DE2054170A1

DE2054170A1 - Starkstromanlage mit gleichmäßiger Leitertemperatur

Info

Publication number: DE2054170A1
Application number: DE19702054170
Authority: DE
Inventors: Christian Worm Lysaker Johnsen John Normann Oslo Hirsch, (Norwegen)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-11-08
Filing date: 1970-11-04
Publication date: 1971-05-19
Also published as: AT309555B; JPS4827552B1; CH521005A; BE758654A; DE2054170B2; FR2067048A1; ES385341A1; CA930825A; FR2067048B1; HU166294B; US3666879A

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thul 2054170

Stuttgart

C.W. Hirsoh - J.N. Johnsen 10/11 - 6/7 DiMQiATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York Starkstromanlage mit gleiohmäsalger Leitertemperatur.

Die Anmeldung bezieht sich auf eine vorgefertigte, auf einer bestimmten Kabeltrasse zu verlegende Starkstromkabelanlage und auf die Aufrecht» erhaltung von weitgehend gLeichraässigen Betriebsbedingungen entlang der gesamten Kabelanlage.

Die Strombelastbarkeit von Starkstromkabeln ist von verschiedenen Faktoren, wie den Eigenschaften des Leiters, der Isolation und der Kabel— Umgebung, abhängig. Besonders kritisch sind die Eigenschaften der Isolationswerkstoffe, besonders deren Hitzebeständigkeit. Eine Kabelisolierung wird nämlich in den meisten Fällen ihre ursprüngliche Isolationselgensohaft verlieren, wenn sie für eine gewisse Zeitspanne einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wurde, PUr die gegebenenfalls auf die Isolierung einwirkende Wärme sind der Leiterwiderstand und die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung selbst und der Kabelumgebung verantwortlich. Ein Irgendwo verlegtes Kabel darf daher keinesfalls in solchem MaBe strombelastet werden, dass es zu einer Verschlechterung der Isolierung kommen könnte. Um stets auf der sioheren Seite zu liegen, sind daher überdimensionierungen der Leiterquersohnitte allgemein üblioh.

Starkstromkabel sind üblicherweise so ausgelegt, dass die Verluste, d.h. Verluste im Leiter, dielektrische Verluste in der Isolierung, Mantelverluste und dergleichen, entlang der Kabelanlage bei konstantem Strom und konstanter Spannung konstant bleiben. Es gibt Jedoch zwei Faktoren, die höhere Temperaturen als erwUnaoht verursachen können, falls keine Massnahmen getroffen werden, um solohe zusätzlichen Verluste auszugleichen. Erstens kann die Wärmeleitfähigkeit der Kabelumgebung entlang einer Kabeltrasse beträchtlich variieren, woduroh eine erhöhte Temperatur der Kabel an Orten mit geringer Wärmeleitfähigkeit

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verursacht wird, Zweitens kann die Leitertemperatur an solchen Stellen, wie Muffenverbindungen, ansteigen, wo zwei Kabellangen miteinander verbunden sind. Duroh die«· beiden Faktoren verursachte Schwierigkeiten werden später noch näher betrachtet.

Die Wärmeleitfähigkeit der Kabelumgebung hängt davon ab, ob das Kabel in Sand, Erde, Lehm, Wasser oder Rohren verlegt ist. Solche veränderlichen Bedingungen werden bei der Dimensionierung von Kabeln dadurch berücksichtigt, dass Kabel mit häherer Wärmeleitfähigkeit eine höhere zulässige Belastbarkeit aufweisen als solche mit geringerer Wärmeleitfähigkeit. Oft ändert sieh Jedoch die Wärmeleitfähigkeit der Kabelumgebung entlang der Kabeltrasse. Wenn unter solchen Bedingungen ein Kabel des gleichen Typs, d.h. mit einem Leiter gleichen Querschnitts und Werkstoffs, für die gesamte Kabelanlage verwendet wird, dann wird die Leitertemperatur auf der Kabellänge schwanken. Wenn dabei auch nioht die für diesen Kabeltyp zulässige Leitertemperatur oder die Betriebespannung überschritten werden, so müssen diese Randbedingungen dooh bei der Dimensionierung der Kabelanlage berücksichtigt werden.

