Isolierte Kabelverbindungsanordnung und Verfahren zum Herstellen derselben
Die Erfindung betrifft eine isolierte Kabelverbindungsanordnung, bei der die Isolation miteinander verbundener elektrischer Leiter aus gewickelten Bandlagen besteht und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
Die erfindungsgemässe Kabelverbindungsanordnung ist insbesondere bestimmt und geeignet zum Isolieren von Kabeln, wie extrudierten Kabeln, worin die aus einem Leiter mit einer ihn rings umgebenden halbleitenden Abschirmung bestehende Kabelseele in Isolation eingeschlossen ist, eine rings umgebende halbleitende Abschirmung aufweist und von einem Metallmantel, wie Blei, umhüllt ist. Gegenwärtig werden Verbindungsstellen derartiger Kabel isoliert, indem entweder eine Isolation um sie herum geformt (gegossen) wird oder indem sie mit dielektrischem Isolierband umwikkelt werden. Eine geeignete Isolation für die Kabelverbindungsstellen soll Koronaentladungen bei der Betriebsspannung des Kabels vermeiden und auch eine hohe Durchschlagsspannung aufweisen.
Im allgemeinen wird die Koronaentladung durch Vermeiden von Hohlräumen in der Isolation ausgeschaltet, während die Höhe der Durchschlagsspannung vom elektrischen Verlustwert der Isolation abhängt.
Geformte Isolation für solche Verbindungsstellen kann mit der gegenwärtigen Verfahrenstechnik mit einer hohen Impulshöhe hergestellt werden. Eine derartige Isolation zeigt jedoch eine verhältnismässig niedrige Koronaentladungsspannung, da gegenwärtig verfahrenstechnische Schwierigkeiten bei der Beseitigung von Hohlräumen in der Isolation der Verbindungsstellen unvermeidbar sind.
Eine gewickelte Bandisolation für die Verbindungsstellen wird normalerweise durch Lagen eines Kautschukbandes, wie Butyl- oder Emulsionspolybutadienkautschuk-(EPR)-bänder, welche dehnbar und selbstklebend sind, gebildet, so dass bei sorgfältigem und engem Wickeln das Auftreten von Hohlräumen auf ein Mindestmass herabgedrückt und die Koronaentladungsspannung hoch gehalten wird. Diese Bänder weisen jedoch hohe elektrische Verluste auf, was zu niedrigen Werten der Durchschlagsspannung führt. Der Durchschlag ist von thermoelektrischer Art, und die Durchschlagsspannung ist ungefähr proportional der Quadratwurzel der Dicke der Isolation.
Butylkautschuk- oder EPR-Bänder sind brauchbar bei Verbindungsstellen, die für 35 bis 40 kV ausgelegt sind, jedoch nur gerade noch brauchbar oder unbrauchbar für Verbindungsstellen für 69 kV. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei einer annehmbaren Dicke der Isolation der Verbindungsstelle, nämlich bis zu der dreifachen Dicke des Kabels, die Impuls- und Wechselstromdurchschlagsspannungen verhältnismässig niedrig und sehr oft unterhalb des gewünschten Wertes der Grundimpulshöhe liegen.
Zweck der Erfindung ist eine isolierte Kabelverbindungsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbindungsanordnung, wodurch die Koronaentladungshöhe bei einem annehmbar niedrigen Wert gehalten wird und die Durchschlagsspannung höher ist, als sie mit bekannten Ausbildungen von geformten oder aus gewickelten Bändern bestehenden Isolationen für Verbindungsstellen erhalten werden kann.
Die erfindungsgemäss isolierte Verbindungsanordnung ist gekennzeichnet durch miteinander verbundene Lagen eines dielektrischen Kautschukbandes und Lagen eines weiteren dielektrischen Bandes, welches einen geringeren elektrischen Verlustwert als das Kautschukband aufweist, welche zwischen Lagen des Kautschukbandes in der Weise verteilt sind, dass wenigstens zwei Lagen des Kautschukbandes zwischen je zwei Lagen des weiteren dielektrischen Bandes vorhanden sind.
Eine Lage des weiteren dielektrischen Bandes, welches hiernach vereinfacht als das verlustarme Band bezeichnet ist, wird zweckmässig über jede zweite, dritte, vierte oder weitere Lage des Kautschukbandes gewickelt, so dass in der Gesamtdicke der Isolation eine Mehrzahl getrennter Schichten oder Lagen des verlustarmen Bandes, wenigstens zwei und vorzugsweise mehr, vorhanden sind.
