DE1914641A1 - Elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallumhuellungen - Google Patents

Description

• Elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallumhüllungen Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallunhüllungen zur Steuerung der Feldstärke und des Feldlinienverlaufs innerhalb : der-Adern des Kabels.
• Es ist bekannt, die Isolation der einzelnen Leiter mehradriger Hochspannungskabel außen mit einer auf trdpotential liegenden metallischen Umhüllung zu versehen, um auf diese Weise zwischen den Leitern des Eabels und ihrer Metallumhüllung einen radialen Feldlinienverlauf zu erzielen (Höchststädter-Kabel). Die tletallumhüllung wird dabei vielfach durch eine außen auf die Papierisolation aufgewickelte Aluminiumfolie mit vielen kleinen-Löchern gebildet, die beim Trocknen des Kabels Luft und Beuchtigkeit aus der Isolation entweichen läßt. Eine'dazu verwendete etwa 30 µm dicke, gelochte Aluminiunfolie ist auf Kabelpapier aufkaschiert; sie hat den Nachteil, daß an den Tochrändern die Feldstärke erhöht und dadurch die elektrische Durchschlagsfestigkeit herabgesetzt wird.
• Es ist ferner bekannt, bei Hochspannungskabeln, deren Leiter aus mehreren miteinander verdrillten Drähten bestehen, die Drahtbündel mit einer elektrisch leitenden, nach außen hin glatten Hülle zu versehen, um dadurch die an der Oberfläche der Leiter auftretende hohe Feldstärke durch einen möglichst homogenen Feldverlauf zu beherrschen. Zu diesem Zweck wurden bisher die Drahte mit einem durch Graphit leitend gemachten Papier umwickelt. Da bei Ö Kabeln durch unvermeidliche Temperaturschwankungen das öl im Kabel zu fließen beginnt, wird die Graphitschicht im Laufe der Zeit aus dem Papier herausgeschwemat, so daß die gewünschte Wirkung mehr und mehr verloren geht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Itochspannungskabel zu entwickeln, bei dem die vorgenannten Nachteile bekannter Metallumhüllungen vermieden sind.
• Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens eind der Metallumhüllungen aus einem luft und feuchtigkeitsdurchlässigen Isolierstoffband mit mindestens einem aufgedampften Metallbelag besteht.
• Eine derartige aus einem Metallpapierband bestehende Umhüllung kann sowohl außen auf die Isolation der Leite als auch auf aus mehreren miteinander verdrillten Drähten bestehende Leiter eines Kabels unmittelbar aufgewickelt sein. Eine weitere vorteilhafte Anwendung von Metallpapierbändern besteht im Rahmen der Erfindung darin, sie als elektrisch neutrale Zwischenfolie konzentrisch zu den Leitern des Kabels in - die züneist aus Kabelpapier bestehenden Isolationsschichten der Leiter einzuwickeln.
• Dadurch wird die elektrische Feldstärke im Bereich der Leiter und der Zwischenfolien herabgesetzt und eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit und Lebensdauer des Kabels erzielt.
• An den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele ist der Erfindungsgegenstand näh -er erläutert.
• Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Dreileiter-Hochspannungskabel (Höchststädter-Kabel) mit einer Metallpapierumhüllung der isolierten Leiter und einer Bleimantel-Armierung.
• Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines zur äußeren Umhüllung der einzelnen isolierten Leiter gemäß Fig. 1 dienenden Metallpapierbandes mit zwei darauf aufgedampften Metallschichten.
• Fig. 3 zeigt eine Ader eines Hochspannungskabels mit einem aus mehreren Kupferdrähten bestehenden Leiter und mit Metallpapierbändern für die äußere Umhüllung der Isolation sowie für die unmittelbare Umhüllung des Leiters und für die Zwischenfolien innerhalb der Leiterisolation.
• In Fig. 1 ist ein Dreileiter-Hochspannungskabel mit 1C bezeichnet.
• Es enthält drei Leiter 11 aus Kupfer und eine jeden Leiter 11 umgebende Isolation 12 aus aufgewickeltem Kabelpapier. Außen auf die Isolation 12 ist eine Umhüllung 13 aus einem'luft- und feuchtigkeitsdurchlässigen Papierband mit aufgedampften Metallbelag aufgewickelt. Die aus den Leitern 11, der Isolation 12 und ihrer Umhüllung 13 gebildeten drei Adern 14 des Hochspannungskabels 1C sind mit einem gemeinsamen Bleimantel 15 bewehrt, der beim Betrieb des Kabels zusammen mit den Metallumhüllungen 13 an rdpotemtial liegt, Die elektrisch neutralen Räume zwischen den einzelnen Adern 14 und dem Bleimantel 15 sind mit einem Isolierstoff 16 ausgefüllt. Der iletallbelag des Papierbandes besteht aus einem korrosionsfesten Material, welches durch die bein Trocknungsprozeß aus der Papierisolation 12 austretende Feuchtigkeit nicht angegriffen wird. Besonders geeignet ist dabei ein I.etallbelag aus einer Metallegierung mit etwa 40 % Zink und 60 Cadmium (Gewichts-%). Eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit ergibt sich auch bei Metallbelägen aus Nickel oder Aluminium. Um eine Erhöhung der Feldstärke an durch das Aufdampfen des Metallbelages entstehenden Metallspitzen an der Oberfläche des Metallpapierbandes auszuschließen, wird das Metallpapierband derart auf die Isolation 12 aufgewickelt, daß der Metallbelag außen liegt und dort mit dem Bleimantel 15 kontaktiert ist. Um eine genügende Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit des .etallpapierbandes zu erreichen, ist der Metallbelag in grob kristalliner Form auf ein Papier mit rauher Oberfläche in etwa 0,5 -1um Dicke aufgedampft. Die Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit läßt sich außerdem noch dadurch erhöhen, daß das Papierband vor der Metallbedampfung mit punkt-oder linienförmigen Ölflecken versehen wird, an denen sich beim Aufdampfen des Metallbelages kein Metall niederschlägt und so ein Papierband mit nichtnetallisierten Flächenteilen gewonnen wird, durch die Luft und Feuchtigkeit austreten können ohne den Netallbelag am zugreifen. Die Metallpapierbänder erden dann so aufgewickelt, daß die metallfreien Stellen durch den Metallbelag einer zweiten Lage abgedeckt und Feldverzerrungen vermieden sind.
