CH432608A - Elektrische Leiteranordnung für Wechselstromübertragung - Google Patents

Description

  Elektrische Leiteranordnung für     Wechselstromübertragung       Die     Erfindung        ermöglicht    die     Verhinderung    von Eis  bildung oder das     Auftauen    von Eis auf elektrischen  Leiteranordnungen,     die    Wechselstrom übertragen, und  sie ist z. B. auf elektrische Leiter für Freileitungen und  auf andere     freiliegende    elektrische Leiter anwendbar,  welche der Eisbildung ausgesetzt sind, z. B. bewegliche  oder feste Kontakte in Schaltern von     Freiluft-Unter-          werken.     



  Gemäss der     Erfindung    ist     der    Stromleiter wenigstens       zum    Teil von einem     ferromagnetischen    Material um  geben, das eine     Curie-Temperatur    im Bereich von 0   bis 20  C hat. Bei     Temperaturen    über der     Curie-Tempe-          ratur    würde das Material nicht magnetisch sein und da  her sind Energieverluste infolge Wirbelströme und/oder  magnetischer     Hysterese,    die beim Durchgang     eines     Wechselstromes durch den Stromleiter auftreten, sehr  klein.

   Wenn die     Umgebungstemperatur    unter die     Curie-          Temperatur        ides        ferromagnetischen    Materials fällt und  die Temperatur der Oberfläche der Leiteranordnung       sinkt,        wird    das den Leiter umgebende Material magne  tisch und daher werden sich die     Wirbelstrom-    und/oder  magnetischen     Hystereseverluste    erhöhen, so dass die       Oberflächentemperatur    steigt.

   Eine     Gleichgewichts-Ober-          flächentemperatur    wird erreicht und vorausgesetzt, dass  diese über 0  C ist, kann sich kein Eis auf der Leiter  anordnung bilden.  



  Das     ferromagnetische    Material     kann    in der     Form     eines Bandes, das     um    den Leiter gewickelt ist, oder als  gespaltenes oder massives     Toroid    um den Leiter aufge  bracht werden, oder das     Material    kann so geformt     sein,     dass es eine Hülse oder einen Teil einer Hülse bildet,  welcher sich     nur    um einen Teil des Umfanges des Lei  ters erstreckt.

   Es ist     vorteilhaft,    dass eine solche Teil  hülse durch ein Material hoher     Permeabilität    ergänzt  wird, um den magnetischen Weg mit einem     niedrigen     magnetischen Widerstand zu     ergänzen.    Diese Bauart er  leichtert die Anwendung des     Materials    dort, wo es er  forderlich ist; z. B. kann es auf den Leiter über ein kur  zes     Stück    in der Mitte jeder     Spannweite    zwischen Stütz  masten angebracht werden.

   Es ist klar, dass, weil der    Leiter als Kettenlinie hängt, Wasser längs des Leiters  abwärts zum tiefsten Punkt läuft, welcher die Mitte der  Spannweite ist, wenn die     Endpunkte    auf gleicher Höhe  liegen, und somit ist die Eisbildung in der Mitte der  Spannweite am     stärksten.    Es ist im allgemeinen er  wünscht, zusätzliches Gewicht auf den     Leitern    auf ein       Minimum        herabzusetzen,    und die Benutzung eines Ban  des     ermöglicht    es, das Material nur     dort    anzubringen, wo  es erforderlich ist.  



  Wenn das     ferromagnetische    Material als ein     schrau-          benlinienförmig    gewickeltes Band aufgebracht ist, ist die  Wicklung vorteilhaft offen, d. h. die Steigung der Win  dungen ist grösser     als    -die Breite des Bandes (z. B. zwei  Mal).  



  Vorteilhaft wird das Band in kurzen Längen aufge  bracht, so     dass    in dem Fall, dass ein Band vom Leiter       abgewunden    wird, es nicht lang genug ist, um einen be  nachbarten Leiter zu erreichen, und mit ihm     Kontakt    zu  machen. Es ist jedoch leicht     möglich,    das Band an jedem  Ende fest anzubringen, z. B. durch     Anwürgen    oder Bin  den     mit    Draht.  



  Ein weiterer     Vorteil,    der sich aus dem     Aufbringen     des     ferromagnetischen    Materials um den Leiter     ergibt,     ist der, dass die     Permeabilität    des Materials auf der       Curie-Temperatur    viel grösser als Eins ist, jedoch     bei     höheren Temperaturen abfällt.

