DE346954C - Hochspannungskabel - Google Patents

Description

In elektrischen Anlagen entstehen leicht durch atmosphärische Entladungen, Schaltungen oder irgendwelche andere Zustandsänderungen elektromagnetische Wellen, welche die Strombahnen mit sehr großen Geschwindigkeiten durchlaufen, die bis zu der des Lichtes anwachsen können.

Diese Wanderwellen bilden eine große Gefahr für die Isolation aller Teile des Netzes, ίο in erster Linie der Maschinen und Transformatoren, besonders dann, wenn sie mit steiler Front auftreten und dadurch hohe Spannungen zwischen dicht benachbarten Teilen der Strombahnen hervorrufen, zwischen denen bet5 triebsmäßig nur eine geringe Spannung besteht. Man hat darum Mittel ersonnen, sie zu schwächen und vor allem ihre steile Front abzuflachen.

Die bekannt gewordenen Mittel sind Apparate, bestehend aus Widerständen, Drosselspulen, Kondensatoren oder Zusammenstellungen derselben, welche an bestimmten Stellen des Netzes eingebaut werden. Sie haben alle den Nachteil, daß sie nur an diesen Stellen wirken und auf die Wellen nur während • der kurzen Zeit ihres Durchlaufens dieser Stellen Einfluß haben. Einige, wie z. B. Drosselspulen, haben außerdem die Eigenschaft, durch Zurückwerfung der Wellen zwar die hinter ihnen liegenden Netzteile eine Zeitlang zu schützen, aber durch diese Zurückwerfung in anderen Teilen Erscheinungen zu erzeugen, die besonders gefährlich werden können. Drosselspulen und Kondensatoren wirken in

solchen Apparaten nur so lange, bis sie sich mit Energie vollgesogen haben; sie versagen, wenn der Energieinhalt der Welle größer ist als das Aufnahmevermögen des Apparates.

Die Erfindung schlägt für die Lösung der Aufgabe einen anderen Weg ein. Nach ihr werden nicht an bestimmten Stellen besondere Apparate eingebaut, sondern es wird während des Durchzuges der Wanderwellen durch die Leitungen selbst ihnen Energie entzogen und die Front umgebildet.

Der Vorgang des Fortschreitens von Wanderwellen einer Leitung entlang ist in Abb. 1 an dem Beispiel einer Welle von rechteckiger Form erläutert. Gleichzeitig mit der Spannungswelle dringt eine ihr proportionale Stromwelle in die Leitung ein. Dieser Strom dient dazu, die Leitung an der Front der Welle aufzuladen und dadurch erst das Vordringen der Spannungswelle zu ermöglichen. Die Höhe der Stromwelle berechnet sich aus

der Gleichung: i — ey—-, wenn i die Stromstärke, e die Spannung, C und L Kapazität und Selbstinduktivität, bezogen auf die Längeneinheit, bedeuten. 1/yr wird Wellen^ Aviderstand genannt und ist für Kabel wesentlich geringer als für Freileitungen. Bei gleicher Spannung ist demgemäß die Stromwelle für erstere höher als für letztere.

Nach der Erfindung wird diese Stromwelle, ohne welche Überspannungswanderwellen nicht bestehen können, dazu benutzt, der

,Welle ihre Energie zu entziehen und ihre steile Front abzuflachen.

Eine derartige Wirkung tritt zwar bereits durch den Widerstand der Leitungsdrähte und die Ableitung des Isoliermaterials bei Kabeln ein. Ersterer muß jedoch mit Rücksicht auf den Betriebsstrom sehr niedrig gewählt werden, so daß auch die Wanderwelle nur wenig durch ihn gedämpft wird. Letztere darf nur gering sein, weil sonst im normalen Betriebe hohe Leerlaufverluste eintreten würden.

