NO319752B1 - Massiv likestromskabel - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en massiv likestrømskabel som er optimal for høy-kapasitetsoverføring over lange avstander, og gjelder særlig strukturen i en slik kabel for overføring av likestrømseffekt under vann.

Som likestrømskabel med høy kapasitet for lange avstander er det vanligvis blitt benyttet en massiv kabel (masseimpregnert kabel, ikke-drenerende kabel, eller lignende) som utnytter kraftpapir som isolerende båndmaterial og som er impregnert med isolasjonsolje som har høy viskositet (f.eks. 25- 100 est (1 centiStoke (est) = 10"<6> m<2>/s) ved 120° C, og 500 - 2.000 est ved kabelens høyeste arbeidstemperatur (50 - 60° C)). Vanligvis er tykkelsen av dette isolasjonsbånd omtrent 70 - 200 um fordi et tynt isolasjonsbånd har lav mekanisk styrke og en viklingsmaskin av stor størrelse fordres ettersom antallet viklede sjikt øker.

Til forskjell fra en "OF"-kabel blir ikke en isolasjonsolje tilført en massiv likestrømskabel fra kabelens motsatte ender. Følgelig genereres et hulrom på grunn av manglende isolasjonsolje i isolasjonslaget og hulrommet er tilbøyelig til å være utgangspunktet for utladning når det vokser til en skadelig størrelse. Et sådant hulrom er for det første tilbøyelig til å bli generert i et oljetomrom som uunngåelig opptrer når isolasjonsbåndet vikles i spiralform og for det andre tilbøyelig til å bli generert i de porøse substanser i isolasjonsbåndets naturfibre. Jo tykkere isolasjonsbåndet er, desto større blir oljetomrommet. I f.eks. en vanlig massiv likestrømskabel var spenningen forholdsvis lav ved å ikke være høyere enn 400 kV, mens overføringsstrømmen var forholdsvis liten ved å være mindre enn 1.000 A. Følgelig har hulrom som er tilbøyelige til å bli generert i oljetomrom like over en leder eller like over det indre halvledende lag i det tilfelle et sådant lag er påført det indre ledende lag, ikke blitt spesielt betraktet som et problem.

Nylig har imidlertid planer kommet ut etter hverandre om å overføre stor elektrisk effekt over lange avstander gjennom en massiv likestrømskabel. Som et eksempel er det blitt planlagt linjer for en overføringsspenning på 450 eller 500 kV, eller mer, og en overfør-ingsstrøm større enn 1.000 A. Med en så høy spenning og stor strøm kan ikke skadelige hulrom dannet i et isolerende lag, særlig like over en leder, ignoreres.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en massiv likestrøms-kabel hvor skadelig utladning i mulige hulrom kan forhindres, selv om tomrom genereres når belastningen fjernes.

I et aspekt av foreliggende er det således fremskaffet en massiv likestrømskabel som omfatter en leder og et isolasjonslag anordnet på den ytre omkrets av lederen, idet isolasjonslaget omfatter:

- et hovedisolasjonslag og

- et båndlag med lav resistans, som omfatter karbonpapir med en resistivitet som er en eller flere størrelsesordner mindre enn den for hovedisolasjonslaget,

og som har som særtrekk at båndlaget med lav resistans er anordnet like over lederen i et område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning kobles ut.

I et annet aspekt av oppfinnelsen er det fremskaffet en massiv likestrømskabel som omfatter en leder og et isolasjonslag anordnet på den ytre omkrets av lederen, og hvor

isolasjonslaget omfatter et hovedisolasjonslag som omfatter kraftpapir og et isolasjonslag med lav resistans, som omfatter kraftpapir med lav resistans, som har en resistivitet som er mindre enn den for kraftpapiret i hovedisolasjonslaget, idet resistiviteten (p.,) for kraftpapiret i isolasjonslaget med lav resistans og resistiviteten (p0) for et normalt kraftpapir har et forhold lik 0,1 p0 < p1 < 0,7p0, og som har som særtrekk at isolasjonslaget med lav resistans er anordnet like over lederen i et område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning kobles ut.

Fortrinnsvis er et sådant papirlag med lav resistivitet også anordnet på den ytre omkrets av hovedisolasjonslaget.

Visse utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives mer detaljert med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er en skisse av et snitt gjennom en massiv likestrømskabel i henhold til en første

utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 er et diagram som viser endringen i oljetrykk i et isolasjonslag like over en leder eller like over et indre halvledende lag i et tilgrensende isolasjonslaget og i et isolasjonslag like under metallkappen eller like under det ytre halvledende lag

når strøm tilføres (belastet) og stanses (ubelastet),

fig. 3 er en skisse av et snitt gjennom en massiv likestrømskabel i henhold til en andre

utførelsesform av foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 er et diagram som viser sammenhengen mellom posisjoner i isolasjonslaget og det elektriske likestrømsfelts fordeling når det foreligger en kombinasjon av et hovedisolasjonslag og et lag av kraftpapir med lav resistans på begge dets sider

og med parametere for forskjellen med hensyn til tykkelsen av lagene av kraftpapir med lav resistans når isolasjonens temperatur er konstant 25° C,

fig. 5 er et diagram som viser den samme sammenheng som i fig. 4, med det unntak

at ledertemperaturen er 55° C,

fig. 6 er et diagram som viser sammenhengen mellom forskjellen med hensyn til resistivitet for kraftpapirlaget med lav resistans og det elektriske likestrømsfelts

fordeling i isolasjonslaget i det samme tilfelle som vist i fig. 4,

fig. 7 er et diagram som viser sammenhengen mellom forskjellen med hensyn til resistivitet for kraftpapirlaget med lav resistans og det elektriske likestrømsfelts