Bei der Dimensionierung der Kabelanlage ist daher der Teil der Kabeltrasse der kritische Teil, der die geringste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Folge davon ist, das· die Kabellängen, die in Bereichen mit höherer Wärmeleitfähigkeit verlegt sind, eine geringere als die zulässige Leitertemperatur aufweisen, weil sie nioht bis zu ihrer zulässigen Strombelastbarkeit belastet sind. Sine solohe tiberdimensionierung ist verständlicherweise sehr kostspielig. Dies 1st besonders bei längeren Seekabeln der Fall, wo der grösste Teil der Kabelanlage unter ausgezeichneten thermisohen Bedingungen betrieben werden kann, nämlich der Teil der Kabelanlage, der im Wasser verlegt ist, und Iediglioh ein verhältnlsmässig kurzes Stück der Kabelanlage an beiden

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Enden wird, in die Erde verlegt, unter verhaltoismässig sohlechten thermischen Bedingungen betrieben und bildet daher den kritischen Paktor für die Dimensionierung der gesamten Kabelanlage.

Es ist schon versuoht worden, diese wegen der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit entlang der Kabeltrasse schlechte Ausnutzung der Kabel dadurch zu verbessern, dass die Kabelanlage aus Kabeln mit unterschiedlichen Kabelquerschnitten zusammengestellt wurde. Die Alternativlösung ist aber normalerweise aufwendig und kostspielig, besonders bei ölgefüllten Kabeln. Auseerdem sind die hierbei erforderlichen Spezialmuffen aus mechanischen und elektrischen Gründen unerwünscht, besonders bei Seekabeln. So sorgfaltig eine solche Spezialmuffe auch konstruiert und montiert sein mag, ist doch in den meisten Fällen die dielektrische Festigkeit des Kabels in oder in der Nähe der Muffe geringer als die der Isolation des Übrigen Kabels. Weiterhin wird der Leiter in der Mitte einer Muff· wegen der zusätzlich erfordert.ionen Isolation helsser sein als sonst im Kabel.

Damit eine Kabelanlage unter den bestmöglichen Betriebsbedingungen arbeitet, sollte daher ein Kabel in der Welse ausgelegt sein, dass die Betriebstemperatur an Jedem Funkt der Anlage unterhalb der maximal zulässigen Temperatur liegt. An Kabelmuffen dagegen sollte die Betriebstemperatur noch niedriger sein.

In der Vergangenheit sind die Leiter für isolierte Kabel wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der damit verbundenen geringen Verluste aus Kupfer hergestellt worden. In jüngster Zeit haben die damit verbundenen hohen Kosten für einen Austausch durch das weniger kostspÄige Aluminium gesorgt, obwohl dessen Leitfähigkeit nur 60 Prozent des Kupfers beträgt. Pur einige Anwendungen ist der Austausch von Kupfer durch Aluminium nur gering gewesen wegen gewisser Nachteile des Aluminiums im Vergleich zum Kupfer, wie *.B. der höhere thermische Ausdehnungskoeffizient und die schwierigere Verbindungstechnik.

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Bei im Erdboden verlegten Kabeln wiegen die erwähnten Nachteile nicht so schwer, weil das Kabel festgelegt let, so dass eine Erwärmung des Kabels während dee Betriebes keine wesentliche Lenge·· oder Querbewegung des Kabels hervorrufen kann. Auch bei Seekabeln sind diese Schwierigkeiten geringer, weil das in Wasser liegende Kabel sich wegen der guten KUhlwirkung des Wassers kaum aufheizen wird und die Kabelteile ^ an Land ebenfalls in Brdboden verlegt sind.

