DE1590189B1

DE1590189B1 - Elektrische hochspannungs-gleichstromkabelanlage

Info

Publication number: DE1590189B1
Application number: DE19661590189
Authority: DE
Inventors: John Derrick Sidcup Kent Endacott (Grossbritannien)
Original assignee: British Insulated Callenders Cables Ltd
Current assignee: British Insulated Callenders Cables Ltd
Priority date: 1965-12-10
Filing date: 1966-12-10
Publication date: 1973-11-29
Also published as: US3509266A; MY6900320A; DE1590189C2; FR1504283A; GB1133455A

Description

irische Belastungsverteilung innerhalb des Leiter-Dielektrikums von dem spezifischen Widerstand des Leiterdielektrikums abhängig ist und weil der spezifische Widerstand des Leiterdieloktrikums wiederum sehr stark von der Temperatur bestimmt wird. Die Lage wird weiterhin noch dadurch kompliziert, daß der spezifische Widerstand des Leiter-Dielektrikums außerdem von der elektrischen Belastung abhängig ist. Falls das Dielekrikum des Leiters aus einem IsolierEiaterial der gleichen Güte über den ganzen Man- m telquerschnitt besteht und wenn das Isoliermaterial einen spezifischen Widerstand hätte, der unabhängig von der Belastung wäre, ist die elektrische Belastungsverteilung E in irgendeinem Abstand r von der Achse des Leiters durch die Gleichung

E =

^r ^"

gegeben, falls das Dielektrikum über den ganzen Querschnitt die gleiche Temperatur aufweist, wie dies der Fall ist, wenn das Kabel im Anfang belastet wird, as In der Gleichung bedeuten F₀ die Spannungsdifferenz über den dielektrischen Mantel, und r° und r¹ sind jeweils die Radien der inneren und äußeren Oberflächen des dielektrischen Mantels.

Es ist nachgewiesen worden, daß beispielsweise für eine typische Ausführung eines Leiter-Dielektrikums der spezifische Widerstand von ölimprägniertem Papier bei 80° C ungefähr das 0,0012fache des spezifischen Widerstandes bei 20° C beträgt.

Eine derartige wesentliche Abnahme im spezifischen Widerstand, verbunden mit einer Temperaturzunahme, bedeutet nicht, daß eine vergleichbare Abnahme in der elektrischen Widerstandsfähigkeit auftritt. Wie dies zu erwarten ist, nimmt die Gleichstrom-Durchschlagsfestigkeit eines typischen Leiter-Dielektrikums eines Hochspannungs-Gleichstromkabeis ab, aber lediglich in einem geringem Maße in dem Temperaturbereich mit praktischer Bedeutung.

Bei einem Gleichstromkabel unter isothermen Bedingungen, d. h. bei einem Kabel, das unter Spannung steint, jedoch nicht belastet wird, kann die elektrische Belastung an der äußeren Oberfläche des Leiter-Dielektrikums lediglich ungefähr 60% der Belastung an der inneren Oberfläche des Dielektrikummantels betragen, die dem Leiter benachbart ist. Die bei Belastung von dem Leiter erzeugte Wärme wird verteilt bzw. abgeleitet durch das Abströmen durch das Leiter-Dielektrikum, und dementsprechend tritt ein Temperaturgradient über das Dielektrikum auf, und es tritt eine Änderung des anfänglichen Widerstandsgradienten im Dielektrikum ein. Diese Änderung des Widerstandsgradienten führt zu einer Abweichung vom anfänglichen elektrischen Belastungsgradienten, ferner zu einer Verminderung der elektrischen Belastung an der Grenzfläche Leiter/Dielektrikum und zu einer Erhöhung der Belastung an der äußeren Oberfläche des Dielektrikums. Diese Änderung in der spezifischen Widerstandsverteilung kann ausreichend groß sein, um eine Umkehrung der Belastungsverteilung zu bewirken sowie eine Umkehrung der Belastung an der äußeren Oberfläche des Dielektrikums, die die Belastung an der Grenzfläche Leiter/Dielektrikum übersteigt.

