DE102011100983A1

DE102011100983A1 - Verbinderanordnung für Mitelspannungsanlagen

Info

Publication number: DE102011100983A1
Application number: DE102011100983A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter May
Original assignee: NKT Cables GmbH and Co KG
Current assignee: NKT Cables GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: DE102011100983B4

Abstract

Es wird eine Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen angegeben, bei der die elektrischen Leiter als mit Kabelschirmen versehene, kunststoffisolierte Kabel 14, 14a ausgeführt sind und die Kabel je Phase in ein metallisches Hüllrohr 20, 22. Das Hüllrohr kann eine Umhüllung aus relativ dickwandigem Aluminiumrohr sein (lichter Durchmesser etwa 110 mm; Wanddicke etwa 5 mm). Mindestens ein Hüllrohr 20 kann durch zwei metallische Halbrohre 22 realisiert sein. Die Hüllrohre der drei Phasen werden beidseitig kurzgeschlossen, so dass in ihnen durch Induktionswirkung die entgegengerichteten Leiterströme fließen. Die Anordnung ist außerhalb der Hüllrohre nahezu feld- und kraftfrei. Mit dieser Maßnahme entfällt weitgehend ein mechanisch aufwendiger Aufbau.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen, vorzugsweise als Leiterverbindung in Anlagen auf 10 kV- oder 21 kV-Ebene.
Bekannt ist ein für Spannungen von 12 bis 170 kV einsetzbares Stromschienensystem der Firma Moser-Glaser (Schweiz); siehe auch DE 1665139 A . Der Leiter des Stromschienensystems besteht aus einem zylindrischem Rohr oder Bolzen aus Aluminium oder aus einem Kupfer-Rundstab. Die Isolierung befindet sich direkt auf dem Leiter und besteht aus mit Krepp-Papier imprägniertem EPOXY-Harz. Zur Feldsteuerung sind leitende Beläge in die Isolierung eingelegt. Die Stromschiene ist auf ihrer Länge mit einem Wellrohr aus Kunststoff bedeckt. Die Stromschienen werden in Längen von bis zu 10 Meter gefertigt und eingesetzt.
Ein anderes Stromschienensystem mit starren Leitern ist in der EP 0248157 A2 beschrieben.
Bei einem generatornahem dreipoligen Kurzschluss in Mittelspannungsanlagen, beispielsweise in Abzweigungen vom Maschinentransformator, können von der Netzseite und von der Generatorseite Stoßkurzschluss-Ströme in der Größenordnung von einigen 100 kA eingespeist werden. Aufgrund eines solchen Kurzschlusses kann sich ein Leiter bis auf 250°C erwärmen. Herbei erfolgt eine thermische Längsdehnung, ohne dass der starre Leiter quer ausweicht. Der starre Leiter schiebt ungehindert und ohne Ausweichbewegung geradeaus. Bei einer Leiterlänge von 10 m kommt es an den Enden zu einer Längung um rd. 40 mm bei Kupferleitern und um rd. 55 mm bei Aluminiumleitern. Weiterhin erzeugen die Kurzschlussströme enorme Stromkräfte auf benachbarte elektrisch leitende Elemente (Nachbar-Schiene und/oder Metallbefestigungselemente).
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen anzugeben, die extremen mechanischen Kräften in einem Kurzschlussfall widerstehen kann. Vorzugsweise soll auch eine Forderung nach relativ kleinen Biegeradien erfüllbar sein.
Die Lösung der Aufgabe findet sich in den Merkmalen des Hauptanspruchs. In Unteransprüchen werden bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungen formuliert.
Der Kern der Erfindung besteht in einer Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen, bei der die elektrischen Leiter der Verbinderanordnung als mit Kabelschirmen versehene, kunststoffisolierte Kabel ausgeführt sind und die Kabel je Phase in ein metallisches Hüllrohr, vorzugsweise aus Aluminium eingebracht sind. Das Hüllrohr ist eine Umhüllung aus relativ dickwandigem Aluminiumrohr, beispielsweise mit lichtern Durchmesser von etwa 110 mm und einer Wanddicke von etwa 5 mm. Mindestens ein Hüllrohr kann durch zwei metallische Halbrohre realisiert sein, hierbei sind die Rohre in Längsrichtung symmetrisch geteilt. Das obere Halbrohr wird nach Einlegen des Kabels (der Kabel) auf das untere Halbrohr aufgesetzt, so dass das oder die Kabel nicht in das Hüllrohr eingezogen werden müssen.
Die Hüllrohre der drei Phasen werden beidseitig kurzgeschlossen, so dass in ihnen durch Induktionswirkung die entgegengerichteten Leiterströme fließen. Weiterhin können auch die Kabelschirme untereinander kurzgeschlossen sein. In einer besonderen Ausführungsform können die Enden der Hüllrohre gemeinsam mit den Kabelschirmen kurzgeschlossen sein. Damit wird die Anordnung außerhalb der Hüllrohre nahezu feld- und kraftfrei. Mit dieser Maßnahme entfällt weitgehend ein mechanisch aufwendiger Aufbau. Es müssen keine besonders robusten Halteschellen oder ähnliches vorgesehen sein. Die Phasen können nahezu beliebig dicht nebeneinander verlegt werden.
Durch die vorgeschlagene Art der Ausführung ergeben sich:

• einfache Montagevorrichtungen, da eine feld- und kraftfreie Anordnung vorliegt,
• gutes Ausdehnungsverhalten, da vorzugsweise mehradrige, verseilte Kabel eingesetzt werden,
• schnelle Montage durch vorkonfektionierte Bögen und Endverschlüsse sowie
• hohe mechanische Festigkeit durch spezielle Einbettung.

Die Verbinderanordnung wird vorzugsweise in Abschnitten relativ kurzer Länge eingesetzt, das heißt in Abschnitten zwischen 5 und 30 Metern. Damit kann die Anordnung auch durch zwei oder mehrere Abschnitte kurzer Länge gebildet sein. Die metallischen Hüllrohre sind dann in einzelnen Abschnitten verlegt und untereinander geflanscht. In die Flansche sollten Nuten für Dichtringe eingelassen sein. Vorzugsweise sollte ein guter elektrischer Übergang von Flansch zu Flansch mit Hilfe von Kontaktelementen sichergestellt sein. Bekannt sind derartige Kontaktscheiben für einen Übergangsstrom von bis zu 1250 A je Scheibe.
Dort wo die Kabel das Rohrsystem verlassen – d. h. in den beiden Endverschlussbereichen – sollten bei der beschriebenen Anordnung hinreichende Abstände und eine hinreichende mechanische Festigkeit vorgesehen sein.
Die Leiterquerschnitte werden teilweise durch die Kurzschlussanforderungen bestimmt. Um Kabel einsetzen zu können, die leicht lieferbar sind und für die Standard-Garnituren verfügbar sind, wird vorgeschlagen, je Phase drei Kabeladern mit nicht allzu großem Leiterquerschnitt einzusetzen, zum Beispiel 3 × 1 × 300 mm² Cu. Die drei Adern sind unter dem Aspekt des Ausdehnungsverhaltens miteinander verseilt.
Wie schon gesagt, können die Kabel je Phase ein- oder mehradrig ausgebildet und VPE-isoliert sein. Beispielsweise kann jedes Kabel drei verseifte Kabeladern umfassen. Zum Beispiel könnte je Phase drei Ein leiterkabel der Dimension 3 × 1 × 300 mm² Cu eingesetzt werden. Statt Kupfer-Leiter können natürlich auch Aluminium-Leiter entsprechenden Leiterquerschnitts eingesetzt werden. Derart geeignete Kabel sind als ein- oder mehradrige VPE-Mittelspannungskabel erhältlich. Der Vorteil bei Einsatz von verseilten Einleiterkabeln liegt darin, dass durch die Verseilung die Kabel auf der Strecke die Möglichkeit haben, bei Längendehnungen lateral auszuweichen.
Innerhalb der Verbinderanordnung endende Kabel sind untereinander über eine Muffe verbunden. Im Bereich der Verbinderanordnung mit mindestens einer Muffe weisen die Hüllrohren einen vergrößerten Durchmessers auf.
Die erfindungsgemäße Verbinderanordnung kann neben gerade ausgebildeten Anordnungen auch im Bogen verlegt einsetzbar sein. Gerade hierfür sind ein- und mehradrige VPE-Mittelspannungskabel, die gebräuchliche Leiterquerschnitte aufweise, gut geeignet. Kleinstzulässige Biegeradien dieser Kabel betragen 15 × D, mit D dem Außendurchmesser der Kabel. Bei einmaligem Biegen, z. B. vor Endverschlüssen, sind bis zu 50% dieser Größe zulässig, wenn fachgemäße Bearbeitung vorgenommen wird. Hierbei werden die Kabel etwa auf 30°C erwärmt und über eine Schablone gebogen.
Der Zwischenraum zwischen Kabel und Hüllrohr kann zur mechanischen Pufferung zwischen den Kabeladern mit elastischem Material ausgefüllt sein. Hierdurch werden die im Rohrinneren auftretenden, zur Längsachse gerichteten Kräfte gleichmäßig verteilt. Als Material kann beispielsweise gebräuchliches dauerelastisches Silikon oder Gießharz eingesetzt werden. Die vorhandenen Hohlräume in den Hüllrohren, vor allem Zwischenräume im Muffenbereich, können jedoch auch mit hochwärmeleitendem Zement gefüllt sein. Ein solcher Zement wird im Endzustand etwa spatenfest, bietet also einen guten Halt für die Kabel und Muffen und eine gute mechanische Pufferung im Fall des Stoßkurzschlusses.
Um die Muffen und die Bögen vor unzulässigem Druck durch die sich ausdehnenden Kabel zu schützen, sollten die Kabel beidseitig der Bögen und vor den Muffen im Hüllrohr mechanisch festgelegt werden. Durch die Verseilung haben die Kabel auf der Strecke die Möglichkeit, bei Längendehnungen lateral auszuweichen.
Zur Verringerung der Verluste im Normalbetrieb können auf die Querverbindungen der Hüllrohre, bzw. auf diese der Kabelschirme hochpermeable Kerne aufgesetzt werden, die bei geeigneter Auslegung zwar die stationären Ströme und Verluste heruntersetzen, beim Auftreten eines Kurzschlussstroms hingegen in die Sättigung gehen und so die gewünschten Gegenströme durchlassen.
