Isolierter Leiter zur Bildung mindestens eines Teils einer elektrischen Leitung. Die Erfindung betrifft die Anpassung der Verteilung der elektrischen Beanspru- chung im Isoliermaterial von isolierten Lei tern zur Bildung mindestens eines. Teils einer elektrischen Leitung, wie Kabeln,
unter Zu- grundelegung des bekannten sogenannten Verfahrens .der "Abstufung der elektrischen Dielektrizitätskonstanten" annähernd in um- gekehrt proportionalem Verhältnis zum Ab stand von der Leiterachse,
indem der elek trischen Dielektrizitätskonstante des Di- elektrikums in verschiedenem radialem Ab stand von der Leiterachse zwischen dieser Leiterachse und dem umhüllenden Mantel bezw. einem weiteren äussern Leiter geeignete unterschiedliche Werte gegeben werden.
Die Erfindung ist auf Kabel mit einem zusammengesetzten Dielektrikum anwendbar, das aus verschiedenen Lagen von nach Schrau benlinien verlaufenden Windungen aus im- prägniertem Papier gebildet ist,
wobei die Zwissehenräume zwischen den benachbarten Lagen und allenfalls vorhandene ZwisGhen- räume zwischen einzelnen eine Lage bilden dem Wicklungen mit Gas von atmosphäri schem Druck oder einem höheren Druck,
mit ändern Warten mindestens atmosphärischem Druck ausgefüllt sind und bei welchen Ka- beln das Papier mit einem Material imprä gniert ist, und zwar unter Bedingungen, welche dieses Material im Papier zurückhalten bezw. an,die Oberfläche des Papiers im gan zen Bereich binden,
innerhalb welchem das Kabel arbeiten muss. Solche Kabel sollen daher im folgenden als" "idauerud imprägniert" bezeichnet werden. Ein Kabel dieser Art, in welchem das Gas unter höherem als atmo sphärischem Druck enthalten ist, ist in der schweiz. Patentschrift Nr.167915 beschrie ben.
Im Dielektrikum dieses bekannten Ka bels ist durchwegs jede Papierlage mit üb licher beidseitig glatter Oberfläche in be kannter Weise um die vorangehende Lage geschlagen, so dass, die Oberflächen, welche dabei;
in Gegenüberstellung kommen, so nahe aneinanderliegen als möglich und zwi- xchenliegende Gaszwischenräume, falls solche überhaupt vorhanden sind, nur sehr geringe Dimensionen aufweisen, wobei aber die ra diale Ausdehnung der Zwiechenräume zwi schen den einzelnen Windungen ein und der selben Papierlage von der Leiterachse hinweg zunehmend .grösser sein kann.
Gemäss der Erfindung ist zwecks Errei chung einer durchwegs möglichst konstanten elektrischen Beanspruchung die Dielektrizi- tä.tskonstantedes Dielektrikums dadurch ab- gestuft,
dass die verschiedenen Werte der Di- elektrizitätskonstanten in den verschiedenen Zonen des Dielektrikums durch die zwischen den benachbarten Papierlagen befindlichen Gaszwischenräume hervorgebracht sind, deren Höhe in jeder Zone im Verhältnis zu der Dicke der benachbarten Papierlagen verschie den .ist.
Durch stufenweises Vergrössern des Ver- hältnisses der Höhe dieser Zwischenräume zur Papierdicke, von einem kleinsten Wert in der unmittelbar am Leiter anliegenden Zone ausgehend und gegen die Aussenseite des Dielektrikums fortfahrend,
kann der Wert der Dielektrizitätskonstanten stufen- weise verkleinert werden. Dabei kann dieser kleinste Wert von der Höhe eines kapillaren Zwischenraumes zwischen benachbarten Pa pierlagen bedingt sein,
wie solche Zwischen räume sich erfahrungsgemäss beim Aufein- anderwickeln der Papierlagen von selbst ein- zustellen pflegen.