Die Neuerung beruht nun darauf, im Kabel zusätzliche Widerstände so anzuordnen, daß sie den betriebsmäßig fließenden Strömen kein Hindernis bieten, dagegen hochfrequenten Ladeströmen und Wanderwellen Energie entziehen und ihre schädliche Form umbilden. Dieser Zweck wird dadurch erreicht, daß das zusätzliche Widerstandsmaterial in Form von zylindrischen Schichten zwischen den Leitern angeordnet wird, und zwar entweder an den Grenzflächen zwischen Leiter und Isolationsschicht oder in einer oder mehreren Schichten in das Isolationsmaterial eingebettet.

Unter »Leitern« sind die metallisch leitenden Begrenzungen des Isoliermittels zu verstehen, in denen sich Ladeströme ausbilden können. Bei einadrigen Kabeln mit Bleimantel oder einer sonstigen metallischen Schutzhülle wird der eine'Leiter durch die Ader, der andere durch die Schutzhülle gebildet.

Das schweizerische Patent 74990 beschreibt zwar eine Schutzdrosselspule mit geschichtetem Isolier- und Widerstandsmaterial. Aber einerseits sind diese Schichten zwischen den Windungen einer an einem und demselben Pol liegenden Spule angeordnet, wobei die Wirkung nicht genau die gleiche ist wie bei Anordnung zwischen gestreckten Leitern verschiedener Polarität, anderseits betrifft dieses Patent einen Uberspannungsschutzapparat, während durch die Erfindung gerade solche Apparate entbehrlich gemacht werden,. indem die Schutzwirkung durch das Leitungskabel selbst ausgeübt wird. Die Anordnung von Widerstandsschichten in Hochspannungskabeln wird demnach als neu beansprucht. Die Abb. 2 bis 6 zeigen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung. In Abb. 2 bis 5 sind konzentrische Kabel dargestellt, α sind die Innenleiter, b die Außenleiter, c ist das Isoliermaterial, d sind Widerstandsschichten gemäß der Erfindung. Bei Abb. 2 ist eine Widerstandsschicht um den Innenleiter gelegt, bei Abb. 3 liegt sie am Außenleiter an. Abb. 4 zeigt eine Vereinigung der beiden genannten Fälle. Bei der Ausführung gemäß Abb. S ist die Widerstandsschicht d beiderseits von Isoliermaterial umgeben. Ein Beispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens auf Drehstromkabel ist in Abb. 6 dargestellt. Darin sind r, s, t die Leiter der drei Phasen, 0 der Nulleiter bzw. Bleimantel; c ist wieder das Isoliermaterial; d sind die Widerstandsschichten, welche in diesem Ausführungsbeispiel an die Grenzflächen zwischen Leiter und Isoliermaterial gelegt sind.

Die Wirkungsweise. der Erfindung sei an Hand der Abb. 7 erläutert, welche einen Längsschnitt durch eine Leiteranordnung gemäß der Erfindung darstellt, α und h sind wieder Hin- und Rückleitung; c ist das Isoliermaterial; d sind zwei Widerstandsschichten. Die Stromverteilung für eine fortschreitende Welle von steiler Front ist durch dünne Linien angedeutet. Die gestrichelten Teile der Linien sind die Fortsetzungen des Leitungsstromes als Verschiebungsstrom im Dielektrikum. Bei ihrem Verlauf in den Leitern α und b' finden die Ströme keinen nennenswerten Widerstand. Anders ist es in den Widerstandsschichten, deren spezifischen Widerstand man so hoch macht, daß er einen für die Schwächung der Wanderwellen günstigen Wert hat. Je steiler die Wellenfront ist, desto größer wird die Dichte der Verschiebungslinien im Dielektrikum, desto dich- ■ ter werden die Stromlinien in der Wider-Standsschicht. Die Energieverluste steigen infolgedessen; steile Wellenfronten werden daher schnell abgeflacht..

Die Belastungsströme des Netzes werden durch solche Widerstandsschichten nicht gehemmt. Der im Betriebe auftretende Ladestrom des Kabels muß zwar ebenfalls die Widerstandsschicht durchfließen. Er ist aber bei den niedrigen Netzfrequenzen an sich gering und verteilt sich gleichmäßig auf die ganze Kabellänge. Er ruft daher in der Widerstandsschicht nur eine so geringe Stromdichte hervor, daß nennenswerte Verluste durch ihn nicht auftreten. Je höher die Frequenz der Schwingungen ist, desto dichter drängen sich die Stromlinien, desto größer ist die Energieentziehung; Hochfrequenzströme werden daher schnell gedämpft.

