DE19637472A1 - Schwingungsfreies bedämpftes Hochspannungskabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungskabel für die Schwachstromversorgung elektrischer Geräte mit einem Stromleiter und einer den Stromleiter koaxial umgebenden Isolierung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Hochspannungskabels.

Derartige Kabel werden insbesondere für die Hochspannungs­ versorgung von elektrostatischen Beschichtungs- oder Be­ flockungsanlagen o. dgl. benötigt, die typisch mit Betriebs­ strömen im Milli- oder Mikroamperebereich und Ladespannungen in der Größenordnung von 100 kV arbeiten. Eines der wichtigsten Probleme bei diesen Anlagen ist die erhebliche Energie, die in den oft ausgedehnten Kabelverbindungen aufgrund ihrer großen Eigenkapazität gespeichert wird und bei plötzlicher Entladung aus mehreren Gründen gefährlich ist.

Bei elektrostatischen Beschichtungs- oder Beflockungsanlagen besteht Explosionsgefahr für das Beschichtungsstoff-Luft-Gemisch. Beispielsweise beträgt die zum Entzünden notwendige Energie für lösemittelhaltigen Lack ca. 0,2 mJ, für Kunststoff­ pulver ca. 5 mJ und für Flockfasern ca. 500 mJ.

Ferner müssen Gefahren für das Bedienungspersonal ausge­ schlossen werden. Der Gefahrengrenzwert beim Berühren von auf Hochspannungspotential liegenden Teilen der Anlagen liegt für den Menschen bei 300 mJ.

Darüber hinaus ist die Anlage selbst gefährdet. Bei einer Kurzschluß-Entladung aus dem Hochspannungskreis fließt auf der Stromrückleitung, in der Regel eine Erdpotentialleitung, kurz­ fristig ein extrem hoher Strom, der bis zu 10 kA betragen kann. Schon bei verhältnismäßig geringem Übergangswiderstand der Erdpotentialleitung kann das Erdpotential um bis zu 1000 V oder mehr angehoben werden, was unmittelbar zur Zerstörung von elektronischen Bauteilen der Anlage führt.

Die Entladeenergie W (in mJ bzw. mWs) berechnet sich bekannt­ lich nach der Formel

w = 1/2 C×U²,

wobei C die Kapazität (in Farad) und U die Ladespannung (in V) bedeuten. Untersuchungen haben ergeben, daß hierbei das Hoch­ spannungskabel, insbesondere wenn es zur elektrischen Abschir­ mung mit einem Metallgeflecht umhüllt ist, die Gesamtkapazität signifikant erhöht. Typische Kapazitätswerte einer elektro­ statischen Beschichtungsanlage liegen zwischen 20 und 700 pF für das eigentliche Sprühsystem oder Flockfeld und 40-60 pF/m bzw. 200-600 pF/m für übliche ungeschirmte bzw. geschirmte Hochspannungskabel. Da in einer typischen elektrostatischen Beschichtungsanlage bis zu 100 m lange Hochspannungskabelver­ bindungen eingesetzt werden, können sich z. B. Kapazitäten bis 60 nF und damit je nach Ladespannung Entladeenergien von mehreren J (Wattsekunden) ergeben.

Hierbei läßt sich beobachten, daß z. B. bei einem Kurzschluß das Kabel nicht stetig entladen wird, sondern der Entladestrom eine Reihe von positiven und negativen Schwingungen mit von einem erheblichen Maximalwert nach und nach kleiner werdenden Amplituden ausführt. Diese Schwingungen können sich besonders störend oder gefährlich auswirken.

Es hat selbstverständlich nicht an Versuchen gefehlt, die bei Verwendung konventioneller Kupferleiterkabel auftretenden Gefahren durch verschiedene Schutzmaßnahmen möglichst zu vermeiden.

