DE3425748A1

DE3425748A1 - Vollstaendig synthetische eine bandisolation aufweisende kabel

Info

Publication number: DE3425748A1
Application number: DE19843425748
Authority: DE
Inventors: Eric Boyland Brookhaven N.Y. Forsyth; Albert Charles Center Moriches N.Y. Muller
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1985-01-24
Also published as: FR2549280A1; GB2143363A; US4487991A; CH666365A5; GB8416907D0; FR2549280B1; JPS6039711A; GB2143363B

Description

R-7526

Vollständig synthetische eine Bandisolation aufweisende

Kabel

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Kabel und insbesondere auf Kabel mit mehreren Isolationslagen oder -schichten, die mit einem isolierenden Strömungsmittel (Fluid) imprägniert sind. Bei den üblichen Verfahren zum Aufbau von Hochspannungskabeln unter Verwendung von Kraftpapierisolation und ölimprägnierung scheinen die praktischen Grenzen hinsichtlich Spannung und daher hinsichtlich Leistung erreicht zu sein. Bei Spannungen oberhalb 34 5kV werden durch den erhöhten dielektrischen Verlust zusammen mit den relativ schlechten Wärmeübertragungseigenschaften der Kabel unter Verwendung von Kraftpapier die Stromleitfähigkeiten dieser Kabel niedriger, was viele Vorteile dieser erhöhten Spannung auslöscht.

Diese Probleme führten zur Entwicklung einer Papier- und Kunststoff-laminierten Isolierung, die, obwohl einige Vorteile erreicht wurden, häufig andere Einschränkungen zur Folge hat, und zwar wegen der bestimmten individuellen Ei-

genschaften jedes Materials. Der nichtpermeable Kunststoff verlangsamt die Wanderung des Öls und das Kraftpapier hat noch immer einen relativ hohen dielektrischen Verlust.

Die logische Fortentwicklung der Kabeltechnologie erfolgte in Richtung einer vollständig aus Kunststoff bestehenden Isolierung für Hochspannungskabel und verschiedene Versionen wurden bereits patentiert und in begrenzten Mengen gebaut. ÜS-PS 3 358 071 beschreibt ein Kabel unter Verwendung von Mehrfachschichten aus Polysulfonband. US-PS 3 105 872 beschreibt ein Kabel mit Polycarbonatband. US-PS 3 077 514 und 3 077 510 schlugen andere Polymerbänder vor, wie beispielsweise aus Polyäthylen und Polypropylen, und zwar mit speziellen Konfigurationen, wie beispielsweise Nuten (US-PS 3 077 514) und Kanälen (US-PS 3 077 510).

Praktische industriell anwendbare Kabelkonstruktionen unter Verwendung von Polymeren, wie beispielsweise Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen, haben sich jedoch wegen der diesen Materialien innewohnen Problemen als nicht in der Praxis realisierbar erwiesen. In den üblichen kommerziellen Ausführungen sind sie auflösungsempfindlich, schwellen in ihrer Dicke an und schrumpfen in typischen Imprägniertluids in einem Ausmaß, was eine zuverlässige lange Lebensdauer verhindert. Beispielsweise schlägt das erwähnte US-PS 3 077 510 die Verwendung von Organosilikonpolymerfluids vor, um diese Einschränkung zu überwinden, und US-PS 3 229 024 schlägt die Verwendung eines hochkristallinen Propylenbarulos mit Polypropylenöl vor. US-PS 4 330 439 verwendet exothitu-lu* Diaryalkanverbindungen als Isolieröl, um die Kompatibilit \\\ mit Polyolefinen sicherzustellen.

Vor der vorliegenden Erfindung wurden keine Kabel durch konventionelle Herstellverfahren gebaut, die überlegene «l^K trische Eigenschaften aufweisen und aus Polyäthylen, Polybuten oder Polypropylen bestehen, und zwar zusammen mit A_x*_x

Verwendung von konventionellen Imprägniertluids, die eine ♦ lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit sowie höhere Spannung und höhere Stromeigenschaften als papierisolierte Kabel zeigen.

Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kabel, welches, obwohl es aus preiswerten Polyolefinbändern aufgebaut ist und typische Imprägnieröle verwendet, Hochspannungseigenschaften bis zu 765kV zeigt, wobei dieses Kabel derart ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und Wärmeübertragungseigenschaften besitzt, das in der Lage ist, mit Kapazitäten zu arbeiten, die gleich oder höher sind als wie es bei derzeit verfügbaren Kabeln bei einer gegebenen Spannung möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man ein Polyäthylen-, Polybuten- oder Polypropylen-Isolierband verwendet, welches in spezieller Weise verarbeitet wurde, um Eigenschaften zu erhalten, welche im allgemeinen in diesen Materialien nicht vorkommen, die aber für ihre Verwendung in imprägnierten elektrischen Kabeln erforderlich sind. Die wichtigste dieser Eigenschaften ist die Kompatibilität

mit Imprägnieröl. Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen in ihrer gebräuchlichsten Form sind beim Eintauchen in heißes,

konventionelles, elektrisches Isolieröl empfänglich für Dickenschwellung, Auflösung, Beanspruchungsrisse und Längsschrumpfung,

Um diese zerstörenden Phänomene zu minimieren, wird das Polyolef inausgangsmaterial vor der Verwendung in dem erfindungsgemäßen Kabel biaxial orientiert. Dies umfaßt das Strecken der Bänder durch Walzen, und zwar auf ein Zugverhältnis von zwischen 5 bis 1 und 10 bis 1 in Längsrichtung und auch die Orientierung der Bänder über deren Breite hinweg.

Das sich aus dem Walzen des Polyolefinausgangsmaterials auf geeignete Ziehverhältnisse ergebende Band hat zahlreiche Qualitätsmerkmale, die es für die Kabelherstellung überlegen machen. Um die Tendenz des Bandes zu vermindern, in Fasern zu zerfallen, sich über seine gesamte Länge längs eines einzigen Risses zu spalten, ist eine weitere Verarbeitung erwünscht. Diese Verarbeitung umfaßt einen zweiten linearen Orientierungsschritt in der Richtung quer zum Band. Dies orientiert das Band mit einem Verhältnis von bis zu 50% in der Querbandrichtung und erzeugt Band, welches hinreichend biaxial orientiert ist, um die Tendenz zur Faserbildung (Fibrillation) in zufriedenstellender Weise zu begrenzen.

Die sich aus der obenerwähnten Verarbeitung ergebenden Polyäthylen- und Polypropylenbänder werden mit einem speziellen Muster unter speziellen Bedingungen geprägt, um die ordnungsgemäße Kabelimprägnierung und Wärmeübertragung sicherzustellen. Das Prägemuster besteht aus unregelmäßigen Kanälen, die in erster Linie in der Querbearbeitungsrichtung gerichtet sind.

Gleichzeitig muß das Muster, obwohl es einen gewissen Ölfluß in sowohl der Maschinen- als auch der Querbandrichtung gestatten kann, den Querbandfluß favorisieren, weil dieser Fluß die Imprägnierung von Lage (Schicht) zu Lage (Schicht) erhöht und die Wärmeübertragung durch ölkonvektion fördert. Das Kabel selbst ist aus mehreren Schichten aus Polyolefinband aufgebaut, und zwar entweder Polyäthylen, Polybuten oder Polypropylen, unter Verwendung konventioneller Kabelwickelmaschinen. Zur Erleichterung der Kabelbiegung werden mehrere unterschiedliche Breiten des Polyolefinbandes in den Schichten verwendet. Diese Größen schreiten zu größeren Breiten mit erhöhtem Abstand gegenüber dem Leiter des Kabels fort.

Für die schließlich zu erreichenden elektrischen Eigenschaften des Isolierbandes ist es ferner wesentlich, daß die Antioxida-

γ-ί

tionsmittel und anderen Additive in ordnungsgemäßer Weise ausgewählt werden und daß die Konzentrationen in dem ursprünglichen Ausgangsmaterial, welches für den Walzvorgang verwendet wird, gesteuert oder kontrolliert werden. Diese Materialien, wie die Antioxidationsmittel, die im allgemeinen sämtlichen Polymermaterialien zugefügt werden, ordnungsgemäß ausgewählt sind, so kann der dielektrische Verlust (Tangensdelta) der

-4
Isolation auf unterhalb 2 χ 10 gehalten werden.

