CH666365A5

CH666365A5 - Hochspannungsleistungskabel mit biaxial orientierter gepraegter polymer-isolierung.

Info

Publication number: CH666365A5
Application number: CH3435/84A
Authority: CH
Inventors: Eric Boyland Forsyth; Albert Charles Muller
Original assignee: Us Energy
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1984-07-13
Publication date: 1988-07-15
Also published as: FR2549280A1; DE3425748A1; JPS6039711A; FR2549280B1; GB8416907D0; US4487991A; GB2143363B; GB2143363A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kabel mit mehreren Isolationslagen oder -schichten, die mit einem isolierenden Strömungsmittel (Fluid) imprägniert sind. Bei den üblichen Verfahren zum Aufbau von Hochspannungskabeln unter Verwendung von Kraftpapierisolation und Ölimprägnierung scheinen die praktischen Grenzen hinsichtlich Spannung und daher hinsichtlich Leistung erreicht zu sein. Bei Spannungen oberhalb 345 kV werden durch den erhöhten dielektrischen Verlust zusammen mit den relativ schlechten Wärmeübertragungseigenschaften der Kabel unter Verwendung von Kraftpapier die Stromleitfähigkeiten dieser Kabel niedriger, was viele Vorteile dieser erhöhten Spannung auslöscht.

Diese Probleme führten zu Entwicklung einer Papier- und Kunststoff-laminierten Isolierung, die, obwohl einige Vorteile erreicht wurden, häufig anderen Einschränkungen zur Folge hat, und zwar wegen der bestimmten individuellen Eigenschaften jedes Materials. Der nichtpermeable Kunststoff verlangsamt die Wanderung des Öls und das Kraftpapier hat noch immer einen relativ hohen dielektrischen Verlust.

Die logische Fortentwicklung der Kabeltechnologie erfolgte in Richtung einer vollständig aus Kunststoff bestehenden Isolierung für Hochspannungskabel und verschiedene Versionen wurden bereits patentiert und in begrenzten Mengen gebaut. US-PS 3 358 071 beschreibt ein Kabel unter Verwendung von Mehrfachschichten aus Polysulfonband. US-PS 3 105 872 beschreibt ein Kabel mit Polycarbonatband. US-PS 3 077 514 und 3 077 510 schlugen andere Polymerbänder vor, wie beispielsweise aus Polyäthylen und Polypropylen, und zwar mit speziellen Konfigurationen, wie beispielsweise Nuten (US-PS 3 077 514) und Kanälen (US-PS 3 077 510).

Praktische industriell anwendbare Kabelkonstruktionen unter Verwendung von Polymeren, wie beispielsweise Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen, haben sich jedoch wegen der diesen Materialien innewohnenden Probleme als nicht in der Praxis realisierbar erwiesen. In den üblichen kommerziellen Ausführungen sind sie auflösungsempfindlich, schwellen in ihrer Dicke an und schrumpfen in typischen Imprägnierfluids in einem Ausmass, was eine zuverlässige lange Lebensdauer verhindert. Beispielsweise schlägt das erwähnte US-PS 3 077 510 die Verwendung von Organosilikonpolymerfluids vor, um diese Einschränkung zu überwinden, und US-PS 3 229 024 schlägt die Verwendung eines hochkristallinen Propylenbandes mit Po-lypropylenöl vor. US-PS 4 330 439 verwendet exothische Di-arylalkanverbindungen als Isolieröl, um die Kompatibilität mit Polyolefinen sicherzustellen.

Vor der vorliegenden Erfindung wurden keine Kabel mittels bekannten Verfahren hergestellt, die die überlegenen elektrischen Eigenschaften von Polyäthylen, Polybuten oder Polypropylen aufweisen, wobei die bekannten Imprägnierflüssigkeiten, die eine lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit sowie höhere Span-nungs- und höhere Stromfestigkeiten als papierosilierte Kabel aufweisen, verwendet wurden.

Man hat sich die Aufgabe gestellt ein Kabel herzustellen, welches, obwohl es aus preiswerten Polyolefinbändern aufgebaut ist und typische Imprägnieröle verwendet, Hochspannungseigenschaften bis zu 765 kV zeigt, wobei dieses Kabel derart ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und Wärmeübertragungseigenschaften besitzen soll, dass es in der Lage ist, mit Kapazitäten zu arbeiten, die gleich oder höher sind als wie es bei derzeit verfügbaren Kabeln bei einer gegebenen Spannung möglich ist.

