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Elektrisches Kabel mit unter innerem oder äußerem Uberdruck stehendem
zweischichtigem Mantel Die Erfindung befaßt sich mit der Ausgestaltung des Mantels
von elektrischen Kabeln, die unter einem inneren oder äußeren Überdruck stehen.
Solche Kabel sind beispielsweise öl- oder gasgefüllte Kabel, bei denen in oder außerhalb
der Isolierung ein flüssiges oder gasförmiges Tränkmittel unter Druck zirkuliert;
hier steht der Mantel unter einem inneren Überdruck. Unter äußerem Überdruck wird
der Kabelmantel dagegen bei den sogenannten Druckkabeln gehalten, bei denen das
ummantelte Kabel in ein druckfestes, mit einem Druckmittel gefülltes Rohr eingezogen
ist. Äußere überdrücke können weiter auch bei Seekabeln auftreten. Es hat sich gezeigt,
daß Kabelmäntel, und zwar insbesondere die bisher üblichen Bleimäntel, bei normalen
Drücken allen Anforderungen bezüglich Dichtheit entsprechen. Bei Anwendung eines
Überdruckes besteht jedoch die Gefahr, daß kleinste Risse und Fehlerstellen, die
bei der Herstellung des Mantels nicht immer zu vermeiden sind, durch den höheren
Druck aufgeweitet oder aufgerissen werden. Eine einfache Vergrößerung der Wandstärke
oder Legierungszusätze zum Blei führen nicht zu einer verläßlichen Abhilfe. Man
hat daher für solche Fälle, insbesondere für Seekabel, bereits vorgeschlagen, den
Mantelaus zwei Schichten aufzubauen,
wobei beide Schichten etwa
gleich stark und für den ganzen Druck ausreichend bemessen waren. Die hierzu führende
Überlegung war die, daß Fehlerstellen in beiden Mänteln mit größter Wahrscheinlichkeit
nicht an der gleichen Stelle auftreten werden, so daß der eine Mantel immer die
Fehlerstellen des anderen überdeckt. Es ist auch bereits bekannt, zwischen die beiden
Schichten ein Dichtungsmittel, wie beispielsweise Bitumen, einzubringen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die bekannten zweischichtigen
Kabelmäntel, abgesehen davon, daß sie infolge Bemessung jeder Schicht für den vollen
überdruckübermäßigschwer und steif werden, ihre Aufgabe nicht voll erfüllen können.
Es ist nämlich nicht möglich, die beiden Schichten vollkommen dicht aufeinander
aufzubringen. Auch eine Dichtungsschicht aus Bitumen od. dgl. läßt sich nicht so
einbringen, daß der Raum zwischen den beiden Mantelschichten vollkommen dicht ausgefüllt
ist. Durch Fehlerstellen in der einen Mantelschicht hindurchgedrungene Feuchtigkeit
kann sich daher in dem Zwischenraum zwischen den beiden Schichten ausbreiten und
durch auch an anderen Stellen der zweiten Mantelschicht liegende Fehlerstellen hindurchdringen.
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Gemäß der Erfindung gelingt es dagegen, einen auch unter innerem oder
äußerem Überdruck einwandfrei dichten Kabelmantel für elektrische Kabel herzustellen,
der dabei wesentlich dünner und daher leichter ist als die bisher gebräuchlichen
zweischichtigen Mäntel, indem der Mantel aus einer druckfesten Schicht und einer
auf der Seite' des höheren Druckes angeordneten drucknachgiebigen Futterschicht
gebildet wird.
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Die beiden Mantelschichten können dabei aus gleichem Werkstoff bestehen.
