DE3750238T2

DE3750238T2 - Überspannungswellen-Dämpfungskabel.

Info

Publication number: DE3750238T2
Application number: DE3750238T
Authority: DE
Inventors: Steven A Boggs; Jean-Marie Braun; Gregory Charles Stone
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-28
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2007-03-13
Also published as: ATE108939T1; JPS62262310A; EP0244069A3; EP0244069B1; EP0244069A2; CA1267454A; DE3750238D1; JPH0514365B2; US4687882A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Energieübertragungssysteme und genauer gesagt jedoch nicht ausschließlich, auf elektrische Hochspannungs-Stromversorgungskabel, wie sie beispielsweise für den Energietransport und Verteilungsleitungen verwendet werden (Hochspannungs-Überlandkabel), und bezieht sich insbesondere auf solche Kabel, die dafür ausgelegt sind, Spannungsstöße abzudämpfen, die beispielsweise durch Blitze und durch Schaltvorgänge ausgelöst werden, welche zu einem großen Teil aus Hochfrequenzkomponenten bestehen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein elektrisches Energieübertragungssystem (oder ein abgeschirmtes Leitungskabel) von dem Typ, der innere und äußere koaxiale Leiter aufweist, die durch ein Isoliersystem voneinander getrennt sind, wobei sich das Isoliersystem in Längsrichtung bezüglich der Leiter erstreckt und erste, zweite und wahlweise auch dritte koaxiale Schichten aufweist, welche einen Verschiebungsstrompfad zwischen den Leitern für Hochfrequenzströme definieren, wobei die erste Schicht eine halbleitende Schicht ist, welche eine Leitfähigkeit G&sub1; und eine Kapazität C&sub1; pro Einheitslänge aufweist, und die zweite Schicht eine Isolationsschicht um die erste Schicht herum ist und eine Kapazität C pro Einheitslänge aufweist, und wobei die wahlweise vorhandene dritte Schicht zwischen der zweiten Schicht und dem äußeren Leiter in dem Verschiebungsstrompfad zwischen den Leitern angeordnet ist und eine halbleitende Schicht ist, die eine Leitfähigkeit G&sub2; und eine Kapazität C&sub2; pro Einheitslänge aufweist.
Kabel dieser Art sind, wie bereits erläutert, beispielsweise aus der Patentbeschreibung der US-A-3,643,004 bekannt, und typischerweise besteht bzw. bestehen die halbleitende(n) Schicht(en) aus einem leitfähigen Polymer oder einem Isolator, wie z. B. einem Polyolefin, welches mit einer leitfähigen Matrix gefüllt ist.
Alle derzeit hergestellten Kabel schwächen Stöße bzw. Spannungsstöße in gewissem Maße ab, und abgeschirmte Leistungskabel des oben angesprochenen Typs tun dies ganz sicher. Die derzeitigen Herstellungsverfahren ziehen jedoch bisher keinen Nutzen aus der Möglichkeit, die Spannungsstoßabdämpfung zu optimieren und zwar aufgrund des Zurückgreifens auf Materialien, welche diese Möglichkeit ausschließen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Anordnung bzw. der Aufbau und die Materialien der Schichten, welche das Kabel bilden, so optimiert werden kann, daß der Energieverlust pro Einheitslänge des Kabels bei einer gegebenen Hochfrequenz oder in einem gegebenen Bereich von Frequenzen maximal wird, so daß man den Energieverlust pro Einheitslänge für einen typischen Spannungsstoß maximal macht. Es wird damit möglich, ein Kabel so auszugestalten, daß das Fortschreiten von Spannungsstößen entlang der Leitung minimal gemacht wird. Die Fähigkeit des Kabels Ströme mit der Leistungsfrequenz (beispielsweise 60 Hz) zu übertragen, wird in keiner Weise beeinträchtigt.
Wenn die innere halbleitende Schicht eine Leitfähigkeit G&sub1; und eine Kapazität C&sub1; pro Einheitslänge des Kabels aufweist, wenn die äußere halbleitende Schicht eine Leitfähigkeit G&sub2; und eine Kapazität C&sub2; pro Einheitslänge des Kabels aufweist, und wenn die dazwischenliegende Schicht mit einer vernachlässigbaren Leitfähigkeit eine Kapazität C pro Einheitslänge des Kabels aufweist, dann ist der Energieverlust P pro Einheitslänge des Kabels bei einer angelegten Spannung von 1 Volt und einer gegebenen Frequenz w/2π gegeben durch