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Dies wird erfindungsgemäss durch das Kabel erreicht, welches im Anspruch 1 definiert ist. Das Isolierband wird in spezieller Weise verarbeitet, um Eigenschaften zu erhalten, welche im allgemeinen in diesen Materialien nicht vorkommen, die aber für ihre Verwendung in imprägnierten elektrischen Kabeln erforderlich sind. Die wichtigste dieser Eigenschaften ist die Kompatibilität mit Imprägnieröl. Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen in ihrer gebräuchlichsten Form sind beim Eintauchen in heisses, konventionelles, elektrisches Isolieröl empfänglich für Dickenschwellung, Auflösung, Beanspruchungsrisse und Längsschrumpfung.

Um diese zerstörenden Phänomene zu minimieren, wird das Polyolefinausgangsmaterial vor der Verwendung in dem erfin-dungsgemässen Kabel biaxial orientiert. Dies umfasst das Strecken der Bänder durch Walzen, und zwar auf ein Zugverhältnis von zwischen 5 bis 1 und 10 bis 1 in Längsrichtung und auch die Orientierung der Bänder über deren Breite hinweg.

Das sich aus dem Walzen des Polyolefinausgangsmaterial s auf geeignete Ziehverhältnisse ergebende Band hat zahlreiche Qualitätsmerkmale, die es für die Kabelherstellung überlegen machen. Um die Tendenz des Bandes zu vermindern, in Fasern zu zerfallen, sich über seine gesamte Länge längs eines einzigen Risses zu spalten, ist eine weitere Verarbeitung erwünscht. Diese Verarbeitung umfasst einen zweiten linearen Orientierungsschritt in der Richtung quer zum Band. Dies orientiert das Band mit einem Verhältnis von bis zu 50% in der Querbandrichtung und erzeugt Band, welches hinreichend biaxial orientiert ist. um die Tendenz zur Faserbildung (Fibrillation) in zufriedenstellender Weise zu begrenzen.

Die sich aus der obenerwähnten Verarbeitung ergebenden Polyäthylen- und Polypropylenbänder werden mit einem speziellen Muster unter speziellen Bedingungen geprägt, um die ordnungsgemässe Kabelimprägnierung und Wärmeübertragung sicherzustellen. Das Prägemuster besteht aus unregelmässigen Kanälen, die in erster Linie in der Querbearbeitungsrichtung gerichtet sind.

Gleichzeitig muss das Muster, obwohl es einen gewissen Öl-fluss in sowohl der Maschinen- als auch der Querbandrichtung gestatten kann, den Querbandfluss favorisieren, weil dieser Fluss die Imprägnierung von Lage (Schicht) zu Lage (Schicht) erhöht und die Wärmeübertragung durch Ölkonvektionfördert. Das Kabel selbst ist aus mehreren Schichten aus Polyolefinband aufgebaut, und zwar entweder Polyäthylen, Polybuten oder Polypropylen, unter Verwendung konventioneller Kabelwickelmaschinen. Zur Erleichterung der Kabelbiegung werden mehrere unterschiedliche Breiten des Polyolefinbandes in den Schichten verwendet. Diese Grössen schreiten zu grösseren Breiten mit erhöhtem Abstand gegenüber dem Leiter des Kabels fort.

Für die schliesslich zu erreichenden elektrischen Eigenschaften des Isolierbandes ist es ferner wesentlich, dass die Antioxi-dationsmittel und anderen Additive in ordnungsgemässer Weise ausgewählt werden und dass die Konzentrationen in dem ursprünglichen Ausgangsmaterial, welches für den Walzvorgang verwendet wird, gesteuert oder kontrolliert werden. Diese Materialien, wie die Antioxidationsmittel, die im allgemeinen sämtlichen Polymermaterialien zugefügt werden, ordnungsgemäss ausgewählt sind, so kann der dielektrische Verlust (Tangensdelta) der Isolation auf unterhalb 2x 10~4 gehalten werden.

Um bei der Konstruktion des Kabels unterstützend zu wirken, wird das ansonsten hochtransparente Polyolefin-Isolier-band mit einem hinzugefügten Farbstoff hergestellt. Dieses Verfahren hilft beträchtlich bei der Fähigkeit, ein brauchbares Kabel mit konventionellen Kabelbandmaschinen herzustellen, weil der Benutzer in ordnungsgemässer Weise jede darauffolgende spiral- oder schraubenlinienförmige Schicht aus Isolierband mit der unmittelbar vorhergehenden Schicht abstimmen muss.

