CH698074B1 - Mehrleiterkabel für die Übertragung von rechteckig verlaufenden Wechselströmen. - Google Patents

Abstract

Ein Mehrleiterkabel ist für die Übertragung von Wechselströmen mit einem zumindest annähernd rechteckigen Verlauf vorgesehen, welches zu einem Zwei- oder Vierleiterkabel verseilte Elektrokabel (9) aufweist. Diese Elektrokabel (9) weisen jeweils einen feindrähtigen flexiblen Innenleiter (1) und einen konzentrisch um den Innenleiter (1) herum angeordneten feindrähtigen, aus einer Anzahl von Einzelleitern gebildeten Gegenleiter (4) auf. Zwischen dem Innenleiter (1) und dem Gegenleiter (4) bzw. den Letzteren umgebend ist jeweils ein Isolationssystem (2, 3; 6, 7) vorgesehen. Damit ergeben sich Vorteile aus dem jeweils koaxialen Aufbau dieses Mehrleiterkabels, bei dem der jeweilige Innen- und Gegenleiter vorteilhaft den genau gleichen Leitwert aufweisen. Auf diese Art wird eine bestmögliche Kompensation von abstrahlenden Feldern erreicht.

Description

  Die Erfindung betrifft ein Mehrleiterkabel für die Übertragung von rechteckig verlaufenden Wechselströmen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

  
Elektrokabel zur Energieübertragung mit Wechselströmen, die einen rechteckigen Verlauf haben und demzufolge einen hohen Anteil an Oberwellen aufweisen, eignen sich auch für den Transport von grossen einphasigen Strömen mit Frequenzen von mehr als 50 HZ. Die Konstruktion zielt auf Anwendungen mit hoher Stromdichte, die grosse thermische Erwärmung sowie auch starke, störende Magnetfelder und unangenehmen Lärm erzeugen könnten.

  
Solche Kabel sind für Anwendungen gefordert, bei denen zur Vermeidung von Schaltverlusten fast rechteckige Ströme erzeugt werden und diese zu einem Verbraucher transportiert werden müssen. Zum Beispiel als Verbindung zwischen Einphasen-Wechselrichter und Transformator können solche Kabel vorteilhaft eingesetzt werden.

  
Bekannte abgeschirmte Standardkabel für diese Anwendungen werden normalerweise für das Leiten von sinusförmigen und nach bekannten Tabellen berechneten Strömen von 50 oder 60 Hz eingesetzt. Wenn rechteckförmige Ströme übertragen werden, müssen die Stromlasten mit Abschlagsfaktoren reduziert werden, um eine Überhitzung der Kabel zu vermeiden. Meist werden mehradrige Kabel mit oder ohne gemeinsame Abschirmung und gemeinsamem Aussenmantel verwendet, wie sie auch als Motoranschlusskabel häufig vorkommen.

  
Der Einsatz von grösseren Querschnitten zur Kompensation der thermischen Verlustleistung hilft nur bei Strömen mit tieferen Frequenzen, da der Skineffekt bei Oberwellen resp. höheren Frequenzen den physischen Querschnitt stark reduziert. Die Parallelführung der Phasenleiter mit einem standardmässigen Vierleiterkabel erlaubt die Begrenzung des Skineffektes. Diese ist aber aufwendiger in der Herstellung und bringt zu dem Problem der EMV (Elektro-Magnetischen Verträglichkeit) geringe Verbesserungen. Je rechteckiger der Stromverlauf, desto höher das EMV-Störpotential. Der Abstand zwischen Vor- und Rückleiter und die Häufigkeit der Verdrillung ist dann entscheidend für die Stärke der magnetischen Abstrahlung sowie der möglichst guten Kompensation derselben, auch schon mit geringem Messabstand zum Leiter.

   Ungünstig verhält sich ein konventionelles Kabel mit konventionell verdrillten Hin- und Rückleitern im höherfrequenten Strombereich in Bezug auf die Lärmabgabe. Die entgegengesetzten Ströme durch die einzelnen Adern bewirken ein pulsierendes Abstossen der Verseilung, und dies hat akustische Störgeräusche zur Folge.

