DE2051562A1

DE2051562A1 - Elektrisches Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE2051562A1
Application number: DE19702051562
Authority: DE
Inventors: D R Edwards; E H Reynolds
Original assignee: BICC PLC
Current assignee: Balfour Beatty PLC
Priority date: 1969-10-22
Filing date: 1970-10-21
Publication date: 1971-04-29
Also published as: CH523580A; US3749812A; GB1311867A; DE2051562C3; ZA707101B; NO133386B; DE2051562B2; IT1019007B; NO133386C; FR2065473B1; SE376814B; CA922000A; FR2065473A1

Description

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70 116 Kü/dchm

20. Okt. 1970

British Insulated Gallender's Cables Limited, -■>*■"' 21 Bloomsbury Street, London, W.C.1., England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Fr₀ 51783/69 vom 22. Okt. 1969 beansprucht,

Elektrisches Hochspannungskabel

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Hochspannungskabel mit einem schicht- oder lamellenförmig aufgebauten Dielektri kum, welches Überlappungen aus Isolierband aufweist, das mit einer isolierenden Flüssigkeit imprägniert ist, welche in einer Metallhülle eingeschlossen ist, die eine ausreichende Flexibilität aufweist, damit das Kabel auf eine Trommel aufgewickelt werden kann. Ein solches lamellenartig aufgebautes Dielektrikum wird allgemein aus sich überlappenden Windungen aus Papierband aufgebaut, wenn auch Vorschläge gemacht worden sind, einen Kunststoffilm allein oder im Schichtverband mit Papier zu verwenden,

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und in der britischen Patentschrift 894 498 wurde vorgeschlagen, einen Kunststoffilm zu verwenden, der auf einer oder auf beiden Seiten eine anhaftende Schicht aus faserigem Material aufweist.

Ein Fachteil der Verwendung von Kunststoffilm in einem imprägnierten lamellenartigen Dielektrikum, entweder allein oder zwischen Papier gelegt, besteht darin, daß es schwieriger wird, das aus Schichten zusammengesetzte Dielektrikum zu trocknen und zu imprägnieren, und ein weiterer Nachteil der Verwendung von Kunststoffilm allein ist der, daß eine Ionisation in den Stoßräumen das Kunststoffmaterial, welches die Begrenzungen der Stoßräume bildet, unmittelbar degradieren kann, was zu einem vorzeitigen elektrischen Zusammenbruch führte

Die Vorteile der Verwendung von Kunststoff und Papier in Kombination bestehen darin, daß im "Vergleich zu imprägniertem Papier die Impulsfestigkeit erhöht werden kann, die dielektrische Konstante verringert werden kann, z.B. 3,4 auf 2,6 bis 2,8, der Leistungsfaktor verringert werden kann, z.B. von-0,002 auf 0,001 oder weniger, und in einigen Fällen die Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Wandung erhöht werden kann.

In der britischen Patentschrift 1 057 744 ist ein Verfahren zur Überwindung der Schwierigkeit des Trocknens und Imprägnierens eines lamellenartigen Dielektrikums, welches aus zusammengesetzten Bändern aus Polyolefinfilm und Zellulosepapier aufgebaut ist, beschrieben, wobei der Kunststoffilm perforiert wird, bevor er mit Papier schichtweise zusammengebracht wird, um ein sandwichartiges Gebilde zu bilden, welches einen Kunststoffilm aufweist, auf dessen beiden Oberflächen Papier haftet«

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Die Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß durch geeignete Wahl des Imprägnierungsmittels und des Papiers es möglich ist, ein Hochspannungskabel der genannten G-attung herzustellen, von dem ein Teil seines Dielektrikums oder auch das gesamte Dielektrikum aus imprägnierten Bändern aus Papier aufgebaut ist, welches an einem nicht-perforierten Kunststoffilm haftet und verbesserte elektrische Eigenschaften und/oder kleinere Abmessungen aufweist als ein ähnliches Kabel, bei welchem das gesamte Dielektrikum aus imprägniertem Papier aufgebaut ist.

