Hochspannungskabel. Die Erfindung betrifft ein Hochspanntu igs- kabel. Zur Erreichung hoher Spannungen bei Kabeln sind bereits Vorschläge gemacht wor den, die darauf hinausgehen, leitende metal lische Beläge in die Kabelisolation einzu betten und diese zwangsweise auf bestimm ten Potentialen zu halten, sei es, dass man diese Beläge an besonders herausgeführte Anzapfungen von Transformatoren anschloss, oder dass man zwischen den Belägen, und zwar ausserhalb des Kabels an den zugäng lichen Kabelenden, Zusatzkapazitäten in Form von Köndensatorenbatterien schaltete.
Auf diese Weise wollte man rnit Recht eine bes sere gleichmässige Ausnutzung der Kabel isolation herbeiführen und somit mit geringen Isolationsstärken sehr hohe Spannungen über winden. Solche Kabelanlagen haben aber keine praktische Bedeutung gewonnen.
Denn der hierbei erzielte Gewinn durch geringe Kabelabmessungen wird reichlich überwogen durch die erforderlichen Kosten für Neuan schaffungen, wie Transformatoren mit beson deren Anzapfungen oder grossen Kondensa- torenbatterien und die für letztere erforder- liehen Gebäudeanlagen etc. Ferner stellte sich heraus, dass die metallischen Beläge verhält nismässig stark werden mussten mit Rücksicht auf die sehr beträchtlichen Stromstärken, welche diese Beläge führen müssen.
Hoch spannungskabel werden naturgemäss nur in grösseren Längen verlegt, es müssen also zwi schen den durch die Beläge gebildeten -Teil- kapazitäten und den Anzapfungen der Trans formatoren oder zwischen den Belägen und den zugeschalteten Kondensatorenbatterien grosse Stromstärken fliessen, wodurch eine zu sätzliche Erwärmung des Dielektrikurns und somit eine Herabsetzung der Leistungsfähig keit des Kabels bedingt wird. Will man ein kürzeres Kabelstück in eine Freileitungsan- lage einfügen, wie z.
B. bei Kreuzungen, oder wenn die Leitung durch dicht bewohnte Ort schaften geführt wird, so sind dort solche Kabel überhaupt nicht anwendbar, da man doch unmöglich für solch kurze Kabelstücke besondere Transformatoren oder Kondensato ren zum Anschluss der Beläge aufstellen kann.
Die Erfindung gibt eine ganz neue Kon struktion für den Bau von Hochsparrnurrgs- kabeln an, welche eine bedeutende Herab setzung der Abmessungen der Kabel zulässt, ohne die oben erwähnten Dachteile aufzu weisen.
Bekanntlich erhält man bei Hochspan nungskabeln , die geringsten Abmessungen, wenn man den Aderdurchmesser 2,72 mal so gross wie den Leiterdurchmesser wählt. Hier aus folgt, dass bei gegebener Übertragungs spannung und vorgeschriebener maximal zu lässiger Beanspruchung in der Isolation der Leiterdurchmesser verhältnismässig gross aus fällt. Da man aber, um an Kosten zu sparen, den Leiterquerschnitt nicht gern grösser ma chen wird, als mit Rücksicht auf die zu über tragende Stromstärke notwendig ist, wählt man zweckmässig, wie in Fig. 1 dargestellt, einen rohrförmigen Querschnitt und füllt den Innenraum mit einem geeigneten Material, wie Jute oder dergleichen, aus.
Bei den in Fig. 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird für den Kabelleiter ebenfalls ein - rohrförmiger Querschnitt gewählt, der Innenraum wird jedoch hier mit hochwertigem Isolationsmate rial ausgefüllt und in diesem, sowie in den Isolatoren um den Leiter leitende Beläge ein gebettet. In diesen Figuren bedeuten d einen Hilfsleiter mit geringem Quer schnitt aus billigerem Material, wie Eisen ete., B und C Kabelisolationen mit eingebette ten leitenden Belägen, L den ringförmigen Hauptleiter, und .11Z den geerdeten Mantel (Blei oder der gleichen).
