DE1465600C - Elektrisches Isolationsmaterial zum Umwickeln von Hochspannungskabeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationsmaterial zum Umwickeln von Hochspannungskabeln. Die bekannten, gegen Hochspannungen isolierten Hochleistungskabel weisen einen oder mehrere isolierte Leiter auf, die üblicherweise mit einer elektrostatischen Abschirmung versehen sind. Diese Leiter sind in einem undurchlässigen Metallmantel oder einer Bewehrung eingeschlossen. Der Metallmantel kann durch Strangpressen, z. B. aus Blei oder Aluminium hergestellt sein, oder er ist eine Rohrleitung, in die die isolierten Leiter eingezogen sind. Für die Betriebsspannungen über 15 kV besteht die bevorzugte Art der Isolation aus mit Öl imprägnierten Papierbändern, die in schraubenförmig überlappenden Schichten auf den Leitern bis zu einer ausreichenden Wandstärke aufgebracht sind. Für Spannungen über 33 kV stellt dieser Aufbau die einzige Isolationsart dar, die sich bisher als praktisch erwiesen hat.

Eine ölimprägnierte Papierisolation, wie sie üblicherweise verwendet wird, besitzt einen Verlustfaktor (tg<5) in der Grö ßenordnung ve η etwa 2,5 bis 5 · 10~³ und eine mittlere Dielektrizitätskonstante von etwa 3,7. Neuere Entwicklungen haben bei der Herstellung von mit Öl imprägnierter Papierisolation Verlustfaktoren von etwa 1,5 · 10~³ mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 3,4 ergeben. Auf Grund der heutigen Kenntnis können wesentliche Verbesserungen dieser Eigenschaften für mit Öl imprägnierte Papierisolation nicht erwartet werden.

Wächst die Betriebsspannung im Kabel an, so werden schon geringe dielektrische Verluste immer schädlicher. Die dielektrischen Verluste sind eine Funktion der Dielektrizitätskonstante ε, des Verlustfaktors tg<5 und des Quadrates der Spannung. Da die Dielektrizitätskonstante für eine bestimmte Isolationsart bei allen Spannungen etwa gleichbleibt, brauchen hier hur die anderen beiden Faktoren in ihrer Wirkung auf die dielektrischen Verluste betrachtet zu werden.

Bei einem gegebenen Verlustfaktor sind die dielektrischen Verluste bei 230 kV 2,77mal größer als bei 138 JcV, da (230/138)² = 2,77 ist; bei 345 kV sind die dielektrischen Verluste 6,25mal größer als bei 138 kV und bei 500 kV 13,lmal größer als bei 138 kV. Diese Verhältnisse gelten für Kabel mit gleichen Abmessungen. Tatsächlich wird eine stärkere Isolation verwendet, wenn mit höheren Spannungen gearbeitet wird, wobei eine entsprechende Abnahme der Kapazität erhalten wird.

Die hohen dielektrischen Verluste bewirken, daß die übertragbare Energie verringert wird. In einer Anlage mit 138 kV verringert beispielsweise ein Verlustfaktor von 2,5 · 10~³ die Nennleistung nur um einige Prozent gegenüber dem Idealfall ohne dielektrische Verluste. Bei 230 kV beträgt die Verringerung der Leistung etwa 20% und bei 380 kV etwa 50%. Bei 500 kV macht es ein Verlustfaktor von 2,5 · 10~³ praktisch unmöglich, überhaupt Energie zu übertragen.

Daraus ergibt sich, daß bei der Energieübertragung über Hochspannungskabel der Verlustfaktor der Isolation bis unter den allgemein erzielbaren Wert von etwa 2,5 · 10~³ und vorzugsweise unter den bestenfalls heutzutage crzielbaren Wert von 1,5 · 10~³ gesenkt werden muß.

