DE1640260B2 - Hochspannungskabel - Google Patents
HochspannungskabelInfo
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- DE1640260B2 DE1640260B2 DE1640260A DEG0051317A DE1640260B2 DE 1640260 B2 DE1640260 B2 DE 1640260B2 DE 1640260 A DE1640260 A DE 1640260A DE G0051317 A DEG0051317 A DE G0051317A DE 1640260 B2 DE1640260 B2 DE 1640260B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B9/00—Power cables
- H01B9/06—Gas-pressure cables; Oil-pressure cables; Cables for use in conduits under fluid pressure
- H01B9/0611—Oil-pressure cables
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- Insulated Conductors (AREA)
- Organic Insulating Materials (AREA)
Description
von 76,2 bis 254 μ geliefert.
Werden Filme aus synthetischen Polymeren auf
einen Kabelleiter in spiralförmigen Lagen aufge-
45 wickelt, um eine Wandung von beispielsweise 19 bis
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspan- 25,4 mm Dicke zu ergeben, so kann die Wandung
nungskabel mit einem durch spiralförmig geschichtete nicht durch Verfahren imprägniert werden wie sie zur
Wicklungen aus faserigen Bändern aus synthetischen Imprägnierung von aus Faserband bestehenden IsoPolymeren
isolierten Leiter, einer gewickelten, mit lierwänden ähnlicher Dicke verwendet werden. Die in
Isolieröl imprägnierten Isolierung, einem den isolier- 5° Frage kommenden Filme können durch Spritzen oder
ten Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel Beschichten mit Harzlösungen, z. B. aus Polyäthyle-
und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden iso- nen, Polykarbonaten, Polyestern usw. hergestellt werlierenden
Strömungsmittel. den. Diese Filme haben eine homogene oder isotrope
Mit der zunehmenden Erhöhung der Kabelspan- Struktur im Gegensatz zum Zellstoffpapier, das aus
ninig ·η erlangen niedrige dielektrische Verluste bzw. 55 miteinander verfilzten Fasern aufgebaut ist. Das für
Querdämpfungen zunehmende Bedeutung. Die Quer- die gegenwärtigen Zellulosepapiere für Hochspandämpfung
ist eine direkte Funktion der Dielektrizi- nungskabel verwendete Isolieröl imprägniert und
tätskonstanten, des Verlustfaktors und des Quadrats durchdringt vollständig die Bänder aus Faserpapier
der Spannung. Ein hoher dielektrischer Verlust in und bedeckt die einzelnen Fasern. Die hohe Durcheiner
Kabelanlage bewirkt eine Verminderung der 60 Schlagsfestigkeit der gegenwärtigen mit Papier-Öl isoLeistung,
die übertragen werden kann. Da die Dielek- lierten Hochspannungskabel ergibt sich aus der Untrizitätskonstante
bei einer gegebenen Art von Isolie- terteilung des Öles in äußerst dünne Schichten, die
rang im wesentlichen bei allen Spannungen gleich sich zwischen den Zellstoffasern und zwischen den
bleibt, genügt es, für den Moment nur die beiden Schichten der Papierbänder bilden. Diese Unterteianderen
Faktoren für den dielektrischen Verlust zu 65 lung des Öles in äußerst dünne Lagen kann offenbetrachten.
Somit ist bei einem gegebenen Verlust- sichtlich bei den straff übereinander gewickelten unfaktor
der dielektrische Verlust bei 230 kV 2,77mal durchlässigen Plastikfilmen nicht erreicht werden. Die
so groß wie bei 138 kV [(230/138)2 = 2,77]; bei Filme sind etwas dehnbar, und während des Wickel-
Vorganges werden sie in die Stoßstellen der darunterliegenden
Schicht hinabgezogen.
In der US-PS 3077 510 ist ein Hochspannungskabel beschrieben, bei dem die spiralförmig geschichteten
Wicklungen aus synthetischen Polymeren die Form faseriger Bänder aus Polyäthylen haben.
Damit wird das Eindringen des Imprägniermittels erleichtert. Um ein Aufquellen des Polyäthylens durch
das Imprägniermittel zu verhindern, wird zugleich vorgeschlagen ein organisches Silikonpolymer als Imprägniermittel
zu verwenden, in dem Polyäthylen schlecht lösbar ist.
Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß d«e Oberflächen
der Kunststoffilme angerauht oder geprägt werden, so daß sich Kanäle bilden, durch welche das
Imprägniermittel zwischen die aufgewickelten Lagen fließen kann. Ein anderer Vorschlag besteht darin,
zusammengesetzte Bänder herzustellen, bei denen ein Kunststoffilm mit Zellulosepapier beschichtet wird
oder zwischen zwei Lagen von Zellulosepapier sich befindet, wobei das relativ poröse Zellstoffpapier für
die nötigen Kanäle sorgen würde, durch welches das Imprägniermittel fließen kann. Weiter wurde vorgeschlagen,
abwechselnde Lagen von Zellstoffpapier und Kunststoffilmen zu verwenden, die sich dann genauso
verhalten würden wie ein nach dem zweiten Vorschlag gefertigtes Band.
Alle diese Vorschläge besitzen die Nachteile, daß sie mit hohen Kosten verbunden sind und daß in zwei
Fällen die Kabelisolierung noch immer das relativ hoch dämpfende Zellulosematerial enthält.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu beseitigen und ein Hochspannungskabel
zu schaffen, in dem ein poröses Papier zur Anwendung kommt, dessen Luftwiderstand dem der gegenwärtig
für die Isolierung von Hochspannungskabeln verwendeten Zellulosepapiere geringer Dichte vergleichbar
ist, jedoch nicht deren hohe dielektrische Verluste hat.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die faserigen Bänder aus Bahnen von zufällig
angeordneten, feinverteilten, kontinuierlichen Faserfäden aus synthetischen Polymeren bestehen, die
hauptsächlich an den Kreuzungspunkten der Fäden verbunden sind.
Durch die Erfindung werden öl- oder gasgefüllte elektrische Kabel geschaffen, die sich zur Übertragung
extrem hoher Spannungen bei genügend geringen elektrischen Verlusten eignen, um den Einsatz
solcher Kabel wirtschaftlich zu gestalten. Bei der Erfindung kommt eine faserige papierähnliche Struktur
in Bandform zur Anwendung, die aus Polyäthylen hoher Dichte hergestellt ist. Weiter beseitigt das erfindungsgemäße
Kabel die Nachteile der schichtweisen Wicklungen von synthetischen Polymerbändern bei
elektrischen Hochspannungskabeln dadurch, daß die bisher verwendeten Polymerfilme durch faserige papierähnliche
Polymerbänder ersetzt werden, deren Luftwiderstand in der Größenordnung von Zellstoffpapier
liegt. Das faserige papierähnliche Band wird vorzugsweise aus Polyäthylen hoher Dichte gefertigt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Hochspannungskabels,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß der isolierte Leiter bei einer Temperatur von höchstens
50° C im Vakuum getrocknet wird und daß die Isolierung bei der gleichen Temperatur mit öl imprägniert
wird.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf din
Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigt
In dieser zeigt
F i g. 1 einen Seitenriß eines kurzen Stückes des erfindungsgemäßen Kabels, wobei die Kabelbestandteilc
in zunehmend größeren Absländen im Schnitt dargestellt sind, um den Aufbau zu zeigen,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Kabel der
ίο Fig. 1, längs der Linie 2-2.
Der Kabelleiter 11 kann von jeder geeigneten Ausführung sein. Als Ausfuhrungsbeispiel ist ein segmentförmiger
Hohlleiter gezeigt. Jedes der sechs Segmente ist in der üblichen Weise verseilt. Die Abschirmung
is des Leiters 12 wird vorzugsweise in der dargestellten
Art ausgeführt Über dem abgeschirmten Leiter liegt die Isolierwand 13, die aus vielen spiralförmigen
Wickelschichten von faserigen Bändern besteht, die wiederum aus einer Bahn von zufällig angeordneten,
ao feinverteilten kontinuierlichen Faserfäden aiis synthetischem
Polymer aufgebaut sind, wobei die Fasern hauptsächlich an den Übergangspunkten der Fäden
verbunden sind. Das Band ist ebenso dick wie ein Isolierband aus Zellulosepapier, und die Dicke der
»5 Isolierwand wird durch die Spannung bestimmt, für
welche das Kabel ausgelegt ist. Zum Zwecke der besseren Darstellung ist in F i g. 1 das äußere Isolierband
teilweise abgewickelt dargestellt. Auf die Isolierwand wird der Isolationsschirm 14 aufgebracht. Der äußere
Mantel 15 kann jeden geeigneten Aufbau besitzen, z. B. a is Blei ausgeführt sein. Wenn das Kabel in ein
mit öl oder Druckgas angefülltes Rohr eingezogen werden soll, kann der fabrikseitig vorgesehene Außenmantel
als zeitweiliger Mantel ausgeführt sein, der vom Kabel beim Einziehen in die Rohrleitung abgestreift
wird. Die Einzelheiten der Konstruktion des Leiters, der Abschirmschichten und des Mantels können
sehr verschieden gestaltet sein.
