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Mit,Gummi, synthetischem Harz oder einem anderen homogenen elastischen
Isolierstoff isoliertes Hochspannungskabel Die Verwendung von Gummi als Hochspannungsisolierstoff,
insbesondere für Hochspannungskabel, ist durch die Verwendung einer leitenden Gummischicht
zwischen der Isolation und den Metalleitern möglich geworden. Dadurch, daß man eine
feste Haftung zwischen dem leitenden Gummi und der Isolation herbeiführt, wird die
größte Schwierigkeit, die bei der Verwendung von Gummi auftritt, d. h. die Ionisation
und die Ozonbildung, beseitigt.
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Aus den bis jetzt erzielten Erfolgen geht hervor, daß man noch nicht
erkannt hat, daß die leitende Gummischicht bestimmte; scharf umrissene leitende
Eigenschaften aufweisen soll, und daß man nicht mit einem Widerstand der leitenden
Gummischichten zufrieden sein kann, der gegenüber dem Widerstand der. Isolierung
nur gering ist.
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Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß der Widerstand
des leitenden Gummis des Hochspannungskabels unterhalb eines bestimmten Grenzwertes
liegen muß, und gibt weiter Mittel zur Erlangung dieses verhältnismäßig niedrigen
Widerstandes an. Die Erfindung ist nicht nur auf die Verwendung von Gummi beschränkt;
jeder gummiähnliche isolierende Werkstoff, auch synthetische
Stoffe,
wie z. B. synthetischer Gummi und biegsame künstliche und natürliche Harze, lassen
sich in gleicher Weise und mit demselben Erfolg verwenden.
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Die Reihenfolge der Schichten ist in den Abb. i und -2, deren Gegenstände
an sich bekannt sind, sowie in Abb. 3 gezeigt, in denen i den Innenleiter, -2 die
innere leitende Schicht, 3 die Isolierschicht, .4 die äußere leitende Schicht und
5 einen Außenleiter darstellt. Abb. i ist ein Querschnitt des Kabels, Abb. 2 ein
Längsschnitt. In den Abb. 3, .I und 5 ist angenommen, daß die leitenden Zwischenschichten
:2 und _ als über die Kabellänge verteilte Widerstände und die Isolierschicht 3
als Dielektrikum eines Kondensators wirksam sind. Abb. 3 zeigt den Verlauf des kapazitiven
Ladestromes in Radialrichtung, wobei die leitenden Gummischichten 2 und d. als Widerstände
dargestellt sind. In Abb.4 ist der Verlauf des Stromes in Tangentialrichtung dargestellt,
der auftritt, wenn die leitende Gummischicht nicht in allen Punkten des Umfanges
am Leiter anliegt, sondern z. B. nur im oberen Punkte. Abb. 5 zeigt den Stromverlauf
in Axialrichtung, die auftritt, wenn z. B. die äußere leitende Gummischicht nur
in einigen Punkten geerdet ist. Die Widerstände «-erden vom Ladestrom des Kondensators
durchflossen und nehmen dabei eine bestimmte Spannung auf. Diese Spannung ist bei
Wechselstrom gleichphasig mit dem Strom, während die Spannung am Kondensator um
nahezu 9o° gegenüber dem Ladestrom nacheilt. Man kann von einer Wirkspannung und
einer Blindspannung reden; ihr Quotient ist die Tangente des Komplementes des Phasenwinkels
zwischen Spannung und Ladestrom. DerWiderstand der leitenden Schichten ergibt somit
eine Zunahme der Tangente des Verlust-,vinkels ö des isolierenden Werkstoffs.
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Da nun schon Gummiarten bekannt sind, bei denen der Verlustwinkel
tg Ö = 0,003 bis 0,004 beträgt, und die Erfolge der Versuche mit Gummi und anderen
homogenen Isolierstoffen doch keinesfalls darauf hinweisen, daß ein Grenzwert erreicht
ist, soll die Leitfähigkeit des leitend gemachten Isolierstoffs eine derartige sein,
daß die Zunahme des tg 8, die auf den Spannungsverlust in den leitenden Schichten
zurückzuführen ist, nicht mehr beträgt als z. B. 0.0003, d. h. io olo des ursprünglichen
Wertes. Das Verhältnis zwischen der Wirkspannung und der Blindspannung soll also
diesen Wert nicht übersteigen.