Das erfindungsgemäße Kabel ist ein ölgefülltes Kabel, d.h. I ein Kabel, welches ein mobiles Imprägnierungsmittel geringer Viskosität aufweist, welches auf einem tiberatmosphärendruck gehalten wird, und das lamellenartige Dielektrikum des Kabels ist zumindest zum Teil aus Bändern aufgebaut, welche einen nicht-perforierten Kunststoffilm aufweisen, an dessen Hauptflächen ein dünnes Zellulosepapierband von geringer Dichte und hoher Undurchlässigkeit gebunden ist. Die Papierbänder und der Kunststoffilm werden vorzugsweise so aneinander gebunden, daß ein vorgespannter Schichtwerkstoff gebildet wird, d.h. ein Schichtwerkstoff, wie er dadurch gebildet wird, daß ein stranggepreßter geschmolzener Streifen aus Kunststoff, sobald er eine Strangpresse verläßt, zwischen zwei Papierstreifen, welche einen g Teil des Schichtwerkstoffs bilden, eingefangen bzw. eingebracht wird.

Unter dem Ausdruck "geringe Viskosität", wie er beim Imprägnierungsmittel Anwendung findet, ist eine Viskosität von weniger als 57 centistoke bei 20⁰C und 11 centistoke bei 60⁰G und vorzugsweise weniger als 25 centistoke bei 20⁰G zu verstehen.

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Der Ausdruck "geringe Dichte", wie er mit Bezug auf das

Papier genannt wird, bedeutet eine Dichte von weniger als 0,8

und vorzugsweise weniger als 0,75 g/cm .

Der Ausdruck "hohe Undurchlässigkeit", wie er in Bezug auf das Papier gebraucht wird, bedeutet eine Undurchlässigkeit, die mit derjenigen vergleichbar oder höher ist, als sie normalerweise bei ölgefüllten Kabeln verwendet wird, und vorzugsweise im höheren Teil des Bereiches, z.B. 10.000 Gurley-Sekunden oder höher. '

Mit "Zellulosepapier" ist ein Papier gemeint, welches im wesentlichen vollständig aus Zellulosefasern besteht.

Das bevorzugte Papier ist ein unkalandriertes Papier elektrischen Gütegrades von Zwischönfaserlänge und einer Dichte von 0,7 g/cm und einer Gurley-Undurchlässigkeit von me'hr als 10.000 Sekunden. Ein solches Papier ist ein Kraft-Spulehwickelpapier, welches allgemein nach der britischen-Norm BS 690:1956» Klasse 1A, bis zu dem sehr hohen Stand von chemischer Reinheit hergestellt wird, welche normalerweise zu Kondensatorfolien gehört.

Die Papierschichten können mit einem aktiven Material derjenigen Gattung, welche in der britischen. Patentschrift 1 185 474 beschrieben ist, beladen bzw» beschickt werden, d.h. mit Aluminiumoxid oder einem anderen aktiven Metalloxid, hydriertem Metalloxid, Hydroxid,'Carbonat oder einem basischen Carbonat, welches sorptive Fähigkeiten im Vergleich zu denen des Aluminiumoxids hat, um die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften infolge Verunreinigung des Imprägnierungsmittels durch- Rückstände aus dein Kunststoff auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

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Der Kunststoffilm besteht vorzugsweise aus Polyäthylen oder Polypropylen, aber'alternativ können auch Polycarbonate, Polysulfone, gesättigte lineare Polyester (z.B₀ Polyäthylenterephthalat), Polyphenylenoxid, Poly-4-niethylpenten-i, PoIytetrafluoräthylen, Ä'thylenpropylen-Copolymere, fluorinierte Äthylenpropylen-Copolymere, Polyfluorostyren oder Polyvinylcarbazol verwendet werden. Das Imprägnierungsmittel ist vorzugsweise ein herkömmliches Öl für ölgefüllte Kabel.

Wenn das Kunststoffmaterial von einer solchen Gattung ist, deren physikalische Eigenschaften durch Behandlung mit Hoch- I energiestrahlung verbessert werden können, so kann die Bestrahlung nach der lamellenartigen Zusammenschichtung mit dem Papier erfolgen.