Die Beläge werden untereinander elek trisch leitend verbunden, und zwar für das Kabel gemäss Fig. 2 so, wie in der Fig. 2 punktiert und in Fig. 3 schematisch ange deutet. Diese Verbindungen werden nicht nur am Anfang und Ende des Kabels, sondern auch an allen Verbindungsmuffen oder sonstigen zugänglichen Stellen ausgeführt. Die Bel < ibo seien beispielsweise so eingelegt, dass die Schichtstärken der durch die Beläge entstan- denen Teilkapazitäten alle gleich gross sind.
Bezeichnet man die einzelnen Teilkapazitäten der Isolation .,B" in Richtung von<I>L</I> nach A mit bi, b@ <I>. . . . .</I> l"" und die Teilkapazitäten der Isolatoren "C" in Richtung von L nach i11 mit ei, c: . . . . . c", so kann annähernd angenommen werden:
= b" -E- c#". bi -i- <B>ei</B> = b-, -f- c- _<B>.....</B>
Die kombinierten Teilkapazitäten sind alle gleich gross, und es entfallen demnach auf jede von diesen gleich hohe Teilspannungen; wor aus folgt, dar, die mittleren Beanspruchungen der einzelnen Isolationsschichten in der ganzen Kabelisolation, sowohl in B als auch in C, annähernd gleich sind.
Die gleiche Überlegung gilt auch siririgerrräl,), wenn man die ver schiedenen schiehtstitrhen nicht in gleiche]- Stärke wählt oder die Anzahl der Schichten gering macht etc. Man kann stets die Span nungsverteilung, welche von den Teilkapazi täten abhängig ist, so einstellen, dass die ge wünschten maximal zulässigen lokalen Bean spruchungen nicht überschritten werden.
Trotz dem also in einem solchen Kabel der Leiter L gewissermassen zweimal gegen Erde, gegen A und gegen Al. isoliert werden muss, läht er sich in wesentlich geringeren Abmessungen als wie normale Kabel herstellen, wie aus nachstehenden zwei Tabellen ersichtlich. In beiden Tabellen ist eine Maximalbeanspru chung v von G kV%nini für die Isolation und ein Leiterquerschnitt von 135 qmin zugrunde gelegt.
In Tabelle 1 sind die Abmessungen normaler Kabel in einer Konstruktion nach Fig. 1 und in Tabelle 2 die Abmessungen von Kabeln nach der Erfindung in einer Kon struktion nach Fig. 2 angegeben. In beiden Tabellen sind auch die Aussendurchmesser von Drehstromkabeln unter Bleimantel enthalten:
EMI0002.0064
<I>1'r@lm-LLe <SEP> ></I>
<tb> Durclime@ser
<tb> Bft#. <SEP> Gehr. <SEP> "'rer <SEP> unter <SEP> Bleimantel
<tb> Nenn <SEP> @. <SEP> SP <SEP> -. <SEP> 1'-\' <SEP> Leitet <SEP> p <SEP> # <SEP> I <SEP> 1
<tb> 11\, <SEP> Einleiter
<tb> rrr,ui <SEP> ' <SEP> Dreileiter
<tb> i <SEP> I <SEP> I <SEP> j <SEP> m,@iri
<tb> <I>cLi <SEP> @ <SEP> cL</I> <SEP> \ <SEP> nr/m
<tb> <B>100 <SEP> 58</B> <SEP> 19,4 <SEP> 52,<B>6 <SEP> 11.J</B>
<tb> 150 <SEP> <B>8</B>7 <SEP> 29 <SEP> 7<B>8</B>.<B>8</B> <SEP> 170
<tb> 900 <SEP> <B>116</B> <SEP> i <SEP> 3S.7 <SEP> i <SEP> 105,2 <SEP> I <SEP> ?27 Die günstigsten Abmessungen erhält man nämlich, wenn man
EMI0003.0001
wählt.
