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Hochspannungskabel
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen im Aufbau von Hochspannungskabeln mit Druck- medium, die mit einer Isolation aus mit Öl oder einem andern Isolierstoff imprägniertem Papier verse- hen sind. Zu dieser Art von Kabeln gehören die ölgefüllten Kabel und die Rohrkabel. Die letztere Art von
Kabeln besteht bekanntlich aus drei Einleiterkernen ohne metallische Mäntel, die eine mit geeignetem i Isolierstoff imprägnierte Papierisolation aufweisen und beispielsweise mit Kupferbändern abgeschirmt sind, die in geeigneter Weise angeordnet und von einem Gleitdraht (sogenannt "skid wire") umschlossen sind.
Die drei Kabelkerne werden in ein Stahlrohr eingezogen, das sodann unter hohem Druck, beispielsweise von 15 atm, mit Stickstoff oder Öl gefüllt wird.
Es ist schon bekannt, in elektrischen Hochspannungskabeln Bänder aus halbleitendem Material, insbesondere mit Russ beladenen Papierbänder, zu verwenden. Derartige Bänder werden bisher in direkter
Berührung mit dem verseilten Leiter angewendet, u. zw. in Form eines lückenlos geschlossenen und glat- ten Bandwickels, z. B. durch Aufbringen einer einzigen Lage oder zweier Lagen aus halbleitendem, mit
Russ beladenem Papier.
Diese Bänder aus halbleitendem Papier haben zahlreiche Funktionen zu erfüllen. Sie machen die Oberfläche des verseilten Leiters glatt und verhindern dadurch eine örtliche Erhöhung und unregelmässige
Verteilung der maximalen elektrischen Beanspruchung an der Oberfläche des Kabelleiters, ferner verhin- dern sie einige nachteilige Erscheinungen, die auftreten können, wenn der Kabelleiter und das Dielektri- kum in unmittelbare Berührung kommen, und schliesslich sichern sie eine gute Haftung zwischen dem Ka- belleiter und dem Dielektrikum.
Es ist ferner bereits bekannt, dass besonders bei ölgefullten Kabeln die Anordnung von mit Russ bela- denem Papier in Berührung mit dem Kabelleiter erheblich dazu beiträgt, den Wert der elektrischen Bean- spruchung, bei der eine Ionisation des mit dem Papier in Kontakt befindlichen Ölfilms einsetzt, zu er- höhen.
Bei der Kabelherstellung wird die erste Bandwicklung aus mit Russ beladenem Papier mit einer wei- teren Bandwicklung aus normalem Isolationspapier bedeckt ; diese zweite Bewicklung wird solange fortge- setzt, bis die für das Kabel erforderliche Dicke der Isolation erreicht wird. Hierauf wird das Kabel in einen geeigneten Behälter eingebracht, der zur Entfernung aller Lufteinschlüsse im Wickel evakuiert wird, worauf das Kabel in diesem Behälter zwecks vollständiger Trocknung einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Nach diesem Verfahrensschritt wird das Kabel imprägniert, abgeschirmt und im Falle eines ölge- füllten Kabels auch mit einem metallischen Mantel versehen.
Aus theoretischen Überlegungen und praktischen Versuchen, die unternommen worden sind, um die
Erscheinungen zu klären, welche während des Wickelvorganges und des Trocknungsvorganges bei der Her- stellung des Kabels auftreten, hat sich ergeben, dass die innersten Lagen aus Isolationspapier, also jene, die dem Kabelleiter am nächsten liegen, ein von den äussersten Lagen wesentlich verschiedenes Verhalten zeigen. Beim Wickelvorgang werden die papierbänder unter einer vorgegebenen mechanischen Spannung aufgebracht, wodurch offensichtlich von den äusserenpapierlagen auf die inneren Lagen ein radialer Druck ausgeübt wird. Diese Tatsache hat in der Praxis verschiedene Folgen :
Zunächst ist festzuhalten, dass der maximale Druck auf die innersten Lagen erfolgt, die infolge der
Nähe des Kabelleiters von diesem erheblich beeinflusst werden.
