DE2212759C3

DE2212759C3 - High voltage cable with plastic insulation

Info

Publication number: DE2212759C3
Application number: DE19722212759
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. 6367 Karben Patsch
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Filing date: 1972-03-16
Publication date: 1976-12-30

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspatmungskabel mit Kunststoffisolierung für Nennspannungen von ^ 110 kV.The invention relates to a high breathing cable with plastic insulation for nominal voltages of ^ 110 kV.

Es ist bereits ein kunststoffisoliertes Hochspannungskabel bekannt, dessen Isolierschichten von innen nach außen zum Zwecke der Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes in der Dielektrizitätskonstante kontinuierlich abnehmen (US-PS 27 17 917).A plastic-insulated high-voltage cable is already known whose insulating layers work from the inside outside for the purpose of equalizing the electric field in the dielectric constant decrease continuously (US-PS 27 17 917).

Die Herstellung von Hochspannungskal:>eln mit Polyäthylenisolierung (sowohl PE als auch VPE) für 20 oder 30 kV Nennspannung bereitet bei aus der Geometrie berechneten Feldstärken von etwa 3 kV/mm heute keine Schwierigkeiten mehr. KunststolFisolierte Kabel für höhere Spannungen, insbesondere für Nennspannungen von 110 kV oder darüber, erfüllen oft nicht die an sie gestellten Anforderungen.The production of high-voltage scale:> Polyethylene insulation (both PE and VPE) for 20 or 30 kV nominal voltage with field strengths of about 3 kV / mm calculated from the geometry no more difficulties today. Plastic insulated cables for higher voltages, especially for Rated voltages of 110 kV or more often meet not the demands placed on them.

Während bei Labormessungen an beispielsweise PE Durchschlagfeldstärken von einigen hundert kV/mm gemessen werden, liegt die Durchschlagfeldstarke bei mit PE isolierten Kabeln oft unter 20 kV/mm. Dieser krasse Unterschied kann weder durch morphologische Unterschiede oder mechanische Spannungen im Kabel, noch durch das bei Kabeln größere Prüfvolumen erklärt werden.While in laboratory measurements on PE, for example, breakdown field strengths of a few hundred kV / mm are measured, the breakdown field strength for cables insulated with PE is often below 20 kV / mm. This stark difference can neither be caused by morphological differences or mechanical tensions in the cable, can still be explained by the larger test volume for cables.

Untersucht man das Granulat als Ausgangspunkt oder das fertige Kabel, so sind im Polyäthylen Verunreinigungen unterschiedlicher Größe und Beschaffenheit zu finden. Befinden sich nun Fremdkörper mit einer von Polyäthylen abweichenden Dielektrizitätskonstante e.i im Polyäthylen, so führt das dazu, daß der ursprüngliche Feldverlauf im Kabel verändert wird. Insbesondere bei länglichen Verunreinigungen und ε/ > e.pi: kommt es, falls diese mit ihrer längeren Achse in Feldrichtung liegen, an deren Enden zu Felderhöhungen. Für leitfähige Verunreinigungen gilt ει = «,.If you examine the granulate as a starting point or the finished cable, you will find impurities of various sizes and properties in the polyethylene. If there are foreign bodies with a dielectric constant ei that differs from that of polyethylene, the result is that the original field profile in the cable is changed. Especially in the case of elongated impurities and ε /> e.pi: if these are with their longer axis in the field direction, field increases at their ends. For conductive impurities, ει = «,.

