DE3200955C2

DE3200955C2 -

Info

Publication number: DE3200955C2
Application number: DE3200955A
Authority: DE
Inventors: Elio Mailand/Milano It Occhini; Gianmario Trezzo Sull'adda Mailand/Milano It Lanfranconi; Piero Varese It Metra
Original assignee: Cavi Pirelli SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1981-01-14
Filing date: 1982-01-14
Publication date: 1989-12-21
Also published as: HK22085A; GR82307B; FI71441B; FR2498000B1; JPS57138712A; AU7851581A; SE8200070L; DK156342B; DK156342C; NO159826B; MX158712A; NZ199292A; FI71441C; AU547235B2; FR2498000A1; FI814204L; BR8200149A; US4417093A; ES509157A0; DK9882A

Description

Die Erfindung betrifft ein masseimprägniertes Gleichstromkabel für Betriebsspannungen von 200 bis 1000 kV gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekanntlich treten in Hochspannungskabeln der hier interessierenden Art kritische Situationen durch die Bildung von Hohlräumen oder Blasen in der Isolierung während des Betriebs aufgrund der thermisch bedingten Volumenänderungen während der Abkühlphase auf. Dies trifft beispielsweise auch für Unterwasserkabel zu.

Bekannte Kabel, z. B. ölgefüllte Kabel, deren Isolierbänder mit einem flüssigen Dielektrikum mit niedriger Viskosität imprägniert sind, bieten optimale Sicherheit gegen Blasenbildung.

Bei Temperaturerhöhung kann sich das flüssige Dielektrikum oder das flüssige Öl, in geeigneten Behältern oder Tanks, vorzugsweise bei einem variablen Druck, ausdehnen. Derartige Behälter sind an einem oder beiden Enden des Kabels vorgesehen.

Das während der Abkühlphase auftretende Zusammenziehen (Kontraktion) des Öles wird dadurch kompensiert, daß Öl aus dem Behälter oder Tank in das Kabel zurückfließt.

Dies ist der Grund, warum in der Isolierung von ölgefüllten Kabeln keine Blasen gebildet werden. Die ölgefüllten Kabel sind deshalb von Temperaturschwankungen unabhängig, d. h. thermisch weitgehend stabil.

Da das üblicherweise verwendete flüssige Öl ein spezifisches Gewicht besitzt, welches demjenigen von Wasser sehr nahekommt, ist der Druck innerhalb solcher Kabel etwa gleich demjenigen der Umgebung, in welche das Kabel eingeführt ist. Diese Tatsache trägt dazu bei, daß derartige Kabel praktisch keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Verlegungstiefen unterliegen.

Unter Abkühlbedingungen (wie vorhin gezeigt) zieht sich das flüssige Öl zusammen und muß sich von den äußeren Teilen des Kabels zur Mitte verlagern.

Auf Grund des dabei auftretenden hydraulischen Widerstandes - und teilweise auf Grund der Viskosität des Öles - treten dabei beträchtliche Druckabnahmen im ausgelegten Kabel auf.

Es ist verständlich, daß diese Druckabnahmen proportional der Länge des ölgefüllten Kabels sind. Um daher während der Abkühlphase - im Falle von sehr langen Kabeln - das Auftreten einer Druckabnahme im Kabel zu vermeiden, ist es also notwendig, den Zuführungsdruck des flüssigen Öles zu erhöhen. Es ist jedoch verständlich, daß der genannte Druck nicht beliebig erhöht werden kann, und es ergibt sich hieraus, daß die ölgefüllten Kabel bestimmten Beschränkungen im Falle von sehr großen Entfernungen unterliegen.

Für sehr große Strecken wurde die Verwendung von Kabeln mit Papierbändern, die mit einer in einer unter Druck gesetzten Gasatmosphäre nicht wandernden Masse vorimprägniert sind, vorgeschlagen. Insbesondere sind diese Kabel in der Technik als Kabel vom GLOVER-Typ bekannt. Derartige Kabel enthalten ein Papier, welches mit einer Masse in einer unter Druck gesetzten Gasatmosphäre - z. B. N₂ - zwischen 14 und 15 atm vorimprägniert ist.

Diese Kabel mit in unter Druck stehender Gasatmosphäre sind nicht für große Tiefen geeignet. Weiterhin können Kabel dieser Art nicht bei Betriebsdruck verlegt werden, da sie nicht biegsam sind. Wenn überdies der äußere Wasserdruck den inneren Gasdruck übersteigt, kann das Kabel zusammenfallen.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß mit derartigen Kabeln Tiefen von mehr als 250 m nicht überschritten werden können.

