DE1640260B2

DE1640260B2 - Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE1640260B2
Application number: DE1640260A
Authority: DE
Inventors: George S. Upper Montclair Eager Jun.; Julius A. Westfield Szilard
Original assignee: General Cable Corp
Current assignee: General Cable Corp
Priority date: 1966-10-21
Filing date: 1967-10-12
Publication date: 1975-09-25
Also published as: GB1186094A; US3459871A; SE351314B; DE1640260A1; CH488254A; ES345904A1

Description

von 76,2 bis 254 μ geliefert.

Werden Filme aus synthetischen Polymeren auf

einen Kabelleiter in spiralförmigen Lagen aufge-

45 wickelt, um eine Wandung von beispielsweise 19 bis

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspan- 25,4 mm Dicke zu ergeben, so kann die Wandung nungskabel mit einem durch spiralförmig geschichtete nicht durch Verfahren imprägniert werden wie sie zur Wicklungen aus faserigen Bändern aus synthetischen Imprägnierung von aus Faserband bestehenden IsoPolymeren isolierten Leiter, einer gewickelten, mit lierwänden ähnlicher Dicke verwendet werden. Die in Isolieröl imprägnierten Isolierung, einem den isolier- 5° Frage kommenden Filme können durch Spritzen oder ten Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel Beschichten mit Harzlösungen, z. B. aus Polyäthyle- und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden iso- nen, Polykarbonaten, Polyestern usw. hergestellt werlierenden Strömungsmittel. den. Diese Filme haben eine homogene oder isotrope

Mit der zunehmenden Erhöhung der Kabelspan- Struktur im Gegensatz zum Zellstoffpapier, das aus ninig ·η erlangen niedrige dielektrische Verluste bzw. 55 miteinander verfilzten Fasern aufgebaut ist. Das für Querdämpfungen zunehmende Bedeutung. Die Quer- die gegenwärtigen Zellulosepapiere für Hochspandämpfung ist eine direkte Funktion der Dielektrizi- nungskabel verwendete Isolieröl imprägniert und tätskonstanten, des Verlustfaktors und des Quadrats durchdringt vollständig die Bänder aus Faserpapier der Spannung. Ein hoher dielektrischer Verlust in und bedeckt die einzelnen Fasern. Die hohe Durcheiner Kabelanlage bewirkt eine Verminderung der 60 Schlagsfestigkeit der gegenwärtigen mit Papier-Öl isoLeistung, die übertragen werden kann. Da die Dielek- lierten Hochspannungskabel ergibt sich aus der Untrizitätskonstante bei einer gegebenen Art von Isolie- terteilung des Öles in äußerst dünne Schichten, die rang im wesentlichen bei allen Spannungen gleich sich zwischen den Zellstoffasern und zwischen den bleibt, genügt es, für den Moment nur die beiden Schichten der Papierbänder bilden. Diese Unterteianderen Faktoren für den dielektrischen Verlust zu 65 lung des Öles in äußerst dünne Lagen kann offenbetrachten. Somit ist bei einem gegebenen Verlust- sichtlich bei den straff übereinander gewickelten unfaktor der dielektrische Verlust bei 230 kV 2,77mal durchlässigen Plastikfilmen nicht erreicht werden. Die so groß wie bei 138 kV [(230/138)² = 2,77]; bei Filme sind etwas dehnbar, und während des Wickel-

Vorganges werden sie in die Stoßstellen der darunterliegenden Schicht hinabgezogen.

In der US-PS 3077 510 ist ein Hochspannungskabel beschrieben, bei dem die spiralförmig geschichteten Wicklungen aus synthetischen Polymeren die Form faseriger Bänder aus Polyäthylen haben. Damit wird das Eindringen des Imprägniermittels erleichtert. Um ein Aufquellen des Polyäthylens durch das Imprägniermittel zu verhindern, wird zugleich vorgeschlagen ein organisches Silikonpolymer als Imprägniermittel zu verwenden, in dem Polyäthylen schlecht lösbar ist.

Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß d«e Oberflächen der Kunststoffilme angerauht oder geprägt werden, so daß sich Kanäle bilden, durch welche das Imprägniermittel zwischen die aufgewickelten Lagen fließen kann. Ein anderer Vorschlag besteht darin, zusammengesetzte Bänder herzustellen, bei denen ein Kunststoffilm mit Zellulosepapier beschichtet wird oder zwischen zwei Lagen von Zellulosepapier sich befindet, wobei das relativ poröse Zellstoffpapier für die nötigen Kanäle sorgen würde, durch welches das Imprägniermittel fließen kann. Weiter wurde vorgeschlagen, abwechselnde Lagen von Zellstoffpapier und Kunststoffilmen zu verwenden, die sich dann genauso verhalten würden wie ein nach dem zweiten Vorschlag gefertigtes Band.

