DE1465600B1

DE1465600B1 - Elektrisches Isolationsmaterial zum Umwickeln von Hochspannungskabeln

Info

Publication number: DE1465600B1
Application number: DE1964G0040417
Authority: DE
Inventors: Oscar George Garner
Original assignee: General Cable Corp
Current assignee: General Cable Corp
Priority date: 1963-04-23
Filing date: 1964-04-22
Publication date: 1970-08-06
Also published as: GB1057744A; US3194872A

Description

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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolations- sie in Bandform aufgebracht werden können; damit

material zum Umwickeln von Hochspannungskabeln. die Ionisierungsgefahr für die in Hohlräumen einge-

Die bekannten, gegen Hochspannungen isolierten schlossenen Luftreste beseitigt oder auf ein Minimum Hochleistungskabel weisen einen oder mehrere iso- herabgesetzt wird, muß das zwischen den Lagen und lierte Leiter auf, die üblicherweise mit einer elektro- 5 in den wendeiförmigen Stoßräumen zwischen den statischen Abschirmung versehen sind. Diese Leiter Windungen eingeschlossene Gas durch Evakuieren sind in einem undurchlässigen Metallmantel oder einer entfernt und durch Öl oder ein Schutzgas, z. B. Stick-Bewehrung eingeschlossen. Der Metallmantel kann stoff, unter hohem Druck, z. B. 14 Atmosphären, erdurch Strangpressen, z. B. aus Blei oder Aluminium setzt werden. Keines der elektrisch geeigneten synthetihergestellt sein, oder er ist eine Rohrleitung, in die die io sehen Materialien, die heute zur Verfügung stehen, isolierten Leiter eingezogen sind. Für die Betriebs- weist mechanische Eigenschaften auf, die eine derartige spannungen über 15 kV besteht die bevorzugte Art der Behandlung zulassen. In allen Fällen ist der Elastizi-Isolation aus mit Öl imprägnierten Papierbändern, die tätsmodul dieser Kunststoffe so niedrig, d. h. das in schraubenförmig überlappenden Schichten auf den Material ist so dehnbar, daß die Bänder sich beim AufLeitern bis zu einer ausreichenden Wandstärke aufge- 15 bringen dehnen und in die darunterliegenden Stoßbracht sind. Für Spannungen über 33 kV stellt dieser räume einsinken, so daß erstens eine Evakuierung und Aufbau die einzige Isolationsart dar, die sich bisher als eine Bewegung des Öles oder Gases durch die Isolation praktisch erwiesen hat. weitgehend behindert oder völlig unterbunden wird;

Eine ölimprägnierte Papierisolation, wie sie üb- und daß es zweitens schwierig oder unmöglich ist, daß licherweise verwendet wird, besitzt einen Verlustfaktor 20 die Lagen gegeneinandergleiten, wenn das Kabel ab-(tg <5) in der Grö ßenoxdnung ven etwa 2,5 tis 5 · IO-³ gebogen wird, wodurch die Bandlagen in den überein- und eine mittlere Dielektrizitätskonstante von etwa 3,7. anderliegenden und untereinanderliegenden Stoßräu-Neuere Entwicklungen haben bei der Herstellung von men verschoben und faltig werden. Hierdurch wird die mit Öl imprägnierter Papierisolation Verlustfaktoren Durchschlagsfestigkeit der Isolation verringert. Davon etwa 1,5 · 10~³ mit einer Dielektrizitätskonstante 25 durch, daß das öl oder Gas nicht frei durch die Isovon etwa 3,4 ergeben. Auf Grund der heutigen Kennt- lierung wandern kann, ergibt sich eine unvollständige nis können wesentliche Verbesserungen dieser Eigen- Evakuierung und die Ausbildung von ionisierbaren schäften für mit Öl imprägnierte Papierisolation nicht Räumen, wodurch die Vorteile der Anwendung eines erwartet werden. geschichteten Aufbaues verloren gehen.

Wächst die Betriebsspannung im Kabel an, so 30 Es sind Versuche gemacht worden, den Vorteil der werden schon geringe dielektrische Verluste immer geringeren dielektrischen Verluste synthetischer Bänder schädlicher. Die dielektrischen Verluste sind eine dadurch wenigstens teilweise auszunutzen, daß abFunktion der Dielektrizitätskonstante ε, des Verlust- wechselnd dünne Bänder von Zellulosepapier und faktors tg<5 und des Quadrates der Spannung. Da die synthetische Bänder aufgebracht werden. Während Dielektrizitätskonstante für eine bestimmte Isolations- 35 der sich hieraus ergebende Aufbau im allgemeinen eine art bei allen Spannungen etwa gleichbleibt, brauchen gewisse Verbesserung gegenüber der ausschließlichen hier nur die anderen beiden Faktoren in ihrer Wirkung Verwendung vollsynthetischer Bänder ergeben hat, auf die dielektrischen Verluste betrachtet zu werden. waren die Versuche dennoch nicht zufriedenstellend.

