DE2731356A1

DE2731356A1 - Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE2731356A1
Application number: DE19772731356
Authority: DE
Inventors: James L Kennon; Robert E Sandorf
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Nordson Corp
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1978-01-19
Also published as: CA1088167A; FR2358734B1; GB1583056A; US4103276A; JPS5310075A; FR2358734A1; JPS6047683B2; IT1079309B; DE2731356C2

Description

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UNS ZEICHEN :N 99

Anmelder/iNH NORDSON CORPORATION
Aktenzeichen Neuanmeldung

datum 7. Juli 1977

NORDSON CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Ohio, Amherst, Ohio 44001,V. St. A.

Hochspannungskabel

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungskabel
mit einem elektrischen Leiter, der mehrere feste, an ihren Enden miteinander durch flexible leitfähige Bindeglieder verbundene Widerstände enthält, wobei die Widerstände und Bindeglieder im wesentlichen gleiche Radialabmessungen haben, und mit einer umgebenden Isolierschicht.

Derartige Hochspannungskabel werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen als Zündkabel und beim elektrostatischen Beschichten für Hochspannungs-Anschlußkabel verwendet. In der elektrostatischen Beschichtungsindustrie haben derartige Kabel bereits seit vielen Jahren Verwendung gefunden.
Ein solches Kabel ist in einem US-Patent 3 348 186 für den gleichen Anmelder beschrieben worden.

Bei den bekannten Hochspannungskabeln sind meist etwa
0,25 Inch lange Kohlewiderstände durch kurze leitfähige Bindeglieder verbunden, und das Ganze ist mit Polyäthylen umhüllt. Außerdem gibt es noch andere Umhüllungsschichten.

DKS/KG/gs

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D 2800 BREMEN 1 EDUARD-GRUNOW-STRASSE 27 TELEFON ( 0421 ) -7 20 48

TELEGRAMMEFERROPAT TELEX 02 44 020 FEPAT BREMER BANK 100 9072 POSTSCHECK HAMBURG 25 57 Ü7

Die Kohlewiderstände waren brüchig, und wenn ein Lastwagen darüberfuhr, war das Kabel unbrauchbar. Außerdem . waren hier sehr viele Widerstände eng hintereinander gekettet, und die machten das Kabel steif und unförmig.

Die dielektrische Umhüllung kann man unter einigen Gesichtspunkten als flexibel, unter anderen aber als steif betrachten. Sie läßt sich zwar biegen, ist aber relativ dick, jedenfalls nicht weich oder schlaff.

Bei der normalen Verwendung der bekannten Kabel kommt es häufig vor, daß sich Kabelschlaufen auf dem Fußboden bilden, und wenn dann Zug von beiden Enden auf das Kabel kommt, sind diese Schlaufen immer noch im Kabel drin. Wenn man sich bei der Zugbelastung auf das Kabel nicht um Beseitigung der Schlaufen bemüht, ziehen sich die Schlaufen immer kleiner und bilden Kinken. Bei dem bekannten Kabel kann leicht ein Widerstand in der Schlaufenmitte bleiben,^wo die mechanischen Belastungen am größten sind, und dann bricht der Widerstand. Selbst wenn der Widerstand stark genug ist, um den mechanischen Belastungen in der Schlaufenmittel zu widerstehen, dann wird die Polyäthylen-Isolierschicht ernsthaft deformiert bzw. beschädigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hochspannungskabel der eingangs genannten Art zu verbessern und so auszubilden, daß die beim Stand der Technik erläuterten Betriebsschäden vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in der Weise gelöst, daß die Widerstände aus einem unzerbrechlichen Material bestehen, daß die umgebende Isolierschicht gleichförmige durchgehend, weniger flexibel als die flexibel elastischen Bindeglieder und so ausgebildet ist, daß sich diese Schicht unter normaler Kabelkrümmung nicht permanent verformt, und

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daß die leitfähigen Bindeglieder mindestens so lang wie die kleinst zulässige Schlaufenlänge dieses Kabels, und die Widerstände länger als der kürzest mögliche Widerstand, der beim normalen Ziehen einer Schlaufe von beiden Kabelenden her in der Schlaufenmitte verbleiben könnte, sind.

