DE1765141A1

DE1765141A1 - Vorrichtung zum Vermindern von oertlichen UEberhitzungen in oelgefuellten Kabeln

Info

Publication number: DE1765141A1
Application number: DE19681765141
Authority: DE
Inventors: Gabriele Maschio
Original assignee: Pirelli SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1967-04-14
Filing date: 1968-04-09
Publication date: 1971-07-01
Also published as: BE711268A; US3548072A; CH469326A; FR1554164A; NO121674B; GB1154284A; AT281948B; ES352775A1; SE334930B

Description

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DItAiKOHLER DIPL-ING. C GERNHARDT

j MDNCHEN HAMBURG

j TELEFON: 395314 2000 HAMBURG 50, ~^ *·

I TELEGRAMME: KARPATENT K0NIGSTRASSE 28

W. 23065/67 VPa

j Pirelli Societal per Azioni

! Mailand (Italien)

• Vorrichtung zum Vermindern von örtlichen Überhitzungen in I ölgefUllten Kabeln.

,; Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, welche

I die konzentrierten Übererwärmungen vermindern kann, welche

,( an einigen Stellen des Kabels, z. B, an den Ansehluß-

:..'i enden und Verbindungen infolge örtlicher Erhöhungen in dem

elektrischen Widerstand des Leiters oder in dem Wärmewiderstand der Isolation stattfinden können.

Die Größe eines elektrischen Kabels wird in solcher Weise berechnet und untersucht, daß die Temperatur des Leiters in den am meisten erwärmten Zonen, nämlich dort, wo eine Erhöhung der Energieverteilung zufolge des "Joule'schal Effekts" stattfindet, oder wo eine Erhöhung im Widerstand gegen Wärmedurchgang von dem Leiter zur Außenseite vorhanden ist, den größen zulässigen Wert (allgemein 85 bis 9o° für ölgefUlite Kabel) nicht überschreitet.

109827/0468

1765H1

Es ist daher klar, daß die Verminderung oder die Beseitigung der gesamten örtlichen Übererwärmungen sehr vorteilhaft ist, da dies die Erhöhung des Stromübertragungsvermögens des Kabels gestattet, ohne daß an irgendeineiner Stelle des Leiters die vorher festgelegten Temperaturwerte überschritten werden, so daß ein besseres Arbeiten des Kabels erhalten werden kann.

Bei einkernigen ölgefüllten Kabeln, bei denen stets eine mit öl gefüllte Leitung innerhalb des Leiters vorhanden ist, ist vorgeschlagen worden, das gleiche in der Leitung enthaltene öl umlaufen zu lassen, um die Temperatur des Leiters längs des gesamten Kabels gleichförmig zu maohen»

Die ölzirkülation ist sehr langsam und findet/mit Geschwindigkeiten in der gleichen Größenordnung wie diejenige statt, welche in den normalen ölgefüllten Kabeln aus der natürlichen ölzirkülation während der Wärmeübergänge erhalten werden.

Die ölzirkülation erfolgt mit niedriger Geschwindigkeit, um eine gleichmäßige Strömungsbedingung zu gewährleisten, und sie ist durch niedrige "Reynold'sehe" Zahlen gekennzeichnet. In der Tat ist es wichtig, daß der ölfluß nicht unter einem turbulenten Zustand stattfindet, da dieser längs des K-abels beträchtliche Kopf-Verluste erzeugen würde, die viel größer als diejenigen sind, die allgemein zulässig sind, um vollständig andere hydraulische Eigenschaften des Kabels mit einer sich daraus ergebenden Erhöhung der Kosten des

1 0 9 8 2 7 / 0 A 6 8

1765H1

Kabels zu erfordern.

