DE924390C

DE924390C - Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE924390C
Application number: DEG8698A
Authority: DE
Inventors: Edward Leslie Davey
Original assignee: WT Glover and Co Ltd
Current assignee: WT Glover and Co Ltd
Priority date: 1947-08-05
Filing date: 1950-10-26
Publication date: 1955-03-03

Description

Das Patent 914 507 betrifft ein Hochspannungskabel mit einem Leiter und darauf überlappend aufgewickeltem Dielektrikum, bei dem der innere Teil aus einem Film von molekular orientiertem Polystyrol und der äußere Teil aus vorimprägniertem Papier aufgebaut ist, der innere Teil nicht weniger als vierzehn Schichten enthält und eine Wanddicke besitzt, welche innerhalb eines Bereichs liegt, dessen untere Grenze gleich io^fl/» des Radius der Leitoberfläche und dessen obere Grenze 45% der Wandstärke des ganzen Dielektrikums ist. Unter Betriebsbedingungen sind die Zwischenräume beider Teile des Dielektrikums mit einem Gas unter überatmosphärischem Druck gefüllt.

In diesem Patent ist dargelegt, daß die Eigenschäften der Kabel im wesentlichen durch die Kombination der zwei Dielektrika geändert werden und daß beträchtliche Vorteile in bezug auf Durchschlagsfestigkeit bei Stoßbeanspruchung, verringerte Verluste und verringerte Kapazitanz erhalten werden. Mit dem Ziel, ein Kabel von hoher Durchschlagsfestigkeit bei Stoßbeanspruchung, geeignet für Verwendung bei Netzspannungen am unteren Ende des Hochspannungsbereichs, zu erhalten, welches wirtschaftlicher¹ als das den Gegenstand des Hauptpatents bildende Kabel bei der Verwendung für solche Spannungen ist, betrifft die vorliegende weitere Ausbildung der

Erfindung eine abgeänderte Form eines solchen Kabels. In dieser abgeänderten Kabelform besitzt das Dielektrikum des bzw. jedes Leiters ebenfalls einen inneren aus einem molekular orientierten Polystyrolfilm aufgebauten Teil und einen äußeren Teil aus vorimprägniertem Papier. Jedoch sind die Zwischenräume beider Teile mit einer isolierenden Masse ausgefüllt, welche bei keiner Temperatur innerhalb des· Arbeitsbereichs' des Kabels fließt. Der ίο innere Teil hat dabei wie beim Hauptpatent eine Wandstärke, welche innerhalb eines Bereichs liegt, dessen untere Grenze gleich 10% des Radius der Leiteroberfläche ist und dessen obere Grenze sich auf 45¹⁰Zo der radialen Wandstärke des ganzen Dielektrikums beläuft, und besteht aus» nicht weniger als 14 Schichten.

Bei dieser mit einer Masse gefüllten Form des gegen Stoß beanspruchung widerstandsfähigen Kabels kann und wird die Menge an zum Aufbau des· inneren Teils des Dielektrikums verwendeten Polystyrolfilm gewöhnlich weniger sein als die für das Kabel nach dem Hauptpatent erforderliche, und das Füllen der Zwischenräume mit isolierender Verbindung an Stelle von Gas mit überatmosphärischem Drück befreit von der Notwendigkeit,, die Kabelhülle oder eine andere Metallumhüllung, in welche das Kabel eingeschlossen wird, zu verstärken, so daß ein billigeres Kabel, sich ergibt.

Bei dieser mit einer Masse gefüllten Form des gegen Stoßbeanspruchung widerstandsfähigen Hochspannungskabels wird die Masse in die Zwischenräume im inneren und äußeren Teil des aufgewickelten Dielektrikums notwendigerweise eingeführt, während] sie auf einer Temperatur oberhalb ihres Erhärtungspunktes ist.. Beim Abkühlen in situ in dem aufgewickelten Körper des Dielektrikums wird sich die Masse zusamenziehen. Dies wird wahrscheinlich zur Entstehung von nur sehr kleinen Hohlräumen in der Masse führen. Demgemäß muß der Ausdruck »gefüllt«, angewendet auf die Zwischenräume zwischen den Streifen, so verstanden werden, daß er die Anwesenheit solch kleiner Hohlräume in sich schließt.

