DK156342B - Elektrisk kabel - Google Patents

Description

1 DK 156342 B

Oen foreliggende opfindelse anglr et unders0isk elektrisk jævn-str0mskabel med stor længde tlf en driftsspænding pi mellem 200 og 1000 kV, omfattende mindst én leder, en indre halvledende skærm, som omgiver lederen, en isolation af skruetinieformet viklet cellulose-5 papirblnd, der er imprægneret med en forbindelse, en ydre halvledende skærm og en métal kappe, som er anbragt omkrîng den.

Hidtll har oliefyldte kabler (O.F. kabler) været det eneste middel, der kunne betragtes som optimalt til overf0ring af energi ved hpj spæn-ding bide ved jævnstr0m og vekselstr0m. Det er imidlertid umuligt at 10 anvende et oliefyldt kabel til unders0iske kabler, som strækker sig over lange længder (for eksempel over 100 km).

Som bekendt viser den kritiske situation i et h0jspændingskabe! sig ved dannelsen af hulrum eller bobler i isolationen under driften af kablet pl grund af de termiske cykler under afk0lingsfasen.

15 De kendte kabler, sâsom O.F. kabler, hvis isolationsbând er imprægneret med et flydende dielektrikum med lav viskositet, er dem, der frembyder den bedste sikkerhed imod dannelsen af bobler.

Nlr temperaturen for0ges, bliver det flydende dielektrikum eller fluidolien, som den sædvanligvis betegnes, ekspanderet i passende 20 tanke, fortrînsvîs ved et varîabelt tryk, der efter behov forefindes ved den ene eller begge ender af kablet.

I afk0lingsfasen bliver tilbagetrækningen kompenseret af fluidolien, som str0mmer tilbage ind i kablet fra tanken.

Dette Br grunden til, at der i isolationen i O.F. kabler ikke 25 kan dannes bobler. O.F. kablerne er uafhængige af éventuelle tem-peraturvariationer eller snarere termisk stabile.

Da fluidolien, som normalt anvendes, endvidere har en massefyl-de, der ligger si tæt som muligt pl vands massefylde, er trykket înden i O.F. kablerne tilnærmelsesvis lig med omgivelsernes tryk, 30 hvor kablet lægges. Dette bevirker, at der for O.F. kablerne prak-tisk taget ikke er nogen grænser med hensyn til udlægningsdybder-ne,

Under afk0lingsforhold (som angivet ovenfor) trækker fluidolien sig tilbage og skal forskydes fra yderenderne af kablet til midten af 35 forbindelsen.

Pl grund af den hydrauliske modstand, som optræder, og delvis som f0lge af oliens viskositet optræder der betydeiige trykfald over hele kabellængden.

Det vil forstls, at disse trykfald vil være proportionale med « V»· 2

DK 156342 B

selve længden af O.F. kablet. For under afk0lingsfasen i tilfætde af meget lange kabler at forhindre en éventuel tryksænkning i at finde sted i kablet er det derfor n0dvendigt at forage tilfprselstrykket af fluidolien. Dette tryk kan naturligvis ikke forpges i det uendelige, 5 og det fremgâr heraf, at O.F. kablerne har nogle begrænsninger med hensyn til meget lange afstande. Dette er slledes tilfældet ved ollefyldte kabler som vist f.eks. I USA patentskrifterne nr. 3.145.

258 og 3.163.705, hvori olien str0mmer for at kompensere for udvi-delse og sammentræknlng.

10 TU store afstande er der blevet foreslâet anvendelse af kabler med papirbând, som er præimprægneret med en forbindelse, der er ikke-vand rende i en trykgasatmosfære. Disse kabler er navnlig kendt som GLOVER kabler. De omfatter l praksis papir, der er forimpræg-neret med en forbindelse, som ligger i en trykgasatmosfære, f.eks.

15 Ng, meliem 14 og 15 atm.

Kablerne i trykgas er ikke egnet tii store dybder. I virkelighe-den kan et kabel af denne type ikke lægges ved arbejdsspændings-tryk, fordi det i et sâdan tilfælde ikke ville være bpjeügt. H vis endvidere det ydre vandtryk overstiger det indre gastryk, kan 20 kablet klappes sammen.

Forspg har vist, at med et kabel med et indre gastryk kan dybder pS over 250 meter ikke overskrides.

