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Hochspannungskabel Bei der übertragung von elektrischer Energie haben
Kabel ganz allgemein gegenüber Freileitungen den Nachteil, daß sie eine wesentlich
höhere Kapazität besitzen. Dementsprechend nehmen sie bei gleicher Betriebswechselspannung
eine erheblich größere Blindleistung auf. Um diesen Nachteil zu mildern, hat man
schon lange angestrebt, Bauarten für Hochspannungskabel zu finden, die eine kleinere
Kapazität besitzen als die heute gebräuchlichen Kabel mit einer Isolierung aus Papier
mit Öl- oder Massetränkung. So hat man versucht, die Isolierflüssigkeit durch Gas
zu ersetzen. Da Gas eine erheblich kleinere Dielektrizitätskonstante als jede bekannte
Isolierflüssigkeit hat, sinkt die Kapazität bei sonst gleichen Kabelabmessungen
dadurch etwas.
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Mit dem Ersatz der Isolierflüssigkeit durch Gas erreicht man gleichzeitig
den Vorteil, daß das Kabel unempfindlich gegen Temperaturänderungen wird. Es ist
bekannt, daß bei Massekabeln die Wärmedehnungen der Flüssigkeit die des Mantels
überschreiten. Es kommt innerhalb der Isolierung zu Aufweitungen und Hohlstellen,
die die elektrische Festigkeit des Kabels schwächen. Beim Ölkabel hat man diesen
Nachteil der mit Flüssigkeit getränkten Kabel überwunden. Es sind aber verwickelte
Ausgleichsvorrichtungen für die Rauminhaltsänderungen der Isolierflüssigkeit erforderlich.
Wegen
der leichten Zusammendrückbarkeit von Gas entfallen bei Gasdruckkabeln derartige
Schwierigkeiten durch Temperatureinflüsse.
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Ein Vorschlag für ein solches Gaskabel geht dahin, in gewohnter Weise
Schichten von Papier auf den Kabelleiter zu wickeln, das Papier ungetränkt zu lassen,
es nur gut zu trocknen und die Poren im Papier mit Gas zu füllen. Da Gas von gewöhnlichem
Druck nur geringe elektrische Festigkeit aufweist, muß man solches von hohem Druck
anwenden. Das gasgefüllte Trockenpapierkabel erreicht nun zwar eine um etwa ein
Drittel gegen Masse- und Ölkabel verringerte Kapazität. Trotz Anwendung von hohem
Druck befriedigt aber seine elektrische Spannungsfestigkeit nicht. Während man bei
Gasstrecken, die keine festen Stoffe enthalten, bei hohen Drücken ausreichend hohe
Durchschlagsfestigkeiten erreicht, ist das bei diesem Kabel bei der Art der Zusammenstellung
von Gas und Papier nicht der Fall. Das ist darauf zurückzuführen, daß die aus der
Mischung von Papier und Gas sich ergebende Durchschnittsdielektrizitätskonstante
des gasgefüllten Trockenpapierkabels noch immer recht hoch bleibt. Je höher diese
nämlich ist, um so größer ist bei gleicher Spannung die elektrische Beanspruchung
des Gases.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, auch Gasdruckkabel zu schaffen,
bei denen nicht nur die Isolierflüssigkeit, sondern auch der feste Isolierstoff
möglichst weitgehend vermieden werden sollte, um die Kabelkapazität weiter zu vermindern
und den Nachteil gegen Freileitungen zu verkleinern. So gibt es Vorschläge, den
Leiter in der Mitte des Kabels einfach durch Stege, Abstandhalter od. dgl. abzustützen
und im übrigen den Hohlraum mit Druckgas zu füllen. Man erreicht so zwar die denkbar
niedrigste Kapazität. Die bekannten Ausführungen kranken jedoch ebenfalls alle an
zu geringer Spannungsfestigkeit. Es läßt sich bei den bekannten -Aufbauformen nicht
vermeiden, daß an den Abstützorganen, die notwendigerweise aus festen Stoffen mit
höherer Dielektrizitätskonstante bestehen, das Druckgas mit dem Stoff hoher Dielektrizitätskonstante
in radialer Richtung elektrisch hintereinandergeschaltet wird, wenn auch nur ungewollt
in dünnen Schichten, z. B. an der Stoßstelle zwischen Leiter und Abstützung. An
diesen begrenzten Stellen wird dann das Gas im umgekehrten Verhältnis von seiner
Dielektrizitätskonstante zu der des festen Stoffes stärker beansprucht. Seine sonst
vorhandene Festigkeit kommt nicht zur höchsten Auswirkung.
