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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Einrichtung und insbesondere auf eine Einrichtung zur
Verwendung in Bereichen mit hoher elektrischer Belastung. Zum
Beispiel bei einem elektrischen Starkstromkabel mit hoher
Spannung (das heißt, einem Kabel zur Verwendung bei
Betriebsspannungen von mehr als 1 kV und im allgemeinen 10 kv
und darüber) handelt es sich bei dem Bereich um die
freiliegende Verbindungsstelle zwischen den Leitern der beiden
Kabel um einen Bereich mit hoher elektrischer Belastung, da
der elektrische Feldsteuereffekt des Kabeldielektrikums
sowie der Kabelabschirmung, falls vorhanden, beseitigt
werden muß, um die Leiter körperlich und elektrisch miteinander
zu verbinden. Die Leiterverbindung erfolgt typischerweise
durch Crimpen, was zur Entstehung scharfer Kanten führen
kann, die als Konzentrationsstelle für elektrische
Belastungen wirken können. Dies kann zu einer Entladeaktivität
führen, die für Kabel- und Verbindungsmaterial, wobei es
sich um polymeres Material handeln kann, schädlich sein kann
und die unter extremen Bedingungen zu einem elektrischen
Durchbruch der Verbindung führen kann. Es ist darauf
hinzuweisen, daß Bereiche mit hoher elektrischer Belastung auch
an anderen Stellen in Kabelverbindungen sowie auch in
elektrischen Geräten auftreten, bei den es sich nicht um
Verbindungen handelt, wobei die vorliegende Erfindung so zu
verstehen ist, daß sie eine breitere Anwendbarkeit als nur für
Kabelverbindungen besitzt, die lediglich als Beispiel
erläutert werden. Solche andere Anwendungen können die
Umschließung der Verbindung zwischen einem elektrischen Kabel und
einem Teil einer elektrischen Einrichtung beinhalten, bei
der es sich nicht um ein Kabel handelt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer elektrischen Belastungssteuerung in Bereichen mit
hoher elektrischer Belastung bei elektrischen Einrichtungen
in zweckdienlicher Weise.
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Gemäß einem Gesichtspunkt gibt die Erfindung somit eine
elektrische Einrichtung an, wie z. B. eine Kabelverbindung,
bei der eine leitfähige Hülse, die als belastungssteuernder
Faradayscher Käfig wirkt, als elastische Dichtung um eine
Hochspannungs-Verbindung vorgesehen ist. Eine Isolierung von
der Verbindung oder anderen Einrichtung kann durch irgendein
beliebiges Material, wie zum Beispiel ein härtbares System,
Öl oder Fett oder durch ein Gel vorgesehen werden, wie dies
zum Beispiel in der GB-Patentanmeldung Nr. 9414038.1
definiert ist, die am 25.1.96 als WO-A-96 02080 veröffentlicht
wurde.
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In dieser Hinsicht schafft die Erfindung eine elektrische
Einrichtung, bei der ein längliches, elektrisch leitfähiges
Hochspannungs-Element sich aus einer umschließenden
Isolierschicht heraus erstreckt und bei der sich ein elektrisch
leitfähiges, rohrförmiges Element in enger Anpassung
wenigstens über einen Teil der Länge der Isolierschicht erstreckt
und wenigstens einen Teil der Länge des leitfähigen Elements
in elektrischer Verbindung mit diesem umschließt, wobei das
rohrförmige Element eine doppelwandige Konfiguration
aufweist, so daß es in seine Position gerollt werden kann.
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Unter "rollen" ist die Fähigkeit des rohrförmigen Elements
zu verstehen, daß es derart über ein Substrat gerollt werden
kann, daß im wesentlichen keine relative Gleitbewegung
zwischen einer dem Substrat benachbarten Wandung des
Elements und dem eigentlichen Substrat stattfindet.
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Da sich das rohrförmige Element in enger Anpassung an die
Isolierschicht befindet, läßt es sich derart ausbilden, daß
es eine Kompressionskraft auf diese ausüben kann.
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Das rohrförmige Element umschließt ferner das leitfähige
Element und befindet sich in elektrischer Verbindung mit
diesem. Daher muß das rohrförmige Element sich nicht in
körperlichem Kontakt mit dem leitfähigen Element befinden,
wobei dies jedoch möglich ist. Zum Beispiel kann es sich mit
einer weiteren leitfähigen Komponente in körperlichem
Kontakt befinden, die wiederum auf dem leitfähigen Element
angebracht ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die
elektrische Einrichtung eine Verbindung zwischen zwei
Hochspannungs-Kabeln auf, wobei das genannte leitfähige Element
einen Leiter von dem einen der Kabel aufweist und die
Isolierschicht die dielektrische Schicht des einen Kabels
aufweist, wobei ein elektrischer Verbinder den einen
Kabelleiter mit dem Leiter des anderen Kabels verbindet, und
wobei sich das rohrförmige Element in enger Anpassung an den
Verbinder über die Verbindung sowie derart erstreckt, daß es
sich wenigstens über einen Teil der Länge der dielektrischen
Schicht jedes Kabels erstreckt.
