DE2527126C3

DE2527126C3 -

Info

Publication number: DE2527126C3
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: 1980-07-17
Also published as: DE2527126B2; DE2527126A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aus isolierten Hauptleilcrn, insbesondere Kabeln, mit metallischen Mänteln und Zusatzeinrichtung zur Minimierung der Mantclvcrlustc 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 hohen und höchsten elektrischen Leistungen beträchtli chen Ausmaße annehmenden Mantelverluste beten auf, wenn bei beidseitiger Erdung der Kabelmantel die durch das magnetische Feld der Leiterströme induzierten Mantellängsspannungen hohe Strö.ne über

ίο die Kabelmantel 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

is 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.

μ Andere bekannte Verfahren (vgl. »Elektrizitätswirtschaft« Band 70 [1971] Heft 26, S. 753 ff.) zur Erreichung des gleichen Zieles sind das Auskreuzen der Kabelmantel (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 Hauptabschnittswerden die Mäntel der Unterabschnitte durch zyklisch vertauschte Auskreuzungsverbindungen so zusammengeschaltet, daß sich die induzierten Man telspannungen am Ende eines Hauptabschnitts voll ständig oder nahezu aufheben.

Bei diesem bekannten Verfahren werden bei ebener Verlegung zwar nur kleine Mantelströme induziert, aber da die Magnetfelder der Leiter sich unge- hindert ausbreiten können, entstehen in der Umgebungstörende 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 Mantel zusätzlich noch die Lage der Kabel zyklisch mit entgegengesetz-

^n ter Folge vertauscht, so lassen sich auch bei ebener Verlegung der Kabel die induzierten Mantelspannungen zu Null machen. Diese Art der Verlegung bereitet jedoch in ihrem geometrischen Aufbau bauliche Schwierigkeiten und verursacht zusätzliche Kosten

π 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

ho 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

hi Mindestmaß herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Zusatzlciter 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 Manteln 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 hinaus 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. 5 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 möglieh, 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 Γ, 2' und 3' wird eine dreiphasige Hochleistungsverbindung gebildet, wobei das Kabel 1' für die Phase R, das Kabel 2' für die Phase 5 und das Kabel 3' für 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 Aufiagekonstruktion 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 der Hochleistungsverbindung neben dem Kabel 3' verlegt, dessen Leiterstrom dem h-, 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 Verhgeortes, 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 Verlegeort des Zusatzleiters 6 die Matrix der Impedanzbeläge der drei Mäntel 1,2,3 und des Zusatzleiters 6 sowie weiterer möglicher Leiter und der Erde unter Berücksichtigung der Randbedingungen ZJ=O 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 Linienstrom, so erhält man den Impedanzbelag des Zusatzleiters ti, dessen Realteil der Wirkwiderstandsbelag R'_z und dessen Imaginäranteil der Blindwiderstandsbelag X'_z ist. Aus dem Wert R'_z ergibt sich unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit des einzusetzenden Werkstoffes der QuerschniU des Zusatzleiters 6. Die Größen R'_z und X'_z sowie die zugehörigen Verluste der Mäntel 1, 2, 3 sind eine für den angenommenen Verlegeort des Zusatz-Ieitersö 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
AV = R₁₁,- P\ = R₀, ■ R'_M ■ y
worin bedeuten,

R₁₁, den thermischen Widerstand des Kabels gegen die Umgebung,

P'_r die Verlustleistung aufgrund der ohmschen

Verluste des Mantelstromes l_M übe/ dem ohmschen Widerstand des Kabelmantels R'_w

A& die über dem thermischen Widerstand aufgrund der Verlustleistung abfallende Temperaturdifferenz,

ist es auch möglich, das beschriebene Gleichungssystem 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" aufzustellen und aufzulösen. Hierbei werden die Wärmeverlialtnisse nach z. B. dem VDI Wärmeatlas und/oder der IEC Publ. 287 berücksichtigt, dte bei den einzelnen Phasen unterschiedlich sei/i können. Der auf diese Arten hinsichtlich seines Verlegeortes, Aufbaues und seiner geometrischen Abmessungen ermittelbai'e Zusatzleiter 6 wird bei z. B. einer 220-kV-ölkabelanlage in der Nähe der äußeren gegenüber der des mittleren Hauptleiters nacheilenden Phase T verlegt. Dieser Zusatzleiter 6 kenn sowohl außerhalb der durch die Kabel 1', 2', 3' gebildeten Hochleistungsverbindung (Fig. 1) 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.

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 Kabeln Γ, 2', y 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 seiner geomeirischen Lage, 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 ist, 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 an zeigt, solange die angestrebte Anpassung noch nichl erreicht ist.

In Fig. 4 sind in Reihe zu den Mänteln 1 und 1 der Kabel 1' und Ϊ jeweils eine veränderliche Impes danz 11 und 12 angeordnet, deren Größe nach dei gewünschten Mantelstromverteilung eingestellt wird Um die Verluste klein zu halten, werden in vorteilhafter Weise einstellbare Blindwiderstände, z. B. Dros seln gewählt. Diese können thermisch kurzschluBfesi

ίο ausgeführt werden, wenn sie Eisen enthalten, das im Kurzschlußfall in Sättigung geht. Die beschriebener Impedanzen können auch in Reihe zu zwei anderer Mänteln oder einem Mantel und dem Zusatzleiter ί angeordnet werden. Die Anpassung der gewichteter

is Mantelstrombetragsquadrate erfolgt wieder mit dem Instrument 13, das gemäß der Fig. 3 und zugehörigei Beschreibung aufgebaut und in die Hochleistungsverbindung eingeschaltet ist.

Uiii UiC naaiiiclvci !usic uci gciiäümcii Küciiici-

stungsverbindung zu verkleinern, kann, wie in Fig. 5 gezeigt, das mittlere Kabel 2' exzentrisch verlegt werden. Darüber hinaus können die Erweiterungen zui nachträglichen Anpassung durch Versetzen des Zusatzleiters 6 gemäß Fig. 3 oder durch zusätzliche Im pedanzen nach Fig. 4 auch bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung Anwendung finden.

In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich anstel!.· des als Zusatzleiter 6 dienenden Boden- odei Erdseiles den Mantel der entsprechenden Phase mil

ro größerer Wanddicke als bei den anderen Phasen auszuführen. Die Vergrößerung der Wanddicke wire etwa durch den elektrischen Querschnitt des sonsi notwendigen Zusatzleiters 6 bestimmt. Auch in diesem Falle kann zusätzlich die Abstimmung mit der

j5 in Fig. 4 betriebenen Impedanzen vorgenommer werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 ein Zusatzleiter (6) in der 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) hi 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 der Mantel Verluste 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 der beiden äußeren Hauptleiter (I" und 3") angeordnet sind.

4. Kabelanlage naoci einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptleiter (1", 2", 3") in einer Ebene biegen, wobei die Hauptleiter (I" und 2") sowie die Hauptleiter (2" und 3") 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 dem Mantel (1,2 oder 3) eines Kabels (1', 2' oder 3') und dem Zusatzleiter (6) jeweils eine Impedanz nachgeschaltet ist.