EP2811491B1 - Elektrokabel, insbesondere für Solar- bzw. Windkraftwerke - Google Patents

Elektrokabel, insbesondere für Solar- bzw. Windkraftwerke Download PDF

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EP2811491B1 EP14170030.2A EP14170030A EP2811491B1 EP 2811491 B1 EP2811491 B1 EP 2811491B1 EP 14170030 A EP14170030 A EP 14170030A EP 2811491 B1 EP2811491 B1 EP 2811491B1
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Christoph Studer
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Studer Cables AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
    • H01B9/022—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients composed of longitudinal lapped tape-conductors

Definitions

  • the invention relates to an electric cable according to the preamble of claim 1.
  • Such electric cables are suitable for the transport of large currents in the air and in the ground. Therefore, they are mainly used in large solar power plants for energy transmission of direct or alternating currents, especially where a high current density also causes high thermal heating, at the same time added to the warming by solar radiation, or where at a predetermined current to minimize heating.
  • the metal reinforcement of the cables should in turn ensure that the cables are well protected against mechanical damage or against rat or termite bites.
  • the metal reinforcement is made of steel or aluminum wires, respectively wrapped steel or other metal bands. Such a reinforcement is expensive to manufacture and has only a limited effect in terms of mechanical protection.
  • An insulating sheath, at least one semiconductor layer, a metal shield enclosing this and an outer sheath are provided with at least one electrical conductor and a multilayer insulation system enclosing the latter.
  • the serving as Nulleiter metal shield is provided with an extending along the cable overlap, which is sealingly joined together over the entire cable length, preferably by means of an adhesive and thus forms a liquid and vapor-tight protective cover of the cable interior.
  • a source strip for absorbing water or moisture is contained within the metal screen neutral, which is swellable when absorbed by water.
  • Such an electric cable is thus suitable for applications in which it is laid in a humid environment with high humidity.
  • the invention has for its object to provide an electric cable of the type mentioned, which is characterized by the highest possible heat radiation, low heat transfer losses and long service life by low production costs and good insulation properties and good protection against mechanical damage.
  • the single-ended conductor structure results in the largest possible contact surface on both sides, which brings about the best possible radial and transverse heat conduction in the cable.
  • the transverse water tightness is also realized almost without additional costs.
  • the life of the insulation can be significantly improved, as the electrical aging is increased by the moisture diffusion.
  • the metallic barrier permanently blocks the ingress of water.
  • the tightness and mechanical connection of the overlapping point is preferably ensured with an adhesive applied there, in particular a hot-melt adhesive.
  • the inventive reinforcement also allows the management of the protection potential and the shielding against electric fields, in the case of a short circuit, the full-area Bandarmtechnik can derive very large currents without damage, because the thermal full contact with the plastic shells allows extremely large amounts of heat to dissipate immediately, causing overheating the reinforcement is avoided.
  • the advantages of the inventive reinforcement are fully effective both in single-core cables and in multiple conductors. Due to the geometry of stranded coaxial two- or four-conductor cables for direct current or single-phase systems are also symmetrical electric fields, a property that is particularly interesting in areas where higher-frequency interference currents of the inverter, both on the DC and on the AC side of the DC currents. 50 or 60 Hz superimpose currents. In a three-phase system, three twisted feeders produce the best result.
  • the electric cable 1 comprises an inner conductor 2 made of a plurality of stranded wires made of aluminum or copper with an inner plastic shell 3 and a concentrically applied armor, consisting of a longitudinal band 4, which consists of a metal foil of aluminum, copper, steel or brass with approx. 0.3 mm thickness is made.
  • the reinforcing strip 4 is preferably glued longitudinally at the overlap point 5 and thus forms a watertight diffusion barrier, which ensures the transverse water tightness of the electric cable.
  • an adhesive is particularly suitable in the overlap point 5 of the tape applied hot melt.
  • the reinforcing strip 4 can also be glued over the entire surface with the outer plastic sheath 6, 7 by an adhesive layer.
  • an outer plastic jacket 6, 7 is preferably applied with a plurality of functional layers, for example, an inner layer 6 with very flame-retardant behavior and an outer layer 7, a so-called Termigon layer against termite and rodents and to protect the electrical cable against abrasion when pulling in the cable is effective.
  • the metal reinforcement 4 consists of a single longitudinal band which is glued to the overlap point 5.
  • a metal reinforcement a band construction comprising a plurality of longitudinal individual bands which are glued to one another at the overlapping points.
  • the plastic insulation of the cable consisting of the inner plastic sheath 3 and the outer plastic sheath 6, 7 is produced by means of extruder machines, which make it possible, either only one layer or simultaneously in one operation several layers apply. In the inventive electric cable both methods are applicable.
  • two feeders 1a, 1b can be stranded together to form a two-conductor cable 8. They thus allow the transport of the forward and reverse current, whereby at DC the two polarities + and - are performed.
  • Fig. 3 it is also possible to manufacture four such stranded conductors 1a to 1d into a four-conductor cable 9, thereby further increasing the conductor surface and the cooling surface, and improving the transporting capacity at a given cross section.
  • the insulation systems each with an inner semiconductor, a dielectric and an outer semiconductor, wherein the semiconductor layers may consist of strips, graphite or an extruded material.

