DE408517C

DE408517C - Hochspannungskabel

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Publication number: DE408517C
Application number: DES63233D
Authority: DE
Original assignee: SALMAN SILBERMANN DIPL ING
Current assignee: SALMAN SILBERMANN DIPL ING
Publication date: 1925-01-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungskabel. Zur Erreichung hoher Spannungen bei Kabeln sind bereits Vorschläge gemacht worden, die darauf hinausgehen, leitende metallische Beläge in die Kabelisolation einzubetten und diese zwangsweise auf bestimmten Potentialen zu halten, sei es, daß man diese Beläge an besonders herausgeführte Anzapfungen von Transformatoren anschloß, oder daß man ίο zwischen den Belägen, und zwar außerhalb des Kabels an den zugänglichen Kabelenden Zusatzkapazitäten in Form von Kondensatorenbatterien schaltete. Auf diese Weise wollte man mit Recht eine bessere, gleichmäßige Ausnutzung der Kabelisolation herbeiführen und somit mit geringen Isolationsstärken sehr hohe Spannungen überwinden. Solche Kabelanlagen haben aber keine praktische Bedeutung gewonnen. Denn der hierbei erzielte Gewinn

durch geringe Kabelabmessungen wird reichlich überwogen durch die erforderlichen Kosten für Neuanschaffungen, wie Transformatoren mit besonderen Anzapfungen oder großen Kondensatorenbatterien und die für letztere erforderlichen Gebäudeanlagen usw. Ferner stellt sich heraus, daß die metallischen Beläge verhältnismäßig stark werden mußten mit Rücksicht auf die sehr beträchtlichen Stromstärken, welche diese Beläge führen müssen. Hochspannungskabel werden naturgemäß nur in größeren Längen verlegt; es müssen also zwischen den durch die Beläge gebildeten Teilkapazätäten und den Anzapfungen der Transformatoren oder zwischen den Belägen und den zugeschalteten Kondensatorenbatterien große Stromstärken fließen, wodurch eine zusätzliche Erwärmung des Dielektrikums und somit eine Herabsetzung der Leistungsfähigkeit des Kabels bedingt wird.

Will man ein kürzeres Kabelstück in eine Freileitungsanlage einfügen, wie z. B. bei Kreuzungen oder wenn die Leitung durch dicht bewohnte Ortschaften geführt wird, so sind dort solche Kabel überhaupt nicht anwendbar, da man doch unmöglich für solch kurze Käbelstücke besondere Transformatoren oder Kondensatoren zum Anschluß der Beläge aufstellen kann.

Die Erfindung gibt eine ganz neue Konstruktion für den Bau von Hochspannungskabeln an, welche eine bedeutende Herabsetzung der Abmessungen der Kabel zuläßt, ohne die obenerwähnten Nachteile aufzuweisen.

Bekanntlich erhält man bei Hochspannungskabeln die geringsten Abmessungen, wenn man den Aderdurchmesser 2,72tnal so groß wie den Leiterdurchmesser wählt. Hieraus folgt, daß bei gegebener Übertragungsspannung und vorgeschriebener maximal zulässiger Beanspruchung in der Isolation der Leiterdurchmesser verhältnismäßig groß ausfällt. Da man aber, um an Kosten zu sparen, den Leiterquerschnitt nicht gern größer machen wird, als mit Rücksicht auf die zu übertragende Stromstärke notwendig ist, wählt man zweckmäßig, wie in Abb. 1 dargestellt, einen rohrförmigen Querschnitt und füllt den Innenraum mit einem geeigneten Material, wie Jute o. dgl., aus. Gemäß der Erfindung wird für den Kabelleiter ebenfalls ein rohrförmiger Querschnitt gewählt, der Innenraum wird jedoch hier mit hochwertigem Isolationsmaterial ausgefüllt und in diesem sowie in den Isolationen um den Leiter leitende Beläge eingebettet, wie in Abb. 2 dargestellt. In dieser Abbildung bedeuten:

A einen Hilfsleiter mit geringem Querschnitt aus billigerem Material, wie Eisen usw.,

B und C Kabelisolationen mit eingebetteten leitenden Belägen,

L den ringförmigen Hauptleiter und

M den geerdeten Mantel (Blei o. dgl.).

