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Die
Erfindung betrifft ein Kabelsystem, insbesondere für Drehstrom
mit magnetischer Schirmungshülle.
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In
zunehmendem Maße
wird bei der Installation von Hochspannungskabeln und Freileitungen
die Forderung erhoben, elektromagnetische Felder abzuschirmen.
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Hierbei
sind Hochspannungskabel gegenüber
Freileitungen von Vorteil, weil sie in ihrer Umgebung kein elektrisches
Feld erzeugen. Allerdings ist bei gängigen Kabelkonstruktionen
das durch die Kabelströme
erzeugte niederfrequente äußere Magnetfeld
vorhanden.
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Eine
bereits bekannte Abschirmmaßnahme ist
das Einziehen der Kabel in ein Stahlrohr mit drei verseilten und
stahldrahtbewehrten 110-kV-Kabeladern: Broschüre (1999), Nr. E21.2d 1.0; "Stadtkabel" der Firma nkt cables
GmbH, Köln.
Das Stahlrohr weist zwar eine magnetische Abschirmwirkung auf, doch
ist diese Konstruktion kostenaufwendig und weist weitere Nachteile
auf, beispielsweise die Erfordernisse, kurze, starre Stahlrohrabschnitte
aneinanderzuschweißen
und die Stahlrohre gegen Korrosion schützen zu müssen.
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Das
Abschirmen von Hoch- oder Mittelspannungskabeln mit weichmagnetischem
(hochpermeablem) Material ist bekannt. Geeignete Materialien lassen
sich jedoch nicht in großflächiger Form
einsetzen, da die Materialien mechanisch relativ spröde Eigenschaften
haben, die zur Einschränkung
der Biegbarkeit der Kabel führt.
Kabel sollte jedoch eine gewisse Biegbarkeit aufweisen, weil dies
im Herstellprozess und während
des Verlegens von Vorteil ist. Um die geforderte Biegbarkeit und
Flexibilität
nicht einzuschränken,
wurde schon vorgeschlagen, hochpermeable Materialien in Form von
Teilchen (
DE 19 807
527 A1 ) oder in Bandform (
DE 31 23 040 A1 ) zu verwenden.
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In
der
DE 19 807 527
A1 werden die Teilchen in einem als Geflecht aufgebauten
Schirm eingebracht, wobei entweder das Einbringen der Teilchen in
die Maschen oder Lücken
des Schirms vorgeschlagen wird oder die Teilchen auf das Geflecht
aufgeklebt werden. Beides sind sehr aufwendige und daher nachteilige
Verfahrensschritte.
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In
der
DE 31 23 040 A1 wird
die Herstellung einer magnetischen Schirmungshülle durch Verwendung zweier
Bänder
dargestellt. Die Bebänderung
erfolgt mit Abstand der Wicklungen, so dass Luftspalte entstehen,
die die Biegbarkeit und Flexibilität des Kabels erhalten, jedoch
eine doppelte Bebänderung
erfordern. Damit werden die Luftspalte der unteren Bandlage durch
die (in Gegenschlag) aufgebrachte obere Bandlage abgedeckt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kabelsystem mit nicht notwendig
hoher Biegbarkeit des Kabels anzugeben, bei dem das durch die Kabelströme erzeugte
niederfrequente äußere Magnetfeld weitestgehend
unterdrückt
wird.
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Die
Lösung
der Aufgabe findet sich im Hauptanspruch. Weiterführende Ausführungsformen werden
in den Unteransprüchen
formuliert.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass mindestens eine die Kabeladern
umfassende, im folgenden als Schirmungshülle bezeichnete Schicht als Wicklung
mindestens eines Bandes aus magnetisch hochpermeablem Material aufgebracht
ist.
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Für ein Drehstromsystem
kann eine erfindungsgemäße Kabelkonstruktion
vorgesehen sein, bei der drei verseilte und stahldrahtbewehrte Kabeladern
in ein äußeres Rohr
eingezogen werden. Der Aufbau ist so, dass unterhalb einer Stahldrahtarmierung
eine oder mehrere Schichten aus sogenannten Elektrobändern aufgebracht
werden, gegebenenfalls in Kombination mit Kompensationsleitern oder
-leitschichten.
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Solche
Elektrobänder,
wie sie im Transformatoren- und Elektromaschinenbau verwendet werden,
bestehen aus Silicium-Stahlblechbändern mit geringem Siliciumanteil
(< 2,5 %) und werden
in einer Dicke von 0,02 bis 0,04 mm hergestellt. Sie sind kaltgewalzt,
kornorientiert oder nicht-kornorientiert, und sie weisen hervorragende
magnetische Eigenschaften wie hohe Permeabilität und geringe Ummagnetisierungsverluste
auf.