Bei einem gegebenen Verlustfaktor sind die dielek- Während des Aufbringens dehnen sich nämlich die

trischen Verluste bei 230 kV 2,77mal größer als bei 4° synthetischen Bänder und legen sich in die Stoßräume

138 kV, da (230/138)² = 2,77 ist; bei 345 kV sind die der darunterliegenden Papierbandwicklung,

dielektrischen Verluste 6,25mal größer als bei 138 kV Es ist auch aus der deutschen Patentschrift 935 375

und bei 500 kV 13,lmal größer als bei 138 kV. Diese bekannt, zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit

Verhältnisse gelten für Kabel mit gleichen Abmessun- dünne Isolierstoffbänder aus mehreren miteinander

gen. Tatsächlich wird eine stärkere Isolation verwendet, 45 verklebten und gegeneinander versetzten Lagen her-

wenn mit höheren Spannungen gearbeitet wird, wobei zustellen, so daß sich ein Querschnitt des Bandes mit

eine entsprechende Abnahme der Kapazität erhalten treppenförmigem Profil ergibt. Es liegt in der Natur

wird. der Sache, daß die dabei verwendeten Klebstoffe, z. B.

Die hohen dielektrischen Verluste bewirken, daß die auf Polyisobutylen- oder Polyvinylätherbasis nur eine

übertragbare Energie verringert wird. In einer Anlage 5° gegen die Bänder dünne und vorzugsweise nur stellen-

mit 138 kV verringert beispielsweise ein Verlustfaktor weise aufgetragene Schicht bilden. Diese mehrlagigen

von 2,5 · IO-³ die Nennleistung nur um einige Pro- Bänder mit treppenförmigem Querschnitt bedingen

zent gegenüber dem Idealfall ohne dielektrische Ver- eine besonders sorgfältige Aufbewahrung und Verar-

luste. Bei 230 kV beträgt die Verringerung der Leistung beitung, damit die überstehenden Randpartien nicht

etwa 20% und bei 38OkV etwa 50°/_Q. Bei 500 kV 55 beschädigt werden. Außerdem hat man bisher offenbar

macht es ein Verlustfaktor von 2,5 · 10"³ praktisch in diesem Zusammenhang keine Überlegungen darüber

unmöglich, überhaupt Energie zu übertragen. angestellt, ob und wie sich durch eine besondere An-

Daraus ergibt sich, daß bei der Energieübertragung Ordnung und Folge von Bändern aus Papier und syn-

über Hochspannungskabel der Verlustfaktor der Iso- thetischen Materialien die dielektrischen Verluste

lation bis unter den allgemein erzielbaren Wert von 60 herabsetzen lassen, sondern man hat diese mit treppen-

etwa 2,5 · 10~³ und vorzugsweise unter den bestenfalls förmigem Querschnitt verklebten Bänder nur im Hin-

heutzutage erzielbaren Wert von 1,5 · 10~³ gesenkt blick auf die Durchschlagsfestigkeit betrachtet,

werden muß. Die Erfindung befaßt sich mit der gegenüber der

Es gibt synthetische Materialien, deren Dielektrizi- deutschen Patentschrift 935 375 andersartigen Auf-

tätskonstante kleiner als die von Papier ist und die Ver- 6g gäbe, die relativen dielektrischen Verluste möglichst

lustfaktoren in der Größenordnung von 0,1 bis 0,25 · weit herabzusetzen, ohne daß die übrigen Eigenschaf-

IO-³ besitzen. Damit solche Materialien für die Isolie- ten des Kabels, wie z. B. auch die Durchschlagsfestig-

rung von Hochspannungskabeln geeignet sind, müssen keit, beeinträchtigt werden, während gleichzeitig die

Verarbeitung des mehrlagigen Isolationsmaterials in der üblichen einfachen Weise erfolgen kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine innere Folie eines festen Polyolefins, mit der zwei äußere Bänder aus Zellulosepapier über ihre gesamte Fläche fest verbunden sind, ein solches Volumen hat, daß sie ein bis zwei Drittel des Gesamtvolumens des Isolationsmaterials aufweist.

