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Elektrisches Kabel Die Erfindung richtet sich auf elektrische Kabel
und hat zur Aufgabe, bei unter Gasdruck bei erhöhter elektrischer Beanspruchung,
beispielsweise über 5 kV/cm, arbeitenden Kabeln verbesserte elektrische Eigenschaften
zu erzielen. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Kabel, die gleichzeitig
Hochfrequenzströme und Ströme hoher Spannungen übertragen müssen.
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Eine Schwierigkeit, die bei derartigen Kabeln auftritt, ist die Zunahme
der Beanspruchung, die an den Leitern infolge der Abweichung von glatten Zylindern
auftritt und die durch die Natur des Aufbaus derartiger Leiter aus einzelnen Teilen,
wie z. B. Kupferbändern, gegeben ist.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, derartige Schwierigkeiten beim
Innenleiter dadurch zu beseitigen, daß man diesen Leiter in einen Bleimantel einhüllt,
so daß man im Gebiet der maximalen elektrischen Beanspruchung eine glatte, zylindrische
Oberfläche erzielt. Eine derartige Anordnung verringert die Biegsamkeit des Kabels
und erhöht die Schwierigkeiten bei der Behandlung des Kabels während der Herstellung
und Verlegung. Ferner wird infolge der verhältnismäßig niedrigen Leitfähigkeit des
Bleimantels die Leitfähigkeit des Innenleiters entweder für Niederfrequenzbetrieb,
in wirtschaftlicher Hinsicht, oder für Hochfrequenzbetrieb verschlechtert. Es ist
bekannt, daß die Leitfähigkeit des Leiters bei Hochfrequenzbetrieb vollkommen durch
die Leitfähigkeit der Oberflächenschicht bestimmt ist, d. h. bei dem eben'betrachteten
Kabel durch die Leitfähigkeit des Bleimantels.
Es ist üblich, -
bei dem äußeren konzentrischen Leiter eine Lage eines sich überlappenden Bandes,
beispielsweise aus Papier oder Polystyrol, unmittelbar unter dem Leiter anzuordnen,
wodurch die Unregelmäßigkeiten des Leiters sich nicht merklich auf das elektrische
Feld auswirken können. Da derartige Schichten gasdurchlässig sind, werden die Möglichkeiten
der Verwendung von Gasdruck zur Erzielung der erwünschten Wirkungen nicht wirksam
ausgenutzt. Überdies wird der Außenleiter tatsächlich in der Hauptsache zur Übertragung
von Hochfrequenz benutzt. In seiner normalen, beispielsweise aus Kupferbändern zusammengesetzten
Form hat er für diesen Zweck einen verhältnismäßig kleinen Wirkungsgrad, weil er
von der Form eines gleichmäßigen zylindrischen Rohres abweicht. Für Niederfrequenz
oder Hochspannung wirkt der äußere Leiter lediglich als elektrostatischer Schirm,
der den Zweck hat, ein gleichförmiges, elektrostatisches Feld um den die Ladeströme
und ähnliche Ströme übertragenden Innenleiter zu erzeugen.
