DE2111515C3 - Supraleitendes Kabel, insbesondere Wechselstromkabel - Google Patents

Description

2. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das den Innenleiter und das den Außenleiter bildende Hand aus einer supraleitenden und einer elektrisch normallekenden Schicht bestehen, wobei jeweils die supraleitende Schicht dem rohrförmigen Träger zugewandt ist, und daß die Wendeln derart gewickelt sind, daß 3" die Bandkanten der nebeneinanderliegenden Windungen jeder Wendel auch noch nach Abkühlung auf die zur Herbeiführung der Supraleitfähigkeit erforderliche tiefe Betriebstemperatur des Kabels dicht nebeneinanderliegen bzw. einander mit ihren supraleitenden Schichten etwas überlappen.

3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht an einer Bandkante über die normalleitende Schicht übersteht und an der anderen Bandkanle gegenüber der normalleitenden Schicht zurückgesetzt ist.

4. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Träger eines Leiterpaarteilstücks aus einem einzigen durchgehenden Stück besteht.

5. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Träger aus zwei koaxialen, bei Raumtemperatur biegsamen Kunststoff rohren und einer zwischen diesen Rohren angeordneten mehrlagigen Wicklung aus Kunststoffolien besieht.

(1. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kunststoffrohr kühlmitteldicht sind.

7. Suparleilendes Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff rohre aus einem durch Wärmebehandlung \erdichteten Nylongelkcht und die Kunststoffolien aus PoIyäthylciil'aser- oder Polytelralluorälhylenfaserpapier bestehen.

8. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Träger eines Leiterpaarteilstücks aus mehreren aneinandergesetzten, mechanisch ineinandergreifenden Rohrstücken besteht.

9. Supraleitendes Kabel nach einem der Ansnrüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stoßslelle zwischen Avei Leiterpiiarteil.stüeken die Enden der rohrförmigen Träger im Außendiirclimesser verringert sind, daß zur Verbindung der rohrförmigen Träger in diese ein Rohrstück eingesteckt ist, 1111 dessen Außenseite die Innenleiter der Leilerpaarteilstüeke miteinander verbunden sind, dull über dieser Verbindungssielle und den im Außendurchmesser verringerten Trägerenden mehrere Isolierstoffhülsen aus Halbrohren übereinander und gegeneinander versetzt angeordnet sind und daß die Außenleiter der Leiterpaarteilstücke außen um diese Isolierstoffhülsen gelegt und miteinander verbunden sind.

10. Supraleitendes Kabel nach Anspruch ^l). dadurch gekennzeichnet, daß das in die rohrförmigen Träger eingesteckte Rohrslück an der Außenseite aus Supraleitermaterial und an der Innenseite aus elektrisch normalieitendem Metal! hesieht und daß das Supraleitermaterial der Innenleiler beider l.dterpaarteilslückc mit der Außenseile des Rohrstiickes verbunden ist.

U. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsslelle über den Isolierstoffluilscn eine aus Halbrohren bestehende Hülse aus Supraleitermaterial angeordnet und daß das Supraleitermatcrial der Außenleiter beider Leiterpaarteilstücke mit der Außenseite dieser Hülse verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel, insbesondere ein supraleitendes Wechselstromkabel, mit wenigstens einem in einem Kühlmittelrohr angeordneten, gegebenenfalls aus vorgefertigten Teilstücken zusammengesetzten, koaxialen Leiterpaar, dessen jeweils rohrförmiger, aus supraleitendem und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzter Innen- und Außenleiter durch eine Kunststoffisolation voneinander getrennt sind.

Bei supraleitenden Kabeln ist es bekannt, ein oder mehrere rohrförmige koaxiale Leiterpaare in einem K ühlmillelrohr anzuordnen. Beispielsweise kann man bei Drehstromkabeln drei derartige koaxiale Leiterpaare vorsehen. Der Innenleiter jedes Leiterpaares dient dabei als Hinleiter und der Außenleiter als Rücklciter, der in der Regel auf F.rdpotential liegt. Die Verkettung der Phasen erfolgt außerhalb des eigentlichen Kabels. Das elektromagnetische Feld bildet sich bei solchen koaxialen Leiterpaaren nur in dem Raum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter aas, während die übrigen Bereiche feldfrei bleiben. Zur Isolation des Innenleiters gegen den Außenleiter ist es bekannt, den Zwischenraum zwischen beiden Leitern v.v evakuieren oder mit flüssigem Helium zu füllen, das dann als Isolationsmittel dient. Ferner ist auch bereits ein Vorschlag für eine Kunststoffisolation bekannt, die aus dünnen Folien aus stabilisiertem Polyäthylen besteht, mit denen der Innenleiter umsponnen wird (Flektrolechnisehe Zeitschrift, Ausgabe B, Bd. 20 [1968], S. 273 bis 277, insbesondere S. 275).