In diesem Fall wird die drucknachgiebige Futterschicht dünner, und zwar wesentlich
dünner gemacht als die druckfeste Schicht. Die beiden Schichten können aber auch
aus verschiedenen Werkstoffen gebildet werden, wobei für die drucknachgiebige Schicht
ein unter erhöhter spezifischer Beanspruchung plastisch verformbarer Werkstoff gewählt
wird. Die druckfeste Schicht kann dabei in beiden Fällen durch an sich bekannte
Druckschutzorgane, z. B. in Form einer Bandwendel aus zug- bzw. druckfestem Werkstoff,
verstärkt sein.
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Beispielsweise können beide Mantelschichten aus Blei oder Aluminium
bestehen, , wobei in letzterem Fall die drucknachgiebige Futterschicht vorzugsweise
aus Reinstaluminium, z. B. mit einem Reinheitsgrad von 99,99°/o gebildet wird, oder
es kann die druckfeste Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die
drucknachgiebige Schicht aus Blei oder einer Bleilegierung ausgebildet werden.
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In manchen Fällen wird es vorteilhaft sein, zwischen den beiden Mantelschichten
noch eine dichtende Trennschicht anzuordnen, die elastischer oder plastischer Natur
sein kann. Sie kann z. B. aus natürlichem oder synthetischem Kautschuk oder aus
Mischungen dieser beiden zusammen gegebenenfalls mit Füllstoffen bestehen und vulkanisiert
oder unvulkanisiert sein. Die Dichtungsschicht kann ferner aus Guttapercha, Balata,
organischen Kunststoffen, wie z. $. Pölyvinylchlorid, Polyisobutylen od. dgl., oder
einer Bitumenverbundmasse usw. bestehen. Zwecks besserer Ableitung der Betriebswärme
des Kabels kann die Dichtungsschicht z. B. durch Beigabe größerer Ruß- oder Graphitmengen
halbleitend gemacht werden.
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Der erfindungsgemäße Aufbau eines Kabelmantels bietet den Vorteil,
daß sich der Futtermantel unter dem Betriebsdruck plastisch verformt und sich bzw.
die zwischen den beiden Mantelschichten angeordnete Dichtungsschicht fest gegen
die druckfeste Mantelschicht preßt und damit alle in dieser Schicht etwa vorhandenen
Undichtigkeiten mit Sicherheit verschließt, so daß ein Abfließen des Betriebsöles
oder Druckgases von innen nach außen bzw. ein Eindringen von Wasser in die Kabelseele
verhindert wird.
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Die Aufweitung bzw. Anpressung der Futterschicht kann durch den Betriebsdruck
selbst erfolgen. Es ist aber auch möglich, diesen Vorgang bereits am Herstellungsort
der Kabel durchzuführen, indem das Kabel einem Überdruck ausgesetzt wird, der mindestens
gleich dem Betriebsdruck ist. Es war bisher bereits üUlich, Kabelmäntel, besonders
solche, die unter erhöhtem- Öl- oder Gasdruck betrieben oder einem äußeren Wasserdruck
ausgesetzt werden sollten, in der Fabrik unter einem verhältnismäßig hohen Prüfdruck
zu setzen, um einigermaßen die Sicherheit zu haben, daß der Mantel gas- bzw. wasserdicht
ist. Die Erfahrung hat aber ergeben, daß ein zu hoher Prüfdruck dem Mantel häufig
schädlich ist, indem verborgene schwache Stellen, z. B. eine nicht einwandfrei verbundene
Längsnaht, die wahrscheinlich den Betriebsanforderungen noch genügt hätte, infolge
zu hohen Prüfdruckes noch eine weitere schädliche Schwächung erfuhr, was jedoch
bei der Prüfung zunächst nicht festgestellt wurde; später, wenn das Kabel längere
Zeit in Betrieb war und gewisse Beanspruchungen beim Auf- und Abwickeln während
des Transportes und bei der Verlegung durchgemacht hatte, traten die Fehler dann
zu Tage. Die Ausbesserung solcher Fehler kann insbesondere bei Seekabeln ganz beträchtliche
Betriebsausfälle und Kosten verursachen.
