Jj¹Ig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Stromzuführung für eine Phase mit koaxial zueinander angeordnetem Hin- und Rückleiter dargestellt. Fig.2 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Spannungsteilers.

In Fig.1 sind zwei koaxial zueinander angeordnete Träger 1 und 2 für jeweils einen Supraleiter vorgesehen. Der Träger 1 ist außen mit einer supraleitenden Schicht 3 und der Träger ist innen in gleicher Weise mit einer supraleitenden Schicht 4 versehen. Der Supraleiter 3 kann beispielsweise der Hin- und der Supraleiter 4 der Rückleiter der gleichen Phase eines supraleitenden Kabels sein. Im Zwischenraum zv/ischen den beiden supraleitenden Schichten 3 und 4» deren Lage in bekannter Weise durch Stützer 5 vorgegeben ist, befindet sich ein geeignetes flüssiges Kühlmittel 6, insbesondere Helium, das die Supraleiter 3 und 4 unterhalb ihrer Sprungtemperatur hält und in der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig zur Kühlung und zur Spannungsisolierung benutzt wird.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann das als Kühlmittel dienende flüssige Helium auch jeweils innerhalb des Trägers 1 und außerhalb des Trägers 2 in einem zusätzlichen Rohr geführt werden. Eine solche Ausführungsform ermöglicht die Isolation zwischen den beiden Supraleitern 3 und 4 mit Hochvakuum, mit einem geeigneten Kunststoff oder mit einem ruhenden nicht strömenden Kühlmittel.

Am Ende des konzentrischen Systems mit den Leitern 3 und 4 ist ein Isolierkörper 8 angeordnet. Die Leiteranordnung stützt-sich mittels Stützer 9 auf einem Strahlungsschild 10 ab, das mittels einer thermischen Isolierung 11 in einem äußeren Schutzrohr 12 gelagert ist. An das Schutsrohr 1-2 ist ein Vakuumbehälter 1'3 angeschlossen, der mit einen Anschluf3 14 für eine Hochvakuumpumpe versehen ist und der die gesarate

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Stromzuführung mit einem Normalleiter 20 enthält. Der Rückleiter 4 ist innerhalb des Vakuumbehälters 13 über eine kegelförmige hohle Kühlmittelzuführung 18 zu einem zylinderförmigen Leiter 15 erweitert, der mittelö einer Hochvakuumdichtung 16 nach außen geführt iat.

Die Stromzuführung zum Hinleiter 3 erfolgt über eine normalleitende auf Normaltemperatur und Hochspannung befindliche Durchführung 19, die gegebenenfalls mit einer besonderen Kühleinrichtung veraehen sein kann. Diese Durchführung 19 kann in bekannter Weise aus einem Isolator bestehen, der außen für eine ausreichende Spannungsfestigkeit an Luft und innen für Hochvakuum ausgelegt sein muß.

Auf dem Normalleiter 20, der beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen und innerhalb der Durchführung 19 als massiver Leiter ausgeführt sein kann, befinden sich drei Wärmeaustauscher 21, 22 und 23» die in direktem Kontakt mit dem Normalleiter stehen, der in diesem Bereich vorzugsweise aus dünnen Drähten, einem dünnen Netzgeflecht oder auch aus dünnen Einzelzylindern bestehen kann, die mit 24 bezeichnet sind. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, den Normalleiter im Bereich der Wärmeaustauscher 21 bis 23 aus einem anderen Material, vorzugsweise Nickel, herzustellen. Die Stärke dieser dünnen Einzelleiter wird durch die Eindringtiefe des Stromes bei der Frequenz des Leiters und der jeweiligen Temperatur bestimmt. Zur Herstellung des Temperaturgefälles zwischen den Supraleitern 3 und 4 und der Normaltemperatur außerhalb der Durchführung 19 können die verschiedenen Wärmeaustauscher 21 bis 23 vorzugsweise mit verschiedenen Kühlmedien gekühlt werden. Dem Wärmeaustauscher 21 kann beispielsweise über eine als Spirale gestaltete Kühlmittelzuführung 26 flüssiges Helium zugeführt werden, das über eine Kühlmitte-lableitung 28 wieder abgeführt wird, deren Spirale einen Kegelsfcumpf bildeb. Der Kegelstumpf ist so gestaltet, daß jeweils der Außendurchmesser einer kleineren Windung wenigstens annähernd so groi3 ist und

