DE2649398B2

DE2649398B2 - Leiter für elektrische Kabel zur Übertragung hoher Energie

Info

Publication number: DE2649398B2
Application number: DE19762649398
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. 3000 Hannover Artbauer
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2649398A1

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Leiter für elektrische Kabel zur Übertragung hoher Energie, insbesondere für gasisolierte Hochspannungskabel, der aus ei.meinen Verseilelementen besteht

Zur Übertragung größerer Energien werden elektrische Kabel verwendet, die größere Leiterquerschnitte aufweisen. Die isolierung solcher Kabel kann je nach den Erfordernissen als Festste:."/'- oder Gasisolierung ausgebildet sein. Feststorfisolierte Kabel wiederum können eine aus geschichtetem Di Fektrikum bestehende Isolierung aufweisen, z. B. bei Ölkabeln üblich, sie können aber auch mit einer extrudierten Isolierung versehen sein. Diese Kabel sind z. B. als polyäthylenisolierte Kabel bekannt wobei das Polyäthylen vernetzt oder unvemetzt sein kann. Bei gasisolierten Kabeln ist beispielsweise ein Leiter im Innern eines koaxialen Mantelrohres angeordnet wobei der Raum zwischen Innenleiter und Mantelrohr mit einem geeigneten, hochspannungsfesten Gas, z. B. SF₆ gefüllt ist

Allen diesen im Aufbau sehr unterschiedlichen Kabeln ist jedoch gemeinsam, daß sich die Leiter bei Belastung erwärmen und dabei das Bestreben haben, sich in Längsrichtung auszudehnen. Dieses Verlangen nach einem Auswandern in axialer Richtung wird umso stärker, je höher die Betriebstemperatur des Kabels ist. Die durch Erwärmung des Leiters erfolgende Längenausdehnung wirkt bis zu den angrenzenden Muffen oder Endenabschlüssen und kann hier zur Beschädigung oder gar Zerstörung der das Kabelende festlegenden Elemente führen. Aber nicht nur die Kabelenden sind gefährdet, sondern auch die Bereiche einer Kabeltrasse, wo die Kabel in Bögen oder nicht geradlinig verlegt sind, weil hier die resultierende Kraft eine radiale Komponente hat Insbesondere bei gasisolierten Kabeln, wo der Leiter nur in Abständen im Mantelrohr in seiner zentrischen Lage fixiert ist, kann es dann nämlich bei steigender Betriebstemperatur vorkommen, daß die abstandhaltenden Elemente, z. B. aus einem Kunststoff, durch die wegen der behinderten Längsausdehnung wirkenden Kräfte übermäßig beansprucht, verformt oder anders beschädigt werden, wenn diese Wirkung der wärmebedingten Ausdehnungskriifte nicht verhindert oder zumindest verringert wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bei solchen Kabeln mit hoch dimensionierten Querschnitten auftretenden mechanischen Kräfte so zu verringern, daß die Gefahr von Beschädigungen der verlegten Kabelleitung weitestgehend vermieden wird. Diese Aufgabe wird bei einem Leiter für elektrische Kabel zur Übertragung hoher Energie gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die einzelnen Verseilelemente des Leiters in der jeweiligen Lage bezagen auf

to die Kabellängsachse von dem zur Verfügung stehenden Bereich längs des Umfanges U= π ■ d, nur einen Teil k ■ U einnehmen, wobei d der Durchmesser der entsprechenden Lage und Arein Faktor < 1 ist Durch diese Maßnahme bleibt zwischen den verseilten Elementen des Leiters ausreichend freier Raum, der eine seitliche Ausweichung der Verseilelemente bei ihrer behinderten Längsausdehnung ermöglicht Dabei hängt zwar die Größe des freien Raumes vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leitermaterials, vom Maß der Erwärmung während des Betriebes und vom Leiterquerschnitt ab, wesentlich ist aber, daß die Leiterelemente in jedem Fall eine Ausweichmöglichkeit quer zur Achsrichtung finden, sobald die erhöhten Betriebstemperaturen eine Ausdehnung in Längsrichtung verlangen, diese Längenausdehnung im verlegten Kabel aber nicht ohne Gefahr von Beschädigungen erfolgen kann. Die Folge davon ist, daß durch Ausscheren der Verseilelemente in den gemäß der Erfindung vorgesehenen freien Raum sich dem ursprünglichen z. B. schraubenlinienförmigen Verlauf der Verseilelemente eine Wellenlinie, etwa in Sinusform, überlagert

Der gesamte Raum in einer Lage kann gleichmäßig zwischen den einzelnen Elementen über den ganzen Umfang der Lage verteilt werden, es reicht aber aus, wenn bei der Fertigung die erforderliche Breite der Lücken zwischen den einzelnen Verseileiementen nur im Mittel eingehalten wird. Vorteilhaft ist es, wenn der Faktor k zwischen 0,90 und 039, vorzugsweise zwischen 0,95 und 038 liegt. Diese Werte beschreiben mithin das Optimum dessen, was einerseits dsn Verseileiementen an Bewegungsmöglichkeiten zugestanden werden kann, um das Kabel stets betriebsbereit zu halten, andererseits aber vom Übertragungsquerschnitt entbehrt werden

kann, ohne daß auf Übertragungsleitung verzichtet werden muß.

Vorteilhaft kann es mitunter auch sein, wenn die Verseilelemente des Leiters, die Segmentleiter oder auch Einzeldrähte sein können, statt mit der üblichen schraubenförmigen Verseilung nach Art einer sog. SZ-Verseilung verseilt sind. Bei dieser Art der Verseilung erfolgt das Umschlingen der einzelnen Drähte mit wechselnder Schlagrichtung, d. h., es entstehen abwechselnde Bereiche einer Rechts- und einer Linksverseilung. Diese Art der Verseilung gibt den Verseileiementen eine besonders vorteilhafte Möglichkeit des Ausweichens bei steigenden Betriebstemperaturen, ohne daß hierdurch Beschädigungen im Kabelaufbau hervorgerufen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei anhand des in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Segmentleiters eines gasisolierten Hochspannungskabels näher erläutert:

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, besteht der Leiter aus sechs Segmenten 1, z. B. aus Aluminium, die mit einem

M Steigungswinkel j3 = 8O° verseilt sind. Die Segmente 1 sind oberhalb des Stützelementes 2 angeordnet. Dieses kann z. B. eine Stahlwendel oder ein Rohr sein, das gleichzeitig zur Führung eines Kühlmediums verwendet

werden kann und z, B, aus Metall besteht. Steigen wahrend des Betriebes die Leitertemperaturen an, so kann sich der Leiter nicht frei in Längsrichtung ausdehnen. Die Folge davon ist das Entstehen entsprechender Schubkräfte, die die Isolierung, die Muffen oder Endenabschlüsse des Kabels zerstören können.

So dehnt sich ein Leiter mit der Länge Lo bei Erwärmung um Aft" um Δ L=α · Aft La aus, wenn keine freie Dehnung möglich ist. « sei der Wärmeausdeh- ι ο nungskoeffizient In einem verlegten Kabel kann sich der Leiter nicht der zunehmenden Betriebstemperatur entsprechend ausdehnen, so daß bei Erwärmung Kräfte entstehen, deren jeweilige Größe sich berechnet zu F= E- ALZL₀ ■ Q. Dabei sind Q der Leiterquerschnitt und E der Elastizitätsmodul. Eine Vorstellung über die mögliche Größe solcher Kräfte gibt die nachstehende Tabelle wieder, und zwar am Beispiel eines Leiters mit 1000 mm² Querschnitt bei einer Erwärmung 4^=IOO⁰C, die z. B. bei einer Überlastung oder einem Kurzschluß vorkommen kann.

Kupfer

Aluminium

25

E (kp/cm²)	1000 (kp'	12 000	7000
α (10"⁶/K)	16	24
F=E-O-IOO-	) 19 200	16 800

Bei verseilten Leitern sind diese Kräfte etwas geringer als die in der Tabelle für massive Leiter berechneten, sie sind aber immer noch so groß, daß sie die Muffen, Endverschlüsse und auch die Isolierung

30 gefährden, da sie in Bögen auch eine radiale Komponente haben.

Um das zu vermeiden, sind, wie aus der Fig.2 ersichtlich, zwischen den einzelnen Segmenten 3, die wiederum oberhalb des Innenrohres 4 verseilt angeordnet sind. Spalte 5 vorgesehen, die den Segmenten die Möglichkeit geben, bei steigenden Leitertemperaiuren während des Betriebes und hierdurch bedingter Wärmeausdehnung ohne Beschädigung des Kabels auszuweichen.

Damit werden die möglichen Kräfte auf kleine unschädliche Werte herabgesetzt, da eine wärmebedingte Ausdehnung der einzelnen Verseilelemente, Segmente bei Segmentleitern und Drähte bei konzentrisch verseilten Leitern, bei unveränderter Leiterlänge ermöglicht wird. Wie aus der F i g. 3 ersichtlich, scheren bei Dehnung die Verseilelemente 6 seitlich aus, so daß dem ursprünglichen schraubenförmigen Verlauf eine Wellenlinie überlagert wird. Die Steigung der Verseilelemente 6 ist dann nicht mehr !ronstant, sondern abwechselnd größer und kleiner ai^c ursprünglich in ungedehntem Zustand. Dort, wo die Steigung kleiner ist, ist die Breite des Verseilelementes im Schnitt senkrecht zur Leiterachse größer 4Is ursprünglich, die Verscilelemente beanspruchen also mehr Platz.

Auf uie einzelnen Elemente entfällt ein Zentriwinkel

wo= -ß =60°. Um die Längsdehnung durch seitliche ο

Verlagerung der Segmente zu ermöglichen, soll ihr Zentriwinkel φ (im Schnitt senkrecht zur Leiterachse) kleiner als 60° sein (Bild 2). Für einen Aluminiumleiter und eine Erwärmung von 100° C ergibt die Berechnung für das Verhältnis φ/φ_ο=£ den Wert k=0$7, d.h. <p = k- φ_ο = Ο,97 · 60=58.2°.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Leiter für elektrische Kabel zur Übertragung hoher Energie, insbesondere für gasisolierte Hochspannungskabel, der aus einzelnen Verseilelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verseilelemente des Leiters in der jeweiligen Lage von dem zur Verfügung stehenden Bereich längs des Umfanges LJ =π ■ dnur einen Teil k ■ U einnehmen, wobei d der Durchmesser der entsprechenden Lage und k ein Faktor < 1 ist.

Z Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert k zwischen 0,90 und 0,99, vorzugsweise zwischen 0,95 und 038, liegt

3. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verseilelemente nach Art einer SZ-Verseilung verseilt sind, d. h. mit reversierendem Schlag.