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Hochspannungskabel mit direkt kühlbarem Leiter
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und extrudierter Kunststoffisolierung Die Erfindung liegt auf dem
Gebiet der kühlbaren elektrischen Kabel für die Ubertragung höchster Leistungen
und behandelt die konstruktive Ausgestaltung eines solchen Kabels unter Berücksichtigung
der Parameter "möglichst hohe Ubertragungsleistung" und "möglichst einfacher Aufbau1,.
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Die räumlichen Verhältnisse in Ballungsgebieten wie Großstädten erfordern
unterirdische Energieübertragungsstrecken, mit denen Leistungen von 2000 MVA und
mehr übertragen werden können. Für derartige ubertragungszwecke können Hochspannungskabel
konventioneller Konstruktion eingesetzt werden, wenn durch ergänzende Maßnahmen
die im Kabel entstehende Wärme gezielt abgeführt wird. Dies kann beispielsweise
durch eine direkte Kühlung des Kabelleiters erfolgen, beispielsweise bei bekannten
Niederdruck-Ölkabeln mittels einer Zirkulation des Isolieröles. Wirksamer ist jedoch
eine Kühlung des
Leiters mit Wasser, wobei eine zuverlässige Trennung
des Kühlkanals vom Papier-Öl-Dielektrikum des Kabels gewährleistet sein muß. Bekannte
Konstruktionen, bei denen der Leiter mit Luft oder Wasser kühlbar ist, sehen daher
vor, den Leiter wenigstens teilweise als geschlossenes Metallrohr auszubilden, durch
dessen Hohlkanal das Kühlmittel strömt (DE-Aä 10 67 099), oder den Leiter in Form
eines Seiles im Innern eines geschlossenen Metallrohres anzuordnen (DE-OS 22 52
924, DE-OS 22 54 982, DE-OS 22 63 620, DE-OS 24 18 068). Bei diesen Kabelkonstruktionen
wird das Papier-Öl-Dielektrikum auf das geschlossene Metallrohr bzw. den Leiter
aufgebracht.
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Unter anderem mit Rücksicht auf die dazu notwendigen Fertigungseinrichtungen
wird bei derartigen Kabeln für den Leiterquerschnitt bei Werten von 2000 bis 2500
mm2 eine obere Grenze gesehen.
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Zur übertragung kleinerer Leistungen ist weiterhin ein Starkstromkabel
bekannt, bei dem der hohle Leiter ebenfalls mit einem Kühlmittelrohr versehen ist
und bei dem als Isolierung eine extrudierte Polyäthylenisolierung vorgesehen ist
(DE-OS 19 40 148). Bei einer entsprechenden Hochspannungskabelkonstruktion für große
Leistungen ist zum Ausgleich von radialen Wärmedehnungen des Leiters vorgesehen,
als notwendige Leiterglättung einen Schlauch aus halbleitendem Kunststoff zu verwenden,
dessen lichter Durchmesser größer als der Durchmesser des Leiters ist; auf diesen
Schlauch ist die eigentliche Kunststoffisolierung aufgebracht, die ihrerseits mit
einer äußeren Leitschicht versehen ist (DE-OS 23 17 013).
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Im übrigen ist es zur integrierten Kühlung von Hochspannungskabeln
bekannt, das Kabel als Ganzes mit einem Kühlmittelrohr zu umgeben, dessen Innendurchmesser
wesentlich
größer als der Außendurchmesser des Kabels ist und das beispielsweise als Kunststoff-Wellrohr
ausgebildet ist (DE-GM 73 31 537).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Ubertragung hoher Leistungen
ein elektrisches Kabel mit direkt kühlbarem Leiter zu schaffen, das sich auch bei
Einsatz sehr großer Leiterquerschnitte (größer 2000 mm2) einfach fertigen und verlegen
läßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Hochspannungskabel
mit direkt kühlbarem Leiter und mit einer extrudierten Kunststoffisolierung aus,
bei dem die Kunststoffisolierung mit einer inneren Leitschicht aus einem elektrisch
schwachleitenden Kunststoff und mit einer äußeren Leitschicht versehen ist und bei
dem die Kunststoffisolierung gemeinsam mit der inneren Leitschicht den Leiter mit
Spiel umgibt. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kunststoffisolierung und
die aus einem abriebfesten Kunststoff bestehende innere Leitschicht ein Rohr bilden,
dessen Hohlquerschnitt mindestens das Dreifache des Leiterquerschnittes beträgt.
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Bei einem derart ausgebildeten Hochspannungskabel ist der Innendurchmesser
des Kunststoffrohres sehr viel größer als der Durchmesser des elektrischen Leiters,
so daß beide Teile getrennt voneinander gefertigt, aufgetrommelt, geliefert und
verlegt werden können, wobei der Leiter in das Kunststoffrohr eingezogen wird. Leiter
und Isolierung bilden somit zwei getrennte Teile, die erst am Ort der Verlegung
miteinander vereinigt werden.
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Durch die Ausgestaltung der Isolierung als Kunststoffrohr besteht
weiterhin die Möglichkeit, den Durchmesser der inneren und der äußeren Leitschicht,
die das elek-
trische Feld der Isolierung begrenzen, so zu wählen,
daß die Feldstärkebeanspruchung der Isolierung spürbar herabgesetzt wird. Weiterhin
wird durch die Trennung von Leiter und Isolierung erreicht, daß das für Kühlzwecke
vorgesehene Kühlmittel sowohl direkt an der Stromwärmeverlustquelle (Leiter) als
auch direkt an der dielektrischen Verlustquelle (Isolierung) entlanggeführt wird.
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Im übrigen sind die Isothermen der maximalen Leitertemperatur und
der maximalen Isolierungstemperatur räumlich und quantitativ nicht mehr identisch,
so daß die maximale Leitertemperatur nicht mehr auf 70 oder 90 begrenzt zu werden
braucht, wie es bisher für Hochspannungskabel mit einer Isolierung aus thermoplastischem
oder vernetztem Polyäthylen der Fall ist.
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Bei dem neuartigen Hochspannungskabel richtet sich die Wanddicke der
eigentlichen Isolierung nach der jeweiligen Spannungsbeanspruchung. Da hierfür Isolierwanddicken
in der Größenordnung von 20 bis 30 mm in Betracht kommen, empfiehlt es sich, die
Isolierung, bei der es sich um ein dickwandiges Kunststoffrohr, insbesondere um
ein dickwandiges Polyäthylenrohr handelt, aus mehreren Schichten, beispielsweise
aus vier Schichten aufzubauen. Die Isolierung wird dabei entweder auf ein Tragrohr
aufgebracht, das die innere Leitschicht der Isolierung bildet, oder sie wird gemeinsam
mit der inneren Leitschicht und gegebenenfalls auch mit der äußeren Leitschicht
extrudiert, wobei bekannte Rohrextrusionsverfahren mit Innen- oder Außenkalibrierung
zur Anwendung gelangen. Für die innere Leitschicht kommen insbesondere Werkstoffe
auf der Basis von Homo- oder Copolymeren, beispielsweise auf der Basis von Polyäthylen,
Polyamid, Polybuten und Polypropylen, in Betracht, die in bekannter Weise mit Ruß
oder Graphit angereichert sind.
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Für die auf das Kunststoffrohr aufgebrachte äußere Leitschicht werden
bekannte Materialien eingesetzt, wie sie bei kunststoffisolierten Hochspannungskabeln
üblich sind. Darüber ist eine Isolierschicht von mehreren Millimetern Dicke vorzusehen,
die das Erdpotential der äußeren leitenden Hüllen gegen das Erdreich isoliert und
ein Eindringen von Feuchtigkeit verhindert. Zwischen äußerer Leitschicht und äußerer
Isolierschicht ist gegebenenfalls eine metallische Abschirmung vorzusehen.
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Ein Ausführungsbeispiel des neuen Hochspannungskabels ist in der Figur
im Querschnitt dargestellt.
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Das Hochspannungskabel besteht aus dem Leiter 1 und dem Kunststoffrohr
2. Der Hohlquerschnitt 7 des Kunststoffrohres ist dabei wesentlich größer als der
Querschnitt des Leiters 1, so daß der Leiter 1 in das Kunststoffrohr 2 eingezogen
oder bei Bedarf ohne großen Erdarbeitsaufwand später gegen einen Leiter größeren
Querschnittes ausgetauscht werden kann. Der Leiter 1 kann dabei eine beliebige Querschnittsform
haben, beispielsweise als aus einer Vielzahl von Einzeldrähten aufgebauter Rundleiter
vorliegen oder, wie es gestrichelt angedeutet ist, die Form eines Rechteckleiters
1 haben. Er kann auch als Hohlleiter ausgebildet sein, der zusätzlich vom Kühlmittel
durchströmt wird.
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Der Innendurchmesser des Kunststoffrohres 2 ist wesentlich größer
als der Außendurchmesser des elektrischen Leiters 1, wobei das Durchmesserverhältnis
im wesentlichen von der Art der für den Leiter 1 vorgesehenen Kühlung abhängt. Neben
einer Luftkühlung kommt hierbei insbesondere eine Wasserkühlung in Betracht.
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Das Kuntstoffrohr 2 besteht zunächst aus einer inneren elektrisch
schwachleitenden Schicht 3, die mit Rücksicht auf die beim Einziehen des Leiters
1 auf die Rohrwandung ausgeübten Kräfte aus einem abriebfesten Kunststoff auf der
Basis von Polyamid besteht. Bei der Auswahl des Werkstoffes für die innere Schicht
3 ist gegebenenfalls zu berücksichtigen, daß diese Schicht als Tragkörper bei der
Herstellung der eigentlichen Isolierschicht 4 dient, die-vorzugsweise aus Polyäthylen
oder aus einem anderen geeigneten Olefinpolymer oder Olefincopolymer besteht. Das
Kunststoffrohr 2 enthält weiterhin die äußere Leitschicht 5, die ebenfalls aus einem
extrudierten, elektrisch schwachleitenden Kunststoff besteht; darüber kann ein Schirm
aus Metalldrähten oder Metallbändern vorgesehen sein. Als letzte Schicht im Rohraufbau
ist die äußere Isolierschicht 6 angeordnet, die als mechanischer Schutz der äußeren
Leitschicht 5 und als Isolierschicht der äußeren Leitschicht 5 gegenüber dem das
Kabel umgebenden Erdboden dient.
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Beim Betrieb des in der Figur dargestellten Kabels liegt der Leiter
1 in aller Regel auf der Sohle des Kunststoffrohres 2 auf. Durch entsprechende,
am Leiter 1 zu befestigende Abstandhalter kann aber auch dafür Sorge getragen werden,
daß der Leiter eine mehr zentrische Lage einnimmt. Hierdurch kann gegebenenfalls
die EUhlwirkung des durch den Hohlkanal 7 strömenden gasförmigen oder flüssigen
Kühlmittels verbessert werden.
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Bei der Bemessung von Leiterquerschnitt und Rohrdurchmesser ist darauf
zu achten, daß der Hohlquerschnitt des Rohres mindestens das Dreifache des elektrischen
Leiterquerschnittes beträgt; bei einem Hohlleiter ist dies die geometrische Querschnittsfläche
abzüglich der Querschnittsfläche des Hohlkanals.
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2 Ansprüche, 1 Figur