Beispielsweise wurde vorgeschlagen, den Leiterquerschnitt des Kabels so zu reduzieren, daß der durch das Kabel gebildete Kondensator nur noch eine kleine Oberfläche und entsprechend geringe Kapazität hat. Als Leiter wurde ein dünner Metalldraht verwendet (DE-GM 19 93 972). Die Herstellung eines solchen Kabels ist jedoch sehr aufwendig, und aus fertigungstechnischen Gründen sind die erreichbaren Kabellängen begrenzt. Darüber hinaus neigt der dünne Draht zum Bruch.

Ferner ist es bekannt und allgemein üblich, die energiereichen Entladungen aus einem konventionellen Hochspannungskabel mit Kupferleiter durch nachgeschaltete hochohmige Widerstände von mehreren 100 MOhm zu dämpfen. Diese hochohmigen Widerstände verursachen jedoch im Betrieb der Anlage einen erheblichen Spannungsverlust, der bis 50 kV betragen kann. Dies führt zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades und zu erheblichem Leistungsverlust der Beschichtungsanlage. Darüber hinaus erfordert der Einbau der aufgrund der notwendigen Hoch­ spannungsfestigkeit recht voluminösen Widerstände erheblichen konstruktiven Aufwand (vgl. DE-GM 73 07 686).

Es ist auch schon ein Hochspannungskabel bekannt geworden, dessen Leiter aus einer Widerstandsmasse besteht. Der Wider­ standswert dieses Kabels beträgt bei 20°C etwa 100 MOhm/m. Dadurch werden zwar Gefahren durch energiereiche Entladung weitgehend vermieden, doch ist der Nachteil hoher Spannungs­ verluste hier noch ausgeprägter als bei den oben erwähnten Dämpfungswiderständen. Ein anderer Nachteil dieses bekannten Hochspannungskabels ist sein relativ großer Durchmesser von etwa 12 mm, so daß es z. B. für bewegliche Sprühvorrichtungen ungeeignet ist. Außerdem hat das bekannte Kabel einen so großen negativen Temperaturkoeffizient (der Widerstandswert kann im Bereich zwischen 5 und 40°C von 800 auf 50 MOhm/m absinken), daß sich ein Sicherheitsrisiko ergeben kann.

Weiterhin ist ein Hochspannungskabel bekannt geworden, dessen Leiter aus einer leitfähigen organischen Flüssigkeit besteht, welche in einen Schlauch aus Isolierstoff eingefüllt ist. Der Widerstandswert dieser Kabel kann einige 100 MOhm/m betragen. Auch dieses Kabel führt folglich zu erheblichen Spannungs­ verlusten und hat ebenfalls einen unerwünscht großen Durch­ messer. Außerdem ist bei längerer Belastung ein elektroly­ tischer Zersetzungsprozeß zu beobachten, der den Kabelwider­ stand in Richtung unendlich erhöht, so daß das Kabel unbrauch­ bar wird.

Als Zündkabel für Kraftfahrzeugmotoren sind ferner Hoch­ spannungskabel mit Kohlefaserleitern bekannt. Diese Kabel sind nicht abgeschirmt und außerordentlich flexibel, haben aber praktisch keine Dämpfungswirkung, da der Kabelwiderstand je nach Temperatur nur 0,15 bis 0,40 Ohm/m beträgt. Der Einsatz in elektrostatischen Beschichtungsanlagen ist daher nicht sinnvoll.

