Diese Erfindung bezieht sich auf ein Druckgasisoliertes Hochspannungskabels wobei der stromführende Leiter bezüglich der koaxialen Metallhülle durch ringförmige Stützisolierelemente zentriert ist, welche mindestens eine in eine Ringnute eingebaute Elektrode aufweisen, die einen elektrischen Kontakt mit dem stromführenden Leiter bzw. der erwähnten Metallhülle haben.
Bis jetzt waren am wirtschaftlichsten die Freilufthochspannungsübertragungen mit Anordnung der meisten Anlagen - der Leitungen und der Aussenisolation - im Freien. Jedoch zeigt sich mit Zunahme der Übertragungsfähigkeit und infolge der damit verbundenen Steigerung der Spannung immer mehr die Unbrauchbarkeit der Atmosphärenluft als Isoliermedium für Höchstspannungen. Einerseits kommt dies im Effekt des absoluten Potentials, d. h. in der steilen Senkung der Durchschlagspannungszunahme je Höhen einheit mit Vergrösserung des Abstandes der Leitung von dem Erdboden zum Ausdruck.
Andererseits werden die traditionellen Wege zur Verhinderung der beträchtlichen Energie - und Leistungsverluste, sowie der durch die Koronaerscheinung hervorgerufenen Störungen erschöpft. Man kann behaupten, dass die Freiluftübertragungen in der jetztigen Form sich der Grenze ihrer Möglichkeiten nähern.
In diesem Zusammenhang werden intensive Arbeiten in der Entwicklung von unterirdischen Hochspannungsübertragungen, insbesondere von ölgefüllten elektrischen Kabeln für Spannungen von etwa 400 kV und darüber geführt. Eine wirksamere Lösung des Problems ist jedoch die Entwicklung von Hochspannungskabeln mit Druckgas als Hauptisolation.
Die Kabel dieser Art haben gegenüber den Freiluftleitungen und den ölgefüllten Kabeln bzw. den Kabeln mit Ölpapierisolation folgende Vorteile: höhere Übertragungsfähigkeit dank der Anwendung von Hartleitern grossen Querschnitts und hoher Wärmeleitfähigkeit des Druckgases; geringe dielektrische Verluste und praktisch volles Ausbleiben von Koronaverlusten; Schutz gegen Witterungseinflüsse (Glatteis, Verschmutzung der Isolatoren, Blitzeinschläge usw.): Ausbleiben von Funkstörungen; vergrösserte kritische Kabellänge auf Kosten der verminderten spezifischen Kapazität (die dielektrische Gaskonstante beträgt 1 bei beliebigem Arbeitsdruck); Möglichkeit die Isolation für beliebige Spannungen (bis einige Millionen Volt) auszuführen; einfache konstruktive Ausführung und Montage.
Bei derartigen Kabeln wird der stromführende Leiter in Koaxiallage durch Stützisolierelemente aus Hartdielektrikum gehalten, während der Raum zwischen diesen mit Druckgas gefüllt wird.
Bei der Montage solcher Kabel entstehen an den Berührungsstellen der Stützisolierelemente mit dem Leiter und dem Mantel Gaseinschlüsse, in welchen das Potentialgefälle wegen der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten der Hart- und Gasisolation beträchtlich zunimmt. Infolgedessen entsteht in den Gaseinschlüssen eine vorzeitige Ionisierung und der Überschlag der Stützisolierelemente erfolgt bei Spannungen, die wesentlich kleiner als die Durchschlagspannung des Umgebungsgases ist. Dieser Effekt wird mit Zunahme des Gasdruckes verstärkt und bei Drücken von einigen Atmosphären sinkt die Überschlagsspannung auf 50% von der Gasdurchschlagspannung und sogar tiefer.
Zur Beseitigung dieses Mangels durch Unterdrückung der Teilentladungen in den Gaseinschlüssen finden in das Stützisolierelement eingebaute Schirmelektroden Verwendung, die einen elektrischen Kontakt jeweils mit dem Leiter und der Hülle haben und das elektrische Feld in den erwähnten Gaseinschlüssen abschwächen (Siehe z.B.