Um bei der Konstruktion des Kabels unterstützend zu wirken, wird das ansonsten hochtransparente Polyolefin-lsolierband mit einem hinzugefügten Farbstoff hergestellt. Dieses Verfahren hilft beträchtlich bei der Fähigkeit, ein brauchbares Kabel mit konventionellen Kabelbandmaschinen herzustellen, weil der Benutzer in ordnungsgemäßer Weise jede darauffolgende spiral- oder schraubenlinienförmige Schicht aus Isolierband mit der unmittelbar vorhergehenden Schicht abstimmen muß. Wenn die Bandaufbringung mit einem typischen außerordentlich klaren und transparenten Polyäthylen-,Polybuten- oder Polypropylenband erfolgt, so kann der Benutzer nicht die Kanten der unmittelbar vorhergehenden Schicht gegenüber den anderen Kanten, und zwar bis zu acht oder zehn Bandschichten darunter, erkennen. Die Zugabe von ausgewählten Farbstoffen in speziellen Mengen zu dem ursprünglichen Ausgangsmaterial gibt dem Band genug Farbe, um zu gestatten, daß der Benutzer oder Betreiber der Kabelmaschine leicht die Kanten und die Anstoßspalte der unmittelbar vorausgehenden Schicht des Bandes gegenüber denjenigen der früheren Schichten erkennen kann, und zwar deshalb, weil die Dunkelheit der Farbe in signifikanter Weise mit jeder Schicht oder Lage ansteigt. Dieses Farbagens wird derart ausgewählt, daß es jeden Anstieg des Verlustfaktors des ursprünglichen Materials minimiert.

Das erfindungsgemäße Kabel ist mit einer Schirmschicht über der letzten Schicht aus Isolierband und einem Flachmetall-

leiterband über dem Schirm ausgestattet. Diese beiden Lagen sind derart aufgebaut, daß sie für das Imprägnierfluid permeabel sind. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Schichten mit kleinen Löchern perforiert.

Die letzten Schichten des Kabels der Erfindung sind üblicherweise Abdeckungen und hängen von dem Gebrauchszweck des Kabels ab. Selbst umschlossene Kabel sind mit einem öldichten Mantel darauffolgend auf die Imprägnierung umschlossen, und rohrartige Kabel, wenn sie vor der Installation imprägniert sind, werden mit einer eine niedrige Permeabilität besitzenden öl zurückhaltenden Abdeckung, wie beispielsweise Papier, abgedeckt. Kabel der Rohrbauart können noch gemäß der Erfindung nach dem Einbau imprägniert werden, weil das Imprägnieröl so leicht innerhalb der Kabel läuft, daß eine Imprägnierung im Feld, d.h. am Anwendungsplatz, wesentlich praktikabler ist als dies früher der Fall war.

Das erfindungsgemäße Kabel liefert nicht nur einen signifikanten Anstieg hinsichtlich der Spannungs- und Leistungshandhabungsfähigkeit gegenüber Kraftpapierkabeln, sondern hat noch die weiteren Vorteile bei dem Versand, bei der Aufbewahrung und beim Einbau, und zwar wegen der verminderten Kompliziertheit bei der Handhabung der Kabel, die noch kein Öl enthalten. Ein solcher Vorteil besteht darin, daß Kraftpapierkabel nicht nur mit Öl verschickt werden müssen, sie können darüber hinaus wegen der Gefahr des Austrocknens auch nur eine begrenzte Lagerfähigkeit besitzen. Es liegt auf der Hand, daß unter Verwendung von Polyolefinbändern hergestellte Kabel, die noch nicht ölimprägniert sind, nicht der Gefahr des Ölverlustes ausgesetzt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des be

vorzugten Ausführungsbeispiels des erfin-

dungsgemäßen Kabels, und zwar mit verschiedenen aus Gründen der besseren Klarheit weggenommenen Lagen;

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein typisches Prägemuster, verwendet gemäß der Erfindung;

Fig. 3A und 3B zeigen Querschnitte von Kabelinstallationen mit externer Kühlung.

Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.1 gezeigt. Ein Kabel 10 ist mit einem Mittelleiter 12 aufgebaut, und zwar abgedeckt durch eine Schirm- oder Einbett-Schicht 14 und isoliert durch Mehrfachschichten aus Polyolefinband 16, welches in einer Schraubenlxnienform 1 über das nächste gewikkelt ist. Die Isolierbänder 16 sind mit einem Halbleiterschirm 18 abgedeckt, der selbst durch Leitungsschicht 20 und schließlich Kabelmantel 22 bedeckt ist. Nicht gezeigte Gleitdrähte können ebenfalls zugefügt sein.

Die gezeigte Konstruktion ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Band-Kraftpapier-Isolierung und bei Verwendung der gleichen Verfahrenstechniken bekannt. Die Breite der Bänder kann verschieden sein; schmaler nahe dem Leiter und breiter an der Außenseite. Die Ablagerichtung kann ebenfalls bei einer bestimmten Radialdicke umgekehrt werden, wobei ein Faktor wie dieser von der Konstruktion der Bandaufbringmaschine abhängt.

