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Elektrisches Kabel Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel mit
wenigstens einem Leiter, der von einer Isolierung aus thermoplastischem Material,
wie z. B. Polyäthylen oder Polyvinylchlorid, umgeben ist, die von beiden Seiten
dem Druck einer in einem dichten Mantel enthaltenen Flüssigkeit unterliegt.
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Bekanntlich wird die Hochspannungsfestigkeit elektrischer Kabel mit
einer durch eine Bandumwicklung gebildeten Isolierung dadurch verbessert, daß ein
Druck in dem Mantel aufrechterhalten wird, in welchem das Kabel untergebracht ist.
Dieses Ergebnis kann durch die Unterdrucksetzung der Tränkungsflüssigkeit der Isolierung,
insbesondere Öl, erreicht werden, wenn alle Zwischenräume zwischen den Bändern mit
dieser Flüssigkeit ausgefüllt sind.
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Bei Kabeln mit einer Bandisolierung kann auch ein Druckgas benutzt
werden, z. B. Stickstoff, welches in die Zwischenräume der Bandumwicklung eintritt.
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Die Verhältnisse liegen jedoch anders, wenn die Isolierung des Kabels
nicht durch schraubenförmig aufgewickelte Bänder, sondern durch eine dicke Hülle
aus einem thermoplastischen Werkstoff gebildet wird, welche durch Spritzen oder
auf andere Weise hergestellt ist. Dann kann nämlich kein Drucköl benutzt werden,
da dieses eine chemische Wirkung auf die thermoplastische Hülle haben kann.
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Ferner zeigt die Erfahrung, daß Drucköl oder ähnliche, wenig flüchtige
Isolierstoffe nicht die Ionisierung der in der thermoplastischen Hülle vorhandenen
Gaseinschlüsse verhindern, welche die schnelle Zerstörung der Hülle zur Folge haben
kann.
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Die Hülle wird dann schnell zerstört.
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Es ist auch bereits ein Hochspannungskabel bekannt, bei welchem jeder
Leiter mit einer Isolierschicht aus Polyvinylchlorid versehen ist, wobei dieser
Leiter in einem Isolieröl liegt, welches unter einem schwachen Druck steht. Bei
einem derartigen Kabel ist das Öl im wesentlichen zu dem Zwecke vorgesehen, die
Weichmacher des Polyvinylchlorids aufzulösen und auszuwaschen, um die dielektrischen
Eigenschaften der Isolierung zu verbessern. Ein derartiges Verfahren ist aber bei
Kabeln mit einer Polyäthylenisolierung nicht anwendbar, da Polyäthylen keine Weichmacher
enthält. Nun ist aber Polyäthylen von größerer Bedeutung als Polyvinylchlorid, da
Polyäthylen bei beträchtlich höheren elektrischen Spannungen verwendbar ist, bei
denen eine Anwendung von Kabeln, die mit Polyvinylchlorid isoliert sind, beschränkt
ist.
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Es ist auch bereits ein Hochspannungskabel bekannt, dessen Leiter
mit einer Isolierung aus Polyäthylen versehen sind. Diese umhüllten Leiter sind
in einem dichten Mantel untergebracht, und das Ganze ist mit einem unter Druck stehenden
inerten Gas gefüllt.
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Bei diesem bekannten Kabel kann aber die Wärmekapazität durch das
Druckgas nicht erhöht werden, und dies wirkt sich nachteilig auf die bei Kabeln
dieser Art stets anzustrebende Kühlwirkung aus. Weiterhin nimmt das Gas lediglich
durch seinen Druck an der Verhinderung der Ionisierung der gasförmigen Einschlüsse
teil. Dies führt dazu, daß es erforderlich ist, ganz erhebliche Gasdrücke anzuwenden,
was zu erheblichen Nachteilen führt.