Die Beläge werden untereinander elektrisch leitend verbunden, und zwar so, wie in der

Abb. 2 schematisch angedeutet. Diese Verbindungen werden nicht nur am Anfang und Ende des Kabels, sondern auch an allen Verbindungsmuffen oder sonstigen zugänglichen Stellen ausgeführt. Die Beläge seien beispielsweise so eingelegt, daß die Schichtstärken der durch die Beläge entstandenen Teilkapazitäten alle gleich groß sind. Bezeichnet man die einzelnen Teilkapazitäten der Isolation B in

ίο Richtung von L nach A mit b_lt b₂... b_n und die Teilkapazitäten der Isolation C in Richtung von L nach M mit C₁, c₂... c_n (siehe auch Abb. 3), so ist ohne weiteres ersichtlich, daß unter Annahme einer großen Anzahl entsprechend dünner Schichten

h + ^ci = b₂ + C₂ =... = &„+ C_n

sein muß. Die kombinierten Teilkapazitäten sind alle gleich groß, und es entfallen demnach auf jeden von diesen gleich hohe Teilspannungen, woraus folgt, daß die mattieren Beanspruchungen der einzelnen Isolationsschichten in der ganzen Kabelisolation sowohl in B als auch in C annähernd gleich sind. Die gleiche Überlegung gilt auch sinngemäß, wenn man die verschiedenen Schichtstärken nicht in gleicher Stärke wählt oder die Anzahl der Schichten gering macht usw. Man kann stets die Spannungsverteilung, welche von den Teilkapazitäten abhängig ist, so einstellen, daß die gewünschten maximal zulässigen lokalen Beanspruchungen nicht überschritten werden. Trotzdem also in einem solchen Kabel der Leiter L gewissermaßen zweimal gegen Erde, gegen A und gegen M, isoliert werden muß, läßt er sich in wesentlich geringeren Abmessungen als wie normale Kabel herstellen, wie aus nachstehenden zwei Tabellen ersichtlich. In beiden Tabellen ist eine Maximalbeanspruchung von 6 kV/mm für die Isolation und ein Leiterquerschnitt von 185 qmm zugrunde gelegt. In Tabelle 1 sind die Abmessungen normaler Kabel in einer Konstruktion nach Abb. ι und in Tabelle 2 die Abmessungen von Kabeln nach der Erfindung in einer Konstruktion nach Abb. 2 angegeben. In beiden Tabellen sind auch die Außendurchmesser von Drehstromkabeln unter Bleimantel enthalten:

Tabelle

Nenn spannung kV	EfF. Gebrauchs spannung kV	Äußerer Leiter durchmesser mm di	Durchmesser unter Bleimantel ^Emm^er Dreileiter ' 1 , mm da
100 150 200	58 87 116	19.4 29 38,7	52.6 113 78,8 170 105,2 227

Die günstigsten Abmessungen erhält man nämlich, wenn man

da

dj = ²'7²
wählt. In diesem Falle ist

■ di j da

— ln-Γ
2 di

iE

di 2 E E

d_a = 2,72 di = 0,90 6 E.

Hiernach sind die Werte der obigen Tabelle

und es gilt dann	A Φ	B Φ	Tabe	ermittelt worden. le 2.	Durchmesser unter Bleimantel Einleiter Drei'eiter
Spannung	3 4 5	3-24 4-35,5 5-47	L Φ	G Φ	49,6 107 7°,3 ¹S¹ 91,6 197
loo— 58 150— 87 200—116		24 — 28,6 35,5—38,8 47—49-6	28,6—49.6 38,8—70,3 49,6—91,6

Die Richtigkeit der angegebenen Abmessungen erkennt man sofort, wenn man beachtet, daß bei unendlich großer Anzahl von Belägen die Stärke der Isolationen B und C, welche von Folien durchsetzt sind, gleich sein

müßte -g, also bei E = 58, 87, 116 kV, die Isolationsstärken 9,7, 14,5, 19,4 mm, während hier, bei endlicher Anzahl von Belägen, die Isolationsstärken 10,5, 15,75, 21 mm betragen.