P=G&sub1; V&sub1; ²+G&sub2; V&sub2; ²
wobei V&sub1; und V&sub2; die Spannungsabfälle über der inneren bzw. der äußeren halbleitenden Schicht sind, und wobei
wobei u =40Oπ·10-9
a&sub1; = Radius des inneren Leiters
a&sub2; = innerer Radius des äußeren Leiters
σ&sub1; = Leitfähigkeit des inneren Leiters
σ&sub3; = Leitfähigkeit des äußeren Leiters.
Die Parameter C&sub1;, C&sub2;, G&sub1; und G&sub2; können folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei &epsi;&sub0; =8,85·10&supmin;¹²
&epsi;r = relative Dielektrizitätskonstante der halbleitenden Schichten
σ&sub2; = Leitfähigkeit der inneren halbleitenden Schicht
σ&sub4; = Leitfähigkeit der äußeren halbleitenden Schicht
t&sub1; = Dicke der inneren halbleitenden Schicht
t&sub2; = Dicke der äußeren halbleitenden Schicht ist.
Um den Energieverlust pro Einheitslänge P bei der ausgewählten Frequenz w/2π maximal zu machen, ist es erforderlich, daß die relative Dielektrizitätskonstante der halbleitenden Schichten klein ist und daß die Leitfähigkeiten der inneren und äußeren Leiter und die dielektrischen Konstanten der inneren und äußeren halbleitenden Schichten derart sind, daß die folgenden Gleichungen erfüllt werden:
Mit anderen Worten, der Energieverlust pro Längeneinheit des Kabels muß bezüglich der Leitfähigkeit jeder der halbleitenden Schichten maximal gemacht werden.
Dementsprechend ist das System oder Kabel der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit, die relative Dielektrizitätskonstante und die Dicke der ersten Schicht (und wahlweise auch der dritten Schicht) derart sind, daß der Energieverlust pro Längeneinheit in der ersten Schicht (und wahlweise auch in der dritten Schicht) aufgrund des Verschiebungsstromes, der in radialer Richtung durch die ersten, zweiten (und wahlweise vorhandenen dritten) Schichten zwischen den inneren und äußeren Leitern fließt, bezüglich der Leitfähigkeit G&sub1; pro Längeneinheit der ersten Schicht (und wahlweise auch bezüglich der Leitfähigkeit G&sub2; pro Längeneinheit der dritten Schicht) maximal gemacht wird, zumindest in dem Frequenzbereich von 0,1 MHz bis 50 MHz.
Wie oben erwähnt, ist das am weitesten verbreitete Material für die Verwendung als halbleitende Schicht der Kabelisolation ein Polyolefin, welches mit Ruß beladen bzw. vermischt ist und aufgrund der hohen Strukturierung von Ruß eine große Dielektrizitätskonstante hat und deutliche Änderungen sowohl der Dielektrizitätskonstanten als auch der Leitfähigkeit mit der Frequenz zeigt. Die Erfinder haben sich überlegt, daß es für eine Überspannungsdämpfung zweckmäßig wäre, wenn das Material eine geringe Dielektrizitätskonstante hätte und keine starken Änderungen in der Dielektrizitätskonstanten und der Leitfähigkeit mit steigender Frequenz hätte, da dieses die Überspannungsdämpfung vermindert. Die Erfinder haben elektrischen Eigenschaften einer ganzen Reihe von Materialien untersucht, die für die Kabelherstellung verwendet werden könnten und haben diejenigen Materialien ausgewählt, die die gewünschten elektrischen Eigenschaften haben und gleichzeitig konsistent mit einer leichten Handhabung und wirtschaftlichen Herstellung sind.
Jede halbleitende Schicht kann ein extrudierbares, polymeres Material sein, wie z. B. ein Polyolefin oder eine Gummimischung, gefüllt mit einem Füller aus wenig strukturierten, leitfähigen Teilchen. Der leitfähige Füller kann aus Kohlefasern oder Kohle- bzw. Kohlenstoffkügelchen bestehen oder kann auch aus einem Metall sein. (Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines metallischen Füllmaterials in einem Kunststoffgrundmaterial bei der Herstellung eines Radiofrequenzkabels für Interferenzunterdrückung in der Patentbeschreibung US-A-4301 428 erwähnt ist.)
Schließlich sollte festgehalten werden, daß die Patentbeschreibung GB-A-1134636 ein Kabel in Form eines Leiters beschreibt, der mit einer Halbleiterschicht ummantelt ist, in welcher die Laufgeschwindigkeit erhöht ist, um die Strahlung des Kabels zu reduzieren und in welcher Hochfrequenzströme zu einer Lokalisierung neigen. Die Schicht wirkt zerstreuend, so daß sie die elektrische Hochfrequenzenergie absorbiert.
