Erdkabel
Die Erfindung betrifft ein Erdskabel mit einem Verbund einer Vielzahl von Strängen.
Die Belastungsfähigkeit von Erdkabeln für die Über- tragung von Wechselstrom hängt in erster Linie von folgenden Faktoren ab: Verluste in der Kalbelab- schirmung, Verluste in dem Kanal, in welchem der Leiter installiert ist, thermischer Widerstand des Kabels und elektrischer Widerstand des Leiters.
Zur Herabsetzung der Verluste und zur Erhöhung der Belastungsfähigkeit in Leitern mit relativ grossem Querschnitt l(z. B. mehr als 5000 cm2 werden die Leiter gewöhnlich in Form einer Vielzahl von Leitersträngen ausgebildet, welche in Segmenten (im allgemeinen vier) vorgesehen sind. Dabei sind die Stränge in jedem der Segmente jeweils schraubenlinienförmig umeinander verdreht. Die Segmente können voneinander durch einen Film eines elektrischisolierenden Materials, wie z. B. eines CelluTlosepapiers oder eines synthetischen Kunstharzes, isoliert werden.
Bei Wechselstromübertragung wird der Widerstand erhöht und somit die Belastungsfähigkeit des Kabelsystems vermindert durch die Veränderung der relativen Dichte des Stroms über den Leiterquerschnitt. Einer der Gründe für diese Veränderung besteht iwm Skineffekt.
Das Ausmass des Skineffekts hängt von dem spezifischen Widerstand des Leitermaterials ab sowie von der Frequenz des Wechselstroms, der Anordnung der schraubenlinienförmig in Segmenten und/oder konzentrisch gewundenen Stränge oder Litzen und dem Mass des Kontaktwiderstandes zwischen den Strängen. Die Verteilung der Stromdichte über den Querschnitt des Leiters wird zusätzlich durch die Nachbarschaft von anderen Leitern verzerrt, zum Beispiel bei einer Rohrinstallation, wobei eine Anzahl von Kabeln oder Leitern nahe bei einander in einem Rohr oder in einem Kanal verlegt sind.
Als Leitungsmatenalien werden am häufigsten Kupfer und Aluminium für die Stränge von Leitern für die unterirdische Übertragung von elektrischen Strom verwendet. Aluminium hat im Vergleich zu Kupfer einen grösseren elektrischen Kontaktwiderstand zwischen benachbarten Strängen. Kupfer ist jedoch ein besserer Leiter.
Die Belastbarkeit eines aus einzelnen Strängen aufgebauten segmentierten Leiters wird erhöht, indem man die Auswirkungen des Skineffekts und des Nachbar- schaftseifekts durch Verwendung mindestens einiger mit Aluminium lummantelter Kupferstränge herabsetzt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines mit Aluminium ummantelten Kupferstrangs für das erfindungs gesmässe Kabel, wobei ein Teilbereich der Ummantelung abgezogen ist;
Fig. 2 eine isometrische Ansicht des aus Strängen zusammengesetzten segmentierten Leiters, wobei ein Teil der Aussenumhüllung weggelassen ist, um die einzelnen Stränge Sblosszulegen;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des aus einzelnen Strängen aufgebauten segmentierten Leiters.
Das erfindungsgemässe Erdkabel umfasst mindestens einige Stränge 10, welche aus einem Kupferdraht 11 mit einer äusseren Ummantelung 1.2 aus Aluminium bestehen. Das Aluminium ist metallurgisch mit dem Kupfer verbunden.
Die Aluminium-Ummantelung kann in jeder geeigneten Weise auf den Kupferdrant aufgebracht werden.
Eine Methode besteht darin, den Kupferdraht mit Silber zu überziehen und sodann diesen überzogenen Draht in eine Röhre aus Aluminium einzusetzen oder eine Schicht von Aluminium direkt über den Silber belag zu extrudieren, worauf der Verbund einer Rollbehandlung oder einer Ziehbehandlung unterzogen wird, um die Metalle Aluminium, Silber und Kupfer in einen engen Kontakt zu bringen und eine vollständige metallurgische Verbindung durch die Verbindung von Kupfer, Silber und Aluminium herzustellen. Eine derartige metallurgische Bindung kann zwischen Kupfer und Silber bzw.