Überdies können sich in Kabeln vom GLOVER-Typ Blasen während der Herstellung zwischen den Randspalten bilden. Die mit der Zusammensetzung oder Masse imprägnierten Bänder quetschen die Masse beim Umwickeln und festen Ziehen aus, so daß die Spalten zwischen den Bändern nur teilweise gefüllt und kleine Hohlräume auf der Innenseite entstehen.

Diese Tatsache ist für Wechselstrom nicht relevant, da die Verteilung des Potentialgradienten eine Funktion der dielektrischen Konstante der Isolierung ist.

Für Gleichstromkabel, bei welchen, wie dem Fachmann bekannt, die Potentialverteilung vom spezifischen Widerstand abhängt, würden Blasen zwischen den Spalten oder Intervallen zwischen den Windungen der Isolierbänder eine beträchtliche Gefahr für elektrische Entladungen darstellen.

Tatsächlich wird, da der spezifische Widerstand der Blasen praktisch unendlich ist, an ihnen ein Gradient aufgebaut, der in bezug auf den Gradienten, der beiderseits der Blase lokalisiert werden könnte, wenn diese mit einer Masse gefüllt wäre, sehr hoch ist.

Kabel, die ihre Funktion auf langen Verlegestrecken und auch in großen Tiefen erfüllen, sind solche, die vollständig mit einer Masse imprägniert und mit Blei überzogen sind, unabhängig davon, ob sie einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

Wie dem Fachmann bekannt, besitzen diese Kabel keinerlei wesentliche Längsbewegung, sondern nur eine im radialen Sinne. In Wirklichkeit treten während der Wärmezyklen thermische Ausdehnungen und Kontraktionen der Masse auf. Bei konstantem äußeren Druck tritt während des Erhitzens und der radialen Ausdehnung der Masse eine Zunahme des inneren Drucks auf.

Während der nachfolgenden Abkühlphase zum Zweck der thermischen Kontraktion wird der Innendruck reduziert, wobei an bestimmten Stellen ein absolutes Vakuum erreicht wird. An diesen Stellen können Hohlräume in der Masse - bedingt durch das anfänglich hohe Vakuum - gebildet werden, welche in Gleichstromkabeln eine elektrische Schwächung der Isolierung hervorrufen können.

Gleichstromkabel, die vollständig mit einer Zusammensetzung imprägniert sind, wurden bis vor einigen Jahrzehnten bei Spannungen unterhalb 200 kV und üblicherweise um etwa 100 kV verwendet.

Wie jedoch dem Fachmann bekannt, wurden die Betriebsspannungen für Gleichstromkabel allmählich erhöht, während der Wert, welcher dem Ausdruck "Hochspannungen" zugeschrieben wird, eine Wandlung erfahren hat. Heute sind unter dem Begriff "Hochspannungen" Spannungen zu verstehen, die Werte oberhalb von 200 kV aufweisen.

Im Hinblick auf die Zunahme der für Kabel geeigneten Betriebsspannungen hat die Technik die Isolierung den erhöhten Anforderungen angepaßt, und zwar mittels einer Erhöhung der Isolierstärke und durch die Verwendung von Massen mit einem erhöhten Isoliervermögen.

Trotz dieser Maßnahmen sind die Spaltenbildungen, welche unter den Wärmezyklen auftreten, nicht vermieden worden. Vielmehr wurde z. B. die Erfahrung gemacht, daß bei Gleichstromkabeln, die mit einem mit einer Masse imprägnierten Cellulosepapier von einer Dicke von 9 mm isoliert waren, elektrische Entladungen bei einer angelegten Versuchsspannung von etwa 400 kV auftraten, während bei Gleichstromkabeln, die mit dem gleichen imprägnierten Papier, jedoch mit einer Dicke von 18 mm isoliert waren, elektrische Durchschläge auf Grund von elektrischen Entladungen nicht erst beim Anlegen einer Versuchsspannung von 800 kV, sondern bereits bei etwa 600 kV auftraten.

Diese Erscheinung kann mit der Bildung von Hohlräumen in Zusammenhang gebracht werden, welche im verstärkten Ausmaß und damit schwerwiegenden Folgen - abhängig von der vorgesehenen Menge an Imprägnierungsmittel - auftritt. Mit der Menge der Imprägnierungsmasse nimmt die Zahl der möglichen elektrischen Durchschläge konsequenterweise zu.

