NO169145B - Elektrisk likestroemskabel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår elektriske likestrømskabler av den type i hvilke lederens flerlagsisolasjon, som er dannet av et antall båndviklinger, er impregnert med en sammensetning.

De konvensjonelle kabler av ovennevnte type, som er kjent som fullstendig impregnerte kabler eller kabler med en fullstendig impregnert isolasjon, er utsatt for gjennomhul-lingsfarer som følge av tilstedeværelsen i lederens impregnerte isolasjon av mikrohulrom som er uten sammensetning og som dannes under kabelfremstillingen og kontinuerlig skifter i størrelse og posisjon under drift av kabelen.

Mikrohulrommene i isolasjonen til en sammensetningsimpregnert kabel oppstår under kabelfremstillingen både på grunn av sammensetningens høye viskositet som består selv ved forholds-vis høy temperatur og som hindrer perfekt og total impregnering av flerlagsisolasjonen, og som følge av den termiske krymping som sammensetningen utsettes for under den avkjøling som inntreffer etter impregneringen av flerlagsisolasjonen og går forut for anbringelsen av metallkappen rundt isolasjonen.

Når kabelen settes i drift, utsettes den for oppvarmende og avkjølende varmesykluser som har som virkning å frembringe bevegelser av isolasjonssammensetningen, i hovedsaken i radial retning i kabelen.

Spesielt under de oppvarmende varmesykluser avtar sammensetningen som impregnerer f lerlagsisolasjonen, i viskositet og utsettes for en varmeutvidelse som er større enn varmeutvidel-sen av de andre kabelkomponenter. Den derav følgende økning i sammensetningens volum fører til en tilhørende reduksjon av mikrohulrommenes antall og dimensjoner. Under de avkjølende varmesykluser, som følge av den krymping som sammensetningen utsettes for, dannes mikrohulrommene på nytt, idet de endrer sin posisjon og størrelse.

Fra SE-B-376 506 er det kjent en såkalt ikke-drenerende kabel omfattende minst én metallisk leder som er omgitt av et laminert dielektrikum som er impregnert med en ikke-drenerende, impregnerende sammensetning, hvor kabelens dielektrikum i det minste delvis er oppbygget av ett eller flere sammensatte bånd bestående av en plastfilm som er bundet til ett eller flere ark av fibrøst, isolerende materiale. Hensikten med denne kabelkonstruksjon er å redusere den lille mengde av migrering eller vandring av sammensetning som kan finne sted i de såkalte ikke-drenerende kabler. Sådanne kabler omfatter imidlertid ikke gassfylte kabler.

Det er kjent at mikrohulrommene i den sammensetningsimpregnerte isolasjon i en kabel er farlige, særlig når de inneholder en gass med et meget redusert trykk.

Under virkningen av de elektriske spenninger blir i virkeligheten mikrohulrommene under disse forhold stedet for elektriske utladninger som følge av den mulige ionisering av en lavtrykksgass, hvilket kan føre til gjennomhull ing av isolasjonen og derfor til kabelsammenbrudd.

For å overvinne denne ulempe, er det allerede blitt sørget for å innføre en gass under trykk i likestrømskablene, idet innsiden av kabelkappen settes i forbindelse med beholdere i hvilke gassen under trykk er inneholdt, slik at det i enhver tilstand sikres fylling av mikrohulrommene med den nevnte gass.

Disse kabler, som er kjent som "gasstrykkisolasjons"-kabler, tillater ikke noen tilfredsstillende løsning på det problem å eliminere faren for gjennomhulling, og da av følgende grunner. For å fylle mikrohulrommene med gass under trykk, uansett i hvilken tilstand kabelen kan være ved bruk, er et høyt trykk nødvendig for gassen, særlig et trykk som ikke er lavere enn 14 bar inne i kabelen. Dette medfører - ved siden av en betydelig konstruksjonskomplikasjon - tilstedeværelse av spenninger i kappen som er større jo større gasstrykket er, slik at det oppstår fare for kabelsammenbrudd som følge av brudd i kappen. Den maksimalt tillatelige lengde for kabler med en fullstendig impregnert isolasjon som innebærer gasstrykk, har dessuten verdier som er omvendt proporsjonale med gasstrykket, og under alle omstendigheter er den nevnte lengde i praksis vanligvis begrenset til ikke mer enn 5 - 10 km for å beherske trykktapene av gassen under dens strømning langs kabelen, for å hindre inntrengning av fuktighet i kabelen i tilfelle av sprekker i kappen.

