Isolation an Hochspannungskabeln. Gegenstand der Erfindung ist, eine Isala.- ti.on an Hochspannungskabeln, und zwar eine solche, bei welcher Schichten aus elastischem Isolationsmaterial verwendet sind, wovon min destens die eine leitend gemacht ist. Als sol ches Material kommt zum Beispiel Kaut schuk oder synthetisches Harz in Frage.
Gemäss der Erfindung soll der Widerstand des leitend gemachten Isolationsmaterials be zogen auf den cm-" 1,5 Megohm nicht über schreiten.
Die Schichtenfolr - der isolierenden und der leitend gemachten Schichten einer solchen Isolation ist als eine Reihenschaltung von Widerständen und Kondensatoren aufzu fassen.
Die Widerstände werden durch den Lade strom des Kondensators durchflossen und nehmen dabei eine bestimmte Spannung auf. Diese Spannung ist in Phase mit dem Lade strom, während die Spannung des Konden- sators nm nahezu.<B>90'</B> nacheilt. Es ist also eine Wattspannung und eine wattlose Span nung vorhanden; ihr Quotient ist die Tau gens des Phasenwinkels zwischen der Span nung und dem Ladestrom, welch letzterer durch den Widerstand der leitenden SeUich- ten herbeigeführt wird. Es bestimmt mit an dern Worten der Widerstand der leitenden Schichten die Zunahme der Taugens des Ver lustwinkels d des Isolationsmaterials.
Diese Taugens soll nämlich zusammen gezählt werden mit dem Quotient der Watt spannung in den leitenden Schichten und,der wattlosen Spannung in der Da nun schon Kautschuksorten bekannt sind, wofür tg 8 = 0,003 bis 0,004 beträgt, und .die Erfolge der Versuche mit Kautschuk und andern homogenen Isolationsmaterialien keinesfalls auf die Erreichung eines Grenz wertes hinweisen, so ist es zweckmässig, die Leitfähigkeit des leitend gemachten Isola- tionsstoffes derart zu wählen,
d-ass die Zu nahme der tg 8, welche die Folge des Span- nungsverlustes in den leitenden .Schichten ist, nicht mehr beträgt als etwa 0,0003.
Nun gibt es .drei Richtungen, in welchen ,die leitenden Schichten den Ladestrom des Kabels befördern können. Diese drei Rich tungen ,sind 1. Die Radialrichtung. Diese Richtung ist nur dann ausschliesslich vorhanden, wenn die betreffende leitende Schicht an den Stromleiter bezw. an den Metallmantel mit ihrer ganzen Oberfläche vollkommen anliegt und damit in leitender Verbindung steht. Der Widerstand dieser Schicht wird dann haupt sächlich bestimmt durch ihre Dicke.
2. Die Umfangsrichtung, das heisst die Richtung gemäss der Grenzlinie zwischen Metalleiter und leitend gemachtem Isolations- material im Kabelquerschnitt. Diese Beförde rungsrichtung ist zum Beispiel vorhanden, falls die Berührung zwischen dem Metalleiter und er leitenden Schicht nicht ideal ist, falls also der Stromleiter etwas lose in der innern Schicht des leitend gemachten Materials sitzt, respektive falls der Metallmantel etwas lose um die äussere leitende Schicht sitzt.
Der Fall kann sich ereignen, dass nur eine Berührung besteht entlang einer einzigen Erzeugenden des Stromleiterzylinders, oder des Metall mantelzylinders. Die Zunahme der Verluste wird hier ausser durch die Dicke der leitenden Schicht auch durch deren Umfang bestimmt.