Vor Biegungen mit geringem Radius können Muffen gesetzt werden, die in einem Hüllrohr vergrößerten Durchmessers untergebracht werden. Von der anderen Seite her wird die gleiche Anordnung dreier verseilter Kabel herangeführt, wobei hier die Kabeladern über die erforderliche Länge entseilt, dann einzeln über Schablone gebogen, gemufft und in ein gebogenes Hüllrohr (bzw. Halbrohr) eingelegt werden. Gegebenenfalls können diese Kabelbögen auch schon in der Fabrik vorgefertigt werden.
Alternativ hierzu könnten in den Bögen kurze Stücke von EPR-Kabeln (Ethylen-Propylen-Polymere) eingesetzt und beidseitig mit den VPE-Kabeln verbunden werden, so dass geringe Biegeradien von (5 ... 7,5 × D) realisiert werden können. Auf diese Weise werden extrem kleine Biegeradien von etwa 300 mm möglich.
Zur schnellen und unproblematischen Montage könnten vorgefertigte, steckbare Muffen zum Einsatz kommen. Damit können Kabelbögen bereits in der Fabrik vorgefertigt und mit Steckmuffen an beiden Enden angeliefert werden, wodurch der Montageaufwand minimiert wird. Werden die Kabel in die Hüllrohre eingelegt und nicht eingezogen, so können die Endverschlüsse vorkonfektioniert, d. h. fertig montiert angeliefert werden.
Ergänzend können in den Muffenbereichen die Zwischenräume z. B. mit Gießharz oder mit dauerelastischem Silikon aufgefüllt sein.
Die Erfindung wird in mehreren Figuren dargestellt, welche vorteilhafte Ausgestaltungen im Einzelnen zeigen:
1A und 1B: kunststoffisoliertes Kabel in Hüllrohr (im Querschnitt),
2: Anordnung auf Trägergerüst in Freiluftlage,
3: Verlauf der induzierten Ströme und
4: Verbinderanordnung (im Schnitt) mit gemufften Kabeln,
Die Figuren zeigen die Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen. Die elektrischen Leiter der Verbinderanordnung sind als mit Kabelschirmen versehene, kunststoffisolierte Kabel ausgeführt.
in 1A und 1B ist je ein kunststoffisoliertes Kabel 14, 14a im Hüllrohr 20, 22 im Querschnitt dargestellt, Die Kabel können ein-(14) oder mehradrig (14a) ausgebildet sein. Vorzugsweise werden VPE-isolierte Mittelspannungskabel eingesetzt. Hierbei umfasst jedes Kabel 14a vorzugsweise drei verseilte Kabeladern 16. Ein solcher Leiter-Aufbau des Kabels wäre zum Beispiel 3 × 1 × 340 mm² Cu je Phase.
Die Kabel 14, 14a sind je Phase (R, S, T) in ein metallisches Hüllrohr 20, vorzugsweise aus Aluminium eingebracht. Vorzugsweise wird ein dickwandiges Aluminiumrohr eingesetzt mit lichtem Durchmesser von etwa 110 mm und mit einer Wanddicke von etwa 5 mm. Ein Hüllrohr 20 kann auch durch zwei metallische Halbrohre 22 realisiert sein (wie in der 1A, 1B und 2 gezeigt). Das Hüllrohr ist in Längsrichtung symmetrisch geteilt.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung auf einem Trägergerüst 30 in Freiluftlage mit je einadrigen Kabeln 14 pro Phase. Die elektrischen Anschlüsse sollten beidseitig in Freiluftbauweise, mit Dehnungs- und Befestigungselementen, ausgeführt sein.
Die 3 zeigt, dass die Hüllrohre 20 an beiden Enden (nur ein Ende in der Figur gezeigt) der Verbinderanordnung über Querverbinder 25 miteinander kurzgeschlossen sind. Der Verlauf der induzierten Ströme ist ebenfalls eingezeichnet.
Die Verbinderanordnung kann in Abschnitten 12 bestimmter Länge beispielsweise zwischen 5 bis 30 Meter ausgeführt sein. Das metallische Hüllrohr kann in voller Länge eines Abschnitts oder in einzelnen, kürzeren Abschnitten verlegt und dann geflanscht verlegt werden. Hüllrohre 20 bei aus mehreren Abschnitten 12 gebildeter Verbinderanordnung sind über Flansche 24 untereinander verbunden. In die Flansche sollten Nuten für Dichtringe eingelassen sein.
4 zeigt die Verbinderanordnung im Schnitt mit Kabeln 14. Innerhalb der Verbinderanordnung endende Kabel 14 sind untereinander über eine Muffe 18 verbunden. Im mit Muffen 18 ausgestatteten Bereich 18 weist das Hüllrohr 20 einen vergrößerten Durchmessers auf.
Der Raum zwischen Kabel 14 und Hüllrohr 20, 22 ist zur mechanischen Pufferung zwischen den Kabeladern materiell 28 ausgefüllt. Die verbliebenden Hohlräume 27 in den Hüllrohren 20, 22, vor allem Zwischenräume im Muffenbereich, können mit elastischem Material 28 und/oder mit hochwärmeleitendem Zement 28 gefüllt sein.
Nicht in den Figuren gezeigt ist, dass auf die Querverbinder 25 der Hüllrohre 20 hochpermeable Kerne aufgesetzt sein können.
Bezugszeichenliste