Es gibt synthetische Materialien, deren Dielektrizitätskonstante kleiner als die von Papier ist und die Verlustfaktoren in der Größenordnung von 0,1 bis 0,25 · 10~³ besitzen. Damit solche Materialien für die Isolierung von Hochspannungskabeln geeignet sind, müssen sie in Bandform aufgebracht werden können; damit die lonisierungsgefahr für die in Hohlräumen eingeschlossenen Luftreste beseitigt oder auf ein Minimum herabgesetzt wird, muß das zwischen den Lagen und in den wendeiförmigen Stoßräumen zwischen den Windungen eingeschlossene Gas durch Evakuieren entfernt und durch Öl oder ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, unter hohem Druck, z. B. 14 Atmosphären, ersetzt werden. Keines der elektrisch geeigneten synthetisehen Materialien, die heute zur Verfügung stehen, weist mechanische Eigenschaften auf, die eine derartige Behandlung zulassen. In allen Fällen ist der Elastizitätsmodul dieser Kunststoffe so niedrig, d. h. das Material ist so dehnbar, daß die Bänder sich beim Aufbringen dehnen und in die darunterliegenden Stoßräume einsinken, so daß erstens eine Evakuierung und eine Bewegung des Öles oder Gases durch die Isolation weitgehend behindert oder völlig unterbunden wird; und daß es zweitens schwierig oder unmöglich ist, daß die Lagen gegeneinandergleiten, wenn das Kabel abgebogen wird, wodurch die Bandlagen in den übereinanderliegenden und untereinanderliegenden Stoßräumen verschoben und faltig werden. Hierdurch wird die Durchschlagsfestigkeit der Isolation verringert. Dadurch, daß das Öl oder Gas nicht frei durch die Isolierung wandern kann, ergibt sich eine unvollständige Evakuierung und die Ausbildung von ionisierbaren Räumen, wodurch die Vorteile der Anwendung eines geschichteten Aufbaues verloren gehen.
^_ Es sind Versuche gemacht worden, den Vorteil der geringeren dielektrischen Verluste synthetischer Bänder dadurch wenigstens teilweise auszunutzen, daß abwechselnd dünne Bänder von Zellulosepapier und synthetische Bänder aufgebracht werden. Während der sich hieraus ergebende Aufbau im allgemeinen eine gewisse Verbesserung gegenüber der ausschließlichen Verwendung vollsynthetischer Bänder ergeben hat, waren die Versuche dennoch nicht zufriedenstellend. Während des Aufbringens dehnen sich hämlich die synthetischen Bänder und legen sich in die Stoßräume der darunterliegenden Papierbandwicklung.

Es ist auch aus der deutschen Patentschrift 935 375 bekannt, zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit dünne Isolierstoffbänder aus mehreren miteinander verklebten und gegeneinander versetzten Lagen herzustellen, so daß sich ein Querschnitt des Bandes mit treppenförmigem Profil ergibt. Es liegt in der Natur der Sache, daß die dabei verwendeten Klebstoffe, z. B. auf Polyisobutylen- oder Polyvinylätherbasis nur eine gegen die Bänder dünne und vorzugsweise nur stellenweise aufgetragene Schicht bilden. Diese mehrlagigen Bänder mit treppenförmigem Querschnitt bedingen eine besonders sorgfältige Aufbewahrung und Verarbeitung, damit die überstehenden Randpartien nicht beschädigt werden. Außerdem hat man bisher offenbar in diesem Zusammenhang keine Überlegungen darüber angestellt, ob und wie sich durch eine besondere Anordnung und Folge von Bändern aus Papier und synthetischen Materialien die dielektrischen Verluste herabsetzen lassen, sondern man hat diese mit treppenförmigem Querschnitt verklebten Bänder nur im Hinblick auf die Durchschlagsfestigkeit betrachtet.

Die Erfindung befaßt sich mit der gegenüber der deutschen Patentschrift 935 375 andersartigen Aufgäbe, die relativen dielektrischen Verluste möglichst weit herabzusetzen, ohne daß die übrigen Eigenschaften des Kabels, wie z. B. auch die Durchschlagsfestigkeit, beeinträchtigt werden, während gleichzeitig die

Verarbeitung des mehrlagigen Isolationsmaterials in der üblichen einfachen Weise erfolgen kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine innere Folie eines festen Polyolefins, mit der zwei äußere Bänder aus Zellulosepapier über ihre gesamte Fläche fest verbunden sind, ein solches Volumen hat, daß sie ein bis zwei Drittel des Gesamtvolumens des Isolationsmaterials aufweist.

Das Isolationsmaterial der Erfindung hat den Vorteil einer beträchtlichen Verminderung der dielektrischen Verluste, die nur noch einen Bruchteil derjenigen einer reinen Papierisolation betragen. Außerdem hat das Material keine überstehenden freien Ränder, die bei der Verarbeitung hinderlich sind, läßt sich leicht imprägnieren und besitzt eine hohe Durchschlagsfestigkeit.

