DE4100070A1 - Hochstromleiter - Google Patents

Description

Das magnetische Feld elektrischer Wechselströme induziert in Leitern elektrische Feldstärken, die zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung in den Leitern führen. Die ungleichmäßige Stromverteilung in Leitern hat einen erhöhten elektrischen Widerstand im Vergleich zu Gleichstrom zur Folge. Dadurch ist bei gleichen Leitern die Stromtragfähigkeit bei Wechselstrom kleiner als bei Gleichstrom.

Leiter, die höhere Stromstärken führen, werden oft in mehrere Teilleiter unterteilt. Als Hauptleiter wird ein einzelner Leiter oder eine zusammengesetzte Anordnung einer Anzahl von Leitern, die den gesamten Strom eines Stranges führen, bezeichnet. Als Teilleiter wird ein Leiter, der einen bestimmten Teil des gesamten Stromes eines Stranges führt und Teil des Hauptleiters ist, bezeichnet.

Prägnant ist die verminderte Stromtragfähigkeit von Wechselstrom-Hauptleitern, bei denen rechteckige Teilleiter in Paketen angeordnet sind (siehe DIN 43 670 und DIN 43 671).

Die verminderte Stromtragfähigkeit folgt aus:

• - der Stromverdrängung innerhalb der Teilleiter, sowie aus
• - der ungleichmäßigen Stromverteilung zwischen den Teilleitern.

Bei rechteckigen Teilleitern, die in Paketen angeordnet sind, werden die äußeren Teilleiter stärker belastet als die weiter innen gelegenen. Noch ausgeprägter ist die ungleiche Stromverteilung bei konzentrischen Teilleitern, bei denen das äußerste Rohr fast den ganzen Strom führt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Auslegung für starre Hochstromleiter von Schaltanlagen und von Energieübertragungsleitungen zu finden, die die Stromverteilung vergleichmäßigt und entsprechende Lösungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Eine Vergleichmäßgung der Stromverteilung kann realisiert werden, wenn die Position der Teilleiter entlang des Hauptleiters verändert wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Teilleiter entlang des Hauptleiters anteilmäßig alle typischen Magnetfeldbereiche durchlaufen. Dadurch werden die in den einzelnen Teilleitern induzierten Spannungen vergleichmäßigt und somit die Teilleiter mit etwa gleichen Strömen belastet.

In den Fig. 1, 18 und 19 sind solche Leitergebilde dargestellt.

Die Leiterkonfiguration in Fig. 1 stellt die kleinste und einfachste Einheit in der Positionsänderung dar. Eine solche Positionsänderung bringt Vorteile, wenn andere Hauptleiter oder Teilleiter parallel in der Nähe verlaufen.

Für die Kreuzung, an der die Teilleiter ihre Position tauschen, kann die in Fig. 2 dargestellte Lösung angewendet werden. Dabei wird jeder der Teilleiter mit einer Aussparung (Fig. 4 bzw. 5) versehen und S-förmig gebogen. Die Auswirkung der lokalen Querschnittsverminderung an der Kreuzungsstelle ist im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit vernachlässigbar, da für die Stromtragfähigkeit die Temperaturen an den Verschraubungsstellen und nicht die Temperaturen im Verlaufe der Leiter relevant sind (Siehe DIN VDE 0670, Teil 1000). Die erhöhte Temperatur in den Leitern sinkt praktisch von der Kreuzungsstelle bis zu den Verschraubungsstellen ab.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Schienenpaketes können die Teilleiter durch isolierende Zwischenstücke gegenseitig abgestützt werden (in den Figuren nicht dargestellt).

Eine weitere Lösungsmöglichkeit zur Ausführung der Kreuzung ohne eine wesentliche Querschnittsverminderung der Teilleiter ist in Fig. 6 angedeutet. Auch in dieser Variante wird prinzipiell jeweils eine Dimension eines jeden Teilleiters vermindert, während in einer zweiten Dimension (ggf. seitlich) der übrig gebliebene Querschnitt verdickt wird, so daß der Gesamtquerschnitt des Teilleiters überhaupt nicht, bzw. nicht wesentlich vermindert wird. Vorzugsweise wird in dieser Lösung, wegen der sonst anfallenden Übergangswiderstände, die Querschnittsvergrößerung mittels zusätzlicher Laschen durch Hartlötung realisiert (und nicht durch Verschraubung).