I et kabel af GLOVER typen kan der endvidere dannes bobler under dets fremstiiling meliem mellemrummene eller de dielektriske 25 spalter. BSndene, som er imprægneret med en forbindelse, vil, nSr de vikles og udspændes over kablet, udpresse forbindelsen, som ved udf0relsen kun delvîs fylder mellemrummene meliem blndene og efterlader smi hulrum pl indersiden.

Dette forhold har ikke relevans ved vekselstr0m, hvor fordelin-30 gen af potentialgradienten finder sted som en funktion af îsolationens dielektrfcitetskonstant.

Ved jævnstr0mskabler, hvor potentialerne som bekendt er for-delt pS grundiag af resistiviteten, vil bobler meliem mellemrummene eller intervallerne meliem vindingerne af isolationsbSndene repræsen-35 tere en betydelig rîsiko for elektrisk udladning.

Resistiviteten af boblerne er i virkeligheden praktisk taget uendelig, og der fremkommer pS dem en gradient, som er meget h0j i forhold til den gradient, som ville optræde hen over boblen, hvîs den var fyldt med en forbindelse.

3 DK 156342 B

Kabler, der kan fungere godt over lange afstande og ogsâ pâ store dybder, er dem, der er imprægneret med en forbindelse og blyovertrukket, uanset om de har et tværsnit med en cîrkufær eller en elliptisk omkreds.

5 Som bekendt har disse kabler ikke nogen væsentlig langsgâende bevægelse kun I radiai retning. Under de termiske cykler optræder der skiftevis termiske udvldelser og sammentrækninger af forblndel-sen. Ved en parïtet af det ydre tryk opstSr der under opvarmningen og den radiale udvidelse af forbindelsen en forpgelse af det Indre tryk.

10 Under den efterfplgende afkplingsfase bliver det Indre tryk som f0lge af den termiske sammentræknlng reduceret, îndtll der pâ visse steder nls et absolut vakuum.

I overensstemmelse med disse forhold kan der dannes hulrum i forbindelsen, i det mindste indledningsvis, under et kraftlgt vakuum, 15 som i jævnstr0mskabler (for slvidt angâr det ovenfor anf0rte) kan medf0re den elektriske perforering af isolationen.

Jævnstr0mskabler, der er fuldstændigt imprægneret med en forbindelse, blev anvendt îndtll for nogle fi tiir siden tîl spændln-ger under 200 kV og sædvanligvis omkring ca. 100 kV.

20 Som bekendt er arbejdsspændingerne for et jævnstrpmskabel

Imidlertid nu gradvist blevet forpget, medens den betydning, som tillægges udtrykket "hpjspændinger", pâ tilsvarende mide gradvist har undergâet en ændrlng. Ved "h0jspændinger" forstâs i dag spæn-dinger, der har værdier, som er over mindst 200 kV.

25 Ved denne forpgeise af arbejdsspændingerne for et kabels vedkommende har teknikken gradvist tilpasset isolationen tii de forpgede spændingsplvirkninger ved for0gelse af isolatlonstykkelsen og ved anvendelse af forblndelser, der har forbedrede isolationsegen-skaber.

30 TH trods herfor er perforationerne, som optræder under de termiske cykler, ikke blevet undgâet. Derimod har det ved fors0g eksempelvis vist sIg, at medens der i en pr0ve af jævnstr0mskabel isoleret med celiulosepapir imprægneret med en forbindelse og med en tykkelse pâ 9 mm har været elektriske udladninger hîdrprende fra en 35 pâtrykt pr0vespænding pi ca. 400 kV, optrldte der ved et jævn-strpmskabel isoleret med det samme imprægnerede papir, men med en tykkelse pâ 18 mm, elektriske perforationer pâ grund af elektriske udladninger allerede ved pâtrykning af en pr0vespændîng pâ ca.

600 kV. Dette betyder, at det ved fordobling af kabelisolationens tyk- 4

DK 156342 B

kelse îkke er muligt at fordoble den spændtng, ved hvîlken den elektrl-ske udladning finder sted, dvs. at nâ 800 kV.

Dette fænomen kan korreleres med dannelsen af hulrum, som bliver bekræftet i h0jere grad og med mere alvorlige virkninger 5 afhængigt af st0rrelsen af den invoiverede forbindelsesmængde, hvîlket forhold for0ger muligheden for# at der som f0lge heraf optrae-der perforationer.