Silber und Aluminium erzielt werden.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfährungsfonu bestehen alle Stränge des Leiters aus mit Aluminium ummantelten Kupferdrähten 10. Wie gezeigt sind sie in vier Segmenten gruppiert, wobei die Stränge in jedem Segment heibxartig umeinander gewunden sind. Zwei sich gegenüberliegende Segmente 13 tragen eine Isolierung, wodurch alle vier Segmente voneinander isoliert sind.
Die Segmente 13a, welche keine Isolierung tragen, sind vorzugsweise etwas grösser als die jenigen mit Isolierung, um den durch die Isolierung verursachten Dicken Unterschied zu kompensieren und um zu einem vollständig runden Kabel zu gelangen. Nur eines der Segmente 13 ist im einzelnen dargestellt. Es handelt sich dabei um ein isoliertes Segment. Auch die anderen drei Segmente 13 und 13a sind in ähnlicher Weise aufgebaut, wobei jedoch die Segmente zwischen den beiden isolierten Segmenten keine Isolierung benötigen. Die Segmente sind miteinander verbunden und bilden einen zusammengesetzten Leiter. Dies geschieht durch Umwickeln mit einem elektrisch leitfähigen Band 14. Das Band kann aus einem herkömmlichen für solche Zwecke geeigneten Material bestehen, wie z.
B. aus einem Bronze-Band mit zwischengelegtem Papier oder aus einem anderen Metallband, welches eine genügende Festigkeit aufweist, so dass eine Zwischenlage von Papier nicht erforderlich ist. Ein derartiges elektrisch leitfähiges Band dient als leitfähiger Mantel und als mechanischer Binder. Wie bereits oben erwähnt können die Segmente 13 mittels eines geeigneten elektrisch isolierenden Materials an gegenüberliegenden Strängen voneinander isoliert sein. Dies geschieht z. B. durch in den Figuren mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnetes Isolierband.
Die Aluminium-Ummantelung 12 beträgt vorzugsweise etwa 1020 .'o des Querschnittsbereichs eines Stranges 10 und insbesondere etwa 10 O/o, wie aus den folgenden Tabellen hervorgeht.
Die Tabellen 1 tund 2 zeigen die relative Strombe- lastbarkeit von Kabeln, welche folgendes Leitermaterial aufweisen: Kupfer, Aluminium mit Lack oder Email überzogenes Kupfer und mit Aluminium ummanteltes Kupfer, wobei das Aluminium 20 O/o bzw. 10 0/0 des Querschnittsbereichs ausmacht. Tabelle 1 zeigt die Testergebnisse. Tabelle 2 zeigt die berechneten Ergebnisse. Die Untersuchungen wurden bei Zimmertemperatur an HPOF - Segment-Kabeln (HPOF heisst high pressure oil filled - unter hohem L)ruck mit Öl gefüllt), mit ca. 10 120 cm2 Querschnitt und 138 kV mit einem Leiter durchgeführt.
Der in Tabelle 1 wiedergegebene Wechselstromwiderstand (rad) wurde in Luft gemessen und zwar in Dreieckschaltung und in Sternschaltung.
Die Strombelastungskapazität der Leiter in Kabeln systemen vom Rohr typ ist durch die folgende Gleichung gegeben:
EMI2.1
wobei die einzelnen Symbole die folgende Bedeutung haben:
I = Strombelastungskapazität des Leiters in Ampe- re; tTc = maximal zulässiger Temperaturanstieg im Leiter ("C);
1.7 Rdc (1 -:
: YC) = effektiver elektrischer Widerstand des Leiters bei in Stahlrohr verlegtem Kabel (Mikroohm/30,5 cm); Rae = Gleichstromwiderstand des Leiters (Mi kroohm/30,5 cm);
Yc = Zunahme des Leitungswiderstandes aufgrund von Wechselstromeffekten, ausgedrückt als Bruchteil des Gleichstromwiderstandes und Re. = Effektiver thermischer Widerstand des thermischen Kreises (Ohm/30,5 cm).