Alle diese Vorschläge besitzen die Nachteile, daß sie mit hohen Kosten verbunden sind und daß in zwei Fällen die Kabelisolierung noch immer das relativ hoch dämpfende Zellulosematerial enthält.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu beseitigen und ein Hochspannungskabel zu schaffen, in dem ein poröses Papier zur Anwendung kommt, dessen Luftwiderstand dem der gegenwärtig für die Isolierung von Hochspannungskabeln verwendeten Zellulosepapiere geringer Dichte vergleichbar ist, jedoch nicht deren hohe dielektrische Verluste hat.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die faserigen Bänder aus Bahnen von zufällig angeordneten, feinverteilten, kontinuierlichen Faserfäden aus synthetischen Polymeren bestehen, die hauptsächlich an den Kreuzungspunkten der Fäden verbunden sind.

Durch die Erfindung werden öl- oder gasgefüllte elektrische Kabel geschaffen, die sich zur Übertragung extrem hoher Spannungen bei genügend geringen elektrischen Verlusten eignen, um den Einsatz solcher Kabel wirtschaftlich zu gestalten. Bei der Erfindung kommt eine faserige papierähnliche Struktur in Bandform zur Anwendung, die aus Polyäthylen hoher Dichte hergestellt ist. Weiter beseitigt das erfindungsgemäße Kabel die Nachteile der schichtweisen Wicklungen von synthetischen Polymerbändern bei elektrischen Hochspannungskabeln dadurch, daß die bisher verwendeten Polymerfilme durch faserige papierähnliche Polymerbänder ersetzt werden, deren Luftwiderstand in der Größenordnung von Zellstoffpapier liegt. Das faserige papierähnliche Band wird vorzugsweise aus Polyäthylen hoher Dichte gefertigt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Hochspannungskabels, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der isolierte Leiter bei einer Temperatur von höchstens 50° C im Vakuum getrocknet wird und daß die Isolierung bei der gleichen Temperatur mit öl imprägniert wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf din Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigt

F i g. 1 einen Seitenriß eines kurzen Stückes des erfindungsgemäßen Kabels, wobei die Kabelbestandteilc in zunehmend größeren Absländen im Schnitt dargestellt sind, um den Aufbau zu zeigen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Kabel der

ίο Fig. 1, längs der Linie 2-2.

Der Kabelleiter 11 kann von jeder geeigneten Ausführung sein. Als Ausfuhrungsbeispiel ist ein segmentförmiger Hohlleiter gezeigt. Jedes der sechs Segmente ist in der üblichen Weise verseilt. Die Abschirmung

is des Leiters 12 wird vorzugsweise in der dargestellten Art ausgeführt Über dem abgeschirmten Leiter liegt die Isolierwand 13, die aus vielen spiralförmigen Wickelschichten von faserigen Bändern besteht, die wiederum aus einer Bahn von zufällig angeordneten,

ao feinverteilten kontinuierlichen Faserfäden aiis synthetischem Polymer aufgebaut sind, wobei die Fasern hauptsächlich an den Übergangspunkten der Fäden verbunden sind. Das Band ist ebenso dick wie ein Isolierband aus Zellulosepapier, und die Dicke der

»5 Isolierwand wird durch die Spannung bestimmt, für welche das Kabel ausgelegt ist. Zum Zwecke der besseren Darstellung ist in F i g. 1 das äußere Isolierband teilweise abgewickelt dargestellt. Auf die Isolierwand wird der Isolationsschirm 14 aufgebracht. Der äußere Mantel 15 kann jeden geeigneten Aufbau besitzen, z. B. a is Blei ausgeführt sein. Wenn das Kabel in ein mit öl oder Druckgas angefülltes Rohr eingezogen werden soll, kann der fabrikseitig vorgesehene Außenmantel als zeitweiliger Mantel ausgeführt sein, der vom Kabel beim Einziehen in die Rohrleitung abgestreift wird. Die Einzelheiten der Konstruktion des Leiters, der Abschirmschichten und des Mantels können sehr verschieden gestaltet sein.