Hvis et unders0îsk fuldstœndigt impraegneret kabel lasgges pS en tilstrækkelig dybde (pS over 120 m), kan det ydre tryk hîdr0rende 10 fra vandet overf0res gennem plastkappen ti! isolationen og sâledes forhindre det ovennaevnte fænomen, men ved dybder pâ mindre end 120 m er medvlrkningen af det ydre tryk uheldigvis ikke tîlstrække-ligt, og éventuelle gode resultater ved h0jspændte jænvstr0mskabler, der er fuldstændigt impraegneret og har en betydelig længde, er 15 rent aleatorisk.

Formëlet med den foreliggende opfîndelse er at fremstiile kabler tîl h0je jævnspændinger, specielt til anvendelse over lange under-vandsstraskninger, og som giver den bedste sikkerhed under drift, selv hvor de ikke fâr hjælp af trykket af det middel, som udg0r det 20 omgivende milieu, idet hulrum eiler bobler, som dannes i sldanne kablers isolation skal forhindres i at frembringe jænvspændingsgen-nemslag. I dette 0jemed foreslâs anvendelsen af en forbindelse, som er mindre isolerende end dem, der sædvanligvis anvendes, og som kan afskaerme elektrisk eiler kortslutte de éventuelle bobler, som er 25 indeholdt deri.

Det for kablet if0ige opfindelsen ejendommellge er, at isolationen er impraegneret med en viskos forbindelse, som har en resistivitet, der er mindst 100 gange mindre end resistîviteten af cellulosepapir-blndet, der er impraegneret med den, idet den lave resistivitetsværdi 30 af forbindelsen er tilvejebragt ved tilsaetning af stoffer, som indehol-der polære grupper, til mindst én viskos carbonhydridoiie.

Herved opnâs sâledes, at der uden langsgâende bevægelse af fiuid kan tilvejebringes et unders0isk kabel tii store længder til , overf0ring af en h0jspaendt jævnstr0m uden begrænsning med hensyn 35 til iæggedybden ved i forhold til den kendte teknlk, hvor resîstivite-ten af Isolationen og dens imprægneringsforbindelse holdes sâ h0j som mulig, i stédet at formindske resistîviteten af bândîmprægnerings-forblndelsen ved anvendelse af de angivne stoffer. Den fordel, som opnâs ved sænkning af resistîviteten af den viskose forbindelse ved

5 DK 156342 B

tilsætning af stoffer, som indehoider en polær gruppe, baserer sig pi, at forbindelsen herved bliver mindre isolerende og derfor elek-trlsk skærmer eller kortslutter éventuelle bobler, som mltte fîndes deri. N§r ulempen ved kabler med bândimprægneringsforblndelse sl-5 ledes er afhjulpet, kan disse kabler anvendes tll lange underspîske strækninger.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et fuldt Imprægneret kabelstykke til 10 jævnstr0mme, fig. 2 skematisk et jævnstr^mskabelstykke med gastryk, fig. 3 et diagram, som viser volumenresistîviteten af visse forbindeiser i forhold til resîstiviteten af papir, og fig. 4 et diagram, som viser udladningsstyrken « en forbln- 15 delse ifplge opfindelsen i forhold tii den elektriske udladningsstyrke af en kendt forbindeise.

Kablet tîl jævnstr0mme vist i fig. 1 omfatter mindst én leder 10, pâ hvilken der er anbragt en indre halvledende skærm 11 frembragt f.eks. ved omvikling af et halvledende bând.

20 PS den halvledende skærm 11 findes dielektriket bestlende af i det mlndste et eller flere lag af isolerende papirbSnd 12 af cellulose, som er viklet skruelinieformet og imprægneret med en forbindeise.

PS det isolerende bSnd 12 er anbragt den ydre halvledende 25 skærm 13. Oenne kan f.eks. bestS af et omviklet halvledende bSnd.

Det hele er indesluttet i én blykappe 14. Denne kan ogsS være dæk-ket af beskyttende lag, som det er kendt.

I eksemptet er blykappen 14 beklædt med en antikorroslonskap-pe 15. Det har overraskende vist sIg, at det er muligt at undgl den 30 fare, som éventuelle hulrum eller bobler, der fîndes i forbindelsen, repræsenterer, hvis de allerede er tilstede, eller hvis de skulle dan-nés under de termlske cykler, hvis forbindelsen ved de forudsete arbejdstemperaturer har en tilstrækkeligt lav resistlvitet, og denne holdes konstant under hele arbejdsperloden.

35 En forbindeise med disse egenskaber er slledes Indrettet, at den er I stand til elektrisk at afskærme éventuelle hulrum eller bobler, som findes deri.