Isolierbänder 16 sind in überlappenden spiralförmigen oder schraubenlinienförmigen Schichten aufgewickelt, so daß jeder Anstoßspalt 24 zwischen Spiralen der gleichen Schicht versetzt sind vom Anstoßspalt 26 der Schicht darunter. Diese Konstruktion wird durch die Herstellung des Farbe enthaltenden Isolierbandes erleichtert.

Die Polyolefinbänder, wie beispielsweise Polyäthylen,- Polybuten und Polypropylen, sind bei hoher Orientierung, was für die vorliegende Erfindung erforderlich ist, transparent. Diese Klarheit wird dann ein Nachteil, wenn die Anstoßspalte von vielen Schichten durch die Oberfläche des Kabels gesehen werden können. Der Benutzer der Wickelmaschine hat dann die Schwierigkeit zwischen einem Anstoßspalt 26, der unmittelbar vorhergehenden Schicht, der gegenüber der neue Anstoßspalt 24 versetzt sein muß, von anderen Anstoßspalten tiefer innerhalb des Kabels.

Das Isolierband der vorliegenden Erfindung hat daher eine zugegebene Farbkomponente, so daß eine innerhalb des Kabels befindliche Lage mit immer zunehmender Tiefe dunkler erscheint. Um diese Farbe zu erzeugen, werden organische Farbstoffe verwendet, weil diese organischen Verbindungen anders als anorganische Metallsalze weniger schädliche Einflüsse auf den Tangensdelta und die Zulässigkeit des Bandes haben.

Da ein Gleichgewicht gefunden werden muß zwischen der erforderlichen Farbe und den Einwirkungen auf die elektrischen Eigenschaften, werden organische Farbstoffe dem Polyolefin-Ausgangsmaterial in Anteilen im Bereich zwischen 100 und TOOO Teilen pro Million zugegeben.

Dies hat eine Verminderung der Lichtdurchlässigkeit des Bandes auf 10 bis 50% der ursprünglichen. Durchlässigkeit zur Folge. Wenn das Band bei einem Kabel verwendet wird, so vermindert dies die Sichtbarkeit auf ein bis zwei Schichten, wohingegen mit Farbe Anstoßspalte bis auf eine Tiefe hinab von acht bis zehn Schichten innerhalb der Isolation noch immer sichtbar sind.

Die Eigenschaften der Isolierbänder werden auch durch mehrere andere Faktoren im Ausgangsmaterial, aus dem die Bänder her-

gestellt werden, beeinflußt. Beispielsweise müssen Antooxidationsmittel auf einen Bereich von 100 bis 1000 Teile pro Million beschränkt sein und die Beschränkung erfolgt auf Produkte in der wie folgt identifizierten Gruppe: IONOL, CP. ; DLTDP; und TOPANOL, CA. Wenn diese Produkte in der erwähnten beschränkten Menge verwendet werden, so ergibt sich nur eine geringfügige Beeinflussung der inhärenten nichtpolaren Struktur des Polyolefins und es wird ermöglicht, daß man einen dielektrischen Verlusttangens von weniger als

-4
2 χ 10 bei Betriebsbedingungen erreicht.

Das ordnungsgemäß gebildete Harz, mit Antioxidationsmitteln im beschränkten Umfang und mit der entsprechenden zugegebenen Farbe, wird sodann durch das unten angegebene Verfahren in ein Band extrudiert, wobei aber eine weitere Verarbeitung erforderlich ist, bevor die direkte Anwendung bei einem ölimprägnierten Kabel erfolgt. Das Band wird sodann biaxial orientiert und mit Einprägungen versehen (geprägt).

Die Orientierung wird in der Maschinenrichtung durch Warmwalzen des Rohbandes erreicht, und zwar zur Erzeugung eines Dickenverminderungsverhältnisses von zwischen 5 zu 1 und 10 zu 1.

Das Dickenverminderungs- oder -reduktionsverhältnis ist in der Tat eine Messung der linearen Bandorientierung und ist eine Anzeige für die sich ändernden Zugeigenschaften des Polymers. Das Warm- oder Heißwalzverfahren wird bei Temperaturen zwischen 5 und 40⁰C unterhalb des Schmelzpunkts des speziellen Polymers ausgeführt. Auf diese Weise wird das Polyäthylen mit Walztemperaturen zwischen 90 und 125⁰C orientiert und Polypropylen wird zwischen 120 und 155⁰C verarbeitet.