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Es hat sich aber im Betrieb gezeigt, daß die Anwendung des Druckgases
das Ionisierungsniveuu der Gaseinschlüsse der Hülle trotz der beträchtlichen Dicke
derselben erhöht.
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Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß es durch Ersatz des erwähnten
Gases durch eine bestimmte physikalische Eigenschaften aufweisende Flüssigkeit möglich
ist, bei gleichem Druck die Betriebsspannung des Kabels zu erhöhen oder unter sonst
gleichen Umständen gegenüber einem unter Gasdruck stehenden Kabel mit einer thermoplastischen
Hülle die Lebensdauer des Kabels zu verlängern.
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Die Erfindung gestattet ferner, entweder den für das Kabel erforderlichen
Druck zu erniedrigen oder bei gleichem Druck die Dicke der Isolierung zu verkleinern.
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Unter gewissen Bedingungen gestattet die Erfindung ferner eine besonders
wirksame Kühlung des Kabels und somit eine Erhöhung der zulässigen Stromdichte.
Gemäß
der Erfindung ist als Flüssigkeit reines Wasser mit schwacher Leitfähigkeit verwendet,
dessen spezifischer Widerstand zwischen 0,1 und 2 Megohm - cm-icm und dessen Druck
zwischen 1 und 25 kg,!cm' beträgt.
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Zweckmäßigerweise kann das Wasser ein nicht elektrolysierbares Frostschutzmittel,
z. B. Äthylenglykol, enthalten.
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Die Erfahrung hat das überraschende Ergebnis geliefert, daß die Druckflüssigkeit
die Hochspannungsfestigkeit des Kabels trotz der Gaseinschlüsse dir Hülle verbesserte.
Bei der Verwendung von Wasser als Druckflüssigkeit innerhalb des Kabels addiert
sich die Wirkung der Diffusion des Wasserdampfes innerhalb der Blasen zur mechanischen
Wirkung des Wasserdruckes zur Verhinderung der Ionisierung, wodurch Schädigungen
durch die Einschlüsse innerhalb der Isolierschicht vollkommen ausgeschlossen sind.
Das Wasser erhöht ferner die Wärmekapazität der Anordnung und gestattet die Vergrößerung
der zulässigen Überlastungen.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt eines einpoligen Kabels nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-lI der F i g. 1 und F i g. 3 einen Schnitt
eines dreipoligen Kabels nach der Erfindung.
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In F i g. 1 und 2 ist 1 ein leitender oder isolierender biegsamer
oder starrer Rohrteil, welcher auf seine ganze Länge verteilte Löcher 2 aufweist.
Der Rohrteil 1, welcher auch durch eine Metallspirale mit einander nicht berührenden
Windungen gebildet werden kann, bildet in seinem Innern einen Kanal 11. Auf
den Rohrteil l ist schraubenförmig ein Bündel von vorzugsweise aus Kupfer oder gegebenenfalls
aus Aluminium bestehenden Drähten 3 aufgewickelt, welche bei dem beschriebenen Beispiel
von einer halbleitenden, wasserdurchlässigen Abschirmung 4 überzogen sind. Eine
derartige, an sich bekannte Abschirmung kann durch ein Papier oder ein Gewebe gebildet
werden, in dessen Bestandteile Teilchen von Kohlenschwarz eingebettet sind. Auf
der Abschirmung 4 stützt sich die Isolierhülle 5 ab, welche aus reinem oder mit
Butyl oder Polybutylen gemischtem Polyäthylen oder aus einem anderen thermoplastischen
isolierenden Werkstoff besteht mit z. B. verschiedene Polymerisationsgrade besitzenden
Polyvinylchloriden und ihren Mischpolymerisaten, wobei diesen Stoffen gegebenenfalls
ein Füllstoff oder andere Stoffe, z. B. Weichmacher oder Antioxydationsmittel, zugesetzt
sind.
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Diese verschiedenen Stoffe sind in Wasser unlöslich und werden durch
ein längeres Verweilen in Wasser nicht verändert.
