DE2418068B2

DE2418068B2 - Kabelanlage

Info

Publication number: DE2418068B2
Application number: DE19742418068
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Phys. Dr. 6903 Neckargemünd; Birnbreier Hermann Dipl.-Phys. 6900 Heidelberg; Kuhn Ernst Dr.; Zimmermann Erich; 6800 Mannheim Fischer
Original assignee: Kabel- und Lackdrahtfabriken 6800 Mannheim GmbH
Current assignee: Suedkabel GmbH
Priority date: 1974-04-13
Filing date: 1974-04-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: DE2418068A1

Description

bemessen ist.

Die Erfindung betrifft eine Kabelanlage, bestehend aus mehreren gekühlten Hochleistungskabeln, bei denen innerhalb der Isolierung jedes Hochleistungskabels ein Längskanal für das Kühlmittel angeordnet ist, die Wandung des Längskanals ggf. als Stromleiter dient und/oder außerhalb und/oder innerhalb des Längskanals weitere Stromleiter vorgesehen sind.

Bei der Anwendung gekühlter Hochleistungskabel sind normalerweise eine Reihe von Randbedingungen vorgegeben. Zu den wichtigsten dieser Randbedingungen gehören die Übertragungsspannung, die maximal zu übertragende Leistung und der Abstand, in dem größere Hilfsanlagen zum Betrieb des Hochleistungskabels aufgestellt werden müssen. Die größten Hilfs anlagen bei forciert gekühlten Hochleistungskabeln sind Wärmetauscher, durch welche das Kühlmittel gepumpt und in denen beispielsweise mit Luft die im Hochleistungskabel aufgenommene Verlustwärme wieder abgeführt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für ein jeweils gegebenes Übertragungsproblem die bei Zusammenschaltung gekühlter Hochieistungs-

kabel auftretenden technischen Zusammenhänge in der jeweils günstigsten Weise zu lösen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Geometrie des Längskanals und des Stromleiters für Drehstrom nach der Beziehung

1/5

(3.T)² F² o-c² -6² ■ IT² · Ip

Γ "4/5

bemessen ist, worin d den hydraulischen Durchmesser (m), L die Länge des Kabels vom Eintritt der Kühlflüssigkeit bis zum Austritt (m), N die Ubertragungsleistung des Systems (kW), α einen Faktor zur Berücksichtigung zusätzlicher Verluste, A den Rohrreibungskoeffizienten des Längskanals, F die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters, 0 die Dichte und

/ 8 · u¹ · λ

c die spezifische Wärme der Kühlflüssigkeit, σ die Leitfähigkeit des Leitermaterials, AT die maximale Temperaturdifferenz sowie Ap die maximale Druckdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit und V die Nennspannung des Systems (kV) bedeutet, und die Größe

V (3.T)² F² ο C² ο²

bei Einsatz von Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von 1,7 · 10"⁷ bis 8,4 · 10"⁷ und bei Einsatz von öl als Kühlmittel in den Grenzen 2,3 · 10 "⁷ bis 11,8 · 10 "⁷ gewählt wird.

AT²

Weiterhin wird gemäß der Erfindung bei einer dem Gattungsbegriff entsprechenden Kabelanlage vorgeschlagen, daß die Geometrie des Längskanals und des Stromleiters für Gleichstrom nach der Beziehung

JV⁴'⁵

,1/5

f ■ F² ■ ρ ■ C² ■ ο²

-4/5

bemessen ist, worin d den hydraulischen Durchmesser (m), L die Länge des Kabels vom Eintritt d^r Kühlflüssigkeit bis zum Austritt (m), N die Ubertragungsleistung des Systems (kW), λ den Rohrreibungskoeffizienten des Längskanals, F die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme der Kühlflüssigkeit, a die Leitfähigkeit des Leitermaterials, A T die maximale Temperaturdifferenz sowie Ap die maximale Druckdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit und U die Nennspannung des Systems (kV) bedeutet, und die Größe

V (4*)² · F² · ρ · c¹ ■ δ¹ ■ IT²

bei Einsatz von Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von 1,5 · 10"⁷ bis 6,7 · 10"⁷ und bei Einsatz von öl als Kühlmittel in den Grenzen von 2,1 · 10"⁷ bis 9,4 · 10"⁷ eewählt wird.

