DE2527126B2

DE2527126B2 - Kabelanlage

Info

Publication number: DE2527126B2
Application number: DE19752527126
Authority: DE
Inventors: Karl Friedrich Dipl.-Ing. 6101 Reinheim Eichhorn; Gerhard Prof. Dr.-Ing. 6100 Darmstadt Hosemann
Original assignee: Kabel- und Lackdrahtfabriken 6800 Mannheim GmbH
Current assignee: Suedkabel GmbH
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1979-10-25
Also published as: DE2527126C3; DE2527126A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aus isolierten Hauptleitern, insbesondere Kabeln, mit metallischen Mänteln und Zusatzeinrichtung zur Minimierung der Mantelverluste bestehende Kabelanlage für hochgespannten Drehstrom, wobei die Hauptleiter nicht in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind.

Dem Ständig steigenden Zuwachs im Verbrauch elektrischer Energie müssen auch die zur Übertragung erforderlichen Netzwerke entsprechen. In diesen Netzwerken werden in ebenfalls zunehmendem Maße Kabel eingesetzt, bei denen die Gesamtverluste zu optimieren sind, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erzielen. In diesem Zusammenhang sind bei den zu Kabelanlagen zusammengeschlossenen Kabeln u. a. die jeweils vorliegenden Kühlbedingungen ebenso von wesentlicher Bedeutung wie die beim Betrieb entstehenden Kabelverluste, zu denen auch die Mantelverluste gehören.

Diese, insbesondere bei der Übertragung von horien und höchsten elektrischen Leistungen beträchtlichen Ausmaße annehmenden Mantelverluste treten auf, wenn bei beidseitiger Erdung der Kabelmäntel die durch das magnetische Feld der Leitersfröme induzierten Mantellängsspannungen hohe Ströme über die Kabelmäntel treiben. Dabei sind die Mantelverluste einer Kabelanlage auch von der Art der räumlichen Anordnung der einzelnen Kabel zueinander abhängig.

Um die Mantelverluste herabzusetzen und damit zu einer die Wirtschaftlichkeit steigernden höheren Belastbarkeit zu kommen, sind besondere Zusatzeinrichtungen bekannt. Beispielsweise können die Kabelmäntel auf einer Seite geerdet werden, wobei die zulässigen Berührungsspannungen zu beachten sind. Andere bekannte Verfahren (vgl. »Elektrizitätswirtschaft« Band 70 [1971] Heft 26, S. 753ff.) zur Erreichung des gleichen Zieles sind das Auskreuzen der Kabelmäntel (cross-bonding) oder das Verdrillen der Kabel (regular transposition).

Beim Verdrillen werden die Kabel über der Leitungslänge zyklisch in ihrer Lage vertauscht. Beim Auskreuzen der Kabelmäntel wird die Kabelstrecke in Hauptabschnitte, bestehend aus drei möglichst gleich langen Unterabschnitten, unterteilt. Die Mäntel der einzelnen Unterabschnitte werden durch Muffen gegeneinander isoliert. Innerhalb eines Hauptabschnitts werden die Mäntel der Unterabschnitte durch zyklisch vertauschte Auskreuzungsverbindungen so zusammengeschaltet, daß sich die induzierten Manl:elspannungen am Ende eines Hauptabschnitts vollständig oder nahezu aufheben.

Bei diesem bekannten Verfahren werden bei ebener Verlegung zwar nur kleine Mantelströme induziert, aber da die Magnetfelder csr 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 Schaltspannungen und atmosphärische Überspannungen beansprucht werden. Diese Beanspruchung erfordert Überspannungsschutzeinrichtungen mit den dazugehörigen Überwachungsanlagen.

Wird neben dem Auskreuzen der Mäntel zusätzlich noch die Lage der Kabel zyklisch mit entgegengesetzeer Folge vertauscht, so lassen sich auch bei ebener Verlegung der Kabel die induzierten Mantelspannun- £en 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. Auch hier entstehen strömende magnetische Beeinflussungen. Die Muffen werden gleichfalls durch Überspannungen erhöht beansprucht und sind mit Schutzeinrichtungen und Überwachungsanlagen zu versehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kabelanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die durch Mantelverluste verursachte thermische Beanspruchung der Kabelanlage auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Zusatzleiter in der Nähe desjenigen äußeren Hauptleiters angeordnet ist, dessen Strom dem

des mittleren Hauptleiters nacheilt. Diese Zusatzeinrichtung (ein oder mehrere Zusatzleiter bzw. ein oder mehrere Impedanzen), minimiert die Verluste in den Mänteln der Kabel. Dabei kann diese Minimierung darauf abzielen, daß die Summe der in den drei Mänteln eintretenden Verluste minimal ist, die Verluste in allen drei Mänteln unter sich gleich und minimal sind oder die Verluste derart aufgeteilt werden, daß alle drei Kabel thermisch gleich beansprucht werden. In jedem dieser drei vorgenannten Fälle tritt eine Vergrößerung der Übertragungsleistung ein. Darüber hinaas wird auch noch eine Verringerung der Kurzschlußkräfte, eine Verbesserung des Reduktionsfaktors sowie eine bessere Erdung verbunden mit einer Verringerung der Berührungsspannung erreicht.

