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Hochspannungskabel.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes elektrisches Hochspannungskabel.
Wenn man die Isolation eines Hoehspannungskabels in konzentrische Ringelemente unterteilt, dann besitzt jeder dieser Ringe eine elektrostatische Kapazität, deren Wert seinem radialen Abstand von der Mitte des Kabels direkt proportional ist. Diese Einzelkapazitäten, bekannt unter dem Namen Teilkapazitäten, bestimmen im weiten Ausmass die elektrischen Eigenschaften des Kabels. Die Änderung der Kapazität vom Leiter gegen aussen ergibt eine derartige Spannungsverteilung, dass das Produkt aus dem radialen Spannungsabfall multipliziert mit der elektrostatischen Kapazität für jedes konzentrische Ringelement konstant ist. Als Folge hievon ist die elektrostatische Belastung im Gebiete des Leiters am grössten und verringert sich in dem Masse, als die Distanz vom Leiter grösser wird.
Je grösser das Verhältnis des Kriimmungsradiusses der Aussenfläche des Dielektrikums gegeniiber dem Krümmungsradius der äusseren Leiteroberfläche ist, in umso grösserem Masse wird die Beanspruchung quer durch das Dielektrikum sehwanken, so dass es unter gewissen Umständen notwendig sein kann, die mittlere Beanspruchung zu vergrössern, um eine geringere Höchstbeanspruchung zu erhalten, indem man den Durchmesser des Leiters auf eine vorher berechnete Grösse erhöht. Dies ist allgemein üblich bei Höchstspannungskabeln oder bei niedrigeren Spannungen, wo der Durchmesser des Leiters gering ist. Um die günstigsten Höçhstbeanspruchungsbedingungen zu erzielen, soll das Verhältnis zwischen Aussen- und Innenradius der Isolation nicht grösser sein als 2-718 (e).
Unter diesen Umständen ist die mittlere Beanspruchung nur 58% der maximalen Beanspruchung.
Wenn alle Teilkapazitäten den gleichen Wert hätten, wäre der radiale Spannungsabfall in jedem konzentrischen Ringelement gleich gross und die elektrostatische Beanspruchung wäre innerhalb der ganzen Isolation einheitlich. In diesem Falle würde sich bei unverminderter Isolationsstärke eine sehr beträchtliche Verringerung des Höchstwertes der elektrostatischen Beanspruchung in einem gegebenen Kabel ergeben, was einer Erhöhung des Sicherheitsfaktors gegen Durchschläge gleichkommt.
Es wurde vorgeschlagen, diesen Ausgleich der Teilkapazitäten durch Verwendung von IsolationsMaterialien mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten zu erreichen, so dass das Produkt des geo-
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Weiters wurde schon vorgeschlagen, das Dielektrikum durch Anordnung von metallischen
Zwischenhüllen in eine Anzahl von Elementen zu unterteilen, wobei das Potentialgefälle jedes Elementes durch Verbindung der Zwischenhülle mit einem Transformator oder einer Aussenkapazität auf einen bestimmten Wert festgelegt wird, wodurch gewährleistet wird, dass die maximale Beanspruchung jeder Schichte die gleiche Grösse erreicht. Diese Methode ist anfechtbar, da, komplizierte Transformator- Wicklungen notwendig sind, um die kapazitiven Ströme für die einzelnen Zwischenhüllen zu liefern und weiters deshalb, weil die Vielheit von Transformator-Anzapfungen weitere Gefahrenmomente in sich schliesst. Dieses System wurde daher praktisch nicht ausgewertet.
Es wurde endlich vorgeschlagen, jeder Teilkapazität einen Kondensator oder eine Kapazität von solcher Grösse parallel zu schalten, dass der resultierende Wert jeder Teilkapazität zusammen mit dem dazugehörigen Kondensator konstant wurde. Die Theorie dieser Anordnung wird in dem britischen Patent von Silbermann Nr. 218279 beschrieben. Nach dieser Patentschrift sind die Zusatzkondensatoren oder-Kapazitäten in dem Hohlleiter des Kabels enthalten. Praktische Schwierigkeiten haben sich bei den Verbindungen ergeben, wodurch diese Methode nicht wünschenswert ist, wenn der Sieherheitsgrad des ganzen Systems einschliesslich der Verbindungsstellen erhöht werden soll.
Die Hauptsehwierig- keit bei der Konstruktion der Verbindungen besteht im Herausführen der Kondensatorelektroden aus dem Inneren eines Hochspannung führenden zylindrischen Leiters.