Die als Füllmasse verwendeten Stoffe sind vorzugsweise solche mit einem wohldefinierten Erhärtungspunkt und sind bei normalen Temperaturen ausreichend weich, um die kleinen relativen Bewegungen zwischen anstoßenden Windungen und Schichten des Isoliermaterials zu gestatten, welche notwendig sind, wenn das Kabel während des Hersteilens oder Verlegens gebogen wird. Geeignete Stoffe sind harzartige Verbindungen, Erdölvaseline und ähnliche Stoffe mit Erhärtungspunkten von 6o° oder höher, bestimmt nach der Kugel- und Ringmethode, wobei der Wert nach den höchsten Betriebstemperaturen des Kabels bestimmt wird. Vorzugsweise werden Stoffe verwendet, welche bei ausreichend niedriger Temperatur flüssig werden, um das Wickeln von Streifen orientierten PoIystyrolfilms und vorimprägnierten Papiers auf den Leiter in einer den Stoff im flüssigen Zustand enthaltenden Rinne ausführen zu lassen.

In dem Patent 914 507 wurde bereits angedeutet, daß ein Überzug aus Schmiermittel, wie Öl oder Vaseline, auf die Oberflächen der Streifen aus Polystyrol aufgebracht werden kann, bevor sie an ihre Stelle im Kabel gewickelt werden. Dieser Überzug sichert genügende Freiheit für relative Bewegung zwischen den übereinanderliegenden Schichten des Poly styrolfilms für das. normale Biegen des Kabels während der anschließenden Herstellungsstufen und während des Umwickeins. Aber er kann nicht immer ausreichen, um das Anednanderklelben der Streifen des Polystyrolfilms zu verhüten, nachdem das Kabel in Dienst gestellt ist. Die in dem Kabelleiter (oder -leitern) bei Belastung des Kabelsi entwickelte Temperatur strebt dazu, die benachbarten Streifen des Polystyrolfilms trotz ihrer anfänglichen Trennung durch den Film aus Schmiermittel miteinander zu verkleben. Die durch das Zusammenkleben der Streifen aus Polystyrolfilm veranlaßte Verringerung in der Biegsamkeit des· Kabels ist von keiner nennenswerten Bedeutung, nachdem das Kabel verlegt wurde, wenn nicht die Verlegung eine vorübergehende. ist. Jedoch hat das Aneinanderkleben der Streifen aus Polystyrolfilm den Nachteil, daß Spalte mit größeren radialenDimensionen, als den radialen Dicken der Streifen entsprechen, gebildet werden können. Solche Spalte verringern die elektrische Wirksamkeit des Dielektrikums und blockieren •auch in gewissem Grade die Gaswege innerhalb des inneren Teils des Dielektrikums, wodurch das Dielektrikum sich weniger zufriedenstellend verhält, wenn der Gasdruck in einem beliebigen. Teil des Kabels verringert wird, wie z. B. beim Auftreten eines Lecks.

Bei der mit einer Masse gefüllten Form des Kabels erniedrigt die Gegenwart der Füllmasse die thermische Widerstandsfähigkeit der dielektrischen Wand und gestattet eine gewisse Verringerung in der Temperatur des Dielektrikums unter den Betriebsbedingungen. Diese Verringerung ist klein und kann nicht wesentlich die Gefahr des Aneinanderklebens der Streifen aus dem Film aus orientiertem Polystyrol verringern, aus welchem der innere Teil des Dielektrikums aufgebaut ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird dieses Ankleben dadurch vermieden oder mindestens in beträchtlichem Ausmaß verringert, daß der innere Teil des Dielektrikums des stoßfesten Kabels, gleichgültig ob von der mit Gas oder mit einer Masse gefüllten Form, aus abwechselnden Einzelstreifenschichten von molekular orientiertem Polystyrolfilm und Schichten, vorzugsweise Einzelstreifenschichten, von vorimprägniertem Papier aufgebaut sind. Als Folge hiervon ist jeder Streifen Polystyrolfilm von jedem !benachbarten Streifen Polystyrolfilm durch vorimprägniertes Papier getrennt. Unter vorimprägniertem Papier ist ein Papier zu verstehen, welches vor dem Überwickeln mit einem Kabelimprägniermittel, welches bei keiner Temperatur innerhalb des Arbeitsbereichs des Kabels fließt, getränkt wurde.

