CH647887A5

CH647887A5 - Coaxial radio-frequency cable for transmitting high-voltage pulses

Info

Publication number: CH647887A5
Application number: CH9245/79A
Authority: CH
Inventors: Hans Leo Dipl-Ing Ditscheid; Walter Scherrer
Original assignee: Felten & Guilleaume Carlswerk
Priority date: 1979-04-19
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1985-02-15
Also published as: DE2915740A1; DE2915740C2

Description

Die Erfindung betrifft ein koaxiales Hochfrequenzkabel für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen, bestehend aus einem zylindrischen Innenleiter, aus einer den Innenleiter umgebenden inneren Leiterglättung, aus einer die Leiterglättung umgebenden, massiven Kunststoffisolierung, aus einer die Kunststoffisolierung umgebenden äusseren leiterglättenden Schicht, und aus einem flexiblen, zylindrischen Aussenleiter.

Koaxiale Hochfrequenzkabel für den genannten Zweck sind im Grunde nach hochfrequenztechnischen Gesichtspunkten aufgebaute Hochspannungskabel, die der Übertragung sehr kurzer Hochspannungsimpulse einheitlicher Polarität (Gleichspannungsimpulse) dienen. Flankensteilheit und Impulslänge ergeben Spektralanteile, die bis 50 oder 100 MHz reichen. Je nach Aufbau des Kabels erfahren die hochfrequenten Spektralanteile des Impulses eine so hohe Dämpfung, dass entweder nur kurze Übertragungsstrecken realisiert werden können oder aber eine hohe Impulsverformung in Kauf genommen werden muss.

Hohe Betriebsspannungen von beispielsweise 100 kV verursachen an den Grenzflächen der Isollierung so hohe Feldstärken, dass in der Regel mit Leiterglättung aus halbleitendem thermoplastischem Material sowie mit Graphit und halbleitendem Papier gearbeitet werden muss.

Zwar kann durch verfahrenstechnische Vorkehrungen im Falle zylindrischer Innenleiter aus Rohren oder Massivdrähten erreicht werden, dass die Isolierung hier ohne Leiterglättung aufgebracht werden könnte, ohne dass nennenswerte Teilentladung im Betrieb auftreten. Soll aber aus Gründen der Flexibilität des fertigen Kabels ein Innenleiter aus einem metallischen Seil verwendet werden, muss für den genannten Zweck auf den Innenleiter eine bekannte Leiterglättung aufgebracht werden. Ein auf die Isolierung aufgebrachter Aussenleiter, insbesondere wenn er flexibel sein soll, führt aber zwangsläufig zu Spalten und Lücken zwischen dem Leitermaterial und der Isolierung, die zu Teilentladungen führen. Will man diese Teilentladungen vermeiden, die Spannungsbelastbarkeit der Isolierung also voll nutzen, so muss zwischen der Isolierung und dem Aussenleiter eine halbleitende Schicht aus einem geeigneten thermoplastischen Kunststoff oder aus einer dünnen Schicht Graphit und darüber gewickeltem halbleitenden Papier angeordnet sein.

Eine derartige bekannte Leiterglättung liefert aber bei höheren Frequenzen hohe Zusatzdämpfungen, die bereits bei etwa 30 MHz 50% der Gesamtdämpfung ausmachen können. Auch eine Vergrösserung der Leiterabmessungen bringt keine wesentliche Verminderung der Gesamtdämpfung.

Bekannt ist ein Hochfrequenzkoaxialkabel für Antennenleitungen mit einem metallischen Innenleiter, einem den Innenleiter konzentrisch umgebenden Volldielektrikum aus Kunststoff, einem das Dielektrium umschliessenden Aussenleiter aus einem Metalldrahtgeflecht und einem dasselbe umgebenden, mindestens einseitig metallisierten Kunststofffolienband sowie einem den Aussenleiter als äussere Schutzhülle umgebenden Kunststoffmantel, bei dem das Kunststofffolienband wendeiförmig unter Überlappung seiner Bandränder auf das Metalldrahtgeflecht aufgebracht ist und das Drahtgeflecht das Dielektrikum nur teilweise überdeckt und bei dem das Kunststoffolienband an den von dem Drahtgeflecht nicht überdeckten Stellen des Dielektrikums muldenförmig in die Zwischenräume zwischen den Drähten des Drahtgeflechtes eingedrückt ist (DE-AS 27 11 380).