Dieser maximale Druck lässt sich an- schaulich dadurch erklären, dass die innerste Zone der Papierbänder, die einem radialen Druck zur Ka-
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belachse hin ausgesetzt sind, direkt auf dem Kabelleiter aufliegt, also auf einer starren, d. h. nicht nach- giebigen metallischen Unterlage. Anschliessend daran ergibt sich eine Zwischenzone in der Isolation, für welche die untersten Papierlagen ein nachgiebiges Polster bilden, der eine teilweise Deformation der
Bänder erlaubt, durch welche der Druck in diesen Bändern herabgesetzt wird. In der Praxis ist in dieser Zwischenzone eine gewisse gegenseitige Bewegung der Bänder möglich, so dass sich die verschiedenen
Lagen dieser Zone relativ leicht aneinander anpassen können, ohne dass dabei übermässige Druckbeanspru- chungen entstehen.
Zumindest jene Lagen, die sich in der äussersten Zone der Isolation befinden, sind somit aus den ge- schilderten Gründen nach aussen abnehmenden, geringeren Druckbeanspruchungen unterworfen, wobei die Druckbeanspruchung der äussersten Lage den Wert Null hat. Praktische Messungen und Berechnungen, die in dieser Beziehung angestellt worden sind, haben gezeigt, dass sich jener Teil der Isolation, in dem die
Druckbeanspruchungen hohe und gefährliche Werte annehmen können, von der Oberfläche des Kabelleiters bis zu einer Dicke erstreckt, die im allgemeinen zwischen 5% und 10% des Radius des Kabelleiters liegt.
Bezeichnet man daher mit R den Radius des Kabelleiters, so ergibt sich, dass in der Praxis die Zone, in welcher die Druckbeanspruchungen am höchsten sind, einen Zylinderring darstellt, dessen kleinerer
Radius R beträgt und dessen grösserer Radius zwischen 1, 05 Rund 1, 10 R liegt, wobei dieser grössere Radius natürlich vom geometrischen Aufbau des Kabels und den physikalischen Eigenschaften des Isolationspa- piers abhängt.
Während des nachfolgenden Trocknungsvorganges muss eine weitere Erscheinung berücksichtigt wer- den. Die Papierbänder haben nämlich beim Trocknen die Tendenz zu schrumpfen, was zur Folge hat, dass die Windungsradien der Bänder kleiner werden. In der dem Kabelleiter benachbarten Zone des Band- wickels, die bereits infolge der beim Wickelvorgang angewendeten mechanischen Bandspannung einer hohen Druckbeanspruchung unterliegt, wird aber eine Schrumpfung der Papierlagen durch die starre, vom metallischen Kabelleiter gebildete Unterlage verhindert. Diese verhinderte Schrumpfung verursacht einen weiteren Anstieg der schon vorher hohen Druckbeanspruchung in dieser Zone.
Mit zunehmendem Abstand vom Kabelleiter ergibt sich hingegen eine Verminderung des vom Wickelvorgang herrührenden Druckes in den einzelnen Lagen der Isolation, weil bei der Schrumpfung die Dickenabnahme grösser als die Län- genabnahme ist. Insgesamt verursacht daher der Trocknungsvorgang einen Druckanstieg in den dem Ka- belleiter benachbarten Lagen und eine Abnahme des Druckes in den vom Kabelleiter am weitesten ent- fernten Lagen der Papierbewicklung.
Die hohen Druckbeanspruchungen, die in den innersten, dem Kabelleiter am nächsten liegenden Pa- pierlagen auftreten, wären an sich nicht schädlich, weil sie im Sinne einer Verdichtung der Isolation wir- ken. Während der nachfolgenden Arbeitsvorgänge und während der Verlegung des Kabels kommt es jedoch häufig vor, dass das Kabel Biegungen unterworfen wird. Derartige Biegungen geben nun aber Anlass zu schwerwiegenden Unzukömmlichkeiten, die auch dann nicht vermieden werden können, wenn man rela- tiv grosse Biegeradien anwendet.