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Wenn die Kabel abgeschirmt sind, ist das leitfähige
rohrförmige Element derart ausgebildet, daß es sich nur
teilweise entlang des freiliegenden Kabeldielektrikums
erstreckt, so daß es in Längsrichtung von jeder
Kabelabschirmung beabstandet ist, um auf diese Weise die Entstehung
eines Kurzschlusses zu vermeiden.
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Es sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern
von elektrischer Spannungen in Umgebungen elektrischer
Einrichtungen bekannt, und die EP-A-0 210 807 (die dem
US-Patent 4 868 967 entspricht) offenbart einen
doppel
wandigen rohrförmigen Gegenstand, der ein
reibungsreduzierendes Medium enthält, das für diesen Zweck bei der
vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das reibungsreduzierende
Medium ermöglicht ein Umrollen des Schlauchs entlang eines
Substrats, bei dem es sich zum Beispiel um ein elektrisches
Starkstromkabel handelt, ohne Knicken.
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Der Schlauch kann aus einem beliebigen geeigneten Material
hergestellt sein, und für die vorliegende Erfindung ist ein
Elastomer als Basismaterial wünschenswert, wobei dieses mit
einem leitfähigen Füllstoff behandelt ist, um dem Gegenstand
einen spezifischen Gleichstrom-Volumenwiderstand von weniger
als ca. 10&sup4; Ohm-cm und vorzugsweise in der Größenordnung von
10² Ohm-cm, gemessen bei 1 kV und 20ºC gemäß IEC 93, zu
verleihen. Ein solcher elektrisch leitfähiger,
doppelwandiger, rohrförmiger Gegenstand, der sich entlang eines
Substrats umrollen läßt, ist von der Firma Raychem unter der
Handelsbezeichnung RAYVOLVE erhältlich. Eine solche
leitfähige Hülse ist dazu ausgelegt, über einer Kabelleiter-
Verbindung derart angebracht zu werden, daß sie die Länge
des eigentlichen Verbinders vollständig umschließt, bei dem
es sich um eine Metall-Crimpeinrichtung handeln kann, und
sie sich ferner auf jeder Seite in Längsrichtung darüber
hinaus teilweise entlang des Dielektrikums jedes Kabels
erstreckt.
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Auf diese Weise kann die Hülse als Faradayscher Käfig
wirken, um dadurch das elektrische Feld innerhalb seiner
rohrförmigen Umschließung auf Null zu reduzieren. Jegliche
scharfe Kanten in dem Verbindungsbereich sind somit
vollständig elektrisch spannungsgesteuert. Die doppelwandige
Konstruktion einer solchen rollbaren Hülse schafft ferner
ein sanftes, abgerundetes Profil an jedem Ende, an dem sie
auf dem Kabeldielektrikum sitzt, so daß die Möglichkeit des
Entstehens einer elektrischen Entladungsaktivität in diesen
Bereichen auf ein Minimum reduziert ist.
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Die elastomere Natur einer solchen rollbaren Hülse, die ein
Dehnungsverhältnis von beispielsweise zwischen 1,1 : 1 und
2 : 1, typischerweise von etwa 1,7 : 1 besitzt, kann zum Ausüben
eines nach innen gerichteten radialen Drucks auf sein
Substrat verwendet werden, wobei es sich beispielsweise um eine
Kabelleiter-Verbindung handelt, wie sie vorstehend erwähnt
wurde. Dies ist in dem Fall besonders nützlich, in dem
irgendein Fluid in dem Kabel vorhanden ist.
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Manchmal wird festgestellt, daß elektrische Starkstromkabel
zum Beispiel Luft oder Wasser enthalten können. Solche
Verunreinigungen können in das Kabel an seinem Anschluß oder
durch einen beschädigten Kabelmantel eindringen, und sie
können mit Druck beaufschlagt werden und sich entlang der
Länge des Kabels bewegen. Die Verunreinigungen können zum
Beispiel unter Druck zwischen dem Leiter und seiner
Isolierschicht festgestellt werden - selbst wenn der Leiter eine
massive Metallkonstruktion besitzt, jedoch insbesondere
dann, wenn er eine Litzenkonfiguration aufweist, die für
einen "Dochteffekt" anfälliger ist.