• Eine vorteilhafte Ausführung des als Netallumhüllung 13 dienenden Metallpapierbandes 20 zeigt Fig. 2. Hier ist ein Papierband 21 mit zwei übereinanderliegenden Metallbelägen mit unterschiedlicher Dicke und Qualität versehen. Das Papierband2urde dabei zunächst mit einem etwa O,Ol/um dicken Metallbelag 22 aus korrosionsfestem Material wie Nickel oder Aluminium vorbedampft und hierauf mit einem zweiten, etwa 0,5 - l/um dicken Netallbelag 23 aus leicht aufzudampfenden Material, wie Zink oder Cadmium, versehen. Der dickere Metallbelag 23 weist dabei Löcher 24 auf, die durch Auftragen einer punkt- bzw. linienförmigen öl schicht auf dem unteren dünnen Metallbelag 22 vor dem Aufdampfen des dickeren Metallbelags 23 erzielt werden, und durch die eine ausreichende Luft- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit gewährleistet ist. Der durchgehende dünne Netallbelag 22 verhindert dabei eine Feldverzerrung und damit eine herabgesetzte Durchschlagsfestigkeit an den Lochrändern des dickeren Netallbelages 23. Bei einem Hochspannungskabel mit einem Bleimantel 15 nach Fig. 1 ist darauf zu achten, daß der auf dem Papierband 21 außen aufgedampfte Metallbelag 23 und das zur Armierung verwendete Metall in der elektrochemischen Spannungsreihe möglichst nahe beieinander liegen, um einen elektrolytischen Abbau des Eletallbelages zu verhindern.
• Die in Fig. 3 dargestellte, mit 30 bezeichnete Ader eines Hochspannungskabels hat einen aus mehreren miteinander verdrillten Kupferdrähten 31 bestehenden Leiter 32, der unmittelbar mit einem metallbedampften Papierband 33 umwickelt ist. Un an den nach außen gerichteten Spitzen des Metallbelages eine lokale Erhöhlung der hier besonders kritischen Feldstärke zu vermeiden, sind die Kupferdrähte 31 mit den Metallpapierband 33 so umwickelt, daß der Netallbelag an der den Drähten 31 zugewandten Innenseite des Papierbandes 33 liegt. Um eine Korrosion und eine elektrolytische .wirkung zwischen den Kupferdrahten 31 und dem Netallpapierband 33 zu vermeiden, ist auf den Netallbelag des Papierbandes 33 eine isolierende Schicht, z.B. aus Lack oder Quarz aufgetragen. ine andere Lösung dieses Problems besteht darin, daß der Netallbelag des Papierbandes 33 und die den Leiter 32 bildenden Kupferdrähte aus Materialien bestehen, die in der elektrochemischen Spannungsreihe benachbart sind. Als Netallbelag ist dann z.B. Kupfer oder Wismut zu verwenden. Bei Verwendung von Aluminiumdrähten wird der Metallbelag des Papierbandes zweckmäßig auch aus Aluminium hergestellt.
• Der Leiter 32 ist mit einer Papierbandisolation 34 konzentrisch umgeben, die außen mit einem an Erdpotential liegenden Metallpapierband 35 bewickelt ist. Einzelheiten über das hierfür zu verwendende Netallpapierband 35 sind in der Beschreibung der Fig. 1 und Fig. 2 angegeben. Da di-e Ader 30 einen Kondensator bildet, dessen Elektroden einerseits aus dem Leiter 32 und andererseits aus dem geerdeten Hetallpapierband 35 bestehen, wirkt die Papierbandisolation 34 als Dielektrikum, welches von radial verlaufenden Feldlinien 36 durchdrungen ist. Um die normalerweise inhomogene Potentialverteilung, die sich mit der Zeit in einem hochspannungsbelasteten Dielektrikum einstellt, weitgehend herabzusetzen und damit die Lebensdauereines solchen Kabels zu erhöhen, sind in die Papierbandisolation 34 konzentrisch verlaufende, elektrisch neutrale Zwischenfolien 37 aus metallbedampftien Papier eingewickelt. Da diese Zwischenfolien 37 ebenso wie das außen auf der Papierbandisolation 34 befindliche Metallpapierband 35 luft- und feuchtigkeitsdurchlässig sowie korrosionsbeständig sein müssen, ist hierfür das gleiches Metallpapier zu verwenden, das für die äußere Umhüllung der Isolation 34 benutzt wird und dessen Aufbau in der Beschreibung der Fig. 1 und 2 näher erläutert ist.