Vor dem Walzen wird das Band ebenfalls verarbeitet, um es in

34257A8

Bandquerrichtung zu orientieren, und zwar bis zu einem Reduktionsverhältnis von bis zu 50%. Dies ist notwendig, weil ohne diese Verarbeitung die Polymere Tendenz zur Faserbildung haben, d.h. sie teilen sich auf in einzelne Phasen über ihre Breite hinweg, was eine Spaltung des Bandes in Längsrichtung bewirkt.

Die den Bändern erteilte biaxiale Orientierung ist ein Schlüssel hinsichtlich ihrer Verwendung in ölimprägnierten Kabeln. Das Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ist mit einer weit gebrauchten Art von Polybutenöl imprägniert, wie beispielsweise Cosden-,Chevron-oder Amoco-Kabelöl, welches eng mit der Dielektrizitätskonstante des Bandes zusammenpaßt. Dies minimiert die Streß- oder Beanspruchungsintensivierung an den Öl/Band-Zwischenflächen und ergibt daher überlegene Spannungseigenschaften. Ohne die spezielle Verarbeitung würde das Polyäthylenband jedoch wahrscheinlich entweder in seiner Dicke anschwellen, in seiner Länge schrumpfen, sich auflösen oder Beanspruchungsrisse erleiden. Bevor die vorliegende Erfindung gemacht wurde, war es praktisch unmöglich, in erfolgreicher Weise betriebsfähige imprägnierte Kabel aus den wirtschaftlichen Polyolefinen unter Verwendung von üblichen niedrige Kosten verursachenden Imprägniermitteln herzustellen.

Die durch die oben angegebene Verarbeitung hergestellten PoIyolefinbänder haben jedoch einen Zugmodul von mindestens 250 000 psi (englische Pfund pro Quadratzoll) in Längs- (Maschinen-) Richtung und erfüllen sämtliche für die Kabelherstellung erforderlichen Kriterien. Sie zeigten weniger als 3% Dimensionsänderung nach 5000 Stunden in 100⁰C öl. Darüber hinaus zeigten Beanspruchungsrißversuche an diesen Bändern in 100⁰C Polybutenöl über 1000 Stunden hinweg keine Probleme bei Beanspruchungsni-veaus unterhalb 3%.

3Λ257Λ8

Die Zugfestigkeit, die die Bänder durch die Verarbeitung er- - halten, ist nicht nur eine Anzeige für die Beständigkeit ■ gegenüber einer Verschlechterung in öl, sondern auch eine >■ Notwendigkeit für die Verwendung auf Kabelbandmaschinen. ■ Die in der obenerwähnten Weise verarbeiteten Bänder können

daher auf konventionellen Kabelherstellungsmaschinen verwendet werden, und zwar mit Zugkräften, die groß genug sind, um !, ein in zufriedenstellender Weise dicht gewickeltes Kabel aufzubauen.

Bevor die endgültige Verarbeitung in ein Kabel erfolgt, wird das Polyolefinband geprägt, um Abstand zwischen den Band-' schichten oder -lagen vorzusehen, was die ölimprägnierung erleichtert und einen relativ freien Fluß des Öls innerhalb des Kabels zur Verbesserung der Wärmeübertragung gestattet.

Diese Ziele werden durch ein spezielles Prägeverfahren erreicht, Das Kabel wird durch erhitzte Rollen bei 5 bis 10⁰C unterhalb der vorausgegangenen Walztemperatur geprägt. Andere Verfahren

^; zur Vorerhitzung des Bandes selbst im Gegensatz zur Verwendung erhitzter Rollen sind nicht zufriedenstellend, weil sie

ι eine Wärmeschrumpfung und die Verformung der Bänder bewirken. Ein typisches Prägemuster ist in Fig. 2 gezeigt, und zwar handelt es sich hier um eine Draufsicht auf einen kleinen Abschnitt des Bandes 30 mit Tälern 32 in dem als schwarze Linien dargestellten Muster.

Das Prägemuster ist wie folgt gekennzeichnet: Es ist unregelmäßig und gestattet vorzugsweise den Querbandfluß des Imprägniermittels, und zwar im Gegensatz zu einem Fluß längs des Bandes. Das "Wackellinien"-Muster von irregulären Tälern, die im wesentlichen quer zur Bandbreite verlaufen, wie man dies in Fig. 2 sieht, erfüllt diese Kriterien und kann nicht - anders als ein Muster von regulären Nuten oder Kanälen benachbarte Bandschichten verriegeln. Die nicht-gleichförmigen

und irregulären Muster stellen daher sicher, daß die verschiedenen Bandschichten sich um kleine Abstände bezüglich einander bewegen können und ergeben einen Flexibilitätsgrad, der für die Herstellung und Installation des Kabels erforderlich ist.