Die Dupont Company stellt ein Material aus einer faserförmigen papierähnlichen Struktur in Bogenform her, das aus Polyäthylen hoher Dichte gefertigt ist. Der Werkstoff wird von Dupont als »Spunbonded« bezeichnet (etwa entsprechend »Kleber« oder »Schweißgespinst«), wobei das Wort als Adjektiv benutzt und wie folgt definiert wird: »Ein Fachausdruck für eine faserige Struktur, die aus kontinuierlichen synthetischen Polymerfäden in einem integrierten Spinn- und Verbindungsverfahren hergestellt wird«.

Das für die Experimente dienende Material, das hier beschrieben wird, wird von Dupont als »Type 822 Series R« bezeichnet. Das Material wiegt 68 g/m² und besitzt eine Stärke von 0,165 mm. Der Durchmesser der Fasern ist mit dem der Fasern von Zellulosepapier vergleichbar, d. h., er liegt in der Größenordnung Mikron. Andererseits besteht das »Spunbonded«- Polyäthylenpapier aus langen, praktisch kontinuierlichen Fasern im Gegensatz zu den kurzen Fasern des Zellstoffpapiers. Die Fasern sind hauptsächlich an den Übergangspunkten der Fäden miteinander versponnen und verbunden, so daß sie ein Band ergeben, das die meisten mechanischen Eigenschaften von Zellulosepapier besitzt und sich weitgehend wie dieses verhält.

Das »Spunbonded«-Papier besteht im wesentlichen aus linear aufgebautem Polyäthylen, und sein Erweichungspunkt liegt bei etwa 110 bis 125° C. Um die Wärmebeständigkeit dieses Bandes zu erhöhen, kann

es chemisch oder elektromagnetisch vernetzt werden. Die chemische Vernetzung erfolgt durch Behandlung mit einem geeigneten organischen Superoxyd. Die elektromagnetische Vernetzung erreicht man dadurch, daß man das Band einer elektromagnetischen Strahlung aussetzt. In beiden Fällen kann die Wärmebeständigkeit durch eine Erhöhung des Erweichungspunktes von etwa 110 bis 125° C auf etwa 15O⁰C vergrößert werden.

Ein anderes Mittel zur wirksamen Erhöhung der Wärmebeständigkeit dieses Polyäthylenpapiers besteht darin, es mit einer dünnen Schient von Zellulosepapier zu lamellieren, welches infolge seiner größeren Formbeständigkeit gegenüber Wärme und öl das Polyäthylenpapier wirksam verstärkt. Ein aus einem solchen Schichtband aufgebautes Kabel würde, obwohl elektrisch nicht ganz so gut wie ein mit reinem Polyäthylenpapier isoliertes Kabel, noch immer eine Verbesserung gegenüber den anderen Ausführungsformen der vorstehend vorgeschlagenen Schichtver- ao bindungen darstellen, weil es einen geringeren Verlustfaktor und einen sehr geeigneten Luftwiderstand besitzt.

Tabelle I zeigt die wichtigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von kommerziell für Hochspannungskabel verwendetem Zellulosepapier, »Spunbondede-Polyäthylenpapier und anderen Arten von synthetischen Polymerpapieren sowie von Papier-Polymerfilmverbindungen. Der Verlustfaktor des »Spunbonded«-Papiers ist äußerst gering und viel niedriger als die der anderen Arten. Gleichzeitig macht der Luftwiderstand dieses Werkstoffes das Material für Anwendungen in Hochspannungskabeln geeignet. Der extrem niedrige Luftwiderstand von Polyäthylen-Terephthalat läßt es für Hochspannungskabel ungeeignet erscheinen, und die Durchschlagsfestigkeit ist gering. Die papierähnliche Struktur von Polyäthylen-Terephthalat und Polyacrylnitril ergibt sich aus den gröberen Fasern, die im Vergleich zu den gut verfilzten Fibern von Mikrongröße aus Zellulosepapier und dem »Spunbonded«-Polyäthylenpapier schlecht verfilzt sind. Der kleine Luftwiderstand und die geringe Durchschlagfestigkeit von ölimprägnierten Polyäthylen-Terephthalat- und den Polyacrylnitril-Papieren sind anscheinend eine Folge dieser beiden Faktoren — grobe Fasern und schlechte Verfilzung. Die Tatsache, daß der Luftwiderstand eines Films aus Zellstoffpapier/Polypropylen unendlich ist, läßt es im Vergleich zum »Spunbonded«-Papier ganz ungeeignet erscheinen, da dies ja bedeutet, daß das ölige Imprägniermittel das Papier nicht radial durchdringen kann, sondern längs zwischen den Schichten hindurchfließen muß und radial lediglich durch die Stoßstellen eindringen kann.

