DE4036169C2 - - Google Patents

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 Leiter mit Querschnitten oberhalb von etwa 1100 mm² von diesem Typ sind (siehe z. B. im Buch von S. Y. King und N. A. Halfter "Underground power cables", Verlag Longman London und New York (1982) S. 134-136).

Beim Millikenleiter ist der Leiter in mehrere, gewöhnlich sechs, Sektorleiter geteilt. Diese sind von gleicher äußerer Form, gegeneinander isoliert, um einen zentralen Hohlkanal verseilt und zu einem insgesamt runden Leiter zusammengebunden. Jeder Sektorleiter 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 Sektorleiter.) 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.

Ein solcher Millikenleiter ist in der DE-U1 81 08 569 beschrieben. Er ist dadurch zu einem Starkstromkabel für Drehstromnetze mit Mittelfrequenz weitergebildet, daß der Null- oder Schutzleiter als Außenleiter ausgebildet ist, der die sechs sektorförmigen Phasenleiter konzentrisch umschließt. Auf den Millikenleiter selbst ist nicht näher eingegangen.

Das Funktionsprinzip des Millikenleiters besteht darin, daß ein Draht der innerhalb der Schlaglänge (Verseillänge) seiner Lage an einem Ort des Leiters im unteren Bereich des Sektorleiters auftaucht und dort eine entsprechende Längsspannung induziert bekommt, beim Vorrücken längs des Leiters aufgrund seiner Verseilung auch im oberen Bereich des Sektorleiters 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 Sektorleiters nur wenig unterscheidet. Das Ergebnis ist eine Homogenisierung der Stromdichte innerhalb eines jeden Sektorleiters, und damit eine Verringerung der Wirbelstromverluste.

Ein entsprechendes Funktionsprinzip, aber nicht für einen Starkstrom-, sondern für einen Hochfrequenzleiter, der nicht aus Sektor-, sondern aus Rundleitern verseilt ist - ist in der US-PS 21 07 177 beschrieben. Im Ausführungsbeispiel sind vier runde Litzenstränge, die aus vier Litzen verseilt sind, um einen Isolierstoffkern zum Hochfrequenzleiter in der Art verseilt, daß über eine bestimmte Leiterlänge jede Litze über eine bestimmte Entfernung jede Querschnittslänge einnimmt, die jede andere Litze einnimmt. Um in diesem Hochfrequenzleiter Skin- und Proximityeffekt weiter zu verringern, bestehen die Litzen teils aus isolierten, teils aus blanken Drähten, wobei die letztgenannten an bestimmten Stellen miteinander in elektrischen Kontakt gebracht sind.

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 Sektorleitern: Millikenleiter sind bisher ausschließlich so aufgebaut, daß die einzelnen Sektorleiter identisch sind, denn diese sind aus ein und derselben Leiterfertigung entnommen. Folglich sind zwei Drähte, die sich in den gleichen Lagen von zwei Sektorleitern 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 Sektorleiter, 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 den Millikenleiter solche Sektorleiter einzusetzen, bei denen die Schlaglängen der einander entsprechenden Drahtlagen benachbarter Sektorleiter 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 Sektorleiterschwerpunkte. Dies gilt für alle Drähte der beiden betrachteten Lagen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2a und 2b einen erfindungsgemäßen Millikenleiter in der entsprechenden Darstellung,

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. 1a und 1b sind dort die Positionen zweier Drähte eingezeichnet, die sich in den gleichen Lagen zweier benachbarter Sektorleiter 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 ¼, 3 nach dem Durchlaufen von ²/₄, und 4 am Ende der Schlaglänge.

Bei dem erfindungsgemäßen Millikenleiter der Fig. 2a und 2b ist zwar das Bild des Leiterquerschnitts (ohne die eingezeichneten Drahtpositionen) gleich. Da aber die Schlaglängen der einander entsprechenden Drahlagen von Sektorleiter zu Sektorleiter unterschiedlich sind, sind auch die Positionen 1 bis 4 der beiden herausgegriffenen Drähte in den beiden, einander benachbarten Sektorleitern entsprechend unterschiedlich.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Millikenleiters, die sich ergibt, wenn nur zwei unterschiedliche Sektorleiter I und II mit gegenseitig unterschiedlichen Schlaglängen gefertigt werden, und dann mehrere dieser Sektorleiter in einer solchen Anordnung miteinander zu einem Millikenleiter verseilt werden, daß jeder Sektorleiter zu zwei Sektorleitern unterschiedlicher Schlaglängen benachbart ist.

Die Herstellung eines Millikenleiters erfolgt so, daß zunächst ein üblicher, mehrdrähtiger, lagenverseilter Rundleiter gefertigt wird, dieser in einem Werkzeug zum Sektorleiter verformt wird und schließlich die gleichförmigen Sektorleiter, heute üblicherweise 5 oder 6, zum Millikenleiter verseilt werden. Bisher wurden dazu nur Sektorleiter eines einzigen Rundleiters eingesetzt. Erfindungsgemäß wird nun von mehreren, vorzugsweise zwei, Rundleitern ausgegangen, bei denen die Schlaglängen der einander entsprechenden Drahtlagen 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 Sektorleiters 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 - 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 Sektorleiter,
- 2 für einen drahtisolierten Millikenleiter üblicherweise mit identischen Sektorleitern und
- 3 für einen drahtisolierten Millikenleiter erfindungsgemäß mit Sektorleitern unterschiedlicher Schlaglängen.

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

Claims (3)

1. Elektrischer Leiter vom Millikentyp mit verringerten Wirbelstromverlusten, bei dem
- der runde Leiter in mehrere, vorzugsweise fünf oder sechs, Sektorleiter geteilt ist, die von gleicher äußerer Form, gegeneinander isoliert und um einen zentralen Hohlkanal verseilt sind,
- und jeder Sektorleiter aus mehreren Lagen von, vorzugsweise isolierten, Drähten besteht, die um ein Zentrum mit unterschiedlichen Schlaglängen verseilt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglängen der einander entsprechenden Drahlagen benachbarter Sektorleiter unterschiedlich sind.

2. Millikenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei unterschiedliche Sektorleiter (I und II) mit gegenseitig unterschiedlichen Schlaglängen gefertigt sind, und mehrere dieser Sektorleiter in einer solchen Anordnung miteinander zu einem Millikenleiter verseilt werden, daß jeder Sektorleiter zu zwei Sektorleitern unterschiedlicher Schlaglängen benachbart ist.

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