CH647887A5

CH647887A5 - Coaxial radio-frequency cable for transmitting high-voltage pulses

Info

Publication number: CH647887A5
Application number: CH9245/79A
Authority: CH
Inventors: Hans Leo Dipl-Ing Ditscheid; Walter Scherrer
Original assignee: Felten & Guilleaume Carlswerk
Priority date: 1979-04-19
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1985-02-15
Also published as: DE2915740A1; DE2915740C2

Description

Die Erfindung betrifft ein koaxiales Hochfrequenzkabel für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen, bestehend aus einem zylindrischen Innenleiter, aus einer den Innenleiter umgebenden inneren Leiterglättung, aus einer die Leiterglättung umgebenden, massiven Kunststoffisolierung, aus einer die Kunststoffisolierung umgebenden äusseren leiterglättenden Schicht, und aus einem flexiblen, zylindrischen Aussenleiter. The invention relates to a coaxial high-frequency cable for the transmission of high-voltage pulses, consisting of a cylindrical inner conductor, an inner conductor smoothing surrounding the inner conductor, a solid plastic insulation surrounding the conductor smoothing, an outer conductor smoothing layer surrounding the plastic insulation, and a flexible, cylindrical layer External manager.

Koaxiale Hochfrequenzkabel für den genannten Zweck sind im Grunde nach hochfrequenztechnischen Gesichtspunkten aufgebaute Hochspannungskabel, die der Übertragung sehr kurzer Hochspannungsimpulse einheitlicher Polarität (Gleichspannungsimpulse) dienen. Flankensteilheit und Impulslänge ergeben Spektralanteile, die bis 50 oder 100 MHz reichen. Je nach Aufbau des Kabels erfahren die hochfrequenten Spektralanteile des Impulses eine so hohe Dämpfung, dass entweder nur kurze Übertragungsstrecken realisiert werden können oder aber eine hohe Impulsverformung in Kauf genommen werden muss. Coaxial high-frequency cables for the purpose mentioned are basically high-voltage cables constructed according to high-frequency technology, which are used to transmit very short high-voltage pulses of uniform polarity (DC voltage pulses). Slope and pulse length result in spectral components that reach up to 50 or 100 MHz. Depending on the structure of the cable, the high-frequency spectral components of the pulse are damped to such an extent that either only short transmission distances can be realized or a high pulse deformation has to be accepted.

Hohe Betriebsspannungen von beispielsweise 100 kV verursachen an den Grenzflächen der Isollierung so hohe Feldstärken, dass in der Regel mit Leiterglättung aus halbleitendem thermoplastischem Material sowie mit Graphit und halbleitendem Papier gearbeitet werden muss. High operating voltages of, for example, 100 kV cause such high field strengths at the interfaces of the insulation that it is generally necessary to work with conductor smoothing made of semiconducting thermoplastic material as well as with graphite and semiconducting paper.

Zwar kann durch verfahrenstechnische Vorkehrungen im Falle zylindrischer Innenleiter aus Rohren oder Massivdrähten erreicht werden, dass die Isolierung hier ohne Leiterglättung aufgebracht werden könnte, ohne dass nennenswerte Teilentladung im Betrieb auftreten. Soll aber aus Gründen der Flexibilität des fertigen Kabels ein Innenleiter aus einem metallischen Seil verwendet werden, muss für den genannten Zweck auf den Innenleiter eine bekannte Leiterglättung aufgebracht werden. Ein auf die Isolierung aufgebrachter Aussenleiter, insbesondere wenn er flexibel sein soll, führt aber zwangsläufig zu Spalten und Lücken zwischen dem Leitermaterial und der Isolierung, die zu Teilentladungen führen. Will man diese Teilentladungen vermeiden, die Spannungsbelastbarkeit der Isolierung also voll nutzen, so muss zwischen der Isolierung und dem Aussenleiter eine halbleitende Schicht aus einem geeigneten thermoplastischen Kunststoff oder aus einer dünnen Schicht Graphit und darüber gewickeltem halbleitenden Papier angeordnet sein. It is true that procedural precautions in the case of cylindrical inner conductors made of tubes or solid wires can be used to insulate them here without conductor smoothing, without any significant partial discharge occurring during operation. However, if an inner conductor made of a metallic rope is to be used for reasons of the flexibility of the finished cable, a known conductor smoothing must be applied to the inner conductor for the stated purpose. An outer conductor applied to the insulation, especially if it is to be flexible, inevitably leads to gaps and gaps between the conductor material and the insulation, which lead to partial discharges. If you want to avoid these partial discharges, i.e. to fully utilize the voltage resistance of the insulation, a semiconducting layer made of a suitable thermoplastic or a thin layer of graphite and semiconducting paper wrapped over it must be arranged between the insulation and the outer conductor.

