EP1490881B1 - Dreileiterkabel - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a three-core cable for energy transmission with a frequency of at least 50 Hz, preferably at least 100 Hz, for example 400 Hz.
- high frequency power transmission cables are used. They are needed, for example, in aircraft and the like to connect them to stand times to a fixed power grid or a mobile unit.
- the cable should generate no adverse asymmetric voltage drops due to the sensitive to current fluctuations on-board electronics of the aircraft.
- high-frequency energy transmission cables can also be used to power motors for spindle drives (asynchronous / synchronous motors) or brushless DC motors.
- Known high-frequency cables for frequencies from 400 Hz consist of four stranded or twisted individual conductors, consisting of three phase conductors and a neutral and / or return conductor.
- three phase conductors are adjacent to the neutral and / or return conductor. Between these two in turn lies the third phase conductor.
- This asymmetry results in a disadvantageous inductive voltage drop, which occupies an enormously important position, especially in the case of cables which are operated in the higher frequency range.
- a three-core cable In a three-core cable according to the document EP-A-0 526 081 three conductors are packed in a protective sheath. However, this cable is designed as a medium to high voltage cable in a specified range of 22,000V. In such cables with high voltages, one of the main requirements is that the conductors are encased in a correspondingly thick insulation, which is realized in the present case by these two screens for the homogeneity of the electric field and the insulation. An umbrella alone has a thickness of about 1 mm. This difference compared to the three-core cable according to the invention, the cable is very poorly flexible and thus inflexible. This is reinforced in the known cable by the distributed over the outer circumference reinforcing steel wires within the outer jacket. In addition, a thick insulation results in a high undesired inductance and thus an inductive voltage drop.
- This second type of high-frequency power transmission cable thus has the disadvantage of a complicated and relatively expensive production.
- these cables have a smaller surface, through which the internally generated heat loss can be released to the environment.
- the invention is based on the object to provide an electric cable for energy transmission at a frequency of at least 50 Hz, and in particular a high-frequency power transmission cable, which does not have the aforementioned disadvantages, especially the latter the advantages of a symmetrical arrangement with the flexibility and the simplicity of the twisted Einleiterkonstrutation connect and with the same performance and reliability has a similar diameter as the well-known four-wire high-frequency cable.
- the three-core cable according to the invention is intended, for example, for energy transmission in the higher frequency range from 400 Hz and has a symmetrical construction of three electric cables stranded together.
- Each of the three electrical cables is essentially characterized in that it consists of a phase conductor, an insulation and a concentrically guided neutral and / or return conductor. Embedded in the concentrically guided neutral and / or return conductors or phase conductors are dummy and control cores, wherein an external protective sheath is additionally applied over these and the neutral and / or return conductors.
- the three-core cable thus contains one concentric, outer neutral and / or return conductor per phase conductor, which however need not be used practically in completely symmetrical operation.
- the geometric structure results in only a small inductance, which has a positive effect on the voltage drop.
- electric cable has a wire line, namely an inner conductor 2 with several stranded together strands.
- the inner conductor 2 is surrounded by a preferably made of plastic, hereinafter also referred to as insulation, protective cover 3.
- dummy cores 5 and control cores 6, Embedded in the concentrically guided neutral and / or return conductors formed by, for example, eight individual conductors 4 are dummy cores 5 and control cores 6, which in turn are carried along for monitoring, monitoring, measuring and control purposes.
- Vliessband 7 About the individual conductors 4 of the neutral and / or return conductor, the dummy cores 5 and the control wires 6 is a Vliessband 7 and above a preferably made of plastic protective sheath 8 is applied.
- the following statements relating to the diameters of the various layers are exemplary and relate to an electric cable having an inner conductor cross-section of about 50 mm 2 and is intended for energy transmission at a frequency of 400 Hz. It goes without saying that, with a larger current conductor cross section or other frequency ranges, the different cross sections can increase or decrease accordingly.
- the inner sleeve 2 enclosing protective cover 3 is about 0.2 to 1.4 mm thick and consists for example of a plastic tape, for example of polyester, which surrounds the inner conductor 2 with an overlap of, for example, 20 to 30% of the bandwidth, and an extruded plastic layer.
- the control wires 6 and the dummy cores 5 are arranged symmetrically stranded.