Wenn die Bandaufbringung mit einem typischen ausserordentlich klaren und transparenten Polyäthylen-, Polybuten- oder

Polypropylenband erfolgt, so kann der Benutzer nicht die Kanten der unmittelbar vorhergehenden Schicht gegenüber den anderen Kanten, und zwar bis zu acht oder zehn Bandschichten darunter, erkennen. Die Zugabe von ausgewählten Farbstoffen in speziellen Mengen zu dem ursprünglichen Ausgangsmaterial gibt dem Band genug Farbe, um zu gestatten, dass der Benutzer oder Betreiber der Kabelmaschine leicht die Kanten und die An-stossspalte der unmittelbar vorausgehenden Schicht des Bandes gegenüber denjenigen der früheren Schichten erkennen kann, und zwar deshalb, weil die Dunkelheit der Farbe in signifikanter Weise mit jeder Schicht oder Lage ansteigt. Diese Farbagens wird derart ausgewählt, dass es jeden Anstieg des Verlustfaktors des ursprünglichen Materials minimiert.

Das erfindungsgemässe Kabel ist mit einer Schirmschicht über der letzten Schicht aus Isolierband und einem Flachmetalleiterband über dem Schirm ausgestattet. Diese beiden Lagen sind derart aufgebaut, dass sie für das Imprägnierfluid permeabel sind. Dies wird dadurch erreicht, dass man die Schichten mit kleinen Löchern perforiert.

Die letzten Schichten des Kabels der Erfindung sind üblicherweise Abdeckungen und hängen von dem Gebrauchszweck des Kabels ab. Selbst umschlossene Kabel sind mit einem öl-dichten Mantel darauffolgend auf die Imprägnierung umschlossen, und rohrartige Kabel, wenn sie vor der Installation imprägniert sind, werden mit einer eine niedere Permeabilität besitzenden Öl zurückhaltenden Abdeckung, wie beispielsweise Papier, abgedeckt. Kabel der Rohrbauart können noch gemäss der Erfindung nach dem Einbau imprägniert werden, weil das Imprägnieröl so leicht innerhalb der Kabel läuft, dass eine Imprägnierung im Feld, d.h. am Anwendungsplatz, wesentlich praktikabler ist als dies früher der Fall war.

Das erfindungsgemässe Kabel liefert nicht nur einen signifikanten Anstieg hinsichtlich der Spannungs- und Leistungshand-habungsfähigkeit gegenüber Kraftpapierkabeln, sondern hat noch die weiteren Vorteile bei dem Versand, bei der Aufbewahrung und beim Einbau, und zwar wegen der verminderten Kompliziertheit bei der Handhabung der Kabel, die noch kein Öl enthalten. Ein solcher Vorteil besteht darin, dass Kraftpapierkabel nicht nur mit Öl verschickt werden müssen, sie können darüber hinaus wegen der Gefahr des Austrocknens auch nur eine begrenzte Lagerfähigkeit besitzen. Es liegt auf der Hand, dass unter Verwendung von Polyolefinbändern hergestellte Kabel, die noch nicht ölimprägniert sind, nicht der Gefahr des Ölverlustes ausgesetzt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Kabels, und zwar mit verschiedenen aus Gründen der besseren Klarheit weggenommenen Lagen;

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein typisches Prägemuster, verwendet gemäss der Erfindung;

Fig. 3a und 3b zeigen Querschnitte von Kabelinstallationen mit externer Kühlung.

Im folgenden sei die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Kabel 10 ist mit einem Mittelleiter 12 aufgebaut, und zwar abgedeckt durch eine Schirm- oder Einbett-Schicht 14 und isoliert durch Mehrfachschichten aus Polyolefinband 16, welches in einer Schraubenlinienform 1 über das nächste gewickelt ist. Die Isolierbänder 16 sind mit einem Halbleiterschirm 18 abgedeckt, der selbst durch Leitungsschicht 20 und schliesslich Kabelmantel 22 bedeckt ist. Nicht gezeigte Gleitdrähte können ebenfalls zugefügt sein.

Die gezeigte Konstruktion ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Band-Kraftpapier-Isolierung und bei Verwendung der gleichen Verfahrenstechniken bekannt. Die Breite der Bänder kann verschieden sein; schmaler nahe dem Leiter und breiter an der Aussenseite. Die Ablagerichtung kann ebenfalls bei einer

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bestimmten Radialdicke umgekehrt werden, wobei ein Faktor wie dieser von der Konstruktion der Bandaufbringmaschine abhängt.