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Bei der Anwendung von Gasdruck zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften
des Dielektrikums ist es bekannt, daß dadurch viele der Mängel des Dielektrikums,
welche trotz des Vorhandenseins des äußeren elektrostatischen Schirms eine Inhomogenität
des elektrischen Feldes hervorzurufen suchen, beseitigt werden. Beispielsweise wird
die Ionisation von kleinen Hohlräumen oder Gaseinschlüssen, die von der inhomogenen
Struktur der Isolation herrühren, unterdrückt. Infolgedessen können bei der Anwendung
von Gasdruck bei geringen Verbesserungen der Leiter und Abschirmungen größere Erfolge
in der Gesamtwirkung erzielt werden. Andererseits ergibt die Kombination einer hohen
elektrischen Beanspruchung mit der übertragung von Hochfrequenzströmen gewisse,
zueinander im Widerspruch stehende Aufbaufaktoren. Für hohe elektrische Beanspruchungen
beträgt das optimale Verhältnis des Durchmessers des Außenleiters oder der Abschirmung
zum Durchmesser des Innenleiters E = 2,7. Für die Übertragung von Hochfrequenzströmen
ist das optimale Verhältnis dieser Durchmesser 3,6. Es wird infolgedessen im allgemeinen
zweckmäßig sein, ein Kabel, das gleichzeitig für beide Zwecke Verwendung finden
soll, derart herzustellen, daß dieses Verhältnis einen Wert besitzt, der zwischen
2,7 und 3,6 liegt. Bei derartigen Fällen ist es notwendig, die durch die Abweichung
von den optimalen Verhältnissen hervorgerufene Verschlechterung des Wirkungsgrades
durch zusätzliche Anordnungen auf ein Minimum herabzusetzen, die den Wirkungsgrad
sowohl hinsichtlich der hohen elektrischen Beanspruchung als auch hinsichtlich der
Hochfrequenzübertragung zu vergrößern suchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein elektrisches Kabel mit einem Innenleiter,
der von einem rohrförmigen Außenleiter umgeben ist, derart ausgebildet, daß die
Isolation zwischen den Leitern auf die Außenfläche des Innenleiters und die Innenfläche
des Außenleiters durch eine beispielsweise gespritzte Schicht von thermoplastischem
Material hoher Dielektrizitätskonstante und mit niedrigen dielektrischen Verlusten
begrenzt wird und daß die Isolation zwischen den thermoplastischen Schichten unter
Gasdruck gehalten wird, um die dielektrischen Eigenschaften dieser Isolation zu
verbessern. Eine oder beide der thermoplastischen Schichten können an den Flächen,
die mit der übrigen Isolation in Berührung stehen, geriffelt werden, um den freien
Zutritt von Gas auf der ganzen Länge der Kabelisolation zu ermöglichen. Vorzugsweise
ist diese Riffelung nur bei der am Außenleiter oder der Abschirmung liegenden Schicht
vorhanden, da die elektrische Beanspruchung in diesem Bereich ein Minimum hat. Die
Isolation zwischen den beiden gespritzten Schichten kann in bekannter Weise ausgebildet
sein. Sie kann aus sich überlappenden Schichten von imprägniertem oder unimprägniertem
Papier oder auch einfach aus irgendeinem Abstandshalter, wie z. B. Scheiben, Textilkordeln,
Polystyrolgeflechten u. dgl., bestehen, die die innere und die äußere thermoplastische
Schicht voneinander trennen.
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Die thermoplastischen, gespritzten Schichten können aus einem polymerisierten,
aromatischen Monoolefin bestehen, wie z. B. Polystyrol oder Mischungen, die Polystyrol
enthalten, wie z. B. Polyisobutylen, oder aus einem anderen aliphatischen Monoolefin
und Polystyrol. Das gespritzte Material kann geeignete Füllmaterialien enthalten.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können eine oder beide
der thermoplastischen Schichten als zwei Schichten ausgebildet werden, die durch
eine zylindrische, leitfähige Schicht getrennt werden. Die leitfähigen Schichten
sollen in der Lage sein, den niederfrequenten Ladestrom und den Hochfrequenzstrom
zu übertragen, und sie sollen einem glatten, zylindrischen Rohr möglichst nahekommen.
Diese leitfähigen Schichten sind an den Verbindungsstellen mit dem Innen- und Außenleiter
verbunden, so daß sie das Potential des angeschlossenen Leiters annehmen. Bei der
leitfähigen Schicht in der äußeren thermoplastischen Lage kann Erdpotential angelegt
werden, indem man sie an den Verbindungsstellen an einen geerdeten Teil des Kabelsystems,
beispielsweise den Bleimantel, anschließt. Die Notwendigkeit der Anbringung eines
Außenleiters der normalen Konstruktion, beispielsweise aus Kupferbändern, ist dann-
nicht mehr vorhanden. Andererseits kann die leitfähige Schicht in der äußeren thermoplastischen
Lage als Zwischenschicht in einem Kabel verwendet werden. In diesem Fall ist das
Potential höher als Erdpotential. Die Metallschicht zwischen den thermoplastischen
Schichten kann aufgespritzt oder durch andere bekannte Verfahren niedergeschlagen
werden.
