DE2150113B2

DE2150113B2 - Starkstromkabel mit Verdampfungskühlung. Aiun: Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka (Japan)

Info

Publication number: DE2150113B2
Application number: DE19712150113
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Osaka Kubo (Japan)
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1970-10-07
Filing date: 1971-10-07
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE2150113C3; FR2110285B1; GB1368497A; DE2150113A1; FR2110285A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Starkstromkabel mit Verdampfungskühlung, bei dem ein isolierendes, verflüssigbares Gas in einem durch Kühlmittelkanäle in end außerhalb des Kabels gebildeten und eine Rückkühlvorrichtung enthaltenden Kühlmittelkreislauf eingeschlossen ist

In der britischen Patentschrift 988 Ü30 ist ein Starkstromkabel beschrieben, das mit Hilfe der Verdampfungskühlung gekühlt wird. Dieses bekannte Starkstromkabel v/eist einen zentralen Flüssigkeitskanal auf, der durch eine Stahlspirale gebildet wird, auf die der elektrische Leiter in form einer Vielzahl von fiinzeldrähten aufgebracht ist. Der elektrische Leiter ist von einer porösen Isolierschicht umgeben. Das aus Stahlspirale, elektrischem Leiter und Isolierichicht bestehende Kabel ist in einem Rohr untergebracht, weiches das Kabel unter Bildung eines Ringraumes umgibt.

Der von der Stahlspirale umschlossene zentrale 'I" Kanal des Kabels wird mit einer unter Druck stehenden, isolierenden Kühlflüssigkeit beschickt. Der Ringraum zwischen dem Kabel und dem das Kabel umgebende Rohr wird an eine Unterdnickquelle •ngeschlossen. Da der zentrale Kanal, der elektrische Leiter und die Isolierschicht des Kabels gasdurchlässig sind, verdampft die im Kanal des Kabels befindliche Kühlflüssigkeit bei einer durch dt:n Strom hervorgerufenen Erwärmung des Kabels. Der Kühlmitteldampf dringt dim-h d;is Kabel hindurch und 5< > gelangt in den Dampir.ium zwischen dem Kabel und «km Umgebuingsrohr, wobei dem Kabel die zur Verdampfung der Kühlflüssigkeit erforderliche Wärmemenge entzogen und damit das Kabel gekühlt wird.

Bei diesem bekannten Stärkst!· ;nkabf*l isl jedoch :>.'i eine Pumpenanlage erforderlich, welche den Kühlmitteldampf aus der Dampfkammer /wischen dem Kabel und dem Umgebungsrohr abzieht und für einen entsprechenden Unterdruck in der Dampfkammer sorgt und das, kondensierte Kühlmittel wieder in den β ο zentralen Kanal des Kabels hineindrückt. Wenn die Pumpenanlage einmal versagt, bricht das gesamte Kühlsystem des Starkstromkabels zusammen, was zu einer völligen Zerstörung des Starkstromkabel;·, durch übermäßige Erhitzung führen kann. Die Pumpenanlage bedarf daher einer sorgfältigen und gründlichen Wartung und Pflege, um einen Ausfall des Kühlsvstems zu verhindern. Diese sorgfältige War tiwg und Pfleg⁶ ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden, Darüber hinaus kann seitot durch wine sorgfältige Wartung und Pflege ein Austall der Pumpenanlage durch eine Unterbrechung der Stromzufuhr zur Pumpenanlage nicht verhindert werden. Die Kühlung des bekannten Starkstromkabels hängt daher nicht nur von der Wartung und Pflege, sondern auch von der Stromzufuhr zur Pumpenanlage für die Kühlung des Starkstromkabels ab.

Es war daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Starkstromkabel zu schaffen, das mit Einrichtungen zur Ableitung der Wärme versehen ist, die keine Wartungsarbeit und möglichst geringe Störanfälligkeit aufweisen.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Flüssigkeitsspieigel des Kühlmittels in einem mit dem Kabel verbundenen Vorratsbehälter höher gehalten ist als der Kühlmitteleinlaß am Kabel, daß die Vorlaufleitung vom Vorratsbehälter mit Kühlvorrichtung zum Kabel langer als die Rücklaufleitung ist und daß der Druck im Kühlmittelkreislauf während des Betriebes oberhalb eines bestimmten Wertes unabhängig von äußeren Bedingungen gehalten wird.

