DE4036169A1

DE4036169A1 - Elektrischer leiter vom millikentyp mit verringerten wirbelstromverlusten

Info

Publication number: DE4036169A1
Application number: DE19904036169
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Brakelmann
Original assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Felten and Guilleaume AG
Priority date: 1990-05-11
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1991-11-14
Also published as: DE4036169C2

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter vom Millikentyp nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In den querschnittsgroßen Leitern von Einleiterkabeln hoher Wechselstrom-Übertragungsleistungen treten unerwünschte Stromverdrängungsverluste durch den Skin- und den Proximityeffekt auf. Durch den Skineffekt (ein Effekt der Selbstinduktion) werden im Leiterinneren durch das wechselnde magnetische Eigenfeld Wirbelströme induziert, die die Stromdichte im Leiterinneren schwächen und zur Leiteroberfläche hin verstärken, also eine inhomogene Stromdichteverteilung (Stromverdrängung zur Leiteroberfläche hin) ergeben. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten, die 20% der Gleichstromverluste und mehr betragen können. Der Proximityeffekt (ein Effekt der Gegeninduktion) bewirkt zwischen den Leitern von aneinandergrenzenden Phasen, daß der Strom in diesen Leitern auf eine Seite des Leiterquerschnitts verdrängt wird.

Skin- und Proximityeffekt können durch den Einsatz von Leitern des sogenannten Millikentyps erheblich verringert werden, so daß heute die meisten mit Querschnitten oberhalb von etwa 1100 mm² von diesem Typ sind (siehe z. B. im Buch von S. Y. King und N. A. Halfter "Unterground power cables", Verlag Longman London und New York (1982) S. 134-136).

Bei diesem Leitertyp ist der Leiter in mehrere, gewöhnlich sechs, Segmente geteilt. Diese sind gegeneinander isoliert, um einen zentralen Hohlkanal verseilt und zu einem insgesamt runden Leiter zusammengebunden. Jedes Segment besteht aus mehreren Lagen von Drähten, die um ein Zentrum mit verschiedenen Schlaglängen verseilt sind. (Man fertigt zunächst einen normalen, mehrdrähtigen, lageverseilten Rundleiter und verformt ihn dann zum Segment.) Eine Verringerung der Wirbelstromverluste wird zwar bereits durch die zwischen den einzelnen Drähten immer (mehr oder weniger) vorhandenen Übergangswiderstände erreicht, jedoch durch den Einsatz isolierter Drähte (z. B. lackisolierter Kupferdrähte) erheblich verstärkt.

Das Funktionsprinzip dieses Leiters besteht darin, daß ein Draht der innerhalb der Schlaglänge (Verseillänge) seiner Lage an einem Ort des Leiters im unteren Bereich des Segments auftaucht und dort eine entsprechende Längsspannung induziert bekommt, beim Vorrücken längs des Leiters aufgrund seiner Verseilung auch im oberen Bereich des Segments auftaucht (siehe Fig. 1a der Zeichnung) und dort eine diesem Ort entsprechende Längsspannung induziert bekommt. Alle beim Durchlaufen der Schlaglänge induzierten Längsspannungen addieren sich, so daß insgesamt eine mittlere Längsspannung induziert wird, die für alle Drähte einer Lage gleichgroß ist, und die sich auch von den Längsspannungen der übrigen Lagen desselben Segments nur wenig unterscheidet. Das Ergebnis ist eine Homogenisierung der Stromdichte innerhalb eines jeden Segments, und damit eine Verringerung der Wirbelstromverluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einem Millikenleiter immer noch auftretenden Wirbelstromverluste weiter zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit Hilfe folgender Betrachtung des Effekts der Gegeninduktion zwischen zwei zueinander benachbarten Leitersegmenten: Millikenleiter sind bisher ausschließlich so aufgebaut, daß die einzelnen Segmente identisch sind, denn diese sind aus ein und derselben Leiterfertigung entnommen. Folglich sind zwei Drähte, die sich in den gleichen Lagen von zwei Segmenten befinden, mit derselben Schlaglänge verseilt. Deswegen ist der für die gegenseitige Induktionswirkung maßgebende Abstand der beiden Drähte (der mittlere geometrische Abstand) nach dem Durchlaufen einer Schlaglänge wieder genau gleich, und auch während des Durchlaufens "sehen" sich die beiden Drähte in einem mittleren Abstand, dem dann die wechselseitige Induktionswirkung entspricht. Deswegen ist die Wechselwirkung der Drähte unterschiedlicher Segmente, aber gleicher Lage so, als ob keine Verseilung vorläge, eine entsprechende Kompensation der induzierten Spannungen findet nicht statt, die Stromdichteverteilung über den Leiter wird inhomogen, und die Wirbelstromverluste steigen an.

Zur Abhilfe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die Segmente eines Millikenleiters dergestalt unterschiedliche Leiter einzusetzen, daß sie zwar alle die gleiche äußere Segmentform haben, daß aber die Schlaglängen der einander jeweils entsprechenden Drahtlagen von Segment zu Segment unterschiedlich sind.