Eine derartige bekannte Leiterglättung liefert aber bei höheren Frequenzen hohe Zusatzdämpfungen, die bereits bei etwa 30 MHz 50% der Gesamtdämpfung ausmachen können. Auch eine Vergrösserung der Leiterabmessungen bringt keine wesentliche Verminderung der Gesamtdämpfung. However, such known conductor smoothing provides high additional attenuation at higher frequencies, which can already make up 50% of the total attenuation at about 30 MHz. Even an increase in the conductor dimensions does not bring about a significant reduction in the total attenuation.

Bekannt ist ein Hochfrequenzkoaxialkabel für Antennenleitungen mit einem metallischen Innenleiter, einem den Innenleiter konzentrisch umgebenden Volldielektrikum aus Kunststoff, einem das Dielektrium umschliessenden Aussenleiter aus einem Metalldrahtgeflecht und einem dasselbe umgebenden, mindestens einseitig metallisierten Kunststofffolienband sowie einem den Aussenleiter als äussere Schutzhülle umgebenden Kunststoffmantel, bei dem das Kunststofffolienband wendeiförmig unter Überlappung seiner Bandränder auf das Metalldrahtgeflecht aufgebracht ist und das Drahtgeflecht das Dielektrikum nur teilweise überdeckt und bei dem das Kunststoffolienband an den von dem Drahtgeflecht nicht überdeckten Stellen des Dielektrikums muldenförmig in die Zwischenräume zwischen den Drähten des Drahtgeflechtes eingedrückt ist (DE-AS 27 11 380). A high-frequency coaxial cable for antenna lines is known with a metallic inner conductor, a full dielectric made of plastic surrounding the inner conductor concentrically, an outer conductor enclosing the dielectric made of a metal wire mesh and a plastic film band surrounding it at least on one side, and a plastic sheath surrounding the outer conductor as an outer protective sheath, in which the Plastic foil tape is applied helically with overlapping of its tape edges on the metal wire mesh and the wire mesh only partially covers the dielectric and in which the plastic foil tape is depressed into the spaces between the wires of the wire mesh at the points of the dielectric not covered by the wire mesh (DE-AS 27 11 380).