Dieser gleichmäßige Strömungszustand des Öls hat jedoch den Nachteil, daß er hohe Widerstandswerte gegen den Wärmeübergang von dem Leiter zu dem öl enthält, so daß die Kühlwirkung merklich verkleinert werden kann. Es ist bekannt, daß der Konvektionskoeffizient £, , von welchem der Gesamtwärmeübertragungs-Koeffizient zwischen dem Leiter und dem öl abhängt, zu der Reynold'sehen Zahl besonders zu dem Fluß der betreffenden Flüssigkeit in enger Beziehung steht, umso kleiner ist, je kleiner diese Zahl ist. Daher ist die gleichmäßige Strömungsbedirrang, die durch niedrige Reynold¹ sehe Zahlen gekennzeichnet ist, ungeeignet, um eine schnelle Verteilung der in dem Leiter erzeugten Wärme zu gestatten.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, die örtlichen Übererwärmungen in den ölgefüllten Kabeln zu beseitigen, indem von den günstigen Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragung eines ölflusses Gebrauch gemacht wird, der mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird und der entsprechend hohe Reynold'sehe Zahlen hat.

Das Wesen der Erfindung liegt in einer Vorrichtung zum Reduzieren der örtlichen Übererwärmungen in insbesondere einkernigen ölgefüllten elektrischen Kabeln durch Verändern der Eigenschaften der ölbewegung in der Leitung innerhalb des Leiters an den Zonen, die der Übererwärmung ausgesetzt sind, um so in diesen Zonen den Wärmeübertragungs-Koeffizienten zwischen dem Leiter und dem öl zu erhöhen, und

109827/0468

1765U1

sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen durch Mittel gebildet ist, die die Geschwindigkeit des ölflusses in der Leitung innerhalb des Leitets an denjenigen Zonen erhöhen können, die der Übererwärmung ausgesetzt sind, ohne irgendwelche Veränderung im Querschnitt der Fläche zu erzeugen, an der der Wärmeaustausch zwischen dem Leiter und dem öl stattfindet.

Das Mittel zum Erhöhen der Geschwindigkeit des öl» flusses kann einfach das Mittel zum Vermindern des Leitungsquerschnitts für den öldurchgang enthalten. Wenn jedoch eine wirksamere Kühlung gewünscht wird, kann das Mittel zum Erhöhen der Geschwindigkeit des ölflusses vorteilhafterweise sowohl Mittel zum Vermindern des Leitungsquerschnitts als auch Mittel zum Verlängern des Weges des Öls durch diejenigen Zonen enthalten, die mit Bezug auf die Längsausdehnung dieser Zonen einer Übererwärmung ausgesetzt werden.

In dem erstgenannten Fall wird bei einer Ausführungsform, die zu diesem Zweck sinnvoll ist, die Vorrichtung durch eine kleine Welle gebildet, welche einen Durchmesser hat, der kleiner als der dei/Leitung des Leiters ist, und die koaxial in diese Leitung an den Zonen eingeführt ist, die einer Übererwärmung ausgesetzt werden.

Im zweiten Fall wird bei einer Ausführungsform,die als besonders vorteilhaft anzusehen ist, die Vorrichtung durch eine kleine Welle gebildet, die einen kleineren

1 09827/0468

Durchmesser als der der Leitung des Leiters hat, und die in die Leitung an den Zonen eingeführt ist, die der Übererwärmung unterworfen sind, sowie durch eine zylindrische Schraube, die um wenigstens einen Teil der Welle angeordnet ist, und einen Außendurchmesser gleich dem der Leitung hä^ um so zwischen der Welle und der Innenfläche der Leitung einen schraubenförmigen Kanal zu begrenzen.

Die Steigung der Schraube und der Durchmesser der kleinen Welle, welche für eine gegebene Leitung den Querschnitt des schraubenförmigen Kanals bestimmt, werden in Übereinstimmung mit der Reynold'sehen Zahl festgelegt, welche innerhalb des Kanals zu erhalten gewünscht wird_o

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Pig. I zeigt einen Längsschnitt einer Hälfte einer durchgehenden symmetrisch ausgebildeten Verbindung für einkernige ölgefüllte elektrische Kabel, in welchen das Übererwärmen durch die Vor richtung gemäß der Erfindung reduziert wird und Pig. 2 zeigt eine Einzelheit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die für die Verbindung der Pig. I verwendet wird.