Für ein gründliches Verständnis der Erfindung wird jetzt die Ausgestaltung und der Aufbau eines Überwellen- oder Störwellenabschwächkabels gemäß der Erfindung beschrieben, und zwar anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm eines Segmentes eines äquivalenten Schaltkreises einer konventionellen Stromkabelübertragungsleitung,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines abgeschirmten Strom- bzw. Leistungskabels gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein Segment bzw. einen Ausschnitt aus dem äquivalenten Schaltkreis des in Fig. 2 dargestellten Kabels,
Fig. 4 eine Kurve, welche den relativen Energieverlust in einem Kabel als Funktion der Kapazität der halbleitenden Schichten wiedergibt,
Fig. 5 eine Kurve, welche den relativen Energieverlust in einem Kabel als Funktion der Leitfähigkeit der halbleitenden Schichten wiedergibt,
Fig. 6 veranschaulicht das Verhältnis von Eingabe-/Ausgabe-Spannung für einen Spannungsstoß durch einen Blitz am Beginn und am Ende eines 1 km langen, optimierten Stromkabels, und
Fig. 7 veranschaulicht die Veränderung einer schnellen Wellenfront eines Schaltimpulses oder einer Schaltwelle bzw. -überspannung, während sie eine 100 m Strecke eines optimierten Stromkabels durchläuft.
Aufgrund theoretischer Überlegungen der Erfinder haben diese korrekt die Fortschreiteigenschaften von Hochfrequenzsignalen in Hochspannungsstromkabeln bzw. Leistungskabeln des Typs mit halbleitenden Abschirmungen vorhergesagt. Es wurde vorhergesagt und in der Folge auch experimentell bestätigt, daß für Frequenzen oberhalb von 1 MHz der hauptsächliche Energieverlust in einem solchen Kabel in den halbleitenden Abschirmungen auftritt. Daraus folgt, daß die Abschwächung der Hochfrequenzsignale, die entlang derartiger Kabel fortschreiten, in erster Linie durch die elektrischen und geometrischen Eigenschaften der halbleitenden Abschirmungen bestimmt wird.
Die Stromübertragungs- und Verteilungsleitungen, welche eine beträchtliche Hochfrequenzabschwächung haben, können in verschiedenen Energiesystemanwendungen zweckmäßig sein. Da Überspannungen bzw. Spannungsstöße von Blitzen und Schaltvorgängen zu einem großen Teil aus Hochfrequenzbestandteilen bestehen, werden die in ein solches Kabel eingeleiteten Spannungsstöße während des Fortschreitens schnell abgeschwächt. Der Wert der Spannung am entfernten Ende des Kabels wird vermindert und die Anstiegszeit des Spannungsstoßes nimmt zu, so daß die Anschlußausrüstungen, wie z. B. Transformatoren und sich drehende Maschinen, einem verminderten Gefährdungsniveau ausgesetzt werden. Zusätzlich ist ein kleinerer Teil der Stromleitung selbst dem anfänglichen Hochspannungsstoß ausgesetzt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Leitungs- oder Kabelfehlers bzw. -unterbrechung vermindert wird.
Die Folgerungen aus diesen Überlegungen werden jetzt mit Bezug auf bestimmte Anwendungen untersucht, einschließlich abgeschirmter Hochspannungsleistungskabel, wie sie in Verteilungs- und Wartungssituationen an Generatorstationen bzw. Kraftwerken und an gasisolierten Verteilerleitungen verwendet werden.
Ein Ausschnitt aus dem Schaltkreisäquivalent einer konventionellen Übertragungsleitung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Fortschreiteigenschaften von Signalen können aus den Kabeleigenschaften bzw. -merkmalen pro Längeneinheit abgeschätzt werden. Insbesondere wird die Abschwächung aus dem Realteil von ZY bestimmt. Wenn keine halbleitenden Abschirmungen vorhanden sind, wird die Abschwächung hauptsächlich durch den Skineffekt des Leiters ebenso wie durch dielektrische Verluste bestimmt. Es ist jedoch bekannt, daß die gemessene Abschwächung von Hochfrequenzsignaien in Hochspannungsleistungskabeln immer viel größer gewesen ist als das, was man aus dem einfachen Übertragungsleitungsmodell gemäß Fig. 1 abgeschätzt hat. Es ist deshalb von den Erfindern ein neues Modell entwickelt worden, welches die inneren und äußeren halbleitenden (z. B. mit Kohlenstoff gefüllten) Abschirmungen berücksichtigt, die Teil aller abgeschirmten Leistungskabel sind. Bei diesem Modell muß der kapazitive Lade- oder Verschiebungsstrom in radialer Richtung durch die halbleitenden Abschirmungen hindurchtreten, was einen Energieverlust in den Abschirmungen erzeugt und damit die Abschirmung des Kabels vergrößert.