fordeling i isolasjonslaget i det samme tilfelle som i fig. 5,

fig. 8 er et diagram som viser endringen i oljetrykk over tid i isolasjonslaget like over lederen, inntil laget og like under metallkappen når en belastningsstrøm tilføres og når den stanses etter en tilstrekkelig medgått tid fra begynnelsen av strøm-tilførselen, og

fig. 9 er en skisse av et snitt gjennom en massiv likestrømskabel i henhold til en tredje

utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

Først skal utviklingen av betraktningene som førte til fullførelse av foreliggende oppfinnelse beskrives. For å studere mekanismen som genererer hulrom når en belastning fjernes, ble det undersøkt hvordan trykket i isolasjonsoljen endret seg i hver posisjon av et isolasjonslag i en vanlig massiv kraftkabel for likestrøm med tykt kraftpapir (med tykkelse på 70 um eller mer) når en strøm ble stanset etter begynnelsen av tilførselen av strømmen. Fig. 2 er et diagram som viser endringene i oljetrykket. I fig. 2 angir en linje 1 endringen i oljetrykk i isolasjonslaget (den innerste omkrets) like over lederen eller like over det indre halvledende lag i det tilfelle det foreligger et indre halvledende lag, mens en kurve 2 angir endringen i oljetrykk i en posisjon som er et stykke unna oppover fra lederen i en avstand som tilsvarer omtrent 10 kraftpapirsjikt og hvor en kurve 3 angir endringen i oljetrykk like under en metallmantel (den ytterste omkrets) eller like under det ytre halvledende lag i det tilfelle det foreligger et indre halvlederlag.

Når en belastningsstrøm bringes til å flyte, vil først lederens temperatur begynne å stige og temperaturen i isolasjonslaget vil også stige tilsvarende fra sin indre omkrets mot dets ytre omkrets. På dette tidspunkt ekspanderer isolasjonsoljen i forhold til produktet av dets volum (eller enhetsvolum), den termiske temperaturutvidelseskoeffisient og tempe-raturhevningen. Utvidelsen beveger seg i radial retning mot isolasjonslagets ytre omkrets slik at utvidelsen delvis får metallmantelen på den ytre omkrets til å ekspandere mens den samtidig får trykket i isolasjonsoljen som sådan, til å stige. Siden isolasjonsoljens temperatur er lavere ettersom en går mot den ytre omkrets umiddelbart etter at strømmen er bragt til å flyte, er isolasjonsoljens viskositet høy, og dens oljestrømmings-motstand er også høy i et sådant lavtemperaturparti. Følgelig blir isolasjonsoljen vanskelig å flytte på. Derfor kan den ekspanderte isolasjonsolje på den indre omkretsside ikke bevege seg øyeblikkelig til den ytre omkretsside, og oljetrykket i isolasjonslaget stiger kraftigere ettersom man befinner seg nærmere den indre omkretsside. Siden isolasjonsoljen beveger seg mot den ytre omkretsside ettersom tiden går, avtar deretter også oljetrykket i det isolerende lag like over lederen eller like over det indre halvledende lag i det tilfelle det foreligger et indre halvledende lag, og fordelingen av oljetrykket i radial retning i isolasjonslaget blir gradvis ensartet.

Når belastningsstrømmen i denne tilstand fjernes, faller temperaturen på lederen plutselig på vedkommende tidspunkt. I isolasjonslaget faller følgelig temperaturen på ledersiden kraftig mens temperaturen på mantelsiden faller sakte. Isolasjonsoljen begynner da å krympe. Siden isolasjonsoljens viskositet er forholdsvis høy, kan imidlertid isolasjonsoljen ikke gå tilbake fra den ytre omkretsside til den indre omkretsside i tilstrekkelig grad i samsvar med den kraftige krymping på ledersiden. Som et resultat av dette genereres det midlertidig et negativt trykk særlig i et oljetomrom i isolasjonslaget like over lederen eller like over det indre halvledende lag, og hulrom kan komme til å opptre i vedkommende parti. Ettersom tiden går vil dessuten isolasjonsoljen på den ytre omkretsside av isolasjonslaget gå tilbake til den indre omkretsside siden trykket på den ytre omkretsside er positivt slik at både hulrommene og det negative trykk elimineres.

Generelt tilføres en transmisjonslinje en spenning uavhengig av om en belastningsstrøm er på eller av. Dersom et negativt trykk opptrer i et isolasjonslag like over en leder slik at det genereres et hulrom når belastningen fjernes, oppstår det derfor en utladning når den elektriske likestrømspåkjenning som legges på hulrommet, overskrider en viss verdi. Dette er ikke ønskelig for en massiv kabel.

Som beskrevet ovenfor er et hulrom som genereres når belastningen fjernes, tilbøyelig til å opptre like over en leder. Derfor er i henhold til foreliggende oppfinnelse (1) et karbon-papirlag med en resistivitet som er en eller flere størrelsesordner mindre enn resistiviteten for det isolasjonsbånd som utgjør hovedisolasjonslaget, (2) et kraftpapirlag med lav resistans og med resistivitet som er på mellom 10 % eller mer og 70 % eller mindre av resistiviteten for isolasjonsbåndet, eller (3) karbonlaget i (1) og det vanlige kraftpapirlag i (2) (som er påfølgende er anordnet fra lederen til hovedisolasjonslaget) anordnet like over lederen eller like over det indre halvledende lag i det tilfelle det foreligger et indre halvledende lag, innenfor et område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning kobles ut. Selv om et hulrom opptrer i isolasjonsoljen like over lederen eller like over det indre halvledende lag i det tilfelle det foreligger et indre halvledende lag, og selv om dette hulrom er stort nok til å være skadelig, bør derfor spenningen ikke bli delt med dette hulromsparti. Det område hvor karbonpapiret med lav resistans og/eller vanlig kraftpapir er viklet innenfor hovedisolasjonslaget eller over (eller oppå) lederen, kan være enten hele eller en del av det område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning fjernes.