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Nachstehend sind einige Beispiele für Isoliergemische zur Herstellung
der Hülle 5 angegeben. Beispiel 1 Polyäthylenmischung Polyäthylen oder Polypropylen
hoher oder niedriger Dichte 100 Teile Polyisobutylen oder Butylkautsehuk . . . .
. . . . . . . . . . . . 0 bis 25 Teile Antioxydationsmittel (z. B. Dibetanaphthylparaphenylendiamin)
.................. 0,1 bis 1 Teil Beispiel '
Gemisch mit nicht plastifiziertein
Polyvinylchlorid Polyvinylchlorid (oder Miscilpolymerisat) des soaenannten »High
impact«-Typs ...... 100 Teile Stabilisator (z. B. dibasisches Bleiphthalat)
. . . . . . . . . . . . . 2 bis 10 Teile Schmiermittel zum Spritzen (z. B. Bleisterarat)
. . . . . . . . 0.5 bis 2 Teile Beispiel 3 Gemisch mit plastifiziertem Polyvinylchlorid
Zu der vorhergehenden Mischung werden z. B. Phthalatester in 10 bis 50 Teilen
zugesetzt.
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Die gespritzte Hülle 5 wird vorzugsweise in einer einzigen Schicht
hergestellt. Sie besitzt eine beträchtliche Dicke, welche von der zwischen ihren
beiden Seiten vorgesehenen Potentialdifferenz abhängt, und ist auf ihrer Außenseite
mit einer zweiten leitenden Abschirmung 6 überzogen, weiche hier durch eine Metallbandbewicklung
gebildet wird, welche das Wasser durchtreten läßt. Die Abschirmung 6 ist für den
Ausgleich des Potentials über die ganze Länge des Kabels bestimmt.
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Die so hergestellte, ein Ganzes bildende Anordnung wird in einem dichten
Mantel ? untergebracht, welcher so ausgebildet ist. daß er Innendrücke in der Größenordnung
von 1 bis 25 kg: cm= aushält. Bei einpoligen Kabeln (F i g. 2) kann der Mantel 7
z. B. aus Aluminium, bandagiertem Blei oder aus einem Isolierstoff (Polyäthylen.
Polyvinylchlorid oder gegebenenfalls mit Glasfasern verstärkte Polyester) sein.
Bei mehrpoligen Kabeln kann der Mantel 7 auch aus Stahl sein, wie dies weiter unten
erläutert ist.
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Der Innendurchmesser des Mantels 7 ist etwas größer als der Außendurchmesser
der Hülle 5, so daß zwischen diesen beiden Teilen ein Ringraum 8 in der Größenordnung
eines Millimeters entsteht, welcher sich über die ganze Kabcllängo erstreckt.
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Bei dem neuen Kabel werden der Kanal 11 und der Ringraum 8 von eine:-
Druckflüssigkeit eingenommen, wobei diese beiden Räume die Übertragung des Druckes
auf die ganze Kabillänge ermöglichen. Bei dem betrachteten Beispiel wird die benutzte
Flüssigkeit durch reines Wasser gebildet, nämlich destilliertes Wasser. oder durch
beliebige bekannte Apparate, z. B. chemisch;. Reiniger mit Ioncnaustauschern, gereinigtes
Wasser. Die durch seinen spezifischen Widerstand gemessene Reinheit des Wassers
muß zwischen 0.1 und _' Megohm liegen. Gegebenenfalls kann diesem Wasser ein beliebiger
nicht elektrolysierbarer Zusatzstoff zu=gesetzt werden. z. B. ein Frostschutzmittel,
wie Äthylenglykol.