Befindet sich ein länglicher Fremdkörper direkt an einer leitfähigen Ebene — im Kabel also an der Leiterglättung oder am Außenrand der Isolierung —, _so ist die Feldstärkeerhöhung, die an seiner Spitze auftritt etwa doppelt so groß wie die einer gleichen »isoliert« im Isolierstoff befindlichen Verunreinigung. Ein Fremdkörper, der sich in der Isolierung befindet, führt dort lokal zu einer Feldstärkeerhöhung um z. B. einen Faktor 12, d.h. bei einer ursprünglichen Feldstärke von 5 auf 60 kV/mm; hierdurch wird zwar die Isolierung an dieser Stelie höher belastet, es kommt aber nicht zum Durchschlag oder zu einer beginnenden Zerstörung der mm, 15 Isolierung. Befindet sich nun der gleiche Fremdkörper direkt an der Leiterglättung, so wird an seiner Spitze die Feldstärke um etwa einen Faktor 24 erhöht; die lokale Feldstärke beträgt dann 120 kV/mm und der Beginn einer Zerstörung ist in diesem Falle wesentlich wahrscheinlicher als im vorher geschilderten Falle des »isolierten« Fremdkörpers. Bezüglich der von Fremdkörpern in der Isolierung ausgehenden lokalen Felderhöhung können die Gebiete als kritische Gebiete bezeichnet werden, in denen Fremdkörper besonders hohe Felderhöhungen hervorrufen, also die Gebiete, in denen die Isolierung direkt an eine leitfähige Fläche angrenzt.An elongate foreign matter is directly on a conductive plane - in the cable so on the circuit smoothing or at the outer edge of the insulation - _so is the field strength increase, which occurs about twice as large as that of an equal "isolated" in the insulating material contained contamination at its peak. A foreign body in the insulation leads to a local field strength increase by z. B. a factor of 12, ie with an original field strength of 5 to 60 kV / mm; as a result, the insulation is more heavily stressed at this point, but there is no breakdown or incipient destruction of the mm, 15 insulation. If the same foreign body is now located directly on the smoothing of the conductor, the field strength at its tip is increased by a factor of about 24; the local field strength is then 120 kV / mm and the start of destruction is much more likely in this case than in the case of the "isolated" foreign body described above. With regard to the local field increase emanating from foreign bodies in the insulation, the areas in which foreign objects cause particularly high field increases can be designated as critical areas, i.e. the areas in which the insulation directly adjoins a conductive surface.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits zu verhindern, daß sich Verunreinigungen des Isoliermaterials direkt an den kritischen Grenzflächen befinden, und darüber hinaus die Feldstärke in den kritischen Gebieten herabzusetzen.The invention is based on the one hand on the one hand to prevent impurities in the insulating material are located directly at the critical interfaces, and also the field strength in the reduce critical areas.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Leiter bzw. der Leiterglättung'und der Isolierung sowie zwischen Isolierung und äußerer Feldbegrenzung dünne, isolierende Kunststoffschichten mit gegenüber der Isolierung höherer Dielektrizitätskonstante angeordnet sind.According to the invention, this object is achieved in that between the conductor or the conductor smoothing'und the insulation as well as thin, insulating plastic layers between the insulation and the external field delimitation are arranged with a higher dielectric constant than the insulation.

Zweckdienliche Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Appropriate further developments of the invention can be found in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to an exemplary embodiment shown schematically in the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 die Feldstärkeerhöhung an der Spitze eines Rotationsellipsoids mit höherer Dielektrizitätskonstante in PE,βρε= 2,3,1 shows the increase in field strength at the tip of an ellipsoid of revolution with a higher dielectric constant in PE, βρε = 2.3,

Fig. 2 einen Fremdkörper in einer VPE-Kabelisolierung, 2 shows a foreign body in an XLPE cable insulation,

F i g. 3 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kabels, Fig.4 den Feldstärkeverlauf in einem 110-kV-PE-Kabel. F i g. 3 shows the structure of a cable according to the invention, FIG. 4 shows the field strength curve in a 110 kV PE cable.

Aus F i g. 1 ist der sich ergebende Felderhöhungsfaktor EaIEo rotationsellipsoidischer Fremdkörper mit verschiedener Dielektrizitätskonstante für den Fall zu ersehen, daß sich die Längsachse des Fremdkörpers in Feldrichtung befindet, δ ist eine Maßzahl für die Form des Ellipsoids; sie ist definiert als Verhältnis der Längsachse zum Durchmesser des Rotationsellipsoids. Abweichungen von dieser geometrisch »glatten« Form führen zu einer Vergrößerung der Felderhöhung. Wegen der geringen Leitfähigkeit von Polyäthylen können fast alle Fremdkörper bezüglich der Feldstörung als Leiter angesehen werden, d. h., es ergibt sich eine Felderhöhung gemäß der Kurve ε/ = °°. From Fig. 1 the resulting field enhancement factor EaIEo rotational ellipsoidal foreign body with different dielectric constants can be seen for the case that the longitudinal axis of the foreign body is in the field direction, δ is a measure of the shape of the ellipsoid; it is defined as the ratio of the longitudinal axis to the diameter of the ellipsoid of revolution. Deviations from this geometrically "smooth" shape lead to an increase in the field increase. Because of the low conductivity of polyethylene, almost all foreign bodies can be regarded as conductors with regard to field interference, ie there is an increase in the field according to the curve ε / = °°.

In F i g. 2 ist in 200facher Vergrößerung ein in einer VPE-Kabelisolierung gefundener Fremdkörper dargestellt, welcher mit seiner Längsachse in Feldrichtung lag (Lage maximaler Felderhöhung).In Fig. 2 is one in one at 200x magnification XLPE cable insulation of found foreign bodies shown, which lay with its longitudinal axis in the direction of the field (position of maximum field elevation).

22 12 75S22 12 75 S.