   Bei der     Curie-Tempera-          tur    bewirken die hohe     Permeabilität    und Stromflüsse,  welche den Leiter schneiden,     .dass        die    ganze Leiter  anordnung so wirkt, wie wenn ihre     Permeabilität        grös-          ser    als Eins war, mit dem Resultat,

   dass der Strom in  dem Aussenteil der Anordnung infolge der     bekannten          Skin-Wirkung        fliesst    und der effektive Widerstand für       Wechselstrom        wesentlich        igrösser    als der     Gleichstrom-          widerstand    ist, wodurch die     Wärmewirkung    weiter ver  bessert wird.  



  Das den Leiter umgebende     ferromagnetische    Mate  rial kann eine     Metallegierung    sein und in diesem Fall  wird die meiste Erwärmung infolge der     Wirbelstromver-          luste    in dem Überzug auftreten.

   Eine geeignete     Legie-          rung,    die eine     Curie-Temperatur    gerade über 0  C hat,      ist eine     quaternäre        Legierung    aus Nickel, Eisen, Chrom  und Silizium;

   ein passendes     Material    ist eine Legierung,       die        9-14        %        Chrom,        34-38        %        Nickel,        0,5-1,15        %        Sili-          zium    und .der Rest Eisen     enthält.    Ein solches Material       kann    als ein     schraubenlinienförmig        gewickeltes    Band  oder als eine Hülse oder     Teilhülse    benutzt werden.  



       -Alternativ    kann das Material     -ein        Ferritmaterial    sein.  Solches     Ferritmaterial    kann     zweckmässig    die Form eines  gespaltenen oder massiven     Toroids    haben oder in     einen     Kunststoffkörper eingebettet sein. Die     Curie-Tempera-          tur    von     Ferrit    kann leicht auf den     erforderlichen    Wert       eingestellt    werden.

   Bei     Ferrit    ist nahezu     alle        Wärme-          wirkung    eine Folge von     magnetischem        Hystereseverlust     in :dem     Material.    Mang     anzink-    und     Nickelzink-F-errite     haben sehr     geeignete    magnetische Eigenschaften.  



  Wie vorstehend angegeben,     wird    ein     ferromagneti-          sches    Material verwendet, das eine     Curie-Temperatur          zwischen    0  C und 20  C hat. Vorteilhaft liegt     die        Curie-          Temperatur    zwischen 0  C und 10  C.  



  Die durch     Hysterese-    und/oder     Wirbelstromverlust     erzeugte Erwärmung kann auch erhöht werden, indem  eine     kurzgeschlossene    Windung um das     Ferrit    oder die       magnetische    Legierung aufgebracht     wird,    so dass die  Vorrichtung     dann.    als ein     Einwindungs-Stromtransforma-          tor    arbeitet, dessen     übersetzungsverhältni.s    temperatur  empfindlich ist.  



  Es ist ersichtlich, dass das Material leicht auf frei  liegende Leiter an den meisten Stellen, wo Eisbildung  auftreten kann,     aufgebracht        werden    kann. Die Erwär  mung der Leiter wird     selbsttätig        bewirkt,        wenn    die  Oberflächentemperatur unter den     Curie-Punkt    des Ma  terials fällt, und es sind keine äusseren Speisekreise oder  Steuerkreise     erforderlich.    Energie     wird    nur verbraucht,       wenn    die Temperatur unter den     Curie-Punkt    gefallen ist  und somit nur, wenn .es notwendig ist,

       die    Erwärmung  des Leiters zu beginnen, um Eisbildungen zu verhindern.  



  Die Erfindung schliesst auch eine Ausführung zur  Verhinderung von Eisbildung an einem elektrischen Lei  ter     ein,    die eine Hülse oder halbe Hülsen aus     ferro-          magnetischem    Material aufweist, welches eine Curie  Temperatur im Bereich von 0  C bis 20  C hat und       elektrisches        Leitermaterial    um das     ferromagnetische    Ma  terial     umfasst,    das eine kurzgeschlossene Sekundärwick  lung     bildet,    wenn das Element auf einen Wechselstrom  führenden Leiter aufgesetzt     wird.     