Dieser bekannte Aufbau eines Aussenleiters für ein koaxiales Hochfrequenzkabel wurde im Hinblick auf eine gute Schirmwirkung des Kabels auch nach mehrfacher Biegebeanspruchung entwickelt. Hochspannungsmässige Überlegungen brauchten bei ihm aber nicht berücksichtigt zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein koaxiales Hochfrequenzkabel für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen, das bei einem zu fordernden Grösstmass an Flexibilität und Teilentladungsfreiheit die durch die äussere Leiterglättung verursachte Zusatzdämpfung vermeidet, ohne die Verarbeitung des Kabels und die Montage von Steckern zu erschweren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Aus-senleiteraufbau mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteile besteht insbesondere darin, dass Hohlräume zwischen Leiterglättung und Metallaussenleiter vermieden werden, die zu Mantelströmen in der Leiterglättung Anlass geben würden und die vorstehend erwähnten hohen Verluste verursachen würden. Überraschenderweise wurde gefunden, dass ein Kabel mit dem erfin-dungsgemässen Aufbau des Aussenleiters bei 30 MHz keine messbare Zusatzdämpfung durch die Leiterglättung mehr aufweist. Da bei dieser Frequenz der Hochfrequenzstrom infolge des skin-Effektes nur noch in den grössenordnungs-mässig 15 jim messenden Metallschichten der Verbundfolie

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fliesst, die Zusatzdämpfung eines Drahtgeflechtes gegenüber einem Metallrohr also gar nicht mehr wirksam werden kann,

tritt bei diesem Aufbau sogar eine Reduzierung der Wellendämpfung im Vergleich zu der Ausführung ohne Leiterglättung auf. Die Wellendämpfung konnte von bisher 2,4 dB/ s 100 m bei einem vergleichbaren herkömmlichen Kabel auf 0,9 dB/100 m bei einer Messfrequenz von 30 MHz reduziert werden. Bei Verwendung einer Graphitschicht als äussere Leiterglättung kann auf das sonst nötige schützende Russpapier verzichtet werden, da die Metall-Kunststoff-Verbundfolie 10 glatt auf der Graphitschicht aufliegt, diese also keines äusseren Schutzes mehr bedarf.

Ähnliche Vorteile ergeben sich, wenn die äussere leiterglättende Schicht aus einem extrudierten halbleitenden thermoplastischen Kunststoff besteht, die erfindungsgemäss 15 weder mit der Isolierung noch mit der darüber befindlichen Metallschicht durch Verkleben oder Verschweissen eine mechanische feste Verbindung aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. 20

In der einzigen Figur ist der Aufbau eines koaxialen Hochfrequenzkabels für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen schematisch dargestellt. Der Innenleiter ist mit 1 bezeichnet und im Beispiel als Massivleiter gezeichnet. Er kann aber auch aus einem Metallrohr oder einem Metall- ^ seil bestehen. Im letzteren Fall ist die ihn umgebende Leiterglättung 2 unumgänglich. Die die innere Leiterglättung 2 umgebende massive Isolierung 3 besteht vorteilhafterweise aus Polyäthylen oder einem ähnlichen thermoplastischen Kunststoff mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor für die 30 auftretenden Spektralfrequenzen bis etwa 100 MHz von z.B. 2 x 10-4. Die Massivisolierung 3 wird von einer äusseren leiterglättenden Schicht 4 umgeben, die vorteilhafterweise aus Graphitpulver besteht. Sie kann aber auch aus einem extrudierten, halbleitenden thermoplastischen Kunststoff beste- 35 hen, der dann keine mechanisch feste Verbindung mit der Isolierung 3 und der inneren Schicht 5 des Aussenleiters haben darf. Über der äusseren leiterglättenden Schicht 4 liegt die innere Schicht 5 des Aussenleiters, die aus einem oder mehreren, achsparallel verlaufenden, beidseitig mit metallbe- 40