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Das Material zu beiden Seiten der leitfähigen Schicht in den beiden
thermoplastischen Schichten braucht nicht das gleiche zu sein. So kann beispielsweise
die am Hauptleiter liegende Teilschicht der inneren thermoplastischen Schicht, wenn
gewünscht, aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante und hohem Verlustwinkel,
beispielsweise Gummi, synthetischem - Gummi od. dgl., bestehen,
da
dies Material infolge der Verbindung der leitfähigen Schicht mit dem Hauptleiter
an den Verbindungsstellen außerhalb des elektrischen Feldes des Kabels liegt. Ebenso
braucht die leitfähige Schicht nicht in der Mitte der thermoplastischen Schicht
angeordnet zu sein.
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Die äußere thermoplastische Schicht bietet dem auf die Hauptisolation
einwirkenden Gasdruck einen Widerstand und setzt deshalb die Notwendigkeit, eine
mechanische Verstärkung anzuwenden, auf ein Minimum herab. Wenn der in der äußeren
gespritzten Schicht eingeschlossene Leiter als metallische Zwischenschicht und als
Hochfrequenzleiter verwendet wird, können auf die äußere gespritzte Schicht Lagen
von imprägniertem Papier aufgebracht werden, die sowohl als mechanische Verstärkung
als auch als ein Teil der radialen, unter der Niederfrequenzspannung stehenden Isolation
wirken. Die Papierlagen würden in einen Bleimantel eingeschlossen werden.
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Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die gespritzten Schichten oder
das System von Schichten mit einem dünnen metallischen Leiter, beispielsweise aus
Kupfer von o,oS mm radialer Stärke, unter einem derartigen Gasdruck gehalten werden,
daß sich keine Gaseinschlüsse oder Hohlräume innerhalb der Schichten bilden können.
Ferner sollen die gespritzten Schichten oder die Schichtsysteme fest gegen den Innen-
bzw. den Außenleiter oder die mechanische Verstärkung gepreßt werden. Die Erfindung
soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, die verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung als Beispiele zeigt.
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In den Fig. i bis 5 sind verschiedene Arten von Innenleitern mit der
bzw. den gespritzten Schichten dargestellt.
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In Fig, i ist i ein massiver Leiter und 2 eine um diesen gespritzte
Schicht aus thermoplastischem ?Material.
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Bei Fig. 2 ist i der massive Leiter, 2 die thermoplastische, gespritzte
Schicht und 3 eine Lage von Kupferbändern, die schraubenförmig zwischen dem Leiter
i und der Schicht 2 angebracht sind.
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In Fig. 3 ist 1 ein verseilter Leiter, der aus einer Anzahl von massiven
Drähten bestehen kann, und 2 wiederum die gespritzte Schicht.
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Fig. q. zeigt eine Kombination der Anordnungen nach den Fig. 1, 2
und 3, bei der i der verseilte Leiter, 2 die gespritzte Schicht und 3 die schraubenförmig
aufgebrachten Kupferbänder sind.
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Bei Fig. 5 ist i der verseilte Leiter, q. der innere Teil einer zusammengesetzten,
gespritzten Schicht aus irgendeinem geeigneten spritzbaren Material, das nicht unbedingt
ein guter Isolator zu sein braucht, 5 ein metallischer Film, der einen Hochfrequenzleiter
darstellt und durch Aufspritzen oder ein anderes Verfahren aufgebracht sein kann,
und 2 der äußere Teil der zusammengesetzten, gespritzten Schicht, der aus einem
Material hoher Isolierfähigkeit besteht.
