DE2317013B2 - Wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel - Google Patents

Description

10. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- destens 70 mm ist.

kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- 65 Diese erfindungsgemäßen Hohlkanalabinessungen

durch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolie- gewährleisten, daß die für die Erstellung und den

rung (S) eine Öl-Papier-Isolierung oder, eine Unterhalt des Kabels anfallenden bezogenen Kosten

Kunststoffisolierung ist. sich stets in der Nähe ces Kostenminimums befinden

und sich bei Abweichungen von diesen Weiten 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 Leistuagssteigerung noch verstärkt werden, wenn die Wandstärke des elektrischen Leiters bei der Verwendung von Aluminium 15 mm und dessen Leiterquerschnitt wenigstens 3200 mm² und bei der Verwendung von Kupfer die Wandstärke 12,5 mm und der Leiterquersrhnitt wenigstens 2000 mm² 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 Querschnittsveränderung zu genügen. Um die Übertragungsleistung 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 Leiterquerschnitts. 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 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 nac! außen.

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

Es bedeutet:

ρ = spezifischer elektrischer Widerstand, / = Frequenz des Wechselstroms, μ — 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 Einspeisepunkt des Kühlmittels ansteigt, so daß sich 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 möglich, die Oberflächentemperatur des erdverlegten erfindungsgemäßen Kabels nicht über 40° 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 halten, wäre es angebracht, ihn möglichst aus Aluminium 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 elekfrischen Leiters als Aluminiumrohr mit eingezogenem Kupfer- oder Kunststoffrohr oder mit einer metallischen Oxydschicht an seiner Innenseite ausgebildet wird. Weiterhin kann es vorteilhaft 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 Kunststoffisolierung. 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 5 mit einem genügend großen Strömungskanal für das öl, ζ. B. ein Aluminiumwellrohr, da die ölspeisung der elektrischen 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 biegsames Aluminium-Wellrohr in Frage.

Handelt es sich um ein kunststoffisoliertes, erfindungsgemäßes Hochspannungsenergiekabel, so kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die aus Kunststoff bestehende elektrische Isolierung auf eine aus einem Schlauch aus halbleitendem Kunststoff bestehende Leiterglättung mit einem größeren lichten Durchmesser als der des elektrischen Leiters extrudiert ist. ao 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Das Hochspannungsenergiekabel mit innerer Wasserkühlung besteht aus einem elektrischen Leiter 1, der im dargestellten Beispiel aus dreilagig verseilten Kupferlitzen hergestellt ist und in dessen Inneren ein einen Hohlkanal umschließendes Rohr 2 aus Aluminium angeordnet ist, das zur Fortführung 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 S umgeben ist. Die elektrische Isolierung 5 ist beispielsweise eine Öl-Papier-Isolierung, ebenso ist aber eine Kunststoffisolierung, beispielsweise aus Polyäthylen, möglich. Diese aus dem Rohr 2, dem elektrischen Leiter 1, der Leiterglättung 4 und Her 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 Fortfühmng 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 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 zulassen 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 nicht größer als nötig werden zu lassen. Zudem sollte es eine möglichst glatte Oberfläche besitzen. Der elektrische Leiter sollte weiterhin möglichst geringe Wechselstromzusatzverluste aufweisen. Eine weitere zu fordernde Eigenschaft des elektrischen Leiters ist, daß er gegebenenfalls den Druckschutz 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 Papierwicklung aus Hochstädter-Papieren, die gegebenenfalls noch mit Kupferbändern umwickelt sein können. Im Falle einer Kunststoffisolierung als elektrische Isolierung 5 wird eine halbleitende 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 1 kann entweder spiralgewellt oder ringgewellt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- —4

1

Claims (9)

ι 2 3 11. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- .»vu^p,.^. kabel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende elek-

1. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- tasche Isolierung (5) auf eine aus einem Schlauch kabel, bestehend aus einem zylindrischen elek- 5 aus halbleitendem Kunststoff bestehende Leitertrischen Leiter mit innen anliegendem, abge- glättung mit einem größeren lichten Durchmesser «perrtem, das Kühlmittel führendem Hohlkanal, als der des elektrischen Leiters (1) extrudiert ist. einer den Leiter außen umgebenden elektrischen

Isolierung und einem äußeren Kabelmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch- io —

messer des Hohlkanals (2) bei Aluminiumleitern
mindestens 60 mm und bei Kupfer-Leitern mindestens 70 mm ist Die Erfindung bezieht sich auf ein wassergekühltes

2. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- Hochspannungsenergiekabel, bestehend aus einem kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 15 zylindrischen elektrischen Leiter mit innen aiiliegendaß die Wandstärke des elektrischen Leiters (1) dem abgesperrtem, das Kühlmittel führendem Hohlbei der Verwendung von Aluminium 15 mm und kanal, einer den Leiter außen umgebenden elekder Leiterquerschnitt wenigstens 3200 mm* und triscben Isolierung und einem äußeren Kabelmantel, bei der Verwendung von Kupfer die Wandstärke Wassergekühlte Starkstromkabel sind bereits bedes elektrischen Leiters 12,5 nun und der Leiter- ao kannt, beispielsweise aus der DT-AS 19 60 546 oder querschnitt wenigstens 3000 mm« betragen. Seiten 230 bis 233, Draht Coburg, 21 (1970X Nr. 4,

3. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- »Wassergekühltes Kabel für die CERN«, die in den kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, vorgenannten Literaturstellen beschriebenen wasser-4aß der elektrische Leiter (1) aus einem spiral- gekühlten Starkstromkabel eignen sich jedoch nicht oder ringgewellten, metallischen, den Hohlkanal 25 zur Übertragung hoher elektrischer Energien im Be- »mschließenden Rohr (2) gebildet wird. reich bis zu 2000 MVA, was sich ohne weiteres aus

4. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- den gewählten Kabelkenngrößen, wie beispielsweise kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dem Durchmesser des elektrischen Leiters oder des daß der elektrische Leiter (1) aus einem glatten Kühlmittelkanals ergibt.

Oder spiral- oder ringgewellten, metallischen, den 30 Weiterhin ist beispielsweise aus der US-PS

Hohlkanal umschließenden Rohr (2) besteht, um 35 09 266 ein Hochspannungskabel mit großer Über-

das zur elektrischen Leitung Fonndrähte als tragungsleistung bekannt, das aus einem verseilten,

Segmente und/oder in Lagen verseilt sind. mit einem Hohlkanal ausgestatteten Leiter besteht,

5. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- durch den beispielsweise Wasser als Kühlmittel hinkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- 35 durchgeführt wird, wobei jedoch der Hohlkanal durch gekennzeichnet, daß die Wandstarke des selbst nicht abgesperrt ist, sondern als Schutz der elektrischen Leiters (1) mit zunehmender Kabel- elektrischen Isolierung gegen das Eindringen des länge entsprechend der Zunahme des spezifischen Wassers an der Oberfläche des verseilten elektrischen Leiterwiderstandes zunimmt. Leiters eine wasserundurchlässige Schicht vorgesehen

6. Wassergekühltes Hoohspannungsenergie- 40 ist. Zwar ergibt sich aus dieser Patentschrift, daß kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, durch innere Wasserkühlung die Übertragungsdaß die Zunahme der Wandstärke des elektrischen leistung eines herkömmlichen Hochspannungskabels Leiters (1) von einer Kabelverbindungsmuffe zur weitgehend gesteigert werden kann, jedoch sind nächsten geschieht. keinerlei Angaben darüber enthalten, wie ein

7. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- 45 derartiges wassergekühltes Hochspannungskabel bekabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- züglich seiner Abmessungen, insbesondere denen des durch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter elektrischen Leiters, dimensioniert werden muß, da-(1) und/oder der Kabelmantel (9) an seiner mit sich hinsichtlich der Kosten eines derartigen Oberfläche von einem Material mit einem hohen Kabels, die sich aus den Anlagekosten und den Verthermischen Widerstand umgeben sind. 5° lustkosten zusammensetzen, ein Kostemminimum

8. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- ergibt.

kabel nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

durch gekennzeichnet, daß das glatte oder ge- ein wassergekühltes Hochspannungsenergiekabel zu

wellte Rohr (2) als Aluminiumrohr mit einge- schaffen, das es ermöglicht, die gewünschten hohen

zogenem Kupfer- oder Kunststoffrohr oder mit 55 Übertragungsleistungen bis zu 2000 MVA oder mehr

einer metallischen Oxydschicht an der Innenseite zu übertragen und gleichzeitig die auf die Länge und

ausgebildet ist. Leistung bezogenen Gesamtkosten (Anlaigekosten,

9. Wassergekühltes Hochspannungsenergie- Verlustkosten) auf den Minimalwert zu beschränken, kabel nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da- der sich dann ergibt, wenn die Anlagekositen gleich durch gekennzeichnet, daß das glatte oder ge- 60 den Verlustkosten sind.

wellte Rohr (2), das innerhalb des verseilten Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß

elektrischen Leiters (1) angeordnet ist, aus der Hohlkanaldurchmesser bei Aluminiiumleitern

Kunststoff besteht. mindestens 60 mm und bei Kupfer-Leitern min-