Die Dupont Company stellt ein Material aus einer faserförmigen papierähnlichen Struktur in Bogenform
her, das aus Polyäthylen hoher Dichte gefertigt ist. Der Werkstoff wird von Dupont als »Spunbonded«
bezeichnet (etwa entsprechend »Kleber« oder »Schweißgespinst«), wobei das Wort als Adjektiv
benutzt und wie folgt definiert wird: »Ein Fachausdruck für eine faserige Struktur, die aus kontinuierlichen
synthetischen Polymerfäden in einem integrierten Spinn- und Verbindungsverfahren hergestellt
wird«.
Das für die Experimente dienende Material, das
hier beschrieben wird, wird von Dupont als »Type 822 Series R« bezeichnet. Das Material wiegt 68 g/m2 und
besitzt eine Stärke von 0,165 mm. Der Durchmesser der Fasern ist mit dem der Fasern von Zellulosepapier
vergleichbar, d. h., er liegt in der Größenordnung Mikron. Andererseits besteht das »Spunbonded«-
Polyäthylenpapier aus langen, praktisch kontinuierlichen Fasern im Gegensatz zu den kurzen Fasern des
Zellstoffpapiers. Die Fasern sind hauptsächlich an den Übergangspunkten der Fäden miteinander versponnen
und verbunden, so daß sie ein Band ergeben, das die meisten mechanischen Eigenschaften von
Zellulosepapier besitzt und sich weitgehend wie dieses verhält.
Das »Spunbonded«-Papier besteht im wesentlichen aus linear aufgebautem Polyäthylen, und sein Erweichungspunkt
liegt bei etwa 110 bis 125° C. Um die Wärmebeständigkeit dieses Bandes zu erhöhen, kann
es chemisch oder elektromagnetisch vernetzt werden. Die chemische Vernetzung erfolgt durch Behandlung
mit einem geeigneten organischen Superoxyd. Die elektromagnetische Vernetzung erreicht man dadurch,
daß man das Band einer elektromagnetischen Strahlung aussetzt. In beiden Fällen kann die Wärmebeständigkeit
durch eine Erhöhung des Erweichungspunktes von etwa 110 bis 125° C auf etwa 15O0C
vergrößert werden.
Ein anderes Mittel zur wirksamen Erhöhung der Wärmebeständigkeit dieses Polyäthylenpapiers besteht
darin, es mit einer dünnen Schient von Zellulosepapier
zu lamellieren, welches infolge seiner größeren Formbeständigkeit gegenüber Wärme und öl das
Polyäthylenpapier wirksam verstärkt. Ein aus einem solchen Schichtband aufgebautes Kabel würde, obwohl
elektrisch nicht ganz so gut wie ein mit reinem Polyäthylenpapier isoliertes Kabel, noch immer eine
Verbesserung gegenüber den anderen Ausführungsformen der vorstehend vorgeschlagenen Schichtver- ao
bindungen darstellen, weil es einen geringeren Verlustfaktor und einen sehr geeigneten Luftwiderstand
besitzt.
Tabelle I zeigt die wichtigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von kommerziell für
Hochspannungskabel verwendetem Zellulosepapier, »Spunbondede-Polyäthylenpapier und anderen Arten
von synthetischen Polymerpapieren sowie von Papier-Polymerfilmverbindungen.
Der Verlustfaktor des »Spunbonded«-Papiers ist äußerst gering und viel niedriger als die der anderen Arten. Gleichzeitig
macht der Luftwiderstand dieses Werkstoffes das Material für Anwendungen in Hochspannungskabeln
geeignet. Der extrem niedrige Luftwiderstand von Polyäthylen-Terephthalat läßt es für Hochspannungskabel
ungeeignet erscheinen, und die Durchschlagsfestigkeit ist gering. Die papierähnliche Struktur von
Polyäthylen-Terephthalat und Polyacrylnitril ergibt sich aus den gröberen Fasern, die im Vergleich zu den
gut verfilzten Fibern von Mikrongröße aus Zellulosepapier und dem »Spunbonded«-Polyäthylenpapier
schlecht verfilzt sind. Der kleine Luftwiderstand und die geringe Durchschlagfestigkeit von ölimprägnierten
Polyäthylen-Terephthalat- und den Polyacrylnitril-Papieren sind anscheinend eine Folge dieser beiden
Faktoren — grobe Fasern und schlechte Verfilzung. Die Tatsache, daß der Luftwiderstand eines Films aus
Zellstoffpapier/Polypropylen unendlich ist, läßt es im Vergleich zum »Spunbonded«-Papier ganz ungeeignet
erscheinen, da dies ja bedeutet, daß das ölige Imprägniermittel das Papier nicht radial durchdringen
kann, sondern längs zwischen den Schichten hindurchfließen muß und radial lediglich durch die Stoßstellen
eindringen kann.