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, weist ein abgeschirmtes Leistungs- bzw. Stromkabel typischerweise einen zentralen Leiter 10 auf, der üblicherweise verseilt ist oder in alternativer Weise aus Metallbändern hergestellt ist, sowie ein Kabelisolationssystem, welches im wesentlichen aus drei koaxialen Schichten besteht, nämlich einer inneren halbleitenden Schicht 12, einer äußeren halbleitenden Schicht 13 und einer nichtleitendenden Zwischenschicht 14. Die Zwischenschicht besteht aus einem polymeren, dielektrischen Material, wie z. B. einem Polyolefin oder einer Gummimischung, wie sie üblicherweise bei der Kabelherstellung verwendet werden. Die Schichten 12 und 13 bestehen ebenfalls aus einem solchen Material und sind durch Einarbeitung von leitfähigen Füllstoffen, wie z. B. Ruß, Graphit etc. halbleitend gemacht worden.
Fig. 3 zeigt das aus konzentrierten idealen Elementen bestehende, äquivalente Schaltkreisbild für ein solches Kabel oder besser gesagt einen Abschnitt des Schaltkreises, welcher ein Längenelement wiedergibt. In diesem Diagramm wird die innere halbleitende Schicht 12 wiedergegeben durch eine Kapazität C&sub1;, die durch eine Leitfähigkeit G&sub1; kurzgeschlossen ist, die äußere halbleitende Schicht 13 ist wiedergegeben durch eine Kapazität C&sub2;, die durch eine Leitfähigkeit G&sub2; kurzgeschlossen ist, und die Zwischenschicht 14 wird durch eine Kapazität C wiedergegeben, wobei ihre Leitfähigkeit vernachlässigbar ist. Der Leiter wird wiedergegeben durch das resistiv-induktive Impedanzelement Z. Da der Isolationsverschiebestrom mit der Frequenz zunimmt, muß auch die Abschirmung des Kabels mit der Frequenz zunehmen. Der Einfluß der halbleitenden Abschirmungen auf den Energieverlust bei der Stromfrequenz bzw. Netzfrequenz (typischerweise 60 Hz) ist vernachlässigbar.
Auch wenn die Abschwächung in einem Standardstromkabel größer als durch das konventionelle Übertragungsleitungsmodell vorhergesagt ist, ist sie nicht so groß wie sie sein könnte. Das heißt, durch Einstellen der Kapazität und Leitfähigkeit der halbleitenden Schichten Ist eine viel größere Abschwächung möglich. Wie oben erwähnt, kann diese größere Abschwächung das Risiko eines Kabelfehlers bzw. Ausfalls und der damit verbundenen Ausrüstung vermindern.
Kurven des realen Energieverlustes, der direkt proportional zu der Überspannungsabschwächung ist, sind gegenüber der Kapazität und der Leitfähigkeit der halbleitenden Schicht in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Diese Zeichnungen gelten für eine einzelne halbleitende Schicht von 3 mm Dicke auf der Oberfläche des Hochspannungsleiters in einem einfachen Kabel. Aus Fig. 4 wird offensichtlich, daß eine Steigerung der Kapazität der halbleitenden Schicht durch Vermindern der Dicke der Schicht oder ihrer dielektrischen Konstanten den Energieverlust vermindert und auch die Abschwächung vermindert. Um die Abschwächung maximal zu machen, sollte daher die Kapazität der Schicht so klein wie möglich sein. Die minimale Kapazität, die erreichbar ist, ist jedoch durch die Geometrie des Kabels und durch die elektrischen Eigenschaften der verwendeten Materialien begrenzt. Nun wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die den Energieverlust als Funktion der Leitfähigkeit der halbleitenden Schicht wiedergibt, und man erkennt, daß es eine optimale Leitfähigkeit gibt, welche den Energieverlust und damit die Abschwächung maximal macht. Eine Analyse des mehr verbreiteten Stromkabelmodells mit zwei halbleitenden Schichten ergibt dieselben Kriterien.