Die Tatsache, daß das Vorhandensein eines Temperaturgradienten zu einer Belastung an der äußeren Oberfläche des Leiter-Dielektrikums führen kann, die diejenige Belastung übersteigt, die sonst die maximale elektrische Belastung in dem Leiter-Dielektrikum sein würde, bildet ein bedeutendes Hindernis für eine wirtschaftliche Konstruktion eines Gleichstrom-Hochleitungskabels. Bei Kabeln mit einem Dielektrikum aus ölimprägniertem Papier, das gewöhnlich bei Kabeln zur Übertragung großer Energien bei sehr hohen Spannungen verwendet wird, die nachstehend als »Hochspannungs-Hochleistungskabel« bezeichnet sind und beispielsweise zur Übertragung einer Leistung von 1000 Megawatt bei 500 Kilovolt dienen, wird die Lage dadurch erschwert, daß es schwierig sein würde und sehr hohe Kosten erfordern würde, wenn nicht sogar unmöglich sein würde, sicherzustellen, daß die äußeren Teile des Leiter-Dielektrikums den elektrischen Beanspruchungen widerstehen, die ebenso groß sind wie in den Bereichen des Dielektrikums, die dem Leiter benachbart sind. Diese Situation entsteht dadurch, weil es im allgemeinen erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Widerstandsfähigkeit des Kabels gegen Durchbiegen sowie eine angemessene Ölimprägnierung unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen, für den äußeren Teil des Leiter-Dielektrikums Papiere zu verwenden, die dicker, weniger dicht und weniger undurchlässig sind, als es mit der maximalen elektrischen Wider-Standsfähigkeit vereinbar ist.

Bei einem auf natürliche Weise gekühlten Kabel bildet das Leiter-Dielektrikum den einzigen Weg zur Verteilung bzw. Ableitung der durch den Leiter erzeugten Wärme, und das einzig mögliche Mittel zur Begrenzung des Temperaturgradienten in dem LeiterDielektrikum besteht darin, die durch den Leiter erzeugte Wärme zu beschränken, und dies wird durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche des Leiters über die Querschnittsfläche hinaus erreicht, die sonst für den zu übertragenden Belastungsstrom erforderlieh wäre.

Da bei Hochspannungs-Gleichstromkabeln keine Wärme in dem Kabelmantel und lediglich eine verschwindend kleine Wärmemenge innerhalb des Dielektrikums erzeugt wird, sind die Bedingungen für eine enge Regelung der maximalen Temperatur des Dielektrikums besonders günstig, und dies wird durch die Anwendung einer inneren Zwangskühlung des Leiters erreicht, die in angemessener Weise durch die Regelung der Kühlmittel-Durchfiußmenge gesteuert werden kann.

Die Anwendung einer inneren Kühlung verhindert jedoch nicht das radiale Abfließen der Wärme nach außen von dem heißen Leiter durch das Leiter-Dielektrikum, und deshalb verhindert sie nicht die Umkehrung der Belastungsverteilung, verbunden mit hohen Temperaturgefällen in dem Dielektrikum.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Hochspannungs-Hochleistungs-Gleichstromkabel ohne die vorstehenden Nachteile zu schaffen. Die Erfindung besteht demgemäß in einer elektrischen Hochspannungs-Hochleistungs-Gleichstromkabelanlage der anfangs beschriebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wärmeisolierung aus einem solchen Material besteht und eine solche Form aufweist, daß der Unterschied zwischen der anfänglichen Spannungsverteilung und der Spannungsverteilung unter Last wesentlich geringer ist als bei einer sonst gleicharti-

gen elektrischen Gleichstromkabelanlage normaler durch den Kanal 2 hindurch sowie durch einen Wär-