- the eight individual conductors 4 forming the return conductor are preferably made of copper strands with a cross-section of approximately 2.5 mm 2 each.
- the nonwoven ribbon 7 with an overlap of, for example, 20 to 30% of the bandwidth banded, this preferably has a wall thickness of about 0.05 to 0.2 mm.
- the sheath 8 enclosing the nonwoven web 7 is made of known material and has a wall thickness of, for example, 1.5 to 5 mm.
- the illustrated in the figure 2 and designated as a whole with 10 three-core cable has three stranded together electric cable 1 of the type described above.
- the three stranded electrical cable 1 can be held together in a particular embodiment of the invention at most additionally by a them enveloping, for example, designed as a bandage or hose jacket, which secures the electric cable 1 against axial displacement.
- the three-core cable according to the invention has the advantages that it has an absolutely symmetrical voltage drop on all three wires with the same performance, which is smaller than in the case of the conventional cables.
- a smaller mechanical bending moment is achieved by the inventive construction and it is thanks to the simple structure, the connection design in the connector easy to implement.
- no additional center dummy wire for defined stranding is necessary, so that the cable is thereby lighter and more flexible.
- the personal safety is increased by the inventive construction.
- the neutral conductor carrying the earth potential must be violated. This has the consequence that in case of injury, the phase with the ground potential is shorted before you can touch it under tension.
- the three-wire cable has further advantages, such as a clear separation of control wires and phase conductors, improved EMC behavior and a more stable distribution.
- the three-core cable according to the invention additionally exhibits improved heat radiation.
- the three-core cable according to the invention can be used in the frequency range from 50 Hz. It offers the symmetrical structure with the relatively large cross-section of the return conductor optimal conditions for connections of asymmetric loads.
- the symmetrical design also offers significant advantages for flexible connections between UPS devices and data processing systems, radar stations, as well as transmitters, inverters - motor connections with higher EMC requirements, etc.
- control wires in the neutral and / or return conductor but in the respective phase conductor, and indeed, as is the case with already known high-frequency cables.
- the symmetrically distributed individual conductors 4 instead of stranded, arranged meandering around the phase conductor around be, and it may be the protective cover 3 consist only of an extruded plastic layer.
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- Communication Cables (AREA)
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Dreileiterkabel zur Energieübertragung mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz, vorzugsweise mindestens 100 Hz, beispielsweise 400 Hz.
- Im Bereich von 400 Hz werden sogenannte Hochfrequenz-Energieübertragungskabel eingesetzt. Sie werden zum Beispiel bei Flugzeugen und dergleichen benötigt, um diese zu Standzeiten an ein festes Stromnetz oder ein mobiles Aggregat anzuschliessen. Das Kabel sollte dabei aufgrund der auf Stromschwankungen empfindlich reagierenden Bordelektronik der Flugzeuge keine nachteiligen asymmetrischen Spannungs-Abfälle erzeugen.
- Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Motorentechnik. So können Hochfrequenz-Energieübertragungskabel zum Beispiel auch zur Speisung von Motoren für Spindelantriebe (Asynchron/Synchron-Motoren) oder von bürstenlosen DC-Motoren eingesetzt werden.
- Bekannte Hochfrequenzkabel für Frequenzen ab 400 Hz bestehen aus vier miteinander verseilten bzw. verdrillten Einzelleitern, bestehend aus drei Phasenleitern und einem Neutral- und/oder Rückleiter. Bei dieser Konstruktion liegen in Nachbarschaft zum Neutral- und/odor Rückleiter jeweils zwei Phasenleiter. Zwischen diesen beiden wiederum liegt der dritte Phasenleiter. Diese Asymmetrie hat einen nachteiligen induktiven Spannungsabfall zur Folge, der insbesondere bei Kabeln, die im höheren Frequenzbereich betrieben werden, eine enorm wichtige Stellung einnimmt.
- Durch die Geometrie dieses bekannten Vierleiterkabels entstehen zudem asymmetrische elektrische Felder, die sich störend auf die nähere Umgebung ausbreiten können. Durch die Geometrie von vier verseilten Einleiterkabeln ergibt sich ferner eine mechanisch nicht eindeutig definierte Position der Anordnung, die in dar Regel mit einem Zentrumselement gelöst werden muss.