Dadurch wird das ununter- brochene rapideAbfallen derBeanspruchung, wie diese bei gleichbleibendem Wert der Di- elektrizitätskonstanten erhalten wird, so ge ändert, dass die elektrische Beanspruchung an den Stellen zunimmt,
wo die Dielektrizi- tätskonstante einen kleineren Wert annimmt. Durch diese Massnahme wird (in ähnlicher Weise wie bei bereits bekannten Verfahren zur Änderung der Dielektrizitätskonstanten) erreicht,
dass die Dicke des Dielektrikums bei gegebener Spannung und einem gegebenen maximalen Wert der elektrischen Beanspru- chung verringert wird,
da dadurch der Mittel- wert aus den Mittelwerten der elektrischen Be- anspruchungen in den einzelnen Zonen auf einen grösseren Betreg gebracht wird, wobei die Beanspruchung gleichmässiger auf den Querschnitt des Dielektrikums verteilt ist.
Die Anpassung der erforderlichen Dimen sionen der Gaszwischenräume, d. h. die An passung von entsprechenden Abständen zwi schen den Papierlagen kann in einfachster Weise durch Aufrauhung der Papierober- fläche erzielt werden,
so dass verhältnismässig kleine Teile der einen Oberfläche des Papiers über die Papierebene um einen genügenden Betrag vorstehen,
um die erforderlichen Zwischenräume zu ergeben. Vorteilhafter.- weise wird die AufTauhung nach einem Mu ster mit Wellenlinien ausgeführt,
bei wel chem die Wellenknien in ihrer Längsrichtung parallel zu der Längsrichtung des Papier- streifens verlaufen. Solches Papier mit er höhten Stellen zur Verwendung als Dielek- trikum kann durch bekannte Arbeitsver fahren ohne <RTI
ID="0002.0177"> weiteres erzielt werden, ohne dass das Papier durch die Imprägnierung und, bei der Herstellung der Kabelisolation wesent liche Änderungen seiner Struktur erfährt.
In der Zeichnung sind Teile von Ausfüh- rungsformen des erfindungsgemässen Leiters sowie Diagramme veranschaulicht,
und es wird die Erfindung im nachstehenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be- schrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die eine Hälfte einee Einleiterkabels, dessen Dielektrikum gemäss der Erfindung abgestuft ist,
und es ist im obern Teil dieser Figur die Verteilung der berechneten Beanspruchung als Ergebnis der Anwendung der Erfindung im Vergleich zu der Verteilung in gabeln dargestellt,
die für die gleiche Betriebsepan- nung berechnet und nach bisherigen Verfah ren konstruiert sind, Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Dielektrikums in gegenüber Natur grösse starker Vergrösserung,
Fig.3 im gleichen Massstab wie Fig.2 eine Ansicht der Oberfläche des Papier- streifens,
Fig.4 zur Berechnung der Ausbildung des Dielektrikuma dienende Kurven und Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ka- belverbindungsstelle.
Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist zur Verwendung in. einer 132 kV Dreipliasen- Wechselstromanlage berechnet. Das Kabel ist von der in der sohweiz. Patentschrift Nr. 167915 beschriebenen Bauart, d: h. mit einem Dielektrikum ausdauernd imprägnier tem Papier versehen, wobei der Gasdruck höher als, eine Atmosphäre ist.
Im vorliegen den Fahl beträgt der Gasdruck 13,6 Atmo sphären (zu 760 mm Hg). Der Leiter 1 hat einen Durchmesser von 1,74 cm und ist mit einer glatten Oberfläche versehen. Das Di- elektrikum ist zum Zwecke der Abstufung der Dielektriziitätskonstanten in drei Teilen bezw. Zonen oder Schichten ausgeführt.
Der innerste Teil 2 besteht aus ungerauhtem Pa pier, d. h. aus Papier ohne durch Aufrauhung der Papieroberfläche hergestellte erhabene Abstandswülste (Rippen), so dass der kleinste Wert der Dicke der Gasschicht (praktisch vemachläss.sigbarer Wert der Dicke, weil die Gasschicht in einem kapillaren Gaszwischen raum enthalten ist) in dieser Schicht erzielt wird.