Wichtige elektrische und mechanische Eigenschaften von Zellstoff- und synthetischen Polymerpapieren
Eigenschaft | Zellstoff | »Spunbonded«- | Polyäthylen- | Polyacryl- | Papier aus | Verbundpapier |
papier | Polyäthylen- | Terephthalat- | nitrilpapier | Zellfaser mit | aus Zellstoffpapiei | |
Papier | Papier | Polyäthylen | und Polypropylen | |||
verkapselt | film | |||||
Dielektrizitätskonstante, | 3,50 | 2,20 | 2,30 | 3,45 | 2,53 | 2,87 |
1000C | ||||||
Leistungsfaktor | 0,27 | 0,05 | 0,26 | 5,60 | 7,97 | 0,17 |
(o/o) bei 100° C | ||||||
Verlustziffer | 0,95 | 0,11 | 0,60 | 19,3 | 20,3 | 0,49 |
("Zo) bei 100° C | ||||||
Luftwiderstand | 1090 | 145 | 0 | 11,5 | unendlich | unendlich |
(Gurley-Sek.) | ||||||
Elastizitätsmodul | 0,44 | 0,036 | 0,241 | — | — | 0,82 |
in Spannung | ||||||
(105kp/cm2) | ||||||
Gurley-Steif e korrigiert | 375 | 44,8 | 150 | TOS | 453 | 150 |
auf 0,127 mm |
Die großen Vorteile des »Spunbonded«-PoIyäthyienpapiers gegenüber den anderen Arten ergeben
sich aas der Tabelle I. Es besitzt bei weitem die geringste Verlustziffer und gleichzeitig gute mechanische Eigenschaften, wie z. B. Luftwiderstand und
Steife. Der höhere Luftwiderstand dieses Bandes erklärt sich aus der Mikrogröße des Faserdurchmessers
und der besseren Verfilzung im Vergleich zu allen anderen Arten der gemessenen Papiere, die aus synthetischen Polymeren hergestellt sind, von denen Polyäthylen-Terephthalat und Polyacrylnitril lediglich
zwei Beispiele darstellen. 6;
Bei der Herstellung der üblichen Starkstromkabel aus ölimprägniertem Papier erfolgt das Trocknen des
Papiers vor der Imprägnierung mit öl in einem Vakuum und vorzugsweise bei Temperaturen über 100° C
Dies ist deshalb erforderlich, weil das Zellstoffpapie
zwischen 1 and 6 ° e Feuchtigkeit enthält, je nach de
Luftfeuchtigkeit, die zur Zeit der Herstellung des Ka bels herrscht. Im Gegensatz hierzu ist das »Spun
bonded«-Polyäthylenpapier gegenüber Feuchtigkei unempfindlich und enthält weniger als 0,1 % Feuch
tigkeh. Auf Grund dieser Tatsache genügen eine küi
zere Trocknungszeit und eine niedrigere Trocken temperatur, um jede Oberflächenfeuchtigkeit auszu
trocknen, die sich an der Oberfläche des mit »Spun bonded«-Polyäthylenpapier isolierten Kabels befin
den kann. Es genügt eine Vakuumtrocknung mi nachfolgender ^imprägnierung bei 500C. Die Ver
arbeitung bei dieser viel niedrigeren als der normal«
7 8
Temperatur verringert die Wahrscheinlichkeit des eine extrem niedrige Verlustziffer, wodurch sie sich
Anschwellens des Polyäthylens. für den Betrieb im Bereich von 500 bis 700 kV und
Weiter ergab sich, daß aus »Spunbonded«-Poly- vielleicht noch höhere Bereiche eignen. Die Eigenäthylenbändern
hergestellte Kabel hervorragende me- schäften dieser Kabel sind in Tabelle II wiedergechanische
Eigenschaften für die praktische Hand- 5 geben,
habung besitzen, wie z. B. das Abbiegen. Sie besitzen
habung besitzen, wie z. B. das Abbiegen. Sie besitzen
Eigenschaften von Kabeln aus Zellstoff- und synthetischen Fasern
Eigenschaft Übliches Kabel aus Verbessertes Kabel Kabel aus »Spiui-
Zellstoffpapier aus Zellstoffpapier bonded«-Poly-
äthylenpapier
Dielektrizitätskonstante, 100° C Leistungsfaktor (cos φ) °/o bei 100° C
Verlustziffer °/obei 100° C
Die unter Verwendung von »Spunbonded«-Poly- ao »Spunbondeda-Polyäthylenpapiers niedriger sind all
äthylenpapier erreichte niedrige Verlustziffer fällt so- sogar die entsprechenden Werte der besseren Qualitä
fort auf. Dieser Wert wird deshalb erreicht, weil der von Zellstoffpapieren, die für die Herstellung voi
Leistungsfaktor und die Dielektrizitätskonstante des Kabeln für 345 kV Verwendung finden.