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, diese Schwierigkeiten zu beseitigen und eine verbesserte Methode der Staffelung der Beanspruchung zu schaffen, woraus sieh eine einfache. für Hochspannungszwecke geeignete Konstruktion ergibt ; sie sieht weiters Mittel zur Gleichmachung der Teilkapazitäten bzw. zur Erhöhung des Kapazitätswertes der nahe an dem Leiter gelegenen Elemente vor-u. zw. innerhalb des Kabels selbst, aber ausserhalb des stromdurchflossenen Hauptleiters. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass Zwischenhüllen vorgesehen und die einzelnen Elemente des Kabels so dimensioniert werden, dass die erwünschte Staffelung der Kapazität erreicht wird.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Mittel zur künstlichen Erhöhung der Kapazität zwischen dem Leiter und einer Äquipotentialfläche oder eine zum Leiter konzentrisch angeordnete Zwischenhülle vorgesehen wird.
Entsprechend einem Erfindungsmerkmal wird ein Hochspannungskabel vorgeschlagen. das zwischen Leiter und Bleimantel eine Zwisehenhülle enthält, deren Potential durch eine Verbindung
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zu einer zweiten oder inneren Zwischenhülse gesteuert wird, welche den Leiter konzentrisch umgibt und von ihm isoliert ist. Das Verhältnis der Durchmesser des Leiters, der ersten und der zweiten Zwischen- hülle, sowie des Bleimantels zueinander ist so gewählt, dass das angestrebte Potential sich ergibt.
Vorzug- weise wird die Kapazität zwischen Leiter und zweiter oder innerer Hülle künstlich erhöht, indem beispielsweise der Leiter mit einem zwischen der ersten und zweiten Zwischenhülle angeordneten Schirm verbunden wird, oder indem man den Leiter in mehrere Teilleiter zerlegt, deren jeder von einer Hülle umgeben ist, welche die vorerwähnte zweite oder innere Hülle bildet.
Ein Schirm mit dem Potential des Leiters kann in einem entsprechenden Abstand zwischen der ersten und zweiten Zwischenhülle vorgesehen werden. Bei einer andern Konstruktion können die erwähnten Zwischenhüllen in direkter elektrischer Verbindung miteinander stehen, wenn der Leiter in mehrere Teilleiter aufgelöst und jeder mit einer Hülle umgeben ist.
Wenn man den Leiter in mehrere einzeln isolierte und abgeschirmte Teilleiter zerlegt und diese
Teilleiter verseilt und durch eine leitende Zwischenhülle umgibt, soll durch die Parallelschaltung der
Kapazitäten der abgeschirmten Teilleiter erreicht werden, dass ein grösserer Teil der Spannung auf die umliegende Gurtelisolation übertragen wird. Die Folge hievon ist, dass die Isolation des Kabels wirksamer ausgenützt wird, weil die mittlere Beanspruchung im Verhältnis zur Höchstbeanspruchung grösser wird.
Im nachfolgenden ist die Erfindung an Hand der beigegebenen Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 stellt eine bekannte Ausführung eines Kabels mit Ausgleichskondensatoren dar. Fig. 1 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung. Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Kabels, darstellend eine erfindungsgemässe Ausführungsart. Fig. 2 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung. Fig. 3 ist ein Kabel-Längsschnitt mit der schematischen Darstellung einer Verbindungsart bei solchen Kabeln. Fig. 4 ist ein Kabel-Längsschnitt, der eine andere Ausführungsart der Verbindungen zeigt. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemässen Einphasenkabels, bei welchem der Leiter aus vier Teilleitern besteht. Fig. 5 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt eines ähnlichen erfindungsgemässen Kabels, bei welchem der Leiter aus drei Teilleitern besteht. Fig. 7 zeigt eine abge- änderte Konstruktion eines erfindungsgemässen Einphasenkabels im Querschnitt. Fig. 7 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung. Fig. 8 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemässen Kabels. Fig. 8 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung. Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemässen ovalen Kabels. Fig. 10 ist ein Längsschnitt, der eine Kombination verschiedener Kabel und Verbindungen zeigt. Fig. 10 A ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei dieser Ausführung.
Fig. 10 B zeigt in schematischer Darstellung eine Kombination von Kabeln entsprechend Fig. 2 und solchen nach Fig. 6. Fig. 10 C zeigt in schematischer Darstellung eine Kombination von Kabeln entsprechend Fig. 6 und solchen gemäss Fig. 7.