Um die Kritizität solcher Materialverunreinigungen zu verkleinern, ist das Hochspannungskabel nach der Fig.3 mit einer Zusatzschicht 2 zwischen der Leiterglättung 1 und der Isolierung 3 versehen. Gegebenenfalls kann auch zwischen der Außenfläche der Isolierung 3 und der äußeren Feld'jegrenzung 5 eine weitere Zusatzschicht 4 aufgebracht werden. Weitere Umhüllungen des Kabels, wie Kupferbänder usw., sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.In order to reduce the criticality of such material contamination, the high-voltage cable is according to the Fig.3 with an additional layer 2 between the Conductor smoothing 1 and insulation 3 provided. If necessary, it can also be between the outer surface the insulation 3 and the outer field boundary 5 a further additional layer 4 can be applied. Further sheaths of the cable, such as copper tapes etc., are omitted for the sake of clarity.

Durch den Sprung der Dielektrizitätskonstante (die unten genannten Zahlenwerte beziehen sich auf den Fall tzmaiadaj» = 2Ebo6aung) ist die Feldstärke in den Schichten 2.4 kleiner als in der Isolierung 3; eventuell in diesen Schichten 2, 4 vorhandene Fremdkörper befinden sich somit nicht in einem Feld von z. B. 5 kV/iiun, sondern nur in einem solchen von 2,5 kV/mm. Die lokale Höchstfeldstärke an der Spitze des obenerwähnten Fremdkörpers beträgt dann z. B. 60 statt 120kV/mm.Due to the jump in the dielectric constant (the numerical values given below relate to the case tzmaiadaj »= 2Ebo6aung) the field strength in layers 2.4 is smaller than in insulation 3; Any foreign bodies present in these layers 2, 4 are therefore not in a field of z. B. 5 kV / iiun, but only in one of 2.5 kV / mm. The local maximum field strength at the tip of the above-mentioned foreign body is then z. B. 60 instead of 120 kV / mm.

F i g. 4 zeigt den Feldstärkeverlauf in einem 110-kV-PE-Kabel mit und ohne Zwischenschicht 2 an der Leiterglättung I. Angenommen ist ein Kabel mit einem Außenradius der Isolierung 3 von 34,8 mm. Die Leiterglättung 1 hat einen Radius von 11,1 mm. Die durchgezogene Kurve gilt für ein Kabel mit einer 1 mm starken Zwischenschicht 2 (BZwnt-hcmriM-iii = 2t/»/) über der Leiterglättung 1. Die gestrichelte Kurve zeigt den Feldstärkeverlauf in einem Kabel ohne Zwischenschicht F i g. 4 shows the field strength profile in a 110 kV PE cable with and without an intermediate layer 2 on the conductor smoothing I. A cable with an outer radius of the insulation 3 of 34.8 mm is assumed. The conductor smoothing 1 has a radius of 11.1 mm. The solid curve applies to a cable with a 1 mm thick intermediate layer 2 (BZwnt-hcmriM-iii = 2t / »/) over the conductor smoothing 1. The dashed curve shows the field strength profile in a cable without an intermediate layer

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besieht insbesondere darin, daß Fremdkörper in der Isolierung 3 nicht mehr direkt an einer leitfähigen Grenzfläche anliegen können, wodurch die oben beschriebene wesentlich größere und daher besonders kritische Felderhöhung verhindert wird. Mögliche Verwerfungen der Leiterglättungsschicht oder darauf befindliche Rippen wirken sich wegen der dort herrschenden kleineren Feldstärke weniger kritisch aus.The advantage achieved by the invention provides in particular that foreign bodies in the insulation 3 can no longer bear directly on a conductive interface, whereby the above-described significantly larger and therefore particularly critical field increase is prevented. Possible faults the conductor smoothing layer or ribs located on it act because of the prevailing there smaller field strength is less critical.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

22 12 7öy claims:

1. High-voltage cable with plastic insulation for nominal voltages of δ 110kV, thereby characterized that between the conductor or the conductor smoothing (1) and the insulation (3) as well as thin, insulating plastic layers between the insulation (3) and the outer field delimitation (5) (2, 4) are arranged with a higher dielectric constant than the insulation (3);

Z high-voltage cable according to claim:!, Thereby characterized in that the layers (2, 4) of higher dielectric constant by extrusion, preferably are applied in a thickness between 0.5 and 2 mm.

3. High voltage cable according to claim 1 or 2, characterized in that one or both Layers (2, 4) consist of rolled-up plastic films, the dielectric constant of which is greater than that of the extruded insulation (3).

4. High-voltage cable according to one of claims 1 to 3, characterized in that in particular when using PE or VPE as insulation (3) the thin intermediate layer or film (2, 4) There is polyethylene, which is organic or inorganic to increase the dielectric constant Supplements are included.

5. High-voltage cable according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thin Between brains or foils (2, 4) higher Dielectric constant are networked.