-
Die
Erfindung betrifft einen Behälter
zur Schirmung von Magnetfeldern niedriger Frequenz, wobei der Behälter insbesondere
zur Aufnahme von elektrischen Vorrichtungen oder Bauteile vorgesehen sein
kann.
-
Bekannt
sind beispielsweise Abschirmbehälter
mit einer hochpermeablen Materialschicht, in der das magnetische
Material als Folienmaterial eingelegt ist und in denen zwischen
Behälterteilen Öffnungen
verbleiben (
EP 1274
103 B1 ). Abschirmbehälter, die
nicht ringsum geschlossen sind, dürften nur eine begrenzte Schirmwirkung
haben.
-
Besonders
starke Quellen von Magnetfeldern niedriger Frequenz (f < 1 kHz) sind elektrische Kabel
und Leitungen. Da vermehrt Forderungen zur Reduzierung magnetischer
Wechselfelder erhoben werden, treten Maßnahmen immer stärker in
den Vordergrund, die geeignet sind, derartige Felder zu vermeiden
oder Wechselfelder vorhandenen Felderzeuger zu schwächen. So
ist einer der Diskussionspunkte die Feldstärke an der Erdoberfläche bei
erdverlegten Drehstromkabeln. Eine magnetische Abschirmung von erdverlegten
Drehstromkabeln kann dadurch erreicht werden, dass man die drei
Adern des Kabelsystems in ein hochpermeables Rohr einzieht, beispielsweise
in ein handelsübliches
Stahlrohr.
-
Nachteil
eines Stahlrohres zur Abschirmung ist die Tatsache, dass es einerseits
aus mechanischen Gründen
und zum Zweck der Abschirmung eine große Wanddicke von einigen Millimetern
(etwa 4 bis 10 mm) aufweisen muss und dass es andererseits dadurch
nicht flexibel ist und in kurzen Rohrabschnitten zusammengeschweißt werden
muss. Zudem muss es gegen Korrosion durch die Bodenfeuchte dadurch
geschützt
werden, dass es außen mit
einem Kunststoffmantel und innen meist mit einer Auffüllung aus
Beton versehen wird.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung mit hoher Abschirmwirkung
gegen magnetische Wechselfelder vorzuschlagen, die leicht und flexibel aufgebaut
ist.
-
Die
Lösung
wird vorgestellt in den Merkmalen des Hauptanspruchs und des Verwendungsanspruchs.
Vorteilhafte Ausbildungen finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.
-
Der
Kern der Erfindung ist ein Schirmungssystem, bestehend aus einem
zweischaligen Behälter mit
hochpermeabler Zwischenschicht und bei dem der Außenbehälter gegenüber dem
Innenbehälter
mit Distanzhalterelementen abgestützt ist.
-
Als
Material für
den Behälter
wird Kunststoff vorgeschlagen, wobei das Material vorzugsweise von
der Konsistenz und/oder seiner Wanddicke so auszuwählen ist,
dass der Behälter,
bzw. der innere und/oder der äußere Behälter flexibel
ist. Die Wahl des Kunststoffs ist kaum eingeschränkt. Es können synthetische Kunstharze
oder andere Polymere verwendet werden. Vorteilhaft sind Kunststoffe,
mit denen Innen- und
Außenbehälter durch
Extrusion oder durch Spritzgießen
herstellbar sind.
-
Vorzugsweise
kann der Behälter
rohrförmig, insbesondere
zylindrisch ausgebildet sein, somit wäre er als zweiseitig offener
Behälter
zu verstehen. Es sind jedoch auch andere Rohrquerschnitte, beispielsweise
rechteckige Querschnitte für
den gewünschten
Zweck einsetzbar. Bei der rohrförmigen Ausbildungsform
bietet es sich an, bei dem Innenbehälter von einem Tragrohr und
bei dem Außenbehälter von
einem Mantelrohr zu sprechen. Auch wenn diese Begriffe im folgenden
verwendet werden, soll dies jedoch nicht als Beschränkung der
Erfindung auf rohrförmige
Behälter
verstanden werden.
-
Vorzugsweise
kann der Außenbehälter als Wellrohr
ausgebildet sein, da ein Wellrohr ebenfalls sehr flexibel ist.