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Falls solche Verunreinigungen an einer Kabelverbindung aus
einer Ader austreten, können in diesem Bereich hoher
elektrischer Belastung Hohlräume gebildet werden, was somit
zu der schädlichen elektrischen Entladungsaktivität führt
und/oder zur Entstehung elektrisch leitfähiger Wege zwischen
den Adern eines mehradrigen Kabels und/oder zwischen einem
Leiter (auf hohem elektrischen Potential) und einer
Verbindungskomponente auf Massepotential. Die Kompressionswirkung
einer rollbaren Hülse kann somit eine Tendenz haben, einen
übermäßigen Druck im Inneren einer Kabelader zu verlagern
und in vorteilhafter Weise zu überwinden und jegliche
Verunreinigung darin zu halten und somit einen weiteren
elektrischen Schutz für die Kabelverbindung zu schaffen.
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Der Einschluß irgendeiner Verunreinigung, wie z. B. Wasser,
in einer Kabelader ist auch von Vorteil, wenn irgendeine
Möglichkeit besteht, daß die Verunreinigung einen
nachteiligen Einfluß auf Materialien haben könnte, die bei der
Herstellung der Verbindung verwendet werden. Die
GB-Patentanmeldungen Nr. 9414039.9, 9414038.1, 9414037.3 und
9414036.5 (die nun der PCT-GB 95/01623, der PCT-GB 95/01624,
der PCT-GB 95/01625 bzw. der PCT-GB 95/01622 entsprechen)
offenbaren verschiedene Kabelverbindungskonstruktionen, bei
denen die Füllstoff-Isolierung um den Leiterverbinder herum,
die innerhalb eines Paares von Halbschalen enthalten ist,
ein Gelmaterial aufweist.
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Das Gel enthält eine große Menge an isolierendem Öl, das
durch eine Polymermatrix gebunden ist, und somit ist es von
Vorteil, die Aussetzung des Gels gegenüber Wasser oder
anderen Verunreinigungen auf ein Minimum zu reduzieren. Dies
läßt sich zweckdienlicherweise durch eine rollbare
elastomere Hülse erzielen, wie sie vorstehend erläutert wurde.
Diese Patentanmeldungen offenbaren Beispiele für Anwendungen
der elastischen, spannungssteuernden Hülse, die allgemeinere
Anwendung bei Kabelverbindungen anderer Konstruktion sowie
bei anderen elektrischen Einrichtungen findet.
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Es ist zu erkennen, daß die Kompressionskraft einer
elastischen leitfähigen Hülse oder eines elastischen leitfähigen
Schlauchs bei einer Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls einen guten elektrischen Kontakt
zwischen der Hülse und dem Leiterverbinder gewährleistet, so
daß sichergestellt ist, daß keine Potentialdifferenz
zwischen dem Leiter und der Hülse vorhanden ist.
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Die elastomere Eigenschaft des Schlauchs oder der Hülse
ermöglicht auch die Verwendung eines Produkts mit einer
einzigen Größe bei Kabeln innerhalb eines Bereiches von
Durchmessern. Diese Fähigkeit zur Bedienung eines Bereiches von
Größen reduziert das Ausmaß der Vorratshaltung, das für den
Lieferanten, Händler oder Endverbraucher erforderlich ist.
Das doppelwandige rohrförmige Element ist vorteilhafterweise
in ein Gehäuse eingeschlossen, das starr sein kann, und der
dazwischen vorhandene Raum kann Isoliermaterial, das Gel
aufweisen kann, enthalten und ist vorzugsweise damit
gefüllt.
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Vorteilhafterweise ist das rohrförmige Element derart
elastisch, daß es wenigstens teilweise jeglicher
wärmebedingten Expansion und/oder Verlagerung des
Isoliermaterials Rechnung tragen kann. Bei der Anwendung der
vorliegenden Erfindung bei einer Kabelverbindung, zum Beispiel
bei höheren Spannungen über 1 kV und insbesondere über
10 kV, kann die zyklische thermische Belastung des Kabels
zwischen den Zuständen in Betrieb und außer Betrieb zu einer
beträchtlichen Expansion des eigentlichen Kabels sowie zu
einem beträchtlichen Temperaturanstieg seiner umschließenden
Komponenten, wie zum Beispiel des
Verbindungs-Isoliermaterials, führen.
