Diese Erfindung bezieht sich auf ein Druckgasisoliertes Hochspannungskabels wobei der stromführende Leiter bezüglich der koaxialen Metallhülle durch ringförmige Stützisolierelemente zentriert ist, welche mindestens eine in eine Ringnute eingebaute Elektrode aufweisen, die einen elektrischen Kontakt mit dem stromführenden Leiter bzw. der erwähnten Metallhülle haben.
Bis jetzt waren am wirtschaftlichsten die Freilufthochspannungsübertragungen mit Anordnung der meisten Anlagen - der Leitungen und der Aussenisolation - im Freien. Jedoch zeigt sich mit Zunahme der Übertragungsfähigkeit und infolge der damit verbundenen Steigerung der Spannung immer mehr die Unbrauchbarkeit der Atmosphärenluft als Isoliermedium für Höchstspannungen. Einerseits kommt dies im Effekt des absoluten Potentials, d. h. in der steilen Senkung der Durchschlagspannungszunahme je Höhen einheit mit Vergrösserung des Abstandes der Leitung von dem Erdboden zum Ausdruck.
Andererseits werden die traditionellen Wege zur Verhinderung der beträchtlichen Energie - und Leistungsverluste, sowie der durch die Koronaerscheinung hervorgerufenen Störungen erschöpft. Man kann behaupten, dass die Freiluftübertragungen in der jetztigen Form sich der Grenze ihrer Möglichkeiten nähern.
In diesem Zusammenhang werden intensive Arbeiten in der Entwicklung von unterirdischen Hochspannungsübertragungen, insbesondere von ölgefüllten elektrischen Kabeln für Spannungen von etwa 400 kV und darüber geführt. Eine wirksamere Lösung des Problems ist jedoch die Entwicklung von Hochspannungskabeln mit Druckgas als Hauptisolation.
Die Kabel dieser Art haben gegenüber den Freiluftleitungen und den ölgefüllten Kabeln bzw. den Kabeln mit Ölpapierisolation folgende Vorteile: höhere Übertragungsfähigkeit dank der Anwendung von Hartleitern grossen Querschnitts und hoher Wärmeleitfähigkeit des Druckgases; geringe dielektrische Verluste und praktisch volles Ausbleiben von Koronaverlusten; Schutz gegen Witterungseinflüsse (Glatteis, Verschmutzung der Isolatoren, Blitzeinschläge usw.): Ausbleiben von Funkstörungen; vergrösserte kritische Kabellänge auf Kosten der verminderten spezifischen Kapazität (die dielektrische Gaskonstante beträgt 1 bei beliebigem Arbeitsdruck); Möglichkeit die Isolation für beliebige Spannungen (bis einige Millionen Volt) auszuführen; einfache konstruktive Ausführung und Montage.
Bei derartigen Kabeln wird der stromführende Leiter in Koaxiallage durch Stützisolierelemente aus Hartdielektrikum gehalten, während der Raum zwischen diesen mit Druckgas gefüllt wird.
Bei der Montage solcher Kabel entstehen an den Berührungsstellen der Stützisolierelemente mit dem Leiter und dem Mantel Gaseinschlüsse, in welchen das Potentialgefälle wegen der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten der Hart- und Gasisolation beträchtlich zunimmt. Infolgedessen entsteht in den Gaseinschlüssen eine vorzeitige Ionisierung und der Überschlag der Stützisolierelemente erfolgt bei Spannungen, die wesentlich kleiner als die Durchschlagspannung des Umgebungsgases ist. Dieser Effekt wird mit Zunahme des Gasdruckes verstärkt und bei Drücken von einigen Atmosphären sinkt die Überschlagsspannung auf 50% von der Gasdurchschlagspannung und sogar tiefer.
Zur Beseitigung dieses Mangels durch Unterdrückung der Teilentladungen in den Gaseinschlüssen finden in das Stützisolierelement eingebaute Schirmelektroden Verwendung, die einen elektrischen Kontakt jeweils mit dem Leiter und der Hülle haben und das elektrische Feld in den erwähnten Gaseinschlüssen abschwächen (Siehe z.B.