Her har karbonpapiret med lav resistans og/eller kraftpapiret som er viklet innenfor hovedisolasjonslaget eller over (eller oppå) lederen, rollen av å oppvise i hovedsak lik termisk resistans mot ledertemperaturen som den i isolasjonsbåndet, for derved å frembringe en temperaturgradient i karbonpapiret med lav resistans og/eller kraftpapiret viklet innenfor hovedisolasjonslaget eller over (eller oppå) lederen, slik at en likestrøms-påkjenning som er stor nok til å være skadelig, ikke deles med karbonpapiret og/eller kraftpapiret. Som det forstås av fig. 2 avhjelpes derfor i stor grad en kraftig endring i ledertemperaturen på det tidspunkt hvor belastningen kobles ut, ved hjelp av dette karbonpapir med lav motstand og/eller kraftpapirlaget innenfor hovedisolasjonslaget eller over (eller oppå) lederen. Følgelig er en rask endring i temperaturen ikke tilbøyelig til å opptre i hovedisolasjonslaget på den ytre omkrets av karbonpapiret og/eller kraftpapiret. Følgelig reduseres isolasjonsoljens krymping slik at hulrom ikke blir tilbøyelige til å opptre i isolasjonslaget. Selv om hulrom skulle bli generert, konsentreres også genererings-posisjonene i karbonpapiret med lav resistans og/eller kraftpapirlaget omkring hovedisolasjonslaget nær lederen.

Det kan vurderes slik at i stedet for dette karbonpapir med lav resistans og/eller kraftpapiret, kunne et material som er uten elektrisk felt (elektrisk påkjenning) påføres, slik som et kobberbånd viklet omkring hovedisolasjonslaget. I dette tilfelle er imidlertid kobberbåndets termiske resistans for liten til å frembringe en temperaturgradient i kobberbåndlaget. Som en følge av dette starter derfor en rask endring i temperatur og en rask krymping av isolasjonsoljen i det isolerende båndlag nettopp på den ytre omkrets av kobberbåndet på samme måte som i en vanlig kabel, slik at det er lett å forstå at virkningen av foreliggende oppfinnelse ikke kan oppnås.

Den første utførelsesform

En første utførelsesform i henhold til foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives.

I en situasjon hvor det som isolasjonsbånd brukes vanlig kraftpapir som er blitt impregnert med massiv olje, er vanligvis resistiviteten omtrent 10<13> 0»cm eller mer innenfor arbeidstemperaturområdet. I det tilfelle hvor det som isolasjonsbånd brukes et elektrisk isolerende komposittbånd (f.eks. et plastbånd fremstilt fra polypropylen, som i handelen betegnes PPLP-isolasjonsbånd) hvor kraftpapir er klebet til begge sider av plastbåndet, er resistiviteten omtrent 10<15> Q»cm eller mer under de samme betingelser. Følgelig benyttes f.eks. karbonpapir som har en resistivitet som er en eller flere størrelsesord ner mindre enn resistiviteten ovenfor, dvs. en resistivitet i området 10<3> - 10<8> Q«cm. Siden et elektrisk likestrømsfelt deles i forhold til motstanden i hvert parti av isolasjonslaget, deles de elektriske likestrømsfelt ikke med karbonlaget som har lav resistivitet, slik at det blir mulig å forhindre utladning i hulrom.

Det område hvor det negative trykk oppstår i isolasjonslaget kan finnes ved å utføre beregninger eller eksperimenter på prøvekabler etter at kabelens arbeidsbetingelser, størrelse og struktur er blitt bestemt. Generelt foretrekkes det å gjøre tykkelsen av karbonpapirviklingen lik 0,8 mm eller mer. Dersom tykkelsen er mindre enn 0,8 mm blir isolasjonsbåndet påvirket av fasongen av lederen og en rask endring i ledertemperatur når belastningen kobles ut, slik som nevnt ovenfor, kan ikke absorberes i karbonpapirlaget. For i tilstrekkelig grad å absorbere/avhjelpe påvirkningen i de partier hvor temperaturen faller plutselig på det tidspunkt hvor belastningen kobles ut, er det vanligvis mer å foretrekke å påvikle karbonpapiret til en utstrekning på 10 % av isolasjonslagets tykkelse. Dersom karbonpapirlaget økes til mer enn 10 % av tykkelsen av isolasjonslaget, øker også det samlede antall viklede sjikt, som er en kombinasjon av karbonpapir-lag og isolasjonsbåndlag ettersom hovedisolasjonslaget blir stort, og derved øker også den samlede isolasjons tykkelse. Dersom antallet av disse viklede sjikt økes, får bånd-påviklingsmaskinen for stor størrelse eller arbeidseffektiviteten senkes på kabelens produksjonstidspunkt. Dessuten blir den produserte kabel unødvendig stor.

Fortrinnsvis innstilles tykkelsen av det karbonpapir som her brukes til omtrent 50 -

150 pm. Dersom tykkelsen er mindre enn 50 pm, reduseres karbonpapirets mekaniske materialstyrke. Dersom tykkelsen overstiger 150 um blir oljetomrommet i karbonpapirlaget stort, hvilket ikke foretrekkes.

En måte å utføre foreliggende oppfinnelse på i samsvar med den første utførelsesform skal nå beskrives.