Um die Wirkung der Widerstandsschicht rechnerisch zu verfolgen, betrachtet man am besten ihren Einfluß auf schnelle Sinusschwingungen. Wellen beliebiger Form lassen sich dann in Sinuswellen von verschiedener Periodenzahl zerlegen. Es sei daher der Betrachtung ein unendlich langes Kabel zugründe gelegt, an dessen Anfang andauernd eine sinusförmige Spannung erregt wird. Es breitet sich dann eine Sinus welle über das Kabel aus, deren Amplitude um so mehr abnimmt, je weiter man sich vom Anfangspunkt entfernt. Abb. 8 läßt das Abklingen der Welle längs des Kabels erkennen. Ein Maß für die

Absorption ist die Entfernung, in welcher die Amplitude auf den halben Anfangswert gesunken ist.

Die Rechnung ergibt, daß die Absorption einen Höchstwert bei einem bestimmten Widerstand der Schicht für die Längeneinheit hat. Dieser Wert hängt von der Periodenzahl der Schwingungen ab sowie von der Kapazität der Längeneinheit des Kabels. Beispielsweise ergeben sich für ein konzentrisches Einphasenkabel von 50 qmm Querschnitt, das für eine Betriebsspannung von 20 000 Volt geeignet ist, nachstehende Verhältnisse: Der günstigste Wert für die Absorption einer Sinuswelle von 100 000 Perioden in der Sekunde hat die Größenordnung von 10 Ohm für ι km Kabellänge. Dabei ist die Absorption so stark, daß die Welle bereits in einem Abstande von etwa 300 m auf die Hälfte der Anifangsamplitude herabgesunken ist, trotzdem am Kabelanfang die Erregung mit voller Amplitude fortdauert. Derselbe Widerstand würde eine Welle von der Periodenzahl 100 in der Sekunde kaum beeinflussen; erst in einer Entfernung von Tausenden von Kilometern würde deren Spannung auf die Hälfte sinken. Dagegen würde eine Welle von 10 Millionen Perioden in der Sekunde bereits nach etwa 20 m Kabellänge auf die Hälfte geschwächt werden. Würde man gar dem Widerstand den für diese Frequenz günstigsten Wert geben, so würde diese Wirkung bereits im Abstande von etwa 3 m eintreten. Die Geschwindigkeit, mit welcher die WeI-len längs der Leitung fortschreiten, wird durch die Widerstände je nach der Frequenz verschieden stark beeinflußt. Während diese Geschwirr digkeit bei einem gewöhnlichen Kabel etwa 100 000 km in der Sekunde beträgt, steigt sie bei dem erwähnten Beispiel für 100 000 Perioden in der Sekunde auf etwa 160 000 km in der Sekunde. Die Verschiedenheit in der Geschwindigkeit für Wellen verschiedener Frequenz bewirkt eine sehr schnelle Umbildung steller Wellenfronten. Denn jede beliebig geformte Welle läßt sich als Summe von Sinuswellen verschiedener Frequenz darstellen. Da diese sich nun mit verschiedener Geschwindigkeit fortpflanzen, wird die ursprüngliche Welle bald auseinandergezogen.

Auch noch in anderer Hinsicht wirkt die Widerstandsanordnung nach der Erfindung günstig; sie verringert nämlich von vornherein die Höhe der Stromwelle. Während diese bei einem gewöhnlichen Kabel nur durch den Wellenwiderstand bedingt ist, wird sie bei dem vorliegenden Kabel noch durch den Widerstand herabgesetzt, und zwar um so stärker, je höher die Frequenz ist. Bei dem für die Absorption günstigsten Widerstand hat für die betreffende Periodenzahl die Stromwelle nur etwa die o,7fache Höhe des -jiür das gewöhnliche Kabel geltenden Betrages. Infolgedessen wird auch der Energiebetrag, den ! die Welle mit sich führt, geringer, und zwar 6g : um so geringer, je höher die Frequenz ist.