Isolierbänder 16 sind in überlappenden spiralförmigen oder schraubenlinienförmigen Schichten aufgewickelt, so dass jeder Anstossspalt 24 zwischen Spiralen der gleichen Schicht versetzt sind vom Anstossspalt 26 der Schicht darunter. Diese Konstruktion wird durch die Herstellung des Farbe enthaltenden Isolierbandes erleichtert.

Die Polyolefinbänder, wie beispielsweise Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen, sind bei hoher Orientierung, was für die vorliegende Erfindung erforderlich ist, transparent. Diese Klarheit wird dann ein Nachteil, wenn die Anstossspalte von vielen Schichten durch die Oberfläche des Kabels gesehen werden können. Der Benutzer der Wickelmaschine Jiat dann die Schwierigkeit zwischen einem Anstossspalt 26, der unmittelbar vorhergehenden Schicht, der gegenüber der neue Anstossspalt 24 versetzt sein muss, von anderen Anstossspalten tiefer innerhalb des Kabels.

Das Isolierband der vorliegenden Erfindung hat daher eine zugegebene Farbkomponente, so dass eine innerhalb des Kabels befindliche Lage mit immer zunehmender Tiefe dunkler erscheint. Um diese Farbe zu erzeugen, werden organische Farbstoffe verwendet, weil diese organischen Verbindungen anders als anorganische Metallsalze weniger schädliche Einflüsse auf den Tangensdelta und die Zulässigkeit des Bandes haben.

Da ein Gleichgewicht gefunden werden muss zwischen der erforderlichen Farbe und den Einwirkungen auf die elektrischen Eigenschaften, werden organische Farbstoffe dem Polyolefin-Ausgangsmaterial in Anteilen im Bereich zwischen 100 und 1000 Gew.-Teilen pro Million zugegeben.

Dies hat eine Verminderung der Lichtdurchlässigkeit des Bandes auf 10 bis 50% der ursprünglichen Durchlässigkeit zur Folge. Wenn das Band bei einem Kabel verwendet wird, so vermindert dies die Sichtbarkeit auf ein bis zwei Schichten, wohingegen mit Farbe Anstossspalte bis auf eine Tiefe hinab von acht bis zehn Schichten innerhalb der Isolation noch immer sichtbar sind.

Die Eigenschaften der Isolierbänder werden auch durch mehrere andere Faktoren im Ausgangsmaterial, aus dem die Bänder hergestellt werden, beeinflusst. Beispielsweise müssen Antioxidationsmittel auf einen Bereich von 100 bis 1000 Gew.-Teile pro Million beschränkt sein und die Beschränkung erfolgt auf Produkte in der wie folgt identifizierten Gruppe IONOL, C.P.; DLTDP; und TOBANOL, C.A. Wenn diese Produkte in der erwähnten beschränkten Menge verwendet werden, so ergibt sich nur eine geringfügige Beeinflussung der inhärenten nichtpolaren Struktur des Polyolefins und es wird ermöglicht, dass man einen dielektrischen Verlusttangens von weniger als 2x IO-4 bei Betriebsbedingungen erreicht.

Das ordnungsgemäss gebildete Harz, mit Antioxidationsmit-teln im beschränkten Umfang und mit der entsprechenden zugegebenen Farbe, wird sodann durch das unten angegebene Verfahren in ein Band extrudiert, wobei aber eine weitere Verarbeitung erforderlich ist, bevor die direkte Anwendung bei einem ölimprägnierten Kabel erfolgt. Das Band wird sodann biaxial orientiert und mit Einprägungen versehen (geprägt).

Die Orientierung wird in der Maschinenrichtung durch Warmwalzen des Rohbandes erreicht, und zwar zur Erzeugung eines Dickenverminderungsverhältnisses von zwischen 5 zu 1 und 10 zu 1.

Das Dickenverminderungs- oder -reduktionsverhältnis ist in der Tat eine Messung der linearen Bandorientierung und ist eine Anzeige für die sich ändernden Zugeigenschaften des Polymers. Das Warm- oder Heisswalzverfahren wird bei Temperaturen zwischen 5 und 40°C unterhalb des Schmelzpunktes des speziellen Polymers ausgeführt. Auf diese Weise wird das Polyäthylen mit Walztemperaturen zwischen 90 und 125°C orientiert und Polypropylen wird zwischen 120 und 155°C verarbeitet.