Fig. 1 viser et snitt tvers gjennom en massiv likestrømskabel i henhold foreliggende oppfinnelse. Kabelen består av en leder 1, et indre halvledende lag 2, et karbonbåndlag 3, et hovedisolasjonslag 4, et ytre halvledende lag 5, en metallmantel 6 og en plastkappe i rekkefølge fra den indre omkrets mot den ytre omkrets. Hovedisolasjonslaget 4 er dannet ved å påvikle kraftpapir eller halvsyntetisk papir hvor kraftpapir og polyolefin-film, slik som polypropylenfilm, osv., er integrert. I karbonbåndlaget 3 er det i tillegg viklet 10 sjikt av karbonbånd som har en resistivitet på 106 £>cm og en tykkelse på

80 pm.

Eksperimentelt eksempel 1

Kabler (eksempler og sammenligningseksempler) med en struktur slik som den vist i

fig. 1 ble fremstilt for forsøk og kjennetegnene på likestrømssammenbrudd ble studert for disse kabler. Eksperimentbetingelsene var en startspenning på -200 kV med en opptrappingsbetingelse på -20 kV/3 dager, mens belastningssyklusen var 8 timer strøm-sirkulasjon (70° C) og 16 timer nøytral avkjøling (R.T.). Kabelstrukturene og eksperi-mentresultatene er vist i tabell 1.

Som vist i tabell 1 er eksemplene 1, 2 og 3 overlegne med hensyn til den elektriske sammenbruddskarakteristikk for sammenligningseksempel 1 og man kan slutte seg til at utladning forhindres selv om hulrom genereres i et parti like over lederen. Særlig i eksempel 3 hvor karbonpapirlaget utgjorde omtrent 10 % av den samlede tykkelse av isolasjonslaget, var virkningen av å forbedre likestrømssammenbruddsegenskapene størst.

Med en massiv likestrømskabel i henhold til den første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er det, slik det er blitt beskrevet ovenfor, mulig å hindre utladning selv om det opptrer negativt oljetrykk i et isolasjonslag, som genererer hulrom når belastningen kobles ut. Det er følgelig mulig å konfigurere en kraftkabel som har høy elektrisk sammenbruddsstyrke og som er egnet for overføring av stor elektrisk effekt over lange avstander.

Den andre utførelsesform

En andre utførelsesform i henhold til foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives.

Resistiviteten (p.,) for kraftpapiret med lav resistans som brukes i et område hvor negativt oljetrykk frembringes like over lederen, har fortrinnsvis en sammenheng lik 0,1 p0 < p1 < 0,7p0 med resistiviteten (p0) for hovedisolasjonens kraftpapir (vanlig kraftpapir). Siden et skadelig elektrisk likestrømsfelt ikke deles med kraftpapiret med lav resistans, er dette følgelig virksomt med hensyn til å forhindre utladning i hulrom.

Når resistiviteten (p.,) for kraftpapiret med lav resistans er større enn 0,7p0, befinner den seg for nær resistiviteten (p0) for hovedisolasjonens kraftpapir til å utgjøre noen forskjell mellom deres elektriske likestrømsfelter frembragt i forhold til motstand, slik at det elektriske likestrømsfelt ved et parti med kraftig temperaturendring (et parti hvor hulrom er tilbøyelige til å bli generert like over lederen når en belastning kobles ut), og som er målet for foreliggende oppfinnelse, ikke kan bli avhjulpet. Når resistiviteten (p^ er mindre enn 0,1 p0, deles derimot nær sagt hele likestrømspåkjenningen med hovedisolasjonslaget og dette kraftpapir med lav resistans kan ikke i det hele tatt utføre sin hovedrolle av å dele elektrisk påkjenning som et isolerende lag. Dessuten begynner på uønsket måte den dielektriske styrke mot innkommende transiente og unormale impuls-bølger og mot likespenningen som sådan, å minske.

Kraftpapiret med lav resistans og som har en resistivitet innenfor 0,1 p0<<> p1<<> 0,7p0 i forhold til kraftpapiret i hovedisolasjonslaget kan oppnås ved å tilføre en type tilsetning til det vanlige kraftpapir eller ved å benytte en type dielektrisk kraftpapir. På denne måte er det mulig å oppnå et kraftpapir med lav resistans som har den ønskede resistivitet over hele temperaturområdet når kabelen er i bruk og som har en sammenbruddsstyrke som ikke er dårligere enn den for vanlige kraftpapir både med hensyn til likestrøm og pulser. Særlig kan sådant kraftpapir med lav resistans oppnås ved å tilsette amin til kraftpapir eller ved å benytte cyanoetylpapir. Faststoff-egenskapene for dette kraftpapir med lav resistans og vanlig kraftpapir er sammenlignet og vist i tabell 2.

På denne måte forstås det at kraftpapiret med lav resistans har en resistivitet som til-fredsstiller forholdet 0,1 p0 < p1 < 0,7p0 over hele temperaturområdet (vanligvis fra omtrent 20° til omtrent 60° C) når kabelen er i bruk. Ved å bruke et kraftpapir med lav resistans er det derfor mulig å danne et isolasjonslag hvor et elektrisk felt ikke deles, selv om hulrom genereres. Likeledes er det mulig å forhindre utladning i hulrommene.