Bauweise. meaustauscher und ein Umlenkrohr hindurch, welche

Die Wärmeisolierung weist eine Schicht aus zellen- sich außerhalb des Kabels befinden, gekühlt, wobei

förmigem Kunststoff oder Glasfiber auf oder in dem das öl auch durch die Zwischenräume zwischen dsn

Fall, wo das Kabel in einem Graben verlegt ist, aus 5 Leitersträngen eindringt und zum Imprägnieren der

einer Auffüllung aus nicht hygroskopischem granu- Papierisolierung dient.

liertem Material oder zellenartigem Beton besteht, Es ist offensichtlich, daß abgesehen vom Vorsehen wobei die Dicke der Schicht oder der Auffüllung der Schicht 8 der Wärmeisolierung außerhalb des derart beschaffen ist, daß der Wärmewiderstand zwi- Antikorrosionsüberzugs 6 sowie abgesehen vom Vorsehen Dielektrikum und der Bodenfläche im Falle io sehen eines größeren zentralen Kanals 2 im Leiter 3, der Verwendung von gespritztem Kunststoff als Di- die Bauweise des Kabels 1 der eines herkömmlichen elektrikum wenigstens 300 thermische Ohm und im ölgefüllten Kabels ähnlich ist.

Fall der Verwendung von Papier oder Kunststoffilm Bei einer Alternativ-Konstruktion kann die Wärais Dielektrikum ungefähr 500 bis 600 thermische meisoherschicht außerhalb des Kabel-Dielektrikums, Ohm beträgt. 15 welche einen Bestandteil des Kabels bildet, unter der

Die thermische Isolierung dient sowohl zur wesent- Kabelhülle liegen oder, wenn anwendbar, unter der

liehen Einschränkung des Abströmens der Wärme Verbindungsstelle oder dem Endanschlußgehäuse

durch das Leiter-Dielektrikum als auch zur wesent- liegen.

liehen Reduzierung des Temperaturgradienten in dem Statt des Kabels durch Zwangsumlauf des Isola-

Dielektrikum. Da die Anwendung der thermischen 20 tionsöls zu kühlen, kann eine undurchlässige Schicht

Isolierung die Wärmeverteilung bzw. den Wärmeab- (nicht dargestellt) z.B. eine Hülle aus Blei oder lei-

fluß durch das Leiter-Dielektrikum einschränkt, kann tendem Polyäthylen, zwischen dem Leiter 3 und

in einigen Fällen zum Ausgleich eine geringe Verstär- seinem Dielektrikum 4 vorgesehen werden, und es

kung der inneren Kühlung des Leiters erforderlich kann Wasser als umlaufendes Kühlmittel verwendet

sein; dies bedeutet jedoch einen sehr geringen wirt- 25 werden.

schaftlichen Nachteil, der im Vergleich mit dem wirt- Statt einer oder zusätzlich zu einer Hohlbohrung

schaftlichen Vorteil vernachlässigbar ist, nämlich kann die Außenfläche des Leiters schraubenförmig

eine maximale Leitertemperatur anzuwenden, die oder längs verlaufende Rillen für den Durchlauf von

sonst mit einer angemessenen Lebensdauer eines Kühlmittel aufweisen. Wenn das Kühlmittel Wasser

Kabels unvereinbar wäre. 30 oder eine andere Flüssigkeit ist, welche sich mit dem

Die Wärmeisolierschicht aus zellenförmigen Kunst- dielektrischen Imprägniermittel nicht verträgt, wird

stoff oder Glasfiber kann einen Bestandteil des Kabels der mit Kanälen versehene Leiter von seinem Dielek-

bilden und innerhalb oder außerhalb der Kabelhülle trikum durch eine wasserundurchlässige Sperrschicht

liegen. In dem Falle, wo die Wärmeisolierung außer- getrennt.