Det er blevet bevist ved forspg, at det til opnâelse af en ef-fektlv skærmvirknlng er n0dvendigt, at forbindelsen har en resisti- 6

DK 156342 B

vitet, der er mlndst et hundrede gange lavere end resistiviteten af de imprægnerede cellulosepapirbind.

Fortrinsvis, men ikke udelukkende vil resistiviteten lmidlertid være ca. et hundrede gange lavere end resistiviteten af de impræg-5 nerede papirblnd.

En forbindelse, som svarer til opfindelsens lære, kan fis ved til carbonhydridolien, der sædvanligvis anvendes til imprægnering af elektriske kabler, at tilsætte mindst et stof indehoidende polære grupper, idet der hermed menés, at de kan indeholde en elier flere 10 polære grupper (med hensyn til en définition af udtrykket: “stof in-deholdende polære grupper11, jfr. Samuel Glasstone's "TRATTATO DI CHIMICA-FISICA" fra den amerîkanske udgave side 114-115 af den îtalienske oversættelse (1956) af Carlo Manfredi Editors).

Et eksempel p§ denne forbindelse omfatter: 15 Viskos carbonhydridolie i forholdet mindst 60 dele efter vægt for hver 100 dele efter vægt af forbindelsen.

Organiske polære sammensætninger, hvor polariteten er givet ved tilstedeværelsen i forbindelsen af en elier flere carboxylgrup-per - CO - OH i et forhold pl op til 40 dele efter vægt for hver 20 100 dele efter vægt af forbindelsen.

Bortset fra disse to komponenter kan der ogsl forefindes an-dre, f.eks. til kontrol af viskositeten af forbindelsen i forhold op til 15% gjort lig med 100, vægten af de to forudglende forbindelser.

En forbindelse, som har givet gode resultater, omfatter: 25 63 dele efter vægt af en carbonhydridolie med et viskositetindex 75 og viskosîtet ved 38°C pi 800 cSt.

27 dele efter vægt af en organisk sammensætning bestlende i det væsentlige af en naturharpiks med en abletisk syrebasis.

10 dele efter vægt af mikrokrystallinsk voks med smeltepunkt ved 30 103° til 107°C.

Den sidstnævnte sammensætning har vist sig særlig virksom foruden til kablet I fîg. 1 ogsl til kablet vist i fig. 2.

Dette har mindst én leder 16 beklædt med en indre skærm 17, og dielektriket bestlr af isolerende cellulære papirblnd 18, der er 35 viklet i skruelinîeform.

En ydre skærm 19 dækker de isolerende blnd 18. Det hele er indeholdt i mindst én metalkappe 20, f.eks. af korrugeret aluminium.

Kappen kan være beklædt med en elier flere beskyttende kapper 21. De Isolerende blnd i kablet i fig. 2 er af den art, der er impræg- 7

DK 156342 B

neret î en forbindelse ved hjælp af gastryk, f.eks. Ng, ved tryk, sorti kan gâ op tîl 25 atm. Fig. 3 viser variationskurven (a) for volu-menresistiviteten som funktion af temperaturen af den sidstnævnte forbindelse i forhold til variatlonerne af volumenresistiviteten af 5 papir imprægneret med den (kurve b).

Denne forbindelse sammenlignet med produktet IL03 (hvid vaseline) fra selskabet WÎTCO (U.S.A.)/ som tldligere og saedvan-Ugvis blev anvendt (kurve d), der har en resistivitet î nærheden af og over resistiviteten af papir, som er imprægneret med det 10 (kurve c), har givet meget tilfredsstillende resultater.

Diagrammet i fig. 4 viser intensiteten af udladningerne ud-trykt ! pseo-Coulomb (pC) ved 14 atm som funktion af den pitrykte gradient E udtrykt i kV/mm for bobier i pr0vestykker med dielektri-kum imprægneret med hver af de to forbindelser: med en gradient, 15 der er tre gange stprre end den, hvori udladningerne udl0ses i den traditionelle forbindelse (kurve d), optrssdar der fkke nogen udlad-ninger î stofferne îf0lge opfindelsen (kurve a).

André foretrukne forbindelser er dem, der foruden en carbon-hydridolie med en viskosîtet ved 38°C pi 800 cSt. ogsS bestSr af 20 en af de f0lgende organlske syrer i forhold op til 10%:

Oliesyre Linolsyre Rîclnolsyre Palmîtinsyre 25 Stearlnsyre

Forskelllge naphthensyrer Forskeliîge terpensyrer.