-
Zum
Aufbau der Materialschicht gibt es verschiedene Möglichkeiten.
-
Man
erzeugt die Materialschicht als Umhüllung von Bändern aus hochpermeablem Material
auf dem Innenbehälter
in einem kontinuierlichen Wickelverfahren. Ein durch eine Wickelvorrichtung
laufender Innenbehälter
wird mit diesen Bändern
in einer oder mehreren Lagen umwickelt. Wichtig ist, dass die Materialschicht
möglichst
magnetisch dicht ist, damit der magnetische Durchgriff minimal wird.
Es sollte eine so hohe Überdeckung
der Bandränder
vorhanden sein, dass möglichst
nur eine geringe Einschränkung
der Biegsamkeit vorliegt.
-
Die
Bandlagen werden – vorzugsweise
bei der rohrförmigen
Ausbildung – schraubenförmig randüberlappend
oder mit einer Lücke
aufgewickelt (mit kurzem Schlag aufgebracht). Die Bänder sollten beim
Biegen des Rohres noch gegeneinander verschieblich bleiben, sodass
das bebänderte
Kunststoffrohr flexibel bleibt. Es kann auf Kabeltrommeln aufgetrommelt
und in größeren Längen verlegt
werden.
-
Als
Materialien für
die Materialschicht eignen sich sehr gut sogenannte Elektrobänder aus
kaltgewalztem, kornorientiertem Silizium-Stahl; auch spezielle,
kristalline Nickel-Eisenlegierungen (z.B. von der Fa. Vacuumschmelze)
können
eingesetzt werden. Die Kornorientierung in den Bändern sollte in Längs richtung
der Bänder
liegen, wenn die Ausführungsform
für Elektrokabel
vorgesehen ist, weil dann die Bänder
quer zur Längsrichtung
des Kabels zu liegen kommen.
-
Die
vorgenannten Materialien haben hervorragende magnetische Eigenschaften.
Wichtig ist die hohe Permeabilität
des Bandmaterials, so dass nur ein bis zwei bzw. nur wenige Bandlagen
aufgebracht werden müssen.
Ihre Kosten erscheinen für
die angesprochenen Anwendungszwecke durchaus akzeptabel. Für besondere
Anwendungen können
auch Bänder
aus metallischen Gläsern
(Metglas) vorgesehen sein, doch sind diese schwer mechanisch bearbeitbar
und haben allerdings einen relativ hohen Marktpreis.
-
Der
vorgesehene Verbundaufbau (Materialschicht zwischen einem Innen-
und einem Außenbehälter) hat
den besonderen Vorteil, dass das hochpermeable Material gegen äußere Einflüsse geschützt ist.
Sollte allerdings die Materialschicht den Umwelteinflüssen zugänglich sein,
sollte ein Korrosionsschutz für
die Materialschicht vorgesehen werden.
-
Die
magnetische Eigenschaft der Materialschicht soll eine relative Permeabilität von mehr
als 1.000, insbesondere mindestens 10.000, und vorzugsweise 20.000
haben.
-
Der
umwickelte oder bandagierte Innenbehälter wird in einen zweiten
Behälter
eingebracht, wobei ein zylindrischer Innenbehälter in ein Kunststoffrohr
größeren Durchmessers
eingezogen werden kann.
-
Unter
Distanzhalterelemente können
ein einstückiges
Element, beispielsweise ein Kunststoff-Faden oder eine Vielzahl
von Elementen verstanden werden. Ein Kunststoff-Faden kann in gewendelter oder
schraubenförmiger
Lage zwischen Innenbehälter
und Außenbehälter angeordnet
sein. Andere Distanzhalterelemente können vorzugsweise als auf den Innenbehälter spannbare
Bänder
ausgebildet sein.
-
Für den Einsatz
in der vorzugsweisen Ausbildung der Behälter in Rohrform, können die
Distanzhalter als Ringkörper
ausgebildet sein. Solche Ringkörper
können
dann in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen im
Zwischenraum zwischen Trag- und Mantelrohr angeordnet sein.
-
Typische
und für
die Erfindung einsetzbare Distanzhalter werden aus HD-Polyethylen
(oder auch aus Nylon) hergestellt und von der Fa. Franken Plastik
(Fürth)
angeboten. Von der Fachwelt werden sie auch mit Gleitkufenringe
oder Noppenringe bezeichnet.