Wenn ein vollständig imprägniertes Unterwasserkabel bei einer ausreichenden Tiefe (von über 120 m) verlegt wird, kann der äußere Druck (Wasserdruck) über den Kunststoffmantel auf die Isolierung übertragen werden, wodurch die vorstehend genannte Erscheinung verhindert wird. Jedoch ist bei Tiefen von weniger als 120 m die Mitwirkung des äußeren Druckes ungenügend, und eine brauchbare Funktion der Hochspannungsgleichstromkabel, die vollständig imprägniert sind und eine große Verlegelänge aufweisen, ist rein vom Zufall abhängig.

Es ist auch ein elektrisches Hochspannungskabel bekannt (US-PS 31 63 705), welches einen Kupferleiter hat, der von einer Isolierung umgeben ist, die mit einem gesättigten Kohlenwasserstofföl imprägniert ist. Dem Kohlenwasserstofföl ist eine mit sekundären Alkylgruppen substituierte aromatische Masse zugegeben, wodurch Gasblasenbildung verhindert werden soll. Irgendeine Behandlung von bereits vorhandenen Blasen ist nicht angesprochen.

Es ist auch bekannt (US-PS 20 19 336), einem Kohlenwasserstoffmineralöl, welches als Isoliermittel für den Kern und die Wicklungen eines elektrischen Transformators oder als Isoliermittel für Kondensatoren, Energieschalter oder dergleichen verwendet wird, eine Polycarboxylmasse zuzugeben, um das Altern des Isoliermittels (Schlammbildung) zu verringern. Hierbei werden auch eine Verringerung der Isoliereigenschaften und ein Anstieg des Leitungsfaktors vermieden, wenn die elektrische Vorrichtung oder dergleichen während langer Zeitperioden elektrischen Beanspruchungen unterworfen wird. Als Beispiele für solche Massen sind Maleinsäureanhydrid, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Malonsäure und Adipinsäure angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei thermisch belasteten masseimprägnierten Gleichstromkabeln vorzeitige elektrische Durchschläge zu verhindern, die durch Luftblasen bzw. Luftspalten hervorgerufen werden können, die sich ihrerseits aus Dehn- und Schrumpfprozessen der Isoliermasse ergeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Die Verwendung einer Isoliermasse mit dem angegebenen niedrigen spezifischen Widerstand führt dazu, daß gegebenenfalls vorhandene Blasen oder Spalten elektrisch abgeschirmt oder kurzgeschlossen werden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert, worin lediglich als nicht beschränkendes Beipiel auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird; hierin zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein vollständig imprägniertes Teilstück eines Gleichstromkabels;

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Gleichstromkabelstück, das unter Gasdruck steht;

Fig. 3 ein Diagramm, worin der spezifische Durchgangswiderstand von bestimmten Massen mit Bezug auf den Widerstand des Papiers veranschaulicht ist;

Fig. 4 ein Diagramm, worin die Entladungsintensität in einer Masse gemäß der Erfindung mit Bezug auf die elektrische Entladungsintensität einer in der Technik bekannten Masse gezeigt ist.

Das Gleichstromkabel, wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt wenigstens einen Leiter 10, auf welchem ein innerer halbleitender Schirm 11 angeordnet ist, der z. B. durch Aufwickeln eines halbleitenden Bandes erhalten wird.

Auf dem halbleitenden Schirm 11 ist das Dielektrikum, bestehend aus wenigstens einer oder mehreren Schichten eines isolierenden Papierbandes 12 aus Cellulose vorhanden, welches schraubenförmig aufgewickelt und mit einer Masse imprägniert ist.

Auf dem isolierenden Band 12 ist ein äußerer halbleitender Schirm 13 vorgesehen. Letzterer kann z. B. aus einem aufgewickelten halbleitenden Band bestehen. Die gesamte Anordnung ist in wenigstens einem Bleimantel 14 eingeschlossen. Dieser kann auch mit Schutzschichten bekannter Art oder im Bedarfsfall mit anderen Materialien bedeckt sein.

In dem Beispiel ist der Bleimantel 14 mit einer antikorrosiven Hülle 15 bedeckt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß es möglich ist, die Gefahr, die von evtl. vorhandenen Hohlräumen oder Blasen in der Zusammensetzung ausgeht, sei es, daß sie bereits vorhanden sind, oder sei es, daß sie während der thermischen Zyklen gebildet werden, vermieden wird, wenn die Masse bei den vorgesehenen Betriebstemperaturen einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, welcher über die gesamte Betriebsperiode konstant beibehalten wird.