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Der Ladestrom des Kabels kann nun in drei Richtungen dessen leitende
Schichten durchfließen, und zwar: i. in Radialrichtung, d. h. in der inneren Schicht
2, zwischen Leiter i und Isolation 3 und in der äußeren Schicht 4 zwischen Isolation
3 und Metallmantel 5 (vgl. Abb. 3). Ein Stromfluß ausschließlich in dieser Richtung
ist nur dann vorhanden, wenn der Stromleiter i wie auch der 3letallmantel 5 mit
ihrer ganzen Oberfläche vollkommen anliegen und ii@ leitender Verbindung mit den
beiden leitenden Schichten 2 bzw. d. stehen. Der Widerstand dieser Schichten wird
dann hauptsächlich durch ihre Dicke bestimmt; 2. in Tangentialrichtung, d.11. in
Richtung entlang der Grenzlinie z«-ischen Iiiiienleiter oder Mantel und dem jeweils
benachbarten, leitend gemachten Isolierstoff im runden Kabelanerschnitt. Dies ist
der Fall, wenn die Berührung zwischen dem Innenleiter i und t der inneren leitenden
Schicht 2 nicht ideal ist, also wenn dieser etwas lose in der inneren Schicht des
leitend gemachten Materials sitzt und/oder wenn der Metallmantel 5 etwas lose auf
der äußeren leitenden Schicht .l sitzt. Es kann auch der Fall eintreten. daß eine
Berührung nur entlang einer einzigen Linie des Stromleiterzylinders oder des lletallmantelzvlinders
besteht. Die Zunahme der Verluste wird hier außer durch die Dicke der leitenden
Schicht auch durch deren Umfang bestimmt. Dieser Fall ist in Abb. d. gezeigt; 3.
in Längsrichtung des Kabels. Dieser Verlauf kommt nahezu nur in der Außenschicht
vor, und zwar, falls kein metallischer Erdmantel. vorhanden und die leitende Außenschicht
nur an bestimmten Stellen geerdet ist. Die Zunahme der Verluste wird hier, außer
durch die Dicke der leitenden Schicht noch durch den Abstand der Punkte. in welchen
die Erdung vorgenommen wird, bestimmt. In Abb. 5 ist der Stromverlauf dargestellt.
Dieser Stromverlauf tritt in Dreipliasenkabeln nicht auf, deren leitend gemachte
Außenschichten über die ganze Länge in leitender Verbindung stehen. Die Ladeströme
der drei Einzeladerkabel heben sich gegenseitig auf. Jedoch macht sich dieser Verlauf
stark bemerkbar in Kabeln mit Zwischenschichten, also mit gesteuerter Spannungsverteilung
im Dielektrikum. Man ist hier auf die Leitfähigkeit der Zwischenschichten für die
Ausgleichung der Ladeströme der in Reihe geschalteten ungleichen Kondensatoren angewiesen.
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Eine einfache Berechnung ergibt in obigen drei Fällen einen Maximahvert
für den spezifischen Widerstand des leitend gemachten Isolierstoffs.
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i. Nimmt man als Beispiel ein Kabel für schwache Ströme mit einer
2 mm dicken Kupferader, einer leitendenGrimmischicht von 9 mm Dicke und einer isolierenden
Gummischicht von i j mm Dicke, dann ist die Zunallme des tg ö in folgender Weise
zu berechnen für eine Spannung von ioo kV.
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Der Ladestrom eines Kabelstücks von i cm
Länge beträgt
etwa 6-- io-5 A, der Widerstand der leitenden Gummischicht etwa 0,3 X (X=
Widerstand pro Kubikzentimeter) ; die Wattspannung ist dann 1,8 ' io-5 X V und diese
darf 0,0003 - ioo 000 = 30 V betragen. Der Maximalwert für
X ist dann ungefähr 1,5 Megohm/cms.