Das den Querfluß begünstigende Muster liefert Wärmeübertragungs- und Imprägniereigenschaften für das Kabel, welche jedwede Ergebnisse übersteigen, die zuvor bei papier-isolierten Kabeln erreichbar waren. Obwohl es bekannt ist, daß Kraftpapier selbst permeabel ist und Polymere dies nicht sind, so hängt doch der für die Imprägnierung und Wärmeübertragung im vorliegenden Kabel verfügbare Mechanismus nicht von der Permeabilität des Materials selbst ab.

Das geprägte Muster ist von solcher Art, daß es die effektive Banddicke verdoppelt, d.h. die Spitze zu Spitze-Dicke ist das Doppelte des Abstands der ursprünglichen Banddicke. Das Band wird sodann während des Wickeins auf eine scheinbare Dicke komprimiert, die das Einundeinhalb-fache der ursprünglichen Banddicke beträgt. Das Prägen wird durch Walzen erreicht, die eine Vertiefung in einer Oberfläche des Bandes und einen Vorsprung in der anderen Oberfläche bewirken. Nachdem die Wicklung in ein Kabel erfolgte, trennen diese Oberflächenunregelitiäßigkeiten die Bandschichten; da aber das Muster den quer zum Band verlaufenden ölfluß begünstigt, muß das öl höchstens die Hälfte der Breite des Bandes zu oder von einem Anstoßspalt fließen, wo es dann zum nächsten Raum zwischen den Bändern fortschreiten kann. Dies ergibt einen ver-' hältnismäßig kurzen Pfad für das Öl von der Außenseite des Kabels zum Leiter.

Zwei typische Prägemuster sind die folgenden: Ein "grobes" Muster mit einer typischen 0,1 mm Breite auf mittlerer Höhe der "Täler" und einem typischen 0,2 mm Abstand zwischen be-

nachbarten Spitzen; und ein "Fein"-Muster mit typischerweise 0,025 mm Talbreiten auf mittlerer Höhe und typischerweise 0,05 mm Abstand zwischen den Spitzen.

Die Verfügbarkeit von Prä-gemust^r¹"¹ im Bereich von grob zu fein gestattet dem Kabelkonstrukteur einen Kompromiß vorzusehen zwischen Wärmeübertragung und der Betriebsbeanspruchung. Das grobe Muster liefert die beste Wärmeübertragung mit einer gewissen Verminderung der Betriebsspannungsbeanspruchung, verglichen mit dem feinen Muster und umgekehrt.

Die Ergebnisse dieser Art von Prägung können quantitativ gemessen werden, und zwar durch Messung der Kabelimprägnierraten. Kontaktwinkelmessungen an geprägtem Polyäthylenband mit Imprägnieröl liegen sämtlich im Bereich von 25° oder weniger und, zeigen günstige Eigenschaften für die ölbenetzung und den ölfluß .an.

Tests hinsichtlich der Imprägnierzeit von gemäß der Erfindung konstruierten Kabelabschnitten zeigen an, daß die Imprägnierzeit eines geprägten Polyäthylenkabels ähnlich dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen so geringen Wert wie 60 Minuten betragen kann. Dies ist auf die Prägung und die guten Benetzungseigenschaften des Polyäthylenbandes zurückzuführen, da das Material selbst keine signifikante Wärmepermeabilität besitzt.

Der durch die kurze Imprägnierzeit des Kabels angedeutete freie Fluß des Imprägniermittels hat ferner ein vorteilhaftes und unerwartetes Ergebnis zur Folge. Das Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigte Wärmeübertragungsfähigkeiten, die wesentlich besser sind als diejenigen von äquivalenten Kraftpapierkabeln. Diese verbesserte Wärmeübertragung, die sich in Messungen als 6 mal besser als bei Kraftpapier-isolierten Kabeln bei öltemperaturen von 100⁰C ergab, ist das Ergebnis

der wesentlich besseren ölzirkulation innerhalb des Kabels, da die Wärmeübertragungsvergleiche zwischen trockenen Polyäthylenkabeln und trockenen Kraftpapierkabeln nur geringfügig bessere Wärmeleitungseigenschaften für das Polyäthylenkabel ergaben. Die Verbesserung der Wärmeübertragung für die ölgefüllten Kabel ist in dramatischer Weise größer für die Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels im Gegensatz zu Kraftpapierkabeln. Diese Verbesserung ist auf die speziellen Einzelheiten des Prägexnusters zurückzuführen und auf die überlegenen Benetzungseigenschaften, was eine natürliche Konvektion des Öls innerhalb der Isolierung gestattet, wobei die Wärme von innerhalb des Kabels zur äußeren Abdeckung 22 (Fig.1) geleitet wird.