In Fig. 1 deutet das Bezugszeichen 1 ein ölgefülltes Kabel und 2 eine durchgehende Kabelverbindung an.

Das Kabel 1 und die Verbindung 2 sind beide mit einer

109827/0468

Metallummante/lung 3 überzogen, welche aus Gründen der Einfachheit als fortlaufendes Element dargestellt ist.

Das Bezugszeichen 4 deutet diese Isolation an, welche den Kabelleiter 5 (wie in Fig. 1 dargestellt in· kontinuierlicher Weise) umgibt. Der Leiter 5 ist durch eine Klemme 6 mit demJLeiter der angeschlossenen Kabellänge verbunden, die in der· Figur nicht dargestellt ist.

Der Leiter 5 ist an seiner Innenseite mit einer Leitung 7 kreisförmigen Querschnitts versehen, in welcher das fprägnier-öl für das Kabel fließt.

Innerhalb der/Leitung 7 befindet sich eine Vorrichtung (die in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist) zum Vermindern der Übererwärmung der Verbindungszonen.

Die Vorrichtung wird durch eine kleine Welle 8 gebildet, welche einen Durchmesser hat, der kleiner als der der Leitung 7 ist, und auf welcher eine zylindrische Schraube 9 mit konstantem Steigungswinkel angeordnet ist, die einen Außendurchmesser gleich dem der Leitung 7 hat.

Die Dicke der Schraube 9 ist wenigstens in ihrem äußeren Profil sehr klein, um nur einen sehr kleinen Teil der Innenfläche der/Leitung 7 abzudecken. Die Gänge der Schraube 9 bestimmen einen Kanal Io, der einen schraubenförmigen Weg ringsum die Welle 8 hat, und der mit der gesamten Oberfläche der die Schraube 9 enthaltenden Leitung 7 in Berührung steht.

Das öl. welches in der Leitung 7 mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit fließt, ist daher an den der Über-

109827/0468

1765U1

erwärmung ausgesetzten Zonen gezwungen, längs eines schraubenförmigen Weges und mit einer mittleren Geschwindigkeit zu strömen, die viel größer als die ist, die sie an den äußeren Stellen der Leitung 7 hat, da der Querschnitt des Kanals Io kleiner als der der Kabelleitung 7 ist.

Die Verminderung des Querschnitts ergibt eine Verminderung des angefeuchteten Perimeters c und infolgedessen, da die Strömungsgeschwindigkeit konstant bleibt, eine Erhöhung der Reynold¹sehen Zahl betreffend den ölfluß.

Diese Erhöhung erzeugt eine Erhöhung des Konvektionskoef f izienten £, und daher des Gesamtwärmeübertragungs-Koeffizienten und gibt daher eine größere Möglichkeit der Verteilung von Wärme bei gleicher Wärmeveränderung odeyfeine Verminderung der Wärmeänderung bei einer gleichen Menge verteilter Wärme, da der Querschnitt, an welchem der Wärmeaustausch zwischen dem Leiter und dem öl stattfindet, praktisch unverändert bleibt.

Tatsächlich kann die Wärmemenge C durch die folgende Gleihung ausgedrückt werden.

C=K* SAT

wobei Δ T die Übertemperatur des Leiters mit Bezug auf das öl ist.

K ist der Gesamtwärmeübertragungs-Koeffizient und

S ist die Oberfläche, auf welcher der Wärmeaustausch stattfindet.

Die Fläche und die Wärmemenge, die in dem Leiter erzeugt

10982 7/0468

V/65H1

sind, sind gleich, und daher wird die Übertemperatur des Leiters kleiner sein.