Bei konzentrischen Leitern, wie in Fig. 19 dargestellt, oder bei Anordnungen die konzentrischen Leitergebilden ähnlich sind (wie beispielsweise in Fig 13 gezeigt), sind die ungleichmäßigen Stromverteilungen besonders bedeutend. Da in diesen Anordnungen das Hüllrohr, bzw. die äußeren Teilleiter fast den ganzen Strom des Hauptleiters tragen, werden solche Ausführungen äußerst selten angewendet. Durch eine Positionsänderung der Teilleiterabschnitte im Verlaufe des Hauptleiters kann aber eine fast gleiche Stromverteilung realisiert werden. Eine solche Lösung ist vor allem bei den Ausführungen von Bedeutung, bei denen eine größere Stromtragfähigkeit gefordert wird, jedoch die Abmessungen des Hauptleiters nicht vergrößert werden können (z. B. bei gasisolierten Schaltanlagen mit Rohrsammelschienen).

Bei konzentrischen Teilleitern kann eine Lösung gemäß Fig. 9 ausgeführt werden. Dabei sind das Hüllrohr und der Innenleiter gegenläufig geschlitzt und durch leitende Zwischenstücke so verbunden, daß im Verlaufe des Hauptleiters ein Stromübergang vom ersten Abschnitt des Außenleiters zum zweiten Abschnitt des Innenleiters und (fast) gleichzeitig ein Stromübergang vom ersten Abschnitt des Innenleiter zum zweiten Abschnitt des Außenleiters gewährleistet ist (siehe Fig. 9). Dadurch wird jeder der zwei Teilleiter des Hauptleiters in einem Abschnitt als Außenleiter, in einem zweiten Abschnitt als Innenleiter realisiert und so - bei gleich langen Abschnitten - die Stromverteilung zwischen den Teilleitern vergleichmäßigt.

Da bei dieser Anordnung die Kühlverhältnisse des Innenleiters bedeutend schlechter sind als die des Hüllrohres, müssen Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeabgabe (Spalten im Hüllrohr o. ä.) vorgesehen werden.

Bei einer angemessenen Wahl der Querschnitte des Hüllrohres und des Innenleiters und bei entsprechenden Maßnahmen zur Kühlung kann bei einer solchen Anordnung die Stromtragfähikeit eines Rohrleiters bedeutend erhöht werden.

In Weiterentwicklung dieses Gedankens kann z. B. auch eine Anordnung nach Fig. 12 gewählt werden, wobei die Kühlung verbessert wurde und der gleichmäßigen Stromverteilung zwischen den Teilleitern Rechnung getragen wurde.

Durch leitende Zwischenstücke (in den Figuren mit Z bezeichnet) wird eine Stromführung gemäß Fig. 14 gewährleistet. Durch isolierende Zwischenstücke (in den Figuren mit P bezeichnet) wird eine hohe mechanische Festigkeit erzielt. Der Stromübergang über die leitenden Zwischenstücke kann durch Hartlötung oder durch Verschraubung gewährleistet werden (in den Fig. 15 bis 17 sind beispielsweise Verschraubungen angedeutet). Bei Verschraubungen ist darauf zu achten, daß kein relevanter Nebenschluß des Stromflusses durch den Schraubenschaft entsteht (ggf. sind entsprechende Abstände und isolierende Beilagen vorzusehen).

In den Fig. 18 und 19 werden beispielsweise einige Leiterkonfigurationen gezeigt, bei denen die Teilleiter unterschiedliche Positionen durchlaufen. Dabei wird vorausgesetzt, daß bei einer Paketanordnung von 3 rechteckigen Teilleitern, gemäß einer Anordnung nach DIN 43 671, Tabelle 1, Schienenzahl 3, die Außenleiter gleiche magnetische Felder durchlaufen, d. h. daß andere Leiter als die drei dargestellten Teilleiter in sehr großer Entfernung, bzw. ohne großen Einfluß auf die drei gezeigten Leiter angeordnet sind (z. B. untereinander). Unter diesen Umständen kann eine Positionsänderung gemäß Fig. 18 zu einer gleichen Stromverteilung auf die drei Leiter führen (wobei die Außenleiter zyklisch auch die mittlere Position durchlaufen).

