DE2455497A1 - Hochleistungskabel - Google Patents

Hochleistungskabel

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DE2455497A1
DE2455497A1 DE19742455497 DE2455497A DE2455497A1 DE 2455497 A1 DE2455497 A1 DE 2455497A1 DE 19742455497 DE19742455497 DE 19742455497 DE 2455497 A DE2455497 A DE 2455497A DE 2455497 A1 DE2455497 A1 DE 2455497A1
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waveguide
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copper
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DE19742455497
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Hermann Dipl Phys Birnbreier
Gerhard Ing Grad Riebold
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00Power cables
    • H01B9/06Gas-pressure cables; Oil-pressure cables; Cables for use in conduits under fluid pressure
    • H01B9/0627Cables for use in conduits under oil-pressure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/29Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/30Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for reducing conductor losses when carrying alternating current, e.g. due to skin effect

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  • Insulated Conductors (AREA)

Description

  • Hochle i stungskabel Die Erfindung betrifft ein Hochleistungskabel, z.B. für eine Kabelanlage, mit einem im Querschnitt etwa kreisringförmigen, gegebenenfalls mit einer kühlmitteldichten Auskleidung versehenen Hohlleiter, dessen innerer Kohlraum für den Durchfluß eines strömenden Kühlmittels vorgesehen ist.
  • Um die mit Kabeln übertragbare Leistung steigern zu können, ist es bekannt, sie zu kilhlen, um die Verlustwärme abzuführen, denn die zulässige Oberflächentemperatur solcher Kabel ist begrenzt. Hierzu ist es bekannt, in den hohl ausgebildeten Leitern von Starkstromkabeln Kühlrohre vorzusehen, durch die ein gasfdrmiges oder flüssiges Kühlmittel leitbar ist. Auch ist es bekannt, den Hohlleiter eines Hochfrequenzenergiekabels erforderlichenfalls mit einer flUssigkeitsdichten Auskleidung zu versehen und durch den Hohlleiter Flüssigkeit zu Kühlzwecken zirkulieren zu lassen. (DT-PS 912 109) Der Erfindung liegt die erfinderische Aufgabe zugrunde, die Bemessung des Hohlleiters für ein Hochleistungskabel der eingangs genannten Art so anzugeben, daß das Hochleistungskabel mit jeder Art von strömendem Kühlmittel und bei jeder Betriebsweise der Kühlung jeweils den optimalen Stromtransport gestattet.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird je nach baulicher Ausführung und Einsatzbedingungen ein Kabel mit drei verschiedenen Dimensionierungen angegeben.
  • Bei einer Ausführungsform wird für die Fortleitung von Gleichstrom oder Wechselstrom mit einem skineffektfreien Hohlleiter der Innenradius ri des Hohlleiters nach der Beziehung bemessen, worin ra den Außenradius des Hohlleiters bedeutet.
  • FUr die erfindungsgemäße Angabe der vorstehenden Bemessungsvorschrift war zunächst die Stellung der ebenfalls erfinderischen Aufgabe nötig, daß eine Optimierung der Hohlleiterabmessungen bzw. Abmessungsverhältnisse unabhängig von den Kühlmittel- und/oder Kühlbedingungen möglich sein mffsse. In Weiterführung dieser Überlegungen werden nun die Beziehungen dargelegt, die zur Bemessung des Durchmesserverhältnisses von gekdhlten Hochleistungskabeln geführt haben.
  • Die beim Betrieb der Kabel entstehende Wärmemenge pro Längeneinheit ist: Q = R . I² (1 Diese Verlustwärme muß von dem Kühlmittel aufgenommen und abgeführt werden. Vernachlässigt man die Temperatureigenschaften des Leitermaterials und des Kühlmittels so ist: Q = m . cp .TE - TA = # . F . v . cp . TE - TA (2) 1 1 Hierin bedeuten: R = Ohmscher Widerstand des Kabels pro Längeneinheit J = effektive Stromstärke l = Länge des Kabels m = = Massenfluß des Kühlmittels cp = spezifische Wärme des Kühlmittels p = Dichte des Kühlmittels TE = höchstzulässige Endtemperatur des Kabels TA = Temperatur am Anfang des Kabels F = Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel v = mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels Aus den Gleichungen (1) und (2) läßt sich die zulässige effektive Stromstärke J angeben zu: Für die Fortleitung von Gleichstrom oder Wechselstrom mit einem aus verseilten Leitern gebildeten Hohlleiter gilt: R = K q = R= (4) Hierin ist k die elektrische Leitfähigkeit des leiters und q bedeutet den Leiterquerschnitt, Führt man diese Beziehung in (3) ein, so ergibt sich: Führt man jetzt ein F = # . ri² (6) und die Beziehung q = t (ra2 - ri2) (7) wobei ra den Außenradius des Leiters und ri den Innenradius des Leiters bedeutet, so zeigt sich aus (5) ein Maximum für die effektive