Elektromagnetische Abschirmung von Kabeln Die Erfahrung hat gezeigt, dass in schlecht leiten dem Boden oder in Gebirgs-Stollen verlegte Kabel den Strömen mehr oder weniger entfernter Blitzein schläge in hohem Mass ausgesetzt sind. Selbst bei Oberdeckung des Gebirges von vielen hundert Metern gelangt infolge der schlechten elektrischen Leitfähigkeit des Gesteins ein hoher Prozentsatz des Blitzstromes auf den Kabelmantel und fliesst dann mehrere Kilometer weit nach beiden Seiten ab. Dabei bildet sich auf dem Kabelmantel ein Spannungsabfall, der im Kabelinnern als Längsspannung bezeichnet wird.
Die Isolation der Kabeladern gegen den Mantel wird von dieser Längsspannung beansprucht. Insbe sondere bei schwach isolierten Schwachstromkabeln ist die Isolation dieser Beanspruchung nicht gewach sen und wird durchschlagen, wobei schwere Kabel schäden entstehen.
Die Theorie zeigt, dass die Beanspruchung der Isolation gegeben wird durch den rein Ohmschen Spannungsabfall der Stromdichte an der innern Ober fläche (Innenhaut) des Kabelmantels. Beim gleich- stromdurchflossenen Kabelmantel rechnet sich die Längsspannung sehr einfach aus als Produkt des Stromes mit dem Gleichstromwiderstand des Man tels. Mit Wechselstrom auf dem Mantel entsteht be kanntlich eine Stromverdrängung derart, dass die Stromdichte aussen am Mantel grösser wird als an der Innenhaut. Diese Wirkung ist um so ausgeprägter, je höher die Frequenz des Wechselstromes, und je grösser die Leitfähigkeit des Mantelmaterials ist. So sinkt z.
B. im Kupfer die Stromdichte eines Wechsel- stromes von 103 Hz in ca. 9,7 mm auf 1 % ihres Oberflächenwertes, oder in 2,2 mm auf 1/e = 37 % desselben.
Bei 104 Hz betragen die entsprechenden Eindringtiefen 3,07 mm (1%), bezw. 0,66 mm (37 %). Kupferbleche, die dümmer sind als die vorste- henden Eindringtiefen,
weisen keine ausgeprägte Stromverdrängung (keinen Hauteffekt oder Skinef- fekt) auf; sie verhalten sich bei obigen Frequenzen noch annähernd gleich wie bei Gleichstrom. Mit den üblichen Mantelstärken weniger Millimeter Blei lässt sich daher bei Blitzströmen keine wesentliche Strom verdrängung erreichen.
Unter dem Bleimantel lie gende Drähte oder Bänder aus Kupfer dienen in er ster Linie der Reduktion des Gleichstromwiderstan des und somit der Reduktion der Längsspannung bei niederfrequenten Strömen, insbesondere bei Indu striefrequenz 50 Hz und bei Bahnfrequenz 162/g Hz. Die Längsspannung solcher Mäntel ist bei Blitzströ men nicht wesentlich kleiner als der für Gleichstrom oder Niederfrequenz berechnete Spannungsabfall im Mantel.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun eine Kabelabschirmung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das abzuschirmende Kabel von einem kom binierten Schirm umgeben ist, der zwei elektrisch parallel geschaltete, elektrisch gut leitende Schirme mit einer dazwischenliegenden Schicht hoher magne tischer Permeabilität besitzt, zum Zwecke, beim Ab fliessen von Blitzströmen über den Kabelmantel kleine Längsspannungen im Kabel zu erhalten.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbei spiele.
Fig. 1 stellt einen kombinierten Schirm dar, der aus drei Schichten 1, 2, und 3 besteht. Die innere (1) wird z. B. aus Kupferband oder Draht gebildet, die mittlere (2) aus. Weicheisenband oder Draht, und die äussere (3) aus dem üblichen wasserdichten Bleiman tel.
In Fig.2 ist ein zusätzlicher Isoliermantel aus Polyvinylchlorid oder Polyäthylen zwischen mittlerer und äusserer Schicht vorhanden, der das Kabelinnere auch dann gegen Feuchtigkeit schützt, wenn der dar über befindliche Bleimantel undicht würde. Innere und äussere leitende Schicht sind bei allen Muffen und Endverschlüssen parallel geschaltet.
