DE2317013A1 - Wassergekuehltes hochspannungsenergiekabel - Google Patents

Description

Anmelder: Feiten & Guilleaume Kabelwerke Aktiengesellschaft 5 Köln 80 Schanzenstraße

Fl 4102 5 Köln-Mülheim, den 4. April 1975

Za/Zu ■ .

Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel

Die Erfindung bezieht sich auf ein wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel·, bestehend aus einem elektrischen Leiter mit abgeschlossenem, das Kühlmittel führenden Hohlkanal, einer diesen umgebenden elektrischen Isolierung und einem äußeren Kabelmantel.

Wassergekühlte Starkstromkabel sind bereits bekannt, beispielsweise aus der DT-AS 1 960 546 oder Seiten 230-233, Draht Coburg, 21 (197O)Nr. 4 "Wassergekühltes Kabel für die CERN", die in den vorgenannten Literaturstellen beschriebenen wassergekühlten Starkstromkabel eignen sich jedoch nicht zur Übertragung hoher elektrischer Energien im Bereich bis zu 2000 MVA, was sich ohne wei-

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Weiterhin ist beispielsweise aus der US-PS jj 509 266 ein Hochspannung skabel mit großer Übertragungsleistung bekannt, das aus einem verseilten, mit einem Hohlkanal ausgestatteten Leiter besteht, durch den beispielsweise Wasser als Kühlmittel hindurchgeführt wird, wobei jedoch der Hohlkanal selbst nicht abgesperrt ist, sondern als Schutz der elektrischen Isolierung gegen das Eindringen des Wassers an der Oberfläche des verseilten elektrischen Leiters eine wasserundurchlässige Schicht vorgesehen ist. Zwar ergibt sich aus dieser Patentschrift, daß durch innere Wasserkühlung die Ühertragungsleistung eines herkömmlichen Hochspannungskabels weitgehend gesteigert werden kann, jedoch sind keinerlei Angaben darüber enthalten, wie ein derartiges wassergekühltes Hochspannungskabel bezüglich seiner Abmessungen, insbesondere denen des elektrischen Leiters, dimensioniert werden muß, damit sich hinsichtlich der Kosten eines derartigen Kabels, die sich aus den Anlagekosten und den Verlustkosten zusammensetzen, ein Kostenminimum ergibt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel zu schaffen, das es ermöglicht, die gewünschten hohen Übertragungsleistungen bis zu 2000 MVA oder mehr zu übertragen und gleichzeitig die die auf die Länge und Leistung bezogenen Gesamtkosten-(Anlagekosten, Verlustkosten) auf den Minimalwert zu beschränken, 'der sich dann ergibt, wenn die Anlagekosten gleich den Verlustkosten sind. " -

Erfindungsgemäß wird .dies dadurch erreicht, daß der Hohlkanaldurchmesser bei Aluminiumleitern mindestens 60 mm, insbesondere gleich oder größer 70 mm und bei Kupfer-Leitern mindestens 70 mm,

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insbesondere gleich oder größer 80 mm ist. Diese erfindungsgemäßen Hohlkanalabmessungen gewährleisten, daß die. für die Erstellung und den Unterhalt des Kabels anfallenden bezogenen Kosten sich stets in der Nähe des Kostenminimums befinden, und sich bei Abweichungen von diesen Werten entweder die Anlagekosten oder die Verlustkosten erhöhen oder erniedrigen, die Summe.dieser Kosten aber stets einen höheren Wert ergibt als . der, der sich bei den erfindungsgemäßen Abmessungen einstellt. Erfindungsgemäß kann der Effekt der Kostensenkung und der gleichzeitigen Leistungssteigerung noch verstärkt werden, wenn die Wandstärke des elektrischen Leiters bei der Verwendung von AIu-

p minium 15 mm und dessen Leiterquerschnitt wenigstens 3200 mm und bei der Verwendung von Kupfer die Wandstärke 12,5 mm und

2 der Leiterquerschnitt wenigstens 3000 mm betragen.

Da das erfindungsgemäße Hochspannungsenergiekabel, wie die bisher bekannten Kabel, ebenfalls trommelbar und damit genügend biegbar sein soll, ohne daß sich dabei der Leiterquerschnitt und der Strömungswiderstand des Kabels verändern, besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der elektrische Leiter aus einem spiral- oder ringgewellten, metallischen den Hohlkanal umschließenden Rohr hergestellt ist. Durch diese Wellung ist der rohrförmige elektrische Leiter hinreichend flexibel, um allen Anforderungen an seine Biegbarkeit ohne Querschnittsveranderung zu genügen. Um die Ubertragungsleistung des erfindungsgemäß ausgestalteten Kabels weiter heraufsetzen zu können, muß die Stromtragfähigkeit des Kabels erhöht werden. Eine Möglichkeit diese Stromtragfähigkeit.zu erhöhen, besteht in der Vergrößerung des Leiterquersclinitts. Da jedoch die Vergrößerung des Leiterquerschnitts eines als Rohr ausgebildeten Leiters nicht unbegrenzt möglich ist, wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hochspannungsenergiekabels vorgeschlagen, daß der elektrische Leiter aus einem glatten oder spiral- oder