SF&sub6;-Schaltgerät

Eine andere mögliche Anwendung ist der Schutz des Hochspannungsleiters in einem gasisolierten Schaltgerät mit einer optimierten halbleitenden Schicht. Hochspannungsübergänge mit Frequenzen bis zu 50 MHz werden durch Ausschaltvorgänge erzeugt. Es besteht der Verdacht, daß diese Übergänge bzw. Impulse den Zusammenbruch in dem gasisolierten Schaltgerät verursachen. Tabelle 1 zeigt die maximal mögliche Abschwächung, die man in einer 230 kV Verteilerleitung mit einer 3 mm dicken, halbleitenden Schicht auf dem Leiter erhalten kann. Tabelle 1 Maximal mögliche Abschwächungen Anwendung Isolations-Kapazität Halbleiter Kapazität innere äußere Leitfähigkeit Abschwächung optimierte SF&sub6;-Verteilerleitung (230 kV, Leiter mit 0,11 m Durchmesser) kommerzielles Stromkabel optimiertes * minimale Kapazität, 3 mm dick, &epsi;r=2,3 ** minimale Kapazität, 3 mm dick, &epsi;r=1,0

Abgeschirmtes Stromkabel

Abgeschirmte Stromkabel enthalten bereits innere und äußere halbleitende Schichten, die, wie in Fig. 2 dargestellt, koaxial angeordnet ist. Die Abschwächung kommerziell erhältlich er Stromkabel ist jedoch im Vergleich zu einem Kabel, welches mit "optimierten", halbleitenden Schichten hergestellt wird, ziemlich gering. Tabelle 1 gibt die Abschwächungen für ein isoliertes 46 kV EPR Kabel mit und ohne optimierte, halbleitende Schichten wieder. Die Abschwächungen in dem kommerziellen Kabel wurden gemessen, während die angegebenen Werte für das optimierte Kabel berechnet sind.
Die möglichen Abschwächungen bei abgeschirmten Stromkabeln sind ziemlich groß. In einem im Boden verlegten Verteilersystem kann das Kabel Blitzüberspannungen (Frequenzen von einigen 100 kHz) ausgesetzt sein, während im Wartungsbetrieb einer Generatorstation schnelle Schaltüberspannungen bzw. Impulse vorliegen können (mit Frequenzen bis hinauf zu 50 MHz). Die Wirkung des optimierten Kabels für derartige Impulse bzw. Übergänge kann unter Verwendung der Fourier-Transformation abgeschätzt werden.