Die radiale Wanddicke des inneren Teils des Dielektrikums kann in der im Hauptpatent be-

schriebenen Art bestimmt werden. Jedoch ist zu beachten, insbesondere beim Umgehen mit einem Kabel für Verwendung bei Netzspannungen am unteren Ende des Hochspannungsbereichs, daß die radiale Dicke des inneren Teils nicht so groß sein darf, daß während der Umhüllung des Kabels mit Blei oder beim Auflöten des Bleimantels auf das Kabel eine Beschädigung der äußersten Schichten aus orientiertem Polystyrol infolge übermäßiger

ίο durch den äußeren Teil des Dielektrikums aus vorimprägniertem Papier übertragener Hitze eintreten kann. So wurde z. B. bei einem mit einer Masse gefüllten! Kabel zur Vermeidung einer Beschädigung des Polystyrolnlms im inneren Teil des Dielektrikums es für befriedigend gefunden, den höchsten Wert der Wärmebeständigkeit des mit Papier durchschossenen und aus orientiertem Polystyrol bestehenden Teils der dielektrischen Wand gleich 40% von der Wärmebeständigkeit der ganzen dielektrischen Wand zu machen.

Ein Beispiel der mit einer Masse gefüllten Form des gegen Stoßbeanspruchung widerstandsfähigen Kabels zum Betrieb am unteren Ende des Hochspannungsbereichs ist in Fig. 1 gezeigt. Es ist für eine Arbeitsspannung von 33 kV zwischen den Leitern eines 3-Phasen-Wechselstrom^-Übertragungssystems bestimmt. Es besteht aus einem Litzen^ leiter ι, dessen kreisförmig angeordnete Drähte z. B. durch Ziehen des Leiters durch einen Ziell·- ring abgeflacht sind und wobei der Durchmesser des abgezogenen Leiters 2,0 cm ist. Der Leiter ist von einer Schutzwand aus metallisiertem Papier umgeben, welche ihm einen wirksamen äußeren Radius von 1,008 cm und eine im wesentlichen glatte Oberfläche in Berührung mit dem umgebenden Dielektrikum gibt. Das letztere besteht aus einem inneren Teil 3 und einem äußeren Teil 4. Der innere Teil 3 des Dielektrikums besteht abwechselnd aus einzelnen Streifenschichten von vorimprägniertem Papier von 0,009 ^cm Dicke und Film aus molekular orientiertem Polystyrol von 0,009^cm Dicke, aufgebaut bis zu einem äußeren Radius von 1,135 ^cm· Die erste Schicht besteht aus einer Wicklung von Polystyrolfilm, die zweite aus einer Wicklung von Papier, die dritte aus Polystyrolfilm usw., oder umgekehrt. Von den drei freigelegten Einizelstreifenschichten sind Schichten 3° aus imprägniertem Papier und Schichten 3^& aus Polystyrolfilm. Der äußere Teil 4 des Dielektrikums ist ganz aus spiraligen Streifen vorimprägnierten Papiers bis zu einem Radius von 1,565 cm aufgebaut. Über dem äußeren Teil des Dielektrikums ist eine Schutzumhüllung 5 aus spiraligen Wicklungen eines Kupferbandes von einer Dicke von

0,0076 cm mit 10 bis 20⁰/o Überlappung aufgebracht. Die Zwischenräume in der umschlossenen Kabelseele sind mit einer isolierenden Masse der beschriebenen) Art ausgefüllt, und die Seele ist in eine Metallhülle 6, z. B. eine Blei-, Bleilegierungs- oder Aluminiumhülle, eingeschlossen, welche von einer korrosionsfesten Umhüllung 7 umschlossen sein kann.

Wenn das als Beispiel beschriebene Kabel der

Fig."i bei einer Netzspannung von 33 kV arbeitet, sind die Beanspruchungen in den verschiedenen Teilen des Dielektrikums die folgenden:

An der Leiteroberfläche (im Polystyrol) ..

An der Leiteroberfläche (in dem trennenden vorimprägnierten Papier)

An der Außenseite des inneren Teils (im Polystyrol)

An der Außenseite des inneren Teils (im Papier)