Vor dem Walzen wird das Band ebenfalls verarbeitet, um es in Bandquerrichtung zu orientieren, und zwar bis zu einem Reduktionsverhältnis von bis zu 50%. Dies ist notwendig, weil ohne diese Verarbeitung die Polymere Tendenz zur Faserbildung haben, d.h. sie teilen sich auf in einzelne Phasen über ihre Breite hinweg, was eine Spaltung des Bandes in Längsrichtung bewirkt.

Die den Bändern erteilte biaxiale Orientierung ist ein Schlüssel hinsichtlich ihrer Verwendung in ölimprägnierten Kabeln. Das Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ist mit einer weit gebrauchten Art von Polybutenöl imprägniert, wie beispielsweise Cosden-, Chevron- oder Amoco-Kabelöl, welches eng mit der Dielektrizitätskonstante des Bandes zusam-menpasst. Dies minimiert die Stress- oder Beanspruchungsintensivierung an den Öl/Band-Zwischenflächen und ergibt daher überlegene Spannungseigenschaften. Ohne die spezielle Verarbeitung würde das Polyäthylenband jedoch wahrscheinlich entweder in seiner Dicke anschwellen, in seiner Länge schrumpfen, sich auflösen oder Beanspruchungsrisse erleiden. Bevor die vorliegende Erfindung gemacht wurde, war es praktisch unmöglich, in erfolgreicher Weise betriebsfähige imprägnierte Kabel aus den wirtschaftlichen Polyolefinen unter Verwendung von üblichen niedrigen Kosten verursachenden Imprägniermitteln herzustellen.

Die durch die oben angegebene Verarbeitung hergestellten Polyolefinbänder haben jedoch einen Zugmodul von mindestens 17.575 x 105 Pa in Längs- (Maschinen-) Richtung und erfüllen sämtliche für die Kabelherstellung erforderlichen Kriterien. Sie zeigten weniger als 3% Dimensionsänderung nach 5000 Stunden in 100°C Öl. Darüber hinaus zeigten Beanspruchungsrissversuche an diesen Bändern in 100°C Polybutenöl über 1000 Studen hinweg keine Probleme bei Beanspruchungsniveaus unterhalb 3%.

Die Zugfestigkeit, die die Bänder durch die Verarbeitung erhalten, ist nicht nur eine Anzeige für die Beständigkeit gegenüber einer Verschlechterung in Öl, sondern auch eine Notwendigkeit für die Verwendung auf Kabelbandmaschinen. Die in der obenerwähnten Weise verarbeiteten Bänder können daher auf konventionellen Kabelherstellungsmaschinen verwendet werden, und zwar mit Zugkräften, die gross genug sind, um ein in zufriedenstellender Weise dicht gewickeltes Kabel aufzubauen.

Bevor die endgültige Verarbeitung in ein Kabel erfolgt, wird das Polyolefinband geprägt, um Abstand zwischen den Bandschichten und -lagen vorzusehen, was die Ölimprägnierung erleichtert und einen relativ freien Fluss des Öls innerhalb des Kabels zur Verbesserung der Wärmeübertragung gestattet.

Diese Ziele werden durch ein spezielles Prägeverfahren erreicht. Das Kabel wird durch erhitzte Rollen bei 5 bis 10°C unterhalb der vorausgegangenen Walztemperatur geprägt. Andere Verfahren zur Vorerhitzung des Bandes selbst im Gegensatz zur Verwendung erhitzter Rollen sind nicht zufriedenstellend, weil sie eine Wärmeschrumpfung und die Verformung der Bänder bewirken. Ein typisches Prägemuster ist in Fig. 2 gezeigt, und zwar handelt es sich hier um eine Draufsicht auf einen kleinen Abschnitt des Bandes 30 mit Tälern 32 in dem als schwarze Linien dargestellten Muster.

Das Prägemuster ist wie folgt gekennzeichnet: Es ist unregelmässig und gestattet vorzugsweise den Querbandfluss des Imprägniermittels, und zwar im Gegensatz zu einem Fluss längs des Bandes. Das «Wackellinien»-Muster von irregulären Tälern, die im wesentlichen quer zur Bandbreite verlaufen, wie man dies in Fig. 2 sieht, erfüllt diese Kriterien und kann nicht — anders als ein Muster von regulären Nuten oder Kanälen — benachbarte Bandschichten verriegeln. Die nicht-gleichförmigen und irregulären Muster stellen daher sicher, dass die verschiede5

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nen Bandschichten sich um kleine Abstände bezüglich einander bewegen können und ergeben einen Flexibilitätsgrad, der für die Herstellung und Installation des Kabels erforderlich ist.