For å øke den ovenfor angitte, maksimalt tillatelige lengde, er det blitt oppbygget kabler med en flerlagsisolasjon som utgjøres av viklinger av bånd av isolerende materiale som på forhånd er impregnert med sammensetningen, hvor det er til stede en gass under trykk som kan strømme gjennom kabelen langs en kanal som er dannet i den samme kabelkonstruksjon. Selv på denne måte har det imidlertid ikke vært mulig å fremstille kabler med en maksimumslengde som overskrider 50 km, som følge av at det etter en viss tid fra kabelens første anvendelse dannes plugger av sammensetning som lukker den kanal som er anordnet for den langsgående strømning av gass langs kabelen.

De ovennevnte ulemper begrenser i betydelig grad anvendelsesområdene for de sammensetningsimpregnerte kabler, og gjør spesielt anvendelsen av disse meget komplisert på under-vannsområdet, slik at anvendelsen av disse utelukkes i tilfelle av meget lange kabler, med en lengde på mer enn 50 km.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en elektrisk likestrømskabel hvis isolasjon er fullstendig impregnert med en sammensetning, og hvor det gis en tilfredsstillende løsning på det problem som er representert ved gjennomhul-lingsfarer, uten å pålegge noen begrensning med hensyn til kabellengden og uten å innføre noen konstruktiv komplikasjon.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en elektrisk likestrømskabel omfattende minst én leder som er dekket av en halvledende skjerm, en flerlagsisolasjon som er dannet av et antall viklinger av bånd av isolerende materiale som er impregnert med en ikke-vandrende sammensetning som i oppløs-ning inneholder en elektronegativ gass, en halvledende skjerm som dekker det isolerende lag, og en metallkappe, hvilken kabel ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at sammensetningen har en dråpepunkttemperatur som med minst 5°C overskrider den maksimalt tillatelige temperatur som kabelen kan oppnå ved bruk, og at den elektronegative gass som er oppløst i sammensetningen, ved en temperatur som er lavere enn sistnevntes dråpepunkt, oppviser en diffusjonskoeffisient i forhold til sammensetningen som ligger mellom 3 x 10"<5> og 3 x IO"<6> cm<2>/sek.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen hvis ene figur viser et perspek-tivriss, med deler bortbrutt, av et parti av en kabel ifølge oppfinnelsen.

Den på tegningen viste kabel har den konstruksjon som er beskrevet i det følgende.

En halvledende skjerm 2, som er oppnådd f.eks. ved vikling av et halvledende bånd, er anordnet rundt en leder 1 som er dannet av et antall metalltråder, for eksempel kobbertråder, som er tvinnet sammen. En flerlagsisolasjon 3, som er impregnert med en isolerende sammensetning som i oppløsning inneholder en elektronegativ gass, er anordnet rundt den halvledende skjerm 2.

Flerlagsisolasjonen 3, som er dannet av et antall viklinger av isolerende bånd som er fremstilt f.eks. av papir, cellulose, plastmateriale eller liknende, er utvendig dekket av en halvledende skjerm 4 som f.eks. har en konstruksjon som er identisk med konstruksjonen av den halvledende skjerm 2. En metallmantel eller metallkappe 5, som er fremstilt f.eks. av bly eller aluminium, er anbrakt på den halvledende skjerm 4. Som ovenfor nevnt, er flerlagsisolasjonen 3 impregnert med en sammensetning som i oppløsning inneholder en elektronegativ gass.

Når det gjelder kabelen ifølge oppfinnelsen, har sammensetningen og den i denne oppløste, elektronegative gass følgende egenskaper: Sammensetningen må være av den ikke-vandrende type og må ha en dråpepunkttemperatur som er minst 5°C og fortrinnsvis minst 10°C høyere enn den maksimumstemperatur som kabelen kan oppnå ved bruk.