Völlig anders ist dagegen die Situation bei Kabeln, die in Rohren verlegt sind und die während des Erwärmens oder Wiederabkühlens in den Rohren Längebewegungen ausfuhren. Un diese Dehnungen aufzufangen, 1st es meist erforderlieh, in der Kabelanlage an Jeder Verbindungsstelle unterirdische Kammern vorzusehen, damit das Kabel auf jeder 3elte der Verbindungsstelle in Form eines "υ" gebogen werden kann« Diese Art des Dehnungsausgleichs wird seit längere« fur Kabel mit Kupferleitern praktiziert und es sind Methoden gefunden worden, mit denen erfahrungBgenäse die Kupferleiter so verbunden werden können, dass die Leiter den wiederholten Biegungen und Drehungen standhalten· Die meist verwendete Technik besteht darin, dass eine KupferhULse Über die beiden Leiter* enden geschoben und dann hydraulisch zusammengepresst Wird, wobei die Hülse dem Leiter den erforderlichen Halt gibt, um den wiederholten Biegungen standzuhalten.

Die vorstehend erwähnte Verbindungstechnik hat eich bei Aluminiumleitern als weniger brauchbar erwiesen «igen der geringeren Äugfeetigkeit von Aluminiuahüleen zusammen mit dem bereite erwähnten grtieeeren thermischen Auedehnungekoeffizienten von Aluminlusu Verbindungen von Aluminiumleitern für Hoohspannungekabel werden daher meist durch Sohwelasen oder Löten hergestellt. Während sioh diese Verfahrensweise für im Erdboden verlegte Kabel als allgemein brauchbar erwiesen hat, mag diese wegen der Sr» weiofaung des Aluminium· an der aohweiBstelle für in Rohren verlegte Kabel weniger brauchbar sein. Wenn der Leiter noch dazu aus halb« oder

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dreiviertelharte» Aluminivuadrähten verseilt ist, dann wird dieser weiche Bereich einen schwachen Punkt bilden* wenn das Kabel einer fortwährenden Biegung unterworfen ist. .

Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es daher, eine vorgefertigte Starkstromkabelanlage mit einem besseren Mutzeffekt anzugeben, welche die aus der Anwendung konventioneller Dinensionierungsmethoden herrührenden überdimensionierungen und unerwünschte Spezialmuffen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der spezifische Widerstand des elektrischen Leiters entsprechend den erforderlichen Leitertemperaturen entlang der gesamten Anlage ausgebildet ist.

Die thermische Leitfähigkeit kann in einem frühen Planungsstadium für die gesamte Kabeltrasse gemessen oder abgeschätzt werden, so dass festgelegt werden kann, welcher spezifische Widerstand des Leiters in den verschiedenen Abschnitten der Kabelanlage vorgesehen werden soll, so dass eine optimale Ausnutzung der zulässigen Strombelastbarkeit in allen Kabelabschnitten sichergestellt ist.

Oemäas der weiteren Erfindung, bei welcher der spezifische Widerstand des Leiters entsprechend der gewünschten Leitertemperatur an jedem Punkt der Kabelanlage dimensioniert ist, sind die Änderungen des spezifischen Leiterwiderstandes As elektrischen Leiters bewirkt durch einen teilweisen oder vollständigen Austausch des Leiterwerkstoffes entlang der Anlage. Die Leiterwerkstoffe sind Kupfer und Aluminium und die Änderungen im spezifischen Leiterwiderstand des elektrischen Leiters sind unter Aufrechterhaltung der geometrischen Dimensionen des Leiters durchgeführt·

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Bine weitere Aufgab« der Anmeldung 1st «s, den Leiter des Kabele in der weise zu gestalten, dass die Leitertemperatur in den Muffen so gering wie möglieh ist* Dies wird gemäss einem anderen Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, dass an den Enden einer Fertigungslänge und an Kabellängen, die miteinander verbunden werden sollen, die Aluminiumanteile am Leiterquerschnitt schrittweise durch Kupfer ersetzt sind.

