DE2202288C3 - Tiefsttemperaturkabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tiefsttemperaturkabel bzw. Kryokabel, bestehend aus einer ersten Lage leitfähigen Materials und einer durch Einrichtungen hierfür unter Abstand gehaltener zweiten Lage aus einem supraleitenden Material.

Ein solches Tiefsttemperaturkabel ist durch die DE-OS 1665721 bekanntgeworden, wobei ein supraleitendes Gleichstromkabel, wobei als zu den Teilleitern parallel liegender Normalleiter ein Trägerrohr aus elektrisch gut leitendem Material verwendet wird. Damit durch das Trägerrohr ein Kurzschluß benachbarter Teilleiter bewirkt und damit der Effekt der Unterteilung des Supraleiters aufgehoben wird, sind die Teilleiter nicht unmittelbar auf das Trägerrohr aufgebracht, sondern unter Zwischenfügen einer halbleitenden Schicht. Die halbleitende Schicht ist hierbei so bemessen, daß sie einerseits einen ausreichenden Stromübergang zum Trägerrohr im Falle der Transition zuläßt, andererseits jedoch verhindert, daß bei den unter normalen Betriebsverhältnissen zu erwartenden Belastungsänderungen ein Stromübergang zwischen den Teilleitcrn auftritt, der mehr als ein Zehntel des Nennstroms beträgt.

Andere bekannte Tiefsttemperaturkabel besitzen eine supraleitende auf ein kältebeständiges Material abgeschiedene Schicht. Der elektrische und thermische Widerstand dieser Struktur soll auch so gering wie möglich sein, um die Stabilisierung des so gebildeten zusammengesetzten Leiters zu ermöglichen. Beim Übergang der supraleitenden Schicht oder Lage in den normalen oder gesperrten Zustand passiert der Strom in die kältebeständige Lage. Eine solche Struktur ist von kompliziertem Aufbau und weist den Nachteil auf, daß die Blockierung der supraleitenden Lage nur auf einen Bereich geringer Ausdehnung begrenzt wird, was zu Beschädigungen durch thermischen Effekt führen kann und was darüber hinaus sich lokal der Rückkehr der supraleitenden Lage in ihren anfänglichen supraleitenden Zustand widersetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Tiefsttemperaturkabel für ihren Einsatzzweck beser geeignet zu machen, insbesondere eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, mit der bei einem nicht erwünschten Betriebszustand der Übergang eines Kabelabschnitts aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand gemessen werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß überraschend einfach erreicht durch punktförmige elektrische Verbindungen zwischen den beiden Lagen, die durch ein nichtleitendes Kunststoffmaterial unter Abstand gehalten werden, wobei die punktförmigen Verbindungen über Drähte in dem Kabel entlang nach außen zu einer Meß vorrichtung geführt sind.

Vorzugswehe weist das nicht-leitende Kunststoffmaterial großen spezifischen Widerstand auf und liegt diskontinuierlich zwischen erster und zweiter Lage.

Zweckmäßig ist dieses Material großen spezifischen Widerstandes zwischen erste und zweite Lage in Form eines Wulstes gelegt, mit dem diese erste Lage spiralartig bandagiert ist.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt das Tiefsttemperaturkabel eine zur Innenstruktur koaxiale von dieser durch Isoliermaterial getrennte Außenstruktur; zwei Kältefluidleitungen, die eine um die Außenstruktur herum, die andere in der Achse der Innenstruktur, wobei die supraleitenden Lagen zwischen den Lagen aus leitfähigem Material vorgesehen sind.

