Elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallumhüllungen und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspannungs kabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metall umhüllungen zur Steuerung der Feldstärke und des Feldli nienverlaufs innerhalb der Adern des Kabels sowie ein
Verfahren zu seiner Herstellung.
Es ist bekannt, die Isolation der einzelnen Leiter mehr adriger Hochspannungskabel aussen mit einer auf Erdpo tential liegenden metallischen Umhüllung zu versehen, um auf diese Weise zwischen den Leitern des Kabels und ihrer Metallumhüllung einen radialen Feldlinienverlauf zu erzielen (Höchststädter-Kabel). Die Metallumhüllung wird dabei vielfach durch eine aussen auf die Papierisolation aufgewickelte Aluminiumfolie mit vielen kleinen Löchern gebildet, die beim Trocknen des Kabels Luft und Feuch tigkeit aus der Isolation entweichen lässt. Eine dazu ver wendete etwa 30 ,um dicke, gelochte Aluminiumfolie ist auf Kabelpapier aufkaschiert; sie hat den Nachteil, dass an den Lochrändern die Feldstärke erhöht und dadurch die elektrische Durchschlagsfestigkeit herabgesetzt wird.
Es ist ferner bekannt, bei Hochspannungskabeln, deren
Leiter aus mehreren miteinander verdrillten Drähten be stehen, die Drahtbündel mit einer elektrisch leitenden, nach aussen hin glatten Hülle zu versehen, um dadurch die an der Oberfläche der Leiter auftretende hohe Feld stärke durch einen möglichst homogenen Feldverlauf zu beherrschen. Zu diesem Zweck wurden bisher die Drähte mit einem durch Graphit leitend gemachten Papier um wickelt. Da bei Ölkabeln durch unvermeidliche Tempera turschwankungen das Öl im Kabel zu fliessen beginnt, wird die Graphitschicht im Laufe der Zeit aus dem Papier herausgeschwemmt, so dass die gewünschte Wirkung mehr und mehr verloren geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektri sches Hochspannungskabel zu entwickeln, bei dem die vorgenannten Nachteile bekannter Metallumhüllungen vermieden sind.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass mindestens eine der Metallumhüllungen aus einem luft und feuchtigkeitsdurchlässigen Isolierstoffband mit min destens einem darauf haftenden Metallbelag besteht. Zur
Herstellung der-Metallumhüllungen wird der Metallbelag in einer Dicke von höchstens 1 ,um unter Vakuum auf das Isolierstoffband aufgedampft.
Eine derartige aus einem Metallpapierband bestehende Umhüllung kann sowohl aussen auf die Isolation der Leiter als auch auf aus mehreren miteinander verdrillten Drähten bestehende Leiter eines Kabels unmittelbar aufgewickelt sein. Eine weitere vorteilhafte Anwendung von Metallpapierbändern besteht darin, sie als elektrisch neutrale Zwischenfolie konzentrisch zu den Leitern des Kabels in die zumeist aus Kabelpapier bestehenden Isolationsschichten der Leiter einzuwickeln. Dadurch wird die elektrische Feldstärke im Bereich der Leiter und der Zwischenfolien herabgesetzt und eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit und Lebensdauer des Kabels erzielt.
Anhand den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Dreileiter Hochspannungskabel (Höchststädter-Kabel) mit einer Metallpapierumhüllung der isolierten Leiter und einer Bleimantel-Armierung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines zur äusseren Umhüllung der einzelnen isolierten Leiter gemäss Fig. 1 dienenden Metallpapierbandes mit zwei darauf aufgedampften Metallschichten.
Fig. 3 zeigt eine Ader eines Hochspannungskabels mit einem aus mehreren Kupferdrähten bestehenden Leiter und mit Metallpapierbändern für die äussere Umhüllung der Isolation sowie für die unmittelbare Umhüllung des Leiters und für die Zwischenfolien innerhalb der Leiterisolation.
In Fig. list ein Dreileiter-Hochspannungskabel mit 10 bezeichnet. Es enthält drei Leiter 11 aus Kupfer und eine jeden Leiter 11 umgebende Isolation 12 aus aufgewickeltem Kabelpapier. Aussen auf die Isolation 12 ist eine Umhüllung 13 aus einem luft- und feuchtigkeitsdurchlässigen Papierband mit aufgedampftem Metallbelag aufgewickelt.