An der Innenseite des äußeren Teils

An der äußeren Oberfläche des äußeren Teils

kV/cm

60 40	70
53,3
35,5 35,5	75

25.7

In einem in jeder Beziehung dem obigen gleichen Beispiel, außer daß der innere Teil des Dielektrikums ganz aus Streifen des Films aus orientiertem Polystyrol von 0,009 cm Dicke aufgebaut war und daß die radiale Wanddicke des äußeren Teils des Dielektrikums 0,39 cm an Stelle von 0,43 cm war, war die vergleichbare Betrieibsbeanspruchung folgende:

kV/cm

An der Leiteroberfläche

An der Außenseite des inneren Teils des

Dielektrikums

An der inneren Seite des äußeren Teils des

Dielektrikums

An der äußeren Oberfläche des äußeren

Teile des Dielektrikums

60 53,3 35,5 26,4

Aus den angegebenen Betriebsbeanspruchungen ist zu erkennen, daß beide Beispiele der mit einer Masse gefüllten Form eines^ Kabels in hohem Grade gegen Stoßbeanspruchung widerstandsfähig sind, so daß jedes einer Stoßbeanspruchung auf der Leiteroberfläche von annähernd 1200 kV/cm unterworfen werden kann, ohne daß die Durchschlagsfestigkeit des Polystyrols (1250 kV/cm) oder die des vorimprägnierten Papiers (800 kV/cm) in irgendeinem Teil des Dielektrikums erreicht wird.

Ein Beispiel eines gasgefüllten Einseelenkabels mit einem Dielektrikum, dessen innerer Teil aus abwechselnden Einzelstreifenschichten aus Polystyrolfilm und Schichten aus vor imprägniertem Papier aufgebaut ist, ist in Fig. 2 gezeigt, welche eine perspektivische Ansicht eines abgestuften Kabelendes ist. Das Kabel ist für eine Betriebsspannung von 132 kV zwischen den Leitern eines 3-Phasen-Wechselstrom-Übertragungssystems bestimmt. Es besteht aus einem Litzenleiter 1, dessen kreisförmig angeordnete Drähte durch Ziehen des Leiters durch einen Ziehring abgeflacht sind, wobei der Durchmesser des gezogenen Leiters 2,0 cm beträgt. Der Leiter ist mit einer Schutzwand 2 versehen, welche aus zwei Schichten vorimprägnierten metallisierten Papierbands, aufgewickelt mit einer 5- bis ioprozentigen Überlappung mit ihren metallischen Oberflächen nach außen, gefolgt von einer

gleichen Überlappung aus· vorimprägniertem nicht perforiertem metallisiertem Papierband, besteht.

Diese Bänder sind 0,0075 cm dick, so daß die Schutzwand eine radiale Dicke von 0,023 ^cm be~ sitzt, was den Leitern einen wirksamen äußeren Radius von 1,023 cm und eine glatte Oberfläche

" in Berührung mit dem umgebenden Dielektrikum gibt. Der innere Teil 3 des Dielektrikums besteht abwechselnd aus einzelnen Streifenschichten von vorimprägnieirtem Papier von 0,006 cm Dicke und einzelnen Streifenschichten von orientiertem Polystyrolfilm von 0,01 cm Dicke, aufgebaut bis zu einem äußeren Radius von 1,403 cm. Die erste Schicht besteht aus Polystyrol, die nächste aus Papier, die dritte aus Polystyrol usw. Statt dessen kann die erste Schicht aus Papier, die zweite aus Polystyrol, die dritte aus Papier usw. sein. Der äußere Teil 4 des Dielektrikums ist ganz aus spiraligen Überlappungen aus Streifen aus vorimprägniertem Papier bis zu einem äußeren Radius von 2,27 em aufgebaut. Über dem äußeren Teil des Dielektrikums ist eine Schutzwand 5 durch spiraliges Aufwickeln eines· 0,0075 cm dicken Kupferbandes mit 10- bis 20°/»iger Überlappung gebildet.

Der abgeschirmte Kern ist in eine Umhüllung 6 aus Blei oder Bleilegierung eingeschlossen, welche durch spiralig überlappend aufgewickelte Metallbänder 7, 8 und 9 mechanisch verstärkt ist, um einem inneren Gasdruck von etwa 14 Atm. zu widerstehen. Diese verstärkenden Bänder sind in eine zweite Umhüllung 10 aus Blei oder Bleilegierung eingeschlossen, welche gegen Korrosion durch eine äußere Schutzhülle 11 aus mit Bitumen imprägnierter Jute od. dgl. geschützt ist. Unter Betriebsbedingungen enthält das Kabelinnere, nämlich der Teil innerhalb der inneren Umhüllung 6 Stickstoff unter einem Druck von 14 Atm.