Dieser freie ölfluß wird dadurch unterstützt, daß sichergestellt wird, daß der äußere Schirm oder die Abschirmung 18 und die leitende Schicht oder Lage 20 hinreichend permeabel für das Imprägniermittel sind und den freien Fluß des Öls, denn innerhalb der Wandschichten 16 ergibt nicht sperren. Der ölfluß durch die äußeren Lagen oder Schichten 18 und 20 - bei denen es sich um Materialien handelt, die eine schlechte inhärente Permeabilität besitzen - wird durch eine Reihe von kleinen Löchern 28 erreicht, die durch jede dieser Lagen perforiert ist. Diese Löcher haben keinen nachteiligen Einfluß auf die elektrische Funktion der Lage 18 und der leitenden Lage 20, gestatten aber, daß das öl sich durch diese Lagen bewegt, und zwar sowohl während der anfänglichen Imprägnierung als auch während des Betriebs als ein Wärmeübertragungsmedium.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus des Kabels gemäß der Erfindung erhält man durch die Aufzeichnung eines Beispiel;-von Lagen des typischen Kabels der Fig. 1, aufgebaut gemäß der Erfindung. Die Auflistung erfolgt von dem Mittelleiter aus nach außen, wobei ein 230kV-Kabel die folgenden Lagen oder Schichten aufweist:

1) Leiter 12, 1,08 Zoll Außendurchmesser, kompaktes Rundaluminium mit einer Nennbelastung von 900 Ampere.

2) Abschirm- und Einbettlage 14, 1,10 Zoll Außendurchmesser, 2 Lagen Kohlenstoff-beladenes Papier, 3/4" breit.

3) Isolierbänder 16, 1,65 Zoll Außendurchmesser, 44 Lagen geprägtes Polyäthylen, 14 Lagen 3/4" breit, 16 Lagen 7/8" breit, 14 Lagen 1" breit, wobei jede Lage ungefähr 0,006" dick nach der Aufbringung des Bandes ist.

4) Schirm 18, 1,67 Zoll Außendurchmesser, 2 Lagen Kohlenstoffbeladenes Papier, 1" breit.

5) Leitschicht oder -lage 20, 1,71 Zoll Außendurchmesser,

2 Lagen aus rostfreiem Stahl mit einer Polymerlage unter dem rostfreien Stahl und einer Mylarlage zwischen den rostfreien Stahllagen.

6) Gleitband 22, 1,716 Außendurchmesser eine Lage Mylarband. (Die obigen Maßangaben sind in Zoll = inch).

Die außerordentlichen Wärmeübertragungseigenschaften des erfindungsgemäßen Kabels gestatten ein alternatives Ausführungsbeispiel des Kabels, welches bislang für Hochspannungshochleistungskabel nicht praktikabel war, welches aber die Brauchbarkeit des Kabels beträchtlich ergänzt. Das Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt und ist ein extern gekühltes Kabel.

Eine typische Drei-Phasen-Installation ist in Fig. 3A gezeigt, wobei drei Kabel "34 in einem Stahlrohr 4 0 liegen, welches in Abschnitten geschweißt ist und wobei die Kabel hindurchgezogen werden, wenn eine hinreichende Länge zusammengeschweißt ist. Das Rohr 40 ist mit Imprägnierströmungsmittel

42 unter positivem Druck gefüllt. Eine Zwangskühlung des Übertragungskabels wird dadurch erreicht, daß man das Strömungsmittel 42 zirkuliert und periodisch an verschiedenen (nicht gezeigten) Stationen längs der Übertragungsroute kühlt, Dieses Verfahren ist dem Fachmann wohl vertraut und ist die bevorzugte Art und Weise, um die überlegene Wärmeübertragung der Kabelisolierung auszunutzen. Wegen der überlegenen Wärmeübertragung ist es möglich, das öl mit Umgebungsluft anstelle von Kühlströmungsmitteln zu kühlen, die jetzt für diese Art von zwangsgekühltem System erforderlich sind. Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 3B, die ebenfalls dem Fachmann bekannt ist, und zwar besteht diese Möglichkeit darin, daß man eines oder mehrere Rohre 44 benachbart zu selbst umschlossenen (unabhängigen) und mantel-gekühlten Kabeln 34 vergräbt. Kühlströmungsmittel 48 wird durch das Rohr 40 zirkuliert und entfernt die in den Kabeln 34 erzeugte Wärme.