Es sei daran erinnert, daß die Reynold'sehe Zahl für einen gegebenen Kanal durch die Formel R = _δ---_γ

ausgedrückt werden kann, in welcher Q die Strömungsgeschwindigkeit in dem Kanal, c der Perimeter des angefeuchteten Querschnitts des Kanals und

V die kinematische Viskosität des Öls ist, und da Q und V in der Leitung 7 und in dem Kanal Io konstant bleiben, ist das Verhältnis zwischen den Reynold'sehen Zahlen der Leitung und dem Kanal umgekehrt proportional zu dem angefeuchteten Perimeter ihrer entsprechenden Querschnitte. Wenn die Zahlen 1 und 2 sich jeweils auf die Leitung und den Kanal beziehen, wird die folgende Gleichung erhalten:

Ui

Wenn daher beispielsweise die Leitung des Leiters einen Durchmesser von 1,2 cm hat und R etwa looo (üblich) beträgt, wird, um für Re2 einen Wert höher als 25oo zu erhalten, die folgende Gleichung erhalten:

Co <*5¹C- ^β 3*78 - 1,52cm

in welcher C₂ durch die Formel ausgedrückt wird: C₂ ο 2 (p + R₁ - R₂),

109827/0468

1765ΗΊ

in welcher ist:

ρ die Steigung der Schraube,
R₁ der Radius der Leitung und R der Radius der kleinen Welle. Im vorliegenden Fall wurde die Beseitigung der örtlichen Übererwärmungen in der in Fig. 1 dargestellten Verbindung durch Einbau einer Vorrichtung erhalten, in welcher der Radius der kleinen Welle o,4 cm und die Steigung der Schraube o,5 om ist. Daher können die ÖlStrömungsbedingung und infolgedessen ihre jeweilige Reynold'sehe Zahl nach Wunsch verändert werden, indem die Steigung der Schraube und der Durchmesser der kleinen Welle verändert werden.

Die Länge der Schraube ist so zu berechnen, daß die Zone zweckentsprechend verlängert wird, in welcher die Strömung im Hinblick auf eine wirksame Verminderung der Übererwärmung sich in turbulentem Zustand befindet.

An der Austrittsstelle aus der Vorrichtung nach einer Jcuraen Übergangsbewegung nimmt das öl wieder die Strömungebedingung in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der Leitung und im besonderen einen gleichmäßigen Strömungszustand ah. ^ Wie oben&usgeführt, besteht der Vorteil, der durch die

Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten wird, in einer beträchtlichen Erhöhung des Wirkungsgrades des Wärmeaustausches zwischen dem Leiter und dem öl. Auf der anderen Seite ist die Länge des Teils, in welchem das öl sich in turbulentem Strömungszustand befindet, derart reduziert,

10982 7/0468

- Io -

daß die entsprechende Erhöhung der Kopfverluste im Vergleich zu einem Wert in bezug auf einen hydraulischen Kabelabschnitt klein ist, der gewöhnlich eine Länge von einigen Kilometern hat.

Die vorstehende Beschreibung gibt nur ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wieder, welche verwendet werden lann, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Es sei jedoch bemerkt, daß der Rahmen der Erfindung alle weiteren Vorrichtungen umfaßt, die sich aus dem oben erläuterten Erfindungsprinzip ableiten lassen, nämlich jedwede Vorrichtung, welche imstande ist, einen lokalen turbulenten Strömungszustand des Öls zu erhalten, oder einfacher ausgedrückt, eine ort* liehe Erhöhung der ölgeschwindigkeit an den übererwärmten Stellen.

Weitere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung sind z, B. solche Vorrichtungen, bei denen der Steigungswinkel der Schraube sich längs der kleinen Welle verändert; weiter umfaßt die Erfindung Zubehöre für »!gefüllte Kabel, in denen die örtlichen Ubererwärmungen durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung beseitigt werden, beispielsweise die Abschlußenden und die durchgehenden Teile sowie die Absperr- und ZufUhrverbind\5gen.