In den beiden äussern Teilen 3 und 4 ist das Papier aufgerauht, und zwar sind durch die Aufrauhung des Teils @4 höhere raupenförmige Abstandswülste (Rippen) als im Teil 3 erzeugt. Der Zweckdes, Aufrauhens besteht darin, zwischen den Papierlagen Zwischenräume zu erhalten,
um in denselben Gasschichten unterbringen zu können. Da durch wird im vorliegenden Fall im Teil 3 eine Dielektrizitälskonstante erhalten, welche einen niedrigeren Wert hat als diejenige im Teil 2, und der Wert der Di:elektri7,itMskon- stanten für den Teil 4 ist kleiner als derjenige des Teils 3.
Die ,diesbezüglichen Dimensionen und berechneten Werte, wie sie für diese Ausführungsform vorgesehen sind, gehen aus der nachstehenden Tabelle hervor:
EMI0003.0064
Höhe <SEP> des
<tb> Papier- <SEP> Gasawischen- <SEP> Dielektri- <SEP> <I>Beanspruchung</I>
<tb> Papierdicke <SEP> raumes <SEP> zu <SEP> am <SEP> innern <SEP> am <SEP> äussern
<tb> Papier <SEP> schichten- <SEP> t <SEP> in <SEP> mm <SEP> Papierdicke <SEP> zitätskon dicke <SEP> in <SEP> cm <SEP> b <SEP> stante <SEP> Radius <SEP> Radius
<tb> in <SEP> /o <SEP> kV/cm <SEP> kV/cm
<tb> ungerauht <SEP> 0,32 <SEP> 0,045 <SEP> 0 <SEP> 3<B>5</B>0 <SEP> 85 <SEP> 62,5
<tb> geraubt <SEP> 0,34 <SEP> 0,056 <SEP> 16 <SEP> 2,35 <SEP> 80 <SEP> 62,5
<tb> geraubt <SEP> <U>0,42</U> <SEP> 0,100 <SEP> 28,5 <SEP> 1,96 <SEP> 75 <SEP> 59,0
<tb> Total <SEP> 1,08 Einige dieser Werte sind aus Fig:1 er sichtlich.
Im obern Teil dieser Figur zeigt die Kurve 5, wie sich die Beanspruchung im Dielektrikum in Abstufungen verteilt, im Vergleich zu .der untern Kurve 6, welche die Verteilung -der Beanspruchung in Kabeln darstellt, die gemäss bekannten Verfahren für die gleiche Kabelart und Leistung hergestellt sind, und,
zwar unter Verwendung eines Di- elektrikums aus nicht aufgerauhtem Papier mit gleichförmiger Struktur. Dieses Ver- gleichskalbel besitzt ein Dielektrikum von 1,52 cm Dicke, und es variiert die Beanspru chung von 85 kV pro, cm am Leiter bis. zu 38 kV pro cm an der Umhüllung.
Das vorliegende Kabel trägt einen elek- trischen Schirm 7 auf der Aussenseite des Di- elektrikums, ferner eine umhüllende Schicht 10, eine Verstärkung 11 (üblicherweise von einem Metallband gebildet) und eine Schutz hülle 12., welche als zweite Schicht gedacht sein,
kann oder aus Windungen aus imprä gniertem Stoff bestehen kann. Die Papier streifen des Dielektrikumsy der Schirm 7 und die Verstärkung 11 wemden in üblicher Weise schraubenlinienförmig ausgeführt. In der Zeichnung isst .dies jedoch nicht dargestellt. Die verschiedenen Werte der Dielektrizitäts- konstanten
für die verschiedenen Teile des Dielektrikumss sind im vorliegenden Fall durch Verwendung von aufgerauhtem Papier in den Teilen 3 und 4 erzeugt.