schichteten Kunststoffbändern mit sich achsparallel überlappenden Bandkanten 6 besteht. Diese innere Schicht des Aussenleiters kann grundsätzlich aus einem einzigen Band 5 bestehen. Die Fertigung wird jedoch wesentlich vereinfacht, wenn mehrere parallellaufende Bänder 5 mit sich überlappenden Bandkanten 6 verwendet werden. Über der inneren Schicht 5 des Innenleiters liegt eine zweite Schicht aus wendeiförmig unter Zugspannung gewickelten, ebenfalls beidseitig mit Metall beschichteten Kunststoffbändern 7, deren Kanten 8 sich um etwa 50% der Breite B der Einzelbänder überlappen. Auch die mittlere Schicht des Aussenleiters kann grundsätzlich aus einem Band 7 hergestellt werden, die Fertigung eines einwandfreien Kabels wird aber durch die Verwendung von mehreren parallellaufenden Bändern 7 erleichtert. Über der mittleren Schicht 7 des Aussenleiters ist die äussere Leiterhülle 9 gezeichnet, deren Aufbau den Anforderungen an das Kabel angepasst ist. Die Leiterhülle 9 kann als Bandwicklung, als Reuse, als Geflecht oder auch als Rohr ausgebildet sein. Es können auch mehrere Aussenleiterhüllen übereinander angebracht werden. Über der Leiterhülle 9 ist noch ein Kabelmantel 10 gezeichnet, der dem Schutz des Kabels beim Transport und bei der Verlegung gegen mechanische Beschädigung und das Eindringen von Feuchtigkeit dient.

Als Werkstoff für die beschichteten Kunststoffbänder 5 und 7 wird vorteilhafterweise Polyäthylenterephthalat verwendet, da dieser Werkstoff eine gute Dauerelastizität besitzt und sich mit ihm leicht beidseitig mit Metall beschichtete Kunststoffbänder herstellen lassen, die sich um wenigstens 15% dehnen lassen, ohne dass der Metallbelag Poren oder gar Risse zeigt. Ferner hat dieser Werkstoff den nötigen höheren Schmelzpunkt als das für die Isolierung 3 und für den Kabelmantel 10 verwendete Polyäthylen. Die auf die Kunststoffbänder 5 und 7 aufgebrachten Metallschichten können aus Kupfer oder Aluminium bestehen, dieses kann blank sein oder eine Oberflächenvergütung wie Versilberung oder Verzinnung besitzen. Für bestimmte Anwendungsfälle kann auch die Aussenleiterhülle 9 aus derartigen metallisierten Folien bestehen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Koaxiales Hochfrequenzkabel für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen, bestehend aus einem zylindrischen Innenleiter (1), aus einer den Innenleiter umgebenden inneren Leiterglättung (2), aus einer die Leiterglättung umgebenden, massiven Kunststoffisolierung (3), aus einer die Kunststoffisolierung umgebenden äusseren leiterglättenden Schicht (4) und aus einem flexiblen, zylindrischen Aussenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenleiter aufgebaut ist aus

A. einem oder mehreren, achsparallel verlaufenden, beidseitig mit Metall beschichteten Kunststoffbändern (5) mit sich achsparallel überlappenden Bandkanten (6),

B. einem oder mehreren darüber wendeiförmig unter Zugspannung gewickelten, beidseitig mit fetali beschichteten Kunststoffbändern (7), deren Kanten (8) sich um etwa 50% der Bandbreite (B) überlappen und

C. einer oder mehreren Leiterhüllen (9) aus Metallband oder Metalldrähten.

2. Koaxiales Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere leiterglättende Schicht (4) aus Graphitpulver besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Koaxiales Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere leiterglättende Schicht (4) aus einem extrudierten, halbleitenden thermoplastischen Kunststoffbesteht.

4. Koaxiales Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leiterglättende Kunststoffschicht (4) keine mechanisch feste Verbindung mit der Isolierung und dem Aussenleiter (5) hat.

5. Koaxiales Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitig mit Metall beschichteten Kunststoffbänder (5 und 7) aus einem Werkstoff bestehen, der einen höheren Schmelzpunkt hat als der Werkstoff der Isolierung (3).

6. Koaxiales Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbänder (5 und 7) beidseitig mit Aluminium oder Kupfer beschichtet sind.

7. Koaxiales Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitig mit Metall beschichteten Kunststoffbänder (5 und 7) eine Gesamtdicke von etwa 0,1 mm haben.