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ringgewellten, metallischen, den Hohlkanal umschließenden Rohr besteht, um das zur elektrischen Leitung Formdrähte als Segmente oder in Lagen verseilt sind. Durch diese Ausgestaltung werden folgende Vorteile erreicht, eine sehr gute Formbeständigkeit auch bei großen Biegebeanspruchungen, große Leiterquerschnitte ohne größere Stromverdrängungserscheinungen, eine geringe Flächenpressung bei der elektrischen Isolierung^ ein hoher Füllfaktor des verseilten Leiters und weiterhin eine größere Oberfläche zur elektrischen Isolierung hin und damit eine gute Wärmeabfuhr nach außen.

Bei einem rohrförmigen Leiter, wie der des erfindungsgemäßen Kabels, lohnt es sich jedoch nicht, die Wandstärke dieses Rohrleiters merklich über die äquivalente Leiterdicke des Leitermaterials hinaus zu steigern. Diese Leitschichtdicke bestimmt sich zu:

-5t

Es bedeuten:

£ =-spezifischer elektrischer Widerstand f = Frequenz des Wechselstroms

# = Permeabilität des Leiterwerkstoffes.

Daraus ergibt sich, da der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt, daß sich auch die äquivalente Leitschichtdicke mit höherer Temperatur vergrößert. Es wird deshalb in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hochspannungsenergiekabels vorgeschlagen, daß die Wandstärke des elektrischen Leiters mit zunehmender Kabellänge entsprechend der Zunahme des spezifischen Leiterwiderstandes zunimmt. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Kabeln mit innerer Leiterkühlung die Temperatur des Leiters mit wachsender Entfernung vom Einspeise-

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punkt des Kühlmittels ansteigt, so daß sieh also auch mit dieser Entfernung die äquivalente Leitschichtdicke erhöht. Bei dieser Ausgestaltung kann es nun weiterhin vorteilhaft sein, daß sich die Wandstärke des elektrischen Leiters von einer Kabelverbindungsmuffe zur nächsten erhöht, so daß sich eine Kabelstrecke · ergibt, bei der die Wandstärke sich abschnittsweise vergrößert.

Zur weiteren Steigerung der Übertragungsleistung des erfindungsgemäßen Hochspannungsenergiekabels wäre es wünschenswert, die Temperatur des Leiters höher laufen zu lassen, als es die elektrischen Isolierungen gestatten. Diese wäre vor allem darum vorteilhaft, da dann mit dem Kühlwasser bis dicht an dessen Siedepunkt herangegangen werden könnte. Dies kann nun nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kabels ohne Gefahr für die -elektrische Isolierung dadurch erreicht werden, wenn um den elektrischen Leiter ein Material mit einem hohen thermischen Widerstand aufgebracht wird, und zwar vor dem Aufbringen der Leiterglättung und der elektrischen Isolierung. Diese Schicht unmittelbar um den Leiter braucht die Temperatur an ihrer Außenseite nur so weit herabzusetzen, daß die höchstzulässige Temperatur für die jeweils verwendete elektrische Isolierung gerade unterschritten wird. Weiterhin kann es für das erfindungsgemäße Kabel, bei dem die Verlustwärme durch den Leiter abgeführt wird, zu dessen besserer Ausnutzung bei hoher Leitertemperatur vorteilhaft sein, wenn auf dem Mantel des Kabels ein Material mit einem hohen thermischen Widerstand angebracht ist. Damit wird es beispielsweise möglieh, die Oberflächentemperatur des erdverlegten erfindungsgemäßen Kabels nicht über 4o° C ansteigen zu lassen, so daß eine Gefährdung der Umgebung durch eine zu starke Bodenerwärmung verhindert wird. Da das erfindungsgemäße Hochspannungsenergiekabel sehr große Leiterquerschnitte besitzt, ist dessen· Leiter relativ schwer. Um das Gewicht eines solchen Leiters in Grenzen zu hal-ten, wäre es angebracht, ihn möglichst aus Alumi-

