DE701377C

DE701377C - Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE701377C
Application number: DE1936I0055783
Authority: DE
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1935-08-19
Filing date: 1936-08-19
Publication date: 1941-01-15
Also published as: CH200797A; FR815898A; US2191995A; BE415248A; GB461677A; NL48904C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Hochspannungskabel.

Wenn die Isolation eines elektrischen Kabels in konzentrische Elementarringe aufgeteilt wird, so ist der Betrag der elektrostatischen Kapazität eines jeden Ringes proportional idem Abstand des Ringes von der Mitte des Kabels. Diese als Teilkapazitäten bekannten elementaren Kapazitäten bestimmen zum großen Teil die Charakteristik des Kabels. Die Kapazitätsänderung von innen nach außen verursacht eine solche Spannungsverteilung, daß das Produkt aus dem radialen Spannungsabfall und der elektrostatischen Kapazität für jeden konzentrischen Elementarring konstant ist. Daraus ergibt sich, daß die elektrostatische Belastung höher in dem Bereich des Leiters ist und sich mit zunehmender Entfernung von dem Leiter verringert. Je größer das Verhältnis der Werte der Rundung an dem Außenumfang des Dielektrikums zu der des Leiters ist, um so größer ist die Belastungsänderung an dem Dielektrikum, so daß es unter Umständen zur Sicherstellung einer niedrigeren Maximalbelastung erforderlich ist, die mittlere Belastung· dadurch zu erhöhen, daß der Radius des Leiters einen bestimmten Wert erhält. Dieses Verfahren ist bei den höchsten Spannungen oder bei niedrigeren Spannungen allgemein üblich, wenn der Durchmesser des Leiters klein ist. Um die günstigsten Bedingungen bei maximaler Belastung zu erhalten, soll das Verhältnis zwischen dem Außen- und dem Innenradius der Isolation den Wert 2,718 (e) nicht übersteigen. Unter solchen Umständen beträgt die mittlere Belastung nur 58% der maximalen Belastung. Wenn die Werte sämtlicher Teilkapazitäten gleich, wären, so ist der radiale Spannungsabfall eines jeden konzentrischen-Elementarringes gleich, und die elektrostatische Belastung in der.ganzen Isolation ist gleichmäßig. Von einem Standpunkt aus betrachtet würde dies, unter 'der Voraussetzung, daß die Stärke der Isolation unverändert bleibt, zu einer erheblichen Herabsetzung der maximalen elektrostatischen Belastung eines gegebenen Kabels und zur Erhöhung des Sicherheitsfaktors führen.

Um einen solchen Ausgleich der Teilkapazitäten herbeizuführen, wurde die Verwendung von Isoliermitteln mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten bekannt, wodurch das Produkt aus dem geometrischen Faktor einer jeden Kapazität und der Dielektrizitätskonstante einen konstanten Wert ergibt. Dieses Verfahren hat jedoch auf Grund der beschränkten Anzahl der bekannten Isoliermit-

tel und aus konstruktiven Gründen zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt.

Es ist fernerhin bekanntgeworden, das Dielektrikum durch leitende Metallschichten in eine Anzahl Elemente aufzuteilen und die Spannung an jedem Element durch das Anschließen der leitenden Schichten an einen Transformator oder an eine außenliegende Kapazität so zu steuern, daß diese die maximale Belastung an jedem Abschnitt auf gleicher Höhe halten. Dieses Verfahren hat jedoch seine Nachteile, teils auf Grund der komplizierten Transformatorwicklungen, die die erforderlichen Kapazitätsströme für verschiedene leitende Schichten liefern, und teils wegen der durch die Vermehrung der Transformatoranzapfungen hinzukommenden Zufälligkeiten, und ist somit wirtschaftlich nicht ausgenutzt worden. Auch das Parallelschal-λο ten einer Kapazität oder eines Kondensator? zu jeder Teilkapazität ist bekanntgeworden, wobei diese so bemessen sein soll, daß der resultierende Wert einer jeden Teilkapazität und des damit verbundenen Kondensators eine Konstante ist. Hierbei entstehen bei der Verbindung praktisch Schwierigkeiten, die dieses Verfahren insbesondere dann unzweckmäßig machen, wenn das Kabel, die Stoßstellen mit einbegriffen, einen höheren Sicherheitsfaktor haben soll. Die Hauptschwierigkeit bei der Ausbildung der Stoßstellen besteht in der Herausführung der Kondensatorelektroden aus dem Innern eines unter Starkstrom betriebenen Rundkabels.

Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß bei einem Hochspannungskabel mit leitenden, in der Isolation angeordneten Abschirmungen und zusätzlichen, parallel mit diesen zum Ausgleich der Teilkapazitäten liegenden Kapazitäten die zusätzlichen Kapazitäten außerhalb des Kabelleiters und zwischen diesem und der Außenabschirmung oder dem Außenmantel ange ordnet sind.

Die Fig. ι zeigt ein bekanntes Verfahren zur Abgleichung der Teilkapazitäten. Konzentrische Kondensatoren ΐ'¹, τι'¹, .r¹ und v\ deren Kapazitätswerte mit sinkender mittlerer Spannung" der Kondensatoren abnehmen, so sind in einem rohrförmigen Leiter des Kabels enthalten und an den Stoßstellen mit leitenden Schichten, die die Teilkapazitäten v, w, .ι-, y und ζ in der Kabelisolation bilden, verbunden. Diese Anordnung ist in der Fig. 1 A schematisch dargestellt. In einem Idealzustand wäre

ν + v¹ — zv + zv¹ ~ .r + -1'¹ = y + y¹ = z.

In einer erfindungsgemäßen Ausführung, die in der Fig. 2 und schematisch in der Fig. 2 A gezeigt ist, ist die Teilkapazität ν als die zwischen der leitenden, unter der Spannung des Leiters stehende Abschirmung 2¹ und der äußeren leitenden Schicht 2² auftretende Kapazität bestimmt. Der Wert dieser Teilkapazität ν wird dadurch erhöht, daß diese an Stoßstellen mit zwei abgeglichenen Kapazitäten v¹ und v² verbunden wird, die durch die Einführung einer inneren leitenden Schicht 2 in die Isolation 3 zwischen dem Leiter 1 und der Abschirmung 2¹ entsteht. Die Erhöhung der Kapazität ν verringert die maximale Belastung an der Abschirmung 2¹ und dem Leiter 1 durch Erhöhung der Spannung der elektrisch miteinander verbundenen leitenden Schichten 2 und 2². Der unter Erdpotential stehende Mantel ist mit 4 bezeichnet. Der Deutlichkeit halber ist die Abschirmung 2¹ als eine voll ausgezogene Linie dargestellt und im nachstehenden als Abschirmung unter Leitungsspannung bezeichnet, während die leitenden Schichten 2 und 2- gestrichelt gezeichnet und als innere bzw. äußere Schicht bezeichnet sind.

Die Fig. 3 zeigt, wie solche Kabelalfschnitte miteinander verbunden werden. Hier werden einerseits die innere und die äußere Schicht 2, 2² und anderseits die Abschirmung 2¹ unter Leitungsspannung mit dem Leiter 1 verbunden. Die Leitung kann abwechselnd mit verschieden ausgeführten Stoßstellen, wie bei A und B angedeutet, versehen werden. Bei A ist die Abschirmung unter Leitungsspannung über die Verbindung 5 mit dem Leiter, und bei B ist die innere und die äußere Schicht 2, 2² über die Verbindung 6 elektrisch miteinander verbunden. Man kann die Stoßstellen so ausführen, daß schädliche Belastungsspitzen vermieden werden. Der durch den Leiter fließende Starkstrom wird über einen Leiter übertragen.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführung einer Verbindungsstelle gezeigt, in der auf der einen Seite die innere und die äußere Schicht über 6 und auf der anderen Seite die Abschirmung unter Leitungsspannung, wie bei A in der Abb. 3 gezeigt, mit dem Leiter 1 verbunden sind.

Die Abschirmung unter Leitungsspannung sowie die leitenden Schichten stehen in den no Abschnitten zwischen den Verbindungsstellen unter Ladestrom. Die Teilkapazitäten können außerdem durch Einführung eines oder mehrerer Kondensatoren an den Stoßstellen zwischen den Schichten und dem Leiter oder zwischen zwei Schichtanordnungen auseglichen werden.

Die durch die drei inneren Stromwege 1, 2 und 2¹ gebildeten parallelen Teilkapazitäten sind im allgemeinen außerordentlich hoch, und da diese nicht bis zu dem zulässigen Maximum beansprucht werden können, entstehen

gewisse Verluste wirtschaftlicher Art. Diesem Mangel kann dadurch abgeholfen werden, daß, wie in der Fig. io dargestellt, in der Leitung abwechselnd Einfach- oder Vielfachlängen L, L¹ eines wie im vorstehenden beschriebenen Kabels mit geeigneten Kabellängen eines nur mit einer leitenden Zwischenschicht versehenen Kabels verbunden werden. Solche Verbindungen sind nicht schwierig auszuführen, und die Wirtschaftlichkeit wird dadurch erheblich erhöht. An der Verbindungsstelle D werden die Abschirmung 2¹ unter Leitungsspannung und der Leiter ι über 5 und bei E die beiden Schichten 2 und 2² über 6 miteinander und gleichzeitig mit der einzigen Zwischenschicht 2¹³ der Kabellänge L¹ verbunden. Bei F wird die einfache Verbindung zwischen den einzelnen Schichten 2¹³ zweier Kabellängen L¹ ausgeführt.