Ein diesem kombinierten Kabelmantel an einem Ende oder bei einer Muffe zugeführter Strom wird längs des Mantels abfliessen, wobei die Aufteilung auf die drei Schichten sehr verschieden ausfällt, je nach dem, ob es sich um Gleichstrom, 50 IIZ-Strom oder rasch veränderlichen Strom (Blitzstrom) handelt. Der Einfachheit halber wird zunächst vorausgesetzt, dass der Strom in der magnetischen Zwischenschicht gegenüber dem Strom im innern und äussern elektri schen Schirm vernachlässigt werden kann.
Dann teilt sich nach Figur 3 der gesamte Mantelstrom I bei jeder Muffe in die beiden Ströme 1i und 1" des innern und äussern Schirms. Der Strom 1i fliesst innert dem Eisen mantel, folglich wirkt er magnetisierend. Der Strom 1a dagegen liegt ausserhalb des Eisenmantels und kann diesen somit nicht magnetisieren.
Unter Vernachläs sigung der Stromverdrängung innert der leitenden Schichten 1 und 3 ergibt sich eine Stromverteilung 1i und I" gemäss der aus dem Ohmschen Widerstand Ri und der Reaktanz coL zusammengesetzten Impe danz Z und dem Ohmschen Bleimantelwiderstand Rd. Je grösser die Kreisfrequenz co, um so grösser wird ooL. Bereits bei 50 Hz kann erreicht werden,
dass WL grösser wird als Ri. Bei höhern Frequenzen geschieht dann die Stromverteilung sehr annähernd gemäss ooL und Rd. Solange keine magnetische Sättigung der Eisenschichten auftritt, ist L mehrere 1000 Mal grös ser als für einen Luftspalt. coL erreicht Werte, die einige 100 bis 1000 Mal grösser sind als Ra. Es wer den somit nur wenige Promille des Gesamtstromes über den innern Schirm fliessen, während fast der gesamte Blitzstrom auf den äussern Schirm gedrängt wird.
Magnetische Sättigung entsteht bei einem Kabel von 10 cm Mantelumfang bei etwa 100 A Strom im innern Schirm. Bei einem Stromverhältnis von 1000 fliesst dabei ein Mantelstrom von ca.<B><I>100</I></B> kA. Es ist somit möglich, auch grösste Blitzströme über den Mantel fliessen zu lassen, ohne dass im innern Schirm mehr als etwa 100 A fliessen. Mit 0,
2 mm Kupfer des innern Schirms ergeben sich elektrische Widerstände von etwa 1 Q/km oder Längsspannun gen von nur etwa 100 V/km. Durch dickere Kupfer schichten im innern Schirm kann diese Spannung noch reduziert werden.
Je nach der Grösse der Wechselstrom-Frequenz muss die Dicke der magnetischen Zwischenschicht unterteilt werden, um übermässige Wirbelströme und damit eine Veränderung der wirksamen Induktivität L zu verhindern. Dies geschieht dadurch, dass die magnetische Schicht zwischen den elektrischen Schir men aus einer oder mehreren Lagen eines gewickel ten Eisenbandes besteht, die unter sich und von der innern und äussern leitenden Schicht isoliert sind. Die Dicke von Eisenbändern soll kleiner bleiben als die Eindringtiefe des Magnetfeldes bei der betreffen- den Frequenz.
Sie darf daher wenige Zehntel Milli meter nicht übersteigen, wie das bei Transformatoren für Tonfrequenzen üblich ist.
Voraussetzung der vorstehenden Betrachtung ist die Vermeidung der Sättigung der magnetischen Zwi schenschicht. Würde diese Schicht als Eisenrohr aus geführt, so würde dieses einen Strom führen, dessen Dichte nach aussen entsprechend der Zunahme des magnetischen Flusses und der elektrischen Längsfeld stärke zunimmt. Ausser dem Strom in der innern lei tenden Schicht 1 magnetisiert in diesem Fall auch der Strom im Eisen innerhalb eines Radius r alle Eisen schichten ausserhalb von r. Damit würde die Sätti gung der äussern Eisenschichten bei viel kleineren Gesamtströmen erreicht als bei stromlosem Eisen. Mit der Sättigung verschwindet aber die günstige Wirkung des Eisens.