Das den Querfluss begünstigende Muster liefert Wärme-übertragungs- und Imprägniereigenschaften für das Kabel, welche jedwede Ergebnisse übersteigen, die zuvor bei Papier-iso-lierten Kabeln erreichbar waren. Obwohl es bekannt ist, dass Kraftpapier selbst permeabel ist und Polymere dies nicht sind, so hängt doch der für die Imprägnierung und Wärmeübertragung im vorliegenden Kabel verfügbare Mechanismus nicht von der Permeabilität des Materials selbst ab.

Das geprägte Muster ist von solcher Art, dass es die effektive Banddicke verdoppelt, d.h.die Spitze zu Spitze-Dicke ist das doppelte des Abstands der ursprünglichen Banddicke. Das Band wird somit während des Wickeins auf eine scheinbare Dicke komprimiert, die das Einundeinhalb-fache der ursprünglichen Banddicke beträgt. Das Prägen wird durch Walzen erreicht, die eine Vertiefung in einer Oberfläche des Bandes und einen Vorsprung in der anderen Oberfläche bewirken. Nachdem die Wicklung in ein Kabel erfolgte, trennen diese Oberflächen-unregelmässigkeiten die Bandschichten; da aber das Muster den quer zum Band verlaufenden Ölfluss begünstigt, muss das Öl höchstens die Hälfte der Breite des Bandes zu oder von einem Anstossspalt fliessen, wo es dann zum nächsten Raum zwischen den Bändern fortschreiten kann. Dies ergibt einen verhältnismässig kurzen Pfad für das Öl von der Aussenseite des Kabels zum Leiter.

Zwei typische Prägemuster sind die folgenden: Ein «grobes» Muster mit einer typischen 0,1 mm Breite auf mittlerer Höhe der «Täler» und einem typischen 0,2 mm Abstand zwischen benachbarten Spitzen; und ein «Fein»-Muster mit typischerweise 0,025 mm Talbreiten auf mittlerer Höhe und typischerweise 0,05 mm Abstand zwischen den Spitzen.

Die Verfügbarkeit von Prägemustern im Bereich von grob zu fein gestattet dem Kabelkonstrukteur einen Komprimiss vorzusehen zwischen Wärmeübertragung und der Betriebsbeanspruchung. Das grobe Muster liefert die beste Wärmeübertragung mit einer gewissen Verminderung der Betriebsspannungsbeanspruchung, verglichen mit dem feinen Muster und umgekehrt.

Die Ergebnisse dieser Art von Prägung können quantitativ gemessen werden, und zwar durch Messung der Kabelimprägnierraten. Kontaktwinkelmessungen an geprägtem Polyäthylenband mit Imprägnieröl liegen sämtlich im Bereich von 25° oder weniger und zeigen günstige Eigenschaften für die Ölbe-netzung und den Ölfluss an,

Tests hinsichtlich der Imprägnierzeit von gemäss der Erfindung konstruierten Kabelabschnitten zeigen an, dass die Imprägnierzeit eines geprägten Polyäthylenkabels ähnlich dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen so geringen Wert wie 60 Minuten betragen kann. Dies ist auf die Prägung und die guten Benetzungseigenschaften des Polyäthylenbandes zurückzuführen, da das Material selbst keine signifikante Wärmepermeabilität besitzt.

Der durch die kurze Imprägnierzeit des Kabels angedeutete freie Fluss des Imprägniermittels hat ferner ein vorteilhaftes und unerwartetes Ergebnis zur Folge. Das Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels zeigte Wärmeübertragungsfähigkeiten, die wesentlich besser sind als diejenigen von äquivalenten Kraftpapierkabeln. Diese verbesserte Wärmeübertragung,die sich in Messungen als 6mal besser als bei Kraftpapier-isolierten Kabeln bei Öltemperaturen von 100°C ergab, ist das Ergebnis der wesentlich besseren Ölzirkulation innerhalb des Kabels, da die Wärmeübertragungsvergleiche zwischen trockenen Polyäthylenkabeln und trockenen Kraftpapierkabeln nur geringfügig bessere Wärmeleitungseigenschaften für das Polyäthylenkabel ergaben. Die Verbesserung der Wärmeübertragung für die ölge-füllten Kabel ist in dramatischer Weise grösser für die Kabel des bevorzugten Ausführungsbeispiels im Gegensatz zu Kraftpapierkabeln. Diese Verbesserung ist auf die speziellen Einzelheiten des Prägemusters zurückzuführen und auf die überlegenen Benetzungseigenschaften, was eine natürliche Konvektion des Öls innerhalb der Isolierrung gestattet,wobei die Wärme von innerhalb des Kabels zur äusseren Abdeckung 22 (Fig. 1) geleitet wird.