Wenn mit einer Netzspannung von 132 kV arbeitend, sind die Beanspruchungen bei diesem Beispiel eines Kabels gemäß Fig. 2 annähernd die folgenden:

I kV/ cm

An der Leiter ober fläche (im Papier) ... _t
An der Lederoberfläche (im Polystyrol) ..
An der Außenseite des inneren Teils des

Dielektrikums (im Papier)

An der Außenseite des inneren Teils des

Dielektrikum® (im Polystyrol)

An der Innenseite des äußeren. Teils des

Dielektrikums

An der Außenseite des äußeren Teils des

Dielektrikums

85
115

62
84
62
38,4

Unter einer zehnfach größeren Stoßbeanspruchung als der Arbeitsspannung wird die größte Beanspruchung im Polystyrol ii5okV/cm sein, welches deutlich unter 1250 kV/cm, d. h. der Durch-Schlagsfestigkeit des Polystyrolfilms, liegt. Das Kabel ist deshalb widerstandsfähiger gegen Stoßbeanspruchung als Kabel mit einem Dielektrikum der gleichen radialen Dimension, welches ganz aus vorimprägniertem Papier aufgebaut ist, denn unter gleichen Stroßbeanspruchungen würde die Beanspruchung in dem Papier an der Oberfläche des Leiters eines solchen Kabels 910 kV/cm sein, welche größer als 800 kV/cm ist, d. h. die Durchschlagsfestigkeit vorimprägniierten Papiers bei alleiniger Verwendung. Es könnte angenommen werden, daß unter solchen Stoßbedingungen die Beanspruchung in dem Papier an der Oberfläche des Leiters des abgeänderten Kabels die Durchschlagsfestigkeit des vorimprägniertenPapiers überschreiten würde. Dies ist jedoch nicht der Fall. Dank der Impedanz des Papiers, welche sich mit dem Annähern an die Durchschlagsfestigkeit verkleinert, strebt die Beanspruchung in den Papierschichten zum Nebenschluß mit den benachbarten Polystyrolschichten, so daß die tatsächliche größte Stoßbeanspruchung nicht 850 kV/cm sein wird, wie aus den oben gegebenen Zahlen scheinen würde, sondern einen geringeren Wert, welcher weniger als die Durchschlagsfestigkeit von 800 kV/cm ist. Somit ist das abgeänderte Kabel Widerstandsfähiger gegen Stoßbeanspruchung als ein nur mit Papier umwickeltes Kabel der gleichen Ausmaße, und es ist hinsichtlich seiner Durchschlagsfestigkeit mit einem Kabel vergleichbar, welches ein Dielektrikum besitzt, das aus einem inneren ganz aus Polystyrolfilm aufgebauten und einem äußeren aus vorimprägniertem Papier aufgebauten Teil besteht und mit Gas von überatmosphärischem Druck gefüllt ist, wie im Patent 914 507 beschrieben.

Es ist zu beachten, daß, obwohl die beschriebenen Beispiele Einseelenkabel betreffen, die Erfindung auch auf Vielseelenkabel anwendbar ist, daß tatsächlich die beispielsweise beschriebenen Formen in bezug auf die Konstruktion der Kabelleiter und des Dielektrikums für abgeschirmte 1°° Dreiseelenkabel oder mit Bleiumhüllungen versehene Dreiseelenkabel verwendet werden können und daß die Form des Dielektrikums auch als Dielektrikum von Leitern von ovaler oder Sektorengestalt benutzt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hochspannungskabel nach Patent 914 507, no dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume beider Teile des Dielektrikums statt mit einem Gas unter überatmosphärischem Druck mit einer isolierenden Masse gefüllt sind, welche bei keiner Temperatur innerhalb des Bereichs der Betriebstemperaturen des Kabels fließt.

2. Kabel nach dem Patent 914507 oder Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil des Dielektrikums aus abwechselnden Einzelstreifenschichten aus einem Film von molekular orientiertem Polystyrol und aus vorimprägniertem Papier aufgebaut ist.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus vorimprägniertem Papier im inneren Teil des Dielektrikums Einzelstreifenschichten sind.

4· Mit einer Masse gefülltes Kabel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil aus abwechselnden Einzelstreifenschichten aus orientiertem Polystyrolfilm mit einer Dicke von 0,009 ^cm ^ηη& dazwischen anr geordneten Schichten aus vorimprägniertem Papier mit einer Dicke von 0,009 cm aufgebaut ist.

5. Gasgefülltes Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Polystyrolfilms etwa 0,01 cm und die Dicke des dazwischen liegenden Papiers etwa 0,006 cm ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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