Frankreichpatentschrift Nr. 1 415 165 Kl. HOIB). Jedoch führt die Anwendung von Stützisolierelrnenten bei den erwähnten Kabeln unvermeidlich zur Verzerrung des elektrischen Feldes, Verstärkung des Potentialgefälles in der Nähe des Leiters und der Hülle, zum Auftreten einer beträchtlichen Normalkomponente der Feldspannung an der Oberfläche des Stützelementes, was eine Senkung der Überschlagspannung zur Folge hat, die zumindest um 15 bis 20% niedriger als die Durchschlagspannung des umgebenden Gases bei Drücken von nicht über 5-6 atm. liegt.
Dies bedeutet, dass das Stützisolierelement hinsichtlich der dielektrischen Festigkeit die schwächste Stelle bleibt. In Anbetracht der zweckmässigen Erhöhung des Gasdruckes bis auf 20 atm (z. B. bei der Benutzung solcher Gase wie Stickstoff oder Luft) führt die Verwendung derartiger Stützisolierelemente zur weiteren Senkung der dielektrischen Festigkeit des Kabels.
Zweck der Erfindung ist es, die erwähnten Mängel zu beseitigen.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein druckgasisoliertes Hochspannungskabel zu schaffen, dessen Durchschlagfestigkeit durch Erhöhung der Überschlagspannung des Stützisolierelementes bis auf den Wert der Druckgasdurchschlagspannung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Kabel erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Erzeugende der Seitenfläche des ringförmigen Stützisolierelementes mit der Kraftlinie des elektrischen Feldes des Kabels zusammenfällt, wobei in jedem Punkt dieser Kraftlinie die elektrische Feldstärke geringer als an der Oberfläche des stromführenden Leiters im Zwischenraum zwischen den Stützisolierelementen ist.
Es ist nun zweckmässig, bei dem Hochspannungskabel die Ringnuten der ringförmigen Stützisolierelemente mit einem Radius r auszuführen, der 0,2-0,25 des Abstandes zwischen dem stromführenden Leiter und der koaxial angeordneten Hülle des erwähnten Kabels beträgt, und die Seitenfläche der ringförmigen Stützisolierelemente mit einer Erzeugenden, deren Gleichung in dem rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang in der Mitte des Querschnittshalbkreises der erwähnten Ringnut die Form
EMI1.1
<tb> vr <SEP> r <SEP> (1,82-0,72e-15 <SEP> x)- <SEP> Ae+ll <SEP> x <SEP>
<tb> hat,
wobei A gleich 0,005 für ein Hochspannungskabel mit Schirmelektroden sowohl seitens des stromführenden Leiters als auch seitens der Metallhülle und gleich 0 für ein Hochspannungskabel mit Schirmelektroden nur seitens des stromführenden Leiters ist.
Zum besseren Verständnis sind nachstehend Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eingehend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Hochspannungskabel im Längsschnitt;
Fig. 2 das Hochspannungskabel mit einer Ringnut sowohl seitens des stromführenden Leiters als auch seitens der Metallhülle;
Fig. 3 eine andere Ausführungsvariante des Hochspannungskabels bei der die Ringnuten nur seitlich des stromführenden Leiters ausgeführt sind;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante des Hochspannungskabels mit nur einer Ringnut seitens des stromführenden Leiters;
Das Hochspannungskabel enthält einen stromführenden Leiter 1 (Fig. 1) und einen koaxial zum erwähnten stromführenden Leiter 1 angeordnete Metallhülle 2.
Der stromführende Leiter 1 wird innerhalb der Metallhülle 2 mittels ringförmiger Stützisolierelemente 3, die beispielsweise aus Porzellan, Epoxydkompoundmasse, Keramik u. dgl.
ausgeführt sind, befestigt.