• Feldverzerrungen und Ionisierungserscheinungen an den Spitzen des Metallbelages werden dadurch vermieden, daß für die Zwischenfolien 37 jeweils zwei Metallpapierbänder verwendet werden, die mit ihren Metalibelägen aufeinanderliegen. Bei Verwendung nur eines Metallpapierbands mit außenliegendem Metallbelag als Zwischenfolie 37, lassen sich die Ionisationserscheinungen an den Spitzen des Metallbelages beispielsweise durch eine auf den fletallbelag aufgedampfte Siliziumoxidschicht verhindern, die so dünn ist, daß sie die Durchlässigkeit von Luft und Feuchtigkeit nicht beeinträchtigt. Anstelle der Siliziumoxidschicht kann in vorteilhafter Weise auch eine zweite etwa 0,01/um dicke Schicht aus einem oxydierenden Metall auf den Metallbelag aufgedamp£t werden. So wird z.B. beim Aufdampfen von Magnesium eine elektrisch nichtleitende Magnesiumoxidschicht und bei-Aluminium eine Aluminiumoxidschicht gebildet.
• Eine gleichmäßige Spannungsverteilung in dem durch die Papierbandisolation 34 gebildeten Dielektrikum wird ferner dadurch erreicht, daß das Dielektrikum zwischen den Zwischenfolien 37 und den als Elektroden wirkenden Metallpapierbändern 33 und 35 nach außen hin in der Dicke abnimmt.
• Werden insbesondere für die außen liegende, geerdete Metallpapierumhüllung zur Ableitung starker Ströme im Störungsfall mehrere /um dicke Metallschichten benötigt, so besteht ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung der Netall-Umhüllungen darin, zuerst eine z.B. 0,05 µm dickef3Rupferschicht im Vakuum auf ein Isolierstoffband aufzudampf eh und diese anschließend galvanisch auf die gewünschte Dicke zu verstärken.
• Da beim Trocknen des Hochspannungskabels aus dem Innenleiter keine Feuchtigkeit austritt, ist es möglich, anstelle des Metallpapierbandes 33 in Fig. 3 eine metallbedampfte Eunststofffolie um den Innenleiter zu wickeln. Auch in diesem Falle wird das metallisierte Isolierstoffband so aufgewickelt, daß der Netallbelag auf dem Innenleiter aufliegt. Die Kunststoffolie dient dann als hochwertige Isolation im Bereich der-höchsten Feldstärke. Bei der Verwendung bedampfter Kunststoffbänder ist darauf zu achten, daß der Kunststoff durch das zum Tränken des Hochspannungskabels verwendete Tränkmittel nicht aufgelöst wird.
• Aus diesem Grund müssen die Kunststoffbänder und die als Tränkmittel verwendeten Öle so aufeinander abgestimmt sein, daß für Kunststoffe mit einem hohen n Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen Öle mit einem niedrigen Aromatengehalt und für Kunststoffe mit einem niedrigen Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen Öle mit einem hohen Aromatengehalt verwendet werden. Es wird vorgeschlagen, für Polykarbonat-Folie ein Öl mit einem Aromatengehalt unter 5 'a, für Polyäthylen-Glycolterephthalat-Folie ein Öl mit 5 - 15 % Aromatengehalt und für Polyäthylen-und Polypropylne-Folie ein Öl mit 15 - 40 % Aromatengehalt zu verwenden.

