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Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen
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erdverlegter Starkstromkabel Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Kühlen erdverlegter Starkstromkabel, welche in einer rohrförmigen KabelumSassung
liegen. Diese werden üblicherweise dadurch gekühlt, daß Wasser oder öl durch die
Rohre strömt, in denen die Kabel liegen.
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Das Öl oder das Wasser wird dann durch mit tuft oder mit Wasser gekühlte
Wärmetauscher geführt, welche äquidistant längs der Leitung angeordnet sind. Zum
ausreichenden Abführen von Wärme wird jedoch ein erheblicher Flüssigkeitsdurchfluß
benötigt und es ist eine teuere Apparatur erforderlich, um das Fließen der Flüssigkeit
zu bewirken. Die vorliegende Erfindung schlägt eine relativ billige und wirksamere
Vorrichtung vor, um erdverlegte Kabel zu kühlen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine geschlossene Kammer auf, welche einen Längenabschnitt der erdverlegten
Rohre umfaßt. Die geschlossene Kammer weist eine Flüssigkeitszuführungsöffnung und
eine Abführungsöffnung für die verdampfte Flüssigkeit auf. Es ist ein Verteiler
vorgesehen, um die Flüssigkeit, die in die geschlossene Kammer durch die Zuführunsffnung
eintritt, in der geschlossenen Kammer zu verteilen, wodurch die Verdampfung der
Flüssigkeit durch die in den erdverlegten Starkstromkabeln entwickelte Wärme die
Kühlung bewirkt. Auch sind Mittel vorgesehen, um das Abführen der verdampften Flüssigkeit
durch die Abführungsöffnung
einzuleiten. Das Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung umfaßt die Zuführung von Flüssigkeit längs einer geschlossenen
Kammer, welche sich längs eines Längenabschnitts der Starkstromkabel erstreckt,
so daß diese Flüssigkeit in der geschlossenen Kammer verteilt wird. Ein Druckluftstrom
wird längs der Länge der geschlossenen Kammer geführt, um die Verdampfung der Flüssigkeit
zu unterstützen und um verdampfte Flüssigkeit von den Starkstromkabeln abzuführen.
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Die Druckluft, welche mit verdampfter Flüssigkeit beladen ist, wird
dann aus der geschlossenen Kammer abgezogen.
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Die Erfindung betrifft allgemein die Kühlung erdverlegter Starkstromkabel
und im besonderen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Starkstromkabeln
durch Verdampfen einer Flüssigkeit in einer geschlossenen Kammer, in welcher Längenabschnitte
von Starkstromkabeln liegen, und durch Entfernen des darin entwickelten Dampfes.
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Bei erdverlegten Starkstromkabeln ist die übertragbare elektrische
Leistung durch die höchste Arbeitstemperatur des Kabels begrenzt. Die Temperatur
steht in direkte Beziehung zu der von Kabel entwickelten Wärme und der Fähigkeit
der Umgebung, diese Wärme zu verteilen. Unabhängig von der speziellen Installation
des Starkstromkabels hat man sich bisher für die Verteilung der vom Starkstromkabel
entwickelten Wärme auf den umgebenden Boden verlassen. Der Boden hat jedoch eine
geringe thermische Leitfähigkeit, welche darüber hinaus örtlich, je nach dem Wetter,
je nach seiner Feuchtigkeit schwankt.
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Aus diesem Grunde muß ein hoher Sicherheitsfaktor im Verhältnis zu
den unterschiedlichen Stromdurchflüssen der erdverlegten Starkstromkabel angesetzt
werden. Ein höherer Stromdurchfluß wurde durch Verwendung spezieller Hinterfüllungen
mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit und verbessertem Plüssigkeitsrückhaltvermögen
erreicht.
Die Möglichkeit des Bodens, Wärme abzuführen, hat sogar unter Verwendung derartiger
Hinterfüllungen fast seine praktische Grenze erreicht, wohingegen weiterhin das
Erfordernis nach erdverlegten Starkstromkabeln mit weiter erhöhtem Stromdurchfluß
besteht.
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Es ist bekannt, erdverlegte Starkstromkabel durch durch Rohre strömendes
Wasser oder Öl zu kühlen, wobei diese Rohre entweder neben den Kabeln verlegt sind
oder in Rohren großen Durchmessers liegen, in denen auch die Kabel liegen. Das Öl
oder das Wasser wird dann durch luft- oder wassergekühlte Wärmetauscher geführt,
welche gleichmäßig längs der Leitung verteilt sind.
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Zur Überwindung der Nachteile bekannter Kühlsysteme für erdverlegte
Starkstromkabel verwendet die vorliegende Erfindung die Verdampfung einer Flüssigkeit
in einer geschlossenen Kammer, in welcher ein Längenabschnitt der Starkstromkabel
liegt. Hält man Flüssigkeit in der geschlossenen Kammer, so bewirkt die in den Kabeln
erzeugte Wärme die Verdampfung dieser Flüssigkeit, und die sich ergebende verdampfte
Flüssigkeit wird aus der geschlossenen Kammer entfernt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zum Kühlen
erdverlegter Kabel eine geschlossene Kammer auf, in welcher ein Längenabschnitt
von erdverlegten Kabeln einschließbar ist. Die geschlossene Kammer weist eine Flüssigkeitszuführungsöffnung
und eine Abführungsöffnung für die verdampfte Flüssigkeit auf. Es ist ein Verteiler
vorgesehen, um die in die geschlossene Kammer durch die Zuführungsöffnung gelangte
Flüssigkeit in der geschlossenen Kammer zu verteilen, wodurch die Verdampfung der
Flüssigkeit durch die in den erdverlegen Kabeln erzeugte Hitze eine Kühlung dieser
Starkstromkabel
bewirkt. Auch sind Mittel vorgesehen, um das Abführen
der verdampften Flüssigkeit durch eine Abführungsöffnung einzuleiten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Verdampfungskühlung von
erdverlegten Starkstromkabeln, wobei eine Flüssigkeit längs einer geschlossenen
Kammer zugeführt wird, die sich längs eines Längenabschnitts der Starkstromkabel
erstreckt, derart, daß die Flüssigkeit in der geschlossenen Kammer verteilt wird.
Druckluft strömt in Längsrichtung der geschlossenen Kammer, um den Verdampfungsprozeß
der Flüssigkeit zu unterstützen und verdampfte Flüssigkeit von den Starkstromkabeln
abzuziehen. Die Druckluft, welche die verdampfte Flüssigkeit trägt, wird dann aus
der geschlossenen Kammer abgeführt.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer Starkstromkabel-Anlage
mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, Fig. 2 einen vergrößerten vertikalen
Querschnitt längs der Linie II-II durch die geschlossene Kammer des Ausführungsbeispieles
der Fig. 1, Fig. 3 die Ansicht der schematischen Darstellung eines Mannloches mit
einer Vorrichtung zum Kühlen eines Starkstromkabels mit einer Vakuumpumpe, Fig.
4 eine Seitenansicht der Kühlvorrichtung der Fig. 3, Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische
Ansicht einer weiteren Ausbildung der Kammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
teilweise weggebrochen, um die innere Konstruktion zu zeigen, und Fig. 6 den vertikalen
Querschnitt einer Ausführung gemäß Fig. 5, längs der Linie VI-VI.
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Die nachfolgend beschriebene, bevorzugte Ausführungsform betrifft
einzeln ummantelte Kabel, doch ist die Erfindung ebenfalls anwendbar auf andere
Typen erdverlegter Kabel-Installationen, wie beispielsweise auf Konstruktionen mit
ölgefüllten Rohren.
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Gemäß Fig. 1 und 2 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer
dreiphasigen Hochspannungs-Übertragungsanlage angewandt, welche drei einzeln ummantelte
Kabel 10 aufweist, die in einer geschlossenen Kammer 12 angeordnet sind. Drei Kabel
sind in der geschlossenen Kammer dargestellt, doch kann selbstverständlich die Erfindung
auf jede beliebige Anzahl von Kabeln angewandt werden, je nach der Größe der verwendeten
geschlossenen Kammer 12. Die Kabel 10 haben, wie dies in Fig. 2 erkennbar ist, in
Segmente aufgeteilte Kupferleiter 14, eine zentrale Ölführung 16, eine Isolierung
18 aus ölimprägniertem Papier, eine Metallhülle 20 und eine extrudierte Polyäthylenhülle
22.
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Gemäß Fig. 2 weist jedes Starkstromkabel 10 eine äußerste poröse Materialschicht
aus porösem Material 24 auf, welche auf die Kabel während der letzten Phase der
Herstellung aufgebracht wird. Ein Gleitdraht (skid wire) kann darüber hinaus auf
die Außenfläche der Schicht 24 aufgebracht werden. Die poröse Schicht 24 kann aus
Jute, Glaswolle oder anderen Materialien bestehen, die Wasser gut zurückhalten und
chemisch widerstandsfähig sind.
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Der untere Abschnitt der geschlossenen Kammer 12 begrenzt einen ersten
Durchgang, der sich über die gesamte Länge der Kammer erstreckt und Flüssigkeit
26 enthält. Der obere Teil der Kammer enthält einen zweiten Durchgang, der sich
ebenfalls über die gesamte Länge der Kammer erstreckt und in den der Dampf strömt.
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Da Abschnitte der porösen Materialschichten 24 die Flüssigkeit 26
berühren, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, versteht es sich, daß einige der Starkstromkabel
und der zugehörigen
porösen Schichten beide Durchgänge berühren.
Die Kapillarwirkung der porösen Schicht verteilt die Flüssigkeit 26 über die Außenflächen
der Starkstromkabel. Die Flüssigkeit 26 ist vorzugsweise Wasser, welches entionisiert
und gechlort wurde, um den Aufbau von Salzen und das Wachstum lebender Organismen
in der geschlossenen Kammer 12 und auf den Außenflächen der Kabel 10 zu vermeiden.
Eine kleine Wasserpumpe 28 ist in einem Mannloch 30 angeordnet und dient dem Pumpen
der Flüssigkeit 26 aus einem Behälter 32, welcher sich im Mannloch befindet, durch
eine Flüssigkeitszuführungsöffnung 34, die sich an der geschlossenen Kammer befindet,
in die geschlossene Kammer 12 hinein. Die Flüssigkeit 26 fließt in Längsrichtung
der geschlossenen Kammer 12 durch Schwerkraft, da die geschlossene Kammer nach unten,
von der Zuführungsöffnung 34 hinweg, zu einem Überströmbehälter 36 geneigt ist,
der sich am entgegengesetzten Ende der geschlossenen Kammer 12 befindet. Eine Flüssigkeitsabführungsleitung
39 am Boden des Überströmbehälters führt die Flüssigkeit, die im Überströmbehälter
36 sich angesammelt hat, einem Behälter 32 im Mannloch 30 zu. Die Flüssigkeit 26
wird in der geschlossenen Kammer 12 dauernd in einem Ausmaß verdampft, welches direkt
vom Ausmaß der Erwärmung der Kabel 10 abhängt, und zum Teil auch von anderen Betriebsbedingungen
des Systems. Das Wasser in den Hauptbehältern 32 kann von zentralen, an Unterstationen
angeordneten Behältern mittels einer Leitung ergänzt werden, die neben oder in der
geschlossenen Kammer 12 verläuft.
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Kabelanschlüsse 38 zwischen den einzelnen Kabelabschnitten sind in
den Mannlöchern 30 angeordnet, welche jeweils in etwa 400 bis 600 m Entfernung voneinander
längs der Anlage angeordnet sind. Zur Vereinfachung der vorliegenden Beschreibung
ist die Kühlung der Kabelanschlüsse und der Kabelenden nicht angegeben, obgleich
ähnliche erfindungsgemäße Kühlsysteme auch für diese Teile der Anlage anwendbar
sind. Endplatten 40 der
geschlossenen Kammer 12 sind in den Mannlöchern
32 angeordnet und auf die Kabel 10 dicht aufgebracht, wodurch die geschlossene Kammer
12 zwischen den Mannlöchern relativ luftdicht wird.
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Gemäß Fig. 1 befinden sich im Mannloch 30 auch Gebläse 42 mit Niederdruckventilatoren
hoher Leistung. Die Gebläse 42 dienen zur Entfernung der durch die Erwärmung der
erdverlegten Kabel verdampften Flüssigkeit durch Abführungsleitungen 44.
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Vom Gebläse 42 angesaugte Luft tritt in das Mannloch 30 durch Öffnungen
46 der Abdeckung des Mannloches ein. Ein Filter 48 kann entweder am Eingang oder
am Ausgang des Gebläses 42 angeordnet sein. Es dient dazu, Verunreinigungen von
der in die geschlossene Kammer 12 eintretenden Luft zu entfernen, um eine vernünftige
Reinheit im Inneren der geschlossenen Kammer aufrechtzuerhalten und um einer Verschmutzung
der Oberflächen der Kabel 10 vorzubeugen. Die vom Gebläse 42 abgegebene Druckluft
strömt durch eine Leitung 43 und tritt in die geschlossene Kammer 12 ein, wobei
ein turbulenter Luftstrom in dieser Kammer erzeugt wird, der über die Länge der
geschlossenen Kammer 12 fließt, hierbei die Verdampfung von Flüssigkeit in der geschlossenen
Kammer unterstützt und die erhaltene verdampfte Flüssigkeit aus der geschlossenen
Kammer 12 durch die Abführungsleitung 44 abführt, die sich im Mannloch 30 befindet.
Die Luft-Dampfmischung wird dabei in die Atmosphäre ausgeblasen und somit die in
den Kabeln 10 erzeugte Wärme verteilt.
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Die Druckluft tritt in die geschlossene Kammer 12 mit niederer relativer
Feuchtigkeit ein. Schnell wird bei der Aufnahme von Dampf der Sättigkeitsgrad erreicht,
wobei ein geringer Temperaturabfall erfolgt. Strömt die Druckluft längs der geschlossenen
Kammer, so steigt ihre Temperatur wegen der erzwungenen Konvektion und der Verdampfungs=
Kondensations-Prozesse. Dieser Anstieg der Temperatur bewirkt eine wesentliche Erhöhung
der relativen Feuchtigkeit der Luft, d.h., die Fähigkeit der Luft,
eine
erhöhte Menge von Dampf pro Volumeneinheit aufzunehmen, nimmt zu. Infolgedessen
kann die Luft größere Wärmemengen transportieren, wobei sie jedoch nur eine minimale
íDemperaturerhöhung erfahrt, so daß sie ein geeignetes Medium zum Kühlen der Starkstromkabel
10 ist. Darüber hinaus erfolgen Wärmeübertragung und Dampfkondensierung an der inneren
Oberfläche der geschlossenen Kammer 12, wobei die Wärme durch den umgebenden Boden
verteilt wird, welcher in seinem üblichen Rahmen als Kühlmedium wirkt.
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Gemäß den Fig. 3 und 4 kann die Verdampfung in der geschlossenen Kammer
12 durch Aufrechterhaltung eines Unterdruckes in dieser Kammer erzielt werden. Zur
Erzielung dieses Unterdruckes wird eine Vakuumpumpe 50 anstelle des Gebläses 42
verwendet. Die Vakuumpumpe 50 ist im Mannloch 30 angeordnet und ist mit ihrem Eingang
52 an die geschlossene Kammer 12 angeschlossen. Hierbei weist die geschlossene Kammer
12 Endplatten 40 auf, welche dicht auf die Kabel 10 aufgebracht sind, um einen luftdichten
Abschluß zu erhalten. Darüber hinaus kompensiert die Verwendung einer Vakuumpumpe
Lecks des Systems. Flüssigkeit wird der geschlossenen Kammer 12 zugeführt und in
dieser in der vorstehend beschriebenen Weise verteilt. Die Flüssigkeitszuführung
34 und der Überströmbehälter 36 können beide am unteren Ende der abwärts geneigten
Kammer 12 angeordnet sein, wobei die Flüssigkeit längs einem kleinen Rohr in der
geschlossenen Kammer 12 gepumpt und am entgegengesetzten Ende der geschlossenen
Kammer von dem kleinen Rohr ausgegeben wird.
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Die Vakuumpumpe 50 wird angewandt, um den Druck in der geschlossenen
Kammer auf 50 bis 100 mm Quecksilbersäule (absolut) zu vermindern und so eine schnelle
Verdampfung der Flüssigkeit zu erreichen. Verwendet man beispielsweise Wasser als
Flüssigkeit, so kocht dieses bei 38 bis 520 C. Der erzeugte Dampf wird von der Vakuumpumpe
50 abgezogen und durch die Ausblasleitung 54 in die Atmosphäre abgeblasen, wodurch
die in den
Kabeln erzeugte Wärme verteilt wird. Darüber hinaus
findet eine gewisse Kondensation an der Innenfläche der geschlossenen Kammer 12
statt, wobei die abgegebene Wärme durch den umgebenden Boden verteilt wird. Verwendet
man eine hinreichend große (weite) geschlossene Kammer, so sind die Unterschiede
des Dampfdruckes längs der Kammer, die zur Erzeugung des Dampfflusses erforderlich
sind, gering. Die Dampftemperatur und die Oberflächentemperatur der Kabel sind dann
längs der geschlossenen Kammer 12 vernünftig gleichförmig. Die Oberflächentemperatur
der Kabel kann darüber hinaus durch Änderung der Pumpleistung der Vakuumpumpe gesteuert
werden, und somit auch der entsprechende Druck in der geschlossenen Kammer 12.
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Gemäß den Fig. 5 und 6 kann die poröse Materialschicht durch Verwendung
eines flexiblen Rohres 56 ersetzt werden, welches an der Innenfläche der geschlossenen
Kammer 12 mittels eines zylindrischen Kanales 58 angeordnet ist, der in Längsrichtung
geschlitzt und an der Innenfläche der geschlossenen Kammer 12 angebracht ist. Der
Kanal ist derart aufgebaut, daß er in der geschlossenen Kammer 12 über dem Starkstromkabel
in sich das flexible Rohr 56 trägt. Dieses weist Sprühdüsen 60 auf, die sich nach
unten erstrecken und in gleichmäßigen Abständen über die Länge des Rohres 56 verteilt
sind. Der Strom der Flüssigkeit im flexiblen Rohr wird von einer kleinen Pumpe im
Mannloch erzeugt, wobei diese Pumpe eine Ansaugleitung hat, die mit dem Hauptbehälter
im Mannloch 30 verbunden ist. Die Düsen 60 erzeugen einen Wassernebel in der geschlossenen
Kammer, welcher vom Luftstrom mitgenommen wird. Eine Kühlung wird durch Verdampfen
kleiner Flüssigkeitströpfchen erreicht, die vom Luftstrom mitgerissen werden. Weiterhin
kann eine Verdampfung der Flüssigkeit durch Verwendung des Ausführungsbeispieles
mit Vakuumpumpe 50 erzielt werden.