Der Innenleiter und der Außenleiter eines koaxialen Leiterpaares bestehen bei diesen bekannten Kabeln aus starren Rohren, vorzugsweise aus einem elektrisch nornialleiter.dcn Metall mit hoher elektrischer Leit-

i'ähigkeit, wie hochreinem Kupfer oder Aluminium, auf denen das Supraleitermaterial in Form einer Schicht aufgebracht ist. Als Supraleitermalerialien für technischen Wechselstrom von 50 Hz haben sich insbesondere reines Niob und Blei als geeignet erwiesen. Diese Supraleitermalerialien besitzen nümlieh nur sehr kleine Hystereseverluste, wenn beim BeUieh des Kabelsein unteres kritisches Magnetfeld //,., nicht überschritten wird. Um zu vermeiden, dall in den nor".ialleilenden Rohren, welche die supraleitende Schicht tragen. Wirbelstromverluste entstehen, befindet sich die supraleitende Schicht auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Aullenrohrcs der koaxialen Leitcrpaarc. Beim Iklrieb des supraleitenden Kabels strömt insbesondere bei einer Isolation der Leiterpaare durch Vakuum oder Kunststoff Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, innerhalb der rohrförmigen Innenieiter und an der Außenseite der rohrförmigen Außenleiter im Külilmiltelrohr. Innen- und Außenleiter stehen dabei in direkter Berührung mit dem Kühlmittel und werden hervorragend gekühlt. Das Kühlmillelrohr selbst ist in der Regel von einem beispielsweise mit Stickstoff gekühlten rohrförmigen Strahlungsschild und dieses wiederum von einem äußeren Schul/röhr umgeben. Der Zwischenraum /wischen dem Kühlmittelrohr und dem äußeren Schutzrohr ist beim Betrieb des Kabels zur thermischen Isolation evakuiert. Innerhalb des evakuierten Raumes sind zur weiteren Wärmeisolation üblicherweise dünne Kunststoffolien angeordnet, die beispielsweise mit einer reflektierenden Metallschicht beschichtet sein können.

Um eine möglichst gut thermische Isolation des Kühlmittelrohres gegenüber der Umgebung des Kabels zu erreicher., werden bekanntlich das Kühlmittelrohr, das Strahlungsschild und das äußere Schutzrohr als starre Rohre ausgeführt. Derartige starre Rohre können durch verhältnismäßig wenige Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material gut gegeneinander abgestützt werden. Bei der Verlegung des supraleitenden Kabels werden diese starren Rohre an der Verlegungsstelle aus einzelnen Teilstücken zusammengesetzt, wobei zum Ausgleich der unterschiedlichen MateriaKchrumpfungen beim Abkühlen insbesondere im Kühlmittelrohr und im Strahlungsschild OehiHingsausglcichsstücke, insbesondere Wellrohrslücke, vorgesehen werden können.