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Ebenfalls
sehr gute magnetische Eigenschaften, wie sie hier vorausgesetzt
oder gefordert werden, haben die sogenannten metallischen Gläser. Im
Handel werden diese unter der Bezeichnung Mumetall oder Vitrovac
von der Firma Vacuumschmelze angeboten. Solche speziellen, nichtkristallinen
Nickel-Eisenlegierungen werden schon für ortsfeste bzw. starre Abschirmanordnungen
eingesetzt. Sie werden in einem aufwendigen Verfahren hergestellt, und
haben allerdings den Nachteil der immens hohen Kosten einerseits
und der schlechten Ver arbeitbarkeit andererseits. Kritisch wäre auch
die Biegebeanspruchung, die bei der Kabelherstellung und später bei
der Installation auftritt.
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Die
einzusetzenden Elektrobänder
haben demgegenüber
eine gute mechanische Beanspruchbarkeit und einen günstigen
Preis. Sie weisen schon vom Herstellungsprozess her eine sehr dünne (Mikrometerbereich)
Isolierschicht auf, können
aber auch durch zusätzliche
Prozesse oberflächenbeschichtet,
beispielsweise verzinkt werden.
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Die
Wirkung der magnetischen Abschirmung ist dann optimal, wenn das
Kabelsystem keinen Nullstrom führt.
Dies dürfte
für bei
einem "idealen" Drehstromsystem
der Fall sein. Wichtig bei der magnetischen Schirmung eines Drehstromkabels
ist, dass alle drei Kabeladern gemeinsam von der hochpermeablen
Schirmungshülle
umfasst werden. Daher werden die Abschirmbänder über die drei verseilten Kabeladern
gewickelt. Um hohe magnetische Leitwerte der Schirmungshülle zu erhalten
und um das die Kabeladern etwa zirkular umgebende Magnetfeld optimal
zu führen,
ist es wichtig, die Abschirmbänder
mit kleiner Schlaglänge
um die Kabeladern zu wickeln. Hierdurch liegt die Wicklung der Abschirmbänder fast rechtwinklig
zur Längsrichtung
der Kabeladern.
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Auftretende
Nullströme
in einem Drehstromsystem können
nur dadurch abgeschirmt werden, dass sie in hochleitfähigen elektrischen
Leitern in ihrer Umgebung Gegenströme induzieren, die durch ein
Gegenfeld das Magnetfeld kompensieren. Dies gilt auch bei einem
anderen als dreiadrigem Kabelaufbau, wo keine Symmetrie der von
den Kabeladern ausgehenden Magnetfeldern vorliegt.
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Deshalb
wird als weitere Ausführungsform vorgeschlagen,
in Kombination mit den magnetischen Abschirmbändern zusätzliche hochleitfähige Schichten
oder Einzelleiter in den Kabelaufbau zu integrieren. Abhängig von
der geforderten Minderung des magnetischen Streufeldes kann schon
eine Lage von Abschirmbändern
ausreichen. In den meisten Fällen
sollte eine zweilagige Schirmungshülle den gewünschten Zweck erfüllen.
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Beim
Aufbringen der Bänder
ist eine kleine Schlaglänge
bei kornorientierten Bändern
entscheidend, um das zirkulare Magnetfeld in der magnetischen Vorzugsrichtung
(dies ist die Längsrichtung) der
Bänder
zu führen.
Auch bei nicht-kornorientierten Bändern wird durch eine kleine
Schlaglänge
der magnetische Widerstand der Schicht minimiert. Der Vorteil einer
kurzen Schlaglänge
ist auch, dass sich die Bänder
beim Biegen des Kabels gegeneinander verschieben können.
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Da
die Bänder
der magnetischen Schirmungshülle
mit kleiner Schlaglänge
aufgebracht werden sollen, können
sie nicht die Funktion einer Armierung übernehmen, um Zugkräfte von
den Kabelenden beim Einziehen der Kabel aufzunehmen und zu halten,
daher kommt zum Kabelaufbau die Armierung hinzu.
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Die
zuvor beschriebenen Maßnahmen
zur magnetischen Schirmung lassen sich auch ausführen für zwei in einer Einleiterkabel-
oder in einer Zweileiterkabelkonstruktion nebeneinander liegende Kabeladern,
von denen die eine den Strom in die eine Richtung führt und
die andere den Strom zurückführt, wie
dies beispielsweise bei einem einphasigen Wechselspannungssystem
oder einem bipolaren Gleichspannungssystem der Fall ist.
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Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Figuren dargestellt,
welche im Einzelnen zeigen:
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1 drei Konstruktionen eines magnetisch geschirmten,
armierten Dreileiterkabels und
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2 eine
magnetisch geschirmte Anordnung im Muffenbereich.