Betrachtet man das Schema in Abb. 3, so sieht man, daß die zusätzlichen Teilkapazitäten b_n, &„_! usw. klein sind und im Vergleich zu ihren Komplement-Teilkapazitäten C_n, C_n^₁ usw. nahezu vernachlässigbar sind. Läßt man daher die Teilkapazitäten b_n, O_n^₁ usw. unabgeglichen, so kann man hierdurch eine weitere Verkleinerung der Kabelabmessungenerreichen, wie aus Abb. 4 und dem dazugehörigen Schema Abb. 5 ersichtlich. In der Praxis wird man naturgemäß mit einer möglichst geringen Anzahl von Belägen auszukommen suchen, und es soll daher nachstehend gezeigt werden, daß man für die oben angeführten Verhältnisse wesentlich geringere Abmessungen erhält als in den Tabellen 1 und 2, auch wenn die ganzeKabelisolation nur in dreiTeile unterteilt wird. Die Kabel sollen nach folgendem Schema

in den einzelnen Schichten maximal zulässigen Beanspruchungen festgelegt sind:

i)
2)
3)
4)
5)

Vo

— ~ * ^*i' ^ⁿ T

2 2

In

■ In —

= ^. K-In-

Ferner folgt aus der Bedingung, daß die kombinierten Teilkapaziitäten sich umgekehrt proportional zu den entsprechenden Teilspannungen verhalten müssen:

= e_s · C_z

<VC_y2 =

oder
1*1 I ^I * ^VI —■- ^o * *-* 1

Setzt man für e_lt e₂ und e_s die Werte aus den Gleichungen 1, 2, 3, 4 und 5 ein und für die Kapazitäten C den jeweiligen Wert

(s = Dielektrizitätskonstante),

aufgebaut werden, d. h. der innere Hilfsleiter hat einen Durchmesser von X₂ mm und der röhrenförmige Hauptleiter einen inneren , Durchmesser von x₀ und einen äußeren Durchmesser von y_a; bei den Durchmessern ^xv 3Ί> y₂ ^und ^z sind. Beläge eingewickelt, welche folgendermaßen untereinander elektrisch verbunden sind: X₁ mit y_x und X₂ mit y_2! außerdem noch 2 mit dem Bleimantel M. Bezeichnet man ferner mit e_x die Teilspannung zwischen 3JJy₁ bzw. X₀Jx₁, mit e₂ die Teilspannung zwischen yjy₂ bzw. X₁Jx₂ und mit ' e_s die Teilspannung zwischen y_zjs, so kann ^! die Berechnung eines solchen Kabels wie ! folgt geführt werden.

Gegeben sind in der Regel: die Spannung E in kV, der Leiterquerschnitt Q in qmm, die ' maximal in den einzelnen Schichten zulässigen Beanspruchungen δ_χ1, δ_χ2, ö_yl, ö_y2 und 2. Gesucht werden: x₀, y₀, X₁, y_t, x₂, y₂, s, C₁, c„ und e„, insgesamt also zehn Unbe- : kannte. Die Kabelabmessungen können somit nur dann eindeutig bestimmt werden, falls es möglich ist, zehn Bedingungsgleichungen zwischen obigen Unbekannten aufzustellen.

Zunächst folgt aus der Bedingung, daß die

so folgt nach Ausführung der Kürzungen: 3V<Syi + Χχ' <*» = 3Ί * S_n + X₂ · o_x2 = y₂-ö_z, so daß man weitere zweiBedingungsgleichungen:

6) Vo · <Syi + Xi' ö_xl = y₂ - ö_z und

7) Vi ' ⁶W + X₂ · <5_X2 = y₂ · 6_Z

erhält. Für den Fall, daß δ_χ1 = δ_χ2 = 6_yl ^=Oy₂ = δ _z gesetzt wird, vereinfachen sich diese Gleichungen zu: y₀ + X₁ = y„ und 3J₁ + x₂ = y₂.