Tabelle I

Wichtige elektrische und mechanische Eigenschaften von Zellstoff- und synthetischen Polymerpapieren

Eigenschaft	Zellstoff	»Spunbonded«-	Polyäthylen-	Polyacryl-	Papier aus	Verbundpapier
	papier	Polyäthylen-	Terephthalat-	nitrilpapier	Zellfaser mit	aus Zellstoffpapiei
		Papier	Papier		Polyäthylen	und Polypropylen
					verkapselt	film
Dielektrizitätskonstante,	3,50	2,20	2,30	3,45	2,53	2,87
100⁰C
Leistungsfaktor	0,27	0,05	0,26	5,60	7,97	0,17
(o/o) bei 100° C
Verlustziffer	0,95	0,11	0,60	19,3	20,3	0,49
("Zo) bei 100° C
Luftwiderstand	1090	145	0	11,5	unendlich	unendlich
(Gurley-Sek.)
Elastizitätsmodul	0,44	0,036	0,241	—	—	0,82
in Spannung
(105kp/cm²)
Gurley-Steif e korrigiert	375	44,8	150	TOS	453	150
auf 0,127 mm

Die vorstehenden Daten sind von Papieren abgeleitet, die mit einem Isolieröl hoher Güte imprägniert wurden.

Die großen Vorteile des »Spunbonded«-PoIyäthyienpapiers gegenüber den anderen Arten ergeben sich aas der Tabelle I. Es besitzt bei weitem die geringste Verlustziffer und gleichzeitig gute mechanische Eigenschaften, wie z. B. Luftwiderstand und Steife. Der höhere Luftwiderstand dieses Bandes erklärt sich aus der Mikrogröße des Faserdurchmessers und der besseren Verfilzung im Vergleich zu allen anderen Arten der gemessenen Papiere, die aus synthetischen Polymeren hergestellt sind, von denen Polyäthylen-Terephthalat und Polyacrylnitril lediglich zwei Beispiele darstellen. 6;

Bei der Herstellung der üblichen Starkstromkabel aus ölimprägniertem Papier erfolgt das Trocknen des Papiers vor der Imprägnierung mit öl in einem Vakuum und vorzugsweise bei Temperaturen über 100° C Dies ist deshalb erforderlich, weil das Zellstoffpapie zwischen 1 and 6 ° e Feuchtigkeit enthält, je nach de Luftfeuchtigkeit, die zur Zeit der Herstellung des Ka bels herrscht. Im Gegensatz hierzu ist das »Spun bonded«-Polyäthylenpapier gegenüber Feuchtigkei unempfindlich und enthält weniger als 0,1 % Feuch tigkeh. Auf Grund dieser Tatsache genügen eine küi zere Trocknungszeit und eine niedrigere Trocken temperatur, um jede Oberflächenfeuchtigkeit auszu trocknen, die sich an der Oberfläche des mit »Spun bonded«-Polyäthylenpapier isolierten Kabels befin den kann. Es genügt eine Vakuumtrocknung mi nachfolgender ^imprägnierung bei 50⁰C. Die Ver arbeitung bei dieser viel niedrigeren als der normal«

7 8

Temperatur verringert die Wahrscheinlichkeit des eine extrem niedrige Verlustziffer, wodurch sie sich Anschwellens des Polyäthylens. für den Betrieb im Bereich von 500 bis 700 kV und Weiter ergab sich, daß aus »Spunbonded«-Poly- vielleicht noch höhere Bereiche eignen. Die Eigenäthylenbändern hergestellte Kabel hervorragende me- schäften dieser Kabel sind in Tabelle II wiedergechanische Eigenschaften für die praktische Hand- 5 geben,
habung besitzen, wie z. B. das Abbiegen. Sie besitzen

Tabelle II

Eigenschaften von Kabeln aus Zellstoff- und synthetischen Fasern

Eigenschaft Übliches Kabel aus Verbessertes Kabel Kabel aus »Spiui-

Zellstoffpapier aus Zellstoffpapier bonded«-Poly-

äthylenpapier

Dielektrizitätskonstante, 100° C Leistungsfaktor (cos φ) °/o bei 100° C Verlustziffer °/obei 100° C

Die unter Verwendung von »Spunbonded«-Poly- ao »Spunbondeda-Polyäthylenpapiers niedriger sind all

äthylenpapier erreichte niedrige Verlustziffer fällt so- sogar die entsprechenden Werte der besseren Qualitä

fort auf. Dieser Wert wird deshalb erreicht, weil der von Zellstoffpapieren, die für die Herstellung voi

Leistungsfaktor und die Dielektrizitätskonstante des Kabeln für 345 kV Verwendung finden.