halb der Kabelhülle liegt, ist sie von einer äußeren 35 Die radiale Stärke der Schicht der Wärmeisolie-Umhüllung aus feuchtigkeitsundurchlässigem Mate- rung ist natürlich in hohem Maße von ihrem Wärmeria] umgeben. Alternativ kann die Wärmeisolier- widerstand, von der Schichtstärke des Kabel-Dielekschicht wenigstens einen Teil einer Rohrleitung oder trikums sowie von der Stromleistung abhängig. Eine eines Kabels bilden, in der bzw. dem das Kabel ver- nahtlose Hülle aus einer zellularen Polyvinylchloridlegt ist. 40 Zusammensetzung oder aus einem anderen zellularen

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie Kunststoffmaterial kann als Wärmeisolierschicht verbeispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher be- wendet werden, oder es kann als Wärmeisoliermateschrieben, und zwar zeigt rial Glasfaser benutzt werden und auf das Kabel in

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzi .gte Form eines Bandes aus ungewebtem Stoff aufgebracht

Ausführungsform eines elektrischen Kabels für die 45 werden, welcher in seiner Längsrichtung durch eine

Übertragung von Hochspannungs-Hochleistungs- Auflage aus gewebter Glasfaser oder durch Fasern

Gleichstrom, während die aus Nylon oder aus einem anderen nichtleitenden

F i g. 2 und 3 Querschnitte von zwei alternativen Fasermaterial von hoher Zerreißfestigeit verstärki

Konstruktionen elektrischer Hochspannungs-Hochlei- wird.

siungs-Gleichstrom-Kabelanlagen wiedergeben. 50 Eine Bauart einer elektrischen Hochspannungs-

Das in F i g. 1 dargestellte elektrische Kabel 1 weist Hochleistungs-Gleichstrom-Kabelanlage gemäß dei

einen hohlen verseilten Leiter 3 auf, der einen zen- Erfindung ist in F i g. 2 veranschaulicht und weist im

tralen Kanal 2 für den Umlauf eines Kühlmittels, bei- wesentlichen ein Kabel 7 herkömmlicher Bauweise

spielsweise Isolationsöl, bildet. Eine dielektrische auf, außer, daß es einen zentralen Kanal mit großei

Wandung 4, welche aus schraubenförmig gewickelten 55 Bohrung für den Umlauf von Kühlmittel aufweist.

Schichten imprägnierter Papierbänder besteht, um- wobei das Kabel in einem Graben U liegt und vor

gibt den hohlen Leiter 3, und der so gebildete iso- einer Auffüllung 12 aus einem nichthygroskopischer

lierte Leiter ist von einer Metallhülle 5 umgeben. Ein granulierten thermisch isolierenden Material odei

Antikorrosionsüberzug 6 von normaler Form wird zellenförmigem Beton umgeben ist. Der Rest des

auf die Außenfläche der Metallhülle S aufgebracht. 60 Grabens, welcher eine Auffüllung 12 enthält, wire

Den Antikorrosionsüberzug 6 umgibt eine Schicht 8 mit Erde 13 aufgefüllt.

aus einer Wärmeisolierung sowie eine äußere Hülle 9 F i g. 3 zeigt eine Alternativform der Kabelanlage_;

aus wasserundurchlässigem Material. Eine ähnliche bei welcher ein Kabel 7 herkömmlicher Bauweise

Wärmeisolierschicht und eine äußere wasserundurch- außer einem zentralen Kanal mit großer Bohrung

lässige Hülle wurde auf die Gehäuse der Kabelver- 65 für den Umlauf von Kühlmittel in einem Kabelrohi

bindungssteilen und -endanschlüsse aufgebracht bzw. -kanal IS verlegt ist, welches bzw. welcher au;

Unter Betriebsbedingungen wird das Kabel 1 durch einem Material mit hohem Wärmeleitungswiderstand

Zwangsumlauf eines Kühlmittels, z. B. Isolationsöl, beispielsweise verschäumtem Kunststoffmaterial, her

gestellt ist, wobei das Kabelrohr bzw. der Kabelkanal in einem Graben 16 liegt und in Beton 17 eingebettet ist.

