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Anordnung zum Ableiten von in Kabelmänteln einpoliger
elektrischer
Kabel induzierten Strömen bzw. Spannungen
Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Ableiten von
in Kabelmänteln einpoliger elektrischer
Kabel induzierten Strö-
men bzw. Spannungen, bei der die Kabelmäntel
durch Sättigungs-
drosseln mit einem zum Abbauen der in den Kabelm4nteln
indu-
zierten Spannung geeigneten Stromkreis verbunden sind.
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Bei dreiphasigen elektrischen Zeitungen, die aus
ein-
poligen Kabeln bestehen, können in den Kabelmänteln Spannungen
induziert werden, die der Frequenz und der Stromstärke des in
dem
Kabel fließenden Stroms proportional sind. Für diese Spannungen gilt
folgende Beziehung:
U = M£D I1, wobei M der Koeffizient
der gegenseitigen t Induktion pro Kilometer zwischen dem'Leiter und dem Mantel ist
(gewöhnlich 2.10-b St/km), I der das Kabel durchfließende Strom, £J seine Kreisfrequenz,
und 1 die Länge des Mantels in Kilometer zwischen den Kabelisolierstellen..
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Es ist möglich, Erhöhungen dieser Mantelspannung zu verbindern, indem
man die Mäntel kurzschließt und erdet. Daraus ergibt sich aber ein Stromfluß, der
eine zusätzliche Erwärmung hervorruft. Da der Maximalstrom im Kabel namentlich durch
den zulässigen Höchstwert der Erwärmung der Kabel begrenzt wird, ist dieser Höchstwert
durch die hervorgerufenen zusätzlichen Verluste herabgesetzt und diese Verminderung
erhöht sich mit den Verlusten. Dies gilt insbesondere für Kabel mit großem Leiterquerschnitt,
durch die Ströme großer Stromstärke fließen. Außerdem werden die vorstehend genannten
Zusatzverluste dann unerwünscht, wenn der Mantel aus Aluminium besteht,*da dieser
Mantel ein viel besserer Leiter als jener klassische aus Blei ist.
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Diese Nachteile können im Normalbetriebsbereich beseitigt werden,
indem man die sogenannte "Cross-bounding"-Schaltung anwendet, die darin besteht,
die benachbarten Mantelaußenteile dreier sich folgender Längen desselben Kabels
untereinander zu isolieren und den Mantel der ersten Länge jedes-Kabels mit dem
Mantel der folgenden Länge einer anderen Phase zusammenzuschalten und diesen letzteren
Mantel an den Mantel der dritten Länge der dritten Phase anzuschließen. Die
erhaltenen
Spannungen der drei Kabel, die somit in Serienschaltung stehen, sind
durch eine ungleiche Phase in jedem
Mantel induziert, und die resultierende
Spannung wird in
diesem Stromkreiselement genau Null. Dieses
Element kann nun
an seinen Außenenden geerdet werden, ohne dabei
einen Strom
in den Mänteln hervorzurufen. Folglich findet man hier keine
zusätzlichen Verluste vor:
Die vorbeschriebene Zusammenschaltung
ist nun jedoch
während der@Einschwingzustände nicht hinreichend
wirksam.
Hier ist namentlich der Kurzschlußzustand zu berück-.
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sichtigen, bei dem der Kurzschlußstrom einen Wert annimmt,
der dem mehrfachen Wert des Nennstromes entspricht. Die eingangs
genannte Spannung U, die in jedem Mantel induziert wird, erhöht sich im
selben Verhältnis und kann einige Hun-dert Volt erreichen.
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Andererseits rufen die Wanderwellen, und insbesondere die
Steilfrontwellen während des Einschaltens Hochfrequenzströme hervor, die
um so höhere Spannungen U in den Mänteln
induzieren je größer die Frequenz.
Zwischen dem Mantel und
der Erdung kann eine Spannung auftreten, die
zwischen dem
0,2- und dem 0,4-fachen Wert der Spannung zwischen Leiter
und
Mantel ist.
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Diese anormalen Zustände stellen somit das zu lösende
Hauptproblem
der Anwendung von isolierten Mänteln für sehr
hohe Spannungen
dar, denn die Spannungen Mantel - Erdung können dabei einige zehn
Kilovolt erreichen, was zu einem
Durchschlag zwischen Erde und
Mantel und zu einer Durchlöcherung dieses letzteren führen kann.
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Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung aus dem Wege
geräumt, Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Ableitung von in Kabelmänteln
einpcl.iger elektrischer Kabel induzierten Strömen bzw. Spannungen, bei der
die Kabelmäntel durch Sättigungsürosseln mit einem zum Abbauen der in den Kabelmänteln
induzierten Spannung geeigneten Stromkreis verbunden sind. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Jeweils parallel zu den Sättigungsdrosseln
geschaltete nicht--lineare Widerstände, die so dimensioniert sind, daß sie bei der
in die Kabelmäntel induzierten Spannung normaler Höhe Isolatoren und beim Auftreten
von Hochspannungen, insbesondere bei von hochfrequenten Wanderwellen induzierten,
über die Sättigungsdrosseln nicht abbaubaren Hochspannungen Leiter s.-44.nd.