Landscapes

  • Insulated Conductors (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Elektrokabel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Elektrokabel eignen sich für den Transport von grossen Strömen in der Luft und im Erdreich. Sie werden daher vor allem in grossen Solarkraftwerken zur Energieübertragung von Gleich- oder Wechselströmen angewandt, insbesondere dort, wo eine hohe Stromdichte eine ebenfalls hohe thermische Erwärmung bewirkt, zu der gleichzeitig die Erwärmung durch die Sonneneinstrahlung hinzukommt, oder wo bei einer vorgegebenen Stromstärke eine möglichst geringe Erwärmung erfolgen soll.
  • Durch die grossen beanspruchten Flächen der Solarfelder ist eine kostengünstige Architektur der Anlage mit optimierten Elektrokabeln sehr wichtig. Hierbei ist anzustreben, dass eine thermisch optimale Abstrahlung respektive die Wärmeabgabe der Kabel an die Umwelt sowie geringe Übertragungsverluste mitunter als entscheidende Faktoren erfüllt sind.
  • Die Metallarmierung der Kabel soll ihrerseits sicherstellen, dass die Kabel gegen mechanische Beschädigungen oder gegen Ratten- oder Termitenbisse gut geschützt sind. Bei den bisher bekannten Elektrokabeln dieser Art ist die Metallarmierung aus Stahl- oder Aluminiumdrähten, respektive umwickelten Stahl- oder anderen Metallbändern hergestellt. Eine solche Armierung ist fertigungstechnisch aufwendig und hat in Bezug auf den mechanischen Schutz nur eine begrenzte Wirkung.
  • Bei einem Elektrokabel gemäss der Druckschrift WO-A-96/28830 mit mindestens einem elektrischen Leiter und einem diesen umschliessendes mehrschichtiges Isolations-System sind eine Isolationshülle, wenigstens eine Halbleiterschicht, ein diese umhüllender Metallschirm sowie ein Aussenmantel vorgesehen. Der als Nulleiter dienende Metallschirm ist mit einer sich entlang des Kabels erstreckenden Überlappungsstelle versehen, welche durchgehend über die gesamte Kabellänge vorzugsweise mittels eines Klebstoffes abdichtend zusammengefügt ist und somit eine flüssigkeits- und dampfundurchlässige Schutzhülle des Kabelinnern bildet. Dabei ist innerhalb des Metallschirm-Nullleiters ein Quellband zur Absorption von Wasser bzw. Feuchtigkeit enthalten, welches bei Wasseraufnahme aufquellbar ist. Ein solches Elektrokabel eignet sich somit für Anwendungen, bei denen es in feuchter Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit verlegt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrokabel der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich bei höchstmöglicher Wärmeabstrahlung, geringen Wärmeübertragungsverlusten und hoher Lebensdauer durch günstige Herstellungskosten und gute Abisoliereigenschaften sowie einen guten Schutz gegen mechanische Beschädigungen auszeichnet.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Elektrokabels bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Durch die erfindungsgemäss längslaufende Bandkonstruktion ergibt sich beim einzeln armierten Einleiteraufbau die grösstmögliche beidseitige Kontaktoberfläche, die eine bestmögliche radiale und transversale Wärmeleitung im Kabel mit sich bringt.
  • Bei Mehrfachleitern wird durch eine offene Verseilung der Kabel die grösstmögliche Oberfläche erreicht, über welche die Wärme optimal an die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Durch die Ausführung der Armierung mit mindestens einem verklebten Längsband wird zudem die Querwasserdichtigkeit beinahe ohne Mehrkosten realisiert. Dadurch kann die Lebensdauer der Isolation signifikant verbessert werden, da die elektrische Alterung über die Feuchtigkeitsdiffusion angehoben wird.
  • Durch die metallische Barriere wird der Wasserzutritt dauerhaft unterbunden. Die Dichtigkeit und mechanische Verbindung der Überlappungsstelle wird vorzugsweise mit einem dort aufgetragenen Kleber, insbesondere einem Heisskleber, sichergestellt.
  • Die erfindungsgemässe Armierung ermöglicht zudem die Führung des Schutzpotentials und die Abschirmung gegen elektrische Felder, wobei im Falle eines Kurzschlusses die vollflächige Bandarmierung sehr grosse Ströme ohne Beschädigung ableiten kann, weil der thermische Vollkontakt mit den Kunststoffmänteln ermöglicht, extrem grosse Wärmemengen sofort abzuführen, womit eine Überhitzung der Armierung vermieden wird.
  • Diese Ableitung von grossen Strömen bzw. die gute Wärmeableitung des Elektrokabels ist auch im Falle eines Blitzeinschlages in die Solaranlage oder dergleichen sehr vorteilhaft.
  • Bei einer Beschädigung des Kabels erfolgt immer zuerst der Kontakt mit dem Bandschirm. Das ist gegenüber nicht armierten Kabeln vorteilhaft und auch ein wichtiger Sicherheitsaspekt bei Solarkabeln, die auf und in Gebäuden eingesetzt werden. Im Fall einer Bekämpfung eines Feuers trifft nämlich der Löschstrahl von Löschflüssigkeit immer zuerst auf eine geerdete Leiterschicht des Kabels, so dass der Feuerwehrmann vor zu hohem Potential geschützt wird.
