DE1640278B2 - Kabelendabschluß - Google Patents

Description

5. Kabelendabschluß nach einem der Ansprüche 40 cm.

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen

der vom Halbleiterüberzug bedeckten Strecke der insbesondere darin, daß die elektrische Feldstärke

Isolierschicht bei Hochspannungskabeln für 5 bis entlang der Kabelabschlußlänge unterhalb des loni-

15 kV zwischen 15 cm und 40 cm beträgt. 40 sationseinsatzpunktes in Luft liegt, so daß eine

6. Kabelendabschluß nach einem der Ansprüche Ionisierung oder Koronaentladung praktisch ausge-1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb- schlossen ist. Insbesondere werden dabei lineare leiterüberzug in an sich bekannter Weise mit einer Verhältnisse erhalten, die sicherer und einfacher zu isolierenden Schutzschicht (26) überzogen ist. beherrschen sind.

45 Von besonderem Vorteil ist ein Kabelendabschluß gemäß der Erfindung bei der Prüfung der Spannungs-

festigkeit von Hochspannungskabeln. Hierbei ist es

besonders wichtig, daß bei Grenzbelastungen des Kabels nicht Ionisierungsvorgänge am Endabschluß

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kabelend- 5° als Fehler im Kabel selbst in Erscheinung treten,

abschluß zur Vermeidung von Ionisation am Ende Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der

eines Hochspannungskabels, das eine den Leiter folgenden Beschreibung und der Zeichnung zweier

umgebende Isolierschicht und eine Erdabschirmung Ausführungsbeispiele näher erläutert,

aufweist, die konzentrisch über der Isolierschicht F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht von einem

angeordnet ist, mit einem auf der freigelegten Isolier- 55 bekannten Kabelendabschluß, wobei einige Teile

schicht aufgebrachten Halbleiterüberzug, der mit dem weggeschnitten sind, um den Aufbau besser sichtbar

Ende der Erdabschirmung in Kontakt steht und sich zu machen;

in Richtung auf den Leiter eine vorbestimmte Strecke F i g. 2 ist eine Seitenansicht von einem Aus-

erstreckt derart, daß am Ende des Halbleiterüberzugs führungsbeispiel eines Kabelendabschlusses gemäß

die Potentiaidifferenz zum Leiter gleich Null ist und 60 der Erfindung;

wobei die elektrische Feldstärke entlang des Halb- F i g. 3 zeigt den Kabelendabschluß gemäß F i g. 2

leiterüberzugs kleiner ist als der lonisationseinsatz- im Querschnitt;

punkt der überzogenen Strecke der Isolierschicht. F i g, 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der

Ein Kabelendabschlüß def vorstehend genannten Erfindung.

Art ist in der US-PS 3 210 460 beschrieben. Die 65 In der Zeichnung sind gleiche Teile mit den gleicher!

normalerweise sehr große Feldstärke um den Rand der Bezugsziffern versehen. In Fig. 1 ist ein typisches

Abschirmung herum direkt oder nahe am Kabelende, bekanntes Koaxialkabel 10 gezeigt, das beispielsweise

die eine Ionisierung oder Koronaentladung zur Folge für Spannungen νοπ 5 bis 15 kV oder mehr ausgelegt

3 4

•ein kann. Das Kabel besteht aus einem inneren gesetzten Normen in bezug auf den Einsatepunkt der

metallischen Leiter \2, der in Form eines verseilten Ionisierung genügen. Bei einem typischen Versuch wird

Leiters ausgebildet ist. Der Leiter 12 kann natürlich eine durch die Norm geforderte Spannung an das

tuch massiv ausgeführt sein. Im allgemeinen ist eine Kabel angelegt, 5 Minuten lang gehalten und dann

Halbleiterschicht 14, ζ. B. ein Band, um den verseilten 5 allmählich verringert. Wenn Ionisierung auftrut, die

Metalleiter aufgetragen, um einen guten elektrischen mit einem Oszillographen oder mit einem anderen