Infoilge dieser Aufrauhung entstehen Vertiefungen in der einen Papieroberfläche, welche wiederum vor stehende raupenförmigeAbstandswülste (Rip pen) 9 an der andern Papieroberfläche bilden. Die Rippen sind nicht geradlinig, sondern verlaufen eher nach einer Wellenlinie, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist,
und zwar sind diese Rippen unregelmässig angeordnet, so dass es bei der praktischen Anwendung un möglich ist,
dass der eine Satz der Rippen 9 in einer Papierlage mit dem Satz 8 von Ver- tiefungen in der benachbarten Lage zum Übereinstimmen und daherigen Ineinander- passen kommt.
Die mittlere Richtung der Rippen isst parallel zu der Längsrichtung des Papierstreifens, so dass ein Längsschnitt nach Art der Fig.2 die Rippen annähernd in rechtenWinkelnschneüdet. UnterBezugnahme auf Fig. 2 ist ersichtlich,
dass die benachbar ten Papierlagen infolge des Aufrauhens um einen Abstand voneinander abstehen, welcher in Fig. 2 mit b bezeichnet ist und welcher einen Bruchteil .der Dicke t des nicht auf geraubten Tees des Papiers beträgt. Die Vor sprünge nehmen einen verhältnismässig ge ringen Teil des Zwischenraumes zwischen den Papierlagen ein,
so dass der Abstand b annähernd als die tatsächliche Dicke der Gas- schicht angesehen werden kann.
Nach der vorangehenden Beschreibung der körperlichen Beschaffenheit eines erfin dungsgemäss ausgeführten Kabels ist nun die Grundlage zum Verständnis der nachstehen den Beschreibung der beispielsweisen Durch- führung der Bestimmung des abgestuften Di- elektrikums <RTI
ID="0004.0084"> eines, solchen Kabels gegeben.
Von einem gegebenen Wert der Dieilektri- zitätsbeanspruchung an der Oberfläche des Leiters ausgehend,
welcher Wert der Dielek- trizitätskonstante des verwendeten Papiers zur Herstellung des innersten Teils -des Di- elektrikums entspricht (Teil 2 nach Fig. 1),
ändert sich die elektrische Beanspruchung an einem beliebigen Punktdes Dielektrikums in Abhängigkeit des radialen Abstandes dieses Punktes von der Achse des Leiters. Das gleiche Papier wird für weitere Lagen unverändert
weiter beibehalten, bis eine Dicke der gebildeten Schicht erreicht ist, bei wel cher eine nahrhafte Verringerung der Be anspruchung aussen an der Schicht gegenüber der Beanspruchung am Leiter vorliegt, zum Beispiel eine Verringerung auf 0,75 oder 0,
80 dieser Beanspruchung am Leiter.
An dieser Stelle wird das Papier gegen ein anderes vertauscht. Die nun zu verwen- dende Papierdicke hängt zum grössten Teil von Erwägungen physikalischer Natur ab,
wobei die Wirkung des Abstandes von der neutralen Age bei Biegungen des Kabels in Betracht kommt.
Die Dicke der Gasschicht wird bestimmt durch Vergleich der höchst- zulässigen spezifischen elektrischen Beilastung, die für das Dielektrikum angewendet werden darf, mit der Dielektzizitätsbelastung des letzteren,
die sich durch die Verhältnisse bei dem in Betracht gezogenen Radius ergibt.