Auch hier muß der erforderliche Ladestrom von der einen Kabellänge zu der anderen übertragen werden, aber da die Anordnung der leitenden Schichten sich über das gesamte Kabel erstreckt, sind kleine Abweichungen in der Gleichförmigkeit der einzelnen miteinander verbundenen Längen unwesentlich, was eine praktisch wertvolle Feststellung bedeutet. Die Anordnung des zusammengesetzten Kabels ist an Hand der schematischen Darstellung in Fig. 10A leichter verständlich. Das abwechselnde Aneinanderreihen von Kabellängen nach Fig. 2 und 6 bzw. Fig. 7 und 6 ist schematisch in den Fig. 10 B und 10 C dargestellt. Die konstruktiven Einzelheiten der Kabellängen sind nachstehend beschrieben. Die Fig. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, während die Fig. 5 A diese Anordnung schematisch darstellt. Hier wird ohne die Verwendung der Abschirmung unter Leitungsspannung der Wert der Teilkapazität ν durch die Aufteilung des Leiters in mehrere Nebenleiter i^a, i⁶, i^e und i^d erhöht. Jeder Nebenleiter ist mit einer Isolation 3 umwickelt, über die eine leitende

♦5 Schicht 2", 2^δ, 2° und 2^d konzentrisch mit jedem Nebenleiter angebracht ist. Wenn diese, wie bei mehradrigen Kabeln üblich, zusammengefaßt und durch eine leitende Umwicklung 2 zusammengehalten werden, kann eine Isolierschicht darüber angebracht werden, um die leitende Umwicklung 2 von der äußeren Schicht 2², die das gleiche Potential besitzt, zu isolieren. Durch die Anbringung einer Isolation 3^a entsteht ein Kabel, dessen Isolation den elektrostatischen Belastungen gegenüber gestaffelt ist. Obwohl die Einführung einer Abschirmung oder einer nachstehend beschriebenen zusätzlichen Schicht in die Isolation zwischen den Schichten 2 und 2² erwünscht wäre, ist es aus wirtschaftlichen Gründen zweckmäßiger, auf diese Abschirmung zwischen den Schichten 2 und 2² zu verzichten, so daß diese sowohl elektrisch wie physikalisch miteinander in Verbindung stehen. Eine solche Anordnung zeigt die Abb. 6 mit drei Nebenleitern, da die erfindungsgemäße Anordnung keineswegs auf eine Vierfachunterteilung des Leiters beschränkt ist, sondern jede beliebige Unterteilung umfaßt. Auch die Stärke der Isolation der Nebenleiter kann aus wirtschaftlichen Gründen verringert werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Wertes der Kapazität ν und einer Verringerung des Spannungsabfalles an . der Kapazität v. Wenn der Querschnitt eines kreisförmigen Leiters in vier gleiche kreisförmige Teile aufgeteilt wird, so beträgt der Umfang eines jeden Nebenleiters die Hälfte des ursprünglichen Leiters. Der Gesamtumfang der Leiter ist jetzt gleich dem zweifachen ursprünglichen Umfang bei gleicher radialer Stärke der Isolation. Zwischen dem Leiter und der inneren Schicht wird der Wert der elektrostatischen Kapazität verdoppelt. Die Einführung der vier parallelen Teilkapazitäten a, b, c und d hat somit zur Verdopplung des Wertes von ν und zur entsprechenden Verringerung der maximalen elektrostatischen Belastung geführt.