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Die Erfindung betrifft ein Kabel, dessen Isolierung ebenfalls aus
möglichst wenig festem und daneben gasförmigem Stoff besteht, bei dem aber jegliche
erhebliche Überbeanspruchung des Gases vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht,
daß der Kabelleiter von einer mit Druckgas gefüllten Hohlräumen durchsetzten festen
Isolierung umgeben ist, deren Teile stark geneigt verlaufen zu Ebenen, die man durch
die Kabelachse legen kann. Der feste Isolierstoff stellt ein mehr oder weniger feines
räumliches Gitterwerk oder Gerüst dar, bei dem Teile, die auch nur streckenweise
in Richtung der geometrischen Kabelradien verlaufen, vollkommen vermieden sind.
Eine solche Isolierung kann beispielsweise aus gewellten Bändern bestehen, die in
Schraubenwindungen auf den Leiter gewickelt werden. Die Wellen der einzelnen Bänder
werden dabei so geformt, daß sich radial aufeinanderfolgende Bänder nicht ineinanderlegen
können, sondern gegeneinander abstützen. Der Isolierungsaufbau kann auch aus konzentrisch
zum Kabelleiter angeordneten dünnen Schichten festen Stoffes bestehen, die durch
zwischengefügte wellen- oder zickzackförmig verlaufende Schichten in bestimmten
Abstand voneinander gehalten und gegeneinander abgestützt sind. Zur Erhöhung der
mechanischen Festigkeit des Aufbaues kann man die wellen- oder zickzackförmig verlaufenden
Schichten mit einer der benachbarten konzentrisch zur Kabelachse liegenden Schicht
durch Verkleben oder auf :andere Weise fest verbinden. Als Baustoff für die Schichten
der festen Isolierung ist beispielsweise Papier verwendbar, das vorteilhaft zur
Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit mit einem Harz oder Kunstharz getränkt und
gehärtet werden kann. Sehr gut eignet sich weiter ein Stoff wie Polystyrol, das
eine besonders niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste hat. Es ist
zudem in gerecktem Zustand sehr elastisch und widerstandsfähig und gibt Schichten
der beschriebenen Art eine hohe mechanische Festigkeit.
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Bei einem Kabel gemäß der Erfindung tritt nirgendwo eine nennenswerte
Verdichtung der elektrischen Feldlinien ein, auch nicht an örtlich eng begrenzten
Stellen. Die hohe natürliche Festigkeit einer von festem Stoff freien Gasstrecke
kann weitgehend ausgenutzt werden. Bei genügend hohem Gasdruck erreicht das Kabel
eine ausreichend hohe elektrische Festigkeit. Seine Kapazität kann auf mindestens
ein Drittel von der der Masse- bzw. Ölkabel verringert werden. Diese wird fast so
niedrig, wie sie bei vollkommener Vermeidung von festem Stoff sein könnte. Das neue
Kabel hat gegenüber den heute gebräuchlichen wie alle Kabel, deren Isolierung in
der Hauptsache aus Gas besteht, den Vorzug weit geringerer dielektrischer Verluste.
Der innere Gasdruck gibt nach außen die nötige mechanische Widerstandskraft, weil
er bewirkt, daß der Kabelmantel stets die Kreisform annimmt. Die innere mechanische
Festigkeit des Isolierütoffgerüstes muß nur ausreichen, um die vom Leiter aus wirkenden
Beanspruchungen, z. B. beim Biegen des Kabels die mechanischen Kräfte und bei Kurzschlüssen
die magnetischen Stromkräfte, aufzunehmen. Gegebenenfalls kann die Aufrechterhaltung
des kreisförmigen Querschnittes des Kabelmantels durch eine unter dem Kabelmantel
angeordnete Stützwendel unterstützt werden.
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Es hat sich gezeigt, daß die Durchschlagsfestigkeit längerer Gasstrecken,
insbesondere bei höheren Gasdrücken, stark herabgemindert wird durch Staubfasern,
die man erfahrungsgemäß nicht vermeiden kann. Diese stellen sich leicht in Richtung
der elektrischen Feldlinien ein und führen eine
starke Feldverdichtung
herbei. Dieser Übelstand, der bei der Kabelbauart mit Stegbefestigung des Leiters
voll auftritt, wird bei dem Kabel gemäß der Erfindung durch die vielfache Unterteilung
der Strecke zwischen Mantel und Leiter durch die Schichten festen Isolierstoffes
vermieden. Lange Staubfasern werden dadurch gehindert, sich in Feldrichtung einzustellen.