Bei der Erarbeitung der erfindungsgemäßen Lösung wurde erkannt, daß, wenn man die Widerstände länger macht, während alle anderen Abmessungen die gleichen bleiben, sich die Tendenz des Widerstands vermindert, im Mittelpunkt einer von beiden Enden her gezogenen Schlaufe zu verbleiben. Auch wenn sich ein Widerstand vor der Zuganwendung von beiden Kabelenden her in der Mitte einer Schlaufe befindet, dann "wandert" dieser Widerstand vom Mittelpunkt der Schlaufe fort, sobald von beiden Kabelenden her gezogen wird, was im Betrieb leicht und häufig vorkommen kann. Die Schlaufe bildet sich jetzt in einem Abschnitt des Kabels, wo sich eines der flexiblen leitfähigen Bindeglieder befindet. Schlimmstenfalls befindet sich der Schlaufenmittelpunkt an einem Widerstandende, und dieses bringt weniger mechanische Belastungen an der dielektrischen Isolierschicht mit sich als bei den bekannten Kabeln, weil sich die mechanische Belastungen der Isolierschicht jetzt gleichmäßiger über ein längeres Stück der Isolierschicht verteilen.

Zur Erzielung einer geringeren mechanischen Belastungen der Isolierschicht ist darauf zu achten, daß die flexiblen leitfähigen Bindeglieder zwischen den einzelnen Widerständen länger sind als das Längenstück eines Kabels, in das eine Schlaufe mit einem kleinst zulässigen Radius gezogen worden ist, welcher etwa dem Minimalradius für ein ähnliches Kabel ohne Festwiderstände entspricht. Zum Zwecke der Definition könnte man eine solche Länge als "kleinst zulässige Schlaufe" bezeichnen. Wenn beispielsweise der flexible Ab-

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schnitt eines Kabels ohne Sicherheitseinbuße einer Biegung mit einem Krümmungsradius von 1 Inch unterzogen werden kann, dann sollten die leitfähigen Bindeglieder länger als die vollständige Kabelschlaufe sein,die bei Zuganwendung von beiden Kabelenden her mit einem Radius von 1 Inch gebogen wird.

Es hat sich gezeigt, daß die heutzutage aus Polyäthylen hergestellten dielektrischen Beschichtungen in gewisser Weise flexibel elastisch sind, also wie eine deformierte Feder reagieren. Wird das Kabel flexibel verbogen, dann nimmt es nach Aufhebung der Belastung seine ursprüngliche Ausgangsform wieder ein. Zieht man eine Schlaufe in das Kabel, dann nimmt die Schlaufe eine Form ein, welche ein Minimum an Energie aufspeichert. Ist das Kabel über seine Länge hinweg einheitlich aufgebaut, dann bildet die Schlaufe eine glatte Krümmung.

Ist jedoch ein flexibles elastisches Kabel in seiner Längenstruktur nicht gleichförmig, dann hängen die in der Schlaufe auftretenden Kräfte von dem jeweils betroffenen Kabelabschnitt ab. Besitzt ein Kabelabschnitt einen höheren Elastizitätsmodul als der Nachbarabschnitt, dann sind die in der Schlaufe entstehenden und gespeicherten Kräfte geringer, wenn sich der Abschnitt mit einem höheren Elastizitätsmodul nicht in der Schlaufe befindet. Ein bruchfester Widerstand stellt einen Kabelabschnitt mit einem höheren Elastizitätsmodul als Nachbarabschnitte dar. Eine Situation mit einem im Schlaufenmittelpunkt befindlichen Widerstand ist unstabil , wenn die Schlaufe in einem unendlich langen Kabel ohne Einwirkung von äußeren Reibungskräften gebildet wird.

Auf diese Weise "wandert" die Schlaufe immer von einem starren Widerstand fort und in einen Kabelbereich zwischen zwei benachbarten Widerständen.