Nachstehend wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung die Erfindung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt die Seitenansicht eines Kabels gemäß der Erfindung, in der die einzelnen Isolations- und Schutzschichten fortschreitend nach außen immer weiter entfernt sind, damit der Aufbau sichtbar wird, und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten Isolationsbandes gemäß der Erfindung, das in dem Kabel nach F i g. 1 verwendet wird.

Es ist Zweck der Erfindung, den Vorteil der geringen dielektrischen Verluste von polymerisiert^, ungesättigten Kohlenwasserstoffen der C_nH₂n-Äthylenreihen doppelter Bindung wenigstens zum Teil auszunutzen. Diese Polyolefine, z. B. Polyäthylen und Polypropylen, sind in zusammengesetzte Bänder eingebracht, die teilweise aus Zellulosepapier und teilweise aus Polyolefin bestehen und in solcher Weise kombiniert sind, daß die günstigsten physikalischen Eigenschaften von Papier allein beibehalten werden, während der Vorteil der besseren elektrischen Eigenschaften der Polyolefine ausgenutzt wird. Dabei wird ein Band verwendet, das aus einer Polyolefinfolie besteht, die zwischen' zwei Papierbändern eingelegt ist, wobei die Polyolefinfolie über ihre ganze Fläche mit den Papierbändern verbunden ist. Dabei soll die Polyolefinfolie zwischen etwa einem und zwei Drittel der Gesamtdicke des geschichten Bandes betragen. Zum Beispiel kann ein Band von einer Stärke von 0,15 mm

ίο aus einer Polyolefinfolie von 0,05 mm Dicke zwischen zwei Papierbändern von 0,05 mm Stärke bestehen, oder es kann aus einer Polyolefinfolie von 0,1 mm bestehen, die zwischen zwei Papierbänder von 0,025 mm eingesetzt ist.

Ein zusammengesetztes Band, das aus einem mit einer Polyolefinfolie beschichteten Papierband oder aus einem zwischen zwei Polyolefinbändern angeordneten Papierband besteht, gibt keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da die Polyolefinoberfläche in die darüberliegenden und darunterliegenden Stoßräume etwa in der gleichen Weise wie bei einem Band, das ganz aus Polyolefin besteht, eintritt und Behinderungen bringt. Für. die Erfindung ist es wichtig, daß beide äußeren Oberflächen des zusammengesetzten Bandes aus Papier bestehen, wodurch in dem zusammengesetzten Band die äußeren physikalischen Eigenschaften eines Bandes erzielt werden, das ganz aus Papier besteht.

Die nachstehenden Tabellen zeigen relative dielektrische Eigenschaften von mit öl imprägniertem Papier, von Polyolefin allein und von drei Papier-Polyolefin-Isoliermaterialien gemäß der Erfindung. Tabelle I gilt für eine Papierisolation mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,7 und einem Verlustfaktor von 2,5 · 10~³, Tabelle II für eine Papierisolation mit niedrigstem Verlust, wie sie heutzutage erhältlich ist, und die eine Dielektrizitätskonstante von 3,4 und einen Verlustfaktor von 1,5 · 10~³ aufweist.

Tabelle I

Material

Dielektrizitätskonstante

Verlustfaktor
tg<5

Relative dielektrische Verluste

(Papier = 1)

