DE2832284A1 - FLEXIBLE CABLE FOR HIGH DC VOLTAGES - Google Patents
FLEXIBLE CABLE FOR HIGH DC VOLTAGESInfo
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Description
Flexibel Leitung für hohe GleichspannungenFlexible cable for high DC voltages
Die Erfindung betrifft eine einadrige flexible elektrische Leitung für hohe Gleichspannungen von vorzugsweise 60 bis 200 KV nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a single-core flexible electrical line for high DC voltages of preferably 60 to 200 KV according to the preamble of claim 1.
Aus der als DE-OS 23 53 809 veröffentlichten deutschen Patentmeldung ist eine Hochspannungsleitung insbesondere zur Verbindung einer Vorrichtung zum elektrostatischen Spritzen mit einer getrennten Hochspannungsquelle bekannt. In dieser Schrift wird auf die Probleme der elektrischen Isolierung von hohen Gleichspannungen hingewiesen, sowie auf die Gefahren, die sich hieraus ergeben können.From the German patent application published as DE-OS 23 53 809, a high-voltage line is known, in particular for connecting a device for electrostatic spraying to a separate high-voltage source. In this document, the problems of electrical insulation from high DC voltages are pointed out, as well as the dangers that can result from this.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Leitung für Anwendungsfälle zu schaffen, bei denen der Leiter zwar relativ niedrige Stromstärken, jedoch relativ hohe Spannungen zu übertragen hat. Insbesondere soll der Radius der inneren Potential-Steuerschicht optimal ausgelegt sein.The invention is based on the object of creating an electrical line for applications in which the conductor has to transmit relatively low currents, but relatively high voltages. In particular, the radius of the inner potential control layer should be optimally designed.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgezeigte Erfindung in vorteilhafter Weise gelöst.The object is achieved by the invention shown in claim 1 in an advantageous manner.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further refinements of the invention are characterized in the subclaims.
Im nachfolgenden werden die mathematischen Beziehungen für die im Anspruch 1 benutzte FormelThe following are the mathematical relationships for the formula used in claim 1
R[tief]OPT = U[tief]0/E[tief]maxR [deep] OPT = U [deep] 0 / E [deep] max
erläutert.explained.
Für den koaxialen Zylinderkondensator, als Ersatzschaltbild eines isolierten Leiters mit geerdeter Abschirmung, gilt aufgrund der Theorie des elektrischen Feldes.For the coaxial cylinder capacitor, as an equivalent circuit diagram of an insulated conductor with a grounded shield, the theory of the electric field applies.
E[tief]max =
Dabei bedeuten:Mean:
E[tief]max = Feldstärke am Innenleiter, bzw. an der inneren Potential-Steuerschicht in KV/mm;E [deep] max = field strength on the inner conductor or on the inner potential control layer in KV / mm;
U[tief]o = Leiter-Nennspannung gegen Erde in KV;U [low] o = nominal conductor voltage to earth in KV;
r[tief]i = Innenleiter-Radius bzw. Radius der inneren Potential-Steuerschicht in mm;r [deep] i = inner conductor radius or radius of the inner potential control layer in mm;
r[tief]a = Radius über der Isolierung bzw. innerer Radius der äußeren Potential-Steuerschicht in mm.r [deep] a = radius over the insulation or inner radius of the outer potential control layer in mm.
Das günstigste Verhältnis zwischen dem äußeren Radius r[tief]a und dem inneren Radius r[tief]i ergibt sich durch Differenzieren der Gleichung (1) nach r[tief]i und damit zu
Wird dieses Radienverhältnis e in die Gleichung (1) eingesetzt, so ergibt sich für
R[tief]OPT = optimaler Radius des Innenleiters bzw.R [deep] OPT = optimal radius of the inner conductor or
an der inneren Potential-Steuerschicht in mm;on the inner potential control layer in mm;
U = Spannung des Innenleiters gegen den (geerdeten) Schirm in KV;U = voltage of the inner conductor against the (earthed) screen in KV;
E[tief]max = zulässige Höchstfeldstärke des eingesetzten Isoliermaterials in KV/mm.E [deep] max = permissible maximum field strength of the insulating material used in KV / mm.
Aus der Gleichung (3) folgt, dass für jedes Isoliermaterial ein optimaler innerer Radius R[tief]OPT existiert, bei dem die elektrische Spannungsbeanspruchung des Isoliermaterials unter der vorgegebenen Spannung ein Minimum erreicht.From equation (3) it follows that for each insulating material there is an optimal inner radius R [deep] OPT at which the electrical voltage stress of the insulating material reaches a minimum below the specified voltage.