Fortschreiten von Überspannungswellen im optimierten Stromkabel

Die Ausgangsspannung aus einem 1 km langen, optimierten 46 kV EPR Kabel (Tabelle 1), wenn diese einem Blitzspannungsstoß mit einer Anstiegszeit von 1 us auf der Eingangsseite ausgesetzt wird, ist in Fig. 6 dargestellt. Die Wellenfront wird auf etwa 5 us (10% - 90%) reduziert, wobei die Größe von 1 pu auf 9 pu reduziert wird. Im Vergleich dazu ist der Ausgangswert nach 1 km bei dem kommerziellen (nicht optimierten) 46 kV Kabel im wesentlichen unverändert. Der Abfall der Amplitude des Blitzimpulses reicht wahrscheinlich nicht aus, um einen wesentlichen Effekt auf die Zuverlässigkeit des Verteilungskabelsystems zu haben, es sei denn bei sehr langen Laufwegen, die größer als 5 km sind. Die Wirkung des optimierten Kabels auf die Zuverlässigkeit von Verteilungstransformatoren kann jedoch günstig sein, da die Wellenfront beträchtlich verlangsamt wird. Schnelle Wellenfronten können bewirken, daß sich die Überspannung über den ersten wenigen Windungen einer Transformatorwicklung akkumuliert, was zu einem Zusammenbruch der Windungsisolation führt bzw. führen kann.
Überspannungen bzw. Spannungsstöße mit Anstiegszeiten von 0,1 bis 0,2 us können aus Schalt- und Schaltkreisunterbrechungsvorgängen resultieren. Von diesen Übergangsspannungen weiß man, daß dann, wenn sie auf rotierende Maschinen, wie z. B. hydraulische Generatoren und große Motoren aufgebracht werden, katastrophale Isolationsfehler der Wicklungen verursachen können. Das wesentliche Mittel, um solche Effekte dieser Überspannungen abzumildern liegt darin, die Anstiegszeit mit Hilfe von Wellen glättenden bzw. Flanken verschleifenden Kondensatoren zu erhöhen, die an den Anschlüssen montiert sind. Diese Kondensatoren sind jedoch möglicherweise nicht wirksam, wenn sie nicht mit Leitungen niedriger Induktivität an Masse liegen und auch die Kondensatoren selbst können eine Fehlfunktion aufweisen bzw. zerstört werden. Wenn Überspannungen abschwächende Kabel zwischen den Schaltern und den rotierenden Maschinen verwendet werden, wird die schnelle Anstiegszeit ausreichend verlangsamt, ohne irgendwelche zusätzlichen Kosten oder verminderte Zuverlässigkeit.
Fig. 5 zeigt die Wirkung auf eine Übergangsflanke mit einer Anstiegszeit von 0,1 us, welche durch nur 100 m des optimierten 46 kV Kabels hindurchläuft. Die Wellenfront wird auf 0,5 us (10% - 90%) gestreckt und der Ausgangswert beträgt 93% des Eingangswertes. Nach 1 km ist die Wellenfront 1,8 us lang und die Amplitude beträgt noch 0,72 pu Für das 15 kV Kabel in
Tabelle 1, weiches für ein Stichkabel einer Generatorstation eher typisch ist, wäre die Anstiegszeit noch länger wegen der größeren Abschwächung. Das optimierte Stromversorgungskabel ist daher nützlich bei der Verminderung der Überspannungsgefahr bei Betriebs- bzw. Versorgungsanwendungen in Generatorstationen.
Das Problem der Auslegung und Ausgestaltung eines Stromkabels mit effektiver Überspannungsabschwächung liegt deshalb darin, die optimale Leitfähigkeit für jede halbleitende Schicht der Kabelisolation zu bestimmen, um so den Hochfrequenzenergieverlust pro Längeneinheit des Kabels maximal zu machen. Mit Bezug auf Fig. 3 sieht man, daß der Energieverlust P pro Längeneinheit bei einer gegebenen Frequenz w/2π P gegeben ist durch
P=G&sub1; V&sub1; ²+G&sub2;t V&sub2; ²
wobei V&sub1; und V&sub2; die Spannungsabfälle über der inneren halbleitenden Schicht bzw. der äußeren halbleitenden Schicht sind, wenn die angelegte Spannung 1 Volt beträgt, wobei
V&sub1;=Z&sub1;/(Z&sub1;+Z&sub2;+Z&sub3;+Z) und
V&sub2;=Z&sub2;/(Z&sub1;+Z&sub2;+Z&sub3;+Z)
Die Impedanzen Z&sub1;, Z&sub2; und Z&sub3; werden durch die elektrischen Eigenschaften der halbleitenden Schichten festgelegt, nämlich durch ihre jeweiligen Kapazitäten C&sub1;, C&sub2; pro Längeneinheit und ihre jeweiligen Leitfähigkeiten G&sub1;, G&sub2; pro Längeneinheit. Damit wird
Z&sub3;=-j/wC
Die Impedanz Z bei der Frequenz w/2π wird festgelegt durch die Geometrie und die Leitfähigkeiten der inneren und äußeren Leiter.
Damit wird
wobei u&sub0; = 400Vπ·10&supmin;&sup9;
a&sub1; = Radius des inneren Leiters
a&sub2; = innerer Radius des äußeren Leiters
s&sub1; = Leitfähigkeit des inneren Leiters
σ&sub3; = Leitfähigkeit des äußeren Leiters
Da alle vorstehenden Parameter gegeben sind oder gemessen werden können, kann man ohne weiteres die Leitfähigkeiten G&sub1;, G&sub2; ermitteln, die erforderlich sind, um den Energieverlust P bei der ausgewählten Frequenz maximal zu machen. Die erforderliche Bedingung ist gegeben durch
Mit anderen Worten, der Energieverlust P pro Langeneinheit des Kabels muß bezüglich G&sub1; und G&sub2; maximal gemacht werden.
Es versteht sich, daß die vorstehende Bedingung in gleicher Weise für den Fall erhalten werden kann, in welchem die Kabelisolation nur eine halbleitende Schicht hat, da in diesem Fall Z&sub1; (bzw. Z&sub2;) Null wird.
