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Kabelanlage Die Erfindung betrifft eine aus isolierten IIauptleitern
mit metallschen Mänteln, insbesondere Kabeln für hochgespannten Drehstrom bestehende
Kabelanlage, wobei die Hauptleiter nicht in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet
sind.
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Von dem ständig steigenden Zuwachs im Verbrauch elektrischer Energie
sind auch die zur Übertragung erforderlichen Netzwerke betroffen. In diesen Netzwerken
werden in ebenfalls zunehmendem Maße Kabel eingesetzt, bei denen die Gesaatverluste
zu optimieren sind, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erzielen. In diesem Zusammenhang
sind bei den zu sogenannten Kabelanlagen zusammengeschlossenen Kabeln u.a. die jeweils
vorliegenden Kühlbedingungen ebenso von wesentlicher Bedeutung wie die beim Betrieb
entstehenden Kabelverluste, zu denen auch die sogenannten Nantelverluste gehören.
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Diese, insbesondere bei der Ubertragung von hohen und höchsten elektrischen
Leistungen beträchtliche Ausmaße annehmenden Mantelverluste treten auf, wenn bei
beidseitiger Erdung der Kabelmantel die durch das magnetische Feld der Leit;erströme
induzierten Mantellägsspannungen hohe Ströme über die Kabelmäntel treiben.
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Dabei sind die flantelverluste einer Kabelanlage auch von der Art
der räumlichen Anordnung der einzelnen Kabel zueinander abhängig.
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Um die Mantelverluste herabzusetzen und damit zu einer die Wirtschaftlichkeit
steigeruden höheren Belastbarkeit zu kommen, ist es neben der u.a. durch die zulässigen
sogenannten Berührungsspannungen nur begrenzt einsetzbaren einseitigen Erdung von
Kabelmänteln, wobei induzierte Mantelverluste nicht auftreten, zur Erreichung des
gleichen Zieles bekannt (vgl. "Elektrizitätswirtschaft?t Band 70 (1971) Heft 26,
Seite 753 ff), die Kabelmäntel auszukreuzen (cross-bonding) oder die Kabel durch
zyklische Vertauschungen ihrer Lagern zu verdrillen (regular transposition).
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Beim sogenannten Auskreuzen der Kabelmäntel wird die Kabelstrecke
in Hauptabschnitte, bestehend aus drei möglichst gleichlangen Unterabschnitten,
unterteilt. Die Mäntel der einzelnen Unterabschnitte werden durch Muffen gegeneinander
isoliert. Innerhalb eines Hauptabschnittes werden die Mäntel der Unterabschnitte
durch zyklisch vertauschte Auskreuzungsverbindungen so zusammengeschaltet, daß sich
die induzierten Mantelspannungen am Ende eines Hauptabsehnittes vollständig oder
nahezu aufheben.
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Bei diesem bekannten Verfahren werden bei ebener Verlegung zwar nur
kleine Mantelströme induziert, aber da die Magnetfelder der Leiter sich ungehindert
ausbreiten können, entstehen in der Umgebung störende Beeinflussungen. Weiterhin
ist eine den Aufwand beträchtlich erhöhende große Anzahl von isolierenden Muffen
erforderlich, die durch Schaltapannungen und atmosphärische Uberspannungen beansprucht
werden. Diese Beanspruchung erfordert Vberspannungsschutzeinrichtungen mit den dazu
gehörigen Uberwachungsanlagen.
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Wird neben dem Auskreuzen der MänteL zusätzlich noch die Lage der
Kabel zyklisch mit entgegengesetzter Folge vertauscht, so lassen sich auch bei ebener
Verlegung der Kabel die induzierten Nantelspannungen zu Null machen. Diese Art der
Verlegung bereitet jedoch in ihrem geometrischen Aufbau bauliche Schwierigkeiten
und verursacht zusätzliche Kosten durch hohen Isolationsaufwand und die erforderlichen
baulichen Maßnahmen.
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Auch hier entstehen störendc magnetische Beeinflussungen.