- Bei einem Dreileiterkabel nach der Druckschrift EP-A-0 526 081 sind drei Leiter in einem Schutzmantel eingepackt. Dieses Kabel ist aber als Mittel- bis Hochspannungskabel in einem angegebenen Bereich von 22'000 V ausgelegt. Bei solchen Kabeln mit hohen Spannungen besteht eine der Hauptvoraussetzungen darin, dass die Leiter von einer entsprechend dicken Isolierung ummantelt sind, was vorliegend durch diese zwei Schirme für die Homogenität des elektrischen Feldes und die Isolation realisiert ist. Ein Schirm alleine weist eine Dicke von ca. 1 mm auf. Durch diesen Unterschied gegenüber dem Dreileiterkabel nach der Erfindung ist das Kabel sehr schlecht biegsam und damit unflexibel. Dies wird bei dem bekannten Kabel noch durch die über den Aussenumfang verteilten armierenden Stahldrähte innerhalb des Aussenmantels verstärkt. Ausserdem entsteht bei einer dicken Isolation eine hohe unerwünschte Induktivität und dadurch ein induktiver Spannungsabfall.
- Bei dem insbesondere für Hochspannung vorgesehenen Starkstromkabel nach der Druckschrift DE-A-11 95 837 bestehen dieselben Nachteile wie bei dem oben umrissenen Kabel. Aufgrund der Vorsehung als Hochspannungskabel sind wiederum dicke Isolationen erforderlich, wodurch die Flexibilität des Kabels nicht mehr gegeben ist, was bei dieser Art von Kabeln auch nicht erfüllt sein muss.
- Es gibt aber auch Hochfrequenz-Energiaübertragungskabel mit einer symmetrischen Kabelanordnung. Diese Kabel weisen die geometrisch bedingten Nachteile der vorgenannten Vierleiterkabel nicht auf. Bei Ihnen werden die Phasenleiter doppelt geführt und um den zentral angeordneten Neutral- und/oder Rückleiter herum verseilt. Dadurch entsteht eine symmetrische Anordnung mit dem Neutral- und/oder Rückleiter im Zentrum und sechs symmetrisch um diesen verseilten Phasenleitern. In dieser Anordnung werden jeweils zwei gegenüberliegende Phasenleiter miteinander verbunden. Der Rückleiter verfügt in dieser Konstruktion über den halben Querschnitt der Phasenleiter. Dies ist ein Nachteil bei asymmetrischer Last, wie sie bei Grossraumflugzeugen oft vorkommt. Die Konstruktion weist im Betriebszustand zwar eine verhältnismässig kleine Induktivität auf, sie ist aber aufwendig und in der Regel weniger flexibel. Sie erfordert zudem die Isolation von zwei parallelen Dreiphasen-Systemen, was einen Mehrverbrauch an hochwertigem Isolationsmaterial bedeutet. Im weiteren muss bei diesem Kabel vor dem Stecker oder darin eine Zusammenführung der jeweils zwei zueinander gehörenden Phasenleitern erfolgen.
- Dieser zweite Typ von Hochfrequenz-Energieübertragungskabel weist also den Nachteil einer komplizierten und verhältnismässig teuren Herstellung auf. Zudem haben diese Kabel eine kleinere Oberfläche, über die die intern anfallende Verlustwärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Elektrokabel zur Energieübertragung mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz, sowie insbesondere ein Hochfrequenz-Energieübertragungskabel zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, wobei vor allem letzteres die Vorteile einer symmetrischen Anordnung mit der Flexibilität und der Einfachheit der verdrillten Einleiterkonstruktion verbinden soll und bei gleicher Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit einen ähnlichen Durchmesser hat wie die bekannten Vierleiter-Hochfrequenzkabel.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Dreileiter-kabel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel ist beispielsweise für eine Energieübertragung im höheren Frequenzbereich ab 400 Hz bestimmt und weist einen symmetrischen Aufbau aus drei miteinander verseilten Elektrokabeln auf. Jedes der drei Elektrokabel ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Phasenleiter, einer Isolation und einem konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter besteht. Eingebettet in den konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter oder Phasenleiter sind Blind- und Steueradern, wobei über diesen und dem Neutral- und/oder Rückleiter noch zudem ein äusserer Schutzmantel aufgebracht ist.