Durch diese Maßnahme wird eine vollständige Kompensation der induzierten Längsspannungen erreicht: So "sehen" sich im obigen Beispiel die beiden Drähte beim vielfachen Durchlaufen der Schlaglänge an jedem Ort der beiden Lagen, und der für die gegenseitige Induktion maßgebende mittlere Abstand entspricht dem der beiden Segmentschwerpunkte. Dies gilt für alle Drähte der beiden betrachteten Lagen.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Zeichnung verdeutlicht. Es zeigt

- Fig. 1a und 1b einen erfindungsgemäßen Millikenleiter mit sechs Segmenten in unterschiedlichen (bezüglich des Fortschreitens längs des Leiters) Querschnitten,

- Fig. 2a und 2b dementsprechend einen üblichen Millikenleiter,

- Fig. 3 eine vereinfachte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Millikenleiters im Querschnitt und

- Fig. 4 das Kurvenbild für den Skineffektfaktor in Abhängigkeit vom Leiterquerschnitt für verschiedene Leiterkonstruktionen.

Bei dem üblichen Millikenleiter der Fig. 2a und 2b sind dort die Positionen zweier Drähte eingezeichnet, die sich in den gleichen Lagen zweier aneinandergrenzender Segmente befinden, wobei diese Lagen die gleiche Schlaglänge haben. Bezeichnet ist die jeweilige Position eines Drahtes an verschiedenen Stellen seiner Schlaglänge mit 1 am Beginn, 2 nach dem Durchlaufen von 1/4, 3 nach dem Durchlaufen von 2/4, und 4 am Ende der Schlaglänge.

Bei dem erfindungsgemäßen Millikenleiter der Fig. 1a und 1b ist zwar das Bild des Leiterquerschnitts (ohne die eingezeichneten Drahtpositionen) gleich. Da aber die Schlaglängen der einander jeweils entsprechenden Drahtlagen von Segment zu Segment unterschiedlich sind, sind auch die Positionen 1 bis 4 der beiden herausgegriffenen Drähte in den beiden, einander benachbarten Segmenten entsprechend unterschiedlich.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Millikenleiters, die sich ergibt, wenn nur zwei unterschiedliche Segmente I und II mit gegenseitig unterschiedlichen Schlaglängen gefertigt werden, und mehrere dieser Segmente in einer solchen Anordnung zum Leiter verseilt werden, daß jedes Segment jeweils zu zwei Segmenten unterschiedlicher Schlaglängen unmittelbar benachbart ist.

Die Herstellung eines Millikenleiters erfolgt so, daß zunächst ein üblicher, mehrdrähtiger, lagenverseilter Rundleiter gefertigt wird, dieser in einem Werkzeug zum Segment verformt wird und schließlich die gleichförmigen Segmente, heute üblicherweise 5 oder 6, zum Millikenleiter verseilt werden. Bisher wurden dazu nur Segmente eines einzigen Rundleiters eingesetzt. Erfindungsgemäß wird nun von mehreren, vorzugsweise zwei, Rundleitern ausgegangen, bei denen die Schlaglängen der einander entsprechenden Drahtlängen unterschiedlich sind. Beispielsweise können für einen Millikenleiter mit einem Leiterquerschnitt von 2500 mm² die Schlaglängen der einzelnen Drahtlagen des Leitersegments (vormals Rundleiter) I gegenüber denen des Segments II folgende Werte haben: 1. Lage 1700 gegen 1500 mm, 2. Lage 250 gegen 275 mm und 3. Lage 290 gegen 320 mm. Entsprechendes gilt bei kleineren oder größeren Leiterquerschnitten.

Fig. 4 verdeutlicht schließlich das Ergebnis der erfindungsgemäßen Maßnahme mittels eines Kurvenbildes, in dem der Skineffektfaktor y_s als Funktion des Kupferleiter-Querschnitts A für verschiedene Leiterkonstruktionen dargestellt ist. Es gilt die Kennlinie

- 0 für einen normalen, verseilten Rundleiter,
- 1 für einen lagenisolierten Segmentleiter,
- 2 für einen drahtisolierten Millikenleiter üblicherweise mit identischen Segmenten und
- 3 für einen drahtisolierten Millikenleiter erfindungsgemäß mit Segmenten unterschiedlicher Schlaglängen aller Lagen.

Die Kennlinie 3 läßt erkennen, daß mit dem erfindungsgemäßen Millikenleiter die Wirbelstromverluste nahezu ganz zum Verschwinden gebracht werden können.

Claims

1. Elektrischer Leiter vom Millikentyp mit verringerten Wirbelstromverlusten, bei dem

- der runde Leiter in mehrere, vorzugsweise fünf oder sechs, Segmente geteilt ist, die gegeneinander isoliert und um einen zentralen Hohlkanal verseilt sind,
- und jedes Segment aus mehreren Lagen von, vorzugsweise isolierten, Drähten besteht, die um ein Zentrum mit unterschiedlichen Schlaglängen verseilt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß für die Segmente dergestalt unterschiedliche Leiter eingesetzt sind, daß sie zwar alle die gleiche äußere Segmentform haben, daß aber die Schlaglängen der einander jeweils entsprechenden Drahtlagen von Segment zu Segment unterschiedlich sind.

2. Millikenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei unterschiedliche Leitersegmente (I und II) mit gegenseitig unterschiedlichen Schlaglängen gefertigt sind, und mehrere dieser Segmente in einer solchen Anordnung miteinander zum Leiter verseilt sind, daß jedes Segment jeweils zu zwei Segmenten unterschiedlicher Schlaglängen benachbart ist.

3. Millikenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Leiterquerschnitt von 2500 mm² die Schlaglängen der einzelnen Drahtlagen des Leitersegments I gegenüber denen des Segments II folgende Werte haben: 1. Lage 1700 gegen 1500 mm, 2. Lage 250 gegen 275 mm und 3. Lage 290 gegen 320 mm.