I den foreliggende beskrivelse har uttrykkene "ikke-vandrende sammensetning" og "dråpepunkttemperatur" følgende betydning: En "ikke-vandrende sammensetning" er en sammensetning for hvilken viskositetskurven, som funksjon av temperaturen, oppviser en plutselig hellingsvariasjon ved en gitt temperatur som kalles "dråpepunkttemperaturen" hvis verdi er bestemt i overensstemmelse med ASTM-standarden D 566-76. Ved temperaturer som er høyere enn dråpepunkttemperaturen, oppfører sammensetningen seg som en viskøs væske, mens sammensetningen ved lavere temperaturer oppfører seg praktisk talt som et fast legeme. "Dråpepunkttemperaturen" er den temperatur ved hvilken det i sammensetningens viskositet skurve, som funksjon av temperaturen - finner sted en plutselig hellingsendring.

Den elektronegative gass som er oppløst i sammensetningen, må ved temperaturer som er lavere enn dennes dråpepunkttemperatur, oppvise en diffusjonskoeffisient i forhold til sammensetningen som ligger mellom 3 x 10"<5> og 3 x IO"<6> cm<2>/sek.

Ytterligere egenskaper ved sammensetningen og den elektronegative gass for en kabel ifølge oppfinnelsen er

følgende:

Sammensetningens skjær- eller glidningsmodul G ved rom temperatur (og nærmere bestemt ved en temperatur mellom 5°C og 35°C) er større enn eller lik 0,8 kg/cm<2> for å sikre dimensjonsstabilitet for de eksisterende mikrohulrom, også under den virkning som utøves av trykket

av den i disse inneholdte, elektronegative gass.

Ved en temperatur som er høyere enn sammensetningens "dråpepunkttemperatur", er oppløseligheten til den i denne inneholdte, elektronegative gass ikke mindre enn 25 x 10"<2> normal-cm<3> gass/bar for hver cm<3> sammensetning, for å tillate lettvint og rask oppløsning av betydelige mengder av elektronegativ gass i sammensetningen uten å medføre noen modifikasjon av de anlegg som for tiden benyttes for fremstilling av kabler med en sammensetningsimpregnert flerlagsisolasjon.

Når først de ovenfor angitte betingelser er tilfreds-stilt, kan både sammensetningens kjemiske struktur og gassens kjemiske beskaffenhet være de som ønskes, idet det er under-forstått at sammensetningen og gassen - ved siden av å ha gode dielektriske egenskaper - må være forenlige med de materialer som danner de kabelkomponenter med hvilke de kommer i kontakt, dvs. de må ikke redusere noen av disses elektriske eller mekaniske egenskaper.

På bakgrunn av ovenstående betraktninger angående sammensetningen og gassen vil en fagmann på området være i stand til å bestemme - for hver kabel som skal bygges - de stoffer som skal benyttes, idet enhver fare for gjennomhull ing under kabelens drift unngås.

For f.eks. å bygge en likestrømskabel for hvilken den maksimale temperatur som kan oppnås ved drift, er 60°C, er den elektronegative gass som kan benyttes, svovelheksafluorid i forbindelse med en sammensetning som har følgende oppskrift:

- polyisobutylen: 2,5%

- mikrokrystallinsk voks: 4%

- mineralolje: 93,5%

Den nevnte sammensetning har i virkeligheten sitt dråpepunkt ved en temperatur på 70°C, og diffusjonskoeffisienten for svovel-heksaf luorid, i forhold til den ovenfor angitte, spesielle sammensetning, ved temperaturer som er lavere enn dråpepunktet, ligger i området for de ovenfor angitte verdier angående dette særtrekk.

Oppløseligheten for svovelheksafluorid ved temperaturer som overskrider dråpepunkttemperaturen for den spesielle sammensetning som betraktes, er høyere enn den foran angitte, minimalt tillatelige verdi med hensyn til kablene ifølge oppfinnelsen.

Som en konsekvens av disse særtrekk ved sammensetningen og den elektronegative gass innebærer ikke kabelfremstillingen noe problem og krever ikke noen modifikasjon av de anlegg som for tiden benyttes for bygging av kabler med en sammensetningsimpregnert isolasjon.

