DE964151C - Elektrische Leitung - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

St 1565 VIIId 121 c AUSGEGEBEN AM 16. MAI 1957

818UOTHiK

DES DEUTSCHE«

PATENTAMTES

Elektrische Leitung

(Ges. v. 15. 7. .1951)

Die Isolation der Fernmeldeleitungen wird bei Niederfrequenz zumeist durch Umwicklung der Leiter mit Spezialpapieren, Jute, Gummi oder dergleichen vorgenommen. Nachteilig hierbei ist der große dielektrische Verlustfaktor der verwendeten Isolierstoffe von rund io°/_ü0 und größer, der die Dämpfung der Leitungen verhältnismäßig groß macht, und zwar sind in neuerer Zeit dichte keramische Isolierstoffe mit geringen dielektrischen Verlusten auch bei Niederfrequenz herausgebracht worden. Für die Verwendung solcher Stoffe, beispielsweise in Form von Isolierringen, ist jedoch die große Dielektrizitätskonstante dieser Stoffe nachteilig, da man schon bei den üblichen Leitungen mit Isolierstoffen kleiner Dielektrizitätskonstante häufig gezwungen ist, die Induktivität zum Ausgleich der Kapazität nach den Methoden von Krarup oder Pupin zu erhöhen.

Für geschirmte- Hochfrequenzleitungen ist man allerdings bereits vielfach dazu übergegangen, die bekannten, dicht gesinterten verlustarmen Isolierstoffe der Magnesiumsilikatgruppe zu verwenden, beispielsweise in Form von Isolierringen, die mit größeren Abständen über die zu isolierende Leitung geschoben werden. Auch bei solchen Kabeln ist jedoch die resultierende Kapazität bei hohen Frequenzen iniolge der großen Dielektrizitätskonstante des Stoffes der Isolierringe noch zu groß. Man hat allerdings versucht, zur Verminderung der DK dieser Ringe ein

*) Von der Patentsucherin ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Werner Soyck, Lauf/Pegnitz

709 515/419

Material wie Hartgummi, Kunstharzpreßstoff od. dgl. anzuwenden, mußte dafür aber einen untragbar hohen dielektrischen Verlustfaktor von 5% und mehr in Kauf nehmen. Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Isolierteile aus einem keramischen Stoff mit mindestens 30 °/₀ Porosität bestehen. Durch diese hohe Porosität wird eine Herabsetzung der DK und infolge der geringen Raumerfüllung eine Herabsetzung der dem betreffenden Stoff eigentümlichen dielektrischen Verluste erreicht. Da beide Faktoren, DK und Verlustwinkel, die Leitung je nach dem Betriebsfall in verschiedenem Maße beeinflussen, ergibt sich ein gewisser Spielraum für den Konstrukteur, indem einer relativ kleinen DK ein etwas größerer Verlustfaktor und umgekehrt zugeordnet werden kann. Maßgebend für die Bewertung der Leitungsisolation sind ihr Wellenwiderstand, ihre Dämpfung und bei großen Leistungen ihre Erwärmung. Die Erwärmung der Isolation ist bekanntlich bestimmt durch die dielektrische Verlustleistung iJ²coCtgö (ü"=Spannung, co=Kreisfrequenz,C=Kapazität, tgci=Verlustfaktor), also für ein bestimmtes Formstück durch das Produkt der Dielektrizitätskon-

worin:

-Y

R + joaL ~A +j(oC

= rj + s'

■p = ][{R+J(üL){Ä+j(oC) =aj + b

Wellenlänge: λ ~ 2 —; »Dämpfung« b.

(oL

und nach Heaviside:

._ R klein gegen ω L, also: tg Öl klein gegen ι

A klein gegen ω C, also: tg öc klein gegen ι

und mit der Reihenentwicklung nach Heaviside wird: _L + tg O₀) ω ψΧ

a ph ω

Vi

Die für Uχ und Ιχ angegebenen Gleichungen gelten allgemein. Jedoch ist bei ihrer Auswertung zu berücksichtigen, daß die Induktivitätsverluste (Skin Effekt stante ε und des Verlustfaktors tg<5, β · tg<5, während Wellenwiderstand und Dämpfung in verwickelterer Form von ε und tg<5 abhängig sind. Je nach dem vorliegenden Betriebsfall überwiegt zuweilen der Einfluß der Dielektrizitätskonstante oder der Einfluß des dielektrischen Verlustwinkels. Die Stoffe der Magnesiumsilikatgruppe haben die verhältnismäßig große Dielektrizitätskonstante von rund 5 und Verlustfaktoren von rund 0,5 %o bei io⁶hz und rund i°/₀₀ bei 800 hz.