Günstig is! es, daß die supraleitenden Lagen spiralförmig mit gleicher Steigung und in gleicher Richtung angeordnet sind.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird also nicht nur bei einem nicht erwünschten Betriebszustand der Übergang eines Kabelabschniits aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand gemessen, es wird auch der Strom zwischen den Lagen bei evtl. Verlust des supraleitenden Zustands so verteilt, daß ein wirksamer Schutz des Tiefsttemperaturkabel herbeigeführt wird; mechanische und axiale sowie radiale Spannungen aufgrund der Kälteeinwirkung auf bestimmte Elemente des Tiefsttemperaturkabels werden weitestgehend vermieden; eine dauernde Regelung der günstigsten Arbeitsweise beim Betrieb des Tiefsttemperaturkabels wird herbeigeführt, zumal die Meßdrähte das Tiefsttemperaturkabel mittels Schaltern ziemlich geringer Arbeitsgeschwindigkeit schützen, wobei die gegebenenfalls in der supraleitenden Lage in der Höhe des gesperrten Bereichs auftretende Stromstärke schnell vermindert und damit die Beschädigung dieses Bereichs vermieden wird.

in hervorragender Weise wird mit der Maßnahme nach der Erfindung der Zustand lokaler Transition vom supraleitenden Zustand in den normallcitenden

Zustand festgestellt.

Die Erfindung soll nun anhand beispielsweiser Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch im Stufenschnitt eine schematische Darstellung eines Tiefsttempcraturkabels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung im Längsschnitt des genannten Kryokabels.

Sich entsprechende Elemente tragen in den beiden Figuren gleiche Bezugszeichen.

Fig. 1 zeigt perspektivisch im Stufenschnitt ein Kryokabel, bestehend aus einer koaxialen Innenstruktur 1. welche aufweist:

- eine, zentrale Leitung 2 in der Achse der Innenstruktur, die für die Zirkulation eines Kälte erzeugenden Fluids sorgt. Diese zentrale Leitung kann beispielsweise aus einem synthetischen isolierenden perforierten Material gebildet sein;

- einer ersten Lage 3 aus einem leitfähigen Material bestehend aus dicken Bändern aus tiefsttemperaturbeständigem Aluminium oder Kupfer, welche spiralartig um die zentrale Leitung 2 gewickelt sind;

- einer zweiten Lage aus einem supraleitendem Material 4, bestehend aus Niobbändern, die spiralförmig um die erste Lage gewickelt sind, wobei diese Spiralen einen Wicklungssinn entgegengesetzt zum Wicklungssinn der Spiralen der ersten Lage aufweisen;

- einem Material 4 großen spezifischen elektrischen Widerstandes, insbesondere bei niedriger Temperatur (auch kryobeständig genannt), welches zwischen die ersten und zweiten Lagen gelegt ist. Dieses Material ist zwischen die beiden Lagen in Form eines Drahtes oder Wulstes erheblichen Querschnittes gelegt, der spiralförmig mit nicht-anüegenden Spiralen auf die erste Lage 3 aus leitfähigem Material gewickelt ist.

Die Dicke dieses Wulstes ist wenigstens gleich derjenigen der Lage aus supraleitendem Material.

Das Kryokabel besteht im übrigen aus einer koaxialen Außenstruktur 7, die von der Innenstruktur beispielsweise durch ein dickes Polyäthylenband getrennt ist, das elektrisch Innen- und Außenstruktur voneinander isoliert.

Diese Außenstruktur umfaßt:

Eine erste Lage oder Bahn aus einem supraleitenden Material 9, die beispielsweise aus Niobbändern gebildet ist, welche spiralförmig um das dicke und isolierende Band 8 gewickelt sind; einen Wulst mit großem spezifischen elektrischen Widerstand 10, der wie im Fall der ersten Struktur ein Draht erheblichen Querschnittes ist, der spiralförmig mit nicht-anüegenden Spiralen um die erste Lage gewickelt ist; eine zweite Lage 11 aus einem leitfähigen Material, welches aus einem dicken Aluminiumband gebildet ist, das spiralförmig um den Wulst 10 gewickelt ist; eine andere Leitung 12, die für eine Zirkulation eines Kälte erzeugenden Fluids um die beiden koaxialen Strukturen sorgt.