Wenn das erfindungsgemäße Starkstromkabel durch den Strom erhitzt wird, beginnt die im Kabel befindliche Kühlflüssigkeit nach Überschreiten des durch den Druck im Kühlmittelkreislauf vorbestimmten Dampfdruckes zu verdampfen. Da der von den Dampfblasen zu überwindende Widerstand in dei kürzeren Rückiaufleitung geringer ist als in dei längeren Vorlaufleitung, beginnt das Kühlmedium über die kürzere Rücklaufleitung in Form eines Gemisches aus Dampf und Flüssigkeit oder in Forrr von Dampf der Kühlvorrichtung und dem Vorrats behälter zuzufließen. Gleichzeitig fließt aus dem Vorratsbehälter flüssiges Kühlmittel über die Vorlaufleitung in das Kabel nach. Hierdurch entsteht eir Zwangsumlauf des Kühlmitte'·., der ausschließlich auf die Wärmekonvektion zurückzuführen ist. Die Verdampfung des Kühlmediums bewirkt die Kühluni des Starkstromkabels.

Bei dem erfindungsgemäßen Starkstromkabel sine daher keine Pumpeneinrichtungen erforderlich, welche das Kühlmedium umwälzen. Da bei dem erfindungs gemäßen Starkstromkabel keine Pumpenanlagen vor handen sind, entfallen auch die Wartungsarbeiter für derartige Pumpenanlagen, so daß das erfindungs gemäße Starkstromkabel während des Betriebe: äußerst wirtschaftlich ist und darüber hinaus so g» wie keine Störanfälligkeit aufweist.

Im Nachfolgenden werden verschiedene Ausfüh rungsbcispicle der Erfindung ar. Hand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeiget

Fig. 1 —3a Querschnitte durch einige Ausfüh rungsformen von Kabeln,

Fig 4 eine schematiche Darstellung eines Aus führungsbeispieles der erfindungsgemäßen Stark stromkabcikühleinrichtung,

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Tempera turverlaufes eines Starkstromkabels in Abhängigkei von der Zeit bei Auftreten einer plötzlichen Strom zunähme im Kabel.

Fig. 6—-7 die schematischen Darstellungen wei lerer Ausführungsbeispiele der erfindungsgcmäßci Stärkst romkabclkühleirmchtungen.

In den F ie. 1 — 3 (3a) werden einige Beispick von Kabeln gezeigt. L's kann jede Druckkahcl mr .;;"...;■, dichten Kanal zur Aufn.'thr. eine- isolieren

d,en Kühlmittels verwendet werden. Es ist lediglich wichtig, daß rlar, Kühlmittel diiekt oder übwr das den Kunal bildende Metallrohr mit dem elektrischen Leiter in Berührung steht.

F i g. I zeigt einein Querschnitt durch ein Kabel, bei welchem das isolierende Druckmedium und das Kühlmedium getrennt vorliegen. Es bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Stahlrohr, 2 ein isolierendes öl, 3 ein Aluminiumrohr für die Bildung eines Kanals 5 für einen als Kühlmittel verwendeten teilweise oder vollständig halogenisierten Kohlen wasserstoff, 4 eine Gleitführung, wie ein Gleitseil, das an der Außenfläche des Rohres 3 angebracht ist. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen rohrförmigen unterteilten Leiter, mit dessen lonenumfangswand ein Aluminium- '5 rohr 7 in dichtem Eingriff steht und an dessen Außenumfangswand eine isolierende Schicht 9 (einschließlich einer elektrischen Abschirmschicht und einer mechanischen Schutzschicht) aus einem in Öl eingetauchten Papier vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 2» |0 bezeichnet eine Gleitführung, wie ein Gleitseil, (las an der Außenoberfläche der isolierenden Schicht 9 vorgesehen ist. wobei das Rohr 7 den Kanal für das Kohlenw.asserstoffgas bildet. Die Elemente 3 bis 5 bilden Hüllenküirtlrohre und die Elemente 6 bis 10 bilden Kabelkcrne. Das Hüllcnkühlrohr wird im Bedarfsfall vorgesehen, wenn der Hüllenverlust groß isi. Wenn an Stelle von Öl ein Kühlmittel ais isolierendes Druckmedium verwendet 'vird, ist dieses Hüllenkühlrohr unabhängig vom Hüllenverlust 3u υ η η öl ig.