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Das in dem Kabel enthaltene Wasser wird durch bekannte, an dem Kabel
oder an den Enden desselben angeordnete Einrichtungen unter Druck gesetzt. Der Druck
kann z. B. durch eine Anordnung von Vorratsbehältern oder von Pumpen oder auch durch
elastisch,- Behälter oder durch Druckgaspolster erzeugt werden. Ferner sind Systeme
vorgesehen, welche mit den vorhergehenden Teilen zusammenfallen können oder nicht
und zur Aufnahme der Volumschwankungen des Wassers bestimmt sind, welche der Ausdehnung
desselben während der Erwärmungszyklen entsprechen.
Der Wasserdruck
wird durch Wirtschaftlichkeitsberechnungen bestimmt. Die Dicke der Isolierhülle
kann nämlich verringert werden, wenn der Druck erhöht wird, der Außenmantel wird
dann aber dicker, d. h. teurer. Es ist im allgemeinen zweckmäßig, diesen Druck mit
der Betriebsspannung zu erhöhen. Der übliche Verwendungsbereich liegt zwischen 5
und 15 kg/cm-'.
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Wenn das Kabel betriebsfertig ist, wird das Wasser in dem Kanal 11
und dem Ringvolumen 8 unter Druck gesetzt. Die Erfahrung zeigt, daß hierdurch die
Betriebsspannung des Kabels beträchtlich vergrößert wird. Ferner zeigt das Kabel
trotz des Vorhandenseins des Wassers nach einer längeren Betriebszeit keine besondere
Beschädigung. Dies kann folgendermaßen erklärt werden: Der thermoplastische Werkstoff
der Hülle 5 ist für Wasserdampf mehr oder weniger durchlässig. Es entsteht daher
an der Oberfläche dieser Hülle eine sehr begrenzte Verdampfung des Wassers, welche
jedoch dazu ausreicht, daß der Wasserdampf in den plastischen Werkstoff diffundiert
und insbesondere in die Gasbläschen eintritt, welche in diesem infolge der unvermeidlichen
Unvollkommenheiten der Herstellung vorhanden sind. Hierdurch wird das Ionisierungsniveau
dieser Bläschen durch den Druck des Dampfes erhöht.
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Ferner behalten die gespritzten künstlichen Isolierstoffe, wenn sie
von guter Qualität sind, ihre ursprünglichen dielektrischen Eigenschaften bei, selbst
wenn sie unter Wasser liegen.
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Schließlich hat das Vorhandensein des Druckwassers mehrere andere
technische Wirkungen.
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Die Isolierung 5 des Leiters ist mit einer leitenden Abschirmung 6
versehen. Bei den üblichen Kabeln, die ein Druckgas verwenden, können sich zwischen
diesen beiden Flächen Hohlräume bilden, die wiederum die Gefahr der Ionisierung
heraufbeschwören. Ein unter einem Öldruck stehendes Kabel weist aber infolge der
dielektrischen Eigenschaften den gleichen Nachteil auf, wenn auch in geringerem
Maße, da sein besonderes Induktionsvermögen und der Ionisierungsgradient höher sind
als die eines Gases.
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Demgegenüber wird dieser Mangel der bekannten Kabel durch die verbleibende
Leitfähigkeit des Wassers völlig behoben, so daß gegebenenfalls die Abschirmung
6 in Fortfall kommen kann. Das gleiche gilt aber auch für die mit 4 bezeichnete
Abschirmung bei dem neuen Kabel. Außerdem genügt schließlich die Verwendung eines
geringeren Druckes.
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Gegenüber den praktisch allein mit der Erfindung vergleichbaren Kabeln,
die sich eines Öles als Druckmittel bedienen, weist das neue Kabel weiter den bedeutenden
Vorteil auf, daß das verwendete Druckmittel, Wasser, die synthetischen Dielektrika
nicht angreift, wohingegen die Aggressivität der üblichen Isolieröle gegenüber z.
B. Polyäthylen gerade bei den üblichen Arbeitstemperaturen von 60 bis 80° C recht
beträchtlich ist.
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Außerdem ist die Wärmekapazität von Wasser praktisch doppelt so hoch
als die des Öles, was zweifelsfrei der Kühlung des Kabels zugute kommt. Bei einem
Flüssigkeitsumlauf genügt also bei der Verwendung von Wasser bei gleichem Volumen
und gleicher Wärmeabfuhr die halbe Umlaufintensität. Die Erhöhung der Wärmekapazität
ist für einen gegebenen Leiterquerschnitt von Bedeutung, da dadurch der Widerstand
des Kabels gegen Überbelastungen und gegen Kurzschlüsse erhöht wird.
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Schließlich spielt die - wenn auch nur geringe -elektrische Leitfähigkeit
des Wassers eine nicht vernachlässigbare Rolle, da sie eine elektrische Verbindung
zwischen den Leitern des Kabels und der Isolierhülle herstellt, so daß sich alle
Punkte der Oberfläche derselben auf dem gleichen Potential befinden.
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Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt wird durch
die nachstehenden Zahlen belegt, welche die Verminderung der Dicke der Isolierhülle
gegenüber bei Atmosphärendruck arbeitenden Kabeln mit massiver thermoplastischer
Hülle angeben.
| Betriebsspannung |
| 8,7 kV 11,6 kV 15 kV 1 20 kV |
| Normale Dicke, mm I 5,8 7 8 9 |
| Dicke bei einem |
| Wasserdruck von |
| 5 kg/cm2, mm ... 4 4,8 5,4 6 |
Aus obiger Tabelle geht hervor, daß die Dicken des Isolierstoffes um wenigstens
30"/o verringert werden können.
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F i g. 3 zeigt ein dreipoliges Kabel nach der Erfindung. Jeder Leiter
3 a, 3 b, 3 c ist von einer Isolierhülle 5 a, 5 b, 5 c aus einem thermoplastischen
Werkstoff überzogen, welche mit einem leitenden Belag 6 a, 6 b, 6 c versehen
ist.
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Die Anordnung ist in einem Mantel ? untergebracht, welcher den den
drei Leitern gemeinsamen Druck aushält. Dieser Mantel kann zweckmäßig aus Stahl
bestehen, welcher vorzugsweise innen mit einem thermoplastischen Lack oder einer
verglasten Emaille zur Verhinderung der Beschmutzungsgefahr des Wassers überzogen
ist. Gemäß einer Ausbildung des Erfindungsgedankens weist jeder dieser Leiter einen
mit Wasser gefüllten axialen Kanal 11 a, 11 b,
11 c auf, und der Raum 8 zwischen dem Mantel 7 und den drei Leitern ist ebenfalls
mit Wasser gefüllt, wobei die ganze Anordnung unter Druck gesetzt ist. Wenn der
Mantel 7 starr ist und vor den Leitern selbst an Ort und Stelle gebracht wird, um
eine bequeme Einführung der Leiter durch Einziehen in diesen Mantel zu ermöglichen,
werden zweckmäßig auf den Abschirmungen 6 halbrunde Gleitbänder 12 a, 12 b, 12 c
angeordnet, welche in Form einer steilgängigen Schraube aufgewickelt sind. Die Bänder
12 bestehen aus einem unmagnetischen Werkstoff (Metall, harter Kunststoff).
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Für die neuen Kabel können verschiedene Abschlußkästen vorgesehen
sein. Diese Kästen können so ausgebildet sein, daß das Wasser der zentralen Leiter,
welches auf die elektrische Betriebsspannung gebracht wird, den Apparaten für die
Unterdrucksetzung zugeführt werden kann, welche sich auf dem Erdpotential befinden.
Ferner können diese Kästen so ausgebildet sein, daß die Stromwärmeverluste in dem
Wasser keine übermäßige Erwärmung der Anordnung bewirken. Diese Erwärmung kann größenordnungsmäßig
der des voll belasteten Kabels entsprechen.