Audi die aus starren Rohren bestehenden Inncnuiid Außenleiter der einzelnen koaxialen Leiterpaare müssen an der Vetlegungsstelle aus Teilstücken zusammengesetzt werden. Die Länge dieser Teilstücke kann aus Transporlgi ünden 20 bis 50 ni kaum überschreiten. Dies führt zu einer Vielzahl von Kupplungsstellen, an denen die auf den Teilstücken befindlichen supraleitenden Schichten beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden werden müssen. Abgesehen von dem hohen dazu nötigen technischen Aufwand nimmt natürlich mit wachsender Zahl der Schweißstellen die Wahrscheinlichkeit für fehlerhafte Schweißungen und damit die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung der Stromtragfähigkeit der Supraleiter zu. Außerdem bereitet der Dehnungsausgleich bei solchen starren mit Supraleitermaterial beschichteten Rohren erhebliche Schwierigkeiten.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 1814 ist bereits ein Kabel bekannt, welches aus mindestens zwei konzentrischen Mänteln aus leitendem Metall und mis cewickeltcm Isoliermaterial besteht. Die schraubenförmig gewickelten supraleitenden Drähten bestehenden Leitermantel sind bei diesem Kabel jeweils von einer an ihnen anliegenden Isolierhülle umgeben, wobei das Verhältnis der Ausdehnungs- oder SchrumpfungskoefuYienten des Leiters und des Isoliermaterials so gewählt ist, daß die Isolierhülle bei einer Tempera-Hiränderung auf die schraubenförmig gewickelten Leiter einen Druck ausübt und dadurch eine Verlängerung oder Verkürzung bewirkt, welche die iu Wirkung der TcmperaUiränderung kompensiert, l-.in solches Kabel ändert zwar bei Temperaluiändeiungen seine Länge nicht, hat jedoch insbesondere den Nachteil, daß die Leitermänlel wegen der sie umgehenden Isolierhülle nicht direkt vom Kühlmittel bespült werden können. Das gleiche gilt für ein aus der deutschen Ofl'enlegungsschrifl 2 011217 bekanntes Kabel mit tiefgekühlten Normalleitcrn, welches eine entlang ihrer Länge und ilires Umfjmges mil Öffnungen versehene hohle Röhre aus flexiblem Isoliermaterial, so eine auf der hohlen Röhre hergestellte flexible Leiterschicht aus Metallitzen hoher elcktiischer leitfähigkeit und eine auf der Lederschicht hergestellte flexible Röhre aus gewickelten lsoliermaleriaKchicliteu mit hochohmigem Widerstand sowie flexible Mittel zur Abdichtung der äußeren Oberfläche dieser flexiblen Röhre aufweist. Das Kühlmittel, insbesondere flüssiger Wasserstoff, strömt bei diesem Kabel durch die innere hohle Röhre, die zwar mit öffnungen versehen ist, dennoch aber einen Teil der Lederschicht gegenüber dem Kühlmittel abdeckt. Bei den aus beiden Offenlegungsschriflcn bekannten Kabeln bereilel außerdem an den Stoßstellen zwischen Kabelteilslücken die Verbindung der aus vielen Linzeileitern bestehenden Leiterschichten erhebliche Schwierigkeiten und ist mit hohem Aufwand verbunden. Letzteres gilt auch für die aus der deutschen Offenlegungsschrift I ^l)40 147 bekannte Leiteranordnung aus mehreren supraleitfähigen Leitersträngen, bei der sich im innersten konzentrischen Rohr eines aus konzentrischen Rohren als Wärmeschutz, aufgebauten tiefstgckühlten Kabels ein langgestreckter, rohrförmigen mit Durchbrechungen versehener Trägerkörper befindet, an dessen Innenwand die über die gesamte Länge der Anordnung ihre Lage zur Achse derselben fortlaufend ändernden Leiterstränge befestigt sind. Der Trägerkörper selbst wird dabei von einer Papier- oder Kunstsloffisolierung umschlossen, die mit dem durch die Durchbrechungen des Trägerkörpers hindurchtretenden Kühlmittel golii.nkt wird. Im übrigen sind bei dieser l.eiteranordnung keine koaxialen I.eiterpaare vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein supraleitendes Kabel mit wenigstens einem in einem Kühlmittelrohr angeordneten, gegebenenfalls aus vorgefertigten Teilstücken zusammengesetzten koaxialen Leiterpaar, dessen jeweils rohrförmi^er, aus supraleitendem und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzter Innen- und Außenleiter durch eine Kunststoffisolation voneinander getrennt sind, so auszugestalten, daß die Leiterpaare auf Trommeln aufgewickelt und in mög-60 liehst großen Längen zur Verlegungsstelle gebracht werden können. Gleichzeitig sollen die Leiterpaare möglichst einfach aufgebaut sein und die bei den starren rohrförmigen Leitern vorhandenen Vorteile einer direkten Kühlung beibehalten werden. 65 Diese Aufgabe wird erlindunusgcmäß dadurch gelöst, daß die Kunststoffisolation als ein bei Raum temperatur biegsamer rohrförmiger Träger ausgebildei ist, daß der Innen- und der Außenleiter aus jeweil;

aus

einem aus supraleitendem und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einer cinlagigen Wendel gewickelten Band bestehen, daß die den lnnenlcitcr bildende Wendel an der Innenseile des rohrförmigen Trägers anliegt und daß die den Außenleiter bildende Wendel auf die Außenseite des rohrförmigen Trägers aufgewickelt ist.

Ein in dieser Weise ausgebildetes Leiterpaar kann in großen Längen von beispielsweise mehreren hundert Metern gefertigt und auf Trommeln zum Verlcgungsort u transportiert und dort in das Kühlmittclrohr des Kabels eingezogen werden. Wenn das Kabel so lang ist, daß die Leiterpaare aus vorgefertigten Teilstücken zusammengesetzt werden müssen, was in der Regel der (•'all sein wird, wird infolge der großen Länge der ι Teilstückc die Anzahl der KupplungsstcUen entlang des Kabels, an denen die Supraleiter bei der Verlegung miteinander verbunden weiden müssen, erheblich verringert. Da die Kunststoffisolation als Trägerrohr ausgebildet ist, wird ein einfacher mechanischer Aufbau : erreicht und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität des l.citerpaares gesichert. Der jeweils aus einer einlagigen Wendel bestehende Innen- und Außenleiter ist ausreichend flexibel und wird durch das Trägerrohr mechanisch gehallen. Von dem Kühlmittel, das beim Betrieb des Kabels durch den Innenraum des rohrförmigen Trägers und an seiner Außenseite entlang fließt, werden die l.cilerwcndcln unmittelbar bespült und daher hervorragend gekühlt. Als Supraleitermalerial kommt für Wechselstromkabel insbesondere Niob, gegebenenfalls auch Blei, in 1 rage, AK elektrisch normalleitende Metalle, die zur elektrischen Stabilisierung der Supraleiter dienen, sind insbesondere Kupfer oder Aluminium geeignet. Unter elektrisch noimalleilcnden Metallen sind in diesem Zusammenhang solche Metalle zu verstehen, die bei der zur Herbeiführung des supraleitenden Zustande-! erforderlichen Betriebstemperatur, beispielsweise bei etwa 4 bis 5'K, elektrisch normalleitend sind.