Wie bei 10 in den Fig. 5 und 6 angedeutet, können die Zwischenräume zwischen den isolierten und abgeschirmten Nebenleitern mit einem isolierenden Fasermaterial ausgefüllt werden. Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das bei mehradrigen Kabein verwendete Prinzip auf ein einadriges Kabel Anwendung findet, wodurch sich die Verwendung einer unter Leitungsspannung stehenden Abschirmung erübrigt. Daß mehradrige Kabel des Höchstädter Typs im Betrieb wesentlich vorteilhafter sind als einadrige Kabel, ist bekannt. Dies wird auf das Vorhandensein der Zwischenräume zurückgeführt, die außerhalb des elektrischen Feldes Kapillarräume bilden, die die Stabilität des Kabels während der durch Belastungsschwankungen auftretenden Erwärmungs- und Abkühlungsperiode erhöhen.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion gestaltet sich die Ausnutzung des Isoliermate- 11 ο rials günstiger, da außer der Verringerung der Abmessung bei einer gegebenen Höchstbelastung die Verwendung des mehradrigen Prinzips die Bildung von Kapillarräumen im Innern des Dielektrikums ermöglicht. Außerdem wird der thermische Widerstand des Kabels auf Grund der Herabsetzung der gesamten Kabelabmessung und der exzentrischen Lage der Adern entsprechend verrin- ^: gert. iao

Das Aufteilen eines Phasenleiters vereinfacht den Schutz eines aufgeteilten Leiters

und gestattet das unabhängige Auslösen eines jeden thermostatisch gesteuerten Kabelteiles mit dem Widerstand R. Wird z. B. die Phase in drei Abschnitte aufgeteilt, so wäre der Gesamtwiderstand der Phase gleich R : 3. Dieser kann allmählich auf R : 2 und R durch Auslösen der Abschnitte des Leiters erhöht werden, was zu einem geringeren Temperaturabfall bei sinkendem Strom führt. Hierdurch wird der Betriebszustand des Dielektrikums in ölimprägniertem Kabel begünstigt, da eine schnelle Abkühlung vermieden wird.

Beim Auslösen der einzelnen Abschnitte soll zur Staffelung der Kapazitäten die Spannung eines jeden Abschnittes beibehalten werden. Dies kann dadurch geschehen, daß ein verhältnismäßig hochohrniger Widerstand, der beispielsweise das 20- bis soofache des Leitungswiderstandes beträgt, parallel zu dem >.n Auslöseschalter gelegt wird. Es ist auch möglich, einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient in einen oder mehrere Abschnitte einzuführen.

Durch die Anordnung der Zwischenräume in der Fig. 6 wjrd außerdem die Übertragung des Ladestromes in der Längsrichtung des Kabels vermieden, da die einzelnen Kapazitäten, die durch die Anordnung mehrerer Leiter entstanden sind, fortlaufend mit den lei-3» tenden Schichten verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt auch die Verwendung einer Mehrzahl solcher Elemente mit Isolationsgürtel und Außenmantel, die so angeordnet werden, daß eine « zweite leitende Schicht entsteht, die dann mit einem eigenen Gürtel versehen wird.

Das in Fig. 7 angeführte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel ist eine Kombination der in den Fig. 2 und 5 gezeigten Anordnungen -to mit nur drei Nebenleitern. Aus der Fig. 7 in Verbindung mit den Fig. 2 A und 5 A sind die näheren Einzelheiten zu entnehmen. Hier besteht der Ausgleichskondensator t'¹ aus den einzelnen Ausgleichskondensatoren a, b und c, Ί5 so daß der Wert von v¹, wie nachstehend beschrieben, erhöht wird.

In der Fig. 8 ist eine andere Ausführungsart gezeigt, in der der Ausgleich der Teilkapazität ν nach dem in der Fig. 6 dargestellten 5<> Verfahren erfolgt, während die Teilkapazität w durch die Hinzufügung einer zusätzlichen leitenden Schicht abgeglichen wird. In diesem Falle ist die Schicht 2- von der unter gleicher Spannung stehenden Abschirmung 2³ durch eine Isolierschicht getrennt, in der eine weitere Schicht 11 enthalten ist. In dem um die Abschirmung 2³ liegenden Isolationsgürtel ist eine weitere leitende Schicht 12 vorgesehen. Die Schicht 2² und die Abschirmung 2³ sind an den Stoßstellen, wie bereits beschrieben, elektrisch miteinander verbunden, um die gleiche Spannung zu besitzen, und die Schichten 11 und 12 stehen in der gleichen Weise miteinander in Verbindung. Diese Anordnung ist in der Fig. 8A sehematisch dargestellt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bei einem ovalen ausgeglichenen Kabel zeigt die Fig. 9. Der Einphasenleiter besteht aus den Kernen 1" und 1*, und die Abgleichsvorrichtung ist mit 13 bezeichnet. Die nachstehenden Kombinationen können auch bei dieser Kabelanordnung Anwendung finden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann bei allen Kabeltypen verwendet werden. Auch Kombinationen der verschiedenen Ausführungsbeispiele können bei Isolationsgürteln oder bei Kernen Verwendung finden, wenn die Charakteristik der Kabel den Verhältnissen entsprechend angepaßt ist. So können z. ß. die Alittelkerne als ein verstärktes, mit Bleimantel versehenes Gasdruckkabel hergestellt sein, die hydraulisch durch eine Gürtelisolation der gewöhnlichen ölimprägnierten Art weiter verstärkt sind. Hierbei kann ein günstigeres Verhältnis zwischen dem Gasdruck und dem Durchmesser für eine gegebene Spannung erzielt werden.