Das dehnbare selbstklebende Kautschukband kann, wie bei bekannten Ausbildungen von Wickelbandisolation, straff ohne Falten oder Knicke um den Leiter und über sich selbst gewickelt werden, um das Auftreten von Hohlräumen und die Höhe der Koronaentladung auf Mindestwerte zu begrenzen. Der Einschluss von Lagen von verlustarmem Band verhindert den Aufbau von heissen Punkten in der Isolation und erhöht so die Durchschlagsspannung. Durch Einschluss einer Mehrzahl von Lagen des verlustarmen Bandes in Form von Einzellagen, die in Abständen zwischen den Lagen des Kautschukbandes angeordnet sind, kann jede Lage des verlustarmen Bandes aufgewickelt werden, ohne selbst Hohlräume zu verursachen, und indem die mehreren Lagen des verlustarmen Bandes über die Dicke der Isolation verteilt sind, sind sie gut angeordnet, um die Entwicklung von heissen Stellen wirksam zu verhindern.
Eine beispielsweise isolierte Kabelverbindungsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung derselben werden mit weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt in Längsrichtung durch eine typische isolierte Kabelverbindungsstelle;
Fig. 2 einen Ausschnitt der Kabelverbindungsstellenisolation der Fig. 1 in grösserem Massstab, wobei die Bandlagen schematisch gezeigt sind;
Fig. 3 einen Ausschnitt des Kabelleiters an der Verbindungsstelle in grösserem Massstab zur Erläuterung einer bevorzugten Art des Umwickelns mit den aufeinanderfolgenden Bandlagen und
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Messwerte der Durchschlagsspannungen bei einer Kabelver bindungsstellenisolaüon mit Einschluss von verlustarmem Band und einer Kabelverbindungsstellenisolation ohne das verlustarme Band.
Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, ist ein typisches Kabel, für dessen Verbindungsstellen die Isolation besonders geeignet ist, ein umspritztes (extrudiertes) Kabel mit einem Leiter 10, der mit einer Abschirmung 11 aus Halbleitermaterial beschichtet und von einer Isolation 12 umgeben ist. Die Isolation 12 ist mit einer Abschirmung 13 aus Halbleitermaterial beschichtet und von einem Metallmantel 14 umschlossen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden zum Verbinden der Kabelabschnitte der Mantel 14, die Halbleiterabschirmung 13, die Isolation 12 und die Halbleiterabschirmung 11 von den Endabschnitten der Kabel entfernt, um die Endabschnitte des Leiters 10 freizulegen. Die Dicke der Isolation 12 ist vorzugsweise allmählich bis zu den freigelegten Endabschnitten der Leiter verringert. Die Enden der jeweiligen Leiter 10 werden dann in einer Verbindungshülse 15 zusammengebracht, welche ein kurzes Rohrstück aus Kupfer oder anderem leitenden Material ist. Die Verbindungshülse 15 kann ein geschlitztes Rohr sein und ist gewöhnlich auf die Leiterenden aufgepresst.
Eine Abschirmung 16 aus halbleitendem Material wird rings um die Verbindungshülse 15 und die benachbarten freigelegten Abschnitte der Leiter 10 aufgebracht, und um die Verbindungsstelle wird die Isolation 17, die aus Lagen von dielektrischem Kautschukband 18 mit darin verteilten Einzellagen eines verlustarmen Bandes 19 besteht, wie in Fig. 2 gezeigt, gewickelt. Die Isolation 17, welche so den zur Herstellung der Verbindungsstelle entfernten Teil der Isolation 12 ersetzt, wird gewöhnlich erheblich dicker als die normale Kabelisolation 12 sein, wie gezeigt. Die Art der Isolation 17 und die Methoden zuwi Aufbringen derselben werden im folgenden im einzelnen beschrieben.