Det område hvor negativt oljetrykk opptrer i isolasjonslaget og de prosentandeler av området fra ledersiden som er opptatt av kraftpapiret med lav resistans kan bestemmes ved kalkulasjon eller pr. eksperiment på prøvekabler etter at kabelens arbeidsbetingelser, størrelse og struktur er bestemt. Vanligvis foretrekkes det å innstille tykkelsen for således viklet kraftpapir med lav resistans, til å være 0,5 mm eller mer. Dersom tykkelsen er mindre enn 0,5 mm er det ved eksperimenter og på annen måte blitt funnet at en kraftig endring i ledertemperaturen ved bortkobling av en belastning, slik som nevnt ovenfor, ikke kan absorberes i kraftpapiret med lav resistans. For å absorbere/avhjelpe i tilstrekkelig grad påvirkningen på det parti hvor temperaturen faller plutselig når en belastning kobles ut, foretrekkes det vanligvis, ut fra undersøkelsene vist i fig. 6, å vikle kraftpapiret med lav resistans til en grad på 10 % av tykkelsen av isolasjonslaget. Når kraftpapiret med lav resistans økes til mer enn 10 % av tykkelsen av isolasjonslaget, blir likestrømsspenningen som deles med kraftpapirlaget med lav resistans så liten at det samlede antall viklede sjikt i isolasjonslaget, som er en kombinasjon av kraftpapiret med lav resistans og isolasjonsbåndlaget i hovedisolasjonslaget, blir stort og tykkelsen av den samlede isolasjon øker også. Når antallet av disse viklede sjikt økes, får en bånd-viklingsmaskin for stor størrelse eller arbeidseffektiviteten senkes når kabelen produseres. Dessuten blir den produserte kabel unødvendig stor.

Videre innstilles fortrinnsvis tykkelsen av det kraftpapir med lav resistans som her brukes, til omtrent 50 - 150 pm. Dersom tykkelsen er mindre enn 50 pm, reduseres den mekaniske materialstyrke for kraftpapiret med lav resistans. Dersom tykkelsen overskrider 150 pm, blir et oljetomrom i kraftpapiret med lav resistans uønsket stort.

Kraftpapirlag med lav resistans kan anordnes ikke bare på den indre omkretsside av hovedisolasjonslaget, men også på den ytre omkretsside. Ved værelsestemperatur er likestrømspåkjenningen høyere på den indre omkretsside enn på den ytre omkretsside, mens den er høyere på den ytre omkretsside enn på den indre omkretsside ved en høy temperatur. Uten å bruke kraftpapir med lav resistans opptrer elektrisk sammenbrudd i det parti hvor den frembragte påkjenning i isolasjonslaget er høy, dvs. i isolasjonslagets innerste omkrets (ved tidspunktet for ingen belastning eller lav belastning) eller i det ytterste lag (ved tidspunktet for kraftig belastning). Den største påkjenning skjer derfor i grensesnittet mellom isolasjonslaget og lederens ytre omkretsflate eller mellom isolasjonslaget og metallmantelens indre omkretsflate, hvilket er tilbøyelig til å være det svakeste punkt i en vanlig kabel, slik at elektrisk sammenbrudd er tilbøyelig til å opptre der. Ved å påføre kraftpapir med lav resistivitet på dette kraftig påkjente parti er det (1) mulig å redusere påkjenningen i isolasjonslagets indre/ytre grensesnitt som er til-bøyelig til å være det svakeste punkt, (2) mulig å overføre det største påkjenningspunkt til innsiden av isolasjonslaget som har forholdsvis stor styrke med hensyn til sammenbrudd og som ikke har uregelmessig elektrisk fordeling, og (3) mulig å avhjelpe den elektriske påkjenning på isolasjonslagets innerste omkretsside hvor skadelige hulrom er tilbøyelige til å bli generert når belastningen kobles ut, slik som nevnt ovenfor. For å realisere en massiv likestrømskabel med høy pålitelighet, er det derfor effektivt å påføre kraftpapirlag med lav resistans både på innersiden og yttersiden av isolasjonslaget.

En måte å utføre foreliggende oppfinnelse i samsvar med den andre utførelsesform på skal nå beskrives.

Fig. 3 viser et snitt tvers gjennom en massiv likestrømskabel i henhold til foreliggende oppfinnelse. Denne kabel består av en leder 21, et indre halvledende lag 22, et isolasjonslag 23, et ytre halvledende lag 24, en metallmantel 25 og en plastkappe 26 i rekke-følge fra den indre omkrets mot den ytre omkrets. Isolasjonslaget 23 består av et hovedisolasjonslag 23A på den ytre omkretsside og et kraftpapirlag 23B med lav resistans på den indre omkretsside. Hovedisolasjonslaget 23A er dannet ved å vikle normalt kraftpapir mens kraftpapirlaget 23B med lav resistans er dannet ved å vikle kraftpapir med lav resistans og som har en resistivitet som er lavere enn den for normalt kraftpapir i hovedisolasjonslaget 23A. Et annet kraftpapirlag med lav resistans kan anordnes mellom hovedisolasjonslaget 23A og det ytre halvledende lag 24.

Eksperimentelt eksempel 2

Kabler (eksempler) med et isolasjonslag hvor kraftpapirlag med lav resistans var dannet på både den indre omkrets og den ytre omkrets av et hovedisolasjonslag, og en kabel (sammenligningseksempel) med et isolerende lag uten noe kraftpapirlag med lav resistans ble fremstilt for forsøk og sammenbruddsegenskapene med hensyn til likestrøm ble studert for disse kabler. Kablenes lederstørrelse var 800 mm<2> og tykkelsen av kraftpapiret og kraftpapiret med lav resistans i hovedisolasjonslaget var 130 pm. De eksperimentelle betingelser var en startspenning på -500 kV med en opptrappingsbetingelse på -100 kv/3 dager og en belastningssyklus på 8 timer strømsirkulasjon

(70° C) med 16 timer nøytral avkjøling (R.T). Kabelstrukturene og eksperiment-resultatene er vist i tabell 3.

Som vist i tabell 3 er eksemplene 4 og 5 overlegne med hensyn til elektriske sammen-bruddsegenskaper i forhold til sammenligningseksempel 2 og man kan slutte seg til at utladning forhindres selv om hulrom genereres i et parti like over lederen. Særlig i eksempel 5 hvor tykkelsen av kraftpapirlaget med lav resistans er utført til å bli 1,5 mm, er virkningen av å forbedre sammenbruddsverdien overfor likestrøm mer merkbar enn noen.