Es ist anzunehmen, daß die vorgespannten Schichtwerkstoffe, wie sie im vorangehenden definiert werden, eine bessere Verträglichkeit mit Imprägnierungsmitteln geringer Viskosität als Schichtwerkstoffe haben, welche durch andere Verfahren hergestellt werden.

Der Kunststoffilm wird normalerweise zu einem gewissen G-rad durch Absorbieren des Öls aufgedunsen bzw. angeschwollen, ä und diese Schwellung wird zum Teil durch den Widerstand der Papierbänder gegen Längung kontrolliert. Diese Funktion ist von größerer Wichtigkeit in äußeren Teilen des Dielektrikums, da innere Teile außerdem durch die übereinanderliegenden Bänder der äußeren Teile zurückgehalten bzw. festgehalten werden,, Andererseits ist die Präsenz eines hohen Anteils von Kunststoffmaterial höchst vorteilhaft im mittleren Teil des Dielektrikums, wo die elektrische Beanspruchung am größten ist. In den meisten Fällen wird es daher vorteilhaft sein, das Dielektrikum aus

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einer Anzahl unterschiedlicher zusammengesetzter Bänder zu bilden, so daß derjenige Anteil des Dielektrikums, welcher durch Plastikmaterial gebildet wird, mit ,zunehmender Entfernung ' vom Kabelleiter abnimmt. Die Zahl von Schritten oder Stufen* die erwünscht ist, erhöht sich mit der Dicke der dielektrischen Wandung und daher mit der Betriebsspannung des Kabels. Werden beispielsweise Polypropylen als Plastikmaterial und ein normales Kabelöl geringer Viskosität als Imprägnierungsmittel ν erwendet, wobei das Dielektrikum eine Wanddicke von 10 mm aufweist, so ergeben sich entsprechend zwei Schritte oder stufen, und wenn die Wanddicke des Dielektrikums 25 mm beträgt, so werden drei Schritte oder Stufen erwünscht sein.

Es war überraschend, festzustellen, daß der dielektrische Verlustwinkel des kompletten Dielektrikums mit der Dicke der einzelnen Bänder variiert, selbst wenn der Anteil an Plastikmaterial konstant bleibt_o Im Falle eines Dielektrikums, welches aus Bändern mit je einem Polypropylenfilm, auf dessen beide Flächen ein Papier von der Hälfte" seiner Dicke und mit einem herkömmlichen Öl für ölgefüllte Kabel imprägniert ist (mit einer Viskosität im Bereich von 12,5 - 15 centistoke bei 2O⁰C), aufgebaut ist, mittelt sich der Leistungsfaktor bei 85⁰G auf 0,0007, wenn die Gesamtdicke jedes Bandes 100 /um beträgt, aber nur auf 0,0005, wenn sie 160/um beträgt.' Es kann daher erwünscht sein, die dicksten zusammengesetzten Bänder zu verwenden, die aus mechanischen Erwägungen vertretbar sind.

Wenn es auch allgemein vorzuziehen ist, zumindest bei niedrigeren Spannungen das gesamte Dielektrikum aus d'en genannten zusammengesetzten Bändern aufzubauen, kann es vorteilhaft sein, nur einen Teil des Dielektrikums aus solchen Bändern zu bilden, wobei der Rest in solchen Fällen vorzugsweise aus Papierbändern aufgebaut wird. So kann bei einem Ausführungs-

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beispiel das Dielektrikum über seine gesamte Länge hinweg einen Innenteil aus dem zusammengesetzten Band und einen Außenteil aus Papier aufweisen; und bei einem anderen Ausfuhrungsbeispiel kann das zusammengesetzte Band nur bei der Wiederherstellung des Dielektrikums an Verbindungsstellen und Endanschlüssen verwendet werden. Es wird gewöhnlich vorzuziehen sein, das zusammengesetzte Band in Verbindungsstellen oder Endanschlüssen stets zu verwenden, ob nun das gesamte ursprüngliche Dielektrikum oder ein Teil desselben aus dem zusammengesetzten Band besteht, aber die optimalen Schichtstärken der " Kunststoff- und Papierschichten des zusammengesetzten Bandes, welches in den Verbindungsstellen und Endanschlüssen verwendet wird, können von den optimalen Schichtstärken der entsprechenden Schichten im Kabel infolge der unterschiedlichen Beanspruchungsverteilung voneinander abweichen.