3,40 | 3,30 | 2,20 |
0,28 | 0,16 | 0,04 |
0,95 | 0,53 | 0,09 |
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Elektrisches Hochspannungskabel mit einem sungen. Praktisch wird jedoch bei sich erhöhender
durch spiralförmig geschichtete Wicklungen aus 5 Spannung mehr Isolierung verwendet mit entsprefaserigen
Bändern aus synthetischen Polymeren chender Abnahme der Kapazität, so daß die verisolierten
Leiter, einer gewickelten, mit Isolieröl gleichbaren Verluste bei höheren Spannungen nicht
imprägnierten Isolierung, einem den isolierten so groß sind wie angegeben, jedoch noch immer sehr
Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel viel höher sind als bei niederen Spannungen.
und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden io Das üblicherweise als Kabelisolierung verwendete
isolierenden Strömungsmittel, dadurch ge- ölimprägnierte Zellulosepapier hat einen Verlustfakkennzeichnet,
daß die faserigen Bänder tor in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 0,5%
(13) aus Bahnen von zufällig angeordneten, fein und eine durchschnittliche Dielektrizitätskonstante
verteilten, kontinuierlichen Faserfäden aus syn- von etwa 3,7. Es wurden bereits Isolierungen aus ölthetischen
Polymeren bestehen, die hauptsächlich 15 imprägniertem Zelistoff mit einem Verlustfaktor von
an den Kreuzungspunkten der Fäden verbunden nur 0,15 %>
und einer Dielektrizitätskonstante von sind. etwa 3,4 hergestellt. Nach den gegenwärtigen Er-
2. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- kenntnissen scheint eine weitere wesentliche Versprach
1, dadurch gekennzeichnet, daß die syn- besserung dieser Eigenschaften einer Isolierung aus
thetischen Polymerfasern Polyäthylen fasern sind. 20 imprägniertem Zellstoffpapier unwahrscheinlich.
3. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- Kommerziell werden Kabel mit einer Isolierung aus
sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die syn- öliinprägniertem Zellstoffpapier bis zu Spannungen
thetischen Polymerfasern Polyäthylenfasern von von 345 kV betrieben. Praktische Versuche haben erhoher
Dichte sind, geben, daß solche Kabel für die Übertragung von
4. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- »5 Spannungen bis vielleicht 400 kV hergestellt werden
sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser- köi.nen. Über dieser Spannung ist es jedoch fraglich,
bänder (13) aus im wesentlichen linear angeord- ob die in die Isolierung abgeführte Energie niedrig
neten Polyäthylenfasern bestehen genug gehalten werden kann, um die Forderungen der
5. Elektrisches Hochspannungskabel nach An- Energiebetriebe zu erfüllen. Bei Spannungen über
sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faseri- 30 50OkV, etwa bei 750 kV, ist dieser Energieverlust bei
gen Bänder (13) Spunbonded-Bänder aus Poly- Isolierung aus Zellstoffpapier bestimmt übermäßig
äthylenfasern sind. und nicht mehr tragbar.
6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Um diesen Energieverlust zu reduzieren, wurde
Hochspannungskabels nach einem der An- vorgeschlagen, andere Isoliermaterialien als Papier
Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der 35 auf Zellulosefasergrundlage zu verwenden. Zum Beiisolierte
Leiter bei einer Temperatur von hoch- spiel wurde vorgeschlagen, synthetische Polymere zu
stens 50° C im Vakuum getrocknet wird und daß verwenden, von denen eine Anzahl die elektrischen
die Isolierung bei der gleichen Temperatur mit öl und mechanischen Eigenschaften besitzt, die sie animprägniert
wird, scheinend für Kabel mit extrem hohen Spannungen
40 geeignet erscheinen lassen. Diese synthetischen Polymere werden normalerweise als Filme mit einer Dicke
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