Diese Ergebnisse sind allerdings unter der Annahme errechnet, daß das zur Herstellung ! der Widerstandss'chichten verwandte Material sich wie ein reiner Widerstand verhält. Diese j Voraussetzung trifft für die praktischen Verhältnisse jedoch nicht zu. Denn da der Raum innerhalb des Kabels beschränkt ist, kann man die Schichten nicht beliebig dick machen und muß daher Stoffe von ziemlich hohem spezifischen Widerstand wählen, in denen sich gleichzeitig mit der elektrischen Strömung eine elektrische Polarisation ausbildet. Die Schichten sind dann wie eine Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität zu behandeln. Infolgedessen wird die elektrische Strömung und damit die Absorption der Wellen geringer ausfallen als im idealen Falle. Bei den tatsächlich auftretenden Verhältnissen wird z. B: für eine sinusförmige Erregung von 100 000 Perioden pro Sekunde der Kapazitätsstrom von der gleichen Größenordnung wie der Widerstandsstrom. Wenn also auch die Rechenergebnisse durch den erwähnten Einfluß verschlechtert werden, so kann doch noch mit etwa der Hälfte der Wirkung gerechnet werden.

Diese Erscheinung bietet jedoch die Möglichkeit zu einer weiteren Vervollkommnung der Erfindung, sie gestattet nämlich, ein Kabei so herzustellen, daß für verschiedene Frequenzen der wirksame Widerstand jeweils angenähert den Wert hat, welcher die größte Absorption bewirkt. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Widerstandsschicht ; nicht aus einheitlichem Stoff hergestellt, sondern in mehrere Schichten von verschieden hohem spezifischen Widerstand zerlegt wird. Mit steigender Frequenz werden dann die Schichten hohen spezifischen Widerstandes ^1O5 allmählich durch die Kondensatorwirkung überbrückt, wodurch der resultierende wirksame Widerstand sich verringert. Abb. 9 stellt eine derartige abgestufte Widerstandsschifchtung für das konzentrische Kabel nach n° Abb. 2 dar. Die Anordnung wird durch die Abb. 10 erläutert. Die vollkommenste Ausführung dieses Gedankens bildet ein Kabel, bei welchem der Übergang vom metallischen Leiter zum vorzüglichen Isoliermaterial ein ganz allmählicher ist.

Die praktische Anwendung der Kabel nach

j der Erfindung kann in der Weise geschehen,

daß alle Leitungsstrecken eines Netzes aus

solchen Kabeln gebildet werden. Dann wird jede entstehende Wanderwelle in kürzester Zeit vernichtet. Bei dem starken Absorp-

tionsvermögen dieser Kabel wird es jedoch in vielen Fällen genügen, die Enden der Kabelstrecken in der Nähe der Stationen sowie die innerhalb der Stationen verlegten Kabel in dieser Weise auszubilden. Sehr zweckmäßig wird es sein, für die Verbindungen zwischen Schaltern, Transformatoren und Maschinen eine Sonderausführung der beschriebenen Kabel mit besonders starken und sorgfältig abgestuften Widerstandsschichten zu verwenden,

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche :

   i. Hochspannungskabel, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die voneinander isolierten Leiter Schichten aus Widerstandsmaterial eingelegt sind, zu dem Zwecke, Wanderwellen und hochfrequenten Schwingungen ihre Energie zu entziehen und die Wanderwellenstirn abzuflachen.
2. 2. Hochspannungskabel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschichten in Abständen von den Leitern zwischen Isolierschichten eingebettet sind.
3. 3. Hochspannungskabel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschichten sich unmittelbar an die Oberfläche der Leiter anschließen.
4. 4. Hochspannungskabel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus Widerstandsmaterial mit verschieden hohem spezifisehen Widerstand aufeinanderfolgen, zu dem Zwecke, den wirksamen Gesamtwiderstand für steigende Frequenzen zu verringern.
5. 5. Hochspannungskabel nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Widerstandsschicht ein allmählicher Übergang vom Leiter zum Isoliermaterial vorhanden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.