Stromstärke J bei einer Beziehung von Es ergibt sich also auf ganz überraschende Weise eine Optimierung eines Hohlleiters für ein gekühltes Hochleistungskabel bereits allein durch die Wahl der Verhältnisse der Radien. Die Art und Weise der Kühlung kann verschieden sein, der Hohlleiter ist immer optimal bemessen. Das heißt, daß bei wechselnden Belastungen und wechselnden KUhlbedingungen vom Hohlleiter her gesehen immer optimale Bedingungen für den Transport des Strom gegeben sind. Selbstverständlich lassen sich über die Auswahl des geeignetsten Kühlmittels und über den günstigsten EUhlbetrieb Überlegungen anstellen, die eine weitere Verbesserung des Kabelbetriebes bzw. Stromtransportes ermöglichen.
  • Führt man in torstehender Bemessungsregel anstelle der Radien r und ra den Leiterquerschnitt und den freien Querschnitt für das Kühlmittel ein, so lautet diese Regel, daß der Teiterquerschnitt etwa gleich dem Querschnitt für das Kühlmittel sein soll.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist für die Fortleitung von Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz mit einem skineffektbehafteten Hohlleiter aus Aluminium der Innenradius ri des Hohlleiters nach dem Schaubild gemäß Figur 4 oder näherungsweise nach der Beziehung r1 = 0,833 (ra - 3) festgelegt, wobei ra der Außenradius des Hohlleiters ist und die Maße der Radien in Millimetern einzusetzen sind.
  • Die dritte Ausführungsform des Hochleistungskabels besteht darf, daß für die Fortleitung von Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz mit einem skineffektbehafteten Hohlleiter aus Kupfer der Innenradius ri des Hohlleiters nach dem Schaubild gemäß Fig. 5 oder näherungsweise nach der Beziehung ri = 0,862 (ra - T) festgelegt ist, wobei ra den Außenradius des Hohlleiters bedeutet und die Maße der Radien in Millimetern einzusetzen sind.
  • Die beiden letztgenannten Bemessungen ergeben sich aus Gleichung (3) für Wechselstromübertragung für Zweiter mit Skineffekt und ohne Berücksichtigung von Wirbelströmen und Proximity-Effekten folrendermaßen: Hierin bedeutet Ro den Wirkwechselstromwiderstand des Kabels bei Berücksichtigung des Skineffektes.
  • Der Wechselstromwiderstand R#ergibt sich zu: (Bessel Functions for Engineers, Edited by Mc Bachlan, second Edition, 1955) R# = R0 + i . w . L (10)
    3/2 # (ber1xi + i . bei1xi) . ker xa + i . kei xa)
    k . i (ber1Xi + i bei xa) . (ker Xa + i . keia'
    2.#. ra . k (ber1xa + i . bei1xa) . (ker1xi + i . kei1xi) -
    #
    (ber1xi + i . bei1xi) . (ker1xa + i . kei1xa)
    (ber, bei, ker, kei usw. sind spezielle Besselfunktionen) wobei xa = k . ra (11) xi = k . ri (12) und 1 k = (# . k . #) gilt. Im einzelnen bedeuten: = = Kreisfrequenz des Stromes L = Induktivität des Leiters v = Induktionskonstante Führt man die Abkürzung ein und mit (4), (6) und (7) läßt sich (9) umformen in: Aus (15) ist zu erkennen, daß die effektive Stromstärke J ein Maximum hat, wenn der Faktor FR ein Maximum besitzt. Der Faktor FR wurde für Aluminium und Kupfer und eine Frequenz von 50 Hz als Funktion von ri/ra und ra als Parameter mit einem Computerprogramm berechnet. Das Ergebnis ist in den Figuren 2 und 3 graphisch dargestellt. Hieraus läßt sich bei gegebenem Außenradius ra der optimale Innenradius ri bestimmen. In den Figuren 4 und 5 ist der Außenradius als-Funktion des Innenradius graphisch dargestellt und zwar in Figur 4 für Aluminium und in Figur 5 für Kupfer als Werkstoff. Außer einer Kurve, die die errechneten Idealwerte darstellt, sind noch eine Näherungsgerade und sogenannte 80 %-Eurven eingezeichnet. Diese stellen Werte dar, die beispielsweise 80 % vom Idealwert entsprechen. Die eingezeichneten Näherungsgeraden entsprechen im Bereich 10<ra ( 70 ungefähr dem Zusammenhang: ri = 0,833 0 (ra - 3) für Aluminium, und Maße in mm! ri = 0,862-(ra - 3) für Kupfer als Werkstoff.
  • Es zeigt sich somit, daß sich auch für skineffektbehaftete Leiter ein Durchmesserverhältnis angeben läßt, das unabhängig von der Art und der Betriebsweise der Innenkühlung eine sehr günstige Stromübertragung gestattet, es besteht also ein Optimum für die Stromfortleitung.
  • Überträgt man die Bemessungsregel im vorliegenden Fall auf den Leiterquerschnitt und den freien Querschnitt für das ERhlmittel, so lautet die Bemessungsregel, daß der Beiterquerschnitt kleiner als der Ouerschnitt für das Kühlmittel sein soll, jedoch größer als der 0,8-fache Querschnitt für das Kühlmittel. Das ist für Kupfer und Aluminium gültig bis ca.