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Der Widerstand in Radialrichtung ist dabei in folgender Weise berechnet
worden: Man denkt sich die ganze leitende Schicht von gmm Dicke in konzentrische
Zylinder mit einer Wandstärke 6r und einem Radius r zerteilt. Der Radius
liegt dabei zwischen r1= i mm (Radius des Metallkernes) und r2 = io mm (Radius der
Außenseite des leitenden Gummis). Der Widerstand eines solchen Zylinders in Radialrichtung
beträgt:
Um den Widerstand der ganzen Schicht zu erhalten, muß man zwischen den Grenzen r1
und r2 integrieren:
Es ergibt sich daraus etwa der obenerwähnte Wert 0,3 X.
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2. Eine zweite Berechnung für dasselbe Kabel, ausgestattet mit einer
Außenschicht von o,i mm Dicke aus leitendem Gummi, welche entsprechend ihrer Berührungslinie
mit dem Außenzylinder geerdet ist, ergibt als Resultat einen maximalen°spezifischen
Widerstand von ungefähr 24oo Ohm/cms für die Außenschicht aus leitendem Gummi.
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Bei der Berechnung ist angenommen, daß das Kabel unter dem Bleimantel
einen Durchmesser von 54 mm hat. Der Ladestrom von 6 - i o-5 A des betrachteten
Abschnitts von i cm Länge fließt radial vom inneren Leiter nach außen, oder umgekehrt.
Es fließt somit ein tangential gerichteter Strom in der leitenden Gummischicht,
der an den der erwähnten Berührungslinie gegenüberliegenden Punkten gleich Null
ist und an der Berührungslinie, wo er auf den Bleimantel übergeht; seinen Höchstwert
hat. Dieser Höchstwert beträgt
A, weil es zwei Stromwege gibt. Dieser Strom ist linear längs des Umfanges verteilt.
Er ruft in der leitenden Gummischicht einen Spannungsverlust hervor, der gleich:
ist, wobei l die halbe Länge des Umfanges ist, somit
Es berechnet sich daraus, daß der Spannungsverlust i2,75 - io-3 X V beträgt. Dieser
darf höchstens 30 V betragen, woraus zu berechnen ist, daß X höchstens etwa
24oo Ohm/cms sein soll.
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3. Eine dritte Berechnung für den Verlauf der Ladeströme in der Längsrichtung
des Kabels in leibenden Zwischenschichten oder in der leitenden Außenschicht ergibt
die Forderung, daß der spezifische Widerstand nochmals iooo- bis io ooomal so niedrig
sein soll, abhängig von dem Abstand der zu erdenden Punkte, damit keine unzulässige
Erhöhung der Verluste auftritt.
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Wenn beispielsweise angenommen wird, daß der leitende Gummimantel
in Abständen von io cm geerdet ist, so zeigt eine einfache Überlegung, daß der in
axialer Richtung in der Schicht fließende Strom bei den Erdungspunkten den Höchstwert
5o - 6 - io-5 erreicht und von dort bis zu der Mitte zwischen zwei Erdungspunkten,
somit über einen Abstand von 5 cm, linear bis auf Null abnimmt. Wenn man wieder
eine Schichtdicke von o, i mm und einen äußeren Durchmesser von 54 mm zugrunde
legt, ist der Querschnitt des Stromweges n - 5,4 - 0,01 cm2 und beträgt der Spannungsverlust
über den erwähnten Abstand von 5 cm:
Dieser darf wieder höchstens 30 V betragen, woraus sich berechnet, daß X
höchstens 68oo Ohm/cm2 betragen darf. Wenn man der Berechnung einen Abstand zwischen
den geerdeten Punkten von 50 cm zugrunde legt, so würde man für X einen Höchstwert
von 136o Ohm finden.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß bei steigender Spannung der in den
leitenden Schichten zurückzulegende Weg wenigstens in dem zweiten Fall länger wird,
weil das Kabel dicker wird und der Ladestrom höher, so daß die Forderungen an die
Leitfähigkeit noch erheblich höher werden.