Im übrigen ist auf dieser Figur ein breites Band 14 dargestellt, das spiralförmig auf die zentrale Leitung 2 gewickelt ist. Dieses Band kann aus Kupfer bestehen; es ist dazu bestimmt, den Wärmeaustausch zwischen dem Kälte erzeugenden in der zentralen Leitung zirkulierenden Fluid und der ersten Lage aus Aluminium zu begünstigen. Diese zentrale Leitung ist mit Nuten 16 und Bohrungen 17 versehen, die dazu bestimmt sind, die Fortpflanzung des Kälte erzeugenden Fluids bis zur zweiten Lage des supraleitenden Materials zu ermöglichen.

Das Kälte erzeugende Fluid gelangt bis zu dieser zweiten Lage über die Bohrungen 17 und über die Zwischenräume zwischen den Spiralen der ersten Lage aus leitfähigem Material 3.

Der isolierende Wulst 10 ist spiralförmig mit Spiralen von sehr großem Abstand gewickelt, welches es dem Kälte erzeugenden Fluid ermöglicht, leicht zwischen der ersten Lage 3 und der zweiten Lage 4 zu zirkulieren und so in direkten Kontakt mit dieser zweiten Lage aus supraleitendem Material zu kommen. Die Isolierung 8 isoliert elektrisch die ersten und zweitei» Strukturen und ist in sich überlagernden Schichten mit Band umwickelt.

Die äußere Struktur ist mit einem breiten Band 15 aus Kupfer in Kontakt mit der zweiten Lage aus leitfähigem Material 11 versehen, wobei dieses spiralförmig gewickelte Band den Wärmeaustausch zwischen dem Kälte erzeugenden, bei 18 in der Leitung 12 zirkulierenden Fluid und der leitenden Lage 11 begünstigt. Wie im Falle der ersten Struktur erreicht das Tiefsttemperaturfluid bzw. Kälte erzeugende Fluid leicht die erste supraleitende Lage 9 und zirkuliert leicht zwischen der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 aufgrund des Wulstes 10, der spiralförmig mit Spiralen von sehr großem Abstand gewickelt ist.

Man sieht, daß die Bandausbildungen 14 und 15, die den Wärmeaustausch begünstigen sollen, fortfallen können.

Der Wulst 10 spielt eine wichtige Rolle in jeder der Strukturen. Er ermöglicht das Vorhandensein des Kälte erzeugenden Fluids zwischen den kryobeständigen und supraleitenden Lagen. Er entfernt die beiden Lagen derart voneinander, daß verhindert wird, daß das Leckfeld aufgrund der kleinen Entfernungen zwischen den Bändern aus supraleitendem Material nicht die Lage aus leitfähigem Material erreicht, was zu einer zu starken Erwärmung dieser Lage führen würde. Seine Hauptrolle besteht darin, die Verteilung des Stroms zwischen den Lagen bei eventuellem Verlust des supraleitenden Zustands zu konditionieren und hierbei einen Detektor- oder Meßzustand herbeizuführen, der einen wirksamen Schutz des Kryokabels ermöglicht.

Die Lagen aus leitfähigem Material 3 und 11 der Innen- und Außenstruktur sind spiralbandmäßig in entgegengesetzter Richtung mit entgegengesetztem Steigungssinn, jedoch im wesenltichen im gleichen Winkel bezogen auf die Achse des Kryokabels gewikkelt. Der Zweck hiervon ist, die mechanischen axialen und radialen Spannungen zu vermeiden, die zwischen den Strukturen wirken, wenn das Kryokabel der Kälte ausgesetzt wird. Darüber hinaus vermeidet diese Anordnung, daß ein erhebliches Torsionsmoment das Kryokabel bei dessen Aufwicklung auf einem Drehkopf für seinen Transport und das Ablegen auf den Erdboden beschädigt.