Das den Innenleiler und das den Außenleiter bildende Band bestehen vorteilhaft aus einer supraleitenden und einer elektrisch iiormalleilenden Schicht, wobei jeweils die supraleitende Schicht dem rohrförmigen Träger zugewandt ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die normnllcilcndcn Schichten außerhalb des feldcrfüllten Raumes zwischen den Supraleitern liegen und somit Wcchselstromverluste im normalleitenden Metall vermieden werden. Um Verluste infolge von Magnclfcldunregelmäßigkeitcn an den Bandkanien zu vermeiden, sind die Wendeln ferner vorteilhaft den.rt gewickelt, daß die Bandkanten der nebcneinandcrliegendcn Windungen jeder Wendel auch noch nach Abkühlung auf die zur Herbeiführung der Supraleitfähigkeit erforderliche liefe Betriebstemperatur des Kabels dicht nebeneinander· liegen bzw, einander mit ihren supraleitenden Schichten etwas überlappen. Zum Zwecke der Überlappung kann die supraleitende Schicht vorteilhaft an einer Bundkanlc über die normulleilcnde Schicht überstehen und an der anderen Bandkante gegenüber der normalleitenden Schicht zurückgesetzt sein. Du sich die Wendeln beim Abkühlen in Längsrichtung uuscinun· dcr/ichcn können, ist ein Dehnungsausgleich leicht möglich.

die Wandstärke des Trägerrohres und damit der Durchmesser des Außenleiter möglichst klein gehalten werden kann. Während der Durchmesser des Innenleiters so groß gehalten werden muß, daß an der Oberfläche des Innenleiters das höchstzulässige Magnetfeld nicht überschritten wird, hängt der Durchmesser des Außenleiter im wesentlichen von der Durchschlagsfestigkeit des isolierenden Trägerrohres ab. Ein kleiner Außenleitcrdurchmesser erleichtert das Aufwickeln ι der Leiterpaare auf Trommeln und erlaubt es ferner, auch den Durchmesser und damit die Oberfläche des Kühlmittclrohrcs und der weiteren Rohre des Kabels klein zu halten, was wiederum zu einer Verringerung der zur Kabelobcrflächc proportionalen thermischen Verluste führt.

Da die im isolierenden Trägcrrohr entstehenden dielektrischen Verluste durch das flüssige Kühlmittel abgeführt werden müssen, sollen auch diese Verluste möglichst klein gehalten werden. Der tan Λ des Verlusiwinkels der für das Trägcrrohr verwendeten Kunststoffe sollte daher bei einer Temperatur von etwa 4 bis 5° K in der Größenordnung von etwa 10 ^δ liegen oder noch kleiner sein. Außerdem sollen die Kunststoffe eine kleine Dielektrizitätskonstante haben. Ecrncr ist es vorteilhaft, wenn die elastische Zugspaiiiumgsgrenze des isolierenden Trägerrohres größer ist als die bei Abkühlung auf die Betriebstemperatur im Trägerrohr auftretende Zugspannung, die gleich dem Produkt aus Elasli/ilätsmodul und Schrumpfung ist. Da sich bei Einhaltung dieser Bedingung das Trägcrrohr beim Abkühlen nur elastisch verformt, wird ein festes Einspannen der Leilerpaarc an den Kabelenden oder an den Enden der Leiterpaarlcilstücke ermöglicht, so daß keine weiteren Maßnahmen zum Dehnungsausgleich nötig sind. Der rohrförmige Träger eines Leitcrpaarlcilstückes kann dabei vorleilhafl aus einem einzigen durchgehenden Slück bestehen. Geeignete Kunststoffe sind beispielsweise Polyäthylen, Polytetrafluorethylen und Polyamide, wie Nylon. Im isolierenden Trägerrohr sollen ferner bei Abkühlung auf die tiefe Betriebstemperatur des Kabeis keine Risse auftreten, die zu einer Verminderung der elektrischen Spannungsfestigkcit führen könnten. Obwohl die bereits erwähnlen Kunststoffe unter normalen Bedingungen an sich nicht zur Rißbildung neigen, ist es dennoch aus Sicherheitsgründen vorteilhaft. di:n rohrförmigen Träger aus zwei koaxialen, bei Raumtemperatur biegsamen Kunststoffrohr!! und einer /wischen diesen Rohren angeordneten mehrlagigen 30 Wicklung aus Kunststoffolien aufzubauen. Die beiden koaxialen Kunststoff rohre, die verhältnismäßig dünn gehalten werden können, sorgen dabei insbesondere für die mechanische Stabilität, während durch die mehrlagige Wicklung aus Kunststoffolien eine hohe 55 elektrische Durchschlagsfestigkeit erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es. wenn die beiden Kunststoffrohr kühlmittcldicht sind, da dünn kein Kühlmittel in die Isolation eindringen kann und die Bildung von K uhlmitteldnmpf blasen innerhalb der Isolation ver-βο mieden wird. Vorzugsweise werden zu diesem Zweck Kunststoff rohre tuis einem durch Wärmebehandlung verdichteten Nylongeflecht verwendet, während die /wischen die Kunslsloffrohre gewickelten Kunststofffolien vorteilhaft aus Polyälhylcnfaser· oder PoIy-

'I?¹'⁰'.'' a . ,1,1 ,w Ii iiimiHtoffe für das isolierende 65 tetrufluoräthylcnfascrpapier bestehen.