In die sem Falle ist
EMI0003.0002
und es gilt dann
EMI0003.0003
EMI0003.0004
<I>Tabelle <SEP> 2:</I>
<tb> B <SEP> Z <SEP> C <SEP> Durchmesser
<tb> Spannung <SEP> unter <SEP> Bleimantel
<tb> Einleiter <SEP> I <SEP> Dreileiter
<tb> 100 <SEP> <B>--58</B> <SEP> 3 <SEP> 3-24 <SEP> 24-28,6 <SEP> <B>28,6-49,6</B> <SEP> 49,6-- <SEP> 107
<tb> <B>150-87</B> <SEP> 4 <SEP> <B>4-35,5 <SEP> 35,5-38,8 <SEP> 38,8-70,3</B> <SEP> 70,3 <SEP> 151
<tb> <B>200--116</B> <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 47 <SEP> 47-49,6 <SEP> <B>49,6-91,6</B> <SEP> 91,6 <SEP> 197 Die Richtigkeit der angegebenen Abmes sungen erkennt man sofort, wenn man be achtet, dass bei unendlich grosser Anzahl von Belägen die Stärke der Isolationen B und C, welche von Folien durchsetzt sind, gleich sein müsste 6 , also bei f,
=- 58, 87, 116 kV die Isolationsstärken 9,7, 14,5, 19,4 m; m, während hier, bei endlicher Anzahl von Belägen, die Iso lationsstärken 10,5, 15,75, 21 m/m betragen.
Betrachtet man das Schema in Fig. 3, so sieht man, dass die zusätzlichen Teilkapazi täten b., bn_i etc. klein sind und im Vergleich zu ihren Komplement-Teilkapazitäten c," c"_1 etc. nahezu vernachlässigbar sind.
Lässt man daher die Teilkapazitäten b"" b"_i etc. unab- geglic.hen, so kann man hierdurch eine wei tere Verkleinerung der Kabelabmessungen er reichen, wie aus Fig. 4 und dem dazu ge hörigen Schema Fig. 5 ersichtlich.
In der Praxis wird man naturgemäss mit einer mög lichst geringen Anzahl von Belägen auszu kommen suchen, und es soll daher nachstehend gezeigt werden, dass man für die oben ange führten Verhältnisse wesentlich geringere Ab messungen erhält als in den Tabellen 1 und 2, auch wenn die ganze Kabelisolation nur in drei Teile unterteilt wird. Die Kabel sollen nach folgendem Schema
EMI0003.0027
EMI0003.0028
und d" = 2,72 di = 0,906 E.
Hiernach sind die Werte der obigen Tabelle ermittelt worden. aufgebaut werden, d. b. der innere Hilfsleiter hat einen Durchmesser von x2 m/m und der röhrenförmige Hauptleiter einen innern Durch messer von xo und einen äussern Durchmesser von yo <I>;</I> bei den Durchmessern xi, yi, y2 und z sind Beläge eingewickelt, welche folgender massen untereinander elektrisch verbunden sind: xi mit yi und x2 mit y2, ausserdem noch z mit dem Bleimantel 1b1. ' Bezeichnet man ferner:
mit ei die Teilspannung zwischen yolyi bezw. xolxi, mit e2 die Teilspannung zwischen ylly2 bezw. xilx2, mit es die Teilspannung zwischen y2lz, so kann die Berechnung eines solchen Kabels wie folgt durchgeführt werden.
Gegeben sind in der Regel: die Spannung E in kV, der Leiterquerschnitt (! <B>*</B>in qmm, die maximal in den einzelnen Schichten zu lässigen Beanspruchungen öxi, öx2, öyi, 8y2 und dz.
Gesucht werden: xo, yo, <I>XI,</I> yl, x2, Y2,. <I>z,</I> ei, e2 und es, insgesamt also zehn Unbekannte. Die Kabelabme2suiigen können somit nur dann eindeutig bestimmt werden, falls es möglich ist, zehn Bedingung-gleichungen zwischen obigen Unbekannten aufzustellen.