Diese erfindungsgemäßen Lösungen ermöglichen

die übertragung einer gegebenen Leistung über eine bestimmte Entfernung mittels sehr günstig ausgelegter Hochleistungskabel, insbesondere hinsichtlich der wirksamen Strömungsquerschnitte, d. h. den hydraulischen Durchmessern, wodurch auch die übrigen Abmessungen möglichst klein gehalten werden können, um die Biegbarkeit, das Transportgewicht und den Aufwand an Fertigungsmaschinen optimal zu gestalten.

Im folgenden werden nun die Beziehungen auf-

gezeigt, die erfindungsgemäß zur Festlegung der Dimensionen fiüssigkeitsgekühlter Hochleistungskabel geführt haben. Die maximal zulässige Verlustleistung ist diejenige, bei welcher das Kühlmittel bei maximaler Flußgeschwindigkeit vom Kabeleintritt

bis zum Kabelaustritt um die maximal zulässige Temperaturdifferenz erwärmt wird. Die maximale Geschwindigkeit des Kühlmittels ist durch den bei einer vorgegebenen Kabellänge maximal zulässigen

Kühlflüssigkeitsdruck an der Stelle, an welcher die Kühlflüssigkeit in das Hochleistungskabel eintritt, gegeben. Die maximale auf die Länge bezogene Verlustleistung der Adern des Hochleistungskabels ist bei Drehstromsystemen durch den Ausdruck zu seinem Austritt. Die vom Kühlmittel aufzunehmende, auf die Länge bezogene Wärme q ist gleich der Verlustwärme der Hochleistungskabel. Diese ist näherungsweise proportilnal der Jouleschen Wärme, d. h., es ist

3 π IT

■ (ρ ■ p/A)¹'² · c

(Π

bei Gleichstromsystemen durch den Ausdruck
_q = -^- · (_ρ · I p/A)¹'² -C- IT- d⁵¹² L¹² (2) bei Drehstrom

bei Gleichstrom

- w ■

rVF

gegeben. ι .s

In diesen Ausdrucken (1) und (2) bedeuten » die Dichte der Flüssigkeit, Ap den maximal zulässigen Druckunterschied zwischen Austritts- und Eintrittsstelle, λ den Rohrreibungskoeffizienten des Flüssigkeitskanals, c die spezifische Wärme der Kühlflüssigkeit, Λ T die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Austritts- und Eintrittsstelle, d den Durchmesser des Längskanals eines Hochleistungskabels, d. h. den erwähnten hydraulischen Durchmesser, durch welchen das Kühlmittel strömt, und L die Länge des Hochleistungskabels vom Eintritt des Kühlmittels bis

f)F

In diesen Ausdrücken bedeutet U die Nennspannung (bei Gleichstromsystemen die Spannung zwischen je einer Phase und Erde), N die Ubertragungsleistung des Systems, α einen Faktor, der bei Drehstromsystemen größer als 1 ist und durch den zusätzliche Verluste, wie dielektrische usw., berücksichtigt werden (bei Gleichstromsystemen ist α = 1), σ die elektrische Leitfähigkeit und F den Leiterquerschnitt eines Hochleistungskabels. Durch Kombination der beiden Ausdrücke (1) und (3) ergibt sich bei Drehstromsystemer

(3.-T)²

8 · u² ■ /. F² o-c² -t>² ■ ν 1/5

\T² ■ Ip

-4/5

Durch Kombination der beiden Ausdrücke (2) und (4) ergibt sich bei Gleichstromsystemen

d f 8/. ¹⁵

L³¹⁵

^N^ V (4--T)² · F² · ρ ■,

Da in den beiden Gleichungen (5) bzw. (6) alle Größen auf der rechten Seite — wenn einmal ein bestimmtes Kühlmittel gewählt ist — näherungsweise festliegen, kann hieraus für einen gegebenen Kühlstationsabstand L und eine gegebene Ubertragungsleistung N der minimale Wert für den hydraulischen Durchmesser d ermittelt werden. Für die Größen in obiger Gleichung werden folgende Grenzen angenommen, die sich für die Kühlmittel Wasser und öl teilweise unterscheiden:

\T²- \p

,-4/5

Kühlmittel Wasser... 1,7
Kühlmittel öl 2,3

ΙΟ"⁷ 10~⁷

bis 8,4 bis 11.8

10 ⁷ ΙΟ"""

Für die einzelnen Nennspannungen und Kühlmittel liegt damit der Ausdruck

J*/5

bei einem Drehstromsystem in folgenden Grenzer

Symbol Dimension

Wertbereich für Wasser

Wen bereich für Dl

m²

0,017
1—13
ϊ-«-10-³
10-ΙΟ²

/g

A/kV - m 2,8—5 · 10™

K 30—50

fcg/ms² 5—30-ICP

0,017
ϊ—U
1—6-ΙΟ³
9-It)²
15

23—5 - ΙΟ¹⁰
30—50
5—30-HF Nennspannung

OcV)

55 20

30

UO

220

380

60

Mit diesen Werten ergeben sich zunächst bei einem Drehstromsystem für den Ausdruck ans der Gleichung (5)

Wertbereiche für

[J 5 . jy»(5

OI

kW⁴

U —7,6
1,1 —5^

!0"⁸
ΙΟ"⁸

1,1 —5^ - ΙΟ"⁸ U — 7,7

039—2,0 -lö"⁸ 0^4— 2,7

0,22—1,1 - ΙΟ"⁸ 031— 1,6

0,14-^0,72 - ΙΟ"⁸ 020— 10

,, Ο
0,14-^0,72 - ΙΟ

2,1 —10,7 - KT" — 7,7 - ΙΟ"⁸ HT⁸

031 1,6 ΙΟ"⁸ 020— 1,0 - lO"⁸

Bei einem Gleichstromsystem ergeben sich mit d< Größen aus der obenstehenden Zusammenstellui der Wertbereiche <S. 5) für den Ausdrack aus d Gleichung (6)

IT*

foloende Grenzen:

folgende Grenzen:

bei Kühlmittel Wasser.. 1,5 · 10"⁷ bis 6,7 ■ 1(T⁷ bei Kühlmittel öl 2,1 · 1(T⁷ bis 9,4 ■ 1(T⁷

Für die einzelnen Nennspannungen und Kühlmittel iegt damit der Ausdruck

bei einem Gleichstromsystem in folgenden Grenzen:

Nenn	Wertbereiche fur	α /VtI
spannung		L³'⁵ ■ N'⁵ I kW⁴'⁵*
(kV)	Wasser	Dl
±100	0,38—1,68 · ΙΟ"⁸	0,53—2,36 - ΙΟ"⁸
±200	0,22—0,97 · ΙΟ"⁸	0,30—1,36 · ΙΟ"⁸
±400	0,12—0,56 · ΙΟ"⁸	0,17—0,78 · ΙΟ'⁸
±600	0,09—0,40 · ΙΟ"⁸	0,13—0,56· ΙΟ"⁸

Ein Beispiel für die Anwendung obiger Beziehungen ist im folgenden aufgeführt:

Für ein Drehstromsystem ist gegeben die zu übertragende Leistung JV = 5 · 10^s kW, die Kabellänge L = 10* m und die Ubertragungsspannung U = IlO kV. Damit ergeben sich für den Bereich des hydraulischen Durchmessers d die Grenzen 0.035—0,178 m für das Kühlmittel Wasser bzw. 0,049—0,249 m für das Kühlmittel öl.

Insbesondere ergibt sich bei Wahl des Faktors α zu 1,2, des Leiterquerschnittes zu 3 ■ 10"³ m² = 3000 mm², der Leitfähigkeit des Leitermaterials zu a = 3,1 ■ \&° A/kV · m (entsprechend Aluminium bei einer Temperatur von 60° C), der Temperaturdifferenz JT zu 4OK und der Druckdifferenz Jp zu 15- 10⁵ kg/ms², für das Kühlmittel Wasser ein minimaler Durchmesser von d = 0,076 m bzw. für das Kühlmittel öl ein minimaler Durchmesser von d = 0,107 m.