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Es ist bekannt, daß die elektrische Festigkeit einer Gasstrecke heraufgesetzt
wird, wenn die Gasmoleküle in Richtung der Feldlinien ungehindert nur kleine Weglängen
zurücklegen können. Es wird dann die Gechwindigkeit begrenzt, die ein Molekül unter
den Feldkräften erhalten kann, die Fähigkeit zur Stoßionisation wird verringert.
Dieser Vorteil läßt sich bei dem Kabel gemäß der Erfindung durch die Anordnung mehrfacher,
konzentrischer fester Isolierschichten ausnutzen. Hierbei wird man nahe dem Leiter
die konzentrischen Schichten zweckmäßig dichter beieinander anordnen, da hier die
elektrische Feldstärke und Beanspruchung am größten ist, während nach außen hin
der Abstand weiter werden kann.
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In der Fig. i ist ein Kabel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
Darin bezeichnet 3 den Hochspannungsleiter, 2 wellenförmige Schichten, die konzentrisch
zum Kabelleiter ,angeordnete Schichten i gegeneinander abstützen. Mit q. ist der
äußere Kabelmantel bezeichnet, der entweder in der üblichen Weise aus Blei oder
auch aus einem Kunststoff hergestellt und in der üblichen Weise gegen mechanische
und chemische Beanspruchungen geschützt sein kann.
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Die mit Hohlräumen durchsetzte Isolierung gemäß der Erfindung kann
aus Bändern hergestellt werden, die in der üblichen Weise auf den Kabelleiter aüfgesponnen
werden. In der Fig.2 und 3 sind solche Bänder dargestellt, von denen der Teil i
die konzentrisch zum Kabelleiter liegende Schicht und der Teil 2 die wellen- bzw.
zickzackförmige Schicht zwischen den konzentrischen Schichten ergibt. Damit die
Neigung der einzelnen Teile der festen Isolierung zu den durch die Kabelachse gelegten
Radialebenen möglichst stark ist, muß der in Fig. 2 bezeichnete Winkel a möglichst
klein gehalten werden. Dies ist bei der Wahl entsprechend fester Baustoffe .auch
ohne weiteres möglich. Der zickzack- bzw. wellenförmige Teil der Bänder kann dabei
ebenso breit gehalten werden, wie der Teil i der Bänder (vgl. Fig. 2); er kann aber
auch schmaler gehalten werden (vgl. Fig.3). Im ersteren Fall werden die Bänder anlappend
auf den Leiter aufgewickelt, und es empfiehlt sich, zur Abdeckung der Stoßstellen
der Bänder noch ein weiteres Band auf die Schicht i aufzuspinnen. Im zweiten Fall
können die Teile i der Bänder überlappt aufgewickelt werden, so daß sich eine besondere
Abdeckung der Stoßstellen erübrigt. Wie bereits in der Fig. 3 schematisch angedeutet
ist, kann der Abstand der konzentrischen Schichten i vom Kabelleiter zum :Mantel
hin vergrößert werden.
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Zur Erzielung des durch die Erfindung beabsichtigten Zweckes ist es
nicht unbedingt erforderlich, daß die gesamte Isolation in der beschriebenen Weise
aufgebaut ist. Die Isolation kann auch zum Teil, insbesondere unmittelbar am Leiter,
in bekannter Weise als feste geschichtete und gegebenenfalls getränkte Isolation
ausgeführt werden. Es empfiehlt sich jedoch, den festen Teil der Isolation am Leiter
dünn zu halten.
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Für die Füllung des Kabels gemäß der Erfindung eignet sich besonders
ein elektrisch festes chemisch träges Gas, wie z. B. Stickstoff, Kohlensäure oder
Dichlor-Difluormethan.
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Durch den geringen Anteil des festen Isolierstoffes an der Isolierung
und durch die gerüstartige Ausbildung desselben ist das Kabel gemäß der Erfindung
gegenüber den üblichen Kabeln mit getränkter Papierisolierung sehr leicht und auch
besonders leicht biegsam.