Kontakt zwischen dem Leiter und der Isolation herzu- geeigneten Prüfgerät beobachtet werden kann, wird

Hellen und weiterhin die Beanspruchungen der ein- die Spannung verringert, bis herausgefunden ist, bei

leinen Stränge auszugleichen. Der mit dem Halbleiter- welcher Spannung die Ionisierung erlischt. Wenn die

band umwickelte Metalleiter ist von einer relativ io Ionisierung bei einem Potential eintritt, das über dem

dicken Isolierschicht 16 umgeben, die gewöhnlich geforderten Minimum liegt, wird das Kabel als

durch Strangpressen aufgetragen wird. Das Isolier- zufriedenstellend freigegeben,

material ist üblicherweise ein thermoplastischer Der Kabelendabschluß gemäß der Erfindung ist

Kunststoff, wie beispielsweise vernetztes Polyäthylen dabei praktisch frei von Ionisation, so daß jede

oder Äthylen-Propylen-Gummi, der mit mineralischen 15 festgestellte Ionisierung tatsächlich innerhalb des

Stoffen oder anderen geeigneten Materialien gefüllt Kabels auftritt. Wie bereits ausgeführt wurde, treten

sein kann. Das Kabel weist weiterhin eine Erdab- bei dem Schichtaufbau des Kabels an dessen Abschluß

schirmung auf, die aus einer halbleitenden Schicht oder nichtlineare kapazitive Ströme auf. Da sich aber der

Band 18 und einer metallischen Rückleiterabschir- Halbleiterüberzug 24 vom Hochspannungsausgangs-

mung 20 besteht. Über diese Schicht ist ein äußerer 20 ende bis zur Erdabschirmung erstreckt, ruft er einen

Mantel 22 aufgezogen, der aus herkömmlichem Ma- Wirkstrom als zweiten Strom auf der Außenseite

terial wie PVC besteht. der Isolation hervor, wo die nie'.!linearen Spannungs-

F i g. 2 zeigt einen Kabelendabschluß gemäß einem beanspruchungen auftreten, die für die Ionisation am

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der äußere Man- Kabelende verantwortlich sind. Der Wirkstrom ist

tel 22 ist zuerst vom Kabelabschluß eine gewisse 25 linear und konstruktionsbedingt wesentlich größer

Strecke lang abgezogen worden. Wieviel vom Mantel als der kapazitive Strom. Wenn man beide Ströme

abgezogen wird, hängt von der Abschlußlänge ab, addiert, wird der kapazitive Strom gegenüber dem

wie weiter unten noch beschrieben wird; es ist nicht Wirkstrom vernachlässigbar, und folglich wird ein

nötig, mehr als 2,5 bis 5 cm vom Kabelmantel über praktisch linearer Strom bewirkt. Somit wird ein

die Abschlußlänge hinaus abzuziehen. Die Kupfer- 3° gleichförmiger Spannungsabfall entlang des umhüllten

abschirmung oder das Kupferband 20 wird dann Teiles des Kabelabschlusses von der Erdabschirmung

etwas mehr als die volle Länge des Abschlusses bis zum Hochspannungsende hervorgerufen. Dadurch

abgewickelt, um die Halbleiterschicht freizulegen. wird eine Ionisierung am Kabelab^chluß praktisch

Das Ende des Mantels wird dann für den lonisations- verhindert.

versuch mit Erde verbunden. Danach wird die Halb- 35 Der Ionisationseinsatzpunkt kann unabhängig von leiterschicht 18 die volle Abschlußlänge abgezogen, der Kabelgröße durch das Paschensche Gesetz gedie dann die Isolierschicht 16 freilegt. Diese Länge funden werden. Die Höhe des lonisationsbeginns liegt beträgt üblicherweise 15 bis 40 cm, wie weiter unten z. B. bei ungefähr 18,4 kV/cm bei einer Kabelabschlußerklärt wir4. Ein kleiner Teil des Leiters 12 ragt über länge von 25 cm (Spannungsangaben ^:n Effektivdas Ende der Isolierschicht hinaus und das halb- 40 werten). Deshalb sollte die gesamte elektrische Feldleitende Band 14 wird vom freiliegenden Ende des stärke entlang der Abschlußlänge kleiner als 18,4 kV/cm Leiters abgezogen. sein. Der Einsatzpunkt der Ionisierung hängt von den