  • 200 cm In den Zeichnungen ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochleistungskabels schematisch dargestellt und die Beziehung zwischen optimalem Innen- und Außendurchmesser eines solchen Labels graphisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den Querschnitt durch ein skineffektbehaftetes 110 KV-Einleiter-Ölkabel mit innerer Kühlung, Fig. 2 die Darstellung des Leistungsfaktors FR als Funktion des Radienverhältnisses ri/ra mit ra als Parameter für Aluminium als Werkstoff für den Hohlleiter, Fig. 3 die Darstellung des Faktors FR als Funktion des Radienverhältnisses ri/ra mit ra als Parameter für Kupfer als Werkstoff des Hohlleiters, Fig. 4 zeigt den Außenradius des Hohlleiters als Funktion seines Innenradius bei maximalem FR bzw. bei 80 % dieser Werte für Aluminium als Werkstoff des skineffektbehafteten Hohlleiters und eine Näherungsgerade und Fig. 5 die Abhängigkeit des Außenradius des Hohlleiters als Funktion seines Innenradius bei maximalem FR bzw. bei 80 % dieser Werte für Kupfer als Werkstoff des skineffektbehafteten Hohlleiters .und eine NSherungsgerade, In Figur 1 ist der Querschnitt eines 110 kV-Einleiter-Ölkabels mit innerer Flüssigkeitskühlung dargestellt. Der skineffektbehaftete Hohlleiter 7 besteht im vorliegenden Beispiel aus Meitersegmenten die in drei Schichten konzentrisch aufeinander angeordnet sind und aus der kühlmitteldichten Auskleidung 8.
  • Diese ist im vorliegenden Fall in Form eines metallischen Rohres ausgebildet. Der Werkstoff des Rohres ist identisch mit dem Werkstoff des Hohlleiters. Es ist jedoch auch möglich, eine Auskleidung aus anderen Stoffen, wie z.B. Edelstahl oder Kunststoff, vorzusehen. In den letztgenannten Fällen ist die Auskleidung im Verhältnis zur Wandstärke des Hohlleiters dünn auszuführen0 Hierdurch ist der Wärmeabfluß kaum behindert und die Auskleidung kann für die Bemessung des Hohlleiters unberücksichtigt bleiben. Der innere Hohlraum 9 dient zur Aufnahme bzw. für den Durchfluß des Kühlmittels, wobei dieses den freien Querschnitt ganz oder zumindest fast ganz ausfüllt.
  • An den Austritts- und Eintrittsstellen des Kühlmittels sind hier nicht näher dargestellte oder beschriebene Isolierstrekken vorgesehen. Der Hohlleiter 7 ist auf seiner Außenseite mit einer Leiterglättung 6 umgeben. Hierauf folgt eine elektrische 5 Isolierung in Form einer kreisringförmigen Schicht, mit der der Hohlleiter in einem Aluminiumwellrohr 3 abgestützt ist.
  • Um das Aluminiumwellrohr ist ein PVC-Mantel 1 gelegt unter Zwischenschaltung einer plastischen Masse 2. Ist der Hohlleiter| kühlmitteldicht, so wird man auf eine Auskleidung des Hohlraumes verzichten und das Kühlmittel unmittelbar durch den unverkleideten Hohlleiter leiten.
  • Durch die erfindungsgemäße Wahl des Verhältnisses von ri zu ra ergibt sich unabhängig von der Art des Kühlmittels bereits ein Optimum für die Ausnutzung des Hohlleiters zum Stromtransport.
  • In den Figuren 2 und 3 ist der Faktor FR als Funktion des Radienverhältnisses ri / ra dargestellt und zwar in Figur 2 für Aluminium und in Figur 3 für Kupfer als Werkstoff. Diese Kurven gelten für skineffektbehaftete Leiter. Aus den Figuren sind Jeweils die Maxima der Faktoren Fa für verschiedene Außendurchmesser und verschiedene Durchmesserverhältnisse zu ersehen Hierauf sind die Darstellungen der Figuren 4 und 5 aufgebaut.
  • Hier ist in direkter Abhängigkeit vom Außendurchmesser der optimale Innendurchmesser für den Hohlleiter abzulesen, und zwar in Figur 4 für Hohlleiter aus Aluminium und in Figur 5 für Hohlleiter aus Kupfer. In den beiden Darstellungen ist jeweils eine Idealkurve eingezeichnet, die dem genauen Ergebnis der Rechnung entspricht. Außerdem ist jeweils noch eine Näherungsgerade angegeben, die im wesentlichen den in den Ansprechen 2 und 3 angegebenen Formeln entspricht. Außerdem sind noch 80 %-Kurven angegeben. Bleibt man bei der Wahl der Durchmesserverhältnisse z.B innerhalb des Bereiches, der von diesen Kurven begrenzt wird, so ist maximal eine Abweichung von 20 % von den idealen Radienverhältnissen möglich.
  • Durch die Erfindung ist somit eine Dimensionierungsvorschrift für Hochleistungskabel angegeben, die unabhängig von der Art und Weise der Kabelinnenkühlung mit strömenden Medien eine Optimierung des Beiterquerschnittes gestattet, d.h. mit einem solchen Kabel sind immer hohe Leistungen bei geringen Verlusten zu übertragen.
  • Die Bemessung der skineffektbehafteten Zweiter wurde für einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz angegeben. Die Zweiter lassen sich jedoch nach der gleichen Methode auch für andere, beliebige Frequenzen auslegen.
  • Auch ist es für die Bemessung der Kabel gleichgültig, ob mit ihnen Stark- oder Schwachstrom fortgeleitet wird, wenn man sie auch meistens für Starkstrom verwenden wird.