For å fremstille kabler ifølge oppfinnelsen blir i virkeligheten den flerlagsisolasjon som anbringes på lederen, først impregnert på den vanlige måte i en impregneringstank (etter at tørking og avgassing er utført i tanken) med en sammensetning som har de egenskaper som tilveiebringes ved hjelp av oppfinnelsen, og brakt på en temperatur som er høyere enn dens dråpepunkttemperatur. Deretter blir den elektronegative gass som har de egenskaper som tilveiebringes ved hjelp av oppfinnelsen, innført i tanken ved et trykk på noen bar og i den tid som er tilstrekkelig til å oppnå metning av sammensetningen.

Etter dette tidspunkt reduseres sammensetningens temperatur til en lavere verdi enn dråpepunktet, og avkjølingen fortsettes inntil det oppnås en temperatur som ubetydelig overskrider romstemperaturen. Etter fjerning av den elektronegative gass åpnes tanken, og lederen, som er dekket av isolasjonen som er impregnert med sammensetningen som inneholder den elektronegative gass, overføres til den innretning som er beregnet å danne metallkappen som omgir isolasjonen.

Under den tid som medgår mellom tankåpningen og dannelsen av metallkappen rundt isolasjonen, .merkes praktisk talt ingen tap av gass fra sammensetningen som impregnerer isolasjonen, når diffusjonskoeffisienten for gassen gjennom hele sammensetningen ligger innenfor det kritiske område av verdier som er angitt for dette særtrekk.

Eksperimentelle prøver som er omtalt nedenfor, viser at ved å benytte likestrømskabler ifølge oppfinnelsen, er faren for gjennomhullinger praktisk talt eliminert, uten behov for å innføre noen konstruksjonskomplikasjon, uten på ugunstig måte å være utsatt for lengdebegrensninger, og uten å måtte forsyne kabelen under drift med gass på permanent måte. De eksperimentelle prøver som er tatt i bruk, er de som har tittelen "Belast-ningssyklus- og polaritetsreverseringsprøver" som er anbefalt av CIGRE's "arbeidsgruppe 21-10, studieutvalg nr. 21", og publisert i tidsskriftet "Electra", utgave nr. 72.

I overensstemmelse med de modaliteter som er angitt i det nevnte skrift, ble avsnitt av hver kabel som ble undersøkt, med lengder på 30 m utsatt for tretti oppvarmings- og avkjølings-varmesykluser innenfor området mellom romstemperatur og den maksimale driftstemperatur som var bestemt for denne kabel, idet verdien av den kontinuerlige spenning som ble påtrykket på kabelen, ble øket for hver tretti sykluser for å bestemme den spenning ved hvilken gjennomhull ing fant sted.

Følgende serie av kabler ble utsatt for de eksperimentelle prøver: - En serie kabler ifølge oppfinnelsen som var beregnet for en driftstemperatur på 60°C og som var forskjellige fra hverandre bare med hensyn til egenskapene (materiale, tykkelse, tetthet, gjennomtrengelighet) til de bånd av isolerende materiale som ble benyttet til å bygge opp den faste f lerlagsisolasjon. I alle kabler i denne serie var flerlagsisolasjonen impregnert med den ikke-vandrende sammensetning som er angitt foran som eksempel og som var mettet med svovelheksafluoridgass ved et trykk på 2 bar og en temperatur på 120°C, dvs. en temperatur som var høyere enn "dråpepunkttemperaturen" som er 70°C, i overensstemmelse med den foran beskrevne konstruksjonsprosess. Videre omsluttet alle kabler i denne serie en leder bestående av en kobbertråd med en diameter på 39 mm og som var dekket av et halvledende lag, av en flerlagsisolasjon med en tykkelse på 18 mm og som utvendig var forsynt med en halvledende skjerm, og av en blykappe. - En serie kabler med en flerlagsisolasjon som var fullstendig impregnert med en viskøs sammensetning, idet dette uttrykk betyr en sammensetning for hvilken viskositetskurven som funksjon av tempe3?aturen ikke oppviser plutselige hellingsvariasjoner. Den benyttede, viskøse sammensetning hadde en oppskrift som var forskjellig fra oppskriften for kablene ifølge oppfinnelsen bare med hensyn til utelukkelsen av mikrokrystallinsk voks. For øvrig var konstruksjonen av kablene i denne serie og båndene av isolasjonsmateriale som ble benyttet for å danne flerlagsisolasjonen, identisk med konstruksjonen av kablene ifølge oppfinnelsen. - En serie kabler med en flerlagsisolasjon som var knyttet til gass under trykk, i hvilke isolasjonen var dannet av viklinger av bånd som var like de bånd som benyttes for oppnåelse av kabler ifølge oppfinnelsen og som tidligere var impregnert med den samme sammensetning, idet den i kabelen inneholdte gass var nitrogen med et trykk på 14 bar. - En serie fullstendig impregnerte kabler som var forskjellige fra kablene ifølge oppfinnelsen bare med hensyn til at gassen som mettet den isolasjonsimpregnerende sammensetning ved et trykk på 3 bar og en temperatur på 120°C, var nitrogen.