-
Vorzugsweise
kann/können
der oder die Distanzhalterelemente besonders gleitfähig ausgebildet oder
mit Mitteln zur Verminderung der Reibung ausgestattet sein. Damit
soll ein relativ leichtes Verschieben bzw. Gleiten des Tragrohrs
im Außenrohr
ermöglicht
werden. Die Gleitfähigkeit
kann durch die Wahl des Materials bestimmt werden, wobei beispielsweise
Nylon oder ähnliche
Kunststoffe einsetzbar sind. Die Gleitfähigkeit kann auch durch die
besondere Ausbildung der Distanzhalterelemente gefördert sein.
Hierzu bietet sich die Ausbildung von Noppen oder Stacheln an, die
eine kleinflächige,
vorzugsweise punktförmige
Berührung
der Behälter
liefern.
-
Gleitnoppen
oder Gleitkufen stellen ein leichtes Einziehen und eine Zentrierung
des inneren im Mantelrohr sicher. Auch bei dieser Variante kann
das Mantelrohr ein Wellrohr sein. Die Anwendung bekannter Gleitkufenbänder ist
beispielsweise zur Erhöhung
der Gleitfähigkeit
von Versorgungsrohren vorgesehen, die bei der Erdverlegung in vorhandene Schutzrohre
eingezogen werden.
-
Besonders
geeignete Ringkörper
können
mit Gleitkufen ausgestattet sein, die im wesentlichen radial und
axial abstehen. Der Ringkörper
kann einstückig
ausgebildet sein, der um das Tragrohr herumgelegt wird. Ein Distanzhalterelement
kann jedoch auch als Band ausgebildet sein oder aus Ringsegmenten bestehen.
Die Enden eines Bandes oder die Enden der Ringsegmente werden miteinander
verbunden und bei Bedarf können
die Ringkörper
nachträglich mit
einem Spannwerkzeug werden (beispielsweise mit Schellen mit Gleitkufen)
oder aus eigener Elastizität
ohne Werkzeug gespannt sein, so dass die Distanzhalter unverrückbar festsitzen.
-
Vorzugsweise
können
die Distanzhalterelemente auf die Materialschicht hoher magnetischer Permeabilität aufgebracht
und unverrückbar
festgespannt sein.
-
Der
verbleibende Hohlraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter kann mit einer fließfähigen, aushärtenden
Masse ausgefüllt
sein. Diese aushärtende
Masse sollte eine gute mechanische Festigkeit und zudem eine gute
Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um die Verlustwärme
der in den Abschirmbehälter
angeordneten elektrischen Vorrichtungen und Bauteile gut an die
Umgebung abführen
zu können. Hierzu
kommt beispielsweise sogenannter Fließbeton („Dämmer") infrage: Zur Erzielung eines besonders
guten Wärmedurchgangs
kann ein mit Graphitteilchen gefüllter
Fließbeton
verfüllt
werden, wie er beispielsweise von der Firma Heidelberger Zement BUT
als „ThermoCem" vertrieben wird.
Ein solcher Beton weist eine Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 2,0 W/(K m) auf.
-
Zur
Erzielung einer besonders hohen Wärmekapazität kann der Fließbeton zudem
mit Mikroteilchen (z.B. auf Paraffinbasis) gefüllt werden, die als Latentwärmespeicher
wirken und so die Erwärmung
des Abschirmbehälters
verzögern.
Ein solches Wärmespeicher-Material
wird beispielsweise von der Firma BASF vertrieben und bereits zur
Herstellung besonders gut wärmespeichernder
Rigipsplatten im Baubereich eingesetzt.
-
Als
besondere Ausführungsform
kann anstelle eines einzigen Innenbehälters, eine Mehrzahl von Innenbehältern verwendet
werden. Bei Drehstromkabelsystemen sind dies vorzugsweise drei Innenrohre,
nämlich
für je
ein einadriges Kabel ein Innenrohr aus Kunststoff. Die Materialschicht
(vorzugsweise als hochpermeables Bandmaterial) wird um das Bündel der
mehreren Rohre gewickelt. Das bebänderte Bündel bleibt flexibel, da die
Bänder
sich gegeneinander verschieben können.