Nachdem die Isolation 17 aufgebracht ist, wird sie mit einer Abschirmung 20 aus halbleitendem Material abgedeckt, deren Enden mit den Endkanten der Abschirmung 13 aus halbleitendem Material, welche sich unterhalb des Metalbnantels 14 rings um die Kabelisolation 12 erstreckt, überlappen oder in anderer Weise damit verbunden sind. Dann wird über die Halbleiterabschirmung 20 rings um den Bereich der Verbindungsstelle ein Metallmantel 21 aufgebracht und an seinen Enden mit den Enden des Kabelmetallmantels 14 verbunden, um die Verbindungsstelle vollständig zu versiegeln. Die Metallmäntel 21 und 14 werden in geeigneter Weise verbunden durch eine Stossverbindung und Verschweissen oder Verlöten ihrer aneinanderstossenden Kanten.
Das zur Herstellung der Isolation 17 benutzte dielektrische Kautschukband 18 ist ein selbstklebendes Band, zweckmässigerweise ein Butylkautschuk- oder EPR-Kautschukband. Das verlustarme Band 19 ist ein Band aus dielektrischem Material mit einem niedrigeren elektrischen Verlustwert als das Kautschukband 18. Das verlustarme Band 19 kann, muss aber nicht dehnbar sein und ist vorzugsweise ein im wesentlichen aus vernetztem Polyäthylen oder Polypropylen bestehendes Band.
Die Bänder 18 und 19 werden rings um die Kabelverbindungsstelle gewickelt, wobei das Band 18 überlappend mit wenigstens zwei Lagen des Kautschukbandes 18 unter jeder Lage des verlustarmen Bandes 19 gewickelt ist. Eine Mehrzahl von Lagen des verlustarmen Bandes 19 (wenigstens zwei und vorzugsweise mehr) sind als Einzellagen zwischen Mehrfachlagen des Kautschukbandes 18 über die Gesamtdicke der Isolation 17 vorgesehen, die so lagenweise aufgebaut ist. Das Kautschukband 18 wird beim Wickeln um die Verbindungsstelle straff gezogen und gedehnt, so dass es eng aufzieht und eine gute Bindung zwischen den Lagen erreicht und die Bildung von Hohlräumen vermieden wird.
Wie in Fig. 3 gezeigt, werden gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens aufeinanderfolgende Lagen des Kautschukbandes 18 in entgegengesetzten Richtungen gewickelt. Jede Lage des verlustarmen Bandes 19 wird in der gleichen Richtung wie die unter ihr liegende Lage des Kautschukbandes 18 gewickelt. Die nächste, über sie gewikkelte Lage des Kautschukbandes 18 wird dann in der gleichen Richtung, die nächstfolgende Lage des Kautschukbandes 18 in der entgegengesetzten Richtung gewickelt. Das verlustarme Band 19 wird vorzugsweise in kürzeren Schlägen als das Kautschukband 18 und.vorzugsweise in einer offenen Spirale gewickelt, so dass die über einer Lage des verlustarmen Bandes liegende Lage von Kautschukband 18 sich durch die Zwischenräume mit der darunterliegenden Lage von Kautschukband verbindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche ein verlustarmes Band 19 aus vernetztem Polyäthylen benutzt, kann das Band beim Aufbringen auf eine Temperatur von 130 "C erhitzt werden, so dass es beim Abkühlen schrumpft und eng auf die darunterliegenden Bandlagen aufzieht, wodurch die Vermeidung von Hohlräumen noch besser gewährleistet ist.
Wie oben erläutert liefert der Einschluss getrennter Lagen von verlustarmen Band 19, die in der beschriebenen Weise zwischen Lagen von Kautschukband 18 verteilt sind, Wärmedämmschichten, welche die Entwicklung von heissen Punkten verhindern und die Durchschlagsspannung der Isolation 17 erhöht. Ferner wird durch möglichst weitgehende Vermeidung der Erzeugung von Hohlräumen die Höhe der Koronaentladung auf einen Mindestwert gebracht.
Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung die Stossspannungs-Durchschlagsbelastung in einer beschriebenen Isolation, mit Lagen von verlustarmem Band 19 aus vernetztem Polyäthylen (Kurve A) im Vergleich mit der Stossspannungs Durchschlagsbelastung bei einer Isolation, aus der das verlust arme Band weggelassen war (Kurve B). Die Isolations-Probestücke befanden sich bei einer Temperatur von 90 "C, und die Durchschlagsspannungsbelastungen sind in Volt pro 0,025 mm Isolationsdicke angegeben. Wie die Darstellung zeigt, erhöht der Einschluss des verlustarmen Bandes die Belastung beim Stossspannungsdurchschlag um mehr als 200 Volt pro 0,025 mm in einer Isolation von 5 mm Dicke, während bei 50,8 mm Isolationsdicke die Erhöhung über 150 Volt pro 0,025 mm beträgt.
