DE2252925A1 - Kabelanlage - Google Patents

Description

Mannheim

25. Oktober 1972

GT Oe/DrlCn/Kol.

Kabel- und Lackdrahtfabriken GmbH 68 Mannheim 1, Waldhofstr. 244

Kabelanlage

Die Erfindung betrifft eine Kabelanlage, bei der das bzw. die Kabel- durch in deren Kern geführtes strömendes Wasser gekühlt sind, das in Berührung mit dem Leiter auf Hochspannungspotential liegt.

Durch die zunehmende Dichte der Energieverteilung ergibt sich die Notwendigkeit, Kabelsysteme für die übertragung sehr hoher Ströme zu entwickeln. Für konventionelle Kabel sind die Grenzen gesetzt durch beschränkte Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens infolge Austrocknung, technisch mögliche größte Leiterquerschnitte, vorhandene Trassenbreiten usw. Zahlreiche Lösungsvorschläge versuchen das Problem zu lösen durch u.a.

- Kühlung des benachbarten Erdreiches mittels beigelegter gekühlter Rohre,

- Kühlung von außen, durch

- Legung der Kabel in wasserdurchflossene Rohre,

- Kühlung durch Umwälzung des Gases im Stahlrohr bei Gasdruckkabeln;

- Kühlung durch Umwälzung des Öles im Stahlrohr bei Öldruckkäbeln (Oilostatic).

Alle diese Systeme haben nur eine begrenzte Kühlwirkung, weil die Wärme nicht am Ort der Entstehung im Leiter abgeführt wird.

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Kabel haben bekanntlich eine begrenzte Belastbarkeit infolge der unvermeidlichen Wärmeentwicklung durch den Stromfluß im Leiter und die Spannungsbeanspruchung der Isolierung. Die auftretenden Temperaturen dürfen einen bestimmten Boreich nicht überschreiten, da oberhalb eine starke Verschlechterung der Isoliereigenschaften oder der mechanischen Beständigkeit eintritt und bei langzeitiger Einwirkung eine irreversible Alterung stattfindet. Die sich einstellende Temperaturerhöhung ist hauptsächlich bestimmt durch die Wärmeableitbarkeit durch die elektrische Isolierung nach außen In die Umgebung und durch deren Wärmeverhältnisse. Befindet sich das Kabel in freier Luft, dann wird durch Konvektion der am Kabel erwärmten Luft laufend weitere Umgebungsluft herangeführt und dadurch Wärme abtransportiert. Bei im Erdboden verlegten Kabeln wird der umgebende Boden miterwärmt, und zwar umso stärker, je höher sein Wärmewiderstand ist, d.h. je schlechter er die Wärme weiter nach außen leiten kann. Da sich bei der Erdverlegung im Gegensatz zur Luftverlegung die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Kabels erhöht, erhöht sich auch die Leitertemperatur, und es wird die zulässige Leitergrenztemperatur schon bei einer geringeren Strombelastung erreicht. Infolge der jahreszeitlich und witterungsmäßig bedingten Veränderlichkeit des thermischen

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Erdbodenv/iderStandes muß bei der Belastung des Kabels

darauf Rücksicht genommen werden und diese ggf. eingeschränkt werden.

Die Ableitung der im Leiter entstehenden Wärme nach außen erfolgt durch die elektrische Isolierung hindurch, und da.diese im allgemeinen aus ölgetränktem Papier bestellt und eine verhältnismäßig schlechte Wärmeleitung besitzt, verursacht sie eine starke Wärmedämmung, Bei Mittelspannungskabeln mit einer Isolierungsdicke von einigen mm ist die Wärmeableitung wesentlich besser als bei Hochstspannungskabeln mit einer Isolierungsdicke von 20... 30 mm oder evtl. mehr.