André forbindelser I henhoid til opfindelsen kan f.eks. omfat-te vlskos carbonhydridolie, hvortil der er blevef tllsat salte af orga-30 niske syrer med en god opf0selighed i carbonhydrider.

En forbindelse àf denne art, der har vist sig at være særllgt egnet, omfatter en carbonhydridolie med en viskosîtet ved 38°C p§ 600 cSt i forholdet 95 eiler fiers delà efter vægt pr. 100 dele efter ( vaagt af forbindelse og kobbernaphthenat op tîi 5 deie efter vægt.

1ÔÔ 35

En ydeHigere foretrukken forbindelse kan besti af en carbon-hydridoiie, sSsom dem der er angivet î de tldligere eksempler, som er tilsikret tiistedeværelsen af sammensætninger indeholdende polære grupper eîler ledende partikler, som hidr0rer fra eeliuIosepapirbSn-

DK 156342 B

8 dene, nir disse bind er af et vandigt udtræk med en ledningsevne pi fra 50 ti! 200 μ SIEMENS.

Med hensyn til bestemmelse af det vandige udtræk og til miling af dets ledningsevne henvises til ASTM D 202-62T metoden. (ASTM * 5 American Society for Testing Materials).

Ledningsevnen af det vandige udtræk af papiret kan bestemmes som en miling af de i varmt vand oplpselige elektrolytter, der fin-des i papiret.

10 15 20 25 30 i 35

Claims (9)

1. Unders0isk elektrisk jævnstr0ms kabel med stor længde tfl en driftsspænding pâ mellem 200 og 1000 kV, omfattende mindst én leder 5 (10,16), en indre halvledende skærm (11,17), som omgiver lederen, en isolation (12,18) af skruelinieformet viklet cellulosepapirbând, der er imprægneret med en forbindelse, en ydre halvledende skærm (13,19) og en metalkappe (14,20), som er anbragt omkring den, kendeteg· net ved, at isolatîonen (12,18) er imprægneret med en viskos forbin- 10 delse, som har en resistivitet, der er mindst 100 gange mindre end re-sistiviteten af cellulosepapirbândet, der er imprægneret med den, idet den lave resistivitetsværdi af forbindelsen er tilvejebragt ved tilsætnîng af stoffer, som indeholder polære grupper, til mindst én viskos carbon-hydridolîe.

2. Elektrisk kabel if0lge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsen, som indeholder polære grupper, er et organisk stof.

3. Elektrisk kabel if0lge krav 2, kendetegnet ved, at polariteten er bibragt det organiske stof ved tîlstedeværelsen af mindst én carboxyigruppe -CO-OH, hvilket stof er indeholdt i forhold 20 op til 40/100 dele efter vægt i en forbindelse omfattende mindst 60/100 dele efter vægt af en viskos carbonhydridolie.

4. Elektrisk kabel if0lge krav 3, kendetegnet ved, at det organiske stof er en naturharpiks pâ basis af abietînsyre, hvilken sammensætning er indeholdt i forhold pâ 27/100 dele efter vægt af en 25 carbonhydridolie med et viskositetsindex pâ 75 og viskositet ved 38°C pâ 800 cSt og 10/100 dele efter vægt af en mlkrokrystaliinsk voks med smeltepunkt ved 103 til 107°C.

5. Elektrisk kabel if0lge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at forbindelsen omfatter en carbonhydridolie med en viskositet 30 ved 38°C p§ 600 cSt î et forhold pâ 95/100 dele efter vægt eller mere og kobbernaphthenat i et forhold pâ op til 5/100 dele. efter vægt.

6. Elektrisk kabel if0lge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at forbindelsen omfatter en carbonhydridolie med en viskositet ved 38°C fra 600 til 800 cSt og mindst et stof îndeholdende polære 35 grupper, hvilket stof hidrprer fra cellulosepapirblndene, idet disse har et vandigt udtræk med en ledningsevne fra 50 til 200 μ SIEMENS.

7. ELektrisk kabel if0!ge krav 1, kendetegnet ved, at det organiske stof er en organisk syre tilsat i forhold op til 10/100 dele efter vægt til mindst én carbonhydridolie med en viskositet ved DK 156342B Ιο 38°C pâ 800 cSt.

8. Elektrisk kabel ifplge krav 7, kendetegnet ved, at den organiske syre er oliesyre.

9. Elektrisk kabel îf0lge et hvilket som helst af de foregiende 5 krav, kendetegnet ved, at forbindelsen hjælpes af et gastryk. 15 20 25 30 35