Eine mögliche Ausführungsform eines derartigen Hochleistungskabels ist im Querschnitt in F i g. 1 dargestellt. Hierin ist mit 1 ein flüssigkeitsdicht und druckfest ausgebildetes Rohr bezeichnet, das aus Kupfer, Aluminium, V2A-Stahl oder auch aus Kunststoff bestehen kann. Der Innenraum des Rohres 1 dient als Längskanal, durch den eine Flüssigkeit als Kühlmittel

ίο 2 gepumpt wird. Die Wandung des Rohres 1, in dem ein Leiterseil 3 eingelegt ist, dient ebenfalls ganz oder teilweise zur Stromführung. Es ist auch möglich, zusätzlich oder anstelle des Leiterseiles 3 weitere Stromleiter außerhalb der Wandung des Rohres 1 anzuordnen. Mit 4 ist eine Isolierung, mit 5 ein Außenmantel und mit 6 ein Korrosionsschutz bezeichnet. Drei solcher jeweils zu einem Drehstromsystem zusammengefaßte Hochleistungskabel werden zu einer Kabelanlage gem. F i g. 2 zusammengeshaltet. Darin sind mit 7, 8 und 9 die Hochleistungskabel und mit 10 eine Rückleitung für ein Kühlmittel, z. B. Wasser oder öl, bezeichnet. Die das Kühlmittel fördernden Pumpen tragen die Bezugszeichen 11, 12 und 13, ein dreiteiliger Wärmetauscher ist mit 14 bezeichnet.

2s über diesen Wärmetauscher 14 wird Kühlluft 15 geleitet. Durch das aus den drei Hochleistungskabeln 7, 8 und 9 bestehende Drehstromsystem wird das Kühlmittel in Richtung der eingezeichneten Pfeile gepumpt. Das Kühlmittel ist geeignet für einen Temperaturbereich von vorzugsweise etwa 0 bis 120^cC.

Ein für den gleichen Temperaturbereich geeignetes

Kühlmittel wird durch die zwei Hochleistungskabel 16 und 17 der F i g. 3 gepumpt. Diese zur Übertragung von Gleichstrom dienende Kabelanlage weist ebenfalls Pumpen 18 und 19 sowie mit Kühlluft beaufschlagbare Wäretauscher 20 und 21 auf. Dem Kühlmittel wird, bevor es in das jeweilige Hochleistungskabel 16 bzw. 17 gelangt, im entsprechend vorgeschalteten Wärmetauscher 20 bzw. 21 die Wärme entzogen. Bei dieser Ausführungsform wird also das eine Hochleistungskabel 16 bzw. 17 als Rückleiter für das Kühlmittel benutzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

„. 1.Kabelanlage, bestehend aus mehreren gekühlten Hochleistungskabeln, bei denen innerhalb der Isolierung jedes Hochleistungskabels ein Längskanal für das Kühlmittel angeordnet ist, die Wandung des Längskanals ggf. als Stromleiter dient und/oder außerhalb und/oder innerhalb des Längskanals weitere Stromleiter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Längskanals und des Stromleiters für Drehstrom nach der Beziehung

8 · η² · λ

L³'⁵ · N*^/s ~ ^ (3.-T)² F²-ο-<?■&■ IT²· Ip )1/5

bemessen ist, worin d den hydraulischen Durchmesser (m), L die Länge des Kabels vom Eintritt der Kühlflüssigkeit bis zum Austritt (m), N die Ubertragungsleistung des Systems (kW), α einen Faktor zur Berücksichtigung zusätzlicher Verluste, λ den Rohrreibungskoeffizienten des Längskanals, F die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme der Kühlflüssigkeit, σ die Leitfähigkeit des Leitermaterials, Δ T die maximale Temperaturdifferenz sowie Δ ρ die maximale Druckdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit und U die Nennspannung des Systems (kV) bedeutet, und die Größe