Frankreichpatentschrift Nr. 1 415 165 Kl. HOIB). Jedoch führt die Anwendung von Stützisolierelrnenten bei den erwähnten Kabeln unvermeidlich zur Verzerrung des elektrischen Feldes, Verstärkung des Potentialgefälles in der Nähe des Leiters und der Hülle, zum Auftreten einer beträchtlichen Normalkomponente der Feldspannung an der Oberfläche des Stützelementes, was eine Senkung der Überschlagspannung zur Folge hat, die zumindest um 15 bis 20% niedriger als die Durchschlagspannung des umgebenden Gases bei Drücken von nicht über 5-6 atm. liegt.
Dies bedeutet, dass das Stützisolierelement hinsichtlich der dielektrischen Festigkeit die schwächste Stelle bleibt. In Anbetracht der zweckmässigen Erhöhung des Gasdruckes bis auf 20 atm (z. B. bei der Benutzung solcher Gase wie Stickstoff oder Luft) führt die Verwendung derartiger Stützisolierelemente zur weiteren Senkung der dielektrischen Festigkeit des Kabels.
Zweck der Erfindung ist es, die erwähnten Mängel zu beseitigen.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein druckgasisoliertes Hochspannungskabel zu schaffen, dessen Durchschlagfestigkeit durch Erhöhung der Überschlagspannung des Stützisolierelementes bis auf den Wert der Druckgasdurchschlagspannung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Kabel erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Erzeugende der Seitenfläche des ringförmigen Stützisolierelementes mit der Kraftlinie des elektrischen Feldes des Kabels zusammenfällt, wobei in jedem Punkt dieser Kraftlinie die elektrische Feldstärke geringer als an der Oberfläche des stromführenden Leiters im Zwischenraum zwischen den Stützisolierelementen ist.
Es ist nun zweckmässig, bei dem Hochspannungskabel die Ringnuten der ringförmigen Stützisolierelemente mit einem Radius r auszuführen, der 0,2-0,25 des Abstandes zwischen dem stromführenden Leiter und der koaxial angeordneten Hülle des erwähnten Kabels beträgt, und die Seitenfläche der ringförmigen Stützisolierelemente mit einer Erzeugenden, deren Gleichung in dem rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang in der Mitte des Querschnittshalbkreises der erwähnten Ringnut die Form
EMI1.1
<tb> vr <SEP> r <SEP> (1,82-0,72e-15 <SEP> x)- <SEP> Ae+ll <SEP> x <SEP>
<tb> hat,
wobei A gleich 0,005 für ein Hochspannungskabel mit Schirmelektroden sowohl seitens des stromführenden Leiters als auch seitens der Metallhülle und gleich 0 für ein Hochspannungskabel mit Schirmelektroden nur seitens des stromführenden Leiters ist.
Zum besseren Verständnis sind nachstehend Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eingehend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Hochspannungskabel im Längsschnitt;
Fig. 2 das Hochspannungskabel mit einer Ringnut sowohl seitens des stromführenden Leiters als auch seitens der Metallhülle;
Fig. 3 eine andere Ausführungsvariante des Hochspannungskabels bei der die Ringnuten nur seitlich des stromführenden Leiters ausgeführt sind;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante des Hochspannungskabels mit nur einer Ringnut seitens des stromführenden Leiters;
Das Hochspannungskabel enthält einen stromführenden Leiter 1 (Fig. 1) und einen koaxial zum erwähnten stromführenden Leiter 1 angeordnete Metallhülle 2.
Der stromführende Leiter 1 wird innerhalb der Metallhülle 2 mittels ringförmiger Stützisolierelemente 3, die beispielsweise aus Porzellan, Epoxydkompoundmasse, Keramik u. dgl.
ausgeführt sind, befestigt.