Die Papierlagen, die nahe dem Kabelleiter liegen, sind, wie schon erwähnt, hohen Druckbeanspru- chungen unterworfen, und sie werden daher während einer Biegung des Kabels an einem gegenseitigen
Gleiten gehindert, wogegen die weiter aussen befindlichen Papierlagen bei einem Biegevorgang relativ leicht aneinander gleiten können. Das hat unvermeidbar zur Folge, dass beim Biegen des Kabels die Pa- pierlagen in der Nähe des Kabelleiters Falten und Runzeln bilden und, wenn die auftretenden mechanischen Beanspruchungen besonders hoch sind, schliesslich sogar reissen können. Dadurch wird die dielektri- sche Festigkeit der Isolation wesentlich vermindert, u. zw. gerade in einer Zone, in der beim Betrieb des
Kabels die stärkste elektrische Beanspruchung auftritt.
Es ist ja bekannt, dass die elektrische Beanspruchung in Dickenrichtung der Isolation nicht konstant ist, sondern gerade im Bereich der Aussenfläche des Kabelleiters einen Höchstwert hat und sodann in einem hyperbolischen Verlauf nach aussen abnimmt, so dass sie im Bereich jener Papierlage, die sich in Berührung mit der äusseren Abschirmung befindet, einen wesentlich kleineren Wert hat.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, ein Hochspannungskabel mit Druckmedium zu schaffen, bei dem die durch Bänder aus imprägniertem Papier gebildete Isolation nicht mehr den vorstehend geschilderten Unzukömmlichkeiten unterliegt.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildetes Hochspannungskabel mit Druckmedium, dessen Isolation durch eine Bewicklung mit Bändern aus Papier gebildet ist, die mit Öl oder einem andern Isolierstoff imprägniert sind, und bei dem zwischen dem verseilten Kabelleiter und der Isolationsschicht eine Bandwicklung aus halbleitendem, mit Russ beladenem Papier eingefügt ist, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Bandwicklung aus halbleitendem, mit Russ beladenem Papier eine Dicke von mindestens 5%
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des Radius des Kabelleiters hat, so dass sie die gesamte Zone nahe dem Kabelleiter, welche während des
Bewicklung-un Trocknungsvorganges den höchsten Druckbeanspruchungen unterworfen ist, ausfüllt.
Wie schon erwähnt, ist die Anwendung einer oder zweier Lagen aus halbleitenden Papierbändern am
Kabelleiter bereits bekannt. Die neue Lehre der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass unmittelbar auf den verseilten Kabelleiter eine Bandwicklung aus halbleitendem Papier angebracht wird, deren Dicke wesentlich grösser als bisher, d. h. nicht kleiner als 5% ist und vorzugsweise zwischen 59o und 10% des Ra- dius des verseilten Kabelleiters liegt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfihrungsbei- spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung hervor, in der der halbe Querschnitt eines Hochspannung. % ka- bel gemäss der Erfindung dargestellt ist.
In der Zeichnung ist mit 1 der Kabelleiter bezeichnet, der als kompakter Leiter, wie in der Zeich- nung, ausgeführt sein kann, oder aber als hohler Leiter, also mit einem inneren axialen Durchlass, wie dies für ölgefüllte Kabel erforderlich ist. Mit 2 ist die Bandwicklung aus halbleitendem, mit Russ belade- nem Papier bezeichnet, die innen vom metallischen Kabelleiter 1 und aussen von einer Schicht 3 aus Iso- lationspapier begrenzt ist, wobei das Isolationspapier je nach der Art des Kabels mit flüssigem Öl oder irgendeinem andern geeigneten Isolationsstoff imprägniert ist.