  
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leiterkabel nach der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, welches geringe Werte hinsichtlich elektromagnetischer Abstrahlung, akustischer Störungen, des Skineffektes und höchstmögliche Wärmeabstrahlung aufweist.

  
Die Aufgabe ist erfindungsgemäss nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

  
Entscheidende Vorteile ergeben sich aus dem jeweils koaxialen Aufbau des erfindungsgemässen Mehrleiterkabels, bei dem der jeweilige Innen- und Gegenleiter vorteilhaft den genau gleichen Leitwert aufweisen. Auf diese Art wird eine bestmögliche Kompensation von abstrahlenden Feldern erreicht. Die Beschränkung des maximalen Querschnittes der Innenleiter ist durch den Skineffekt gegeben. Der totale Querschnitt wird über die Parallelführung der Phasenleiter erreicht.

  
Vorteilhaft wird eine Konstruktion mit vier verseilten koaxialen Einleiterkabeln ohne gemeinsamen äusseren Schutzmantel verwendet, da hierbei auch das Verhältnis der Oberfläche für die Wärmeabstrahlung zu den Leiterquerschnitten optimaler ausgelegt ist.

  
Ausführungsbeispiele sowie weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>ein Vierleiterkabel nach der Erfindung im Querschnitt, und


  <tb>Fig. 2<sep>einen teilweisen Querschnitt einer Variante eines einzelnen Einleiter-Elektrokabels eines solchen Zwei- oder Vierleiterkabels.

  
Das in Fig. 1 dargestellte ist ganz speziell für die Übertragung von Wechselströmen mit einem annähernd rechteckigen Verlauf ausgelegt. Solche Spezialkabel werden im Bereich der Schienenfahrzeuge für die Verbindung zwischen Gleichspannungszerhacker und Trafo in der Anwendung von Mehrstromsystemen eingesetzt und es liegen ihnen die eingangs erläuterten Eigenheiten zugrunde.

  
Ein solches Vierleiterkabel 10 weist vier miteinander verseilte Elektrokabel 9 auf, die wendelförmig um ein zentrales Längselement 11 gewunden sind. Dieses Längselement 11 dient als Zentrierungsstütze dieser Elektrokabel 9 und besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Kunststoff.

  
Die vier Einleiter-Elektrokabel 9 dieses Mehrleiterkabels 10 sind identisch ausgebildet. Sie weisen jeweils einen feindrähtigen flexiblen Innenleiter 1 und einen konzentrisch um den Innenleiter 1 herum angeordneten feindrähtigen, aus einer Anzahl von Einzelleitern 4 gebildeten Gegenleiter 4 auf. Mit der Verwendung von solchen feindrähtigen Innenleitern 1 und Gegenleitern 4 ergibt sich eine leichte Biegsamkeit des Leiterkabels 10. Das Zentrum des Innenleiters könnte aus nicht leitendem Material und dieser damit als Hohlleiter aufgebaut sein, falls infolge hoher Frequenzen die innersten feindrähtigen Leiter wegen des Skineffektes ohnehin nicht zur Leitfähigkeit beitragen.

  
Zwischen dem Innenleiter 1 und dem Gegenleiter 4 ist ein zweischichtiges Isolationssystem vorgesehen, welches aus einer extrudierten wärmebeständigen biegsamen Kunststoffschicht 2 und einer zweiten Schicht 3 zusammengesetzt ist. Beide sind ausserdem mit Vorteil strahlenvernetzt ausgebildet, d.h. sie schmelzen bei höheren Temperaturen nicht mehr, wie dies im thermoplastischen Zustand der Fall ist. Damit wird die Redundanz bzw. eine Verbesserung der Eigenschaften in Bezug auf elektrisches Isolieren, eventuell Glättung elektrischer Felder (durch Halbleiter), chemische Beständigkeit, akustisches Verhalten oder in Bezug auf mechanische Festigkeiten erreicht.