F i g. 2 zeigt ein in sich geschlossenes Kabel, bei welchem das Kühlmedium als isolierendes Druckmedium verwendet wird. Fig. 3 zeigt ein festes isolierendes Kabel ohne Verwendung eines isolierenden Mediums. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine imlikorrosive Schicht, 12 eine Melallhülle, 13 einen Kanal für den Durchtritt eines Kühlmittels. Die isolierende Schicht 9' in Fig. 2 besteht aus einem isolierenden Papier oder Kunststoffband und die isolierende Schicht 9" in Fig. 3 besteht aus Polyäthylen und der Leiter 6' besteht aus einen: Aiumimumrohr.

Wenn die Gesamtlänge des Kabels sehr yroß ist. wird das Kabel in mehrere Kühlabschnitte unterteilt. In den F i g. 4 - - 7 sind verschiedene Ausführungs-formen derartiger Küblahschnitle dargestellt.

In Fig. 4 bezeichnet 21 ein waagerecht in einen Hohlraum 51 uniier der Erdoberfläche 50 eingebettetes Kabel. Die Be aigszeichen 22 und 23 bezeichnen Verbindungsstellen, die an beiden Enden eines Kühl- 5" abschnitte:; des Kabels 21 vorgesehen sind Die Bezugszeichen 24 und 27 bezeichnen Kühlmittelrohre. wobei das ersten.: auf der flansche und das letztere ,ml der Flüssigkcilsseite liegt. Das Kühlmittclrohi 24 dient als Rücklaufic-itum: und das Kiihlmittelrohr 27 :>:> ils Vorlaufleitung. Das Bezugs/eichen 25 bezeichnet cinci Kondensator und 26 einen Vorratsbehälter für da, flüssige¹ Kühlnvttel. Der Vorratsbehälter im ,i;i! der Erdoberfläche angeordnet und kann gekühlt werden. Bei unterirdisch angeordneten Vorratsbehiil- ⁶ⁿ tern ist dieser zwangsweise /u kühlen. Der Vorratsbehälter 26 gleicht die durch die Temperattiränderungen hervorgerufenen Volumenänderungen de·. Kühlmittels so aus. daß der Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittels gewohnlich bei einer bestimmten Höhe fis liegt.

Diese Kabelleitung wird m der nachstehend beschriebenen Wcicf in Betrieb genommen. Nachdem die geeignete Menge an Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf eingefüllt worden ist, wild das Kühlmittel stationär bleiben, wenn in dem Inneren des Kabels keine Wärme erzeugt wird. In diesem Betriebszustand ist das Innere des Kabels vollständig mit dem flüssigen Kühlmittel gefüllt. Wenn jedoch im Kabel Wärme erzeugt wird und die Temperatur des Kabels ansteigt, wird das Kühlmittel, z. B. ein teilweise oder vollständig halogenisierter Kohlenwasserstoff, in dem Kabel verdampft. Das Kühlmittel dehnt sich aus und der Kühlmitteldampf versucht von den Verbindungsstellen 22 und 23 durch die Kühlmittelrohre 24 und 27 nach oben in den Kondensator

25 und Vorratsbehälter 26 aufzusteigen. Da das Kiihlmittelrohr 27 zwischen der Verbindungsstelle 23 und dem Kondensator 25 langer ist als das von der Verbindungsstelle 22 zum Kondensator 25 führende Kühlmittelrohr 24, ist der den Dampfblasen entgegenwirkende Widerstand im Kühlmittelrohr 27 größer als im Kühlmittelrohr 24. Die Dampfblasen werden daher in zunehmendem Maße im Kühlmittelrohr 24 aufsteigen, so daü das Kühlmittel von der Verbindungsstelle 23 zur Verbindungsstelle 22 zu fließen beginnt. Durch die im Kühlnittelrohr 24 aufsteigenden Dampfblasen nimmt die Flüssigkeitssäule im Kühlmittelrohr 24 ab, während die Höhe der Flüssigkeitssäule im Kühlmittelrohr 27 im wesentlichen unverändert bleibt. Die Höhendifferenz der beiden Flüssigkeitssäulen bewirkt an den Verbindungsstellen 22 und 23 einj Druckdifferenz, welche das Kühlmittel in Form einer Mischung aus Gas und Flüssigkeit von der Verbindungsstelle 23 zur Verbindungsstelle 22 bewegt. Die Druckdifferenz beträgt mehr als 50 Io des Druckes, der durch eine von der Verbindungsstellen 22, 23 bis in den Vorratsbehältei