Das bedeutet einmal, dass die Leitertemperatur in der Muffe wesentlich geringer sein wird als an anderer Stelle des Kabels. Weiterhin wird die Betriebstemperatur der Isolation in oder in der Nähe der Muffe geringer sein als die Isolationstemperatur des restlichen Kabels, welches sich in geringeren dielektrischen Verlusten ausdrucken wird. Sin weiterer Vorteil 1st mwsserdem darin zu sehen, dass die sich bei der Verbindung von zwei Kabellängen ergebenden Schwierigkeiten weitgehend ausgeräumt sind, weil es stets einfacher ist, zwei Kupferleiter miteinander zu verbinden als zwei Aluminiumleiter.

Öle vorgeschlagene Lösung vermeldet ausserdem die normalerweise mit der Verwendung von Aluminium als Leiterwerkstoff verbundenen Nachteile, während gleichzeitig die Vorteile durch die Verwendung von Aluminiumleitern bestehen bleiben.

Anhand der beigefügten Figuren 1 bis ]5 werden nachstehend Einzelheiten der Erfindung näher erläutert. Ss zeigen:

Fig. la, Ib und Io verschiedene Querschnitte eines Leiters, bei dem

der Leiterwerkstoff Aluminium schrittweise durch Kupfer ersetzt ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt duroh den Leiter mit den verschiedenen Querschnitten gemäss Fig. la, Ib und Ic,

V-

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CW. Hirsch - J.N. Johnsen 10/11 - 6/7 Fig. 3 sechs Einzelleiter aus der Abwicklung der Lage

eines Leiters» bei dem der Werkstoff der Einzelleiter schrittweise gewechselt wird.

Die. Fig. la, Ib und Ic zeigen den Leiter eines Starkstromkabels« der aus einem hohlen zylindrischen Kern 1 und zwei Lagen 2 und 3 einer Mehrzahl von Profildrähten besteht. In Flg. la bestehen der Kern 1 und die innere Lage 2 der Profildrähte aus Aluminium, während die äussere Lage 3 der Profildrähte aus Kupfer besteht. In Fig. Ib ist der Leiterwerkstoff der inneren Lage 2 der Profildrähte durch Kupfer ersetzt worden, während in Fig. Io auch der Kern 1 aus Kupfer besteht. Die in diesen Figuren gezeigten Querschnitte des Starkstromkabelleiters stellen somit einen Leiter dar, dessen spezifischer Widerstand entsprechend der gewünschten Leitertemperatur ausgebildet ist.

Die veränderten spezifischen Widerstände des Leiters in Längsrichtung werden durch Leiter aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen erzielt. Wenn bei langen Kabeln der Leiter aus mehreren miteinander verseilten Einzelleitern besteht, sollen die Anzahl der den Leiter bildenden Einzelleiter und deren geometrische Form entlang des gesamten Kabels gleich bleiben.

Wenn der Leiter aus mehreren miteinander verseilten Einzelleitern besteht, dann soll eine Änderung des spezifischen Wideretandes durch Änderung des Werkstoffes mindestens eines Einzelleiters bewirkt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass vor der endgültigen Formung des Leiters Einzelleiter verschiedener Wertestoffβ durch Schweissen, Löten oder Pressen miteinander verbunden werden. Dies beinhaltet noch den Vorteil, dass eine solohe Verbindung während der weiteren Verarbeitung, beispielsweise bei Abziehen des Kabels, selbsttätig geprüft wird.