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Die Muffen werden gleichfalls durch tberspanaungen erhöht beansprucht
und sind mit Schutzeinrichtungen und Uberwachungsanlagen zu versehen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kabelanlage der
eingangs genannten Art zu schaffen, die die beschriebenen Nachteile der bekannten
Ausführungen nicht aufweist und bei der die durch Mantelverluste verursachte thermische
Beanspruchung der Kabelanlage auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Nahe
des Kabels der nacheilenden Phase ein Zusatzleiter vorgesehen ist, der so bemessen,
aufgebaut und angeordnet ist, daß die Verluste in den Mänteln der Kabel der thermischen
Belastbarkeit angepaßt werden und möglichst klein sind. Auf diese Weise können nicht
nur die sonst in den ungunstigen, insbesondere äußeren Phasen auftretenden größten
Mantelverluste reduziert und die Belastbarkeit der Kabelanlage gesteigert werden1
sondern es wird daruber hinaus auch noch eine Verringerung der Kurzschlußkräfte
und eine Verbesserung des Reduktionsfaktors und eine bessere Erdung erreicht.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung kann der Zusatzleiter sowohl
außerhalb der von den Kabeln gebildeten Hochleistungsverbindung als auch zwischen
dem inneren und dem äußeren Kabel, dessen Strom dem Strom des inneren Kabels nacheilt,
angeordnet werden.
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Um eine gute Anpassung zu erzielen, können nach vorliegender Erfindung
den Mänteln zweier Kabel oder einem Mantel und dem Zusatzleiter jeweils eine einstellbare
Impedanz nachgeschaltet werden.
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Zur Erfassung der Betragsgleichheit der in den Mäntcln fließenden
Ströme schlägt die Erfindung eine Veßeinrichtung vor, die über Zangenmeßwandler
oder dergleichen angeschlossen ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden anhand der
zugehörigen Zeichnungen in der nachfolgrenden Beschlaeibung erläutert. Es zeigen
in schematischer Darstellung Fig. 1 drei in einer Ebene angeordnete Kabel mit danebenliegendem
Zusatzleiter, Fig. 2 drei in einer Ebene angeordnete Kabel mit dazwischentiegendem
Zusatzleiter, Fig. 3 eine durch ein Abstimm-Meßgerät erweiterte Anordnung mit in
seiner Lage veränderlichem Zusatzleiter, Fig. 4 eine durch Impedanzen erweiterte
Anordnung gern. Fig. 1 und Fig. 5 eine Anordnung mit einem in seiner Lage veränderlichen
mittleren Kabel.
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In den Fig. 1 bis 4 sind mit 1, 2 und 3 Mäntel von drei Kabeln 1',
2' bzw. 3' bezeichnet, die jeweils gleichen Abstand zueinander aufweisen. Es ist
auch möglich, das mittlere Kabel 2' exzentrisch zu verlegen. Die Mantel 1, 2 und
3 bestehen aus leitfähigem Material, z.B. Aluminium und umschließen jeweils einen
zugehörigen Hauptleiter 1", 2" bzw. 3 '' .
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Von den Kabeln 1', 2' und 3' wird eine dreiphasige Itochleistungsverbindung
gebildet, wobei das Kabel 1' für die Phase R, das Kabel 2' für die Phase S und das
Kabel ;s' für die Phase T vorgesehen ist. Eine beliebig andere Zuordnung der Phasen
R, S, T zu den Kabeln 1', 2', 3' ist ebenfalls möglich.
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Die drei Kabel 1', 2', 3' sind in einer Ebene angeordnet; so können
sie auf einer beispielsweise horizontal angeordneten -nicht dargestellten- Auflagekonstruktion
nebeneinander, auf einer vertikal angeordneten Auflagekonstruktion übereinander
oder auf einer beliebig geneigt angeordneten Auflagekonstruktion angebracht werden.
Die Enden bzw. die Anfänge der Kabelmäntel 1, 2, 3 sind jeweils zusammengeschlossen
durch eine Verbindung 4 bzw. 5, deren gegenüberliegende freie Enden durch einen
Zusatzleiter 6 miteinander verbunden sind. Dieser Zusatzleiter 6 kann auf der den
Kabeln 1', 2', 3' gemeinsamen Auflagekonstruktion angeordnet werden und wird außerhalb
Ser Hochleistungsverbindung neben dem Kabel 3' verlegt, dessen Leiterstrom dem Leiterstrom
des inneren Kabels 2' nacheilt. Es ist weiterhin möglich, den Zusatzleiter 6 innerhalb
der Hochleistungsverbindung neben dem Kabel 3' zu verlegen.