Die Entscheidung über die Verhältnisse für einen bestimmten Betriebsfall ermöglicht neben der Betrachtung der gegebenenfalls auftretenden Erwärmung des Isolierstoffes: U^% ω C tg<5 die Betrachtung der Verhältnisse für gestreckte lange Leitungen, bei welchen Induktivität I, Kapazität C, Ableitung A und ohmscher Widerstand R längs der ganzen Leitung symmetrisch verteilt sind (L, C, A₁ R), je Längseinheit gerechnet. Bedeuten U₂ und I₂ Spannung und Strom am Leitungsende, so gilt für Spannung Ux und Strom Ix in der Entfernung χ vom Leitungsende, (ω = Kreisfrequenz):

-{C7₂ — I_a*}e-»?e-*»»

— — — (U₂-1_{8
2 z} \ 2 a

4 _e

-6« β-ί

u. a.) bei Wechselstrom nicht allein durch den ohmschen Widerstand bestimmt sind, und die dielekirischen Verluste nicht allein durch die Leitfähigkeit der Isolierstoffe. Daher werden zweckmäßig die Größen tg dt und tg de eingeführt, in denen die betreffenden Gesamtverluste enthalten sind.

Die Entwicklung nach Heaviside gilt nur fürtgöz,, tg δο klein gegen 1. In anderen Fällen sind die Ausgangsgleichungen sinngemäß auszuwerten.

Mit: L — α K₁, C — ε K_s, worin K₁, K₂ Konstanten bedeuten, die durch die geometrische Ausbildung von Leitung und Isolation bestimmt sind, läßt sich die Güte der Leitungsisolation für die verschiedenen Betriebsbedingungen in Abhängigkeit von ε und tg Oc ermitteln.

Als Ausgangspunkt der Betrachtung können stets die Verhältnisse gewählt werden' für ε = 5, tg<5c rund no 0,5 °/₀₀ bei io⁶ hz und rund 1 °/₀₀ bei 800 hz, welche den verwendeten keramischen Magnesiumsilikaten entsprechen. Um eine wirksame Verminderung der Dielektrizitätskonstante, die für die Stoffbestandteile keramischer Massen durchschnittlich rund 5 beträgt, zu erreichen, muß eine Porosität von mindestens 30 °/₀ erzielt werden.

Die keramischen Möglichkeiten zur Herstellung geeigneter Stoffe sind sehr groß. Man kann ausgehen von bekannten Mischungen, die Aluminium- oder Magnesiumsilikate als wesentlichen Bestandteil enthalten und kann diese Stoffe mit einer Reihe feuerfester Oxyde, Al₂O₃, SiO₂, CaO, BaO, MgO, BeO und anderen vermengen. Reichliche Anteile an hochsinternden Oxyden erweisen sich als dielektrisch günstig. Auch reine Oxydmassen lassen sich verwenden. Bekanntlich

lassen sich vielartige Gemische bilden, die bei den üblichen Brenntemperaturen zwischen iioo und i6oo° Stoffe ausreichender mechanischer Festigkeit ergeben und den oben angegebenen Porositätsgrad erreichen lassen. Beispielsweise lassen sich bei Massen, die vorwiegend aus Kieselsäure zusammengesetzt sind, Porositäten von über 6o% erzielen. Bei Vermehrung der Porosität vermindern sich die Dielektrizitätskonstante und die dielektrischen Verluste, aber auch die mechanische Festigkeit, so daß praktisch aus konstruktiven Rücksichten allgemein ein Ausgleich zwischen Festigkeit und hinreichend verminderter Dielektrizitätskonstante erstrebt werden muß.
Die erzielbaren Dielektrizitätskonstanten bewegen sich bei angegebenen Porositäten zwischen Werten von rund 3 bis herunter zu 1,5. Die dielektrischen Verlustfaktoren erreichen beispielsweise für hochgradig poröse Kieselsäurestoffe Werte von rund 2 %₀ bei 10^β hz. Die oben angegebene Auswertung der Leitungsgleichungen gestattet in jedem Fall eine einfache Entscheidung darüber, ob der Ersatz des Magnesiumsilikates elektrisch durch einen der angeführten Stoffe nach der Erfindung erstrebenswert ist.
Die Verwendung der hochporösen Isolierstoffe wird im allgemeinen in getrockneten, abgeschlossenen, abgeschirmten Kabeln erfolgen können. Für BetriebsVerhältnisse, bei denen mit einem gewissen Auftreten von Feuchtigkeit zu rechnen ist, können die abstandshaltenden Isolierkörper vorteilhaft mit einem oberflächlichen Schutzüberzug aus Glasur, Lack, Paraffin od. dgl. versehen werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrische Leitung mit Luftraumisolation und Isolierteilen zur Abstandshaltung zwischen den stromführenden Leitern und der schirmenden Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierteile aus keramischem Stoff mit mindestens 3O⁰/₀ Porosität bestehen.

2. Elektrische Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierteile oberflächlich so weit mit Paraffin imprägniert sind, daß ein vollstä.ndiger Feuchtigkeitsabschluß erreicht wird.

3. Elektrische Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Isolierstoff vorwiegend aus Kieselsäure besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 291 313, 294 182,
605694, 614 183;

schweizerische Patentschriften Nr. 110 362, 161 989; britische Patentschriften Nr. 334 840, 381 754.

© 709 515/419 5.57