Die Übertragungsleistung solcher Höchstspannungskabel wird dadurch schon sehr beeinträchtigt,und auch die Verwendung wesentlich größerer Leiterquerschnitte läßt nur unverhältnismäßig grössere Belastbarkeit zu«

Es werden daher schon zur Erhöhung der Übertragungsleistung von Kabeln Verbesserungen der Wärmeableitung vorgenommen, und zwar nach verschiedenen Methoden, die auch verschiedene Wirkungsgrade haben. Zum Beispiel werden Kabel im Boden von einem Bettungsmaterial umgeben, das eine höher Wärmeleitfähigkeit besitzt, die unabhängig von den weiteren Umgebungsbedingungen ziemlich konstant bleibt. Oder es werden parallel zum Kabel Wasserrohre verlegt,

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die durch Wegführung von Wärme für eine niedrige Umgebungstemperatur sorgen.

Oder ee werden die Kabel unmittelbar in wasser- ' gefüllte Rohre oder Kanäle verlegt, wodurch eine große Kühlwirkung erzielt wird. In ausgeführten Anlagen ist auf diese Weise etwa eine Verdoppelung der Übertragungsleistung, bei stark strömendem V/asser etwa bis zu einer Verdreifachung erzielt worden.

Die beste Kühlwirkung ist naturgemäß zu erzielen, wenn die Wärme direkt vom Ort ihres Entstehens v/eggeführt werden kann, ohne eine Dämmschicht überwinden zu müssen. Zu diesem Zweck werden auch schon Kühlverfahren angewendet, nach denen das Kühlmittel direkt durch den Leiter geführt wird.

Bei ölkabeln mit niedrigviskosem Isolieröl wird auch dieses schon als Kühlmittel benutzt, indem es umgepumpt und in einem Wärmetauscher außerhalb des Kabels abgekühlt wird, bevor es wieder eintritt. Der Vorteil besteht darin, daß das Isolieröl in Leiter in Verbindung mit dem Isolieröl in der Isolierung steht und dadurch gleichzeitig einen Druckausgleich bewirkt. Ferner können die an den Kabelenden angeordneten Wärmeaustauscher

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auf Erdpotential stehen. Um größere Kabellängen effektiv kühlen zu können, ist ein gegenüber der üblichen normalen Kabelkonstruktion wesentlich größerer Durchlaufkanal erforderlich. So sind z.B. schon Ölkabel mit einem Ilohlkanal im Leiter von 55 mm 0, der durch eine Stützspirale gebildet v/ird, in Ausführung. Das als Kühlmittel v/irkende Isolieröl wird am Endverschluß unter Druck in den Leiter gepreßt und am anderen Kabelende in Wärmeaustauschern oder auch in Zwischenkühlern entlang der Kabelstrecke gekühlt. Es kann im Umlauf durch eine andere Ader zurückgepumpt werden, oder falls sich an den Enden entsprechend große Sammelbehälter befinden, durch die gleiche Ader, indem die Pumprichtung gewechselt wird.

Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel würde bekanntlich die Kühlwirkung erheblich verbessern, da seine spezifische Wärme etwa doppelt so groß und seine Viskosität etwa halb so groß wie bei Isolieröl ist. Die gleiche Durchflußmenge könnte mit erheblich niedrigerem Druck bewältigt werden, wobei die Kühlleistung etwa noch doppelt so groß wie bei dem Isolieröl wäre.

Eine solche Ausführung mit Y/asse.rkühlung ist bei Ölkabeln noch nicht durchgeführt worden, v/eil schwierig zu lösende Probleme auftreten.

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Die gleiche Durchflußmenge könnte mit erheblich 2252925 niedrigerem Druck bewältigt werden, wobei die Kühlleistung etwa noch doppelt so groß wie bei dem Isolieröl wäre.

Kabelanlagen mit innerer V/asserkühlung sind* für Hochspannungen u.a. deshalb noch nicht gebaut worden, weil das Kühlwasser mit dem hochspannungsführenden Leiter in Berührung steht und deshalb vom Erdpotential auf das Potential der hohen Spannung hinauf und wieder herunter geführt werden muß. Da die Leitfähigkeit des Wassers infolge der Berührung mit den Leitmetallen nicht sehr klein gehalten werden kann, entstehen erhebliche Schwierigkeiten durch Ableitungsströme an den Zu- und Abführungen.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist nach der Erfindung vorgesehen, das Kühlwasser nicht auf das Hochspannungspotential hinauf und nach Durchlauf durch den Leiter zwecks Abkühlung im Wärmeaustauscher auf das Erdpotential hinab zu schleusen, sondern den ganzen Kühlwasserkreislauf geschlossen auf Hochspannungspotential zu betreiben.