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Die Fig.6 und 7 zeigen zwei Anordnungen von Außenleitern. Hierin ist
6 eine gespritzte Schicht aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante, 7 eine
Lage von schraubenförmig umgewundenen Kupferbändern, die ineinandergreifend ausgebildet
sein können, so daß sie einen selbsttragenden Zylinder bilden, wie es z. B. in der
britischen Patentschrift 417 929 beschrieben ist. 8 ist eine zylindrische, leitfähige
Schicht, die auf die Schicht 6 aufgespritzt oder auf andere Weise niedergeschlagen
ist, und 9 ist eine gespritzte Schicht, die nicht unbedingt aus einem Material mit
hoher Dielektrizitätskonstante zu bestehen braucht, da ihre Hauptaufgabe darin besteht,
als Schutz für die Metallschicht 8 zu wirken. io ist ein zum Schutz angebrachter
Mantel.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Außenleiters, die nicht dargestellt
ist, kann die gespritzte Schicht 6 direkt unter einem Bleimantel angeordnet sein,
der in diesem Fall als Außenleiter wirken würde. Es soll erwähnt werden, daß einer
oder mehrere der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Außenleiter innerhalb eines einzigen
Bleimantels angebracht werden können.
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Die gemäß der Erfindung ausgebildeten Kabel entstehen durch Kombination
eines der Innenleiter nach Fig. i bis 5 mit einem der Außenleiter nach Fig. 6 und
7. Die Fig. 8 bis 12 zeigen Ausführungsformen von gemäß der Erfindung ausgebildeten
Kabeln.
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In den Fig. 8 und 9 bezeichnet i irgendeinen Innenleiter, der an seiner
Außenseite von einer Schicht 2 eines Materials hoher Isolationsfähigkeit umgeben
ist, beispielsweise einen der Innenleiter nach den Fig. i bis 5. Mit i i sind Lagen
aus faserigem Isoliermaterial, wie z. B. unimprägniertem, vorzugsweise acetyliertem
Papier, oder Papier, das entweder acetyliert oder unacetyliert mit Polystyrol oder
einem anderen geeigneten polymeren Material imprägniert ist, bezeichnet. Mit i i'
sind Kordeln bezeichnet, die aus miteinander verdrillten Cotopafäden oder aus Polystyrol
und/oder einem anderen polymeren Material bestehenden Fäden zusammengesetzt und
auf der gespritzten Schicht aufgebracht sind, so daß sie den Innenleiter i mit einem
schraubenförmigen Schlag umgeben, um die am Innenleiter i liegende gespritzte Schicht
von der am Außenleiter 13 liegenden gespritzten Schicht zu trennen. Der Außenleiter
und die gespritzte Schicht können beispielsweise nach Art der Fig.6 oder 7 ausgebildet
sein. Mit der Bezugsnummer io sind der Bleimantel und/oder Schutzumhüllungen aus
Papier. Jute, Bändern aus Sackleinwand oder einem anderen faserigen Isolierstoff
bezeichnet.
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Fig. io zeigt eine Kombination der in den Fig. 8 und 9 dargestellten
Anordnungen mit Schichten aus faserigem Isolierstoff 1q., die durch Röhren, Bänder,
Fäden u. dgl. i i' aus schraubenförmig aufgebrachter Cotopazellulose, Polystyrol
oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial getrennt sind. In Fig. io bezeichnet
die Bezugsnummer io ebenso wie bei den Fig. 8 und 9 den Bleimantel. 13 ist der Außenleiter
und 12 die gespritzte Schicht.
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In Fig. ii sind mit io, 12 und 13 die gleichen Teile wie vorher bezeichnet,
während die Bezugsnummer 16 vier Streifen aus Isoliermaterial, beispielsweise
Polystyrol,
bezeichnet, die, wie dargestellt, Abstandhalter zwischen dem Innen- und dem Außenleiter
bilden.
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Fig. 12 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung. Hierin sind
17, 18 und 19 die gemäß der Erfindung ausgebildeten isolierten Adern, 2o die Zwischenräume.
die mit vorzugsweise imprägniertem, faserigem Material, wie z. B. Papier oder Jute.
ausgefüllt sein können. 21 ist eine faserige, vorzugsweise imprägnierte Isolierung,
22 der Bleimantel oder eine andere Schutzhülle.
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Die isolierten Adern 17 , 18, 19 können mit Leitern in Parallelschaltung
an einer Phase eines Vielphasenwechselstromsystems gemäß der britischen Patentschrift
461 677 benutzt werden.