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nium herzustellen. Da jedoch Aluminium von Kühlwasser angegriffen werden kann, besteht die Notwendigkeit, das Aluminium vor dem Angriff des Wassers zu schützen. Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kabels wird deshalb vorgeschlagen* daß das glatte oder gewellte,den Hohlkanal umschließende Rohr des elektrischen Leiters als Aluminiumrohr mit eingezogenem Kupferoder Kunststoffrohr oder mit einer metallischen Oxydschicht an seiner Innenseite ausgebildet wird. Weiterhin kann es vorteil^ haft sein, wenn das glatte oder gewellte Rohr des elektrischen Leiters nicht zur Stromfortleitung verwendet werden muß,dieses ganz aus Kunststoff herzustellen.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kabels besteht _; die elektrische Isolierung entweder aus einer Öl-Papier- oder ,-.;■■_ aus einer Kunststoff isolierung. Je nach der Art der elektrischen. Isolierung kommen verschiedene Mantelkonstruktionen in Betracht, z.B. bei einem Gasinnendruckkabel ein Mantel .aus einem druckfesten, biegsamen Rohr; bei einem Gasaußendruckkabel ein elastischer Mantel,der das Druckmedium von der elektrischen Isolierung absperrt und wobei die einzelnen Kabeladern in druckfeste Rohre eingezogen werden; bei einem Niederdruck- oder Hochdruckölkabel ein Mantel mit einem genügend großen Strömungskanal für das öl, z.B. ein Alumihiumwellrohr, .da die Ölspeisung derelektrischen Isolierung nicht über den Leiter erfolgen kann; bei einem Oliostatik-Kabel ein starres druckfestes Rohr, in das die keinen Mantel aufweisenden Adern in Dreileiterkonstruktion am Verlegeort eingezogen sind; bei Kunststoffkabeln käme als Mantel ein biegbares Aluminium-Wellrohr in Frage.

Handelt es sich um ein kunststoffisoliertes, erfindungsgemäßes ■Hochspannungsenergiekäbel, so kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die aus Kunststoff bestehende elektrische Isolierung auf eine aus einem Schlauch aus halbleitendem Kunststoff bestehende

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L"eiterglätt^ng mit einem größeren lichten Durchmesser als der des elektrischen Leiters extrudiert ist. Eine derartige Leiterglättung hat nur an der Auflagefläche des Leiters elektrischen' Kontakt, so daß die thermisch bedingten Änderungen der Abmessungen des Leiters zu keiner Beschädigung des Kunststoffes in der halbleitenden Schicht und in der elektrischen Isolierung führen. -

Anhand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungs· beispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Ein erfindungsgemäßes Hochspannungsenergiekabel mit innerer Wasserkühlung besteht aus einem elektrischen Leiter 1, der im dargestellten Beispiel aus dreilagig verseilten Kupferlitzen hergestellt ist, und in dessen Inrferen ein einen Hohlkanal umschliessendes Rohr 2 aus Aluminium angeordnet ist, das zur Portführung des Kühlmittels Wasser 3 dient. Um den elektrischen Leiter 1 ist zur Verhinderung von Felderhöhungen eine Leiterglättung 4 angeordnet, die wiederum von einer elektrischen Isolierung 5 umgeben ist. Die elektrische Isolierung 5 ist beispielsweise eine Öl-Papierisolierung, ebenso ist aber eine Kunststoffisolierung, beispielsweise aus Polyäthylen, möglich. Diese aus dem Rohr 2, dem elektrischen Leiter 1, der Leiterglättung 4 und der elektrischen Isolierung 5· bestehende Kabelseele ist von einer elektrischen "Abschirmung 6 umgeben.und in einem beispielsweise aus Aluminium bestehenden Wellrohr 7 eingezogen. Auf dem Aluminiumwellrohr 7 ist zur Verhinderung von Korrosion und äußeren mechanischen Beschädigungen eine plastische Masse 8 und ein PVC-Mantel 9 aufgebracht.

Das zur Fortführung des Kühlmittels Wasser 3 dienende Rohr 2 sollte aus strömungstechnischen Gründen innen möglichst glatt sein, was durch eine bestimmte Wellung oder aber durch das Einziehen eines zusätzlichen, beispielsweise aus Kunststoff bestehenden