Insulated cable joint assembly and method of making the same
The invention relates to an insulated cable connection arrangement, in which the insulation of interconnected electrical conductors consists of wound layers of tape, and a method for producing the same.
The cable connection arrangement according to the invention is particularly intended and suitable for insulating cables, such as extruded cables, in which the cable core consisting of a conductor with a semiconducting shield surrounding it is enclosed in insulation, has a semiconducting shield surrounding it and is covered by a metal jacket, such as lead, is wrapped. Currently, junctions of such cables are insulated by either molding (pouring) insulation around them or by wrapping dielectric tape around them. A suitable insulation for the cable connection points should avoid corona discharges at the operating voltage of the cable and also have a high breakdown voltage.
In general, the corona discharge is switched off by avoiding cavities in the insulation, while the level of the breakdown voltage depends on the electrical loss value of the insulation.
Shaped insulation for such junctions can be made with current processing techniques with a high pulse height. Such an insulation, however, shows a comparatively low corona discharge voltage, since procedural difficulties in removing cavities in the insulation of the connection points are currently unavoidable.
Wrapped tape insulation for the joints is usually formed by layers of rubber tape, such as butyl or emulsion polybutadiene rubber (EPR) tapes, which are stretchable and self-adhesive, so that when carefully and tightly wound, the occurrence of voids is minimized and the Corona discharge voltage is kept high. However, these tapes have high electrical losses, which leads to low breakdown voltage values. The breakdown is thermoelectric in nature, and the breakdown voltage is roughly proportional to the square root of the insulation thickness.
Butyl rubber or EPR tapes are useful for joints that are rated for 35 to 40 kV, but are only just usable or unusable for joints for 69 kV. This is due to the fact that with an acceptable thickness of the insulation of the connection point, namely up to three times the thickness of the cable, the pulse and alternating current breakdown voltages are comparatively low and very often below the desired value of the basic pulse height.
The purpose of the invention is an insulated cable connection assembly and a method of making this connection assembly, whereby the corona discharge level is kept at an acceptably low value and the breakdown voltage is higher than can be obtained with known designs of formed or wound tape insulation for connection points.
The connection arrangement insulated according to the invention is characterized by interconnected layers of a dielectric rubber tape and layers of a further dielectric tape, which has a lower electrical loss value than the rubber tape, which are distributed between layers of the rubber tape in such a way that at least two layers of the rubber tape between two Layers of the further dielectric tape are present.
A layer of the further dielectric tape, which is hereinafter referred to simply as the low-loss tape, is expediently wound over every second, third, fourth or further layer of the rubber tape, so that in the total thickness of the insulation a plurality of separate layers or plies of the low-loss tape, at least two and preferably more are present.
The stretchable self-adhesive rubber tape can, as in known forms of winding tape insulation, be wound tightly around the conductor and over itself without folds or kinks in order to limit the occurrence of voids and the level of the corona discharge to a minimum. The inclusion of layers of low-loss tape prevents the build-up of hot spots in the insulation and thus increases the breakdown voltage. By including a plurality of plies of the low-loss tape in the form of individual plies spaced between the plies of the rubber tape, each ply of the low-loss tape can be wound without creating voids itself and by placing the multiple plies of the low-loss tape over the Thickness of the insulation, they are well arranged to effectively prevent the development of hot spots.
An example insulated cable connection assembly and a method of making the same will be described in further detail with reference to the accompanying drawings. Show here:
1 is a longitudinal cross-section through a typical insulated cable joint;
FIG. 2 shows a detail of the cable connection point insulation of FIG. 1 on a larger scale, the tape layers being shown schematically;
3 shows a detail of the cable conductor at the connection point on a larger scale to explain a preferred type of wrapping with the successive tape layers and
4 is a graphic representation of a comparison of the measured values of the breakdown voltages in a cable connection point insulation with the inclusion of low-loss tape and a cable connection point insulation without the low-loss tape.
As shown in FIGS. 1 and 2, a typical cable, for the connection points of which the insulation is particularly suitable, is a molded (extruded) cable with a conductor 10 which is coated with a shield 11 made of semiconductor material and surrounded by an insulation 12. The insulation 12 is coated with a shield 13 made of semiconductor material and enclosed by a metal jacket 14.