Um diesen Effekt zu verhin- dern, sind zwei Wege möglich: a) Die magnetische Schicht 2 (unterteilte Eisen schicht) wird an den Enden, d. h. bei den Muffen und Endverschlüssen von den leitenden Schichten 1 und 3 isoliert wie in Fig. 3 skizziert. Damit wird das Eisen stromlos. Jede Schicht muss gegen die folgende iso liert werden entsprechend dem Zuwachs des magneti schen Flusses bzw. der davon induzierten Wirbel spannung der Teilschicht. Fig. 3 zeigt diese Anord nung. Die Isolation kann z. B. aus Papier, oder aus Polyvinchlorid oder aus Polyäthylen bestehen.
b) Die magnetische Schicht 2 (unterteilte Eisen schicht) wird aus einzelnen Lagen gebildet, von denen jede aus Eisenband besteht, das als Schrauben linie mit kleiner Steigung gewickelt wird. In diesem Falle werden die Enden dieser Eisenbandlagen in den Muffen und Endverschlüssen mit der innern und äus- sern leitenden Schicht elektrisch verbunden. Jede Eisenbandlage ist von der vorhergehenden durch eine schwache Isolation getrennt, die den Strom zwingt auf einem Band zu bleiben.
Damit kann sowohl der Ohmsche Widerstand wie auch die Reaktanz jeder Lage so gross gemacht werden, dass der Strom im Eisenband beliebig klein bleibt.
Fig. 4 zeigt die Anordnung nach b). Darin bedeu ten Ml und M2 zwei benachbarte Muffen, bei denen alle drei Schichten 1, 2 und 3 leitend verbunden wer den.
Die Schicht 1 besteht z. B. aus einer oder mehre ren Schichten eines Kupfer- oder Aluminiumbandes von ca. 0,2 mm Stärke, das, den ganzen Umfang des Kabels bedeckend, mit grosser Steigung gewickelt wird, um einen kleinen Längswiderstand zu errei chen. Die magnetische Zwischenschicht 2 besteht aus einer oder mehreren Lagen eines schmalen Eisenban des von wenigen Zehntelmillimeter Stärke, das mit kleiner Steigung und mit kleinem Spalt zwischen zwei Windungen gewickelt ist. Zwischen zwei Lagen liegt eine relativ schwache Isolierschicht, die lediglich den Stromübergang von einer Lage zur andern hindert, und die z. B. aus einer Lage Papier besteht.
Die lei tende Schicht 3 besteht aus dem Mantel des Kabels samt einer allenfalls vorhandenen Armierung, oder aus einem Wellmantel. Im Falle b) kann die PVC- Schicht der Figur 2 zwischen Schicht 2 und 3 weg fallen und es gilt grundsätzlich Fig. 1.
Bei den bisherigen Betrachtungen war der Blitz stromeintritt bei einem Kabelende oder bei einer Kabelmuffe angenommen. Bei dem Stromeintritt auf der Strecke zwischen zwei Muffen entsteht ein nach beiden Seiten abfliessender Strom, der auf dem Blei mantel Spannungsabfälle erzeugt, ohne dass die in nere leitende Schicht oder die Eisenbänder der magnetischen Zwischenschicht parallel geschaltet sind. Für diesen Fall ist eine kräftige Isolation zwi schen der äussern leitenden Schicht und der magneti schen Zwischenschicht erforderlich, die dem Span nungsabfall in der äussern Schicht 3 bis zur nächsten Kabelmuffe entspricht, und die demgemäss umso reichlicher zu bemessen ist, als die Distanz zweier Kabelmuffen grösser ist. Diese Isolation kann z. B.
aus einem PVC- oder Polyäthylen-Mantel entspre chender Dicke nach Figur 2 bestehen.
Die Erfindung ermöglicht neben der Reduktion der Längsspannungen um Grössenordnungen, dass in den angeschlossenen Schwachstromanlagen keine Erdungsprobleme bestehen, da der aktive Teil des Kabels gegenüber dem kombinierten Kabelmantel selbst bei Blitzeinschlägen nur auf geringe Spannung kommt.