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Der Erfindungsgedanke geht davon aus, daß eine größere Widerstandslänge auch die Kräfte erhöht, welche die Schlaufe zum "wandern" veranlassen, so daß sich der Widerstand in den Nebenbereich der Schlaufe verlagert. Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene Seitendarstellung eines nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Kabels mit Fest-Widerstandskern,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem bekannten Kabel

mit Widerstandskern, das zu einer engen ^: Schlaufe gezogen ist,

und

Fig. 3 einen ähnlichen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kabel, welches ebenfalls zu einer Schlaufe gezogen und im Bereich des Widerstands aufgeschnitten ist.

Fig. 1 zeigt das nachstehend beschriebene Kabel in seinen konstruktiven Einzelheiten. Es besitzt einen Zentralkern, der eine Serie von länglichen sowie miteinander durch flexible leitfähige Bindeglieder 2 verbundenen Widerständen 1, welche als auf ihrer Oberfläche mit einem Widerstandslack beschichtete Fiberglasstäbchen ausgebildet sind. Die in fachüblicher Weise an beiden Enden mit elektrischen Anschlußdrähten 4 versehenen Widerstand 1 sind jeweils mit dem Nachbarwiderstand durch ein flexibles leitfähiges Bindeglied 2 verbunden. Reichhaltig mit schwarzem Kohlenstoff (carbon black) vermischter Vynil-Kunststoff hat sich als geeignetes Material für die gut leitfähigen Bindeglieder 2 erwiesen. Dieses Material ist extrem flexibel, erfährt keine bleibende Verformung und hat einen niedrigen Elastizitätsmodul. Die im Querschnitt außen kreisrunden und rohrförmigen Bindeglieder 2 haben eine Zentralbohrung, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Anschlußdrähte 4 der Widerstände 1. Die Anschlußdrähte 4 der Widerstände 1 sind in die offenen Enden der flexiblen Bindeglieder 2 eingeschoben und stehen im elektrischen Kontakt mit den Bindegliedern. Der Außendurchmesser der Bindeglieder 2 stimmt im wesentlichen mit dem Außendurchmesser

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der Widerstände 1 überein.

■ Um diesen leitfähigen Zentralkern des Kabels ist zur Erzeugung einer Längsstabilität während des Herstellprozesses ein beispielsweise aus Dacron bestehendes Fasergeflecht 6, und um dieses Fasergeflecht 6 ist wiederum mit einer 50%igen Überlappung über die Gesamtlänge des Kabels ein Band 7 wendeiförmige herumgewickelt, so daß um das Fasergeflecht 6 herum ein gleichförmiger Außendurchmesser eingehalten wird. Als Band 7 kann ein bei Dupont unter der Handelsbezeichnung Mylar erhältiches Material verwendet werden.

Um das gewickelte Band 7 herum wird durch Extrudieren eine kontinuierliche Schicht 8 aus Polyäthylen mit geringer Dichte und einem hohen Molekulargewicht geformt, welche eine elektrische Isolierschicht von 2,5mm Wanddicke um Kern, Geflecht 6 und Wickelband 7 herum bildet. Polyäthylen wurde gewählt, weil dieses Material sehr hochspannungsfest sowie ausreichend flexibel ist und im Normalbetrieb keine permanente Deformierung erleidet. Das Polyäthylenmaterial ist flexibel elastisch.

Um die Polyäthylen-Schicht 8 herum wird über die Länge des Kabels hinweg ein Kupfer-Schweißband 9 gesponnen und im Betriebsfall mittels eines elektrostatischen Spray-Beschichtungssystems elektrisch mit Massepotential verbunden.

Dieses gesamte Gebilde wird dann in einen Polyurethanmantel 10 eingekapselt, welcher dem Kabel die notwendige Abriebfestigkeit verleiht.

Wer mehr über diesen allgemeinen Kabeltyp wissen will, lese in der eingangs erwähnten US-PS 3 348 186 nach.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Widerstände 1 sowie der flexiblen Bindeglieder

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0,094 Inch, und die Polyäthylen-Schicht 8 hat eine radiale Dicke von 0,1 Inch (1 Inch = 25,4mm). Bei diesen Abmessun-• gen hat sich eine minimale Widerstandslänge von 0,7 Inch herausgestellt; der Widerstand wird nämlich im Schlaufencenter unstabil und wandert aus einer gezogenen Schlaufe aus. Verwendet man eine dickere Polväthylenschxcht 8, müßte man auch einen längeren Widerstand 1 benutzen, damit der Widerstand nicht in die Mitte der gezogenen Schlaufe gerät. Verwendet man andererseits eine dünnere Polyäthylenschicht 8, dann kann auch der Widerstand kürzer sein, um nicht in der Mitte der gezogenen Schlaufe zu verbleiben.