Die aus den Leitern 11, der Isolation 12 und ihrer Umhüllung 13 gebildeten drei Adern 14 des Hochspannungskabels 10 sind mit einem gemeinsamen Bleimantel 15 bewehrt, der beim Betrieb des Kabels zusammen mit den Metallumhüllungen 13 an Erdpotential liegt. Die elektrisch neutralen Räume zwischen den einzelnen Adern 14 und dem Bleimantel 15 sind mit einem Isolierstoff 16 ausgefüllt. Der Metallbelag des Papierbandes besteht aus einem korrosionsfesten Material, welches durch die beim Trocknungsprozess aus der Papierisolation 12 austretende Feuchtigkeit nicht angegriffen wird. Besonders geeignet ist dabei ein Metallbelag aus einer Metallegierung mit etwa 40 /0 Zink und 60 Cadmium (Gew.- /0). Eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit ergibt sich auch bei Metallbelägen aus Nickel oder Aluminium.
Um eine Erhöhung der Feldstärke an durch das Aufdampfen des Metallbelages entstehenden Metallspitzen an der Oberfläche des Metallpapierbandes auszuschliessen, wird das Metallpapierband derart auf die Isolation 12 aufgewickelt, dass der Metallbelag aussen liegt und dort mit dem Bleimantel 15 kontaktiert ist. Um eine genügende Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit des Metallpapierbandes zu erreichen, wird der Metallbelag in grob kristalliner Form auf ein Papier mit rauher Oberfläche in etwa 0,5 - 1tm Dicke aufgedampft.
Die Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit lässt sich ausserdem noch dadurch erhöhen, dass das Papierband vor der Metallbedampfung mit punkt- oder linienförmigen Ölflecken versehen wird, an denen sich beim Aufdampfen des Metallbelages kein Metall niederschlägt und so ein Papierband mit nichmetallisierten Flächenteilen gewonnen wird, durch die Luft und Feuchtigkeit austreten können ohne den Metallbelag anzugreifen. Die Metallpapierbänder werden dann so aufgewickelt, dass die metallfreien Stellen durch den Metallbelag einer zweiten Lage abgedeckt und Feldverzerrungen vermieden sind.
Eine vorteilhafte Ausführung des als Metallumhüllung 13 dienenden Metallpapierbandes 20 zeigt Fig. 2. Hier ist ein Papierband 21 mit zwei übereinanderliegenden Metallbelägen mit unterschiedlicher Dicke und Qualität versehen. Das Papierband 21 wurde dabei zunächst mit einem etwa 0,01 ltm dicken Metallbelag 22 aus korrosionsfestem Material wie Nickel oder Aluminium vorbedampft und hierauf mit einem zweiten, etwa 0,5-1 llm dicken Metallbelag 23 aus leicht aufzudampfendem Material, wie Zink oder Cadmium, versehen. Der dickere Metallbelag 23 weist dabei Löcher 24 auf, die durch Auftragen einer punkt- bzw. linienförmigen Ölschicht auf dem unteren dünnen Metallbelag 22 vor dem Aufdampfen des dickeren Metallbelags 23 erzielt werden, und durch die eine ausreichende Luft- oder Feuchtigkeitsdurchlässigkeit gewährleistet ist.
Der durchgehende dünne Metallbelag 22 verhindert dabei eine Feldverzerrung und damit eine herabgesetzte Durchschlagsfestigkeit an den Lochrändern des dikkeren Metallbelages 23. Bei einem Hochspannungskabel mit einem Bleimantel 15 nach Fig. list darauf zu achten, dass der auf dem Papierband 21 aussen aufgedampfte Metallbelag 23 und das zur Armierung verwendete Metall in der elektrochemischen Spannungsreihe möglichst nahe beieinander liegen, um einen elektrolytischen Abbau des Metallbelages zu verhindern.
Die in Fig. 3 dargestellte, mit 30 bezeichnete Ader eines Hochspannungskabels hat einen aus mehreren miteinander verdrillten Kupferdrähten 31 bestehenden Leiter 32, der unmittelbar mit einem metallbedampften Papierband 33 umwickelt ist. Um an den nach aussen gerichteten Spitzen des Metallbelages eine lokale Erhöhung der hier besonders kritischen Feldstärke zu vermeiden, sind die Kupferdrähte 31 mit dem Metallpapierband 33 so umwickelt, dass der Metallbelag an der den Drähten 31 zugewandten Innenseite des Papierbandes 33 liegt. Um eine Korrosion und eine elektrolytische Wirkung zwischen den Kupferdrähten 31 und dem Metallpapierband 33 zu vermeiden, ist auf den Metallbelag des Papierbandes 33 eine isolierende Schicht, z. B. aus Lack oder Quarz, aufgetragen.