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Rohres erreicht werden kann, und einen großen lichten Durchmesser besitzen. Weiterhin sollte das Rohr 2, falls die über ihm liegenden weiteren Aufbauelemente des Kabels nicht in der Lage sind, den nötigen Druck des Kühlwassers abzufangen, möglichst druckfest ausgebildet sein. Weiterhin sollte das Rohr 2 eine so hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, daß sein thermischer Widerstand klein gegenüber dem thermischen Widerstand der über dem Leiter folgenden Aufbauelemente des Kabels und demjenigen des Erdbodens bleibt. Was die Ausbildung und Anordnung des elektrischen Leiters 1 betrifft, so sollte dieser einen großen, elektrisch wirksamen. Querschnitt besitzen, um einen möglichst hohen Übertragungsstrom zu- . lassen zu können. Weiterhin muß er möglichst dicht um das das Kühlmittel führende Rohr gelegt und außerdem sehr kompakt gebaut werden^ um den Durchmesser über dem Leiter licht größer' als nötig werden zu lassen. Zudem sollte es eine möglichst gJLatte Oberfläche besitzen. Der elektrische Leiter sollte weiterhin möglichst geringe Wechselstromzusatzverluste aufweisen. Eine weitere zu fordernde Eigenschaft des elektrischen Leiters ist, daß er gegebenenfalls den Druckschütz für das Kühlmittelrohr darstellen können muß, trotzdem aber muß der Leiter ohne zu große Biegekräfte biegbar bleiben und darf bei,der Biegung seine Querschnittsabmessungen nur sehr wenig verändern.

Was die Leiterglättung 4 betrifft, so wird sie aus einigen Lagen Rußpapier gebildet sein, wenn als elektrische Isolierung 5 eine ölgetränkte Papierwicklung verwendet wird. Im Falle einer Kunststoffisolierung als elektrischer Isolierung 5 wird eine extrudierte halbleitende Schicht aus Kunststoff als Leiterglättung 4 verwendet werden. Die elektrische Abschirmung 6 besteht im Falle einer elektrischen Isolierung 5 aus einer ölgetränkten Papierwieklung aus Hoohstädter-Papieren, die gegebenenfalls noch mit Kupferbändern umwickelt sein können. Im Falle einer Kunststoffisolierung als elektrische Isolierung 5 wird eine halbleitende

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Schicht desselben Kunststoffes, der auch in der Isolierung verwendet wird, unmittelbar auf die elektrische Isolierung extrudiert. Darüber können gegebenenfalls wiederum Kupferbänder geschlagen werden. Das Aluminiumwellrohr 7 kann entweder spiralgewellt oder ringgewellt sein. . " . ■

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Claims (11)

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   Ansprüche:

   Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel bestehend aus einem elektrischen Leiter mit abgesperrtem, das Kühlmittel führenden Hohlkanal, einer den Leiter umgebenden elektrischen Isolierung und einem äußeren Kabelmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Hohlkanals (2) bei Aluminiumleitern mindestens 60 mm, insbesondere gleich oder größer 70 mm ist, und bei Kupfer-Leitern mindestens 70 mm, insbesondere gleich oder größer 80 mm ist.
2. 2. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e 1 c h η e ty daß die. Wandstärke des elektrischen Leiters (Ϊ) bei der Verwendung von

   "■"."■· "· " " Aluminium 15 mm und der Leiterquerschnitt wenigstens 3200 mm und bei der Verwendung von Kupfer die Wandstärke des elektrischen Leiters 12,5 mm und der Leiterquerschriitt wenigstens

   2
   3000 mm betragen.
3. 3. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach Anspruch 2, dadurch g e k'e η η ζ e i c h η e t, daß der elektrische Leiter (l) aus einem spiral- oder ringgewellten, metallischen, den Hohlkanal umschließenden Rohr (2) gebildet wird.
4. 4. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeich η e t, daß der elektrische Leiter (1) aus einem glatten oder spiral- oder ringgewellten, metallischen den Hohlkanal umschließenden Rohr (2) besteht, um das zur elektrischen Leitung Formdrähte als Segmente und/oder- in Lagen verseilt sind*

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5. 5. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des elektrischen Leiters

   (1) mit zunehmender Kabellänge entsprechend der Zunahme des spezifischen Leiterwiderstandes zunimmt.
6. 6. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Wandstärke des elektrischen Leiters (l) von einer Kabelverbindungsmuffe zur nächsten geschieht.
7. 7. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (1) und/oder der Kabelmantel (9) an ihrer Oberfläche von einem Material mit einem hohen thermischen Widerstand umgeben sind.
8. 8. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche J5 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das glatte oder gewellte Rohr

   (2) als Aluminiumrohr mit eingezogenem Kupfer- oder Kunststoffrohr oder mit einer metallischen Oxydschicht an der Innenseite ausgebildet ist. '
9. 9. WassergekühltesHochspannungsenergiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das glatte oder gewellte Rohr (2), das innerhalb des verseilten elektrischen Leiters (l) angeordnet ist, aus Kunststoff besteht. ■ "
10. 10. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrische Isolierung (5)-eine Öl-Papier-Isolierung oder eine Kunststoffisolierung 1st.

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11. 11. Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende elektrische Isolierung (5) auf eine aus einem Schlauch aus halbleitendem Kunststoff bestehende Leiterglättung mit einem größeren lichten Durchmesser als der des elektrischen Leiters (1) extrudiert ist. ι

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