bei Einsatz von Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von 1,7 · 1O~⁷ bis 8,4· 10~⁷ und bei Einsatz von öl als Kühlmittel in den Grenzen 2,3 · 1(T⁷ bis 11,8 · 1(T⁷ gewählt wird.
2. Kabelanlage, bestehend aus mehreren gekühlten Hochleistungskabeln, bei denen innerhalb der Isolierung jedes Hochleistungskabels ein Längskanal für das Kühlmittel angeordnet ist, die Wandung des Längskanals ggf. als Stromleiter dient und/oder außerhalb und/oder innerhalb des Längskanals weitere Stromleiter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Längskanals und des Stromleiters für Gleichstrom nach der Beziehung

£3/5

"Ο

V 1/5

(4.T)

■ β

bemessen ist, worin d den hydraulischen Durchmesser (m), L die Länge des Kabels vom Eintritt der Kühlflüssigkeit bis zum Austritt (m), N die Ubertragungsleistung des Systems (kw), λ den Rohrreibungskoeffizienten des Längskanals, F die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters, ρ die Dichte und c die spezifische Wärme der Kühlflüssigkeit, σ die Leitfähigkeit des Leitermaterials, Δ T die maximale Temperaturdifferenz sowie Δρ die maximale Druckdifferenz zwischen Eintrittsund Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit und U die Nennspannung des Systems (kV) bedeutet, und die Größe

( (4.T)² · F² ■

8-A

1/5 . _m2l5 .

ρ c²

IT²· Ip

bei Einsatz von Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von 1,5 · 10~⁷ bis 6,7 · 10"⁷ und bei Einsatz von öl als Kühlmittel in den Grenzen von 2,1 · 10~⁷ bis 9,4 · 10"⁷ gewählt wird.
3. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Länge L (m) und gegebener Ubertragungsleistung N (kW) die Größe

55

60

L³'⁵

bei Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von

bis 7,6
bis 5,5

10 ⁸ für eine Spannung von 20 kV 10~⁸ für eine Spannung von 30 kV

-4,5

0,39 bis 2,0 · 10~⁸ für eine Spannung von 110 kV 0,22 bis 1,1 · 10~⁸ für eine Spannung von 220 kV 0,14 bis 0,72 · 10~⁸ für eine Spannung von 38OkV

bemessen ist.
4. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Länge L (m) und gegebener Ubertragungsleistung N (kW) die Größe

r3/5 .

bei öl als Kühlmittel in den Grenzen von

2,1 bis 10,7 1,5 bis 7,7 0,54 bis 2,7 0,31 bis 1,6 0,20 bis 1,0 10~⁸ für eine Spannung von 2OkV 10~⁸ für eine Spannung von 30 kV 10~⁸ für eine Spannung von 110 kV 10~⁸ Tür eine Spannung von 22OkV 10"⁸ für eine Spannung von 38OkV

bemessen ist.
5. Kabelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Länge L (m) und gegebener Ubertragungsleistung N (kW) die Größe

L³'⁵ · N*^IS

bei Wasser als Kühlmittel in den Grenzen von

0,38 bis 1,70 · 10"⁸ für eine Spannung von ± 100 kV 0,22 bis 0,97 · 10"⁸ für eine Spannung von ± 200 kV 0,12 bis 0,56· 10~⁸ für eine Spannung von ±400 kV 0,09 bis 0,40 · 10~⁸ tür eine Spannung von ± 600 kV

bemessen ist.
6. Kabelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Länge L (m) und gegebener Übertragungsleistung N (kW) die Größe

_L3/5

bei Öl als Kühlmittel in den Grenzen von

0,53 bis 2,40 ■ 10"⁸ für eine Spannung von ± lOOkV 030bis 1,40· 10"⁸füreineSpannungvon ±200kV 0,17 bis 0,78· 10"⁸RiT eine Spannung von ±400 kV 0,13 bis 0,56 ■ 10"⁸ für eine Spannung von ± 600 kV