In der praktischen Ausführung erfüllt die erfindungsgemäße Leitung die Bedingungen der Gleichung (3) und der Gleichung (1).In the practical implementation, the line according to the invention fulfills the conditions of equation (3) and equation (1).
Aufgrund spezieller Untersuchungen über die elektrische Feldstärke - Beanspruchbarkeit des Isoliermaterials unter Zuhilfenahme geeigneter statistischer Auswertungsmethoden kann die Materialeigenschaft für die Größe E[tief]max festgestellt werden.On the basis of special investigations into the electrical field strength - stressability of the insulating material with the aid of suitable statistical evaluation methods, the material property for the quantity E [deep] max can be determined.
Mit der auf diese Weise als gültig anzusehenden Größe E[tief]max kann für jedes Isoliermaterial mit Hilfe der Gleichung (3) der Radius R[tief]OPT der inneren Potential-Steuerschicht für die jeweilige Betriebsspannung festgelegt werden.With the value E [deep] max, which is to be regarded as valid in this way, the radius R [deep] OPT of the inner potential control layer for the respective operating voltage can be determined for each insulating material with the aid of equation (3).
Anhand der Größe für R[tief]OPT kann der Radius r[tief]a über der Hochspannungs-Isolierung mit Hilfe der Gleichung (2) bestimmt werden.Using the value for R [deep] OPT, the radius r [deep] a over the high-voltage insulation can be determined with the aid of equation (2).
r[tief]a = r[tief]i mal e (4)r [deep] a = r [deep] i times e (4)
r[tief]a = r[tief]i mal 2,71828...r [deep] a = r [deep] i times 2.71828 ...
Durch Umstellen der Gleichung (1) und durch Einführen des AusdruckesBy rearranging equation (1) and introducing the expression
r[tief]a = r[tief]i + T[tief]3r [deep] a = r [deep] i + T [deep] 3
kann die Wanddicke T[tief]3 direkt errechnet werden mit
1. Verbesserung der Biegefähigkeit, d.h. höheren Flexibilität der Leitung und Reduzierung der betriebsmäßig zulässigen Mindest-Biergeradien;1. Improvement of the bendability, i.e. higher flexibility of the line and reduction of the operationally permissible minimum beer radii;
2. Verbesserung der Biegefestigkeit, d.h. Verringerung der Zeitdauer bis zum Funktionsausfall der Leitung, verursacht durch Biegebeanspruchung;2. Improvement of the flexural strength, i.e. reduction of the time until the cable fails to function, caused by bending stress;
3. Reduzierung des Leitungs-Durchmessers bei gleicher Nennspannung, sowie in einer damit verbundenen Verringerung des Leitungs-Eigengewichtes, ergibt Vorteile durch eine leichte Hantierbarkeit, z.B. beim Gebrauch der mit der Leitung verbundenen Handsprühgeräte, sowie durch Materialeinsparungen bei der Leitungsherstellung;3. Reduction of the cable diameter with the same nominal voltage, as well as the associated reduction in the cable's own weight, results in advantages due to easy handling, e.g. when using the hand spray devices connected to the cable, as well as material savings in the production of the cable;
4. erhöhten Sicherheit im Fehlerfall gegen Spannungsgefährdung des Bedienungspersonals durch Hochspannungs-Überschläge, Explosionsgefährdung durch elektrische Funkenbildung, z.B. in explosionsgefährdeten Betriebsstätten, und gegen Feuergefährdung.4.Increased safety in the event of a fault against the risk of voltage to the operating personnel due to high-voltage flashovers, the risk of explosion due to electrical sparks, e.g. in hazardous locations, and against the risk of fire.
Die erfindungsgemäße Leitung ist besonders als flexible Zuleitung für Handgeräte geeignet, die mit hohen Gleichspannungen arbeiten, z.B. im Spannungsbereich von vorzugsweise 60 bis 120 KV. Insbesondere ist hier die erfindungsgemäße Leitung für elektrostatische Handsprüheinrichtungen, z.B. Lacksprühpistolen, ausgelegt.The line according to the invention is particularly suitable as a flexible supply line for hand-held devices that work with high DC voltages, e.g. in the voltage range of preferably 60 to 120 KV. In particular, the line according to the invention is designed here for electrostatic hand spray devices, e.g. paint spray guns.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden erläutert wird.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, which is explained below.
Der metallische Hochspannungsleiter 1 besteht aus einer biegefesten Litze aus Kupfer-Runddrähten, wahlweise mechanisch verstärkt mit zugfesten Stahl-Runddrähten, und dient zur Führung der Hochspannung.The metallic high-voltage conductor 1 consists of a flexible strand made of copper round wires, optionally mechanically reinforced with tensile steel round wires, and is used to conduct the high voltage.