Un der Auswahl der K iststone tiir ^l _{( R w man auf die} Klmlmitteldichtigkcit des rohr-

Trügerrohr sind eine Rohe von ^»^j^ _{cmc förmigen Trftgere keincn Werl lcgl}, _knnn der rohr-

haben, damit förmige Träger eines LeilerpaarleilstUcks auch aus

mehreren aneinandergesetzten, mechanisch ineinandergreifenden Rohrstücken bestehen. Durch einen solchen Aufbau kann eine Entlastung des rohrförmigen Trägers von Zugspannungen beim Abkühlen erreicht werden.

Eine Verbindung zwischen den einzelnen Leiterpaarteilslückcn des Kabels ist in einfacher Weise möglich, wenn man an den Störstellen zwischen zwei Leiterpaarteilstücken die Enden der rohrförmigen Träger im Außendurchmesser verringert und zur Verbindung der rohrförmigen Träger in diese ein Rohrstück einsteckt. Die Innenleiter der Leilcrpaarteilstücke werden dann an der Außenseite dieses Rohrstückes miteinander verbunden. Über der Verbindungsstelle und den im Außendurchmcsser verringerten Trägerenden werden zur Isolaiion vorteilhaft mehrere Isolierstoffhülsen aus Halbrohren übereinander und gegeneinander versetzt angeordnet, während die Außenleiter der Leiterpaarleilstücke außen um diese Hülsen herumgelegl und miteinander verbunden werden. Das in die rohrförmigen Träger eingesteckte Rohrstück kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall bestehen. Mit besonderem Vorteil verwendet man ein Rohrstück, das an der Außenseite aus Supraleitermatcrial und an der Innenseile aus elektrisch normallcitcndem Metall besteht. Das Supraleitermaterial der Innenlcitcr der beiden Lcitcrpaarteilstückc kann dann mit der Außenseite des Rohrstükkes beispielsweise durch Schweißen verbunden werden. Bei dieser Ausführung ist sowohl eine elektrische Stabilisierung als auch eine direkte Kühlung der Verbindungsstelle gewährleistet.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbcispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

I' i g. 1 zeigt schematisch im Querschnitt ein supraleitendes Drchstromkabel mit drei koaxialen Lciierpaarcn;

I" i g. 2 bis 4 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines koaxialen Leiterpaares;

F i g. 5 bis 7 zeigen eine bevorzugte Verbindung zwischen zwei Lcilerpaarteilstückcn;

F i g. 8 zeigt schcmalisch einen rohrförmigen Träger mit einem Innenlcilcr, dessen Bandkanlcn einander überlappen.

Der prinzipielle Aufbau eines supraleitenden Kabels mil mehreren koaxialen Lcitcrpaurcn ist am Heispiel eines Drchsiromkabcls in F i g. 1 dargestellt. In einem beispielsweise uus Edelstahl bestehenden Kühlrnittclrohr 1 befinden sich drei koaxiale Leitcrpuate 2 bis 4. Jedes koaxiale Leiterpaar besteht ims einem rohrförmigen Kunststofflager S, an dessen Innenseite ein zu einer Wendel gewickelter Innenleiter 6 anliegt und auf dessen Außenseite ein Außenleiter 7 wendelförmig aufgewickelt ist. Durch den freien Inncnruum jedes koaxialen Lciicrpuurcs und an der Außenseite der koaxialen Lcitcrpaaro cntlung slrümt beim Betrieb des Kübels das Kühlmittel 8, insbesondere flüssiges Helium. Das Kühlmittclrohr 1 ist außen von einem Struhlungsichild 9, beispielsweise aus Kupfer, umgeben, das durch flüssigen Stickstoff gekühlt wird, der durch die Rohre 10 fließt. Das Strahlungsschild 9 wird wiederum von einem Schutzrohr 11, beispielsweise uus Edelstahl, umschlossen. Der Raum zwischen dem Kühlmittclrohr 1 und dem Schulzrohr 11 ist beim Betrieb des Kabels evakuiert.