Bei einer Paketanordnung von 4 Teilleitern von rechteckiger Form (siehe DIN 43 671, Tabelle 1, 4 Teilleiter) werden ohne Positionsänderung die 2 inneren Teilleiter etwa gleich und die 2 Außenleiter auch gleich belastet. Eine Vergleichsmäßigung der Stromverteilung auf alle Teilleiter kann durch die in Fig. 19 gezeigte Anordnung realisiert werden.

In Fig. 18 und in Fig. 19 wird gezeigt, daß die Stromverteilung vergleichmäßigt wird, wenn die Stromzu- bzw. ableitungen an den Enden erfolgen, d. h. wenn dazwischen Kreuzungen vorgesehen sind.

Es ist auch durchaus möglich, die Kreuzungen direkt an den feldweisen Abstützungen auszuführen, wobei Stromab- bzw. -zufüh­ rungen bei den Abstützungen erfolgen, wenn diese Stromzu- bzw. -ableitungen kleine Ströme führen. In Fig. 20 sind die Ströme I72«I71, I73«I71, I74«I71. Die Stromtragfähigkeit des Hauptleiters wird dabei durch die Stromabnahme kleiner Ströme an den Kreuzungsstellen kaum beeinflußt.

In Weiterentwicklung der angegebenen Lösung zur Vergleichmäßigung der Stromverteilung scheint es sinnvoll, die Hauptleiter auf eine höhere Anzahl von Teilleitern zu unterteilen, wobei die Positionen der Teilleiter im Hauptleiter verändert werden. Dadurch wird der Skin-Effekt in den Teilleitern selbst (Stromverdrängung in den einzelnen Teilleitern) vermindert und zwischen den Teilleitern eine gleichmäßige Stromverteilung realisiert.

Wichtig ist dieser Lösungsvorschlag auch bei runden oder semirunden Leiterbündeln (wie ansatzweise in Fig. 13 dargestellt), die für gasisolierte Schaltanlagen Verwendung finden können.

Bezugszeichen

Kn . . . Kn Kreuzungsstelle in Variante n
Pn1 . . . Pn4 Isolierende Zwischenstücke in Variante n, Nr. 1 . . . 4
In1 . . . In4 Strom in Variante n, Nr. 1 . . . 4
Tn1 . . . Tn4 Teilleiter in Variante n, Nr. 1 . . . 4
Zn1 . . . Zn6 Leitende Zwischenstücke in Variante n, Nr. 1 . . .

Claims (5)

1. Wechselstrom-Hochstromleiter der Energieverteilung oder Energieübertragung (Sammelschienen sowie Sammelschienenabzweige von Schaltanlagen, Ausleitungen bzw. Einleitungen zu Schaltanlagen bzw. elektrischen Geräten, Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Geräten usw.), der in starre Teilleiter aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilleiter ihre Position im Hauptleiter so ändern, daß eine Vergleichmäßigung der Stromverteilung zwischen den Teilleitern, bzw. eine Erhöhung der Stromtragfähigkeit des Hochstromleiters erzielt wird.

2. Anspruch nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kreuzungsstellen der Teilleiter die Profile der Teilleiter symmetrisch ausgespart sind, und so die Teilleiter ohne, bzw. ohne wesentliche Vergrößerung der Abmessungen des Hauptleiters einander kreuzen.

3. Anspruch nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kreuzungsstelle die eine Dimension der Leiter auf etwa die Hälfte vermindert wird, gleichzeitig eine zweite Dimension etwa verdoppelt wird, so dar die Teilleiter, die einander kreuzen - ggf. mit Ausnahme kleiner Engpässe - etwa den gleichen Querschnitt beibehalten.

4. Anspruch nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konzentrischen oder konzentrisch-ähnlichen Teilleiterabschnitten die Kreuzung durch den Übergang von innen angeordneten Teilleiterabschnitten in außen angeordnete Teilleiterabschnitte bzw. von außen angeordnete Teilleiterabschnitten in innen angeordnete Teilleiterabschnitte erfolgt.

5. Anspruch nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Vergleichmäßigung der Stromverteilung die Hauptleiter in 2 oder mehr Teilleiter aufgeteilt werden.