An den Kontaktflächen der Stützisolierelemente 3, die an der Oberfläche des stromführenden Leiters 1 und der Metall hülle 2 anliegen, sind Ringnuten 4 von halbrundem Querschnitt ausgeführt, in welche Schirmelektroden 5 eingebaut sind, die einen elektrischen Kontakt jeweils mit dem stromführenden Leiter 1 bzw. der Metallhülle 2 haben. Die Schirmelektroden 5 werden entweder durch Füllen der Nuten 4 mit Metall oder durch Überdecken derselben mit einer leitenden Schicht, beispielsweise durch Aufdampfen, oder auch durch Unterbringen in diesen nach dem Profil der Nuten 4 ausgepresster Metallhohlringe ausgeführt.
Der Raum zwischen dem stromführenden Leiter 1 und der Metallhülle 2 wird mit Druckgas 6, beispielsweise mit Stickstoff bzw. Schwefelhexafluorid (SF6), gefüllt.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kabels sind bei dem Stützisolierelement 3 je zwei Schirmelektroden 5 für jede Kontaktfläche seitens des stromführenden Leiters 1 und der Metallhülle 2 vorgesehen, jedoch ist die Ausführung mit je einer Schirmelektrode 5 für jede Kontaktfläche möglich (s. Fig. 2).
In diesem Falle sind die eingebauten Elektroden als hohle Metallringe nach dem Querschnitt der Nute 4 ausgeführt, während der freie Raum mit jeder beliebigen Kompoundmasse
7 gefüllt ist.
Die Anwendung von eingebauten Schirmelektroden in dem Stützisolierelement verändert das elektrische Feld innerhalb des Kabels, wodurch längs der Feldkraftlinien in der Nähe der Elektroden das Potentialgefälle derart verteilt ist, dass es in jedem beliebigen Punkt der Kraftlinie niedriger als an der Oberfläche des stromführenden Leiters im Raum zwischen den
Stützisolierelementen ist.
Hierbei wird an den Kraftlinienstellen in der Nähe des stromführenden Leiters 1 und der Metallhülle 2 das elektrische
Feld stark gegenüber den gleichen Stellen im Raum zwischen den Stützisolierelementen abgeschwächt, während im mittleren
Teil der Kraftlinie das Feld etwas verstärkt wird.
Dadurch wird erreicht, dass das elektrische Feld längs der erwähnten Kraftlinien ausgeglichen wird. Die gleiche Vertei lung des Potentialgefälles findet an der Oberfläche des Stütz isolierelementes 3 statt, dessen Erzeugende mit einer der erwähnten Kraftlinien zusammenfällt. Davon ausgehend ist auch die Seitenfläche des Stützisolierelementes bestimmt.
Der Radius r (Fig. 1) der Ringnuten 4 wird zweckmässiger weise im Bereich 0,2-0,25 vom Abstand zwischen dem strom führenden Leiter 1 und der Metallhülle 2 gewählt. Dann hat die
Seitenfläche des Stützisolierelementes 3 eine Erzeugende, deren Gleichung im rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang im Mittelpunkt des Querschnittshalbkreises der
Ringnut die Form y = r (1,82-0,72e-l 3 xr ¯Ae+t 2 x hat. Hierbei ist A=0,005.
In diesem Falle nimmt die Formel folgende Form an: y = r (1,82-0,72e1,3 7X ,2-0,005e+' 2 Ox ,2)
Bei den Ausführungen, wo die Beziehung des Innendurchmessers der Metallhülle zum Durchmesser des stromführenden Leiters grösser als 3 ist, ist es zulässig, die Schirmelektroden nur seitens des stromführenden Leiters (Fig. 3, 4) anzuordnen.
Die Seitenfläche des Stützisolierelementes 3 (Fig. 3, 4) hat eine Erzeugende, deren Gleichung im rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang im Mittelpunkt des Querschnittshalbkreises der Ringnut die Form y = r (1,82-0,72e1,3 x) hat. Aus der Formel ist ersichtlich, dass A=O ist.
Bei den obenbeschriebenen Kabelausführungen ist ein praktisches Zusammenfallen der Überschlagspannung der ringförmigen Stützisolierelemente mit der Durchschlagspannung des Druckgases im Bereich bis 21 at erreicht.
This invention relates to a pressurized gas-insulated high-voltage cable, the current-carrying conductor being centered with respect to the coaxial metal sheath by annular supporting insulating elements which have at least one electrode built into an annular groove and having electrical contact with the current-carrying conductor or the aforementioned metal sheath.