Eksperimentelt eksempel 3

Ved å bruke kabler tilsvarende dem i eksperimentelt eksempel 2 ble sammenhengen mellom forskjellen i tykkelse av kraftpapirlaget med lav resistans og et elektrisk like-strømsfelt i det isolerende lag studert. Her ble kraftpapirlag med lav resistans anordnet både på den indre omkretsside (ledersiden) og den ytre omkretsside (mantelsiden) av hovedisolasjonslaget. De forskjellige kraftpapirlag med lav resistans ble utformet til enten 0,5 eller 1,55 mm tykkelse. Eksperimentbetingelsene var en tilført spenning på 350 kV likestrøm, mens lederstørrelsen var 800 mm<2> og isolasjonslagets tykkelse var 14,00 mm. Dessuten ble et lignende eksperiment utført også på en kabel uten noe kraftpapirlag med lav resistans for sammenligningsformål. De eksperimentelle resultater i det tilfelle hvor temperaturen var innstilt til konstant å være 25° C, er vist i fig. 4 mens de eksperimentelle resultater når ledertemperaturen var innstilt til 55° C er vist i fig. 5.

Som vist i fig. 4 og 5 er styrken av det elektriske likestrømsfelt høyere på den indre omkretsside av isolasjonslaget ved tidspunktet for lav temperatur (fig. 4) mens den er forstås det at i begge tilfeller ovenfor avhjelpes det elektriske likestrømsfelt ved hjelp av kraftpapirlagene med lav resistans. Særlig forstås det at for å avhjelpe et elektrisk felt i grensesnittet mellom isolasjonslaget og metallmantelen, som er et svakt punkt ved tidspunktet for høy temperatur, er det effektivt å anordne et annet kraftpapirlag med lav resistans på den ytre omkretsside av hovedisolasjonslaget.

Eksperimentelt eksempel 4

Ved å utnytte kabler tilsvarende dem i eksperimentelt eksempel 2 ble sammenhengen mellom forskjellen i resistivitet for kraftpapirlaget med lav resistans og et elektrisk like-strømsfelt i isolasjonslaget studert. Her hadde forskjellige kraftpapir med lav resistans en resistivitet på henholdsvis 0,1 ganger, 0,3 ganger, 0,5 ganger og 0,7 ganger så stor som resistiviteten for hovedisolasjonslagets kraftpapir. Kraftpapir med lav resistans ble anordnet både på den indre omkretsside og den ytre omkretsside av hovedisolasjonslaget. Hvert av de enkelte kraftpapirlag med lav resistans var 1,5 mm tykt. I tillegg ble også et sammenligningseksempel uten noe kraftpapir med lav resistans undersøkt under de samme eksperimentelle betingelser som i eksperimentelt eksempel 3. De eksperimentelle resultater i det tilfelle hvor temperaturen var innstilt til konstant å være 25° C er vist i fig. 6 mens de eksperimentelle resultater når ledertemperaturen var innstilt til 55° C er vist i fig. 7.

Ved tidspunktet for den lave temperatur (fig. 6) er også i dette eksperiment styrken av det elektriske likestrømsfelt høyere på den indre omkretsside av det isolerende lag mens på tidspunktet for høy temperatur (fig. 7) er styrken av det elektriske likestrømsfelt høyere på den ytre omkretsside. Dessuten forstås det at i begge tilfeller ovenfor er resistiviteten innenfor det undersøkte område effektiv med hensyn til å avhjelpe et elektrisk likestrømsfelt i grensesnittet mellom isolasjonslaget og lederen eller metallmantelen.

Med en massiv likestrømskabel i henhold til foreliggende oppfinnelse er det, slik som beskrevet ovenfor, mulig å forhindre utladning selv om negativt oljetrykk opptrer i et isolasjonslag og derved genererer skadelige hulrom når en belastning kobles ut, og det er mulig å avhjelpe et elektrisk felt i grensesnittet mellom det isolerende lag og en leder og i grensesnittet mellom det isolerende lag og en metallmantel, idet grensesnittene er elektrisk sett svake punkter i kabelen. Det er følgelig mulig å konfigurere en kraftkabel som har høy styrke mot elektrisk sammenbrudd og som er egnet for overføring av stor elektrisk effekt over lange distanser.

Den tredie utførelsesform

En tredje utførelsesform i henhold til foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives.

I en situasjon hvor et elektrisk isolerende komposittbånd, dvs. det ovenfor beskrevne PPLP-bånd, er blitt impregnert med isolasjonsolje, er vanligvis resistiviteten for det isolerende komposittbånd omtrent 10<15> £>cm eller mer innenfor arbeidstemperaturområdet. Som kraftpapir med lav resistans brukes derfor normalt kraftpapir som har en resistivitet som er en eller flere størrelsesordner mindre enn den for dette komposittbånd, f.eks. omtrent 10<13> Q*cm. Dessuten kan kraftpapiret med lav resistans som brukes i den andre utførelsesform, brukes som kraftpapir. Siden det elektriske likestrømsfelt deles i forhold til resistansen i hver posisjon av det isolerende lag, deles det elektriske likestrømsfelt ikke med kraftpapirlaget som har en lav resistivitet, slik at utladning i hulrom kan forhindres.