Bei jeder der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Kabelanlagen kann das Kabel 7 durch die Ausfuhrungsform des in F i g. 1 wiedergegebenen Kabels 1 ersetzt werden.

Bei der verbesserten Form einer elektrischen Hochspannungs - Hochleistungs - Gleichstrom - Kabelanlage nach der Erfindung besteht die Möglichkeit, durch

entsprechende sorgfältige Auswahl der Wandstärke und Qualität des Wärmeisoliermaterials, welches in das Kabel eingebracht ist oder es auf andere Weise umgibt, ein solches Temperaturgefälle am Dielektrikum zu erhalten, daß die elektrische Belastung überall im Dielektrikum im wesentlichen konstant ist. Auf diese Weise kann das Dielektrikum mit höherer Belastung betrieben werden, so daß seine Wandstärke verringert werden kann, wodurch sich die Kosten ίο für das Kabel verringern.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims

I 5SO 189 Auflage aus gewebter Glasfaser oder durcl Patentansprüche: Fasern aus Nylon oder aus einem anderen nichtleitenden Fasermaterial von hoher Zerreißfestig-

1. Elektrische Hochspannungs-Hochleistungs- keit verstärkt ist.
Gleichstromkabelanlage mit einem Kabel, welches 5

einen mit einem festen Dielektrikum versehenen

Leiter aufweist, der einen oder mehrere Kühl-

mittelumlaufkanäle zum Abführen von Wärme
aus dem Leiter besitzt, sowie eine das Dielektrikum umgebende äußere Wärmeisolierung auf- io Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Hochspanweist, dadurch gekennzeichnet, daß die nungs-Hochleistungs-Gleichstromkabelanlagen mil Wärmeisolierung aus einem solchen Material be- einem Kabel, welches einen mit einem festen Dieleksteht und eine solche Form aufweist, daß der trikum versehenen Leiter aufweist, der einen odei Unterschied zwischen der anfänglichen Span- mehrere Kühlmittelumlaufkanäle zum Abführen von nungsverteilung und der Spannungsverteilung 15 Wärme aus dem Leiter besitzt, sowie eine das Diunter Last wesentlich geringer ist als bei einer elektrikum umgebende- äußere Wärmeisolierung aufsonst gleichartigen elektrischen Gleichstromkabel- weist,
anlage normaler Bauweise. Gleichstromkabel mit einem wärmeisolierten dielek-

2. Kabelanlage nach Anspruch 1, bei welcher trischen Mantel sind beispielsweise durch die USA.-das Kabel in einen Graben verlegt ist, dadurch 20 Patentschrift 2 197 639 sowie die britische Patentgekennzeichnet, daß das Kabel von einer Auf- schrift 612 482 bekannt.

füllung (12) aus einem Material mit hohem War- Lederte Leiter finden in einadrigen und mehradri-

mewiderstand umgeben ist. gen Hochspannungs-Gleichstrom-Starkstromkabeln

3. Kabelanlage nach Anspruch 2, dadurch ge- und an Verbindungsstellen und Endanschlüssen Verkennzeichnet, daß die Auffüllung ein nichthygro- 25 wendüng. Sie können auch in starren Leitersystemen skopisches granuliertes Wärmeisolationsmaterial für Hochspannungs-Gleichstrom-Leistungsübertraist. gung verwendet werden. Der Einfachheit halber wird

4. Kabelanlage nach Anspruch 2, dadurch ge- im nachstehenden der Ausdruck »Kabel« immer dann kennzeichnet, daß die Auffüllung zellenartiger verwendet, wenn aus dem Zusammenhang heraus ein Beton (Gasbeton, Leichtbeton) ist. 30 derartiger isolierter Leiter bezeichnet werden soll, ob