  In der     nachfolgenden    Beschreibung von beispiels  weisen     Ausführungsformen    des     Erfindungsgegenstandes     wird auf die     beiliegende    Zeichnung Bezug genommen, in  welcher       Fig.    1     eine    Ansicht einer     Leiteranordnung    mit einem       schraubenlinienförmigen    Band aus     magnetischem    Mate  rial ist;       Fig.    2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles. eines  Leiters     mit        einer        magnetischen    Hülse ist;

         Fig.    3     ein    Querschnitt .eines Leiters und Heizelemen  tes ist, das ein     magnetisches    Material und eine kurz  geschlossene     Wicklung        umfasst;          Fig.    4 einen     Längsschnitt    in einer Ebene :durch     die     Achse eines Leiters und     Heizelementes    ist,     :das    magneti  sches Material und eine     kurzgeschlossene    Wicklung auf  weist;

   und       Fig.    5 eine graphische Darstellung ist, welche die     Be-          ziehung        zwischen    der erzeugten     Wärme    und dem Leiter  strom bei zwei verschiedenen Temperaturen     veranschau-          licht.     



  In     Fig.    1 ist ein     Leiter    10 veranschaulicht, auf wel  chen ein Band 11 so aufgewickelt ist, dass es     eine    offene         Schraubenlinie    bildet. Für einen Leiter     ,einer    Freileitung  hoher Leistung kann das Band 11 z. B. 20 mm breit und  2 mm     dick    und auf den Leiter in einer offenen     Schrau-          benlinie        mit    einer solchen Steigung gewickelt sein, dass  der Abstand zwischen benachbarten Windungen 19 bis  32 mm ist.

   Zweckmässig erstreckt sich jede Bandlänge  über 90 cm     längs    des Leiters und ist an jedem Ende  durch eine     Klammer    befestigt. Das     Band    ist aus einem       magnetischen    Material gebildet, welches eine Curie  Temperatur     zwischen    0  C und 20  C, vorteilhaft zwi  schen 0  C und 10  C, hat. Für ein solches Band wird       zweckmässig    eine passende     Metalllegierung    benützt, z. B.

    eine     quaternäre    Legierung aus Nickel, Eisen, Chrom und       Silizium,        welche        in        Gewichtsprozenten        9-14        %        Chrom,          34.-38        %        Nickel,        0,5-1,

  15        %        Silizium        und        der        Rest     Eisen     enthält.    Ein typisches Beispiel hat die     Zusammen-          setzung        Nickel        35,23        %,        Chrom        10,8        %,        Silizium        1,05        0/0     und der Rest Eisen.  



  Die Zeichnung     veranschaulicht    den     Leiter    schema  tisch.     Stromführende    Leiter sind gewöhnlich aus     ver-          seiltem        Aluminium    oder Kupfer gebildet, welches       schraubenlinienförmig    um     einen        Stahlkern    angeordnet  ist.

   Der Strom ist     bestrebt,    der     schraubenlinienförmigen     Bahn der     Leiterlitzen    zu folgen, und der     Magnetfluss:    an  irgendeinem     Punkt    der Oberfläche verläuft im wesent  lichen     rechtwinklig    zur     schraubenlinienförmigen    Bahn  der Leiterlitzen an :dieser Stelle.

   Wenn     ein        schrauben-          linienförmig        gewickeltes    Band verwendet wird, wird das  Band     vorteilhaft    auf den Leiter     finit    einer     Schraubenlinie     von entgegengesetztem Wicklungssinn zu den Leiter  litzen     gewickelt,    um einen verhältnismässig grossen Win  kel,     vorteilhaft    .einen rechten     Winkel    mit den     Leiterlitzen          einzuschliessen,

      so dass hierbei so weit     als    möglich das       gesamte        Magnetfeld        ausgenutzt        wird.     



       Fig.    2 zeigt eine andere     Bauart,    bei welcher das ma  gnetische Material als zwei     Hülsenhälften    16, 17 auf  den Leiter 18 aufgesetzt ist. Diese     Hülsenhälften    können  aus :der vorstehend     erwähnten        quaternären        Legierung    be  stehen. Sie könnten jedoch alternativ aus     Ferritmaterial,     z. B. einem     Manganzink-    oder einem     Nickelzink-Ferrit     gebildet sein.

   Dieses     Ferritmaterial    kann als ein gespal  tener oder massiver Toroxid aus festem     Ferritmaterial     ausgebildet sein oder es     kann    durch einen Kunststoff  körper     dispersierten        Ferritteilchen    gebildet     ,sein.    Bei Be  nutzung des     quaternären        Legierungsmaterials    kann es       eine    Dicke von 2 mm haben und um den Leiter gebogen       werden.     



  Die durch     Hysterese-    und/oder     Wirbelstromverlust     bei     einer    .der vorstehend     erwähnten   RTI ID="0002.0213" WI="11" HE="4" LX="1695" LY="2010">  Bauart    erzeugten Er  wärmung     kann    durch Aufbringen einer kurzgeschlosse  nen Wicklung     um    das     magnetische    Material erhöht wer  den.     Wenn    das     magnetische    Material     die    Form eines  Bandes hat, kann dies durch     überziehen    des Bandes 11  mit einem Material, z.