Der innere Potential-Steuerschicht 2 ist eine Leitschicht aus leitfähigem, extrudiertem Polyäthylen, thermoplatisch oder ver- netzt, wahlweise auch auf der Basis anderer thermoplastischer oder thermoelastischer Werkstoffe, wie z.B. PVC, EPR, Butyl.The inner potential control layer 2 is a conductive layer made of conductive, extruded polyethylene, thermoplastic or nets, optionally also based on other thermoplastic or thermoelastic materials such as PVC, EPR, butyl.
Die innere Potential-Steuerschicht 2 steht in leitendem Kontakt mit dem Hochspannungsleiter 1 und erfüllt gleichzeitig folgende Funktionen:The inner potential control layer 2 is in conductive contact with the high-voltage conductor 1 and simultaneously fulfills the following functions:
a) als geometrisch eindeutige Begrenzung des Hochspannungspotentials, wobei die Regeln für die Dimensionierung der Leitschicht-Maße ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind;a) as a geometrically unambiguous limitation of the high-voltage potential, the rules for the dimensioning of the conductive layer dimensions being an object of the present invention;
b) zur Glättung (Vergleichmäßigung) des elektrischen Feldes;b) to smooth (equalize) the electric field;
c) als fertigungstechnische Voraussetzung für einen hohlraumfreien Übergangc) as a manufacturing prerequisite for a void-free transition
zur eigentlichen Hochspannungs-Isolierung 3, die gewöhnlich in einem zusammengefassten Extrusionsvorgang gleichzeitig mit der Extrusion der Leitschicht aufgebracht wird.for the actual high-voltage insulation 3, which is usually applied in a combined extrusion process at the same time as the extrusion of the conductive layer.
Die Funktion b) und c) dienen bekannterweise insbesondere der Unterdrückung von Teilentladungen im Hochspannungsbetrieb des Kabels.As is known, functions b) and c) are used in particular to suppress partial discharges during high-voltage operation of the cable.
Die Hochspannungs-Isolierung 3 ist eine hochspannungsfeste Schicht aus extrudiertem Polyäthylen niedriger Dichte (ND/PE), thermoplastisch oder vernetzt, wahlweise auf der Basis anderer thermoplastischer oder thermoelastischer Werkstoffe wie z.B. PVC, EPR, Butyl. Die Regeln für die Dimensionierung der Isolierung-Maße sind Gegenstand einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.The high-voltage insulation 3 is a high-voltage-resistant layer made of extruded low-density polyethylene (ND / PE), thermoplastic or cross-linked, optionally based on other thermoplastic or thermoelastic materials such as PVC, EPR, butyl. The rules for dimensioning the insulation dimensions are the subject of an embodiment of the present invention.
Die äußere Potential-Steuerschicht 4 ist eine Leitschicht aus leitfähigem, dehnbaren Vliesstoff-Bändern, mit Überlappung bandiert oder längslaufend zur Leitungsachse aufgebraucht, wahlweise mit Leitschichten aus anderen leitfähigen Bändern, wahlweise mit extrudierten Leitschichten, z.B. aus leitfähigem PE oder EPR, wahlweise mit Leitschichten aus leitfähigem Lacken oder Dispersionen, in Verbindung mit zusätzlichen leitfähigen Abdeckbändern, wahlweise mit Leitschichten aus leitfähigen Pulvern, Graphit, Ruß und dergleichen, in Verbindung mit zusätzlichen leitfähigen Abdeckbändern.The outer potential control layer 4 is a conductive layer made of conductive, stretchable nonwoven strips, taped with an overlap or used up along the line axis, optionally with conductive layers made of other conductive tapes, optionally with extruded conductive layers, e.g. made of conductive PE or EPR, optionally with conductive layers conductive paints or dispersions, in connection with additional conductive masking tapes, optionally with conductive layers made of conductive powders, graphite, carbon black and the like, in connection with additional conductive masking tapes.