Da unterfbestimmten Bedingungen der Leitertemperatur, des Dielektrikums und der Umgehung des Kabelkanals und der Kabelinstallation ATc und Rea als konstant betrachtet werden können, besteht eine Möglichkeit zur Erhöhung der Strombelastbarkeit des Leiters darin, den effektiven Widerstand zu senken ohne die Leiterabmessungen zu verändern. Diese geschieht durch einen Leiter, welcher vollständig oder teilweise aus mit Aluminium ummantelten Kupfersträngen bestehen.
Die geprüften Kabel waren Ein-Leiter-Kabel und zwar segFmentierte HPOF-Kabel (10120 cm2 Querschnitt, 138 kr). Die Prüfung wurde bei Zimmertemperatur vorgenommen.
Gemäss Tabelle 1 wurde der Wechselstromwiderstand eines jeden Leiters (Rae) in Luft geprüft und zwar mit Kabeln in Dreieckschaltung und Kabeln in Sternschaltung. Er ist durch den Ausdruck Rde(1 + Yc) gegeben, wobei Yc ein Faktor ist, welcher sich aufgrund des Skin-Effektes und des Nacbbarschaftseffektes des Leiters ergibt.
Tabelle 1
1/C, segmentiert, 10 120 cm2 Querschnitt, 138 kV, HPOFKabel
Dreieckschaltung Sternschaitung in Luft in Luft
Leiter- Rdc 1 + Yc Rac 1 + Yc Rac material Mikroohm/30,5 Mikroohm/30,5 Mikroohm/30,5 cm cm cm
Kupfer 5.42 1.26 6.82 1.23 6.68 Aluminium" 8.80 1.02 8.97
Kupfer mit Lack- oder Email-Über- zug (92 O/o Kup fer, 8 O/o Email) 5.86 1.05 6.15 1.04 6.10 *Diese Werte basieren auf Messungen an einem 11 385 cm Querschnitt-Leiter und wurden für einen 10 120 cm Querschnitt-Leiter extrapoliert.
Wie aus dieser Tabelle 1 hervorgeht, erhöht sich der effektive Widerstand eines blanken Kupferleiters offenbar wesentlich aufgrund des Skin-Effekts und des Nachbarschaftseffekts, während dies bei einem Aluminiumleiter oder bei einem Kupferleiter mit einem Email Überzug nicht der Fall ist. Die Auswirkungen geringeren (SkinEffekt und Nachbarschaftseffekt) bei den letzteren beiden Leitertypen beruhen auf der besseren Strom dichteverteilung über den jeweiligen Leiterquerschnitt.
Im Falle des Aluminiumleiters ist die venbesserte Strom- dichteverteilung offenbar eine Folge des hohen elektri schen Kontaktwiderstandes zwischen den einzelnen
Strängen. Im Falle des mit Lack oder mit Email überzogenen Kupferleiters ist die verbesserte Stromdichteverteilung offenbar eine Folge der durch den Lack bzw. das Email bewirkten Isolation zwischen den einzelnen Strängen.
Tabelle 2 zeigt den Vorteil der mit Aluminium ummantelten Kupferleiter gegenüber reinen Kupferleitern und reinen Aluminiumleitern. Tn Tabelle 2 ist die 43 Stromtransportkapazität durch die folgende Gleichung definiert:
EMI3.1
wobei p = 1 die Leitfähigkeit bedeutet.
Rdc
Unter der Annahme ähnlicher Verhältnisse hinsichtlich der Leiterabmessungen, des Dielektrikums, der Installationsbedingungen und der Umgebung wurde letztere Gleichung in folgender Weise umgeschrieben:
EMI3.2
woraus die Werte für die Stromtransportkapazität berechnet wurden.