   B.     Aluminium,    erreicht werden,  welches     eine        grössere        Leitfähigkeit        als    das     magnetische     Material hat. Die     kurzgeschlossene    Wicklung kann nur       ganz        dünn    sein     und    kann in einem besonderen     Fall    je  nach dem Leiterstrom und der     Magnetflussdichte    zwi  schen 0,12 mm und 1 mm     dick    sein.  



       Fig.    3 und 4 veranschaulichen eine solche Konstruk  tion, welche eine     kurzgeschlossene        Wicklung    aus leiten  dem     Material    hat. In diesen     Figuren    hat das     magneti-          sche    Material, z. B. die     quaternäre        Legierung,        die    Ge  stalt     eines    vorgeformten Bandes 20, das um den Leiter  21 passt.

   Das Band     kann    eine Breite gleich der     Hälfte     des     Leiterumfanges,    eine     Länge    von 46 cm und eine  Dicke von 0,2     cm    haben. Eine Aluminium-Kurzschluss-           windung    ist um die Länge des Magnetbandes in Form  einer geschlossenen Schleife aus Band oder einer elek  trisch niedergeschlagenen Lage 22 aufgebracht, welche       ganz        dünn,    z.

   B. zwischen 0,12 und 1 mm dick, sein  kann; bei der dargestellten     Ausführungsform,    bei wel  cher der     Leiterdurchmesser    ungefähr 20 mm ist, ist diese  leitende Lage ungefähr 2 mm dick und :das magnetische  Material ist von     gleicher    Dicke. Das Band kann von  solcher     Breite    sein, dass     es    um den Leiter passen     kann,     und wird festgeklemmt, um eine     dichte    Hülse zu bilden,  die sich längs des Leiters über eine Länge erstreckt, die  gleich der     Länge    des Streifens ist, d. h. 90 cm bei der  vorerwähnten Bauart.

   Bei der in     Fig.    3 und 4 gezeigten       Bauart    jedoch ist die Hülse in zwei halbe Abschnitte 20  und 23     vorgeformt,    von welchen jeder die Hälfte des  Umfanges des Leiters bedeckt und sich halb überlap  pende Verbindungen 24 hat, wie in     Fig.    3     gezeigt    ist.  Kurzgeschlossene Aluminiumwicklungen sind um beide       Hülsenhälften    vorgesehen. In gewissen Fällen können  diese     kurzgeschlossenen    Wicklungen nur um den oberen  halben Abschnitt vorhanden sein, was die ganze Er  wärmung auf der Oberseite es Leiters erzeugt.

   Die  doppelte Erwärmung über die obere Hälfte des Leiters  kann Eis und Schneeansammlung besser verhindern als  die gleiche über den ganzen Oberflächenbereich verteilte  Gesamtwärme.  



  Aus diesem Grunde braucht das Material für den  unteren halben Abschnitt 23 der Hülse nicht eine nied  rige     Curie-Temperatur    zu haben, sollte jedoch vorteil  haft eine hohe     Permeabilität    und eine niedrige Dichte  haben. Der untere halbe Abschnitt vervollständigt ein  fach den Magnetweg mit einem niedrigen magnetischen  Widerstand, wenn der obere halbe Abschnitt in seinem  magnetischen Zustand ist.  



  Anstelle der halb überlappenden Verbindungen kön  nen     Stossfugen        verwendet    werden, wie bei der Bauart  der     Fig.2.    In dieser Figur braucht die untere halbe  Hülse nicht eine niedrige     Curie-Temperatur    zu haben,  sollte jedoch von hoher     Permeabilität    sein, um den ma  gnetischen Kreis     zu    vervollständigen.  



  Die zwei halben Abschnitte der     Fig.    2 oder der     Fig.    3  und 4 können durch     Anwürgen    oder Binden mit Draht  gegeneinander gehalten werden, um eine Hülse um den  Leiter zu bilden. Eine rosthindernde Isolierlage, z. B.  aus     Silikonelastomer,    ist     vorteilhaft    über das Aluminium  und das     magnetische    Material aufgebracht. Die rosthin  dernde Lage könnte eine     Bandumwicklung    sein, ist je  doch     vorteilhaft    eine durch Aufstreichen oder Auf  sprühen aufgebrachte Lage.

   Diese Lage     wird    die Eis  haftfestigkeit herabsetzen und elektrolytische Korrosion       verhindern    und auch die sekundäre Windung von dem  primären Leiter isolieren.  