Für die einander entsprechenden Teile wurden in allen Zeichnungen gleichartige Bezugszeichen gewählt.
Bei einer in Fig. 1 dargestellten bekannten Methode zum Ausgleich der Teilkapazitäten sind konzentrische Kondensatoren v', w'. x', y', deren Kapazitätswerte mit ihrem mittleren Potential abnehmen, in den rohrförmigen Kabelleiter eingeschlossen und an den Verbindungsstellen mit Zwischenhüllen verbunden, welche die Teilkapazitäten v, us in der Isolation erzeugen. Dies ist in Fig. 1 A schematisch dargestellt.
Im Idealfall ist
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In der Fig. 2, welche eine erfindungsgemässe Konstruktion darstellt, deren Schema aus Fig. 2 A ersichtlich ist, ist die Teilkapazität zwischen dem leitenden Schirm 2'mit dem Potential des Leiters und der äusseren Zwischenhülle 22 mit (u) bezeichnet. An Verbindungsstellen wird der Wert dieser Teilkapazität (v) durch Verbindung mit zwei Ausgleichskapazitäten und , welche durch Ein- fügung einer inneren Zwischenhnlle 2 in die Isolation. ? zwischen dem Leiter 1 und dem früher erwähnten Schirm 21 gebildet werden, vergrössert.
Es ist klar, dass durch die Vergrösserung der Kapazität (t') die Höchstbeanspruchung bei dem Schirm 21 und dem Leiter 1 verringert wird, da das Potential der elektrisch leitend miteinander verbundenen inneren und äusseren Zwischenhulen 2 und 22 vergrössert wird. Der Erdschirm oder Mantel ist mit 4 bezeichnet.
Zur leichteren Verständlichkeit ist der Sehirm 21
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abwechselnd aufeinander folgenden Typen von Verbindungsarten, die als Typen A und ss bezeichnet sind, hergestellt werden kann. Die Verbindungstype . dient zur Zusammenschaltung des Leiterpotential-Schirms 21 mit dem Leiter 1 mit Hilfe der Verbindung 5 und die Verbindungstype B dient
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prinzipien der Mehrleiterkabel bei der Konstruktion von Einleiterkabeln Anwendung und ein Leiter- potential-Sehirm wird unnötig. Es ist bekannt, dass die Mehrleiterkabel der Höehstädtertype weit bessere Betriebseigenschaften haben als Einleiterkabel.
Man nimmt an, dass dies auf das Vorhandensein der Trensenräume zurückzuführen ist, die Kapillar-Reservoire bilden und ausserhalb des elektrischen Feldes sieh befinden, wodurch die Stabilität des Kabels bei Erwärmungs-und AbkühIungs-Zyklen bei Belastungsschwankungen erhöht wird. Durch die Anwendung der erfindungsgemässen Konstruktion kann eine bedeutend bessere Ausnützung des Isoliermaterials erzielt werden, wobei nicht nur die Abmessungen für gegebene elektrostatische Höchstbeanspruchungen verringert, sondern auch durch die Mehrleiterkonstruktion Kapillar-Reservoire innerhalb des Dielektrikums geschaffen werden. Ausserdem sinkt der Wärmewiderstand des Kabels im Verhältnis mit der Herabsetzung des Aussendurchmessers und infolge der exzentrischen Lagerung der Leiter.
Die Unterteilung der Phasenleiter in mehrere Teilleiter gestattet die Anwendung des"Trennleiterschutzes"für das Kabel durch unabhängiges Einoder Ausschalten der einzelnen Teilleiter mit dem angenommenen Widerstand Runter thermostatischer
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betragen. Dieser Wert kann der Reihe nach auf R/2 und R vergrössert werden, indem die einzelnen
Teilleiter des Leiters nacheinander ausgeschaltet werden, wodurch bei fallender Belastung ein Temperaturrückgang verhindert wird. Dies erleichtert die Arbeitsbedingungen des Dielektrikums von ölimprägnierten Kabeln, da plötzliche Abkühlungen vermieden werden.
Beim Ausschalten der einzelnen Teilleiter ist dafür Sorge zu tragen, dass deren Potential zwecks
Gradierung der Kapazität erhalten bleibt. Dies kann man erreichen, indem man im Nebenschluss zum Schalter einen Widerstand von verhältnismässig hohem Wert einschaltet, z. B. mit dem 20... 200fachen Wert des Leitungswiderstandes. Gegebenenfalls kann auch in einem oder mehreren Teilleitern ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten eingeschaltet werden.