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vorzugsweise gleich oder größer ist alB der Innendurchmesser der benachbarten größeren Windung. In dieser AusfUhrungsform dient die Kühlmittelableitung 28 zugleich als Strahlungsschild für Wärmestrahlen, die etwa in Richtung des Normalle.iters 20 in den Vakuumbehälter 13 eintreten und auf die Supraleiter 3 und 4 gerichtet sind. Der folgende Wärmeaustauscher 22 kann über eine in gleicher Weise gestaltete Kühlmittelzu- und -ableitung 30 bzw. 32 mit Wasserstoff gekühlt werden. Pur den dritten Wärmeaustauscher 23 kann als Kühlmittel beispielsweise Stickstoff vorgesehen sein, das über eine Zuleitung 34 zu- und über eine Ableitung 36 abgeführt wird. In dieser Ausführungsform wird der Normalleiter im Bereich der drei Wärmeaustauscher stufenweise von Raumtemperatur über die Temperatur des flüssigen Stickstoffs mit etwa 77⁰K und die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs von etwa 2O⁰K auf die Temperatur des flüssigen Heliums mit etwa 4°K herabgekühlt, so daß sich der Supraleiteranschluß 7 unterhalb der Sprungtemperatur der supraleitenden Materialien befindet.

Auch der Rückleiter 15, der 3ich im Vakuumbehälter innerhalb eines mit Stickstoff oder Y/asserstoff gekühlten Strahlungsschildes 38 befindet, kann vorteilhaft mit Wärmeaustausehern versehen sein, die in der Figur mit 40 und 42 bezeichnet sind und denen über nicht näher bezeichnete Kühlmittelzuleitungen und -ableitungen Wasserstoff oder Stickstoff als Kühlmittel zugeführt werden kann. Der Wärmeaustauscher 40 kann zweckmäßig mit Wasserstoff und der Wärmeaustauscher 42 kann mit Stickstoff gekühlt werden.

Um einen möglichst langen Yfeg für die Kühlmittelzuleitungen bei zugleich kleinem Raum zu erhalten, sind diese Leitungen spiralig von innen nach außen geführt. Diese Kühlmittelleitungen 26, 28, 30, 32, 34 und 36 können vorzugsweise zugleich αϊ« ohmBchcr, olunicch-liapazitiver oder als kapazitiver Spannungsteiler au;ψοführt v/erden, wie er in Fig.2 dargestellt iat. D-'^:. ein kapazitiver Spannungsteiler praktisch keine

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thermischen Verluste erzeugt, erscheint dieser für eine Wechselspannungszuführung besonders gut geeignet. In der Figur ist das Kühlmittelleitungsrohr, das aus einem elektrisch nichtleitendem Material, beispielsweise aus Keramik, Kunststoff, Glas oder Quarz bestehen kann, mit 44 bezeichnet. Es ist durch ringförmige Verbindungsstücke 46, die als Potentialring dienen und aus einem elektrisch gutleitenden Material, beispielsweise Kupfer oder nickel, bestehen können, in einzelne Potentialstufen aufgeteilt. Die Potentialringe 46 stehen einerseits in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit im Kühlmittelrohr 26 und andererseits im elektrisch leitenden Kontakt mit einer äußeren Metallhülse 48. Die bei- W den Enden der Metallhülse 48 sind jeweils zu einem Hohlring 50, einem sogenannten Rogowski-Profil, gefaltet. Die Profile haben jeweils gegeneinander einen vorbestimmten Abstand A, der die Elektrodenkapazität bestimmt. Dieser Abstand bestimmt die Größe des kapazitven Stromes über den Spannungsteiler. Da die Überschlagsspannung im Hochvakuum groß ist, kann dieser Spalt A relativ kleingehalten werden. Mit dem Abstand der Potentialringe 46 wird der Spannungsabfall an den einzelnen Stufen des Spannungsteilers bestimmt. Dieser Spannungsabfall wird so gewählt, daß die Durchschlagsspannung der Kühlflüssigkeit mit Sicherheit nicht erreicht wird. JPür die Spannungsfestigkeit der Oberfläche steht jeweils der verhältnismäßig lange Weg eines Isolierrohrteils 52 zur Verfügung, der durch den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialringen 46 gegeben ist.