Mit zwei oder mehreren Zusatzleitern, die neben einem oder beiden äußeren Hauptleitern angeordnet und entsprechend bemessen usw. sind, lassen sich die günstigen Ergebnisse weiter steigern.

Um eine weitere Steigerung der Durchgangsleistung zu erzielen, können nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung den Mänteln zweier Kabel oder einem Mantel und dem Zusatzleiter jeweils eine einstellbare Impedanz nachgeschaltet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 drei in einer Ebene angeordnete Kabel mit danebenliegendem Zusatzleiter,

Fig. 2 drei in einer Ebene angeordnete Kabel mit dazwischenliegendem Zusatzleiter,

Fig. 3 eine durch ein Abstimm-Meßgerät erweiterte Anordnung mit in seiner Lage veränderlichem Zusatzleiter,

Fig. 4 eine durch Impedanzen erweiterte Anordnung gemäß Fig. 1, und

Fig. S eine Anordnung mit einem in seiner Lage veränderlichen mittleren Kabel.

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 Mäntel 1, 2 und 3 bestehen aus leitfähigem Material, z. B. Aluminium und umschließen jeweils einen zugehörigen Hauptleiter 1", 2" bzw. 3". Von den Kabeln 1', 2' und 3' wird eine dreiphasige Hochleistungsveibindunggebildet, wobei das Kabel 1' für die Phase R, das Kabel 2' für die Phase S und das Kabel 3' fUr die Phase T vorgesehen ist. Eine beliebig andere Zuordnung der Phasen R, S, T zu den Kabeln 1', 2', 3' ist ebenfalls möglich.

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 Γ, 2', 3' gemeinsamen Auflagekonstruktion angeordnet werden und wird außerhalb der 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.

Zur Ermittlung des genauen Veriegeortes, 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-Freiieitungen« Verlag: G. Braun, Karlsruhe, 1954) zunächst für jeden möglichen Verlegeort des Zusatzleiters 6 die Matrix der Impedanzbeläge der

lu drei Mäntel 1,2,3 und des Zusatzleiters 6 sowie weiterer möglicher Leiter und der Erde unter Berücksichtigung der Randbedingungen ΣΙ= 0 und Spannungsgleichheit der parallelgeschalteten 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 Linienstron? so erhält man den Impedanzbeiag des Zusatzleiters G, dessen Reaitcii der Wirkwiderstandsbelag R'_z und dessen Imaginäranteil der Blindwiderstandsbelag X₂ ist. Aus dem Wert R'_z ergibt sich unter Berücksichtigung der Leit-

fähigkeit des einzusetzenden Werkstoffes der Querschnitt des Zusatzleiters 6. Die Größen R'_z und X₂ sowie die zugehörigen Verluste der Mäntel 1,2.3 sind eine für den angenommenen Verlegeort des Zusatzleiters 6 charakteristische Wertegruppe. Aus der Menge dieser Wertegruppen wird diejenige ausgesucht, die mit üblichen Stellen herkömmlicher Werkstoffe zu verwirklichen ist und die kleinstmögliche thermische Beanspruchung der Mäntel ergibt.

Aufgrund des Zusammenhanges
Δϋ = R₀, · P'_r = Ä_rt · R'_M ■ IJ
worin bedeuten,

R.. den thermischen Widerstand des Kabels gegen die Umgebung,

P\ die Verlustleistung aufgrund der ohmschen
Verluste des Mantelstromes I₁₄ über dem ohmschen Widerstand des Kabelmantels R'_M.

Δϋ die über dem thermischen Widerstand aufgrund der Verlustleistung abfallende Temperaturdifferenz,

ist es auch möglich, das beschriebene Gleichungssystern nicht für gleiche Strombeträge in den Mänteln 1, 2,3, sondern für gleiche Temperaturen an den Mänteln 1, 2, 3 oder den Hauptleitern 1", 2", 3" autzustellen und aufzulösen. Hierbei werden die Wärmeverhältnisse nach z. B. dem VDI Wärmeatlas und/oder der IFC Pubi. 287 berücksichtigt, oie bei den einzelnen Phasen unterschiedlich sein könner. Der auf diese Arten hinsichtlich seines Verlegeortes, Aufbaues und seiner geometrischen Abmessungen ermittelbar·- Zusatzleiter 6 wird bei z. B. einer

bo 220-kV-ölkabelanlage in der Nähe der äußeren gegenüber der des mittleren Hauptleiters nacheilenden Phase T verlegt. Dieser Zusatzleiter''» kann sowohl außerhalb der durch die Kabel 1', 2', 3' gebildeten Hochleistungsverbindung (Fig. 1) als auch zwischen

(y-, 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.