Papier

Polyolefin ,

²I₃ Papier, Vs Polyolefin
Va Papier, ¹I₂ Polyolefin
V₃ Papier, ²/₃ Polyolefin

3,7

2,2

3,2

2,95

2,7

2,5
0,3
1,8
1,4
1,0

ΙΟ-³

ΙΟ-³

ΙΟ-³

•ΙΟ-³

• ΙΟ-³

9,25
0,66
5,65
4,13
2,79

ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ"³

1,00
0,07
0,61
0,45
0,30

Tabelle II

Material

Verlustziffer

E-tg/5

Relative

dielektrische

Verluste

Papier

Polyolefin

²I₃ Papier, V₃ Polyolefin
V₂ Papier, Va Polyolefin
V₃ Papier, ²/₃ Polyolefin

3,4
2,2
3,0
2,8
2,6

-'-,5
0,3

1,1
0,9
0,7

ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ"³
ΙΟ-³
ΙΟ-³

5,10
0,66
3,30
2,52
1,82

ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³

1,00
0,13
0,65
0,49
0,36

Bei dem Isolationsmaterial der Erfindung kann die prägnieren der Isolation zu beschleunigen, wenn sie Polyolefinfolie mit kleinen Perforationen versehen 65 auf den Leiter aufgebracht worden ist. Wenn die Persein, die vorzugsweise zwischen 1 und 10% der Ge- forationen ausreichend klein sind, z. B. nicht über samtfläche einnehmen. Der Zweck dieser Perforationen 0,8 mm Durchmesser, beeinflussen sie die Durchbesteht darin, das Trocknen, Evakuieren und ölim- schlagsfeldstärke der Bänder nicht wesentlich. Die

Perforationen sind vorzugsweise gleichmäßig über die Fläche der Polyolefinfolie verteilt und können jede beliebige regelmäßige oder unregelmäßige Form erhalten.

Die beiden Papierbänder können mit den Oberflächen der zwischen ihnen liegenden Polyolefinfolie dadurch verbunden werden, daß die Bänder über beheizte Stahlwalzen oder zwischen ihnen hindurchgeführt werden, wie sie bei der Papierherstellung Verwendung linden. Die Anwendung eines Klebers zwisehen den Bändern kann sich erübrigen, sie ist jedoch zulässig, wenn der Kleber so beschaffen ist, daß er die elektrischen und physikalischen Eigenschaften des Isolierbandes nicht nachteilig beeinflußt. Beispiele für solche Kleber sind auf der Basis .von hochviskosen Polybuten- oder Polyisobutylenölen und -feststoffen aufgebaut. Diese Bänder sind zunächst vorzugsweise recht breit, z. B. 60 bis 90 cm. Das Isolationsmaterial wird in Rollen aufgerollt, die bis etwa 75 cm Durchmesser aufweisen, und im Anschluß daran in die gewünschte Bandbreite, z.B. 1,8 bis 2,4cm geschlitzt. Die Temperatur der Stahlwalzcn hängt von dem jeweiligen verwendeten Polyolefin ab. Beispielsweise kann sie in der Größenordnung von 100 bis 110⁰C für Polyäthylen und in der Größenordnung von 130 bis 140⁰C für Polypropylen sein.

Bei der Herstellung eines Kabels werden eine Vielzahl von Isolierbändern (die Anzahl hängt von der Spannung ab, für die das Kabel bestimmt ist) auf einen Leiter in einer normalen Kabclwickelmaschine aufgebracht. Jedes Band wird wendelförmig mit einem kleinen Abstand oder Stoßraum zwischen aufeinanderfolgenden Windungen aufgebracht. Jedes nachfolgende Band ist so angeordnet, daß es den Stoßraum des darunterliegenden Bandes überdeckt. D^r Leiter und die Isolation können elektrostatisch nach der üblichen Technik abgeschirmt werden.

F i g. 1 zeigt ein Einleiterkabel. Der Leiter 11 ist elektrostatisch z. B. mit Hilfe einer oder mehrerer wendeiförmiger Umwicklungen 12 aus metallisiertem Papier oder Kohleband abgeschirmt. Über der Leiterabschirmung ist das gemäß der Erfindung zusammengesetzte Isoliermaterial 13 mit übereinanderliegenden, schraubenförmig gewickelten Isolierbändern angeordnet. Über der Isolation befindet sich eine Abschirmung 14, die ähnlich der Leiterabschirmung ausgebildet sein kann. In dem-dargestellten Ausführungsbeispiel ist der isolierte und abgeschirmte Kabelkern in einen stranggepreßten Mantel 15, z. B. aus Blei oder Aluminium, eingeschlossen.

Das mehrlagige Isoliermaterial der- Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt. Die Dicke der Bänder ist übertrieben groß gezeichnet, damit der Aufbau besser sichtbar wird. Die Polyolefinfolie 21 weist gleichmäßig verteilte Cff lungen 22 auf ihrer gesamten Oberfläche auf. Diese Öffnungen, die rund dargestellt sind, können auch rechtcckförmig oder unregelmäßig geformt sein. Solange die öffnungen nicht größer als 0,8 mm im Durchmesser sind, beeinflussen sie die Durchschlagsfestigkeit der Bänder nicht mehr als der schraubenförmige Stoßraum zwischen den Windungen des Bandes. Die ganze Fläche der Räume nimmt nicht weniger als 1 °/₀ oder mehr als K)".',, der Fläche des Bandes ein.