Det område hvor negativt oljetrykk opptrer i isolasjonslaget og den andel av området fra ledersiden som opptas av kraftpapiret kan bestemmes ved kalkulasjon eller pr. eksperiment på prøvekabler etter at arbeidsbetingelsene, størrelsen og strukturen av kabelen er bestemt. Vanligvis foretrekkes det å innstille tykkelsen av det således viklede kraftpapir til å være 0,8 mm eller mer. Dersom tykkelsen er mindre enn 0,8 mm er det ved eksperimenter og på annen måte funnet at en kraftig endring i ledertemperaturen ved utkobling av en belastning, slik som nevnt ovenfor, ikke kan absorberes i kraftpapiret. I den hensikt i tilstrekkelig grad å absorbere/avhjelpe påvirkningen i de partier hvor temperaturen faller plutselig når en belastning fjernes, foretrekkes det vanligvis å vikle kraftpapiret til en utstrekning på 10 % av tykkelsen av isolasjonslaget. Når kraftpapirlaget økes til mer enn 10 % av isolasjonslagets tykkelse, blir likestrømsspenningen som deles med kraftpapirlaget så liten at det samlede antall viklede sjikt i isolasjonslaget, som er en kombinasjon av kraftpapirlaget og hovedisolasjonslaget, blir stort og tykkelsen av isolasjonen øker også. Når antallet av disse viklede sjikt økes, blir båndpåviklings-maskinen for stor eller arbeidseffektiviteten senkes når kabelen produseres. Dessuten får den produserte kabel unødvendig stor størrelse.

Videre foretrekkes det at tykkelsen av kraftpapiret som her brukes innstilles til å være omtrent 50 - 150 pm. Dersom tykkelsen er mindre enn 50 pm reduseres kraftpapirets mekaniske materialstyrke. Dersom tykkelsen overskrider 150 pm blir et oljetomrom i kraftpapirlaget uønsket stort.

Kraftpapirlaget kan anordnes ikke bare på den indre omkretsside av hovedisolasjonslaget, men også på den ytre omkretsside. Likestrømspåkjenningen er høyere på den indre omkretsside enn på den ytre omkretsside ved værelsestemperatur, mens den er høyere på den ytre omkretsside enn på den indre omkretsside ved høy temperatur. Uten å anordne noe kraftpapirlag skjer elektrisk sammenbrudd i det parti hvor den frembragte påkjenning i isolasjonslaget er høy, dvs. i den innerste omkrets av isolasjonslaget (ved tidspunktet uten belastning eller lav belastning) eller i det ytterste lag (ved tidspunktet for kraftig belastning). Den største påkjenning skjer derfor i grensesnittet mellom isolasjonslaget og lederens ytre omkretsfiate eller mellom isolasjonslaget og metallmantelens indre omkretsfiate, som er tilbøyelig til å være det svakeste punkt i en vanlig kabel, slik at elektrisk sammenbrudd er tilbøyelig til å skje der. Ved å påføre kraftpapir som har en resistivitet som er lavere enn den for hovedisolasjonslaget til dette høypå-kjente parti, er det mulig (1) å redusere påkjenningen i det indre/ytre grensesnitt av isolasjonslaget som er tilbøyelig til å være det svakeste punkt, (2) mulig å flytte det største påkjenningspunkt til innsiden av isolasjonslaget som har hovedsakelig høy styrke med hensyn til sammenbrudd og ikke har noen uregelmessig elektrisk påkjennelses-fordeling, og (3) mulig å avhjelpe den elektriske påkjenning på den innerste omkretsside av isolasjonslaget hvor skadelige hulrom er tilbøyelige til å bli generert når en belastning kobles ut, slik som nevnt ovenfor. For å realisere en massiv likestrømskabel med høy pålitelighet, er det derfor effektivt å påføre kraftpapirlag på både den indre og ytre side av isolasjonslaget.

En måte å utføre foreliggende oppfinnelse på i samsvar med den tredje utførelsesform skal nå beskrives.

Fig. 9 viser et snitt tvers gjennom en massiv likestrømskabel i henhold til foreliggende oppfinnelse. Denne kabel består av en leder 41, et indre halvledende lag 42, et isolasjonslag 43, et ytre halvledende lag 44, en metallmantel 45 og en plastkappe 46 i rekke-følge fra den indre omkrets mot den ytre omkrets. Isolasjonslaget 43 består av et hovedisolasjonslag 43A på den ytre omkretsside og et kraftpapirlag 43B på den indre omkretsside. Hovedisolasjonslaget 43A er dannet ved vikling av et komposittbånd (med handelsbetegnelsen PPLP) hvor polypropylenfilm og kraftpapir på begge dets sider er bundet til hverandre, mens kraftpapirlaget 43B er dannet ved å vikle kraftpapir som har en resistivitet som er omtrent en størrelsesorden mindre enn den for komposittbåndet i hovedisolasjonslaget 43A. Et annet kraftpapirlag med lav resistans kan være anordnet mellom hovedisolasjonslaget 43A og det ytre halvledende lag 44.

Eksperimentelt eksempel 5

Kabler (eksempler) som hver har et isolasjonslag hvor kraftpapirlag av forskjellig tykkelse er dannet både på den indre og ytre omkrets av et hovedisolasjonslag, og en kabel (sammenligningseksempel) som har et isolasjonslag (som består bare av et komposittbånd) uten noen kraftpapirlag ble fremstilt for forsøk og sammenbruddsegenskapene med hensyn til likestrøm ble studert for disse kabler. Lederstørrelsen for kabelen var 800 mm2 mens tykkelsen av kraftpapiret var 130 pm. De eksperimentelle betingelser var en startspenning på -500 kV med en opptrappingsbetingelse på -100 kV/3 dager og en belastningssyklus på 8 timer strømsirkulasjon (70° C) og 16 timer naturlig avkjøling (R.T.). Kabelstrukturene og de eksperimentelle resultater er vist i tabell 4.