Das Isolationsmaterial der Erfindung hat den Vorteil einer beträchtlichen Verminderung der dielektrisehen Verluste, die nur noch einen Bruchteil derjenigen einer reinen Papierisolation betragen. Außerdem hat das Material keine überstehenden freien Ränder, die bei der Verarbeitung hinderlich sind, läßt sich leicht imprägnieren und besitzt eine hohe Durchschlagsfestigkeit.

Nachstehend wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung die Erfindung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt die Seitenansicht eines Kabels gemäß ao der Erfindung, in der die einzelnen Isolations- und Schutzschichten fortschreitend nach außen immer weiter entfernt sind, damit der Aufbau sichtbar wird, und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten Isolationsbandes gemäß der Erfindung, das in dem Kabel nach F i g. 1 verwendet wird.

Es ist Zweck der Erfindung, den Vorteil der geringen dielektrischen Verluste von polymerisierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen der CjiH₂irÄthylenreihen doppelter Bindung wenigstens zum Teil auszu* nutzen. Diese Polyolefine, ζ. Β. Polyäthylen und Polypropylen, sind in zusammengesetzte Bänder eingebracht, die teilweise aus Zellulosepapier und teilweise aus Polyolefin bestehen und in solcher Weise kornbiniert sind, daß die günstigsten physikalischen Eigenschaften von Papier allein beibehalten werden, während der Vorteil der besseren elektrischen Eigenschaften der Polyolefine ausgenutzt wird. Dabei wird ein Band verwendet, das aus einer Polyolefinfolie besteht, die zwischen zwei Papierbändern eingelegt ist, wobei die Polyolefinfolie über ihre ganze Fläche mit den Papierbändern verbunden ist. Dabei soll die Polyolefinfolie zwischen etwa einem und zwei Drittel der Gesamtdicke des geschichten Bandes betragen. Zum Beispiel kann ein Band von einer Stärke von 0,15 mm aus einer Polyolefinfolie von 0,05 mm Dicke zwischen zwei Papierbändern von 0,05 mm Stärke bestehen, oder es kann aus einer Polyolefinfolie von 0,1 mm bestehen, die zwischen zwei Papierbänder von 0,025 mm eingesetzt ist.

Ein zusammengesetztes Band, das aus einem mit einer Polyolefinfolie beschichteten Papierband oder aus einem zwischen zwei Polyolefinbändern angeordneten Papierband besteht, gibt keine zufriedenstellender!. Ergebnisse, da die Polyolefinoberflache in die darüberliegenden und darunterliegenden Stoßräume etwa in der gleichen Weise wie bei einem Band, das ganz aus Polyolefin besteht, eintritt und Behinderungen bringt. Für die Erfindung ist es wichtig, daß beide äußeren Oberflächen des zusammengesetzten Bandes aus Papier bestehen, wodurch in dem zusammengesetzten Band die äußeren physikalischen Eigenschaften eines Bandes erzielt werden, das ganz aus Papier besteht.

Die nachstehenden Tabellen zeigen relative dielektrische Eigenschaften von mit Öl imprägniertem Papier, von Polyolefin allein und von drei Papier-Polyolefin-Isoliermaterialien gemäß der Erfindung, Tabelle I gilt für eine Papierisolation mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,7 und einem Verlustfaktor von 2,5 ' 10~³, Tabelle II für eine Papierisolation mit niedrigstem Verlust, wie sie heutzutage erhältlich ist, und die eine Dielektrizitätskonstante von 3,4 und einen Verlustfaktor von 1,5 · 10~³ aufweist.

Tabelle I

Material

Dielektrizitätskonstante Verlustfaktor

tg<5

Verlustziffer

fi-tg<5

Relative dielektrische Verluste (Papier = 1)

Papier

Polyolefin

²I₃ Papier, V₃ Polyolefin
¹I₂ Papier, Va Polyolefin
¹Is Papier, ²/₃ Polyolefin

3,7

2,2

3,2

2,95

2,7

2,5
0,3
1,8
1,4
1,0

ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³

9,25
0,66
5,65
4,13
2,79

• ίο-³

■ΙΟ-³
•ΙΟ-³

io-³

ΙΟ-³

1,00
0,07
0,61
0,45
0,30

Tabelle II

Material

Dielektrizitätskonstante Verlustfaktor
tg<5

Relative

dielektrische

Verluste

Papier

Polyolefin ..,.,., ,

²/₃ Papier, V₃ Polyolefin
Va Papier, Va Polyolefin
V₃ Papier, % Polyolefin

3,4
2,2
3,0
2,8
2,6

1,5
0,3

1,1
0,9
0,7

ΙΟ-³
IQ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³
ΙΟ-³

5,10 · ΙΟ-³
0,66 · ΙΟ-³
3,30 · ΙΟ-³
2,52 · ΙΟ-³
1,82 · ΙΟ-³

1,00
0,13
0,65
0,49
0,36

Bei dem Isolationsmaterial der Erfindung kann die prägnieren der Isolation zu beschleunigen, wenn sie Polyolefinfolie mit kleinen Perforationen versehen 65 auf den Leiter aufgebracht worden ist. Wenn die Perklein