Die äußere Potential-Steuerschicht 4 steht in leitendem Kontakt mit der metallischen Abschirmung und erfüllt gleichzeitig folgende Funktionen:The external potential control layer 4 is in conductive contact with the metallic shield and simultaneously fulfills the following functions:
a) als geometrisch eindeutige Begrenzung des Erd- bzw. Schutzpotentials, wobei das Vorhandensein der Leitschicht bzw. dessen besondere konstruktive Ausgestaltung Gegenstand einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;a) as a geometrically unambiguous limitation of the earth or protective potential, the presence of the conductive layer or its particular structural design being the subject of an embodiment of the present invention;
b) zur Glättung (Vergleichsmäßigung des elektrischen Feldes);b) for smoothing (equalization of the electric field);
c) dichtumschließende leitende Abschirmung als zusätzlicher Schutz gegen Spannungsgefährdung bei einem Teilbruch der Drähte der metallischen Abschirmung.c) tightly enclosing conductive shielding as additional protection against risk of voltage in the event of a partial break in the wires of the metallic shielding.
Die metallische Abschirmung 5 hat die Form einer biegefesten, optisch geschlossenen Drahtumseilung aus dünnen Kupfer-Runddrähten, aufgebracht über der Potential-Steuerschicht 4 und in leitendem Kontakt mit dieser.The metallic shield 5 is in the form of a rigid, optically closed wire rope covering made of thin copper round wires, applied over the potential control layer 4 and in conductive contact with it.
Die metallische Abschirmung 5 erfüllt gleichzeitig folgende Funktionen:The metallic shield 5 simultaneously fulfills the following functions:
a) als Berührungsschutz gegen Spannungsgefährdung;a) as contact protection against voltage hazard;
b) zur Fortleitung von Lade-, Ableit- und Kurzschluss-Strömen;b) for forwarding charging, discharge and short-circuit currents;
c) als Längsleitelement zur Führung des Erd- bzw. Schutzpotentials,c) as a longitudinal guide element for guiding the earth or protective potential,
wobei sowohl die Funktion c) und die besondere konstruktive Ausgestaltung der metallischen Abschirmung im Hinblick auf die mechanische Widerstandsfähigkeit unter Biegebeanspruchung. Gegenstand einer Ausführung der Erfindung ist.both the function c) and the special structural design of the metallic shield with regard to the mechanical resistance under bending stress. Is the subject of an embodiment of the invention.
Der Außenmantel 6 hat die Funktion einer Schutzschicht gegen mechanische und chemische Einwirkungen und ist aus extrudiertem thermoplastischem Polyesterurethan mit flammerstickenden Zusätzen hergestellt.The outer jacket 6 has the function of a protective layer against mechanical and chemical effects and is made of extruded thermoplastic polyester urethane with flame-emitting additives.
Zusammenfassungsummary
Bei einer einadrigen, flexiblen elektrischen Leitung für hohe Gleichspannungen mit einem metallischen Hochspannungsleiter (1), einer inneren Potential-Steuerschicht (2), einer Hochspannungsisolierung (3), einer äußeren Potential-Steuerschicht (4), einer Abschirmung (5) und einem Mantel (6) wird zur optimalen Auslegung vorgeschlagen, dass der metallische Hochspannungsleiter (1) mit einer inneren Potential-Steuerschicht (2) so umspritzt ist, dass der Radius R[tief]OPT der inneren Potential-Steuerschicht (2) der BeziehungIn the case of a single-core, flexible electrical line for high DC voltages with a metallic high-voltage conductor (1), an inner potential control layer (2), high-voltage insulation (3), an outer potential control layer (4), a shield (5) and a jacket (6) it is proposed for optimal design that the metallic high-voltage conductor (1) is overmolded with an inner potential control layer (2) so that the radius R [deep] OPT of the inner potential control layer (2) of the relationship
R[tief]OPT = U[tief]0/E[tief]maxR [deep] OPT = U [deep] 0 / E [deep] max
genügt, worin R[tief]OPT der Radius der inneren Potential-Steuerschicht (2) in mm, U[tief]0 die Nennspannung der Leitung gegen Erde in KV und E[tief]max die maximal zulässige Feldstärke des eingesetzten Isoliermaterials in KV/mm ist, und dass der metallische Hochspannungsleiter (1) so bemessen ist, dass die Differenz von Radius R[tief]L des Hochspannungsleiters (1) zum Radius R[tief]OPT der inneren Potential-Steuerschicht (2) mindestens die notwendige Wanddicke für eine gleichmäßige Ausgestaltung der Potential-Steuerschicht (2) ergibt.is sufficient, where R [deep] OPT is the radius of the inner potential control layer (2) in mm, U [deep] 0 the nominal voltage of the line to earth in KV and E [deep] max the maximum permissible field strength of the insulating material used in KV / mm, and that the metallic high-voltage conductor (1) is dimensioned so that the difference between the radius R [deep] L of the high-voltage conductor (1) and the radius R [deep] OPT of the inner potential control layer (2) is at least the necessary wall thickness for results in a uniform configuration of the potential control layer (2).
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Claims (12)
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