Som vist i tabell 4 er eksemplene 6, 7 og 8 overlegne med hensyn til elektriske sammenbruddskarakteristikk i forhold til sammenligningseksempel 3, og det kan sluttes at utladning forhindres selv om hulrom genereres i et parti like over lederen. I eksemplene 6 og 7 hvor tykkelsen av kraftpapirlaget på den indre omkretsside var gjort lik 0,8 mm eller mer, er særlig virkningen av å forbedre styrken mot likestrømssammen-brudd mer markert enn i de andre eksempler.

Med en massiv likestrømskabel i henhold til oppfinnelsen er det, slik som beskrevet

ovenfor, mulig å forhindre utladning selv om negativt oljetrykk genereres i et isolasjonslag som derved genererer skadelige hulrom når en belastning fjernes, og det er mulig å avhjelpe et elektrisk felt i grensesnittet mellom det isolerende lag og en leder, som er et

på elektrisk måte, svakt punkt for kabelen. Følgelig er det mulig å danne en kraftkabel som har høy verdi med hensyn til elektrisk sammenbruddsstyrke og er egnet for over-føring av store elektriske effekter over lange avstander. I det tilfelle hvor et annet kraftpapirlag er dannet også på den ytre omkrets av hovedisolasjonslaget, er det særlig mulig å avhjelpe et elektrisk felt i grensesnittet mellom isolasjonslaget og en metallmantel. Likeledes er det mulig å oppnå en kabel som er overlegen med hensyn til elektrisk sammenbruddsstyrke både for tidspunktet for ingen (eller lav) belastning og ved tidspunktet for høy belastning.

Claims (12)

1. Massiv likestrømskabel som omfatter en leder (1) og et isolasjonslag anordnet på den ytre omkrets av lederen, idet isolasjonslaget omfatter: - et hovedisolasjonslag (4) og - et båndlag (3) med lav resistans, som omfatter karbonpapir med en resistivitet som er en eller flere størrelsesordner mindre enn den for hovedisolasjonslaget (4), karakterisert ved at håndlaget (3) med lav resistans er anordnet like over lederen (1) i et område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning kobles ut.

2. Massiv likestrømskabel som angitt i krav 1, og hvor karbonpapiret (3) har en resistivitet i området 10<3> - 108 £>cm og er viklet til en tykkelse på 0,8 mm eller mer.

3. Massiv likestrømskabel som angitt i krav 1 eller 2, og hvor karbonpapiret (3) er viklet til en tykkelse på 10 % eller mindre av isolasjonslagets tykkelse.

4. Massiv likestrømskabel som angitt i et av de foregående krav, og hvor tykkelsen av karbonpapiret i håndlaget (3) ligger i området 50 - 150 pm.

5. Massiv likestrømskabel som angitt i et av de foregående krav, og hvor hovedisolasjonslaget (4) omfatter kraftpapir (23A) og kraftpapir (23B) med lav resistans, som har en resistivitet som er mindre enn den for kraftpapiret (23A) i hovedisolasjonslaget, og som er anordnet etter hverandre fra ledersiden til hovedisolasjonssiden, idet resistiviteten (p.,) for kraftpapiret (23B) i isolasjonlaget med lav resistans og resistiviteten (p0) for et normalt kraftpapir (23A) har et forhold lik 0,1 p0 < p1<<> 0,7p0.

6. Massiv likestrømskabel som omfatter en leder (21) og et isolasjonslag (23) anordnet på den ytre omkrets av lederen, og hvor isolasjonslaget omfatter et hovedisolasjonslag som omfatter kraftpapir (23A) og et isolasjonslag (23B) med lav resistans, som omfatter kraftpapir med lav resistans, som har en resistivitet som er mindre enn den for kraftpapiret (23A) i hovedisolasjonslaget, idet resistiviteten (p,,) for kraftpapiret i isolasjonslaget (23B) med lav resistans og resistiviteten (p0) for et normalt kraftpapir har et forhold lik 0,1 p0 <<> p1<<> 0,7<p>0, karakterisert ved at isolasjonslaget (23B) med lav resistans er anordnet like over lederen (21) i et område hvor trykket i isolasjonsoljen blir negativt når en belastning kobles ut.

7. Massiv likestrømskabel som angitt i krav 5 eller 6, og som omfatter en metallmantel (25) på den ytre omkrets av isolasjonslaget, og hvor isolasjonslaget inneholder et kraftpapirlag med lav resistans, som omfatter et kraftpapir som har en resistivitet som er mindre enn den for det normale kraftpapir i hovedisolasjonslaget (23A), idet kraftpapiret med lav resistans er anordnet like under metallmantelen (25), eller like under et ytre halvledende lag (24) når et ytre halvlederlag er inkludert.

8. Massiv likestrømskabel som angitt i krav 7, og hvor kraftpapirlaget med lav resistans på den ytre omkrets av hovedisolasjonslaget (23) er viklet til en tykkelse på 10 % eller mindre av tykkelsen av isolasjonslaget (23A).

9. Massiv likestrømskabel som angitt i et av kravene 5 - 8, og hvor kraftpapirlaget (23B) med lav resistans er viklet til en tykkelse på 10 % eller mindre av tykkelsen av isolasjonslaget (23A).

10. Massiv likestrømskabel som angitt i et av kravene 5 - 9, og hvor tykkelsen av kraftpapirlaget (23B) med lav resistans ligger i området 0,5 - 0,8 pm, eller mer.

11. Massiv likestrømskabel som angitt i et av kravene 5 - 10, og hvor tykkelsen av kraftpapiret med lav resistans i laget (23B) med lav resistans ligger i området 50 - 150 pm.

12. Massiv likestrømskabel som angitt i et av kravene 5 - 11, og hvor kraftpapiret med lav resistans er papir tilsatt amin eller cyanoetylpapir.