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Weitere Merkmale c5er Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
der folgenden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen. ","s zeigen
Fig. '! das elektrische Schema eines Stromkreises für die Anordnung nach der Erfindung,
der im Falle des Auftretens von Überspannungen mittels eines Nullleiters den Kabelmantel
kurzzuschließen erlaubt; " Fig. 2 den Schaltplan einer abgewandelten Ausführung
der Anordnung nach der Erfindung;
Fig. 3 das elektrische Schema
einer Zeitung, die zwischen
den Mänteln einer dreiphasigen,
aus einpoligen
Kabeln.bestehenden Zeitungsführung Nullpunkte
besitzt
und
Fig. 4 das elektrische Schema der "Cross-bounding"-Schaltung
der Mäntel einer dreiphasigen, aus einpoligen
Kabeln bestehenden
Leitungsführung mit Erdungen
der Kabelmäntel im Falle des Auftretens
einer
Überspannung mit Hilfe der Anordnung nach der
Erfindung.
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Im Falle des Beispiels der Figur 1 umgibt der Mantel
A,
der der Kabellänge gleichkommt, den Leiter 1, den ein Strom I
durchfließt. Dieser Mantel ist an einem Außenende unmittelbar an einen
Nulleiter N angeschlossen und an seinem
anderen Außenende
an diesen Nulleiter N mittels eines nichtlinearen Widerstandes
R, der einer Drossel L mit einem Sättigungsmagnetkern parallelgeschaltet
ist.
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Im Normalbetriebsfall durchströmt der Strom I den
Leiter
1, induziert im Mantel A eine Spannung U = Mc.0Il, die bei Normalbetrieb
einige zehn Volt nicht überschreitet. Somit
ist es nicht notwendig, diese
Spannung abzuleiten, indem man den Stromkreis zwischen den Mantelenden
schließt. Dadurch wird ein dauernder Stromflug im Mantel und die
daraus resultierende
zusätzliche Erwärmung vermieden, die zwangsweise
zu einer Verminderung der zulässigen Stromstärke im Kabel führen müßte.
Dieses
Ergebnis wird dadurch erzielt, daß man den nichtlinearen Widerstand R so dimensioniert,
daß er die durch den Nennstrom I induzierte Spannung ertragen kann und praktiech
einen genügend hohen Widerstand aufweist, um nur einen schwachen Strom durchfließen
zu lassen. Dasselbe gilt auch für die Drossel D, die so ausgelegt wird, daß ihre
Impedanz unter denselben Bedingungen nur einen schwachen Strom durchfließen läßt,
ohne dabei den Magnetkreis zu sättigen.
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Im Falle von Überspannungen hingegen und während der anormalen ubergangsbetriebszustände
können durch den nichtlinearen Widerstand R sehr starke Ströme hindurchfließen,
und zwar bei einem sehr geringen Spannungsabfall an diesem Widerstand.
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Die Übergangsbetriebszustände der Wanderwellen in einem 50 Hz-Stromnetz
besitzen eine Zeitdauer, die geringer als 1l100 Sekunden ist. Der Widerstand R arbeitet
somit nur während sehr kurzer Zeit als Ableiter. Die Energie, die somit verloren
geht, kann auf diese Weise begrenzt werden.
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Der nichtlineare Widerstand R kann bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung nach der Erfindung aus einem unter der Bezeichnung "Thyrit" bekannten
Widerstand gebildet sein, der aus mit einem Bindemittel gesintertem Siliciumkarbid
besteht. Ein solcher Widerstand kann dauernd die durch den Nennstrom induzierte
Spannung ertragen; er hat einen Wert von 10 n. Während des Übergangsbetriebszustandes
kann dieser "Thyrit"-Widerstand als Ableiter mit einem Maximalwert von 0,1
£l arbeiten. Dabei läßt er sehr starke Ströme bei Überapannungen
von
einigen Kilovolt abfließen.
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Im Kurzsahlußbetriebszustand sind die induzierten
Spannungen
zwar vergleichsweise schwächer, die Dauer dieser
Zustände kann
jedoch viel größer sein und mehrere Sekunden erreichen: Induzierte
Spannungen von nur einigen 100 Volt
können genügen, um die vorgenannten
Thyrit-Widerstände Belastungen aüeziueetz'en, die ihre Ableitfähigkeit
überschrei-
tet.