Eine andere Lösung dieses Problems besteht darin, dass der Metallbelag des Papierbandes 33 und die den Leiter 32 bildenden Kupferdrähte aus Materialien bestehen, die in der elektrochemischen Spannungsreihe benachbart sind. Als Metallbelag ist dann z. B. Kupfer oder Wismut zu verwenden. Bei Verwendung von Aluminiumdrähten wird der Metallbelag des Papierbandes zweckmässig auch aus Aluminium hergestellt.
Der Leiter 32 ist mit einer Papierbandisolation 34 konzentrisch umgeben, die aussen mit einem an Erdpotential liegenden Metallpapierband 35 bewickelt ist. Einzelheiten über das hierfür zu verwendende Metallpapierband 35 sind in der Beschreibung der Fig. 1 und Fig. 2 angegeben.
Da die Ader 30 einen Kondensator bildet, dessen Elektroden einerseits aus dem Leiter 32 und andererseits aus dem geerdeten Metallpapierband 35 bestehen, wirkt die Papierbandisolation 34 als Dielektrikum, welches von radial verlaufenden Feldlinien 36 durchdrungen ist. Um die normalerweise inhomogene Potentialverteilung, die sich mit der Zeit in einem hochspannungsbelasteten Dielektrikum einstellt, weitgehend herabzusetzen und damit die Lebensdauer eines solchen Kabels zu erhöhen, sind in die Papierbandisolation 34 konzentrisch verlaufende, elektrisch neutrale Zwischenfolien 37 aus metallbedampftem Papier eingewickelt.
Da diese Zwischenfolien 37 ebenso wie das aussen auf der Papierbandisolation 34 befindliche Metallpapierband 35 luft- und feuchtigkeitsdurchlässig sowie korrosionsbeständig sein müssen, ist hierfür das gleiche Metallpapier zu verwenden, das für die äussere Umhüllung der Isolation 34 benutzt wird und dessen Aufbau in der Beschreibung der Fig. 1 und 2 näher erläutert ist.
Feldverzerrungen und Ionisierungserscheinungen an den Spitzen des Metallbelages werden dadurch vermieden, dass für die Zwischenfolien 37 jeweils zwei Metallpapierbänder verwendet werden, die mit ihren Metallbelägen aufeinanderliegen. Bei Verwendung nur eines Metallpapierbands mit aussenliegendem Metallbelag als Zwischenfolie 37, lassen sich die Ionisationserscheinungen an den Spitzen des Metallbelages beispielsweise durch eine auf den Metallbelag aufgedampfte Siliciumoxidschicht verhindern, die so dünn ist, dass sie die Durchlässigkeit von Luft und Feuchtigkeit nicht beeinträchtigt. Anstelle der Siliciumoxidschicht kann in vorteilhafter Weise auch eine zweite etwa 0,01 Rm dicke Schicht aus einem oxydierenden Metall auf den Metallbelag aufgedampft werden. So wird z.
B. beim Aufdampfen von Magnesium eine elektrisch nichtleitende Magnesiumoxidschicht und bei Alumi nium eine Aluminiumoxidschicht gebildet.
Eine gleichmässige Spannungsverteilung in dem durch die Papierbandisolation 34 gebildeten Dielektrikum wird ferner dadurch erreicht, dass das Dielektrikum zwischen den Zwischenfolien 37 und den als Elektroden wirkenden Metallpapierbändern 33 und 35 nach aussen hin in der Dicke abnimmt.
Werden insbesondere für die aussen liegende, geerdete Metallpapierumhüllung zur Ableitung starker Ströme im Störungsfall mehrere um dicke Metallschichten benötigt, so besteht ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung der Metallumhüllungen darin, zuerst eine z. B. 0,05 um dicke Kupferschicht im Vakuum auf ein Isolierstoffband aufzudampfen und diese anschliessend galvanisch auf die gewünschte Dicke zu verstärken.
Da beim Trocknen des Hochspannungskabels aus dem
Innenleiter keine Feuchtigkeit austritt, ist es möglich, anstelle des Metallpapierbandes 33 in Fig. 3 eine metallbb dampfte Kunststoffolie um den Innenleiter zu wickeln.