Zunächst folgt aus der Bedingung, dass die in den einzelnen Schichten maximal zu lässigen Beansprucbungen festgelegt sind:
EMI0003.0066
EMI0004.0001
EMI0004.0002
Ferner <SEP> folgt <SEP> aus <SEP> der <SEP> Bedingung, <SEP> dass <SEP> die
<tb> kombinierten <SEP> Teilkapazitäten <SEP> sich <SEP> umgekehrt
<tb> wie <SEP> die <SEP> entsprechenden <SEP> Teilspannungen <SEP> ver halten <SEP> müssen
<tb> <I>er <SEP> # <SEP> (C., <SEP> -E- <SEP> Cyl) <SEP> = <SEP> e2 <SEP> - <SEP> (Cxs <SEP> --+- <SEP> Cy::) <SEP> = <SEP> e3 <SEP> # <SEP> (z</I>
<tb> oder
<tb> <I>ei <SEP> #C,i-@ei-C;,i=e2.Q12+e.=.C,.2-e:
s#C,</I>
<tb> Setzt <SEP> man <SEP> für <SEP> <I>ei, <SEP> e2</I> <SEP> und <SEP> es <SEP> die <SEP> Werte <SEP> aus
<tb> den <SEP> (leichungen <SEP> 1, <SEP> 2, <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP> und <SEP> ä <SEP> ein <SEP> und <SEP> für
<tb> die <SEP> Kapazitäten <SEP> C <SEP> den <SEP> jeweiligen <SEP> ihnen <SEP> pro portionalen <SEP> Wert <SEP> (e <SEP> = <SEP> Dielektrizitäts konstante <SEP> ), <SEP> so <SEP> folgt <SEP> nach <SEP> Ausführung <SEP> der
<tb> Kürzungen
<tb> <I>yo <SEP> # <SEP> ö <SEP> yi <SEP> -+- <SEP> xl <SEP> # <SEP> oxi <SEP> = <SEP> yi <SEP> #</I> <SEP> <B>0-y--,</B> <SEP> <I>-f <SEP> - <SEP> x= <SEP> # <SEP> o. < </I>
<tb> - <SEP> y,@ <SEP> . <SEP> ö <SEP> ;
<tb> so <SEP> dass <SEP> man <SEP> weitere <SEP> zwei <SEP> Bedingungsgleichun g <SEP> eil
<tb> <I>6) <SEP> yo#r%yi+xi#dx,= <SEP> ys#öz</I> <SEP> und
<tb> <I>7) <SEP> yi <SEP> . <SEP> oy2 <SEP> -+- <SEP> x2 <SEP> # <SEP> ox2 <SEP> = <SEP> y2 <SEP> # <SEP> o <SEP> z</I>
<tb> erhält. <SEP> Für <SEP> den <SEP> Fall, <SEP> dass <SEP> (3xi <SEP> = <SEP> ö,@'2 <SEP> -= <SEP> öyi <SEP> =
<tb> <I>dy2</I> <SEP> = <SEP> öz <SEP> gesetzt <SEP> wird, <SEP> vereinfachen <SEP> sich <SEP> diese
<tb> Gleichungen <SEP> zu
<tb> yo <SEP> -j- <SEP> .r'i <SEP> - <SEP> y2 <SEP> und <SEP> <I>y1 <SEP> -+- <SEP> x2 <SEP> ---</I> <SEP> J2
<tb> Ferner <SEP> gilt:
<tb> 8) <SEP> e, <SEP> -j- <SEP> e2+es=E
<tb> und <SEP> da <SEP> x,-o <SEP> und <SEP> yo <SEP> miteinander <SEP> durch <SEP> die <SEP> Be dingung, <SEP> dass <SEP> der <SEP> Querschnitt <SEP> des <SEP> Kabelleiters
<tb> Q <SEP> sein <SEP> muss, <SEP> verknüpft <SEP> sind
EMI0004.0003
Da somit zur Bestimmung der obigen zehn Unbekannten nur neun (31,leichungen zur Ver fügung stehen, so sind unendlich viele Lösun gen möglich. Man kann also, wenn man bei spielsweise yo beliebig wählt, sämtlielle hierzu gehörige Kabelabmessungen auf (rund obiger Gleichungen bestimmen.