Auch in Beschichtungsanlagen wurden Hochspannungskabel ver­ wendet, die nicht mit einem Schirmgeflecht versehen sind, weil sich dadurch die Kapazität auf etwa 50% herabsetzen läßt. Das Problem der energiereichen Entladungen kann damit aber nicht in wesentlichem Maße gelöst werden. Außerdem sind bei nicht abgeschirmten Kabeln in vielen Fällen erhebliche Installations­ beschränkungen zu beachten, um Hochspannungsdurchschläge zu vermeiden und den erforderlichen Berührungsschutz sicherzu­ stellen. Auch entspricht ein konventionelles Hochspannungskabel ohne Abschirmung häufig nicht den immer wichtiger werdenden Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Ziel der Erfindung ist daher ein insbesondere für elektro­ statische Beschichtungs- und Beflockungsanlagen geeignetes Hochspannungskabel, das auch ohne hochohmigen Begrenzungs­ widerstand und mit vernachlässigbaren Spannungsverlusten energiereiche Entladungen und insbesondere die oben erwähnten starken Stromschwingungen sicher verhindert.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stromleiter einen elektrischen Wider­ stand hat, der einerseits erheblich größer ist als bei den bekannten Kupfer- oder Kohlefaserleiterkabeln, andererseits aber erheblich geringer als bei den bekannten hochohmigen Hoch­ spannungskabeln. Der Widerstandswert (wobei hier stets der Gleichstromwiderstand gemeint ist) soll also zwischen etwa 1 und 1000 kOhm/m liegen, vorzugsweise zwischen etwa 10 kOhm/m und etwa 100 kOhm/m. In der Regel ist der Widerstandswert über die gesamte Länge des Kabels gleichbleibend.

Überraschend wurde festgestellt, daß die Entladung eines derartigen Kabels nicht wie im erwähnten bekannten Fall in Form von starken Stromschwingungen erfolgt. Vielmehr sinkt der Strom bei plötzlicher Entladung des Kabels nach nur einer Strom­ spitze, die bei einem typischen Widerstandswert gemäß der Erfindung um fast das 200-fache kleiner ist als die Maximal­ amplitude im Falle eines Kupferkabels, schnell und ohne wesent­ liche Schwingungen ab.

Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, daß die Kabelkapazität praktische keine Rolle mehr spielt. Das erfindungsgemäße Kabel kann also ohne Rücksicht auf die Kapazität zur Berücksichtigung sonstiger gewünschter Eigenschaften beliebig ausgestaltet wer­ den. Insbesondere besteht in dieser Hinsicht kein Grund, auf eine in der Regel gewünschte Abschirmung z. B. durch ein Kupfer­ geflecht zu verzichten. Das Kabel kann u. a. deshalb auch allen EMV-Anforderungen entsprechen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung besteht der Strom­ leiter aus elektrisch leitfähigem Kunststoff.

Dadurch läßt sich einerseits problemlos ein in dem gewünschten Bereich liegender Widerstandswert erreichen. Ein wichtiger weiterer Vorteil besteht darin, daß ein derartiger Leiter keinen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Das erfindungs­ gemäße Kabel hat ferner den in der Praxis wichtigen Vorteil guter Flexibilität und kann geringen Außendurchmesser haben. Darüber hinaus kann das Kabel einfach und mit geringem Aufwand, also entsprechend wirtschaftlich hergestellt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt eines Hochspannungskabels der hier beschriebenen Art;

Fig. 2 den elektrischen Widerstand des beschriebenen Kabels in Abhängigkeit von der Temperatur;

Fig. 3 den elektrischen Widerstand eines bekannten Hoch­ spannungskabels in Abhängigkeit von der Temperatur;

Fig. 4 den Stromverlauf bei der Entladung eines konvention­ ellen Hochspannungskabels; und

Fig. 5 den Stromverlauf bei der Entladung eines erfindungs­ gemäßen Kabels.

Das in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Hochspannungskabel besteht aus einem zentralen elektrisch nichtleitenden Draht oder Faden 1 mit kreisförmigem Querschnitt, einer diesen Faden koaxial umgebenden zylindrischen stromleitenden Schicht 2, einer die stromleitende Schicht koaxial umgebenden zylin­ drischen Isolation 3, einer die Isolation 3 umgebenden leitfähigen Abschirmung in Form eines dünnen Kupfergeflechts 4 und einem die insoweit beschriebene Anordnung koaxial umgeben­ den äußeren Mantel 5.