Die Erfindung beinhaltet daher, daß die hierzu erforderlichen Geräte, die mit dem Wasser in Berührung sind, wie Wärmeaustauscher, Pumpen, Mess- und Regeleinrichtungen, auf Hochspannungspotential angeordnet sind.

Zum Betrieb ist dann notwendig, daß die Punpen und die ggf. an den Austauschern angebrachten Ventilatoren über Isolierwellen oder Isoliertransformatoren vom Erdpotential angetrieben werden. Bei den letzteren ist es jedoch noch vorteilhafter, sie auf Erdpotential anzuordnen und die zur vorstärkten Kühlung evtl. erforderliche Luft zu den isoliert angeordneten Wärmeaustauschern hinauf zu blasen.

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Ferner gehört zur Erfindung, daß die Verbindung zu den auf Hochspannungspotential befindlichen, zur ££3Λ3a3 Steuerung des Kreislaufes erforderlichen Mess- und Regeleinrichtungen und den zugehörigen auf Erdpotential befindlichen Schaltgeräten auf drahtlosem oder optischem Wege erfolgt, um eine nicht anwendbare leitende Ver_r bindung zu umgehen.

Der entscheidende Vorteil der beschriebenen Anordnung ist es, daß alle mit der Zu- und Abführung des Kühlwassers von Erdpotential zum Hochspannungspotential sich ergebenden Schwierigkeiten ausgeschaltet sind.

Es ist sogar möglich, vorteilhafte Zusätze dem Wasser beizufügen, die wegen der damit verbundenen Erhöhung der Leitfähigkeit sonst nicht möglich wären. Beispielsweise können dem Wasser bei Anwendung der Erfindung Mittel beigegeben werden, die ein Einfrieren verhindern und/oder gegen innere Korrosion schützen.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 eine Phase eines Drehstromsystems beispielsweise dargestellt.

Der innen gekühlte, auf Hochspannungspotential befindliche Stromleiter 1 ist von der Isolierung 2 umgeben und das ganze von dem Außenmantel 3 umhüllt.

Das Kabel ist beiderseits durch Endverschlüsse 4 abgeschlossen. An deren oberen Ende sind die Stromzufuhr 5 und die Kühlwasserzufuhr 6 angeschlossen. Das Kühlwasser wird von der Viasserpumpe 7 durch den Wärmeaustauscher 8 ""- und von dort gekühlt in den Stromleiter 1 gepumpt. Die Wasserpurape 7 und der Wärmeaustauscher 8 sind durch Isolierstützer 9 gegen Erde isoliert.

Der Wärmeaustauscher 8 wird durch ein auf Erdpotential befindliches Gebläse 10 mit Luft angeblasen. Der Antrieb 11 der Wasserpumpe 7 befindet sich ebenfalls auf Erdpotential und ist mit dieser durch eine isolierte Welle 12 verbunden.

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Die Rückleitung eines nach der Erfindung isolierten Kühlkreislaufes kann nur mit dem gleichen Potential erfolgen, d.h. auf der gleichen Phase. Es sind deshalb zwei Systeme für eine Anlage erforderlich, die entweder parallel arbeiten oder von denen eines als Reserve dient. Fig. 2 zeigt das Beispiel einer solchen Anlage.

In dieser schematischen Darstellung bedeutet 1 den Kühlv/asserzufluß für Phase Ri. Das Kühlwasser wird von der Wasserpumpe 2 durch den Wärmeaustauscher 3 und von dort gekühlt in den Stromleiter 4 gepumpt. Alle genannten Anlagenteile befinden sich auf Hochspannungspotential. Das erwärmte Kühlwasser fließt über die Verbindungsleitung 5, die sich ebenfalls auf Hochspannungspotential befindet, in den Stromleiter der Phase R«, wo es sich weiter erwärmt und wird über den Kühlwasserzufluß 1 in den Kreislauf rückgeführt. Entsprechend verlaufen die Kreisläufe der Phasen Sj₁ So ^un<* T-, , T2·

Eine andere Möglichkeit ist, den Rückfluß im gleichen Leiter vorzunehmen, indem dieser gem. Fig. 3 durch eine oder mehrere Scheidewände, etwa durch ein eingelegtes kreuzförmiges Profil, z.D. aus Kunststoff, aufgeteilt wird.