Until now, the most economical way of doing this was to use the high-voltage transmission in the open air, with most of the systems - the lines and the external insulation - arranged outdoors. However, as the transmission capacity increases and as a result of the associated increase in voltage, the atmospheric air becomes more and more useless as an insulating medium for high voltages. On the one hand this comes from the effect of the absolute potential, i. H. expressed in the steep decrease in the increase in breakdown voltage per unit height with an increase in the distance between the line and the ground.
On the other hand, traditional ways of preventing the significant energy and power losses and disturbances caused by corona phenomena are being exhausted. It can be said that the open air broadcasts in their current form are approaching the limits of their possibilities.
In this context, intensive work is being carried out on the development of underground high-voltage transmissions, in particular oil-filled electrical cables for voltages of around 400 kV and above. However, a more effective solution to the problem is to develop high voltage cables with compressed gas as the main insulation.
The cables of this type have the following advantages over the open-air lines and the oil-filled cables or the cables with oil paper insulation: higher transmission capacity thanks to the use of hard conductors with a large cross section and high thermal conductivity of the compressed gas; low dielectric losses and virtually complete absence of corona losses; Protection against weather influences (black ice, soiling of the insulators, lightning strikes, etc.): absence of radio interference; increased critical cable length at the expense of reduced specific capacitance (the dielectric gas constant is 1 at any working pressure); Possibility to perform the isolation for any voltage (up to a few million volts); simple construction and assembly.
In such cables, the current-carrying conductor is held in the coaxial position by supporting insulating elements made of hard dielectric, while the space between these is filled with compressed gas.
When installing such cables, gas inclusions occur at the points of contact between the support insulation elements and the conductor and the jacket, in which the potential gradient increases considerably due to the different dielectric constants of the hard and gas insulation. As a result, premature ionization occurs in the gas inclusions and the post insulation elements flash over at voltages that are significantly lower than the breakdown voltage of the ambient gas. This effect is intensified as the gas pressure increases, and at pressures of a few atmospheres the breakdown voltage drops to 50% of the gas breakdown voltage and even lower.
To eliminate this deficiency by suppressing the partial discharges in the gas inclusions, shielding electrodes built into the supporting insulating element are used, which have electrical contact with the conductor and the sheath and weaken the electric field in the gas inclusions mentioned (see e.g.
French patent specification No. 1 415 165 class HOIB). However, the use of supporting insulation elements in the cables mentioned inevitably leads to a distortion of the electrical field, intensification of the potential gradient in the vicinity of the conductor and the sheath, to the occurrence of a considerable normal component of the field voltage on the surface of the support element, which leads to a reduction in the flashover voltage that are at least 15 to 20% lower than the breakdown voltage of the surrounding gas at pressures not exceeding 5-6 atm. lies.
This means that the post insulating element remains the weakest point in terms of dielectric strength. In view of the expedient increase in the gas pressure up to 20 atm (e.g. when using gases such as nitrogen or air), the use of such support insulating elements leads to a further reduction in the dielectric strength of the cable.
The purpose of the invention is to eliminate the deficiencies mentioned.
The task is thus to create a high-voltage cable insulated with compressed gas, the dielectric strength of which can be increased by increasing the breakdown voltage of the supporting insulating element up to the value of the compressed gas breakdown voltage.
This object is achieved according to the invention with the cable mentioned at the beginning in that the generating line of the side surface of the annular supporting insulating element coincides with the line of force of the electrical field of the cable, the electrical field strength at each point of this line of force being lower than on the surface of the current-carrying conductor in the space between the support insulation elements.
In the case of the high-voltage cable, it is now expedient to make the annular grooves of the annular supporting insulating elements with a radius r which is 0.2-0.25 the distance between the current-carrying conductor and the coaxially arranged sheath of the aforementioned cable, and the side surface of the annular supporting insulating elements a generating line whose equation in the right-angled coordinate system (X, Y) starting in the middle of the cross-sectional semicircle of the aforementioned annular groove has the form
EMI1.1
<tb> vr <SEP> r <SEP> (1.82-0.72e-15 <SEP> x) - <SEP> Ae + ll <SEP> x <SEP>
<tb> has,
where A is equal to 0.005 for a high-voltage cable with shielding electrodes on both the live conductor and the metal sheath and 0 for a high-voltage cable with shield electrodes only on the live conductor.