sein, die vorzugsweise zwischen 1 und 10% der Gesamtfläche einnehmen. Der Zweck dieser Perforationen besteht darin, das Trocknen, Evakuieren und Ölimforationen ausreichend klein sind, z. B. nicht über 0,8 mm Durchmesser, beeinflussen sie die Durehschlagsfeldstärke der Bänder nicht wesentlich. ΐ>ι&

Claims

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Perforationen sind vorzugsweise gleichmäßig über die sichtbar wird. Die Papierbänder können wesentlich Fläche der Polyolefinfolie verteilt und können jede dünner sein als die Polyolefinfolie und dem Isolationsbeliebige regelmäßige oder unregelmäßige Form er- material trotzdem die gewünschten mechanischen halten. Eigenschaften verleihen. Dadurch, daß die äußeren

Die beiden Papierbänder können mit den Ober- 5 Bandoberflächen aus Papier hergestellt sind, wird die flächen der zwischen ihnen liegenden Polyolefinfolie Gefahr einer Überdehnung des Bandes beim normalen dadurch verbunden werden, daß die Bänder über be- Kabelwickelvorgang weitgehend vermindert. Ferner heizte Stahlwalzen oder zwischen ihnen hindurchge- wird die Gefahr, daß ein Band den schraubenförmigen führt werden, wie sie bei der Papierherstellung Ver- Stoßraum der darunterliegenden und darüberliegenden Wendung finden. Die Anwendung eines Klebers zwi- io Bänder abschließt, weitgehend vermindert, und schließschen den Bändern kann sich erübrigen, sie ist jedoch lieh wird auch das Gleiten der aufeinanderliegenden zulässig, wenn der Kleber so beschaffen ist, daß er die Bänder etwa in der gleichen Weise wie bei den übelektrischen und physikalischen Eigenschaften des liehen papierisolierten Kabeln möglich.
Isolierbandes nicht nachteilig beeinflußt. Beispiele für Wenn die gewünschte Anzahl von Bandlagen aufsolche Kleber sind auf der Basis von hochviskosen 15 gebracht ist, wird das Kabel in einen Trockenofen ge-Polybuten- oder Polyisobutylenölen und -feststoffen bracht; Feuchtigkeit und eingeschlossene Luft werden aufgebaut. Diese Bänder sind zunächst vorzugsweise aus der Isolation durch Erhitzung auf hohe Temperarecht breit, z. B. 60 bis 90 cm. Das Isolationsmaterial türen und Absaugen entfernt. Die Luft und der wird in Rollen aufgerollt, die bis etwa 75 cm D arch- Wasserdampf wandern teilweise zickzackförmig zwimesser aufweisen, und im Anschluß daran in die ge- 20 sehen den Bändern hindurch und in die Stoßräume, wünschte Bandbreite, z. B. 1,8 bis 2,4 cm geschlitzt. teilweise wandern sie in radialer Richtung durch die Die Temperatur der Stahlwalzen hängt von dem je- Papierporen und die Öffnungen in den Polyolefinweiligen verwendeten Polyolefin ab. Beispielsweise folien. Wenn der Trocknungsvorgang abgeschlossen kann sie in der Größenordnung von 100 bis 110⁰C für ist, wird der Ofen mit unter Druck stehendem ImPolyäthylen und in der Größenordnung von 130 bis 25 prägnieröl gefüllt. Das Öl gelangt in die Isolation 140⁰C für Polypropylen sein. durch die Kanäle, durch die die Entfernung von Luft

Bei der Herstellung eines Kabels werden eine Viel- und Feuchtigkeit erfolgt ist. Diese Kanäle zwischen

zahl von Isolierbändern (die Anzahl hängt von der den Bändern und durch die Stoßräume sind nicht ver-

Spannung ab, für die das Kabel bestimmt ist) auf einen sperrt, wie es der Fall wäre, wenn entweder nur ge-

Leiter in einer normalen Kabelwickelmaschine aufge- 30 wohnliche Polyolefinbänder verwendet würden oder

bracht. Jedes Band wird wendelförmig mit einem klei- die Polyolefinbänder mit Papierbändern nur abwech-

nen Abstand oder Stoßraum zwischen aufeinander- sein würden.

folgenden Windungen aufgebracht. Jedes nachfolgende Nach Abschluß des Imprägniervorganges wird das

Band ist so angeordnet, daß es den Stoßraum des dar- Kabel entweder mit Blei oder Aluminium bewehrt und

unterliegenden Bandes überdeckt. Dar Leiter und die 35 unter geringem Öldruck betrieben oder aber nicht be-

Isolation können elektrostatisch nach der üblichen wehrt in Stahlleitungen eingebaut, die mit Öl oder

Technik abgeschirmt werden. chemisch inertem Gas bei hohem Druck gefüllt sind.