- Das Dreileiterkabel enthält also pro Phasenleiter jeweils einen konzentrischen, äusseren Neutral- und/oder Rückleiter, der jedoch im völlig symmetrischen Betrieb praktisch nicht benützt werden muss. Durch den geometrischen Aufbau ergibt sich nur eine kleine Induktivität, was sich positiv auf den Spannungsabfall auswirkt.
- Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
- Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
- die Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Elektrokabels und
- die Figur 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Dreileiterkabel mit drei miteinander verseilten Elektrokabeln gemäss Figur 1.
- Das in der Figur 1 separat und in der Figur 2 mit gleichen Kabeln verseilt dargestellte und als ganzes mit 1 bezeichnete, Elektrokabel besitzt eine Aderleitung, nämlich einen Innenleiter 2 mit mehreren miteinander verseilten Litzen.
- Der Innenleiter 2 ist von einer vorzugsweise aus Kunststoff gebildeten, nachfolgend auch als Isolation bezeichneten, Schutzhülle 3 umhüllt.
- Eingebettet in den durch beispielsweise acht Einzelleiter 4 gebildeten, konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter sind Blindadern 5 sowie Steueradern 6, welche ihrerseits zu Kontroll-, Überwachungs-, Mess- und Steuerzwecken mitgeführt werden.
- Über den Einzelleitern 4 des Neutral- und/oder Rückleiters, den Blindadern 5 und den Steueradern 6 ist ein Vliessband 7 und darüber ein vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Schutzmantel 8 aufgebracht.
- Die nun folgenden sich auf die Durchmesser der verschiedenen Schichten beziehenden Angaben sind beispielhaft und beziehen sich auf ein Elektrokabel, das einen Innenleiterquerschnitt von ca. 50 mm2 aufweist und für eine Energie-Übertragung mit einer Frequenz von 400 Hz vorgesehen ist. Es ist selbstverständlich, dass bei grösserem Stromleiterquerschnitt oder anderen Frequenzbereichen die verschiedenen Querschnitte entsprechend zu- oder abnehmen können.
- Die den Innenleiter 2 umschliessende Schutzhülle 3 ist etwa 0,2 bis 1,4 mm dick und besteht zum Beispiel aus einem Kunststoffband, beispielsweise aus Polyester, das den Innenleiter 2 mit einer Überlappung von beispielsweise 20 bis 30 % der Bandbreite umwickelt, sowie einer extrudierten Kunststoff-Schicht.
- Um die Isolation 3 herum sind der Neutral- und/oder Rückleiter, die Steueradern 6 und die Blindadern 5 symmetrisch verseilt angeordnet. Die acht den Rückleiter bildenden Einzelleiter 4 bestehen vorzugsweise aus Cu-Litzen mit einem Querschnitt von je etwa 2,5 mm2.
- Über der Verseilung bestehend aus den Einzelleitern 4 des Neutral- und/oder Rückleiters, den Steueradern 6 und den Blindadern 5 ist das Vliessband 7 mit einer Überlappung von beispielsweise 20 bis 30 % der Bandbreite aufbandiert, wobei dieses vorzugsweise eine Wandstärke von etwa 0,05 bis 0,2 mm besitzt.
- Der das Vliessband 7 umschliessende Mantel 8 besteht aus bekanntem Material und besitzt eine Wandstärke von beispielsweise 1,5 bis 5 mm.
- Das in der Figur 2 dargestellte und als ganzes mit 10 bezeichnete Dreileiterkabel weist drei miteinander verseilte Elektrokabel 1 der vorstehend beschriebenen Art auf. Die drei miteinander verseilten Elektrokabel 1 können in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung allenfalls noch zusätzlich durch einen sie umhüllenden, beispielsweise als Bandage oder Schlauch ausgebildeten Mantel zusammengehalten werden, der die Elektrokabel 1 gegen eine axiale Verschiebung sichert.
- Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel weist gegenüber den eingangs beschriebenen Hochfrequenzkabeln die Vorteile auf, dass es bei gleicher Leistungsfähigkeit einen absolut symmetrischen Spannungsabfall auf allen drei Adern aufweist, der kleiner ausfällt als bei den herkömmlichen Kabeln. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemässe Konstruktion ein kleineres mechanisches Biegemoment erreicht und es ist dank dem einfachen Aufbau die Anschlussgestaltung im Verbindungsstecker einfach zu realisieren. Ferner ist keine zusätzliche Zentrums-Blindader zur definierten Verseilung notwendig, so dass das Kabel dadurch leichter und flexibler wird.
- Des weiteren wird durch die erfindungsgemässe Konstruktion die Personensicherheit erhöht. Bevor der Phasenleiter durch Verletzung mit einem metallischen Gegenstand berührt werden kann, muss nämlich der das Erdpotential führende Neutral-Leiter verletzt werden. Dies hat zur Folge, dass im Verletzungsfall die Phase mit dem Erdpotential kurz geschlossen wird, bevor man sie unter Spannung berühren kann.
- Gegenüber den bekannten Vierleiter-Kabel weist das Dreileiter-Kabel weitere Vorteile, wie eine klare Separierung von Steueradern und Phasen-Leitern, ein verbessertes EMV-Verhalten und eine stabilere Verteilung auf. Gegenüber den bekannten Kabeln mit symmetrischer Kabelanordnung zeigt das erfindungsgemässe Dreileiterkabel noch zusätzlich eine verbesserte Wärmeabstrahlung.
- Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel ist im Frequenzbereich ab 50 Hz verwendbar. Es bietet der symmetrische Aufbau mit dem verhältnismässig grossen Querschnitt des Rückleiters optimale Voraussetzungen für Verbindungen von asymmetrischen Lasten. Der symmetrische Aufbau bietet zudem markante Vorteile für flexible Verbindungen zwischen USV Geräten und Datenverarbeitungsanlagen, Radarstationen, sowie Sendeanlagen, Inverter - Motorverbindungen mit höheren EMV Anforderungen etc.
- Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das anhand der Figur 1 beschriebene Elektrokabel sowie auch das in der Figur 2 dargestellte Dreileiterkabel nur eine Auswahl von mehreren möglichen Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in verschiedener Hinsicht geändert werden können.
- So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Steueradern nicht im Neutral- und/oder Rückleiter sondern im jeweiligen Phasenleiter einzubetten, und zwar so, wie dies bei bereits bekannten Hochfrequenzkabeln der Fall ist. Ferner können die symmetrisch verteilten Einzelleiter 4 anstatt verseilt, mäanderförmig um den Phasenleiter herum angeordnet sein, und es kann die Schutzhülle 3 nur aus einer extrudierten Kunststoffschicht bestehen.
Claims (6)
- Dreileiterkabel bestehend aus drei miteinander verseilten Elektrokabeln mit je einer Ader, die einen Stromleiter (2) besitzt, und einem Neutral- und/oder Rückleiter, wobei der Neutral- und/oder Rückleiter jedes Elektrokabels aus einer Anzahl von Einzelleitern (4) gebildet wird, die konzentrisch um den Stromleiter (2) herum verteilt sind, und zwischen dem Stromleiter (2) und den verteilten Einzelleitern (4) des Neutral- und/oder Rückleiters eine Isolation (3) und über dem Neutral- und/oder Rückleiter noch zudem ein Schutzmantel (8) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (3) mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 1,4 mm ausgebildet ist, und dass in vorzugsweise jedem konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter Blindadern (5) und/oder Steueradern (6) eingebettet sind, die zu Kontroll-, Überwachungs-, Mess- und/oder Steuerzwecken mitgeführt werden.
- Dreileiterkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (2) jedes Elektrokabels mit einer durch Extrudieren hergestellten Kunststoffisolation ummantelt ist.
- Dreileiterkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem durch zum Beispiel acht Einzelleiter (4) gebildeten, konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter, Blindadern (5) und Steueradern (6) eingebettet sind.
- Dreileiterkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Stromleiter (2) Steueradern eingebettet sind, die zu Kontroll-, Überwachungs-, Mess- und Steuerzwecken mitgeführt worden.
- Dreileiterkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über jedem Neutral- und/oder Rückleiter ein Vliessband (7) und über diesem der vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Schutzmantel (8) aufgebracht ist.
- Dreileiterkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Elektrokabel (1) durch einen sie umhüllenden Mantel (9) zusammengehalten werden.
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