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Im Gegensatz zu den erwähnten Druckprüfungen kann ein Kabelmantel
gemäß der Erfindung, mit wesentlich niedrigeren Drücken geprüft werden, so daß die
Gefahr einer Beschädigung des Mantels nicht besteht. Aber selbst ein verhältnismäßig
weit über dem Betriebsdruck hinausgehender Prüfdruck ist bei einem- Kabel gemäß
der Erfindung unbedenklich, weil infolge des hohen Prüfdruckes etwa gesprengte Poren
durch die Futtermantelschicht gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit der dichtenden
Zwischenschicht unter dem Druck einwandfrei verschlossen werden.
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Das Anlegen der Futterschicht an die druckfeste Schicht kann gegebenenfalls
noch dadurch unterstützt werden, daß der Mantel einer mechanischen
Druckbeanspruchung
von außen, z. B. durch umlaufende oder festgelagerte Profilwalzen, ausgesetzt wird.
In der Regel wird aber bei noch so sorgfältiger Ausführung der Arbeiten am Herstellungsort
beim Transport und bei der Verlegung infolge unvermeidlicher wiederholter Biegungen
des Kabels der dichte Zusammenschluß des Mantels wieder etwas aufgelockert, so daß
eine erneute Anpressung der Futterschicht nach der Verlegung erfolgen muß. Hierauf
ist bei der Bemessung des Mantels Rücksicht zu nehmen.
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Die Bemessung des Mantels muß so erfolgen, daß die Futterschicht unter
dem Betriebsdruck oder gegebenenfalls unter einem besonders anzuwendenden Prüf-
oder Formungsdruck sich in nicht zu langer Zeit verformt, d. h. also, daß die Beanspruchung
der Futterschicht oberhalb der Kriechgrenze liegt. Da Blei weder eine definierte
Streckgrenze noch eine ausgeprägte Kriechgrenze besitzt, sondern vielmehr schon
unter sehr geringer Beanspruchung, wenngleich zunächst fast unmerklich, so doch
stetig zu kriechen beginnt, und bei Aluminium die technologischen Vorgänge .hinsichtlich
des Kriechens von ähnlicher Charakteristik sind, soll als Kriechgrenze im Sinne
des Erfindungsgedankens eine Werkstoffbeanspruchung verstanden werden, die für Blei
wenigstens mit 25 kg/cm2 und für Reinstaluminium wenigstens mit i5o kg/cm2 als untere
Belastungsgrenze anzunehmen ist. Nachstehendes Rechnungsbeispiel soll zur Erläuterung
hierzu dienen: Der Betrachtung sei ein unter Öldruck arbeitendes Hochspannungskabel
zugrunde gelegt, bei dem der Betriebsdruck an dem tiefsten Punkt 2,5 atü betragen
soll; die äußere Kabelmantelschicht soll aus Blei mit 3,5 mm Wandstärke hergestellt
und mit einer äußeren Druckbandage aus einer zugfesten Wendel aus Hartmessingband
versehen sein, so daß sie für die gegebenen Betriebsbedingungen als druck- und standfest
anzusehen ist. Die innere unter Betriebsdruck nachgiebige dünne aus Beinblei gefertigte
Mantelschicht (Futterschicht) soll eine Wandstärke von 1,4 mm bei 45 mm lichtem
Durchmesser haben. Die Futterschicht steht also bei dem höchsten Betriebsdruck unter
einer spezifischen Beanspruchung von 37 kg/cm2. Geht man von der Annahme aus, daß
die Futterschicht eine Vergrößerung ihres Durchmessers um i °/o, also um 0,45 mm
erfahren muß, um die beim Aufpressen unvermeidlichen Durchmesserschwankungen auszugleichen
und die zwischen den beiden Mantelschichten liegende Dichtungsschicht fest zusammen
und gegen die äußere druckfeste Schicht zu pressen, dann würde unter Berücksichtigung
der dem Beinblei eigentümlichen Kriechfestigkeit und der aus dem Grad der Beanspruchungen
sich ergebenden Kriechgeschwindigkeit die erforderliche Aufweitung bei Normaltemperatur
in nahezu einem Monat vor sich gehen. Wenn die Druckwirkung unter erhöhter Temperatur
vorgenommen werden kann, die aber vielfach erst nach Inbetriebnahme der Kabelanlage
verfügbar ist, dann würde die Zeitdauer für die Aufweitung des Bleimantels entsprechend
geringer sein, weil Blei bei höheren Wärmegraden eine größere Kriechgeschwindigkeit
besitzt.