Der Durchmesser der Widerstände und leitfähigen Bindeglieder richtet sich mehr oder weniger nach den komm erziellen Gegebeenheiten für die betreffende Kabelanwendung. Das vorliegende Kabel, welches zur Verwendung an einer elektrostatischen Beschichtungssprühkanone gedacht ist, kann der Durchmesser dieser Bauelemente zwischen der Hälfte und dem Doppelten des vorher angegebenen Wertes für das bevorzugte Ausführungsbeispiel liegen. Die untere Grenze tritt bestimmt durch die kommerzielle Vergügbarkeit von Widerständen, die bei gegebenem Durchmesser den richtigen Widerstandswert haben sollen. Die Obergrenze dieser Bauelemente ist bestimmt durch den Wunsch, das Kabel möglichst dünn und flexibel zu gestalten.

Die Verwendung solcher längeren Fiberglas-Widerstände hat den zusätzlichen Vorteil, daß man jetzt Einzelwiderstände mit höherem Widerstandswert als früher verwenden kann. Dadurch kommen jetzt weniger Einzelwiderstände auf den laufenden Meter eines gegebenen Kabels. Die Folge ist, daß man das leitfähige Bindeglied jetzt länger als das erforderliche Minimum gestalten kann. Weil die Fiberglasstähle sehr fest sind, widerstehen sie allen mechanischen Belastungen, die im normalen Kabelbetrieb auftreten. Insgesamt er-

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hält man jetzt ein flexibleres Kabel, welches alle Sicherheitseigenschaften bekannter Kabel, aber nicht deren Nachteile aufweist. Bei dem bekannten Kabel traten nämlich durch mechanische überlastung bei einer gezogenen Schlaufe Brüche entweder in der dielektrischen Umhüllung oder am Widerstand selbst auf.

Es wurden Kabel mit den nachstehenden Daten geprüft: Ein etwa 8m langes Kabel enthielt zehn Widerstände von 20 Megohm und einer Länge von 3/8 Inch, die durch dreißig Inch lange leitfähige Bindeglieder verbunden waren, und andere Dimensionen wichen vom bevorzugten Ausführungsbeispiel ab;

ein etwa 12m langes Kabel enthielt zehn Widerstände von zwanzig Megohm sowie einer Länge von 1 und 3/8 Inch, die durch leitfähige Bindeglieder mit einer Länge von 45 und 1/2 Inch verbunden waren, und auch andere Dimensionen wichen vom bevorzugten Ausführungsbeispiel ab; und

ein etwa 18m langes Kabel enthielt zehn Widerstände von zwanzig Megohm und einer Länge von 1 und 3/8 Inch, die durch sechzig Inch lange leitfähige Bindeglieder verbunden waren, und andere Dimensionen wichen vom bevorzugten Ausführungsbeispiel ab.

Bei jedem dieser Kabel waren die Widerstände wesentlich länger gewählt als die notwendige Minimallänge nach obiger Beschreibung. Diese Zusatzlänge bedeutet ein Sicherheitsmerkmal für die in einer gezogenen Schlaufe verbleibenden Widerstände, bietet einen größeren Spielraum für die Widerstandswahl der einzelnen Widerstände, falls notwendig, und ergibt ein flexibleres Kabel mit verbesserter struktureller Integrität.