Die Schicht 3 aus Isolationspapier wird im Falle eines ölgefullten Kabels mit einer elektrischen Ab- schirmung bedeckt, die ihrerseits von einem metallischen Mantel umschlossen wird, der im allgemeinen aus Blei besteht und gegebenenfalls durch metallische Bewehrungen verstärkt und bzw. oder mit einem
Schutzüberzug aus thermoplastischem Material versehen sein kann. Im Falle von Rohrkabeln wird die Iso- lationsschicht nur mit einer geeigneten elektrischen Abschirmung bedeckt.
Die Zeichnung bezieht sich auf den Fall, dass die Wickeldicke des mit Russ beladenen Papiers gleich 10% des Radius des Kabelleiters ist. Wenn jene Zone der Isolation, die hohen Druckbeanspruchungen un- terliegt, geringere Dicke hat, so wird natürlich auch die Bandwicklung aus halbleitendem Papier mit pro- portional verminderter Dicke hergestellt.
Wie schon erwähnt, entstehen die höchsten Druckbeanspruchungen beim Bewicklung-un Trock- nungsvorgang nur in dem mit dem Kabelleiter in Berührung befindlichen Teil der Isolation, der eine Dik- ke von 5% bis 100/0 des Radius des Kabelleiters hat. Es ist nun ohne weiteres einzusehen, dass durch die er- findungsgemässe Massnahme nur der vom halbleitenden Papier eingenommene Teil der Isolation diesen höchsten Beanspruchungen ausgesetzt ist.
Selbst wenn daher das Kabel Biegungen unterworfen wird, haben diese Beanspruchungen keinen Einfluss auf die dielektrische Festigkeit der Isolation, weil die Lagen aus
Isolationspapier der Einwirkung der höchsten Druckbeanspruchungen, die inder unmittelbaren Nähe des
Kabelleiters auftreten, entzogen sind und sich in einer Zone befinden, in der die Druckbeanspruchung be- reits erheblich geringer ist, so dass diese Lagen eine gewisse Möglichkeit zur gegenseitigen Verschiebung ohne Falten- oder Runzelbildung und ohne Gefahr des Reissens haben.
Bezüglich der Lagen aus mit Russ beladenem Papier, die sich in der Nähe des Kabelleiters befinden, ist es nicht von wesentlichem Belang, ob diese während der Biegung des Kabels Falten oder Runzeln bil- den bzw. ob sie sogar reissen. Wenn das Kabel in Betrieb genommen wird, nimmt nämlich die gesamte
Zone, die von den Bändern aus halbleitendem, mit Russ beladenem Papier gebildet wird, praktisch das gleiche Potential an, so dass an allfälligen Fehlerstellen dieser Zone keine Spannung anliegt.
Aus der Erläuterung der Erscheinungen, die der Problemstellung der Erfindung zugrunde liegen, ist ersichtlich, dass die Art des für das Isolationspapier verwendeten Imprägnationsmediums keinen Einfluss auf die mechanischen Bedingungen austibt, weiche zu den erläuterten Erscheinungen führenund deren Auswirkungen durch die Erfindung behoben werden, zumal die geschilderten Bedingungen bloss vom geometrischen Aufbau bzw. von der Stärke des Kabels und von den Eigenschaften des verwendeten Isolationspapiers abhängen. Hieraus folgt, dass die erfindungsgemässe Massnahme bei beliebigen Hochspannungskabeln mit Druckmedium angewendet werden kann, bei welchen die Isolation durch Bänder aus imprägniertem Papier gebildet wird.
Anderseits führt die Einfügung einer relativ dicken Schicht aus mit Russ beladenem Papier in die Isolation nicht zu irgendwelchen nachteiligen Begleiterscheinungen, die vermieden werden mussten, so dass durch diese halbleitende Schicht alle geschilderten Vorteile erzielt werden können, ohne die einwandfreie Arbeitsweise des Kabels irgendwie zu beeinträchtigen.
Es versteht sich, dass die geschilderte Ausführungsform der Erfindung nur ein Beispiel darstellen soll und dass im Rahmen der erläuterten Prinzipien der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen möglich sind.