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Falls es sich bei dem betrachteten Beispiel um ein Fluß- oder Seekabel
handelt, so ist es erforderlich, daß der Kabelmantel nicht nur im tiefsten Wasser,
sondern auch schon bei geringen Wassertiefen, z. B. im Bereich des Ufers, dicht
ist. Nimmt man eire Wassertiefe von 1o m an, so daß an der Eintrittsstelle in das
Wasser der außenwirkende Wasserdruck auf Null herabsinkt und der innere Öldruck
sich von 2,5 atü auf annähernd 1,6 atü verringert, dann ist an dieser Stelle die
1,4 mm starke Futterschicht des Bleimantels mit 25 kg/cm2 beansprucht. Jene Aufweitung
um i % unter dieser Belastung würde unter Berücksichtigung der Kriechgeschwindigkeit
des Bleies bei Normaltemperatur eine Zeitdauer von wenigstens 3 Monaten beanspruchen.
Es müßte daher in diesem Fall entweder die Futterschicht noch schwächer als vorstehend
angegeben oder aus einem weniger widerstandsfähigen Werkstoff ausgeführt werden,
um bei der angegebenen Druckhöhe auf eine höhere spezifische Belastung zu kommen.
Andererseits könnte durch Anwendung höherer Drücke als des Betriebsdruckes und/oder
höherer Temperaturen eine sichere Abdichtung in erträglichem Zeitraum herbeigeführt
werden.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele elektrischer Kabel
gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i ein Hochspannungseinleiterkabel
für Ölspeisung vom Innenleiter her, Fig.2 ein Hochspannungseinleiterkabel für Ölspeisung
von außen her und Fig. 3 ein Fernmeldekabel.
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In Fig. i ist 4 der aus in zwei Lagen übereinander längs verseilten
Einzeldrähten aufgebaute Kernleiter, durch dessen Hohlraum 5 das unter Druck stehende
Betriebsöl zirkulieren kann. Gber dem Innenleiter ist die aus wendelförmig umwikkelten
Papierbändern bestehende Isolierung 6 aufgebracht, die von dem durch den Innenleiter
hindurchtretenden Isolieröl durchdrungen ist. Die Isolierschicht 6 ist mit dem gemäß
der Erfindung aufgebauten Kabelmantel nach außen hin abgeschlossen, der aus der
unter demBetriebsöldruckplastisch verformbaren dünnen Bleischicht 7 und der druckfesten
Bleischicht 8 besteht, deren Standfestigkeit gegen den inneren Öldruck durch eine
Bandage 9 aus wendelförmig umwickelten Hartmessingbändern erhöht ist. Zwischen den
beiden Mantelschichten 7 und 8 ist eine plastisch verformbare abdichtende Zwischenschicht
io aus unvulkanisiertem synthetischem Kautschuk angeordnet. Über der äußeren Bleimantelschicht
ist zum Schutz gegen chemische und mechanische Angriffe eine Drahtbewehrung i i
angeordnet, die zwischen zwei jute-Asphaltschichten 12 und 13 eingebettet ist.