Die Kabelabschlußlänge wird dann von Schmutz, atmosphärischen Bedingungen, z. B. der Feuchtigkeit, Fett, Öl oder anderen Verunreinigungen gesäubert. der Temperatur und dem Luftdruck ab und kann Hierzu kommen Vythen, Kohlenstofftetrachlorid oder 45 deshalb bis zu ungefähr 1,2 kV/cm schwanken. Die andere geeignete Lösungsmittel in Frage. Nachdem elektrische Feldstärke, die durch den Wirkstrom das Lösungsmittel abgetrocknet ist, wird ein Halbleiter- hervorgeuifen wird, kann berechnet werden (1) aus der überzug 24 auf die Kabelabschlußlänge aufgebracht, Nennspannung, für die das Kabel ausgelegt ist, wie später ausführi^:cher beschrieben wird. Der (2) aus dem Umfang der Isolation, (3) aus der AbÜberzug 24 erstreckt sich vom Hochspannungsende, 50 schlußlänge und (4) aus dem spezifischen Oberd. h. vom Leiter, bis zur Erdabschirmung, um einen flächenwiderstand des Überzugsmaterials,
elektrischen Kontakt mit der Abschirmung herzustellen. Bei der Berechnung der elektrischen Feldstärke sind Der Halbleiterüberzug 24 wird gleichförmig über dem du: Nennspannung und der Umfang der Isolation Umfang der Isolierschicht 16 und vorzugsweise etwa durch das ru untersuchende Kabel festgelegt. Im 6 mm über dem Umfang der Halbleiterschicht 18 und 55 allgemeinen sind für einen Kabdentiabschluß gemäß über dem Leiter 12 aufgebracht. Der Überzug kann der Erfindung Kabel für Spannungen von 5 bis 15 kV durch Aufstreichen mit einem Pinsel, durch Sprühen, geeignet. Es sind aber auch höhere Nennspannungen Eintauchen oder andere geeignete Mittel aufgebracht verwendbar. Der Umfang kann von Faktoren wie der werden. Anschließend wird er beispielsweise in Luft Art der verwendeten Isolation, der Leitergröße u. dgl. getrocknet. 60 abhängen und kann im allgemeinen 2,5 bis 14 cm

Wenn ein derartiger Kabelendabschluß beispiels- betragen. Ein typisches lS-kV-Koaxial-Wechselstroiü'-

weise zur Bestimmung des Beginns einer Ionisierung in kabel, das nach F i g. 1 aufgebaut ist und z. B. einen

einem Kabel verwendet werden soll, wird die Metall- Strom von ungefähr 150 A oder mehr führen kann

schicht 20 mit Erde verbunden, und der Metallener und das eine vsrnetzte Polyäthylenisolierschicht auf'

wird an jedem Ende mit einem Kabelschuh versehen, 65 weist, die mit mineralischem Füllstoff gefüllt ist und

in dem keine Ionisierung auftritt. Ein Kabelschuh noch mit einem PVC-Mantel versehen ist, käiin einen

wird mit der Prüfappaiatur verbunden, Jedes Kabel, Umfang von ungefähr 4,5 cm haben,

abhäneie von setner Klasse und Größe, muß fest- Die Kabelabschlußlänge kann schwanken. Sie