Der drahtartige Faden 1 besteht aus einem elektrisch nicht­ leitenden zugfesten und biegsamen Kunststoffmaterial wie Polyester, Polyamid od. dgl. Dieser Faden dient als Träger für die stromleitende Schicht 2, die vorzugsweise aus flexiblem, in bekannter Weise leitfähig gemachtem Kunststoff besteht, z. B. aus leitfähigem Polyethylen (PE). Die Isolation 3 besteht zweckmäßig aus ähnlichem, aber elektrisch nichtleitendem Kunst­ stoff, also ebenfalls aus PE-Material. Der äußere Mantel 5 kann z. B. aus Polyurethan (PUR) bestehen.

Bei einer praktisch realisierten Ausführungsform kann der Durchmesser des als Träger dienenden Fadens 1 etwa 0,8 mm, derjenige der leitfähigen Schicht 1,9 mm und derjenige der Isolation 5,2 mm betragen. Der Durchmesser des das Kupfer­ geflecht 4 umhüllenden Mantels 5 und damit des gesamten geschirmten Kabels beträgt in diesem Fall 7,5 mm.

Für besondere Fälle, in denen eine Abschirmung nicht notwendig ist, kann ein mit dem oben beschriebenen Beispiel übereinstimmendes Kabel verwendet werden, in dem lediglich das Kupfergeflecht 4 fehlt und der Mantel 5 unmittelbar auf die Isolation 3 aufgebracht ist. Der Kabeldurchmesser reduziert sich hierbei auf 6,7 mm.

Im Rahmen der Erfindung können aber auch andere geeignete Werkstoffe verwendet werden. Für die leitende Schicht wäre z. B. leitfähiges Elastomermaterial denkbar. Auch statische Abschirmungen lassen sich aus leitfähigem Elastomermaterial herstellen.

Das oben beschriebene Kabel zeichnet sich insbesondere durch geringe Abmessungen, geringes Gewicht (etwa 66 g/m bzw. 37 g/m mit bzw. ohne Abschirmung) und gute Flexibilität und Biegbar­ keit aus. Der minimale Biegeradius beträgt etwa 75 bzw. 70 mm. Das Kabel kann im Dauerbetrieb problemlos in einem Temperatur­ bereich zwischen -20 und +80°C arbeiten.

Zur Herstellung des Kabels können an sich bekannte Extrusions­ verfahren angewendet werden. Hierbei wird zunächst die leitende Schicht 2 auf den Faden 1 aufgebracht und der so gebildete Verbund dann mit dem Kunststoff der Isolation 3 umgeben oder umspritzt. Die Kunststoffe und Verfahrensbedingungen werden so gewählt, daß sich eine dauerhafte lückenlose Verbindung zwi­ schen den einzelnen Kabelbestandteilen ergibt. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Kunststoffe der leitenden Schicht 2 und der Isolation 3 gut zusammen passen. Ferner sollen die Kunst­ stoffe möglichst ähnliche Dehnungskoeffizienten haben.

Neben den guten körperlichen Eigenschaften des Kabels sind vor allem auch dessen elektrische Eigenschaften und hier insbeson­ dere der elektrische Widerstand von erfindungswesentlicher Bedeutung.

Bei den oben genannten Abmessungen und Werkstoffen kann der elektrische Widerstand des Kabels typisch um ungefähr 40 kOhm/m betragen. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ändert sich im Bereich von 5-40°C der Widerstandswert mit steigender Temperatur nur zwischen etwa 35 und 47 kOhm/m. Der erkennbare positive Tempe­ raturkoeffizient des Widerstandswertes ist prinzipiell zu bevorzugen.

Zum Vergleich ist in Fig. 3 der Widerstandsverlauf des eingangs erwähnten bekannten Kabels mit einem aus einer hoch­ ohmigen Widerstandsmasse bestehenden Stromleiter dargestellt. Dort zeigen sich im selben Temperaturbereich Widerstandswerte zwischen 800 und 50 MOhm. Der starke negative Temperatur­ koeffizient kann dazu führen, daß bei niedrigen Temperaturen wegen des Spannungsabfalls aufgrund des hohen Widerstands ein befriedigender Betrieb des von dem Kabel gespeisten Gerätes nicht mehr möglich ist, während andererseits bei höheren Temperaturen die sinkende Dämpfungswirkung aus Sicherheits­ gründen berücksichtigt werden muß.