Die Leiterabschirmung und/oder dielektrische Abschirmung des Kabels nach der Erfindung werden vorzugsweise aus Einzeloder Mehrschichten des lamellenartigen Bandes gebildet, ähnlich demjenigen, welches dazu verwendet wird, das gesamte Dielektrikum oder etastiTeil desselben zu bilden, welches entsprechend metallisiert und/oder mit Kohlenstoff oder einem anderen leiten- ä den Material beschickt ist. Vorzugsweise werden alle drei Schichten des Schichtwerkstoffs mit leitendem Material beschickt, doch in einigen fällen, beispielsweise für die äußere Schicht einer Leiterabschirmung oder die innere Schicht einer dielektriachen Abschirmung, kann ein Dreifach-Schichtwerkstoff mit einer nicnt-beschickten Papierschicht verwendet werden, d.h. die l'apierschichten, welche an das Dielektrikum angrenzen. Das nicht mit leitendem Material beschickte Papier wird vorzugsweise mit Aluminiumoxid oder einem anderen aktiven katerial der oben bereits erwähnten Gattung boschicict bzw. beladen.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand eines in der -Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels für ein einadriges ölgefülltes Kabel beschrieben.

In der Zeichnung ist 1 ein Ütahlband-üchraubenwickel, welcher eine zentrale Ölleitung innerhalb des metallischen Leiters 2 bildet. Auf den Leiter sind eine Leiterabschirmung 3, ein Dielektrikum 4, welches unten ausführlicher beschrieben wird, sowie eine dielektrische Abschirmung 5 aufgebracht, wobei die ^! Abschirmungen 3 und 5 aus metallisierten Bändern oder aus Bändern gebildet werden, die mit leitendem Material, wie bereits erwähnt,, beladen bzw. beschickt sind. Das Kabel wird vervollständigt durch einen Bleimantel 6, ein Bronzeband oder eine'andere druckbeständige Armierung 7 und einen Kunststoff-Außenmantel 8.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel des dargestellten Kabels, welches ein 132-kV-Kabel ist, beträgt die radiale Schichtstärke des Dielektrikums 4 5,5 mm, entsprechend einer Hennbeanspruchung von.16 MV/m. Das gesamte Dielektrikum ist aus zusammengesetzten Bändern aufgebaut, welche 50 pm Polypropylen aufweisen, welches sandwichartig zwischen zwei Papierschichten mit je einer Dicke von 25 Aim eingelegt ist. ,

Beim zweiten Ausführungsbeispiel, welches ein 220-kV-Kabel ist, weist das Dielektrikum drei konzentrische,Teile auf, die je eine radiale Üchichtstärke von annähernd 3,5 mm aufweisen, v/o bei jeder Teil aus zusammengesetzten Bändern besteht, die eine Schicht aus Polypropylen aufweisen, welche sandwichartig zwischen zwei Papierschichten liegt. Bei den Bändern des inneren Teils ist die Polypropylenschicht 80 /um dick und jede Papieisschicht 10/um dick; bei den Bändern des. Zwischenteils ist die

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Polypropylenschicht 50 /um dick und jede Papierschicht 25 /um dick; und "bei den Bändern des äußeren Teils ist die Polypropylenschicht nur 20/um dick und jede Papierschicht 40 /um dick.

Beim dritten Ausführungsbeispiel, welches ein 400-kV-Kabel ist, weist das Dielektrikum vier konzentrische Teile auf, die je eine radiale Schichtstärke von annähernd 6,25 mm haben. Die drei inneren Teile bestehen je aus zusammengesetztem. Band, bei welchem die zentralen Polypropylenschichten Schichtstärken von 60, 40 bzw. 20 /um, beginnend mit der innersten Schicht, haben i und jede der Papierschichten eine Schichtstärke von jeweils 20, 40 und 75/um haben. Der äußere Teil ist aus Bändern von gewöhnlichem Kabel-Isolierpapier in einer Dicke von 250 /um gebildet.