3. Die Axialrichtung. Diese Beförde rungsrichtung kommt nahezu nur in einer Aussenschicht vor, und zwar falls kein metal lener Erdmantel vorhanden ist und die lei tende Aussenschicht punktweise geerdet ist. Die Zunahme der Verluste wird hier, ausser durch die Dicke der leitenden Schicht, noch bestimmt durch den Abstand der Punkte, in welchen die Erdung vorgenommen ist. Diese Beförderungsrichtung ist nicht vorhanden in Dreiphasenkabeln, deren leitend gemachte Aussenschichten aneinander liegen und also in leitender Verbindung stehen. Die Lade ströme der drei Einzeladerkabel heben sich gegenseitig auf. Diese Beförderungsrichtung macht sich stark bemerkbar in Kabeln mit.
leitenden Zwischenschichten, also mit ge- steuerter Spannungsverteilung im Dielektri- kum. Man ist hier angewiesen auf die Leit fähigkeit der Zwischenschichten zwecks Aus gleichung der Ladeströme der in Reihe ge schalteten ungleichen Kondensatoren.
Eine einfache Berechnung ergibt in allen drei genannten Fällen den Maximalwert für den spezifischen Widerstand des leitenden Materials.
Es sei als Beispiel ein Kabel für schwache Ströme mit einer 2 mm dicken Kupferader, einer Schicht aus leitend gemachtem Kaut schuk von 9 mm Dicke und einer Schicht reinen Kautschuks von 17 mm Dicke an genommen, und es werde die Zunahme des tg d berechnet für eine Spannung von 100 kV.
Der Ladestrom eines Kabelstückes von 1 cm Länge beträgt etwa. 6,10-5 A, der Widerstand der leitenden Kautschukschicht etwa 0,3 X (X - Widerstand pro cm'); die Wattspannung ist dann 1,8 X 10-5X V und diese darf 0,0003 # 100 000 = 30v betragen. Der Maximalwert für X ist .dann ungefähr 1,5 Megohm/cm'.
Falls diese Zahl verglichen wird mit dem Widerstand des reinen Kautschuks, welche ,ungefähr 10" ä 10" Ghm pro cm' beträgt, dann ist einzusehen, da.ss schon in diesem ersten günstigsten Falle dem Kautschuk eine ziemlich grosse Leitfähigkeit erteilt werden mu1 Eine zweite Berechnung für dasselbe Kabel, ausgestattet mit einer Aussenschicht von 0,1 mm Dicke aus leitend gemachtem Kautschuk, welche längs einer Erzeugenden des Aussenzylinders geerdet ist,
ergibt als Resultateinen maximalen spezifischen wider stand von ungefähr 500 Ohm/ems für die Aussenschicht.
Eine dritte Berechnung für die Beförde rung der Ladeströme in der Längsrichtung des Kabels in leitenden Zwischenschichten oder in der leitenden Aussenschicht, ergibt die Forderung, da.ss der spezifische Widerstand 1000 bis 10 000 Mal niedriger sei, je nach dem Abstand der zu erdenden Punkte, damit keine unzulässige Erhöhung der Verluste auftritt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei steigender Spannung der in den leitenden Schichten zurückzulegende Weg länger wird, jedenfalls in dem zweiten erwähnten Fall, und dass der Ladestrom höher wird, so dass dann die Forderungen an die Leitfähigkeit noch erheblich höher werden.
Aus Versuchen hat sieh herausgestellt, dass ein einadriges Kabel mit normaler Blei umpressung, was die äussere leitende Schicht anbelangt, mit grösserer Annäherung unter dem zweiten Falle gerechnet werden kann. Die Berührung zwischen der leitenden Schicht und dem Bleimantel ist eine solche, dass durchschnittlich mit der Erdung einer ein zigen Erzeugenden entlang zu rechnen ist. Besonders nach einiger Betriebszeit wird der Bleimantel durch wiederholte Expansion nicht mehr fest um die Isolation klemmen.
In allen erwähnten Fällen ist es notwen dig, .dass der spezifische Widerstand es lei tend gemachten Isolationsmaterials keines falls höher liegt als 1,5 Megohm/cm3; da neben ist zu bemerken, dass .die Maximum grenze des Widerstandes in nahezu allen praktisch vorkommenden Fällen auf 100 Ohm/cm' zu stellen ist.
Das Erreichen eines niedrigen spezi fischen Widerstandes ist auf zwei Weisen möglich. Man kann verschiedene Ckoffe in bestimmten Mengen hinzufügen; damit än dert sich aber die Schmiegsamkeit des leiten- ,den Gemisches und die Haftung an der Isolation.