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Die 1 zeigt ein Hochspannungskabel für Drehstrom
mit drei verseilten Adern 1, einer magnetisch schirmenden
Schicht 2 (Schirmungshülle)
und einer Armierung 3, wobei die Armierung die Aufgabe von
Kabelzugelementen zu übernehmen
hat, an denen das Kabel in Kabelgräben, in Rohre oder Düker einziehbar
ist. Die Leiter der Adern sind wie üblich isoliert und die Isolierung
mit innerer und äußerer Leitschicht
versehen. In der Teilfigur 1A ist ein magnetisch
geschirmtes, armiertes Dreileiterkabel dargestellt. Teilfigur 1B entspricht 1A,
aber zusätzlich
mit einer hochleitfähigen
Schicht 4 unterhalb der Bandschicht. Die Teilfigur 1C unterscheidet
sich von Teilfigur 1A durch einen zusätzlichen
Kompensationsleiter 5 innerhalb der Bandschicht.
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Die 2 zeigt
eine magnetisch geschirmte Anordnung im Muffenbereich. Wobei ein äußeres Schirmungsrohr 6 für die Muffenschirmung
und Muffen 7 dargestellt sind.
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Die 1A zeigt
eine erste Lösungsvariante mit über der
Schirmungshülle
liegende Armierung. Diese Armierung kann aus Bändern oder -drähten, beispielsweise
aus Stahl oder Bronze, vorzugsweise auch als Flachdraht ausgebildet,
bestehen. Bei geeigneter Auslegung ergänzen sich Armierung und Schirmungshülle sowohl
elektromagnetisch wie auch mechanisch.
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Wie
schon angesprochen, funktioniert die beschriebene Art der magnetischen
Abschirmung dann optimal, wenn ein Drehstromsystem keinen Nullstrom
führt.
(Erklärung:
Ohne Nullstrom ergänzen
sich die drei Ströme
eines Drehstromsystems in jedem Augenblick zu Null).
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Es
wird daher für
Drehstromsysteme oder für andere
als dreiadrige Kabelkonstruktionen vorgeschlagen, die Abschirmung
dadurch zu unterstützen, dass
in Kombination mit den magnetischen Abschirmbändern zusätzliche hochleitfähige Schichten 4 oder
Einzelleiter 5 in den Kabelaufbau eingebracht werden. Nullströme oder
Unsymmetrieströme
induzieren in den hochleitfähigen
elektrischen Leitern in ihrer Umgebung Gegenströme, die durch ein Gegenfeld
das Magnetfeld kompensieren. Dabei wird die beste Abschirmwirkung
erreicht, wenn diese sich innerhalb der magnetischen Bandschicht
befinden. Zwei Lösungsvarianten
sind in den Teilabbildungen 1B und 1C dargestellt,
wo die Kompensationsleiter als eingezogene Einzelleiter 5 oder
als leitfähige
Schicht 4 unter der Schirmungshülle dargestellt sind. Eine
weitere, nicht dargestellte Möglichkeit besteht
in der Anordnung einer koaxialen hochleitfähigen Hülle um jede Kabelader; somit
auch hier unterhalb der Schirmungshülle.
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In
den Muffenbereichen muss die magnetische Schirmung durch Absetzen
der Armierung und der Schirmungshülle unterbrochen werden, so
dass hier zusätzliche
Maßnahmen
ergriffen werden müssen.
Eine wirksame Schirmung innerhalb dieses Bereiches kann so erreicht
werden, wie dies in der 2 dargestellt ist: über die
gesamte Muffenanordnung wird ein magnetisch wirksames Rohr 6 geschoben.
Dieses Rohr kann ein Stahlrohr mit der erforderlichen Wanddicke
sein. Es kann aber auch als Kunststoff-Verbundrohr ausgestaltet
sein, indem ein Kunststoffrohr mit einer oder mehreren Schichten
von Elektrobändern
umwickelt wird, ähnlich
wie in den sonstigen Bereichen die verseilten Kabeladern 1.
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Dabei
ist es nicht unbedingt erforderlich, dass das äußere Schirmungsrohr 6 an
seinen Enden mit der Schirmungshülle 2 der
Kabeladern magnetisch dicht verbunden wird. Unter dem Aspekt der magnetischen
Abschirmung reicht es aus, wenn das äußere Schirmungsrohr 6 um
eine Länge,
die seinem Durchmesser entspricht, die abgesetzten Enden der Schirmungshülle der
Kabeladern überdeckt.
Unter Erdungsgesichtspunkten wird es sinnvoll sein, das äußere Schirmungsrohr
mit der Schirmungshülle
der Kabeladern elektrisch zu verbinden.
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Befinden
sich in den Kabeladern innerhalb der Schirmungshülle Leitschichten oder zusätzliche Kompensationsleiter,
vergl. 1B und 1C, so sind deren Enden in den
Muffenbereichen entweder durchzuverbinden oder aber zu erden.