Neben der im Ausführungsbeispiel nach Pig.2 dargestellten Gestaltung der Kühlmittelzu- oder -abführung als Spannungsteiler sind auch andere Gestaltungen zur Herstellung der Spannungsfestigkeit möglich.

Im Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung an Hand einer Zuführung für ein supraleitendes Kabel erläutert. Die

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Stromzuführung nach der Erfindung kann jedoch allgemein für elektrische Einrichtungen mit tiefgekühlten leitern verwendet werden.

17 Patentansprüche
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Claims

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" ist.

Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten leitern, deren Ende an einen Nofmalleiter angeschlossen ist, der mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitung (26,28,30,32,34,36) des Kühlmittels zum Wärmetauscher (21,22,23) aus elektrisch isolierendem Material "bestehen und jeweils als Spirale gestaltet sind, deren Windungen den Uormalleiter (20,24) umschließen, und daß der Zu- und Ableitung (26,28,30,32,34,36) jeweils eine elektrische Widerstandsanordnung zugeordnet ist, die einen Spannungsteiler bildet, der einen Spannungsgradienten in der Kühlflüssigkeit erzeugt, der kleiner ist als die Durchschlagsspannung des Kühlmittels für entsprechende Längeneinheiten der Zu- und Ableitung (26,28, 30,32,34,36).
2. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung aus einer Halbleiterschicht an der Innenoberfläche der Zu- bzw. Ableitung besteht.
3. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einphasiges Kühlmittel vorgesehen
4. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Spirale der Zu- oder Ableitung (28,32,36) den Mantel eines Kegelstumpfes bildet.
5. Stromzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser jeder der Windungen der Spirale (28,32,36) gleich oder kleiner ist als der Außendurchmesser der benachbarten kleineren Windung.

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6. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen ist (Fig.2).
7. Stromzuführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung (26) einzelne Teilstücke (44) enthält, die über ringförmige Zwischenstücke (46) aus elektrisch leitendem Material miteinander verbunden sind, und daß jedes der Zwischenstücke (46) mit einer die Kühlmittelleitung (44) umgebenden Hülse (48) aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, deren Enden zu einem Hohlring (50) gefaltet sind, der von dem in gleicher Weise gestaltetem Ende der benachbarten Hülse (48) einen vorbestimmten Abstand (A) hat«
8. Stromzuführung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (21,22,23) in einem Hochvakuumgefäß (13) angeordnet ist.
9. Stromzuführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmeaustauscher (21,22,23) und der Wand des Hochvakuumbehälters (13) ein Strahlungsschild (38) vorgesehen ist.
10. Stromzuführung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Strahlungsschild (38) eine besondere Kühleinrichtung vorgesehen ist.
11. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den Wärmeaustauscher (21) flüssiges Helium vorgesehen ist.
12. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den Wärmeaustauscher gasförmiges Helium unter Überdruck vorgesehen ist.

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13. Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 "bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Uormalleiter (24) noch ein zweiter Wärmeaustauscher (22) vorgesehen ist.
14· Stromzuführung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den zweiten Wärmeaustauscher (22) Wasserstoff vorgesehen ist.
15. Stromzuführung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für den Normalleiter (24) noch ein dritter Wärmeaustauscher (23) vorgesehen ist.
16. Stromzuführung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für den dritten Wärmeaustauscher flüssiger Stickstoff unter Überdruck als Kühlmittel vorgesehen ist.

17· Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Plüssigkeitszu- oder -abführung (26,28,30,32,34,36) innen oder außen mit einem Halbleiter beschichtet ist, dessen elektrische Leitfähigkeit sich über die Länge des Rohres stufenweise oder stetig ändert.

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