Wie oben schon erläutert wurde, beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei einer Entladung des Kabels bei richtiger Wahl seines elektrischen Eigenwiderstands keine großen Stromspitzenwerte und vor allem praktisch keine Strom­ schwingungen auftreten, und zwar ohne die Inkaufnahme nennens­ werter Spannungsverluste und ohne die Notwendigkeit aufwendiger externer Dämpfungsmaßnahmen.

Zur Erläuterung dieses Effektes ist zunächst in Fig. 4 der typische zeitliche Stromverlauf dargestellt, wie er bei Entladung einer 3,8 m langen Probe eines konventionellen ge­ schirmten Hochspannungskabels mit Kupferleitern gemessen wurde, wobei die Kabelspannung 10 kV und die Kabelkapazität 220 pF betrugen. Der Strom erreichte zunächst den in Anbetracht der nur relativ geringen Kabel länge sehr hohen Wert von 75 A und klang während einer Zeitspanne von 2000 nS erst nach zahl­ reichen Schwingungen mit zunächst noch großen Amplituden auf Null ab.

Im Gegensatz hierzu wurde durch Messung des Entladungsvorgangs bei einem ebenfalls 3,8 in langen Kabelstück gemäß der Erfindung, das ebenfalls an 10 kV lag und eine Kapazität von 290 pF hatte, ein völlig anderer Verlauf festgestellt. Wie in Fig. 5 mit ent­ sprechend vergrößertem Strommaßstab und gedehntem Zeitmaßstab dargestellt ist, zeigte sich nur eine einzige Stromspitze von etwa 0,5 A, die ohne Schwingungen in dem vergleichbaren Zeitraum von etwa 2 µs auf weniger als 0,1 A absank.

Bei diesem Versuch wurde das in Fig. 1 dargestellte geschirmte Kabel verwendet. Wie schon erwähnt wurde, haben die Abschirmung und generell die Kabelkapazität bei der Erfindung im Gegensatz zu konventionellen Hochspannungskabeln keinen nennenswerten Einfluß auf das Entladungsverhalten.

Claims (9)

1. Hochspannungskabel für die Schwachstromversorgung elektrischer Geräte mit einem Stromleiter und einer den Stromleiter koaxial umgebenden Isolation, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter einen elektrischen Widerstand zwischen etwa 1 kOhm/m und etwa 1000 kOhm/m hat.

2. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter einen elektrischen Widerstand zwischen etwa 10 und 100 kOhm/m hat.

3. Hochspannungskabel mit einem Stromleiter und einer den Stromleiter koaxial umgebenden Isolation, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom­ leiter aus elektrisch leitfähigem Kunststoff besteht.

4. Hochspannungskabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter aus einer Schicht besteht, die einen als Träger dienenden, aus elektrisch nichtleitendem Material bestehendem Draht oder Faden koaxial umgibt.

5. Hochspannungskabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter und/oder die Isolation aus Polyethylen-Kunststoffen bestehen.

6. Hochspannungskabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation koaxial von einer Abschirmung und/oder einem äußeren Mantel aus Isolier­ material umgeben ist.

7. Hochspannungskabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Strom­ leiters mit steigender Temperatur ansteigt.

8. Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungskabels nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein als Träger dienender, aus elektrisch nichtleitendem Material bestehender Draht oder Faden mit einer Schicht aus leitfähigem Kunststoffmaterial umgeben wird;
und daß die leitfähige Schicht mit Isoliermaterial umgeben wird.

9. Verwendung eines Hochspannungskabels nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 für elektrostatische Beschichtungs- oder Beflockungsanlagen.