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Eine Kabelverbindung wird nun anhand eines Beispiels der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, die eine im Schnitt dargestellte
Aufrißansicht einer mit Gel gefüllten, polymeren, elektrischen
Kabelverbindung für 15 kV zeigt.
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Wie unter Bezugnahme auf die Zeichnung zu sehen ist, ist die
zwischengeschaltete Verbindung zwischen zwei im wesentlichen
polymeren Kabeln 2, 4 gebildet. Die jeweiligen Außenmäntel
6, 8, Abschirmungsdrähte 10, 12, Abschirmungsschichten
(halbleitend oder leitend) 14, 16, primären dielektrischen
Schichten 18, 20 und Leiter 22, 24 sind nacheinander in
Standardweise zurückgeschnitten bzw. abgesetzt, wobei die
Abschirmungsdrähte 10, 12 über ihre jeweiligen Mäntel 6, 8
zurückgefaltet sind, um eine anschließende
Zwischenverbindung (nicht gezeigt) über die Verbindung hinweg
herzustellen, um eine Erdungskontinuität aufrechtzuerhalten. Die
Leiter 22, 24 sind mittels eines Crimpverbinders 26
elektrisch miteinander verbunden, wobei jedoch auch jeder andere
geeignete Verbindertyp verwendet werden kann.
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Eine elektrische Belastungssteuerung der auf diese Weise
gebildeten Verbindung erfolgt mittels einer doppelwandigen
rohrförmigen Hülse 28, die aus leitfähigem elastomeren
Material gebildet ist und ein reibungsreduzierendes Medium 30
enthält und die sich um den Verbinder 26 zwischen den beiden
Kabeln erstreckt und sich in Längsrichtung über eine kurze
Distanz über die dielektrischen Schichten 18, 20 erstreckt,
die von den Kabelabschirmungsdrähten 10, 12 in Längsrichtung
beabstandet sind.
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Die Hülse 28 ist im Festsitz angebracht und stellt
elektrischen Kontakt mit der Crimpeinrichtung 26 her, um
sicherzustellen, daß die Hülse 28 und die von dieser umschlossenen
leitfähigen Komponenten auf dem gleichen elektrischen
Potential gehalten werden, nämlich dem Potential der Kabelleiter
22, 24. Die Hülse 28 schafft die Wirkung eines Faradayschen
Käfigs um die Crimpeinrichtung 26 und die freiliegenden
Leiter 22, 24, und zwar unter Bildung einer Dichtwirkung
gegenüber diesen sowie auch einer Dichtwirkung gegenüber den
Kabeldielektrika 18, 20.
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Es ist zu erkennen, daß die ringförmigen Bereiche 32, die
durch die Leiter 22, 24 und die Hülse 28 in Radialrichtung
gebildet sind und durch die Kabeldielektrika 18, 20 und die
Crimpeinrichtung 26 in Längsrichtung gebildet sind, Luft,
Wasser oder andere Verunreinigungen von innerhalb der
Kabeladern 18, 22 und 20, 24 enthalten können. Solche
Verunreinigungen führen jedoch zu keinen elektrischen Schäden, da sie
in einem Bereich enthalten sind, der frei von jeglichem
elektrischen Feld ist.
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Beanspruchungs-Entlastungskegel 34, 36 sind für die
jeweiligen Kabel 2, 4 vorgesehen und derart angeordnet, daß eine
kegelige Fläche gebildet ist, die in der üblichen Weise von
den abgesetzten Enden der jeweiligen Abschirmungen 14, 16
weg gerichtet ist. Die Entlastungskegel 34, 36 sind aus
einem leitfähigen Gummi hergestellt und jeweils als ein Paar
Kegelhälften zur Montage um die Kabel 2, 4 herum
ausgebildet, nachdem die elektrische Verbindung dazwischen
hergestellt worden ist.
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Die Entlastungskegel 34, 36 und der Faradaysche Käfig 28
sind in einem Paar gelenkig miteinander verbundener, äußerer
Mantel-Schalenhälften 38, 40 vollständig eingeschlossen, die
aus leitfähigem polymeren Material, nämlich aus
kohlenstofffaserverstärktem Polypropylen, gebildet sind und die unter
Bildung eines zylindrischen Gehäuses zusammenpassen, das um
die Kabel 2, 4 geklemmt ist, so daß auf jeder Seite der
Verbindung eine Dichtungswirkung nach unten auf die jeweiligen
Kabelmäntel 6, 8 gebildet wird. Eine elektrisch isolierende
Halterungswanne, die in Form von zwei halbzylindrischen,
starren Komponenten 42, 44 gebildet ist, ist an der
Innenfläche des äußeren Gehäuses 38, 40 befestigt, um den
Faradayschen Käfig 28 radial im Inneren der Verbindung in
wirksamer Weise festzulegen.