Flg. 2 zeigt den Längssohnltt durch einen Leiter mit sich änderndem spezifischen Widerstand, wobei die Schnitte A-A, B-B und CC den Fig. la,

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Ib und Io entsprechen. Aa linken Bade besteht dieses Leiterstüok noch vollständig aus Aluminium, während es an rechten Ende nunmehr aus Kupfer besteht. Diese Figur zeigt» dass der Leiterwerkstoff nicht plötzlich auf des gesamten Querschnitt wechselt. Die Schichten 4, 5 und 7 kennzeichnen dabei Aluminium-Anteile an der äusseren und inneren Lage sowie den Kern, während die Schichten 6, 8 und 9 die Kupfer-Anteile bezeichnen.

Wenn der Leiter aus zwei oder «ehr EinzeldrKhten besteht, von denen Jeder aus zwei verschiedenen Werkstoffen zusaiaoengesetzt ist« so sollen deren Verbindungestellen in der Länge entsprechend gegeneinander versetzt angeordnet sein, damit ein plötzlicher Wechsel in den meahanisohen und elektrischen Leitereigensohaften vermieden ist. Der Abstand zwischen den einzelnen Verbindungsstellen sollte mindestens zehn Zentimeter betragen.

Big. 3 zeigt in der Abwicklung sechs Eincelleiter einer Lage des Leiters, beispielsweise sechs von den achtzehn Einzelleitern, welche die äussere Lage des Leiters in den Pig. la, Ib, Io und 2 bilden. Da es sich als zweckmässig erwiesen hat, den Wechsel in Leiterwerkstoff bei den einzelnen Leitern über eine bestirnte Lange zu staffeln, 1st in Flg. gezeigt, wie dies bei einer Verseillege durchgeführt 1st. Am äussersten linken Ende bestehen alle Einzelleiter aus Aluminium, während sie am äusseren rechten Ende aus Kupfer bestehen. Es ist ersichtlich, dass Jede Verbindung zwischen zwei Einzelleitern aus unterschiedlichem Werkstoff mit Abstand von der benachbarten Verbindung angeordnet ist, wobei die Verbindungen ineinander verschachtelt sind. Die Verbindungsstelle des Sinzeldrahtes 13 1st dabei zwlsohen den noch nicht aus anderen Werkstoff bestehenden benachbarten Einzeldrähten 12 und 14 angeordnet.

Die gegeneinander versetzte Anordnung der Verbindungsstellen der Einzelleiter im Leiter kann in einfacher Welse bein Verseilen erreicht

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werden, wenn nämlich alle Verbindungsstellen vom Drahtabzug versetzt eingegeben werden, so dass schliesslich In dem fertig verseilten Leiter die Verbindungsstellen gegeneinander versetzt erscheinen.

Besonders bei ölgefüllten Seekabeln, die in endlichen Fertigungslängen hergestellt und noch in der Fabrik verbunden werden, ist es besonders vorteilhaft, kurz vor den Verbindungsstellen der einzelnen Fertigungslängen auf Kupferleiter überzugehen, weil dadurch mechanisch festere Verbindungen herstellbar sind. Dies ist besonders wichtig bei Röhrenkabeln oder in Rohren verlegten Kabeln.

Bei Röhrenkabeln, die üblicherweise aus einigen miteinander verbundenen Längen bestehen, ist es besonders wichtig, dass die Zugfestigkeit der Verbindung nicht geringer 1st als die des Kabels. Die mechanische Beanspruchung ist nämlich bei einem Röhrenkabel beträchtlich, wenn sich das Kabel infolge der Temperaturänderungen in dem engen Rohr ausdehnt und wieder schrumpft.

Bei in Rohren verlegten Kabeln, bei denen an den Verbindungsstellen eine bestimmte Länge als Schleife in einem Hohlraum verlegt ist, sollte der Wechsel zum Kupferleiter schon an Stellen vorgenommen sein, wo ! sich das Kabel noch im Rohr befindet. Auf diese Weise besteht der ganze Teil des Kabels, der den stärksten Biegingen ausgesetzt ist, aus ■ Kupfer, so dass die in dieser Hinsicht bereits lange Zeit mit Kupfer- ^:> leitern gemachten guten Erfahrungen ebenso für Kabel «lt Aluminium/ , Kupfer-Leiter gelten. Der Weohsel zum Kupferleiter sollte aber mögliohst j nahe an der Schleife, d.h. etwa einen Meter vom Rohrende vorgenommen , werden, damit auch nur die geringstmögliche Kupfermenge verbraucht wird.