Ferner gilt:

und da x₀ und y₀ miteinander durch die Bedingung, daß der Querschnitt des Kabelleiters Q sein muß, verknüpft sind:

Uq

Da somit zur Bestimmung der obigen zehn Unbekannten nur neun Gleichungen gegenüberstehen, so sind unendlich viele Lösungen möglich. Man kann also, wenn man beispielsweise y₀ beliebig wählt, sämtliche hierzu gehörige Kabelabmessungen auf Grund obiger Gleichungen bestimmen. Für jedes gewählte y₀

ergibt sich ein anderer äußerer Kabeldurchmesser s. Das wirtschaftlich günstigste Kabel ergibt sich, wenn s am kleinsten ist, d. h. zu obigen neun Gleichungen tritt noch die Minimumbedingung hinzu:

10)

Γ =

Nunmehr kann also, wenn B, Q und δ gegeben sind, das zugehörige günstigste Kabel eindeutig bestimmt werden.

Für die bereits eingangs gewählten Verhältnisse von £=58, 87 und ir6 kV, Q==i85 qmm und δ_χ1 = δ_χ2 = ö_yl = 6_y2 = δ_ζ = 6 kV/mm ergeben sich auf diese Weise die Werte folgender Tabelle:

x,

X₁

X₀

To

T

Xl

ab e 1

Ie 3·

ei

6,0
ii,5
14,2

42,7
58,6
8i,5

Durchmesser
unter Bleimantel
Einleiter | Dreileiter
1

Spannung

2,1
4.1
5.1

5.5
10,5
12.5

9.7
18,1
21,8

18,5
24
27

21,9
30,4
34.7

r-2

X

9.3
16,9
20,3

I
43.5 93.5
61 1 131
79 i 170

IOO-- 58
150— 87
200—116

24
34.5
39.8

43.5
61
79

Man sieht hieraus, daß schon durch Annahme von nur drei Teilspannungen sich für das Kabel wesentlich geringere x\bmessungen ergeben als wie in den Tabellen 1 und 2. Die Vorteile werden noch größer, wenn man die Anzahl der Teilspannungen größer macht. Die Berechnung erfolgt dann in der gleichen Weise wie oben, jedoch kommt eine entsprechend größere Anzahl von Gleichungen in Frage.

Das Kondensatorkabel bietet noch den Vorteil, daß der Leiterquerschnitt nicht mehr wie bisher mit Rücksicht auf die Feldverteilung unbedingt kreisrund ausgeführt werden muß, sondern jede beliebige Form erhalten kann. Bei Kabeln für niedrigere Betriebsspannungen wurde der Leiterquerschnitt mit Rücksicht auf Raumersparnis sektorförmig ausgeführt. Bei höherea Spannungen war ein solcher Querschnitt jedoch nicht zulässig, weil die Beanspruchung des Isolationsmaterials in der Nähe der zugespitzten Leiterkante zu groß wurde. Beim Kondensatorkabel kann infolge der zwangsweisen Verteilung der Beanspruchungen eine solche erhöhte Beanspruchung nicht auftreten. Man kann somit auch sektorförmige Querschnitte wählen, wodurch die Kabelabmessungen noch weiter herabgesetzt werden können.

Um das Kabel besser durchtränken zu können, wird man zweckmäßig die einzuwickelnden Beläge (Folien) vor Gebrauch an zahlreichen Stellen durchlochen, am besten nadel-

stichartig. Ebenso kann man statt der Folien Gewebe aus feinsten elektrisch leitenden Fäden einwickeln.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Hochspannungskabel mit in der Isolation eingebetteten leitenden Belägen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abgleichung der Teilkapazitäten erforderliehen, parallel hinzuzuschaltenden Zusatzkapazitäten unmittelbar in dem Kabel selbst untergebracht werden.

2. Hochspannungskabel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelleiter rohrförmig ausgebildet wird, dessen Innenraum aus einer ebenfalls mit leitenden Belägen ausgestatteten Isolation besteht, zum Zwecke, Zusatzkapazitäten für die Teilkapazitäten der Hauptisolation zu bilden.

3. Hochspannungskabel nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der in der Hauptisolation enthaltenen Teilkapazitäten durch Zusatzkapazitäten abgeglichen wird.

4. Hochspannungskabel nach den Ansprüchen I₁ 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der zwangsweisen Verteilung der elektrischen Beanspruchung in der Isolation der Leiterquerschnitt eine beliebige, von der Kreisform abweichende,

z. B. sektorförmige Form erhalten kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Berlin, gedruckt in der reichsdruckerei.