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Im folgenden =werden die Berechnungen der Fälle 2 und 3 angeführt:
Fall :2. Es wird angenommen, daß die Schicht aus leitendem Gummi q. nur längs einer
Berührungslinie A-A (Abb. 5 a) mit dem Bleimantel 5 in Berührung ist. Es wird wieder
ein Abschnitt von einer Länge von i cm betrachtet. Der Ladestrom ist ebenso, wie
im Fall i 6 - io-5 A/cm. Angenommen wird, daß das Kabel unter dem Bleimantel einen
Durchmesser
von 5.4 mm hat und daß die Dicke der leitenden Schicht
8,1 mm beträgt.
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Der Ladestrom von 6 - io-j A des betrachteten Abschnitts geht radial
vom inneren Leiter nach außen oder umgekehrt und verteilt sich gleichmäßig über
den Umfang. Es fließt somit ein tangential gerichteter Strom in der leitenden Gummischicht
4, der nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt ist, sondern in denderBerührungslinie
gegenüberliegenden Punkten B gleich Null ist und in der Berührungslinie bei A seinen
Höchstwert hat. Dieser Höchstwert beträgt 5 2° A, weil es zwei Stromwege
gibt, nämlich links und rechts von B nach .r-.
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Von B nach A verläuft dieser Strom linear, so daß der Strom in einem
Punkt C zwischen B und A (Abb. 5 b), der auf einem Abstand x von B liegt, gleich:
ist. Hierin ist Z der Abstand von B nach A. Er beträgt
cm = 8,5 cm.
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Es ist nun der Spannungsverlust von B nach A zu berechnen. Dieser
Verlust darf höchstens 30 V betragen.
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Über die Länge dx bei C ist der Spannungsverlust:
-worin X = der spezifische Widerstand der leitenden Schicht ist.
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Der Gesamtspannungsverlust beträgt
n
Dieser Verlust darf höchstens 30 V betragen, -voraus sich berechnet,
daß X höchstens 2- So Ohrn/cm3 sein darf.
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Für Fall 3 kann man eine ähnliche Berechnung aufstellen. Es -wird
jetzt angenommen, daß die äußere leitende Schicht so schlecht gegen den Bleimantel
anliegt, daß nur Punkte .d (Abb. 5) in Abständen von ioo cm als mit dem Mantel verbunden
(und somit geerdet) zu betrachten sind. Es treten dann axial gerichtete Ströme in
der leitenden Schicht 4 auf. Eine einfache Betrachtung lehrt, daß diese Ströme bei
B in der -litte zwischen' zwei Punkten A gleich Null sind und bei _d einen Höchstwert
von 50 - 3 - i0-5 erreichen (Abstand zwischen I und B = So cm). Für den Spannungsverlust
in der äußeren leitenden Schicht d. von B nach I findet man nun
Dieser darf -wieder höchstens 30 V betragen, so daß X höchstens 68o Olim/cm-1 betragen
darf. Der Abstand von ioo cm ist übrigens ziemlich -willkürlich gewählt -worden.
Legt man der Berechnung einen gegenseitigen Abstand zwischen den geerdeten Punkten
von io cm zugrunde, dann findet man, daß X höchsten 68oo Ohm betragen darf. Es -wird
jedenfalls aus diesen Berechnungen klar; daß X einen ziemlich niedrigen Wert haben
soll, wenn man niedrige Verluste -wünscht. Es leuchtet ohne -weiteres ein, daß bei
einem Wert von X = 2o -legahm, -wie bei einem Muster gemessen wurde, die Verluste
in der leitenden Schicht viel zu hoch -werden.
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Versuche haben gezeigt, daß die äußere leitende Schicht eines einadrigen
Kabels mit normaler Bleiumpressung mit großer Annäherung unter den zweiten Fall
gerechnet -werden kann. Die Berührung zwischen der leitenden Schicht und dem Bleimantel
ist eine solche, daß durchschnittlich mit der Erdung einer einzigen beschreibenden
Linie entlang zu rechnen ist. Nach einiger Betriebszeit wird der Bleimantel durch
-wiederholte Ausdehnung oft nicht mehr fest um die Isolation klemmen.
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In allen erwähnten Fällen ist es notwendig, daß der spezifische Widerstand
des leitend gemachten Isoliermaterials keinesfalls höher liegt als i -legohm/czn3.