hängt hauptsächlich von der Kabelabmessung und von der Nennspannung ab. Bei Vergrößerung der Kabelabschlußlänge ist es nötig, den Wirkstrom zu vergrößern, um einen linearen Spannungsabfall zu erhalten. Die erzeugte Wärme ist proportional dem Quadrat des Stromes. Deshalb kann ein kleines Anwachsen des Stromes auf hohe Wärmeverluste führen. Wenn der Abschluß zu heiß wird, wird eine Lichtbogenbildung zwischen dem Metallciter und der Metallabschirmung eintreten, die die Versuchsanordnung, beispielsweise einen Hochspannungstransformator, kurzschließt. Wenn der Abschluß zu kurz ist, wird andererseits ein Lichtbogen durch die Luft zwischen dem Leiter und der Metallabschirmung überspringen. Die Abschlußlänge beträgt für übliche Hochleistungskabel, die für Hochspannungen von ungefähr 5 bis 15 kV ausgelegt sind, ungefähr 15 bis 40 cm. Sie kann aber auch größer oder kleiner sein, was beispielsweise von Faktoren wie von der Spannungsbelastung und dem Umfang abhängig ist. Der Durchschnittsfachmann kann aber auch die Abschlußlänge für jede Fertigungsspezifizierung experimentell bestimmen.

Die Halbleiterschicht wird durch einen spezifischen Oberflächenwiderstand charakterisiert. Zu den typischen verwendbaren Überzugsmaterialien gehört ein Anstrich mit äußerst hohem Widerstand, der RußfüII-stoff und ein inertes, modifiziertes Styrol-Kunststoffharz als Bindemittel enthält und dessen spezifischer OHprflächenwiderstand ^{emen Wert von} ^ ⁿ'^{s 10} ^⁰⁰ Megohm hat. Der nutzbare Bereich der Widerstandswerte für den Überzug kann schwanken, was hauptsächlich vom Kabelaufbau, von der Spannung und der thermischen Leitfähigkeit der Isolation abhängt. Die Faktoren zur Bestimmung dieser Größe «ind der Durchmesser und/oder der Umfang des Metalleiters, das Verhältnis des Durchmessers der Isolationsschicht zum Durchmesser des Metalleiters und die Masse der Isolationsschicht und des Mctalleiters. Je größer nämlich die thermische Leitfähigkeit der Isolation ist, desto mehr Wärme wird vom Leiter absorbiert, der als Kühlblock dient. Demzufolge kann ein Überzugsmaterial mit einem niedrigeren Widerstand benutzt werden. Man hat z. B. für ein verseiltes Kabel für 15 kV mit einem Umfang von 5,25 cm und einem Abschluß, von 25 cm gefunden, daß eine Halbleiterschicht mit einem Widerstand von 10 Megohm verwendet werden kann. Wenn der Oberflächenwiderstand für das Kabel zu niedrig ist, wird ein Übermaß an Wärme entwickelt, das einen üfcerscnfag verursacht. Andererseits verursacht der kapazitive Strom, wenn der Oberflächenwiderstand zu groß ist, eine Feldstärkeverteilung, die so nichtlinear wird, daß sie eine Ionisation am Kabelendabschluß zur Folge hat. Wenn die elektrische Feldstärke entlang dem Kabelendabschluß den Emsatzpunkt der Ionisation übersteigt, wird ein Überzug mit einem niedrigeren Oberfllchenwiderstand verwendet. Im allgemeinen sollte für einen Kabelendabschluß gemäß der Erfindung die elektrische Feldstärke für übliche Hochspannungskabel weniger als 18,4 kV/cm betragen. Bei Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors hat man eine Feldstärke von 12 kV/cm als besonders günstig gefunden. Bei der Bestimmung der elektrischen Feldstärke sollten jedoch die atmosphärischen Bedingungen, wie oben gezeigt, in Betracht gezogen werden. Deshalb kann dieser Wert etwas schwanken, in diesem Bereich ist ein Schichtmaterial besonders brauchbar, das einen Oberflächenwiderstand von ungefähr 100 bis 300 Megohm hat.