Dieser Vergleich wird zweckmässig in gra phischer Weise, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, ausgeführt;
nämlich durch Einzeichnen der Kurven, welche die Abhängigkeit vom Verhältnis der Gasschichtdicke zu der Dicke des verwendeten Papiers ergeben. Eine erste Kurve kann nach VersuchsTesuRtaten die Be- anspruchung zeigen,
welche nach langer Ein wirkung schliesslich zur Zerstörung führt. Eine solche Kurve ist in Fig.4 dargestellt und mit 13 bezeichnet. Es ist ersichtlich,
dass diese Kurve zunächst bis zu einem höchsten Wert ansteigt (welcher in der Nähe eines Verhältnisses von b :
t = 10--20 % eintritt) und dann allmählich abfällt. Nach dieser Kurve kann eine zweite Kurve, die mit 14 bezeichnet ist, abgeleitet werden, die so be- rechnet ist, dass des Vemhältnie, der Ordinaten der beiden Kurven 13 und 14 konstant und gleich dem Verhältnis ist,
welches für die Festlegung der dielektrschen RTI ID="0004.0248" WI="25" HE="4" LX="1610" LY="1970"> Beanspruchung an der Leiteroberfläche angenommen wurde. Eine dritte Kurve 15 ist sodann so abgetra gen worden;
dass sie die eintretende diel.ektri- sche Beanspruchung darstellt. Diese kann für die dem fraglichen,
Radius entsprechenden Bedingungen unter Verwendung von ezperi- mentell festgestellten Werten für die tat sächliche Dielektrizitätskonstante des Di- elektrikums. berechnet werden.
Der Schnitt punkt der zweiten und dritten Kurve ergibt die anzuwendende Höhe -des Gaszwischen- raumes. Die Kurve 16 ist zum grossen Teil von der in 'F'ig. 2 mit a angegebenen Dimen sion des Gaszwischenraumes abhängig, der zwischen den Seitenkanten der nebeneinander in gleicher Flucht liegenden Windungen ein und denselben Papierlage liegt, da es sich herausgestellt hat, dass,
eine Zerstörung in den meisten Fällen von einem s olchen Zwi schenraum von der Höhe a ausgeht. Die Kurve 15 ist zum grössten Teil von der Di- mension b des Gaszwischenraumes zwischen benachbarten: Papierlagen abhängig.
Das beschriebene Berechnungsverfahren ergibt einen Zahlenwert für,die Dielektrizi- tätskonstante an der innern Grenze des zwei ten Teils (Teil 3) des Dielektrikums. Dieser Teil erstreckt sich bis zu einem Punkt, in welchem diese Konstante einen Wert erreicht hat, der einem vom praktischen Gesichts punkt aus zweckmässigen Bruchteil der Be lastung an der innern Grenze entspricht, wor auf,
falls .dies notwendig ist, eine weitere Abstufung in der Beschaffenheit des Dielek- trikums gleich wie vorbeschrieben vorgenom men wird.
Fers ist selbstverständlich nicht durchaus erforderlich, dass die innerste Papierlage un- gerauht zu sein braucht; es kann auch an dieser Stelle ein gerauhtes Papier verwendet werden. Höhere Werte für das Dickenver- hältnis <I>b :</I> t als die in dem beschriebenen Beispiel angegebenen können erforderlichen falls zur Anwendung gelangen.
Dieses Ver- hältnis kann zum Beispiel bis auf einen Wert von 80 % gesteigert werden.
Es ist ersichtlich, jdass bei Anwendung .des, beschriebenen Be- rechnungsverfahrens für die höheren Werte dieses Verhältnisses kleinere maximale Be- auspmuchungen in den Abstufungspunkten entstehen, da die Durchschlagfestigkeit bei Anwendung von verhältnismässig grösseren.
Gaszwischenräumen abnimmt (Kurven 13 und 14 in Fig. 4). Die Erfindung ist nicht nur .auf die in der Fabrik hergestellten Teile ,einer elektri- schen Leitung bezw. einer Kabellage an wendbar, sondern auch auf Teile .derselben,
die erst nach ider Verlegung .der Leitung, zum Beispiel des Kabels, herzustellen sind, näm- lich auf die Kabelverbindungsstellen. In #die- sen findet ;
sich gewöhnlich ein grosser Unter schied zwischen dem äussern und innern Durchmesser .desi Dielektrikums vor, weshalb eine Abstufung an diesen Stellen von beson- deremVorteil ist. Dementsprechendistdie Er findung für Kabelverbindungsstellen beson ders günstig und sehr leicht auf dieselben anwendbar,
wie dies an einem Beispiel nach Fig. 5 dargestellt ist. Der innere Teil 16 eines solchen Dielektrikumss kann ,in .der gewöhn liehen Art und Weise durch Umlegen von Streifen mit kapillaren Gaszwischenräumen hergestellt werden,
so dass über der Verbin- dungshülsse 17 ein Isolationskörper mit einer glatten zylindrischen Oberfläche entsteht, die sich bis über die konischen Endteile des um das Kabel gelegten Dielektrikums 18 er streckt. Sodann wird eine satt passende Hälse 19 aus .