Eine Masse mit den genannten Eigenschaften muß fähig sein, irgendwelche Löcher oder Blasen, die darin enthalten sind, elektrisch abzuschirmen.

Es wurde experimentell nachgewiesen, daß für die Erzielung eines wirksamen Abschirmeffektes die Masse einen spezifischen Widerstand aufweisen muß, der um wenigstens 100mal niedriger ist als derjenige der imprägnierten Cellulosepapierbänder.

Jedoch ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, der spezifische Widerstand um etwa 100mal niedriger als derjenige der imprägnierten Papierbänder.

Eine Masse, welche den Lehren der Erfindung entspricht, kann erhalten werden, indem man zu einem Kohlenwasserstofföl, welches üblicherweise zum Imprägnieren von elektrischen Kabeln verwendet wird, wenigstens eine Substanz mit einem Gehalt an polaren Gruppen zufügt, womit gemeint ist, daß sie eine oder mehrere polare Gruppen enthalten kann (bezüglich der Definition des Ausdrucks "Substanz mit einem Gehalt an polaren Gruppen" wird verwiesen auf "Samuel Glasstone's TRATTATO DI CHIMICA-FISICA" von The American Edition, Seiten 114 bis 115, der italienischen Übersetzung (1956) von Carlo Manfredi Editors).

Ein Beispiel für eine derartige Masse umfaßt:
ein viskoses Kohlenwasserstofföl in einem Anteil von wenigstens 60 Gew.-Teilen für jeweils 100 Gew.-Teile der Masse,
organische polare Massen, worin die Polarität durch die Anwesenheit von einer oder mehreren Carboxylgruppen in der Verbindung (-COOH) in einer Menge von bis zu 40 Gew.-Teilen für jeweils 100 Gew.-Teile der Masse erteilt wird.

Außer diesen beiden Komponenten können auch andere Substanzen vorhanden sein, z. B. zur Steuerung der Viskosität der Masse, in Anteilen bis zu 15 Gew.-Teilen auf 100 Gew.-Teile der beiden vorhergehend genannten Komponenten.

Insbesondere umfaßt eine Masse, welche ausgezeichnete Ergebnisse ergeben hat, 63 Gew.-Teile eines Kohlenwasserstofföls mit einem Viskositätsindex von 75 und einer Viskosität bei 38°C von 8 · 10^-4 m²/sec, 27 Gew.-Teile einer organischen Verbindung, bestehend im wesentlichen aus einem Naturharz mit einer Abietinsäuregrundlage, und 10 Gew.-Teile eines mikrokristallinen Wachses mit einem Schmelzpunkt von 103 bis 107°C.

Der obige Absatz erwies sich nicht nur für das in Fig. 1 gezeigte Kabel, sondern auch für das in Fig. 2 dargestellte Kabel als besonders wirksam. Das letztere hat wenigstens einen Leiter 16, der mit einem inneren Schirm 17 bedeckt ist, und ein Dielektrikum, bestehend aus isolierenden, porigen Papierbändern 18 in schraubenförmiger Wicklung.

Ein äußerer Schirm 19 bedeckt die isolierenden Bänder 18. Die Gesamtanordnung ist in wenigstens einem Metallmantel 20, z. B. aus gewelltem Aluminium, enthalten.

Der Mantel kann von einer oder mehreren Schutzhüllen 21 bedeckt sein. Die isolierenden Bänder des Kabels in Fig. 2 sind Masse mittels Gasdruck, z. B. N₂, bei Drücken bis zu 25 bar, imprägniert.

In Fig. 3 zeigt die Kurve a die Änderung des spezifischen Durchgangswiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur der genannten letzteren Masse im Vergleich zu den Änderungen des spezifischen Durchgangswiderstandes von dem damit imprägnierten Papier (Kurve b).

Die genannte Masse ergab sehr zufriedenstellende Ergebnisse, verglichen mit dem Produkt ILO3 (weißes Vaselin) der Company WITCO (USA), welches üblicherweise verwendet wird (Kurve d), und das einen spezifischen Widerstand aufweist, der etwa gleich oder höher ist als derjenige des Isolierpapiers (Kurve c).

Tatsächlich kann man anhand des Diagramms von Fig. 4, das die Intensität der Entladungen, ausgedrückt in pAs bei 14 bar in Abhängigkeit von dem angelegten Gradienten E, ausgedrückt in kV/mm, bei Versuchsstücken mit Blasen, welche ein mit jeweils einer der beiden Massen imprägniertes Dielektrikum aufweisen, zeigt, feststellen, daß bei einem 3mal höheren Gradienten als demjenigen, bei welchem die Entladungen bei der herkömmlichen Masse (Kurve d) auftreten werden, keine Entladungen bei den Massen gemäß der Erfindung (Kurve a) feststellbar sind.