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Bei dem Kabel nach Fig.2 ist der Leiter mit einer Isolierschicht 17
versehen, über der ein dünner, an vielen Stellen durchbrochener Metallbelag r8 angeordnet
ist. über der Isolierschicht ist im Abstand von dieser der erfindungsgemäß aufgebaute
Kabelmantel angeordnet, der aus der unter dem
Betriebsdruck verformbaren
dünnen Bleischicht i9, einer druckfesten äußerenAluminiumschicht 2o und einer abdichtenden
Zwischenschicht 2i, z. B. aus einem halbleitend gemachten synthetischen Gummi; besteht.
In dem Zwischenraum zwischen dem Metallbelag 18 und der Futterschicht i9 des Kabelmantels
sind mehrere wendelförmig aufgelegte Abstandhalter 22 angeordnet, die der inneren
Mantelschicht i9 zugleich als innerer Druckschutz dienen. Das Betriebsöl zirkuliert
in dem Hohlraum 23 und durchdringt die durchlöcherte Metallfolie 18 und damit die
gesamte Isolierschicht 17 bis zu dem Leiter. Der Leiter selbst kann in diesem Fall
als Volleiter ausgebildet sein. Er kann aber auch, wie dargestellt, als Hohlleiter
ausgeführt sein, wobei in seinem inneren Hohlraum 24 zur Verbesserung der Ableitung
der Betriebswärme eine Kühlflüssigkeit, z. B. Öl, zirkulieren kann. In diesem Fall
empfiehlt es sich, den inneren Hohlleiter ebenfalls im Sinne der Erfindung aus einem
inneren druckfesten Rohr 14, z. B. in Form eines endlos gepreßten Rohres aus Aluminium,
und einer äußeren drucknachgiebigen dünnen Schicht 15, z. B. aus Reinstaluminium,
aufzubauen, wobei zwischen den beiden Schichten 14 und 15 gegebenenfalls noch eine
trennende Dichtungsschicht 16 vorgesehen sein kann. Auch bei diesem Kabel können
über dem äußeren Mantel Schutzschichten und Bewehrungen üblicher Ausführung vorgesehen
sein.
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Bei dem in Fig.3 dargestellten Fernmeldeseekabel bedeutet 25 die aus
sieben Adernvierern aufgebaute Kabelseele. 26 ist ein über dieser Seele aufgebrachter
Druckschutz aus wendelförmig aufgewickeltem Stahlband. Der unter dem äußeren Wasserdruck
stehende Kabelmantel besteht gemäß der Erfindung aus der inneren druckfesten Bleischicht
27 und der äußeren unter dem herrschenden Wasserdruck verformbaren dünnen Bleischicht
28, zwischen denen die unter dem Druck nachgiebige Schicht 29 angebracht ist. 3o
bedeutet eine Runddrahtbewehrung, die zwischen jute-Asphaltschichten 31 und
32 eingebettet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die nur zu ihrer Erläuterung dienenden
Beispiele beschränkt. Die Art und Ausführung der Kabel können hiervon j e nach dem
Bestimmungszweck abweichen. Die Erfindung ist aber auch beispielsweise für die Druckröhren
von Druckkabelanlagen, bei denen das Kabel in eine aus druckfesten Rohren bestehende
Anlage eingezogen wird, die mit einem unter Überdruck stehenden Druckmittel gefüllt
ist, anwendbar. Die Druckröhren können dabei beispielsweise aus einem auf der Strangpresse
hergestellten biegsamen Aluminiumrohr mit einer inneren dünnen Futterschicht aus
Reinstaluminium oder Blei bestehen.
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Die Erfindung ist aber auch beispielsweise bei Leitungsröhren zum
Fortleiten von Gasen und Flüssigkeiten mit Vorteil anzuwenden, wie solche z. B.
als eisenbewehrte Bleiröhren zum Überqueren von Flußläufen üblich sind. Die Anwendung
einer zusätzlichen inneren druckempfindlichen Futterschicht, gegebenenfalls zusammen
mit einer dichtenden Trennschicht, bringt auch hierbei eine erhöhte Sicherheit gegen
Undichtwerden mit sich.