  • Die Vorteile der erfindungsgemässen Armierung sind sowohl bei Einleiterkabeln als auch bei Mehrfachleitern voll wirksam. Durch die Geometrie von verseilten koaxialen Zwei- oder Vierleiterkabeln für Gleichstrom oder auch Einphasensysteme entstehen zudem symmetrische elektrische Felder, eine Eigenschaft die speziell interessant ist in Bereichen, wo höherfrequente Störströme des Wechselrichters sowohl auf der DC wie auf der AC Seite die Gleichströme resp. 50 bzw. 60 Hz Ströme überlagern. Bei einem Drehstromsystem erbringen drei verdrillte Einleiter das beste Resultat.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Schnitt eines perspektivisch dargestellten erfindungsgemässen Elektrokabels, als Einleiter ausgeführt,
    Fig. 2
    einen perspektivischen Schnitt einer anderen Variante, als Zweileiterkabel ausgeführt, und
    Fig. 3
    einen perspektivischen Schnitt einer dritten Variante, als Vierleiterkabel ausgeführt.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Elektrokabel 1 wird insbesondere bei Solarund Windkraftwerken, aber auch bei anderen ähnlichen Anlagen eingesetzt und es wird vor allem im Aussenbereich bzw. in feuchter Umgebung verlegt.
  • Das Elektrokabel 1 umfasst einen Innenleiter 2 aus mehreren miteinander verseilten Drähten aus Aluminium oder Kupfer mit einer inneren Kunststoffhülle 3 und einer konzentrisch um ihn aufgebrachten Armierung, bestehend aus einem Längsband 4, das aus einer Metallfolie aus Aluminium, Kupfer, Stahl oder Messing mit ca. 0,3 mm Stärke hergestellt ist.
  • Das Armierungsband 4 wird vorzugsweise an der Überlappungsstelle 5 längs verklebt und bildet damit eine wasserdichte Diffusionssperre, welche die Querwasserdichtigkeit des Elektrokabels sicherstellt. Als Klebstoff eignet sich besonders ein in die Überlappungsstelle 5 des Bandes aufgetragener Heisskleber.
  • Das Armierungsband 4 kann auch vollflächig mit dem äusseren Kunststoffmantel 6, 7 durch eine klebende Schicht verklebt werden.
  • Über die Metallarmierung 4 wird ein äusserer Kunststoffmantel 6, 7 mit vorzugsweise mehreren funktionalen Schichten aufgebracht, zum Beispiel einer Innenschicht 6 mit sehr flammwidrigen Verhalten und einer Aussenschicht 7, einer sogenannten Termigon-Schicht, die gegen Termitenfrass und Nagetiere sowie zum Schutz des Elektrokabels gegen Abrieb beim Einziehen des Kabels wirksam ist.
  • Die Metallarmierung 4 besteht aus einem einzelnen Längsband, das an der Überlappungsstelle 5 verklebt ist. Es ist aber auch im Rahmen der Erfindung möglich, als Metallarmierung eine Bandkonstruktion bestehend aus mehreren längslaufenden Einzelbändern vorzusehen, die miteinander an den Überlappungsstellen verklebt sind.
  • Die Kunststoffisolation des Kabels, bestehend aus der inneren Kunststoffhülle 3 und dem äusseren Kunststoffmantel 6, 7 wird mittels Extruder-Maschinen hergestellt, die es ermöglichen, entweder nur eine Schicht oder aber gleichzeitig in einem Arbeitsgang mehrere Schichten aufzutragen. Beim erfindungsgemässen Elektrokabel sind beide Verfahrensweisen anwendbar.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, können zwei Einleiter 1a, 1b miteinander zu einem Zweileiterkabel 8 verseilt werden. Sie ermöglichen damit den Transport des Vor- und Rückstromes, wobei bei DC die beiden Polaritäten + und - geführt werden.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist es auch möglich, aus vier solcher miteinander verseilten Einleitern 1a bis 1d ein Vierleiterkabel 9 herzustellen, womit die Leiteroberfläche und die Abkühloberfläche nochmals erhöht werden, und die Transportkapazität bei einem gegebenen Querschnitt verbessert wird.
  • Um eine Redundanz oder Verbesserung der elektrischen Isolierungseigenschaften, der chemischen Beständigkeit oder der mechanischen Eigenschaften zu erzielen, ist es insbesondere bei Zwei- oder Vierleiterkabeln vorteilhaft, wenn die Isolation der Kunststoffhülle 3 bzw. des Kunststoffmantels 6, 7 jeweils zweischichtig ausgeführt ist.
  • Weitere Elemente können noch eingesetzt werden, um die Verwendung des Elektrokabels auch bei höheren Spannungen abzusichern. Um eine homogenere Verteilung des elektrischen Feldes zu ermöglichen, können auch extrudierte Halbleiterschichten oder halbleitende Bänder am Stromleiter, an der neutralen oder geerdeten konzentrischen Armierung sowie am Kunststoffschirm aufgebracht werden.
  • Insbesondere bei Zwei-oder Vierleiterkabeln ist es vorteilhaft, die Isolationssysteme mit je einem inneren Halbleiter, einem Dielektrikum und einem äusseren Halbleiter zu versehen, wobei die Halbleiterschichten aus Bändern, Graphit oder einem extrudierten Material bestehen können.
  • Bei einem Drehstromsystem sind vorteilhaft drei miteinander verdrillte Einleiter mit je einem erfindungsgemässen Längsband vorgesehen.