Hinsichtlich der durchgehenden Verbindungen wird es bei der dargestellten Ausführungsform als besonders vorteilhaft angesehen, bei der Vorrichtung zum Vermindern der örtlichen Ubererwärmungen die kleine Welle, um welche

109827/0468

1765H1

- li -

die zylindrische Schraube angeordnet ist, in zwei oder mehr Abschnitte zu unterteilen, die jeweils mit einer der beiden verbundenen Kabellängen verbunden ist, die an der Verbindungslinie miteinander vereinigt sind.

109827/0468

Claims

1765H1

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Vermindern örtlicher Übererwärmung in insbesondere einkernigen ölgefüllten elektrischen Kabeln durch Verändern der Eigenschaften der ölbewegung in der Leitung innerhalb des Leiters, an den Zonen, welche der Übererwärmung ausgesetzt sind, um so in diesen Zonen den Wärmeübertragungs-Koeffizienten zwischen denjLeiter und dem öl zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen durch Teile gebildet ist, die die Geschwindigkeit des ölflusses in der Leitung innerhalb des Leiters an den Zonen bzw. Stellen erhöhen können, die der Überjwärmung ausgesetzt sind, ohne in diesen Zonen eine Veränderung des Querschnitts der Fläche vorzunehmen, an welcher der Q Wärmeaustausch zwischen dem Leiter und dem öl stattfindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zum Erhöhen der Geschwindigkeit des ölstroms Mittel zum Vermindern des Querschnitts des Öldurchganges in der Leitung des Leiters enthalten.

J5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, welche die Geschwindigkeit des ölflusses erhöhen können, Mittel zum Vermindern des Querschnitts des öldurchganges in der Leitung des Leiters aufweisen, und Mittel zum Verlängern der ölbewegung in den Zonen, die einer Übererwärmung unterworfen sind, mit Bezug auf die Längsabmessung der Zonen vorgesehen sind.

1 0 9 8 2 7 / 0 A 6 8

1765U1

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile zum Vermindern des Querschnitts für den öldurchgang in der Leitung des Leiters durch eine kleine Welle gebildet sind, welche einen Durchmesser hat, der kleiner als der der Leitung ist und gleichachsig in die Leitung

^{ an der Zone eingeführt ist, die der Übererwäryimung unterworfen ist,

5. Vorrichtung nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, ; daß die Mittel zum Verkleinern des Leitungsquerschnitts und : zum Verlängern der ölbewegung an den einer Übererwärmung ^! ausgesetzten Zonen durch eine innerhalb der Leitung des

[ Leiters an diesen Zonen der Leitung angeordnete kleine

\ Welle, und durch eine zylindrische Schraube gebildet sind, die ringsum wenigstens einen Teil der kleinen Welle angeord-

\ net ist und sich von ihr radial soweit erstreckt, daß sie den ti

gesamten Leiterquerschnitt einnimmt, um so zwischen der

kleinen Welle und der Innenfläche derJLeitung einen schraubenförmigen Kanal zu begrenzen, und die Steigung der Schraube und der Durchmesser der kleinen Welle in Übereinstimmung ί mit der Reynold'sehen Zahl bestimmt sind, die für den

\\ ölfluß innerhalb des Kanals erhalten werden soll.

6. Zubehörteile für ölgefüllte elektrische Kabel, z, B. Verbindungen und Abschlußenden, in denen örtliche Übererwärmungen durch die Verwendung der Vorrichtung gemäß •inem der vorhergehenden Ansprüche vermieden werden.

7. DurchgeHhendeVerbindung für ölgefüllte elektrische

109827/04 68

!765Ht

- IH- -

Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Welle, um welche die zylindrische Schraube angeordnet ist, in wenigstens zwei Abschnitte unterteilt ist, deren jede mit einem de-r beiden vereinigten Kabellängen verbunden ist, die an der Verbindungslinie miteinander verbunden sind.

109827/0468

Leerseite