Mit den beiden Oberflächen der Polyolefinfolie sind die porösen, nicht perforierten Zcllulosepapierbändcr 23 und 24 verbunden. In F i g. 2 sind die Schichten des Isolierbandes nach oben hin nur darum immer weiter zurückgeschoben dargestellt, damit der Aufbau besser sichtbar wird. Die Papierbänder können wesentlich dünner sein als die Polyolefinfolie und dem Isolationsmaterial trotzdem die gewünschten mechanischen Eigenschaften verleihen. Dadurch, daß die äußeren. Bandoberflächen aus Papier hergestellt sind, wird die Gefahr einer Überdehnung des Bandes beim normalen Kabelwickelvorgang weitgehend vermindert. Ferner wird die Gefahr, daß ein Band den schraubenförmigen Stoßraum der darunterliegenden und darüberliegenden Bänder abschließt, weitgehend vermindert, und schließlich wird auch das Gleiten der aufeinanderliegenden Bänder etwa in der gleichen Weise wie bei den üblichen papierisolierten Kabeln möglich.

Wenn die gewünschte Anzahl von Bandlagcn aufgebracht ist, wird das Kabel in einen Trockenofen gebracht; Feuchtigkeit und eingeschlossene Luft werden aus der Isolation durch Erhitzung auf hohe Temperaturen und Absaugen entfernt. Die Luft und der Wasserdampf wandern teilweise zickzackförmig zwischen den Bändern hindurch und in die Stoßräume, teilweise wandern sie in radialer Richtung durch die Papierporen und die öffnungen in den Polyolefinfolien. Wenn der Trocknungsvorgang abgeschlossen ist, wird der Ofen mit unter Druck stehendem Imprägnieröl gefüllt. Das öl gelangt in die Isolation durch die Kanäle, durch die die Entfernung von Luft und Feuchtigkeit erfolgt ist. Diese Kanäle zwischen den Bändern und durch die Stoßräume sind nicht versperrt, wie es der Fall wäre, wenn entweder nur gewöhnliche Polyolefinbänder verwendet würden oder die Polyolefinbänder mit Papierbändern nur abwechseln wurden.

Nach Abschluß des Imprägniervorganges wird das Kabel entweder mit Blei oder Aluminium bewehrt und unter geringem Öldruck betrieben oder aber nicht bewehrt in Stahlleitungen eingebaut, die mit Öl oder chemisch inertem Gas bei hohem Druck gefüllt sind. In jedem Fall muß das Öl oder Gas sich ungehindert in die Isolation hinein und aus der Isolation heraus bewegen können, wenn Temperaturänderungen auf Grund wechselnder Belastung auftreten. Die Kanäle zwischen den Bändern und durch die Stoßräume sollen unbehindert bleiben.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Dar Ausdruck »Polyolefin« wird in der Beschreibung und in den Ansprüchen zur Bezeichnung der Gruppe von Materialien verwendet, die aus Polyäthylen (polymerisier_: tem Äthylen), Polypropylen, (polymerisiertem Propylen) und Kopolymeren von Äthylen, Propylen und anderen Monomeren bestehen. In den Beispielen nach den Tabellen Γ und II sind die Polyolefine Polyäthylen, aber die Vergleichsergebnisse weichen kaum von denen für Polypropylen ab.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Isolationsmaterial zum Umwickeln von Hochspannungskabcln, bestehend aus dünnen Bändern von Zellulose-Papier, die mit thermoplastischem Material vereinigt sind, d adurch gekennzeichnet, daß eine innere Folie (21) eines festen Polyolefins, mit der zwei äußere Bänder aus Zelluloscpapier (23. 24) über ihre gesamte Fläche fest verbunden sind,ein solches Volumen hat, daß sie ein bis zwei Drittel des Gesamtvolumens des Isolationsmaterials aufweist.

2. Isolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefinfolie (21)~durchgehende Öffnungen (22) für den Durchtritt eines Mediums aufweist.

3. Isolationsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der ein-

zelnen Öffnungen (22) etwa 0,8 mm nicht überschreitet.

4. Isolationsmaterial nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (22) in der Polyolefinfolie zwischen 1 und 10% der gesamten Fläche der Lage ausmachen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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