Die Erfinder haben einen Bereich von speziell zusammengestellten, halbleitenden Polyolefinen und Gummiarten untersucht, welche aus einem polymeren Material bestehen, das mit leitfähigem Füllmaterial gefüllt ist und welche bei der Kabelherstellung verwendet werden könnten. Die gemessene Leitfähigkeit und die relative Dielektrizitätskonstante für je ein solches Material sind über einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 50 MHz in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2 Elektrische Eigenschaften von Polyolefinen, die mit den angegebenen Füllmaterialien gefüllt sind Füllmaterial Frequenz konventionelles Material verzweigt, d. h. Hochstruktur Kohlefasern kugelförmig Kohlekugeln &epsi;r ist die relative Dielektrizitätskonstante σ ist die Leitfähigkeit (a) - Cabot Co., Vulcan XC-72, Carbon black (Ruß) (b) - Great Lakes Carbon Co., Fortafil (c) - J.M. Huber Co., BT-1332, carbon black (Ruß) (d) - Versar Mfg. Inc.
Tabelle 3 gibt einen Vergleich zwischen den möglichen Überspannungsabschwächungen bei drei verschiedenen Frequenzen, 1 MHz, 5 MHz und 10 MHz mit einem konventionellen 2 kV, 2AWG Kabel und einem optimierten Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. In diesem Fall besteht das leitfähige Füllmaterial des optimierten Kabels aus Kohlekugeln bzw. Kohlenstoffkugeln. Tabelle 3 Vergleich der Überspannungsabschwächung für ein konventionelles und ein optimiertes 5 kV, 2AWG (34 mm²) Kabel Frequenz konventionelles Kabel optimiertes innen außen &epsi;r und σ beziehen sich auf die relative Dielektrizitätskonstante bzw. die Leitfähigkeit der halbleitenden Schichten.
Es ist klar, daß, da die Frequenz w/2π willkürlich für den Zweck der vorstehenden Diskussion ausgewählt wurde und da das Spektrum einer Überspannung normalerweise einen Bereich von Frequenzen abdeckt, eine erste Überlegung bei der Auswahl eines geeigneten halbleitenden Materials darin liegt, daß seine Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante nicht in starkem Maße frequenzabhängig ist. Offensichtlich sind die folgenden leitfähigen Füllmaterialien aufgrund der in der Tabelle angegebenen Messungen ziemlich ungeeignet, da sie durchweg aus hochstrukturiertem Kohlenruß bestehen:
BP 2000 carbon black mit einem Füllanteil von 250 g/kg
BP 2000 carbon black mit einem Füllanteil von 120 g/kg
XC-72 carbon black mit einem Füllanteil von 360 g/kg.
Andererseits sind die folgenden Füllmaterialien, die mit dem Polyolefin in den Mengen, die in der Tabelle angegeben sind, verbunden bzw. vergossen sind, bezüglich der Frequenzabhängigkeit außerordentlich zufriedenstellend:
Kohlefasern mit 30 g/kg
Kohlenstoffkugeln mit 250 g/kg
kugelförmiger N990 Kohleruß mit 660 g/kg.
Man kann in einfacher Weise ableiten, daß die in hohem Maße gesteigerte Funktionsfähigkeit dieser letztgenannten Materialien auf der Tatsache beruht, daß die Teilchen des Füllmaterials nicht stark strukturiert sind, sondern im Falle der Kohlefasern als glatte Filamente und im Falle der beiden letztgenannten Füllmaterialien als Kugeln strukturiert sind. Dies wird noch deutlicher aufgrund der Tatsache, daß die sphärischen Kohlenstoffüllmaterialien noch besser funktionieren als die Kohlefasern, und alle drei sind in spektakulärer Weise unterschiedlich gegenüber den hochstrukturierten Rußfüllmaterialien hinsichtlich der Frequenzeigenschaften (Frequenzabhängigkeit) und der Dielektrizitätskonstanten. Silberbeschichtete Glasperlen, die ebenfalls eine fast kugelförmige Struktur haben, zeigen auch ausgezeichnete, frequenzunabhängige Eigenschaften.
Man kann feststellen, daß die mit nicht hochstrukturierten Füllmaterialien gefüllten bzw. beladenen Polyolefine im Unterschied zu jenen, die mit hochstrukturiertem Ruß gefüllt sind, akzeptabel niedrige Dielektrizitätskonstanten haben und daß damit die aus diesen Materialien gebildeten halbleitenden Schichten mit einer geringen Kapazität pro Längeneinheit ausgestattet werden können.
Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die vorliegende Erfindung ein abgeschirmtes Stromkabel bereitstellt, welches innere und äußere Leiter aufweist, die durch ein Kabelisolationssystem voneinander getrennt sind, welches einen Leckpfad für einen Verschiebestrom zwischen den Leitern für Hochfrequenzströme bereitstellt, wobei das Kabelisolationssystem eine oder mehrere koaxiale, halbleitende Schichten beinhaltet, das Material der halbleitenden Schicht oder Schichten eine Leitfähigkeit hat, die über den Frequenzbereich von 1 MHz bis 50 MHz im wesentlichen konstant bleibt, sowie eine relative Dielektrizitätskonstante, die in dem Frequenzbereich von 0,1 MHz bis 50 MHz nicht über 12 hinausgeht.
Das Material der halbleitenden Schicht oder Schichten ist ein extrudierbares, polymeres Material oder eine Mischung aus polymeren Materialien, wie sie üblicherweise bei der Kabelherstellung verwendet werden und welches mit einem leitfähigen Füllmaterial gefüllt ist. Die Teilchen des Füllmaterials sind im wesentlichen glattflächige, insbesondere filamentartige oder kugelförmige Teilchen, im Gegensatz zu den hochstrukturierten Teilchen von Hochstrukturruß. Die leitfähigen Teilchen können Kohlefasern, Kohlenstoffkugeln oder Kohlenstoffruß sein, welches die Typbezeichnung Sphärisch N990 hat und von J.M. Huber Co. hergestellt wird. Kohlefasern sind wegen ihrer relativ geringen Füllerfordernisse bevorzugt.