Sind die Wärmeübergangswiderstände der die Hochleistungsverbindung bildenden Kabel 1', 2', 3' und den umgebenden Medien gleich, wie dies z. B. bei einer Verlegung in Luft der Fall ist, so wird der Zusatzleiter 6 nach der erstgenannten Methode ermittelt und das Gleichungssystem für gleiche Strombeträge aufgestellt und aufgelöst. Bei ungleichen Wärmeübertragungswiderständen zwischen den Ka beln 1', 2', 3' und den umgebenden 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 1", 2", 3".

Es kann auch vorteilhaft sein, anstelle des einen Zusatzleiters 6 zwei oder mehrere Zusatzleiter mit geringerem Querschnitt anzubringen.

Der in >>eiiici gcuiiic'u iSCiicii Läge, seinem Querschnitt und Leitwert auf die jeweilige Hochleistungsverbindung abzustimmende 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 i· t, daß die Mantelstrombeträge den Kühlverhältnissen im gewünschten Sinne angepaßt werden. Zur Abstimmung von auch durch 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.

In Fig. 4 sind in Reihe zu den Mänteln 1 und 2 der Kabel 1' und 2' jeweils eine veränderliche Impe danz 11 und 12 angeordnet, deren Größe nach der gewünschten Mantelstromverteilung eingestellt wird. Um die Verluste klein zu halten, werden in vorteilhafter Weise einstellbare Blindwiderstände, z. B. Drosseln gewählt. Diese können thermisch kurzschlußfest ausgeführt werden, wenn sie Eisen enthalten, das im Kurzschlußfall in Sättigung geht. Die beschriebenen Impedanzen können auch in Reihe zu zwei anderen Mänteln oder einem Mantel und dem Zusatzleitcr 6 angeordnet werden. Die Anpassung der gewichteten Mantelstrombetragsquadrate erfolgt wieder mit dem Instrument 13, das gemäß der Fig. 3 und zugehöriger Beschreibung aufgebaut und in die Hochleistungsverbindung eingeschaltet ist.

stungsverbindung 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 gemäß Fig. 3 oder durch zusätzliche Impedanzen nach Fig. 4 auch bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung Anwendung finden.

In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, anste'lc 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus isolierten Hauptleitern, insbesondere Kabeln, mit metallischen Mänteln und Zusatzein- ϊ richtung zur Minimierung der Mantelverluste bestehende Kabelanlage für hochgespannten Drehstromi, wobei die Hauptleiter nicht in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzleiter (6) in der in Nähe desjenigen äußeren Hauptleiters (3") angeordnet ist, dessen Strom dem des mittleren Hauptleiters (2") nacheilt.

2. Aus isolierten Hauptleitern, insbesondere Kabeln, mit metallischen Mänteln und Zusatzeinrichtung zur Minimierung der Mantelverluste bestehende Kabelanlage für hochgespannten Drehstrom, wobei die Hauptleiter nicht in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Zusatzleiter (6) in der Nähe desjenigen äußeren Hauptleiters (3") angeordnet sind, dessen Strom dem des mittleren Hauptleiters (2") nacheilt.

3. Aus isolierten Hauptleitern, insbesondere Kabeln, mit metallischen Mänteln und Zusatzeinrichtung zur Minimierung dpr Mantelverluste bestehende Kabelanlage für hochgespannten Drehstrom, wobei die Hauptleiter nicht in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Zusatz- jo leiter (6) in Jer Nähe der beiden äußeren Hauptleiter (I" und 3") ^ngeor^net sind.

4. Kabelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, ^aß die Hauptleiter (1", 2", 3") in einer Ebene liegen, wobei die r> Hauptleiter (I" und 2") sowie die Hauptleiter (2" und :t") jeweils mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.

5. Kabelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Mänteln (1, 2, 3) zweier Kabel (1', 2' oder 1', 3' oder 2', 3') jeweils eine einstellbare Impedanz (11, 12) nachgeschaltet ist.

6. Kabelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß v> dem Mantel (1,2 oder 3) eines Kabels (1', 2' oder 3') und dem Zusatzleiter (6) jeweils eine Impedanz nachgeschaltet ist.