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@äee°"im Kurzschlußbereich auftretenden Spannungen
werden'
durch die in Parallelschaltung zum Widerstand R lie-
gende Sättigungsdrossel
L abgeleitet. Diese Drossel ist so
beschaffen, daß ihr,Magnetkreis
durch die im Kurzschlußzustand hervorgerufenen Spannungen gesättigt wird.
Sie kann
so dimensioniert werden,'daß sie im Normalbetriebszustand
eine Selbstinduktion mit einem Wert von 0,1 H erreicht, und
dann
einen Strom von 10 Ampere, der .ihren Magnetkreis gerade
unter der
Sättigung arbeiten läßt, hindurchfließen läßt.
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Infolge der Frequenz der induzierten Ströme im Be-
reiche
der Wanderwellen, erlaubt die Sättigungsdrossel Z
hingegen nicht
die Ableitung eines Stromes, der fähig wäre, die hohen Überspannungen
abzuleiten, deren Auftreten für die Belegschaft gefährlich sein würde.
Der Widerstand R
genügt in diesem Falle jedoch allein, diese Ableitung
sicherzustellen.
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Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet
sich
von dem vorherigen nur durch die Anwendung der Verbin-
Jung
durch den nichtlinearen Widerstand und die Sättigungsdrossel an jedem Mantelaußenende,
so daß dieser im Normalzustand isoliert bleibt.
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Der Stromkreis jedes Mantels wurde beispielsweise durch einen Nulleiter
geschlossen; er kann aber auch durch eine zweckmäßige Erdleitung geschlossen
werden. Dieses Erden kann vorteilhaft durch künstliche Nullpunkte an den entsprechenden
Mantelaußenenden des einpoligen Kabels eines dreiphasigen Leitungsnetzes erreicht
werden, wie dies in Figur dargestellt ist, wo jeder der Mäntel an jedem Außenende
an einen Nullpunkt angeschlossen ist, und zwar mittels einer Verbindung Z, die aus
einem nichtlinearen Widerstand und einer parallelgeschalteten Drossel besteht,
wie im Fall der vorstehend angeführten Beispiele.
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Die erfindungsgemäße Anwendung des nichtlinearen Widerstandes erlaubt
auch ein wirksames Ableiten der Überspannungen der nach dem "Gross-boundingn-rrinzip
zusammengeschalteten Mäntel eines dreiphasigen Leitungsnetzes mit einpoligen Kabeln,
wie dies in Figur 4 veranschaulicht ist.
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Dieses Leitungsnetz enthält drei einpolige Kabel 1, 2 und 3
(für die drei Phasen), deren drei Längen mit A, B und C bezeichnet sind und bei
denen die Mäntel der einzelnen Längen voneinander getrennt sind. Der.Mantel der
Länge A der Phase 1 ist mit dem Mantel der Länge B der Phase 2 verbunden
und dieser wiederum mit dem Mantel der Länge C der Phase 3. Die anderen Mäntel sind
gleichartig durch kreisförmige
Vertauschung verbunden. Andererseits
ist jeder Mantel
geerdet, und zwar an den Außenenden dieses so
durch die drei
Längen gebildeten.Ganzen, das auf diese Weise drei Mantel-
kreise
A, B und C mit verschiedenartigen Phasen in Serienschaltung
bildet. Die Spannungen der drei Mäntel eines Krei-
ses sind
durch die Ströme der drei Phasen so induziert, daß ihre Resultierende
null ist und daß im Ausgleichszustand kein
Strom fließt. Die aneinanderliegenden
Außenenden der drei
Längen A, B und C jedes Kabels liegen jedoch auf verschiede-
nen
Potentialen. Dieser Potentialunterschied wird insbesondere
im Falle des Auftretens
von Wanderwellen gefährlich.
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Um diese Gefahr zu beseitigen, sind die Isolierverbindungen
zwischen den Mänteln an den Verbindungsstellen
zwischen den Längen
A, B und zwischen den Längen B und C
durch Impedanzen
Z überbrückt, die durch den Widerstand R
und die parallelgeschaltete
Drossel L gebildet sind. Diese
Impedanzen gleicher Bauart haben
ebenso wie jene der vor-
hergenanaten Beispiele im Normalzustand
einen genügend
hohen Wert, um praktisch als Isolatoren betrachtet
werden
zu können, denn sie sind dabei nur schwachen elektrischen
Einwirkungen
unterworfen. Die Merkmale dieser Stromkreise
der Mäntel
sind unter diesen Bedingungen dieselben wie die
einer "Cross-bounding"-Schaltung.
Sobald jedoch Überspan-
nungen auftreten, wird der Stromkreis
zwischen den Mänteln desselben Kabels durch die Impedanzen
Z geschlossen, so daß
diese Überspannungen abgeleitet wdrdens
die Überspannungen von 50 Hz über die Drossel Z und die hochfrequenten Überspannungen
über den Widerstand R. _