Es wurden 15-kV-Koaxial-Erdkabel untersucht, um den Unterschied zwischen Kabeln, deren Abschlüsse nicht geschützt sind, und Kabeln mit Endabschlüssen gemäß der Erfindung zu demonstrieren. Diese Kabel waren im wesentlichen wie in F i g. 1 aufgebaut und bestanden aus einem Kupferleiter mit einem Durchmesser von etwa 6,5 mm, einer Isolierschicht aus vernetztem Polyäthylen, die mit mineralischem Füllstoff gefüllt war, einer Halbleiterschicht aus mit Ruß

ίο gefülltem Butyl-Gummi, einem Kupferband als Abschirmung und Rückleiter und einem Mantel aus PVC. Die Isolation hatte einen Umfang von ungefähr 6,8 cm. Ein Kabel, dessen Abschluß nicht überzogen oder bedeckt war, wurde in einem öltank untersucht. Dabei zeigten 15 Kabeltrommeln einen Einsatzpunkt der Ionisation, der im Durchschnitt bei 17,6 kV lag. Weiterhin wurden auf 19 Kabelrollen 25 cm lange Kabelendabschlüsse mit einer halbleitenden Farbe bestrichen, die einen Oberflächenwiderstand von

ao 100 Megohm hat. Dabei lagen die Einsatzpunkte der Ionisation im Durchschnitt bei 19,5 kV. Dieses zeigt klar, daß man überlegene Ergebnisse erhält, wenn man die Ionisation oder die Korona-Entladung an den Endabschlüssen ausscheidet. Außerdem geht daraus

»5 hervor, daß ein Kabel mit höheren Spannungen geprüft werden kann, ohne daß eine Ionisierung an den Kabelendabschlüssen eintritt.

Zur weiteren Erläuterung der erzielbaren Vorteile wurden sechs verseilte 15-kV-Kabel hergestellt. Die Versuchsergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Ionisierungseinsatzpunkt für 15 kV	40	10	Umfang des Kabels	Abschluß länge	Kabel
35 Widerstand des Oberzugs materials	30	(cm)	(cm)	lonisic- rungs- einsatz- punkt
(Megohm)	300			(kV)
1000	5,25	25
45 3 000	5,18	25	21,9
10 000	5,25	25	25,0
5,25	25	21,9
5,25	25	21,9
5,25	25	21,9
26,5

Diese Ionisierungseinsatzpunkte, die in der obigen Tabelle für lS-fcV-Ka&el aufgeführt sind, zeigen, dafi die Ionisation an den Abschlüssen ausgeschlossen ist Bei dem Versuch, in dem ein Halbleitermaterial mit einem Oberflächen widerstand von 10 Megohm verwendet wurde, hatte sich der Kabelabschluß am Versuchsende erwärmt. Dadurch zeigte sich also, daC

SS bei diesem speziellen Kabel Wärmeverluste auftraten Es ist daher nicht ratsam, ehre Halbleiterschicht mil einem noch geringeren Oberflächenwiderstand zi verwenden.

Wenn gewünscht, kann der Kabelendabschluß wenn er lange unter der Einwirkung von Hochspan nung oder anderen Umweltbedingungen steht, dadurcl geschützt werden, daß der Halbleiterüberzug mit einen isolierenden Film überzogen wird. Dieser Isolierfifs¹ schützt den Halbleiterüberzug vor Luft und Feuchtig keit und weiterhin auch vordem Absplittern Geeignet! schützende Isolierfilrne sind z. B. elektrisches Isolier band aus PVC, Irrathen oder SPT-Band oder organi scher oder harzartiger Film wie F.poxy-Harz.