Ein TollstUck eines koaxialen Leitcrpaurcs für ein Kabel nach Fig. 1 ist schcmulisch in F i g. 2 dargestellt. In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, daß der Innenleiter 6 und der Außenleiter 7 jeweils aus einem Band bestehen, das zu einer einlagigen Wendel gewickelt ist. Der Innenleiter 6 liegt an der Innenseite des rohrförmigen Trägers 5 an, während der Außenleiter 7 auf die Außenseite des rohrförmigen Trägers 5 aufgewickelt ist. Bei der Herstellung des koaxialen Lciterpaarcs kann man beispielsweise so vorgehen, daß man zunächst den rohrförmigen Kunststofflager 5, beispielsweise aus Polyäthylen, herstellt, dann den zu

ίο einer Wendel gewickelten Innenleiter 6 in den rohrförmigen Träger einzieht und dann den Außenleiter 7 um den rohrförmigen Träger 5 herumwickelt. Man kann aber beispielsweise auch zunächst den Innenleiter 6 zu einer Wendel wickeln und dann diese Wendel mit dem rohrförmigen Träger 5 beispielsweise durch Strangpressen umgeben. Der wendclförmige Innenlcitcr 6 kann dabei durch einen Wickelkern oder Dorn so lange abgestützt werden, bis der rohrförinige Träger 5 die Stützfunktion übernimmt. Die Wendeln

ϊο des Innen- und des Außenleiters werden bei der Herstellung vorteilhaft mit so starker Überlappung gewickelt, daß auch noch nach Abkühlung auf die Betriebstemperatur des Kabels die Bandkanten der nebeneinanderliegendcn Windungen jeder Wendel

»5 dicht nebeneinander liegen bzw. einander mit ihren supraleitenden Schichten etwas überlappen. Die bei Raumtemperatur erforderliche Überlappung der Bandkanten ist aus der Schrumpfung des Leitcrmatcrials leicht zu ermitteln. Beispielsweise schrumpft ein bandförmigcr, aus einer Kupfcrschicht und einer supraleitenden Niobschicht zusammengesetzter Leiter bei Abkühlung von Raumtemperatur auf die Temperatur lies flüssigen Heliums um etwa 3,2°/_Oo·
Fine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines koaxialen Leilcrpaares ist im Längsschnitt in F i g. 3 dargestellt. Der rohrförmige Kunststofflager besieht bei dieser Ausführungsform aus zwei koaxialen, bei Raumtemperatur biegsamen Kunststoff rohren 31 und 32, zwischen die cmc mehrlagige Wicklung 33 aus Kunststoffolien eingewickelt ist. Als Material für die Kunststoffrohr 31 und 32 eignet sich insbesondere Nylon, das bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf etwa 4,2' K nur etwa 1 % schrumpft. Das inncnlicgendc Rohr 31 kann vorteilhaft derart hergestellt werden, daß der bereits zu einer Wendel gewickelte Innenlcitcr 34 mit einem mehrlagigen Ueiiccht aus Nylonfäden umsponnen wird. Nach dem Umspinnen kann das Nylongcflccht durch Verdichten kühlmittel· dicht gemacht werden, indem man es an seiner übcrfluche kurzzeitig auf eine Temperatur von etwa 150"C erwärmt. Man kann zu diesem Zweck beispielsweise den mit dem Nylongcflccht umsponnenen Innenlcitcr

34 durch einen Rohrofen hindurchziehen. Anschließend werden dann um das Rohr 31 eine Vielzahl von

SS Lagen aus Kunststoffolien, insbesondere aus Poly· ülhylcnfuscrpapicr oder Polyiclrufluorälhylcnfascrpapier, herumgewickelt. Dübel ist, wie in F i g. 3 angedeutet ist, darauf zu achten, duß die Bloßstellen zwischen den Windungen einer Luge durch eine Windung der nächsten Luge überdeckt werden, damit zwischen den Rohren 31 und 32 keine kurzen, von Kunststoffolien freien Wege entstehen. Zur Herstellung des Kunststoffrohr 32 wird anschließend die Wicklung 33 wiederum mit einem mehrlugigen Nylon-

ij geflecht umsponnen, welches ebenfalls durch eine Wärmebehandlung oberflächlich verdichtet wird. Um dus Rohr 32 wird dann der wondelförmigc Außenleiter

35 herumgewickelt. Dor Innenlcitcr 34 und der

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Außenleiter 35 bestehen jeweils aus einem Kupferband 36 bzw. 37, das jeweils an einer Seite mit einer Niobschicht 38 bzw. 39 beschichtet ist. Die supraleitenden Schichten 38 und 39 sind jeweils dem rohrförmigen Träger zugewandt. Beim Abkühlen von Raumtemperatur auf die Temperatur des flüssigen Heliums schrumpfen die Polyäthylenfolien um etwa 2,6¹Vo ¹¹¹¹¹I die Polylelralluoräthylenfolien um etwa 2,2 °/o· «i'so etwas stärker als die Nylonrohre. Wenn man an den Enden des rohrförmigen Trägers die Rohre 31 und 32 und die Folien 33 beispielsweise durch Verkleben oder durch eine geeignete Wärmebehandlung miteinander verbindet, wird ein einfacher Dehnungsausgleich jedoch dadurch erreicht, daß sich die einzelnen Windungen der Folienwicklung 33 beim Abkühlen etwas auseinander/iehen. Die Rohre 3! und 32 können beispielsweise etwa I mm stark sein, während die Folienwicklung 33 eine (iesamtdicke von etwa I bis 2 cm haben und aus einer Vielzahl von beispielsweise etwa 100μ starken Kunststoffolien bestehen kann. Der Außendurchmesser der Inncnlcitcrwendel 34 kann dabei etwa 6 cm betragen, während das Kupferband 36 b/w. 37 des Innen- und Außenleiters etwa 2 mm stark und die Niobschichten 38 und 39 etwa 0,5 mm stark sind. Neben ihrer Kühlmitieldichligkeil haben die Rohre 31 und 32 den Vorteil, daß mc die zwischen ihnen liegende Kuiistsloffwicklung 33 bei längeren Lagerzeiten und insbesondere bei der Verlegung des Kabels im Freien vor atmosphärischen Einflüssen, besonders vor Feuchtigkeit, schützen.