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Zur Ermittlung des genauen Verlegeortes, Aufbaues und der Dimensionierung
des Zusatzleiters 6 wird nach dem Induktionsgesetz, z.B. mit Hilfe der mittleren
geometrischen Abstände (vgl. auch Brüderlink "Induktivität und Kapazität der Starkstrom-Freileitungen"
Verlag: G. Braun, Karlsruhe, 1954) zunächst für jeden möglichen Veriegeort des Zusatzleiters
6 die Matrix der Impedanzbeläge der drei Mantel 1, 2, 3 und des Zusatzleiters 6
sowie weiterer möglicher Leiter und der Erde unter Berücksichtigung der Randbedingungen
= O und Spannungsgleichheit der parallel geschalteten Leiter aufgestellt. Dabei
wird der Zusatzleiter 6 durch eine solche Linienstromquelle ersetzt, daß die drei
Mantelstrombeträge unter sich gleich sind oder vorgegebenen Verhältnissen entsprechen.
Zieht- man von der Mantelspannung die von den anderen Leitern und Mänteln induzierten
Spannungen ab und teilt die verbleibende Spannung durch den Linienstrom, so erhält
man den Impedanzbelag des Zusatzleiters 6, dessen Realteil der Wirkwiderstandsbelag
R'Z und dessen Imaginäranteil der Blindwiderstandsbelag X'Z ist.
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Aus dem Wert R'Z ergibt sich unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit
des einzusetzenden Werkstoffes der Querschnitt des Zusatzleiters 6. Die Größen R'Z
und X' sowie die zugehörigen Verluste der Mäntel 1, 2, 3 sind eine für den angenommenen
Verlegeort des Zusatzleiters 6 charakteristische Wertegruppe.
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Aus der Menge dieser Wertegruppen wird diejenige ausgesucht, die mit
üblichen Seilen herkömmlicher Werkstoffe zu verwirklichen ist und die kleinstmögliche
thermische Beanspruchung der Mäntel ergibt.
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Aufgrund des Zusammenhanges th Rth P P' v = Rth . IM² worin bedeuten,
Rth den thermischen Widerstand des Kabels gegen die Umgebung, v die Verlustleistung
aufgrund der ohmschen Verluste des Mantelstromes IM über dem ohmschen Widerstand
des Kabelmantels R'M, die über dem thermischen Widerstand aufgrund der Verlustleistung
abfallende Temperaturdifferenz, ist es auch möglich, das beschriebene Gleichungssystem
nicht für gleiche Strombeträge in den Manteln 1, 2, 3, sondern für gleiche Temperaturen
an den Mänteln 1, 2, 3 oder den Hauptleitern 1", 2", 3" aufzustellen und aufzulösen.
Hierbei werden die Wärmeverhältnisse nach z.B. dem VDI Würmeatlas und/oder der IEC
Publ. 287 berücksichtigt, die bei den einzelnen Phasen unterschiedlich sein können.
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Der auf diese Arten hinsichtlich seines Verlegeortes, Aufbaues und
seiner geometrischen Abmessungen ermittelbare Zusatzleiter 6 wird bei z.B. einer
220 kV-0lkabelanlage in der Nähe der äußeren nacheilenden Phase T verlegt. Dieser
Zusatzleiter 6 kann sowohl außerhalb der durch die Kabel 1', 2', 3' gebildeten Hochleistungsverbindung
(Fig.l) als auch zwischen der äußeren, nacheilenden Phase T und der räumlich benachbart
angeordneten Phase S (Fig. 2) fest verlegt werden. Dabei entspricht der Ort des
Zusatzleiters 6 dem in der Rechnung angenommenen Ort der Linienstromquelle.