Ein nicht-flüssigkeitsgekühltes Kabel, aufgebaut gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung, hat eine Nennspannung von 55OkV und einen Nennstrom von 1500 Ampere, und zwar bei einem Kabelaußendurchmesser von nur 3,63" innerhalb eines Rohrs mit 10,25" Durchmesser. Dieser Konstruktion besaß einen Leistungsfaktor von 0,015% und einen thermischen VJiderstandswert von 25O⁰C cm/W.

Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei der dargestellten Erfindung lediglich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel handelt. Verschiedene Änderungen können hinsichtlich der Funktion und Anordnung der Teile getroffen werden. Äquivalente Mittel können für die gezeigten und beschriebenen eingesetzt werden. Ferner können bestimmte Merkmale unabhängig von anderen verwendet werden, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Beispielsweise können andere Imprägniermittel und unterschiedliche Polymerisolierbänder verwendet werden. Es können

darüber hinaus entweder aus einzelnen Strängen bestehende oder solide oder auch hohle Leiter im Kabel verwendet werden und es können darüber hinaus unterschiedliche Isolierbanddicken sowie Breiten benutzt werden.

- Leerseite -

Claims

— *t — Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungsleistungskabels, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:

Wickeln von Mehrfachlagen aus biaxial orientiertem,
geprägtem Polymerband (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyäthylenband, Polybutenband und Polypropylenband auf einen Leiter (12) und Imprägnieren des Polymerbandes, welches auf den Leiter (12) gewickelt ist, mit einem Hochspannungsisolieröl.

2. Hochspannungsleistungskabel, gekennzeichnet durch mehrere Lagen aus biaxial orientierter, geprägter Polymerband-Isolierung über einem Leiter (12) und imprägniert mit Hochspannungsisolieröl.

3. Hochspannungsleistungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Polymerband-Isolierung aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Polyolefine,
Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen.

4. Hochspannungsleistungskabel nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet , daß das Hochspannungsisolieröl Polybuten ist.

5. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Polymerband-Isolierung in Maschinenrichtung orientiert ist, und zwar durch Verarbeitung derart, daß
Banddickenreduktionsverhältnisse zwischen 5 zu 1 und 10 zu 1 erzeugt werden.

6. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerband-Isolierung in Querbandrichtung orientiert ist, und zwar durch Verarbeitung zur Erzeugung eines Banddickenreduktionsverhältnisses bis zu 50%.

7. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerband-Isolierung mit einem Muster geprägt ist, welches bevorzugt die Imprägniermittelströmung quer zur Bandbreite gestattet.

8. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerband mit einem Muster von unregelmässigen Hügeln und Tälern geprägt ist, die quer zum Band verlaufen.

9. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerband-Isolierung aus einem Material hergestellt ist, welches Antioxidationsadditive in einer Menge innerhalb des Bereichs von 100 bis 1000 Teile pro Million enthält.

10. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerband-Isolierung aus einem Material hergestellt ist, welches Antioxidationsadditive, ausgewählt aus der folgenden Gruppe, enthält: IONOL, C.P.; DLTDP und TOPANOL, CP.

11. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerband-Isolierung hergestellt wird aus

3A25748

einem Material, welches organischen Farbstoff in einer Menge im Bereich von 100 bis 1000 Teile pro Million enthält.

12. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Polymerband-Isolation in einem Muster geprägt ist, welches die effektive Banddicke verdoppelt.

13. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Polymerband-Isolation in einem Muster geprägt ist, welches einen typischen 0,2 mm Abstand zwischen benachbarten Spitzen aufweist.

14. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Polymerband-Isolation mit einem Muster geprägt ist, und zwar mit einem typischen 0,05 mm Abstand zwischen Spitzen.

15. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Polymerband-Isolation einen Zugmodul von mindestens 250 000 psi besitzt.

16. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Kombination aus der Polymerband-Isolation und dem Isolieröl einen Kontaktwinkel von 25° oder weniger ergibt.

17. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß ein Rohr (40) die Bandisolierung und das Isolier-

öl umgibt, wobei das Isolieröl zirkuliert und an Punkten
längs der übertragungsgüte periodisch gekühlt wird.

18. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß ein Mantel die Bandisolierung und das Isolieröl umschließt und ein Rohr, benachbart zum Mantel, Kühlströmungsmittel durch das Rohr zirkuliert.

19. Hochspannungsleistungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß mindestens eine Außenlage, welche die Bandisolierung abdeckt, mit kleinen Löchern durch die äußere Lage perforiert ist, um den freien Ölfluß hindurch zu gestatten.