bakelisiertem Papier über den Teil 16 des Dielektrkums gestülpt, die eine Grund- tage für den äussern Teil des Dielektrikums bildet.
Dieser wird von einem papierenen Teil 20 gebildet .der als vorgeformter, hül.sen- förmiger, aus Windungen bestehender Be- standteil in bekannter Weise auf der Hülse 19 dicht aufgesetzt ist.
Diese Papierhülse ist mit geeignet dimensionierten Gaszwischen räumen versehen, indem das Papier so ge- rauht ist, dass die ,geeignete Dielektrizitäts- konstante entsteht. Es. können zwei oder mehr Hülsen aufeinanderfolgend angebracht werden, in welchen das verwendete Papier Aufrauhungen (Rippen)
von verschiedener Höhe aufweist, oder es kann auch eine Hülse verwendet werden, die aus einem Papier streifen hergestellt ist, bei welchem die Höhe der Rippen gegen das, zuletzt aufzuwickelnde Ende hin stetig zunimmt. In vielen Fällen, wie ein solcher in dem gezeichneten Beispiel angenommen ist,
genügt .es" eine Aufrauhung von durchwegs .gleicher Höhe in Verbindung mit einem innern, nicht aufgerauhten Teil der Isolation anzuwenden, welch letzterer Teil direkt auf dem Leiter ,liegt, um so eine Abstufung der Dielektrizitä,
tskonstanten auf einen Wert in der Nähe von 2 und eine Ver- ringerung des Wertes der Differenz zwischen den grössten und kleinsten Werten der in den äussern Teilen des, Dielektrikums auftretenden elektrischen Beanspruchung zu erzielen.
Die ser äussere Teil 20 des Dielektrikums .ist von einer Umhüllung 21 umschlossen, die aus mehreren Lagen von Ölseide bestehen kann. Diese Massnahme dient dem Zweck, die in den Raum 23 innerhalb der Verbindungshülse 22 einzubringende Masse am Eindringen in den Teil 20 des Dielektrikums zu verhindern.
Bei einer mit einem elektrischen Schirm zu versehenden Verbindungsstelle wird zweck- mässigerweise ein leitendes Band um die Um hüllung 21 gelegt, um die in dem Raum 23 vorhandene Masse von elektrischer Bean spruchung zu entlasten. Falls das im Kabel vorhandene Gas unter einem Druck steht, der höher als Atmosphärendruck ist,
wird für dieses eine Verbindung mit den Gaszwischen räumen zwischen den Windungen des Papiers 20 mittels schraubenlinienförmiger Gänge vorgesehen, die unterhalb und zwischen den Windungen eines die Umhüllung 21 bilden den Seidenbandes verlaufen.
Dabei gelangt das Druckgas aus dem Raum 23 zwischen den Windungen des Ölseidenbandes in die Zwi schenräume im Papierkörper des Teils 20.
Infolge der Anwendung von mit Gas zwischenräumen versehenem Papier im äu Bern Teil 20 des Dielektrikums wird die Be anspruchung im innern Teil 16 gegenüber einer gleichen Kabelverbindungsstelle ohne Gaszwischenräume von zunehmender Höhe im äussern Teil 20 verringert,
wodurch gleich zeitig der Gradient des Potentials längs den Oberflächen der konischen Kabelenden 18 abnimmt.