Die Aluminiumbänder der ersten Schicht und der supraleitenden zweiten Lage werden aus dem gleichen Grunde mit erheblicher Dicke gewählt. Die supraleitenden Bänder werden spiralförmig mit gleichem Steigungssinn und gleicher Richtung bei den beiden Strukturen gewickelt, um nicht ein Magnetfeld in Höhe der Innenlage aus leitendem Material 3 zu erzeugen.

Diese besonders vorteilhafte Anordnung ermöglicht es, ein Kryokabel großer Länge (beispielsweise von 400 m nicht-variabler Länge), wenn es abgekühlt wird, herzustellen, dessen Struktur nicht durch mechanische Spannungen aufgrund einer erheblichen thermischen Änderung oder einer Verformung des Kryokabels, v.. nn dieses auf einen Drehkopf gewikkelt wird, beschädigt wird.

Die Vorteile des Kryokabels nach der Erfindung ergeben sich mit Bezug auf die Beschreibug der Fi g. 2, die das Kryokabel im schematischen Längsschnitt zeigt.

In dieser Figur sind im übrigen elektrische Verbindungsdrähte 19, 20, 21, 22 dargestellt.

Nach einer ersten Variante der Erfindung sind die Verbindur.gsdrähte 19 und 20 an verschiedenen Stellen des Wulstes 5 aus Material großen elektrischen spezifischen Widerstandes der ersten Struktur angeschlossen; die Drähte 21 und 22 sind mit dem Wulst 10 der zweiten Struktur verbunden.

Jeder Kryoakabelabschnitt hat eine Länge von 400 m beispielsweise; ein Verbindungsdraht ist an jedem Ende des Abschnittes angeordnet. Nach dieser ersten Variante der Erfindung ist der Wulst ein Draht großen spezifischen Widerstandes (100 Ohm-cm etwa, beispielsweise aus mit füllstoffbeladenem Polyäthylen). Wenn die supraleitende Lage sperrt, geht der Strom in die leitende Lage über den Wulst großen spezifischen Widerstandes über, dessen Spiralen in Kontakt mit jeder der beiden leitfähigen und supraleitenden Lagen sind. Die gerade beschriebenen Verbindungsdrähte ermöglichen im übrigen die Messung oder Ermittlung des Kryokabelabschnittes, der aus dem supraleitenden Zustand in den gesperrten Zustand übergegangen ist. Der Strom in jeder Lage hängt ab von der Abszisse des längs des Abschnittes blokkierten Bereiches.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist das Material großen spezifischen Widerstandes, welches den Wulst bildet, ein elektrischer Isolierstoff. Der elektrische Kontakt wird nur an bestimmten Punkten längs des betrachteten Kryokabelabschnittes hergestellt. Beispielsweise an den Punkten 23 und 24 für die Innenstruktur und an den Stellen 25 und 26 für die Außenstruktur.

Man ordnet die Detektordrähte 19, 20, 21, 22 wie vorher an, um die Sperrung der supraleitenden Lagen zu messen. Beim Sperren der supraleitenden Lage geht der Strom in die leitende Lage über Kontakte wie 23, 24, 25, 26. Diese Detektor- oder Meßdrähte sind von einer Bleihülle umgeben und münden beispielsweise in die zentrale Leitung 2 für die Innenstruktur und die Leitung 12 für die Außenstruktur.

Die Verbindungsdrähte ermöglichen die dauernde Regelung einer günstigen Arbeitsweise des Kryokabels. Jeder Vorfall, der zu einem lokalen Verlust des supraleitenden Zustandes der supraleitenden Lage führt, stellt sich als eine langsame Erwärmung dieser Lage dar. Die Verbindungsdrähte, die die Messung dieses Vorfalls ermöglichen, erlauben im übrigen, das Kryokabel mittels Schaltern mit ziemlich geringer Arbeitsgeschwindigkeit zu schützen. Bei einem Sperren und nach der ersten Variante der erfindungsgemäßen Maßnahme durchsetzt der Strom die leitende Lage auf einer Länge von 200 m zu beiden Seiten des gesperrten Bereiches, wenn man Abschnitte von 400 m Länge betrachtet. Diese besonders vorteilhafte Anordnung ermöglicht es, schnell die Stromstärke in der supraleitenden Lage in Höhe des gesperrten Bereiches der supraleitenden Lage zu vermindern und damit die Beschädigung dieses Bereiches zu vermeiden. Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei einem Blockieren die Impedanz der supraleitenden Lage größer als die der leitenden oder kältebeständigen Lage ist.