I i g. 4 zeigt im Längsschnitt eint· andere Ausführungsform eines koaxialen Leiierpaares, bei welcher der rohrförmig!: Träger eines Leiterpaarteilstiickes aus mehreren aneinandergesetzten, mechanisch ineinandergreifenden Kunststoffrohrslücken 41 bis 43 besteht. l)urch einen solchen Aufbau wird der rohrförmige Kunststofflager hei der Abkühlung von Zugspannungen entlastet. An einem linde jedes Rohrstückes ist jeweils ein ringförmiger Fortsatz 44 vorgesehen, der in eine Ringnut 45 eingreift, die sich am anderen linde jedes Rohrstückes befindet. Der Fortsatz 44 soll dabei möglichst lang und die Nut 45 möglichst lief sein, damit der isoiiermaierialfreie Weg 46 zwischen der Innenleilerwendel 47 und der Außenleiterwendcl 48 möglichst lang wird. Indem man die Wunde der Nut 45 etwas abschrägt, kann die Flexibilität des rohrförmigen Trügers im Oncrluppungshcreich der Rohrstückc erhöht werden.

Wie bereits erwähnt, müssen bei einsprechender Kubellllnge die luden der einzelnen 1 eiierpaarteilsl(Icke an ilen StolMcllcn miteinander verbunden werden. I ine vorteilhafte Verhindungsmöglichkeit ist in den F i g. 5 hin 7 dargestellt. F i g. 5 zeigt eine Sloßstellc zwischen zwei l.eiterpnarcn im Lungs· schnitt, I i g. fi einen Querschnitt durch F i g. 5 entlang der Linie AIi. Die rohrförmigen Träger 51 und 52 der beiden l.eiterpaartcilstüeke sind an ihren Enden 53 und 54 im Außendurchmesser verringert, Zur Verbindung beider luden wird in diese zunächst ein Hohrstüek 55 derart eingeschoben, daß es mil seinen Enden innerhalb der Inncnlclierwondeln 56 und 57 /i\ liegen kommt. Dax Rohrslüek 55 ist aus zwei konzentrischen Schichten aufgebaut; die Außenschicht 58 besteht aus Niob, die Innenschicht 5V aus Kupfer, das zur elektrischen Stabilisierung des Niobs dient. Zur elektrischen Verbindung der Innen· leitet 56 und 57 wird zunächst an den Enden 60 und 61 der Innenleiter das Stabilisierungskupfer 62 entfernt, so daß die Leiterenden nur noch aus Niob 63 bestehen. Anschließend werden die Leilerenden 60 und 61 außen um das Rohrstück 55 herumgelegl und mit

dessen Außenseite 58, die ebenfalls aus Niob besteht, beispielsweise durch Schweißen, verbunden. Um die Verbindungsstelle wird dann eine Kunststoffhülse herumgelegt, die aus zwei Halbrohren 64 und 65 besteht. Um diese Hülse und die im Außendurchmesser verringerten Enden 53 und 54 der rohrförmigen Träger 51 und 52 wird dann eine zweite Kunststoffhülse aus z-wei Halbrohren 66 und 67 gelegt. Wie F i g. 6 zeigt, werden die Spalten zwischen den beiden Halbrohren jeder Hülse vorteilhaft gegeneinander

• 5 versetzt, so daß die freien Spalten zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter des Kabels möglichst lang werden. Um die aus den Halbrohren 66 und 67 bestehende Hülse werden dann die Enden 68 und 69 der wendeiförmigen Außenleiter der beiden Leiter-

ao paarteilstücke herumgelegt. Eine Möglichkeit zur Verbindung der Enden 68 und 69 zeigt F i g. 7. Zunächst wird an den Enden das Slabilisierungskupfer70 entfernt, so daß das supraleitende Niob 71 freiliegt. Die Niobenden 71 der beiden Leiter werden dann bei 72 miteinander verschweißt. Für den Fall, daß das Kunststoffmalerial der aus den Halbrohren 66 und 67 bestehenden Hülse, um welche die Leilerenden 68 und 69 beim Verschweißen herumgelegl sind, die Schweißtemperatur nicht aushalten sollten, können in

dieser Hülse halbrohrförmige Einsätze 73 und 74 aus hitz.cbeständigem Material, beispielsweise Keramik oder Asbest, vorgesehen sein. Nach dem Verschweißen der Niobenden 71 wird schließlich zum Verbinden des Stabilisierungskupfers 70 ein Kupferhand 75 auf-

gelegt und bei 76 und 77 mit dem Slabilisierungskiipfcr 70 verschweißt. Eine andere voiteilhafte Verbindung*- möglichkeii für die Enden 68 und 69 der Außenleiter besteht darin, daß man beispielsweise an Stelle der halbrohrrörmigen Einsätze 73 und 74 aus hitzehe-

ständigem Material eine aus zwei Halbrohren bestehende Hülse aus Supraleitermaterial, im vorliegenden Beispiel aus Niob, vorsieht und die Niobenden 71 der beiden Außenleiter mit der Außenseite dieser Hülse, beispielsweise durch Schweißen, verbindet.