Claims (6)

  1. Elektrokabel, mit mindestens einem Stromleiter (2) aus mehreren miteinander verseilten Drähten, der mit einer zwischen einer inneren Kunststoffhülle (3) und einem äusseren Kunststoffmantel (6, 7) liegenden Metallarmierung (4) versehen ist, wobei die Metallarmierung (4) durch eine längslaufende Bandkonstruktion gebildet ist, die mit mindestens einem konzentrisch um die innere Kunststoffhülle (3) aufgebrachten Längsband versehen ist, welches an der Überlappungsstelle (5) vorzugsweise mit einem dort aufgetragenen Kleber, insbesondere einem Heisskleber verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Längsband der Metallarmierung (4) direkt und konzentrisch um die innere Kunststoffhülle (3) aufgebracht ist und mit einer Dicke grösser als 0,1 mm Dicke hergestellt ist, wobei das Elektrokabel (1) für Solar- bzw. Windkraftwerke eingesetzt wird.
  2. Elektrokabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandkonstruktion (4) aus einer metallischen Folie aus Metall, wie Aluminium, Kupfer, Stahl und/oder Messing hergestellt ist.
  3. Elektrokabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Bandkonstruktion (4) aus mehreren Längsbändern mit miteinander verklebten Überlappungsnähten (5) zusammensetzt.
  4. Elektrokabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bandkonstruktion (4) aus einem Einzelband besteht, das vollflächig mit dem äusseren Kunststoffmantel (6, 7) durch eine klebende Schicht verklebt ist.
  5. Elektrokabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    die innere Kunststoffhülle (3) bzw. der äussere Kunststoffmantel (6, 7) einen ein- oder mehrschichtigen Aufbau aufweisen.
  6. Elektrokabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    es als Einleiterkabel (1) mit halogenfreien Werkstoffen und höherem Temperaturindex sowie vernetztem Isolationsmaterial hergestellt ist.
EP14170030.2A 2013-06-03 2014-05-27 Elektrokabel, insbesondere für Solar- bzw. Windkraftwerke Revoked EP2811491B1 (de)

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