Claims

1. Elektrisches Energieübertragungssystem mit inneren und äußeren koaxialen Leitern (10, 11), die durch ein Isolationssystem voneinander getrennt sind, wobei das Isolationssystem sich in Längsrichtung bezüglich der Leiter erstreckt und erste und zweite koaxiale Schichten aufweist, die für Hochfrequenzströme einen Weg für einen Verschiebungsstrom zwischen den Leitern definieren, wobei die erste Schicht eine Halbleiterschicht (12) ist, die pro Längeneinheit eine Leitfähigkeit G&sub1; und eine Kapazität C&sub1; aufweist, und die zweite Schicht eine Isolationsschicht (14) um die erste Schicht herum ist und pro Längeneinheit eine Kapazität C aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit, die relative Dielektrizitätskonstante und die Dicke der ersten Schicht derart sind, daß der Energieverlust pro Längeneinheit in der ersten Schicht aufgrund des in radialer Richtung durch die ersten und zweiten Schichten zwischen den inneren und äußeren Leitern fließenden Verschiebungsstromes bezüglich der Leitfähigkeit G&sub1; pro Längeneinheit zumindest im Frequenzbereich 0,1 MHZ - 50 MHZ maximal gemacht wird.

2. System nach Anspruch 1, welches weiterhin eine dritte koaxiale Schicht (13) zwischen der zweiten Schicht und dem äußeren Leiter und in dem Weg für den Verschiebungsstrom zwischen den Leitern aufweist, wobei die dritte Schicht eine Halbleiterschicht (13) ist, welche eine Leitfähigkeit G&sub2; und eine Kapazität C&sub2; pro Längeneinheit aufweist, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit, die relative Dielektrizitätskonstante und die Dicke der dritten Schicht derart sind, daß der Energieverlust pro Längeneinheit in der dritten Schicht aufgrund des in radialer Richtung durch die ersten, zweiten und dritten Schichten zwischen den inneren und äußeren Leitern fließenden Verschiebungsstromes bezüglich der Leitfähigkeit G&sub2; pro Längeneinheit zumindest in dem Frequenzbereich von 0,1 MHZ - 50 MHZ maximal gemacht wird.

3. System nach Anspruch 2, wobei die ersten und dritten Halbleiterschichten aus demselben Material bestehen.

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der bzw. jeder halbleitenden Schicht im Frequenzbereich von 0,1 MHZ bis 50 MHZ eine Leitfähigkeit hat, die im wesentlichen konstant bleibt und eine relative Dielektrizitätskonstante hat, die einen Wert von etwa 12 nicht überschreitet.

5. System nach Anspruch 4, wobei das Material der bzw. jeder halbleitenden Schicht ein extrudierbares Polymermaterial ist, welches mit einem leitfähigen Füllmaterial aus wenig strukturierten Teilchen gefüllt ist.

6. System nach Anspruch 5, wobei das Polymermaterial ein Polyolefin oder eine Gummimischung ist.

7. System nach Anspruch 6, wobei das leitfähige Füllmaterial aus Kohlefasern besteht.

8. System nach Anspruch 6, wobei das leitfähige Füllmaterial aus Kohlenstoffkugeln besteht.

9. System nach Anspruch 6, wobei das leitfähige Füllmaterial ein Metall ist.

10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches die Form eines abgeschirmten Leistungs- bzw. Energieversorgungskabel hat.