26 reichende Flüssigkeitssäule des Kühlmittels ausgeübt wird. Es wird daher eine erhebliche Kraft zun Umwälzen des Kühlmittels aufgebracht. In dem du Vorlaufleitung bildenden Kühlmitielrohr 27 kanr ein Rückschlagventil vorgesehen sein, das nur eine Vorlaufströmung des Kühlmittels zur Verbindungs stelle 23 gestattet und der Strömung des Kühlmittel! keinen Widerstand entgegensetz'.

Zur Erzielung einer großen Höhendifferenz zwischen dem Kabel und dem Kondensator kann ent weder das Kabel 21 tief unter der Erc'e cingegraber oder der Kondensatoi 25 mit dem Vorratsbehälter 2( hoch über der Erde angeordnet werden. Selbst wem der Höhenunterschied nur 2 bis 3 m beträgt, wire οί:κ· ausrechende Kraft /um Umwälzen des Kühl mittels erzielt.

In F i g. 6 -st eine weitere Ausfühiungsform de Starkstromkabels gemäß der Erfindung dargestellt

Der Kühlmittelkreislauf wird von einem Kabe 1(11. Kühlmittdrohren 102 und 103 und einer Küh lungseinheit 109 gebildet. Das Kühlmittel ist ein iso Ikrende, und verflüssigbarcs Gas. /.13. ein tcilweJM oder vollständig halogenisierter Kohlenwasserstoi Die Bezugszeichen 105 und 106 bezeichnen Verbin dungEstellen zwischen dem Kabe' und den Kühl mittel rohren 102 und 103. Die Verbindungsstelle ICi bildet den Kühlmitteleinlaß des Kabels 101 und dii Verbindungsstelle 106 den Kühlmittelauslaß de Kabels 101. Die Kiihlungseinheit 109 besteht au einem Vorratsbehälter 104, Kondensator 107 um einem auf Druck ansprechenden Ventil 108. Da Ventil 108 spricht auf den Gasdruck im Vorratsbc hälter 104 an und ist so ausgelegt, daß es sich be

:inem Druck von 20 kp/cm² öffnet. Der Flüssigkeitsspiegel im Vorratsbehälter 104 wird über dem Kühlmitteleinlaß des Kabels 101 gehalten. Wenn Kohlenwasserstoff R-12 als Kühlmittel verwendet wird, entspricht der gesättigte Dampfdruck von 20 kp/cmeiner Temperatur von 70 bis 75" C. Wenn das druckempfindliche Ventil 108 auf einen Öffnungsdruck von 20 kp/cm² eingestellt ist, öffnet sich das Ventil erst. wenn der durch das Kabel hindurchfließendc Strom das Kühlmittel auf eine Temperatur von 70 bis 75 C erwärmt hat. Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt das druckempfindliche Ventil 108 geschlossen, so daß der Durchfluß durch den Kondensator 107 unterbrochen ist und das Kühlmittel im Kabel 101 nicht verdampft wird, wodurch das Kühlmittel in ruhendem Zustand gehalten wird.