Für jedes gewählte yo ergibt sich ein anderer äusserer Kabel- durchinesser .z. Das wirtschaftlich günstigste Kabel ergibt siele, wenn ,z am kleinsten ist, d. h. zli obigen neun (uleiehungen tritt noch die Mininium-Bedingung hinzu:
EMI0004.0018
Nunmehr kann also, wenn I', Q und ö gegeben sind, (las zugehörige günstigste Ka bel eindeutig bestimmt werden.
Für die bereits eingangs gewühlten Ver hältnisse von E = 58, 87 und 116 kV, (2 185 qnim und öA - 0)'s =- öyl <I>=</I> @@y2 = ö .z = 6 kV/nim ergeben sieh auf diese Weise die Werte folgender Tabelle:
EMI0004.0032
<I>Tabelle <SEP> 3:</I>
<tb> <B>SpaI@Ilflllg'I</B> <SEP> .x'@ <SEP> <B>T.t</B> <SEP> Z'n <SEP> I <SEP> <B>ton</B> <SEP> I <SEP> <B><I>y1</I></B><I> <SEP> @ <SEP> <B>y1</B></I>
<tb> 100-58 <SEP> 2,1 <SEP> <B>5,t7!</B> <SEP> 9,7 <SEP> 18;5 <SEP> 21,9 <SEP> 24 <SEP> -13.5
<tb> 150-87 <SEP> 4,1 <SEP> 10,5 <SEP> 18,1 <SEP> 24 <SEP> 30,4 <SEP> 3-1,5 <SEP> 61
<tb> 200-116 <SEP> 5,1 <SEP> l2,8 <SEP> 21,8 <SEP> 27 <SEP> 34,7 <SEP> 39,8 <SEP> 79
<tb> j <SEP> Durchmesser
<tb> unter <SEP> Bleimantel
<tb> <B>S1lanI111I</B>)<B>g <SEP> PI <SEP> F3</B>
<tb> <B>G"</B>
<tb> Einleiter <SEP> I <SEP> Dre<U>ile</U>iter
<tb> 100-58 <SEP> I <SEP> 9,3 <SEP> 6,0 <SEP> 42,7 <SEP> .13,5 <SEP> ! <SEP> 93.5
<tb> 150-87 <SEP> 16,'i <SEP> 11,5 <SEP> 58,6 <SEP> 61 <SEP> 131
<tb> 200-116 <SEP> 20,3 <SEP> 1-1,2 <SEP> 81,
5 <SEP> 79 <SEP> 170 11Tan sieht hieraus, dass schon durch An nahme von nur drei Teilspannungen sich für das Kabel wesentlich geringere Abmessungen ergeben als wie in den Tabellen 1 und 2. Die Volteile werden noch grösser, wenn man die Anzahl der Teilspannungen grösser niaeht. Die Berechnung erfolgt darin in der gleichen Weise wie. oben, jedoeh kommt eine entspre chend grössere Anzahl von Gleichungen in Frage.
Das Kondensatorhabel bietet noch den Vorteil, dass der Leiterquersehnitt nicht mehr wie bisher finit Rücksicht auf die Feld verteilung unbedingt kreisrund ausgeführt werden inul;" sondern jede beliebige Form erhalten kann. Bei Kabeln für niedrigere Betriebsspannungen wurde der Leiterquer schnitt mit Rücksicht auf Raumersparnis sektorförmig ausgeführt.
Bei höheren Span nungen war eire solcher Querschnitt jedoch nicht zulässig, weil die Beanspruchung des Isolationsmaterials in der Nähe der zuge spitzten Leiterkante zu gross wurde. Beim Kondensatorkabel kann infolge der zwangs weisen Verteilung der Beanspruchungen eine solche erhöhte Beanspruchung nicht auftreten. Man kann somit auch sektorförmige Quer schnitte wählen, wodurch die Kabelabmessun gen noch weiter herabgesetzt werden können.
Um das Kabel besser durchtränken zu können, wird man zweckmässig die einzu wickelnden Beläge (Folien) vor Gebrauch an zahlreichen Stellen durchlochen, am besten nadelstichartig. Ebenso kann man statt der Folien Gewebe aus feinsten elektrisch leiten den Fäden einwickeln.