An den Kontaktflächen der Stützisolierelemente 3, die an der Oberfläche des stromführenden Leiters 1 und der Metall hülle 2 anliegen, sind Ringnuten 4 von halbrundem Querschnitt ausgeführt, in welche Schirmelektroden 5 eingebaut sind, die einen elektrischen Kontakt jeweils mit dem stromführenden Leiter 1 bzw. der Metallhülle 2 haben. Die Schirmelektroden 5 werden entweder durch Füllen der Nuten 4 mit Metall oder durch Überdecken derselben mit einer leitenden Schicht, beispielsweise durch Aufdampfen, oder auch durch Unterbringen in diesen nach dem Profil der Nuten 4 ausgepresster Metallhohlringe ausgeführt.
Der Raum zwischen dem stromführenden Leiter 1 und der Metallhülle 2 wird mit Druckgas 6, beispielsweise mit Stickstoff bzw. Schwefelhexafluorid (SF6), gefüllt.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kabels sind bei dem Stützisolierelement 3 je zwei Schirmelektroden 5 für jede Kontaktfläche seitens des stromführenden Leiters 1 und der Metallhülle 2 vorgesehen, jedoch ist die Ausführung mit je einer Schirmelektrode 5 für jede Kontaktfläche möglich (s. Fig. 2).
In diesem Falle sind die eingebauten Elektroden als hohle Metallringe nach dem Querschnitt der Nute 4 ausgeführt, während der freie Raum mit jeder beliebigen Kompoundmasse
7 gefüllt ist.
Die Anwendung von eingebauten Schirmelektroden in dem Stützisolierelement verändert das elektrische Feld innerhalb des Kabels, wodurch längs der Feldkraftlinien in der Nähe der Elektroden das Potentialgefälle derart verteilt ist, dass es in jedem beliebigen Punkt der Kraftlinie niedriger als an der Oberfläche des stromführenden Leiters im Raum zwischen den
Stützisolierelementen ist.
Hierbei wird an den Kraftlinienstellen in der Nähe des stromführenden Leiters 1 und der Metallhülle 2 das elektrische
Feld stark gegenüber den gleichen Stellen im Raum zwischen den Stützisolierelementen abgeschwächt, während im mittleren
Teil der Kraftlinie das Feld etwas verstärkt wird.
Dadurch wird erreicht, dass das elektrische Feld längs der erwähnten Kraftlinien ausgeglichen wird. Die gleiche Vertei lung des Potentialgefälles findet an der Oberfläche des Stütz isolierelementes 3 statt, dessen Erzeugende mit einer der erwähnten Kraftlinien zusammenfällt. Davon ausgehend ist auch die Seitenfläche des Stützisolierelementes bestimmt.
Der Radius r (Fig. 1) der Ringnuten 4 wird zweckmässiger weise im Bereich 0,2-0,25 vom Abstand zwischen dem strom führenden Leiter 1 und der Metallhülle 2 gewählt. Dann hat die
Seitenfläche des Stützisolierelementes 3 eine Erzeugende, deren Gleichung im rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang im Mittelpunkt des Querschnittshalbkreises der
Ringnut die Form y = r (1,82-0,72e-l 3 xr ¯Ae+t 2 x hat. Hierbei ist A=0,005.
In diesem Falle nimmt die Formel folgende Form an: y = r (1,82-0,72e1,3 7X ,2-0,005e+' 2 Ox ,2)
Bei den Ausführungen, wo die Beziehung des Innendurchmessers der Metallhülle zum Durchmesser des stromführenden Leiters grösser als 3 ist, ist es zulässig, die Schirmelektroden nur seitens des stromführenden Leiters (Fig. 3, 4) anzuordnen.
Die Seitenfläche des Stützisolierelementes 3 (Fig. 3, 4) hat eine Erzeugende, deren Gleichung im rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y) mit Anfang im Mittelpunkt des Querschnittshalbkreises der Ringnut die Form y = r (1,82-0,72e1,3 x) hat. Aus der Formel ist ersichtlich, dass A=O ist.
Bei den obenbeschriebenen Kabelausführungen ist ein praktisches Zusammenfallen der Überschlagspannung der ringförmigen Stützisolierelemente mit der Durchschlagspannung des Druckgases im Bereich bis 21 at erreicht.