DE1640260C3 - Hochspannungskabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochspannungskabel mit einem durch spiralförmig geschichtete Wicklungen aus faserigen Bändern aus synthetischen Polymeren isolierten Leiter, einer gewickelten, mit Isolieröl imprägnierten Isolierung, einem den isolierten Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden isolierenden Strömungsmittel.

Mit der zunehmenden Erhöhung der Kabelspannungen erlangen niedrige dielektrische Verluste bzw. Querdämpfungen zunehmende Bedeutung. Die Querdämpfung ist eine direkte Funktion der Dielektrizitätskonstanten, des Verlustfaktors und des Quadrats der Spannung. Ein hoher dielektrischer Verlust in einer Kabelanlage bewirkt eine Verminderung der Leistung, die übertragen werden kann. Da die Dielektrizitätskonstante bei einer gegebenen Art von Isolierung im wesentlichen bei allen Spannungen gleich bleibt, genügt es, für den Moment nur die beiden anderen Faktoren für den dielektrischen Verlust zu betrachten. Somit ist bei einem gegebenen Verlustfaktor der dielektrische Verlust bei 230 kV 2,77mal so groß wie bei 138 kV [(230/138)- - 2,77|; bei 345 kV beträgt er das 6,25fache wie bei 138 kV, und bei 50OkV beträgt er das 13,lfache wie bei 138 kV. Diese Verhältnisse gelten für Kabel gleicher Abmessungen. Praktisch wird jedoch bei sich erhöhender Spannung mehr Isolierung verwendet mit entsprechender Abnahme der Kapazität, so daß die vergleichbaren Verluste bei höheren Spannungen nicht so groß sind wie angegeben, jedoch noch immer sehr viel höher sind als bei niederen Spannungen.

ίο Das üblicherweise als Kabelisolierung verwendete ölimprägnierte Zellulosepapier hat einen Verlustfaktor in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 0,5 % und eine durchschnittliche Dielektrizitätskonstante von etwa 3,7. Es wurden bereits Isolierungen aus ölimprägniertem Zellstoff mit einem Verlustfaktor von nur 0,15 %> und einer Dielektrizitätskonstante von etwa 3,4 hergestellt. Nach den gegenwärtigen Erkenntnissen scheint eine weitere wesentliche Verbesserung dieser Eigenschaften einer Isolierung aus

ao imprägniertem Zellstoffpapier unwahrscheinlich.

Kommerziell werden Kabel mit einer Isolierung aus öl imprägniertem Zellstoffpapier bis zu Spannungen von 345 kV betrieben. Praktische Versuche haben ergeben, daß solche Kabel für die Übertragung von Spannungen bis vielleicht 400 kV hergestellt werden können. Über dieser Spannung ist es jedoch fraglich, ob die in die Isolierung abgeführte Energie niedrig genug gehalten werden kann, um die Forderungen der Energiebetriebe zu erfüllen. Bei Spannungen über 500 kV, etwa bei 750 kV, ist dieser Energieverlust bei Isolierung aus Zellstoffpapier bestimmt übermäßig und nicht mehr tragbar.

Um diesen Energieverlust zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, andere Isoliermaterialien als Papier aut' Zellulosefasergrundlage zu verwenden. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, synthetische Polymere zu verwenden, von denen eine Anzahl die elektrischen und mechanischen Eigenschaften besitzt, die sie anscheinend für Kabel mit extrem hohen Spannungen geeignet erscheinen lassen. Diese synthetischen Polymere werden normalerweise als Filme mit einer Dicke von 76,2 bis 254 μ geliefert.

Werden Filme aus synthetischen Polymeren auf einen Kabelleiter in spiralförmigen Lagen aufgewickelt, um eine Wandung von beispielsweise 19 bis 25,4 mm Dicke zu ergeben, so kann die Wandung nicht durch Verfahren imprägniert werden wie sie zur Imprägnierung von aus Faserband bestehenden Isolierwänden ähnlicher Dicke verwendet werden. Die in Frage kommenden Filme können durch Spritzen oder Beschichten mit Harzlösungen, z. B. aus Polyäthylenen, Polykarbonaten, Polyestern usw. hergestellt werden. Diese Filme haben eine homogene oder isotrope Struktur im Gegensatz zum Zellstoffpapier, das aus miteinander verfilzten Fasern aufgebaut ist. Das für die gegenwärtigen Zellulosepapiere für Hochspannungskabel verwendete Isolieröl imprägniert und durchdringt vollständig die Bänder aus Faserpapier und bedeckt die einzelnen Fasern. Die hohe Durch-Schlagsfestigkeit der gegenwärtigen mit Papier-Öl isolierten Hochspannungskabel ergibt sich aus der Unterteilung des Öles in äußerst dünne Schichten, die sich /.wische» den Zcllssofiascrn und zwischen den Schichten der Papierbander bilden. Diese Untcrtcilung des Öles in äußerst dünne Lagen kann offensichtlich bei den stralf übereinander gewickelten undurchlässigen Plastikli'mcn nicht erreicht werden. Die Filme sind etwas dehnbar, und während des Wickel-

Vorganges werden sie in die Stoßstellen der darunterliegenden Schicht hinabgezogen.