5. Kabelanlage nach Anspruch 1, bei welcher es nun der isolierte Leiter eines einadrigen Kabels das Kabel in einer Rohrleitung oder einem Kanal oder einer der isolierten Leiter eines mehradrigen Kauntergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß bels ist, ob es der oder ein isolierter Leiter an einer die Rohrleitung oder der Kanal (15) aus einem Verbindungsstelle zwischen zwei Abschnitten eines Material mit hohem Wärmewiderstand besteht. 35 ein- oder mehradrigen Kabels oder ob es der oder ein

6. Kabelanlage nach Anspruch 5, dadurch ge- isolierter Leiter eines Endanschlusses eines ein- oder kennzeichnet, daß die Rohrleitung oder der Kanal mehradrigen Kabels oder ob es ein isolierter starrer (IS) aus verschäumtem Kunststoff besteht. Leiter ist, welcher einen Teil eines Sammelschienen-

7. Kabelanlage nach Anspruch 2 bis 6, dadurch systems für Hochspannungs-Gleichstrom-Leistungsgekennzeichnet, daß die Wärmeisolierschicht 4° übertragung bildet.

einen Bestandteil des Kabels bildet. Das Fließen eines Stromes in dem Leiter eines

8. Kabelanlage nach einem der Ansprüche 1 elektrischen Starkstromkabels verursacht die Erzeubis 7, bei welcher das Dielektrikum aus Papier be- gung von Wärme in dem Leiter, und diese Wärme steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme- bewirkt ein Ansteigen der Temperatur des Leiters widerstand zwischen dem Dielektrikum und der 4.5 über seine Umgebungstemperatur. Die Temperatur Bodenfläche im Bereich von 500 bis 600 ther- des Leiters darf nicht auf einen Wert ansteigen, bei mischen Ohm liegt. dem das den Leiter umgebende Dielektrikum eine

9. Kabelanlage nach einem der Ansprüche 1 thennische Beschädigung erleidet.

bis 7, bei welcher das Dielektrikum aust strang- Die maximale Betriebstemperatur eines Leiters

gepreßtem Kunststoff besteht, dadurch gekenn- 50 eines mit imprägniertem Papier isolierten Hochspan-

zeichnet, daß der Wärmewiderstand zwischen nungskabels wird im allgemeinen mit 85° C ange-

dem Dielektrikum und der Bodenfläche etwa nommen, aber es kann auch eine höhere oder nied-

300 thermische Ohm beträgt. rigere maximale Betriebstemperatur veranschlagt

10. Kabelanlage nach Anspruch 1, dadurch ge- werden, was von der Beschaffenheit des Leiterdielekkennzeichnet, daß die Wärmeisolierschicht (8) 55 trikums und von der geforderten Lebensdauer des außerhalb der Kabelhülle (5) liegt und von einer Kabeis abhängig ist.

äußeren Umhüllung (9) aus feuchtigkeitsundurch- Ein derart bemessenes Kabel, bei dem die Belässigem Material umgeben ist. triebstemperatur eines Leiters im wesentlichen nied-

11. Kabelanlage nach Anspruch 10, dadurch riger als die maximale Betriebstemperatur ist, die gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierschicht eine 60 durch das Leiter-Dielektrikum zugelassen wird, wird nahtlose Hülle aus Schaumstoff aufweist. im allgemeinen unwirtschaftlich sein, da eine derar-

12. Kabelanlage nach Anspruch 10, dadurch tige Begrenzung der Betriebstemperatur des Leiters gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierschicht aus nur durch die Verwendung eines Leiters mit einer Glasfaser besteht. · unnötig großen Querschnittsfläche und/oder die Ver-

13. Kabelanlage nach Anspruch 12, dadurch 65 wendung von teuren künstlichen Kühleinrichtungen gekennzeichnet daß die Glasfaser auf das Kabel erreicht werden kann.

in Form eines Bandes aus nichtgewebtem Stoff Ein elektrisches Hochspannungs-Gleichstromkabel aufgebracht ist, der in Längsrichtung durch eine ist weiterhin deshalb sehr kompliziert, weil die elek-