As shown in Fig. 1, to connect the cable sections, the jacket 14, the semiconductor shield 13, the insulation 12 and the semiconductor shield 11 are removed from the end portions of the cables to expose the end portions of the conductor 10. The thickness of the insulation 12 is preferably gradually reduced to the exposed end portions of the conductors. The ends of the respective conductors 10 are then brought together in a connecting sleeve 15 which is a short piece of pipe made of copper or other conductive material. The connecting sleeve 15 can be a slotted tube and is usually pressed onto the conductor ends.
A shield 16 of semiconducting material is applied around the connecting sleeve 15 and the adjacent exposed sections of the conductors 10, and the insulation 17, which consists of layers of dielectric rubber tape 18 with individual layers of a low-loss tape 19 distributed therein, as in FIG 2 shown wound. The insulation 17, which thus replaces the portion of the insulation 12 removed to make the connection point, will usually be considerably thicker than the normal cable insulation 12, as shown. The type of insulation 17 and the methods for applying it are described in detail below.
After the insulation 17 has been applied, it is covered with a shield 20 made of semiconducting material, the ends of which overlap or otherwise connected to the end edges of the shield 13 made of semiconducting material, which extends below the metal jacket 14 around the cable insulation 12 are. A metal jacket 21 is then applied over the semiconductor shield 20 around the area of the connection point and connected at its ends to the ends of the cable metal jacket 14 in order to completely seal the connection point. The metal jackets 21 and 14 are connected in a suitable manner by a butt joint and welding or soldering of their abutting edges.
The dielectric rubber tape 18 used to produce the insulation 17 is a self-adhesive tape, expediently a butyl rubber or EPR rubber tape. The low loss tape 19 is a tape of dielectric material having a lower electrical loss value than the rubber tape 18. The low loss tape 19 may or may not be stretchable and is preferably a tape consisting essentially of crosslinked polyethylene or polypropylene.
The tapes 18 and 19 are wrapped around the cable joint with the tape 18 wrapped in an overlapping manner with at least two layers of the rubber tape 18 under each layer of the low loss tape 19. A plurality of layers of the low-loss tape 19 (at least two and preferably more) are provided as individual layers between multiple layers of the rubber tape 18 over the total thickness of the insulation 17, which is thus constructed in layers. The rubber tape 18 is pulled taut and stretched as it is wound around the connection point, so that it pulls tight and a good bond is achieved between the layers and the formation of voids is avoided.
As shown in FIG. 3, according to a preferred embodiment of the method, successive layers of the rubber tape 18 are wound in opposite directions. Each layer of the low-loss tape 19 is wound in the same direction as the layer of the rubber tape 18 below it. The next layer of rubber tape 18 that is wound over it is then wound in the same direction, and the next layer of rubber tape 18 in the opposite direction. The low-loss tape 19 is preferably wound in shorter turns than the rubber tape 18 and preferably in an open spiral, so that the layer of rubber tape 18 lying above a layer of the low-loss tape connects through the interstices with the underlying layer of rubber tape.
In a preferred embodiment, which uses a low-loss tape 19 made of crosslinked polyethylene, the tape can be heated to a temperature of 130 "C during application, so that it shrinks when it cools and tightly pulls onto the underlying tape layers, thereby avoiding voids is better guaranteed.
As explained above, the inclusion of separate layers of low-loss tape 19, distributed between layers of rubber tape 18 in the manner described, provides thermal barrier layers which prevent the development of hot spots and increase the breakdown voltage of the insulation 17. Furthermore, by avoiding the generation of cavities as far as possible, the level of the corona discharge is brought to a minimum value.
4 shows a graphic representation of the surge voltage breakdown load in an insulation described, with layers of low-loss tape 19 made of cross-linked polyethylene (curve A) in comparison with the surge voltage breakdown load in an insulation from which the low-loss tape was omitted (curve B ). The insulation specimens were at a temperature of 90 "C and the breakdown voltage stresses are given in volts per 0.025 mm of insulation thickness. As the illustration shows, the inclusion of the low-loss tape increases the stress at surge voltage breakdown by more than 200 volts per 0.025 mm in an insulation of 5 mm thickness, while with 50.8 mm insulation thickness the increase is over 150 volts per 0.025 mm.