In diesem Fall -werden die Verluste niedrig, wemi dafür gesorgt -wird, daß stets
ein guter Kontakt zwischen dem Mantel und der leitenden Schicht bestehenbleibt (Fall
i). Daneben ist zu bemerken, daß der Höchstwert des Widerstandes in den meisten
praktisch' vorkommenden Fällen iooo Ohtn./cm3 betragen soll.
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Es ist in verschiedener Weise möglich, diesen niedrigen spezifischen
Widerstand zu erreichen. -lau kann z. B. die dem Isoliermaterial hinzugefügten Stottc
von einer bestimmten Art in einer bestimmten -Menge und Kombination -wählen. @@-iclaig
ist, daß die Haftung an der Isolierung hinreichend fest ist und daß das leitende
Gemisch noch gut verarbeitet -werden kann.
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Sollte die Haftung ungenügend -werden, so kann man die eine 1:ite@?de
Schicht in dünnen Schicht-c-n mit einer nach dem Leiter hin zunehmenden Leitfäliigi;eit
unterteilen.
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Ein Beispiel der -Mischung finit einer bestimmten Menge eines leitenden
Stoffs ist das -Mischen mit feinverteiltem Graphit. Es -wurde gefunden, daß in der
Kurve der Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Grapliitprozentsatzes bei ungefähr 65
% ein scharfer Knick wahrnehmbar ist. Bei 6o"lo sind die Widerstandswerte erheblich
höher als zulässig. Bei 6511/9 liegt erfindungsgemäß ungefähr der Widerstandswert.
-welcher für den L adestromverlauf in Radialrichtung, bei ;0o70 ungefähr, für die
Axialrichtung
zulässig ist. Mehr als 700/0 ist nicht zulässig, da man in diesem Fall zu viel an
Schmiegsamkeit, Zugfestigkeit und Elastizität verliert.
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Die Kurve in Abb.6 zeigt diese Verhältnisse. Auf die Abszissenachse
sind die Prozentsätze des hinzugefügten Graphits, auf die Ordinatenachse die Logarithmen
der inversen Widerstandswerte aufgetragen.
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Als Beispiel für das Hinzufügen eines Gemisches von Stoffen kann das
Gemisch Graphit-Lithopon genannt werden. Versuche haben gezeigt, daß eine Beimischung
von 5o bis 55 0/0 Graphit und io % Lithopon denselben Widerstand ergibt wie die
Zufügung von 65 0/0 Graphit, während die erstgenannte Gummimischung in mechanischer
Hinsicht eine erheblich bessere Beschaffenheit aufweist. Weiter kann man den Gummi
mit feinverteiltem Metall mischen.
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Die erwähnte Maßnahme, die leitende Schicht aus dünnen Schichten mit
steigender Leitfähigkeit aufzubauen, ergibt in erster Linie eine bessere mechanische
Haftung zwischen der eigentlichen Isolation und der leitend gemachten Isolation.
Der Übergang ist nämlich mehr allmählich, wodurch die wichtigste Ursache der Bildung
von Höhlen, hervorgerufen durch den Unterschied zwischen den Ausdehnungskoeffizienten,
einen geringereg Einfluß hat. In zweiter Linie wird in dieser Weise der Ladestromverl!auf
in Längsrichtung und die Anwendung von Zwischenschichten ermöglicht, da man nun
einen sehr niedrigen Widerstand erhalten kann. Besonders bei Verarbeitung von Metallpulvern
kann die Teilschicht mit dem niedrigsten Widerstand einen sehr hohen Metallzusatz
besitzen, während die Teilschichten mit höherem Widerstand eine gute Haftung herbeiführen.
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Es ist selbstverständlich,' daß zum Kabel ebenfalls die Hilfsorgane,
welche mit der Anlage verbunden sind, zu rechnen sind; namentlich gilt das für die
Kabelverbindungen, Muffen und die Kabelendverschlüsse. Im allgemeinen ist es möglich
und zweckmäßig, diese Hilfsorgane in genau derselben Weise wie das Kabel aufzubauen,
so daß die verschiedenen, diellektrischen und leitenden Schichten sich in den. Muffen
und Endverschlüssen fortsetzen.