Claims (25)

Ansprüche

1. Elektrisches Hochspannungskabel mit zu jedem seiner Leiter konzentrischen Metallumhüllungen zur Steuerung der Feldstärke und des Feldinienverlaus innerhalb der Adern des Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dieser Umhüllungen #### aus einem luft- und feuchtigkeitsdurchlässigen Isolierstoffband mit mindestens einem aufgedampften Metallbelag besteht.

2. Hochspannunskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Metallbelag bedampftes Papierband (13) außen um eine den Leiter konzer trisch umgebende Isolation (12) aus Papierlagen herumgewickelt ist.

3. Hochspannungskabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag des Papierbandes (13) außen liegt und aus einem korrosionsfesten Material besteht.

4. Hochspannungskabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag aus einer Metallegierung mit etwa 40 % Zink und 60 % Cadmium besteht.

5. Hochspannungskabel nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag in grobkristalliner Form auf ein Papierband mit rauher Oberfläche in etwa 0,5 - 1 µm Dicke aufgedampft ist.

6. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband nichtmetallisierte Flächenteile aufweist und so aufgewickelt ist, daß die nichtmetallisierten Flächenteile durch metallisierte Flächenteile überdeckt sind.

7. Hochspannungskabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband (21) mit zwei übereinanderliegenden Metallbelägen (22, 23) unterschiedlicher Dicke und Qualität bedampft ist.

8. Hochspannungskabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband (21) mit einem etwa 0,01 - 0,1 µm dicken Metallbelag (22) aus korrosionsfestem Material wie Nickel und Aluminium vorbedampft und mit einem zweiten, darauf auf-(24) gedampften etwa 0,5 - 1 µm dicken, mit Löchern / versehenen Metallbelag (23) aus leicht aufzudampfendem Material wie Zink oder Cadmium. versehen ist,

9. Hochspannungskabel nach Anspruch 2 - 7, mit einer äußeren, sämtliche Leiter umfassenden geerdeten Metallarmierung, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Papierband aufgedampfte Netallbelag und das zur Armierung (15) verwendete Metall in der elektrochemischen Spannungsreihe möglichst nahe beieinande-rliegen.

10. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter (32) aus mehreren miteinander vcrdrillten Drähten (31) besteht und unmittelbar rit einem metallbedampften Papierband (33) umwickelt ist.

11. Hochspannungskabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag auf der den Leiterdrähten zugezence'ven Innenseite des Papierbandes (33) liegt.

12. Hochspannungskabel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Metallbelag des Papierbandes (33) eine isolierende Schicht aufgetragen ist.

13. Hochspannungskabel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag des Papierbandes (33) und die den Leiter (32) bildenden Drähte (31) aus in der elektrochemischen Spannungsreihe möglichst nahe beieinanderliegenden Materialaien bestehen.

14. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter aus mehreren miteinander verdrillten Drähten besteht und unmittelbar mit einem metallbedampften Kunststoffband umwickelt ist.

15. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstoffband mit einer im Vakuum aufgedampften galvanisch etwa 0,05 µm dicken, / verstärkten Kupferschicht versehen ist.

16. Hochspannungskabel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, Caß bei Verwendung von Kunststoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen die Kabelisolation mit einem Tränkmittel mit niedrigem Aromatengehalt getränkt ist.

17. Hochspannungskabel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kunststoffen mit einem niedrigen Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen die Kabelisolation r*it ein Tränkmittel mit einem hohen Aromatengehalt getränkt ist.

18. Hochspannungskabel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Poly"arbonat-Fo1ie ein Tränkmittel mit eine Aromatengehalt unter 5 % verwendet ist.

19. Hochspannungskabel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Polyäthylen-Glykolterephthalat-Folie ein Tränkmittel mit 5 - 15 % Aromatengehalt verwendet ist.

20. Hochspannungskabel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Polyäthylen- und Polypropylen-Folie ein Tränkmittel mit 15 - 40 ,5 Aromatengehalt verwendet ist.

21. Hochspannungskabel nach Anspruch 1 und 2> dadurch gekennechnet, daß zwischen den Leiter (32) und das die aus Papierlagen (34) gebildete Isolation umhüllende äußere Metallpapierband (35) innerhalb der Papierlagen (34) konzentrisch verlaufende, elektrisch neutrale Zwischenfolien (37) aus metallbedampftem Papier eingewickelt sind.

22. Hochspannungskabel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfolien (37) aus jeweils zwei Metallpapierbändern bestehen, die mit ihren Metallbelägen aufeinanderliegen.

23. Hochspannungskabel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfolien (17) aus einem Papierband bestehen, dessen Metallbelag außen liegt, wobei auf den Metallbelag eine zweite als Isolation. dienende Schicht -aufgedampft ist.

24. Hochspannungskabel nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, etwa 0,01 µm dicke Schicht aus einem Metalloxid besteht

25. Hochspannungskabel nach einem der Anspruche 21 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des aus Papierlagen (34) bestehenden Dielektrikums zwischen den Zwischenfolien (37) una den Umhüllungen (33 und 35) nach außen hin abnimmt.

L e e r s e i t e