Um sicherzustellen, daß die Kühlungseinheit 109 auf den Temperaturanstieg des Kabels 101 rasch anspricht, muß die Wärmekapazität der Kühlungscinheit 109 kleiner als diejenige des Kabels sein. Wenn die Beziehung der Wärmekapazitäten umgekehrt ist. dauert es lange, bis die Kühlungseinhcit auf die Temperaluränderung des Kabels anspricht, so daß eine plötzliche Änderung des elektrischen Stromes nicht, sofort berücksichtigt werden kann. Der Vorratsbehälter 104 strahlt ständig etwas Wärme ab. so daß der Druck im Kühlmittelkreislauf im kalten Winter nicht ausreichend erhöht wird. Es ist daher zweckmäßig, den Vorratsbehälter 104 mit einer Wärmeisolierung gegen die Außenatmosphärc zu verschen, damit eine unerwünschte Kondensation im Vorratsbehälter nach dem vollständigen Schließen des Ventils 108 rasch unterbunden werden kann. Da der Ansprechdruck des Ventils höher ist als der Dampfdruck des Kühlmittels, welcher der maximal auftretenden Umgebungstemperatur entspricht, wird der Druck im Kühlmittelkreislauf so hoch, daß keine Verdampfung in dem die Vorlaufleitung bildenden Kühlmittclrohr 102 stattfindet. Wenn die Wärmeisolierung des Vorratsbehälters 104 ungenügend ist.

findet bisweilen eine leichte Rücklaufbewegung des Kühlmittels statt. Wenn jedoch dci Ansprechdruck des Ventils ausreichend hoch eingestellt und dadurch die Wirkung des Kondensators bis zu der dem Ansprechdruck entsprechenden Temperatur ausgeschaltet ist, erhöht sich der Druck im Kühlmittelkreislauf auch bei einer plötzlichen starken Erwärmung des Kabels so sehr, daß die Verdampfung im Kühlmittelrohr 102 und damit die Rücklaufbewegung des Kühlmittels unterbunden wird. Wenn jedoch der Ansprechdruck des Ventils zu niedrig eingestellt ist. wird die Rücklaufbewegung des Kühlmittels bisweilen nicht unterbrochen, so daß keine stabile Kühlwirkung erzielt wird. Der Ansprechdruck des Ventils hängt von

is der maximal auftretenden Umgebungstemperatur und der Art des Kühlmittels ab.

In Fig. 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel

des erfindungsgemäßen Starkstromkabels dargestellt.

Das Bezugszeichen A bezeichnet einen Vorratsbehälter, in welchen ein flüssiger Kohlenwasserstoff H eingefüllt ist. Der flüssige Kohlenwasserstoff wird über ein Rohr C und eine Kabelverbindung D in das Kabel E geleitet. Der Kohlenwasserstoff nimnu die im Kabel erzeugte Wärme auf. Das Kabel kann einen einzigen Kern oder drei Kerne haben.

Her in dem Kabel erhitzte Kohlenwasserstoff erhält ein leichtes spezifisches Gewicht und verdampft. Der Kohlenwasserstoff steigt daher zum Endverschluß F auf. Die Folge ist. daß sich der Kohlenwasserstoff im Kabel E von der Kabelverbindung D zum Endverschluß F bewegt. Durch die Verdampfung des Kohlenwasserstoffes wird das Kabel gekühlt. Der verdampfte Kohlenwasserstoff gelangt durch den Endverschluß F über ein Verbindungsrohr G.

einen Isolierzylinder H und eine Rohrleitung / zu einem Kondensator J. Der Kondensator J hat eine natürliche Luftkühlung. Der verflüssigte Kohlenwasserstoff wird dem Vorratsbehälter A zugeführt. Das Bezugszeichen K zeigt einen eisernen Tragrah- j

men und L eine Freiluftleitung.

Mti t/n ? Blatt

Claims

Patentanspruch:

Starkstromkabel mit Verdampfungskühlung, bei dem an isolierendes, verflüssigbares Gas in einem durch Kühlmittelkanäle in und außerhalb des Kabels gebildeten, und eine Rückkühlvorrichtung enthaltenden, Kühlmittelkreislauf eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittels in einem mit dem Kabel (21, 101) verbundenen Vorratsbehälter (26, 104) höher gehalten ist als der Kühlmitteleinlaß (23, 105) am Kabel (21. 101), daß die Vorlaufleitung (27, 102) vom Vorratsbehälter (26, 104) mit Kühlvorrichtung (25, 107) zum Kabel (21, 101) langer als die Rück- ,₅ laufleitung (24, 103) ist und daß der Druck im Kühlmittelkreislauf während des Betriebes oberhalb einest bestimmten Wertes unabhängig von äußeren Bedingungen gehalten wird.