Dieser freie Ölfluss wird dadurch unterstützt, dass sichergestellt wird, dass der äussere Schirm oder die Abschirmung 18 und die leitende Schicht oder Lage 20 hinreichend permeabel für das Imprägniermittel sind um den freien Fluss des Öls, welcher sich innerhalb der Wandschichten 16 ergibt, nicht zu sperren. Der Ölfluss durch die äusseren Lagen oder Schichten 18 und 20 — bei denen es sich um Materialien handelt, die eine schlechte inhärente Permeabilität besitzen, wird durch eine Reihe von kleinen Löchern 28 erreicht, die durch jede dieser Lagen perforiert ist. Diese Löcher haben keinen nachteiligen Einfluss auf die elektrische Funktion der Lage 18 und der leitenden Lage 20, gestatten aber, dass das Öl sich durch diese Lagen bewegt, und zwar sowohl während der anfänglichen Imprägnierung als auch während des Betriebs als ein Wärmeübertragungsmedium.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus des Kabels gemäss der Erfindung erhält man durch die Aufzeichnung eines Beispiels von Lagen des typischen Kabels der Fig. 1, aufgebaut gemäss der Erfindung. Die Auflistung erfolgt von dem Mittelleiter aus nach aussen, wobei ein 230-kV-Kabel die folgenden Lagen oder Schichten aufweist:

1) Leiter 12, 2,742 cm Aussendurchmesser, kompaktes Rundaluminium mit einer Nennbelastung von 900 Ampere.

2) Abschirm- und Einbettlage 14, 2,793 cm Aussendurchmesser, 2 Lagen Kohlenstoff-beladenes Papier, 3/4' ' breit.

3) Isolierbänder 16, 4,19 cm Aussendurchmesser, 44 Lagen geprägtes Polyäthylen, 14 Lagen 1,9 cm breit, 16 Lagen 2,2 cm breit, 14 Lagen 2,54 cm breit, wobei jede Lage ungefähr 0,15 mm dick nach der Aufbringung des Bandes ist.

4) Schirm 18, 4,2 cm Aussendurchmesser, 2 Lagen Kohlen-stoff-beladenes Papier, 2, 54 cm breit.

5) Leitschicht oder -läge 20, 4,34 cm Aussendurchmesser, 2 Lagen aus rostfreiem Stahl mit einer Polymerlage unter dem rostfreien Stahl und einer Mylarlage zwischen den rostfreien Stahllagen.

6) Gleitband 22, 4,36 cm Aussendurchmesser, eine Lage Mylarband.

Die ausserordentlichen Wärmeübertragungseigenschaften des erfindungsgemässen Kabels gestatten alternative Ausführungsbeispiele des Kabels, welches bislang für Hochspannungs-hochleistungskabel nicht praktikabel waren, welche aber die Brauchbarkeit des Kabels beträchtlich ergänzen. Die Ausführungsbeispiele sind in Fig. 3a und 3b gezeigt und sind externe gekühlte Kabel.

Eine typische Drei-Phasen-Installation ist in Fig. 3a gezeigt, wobei drei Kabel 34 in einem Stahlrohr 40 liegen, welches in Abschnitten geschweisst ist und wobei die Kabel hindurchgezogen werden, wenn eine hinreichende Länge zusammenge-schweisst ist. Das Rohr 40 ist mit Imprägnierströmungsmittel 42 unter positivem Druck gefüllt. Eine Zwangskühlung des Übertragungskabels wird dadurch erreicht, dass man das Strömungsmittel 42 zirkuliert und periodisch an verschiedenen (nicht gezeigten) Stationen längs der Übertragungsroute kühlt. Dieses Verfahren ist dem Fachmann wohl vertraut und ist die bevorzugte Art und Weise, um die überlegene Wärmeübertragung der Kabelisolierung auszunutzen. Wegen der überlegenen Wärmeübertragung ist es möglich, das Öl mit Umgebungsluft anstelle von Kühlströmungsmittel zu kühlen, die jetzt für diese Art von zwangsgekühltem System erforderlich sind. Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 3b, die ebenfalls dem Fachmann bekannt ist, und zwar besteht diese Möglichkeit darin, dass man eines oder mehrere Rohre 44 benachbart zu selbst umschlossenen (unab5

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hängigen) und Mantel-gekühlten Kabeln 34 vergräbt. Kühlströ-mungsmittel 48 wird durch das Rohr 44 zirkuliert und entfernt die in den Kabeln 34 erzeugte Wärme.