  
Die Einzelleiter 4 des gegenpoligen Rückleiters 4, vorliegend in einer Anzahl von 24, sind gleichmässig um die Schicht 3 parallel zueinander angeordnet. Sie bestehen jeweils aus feindrähtigen Kupferlitzen oder dergleichen und einer diesen ummantelnden herkömmlichen Kunststoffisolierung 4. Darüber ist dieses weitere Isolationssystem bestehend aus einer Kunststoffschicht 6 und einer weiteren Schicht 7 aufgebracht. Diese ihrerseits sind von einem metallischen Schirm 8 umhüllt. Des Weiteren kann jeder Einleiter von einem äusseren Mantel 29 zum Schutz des Einlegers umhüllt sein. Die vier Elektrokabel 9 sind zudem von einem gemeinsamen, vorteilhaft aus einem widerstandsfähigen Aussenmantel 12 aus Kunststoff zusammengehalten.

  
Die Isolationssysteme 2, 3 bzw. 6, 7 könnten jeweils auch nur aus einer einzigen wärmebeständigen Kunststoffschicht bestehen und der Aussenmantel 12 sowie die Mäntel der Einleiter können bei normaler mechanischer Belastung auch weggelassen werden.

  
Statt der Schirme jedes einzelnen Einleiters 8, oder auch zusätzlich dazu, kann auch eine gemeinsame umhüllende Abschirmung um die bereits verseilten Einleiter vorgesehen werden.

  
Dieses Mehrleiterkabel 10 zeichnet sich - wie bereits erwähnt - für die Anwendung einer solchen Übertragung von Rechteckstrom aus, denn es ergeben sich mit diesem bedeutend geringere akustische Geräusche, und überdies ist dem Skineffekt optimal begegnet, so dass im Lastzustand des Kabels bei gleichen Umgebungs- und Lastparametern geringere Temperaturen gehalten werden können, was sich stark auf verbesserte Alterungseigenschaften auswirkt, oder es kann bei gleicher Leistungsübertragung ein kompakteres Kabel gewählt werden.

  
Fig. 2 zeigt ein Elektrokabel 20 eines nicht näher dargestellten Mehrleiterkabels, wobei dieses Mehrleiterkabel analog demjenigen nach Fig. 1 als Vierleiterkabel oder auch nur als Zweileiterkabel ausgebildet sein könnte. Das Isolationssystem zwischen dem Innenleiter 1 und dem Gegenleiter 4 ist hierbei aus einer inneren Halbleiterschicht 22a, einem Dielektrikum 22 und einer Letzteren umgebenden Halbleiterschicht 23 gebildet. Eine innere Halbleiterschicht 25, ein Dielektrikum 26 und eine äussere Halbleiterschicht 27 bilden das äussere Isolationssystem. Die Halbleiterschichten können jeweils aus halbleitenden Bändern, Graphitschichten oder einem extrudierten Material bestehen.

  
Um diese äussere Isolation respektive Halbleiterschicht 27 ist noch ein Kupferdrahtgeflecht 28 oder eine konzentrisch um den Innenleiter 1 aus Drähten oder Bändern bestehende Leitschicht aufgebracht, die der Abschirmung elektrischer Felder dient. Über der Abschirmschicht ist noch ein einzelner umhüllender Mantel 29 aufgebracht.

  
Zwei solche Elektrokabel 20 können nun miteinander verseilt werden und erlauben ungefähr den Transport des doppelten Stromes, hierdurch eine Verringerung des Skineffektes bei rechteckförmigen Stromverläufen herbeigeführt wird. Mit vier solchen verseilten Elektrokabeln 20 würde die Leiteroberfläche und die Abkühloberfläche nochmals erhöht und zudem auch die Transportkapazität bei gegebenem Umkreisdurchmesser verbessert.

  
Solche erfindungsgemässen Leiterkabel können, wie erwähnt, noch mit zusätzlichen Schichten hergestellt werden, um die Verwendung auch bei höheren Spannungen abzusichern. Halbleiterschichten am Leiter, am gegenpoligen konzentrisch angeordneten Aussenleiter und am Schirm würden eine homogenere Verteilung des elektrischen Feldes erlauben.

  
Diese würden entsprechend aus extrudierten Halbleiterschichten oder aufgebrachten halbleitenden Bändern realisiert.