»5 Anschließend wird dann wiederum das Slahilisieningskupfer 70 der beiden l.eiterenden miteinander verbunden. Die erläuterte Verbindungstechnik hai insbesondere den Vorteil, daß sie einfach uingefllhrl werden kann und daß auch an den besonders kritischen

so Verbindungsstellen die unmittelbare Kühlung des Innenleilers und des Außenleiter durch das Kühl· mittel erhalten bleibt.

Einige wichtige elektrische und mechanische Daten der vorstehend erwühnicn Kunststoffe sind in der

folgenden Tabelle angegeben.

Zu den Tahellcnwerlcn ist zu bemerken, daß die Zugfestigkeit bei liefen Temperaluren noch wesentlich höher liegt als bei der Temperatur von 29.VK. für welche die Werte in der Tabelle angegeben sind.

In Fig. H ist eine an der Innenseite eines rohrförmigen Kunstsiofftrilgers 81 anliegende bandförmige Innenleiterweinlol dargestellt, bei welcher die nebeneinanderliegenden Windungen einander mit ihren supraleitenden Schichten überlappen. Die supraleitende

°5 Schicht 82 ist dabei gegenüber der norimillciienden Schicht 83 des Handes derart versetzt angeordnet, daß sie an einer Handkante über diese überstehl und im «lcr anderen Handkanle geaenüher dieser zurück·

Il

gesetzt isi. Ein solches Hand kann heispielsweisedadurch iiergeslclll werden, dall man ein Niobband 82 auf ein Kupferband 83 auf planiert. Diese Art der Überlappung hai den Vorteil, dall an den Kundkanten keinerlei /usäl/liehen Verluste im Kupfer entstehen. Die erlindungsgemüllen flexiblen, koaxialen Leiterpaarc können natürlich auch bei Kabeln verwendet werden, bei denen das Kühlmittelrohr, das Strahlungsschild und das äußere Schutzrohr flexibel, beispielsweise aus Wellrohr, ausgebildet sind. Auch bei

solchen Kabeln kann von den vorteilhaften Eigenschaften der Lciterpaure, insbesondere \on deren leichten Transportfähigkeit, Gebrauch gemacht werden. Um bei solchen Kabeln eine ausreichende mechanische Stabilität /u erreichen, sind jedoch /wischen den flexiblen Aullenrohren /ahlreiche Abstützungen erforderlich, welche die Wärmeisolation verschlechtern. Kabel mit starrem Kühlmiltelrohr, Strahlungsschild und Schutzrohr werden daher bevorzugt.

	Polyäthylen	l'ulytclrafluoräihylen	N>Um
lan Λ bei 4,2" K	1,5· H) '·	1,2· 10"	2-10 '
Dielektrizitätskonstante ι bei 4,2 K Elektrische Durchschlagfestigkeit bei 4 T1K	2,25 92 kV,mm	2,1 134 kV /mm	2,4 111 kV mm
Schrumpfung e Elastizitätsmodul /:" bei 293" K ... Auftretende Zugspannung e · E ... Zugfestigkeit bei 2l).V K	■) All/ 200 bis 14(M)N/nimJ 52 bis 36,4 N/nim- 8 bis 33 N;nim-	2,2"/,, 350 N/mm- 7,7 N/mm- 20 N/mm-	0.1>70..„ 17(X) N/mm- l(i,5 N/mm- 50 bis 55 N niiii;
	Hier/.u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L Supraleitendes Kabel, insbesondere supraleitendes Wechselstromkabel, mit wenigstens einem in einem Kühlmittelrohr angeordneten, gegegebenfalls aus vorgefertigten Teilstücken zusammengesetzten, koaxialen Leiterpaar, dessen jeweils rohrförmiger, aus supraleitendem und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzter Innen- und Außenleiter durch eine m Kunststoffisolation voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffisolation als ein bei Raumtemperatur biegsamer rohrförmiger Träger ausgebildet ist, daß der Innen- und der Außenleiter aus jeweils einem aus supraleitendem und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten, zu einer einlagigen Wendel gewickelten Band bestehen, daß die den Innenleiter bildende Wendel an der Innenseite des rohrförmigen Trägers anliegt und daß die den Außenleiter bildende Wendel auf die Außenseite des rohrförmigen Träger aufgewickelt