Durch die Anbringung der leitenden Zwischenschichten an den Verbindungsstellen und an den Enden wird eine günstigere Kabelcharakteristik erreicht.

Kabel mit Kapillarräumen können in Verbindung mit den obengenannten Anordnungen Verwendung finden. Bei Mehrfachkernen ist die Größe des Kernes für einen gegebenen Durchmesser der Isolation optimal, so daß die Bildung eines Kapillarraumes um den Kern herum ein geeignetes Verfahren ist, dem Mittelkern eine optimale Größe zu geben. Auch mo die Abschirmung und die leitenden Schichten in der Isolation können mit Vorteil als Ka-* pillarräume aufgebaut werden.

Claims

Patentansprüche:

i. Hochspannungskabel mit leitenden, in der Isolation angeordneten Abschirmungen und zusätzlichen, parallel mit diesen zum Ausgleich der Teilkapazitäten liegenden Kapazitäten, dadurch gekennzeich- ·ι° net, daß die zusätzlichen Kapazitäten außerhalb des Kabelleiters und zwischen diesem und der Außenabschirmung oder dem Außenmantel liegen.
2. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, "5 dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kapazitäten aus paarweise um den Kabelleiter angeordneten leitenden Schichten bestehen.
3. Hochspannungskabel nach Anspruch 1 »2° und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kabelleiter (1) und dem Man-

tel (4) eine leitende Schicht (2²) angeordnet ist, die mit einer zweiten, vom Leiter isolierten und diesen umschließenden, innerhalb der ersten Zwischenschicht (2²) He-

S genden leitenden Schicht (2) verbunden ist, und daß die Kapazität des Leiters zu beiden Schichten durch Verbindung des Leiters mit einer zwischen den beiden Schichten liegenden Abschirmung (2¹) künstlich erhöht ist.
4. Hochspannungskabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelleiter (1) in mehrere Einzelleiter (i^a, I*, i^e, i^d) aufgeteilt ist, daß eine innere, aus mehreren die einzelnen Leiter jeweils umschließenden und gegen diese isolierten Teilen (2⁰, 2^b, 2⁰, 2^d) bestehende Zwischenschicht vorgesehen ist und daß eine äußere, die gesamten Teile der Innenschicht umfassende Zwischenschicht (2²) innerhalb des Mantels zur gleichmäßigen Verteilung des Potentialgradienten gegen den Kabelmantel vorgesehen ist, die in leitender Verbindung mit den inneren Teilschichten steht (Fig. 5 bis 8).
5. Hochspannungskabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der die innere Zwischenschicht umgebenden Isolation mehrere paarweise verbundene leitende Schichten (2, 2²) angeordnet sind (Fig. 7 und S).
6. Hochspannungskabel nach.Anspruch4, dadurch gekennzeichnet, daß aine mit dem Kabelleiter verbundene Abschirmung (2¹) in der die innere leitende Schicht umgebenden Isolation zwischen dieser und dem Kabelmantel angeordnet ist (Fig. 7).
7. Hodispannungskabel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das gleiche Potential führenden Schichten bzw. Abschirmungen an den Stoßstellen der Kabellängen miteinander bzw. mit dem Kabelleiter leitend verbunden sind (Fig. 4).
8. Hochspannungskabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Verbindung der Zwischenschichten (2, 2²) jeweils an anderen Stoßstellen des Kabels liegt als die leitende Verbindung der Abschirmung (2¹) mit dem Kabelleiter (1) (Fig. 3).
9. Hochspannungskabel nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel ovalen Querschnitt hat und zwischen einzelnen Teilen des Kabelleiters ein Ausgleichsteil (13) aufweist (Fig. 9) τ

ίο. Hochspannungskabelanlage mit einer oder mehreren Kabellängen nach Anspruch 3 und einer oder mehreren Kabellängen mit einer einzigen in der Isolation liegenden leitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden leitenden Zwischenschichten (2, 2²) der erstgenannten Kabelart mit der leitenden Schicht (2) der zuletzt genannten Kabelart elektrisch verbunden sind und daß die mit dem Kabelleiter (1) verbundene Abschirmung (2¹) an der Stoßstelle endet (Fig. 10).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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