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Die Unterschiede zwischen don bekannten Kabeln und dem erfindungsgemäßen Kabel kann man durch Vecgleich von Fig. und 3 ermessen. Das in Fig. 2 dargestellte und dem Stand der Technik entsprechende Kabel enthält einen Widerstand 12, der 0,25 Inch lang ist und sich ursprünglich in der Mitte der Schlaufe befindet. Diese Situation ist typisch für sich im normalen Betrieb bildende Schlaufen, wo der Zufall einen Widerstand in jeden Bereich der Schlaufe bringen kann. Wird an den Enden des Kabels von Fig. 2 gezogen, dann reicht die Widerstandslänge nicht aus, um die Schlaufe an einer bevorzugten Kabelstelle zu bewegen. Folglich vermindert sich beim Ziehen der Schlaufe der Schlaufenradius, und der steife Widerstand 12 führt zu deformierenden Belastungen in der Schicht 8, die über beide Enden des Widerstands 12 hinweggebogen wird. Außerdem wird die Schicht 8 außenseitig um den Widerstand 12 herum gestreckt. Wäre dies hier ein normaler Kohlewiderstand, dann würden die mechanischen Belastungen ihn zerbrechen .

i-'ig. 3 zeigt das dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende Kabel bei gezogener Schlaufe. Die Länge des Widerstands 1 reicht aus, um die Schlaufe auf einen Abschnitt des Kabels zu verlagern, wo sich der Widerstand nicht im Schlaufenmittelpunkt befindet, wenn die Schlaufe zugezogen wird.

Zusammenfassung: Ein Elektrisches Hochspannungskabel enthält einen Kern, der abwechselnd aus bruchfesten Widerständen und flexiblen leitfähigen Bindegliedern besteht und mit einem mäßig flexiblen dielektrischen Material umhüllt ist. Die relativen Abmessungen der Elemente des

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Kabels sind so gewählt, daß die mechanischen Beanspruchungen des Kabels auf ein Mindestmaß reduziert bleiben, wenn im Betrieb ein Kinken bzw. eine Schlaufe gezogen wird.

Claims

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Ansprüche

(Ο Hochspannungskabel mit einem elektrischen Leiter, der mehrere feste, an ihren Enden miteinander durch flexible leitfähige Bindeglieder verbundene Widerstände enthält, wobei die Widerstände und Bindeglieder im wesentlichen gleiche Radialabmessungen haben, und mit einer umgebenden Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (1) aus einem unzerbrechlichen Material bestehen; daß die umgebende Isolierschicht (8) gleichförmig durchgehend, weniger flexibel als die flexibel elastischen Bindeglieder (2) und so ausgebildet ist, daß sich diese Schicht (8) unter normaler Kabelkrümmung nicht permanent verformt; und daß die leitfähigen Bindeglieder (2) mindestens so lang wie die kleinst zulässige Schlaufenlänge dieses Kabels, und die Widerstände (1) länger als der kürzest mögliche Widerstand, der beim normalen Ziehen einer Schlaufe von beiden Kabelenden her in der Schlaufenmitte verbleiben könnte, sind.
2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (8) aus einem hochiriolekularen Polyäthylen mit geringer Dichte hergestellt ist.
3. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (1) einen Fiberglasstab enthält.
4. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das länglich ausgebildete Kabel zur Verbindung einer

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elektrostatischen Sprühbeschichtungskanone mit einer Hochspannungsquelle ausgebildet ist.
5. Kabel nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke der Isolierschicht (8) einen zwischen 0,05 Inch und 0,2 Inch (1 Inch = 25,4min) liegenden Wert aufweist; daß die Widerstände (1) zylindrisch mit einem zwischen 0,047 Inch und 0,188 Inch liegenden Durchmesser ausgebildet und länger als 0,7 Inch sind; und daß die Länge der leitfähigen Bindeglieder (2) größer als 3 Inch ist.
6. Kabel nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (8) aus einem Material hergestellt ist, dessen dielektrische Eigenschaften und flexible Elastizität einem Polyäthylen mit geringer Dichte und hohem Molekulargewicht ähnlich ist.
7. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (1) lang genug gewählt sind, damit die beim Ziehen einer Kabelschlaufe auftretenden Kräfte einen im Schiaufenmittelpunkt befindlichen Widerstand in einer andere Position bewegen können.
8. Kabel nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Widerstände (1) groß genug gewählt ist, damit eine bei im Schlaufenmittelpunkt befindlichem Widerstand gezogene Schlaufe unstabil wird, bevor das Kabel seinen zulässigen Minimal-Biegeradius zu beiden Seiten des in der Schlaufe befindlichen Widerstandes erreicht hat, wenn die Schlaufe von beiden Kabelenden her unter normalen Gebrauchsverhältnissen festgezogen wird.