In Fig. 3 bedeutet 1 ein Metallrohr, 2 stellt eines der Leitersegmente dar. Der Segmentleiter ist umgeben von der Isolierung 3 und dem Außenmantel 4. Im Innern des Metallrohres 2 befindet sich ein Kunststoffprofil als Scheidewand 5. In der Figur ist eine mögliche Anordnung für den Hinflußkanal 6 und für den Rückflußkanal 7 dargestellt.

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Pig. 4 zeigt ein Schema einer solchen Anlage, bei ^©9 25 ^ 92 beispielsweise an beiden Enden Wärmeaustauscher und Pumpen auf Hochspannungspotential vorgesehen sind.

Hierbei bedeutet 1.die Stromzufuhr für das hier nicht dargestellte Leiterseil, Isolierung, Mantel und Endyer-Schlüsse des Kabels sind durch die Ziffern 2, 3 bzw. angedeutet. Die Scheidewand des eingelegten Kunststoffprofils 5 trennt den .Hinfluß vom Rückfluß. Bei der Abzweigung 6 v/ird das erwärmte Kühlwasser der Rückkühlungsanlage 7 bis 12 zugeführt (Bezeichnungen siehe Beschreibung der Fig. 1), tritt.dort gekühlt wieder in den Kühlkanal des Kabels ein und durchströmt nun das Kabel in umgekehrter Richtung.

Eine dritte Möglichkeit besteht in einer teilweisen Anwendung der Erfindung, indem bei einer sehr langen Kabelanlage nur die dann erforderlichen Zwischenstationen erfindungsgemäß ausgeführt werden, während man am Anfang und Ende der Kabelanlage die Umstände und Schwierigkeiten in Kauf nimmt, das Kühlwasser sum Hochspannungspotential hinauf und hinab zu leiten. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn die Kosten für das sonst erforderliche zweite System oder überhaupt für die Rückleitung des Wassers vergleichsweise zu groß werden.

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Patentansprüche:

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Claims (5)

- 10 - Mannheim 2G. Oktober 1972 GT Oe/Kol. 72131 P Patentansprüche:

1. JKat

1.JKabelanlage, bei der das bzw. die Kabel durch in deren ^¹·-"^ Kern geführtes, strömendes Wasser gekühlt sind, das in Berührung mit dem Leiter auf Hochspannunpspotential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß alle für Umlauf und Kühlung des Wassers erforderlichen Einrichtungen ebenfalls auf Hochspannungspotential liegen.

2. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kühlung des Wassers vorgesehenen Wärmeaustauscher isoliert montiert sind und daß, falls eine Zwangsbelüftung erforderlich ist, die Gebläse dafür auf Erdpotential gelegt sind.

3. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Wärmeaustauscher isoliert montiert sind, wobei die erforderlichen Belüftungsaggregate entweder über isolierte Wellen oder dergleichen oder einen Transformator mit voneinander auf Hochspannung isolierten Wicklungen angetrieben werden.

4. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche(n) Wasserpumpe(n) auf Hochspannungspotential montiert und über Isolierwellen oder einen Transformator mit voneinander auf Hochspannung isolierten Wicklungen angetrieben sind.

5. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur nichtisolierten Übertragung, ζ B. durch optische oder drahtlose Signale, der zur Regelung des Wasserumlaufes erforderlichen Daten und Regelgrößen von dem Erdpotential zu den auf Hochspannung befindlichen Geräten vorgesehen ist.

409818/0684 .. n .

,6. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^ ^ ^ ^ daß dem Wasser Zusätze beigefügt sind, die das Eingefrieren des Wassers verhindern.

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