Die Weiterverarbeitung kann wie schon zuvor beschrieben erfolgen.
Es werden Gleitkufenringe als Distanzhalter aufgebracht, und das
Bündel
kann in ein äußeres Mantelrohr
aus Kunststoff größeren Durchmessers
eingezogen werden.
-
Mit
der erfindungsgemäßen hochpermeablen
Materialschicht lassen sich sehr gute Schirmwirkungen erzielen.
Allerdings gibt es – wenn
es sich um Drehstromkabelsysteme handelt – zwei Einschränkungen:
- – Solche
ferromagnetische Schichten verlieren bei höheren Frequenzen zunehmend
ihre Schirmwirkung, da die Permeabilität mit der Frequenz sinkt.
- – Die
drei Ströme
eines symmetrischen Drehstromsystems ergänzen sich in jedem Augenblick zu
Null. Fließt
hingegen innerhalb der Schirmhülle ein
Nullstrom oder, einfacher ausgedrückt, ein resultierender Wechselstrom,
so geht für
diesen die Schirmwirkung verloren.
-
Beide
Probleme löst
man in der EMV-Technik durch hochleitfähige Hüllen, z.B. aus Kupfer oder Aluminium.
Es wird daher ergänzend
vorgeschlagen, für
solche Anwendungsfälle
die Materialschicht zu kombinieren mit einer weiteren Schicht aus
Kupfer- oder Aluminiumbändern.
Dabei wird die beste Wirkung erzielt, wenn die hochleitfähigen Bänder innen liegen
und von der magnetischen Materialschicht umhüllt werden.
-
Eine
solche Konstruktion wäre
beispielsweise für
Abschirmbehälter
im Bereich der Hausinstallationen erforderlich, da man es bei den
Niederspannungskabeln meist mit unsymmetrischen, oft einphasigen
Strömen
zu tun hat. Auch Kabel der Nachrichtentechnik (z.B. Lautsprecherkabel,
Antennenkabel) benötigen
eine solche Konstruktion wegen ihrer hochfrequenten Ströme.
-
Befinden
sich in den in einem Abschirmbehälter
verlegten Kabeln Leitschichten oder zusätzliche Kompensationsleiter,
so sind deren Enden in den Zonen, in denen verlegte Abschirmbehälter auf
Stoß, jedoch
mit Lücke
oder ohne durchgehende Materialschicht vorhanden sind, entweder
durchzuverbinden oder aber zu erden.
-
Stoß- oder Übergangsstellen
von Abschirmbehältern,
wie sie beispielsweise in Muffenbereichen von Kabeln in Längsrichtung
eines Abschirmrohrs auftreten, werden durch die Übergangsstellen überlappende
Umhüllungen
geschirmt, die nach demselben Prinzip aufgebaut sind, wie die erfindungsgemäße Anordnung,
so dass in diesen Bereichen der Durchgriff von Magnetfeldern minimiert
oder beseitigt ist.
-
Die
Erfindung ist zur magnetischen Schirmung und Verlustminderung bei
Kabeln besonders dann wirkungsvoll einsetzbar, wenn die Kabelkonstruktion
mit äußeren magnetisierbaren
Aufbauelementen erweitert ist.
-
Kabel
mit äußeren magnetisierbaren
Aufbauelementen (wie Armierung oder Stahlrohr/Düker) haben hohe Zusatzverluste.
Bei Drehstrom-Dreileiterkabel können
in deren Stahldrahtarmierungen Zusatzverluste von z.B. 80 % der
Leiterverluste entstehen. Hierbei empfiehlt es sich, zur Verminderung
der Zusatzverluste eine Umwickeln des Aderverbandes mit Elektrobändern vorzunehmen,
um durch die Feldschwächung
die Verluste in diesen Aufbauelementen zu verringern.
-
Der
erfindungsgemäße Abschirmbehälter hat
eine hohe Flexibilität
und ist dafür
sehr geeignet, (in Rohrform) in großen Längen in Kabelgräben oder Kabelkanälen verlegt
zu werden. Im Rahmen dieser Verwendung des Abschirmbehälters können elektrische
Versorgungsleitungen, vorzugsweise Mittel- und Hochspannungskabel
eingezogen werden.