12: Verbinderabschnitt
14: Kabel kunststoffisoliert, vorzugsweise VPE-isoliert
14a: wie 14, jedoch dreiadrig
18: Kabelmuffe
20: metallisches Hüllrohr, vorzugsweise Aluminium
22: Halbrohr
24: Rohrflansch
25: Querverbinder
27: Hohlraum
28: materielle Ausfüllung
30: Kabelträger
R, S, T: Phasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1665139 A [0002]
EP 0248157 2 [0003]

Claims

Verbinderanordnung für Mittelspannungsanlagen, wobei elektrische Leiter der Verbinderanordnung als mit Kabelschirmen versehene, kunststoffisolierte Kabel (14, 14a) ausgeführt sind und die Kabel (14, 14a) je Phase (R, S, T) in ein metallisches Hüllrohr (20, 22), vorzugsweise aus Aluminium eingebracht sind.
Verbinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllrohre (20, 22) an beiden Enden der Verbinderanordnung miteinander kurzgeschlossen sind oder die Kabelschirme miteinander kurzgeschlossen sind oder die Kabelschirmen zusammen mit den Enden der Hüllrohre miteinander kurzgeschlossen sind.
Verbinderanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (14, 14a) ein- oder mehradrig ausgebildet und VPE-isoliert sind.
Verbinderanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kabel (14a) je Phase drei verseilte Kabeladern umfasst.
Verbinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Verbinderanordnung endende Kabel (14, 14a) miteinander über eine Muffe (18) verbunden sind.
Verbinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hüllrohr (20) durch zwei metallische Halbrohre (22) realisiert ist.
Verbinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hüllrohre (20, 22) bei aus mehreren Abschnitten (12) gebildeter Verbinderanordnung untereinander über Flansche (24) verbunden sind.
Verbinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verbliebende Hohlräume (27) zwischen den Kabeladern und dem Hüllrohr (20, 22) materiell ausgefüllt sind.
Verbinderanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die materielle Ausfüllung (28) aus elastischem Material besteht.
Verbinderanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die materielle Ausfüllung aus wärmeleitfähigem Zement (28) besteht.
Verbinderanordnug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Querverbinder (25) der Hüllrohre (20, 22) und/oder auf Querverbinder der Kabelschirme hochpermeable Kerne aufgesetzt sind.