Das System der in Fig. 6 gezeigten Zwickel verhindert ferner die Übertragung von Ladungsströmen in der Längsrichtung des Kabels, da die einzelnen Kapazitäten (welche infolge der Mehrzahl der Teilleiter entstehen) fortlaufend mit dem Zwisehenhüllensystem verbunden bleiben.
Eine Erweiterung dieses Prinzips umfasst auch die Verwendung einer Mehrzahl solcher Elemente, von denen jedes einzelne eine Isolierschicht und einen äusseren Schirm besitzt ; diese Einzelelemente können verseilt werden und erhalten dann eine zweite Zwischenhülle oder eine solche höhere Ordnung und ausserdem einen eigenen isolierten Gürtel. Eine solche erfindungsgemässe Anordnung zeigt Fig. 7, welche tatsächlich eine Kombination der Anordnungen nach Fig. 2 und 5, jedoch mit drei Teilleitern darstellt. Die Anordnung wird bei Betrachtung des Schemas Fig. 7 A im Zusammenhange mit Fig. 2 A und 5 A besser verständlich. In diesem Falle ist der Ausgleichskondensator i/) aus den Ausgleiehs- teilkondensatoren (a), (b), (e) zusammengesetzt, so dass der Wert von (vi) so wie früher beschrieben vergrössert wird.
Fig. 8 zeigt eine weitere Abänderung, in welcher die Teilkapazität (v) durch die in Fig. 6 gezeigte Methode ausgeglichen ist und in welcher die Teilkapazität (10) durch die Einführung weiterer Zwischenhüllen, wie im folgenden beschrieben, ausgeglichen ist. In diesem Falle ist die Zwischenhulle 22 von dem äquipotentialen Schirm 23 durch eine Isolationssehiehte getrennt, in welcher eine weitere Zwischenhülle 11 eingebettet ist ; in dem 23 umgebenden Isolationsgürtel ist eine weitere Zwischenhülle 12 vorgesehen.
Die Zwischenhülle 22 und die Schirmsehiehte 23 sind leitend bei Verbindungsstellen nach der früher beschriebenen Art verbunden, um ihnen dasselbe Potential zu verleihen ; in ähnlicher Weise sind auch die Zwischenhüllen 11 und 12 verbunden. Aus dem Schema in Fig. 8 A ergibt sich die Anordnung der Kapazitäten.
Fig. 9 zeigt die Anwendung des vorliegenden Erfindungsgegenstandes auf Ovalkabel. Der Einphasen-Leiter wird von dem Kern 1 a und 1 b gebildet ; 13 stellt ein Ausgleichselement aus Metallrohr vor. Die früher beschriebenen Kombinationen können selbstverständlich auch auf diese Kabeltype Anwendung finden.
Es ist zu beachten, dass die erfindungsgemässen Anordnungen auf alle Kabelarten angewendet werden können, einschliesslich ölgefüllter Kabel, Massekabel, ferner solcher mit Pressisolation (einschliesslich Typen mit abgestufter Dielektrizitätskonstante), Gas-Druck-Kabel usw. In ähnlicher Weise können auch Kombinationen dieser Typen für den Aufbau des Kernes und der Gürtelisolatioll verwendet werden, wobei die Charakteristik der einzelnen Typen den besonderen Umständen angepasst wird. So können z. B. die Mitteladern als armierte Neiumhüllte Gasdruekkabel ausgebildet sein, welche überdies durch eine Gürtelisolation mit gewöhnlicher Olimprägnierung (Massekabel) hydraulisch verstärkt werden.
In diesem Falle kann ein günstiges Verhältnis zwischen Gasdruck und Umfang bei gegebener Spannung erreicht werden.
Die Anwendung des Zwischenhüllenprinzipes auf Verbindungsstellen und Kabelenden führt zu einer Verbesserung der Charakteristiken.
Es ist möglich, die Prinzipien der Kabel mit Ausdehnungsgefässen mit irgendeiner der oben beschriebenen Anordnung zu kombinieren. Bei der Mehrleiterkonstruktion gibt es bei gegebenem Isolationsdurchmesser eine günstigste Aderngrösse, so dass der Aufbau eines Kapillar-Reservoirs rings um die Ader, wie in den britischen Patenten. Nr. 340303 und 355291 beschrieben, eine vorteilhafte
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