  
Eine äussere Abschirmung ermöglicht zudem die Führung des Schutzpotentials und die Abschirmung gegen elektrische Felder. Die resultierende Konstruktion weist eine grosse Leiteroberfläche auf, werden die Ströme doch auf mehrere Teilleiter verteilt; dies den Skineffekt für die Oberwellen vermindert. Der konzentrische Aufbau vermindert zudem die Abstrahlung magnetischer Felder nach aussen auf ein Minimum und die offene Verdrillung der Elektrokabel, d.h. ohne Aussenmantel 12, ergibt eine grössere Oberfläche und weniger Übergangswiderstand für die Wärmeabstrahlung.

  
Ein weiterer Pluspunkt ist die durch die Konstruktion ermöglichte konzentrische Kraftentfaltung, die dank der grösseren Oberfläche optimal abgestützt wird. Spezifisch kleinste Kraft pro Masse ergibt zudem geringste Beschleunigung, und kleinste Wegamplitude, was sich wiederum in einem geringeren Lärmpegel bemerkbar macht. Das akustische Verhalten ist bei rechteckförmigen Strömen sehr entscheidend, denn die Oberwellen verursachen Anregungen für störende Lärmemissionen.

  
Durch die Geometrie dieser koaxialen Zwei- oder Vierleiterkabel für Einphasensysteme entstehen zudem entgegengesetzt symmetrische elektromagnetische Felder, die sich praktisch kompensieren und sich deshalb wenig störend auf die nähere Umgebung ausbreiten können, bereits ohne Abschirmung. Die Geometrie von vier verseilten Elektrokabeln ergibt eine nicht eindeutig definierte Position der Anordnung, die mit einem Zentrumselement vorteilhaft gelöst werden kann und die Symmetrie der geometrischen Anordnung garantiert.

Claims (1)

1. Mehrleiterkabel für die Übertragung von Wechselströmen mit einem zumindest annähernd rechteckigen Verlauf, mit miteinander verseilten Elektrokabeln (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrokabel (9) zu einem Zwei- oder Vierleiterkabel verseilt sind und jeweils einen feindrähtigen flexiblen Innenleiter (1) und einen koaxial um den Innenleiter (1) herum angeordneten feindrähtigen, aus einer Anzahl von Einzelleitern gebildeten Gegenleiter (4) aufweisen, und zwischen dem Innenleiter (1) und dem Gegenleiter (4) bzw. den Letzteren umgebend jeweils ein Isolationssystem vorgesehen ist.

   Mehrleiterkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationssysteme jeweils eine extrudierte wärmebeständige biegsame Kunststoffschicht aufweisen.

   Mehrleiterkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (1) und der Gegenleiter (4) mit dem annähernd gleichen Leitwert für den Stromfluss ausgelegt sind.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung eines Vierleiterkabels ein axiales Längselement (11) für die Zentrierung der um dieses herum verseilten Elektrokabel (9) vorgesehen ist, wobei dieses Längselement (11) aus wärmebeständigem biegsamem Kunststoff besteht.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationssysteme jeweils zweischichtig ausgeführt sind.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationssysteme aus je einer inneren Halbleiterschicht (22a), einem Dielektrikum (22) und einer äusseren Halbleiterschicht (23) bestehen.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb eines äusseren Isolationssystems ein Kupferdrahtgeflecht (28) oder eine koaxial zum Innenleiter (1) aus Drähten oder Metallbändern bestehende Leitschicht aufgebracht ist, die der Abschirmung elektrischer Felder dient.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Elektrokabel (9) von einem äusseren isolierenden Mantel (29) umhüllt ist.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Abschirmung aus einem Kupferdrahtgeflecht oder aus Drähten oder Bändern um die verseilten Elektrokabel aufgebracht ist.

   Mehrleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Abschirmung (8)<>der einzelnen Elektrokabel als auch eine gemeinsame Abschirmung aufgebracht ist.

   Mehrleiterkabel der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Aussenmantel (12) aufgebracht ist, welcher die zwei oder vier Elektrokabel zusammenhält.