Sollte die Haftung ungenügend werden, so steht ein weiterer Weg offen, und zwar das Unterteilen einer leitenden Schicht in dünnen Schichten mit einer nach ,dem Leiter hin zunehmenden Leitfähigkeit.
Als Beispiel für das. Hinzumischen einer bestimmten leitenden Substanz ist die Mischung mit Metallpulvern in fein verteil tem oder kolloidalen Zustand zu erwähnen. Dadurch sind Widerstände von solcher Grössenordnung zu erreichen, dass- die Beför derung des Ladestromes ohne unzulässig hohe Verluste möglich ist. Man erreicht jedoch nicht einen derart niedrigen Widerstand,,dass die Beförderung in Längsrichtung des Kabels möglich wird. Dazu kann ein Metallmantel (Bleimantel) vorgesehen werden; das Arbei ten mit Zwischenschichten ist nicht möglich.
Ein Beispiel der Mischung mit einer be stimmten Menge einer leitenden Substanz ist das Mischen mit feinverteiltem Graphit oder Russ. Es hat sich herausgestellt, dass in der Kurve der Leitfähigkeit als Funktion :des Graphitprozentsatzes, bei ungefähr 65 % ein scharfer Knick wahrnehmbar ist. Bei 60 sind die Widerstandswerte erheblich höher al.s zulässig. Bei 65 % liegt ungefähr der Widerstandswert, welcher für die Ladestrom- beförderung in Radialrichtung- bei 70 ungefähr der Wert, welcher für die Axial- riehtung zulässig ist.
Mehr als 70 % ist nicht zulässig, denn dann verliert man zu viel an Schmiegsamkeit, Zugfestigkeit und Elastizi tät. Eine Ladestrombeförderung in Längs richtung ist auch hier nicht möglich.
Als Beispiel für das Hinzufügen einer Kombination von Substanzen kann die Kom bination Graphit-Lithopon genannt werden. Versuche haben gezeigt, dass Beimischung von 50 bis 55 % Graphit und 10 % Lithopon denselben Widerstand ergibt als die Zu fügung von 65 % Graphit, während die erst genannte Kautschukmischung in mecha nischer Hinsicht eine erheblich bessere Be schaffenheit aufweist. Graphit, Russ, Metall pulver und Lithopon können auch zusammen beigefügt werden.
Der Aufbau der leitenden Schicht aus dünnen Schichten, von steigender Leitfähig keit ergibt in erster Linie eine bessere mecha nische Haftung zwischen der Isolation und dem leitend gemachten Material. Der Über gang ist nämlich mehr allmählich, wodurch die wichtigste Ursache der Bildung von Höhlen, und zwar der Unterschied zwischen den Ausdehnungskoeffizienten, weniger von Einfluss ist. In zweiter Linie ermöglicht es .die Ladestrombeförderung in Längsrichtung und die Anwendung von Zwischenschichten, da man nun einen sehr niedrigen Widerstand erhalten kann.
Besonders bei Verarbeitung von Metallpulvern kann die Teilschicht mit dem niedrigsten Widerstand einen sehr hohen Metallprozentsatz besitzen, während für die Haftung an der Isolation die Teilschichten mit mehr Widerstand Sorge tragen.
Bei langen Kabeln mit Zwischenschichten kann man aufgewickelte Blattmetallsehichten verwenden, welche an beiden Seiten an Schichten aus leitend gemachtem Isolations material anliegen, dessen Widerstand bis zu höchstens 1,5 )Iebohm/cm' zunimmt. Falls die Erhöhung der Leitfähigkeit mit Metall pulver erzielt wird, wählt man vorzugsweise das Blattmetall aus dem gleichen Metall als das verwandte Metallpulver.
Kabelverbindungen und Muffen und die Kabelendverschlüsse werden zweckmässig so aufgebaut, dass die verschiedenen dielek- trischen und leitenden Schichten sich in den Muffen und Endverschlüssen fortsetzen.