Auch in diesem Falle wird das metallisierte Isolierstoffband so aufgewickelt, dass der Metallbelag auf dem Innenleiter aufliegt. Die Kunststoffolie dient dann als hochwertige Isolation im Bereich der höchsten Feldstärke. Bei der Verwendung bedampfter Kunststoffbänder ist darauf zu achten, dass der Kunststoff durch das zum Tränken des Hochspannungskabels verwendete Tränkmittel nicht aufgelöst wird. Aus diesem Grund müssen die Kunststoffbänder und die als Tränkmittel verwendeten Öle so aufeinander abgestimmt sein, dass für Kunststoffe mit einem hohen Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen Öle mit einem niedrigen Aromatengehalt und für Kunststoffe mit einem niedrigen Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen Öle mit einem hohen Aromatengehalt verwendet werden.
Es wird vorgeschlagen. für Polykarbonat-Folie ein Öl mit einem Aromatengehalt unter 5 /0, für Poly äthylen-Glycolterephthalat-Folie ein Öl mit 5-15 % Aromatengehalt und für Polyäthylen- und Polypropylen-Folie ein Öl mit 15-40 0/0 Aromatengehalt zu verwenden.
PATENTANSPRUCH 1
Elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallumhüllungen zur Steuerung der Feldstärke und des Feldlinienverlaufs innerhalb der Adern des Kabels, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dieser Umhüllungen (13) aus einem luft- und feuchtigkeitsdurchlässigen Isolierstoffband mit mindestens einem darauf haftenden Metallbelag besteht.
UNTERANSPRÜCHE
1. Hochspannungskabel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit mindestens einem Metallbelag aus korrosionsfestem Material versehenes Papierband (13) aussen um eine den Leiter konzentrisch umgebende Isolation (12) aus Papierlagen herumgewickelt ist, wobei der Metallbelag des Papierbandes (13) aussen liegt.
2. Hochspannungskabel nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Papierband (13) nichtmetallisierte Flächenteile aufweist und so aufgewickelt ist, dass die nichtmetallisierten Flächenteile durch metallisierte Flächenteile einer weiteren Lage des Papierbandes (13) überdeckt sind.
3. Hochspannungskabel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter (32) aus mehreren miteinander verdrillten Drähten (31) besteht und unmittelbar mit dem Isolierstoffband (33) umwickelt ist, dessen Metallbelag auf der den Leiterdrähten zugewandten Innenseite des Isolierstoffbandes (33) liegt.
4. Hochspannungskabel nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Metallbelag des Isolierstoffbandes (33) eine elektrisch isolierende Schicht aufgetragen ist.
5. Hochspannungskabel nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leiter (32) und dem äusseren die aus Papierlagen (34),gebildete Isolation umhüllenden Metallpapierband (35) innerhalb der Papierlagen (34) konzentrisch verlaufende, elektrisch leitende Zwischenfolien (37) aus einem einen Metallbelag tragenden Papier eingewickelt sind.
6. Hochspannungskabel nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfolien (37) aus jeweils zwei Metallpapierbändern bestehen, die mit ihrem Metallbelag aufeinanderliegen.
7. Hochspannungskabel nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbelag mit einer zweiten, etwa 0,01 um dicken Schicht aus einem Metall oxid bedeckt ist.
PATENTANSPRUCH 11
Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungskabels nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet; dass der Metallbelag in einer Dicke von höchstens 1 um unter Vakuum auf das Isolierstoffband aufgedampft wird.
UNTERANSPRÜCHE
8. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbelag in grobkristalliner Form auf ein Papierband (13) mit rauher Oberfläche in 0,5-1 um Dicke aufgedampft wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass ein Papierband (21) zunächst mit einem ersten, 0,01-0,1 um dicken Metallbelag (22) aus korrosionsfestem Material wie Nickel und Aluminium vorbedampft wird, dass anschliessend auf diesen Metallbelag Ölflecken aufgetragen werden und dass schliesslich auf den ersten Metallbelag an seinen ölfreien Stellen ein zweiter, 0,5-1 um dicker Metallbelag (23) aus leicht zu verdampfendem Material wie Zink und Cadmium aufgedampft wird.
10. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Metallbelag eines als Zwischenfolie (17) verwendeten Papierbandes eine zweite als Isolation dienende Schicht aufgedampft wird.
11. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch ge- kennzeichnet, dass bei einem Isolierstoffband aus einem Kunststoff mit höherem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen die Kabelisolation mit einem Tränkmittel mit niedrigerem Aromatengehalt und bei einem Isolierstoffband aus Kunststoff mit einem niedrigerem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen die Kabelisolation mit einem Tränkmittel mit höherem Aromatengehalt getränkt wird.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.