Claims (3)

Ansprüche -
1. Hochleistungskabel, z.B. für eine Kabelanlage, mit einem im Querschnitt etwa kreisringförmigen, gegebenenfalls mit einer kühlmitteldichten Auskleidung versehenen Hohlleiter, dessen innerer Hohlraum für den Durchfluß eines strömenden Kühlmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fortleitung von Gleichstrom oder Wechselstrom mit einem skineffektfreien Hohlleiter der Innenradius ri des Hohlleiters nach der Beziehung bemessen ist, worin ra den Außenradius des Hohlleiters bedeutet.
2. Hochleistungskabel, z.B. für eine Kabelanlage, mit einem im Querschnitt etwa kreisringförmigen, gegebenenfalls mit einer kühlmitteldichten Auskleidung versehenen Hohlleiter, dessen innerer Hohlraum für den Durchfluß eines strömenden Kühlmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fortleitung von Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz mit einem skineffektbehafteten Hohlleiter aus Aluminium der Innenradius ri des Hohlleiters nach dem Schaubild gemäß Figur 4 oder näherungsweise nach der Beziehung ri = 0,833 (ra - 3) festgelegt ist, wobei ra der Außenradius des Hohlleiters ist und die Maße der Radien in Millimetern einzusetzen sind.
3. Hochleistungskabel, z.B. für eine Kabelanlage, mit einem im Querschnitt etwa kreisringförmigen, gegebenenfalls mit einer kühlmitteldichten Auskleidung versehenen Hohlleiter, dessen innerer Hohlraum für den Durchfluß eines strömenden Kühlmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fortleitung von Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz mit einem skineffektbehafteten Hohlleiter aus Kupfer der Innenradius ri des Hohlleiters nach dem Schaubild gemäß Fig. 5 oder näherungsweise nach der Beziehung ru = 0,862 (ra - 3) festgelegt ist, wobei ra den Außenradius des Hohlleiters bedeutet und die Maße der Radien in Millimetern einzusetzen sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112397244A (zh) * 2020-11-10 2021-02-23 长沙理工大学 基于风光互补的一种新型高频交流输电简单电缆结构

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112397244A (zh) * 2020-11-10 2021-02-23 长沙理工大学 基于风光互补的一种新型高频交流输电简单电缆结构

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