In der US-PS 30 77 510 ist ein Hochspannungskabel beschrieben, bei dem die spiralförmig geschichteten Wicklungen aus synthetischen Polymeren die Form faseriger Bänder aus Polyäthylen haben. Damit wir^ 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 die 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 oeseitigen 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 erfindungsgemälJen elektrischen Hochspannungskabcls, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der isolierte Leiter bei einer Temperatur von hochstens 50°C im Vakuum getrocknet wird und daß die Isolierung bei der gleichen Temperatur mit Ö! imnräeniert wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In dieser zeigt

F i g. 1 einen Seitenriß eines kurzen Stückes des erfindungsgemäßen Kabels, wobei die Kabelbestandteile in zunehmend größeren Abständen im Schnitt dargestellt sind, um den Aufbau zu zeigen,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Kabel der Fig. 1, längs der Linie 2-2.

Der Kabelleiter 11 kann von jeder geeigneten Ausführung sein. Als Ausführungsbeispiel ist ein segmentförmiger Hohlleiter gezeigt. Jedes der sechs Segmente ist in der üblichen Weise verseilt. Die Abschirmung 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, feinverteilten kontinuierlichen Faserfäden aus 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 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. aus 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 Polymerfädeii 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 125⁰C auf etwa 15O⁰C vergrößert werden.

Ein anderes Mittel zur wirksamen Erhöhung der Wärmebeständigkeit dieses Polyäthylenpapiers besteht darin, es mit einer dünnen Schicht 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 Schichtverbindungen 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, »Spunbonded«-Polyäthylenpapier und anderen Arten

15

25 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.

Tabelle I

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
100°C
Leistungsfaktor	0,27	0,05	0,26	5,60	7,97	0,17
(°/o)bei 100°C
Verlustziffer	0,95	0,11	0,60	19,3	20,3	0,49
(»/0) 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^Steife korrigiert	375	44,8	150	108	453	150
auf 0,127 mm

Die vorstehenden Daten sind von Papieren abgeleitet, die mit einem Isolieröl hoher Güte imprägniert wurden.

Die großen Vorteile des »Spunbonded«-Polyäthylenpapiers gegenüber den anderen Arten ergeben sich aus 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.

Bei der Herstellung der üblichen Starkstromkabel aus ölimprägnicrtem Papier erfolgt das Trocknen des Papiers vor der Imprägnierung mit Öl in einem Vakuum und vorzugsweise bei Temperaturen über 100°(
Dies ist deshalb erforderlich, weil das Zellstoffpapi
zwischen 1 und 6 °/o Feuchtigkeit enthält, je nach d
Luftfeuchtigkeit, die zur Zeit der Herstellung des K
bels herrscht. Im Gegensatz hierzu ist das »Spu
bonded«-Polyäthylenpapier gegenüber Feuchtigki
unempfindlich und enthält weniger als 0,1 °/o Feuc
tigkeit. Auf Grund dieser Tatsache genügen eine kü
zere Trocknungszeit und eine niedrigere Trocke
temperatur, um jede Oberflächenfeuchtigkeit ausz
trocknen, die sich an der Oberfläche des mit »Spu
bondeda-Polyäthylenpapicr isolierten Kabels befi
den kann. Es genügt eine Vakuumtrocknung η
nachfolgender ölimprägnierung bei 50⁰C. Die V<
arbeitung bei dieser viel niedrigeren als der normal

Temperatur verringert die Wahrscheinlichkeit des Anschwellens des Polyäthylens.

Weiter ergab sich, daß aus »Spunbonded«-Polyäthylenbändern hergestellte Kabel hervorragende mechanische Eigenschaften für die praktische Handhabung besitzen, wie z. B. das Abbiegen. Sie besitzen eine extrem niedrige Verlustziffer, wodurch sie sich für den Betrieb im Bereich von 500 bis 700 kV und vielleicht noch höhere Bereiche eignen. Die Eigenschaften dieser Kabel sind in Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

Eigenschaften von Kabeln aus Zellstoff- und synthetischen Fasern

Eigenschaft

Übliches Kabel aus
Zellstoffpapier

Verbessertes Kabel aus Zellstoffpapier

Kabel aus »Spun-

bonded«-Poly-

äthylenpapier

Dielektrizitätskonstante, 100° C
Leistungsfaktor (cos φ) °/o bei 100° C
Verlustziffer °/o bei 100° C

3,40	3,30	2,20
0,28	0,16	0,04
0,95	0,53	0,09

Die unter Verwendung von »Spunbonded«-Poly- 20 »Spunbondedw-Polyäthylenpapiers niedriger sind al«

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 vor

Leistungsfaktor und die Dielektrizitätskonstante des Kabeln für 345 kV Verwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Hochspannungskabel .ait einem durch spiralförmig geschichtete Wicklungen aus faserigen Bändern aus synthetischen Polymeren isolierten Leiter, einer gewickelten, mit Isolieröl imprägnierten Isolierung, einem den isolierten Leiter umschließenden undurchlässigen Mantel und einem den Mantel unter Druck ausfüllenden isolierenden Strömungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die faserigen Bänder (13) aus Bahnen von zufällig angeordneten, fein verteilten, kontinuierlichen Faserfäden aus synthetischen Polymeren bestehen, die hauptsächlich an den Kreuzungspunkten der Fäden verbunden sind.

2. Elektrisches Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetischen Polymerfasern Polyäthylenfasern sind.

3. Elektrisches Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetischen Polymerfasern Polyäthylenfasern von hoher Dichte sind.

4. Elektrisches Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbänder (13) aus im wesentlichen linear angeordneten Polyäthylenfasern bestehen

5. Elektrisches Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faserigen Bänder (13) Spunbonded-Bänder aus Polyäthylenfasern sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Hochspannungskabels nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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.