Bei jedem der drei Ausführungsbeispiele ist das Papier, welches in dem zusammengesetzten Band verwendet wird, das bevorzugte unkalandrierte Papier von elektrischem G-ütegrad, welches oben erwähnt ist, und der zusammengesetzte Schichtwerkstoff wird vorgespannt, indem er in der oben beschriebenen Weise hergestellt wird. Das Imprägnierungsmittel ist in jedem Falle ein herkömmliches Kabelöl für ölgefüllte Kabel auf Petroleumbasis mit einer Viskosität von 12,5 - 15 Centistokes bei 20⁰C.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtlicne Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung- offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

- ίο -

Patentansprüche

Elektrisches Hochspannungskabel mit einem metallischen Leiter, einem lamellenartig aufgebauten Dielektrikum, welches den Leiter umgibt und mit einer isolierenden Flüssigkeit imprägniert ist, welche unter einem erhöhten Druck gehalten ist,, sowie ψ' mit einem strömungsmitteldichten Gesamtmantel, gekennzeichnet durch die Kombination eines Dielektrikums, welches zumindest zum Teil aus zusammengesetzten Bändern aufgebaut ist,, welche einen nicht-perforierten Kunststoffilm aufweisen,, an dessen jede Hauptfläche ein dünnes Zellulosepapierband von einer Dicht®'■ von weniger als 0,8 g/cm und von hoher Undurchlässigkeit gebunden ist, mit einem beweglichen Imprägnierungsmittel, welches eine Viskosität von weniger als 57 Centistokes bei 2Q⁰C und '■ weniger als 11 Centistokes bei 6O⁰C aufweist.
2. Kabel nach .Anspruch 1_r dadurch gekennzeichnet,, daß

das lamellenartige Dielektrikum zumindest zwei unterschiedliche A zusammengesetzte Bänder aufweilt,, derart,, daß der Anteil des Dielektrikums, welcher durch Kunststoff gebildet ist,, mit zunehmender Entfernung vom Kabelhalter abnimmt. . .
3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband aus einem unkalandrierten Papier elektrischen Gütegrades von Zwischenfaserlänge besteht, welches eine Dichte im wesentlichen gleich 0,7' g/önr und eine Gurley-Undurchlässig-

v keit von mehr als 10.000 Sekunden aufweist.

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4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des mobilen Imprägnierungsmittels geringer als 25Centistokes bei 20 C ist.
5. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Papiers geringer als 0,75 g/cm
6. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Bänder aus einem vorgespann- | ten Schichtwerkstoff bestehen. .
7. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die eine der PapierscLichten jedes von zumindest einigen der Bänder mit aktivem Aluminiumoxid oder mit einem anderen aktiven Metalloxid, hydriertem Metalloxid, Hydroxid, Oarbonat oder einem basischen Carbonat, welches sorptive Fähigkeiten im Vergleich zu denen des Aluminiumoxid;, aufweist, beladen bzw. beschickt ist.
8. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7» welches eine Leiterabschirmung oder eine dielektrische Abschirmung oder beide enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Abschirmung ™ aus zumindest einer Schicht von lamellenartigem Band ähnlich demjenigen gebildet ist, welches dazu verwendet wird, das gesagte Dielektrikum oder einen Veil desselben zu bilden, welches in 3utsprechencier Weise metallisiert und/oder mit leitendem Kai.erial beladen oder beschickt ist.
9. Verfahren zur Herstellung des Kabels nach einem der Ansprüche 1 bis β, bei welchem das Kunststoffmaterial von einer Gattung ist, deren physikalische Eigenschaften durch Behandlung

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mit Hochenergiestrahlung verbessert werden können, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Bestrahlens der Kunststoffschicht nach dem lamellenartigen Zusammenschichten mit dem Papier.

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