Tabelle 2 1!C, 10 120 cm7 Querschnitt, segmentiert, 138 kV, HPOF-Kabel, Dreieckschaltung in Luft
Leiter Leitfähig- 1 + Yc Stromkapazität Stromkapazität
Material keit (%) Differenz in Bezug auf Kupfer (O/o)
Kupfer 100 1.26 8.9 k 0
Aluminium 60 1.02 7.7 k -13
Kupfer .mit Aluminium ummantelung (20 O/o Al, 80 O/o
Cu) 92 1.04 9.4 k + 6 Kupfer mit Aluminiumummantelung (10 O/o Al, 90 O/o Cu) 96 1.04 9.6 k + 8
Berücksichtigt man, dass Ibei der-Sternschaltung der effektive Widerstand (1 + Yc) im allgemeinen etwas geringer ist als bei Dreieckschaltung,
so muss hierfür auch eine etwas grössere Stromkapazität angenommen werden. Die prozentuale Steigerung oder Abnahme der Stromkapazität in Bezug auf die für die Dreieckschaltung berechnete Stromkapazität ist jedoch vernachlässigbar.
Auf den ersten Blick ist die letzte ISpalte der Tabelle 2 etwas irreführend. Die eingetragenen Zunahmen der Stromkapazität von 6 0/0 bzw. 8 O/o stellen in Realität 15 O/o bis 20 O/o des insgesamt möglichen Zuwachses dar, welcher sich einstellen würde, wenn der Wechselstromwiderstand gleich dem Gleichstromwiderstand wäre. Die obigen Prozentangaben wurden auf der Grundlage erhalten, dass der gesamte Wechselstro1mwiderstand eines Kupferleiters der angegebenen Abmessung, welcher Teil eines Drei-Kabelsystems in einem Stahlrohr mit einem Durchmesser von etwa 20 cm ist, den 1,91-fachen Wert des Gleichstromwiderstandes hat.
Die Tabelle 2 zeigt somit, dass ein segmentiertes Kabel mit aiuminiumummantelten Strängen, wobei das Aluminium in dem äusseren Rand eines jeden Stranges 10 bis 20 O/o des Gesamtquerschnittes umfasst, eine um 8 bis 6 O/o grössere Stromkapazität als ein Leiter ähnlicher Abmessungen mit reinen Kupfersträngen hat und eine um etwa 19 bis 21 o/o grössere Belastbarkeft als ein Leiter ähnlicher Abmessungen, welcher aus Aluminiumsträngen besteht.
Die aluminlumummanteften Kupferstränge 10 kön- nen bei Leitern jeder Gestalt und jeder Grösse verwendet werden. Ihre Hauptanwendung liegt jedoch auf dem Gebiet der Rohrkabein, während in anderen Systemen im allgemeinen wirtschaftliche Betrachtungen die Notwendigkeit für geringstmögliche Verluste und grösstmögliche Belastbarkeit diktieren.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemässen Erdkabels, wobei die Stränge in dem Segment 13 sowohl reine Kupferstränge 15 als auch Aluminium-ummantelte Kupferstränge 10 umfassen, welche derart vermischt und relativ zueinander ange- ordnet sind, dass niemals zwei ausschliesslich aus Kupfer bestehende Stränge mit ihren Oberflächen in Berüh- rung miteinander stehen. Somit ist der hohe Kontaktwiderstand des Aluminiums für die Herabsetzung des Skineffekts und des Nachbarschafteffekts wirksam und erhöht die Strornbelastbarkeit. Bei Kabeln, welche mit Öl imprägniert sind, sind die im allgemeinen vollständig aus Kupfer bestehenden Stränge 15 mit einem geeigne- ten Material überzogen, wie z.
B. mit einer Blei-Zinn- Legierung. Diese Legierung bildet einen Überzug, welcher ölundurchlässig ist und verhindert, dass das Öl in Kontakt mit dem Kunfer kommt. Somit wird eine grössere Stabilität des Öls gewährleistet.