F i g. 1 zeigt ein Einleiterkabel. Dsr Leiter 11 ist In jedem Fall muß das Öl oder Gas sich ungehindert

elektrostatisch z. B. mit Hilfe einer oder mehrerer in die Isolation hinein und aus der Isolation heraus

wendeiförmiger Umwicklungen 12 aus metallisiertem 40 bewegen können, wenn Temperaturänderungen auf

Papier oder Kohleband abgeschirmt. Über der Leiter- Grund wechselnder Belastung auftreten. Die Kanäle

abschirmung ist das gemäß der Erfindung zusammen- zwischen den Bändern und durch die Stoßräume sollen

gesetzte Isoliermaterial 13 mit übereinanderliegenden, unbehindert bleiben.

schraubenförmig gewickelten Isolierbändern ange- Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beordnet. Über der Isolation befindet sich eine Abschir- 45 schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Ausmung 14, die ähnlich der Leiterabschirmung ausge- druck »Polyolefin« wird in der Beschreibung und in den bildet sein kann. In dem dargestellten Ausführungs- Ansprüchen zur Bezeichnung der Gruppe von Matebeispiel ist der isolierte und abgeschirmte Kabelkern rialien verwendet, die aus Polyäthylen (polymerisierin einen stranggepreßten Mantel 15, z. B. aus Blei tem Äthylen), Polypropylen, (polymerisiertem Prooder Aluminium, eingeschlossen. 50 pylen) und Kopolymeren von Äthylen, Propylen und

Das mehrlagige Isoliermaterial der Erfindung ist in anderen Monomeren bestehen. In den Beispielen nach

F i g. 2 dargestellt. Die Dicke der Bänder ist übertrie- den Tabellen I und II sind die Polyolefine Polyäthylen,

ben groß gezeichnet, damit der Aufbau besser sichtbar aber die Vergleichsergebnisse weichen kaum von

wird. Die Polyolefinfolie 21 weist gleichmäßig ver- denen für Polypropylen ab.
teilte Cffaungen 22 auf ihrer gesamten Oberfläche auf. 55
Diese Öffnungen, die rund dargestellt sind, können

auch rechteckförmig oder unregelmäßig geformt sein. Patentansprüche:
Solange die Öffnungen nicht größer als 0,8 mm im

Durchmesser sind, beeinflussen sie die Durchschlags- 1. Elektrisches Isolationsmaterial zum Um-

festigkeit der Bänder nicht mehr als der schrauben- 60 wickeln von Hochspannungskabeln, bestehend aus

förmige Stoßraum zwischen den Windungen des Ban- dünnen Bändern von Zellulose-Papier, die mit

des. Die ganze Fläche der Räume nimmt nicht weniger thermoplastischem Material vereinigt sind, d a-

als 1 % °d^{er me}hr als 10% der Fläche des Bandes ein. durch gekennzeichnet, daß eine innere

Mit den beiden Oberflächen der Polyolefinfolie sind Folie (21) eines festen Polyolefins, mit der zwei die porösen, nicht perforierten Zellulosepapierbänder 65 äußere Bänder aus Zellulosepapier (23, 24) über 23 und 24 verbunden. In F i g. 2 sind die Schichten des ihre gesamte Fläche fest verbunden sind, ein solches Isolierbandes nach oben hin nur darum immer weiter Volumen hat, daß sie ein bis zwei Drittel des Gezurückgeschoben dargestellt, damit der Aufbau besser samtvolumens des Isolationsmaterials aufweist.
2. Isolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefinfolie (21) durchgehende Öffnungen (22) für den Durchtritt eines Mediums aufweist.
3. Isolationsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der ein-

zelnen Öffnungen (22) etwa 0,8 mm nicht ü schreitet.
4. Isolationsmaterial nach Anspruch 2 ode dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in der Polyolefinfolie zwischen 1 und 10 % der samten Fläche der Lage ausmachen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY 009 532/U