Ved hjelp av de eksperimentelle prøver som ble utført med de ovenfor beskrevne modaliteter, ble det fastslått at den spenning ved hvilken gjennomhulling eller perforering fant sted, i hver kabelserie varierte innenfor et område av verdier i avhengighet av den type bånd av isolasjonsmateriale som ble benyttet for å danne flerlagsisolasjonen. Det ble imidlertid konstatert at forskjellen mellom de gjennomhullingsspenningsver-dier som ble fastslått for kablene i de forskjellige serier, forble konstant for enhver spesiell type bånd av isolasjonsmateriale som ble benyttet for å danne flerlagsisolasjonen.

Mer spesielt var de prosentuelle forskjeller mellom den gjennomhullingsspenning som ble konstatert for de ovenfor angitte, forskjellige typer av kabler og de som hadde en isolasjon som var fullstendig impregnert med viskøs sammensetning, de som er angitt i den etterfølgende tabell:

Ut fra en gjennomgåelse av de ovenfor angitte data kan følgende betraktninger gjøres: Med hensyn til de kabler som har en isolasjon som er fullstendig impregnert med viskøs sammensetning, er den prosentuelle økning av gjennomhullingsspenningen for kablene ifølge oppfinnelsen av samme størrelsesorden som økningen for de kabler som har en isolasjon som er dannet av bånd som på forhånd er impregnert med en sammensetning i forbindelse med nitrogen under et trykk på 14 bar.

Dette betyr at faren for gjennomhulling under bruk er unngått ved kablene ifølge oppfinnelsen, på liknende måte som ved kabler med en isolasjon som er knyttet til et høyt gasstrykk, uten på noen måte å frembringe de foran angitte ulemper ved de konvensjonelle kabler.

Spesielt er kablene ifølge oppfinnelsen ikke utsatt for noen begrensning i lengde, og de viser seg å være i stand til å forsinke inntrengning av fuktighet i flerlagsisolasjonen i tilfelle av brudd i kappen.

Claims (4)

1. Elektrisk likestrømskabel omfattende minst én leder (1) som er dekket av en halvledende skjerm (2), en flerlagsisolasjon (3) som er dannet av et antall viklinger av bånd av isolerende materiale som er impregnert med en ikke-vandrende sammensetning som i oppløsning inneholder en elektronegativ gass, en halvledende skjerm (4) som dekker det isolerende lag (3), og en metallkappe (5), KARAKTERISERT VED at sammensetningen har en dråpepunkttemperatur som med minst 5°C overskrider den maksimalt tillatelige temperatur som kabelen kan oppnå ved bruk, og at den elektronegative gass som er oppløst i sammensetningen, ved en temperatur som er lavere enn sistnevntes dråpepunkt, oppviser en diffusjonskoeffisient i forhold til sammensetningen som ligger mellom 3 x IO"<5> og 3 x IO"<6> cm<2>/sek.

2. Elektrisk kabel ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at sammensetningens dråpepunkttemperatur overskrider, fortrinnsvis med minst 10°C, den maksimalt tillatelige temperatur som kabelen kan oppnå under bruk.

3. Elektrisk kabel ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den ikke-vandrende sammensetning ved romtemperatur har en glidningsmodul som ikke er mindre enn 0,8 kg/cm<2>.

4. Elektrisk kabel ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at den elektronegative gass som er oppløst i sammensetningen, ved temperaturer over sammensetningens dråpepunkttemperatur oppviser en oppløselighet som ikke er lavere enn 25 x 10"<2> normal-cm<3> gass/bar for hver cm<3> sammensetning.