Ein nicht-fliissigkeitsgekühltes Kabel, aufgebaut gemäss den Lehren der vorliegenden Erfindung, hat eine Nennspannung von 550 kV und einen Nennstrom von 1500 Ampere, und zwar bei einem Kabelaussendurchmesser von nur 9,22 cm innerhalb eines Rohrs mit 26 cm Durchmesser. Diese Konstruktion besass einen Leistungsfaktor von 0,015% und einen thermischen Widerstandswert von 250°C cm/W.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der dargestellten Erfindung lediglich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel handelt. Verschiedene Änderungen können hinsichtlich der Funktion und Anordnung der Teile getroffen werden. Äquivalente Mittel können für die gezeigten und beschriebenen eingesetzt werden. Ferner können bestimmte Merkmale unabhängig 5 von anderen verwendet werden, ohne dass dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Beispielsweise können andere Imprägniermittel und unterschiedliche Polymerisolierbänder verwendet werden. Es können darüber hinaus entweder aus einzelnen Strängen bestehende io oder solide oder auch hohle Leiter im Kabel verwendet werden und es können darüber hinaus unterschiedliche Isolierbanddik-ken sowie Breiten benutzt werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Hochspannungsleistungskabel, gekennzeichnet durch mehrere Lagen aus biaxial orientierter, geprägter Polymerband-Isolierung über einem Leiter (12) und imprägniert mit Hoch-spannungsisolieröl und dass die Polymerband-Isolierung aus der folgenden Gruppe von Polyolefinen ausgewählt ist: Polyäthylen, Polybuten und Polypropylen.
2. Hochspannungsleistungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungsisolieröl Polybuten ist.
3. Hochspannungsleistungskabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolierung mit einem solchen Muster geprägt ist, infolge dessen das Imprägniermittel quer zur Bandbreite verteilt ist.
4. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerband mit einem Muster von unregelmässigen Hügeln und Tälern geprägt ist, die quer zum Band verlaufen.
5. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolierung aus einem Material besteht, welches Antioxida-tionsadditive in einer Menge innerhalb des Bereichs von 100 bis 1000 Gew.-Teile pro Million enthält.
6. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolierung aus einem Material besteht, welches organischen Farbstoff in einer Menge im Bereich von 100 bis 1000 Gew.-Teile pro Million enthält.
7. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer-band-Isolation in einem Muster geprägt ist, welches die effektive Banddicke verdoppelt.
8. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolation in einem Muster geprägt ist, welches einen typischen 0,2 mm Abstand zwischen benachbarten Spitzen aufweist.
9. Hochspannungsleistungskabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isola-tion in einem Muster geprägt ist, welches einen typischen 0,05 mm Abstand zwischen benachbarten Spitzen aufweist.
10. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer-band-Isolation einen Zugmodul von mindestens 17.575 x 105 Pa besitzt.
11. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus der Polymerband-Isolation und dem Isolieröl einen Kontaktwinkel von 25° oder weniger ergibt.
12. Hochspannungsleistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aussenlage, welche die Bandisolierung abdeckt, mit kleinen Löchern durch die äussere Lage perforiert ist, um den freien Ölfluss hindurch zu gestatten.
13. Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungslei-stungskabels nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Wickeln von Mehrfachlagen aus biaxial orientiertem, geprägtem Polymerband (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyäthylenband, Polybuten-band und Polypropylenband auf einen Leiter (12) und Imprägnieren des Polymerbandes, welches auf den Leiter (12) gewickelt ist, mit einem Hochspannungsisolieröl.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolierung eine solche ist, die in Maschinenrichtung orientiert ist, und zwar derart durch Verarbeitung erhältlich ist, dass Banddickenreduktionsverhältnisse zwischen 5 zu 1 und 10 zu 1 erzeugt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerband-Isolierung eine solche ist, die in Querbandrichtung orientiert ist, und zwar derart durch Verarbeitung erhältlich ist, dass ein Banddickenredutionsverhältnis bis zu 50% erzeugt wird.