For better understanding, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows the high-voltage cable in longitudinal section;
2 shows the high-voltage cable with an annular groove both on the part of the current-carrying conductor and on the part of the metal sheath;
3 shows another variant of the high-voltage cable in which the annular grooves are only made on the side of the current-carrying conductor;
4 shows a further variant of the high-voltage cable with only one annular groove on the part of the current-carrying conductor;
The high-voltage cable contains a current-carrying conductor 1 (FIG. 1) and a metal sheath 2 arranged coaxially to the aforementioned current-carrying conductor 1.
The current-carrying conductor 1 is inside the metal shell 2 by means of annular support insulating elements 3, which, for example, made of porcelain, epoxy compound, ceramic and. like
are executed, attached.
On the contact surfaces of the supporting insulating elements 3, which rest on the surface of the current-carrying conductor 1 and the metal shell 2, annular grooves 4 are made of semicircular cross-section, in which shielding electrodes 5 are installed, which make electrical contact with the current-carrying conductor 1 or the Have metal shell 2. The shield electrodes 5 are made either by filling the grooves 4 with metal or by covering them with a conductive layer, for example by vapor deposition, or by accommodating hollow metal rings pressed out according to the profile of the grooves 4 in them.
The space between the current-carrying conductor 1 and the metal shell 2 is filled with compressed gas 6, for example with nitrogen or sulfur hexafluoride (SF6).
In the above-described embodiment of the cable, two shield electrodes 5 are provided for each contact surface on the part of the current-carrying conductor 1 and the metal sheath 2 in the support insulating element 3, but the design with one shield electrode 5 for each contact surface is possible (see Fig. 2). .
In this case, the built-in electrodes are designed as hollow metal rings according to the cross-section of the groove 4, while the free space is made up of any desired compound
7 is filled.
The use of built-in shield electrodes in the post insulating element changes the electrical field within the cable, whereby the potential gradient is distributed along the field force lines in the vicinity of the electrodes in such a way that it is lower at any point of the force line than on the surface of the current-carrying conductor in the space between the
Post insulation is.
Here, at the force line points in the vicinity of the current-carrying conductor 1 and the metal shell 2, the electrical
Field strongly weakened compared to the same places in the space between the support insulation elements, while in the middle
Part of the line of force the field is strengthened somewhat.
This ensures that the electric field is balanced along the lines of force mentioned. The same distribution of the potential gradient takes place on the surface of the support insulating element 3, the generatrix of which coincides with one of the aforementioned lines of force. Based on this, the side surface of the post insulating element is also determined.
The radius r (FIG. 1) of the annular grooves 4 is expediently selected in the range 0.2-0.25 from the distance between the current-carrying conductor 1 and the metal shell 2. Then she has
Side surface of the insulating support element 3 has a generating line whose equation is in the right-angled coordinate system (X, Y) with the beginning in the center of the cross-sectional semicircle of the
Ring groove has the form y = r (1.82-0.72e-l 3 xr ¯Ae + t 2 x. Here A = 0.005.
In this case the formula takes the following form: y = r (1,82-0,72e1,3 7X, 2-0.005e + '2 Ox, 2)
In the designs where the relationship between the inner diameter of the metal shell and the diameter of the current-carrying conductor is greater than 3, it is permissible to arrange the shielding electrodes only on the side of the current-carrying conductor (Fig. 3, 4).
The side surface of the insulating support element 3 (Fig. 3, 4) has a generating line whose equation in the right-angled coordinate system (X, Y) begins in the center of the cross-sectional semicircle of the annular groove and has the form y = r (1,82-0,72e1,3 x ) Has. It can be seen from the formula that A = O.
With the cable designs described above, a practical coincidence of the breakdown voltage of the ring-shaped supporting insulating elements with the breakdown voltage of the compressed gas in the range of up to 21 atm is achieved.