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Der verbleibende Raum im Inneren des Gehäuses 38, 40 um die
Wanne 42, 44 und innerhalb derselben sowie um die den
Faradayschen Käfig bildenden Hülse 28, der in Längsrichtung
durch die Entlastungskegel 34, 36 begrenzt ist, ist
vollständig mit einem elektrisch isolierenden Silikongel 46
gefüllt.
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Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist ein ringförmiger
Bereich zwischen der Außenfläche der rollbaren Hülse 28 und
der Innenfläche der Halterungswanne 42, 44 vorhanden, der
mit Gel 46 gefüllt ist. Die starre Wanne 42, 44 dient jedoch
zur Aufrechterhaltung einer Trennung zwischen der Hülse 28,
die während des Betriebs der Verbindung eine hohe Spannung
aufweist, und dem äußeren Gehäuse 38, 40, das auf
Massepotential liegt, und zwar selbst wenn die Verbindung nicht
in der dargestellten Weise linear ist, sondern geringfügig
zu einer Kurve gekrümmt ist, wie dies der Fall sein kann,
wenn sie unterirdisch verlegt ist. Ferner ist zu erkennen,
daß die Größe dieses ringförmigen Bereichs in Abhängigkeit
von dem Durchmesser der die Verbindung bildenden Kabel
zunehmen oder praktisch auf Null abnehmen kann.
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Es ist zu erkennen, daß die Elastizität der elastomeren
doppelwandigen Hülse 28 mit ihrem reibungsreduzierenden
Medium 30 auch in begrenztem Ausmaß hinsichtlich ihrer
Zusammendrückbarkeit beim Betrieb der Verbindung von Vorteil
ist und somit einer Expansion des Gels 46 bei steigender
Temperatur desselben Rechnung tragen kann.
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Die Komponenten der Verbindung werden dadurch
zusammengebaut, daß die jeweiligen Teile der Halterungswanne 42, 44
und der Entlastungskegel 34, 36 innerhalb der jeweiligen
Gehäuse-Schalenhälften 38, 40 festgelegt werden, das Gel 46
in flüssiger, ungehärteter Form in jeder Schalenhälfte bis
zu deren Rand eingegossen wird und man danach das Gel
aushärten läßt. Die Kabel 2, 4 werden dann vorbereitet, indem
sie zurückgeschnitten bzw. abgesetzt werden, und die
rollbare Hülse 28 wird dann umgerollt, so daß sie auf einem der
Kabel 2, 4 gedehnt angeordnet ist. Die Leiter 22, 24 werden
mittels der Crimpeinrichtung 26 aneinander befestigt, und
die Hülse 28 wird entlang des Kabels zurückgerollt, so daß
sie über der Crimpeinrichtung 26 und benachbarten Bereichen
der beiden Kabeldielektrika 18, 20 liegt.
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Isolierung, Beanspruchungs-Entlastung und Abschirmung werden
dann in einfacher Weise geschaffen, indem man einfach die
vorbereiteten Gehäuse-Schalenhälften 38, 40 um diese
Anordnung herumklemmt. Die Befestigung der Schalenhälften 38, 40
aneinander bringt die im allgemeinen ebenen Flächen jedes
Bereichs des Gels 46 zusammen, so daß dann eine Grenzfläche
mit hoher dielektrischer Festigkeit nicht nur von Gel zu
Gel, wo sich die Schalenhälften treffen, sondern auch weiter
zu den umschlossenen Komponenten der Kabel 2, 4, wie zum
Beispiel den Dielektrika 18, 20, geschaffen wird.
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Weitere Details und Merkmale der allgemeinen Konstruktion
und Montage einer solchen Verbindung finden sich in der
anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/138360 (entsprechend
der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 95/11543) der
Raychem Corporation.
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Es ist somit zu erkennen, daß ein elastisches,
zusammendrückbares, elektrisch leitfähiges Element, sei es nun eine
rollbare oder eine aufschiebbare Hülse, in der Lage ist,
elektrisch eine Belastungssteuerung als Faradayscher Käfig
zu schaffen, wobei ein guter elektrischer Kontakt mit
darunterliegenden leitfähigen Komponenten, wie zum Beispiel einem
Leiter-Crimpverbinder, hergestellt wird, während
gleichzeitig jeglichemm Innendruck innerhalb der Kabelader
entgegengewirkt wird, der sonst zum Eindringen von Wasser, Öl
oder anderen Verunreinigungen in den Verbindungsbereich
führen könnte.