3,40	3,30	2,20
0,28	0,16	0,04
0,95	0,53	0,09

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 345 kV beträgt er das 6,25fache wie bei 138 kV, und Patentansprüche: bei 500 kV beträgt er das 13,lfache wie bei 138 kV. Diese Verhältnisse gelten für Kabel gleicher Abmes-

1. Elektrisches Hochspannungskabel mit einem sungen. Praktisch wird jedoch bei sich erhöhender durch spiralförmig geschichtete Wicklungen aus 5 Spannung mehr Isolierung verwendet mit entsprefaserigen Bändern aus synthetischen Polymeren chender Abnahme der Kapazität, so daß die verisolierten Leiter, einer gewickelten, mit Isolieröl gleichbaren Verluste bei höheren Spannungen nicht imprägnierten Isolierung, einem den isolierten so groß sind wie angegeben, jedoch noch immer sehr Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel viel höher sind als bei niederen Spannungen.

und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden io Das üblicherweise als Kabelisolierung verwendete isolierenden Strömungsmittel, dadurch ge- ölimprägnierte Zellulosepapier hat einen Verlustfakkennzeichnet, daß die faserigen Bänder tor in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 0,5% (13) aus Bahnen von zufällig angeordneten, fein und eine durchschnittliche Dielektrizitätskonstante verteilten, kontinuierlichen Faserfäden aus syn- von etwa 3,7. Es wurden bereits Isolierungen aus ölthetischen Polymeren bestehen, die hauptsächlich 15 imprägniertem Zelistoff mit einem Verlustfaktor von an den Kreuzungspunkten der Fäden verbunden nur 0,15 %> und einer Dielektrizitätskonstante von sind. etwa 3,4 hergestellt. Nach den gegenwärtigen Er-

2. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- kenntnissen scheint eine weitere wesentliche Versprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die syn- besserung dieser Eigenschaften einer Isolierung aus thetischen Polymerfasern Polyäthylen fasern sind. 20 imprägniertem Zellstoffpapier unwahrscheinlich.

3. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- Kommerziell werden Kabel mit einer Isolierung aus sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die syn- öliinprägniertem Zellstoffpapier bis zu Spannungen thetischen Polymerfasern Polyäthylenfasern von von 345 kV betrieben. Praktische Versuche haben erhoher Dichte sind, geben, daß solche Kabel für die Übertragung von

4. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- »5 Spannungen bis vielleicht 400 kV hergestellt werden sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser- köi.nen. Über dieser Spannung ist es jedoch fraglich, bänder (13) aus im wesentlichen linear angeord- ob die in die Isolierung abgeführte Energie niedrig neten Polyäthylenfasern bestehen genug gehalten werden kann, um die Forderungen der

5. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- Energiebetriebe zu erfüllen. Bei Spannungen über sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faseri- 30 50OkV, etwa bei 750 kV, ist dieser Energieverlust bei gen Bänder (13) Spunbonded-Bänder aus Poly- Isolierung aus Zellstoffpapier bestimmt übermäßig äthylenfasern sind. und nicht mehr tragbar.

6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Um diesen Energieverlust zu reduzieren, wurde Hochspannungskabels nach einem der An- vorgeschlagen, andere Isoliermaterialien als Papier Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der 35 auf Zellulosefasergrundlage zu verwenden. Zum Beiisolierte Leiter bei einer Temperatur von hoch- spiel wurde vorgeschlagen, synthetische Polymere zu stens 50° C im Vakuum getrocknet wird und daß verwenden, von denen eine Anzahl die elektrischen die Isolierung bei der gleichen Temperatur mit öl und mechanischen Eigenschaften besitzt, die sie animprägniert wird, scheinend für Kabel mit extrem hohen Spannungen

40 geeignet erscheinen lassen. Diese synthetischen Polymere werden normalerweise als Filme mit einer Dicke