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Sind die Wärmeübergangswiderstände der die Hochleistungsverbindung
bildenden Kabel 1', 2', 3' und den umgebenden
Medien gleich, wie
dies z.B. bei einer Verlerng in Luft der Fall ist, so wird der Zusatzleiter G nach
der erstgenannten Methode ermittelt und das Gleichungssystem für gleiche Strombetrage
aufgestellt irnd aufgelöst. Bei ungleichen Wärmeübertragungswiderständen zwischen
den Kabeln 1', 2', 3' und den angebenden Medien, z.B. bei Erdverlegung, wird mit
Vorteil die oben an zweiter Stelle genannte Methode angewandt und der Zusatzleiter
6 ermittelt durch Aufstellen und Auflösen des Gleichungssystems für gleiche Temperaturen
an den Mänteln 1, 2, 3 oder den Hauptleitern lot', 2", 3'-Es kann auch vorteilhaft
sein, anstelle des einen Zusatzleiters 6 zwei oder mehrere Zusatzleiter mit geringerem
Querschnitt anzubringen.
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Der in seiner geometrischen Lage, seinem Querschnitt und Leitwert
auf die jeweilige Hochleistungsverbindung abzustiemende Zusatzleiter 6 kann, wie
Fig. 3 zeigt, vor seiner endgültigen Befestigung auf der Auflagekonstruktion innerhalb
bestimmter Grenzen verschoben werden, wodurch das mit üblicher Montagegenauigkeit
verlegte System noch derart abstimmbar ist, daß die Mantelstrombeträge den Ruhlverhältnissen
im gewünschten Sinne angepaßt werden. Zur Abstimmung von auchdurch Rechnung nicht
erfaßbaren Toleranzen der Fertigung und Materialien wird der Zusatzleiter 6 in ganzer
Länge oder abschnittsweise in den hierfür vorgesehenen Grenzen so lange versetzt,
bis die gewünschte Mantelstromverteilung erreicht ist. Zur Kontrolle der Abstimmung
der Mantelströme ist eine z.B. über Zangenmeßwandler 7, 8 und 9 angeschlossene Meßeinrichtung
10 vorgesehen, die die Ungleichheit der Mantelströme anzeigt, solange die angestrebte
Anpassung noch nicht erreicht ist.
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In Fig. 4 sind in Reihe zu den Mänteln 1 und 2 der Kabel 1' und 2'
jeweils eine ve7änderliche Impedanz 11 und 12 angeordnet, deren Grö3e nach der gewünschten
Mantelstromverteilung e inge stellt wird. Um die Verluste klein zu halten, werden
in vorteilhafter Weise einstellbare Blindwiderstände, z.B Drosseln gewählt. Diese
können thermisch kurzschlußfest ausgefülirt werden, wenn sie Eisen enthalten, das
im Kurzschlußfall in Sättigung geht.
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Die beschriebenen Impedanzen können auch in Reihe zu zwei anderen
Mänteln oder einem Mantel und dem Zusatzleiter 6 angeordnet werden. Die Anpassung
der gewichteten Mantelstrombetragsquadrate drate erfolgt wieder mit dem IIlstrament
13, das gen. der Fig. 3 und zugehöriger Beschreibung aufgebaut und in die Hochleistungsverbindung
eingeschaltet ist.
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Um die Mantelverluste der genannten Hochleistungsverbindung zu verkleinern,
kann, wie in Fig. 5 gezeigt, das mittlere Kabel 2' exzentrisch verlegt werden. Darüber
hinaus können die Erweiterungen zur nachträglichen Anpassung durch Versetzen des
Zusatzleiters 6 gem. Fig. 3 oder durch zusätzliche Impedanzen nach Fig. 4 auch bei
der in Fig. 5 dargestellten Anordnung Anwendung finden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, anstelle des als
Zusatzleiter 6 dienenden Boden-oder Erdseiles den Mantel der entsprechenden Phase
mit größerer Wanddicke als bei den anderen Phasen auszuführen. Die Vergrößerung
der Wanddicke wird etwa durch den elektrischen Querschnitt des sonst notwendigen
Zusatzleiters 6 bestimmt. Auch in diesem Falle
kann zusätzlich
die Abstimmung mit den in Fig. 4 betriebenen Impedanzen vorgenommen werden.
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Patentansprüche: