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Innen wassergekühltes Hochleistungskabel und Verfahren zu dessen
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Herstellung Die Erfindung betrifft ein innen wassergekühltes Hochleistungskabel
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hochleistungskabel dienen der elektrischen Energieübertragung bei
höchsten Spannungen und großen Stromstärken über relativ große Strecken in bebauten
Gebieten, wo die Errichtung einer Hochspannungs-Freileitungstrasse nicht möglich
oder unerwünscht ist.
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Es sind bereits verschiedene Ausführungsformen solcher Hochleistungskabel
bekannt geworden. Aus DE-AS 24 37 279 ist ein wassergekühltes Hochspannungs-Energiekabel
bekannt geworden, bestehend aus einem zylindrischen elektrischen Aluminiumleiter
mit innen anliegendem, das Kühlmittel führenden Hohlkanal, einer den Leiter außen
umgebenden elektrischen Isolierung und einem äußeren Kabelmantel, wobei-der Durchmesser
des Hohlkanals mindestens 60 mm bemessen ist. Hierbet ist vorgesehen, daß der Hohlkanal
als Kühlmittelrotir aus Edelstahl oder Titan ausgebildet ist, und um dieses der
Aluminiumleiter als Rohr aufgeschrumpft ist. Bei diesem Kabel wurde ein relativ
großer Hohlkanal für notwendig erachtet, für die Abfuhr der bei Betrieb des Kabels
entstehenden großen Wärmemenge. Dies führt jedoch zu erheblichen
Gesamtabmessungen
dieses bekannten Kabels, wodurch dessen Biegefähigkeit beeinträchtigt, sowie die
Fertigung eines solchen Kabels.und sein Transport zur Montagestelle erheblich erschwert
werden.
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Ein ähnliches Hochleistungskabel mit einem Kühlwasserrohr aus Edelstahl
ist in ETZ-A Heft 5/76, Seiten 148-152 ausführlich beschrieben. Auch dieses weist
einen rohrförmigen Aluminiumleiter um das Kühlmittelrohr aus Edelstahl auf, dessen
lichte Weite nur 55 mm beträgt. Ferner sind bei diesem Hochleistungskabel zwischen
der Oberfläche seiner Isolierung und einem diese umgebenden Wellmantel Abstandsdrähte
angeordnet, die unter den Kabelmantel einen hierzu konzentrischen Ölkanal schaffen,
indem sie das Kabel im vorgegebenen Abstand von dessen Mantel halten.
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Dieser Ölkanal dient sowohl zum ursprünglichen Tränken der Kabelisolierung
als auch - beim Betrieb des Kabels - für den freien Fluß des Isolieröles von jeder
Stelle des Kabels zu einem in Nähe einer Endverschlußanlage befindlichen Druck/Volumen-Ausgleichsgefäß.
Da diese Abstandsdrähte imwesentlichen rechteckigen Querschnittes der Oberfläche
der Isolierung jeweils nur in einem linienförmigen Bereich unmittelbar anliegen,
werden sie bei Biegung des Kabels, insbesondere beim AuÜ- bzw. beim Abtrommeln beim
Fertigungsprozess, oder beim Verlegen des Kabels, in diese eingedrückt, was zu einer
übermäßigen Belastung der mit einer Hochstätterfolie umwickelten Oberfläche der
Isolierung führt und deren Beschädigung verursachen kann.
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Ein anderes innen wassergekühltes elektrisches Kabel weist ebenfalls
innerhalb des Leiters ein biegbares Rohr z.B. aus delstahl auf, welches das in seinem
inneren befindliche Wasser hermetisch von der Leiterisolierung und den darin angeordneten
Kanälen für die blversorgung derselben trennt. Hierbei kann das flüssigkeitsdichte
Rohr sowohl als Glattrohr als auch - vorzugsweise - als Wellrohr mit wendelförmig
laufender Wellung ausgebildet sein, dessen Erhöhungen in wärmeleitendem Kontakt
mit
dem aus einlagig aufgeseilten Verseilelementen gebildeten Leiter
stehen. Hierbei sind unter dem Wellmantel, sowie vorzugsweise auch im Bereich des
gewellten Innenrohres und/oder zwischen benachbarten Verseilelementen Ölkanäle vorgesehen,
für die blversorgung-der Leiterisolierung, mit einem möglichst ungehinderten Ölfluß.
Dieses Kabel ist ebenfalls für die Übertragung hoher elektrischer Leistungen über
große Entfernungen eingerichtet, wobei der Umlaufkreis des die Stromwärme abführenden,
elektrisch leitenden Wassers für die direkte Kühlung des Leiters vollkommen getrennt
ist von den Kanälen für die Ö1-versorgung der Leiterisolierung.
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Der Aufbau dieses bekannten Kabels ist verhältnismäßig einfach.
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Nachteilig ist hierbei jedoch die Durchwirbelung des in dem Innenrohr
geführten Kühlwassers zufolge der Rohrwellung, die überdies die Raumerfordernisse
des Leiters in radialer Richtung vergrößert. Größere Querschnittsabmessungen führen
aber auch bei diesem bekannten Kabel zu einer merklichen Verminderung seiner Biegefähigkeit.
Überdies ist es für die Übertragung höchster Leistungen in der Größenordnung von
mehr als 1 Million kVA bei einer Spannung von 400 kV völlig ungeeignet, und läßt
sich ohne weitreichende konstruktive Änderungen für eine solche Ubertragungsleistung
auch nicht einrichten. Weitere Nachteile liegen im hohen Aufwand der Wellung seines
inneren Edelstahlrohres mit den notwenidgen Querschnittsabmessungen sowie in dem
ungünstigen Verhältnis des Leiterquerschnittes gegenüber denn Querschnitt des Kühlkanals
bzw. der Summe seiner Ölkanäle.
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Schließlich ist auch noch aus EPS 23 fl 450 ein Verfahren zum Herstellen
wassergekühlter Hochleistungskabel der beschriebenen Art bekannt geworden, welches
darin besteht, daß der metallische Außenmantel eines solchen Kabels zunächst vakuumdicht
verschlossen, dann evakuiert und gleichzeitig durch den Innenleiter heißer Wasserdampf
geleitet und schließlich - nach dem Trocknen - die
Papierisolierung
mit einem in den Kabelmantel eingeleiteten Isolieröl getränkt wird. Dieses bekannte
Verfahren hat sich unter der Voraussetzung, daß innerhalb des Kabelmantels genügend
Spielraum für das Evakuieren der Isolierung bzw. für die Zufuhr des Isolieröles
vorhanden ist, gut bewährt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut biegbares Hochleistungskabel
der beschriebenen Art mit kompaktem Aufbau zu schaffen, bei dem sowohl eine ausreichende
Kühlung des Leiters als auch eine ausreichende Tränkung der vielschichtigen Isolierung
mit dem Isolieröl gewährleistet, und zugleich deren Beschädigung insbesondere beim
Biegen des Kabels wirksam verhindert ist.
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Dte Lösung dieser Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche
angegeben, von welchen sich der Anspruch 2 auf eine bevorzugte Ausbildung der Bewehrung,
die Ansprüche 5 und 4 auf vorteilhafte Anordnungen der Abstandsdrähte und der Anspruch
5 auf eine bevorzugte Gestaltung des Querschnittes der Abstand drähte beziehen.
Die Ansprüche 6 und 7 betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kabels,
insbesondere in einem Durchgang, bei kontinuierlicher Fertigung der Bewehrung und
des gewellten metallischen Mantels.
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Die Vorteile der Erfindung liegen einerseits in der kompakten Bauweise
dieses Kabels und seiner durch das Zusammenwirken der verschiedenen Maßnahmen erhöhten
Biegefähigkeit,welche das Aufwickeln desselben auf Kabeltrommeln mit einem geringeren
als dem bisher üblichenDurimesser von 5,15 m ermöglicht, und andererseits in der
besonderen Ausgestaltung und Anordnung speziell geformter Abstandsdrähte innerhalb
des konzentrischen ölkanal unter dem metallischen Kabelmantel die im Zusammenwirken
mit der die Kabelisolierung unmittelbar innerhalb der Abstandsdrähte
umschließenden
Bewehrung eine Beschädigung des Randbereiches der Kabelisolierung wirksam verhindert.
Der so geschaffene Ölkanal ist zugleich wegen seines großen Querschnittes für die
vorausgehend beschriebene Trocknung und Tränkung der Isolierung des Kabels unter
dem Kabelmantel besonders vorteilhaft. Durch diese Abstandsdrähte, die sich während
der Fertigung des Kabels bzw. bei mechanischer Belastung desselben durch Biegung
bei Biegeprüfung, Verlegung und sonstigen Beanspruchungen wegen ihrer speziellen
Form nicht in die Isolierung eindrücken können, wird nämlich unter dem gewellten
Metallmantel rings um die Isolierung ein verhältnismäßig großer Ölkanal geschaffen,
der den bei Ölkabeln im Leiter bzw. bei dem vorausgehend beschriebenen Kabel um
den Leiter angeordneten Ölkanal in ausreichendem Maße ersetzt und sowohl das Auffangen
von Lastzyklen sowie - bei der Herstellung - die Trocknung und Tränkung des Kabels
wegen der zur Verfügung stehenden großen Isolierungsoberfläche sehr wesentlich erleichtert.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Abstandsdrähte beliebigen,
z.B. runden, oder abgerundet rechteckigen Querschnittes, die bei jeder Biegung des
Kabels an der Innenseite des Bogens auf Druck bzw. Stauchung beansprucht werden,
dazu-neigen, sich in die Isolierung einzudrücken, deren Oberfläche dadurch einer
sehr großen linienförmigen Belastung ausgesetzt ist, der die äußeren Papier-Wickellagen
sowie auch die an der Oberfläche der Isolierung angeordnete Hochstätterfolie, nicht
zu wiederstehen vermögen. Eine einfache Erweiterung des Querschnittes der Abstandsdrähte,
etwa zu einer annähernd rechteckigen Querschnittsform schafft jedoch keine wesentliche
Besserung, trotz der dadurch bewirkten flächenhafteren Berührung zwischen den Abstandsdrähten
und der Isolierung. Die Drähte verändern nämlich im Bereich des Innenbogen sowohl
ihre relative Lage gegenüber der Oberfläche, welcher sie anliegen, als auch ihre
Querlage,
da sie sich verdrehen können, so daß sie auch in diesem
Falle nur mehr eine linienförmige Berührung mit ihrem seitlich abgerundeten Profil
herbeiführen können, mit dem sie die Oberfläche der Isolierung eindrücken.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kabel liegen jedoch die Abstandsdrähte satt
auf der als äußere Polsterschicht wirksamen kupferdurchwirkten-Gewebebandlage auf,
so daß die Abstandsdrähte ihre Lage in keinem Fall verändern können, wobei ihre
Pressung auf eine relativ große Fläche des kupferdurchwirkten Gewebebandes verteilt,
und von der darunter auf wenigstens einem weiteren solchen kupferdurchwirkten Gewebeband
angeordneten Stahlbandlage aufgenommen werden, so daß die Oberfläche der Isolierung
selbst keinen besonderen Beanspruchungen ausgesetzt ist und beim Biegen des Kabels,
z.B. beim Aufwickeln desselben auf eine Kabeltrommel unversehrt bleibt. Bedeutsam
ist hierfür auch die Anordnung der Stahlbandlage zwischen Gewebebandlagen, wodurch
das hierzu verwendete sehr dünne Band aus Edelstahl knickfrei bleibt. Es wurde nämlich
festgestellt, daß eine unmittelbare Einwirkung der Abstandsdrähte auf das Stahlband
in diesem Knicke verursachen kann, welche die Gleitfähigkeit des Bandes beim Biegen
des Kabels beeinträchtigen würden.
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Zufolge der erhöhten Biegefähigkeit dieses Kabels durch die geringeren
Abmessungen des als Glattrohr aus Edelstahl ausgebildeten Kühlmittelrohres im Leiter
sowie durch die Anordnung entsprechend dUnnerer und daher biegsamerer Verseilelemente
aus Kupfer in wenigstens zwei Lagen wird auch der Wickelvorgang beim Herstellen
der Isolierung aus auf Stoß gewickeltem Papierband wesentlich erleichert, da sich
der so biegefähig ausgestaltete Leiter besser gerade ausrichten läßt, was äußerst
wichtig ist für eine genaue Einhaltung der Wickelgeometrie.
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Uberraschend ist ferner die Erkenntnis, daß bei einem solchen Hochleistungskabel,
welches für die Ubertragung von Leistungen über eine Millionen kVA, z.B. bis zu
4 CVA, bei einer Spannung von 400 kV ein Hohlkanal mit einer lichten Weite von weniger
als 50 mm, vorzugsweise zwischen 59 und 45 mm ausreichend ist, zumal das hindurchgepumpte
Kühlwasser ohne Wirbelverluste - wie etwa bei Wellrohren - mit höherer Geschwindigkeit
und entsprechend vergrößterter Wärmeabfuhrleistung hindurchgeleitet werden kann.
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Von wesentlicher Bedeutung ist ferner das besondere Herstellungsverfahren,
wobei der metallische Mantel zunächst mit größerer lichter Weite um das bereits
mit den Abstandsdrähten versehene Kabel ausgepreßt und unmittelbar danach in einem
Zustand, in welchem das Material noch gut formbar ist, zur Wellung wendelförmig
bis zur sicheren Anlage am Rücken der Abstandsdrähte eingedrückt wird, wodurch diese
in ihrer beim Verseilvorgang vorgegebenen Lage festgehalten werden. Zufolge der
einander ergänzenden Querschnitte der Räume zwischen den Abstandsdrähten und der
im Wellmantel belassenen Räume des Ölkanales ist sein Gesamtquerschnitt so groß,
daß hiernach die Trocknung und die Tränkung der Papierisolierung über deren relativ
große Außenfläche durch die Gewebebandlagen sowie zwischen den auf Lücke gewickelten
Stahlbandlagen hindurch sehr wirksam mit wesentlich geringerem Zeitaufwand als bisher
erfolgen können.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt
durch ein solches Hochleistungskabel und Fig. 2 eine Stirnansicht eines der speziell
profilierten Abstandsdrähte.
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Das gezeigte innen wassergekühlte Hochleistungskabel weist ein zentrales,
biegbares Glattrohr 1 aus Edelstahl in einem aus Verseilelementen 2 bestehenden
elektrischen Leiter 10 mit einer Leiterglättung 5 uld eine unmittelbal u!n diene
aur<ebrachte Öl/Papierisolierunt 4 mit einer-Ab;chirrrlung 11 auf, um welche
eine Bewehrung 5 aiigeordnet ist. Ati( diese sind in gleichmäßiger Verteilung z.B.
sechs besonders profilierte Abstandsdrähte 6 mit relativ großem Schlag aufgeseilt,
welche von einem wendelförmig gewellten metallischen Wellmantel 7 umschlossen sind.
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Dieser ist an seiner Außenfläche mit einer die Wellungen ausfüllenden
Korrosionsschutzschicht 8 sowie mit einem darüber extrudierten Außenmantel 9 aus
Kunststoff versehen.
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Bevorzugt werden für den genannten Zweck Edelstahlrohre 1 mit einer
lichten Weite zwischen 39 und 45 mm und einer Wandstärke von 2 mm, welche gut biegbar
sind und zugleich einen ausreichenden Durchflußquerschnitt für das Kühlwasser aufweisen.
Wegen der zuverlässigen Korrosionsfreiheit des Rohrwerkstoffes wird auf besondere
Leckmeldeeinrichtungen sowie auf den bisher üblichen rohrförmigen Massivleiter,
welcher als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme den Einbruch von Wasser in die Isolierung
verhindern sollte, verzichtet. Der Leiter 10 ist aus in wenigstens zwei Lagen auf
das Kühlmittelrohr aufgeseilten, im Querschnitt trapez- oder kreissegmentförmig
vorgeformten Verseilelemten 2, zusammengesetzt deren jedes aus einer Anzahl zusammen
zur gewünschten Querschnittsform gepreßter Kupferlitzen besteht. Die auch Form-
oder Profildrähte genannten Verseilelemente können so bemessen sein, daß der Leiterdurchmesser
nicht mehr als 2 64 mm beträgt, bei einem Leiterquerschnitt bis zu 1550 mm Als Leiterglättung
3 ist auf die Oberfläche des Leiters 10 wenigstens eine Rußpapierbandlage aufgesponnen.
Der so beschaffene und bemessene elektrische Leiter 10 läßt sich problemlos biegen
und auf eine Kabeltrommel wickeln sowie für den zur Herstellung der Öl/Papierisolierung
erforderlichen Wickelvorgang genau gerade richten, wie dies zur Erzielung der notwendigen
Papierwickel-Geometrie
unbedingt erforderlich ist.
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Die Ol/Papierisolierung 4 ist von einer in bekannter Weise aus Hochstätterfolie
bestehende Abschirmung 11 und der aus mindestens einer zwischen Lagen eines kupferdurchwirkten
Gewebebandes 13 angeordneten Stahlbandlage 14 bestehenden Bewehrung 5 fest umschlossen.
Diese besteht aus mit einander kreuzenden Windungen paarweise aufeinander gewickelten
Bandagen 13, 14 von welchen jeweils die innerste und die äußerst Bandlage.aus überlappt
gewickelter kupferdurchwirkten Gewebeband 15, z.B. ein mit Kupferfäden durchwirktes
Zellwollband, besteht. Hierbei ist jeweils eine auf Lücke gewickelte Stahlbandlage
14 zwischen den als Polster wirkenden Gewebebandlagen 13 angeordnet. So kann auf
eine z.B.
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rechbgängig gewickelte Gewebebandlage 15 zunächst eine Stahlbandlage
14 ebenfalls rechtsgängig gewickelt sein, welche ihrerseits von einer gegenläufig
gewickelten Gewebebandlage 13 sowie einer weiteren ebenfalls z.B. linksgängig gewickelten
Stahlbandlage. 14 und schließlich an der Oberfläche der Bewehrung 5 von einer rechtsgängig
gewickelten Gewebebandlage 13 als äußerste Bewehrungslage umgeben ist, der die in
gleichmäßiger Verteilung angeordneten, etwa nierenförmigen Abstandsdrähte 6 satt
anliegen.
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Zufolge dieser Lagenanordnung der Bewehrung 5 weist diese zugleich
eine außerordentliche gute Polsterwirkung und Elastizität sowie ausreichende Druckfestigkeit
auf, um dembeim Biegen, z.B. Auftrommeln, des Kabels auf sie einwirkenden erheblichen
Druck der Abstandsdrähte 6 schadlos wiederstehen zu können.
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Die Abstandsdrähte 6 sind :;o zwischen der Bewehrung 5 und dem Wellmantel
7 angeordnet, daß ihre Lagen durch annähernd punktförmige Berührung mit der Innenfläche
der radial eingedrückten Wellentäler des Wellmantelc 7 festgelegt ist, wobei sie
mit ihrer relativ breiten inneren Anlage fläche 15 der Außenlage 13 der Bewehrung
satt anliegen, so daß etwaige Druckeinwirkungen, z.B. beim Biegen des Kabels, als
Flächenpressungen auf eine ziemlich große Fläche der Bewehrung 5 verteilt sind und
dadurch schadlos bleiben. Die geringste Querschnittsabmessung dieser Abstandsdrähte
-6 ist so gewählt, daß sie wenigstens einem Achtel
vorzugsweise
einem Viertel der Isolierdicke entspricht. Sie beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
5 mm. Sie sind um die abgeschirmte und so bewehrte Isolierung 4 mit langem Schlag
wendelförmig herumgelegt, wobei ihre Verseil-Schlaglänge bis zu 2 m betragen soll,
um einen konzenttischen Ölkanal 12 ausreichenden Querschnittes rings um die isolierung
4 zu definieren, welcher den Durchfluß eines hindurchgeleiteten Mediums, z.B.
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getrocknete Heißluft oder bl, möglichst wenig behindert. Wegen der
gewünschten Lagebestimmung dieser Abstandsdrähte 6 während der Ausbildung des Wellmantels
7 soll deren Schlaglänge jedoch gewisse Maximalwerte nicht überschreiten.
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Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Abstandsdrähte
6 mit einer der Krümmung der bewehrten Isolierung 4 angepaßten inneren Anlagefläche
15 sowie mit einer stärker als die Innenfläche des Wellmantels 7 konvex gekrümmten
Außenfläche 16 mit einem abgeflachten Rücken 17 ausgebildet, wobei die Breite der
inneren Anlagefläche 15 ein mehrfaches des dem Wellmantel 7 anliegenden Rückens
17 der Außenfläche 16 beträgt. Dieses Sonderprofil der Abstandsdrähte 6, z.B. aus
Aluminium bzw. einer AluminiumlegierungXist so beschaffen, daß diese bei möglichst
geringem Eigengewicht mit möglichst breiter innerer Anlagefläche 15,welche geringfügig
aufgewölbte Randbereiche 19 aufweist, der Bewehrung 5 satt anliegen. Hierbei ist
ihre Außenfläche 16 so mit konkaven Flankenabschnitten 18 ausgestaltet, daß der
belassene schmale Rücken 17 die Innenfläche des Wellmantels 7 nahezu nur punktförmig
berührt, zugleich aber durch diesen in der vorgesehenen Lage auf der Bewehrung 5
gehalten ist und bei allen fertigungs- oder montagebedingten Biegebewegungen des
Kabels auch bleibt.
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Bei der Herstellung eines solchen Kabels werden nach dem Aufvur;C
wickeln der die Isolierung 4 bildenden Papierbänder'darüber aufgebrachte Abschirmung
5 aufeinanderfolgend mindestens je eine Gewebebandlage 15 überlappt, und eine Stahlbandlage
14 auf Lücke gewickelt, gefolgt von weiteren in der beschriebenen Weise
aufgewickelten
Lagen. Auf die äußerste Gewebebandlage 15 werden sodann die Abstandsdrähte 6 in
gleichmäßiger Verteilung aufgeseilt, und es wird mit konzentrischem Abstand der
metallische Mantel 7, z.B. aus Aluminium, auf einer Kabelmantelpresse gleichmäßig
um die so bestückte Kabelseele ausgepreßt, welcher im noch warmen und daher mit
geringer Krafteinwirkung plastisch verformbaren Zustand bis zur Anlage am Rücken
17 der Außenfläche 16 aller Abstandsdrähte 6 gewellt wird. Danach wird die Kabelisolierung
unter dem Wellmantel getrocknet, wobei durch das Glattrohr 1 des Leiters 10 ein
heißes gasförmiges Medium, z.B. Dampf hindurchgeleitet, und zugleich der den Ölkanal
12 bildende konzentrische Ringraum 12 unter dem gewellten Kabelmantel 7 von getrockneter
Heißluft durchströmt bzw. unter Vakuum gesetzt wird. Schließlich wird - ebenfalls
durch den Ölkanal 12 - die Papierisolierung 4 mit dem durch die Lücken in der Bewehrung
5 von außen in sie eindringenden Isolieröl getränkt. All dies kann in einem Durchgang
kontinuierlich erfolgen, wobei auf die Bewehrung 5 zunächst die Abstandsdrähte 6
aufgeseilt werden, und in unmittelbarer Folge der Kabelmantel 7 ausgepreßt und gewellt
und schließlich gekühlt wird. Hiernach wird auf den so hergestellten Kabelmantel
7 eine Korrosionsschutzschicht 8 etwa auf Betumenbasis aufgebracht und schließlich
der Außenmantel 9, z.B. aus Polyäthylen, darüber extrudiert.
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Dieses Hochleistungskabel läßt sich mit wesentlich geringerem Aufwand
als bei den zuvor bekannt gewordenen Hochleistungskabeln dieser Art notwendig war
anfertigen, und es besitzt ausgezeichnete elektrische und mechanische Eigenschaften
für den Betrieb bei allerhöchsten Spannungen, zur Übertragung sehr großer elektrischer
Energiemengen über beachtliche Entfernungen von mehreren Kilometern.