       Fig.    5 ist eine graphische Darstellung, welche den  Energieverlust (d. h. die als     Wärme    verteilte Energie)       veranschaulicht,    aufgetragen in bezug auf die Belastung  in Megawatt (oder Leitungsstrom in Ampere) für einen  Aluminiumleiter von 1,1     cm2        Querschnittsfläche.    Die  ausgezogene Linie 30 zeigt den     Widerstandswärmever-          lust.    Die gestrichelten Linien 31 und 32 zeigen die totale  Erwärmung bei 2  C, bzw. 20  C, wenn der Leiter     Heiz-          elemente    der in     Fig.    3 und 4     gezeigten    Form hat.

   Es ist       ersichtlich,    dass bei 20  C die zusätzliche     Erwärmung,     welche durch die niedrige     Curie-Temperatur    des magne  tischen Materials erzeugt wird, ganz klein ist. Bei 2  C  besteht jedoch eine sehr erhebliche zusätzliche Erwär  mung, :sogar bei     verhältnismässig    niedrigem Leistungs  niveau. Die Höhe der Kurve 31 über der Kurve 30     zeigt       die     zusätzliche    Wärme, welche durch das     Heizelement          erzeugt    wird.

   Die Anlage ist jedoch     selbstregulierend,    in  dem, wenn die Temperatur des magnetischen Materials  ansteigt, die     als    Wärme verbrauchte     Energie    abfallen  wird und wie durch die Kurve 32 gezeigt ist, wenn die  Temperatur dieses Materials 20  C erreicht, ist der  Energieverlust     ;sehr    wenig mehr als der infolge des  Widerstandsverlustes in dem Leiter.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrische Leiteranordnung für Wechselstromüber- tragung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter wenigstens zum Teil von einem ferromagnetischen Ma terial umgeben ist, welches eine Curie-Temperatur in dem Bereich von 0 C bis 20 C hat. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patentanspruch, dadurch :gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ma terial die Form eines gespaltenen oder massiven Toroids um :den Leiter hat. 2. Elektrische Leiteranordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ma terial eine Hülse oder .einen Teil einer Hülse um den Leiter bildet. 3.

   Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material sich nur um einen Teil des Umfanges des Stromleiters erstreckt, und dass ein Element hoher Permeabilität vorhanden ist, um den magnetischen Weg um den Leiter mit einem niedrigen magnetischen Wider stand zu ergänzen. 4. Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagne- tische Material sich nur um einen Teil des Leiters er streckt. 5.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Ma terial als ein Band auf dem Leiter gebildet ist. 6. Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Band schrauben- linienförmig um den Leiter gewickelt ist. 7. Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das :das Band als offene Schraubenlinie gewickelt ist, d. h. die Steigung der Win dungen ist grösser als die Breite des Bandes. B.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitendes Mate rial um das ferromagnetische Material aufgebracht ist, um eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung zu bilden. 9. Elektrische Leiteranordnung nach Unteransprü- chen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Band aus ferromagnetischem Material gebildet ist, das um seine ganze Oberfläche mit einer Lage aus elektrisch leitendem Material überzogen ist. 10.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagne- tische Material eine quatemäre Legierung aus Nickel, Eisen, Chrom und Silizium ist. 11.

   Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material an Gewichtsprozenten 9-14 % Chrom, 34 bis 38 % Nickel, 0,5-1,15 % Silizium und der Rest Eisen enthält. 12.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagne- tische Material Ferrit ist. 13. Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material aus Teilchen aus Ferrit besteht, die in einem Kunststoffkörper verteilt eingebettet sind.

   14. Elekrische Leiteranordnung nach Patent ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass die Curie-Tem- peratur des ferromagnetischen Materials zwischen 0 C und 10 C liegt. 15.

   Elektrische Leiteranordnung nach Patent anspruch mit Mitteln. zur Verhinderung der Eisbildung auf der Leiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel eine Hülse oder zwei halbe Hülsen aus ferro- magnetischem Material mit einer Curie-Temperatur im Bereich von 0 C bis 20 C sind, und dass elektrisch leitendes Material,

   um das ferromagnetische Material vorhanden ist, um eine kurzgeschlossene Sekundärwick- lung zu bilden. 16.

   Elektrische Leiteranordnung nach Unteranspruch 15, dadurch gekennzeichnet, :dass das ferromagnetische Material in Gewichtsprozenten 9-14 % Chrom, 34 bis 38 % Nickel, 0,5-1,15 % Silizium und der Rest Eisen enthält.