. Ss ist natürlich überhaupt vorteilhaft, wenn in der Nähe von Muffen von Aluminium auf Kupfer als Leiterwerkstoff übergegangen wird, auch wenn das Kabel nicht in Rohren verlegt ist und eine erhöhte meohani-

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sehe Belastung der Muffen nioht zu erwarten ist. Dies ist beispielsweise bei Seekabeln der Fall, well dort die Muffenverbindungen unter ungifcistigen Musseren Bedingungen, wie z.B. an Bord eines Schiffes, hergestellt werden, so dass deren Qualität gelegentlich nicht so gut sein kann.

FUr Seekabel, die entweder während der Verlegung oder später ungewöhnlichen Belastungen ausgesetzt sind, garantiert die zusätzliche Festigkeit der Kupferverbindung die Brauchbarkeit dieser Leiterkonstruktion.

Da die geometrischen Maße des Kabels für die gesamte Anlage gleich bleiben, ist auch die Fertigung einfach. Nachdem der Leiter fertig geformt ist, kann er im gleichen Arbeitsgang weitere Fertigungsstufen, wie solche zum Aufbringen der Isolation, der Ummantelung und der Bewehrung, durchlaufen.

11 Patentansprüche

1 Bl.Zeichnung mit ? Fig.

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Claims

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Patentansprüche

orgefertigte Starkstrorakabelanlage, bei der das verlegte Kabel entlang der Kabeltrasse unterschiedlichen thermischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt 1st, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des elektrischen Leiters entsprechend den erforderlichen Leiterteniperaiuren entlang der gesamten Anlage ausgebildet ist.
2. Starkstrorakabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen des spezifischen Leiterwiderstandes des elek trischen Leiters bewirkt sind durch einen teilweisen oder vollständigen Austausch des Leiterwerkstoffes entlang der Anlage.
3. Starkstromkabelanlage nach den Ansprüchen 1 und 2» dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterwerkstoffe Kupfer und Aluminium sind.
4. Starkstromkabelanlage naoh den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen im spezifischen Leiterwiderstand des elektrischen Leiters unter Aufrechterhaltung der geometrischen Dimensionen des Leiters ausgeführt sind.
5. Starkstromkabelanlage naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden einer Fertigungslänge und an Kabellängen, die miteinander verbunden werden sollen, die Aluminiumanteile am Leiterquerschnitt schrittweise durch Kupfer ersetzt sind.
6. Starkstromkabelanlage naoh den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelleiter aus »ehreren verseilten Einzelleitern besteht.

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7. Starkstromkabelanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Blaselleiter entlang der gesamten Kabelanlage konstant 1st.
8. Starkstrookabelanlage nach den Ansprüchen 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, dass bei einen Leitender Einzelleiter sowohl aus Aluminium als auch Kupfer enthalt« die Aluminium-Einzelleiter im Kern und In den inneren Lagen und die Kupfer-Einzelleiter in der oder den ausseren Lagen angeordnet sind.
9. StarkstroBkabelanlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelleiter aus unterschiedlichem Werkstoff nlttels Solmeissen, Löten oder Pressen vor dem Verseilen zum Leiter miteinander verbunden sind.
10. StarkstroBkabelanlage nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen der Einzelleiter auf dem Leiter längsversetzt gegeneinander angeordnet sind.
11. StarkstroBdcabelanlage nach den Ansprüchen 1 bis 10» dadurch gekfpnzelobnet, dass die Verbindungsstellen der Einzelleiter In einer Lage des Leiters Ineinander verschachtelt angeordnet sind.

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