Der durch den Stromdurchgang in der leitenden Lage erzeugte Spannungsabfall ermöglicht es auf etliche JOOm die Sperrung zu ermitteln.

Die Verbindungsdrähte ermöglichen es auch, das Vorhandensein eines Magnetfeldes im Raum zwischen der leitenden Lage und der supraleitenden Lage zu ermitteln. Dieses Magnetfeld tritt aufgrund des Sperrens der supraleitenden Lage auf. Eine induzierte Spannung tritt zwischen den Punkten 23 und 24 oder zwischen den Punkten 25 und 26 auf. Die Lokalisierung des gesperrten Bereiches erfolgt durch Vergleich der Spannungen an den Enden der Verbindungsdrähte verschiedener benachbarter Abschnitte.

Nach der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Maßnahme ist der Wulst mit großem spezifischem Widerstand ein elektrischer Isolierstoff. Der elektrische Kontakt wird in regelmäßigen Intervallen zwischen leitender und supraleitender Lage hergestellt, beispielsweise am Ende jedes Abschnittes alle 400 m. Die Ermittlung des Sperrens erfolgt in gleicher Weise wie nach der ersten Variante; jedoch hängt der Strom in jeder Lage nicht von der Abszisse des längs des Abschnittes gesperrten Bereiches ab.

Selbstverständlich kann die Anzahl von Verbindungspunkten, die gleich zwei für jede Struktur eines Abschnittes von 400 m gewählt wurde, höher liegen.

Selbstverständlich sind auch die gerade beschriebenen schematischen Figuren nichts weiter als ein Ausführungsbeispiel für ein Kryokabel nach der Erfindung. Ein Material und sein zugeordnetes, hier für Wechselstrom beschriebenes Meßsystem können auch für Gleichstrom Anwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Tiefsttemperaturkabel bzw. Kryokabel, bestehend aus einer ersten Lage leitfähigen Materials und einer durch Einrichtungen hierfür unter Abstand gehaltener zweiten Lage aus einem supraleitenden Material, gekennzeichnet durch punktförmige elektrische Verbindungen (23; 24 bzw. 25; 26) zwischen den beiden Lagen, die durch ein nicht-leitendes Kunststoffmaterial unter Abstand gehalten werden, wobei die punktförmigen Verbindungen über Drähte in dem Kabel entlang nach außen zu einer Meßvorrichtung geführt sind.

2. Tiefsttemperaturkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-leitende Kunststoffmaterial (5) großen spezifischen Widerstand aufweist und diskontinuierlich zwischen erster (3) und zweiter (4) Lage liegt.

3. Tiefsttemperaturkabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material (S) großen spezifischen Widerstandes zwischen erste und zweite Lage in Form eines Wulstes gelegt ist, mit dem diese erste Lage spiralartig bandagiert ist.

4. Tiefsttemperaturkabel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zur Innenstruktur (1) koaxiale, von dieser durch Isoliermaterial (8) getrennte Außenstruktur (7); durch zwei Kältefluidleitungen, die eine um die Außenstruktur (7) herum, die andere in der Achse der Innenstruktur (1), wobei die supraleitenden Lagen (4 bzw. 9) zwischen den Lagen aus leitfähigem Material (3 bzw. 11) vorgesehen sind.

5. Tiefsttemperaturkabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Lagen (4 bzw. 9) spiralförmig mit gleicher Steigung und in gleicher Richtung angeordnet sind.