Um den Wert dieser Ausführungsform gemäß der Erfindung zu beschreiben, wurden die Abschlüsse eines 15-kV-Kabels, wie es im 1. Beispiel beschrieben ist, mit einem halbleitenden Anstrich versehen, der einen Oberflächenwiderstand von 100 Megohm hatte. Das Kabel wurde mit 150% der Nennspannung, d. h.

mit 13 kV betrieben. Durch ein derartiges Kabel wurde dreimal pro Tag ein ausreichender Strom geleitet, um die Temperatur des Kabels auf ungefähr 90⁰C anzuheben. So wurde es 26 Tage lang betrieben und zeigte keine Anzeichen eines Durchschlages am Abschluß auf Grund einer Ionisation oder Korona-Entladung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409582/17

Claims (4)

hat ist durch den HaJbleiterüberzug stark vermindert, _ , rvr bekannte Halbleiterüberzug weist eine nicht Patentansprüche: πΑΗΪίΑρϊίηΐηβ^^&π^ auf, so daß

1. Jtabelendabschluß zur Vermeidung von ^" ^i einem ebenfalls ni^
Ionisation am Ende eines Hochspannungskabels, 5 Strom entlang dem Halbte.terta

das eine den Leiter umgebende Isolierschicht und verte.lung ein eilt, _nJ'^e . «~" ..ffiJJ ^h } PJ^a™ eine Erdabschirmung aufweist, die konzentrisch Spannungsabfal entlang d« iMJiejJi^rBbt und über der Isolierschicht angeordnet ist, mit einem dadurch die Feldstärke nabe an der geerdeten Abauf der freigelegten Isolierschicht aufgebrachten schirmung herabsetzt. . _nichtlini,„_rpr HalbleiterübcVzug, der mit dem Ende der Erd- io Das Auftreten und die Kompensation ™hthnearer abschirmung in Kontakt steht und sich in Richtung Blindströme ist ^,^^^,^^^ auf den Leiter eine vorbestimmte Strecke erstreckt rungen führen, so daß die zulangen Beanspruchungsderart, daß am Ende des Halbleiterüberzuges die werte überschritten werden.

Potentialdifferenz zum Leiter gleich Null ist und Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be-

wobei die elektrische Feldstärke entlang des Halb- x₅ steht deshalb dann, einen Endabschluß fur ein elek-

leiterüberzugs kleiner ist als der Ionisationsein- tisches Hochspannungskabel zu schaffen bei dem

satzpunktderüberzogenenStreckederlsolierschicht, zur Verhinderung einer Ionisierung am Kabelende der

dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß kapazitiver Ströme vernachlass.gbar ist.

Halbleiterüberzug (24) bei vorbestimmtem Ober- Diese Aufgabe wird bei einem Kabelendabschluß

flächenwiderstand eine dominierende lineare Strom- *o der eingangs genannten Art erfindungist ma., dadurch

Spannungs-Cha.akteristik aufweist und sich kon- gelöst, daß der Halbleiterüberzug bei vorbest.rnmlen

taktgebend bis zum Leiter (12) des Hochspannungs- Oberflächenwiderstand eine dominierende lineare

kabeis erstreckt. Strom-Spannungs-Charaktenstik aufweist und sich

2. Kabelendabschluß nach Anspruch 1, dadurch kontaktgebend bis zum Leiter des Hochspannungsgekennzeichnet, daß der spezifische Oberflächen- 25 kabeis erstreckt.

widerstand des Halbleiterüberzuges 10 Megohm Vorzugsweise unterschreitet der Oberflachenwider-

nicht unterschreitet. stand des Halbleiterüberzugs nicht einen Wert von

3. Kabelendabschluß nach Anspruch 2, dadurch 10 Megohm und vc.-teilhafterweise liegt er zwischen gekennzeichnet, daß der spezifische Oberflächen- 100 und 300 Megohm. Die elektrische Feldstarke entwiderstand des Halb'.eiterüberzugs zwischen 100 30 lang dem Halbleiterüberzug ist bevorzugt kleiner als und 300Mego.m liegt. etwa 18 000 Volt/cm.

4. Kabelendabschluß nach einem der Ansprüche Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elek- Erfindung beträgt die Länge der vom Halbleiterübertrische Feldstärke entlang dos Falbleiterüberzugs zug überdeckten Strecke der Isolierschicht bei Hochkleiner als etwa 18 000 Volt/cm ist. 35 Spannungskabeln für 5 bis 15 kV zwischen 15 und