Andere bevorzugte Massen sind solche, welche - neben einem Kohlenwasserstofföl mit einer Viskosität bei 38°C von 8 · 10^-4 m²/sec - auch eine der folgende organischen Säuren und zwar in Anteilen bis zu 10% enthalten:
Ölsäure
Linolsäure
Rizinolsäure
Palmitinsäure
Stearinsäure
verschiedene Naphthensäuren
verschiedene Terpensäuren

Andere Massen gemäß der Erfindung können z. B. ein viskoses Kohlenwasserstofföl, welchem Salze von organischen Säuren mit einer guten Löslichkeit in den Kohlenwasserstoffen zugesetzt werden, umfassen:
Eine Masse dieser Art - die sich als besonders geeignet erwies - umfaßt ein Kohlenwasserstofföl mit einer Viskosität bei 38°C von 6 · 10^-4 m²/sec in einem Anteil von 95 oder mehr Gew.-Teilen auf 100 Gew.-Teile der Masse und Kupfernaphthenat in einer Menge von bis zu 5 Gew.-Teilen.

Eine weitere bevorzugte Masse kann aus einem Kohlenwasserstofföl - z. B. solchen wie in den vorstehenden Beispielen angegeben bestehen - und aus Massen mit einem Gehalt an polaren Gruppen oder leitfähigen Teilchen, welche aus einem wäßrigen Extrakt der Cellulosepapierbändern stammen (Leitfähigkeit von 50 bis 200 µ S/m), hergestellt werden.

Bezüglich der Bestimmung des wäßrigen Extraktes und der Messung seiner Leitfähigkeit wird auf die ASTM D 202-62T Methode verwiesen.

Die Leitfähigkeit des wäßrigen Papier-Extraktes kann als Maß der in warmen Wasser löslichen Elektrolyte, welche in dem Papier anwesend sind, definiert werden.

Claims

1. Masseimprägniertes Gleichstromkabel für Betriebsspannungen von 200 bis 1000 kV, bestehend aus einem Leiter, einer inneren halbleitenden Abschirmung, einem schraubenförmig aufgewickelten imprägnierten Cellulosepapier als Isolation, wobei die Imprägnierungsmasse aus üblichen Kohlenwasserstoffölen mit einem weiteren Funktionalzusatz besteht und dieser Kabelaufbau von einer äußeren halbleitenden Abschirmung sowie einem Metallmantel umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägniermasse mindestens eine polare Gruppen aufweisende organische Substanz enthält, die zumindest einen 100fach niedrigeren spezifischen Widerstand der Imprägnierungsmasse gegenüber den imprägnierten Cellulosepapierbändern bewirkt.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der organischen Substanz durch die Anwesenheit von wenigstens einer Carboxylgruppe -COOH, erteilt wird, und daß die organische Substanz in Anteilen von bis zu 40 Gew.-% in einer Masse enthalten ist, die wenigstens 60 Gew.-% eines viskosen Kohlenwasserstofföles umfaßt.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Substanz ein Naturharz auf der Basis von Abietinsäure ist und in Mengen von 27 Gew.-% eines Kohlenwasserstofföls mit einem Viskositätsindex von 75 und einer Viskosität bei 38°C von 8 × 10^-4 m²/sec und 10 Gew.-% eines mikrokristallinen Wachses mit einem Schmelzpunkt von 103 bis 107°C enthalten ist.

4. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse ein Kohlenwasserstofföl mit einer Viskosität bei 38°C von 6 × 10^-4 m²/sec in einer Menge von 95 Gew.-% oder mehr und Kupfernaphthenat in einer Menge von bis zu 5 Gew.-% umfaßt.

5. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse eine Kohlenwasserstoffsubstanz aufweist mit einer Viskosität von 6 × 10^-4 bis 8 × 10^-4 m²/sec bei 38°C, und in der polare Gruppen enthaltenden Substanz ein wäßriger Papierextrakt vorhanden ist mit einer Leitfähigkeit von 50 bis 200 µ S/m.

6. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Substanz eine organische Säure ist, die in Anteilen bis zu 10 Gew.-% wenigstens einem Kohlenwasserstofföl mit einer Viskosität bei 38°C von 8 × 10^-4 m²/sec zugegeben wird.

7. Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Säure Oleinsäure ist.