Dieser bekannte Aufbau eines Aussenleiters für ein koaxiales Hochfrequenzkabel wurde im Hinblick auf eine gute Schirmwirkung des Kabels auch nach mehrfacher Biegebeanspruchung entwickelt. Hochspannungsmässige Überlegungen brauchten bei ihm aber nicht berücksichtigt zu werden. This known structure of an outer conductor for a coaxial high-frequency cable was developed with a view to a good shielding effect of the cable even after multiple bending stresses. High-voltage considerations did not have to be taken into account with him.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein koaxiales Hochfrequenzkabel für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen, das bei einem zu fordernden Grösstmass an Flexibilität und Teilentladungsfreiheit die durch die äussere Leiterglättung verursachte Zusatzdämpfung vermeidet, ohne die Verarbeitung des Kabels und die Montage von Steckern zu erschweren. The invention has for its object to provide a coaxial high-frequency cable for the transmission of high-voltage pulses, which avoids the additional attenuation caused by the outer conductor smoothing with a required degree of flexibility and freedom from partial discharge, without complicating the processing of the cable and the assembly of plugs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Aus-senleiteraufbau mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention by an outer conductor structure with the characterizing features of claim 1.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Embodiments of the invention are specified in the dependent claims 2 to 7.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteile besteht insbesondere darin, dass Hohlräume zwischen Leiterglättung und Metallaussenleiter vermieden werden, die zu Mantelströmen in der Leiterglättung Anlass geben würden und die vorstehend erwähnten hohen Verluste verursachen würden. Überraschenderweise wurde gefunden, dass ein Kabel mit dem erfin-dungsgemässen Aufbau des Aussenleiters bei 30 MHz keine messbare Zusatzdämpfung durch die Leiterglättung mehr aufweist. Da bei dieser Frequenz der Hochfrequenzstrom infolge des skin-Effektes nur noch in den grössenordnungs-mässig 15 jim messenden Metallschichten der Verbundfolie The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that cavities between the conductor smoothing and the metal outer conductor are avoided, which would give rise to sheath currents in the conductor smoothing and would cause the aforementioned high losses. Surprisingly, it was found that a cable with the construction of the outer conductor according to the invention at 30 MHz no longer has any measurable additional attenuation due to the conductor smoothing. Because at this frequency, the high-frequency current due to the skin effect only occurs in the metal layers of the composite film measuring 15 µm in size

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

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3 3rd

647 887 647 887

fliesst, die Zusatzdämpfung eines Drahtgeflechtes gegenüber einem Metallrohr also gar nicht mehr wirksam werden kann, flows, the additional damping of a wire mesh compared to a metal pipe can no longer be effective,

tritt bei diesem Aufbau sogar eine Reduzierung der Wellendämpfung im Vergleich zu der Ausführung ohne Leiterglättung auf. Die Wellendämpfung konnte von bisher 2,4 dB/ s 100 m bei einem vergleichbaren herkömmlichen Kabel auf 0,9 dB/100 m bei einer Messfrequenz von 30 MHz reduziert werden. Bei Verwendung einer Graphitschicht als äussere Leiterglättung kann auf das sonst nötige schützende Russpapier verzichtet werden, da die Metall-Kunststoff-Verbundfolie 10 glatt auf der Graphitschicht aufliegt, diese also keines äusseren Schutzes mehr bedarf. With this construction there is even a reduction in the wave attenuation compared to the version without conductor smoothing. The wave attenuation could be reduced from 2.4 dB / s 100 m with a comparable conventional cable to 0.9 dB / 100 m with a measuring frequency of 30 MHz. If a graphite layer is used as the outer conductor smoothing, the otherwise necessary protective carbon black paper can be dispensed with, since the metal-plastic composite film 10 lies smoothly on the graphite layer, so that it no longer needs external protection.

Ähnliche Vorteile ergeben sich, wenn die äussere leiterglättende Schicht aus einem extrudierten halbleitenden thermoplastischen Kunststoff besteht, die erfindungsgemäss 15 weder mit der Isolierung noch mit der darüber befindlichen Metallschicht durch Verkleben oder Verschweissen eine mechanische feste Verbindung aufweist. Similar advantages result if the outer conductor-smoothing layer consists of an extruded semiconducting thermoplastic which, according to the invention, does not have a mechanical, firm connection with the insulation or with the metal layer above it by gluing or welding.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. 20 An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. 20th

In der einzigen Figur ist der Aufbau eines koaxialen Hochfrequenzkabels für die Übertragung von Hochspannungsimpulsen schematisch dargestellt. Der Innenleiter ist mit 1 bezeichnet und im Beispiel als Massivleiter gezeichnet. Er kann aber auch aus einem Metallrohr oder einem Metall- ^ seil bestehen. Im letzteren Fall ist die ihn umgebende Leiterglättung 2 unumgänglich. Die die innere Leiterglättung 2 umgebende massive Isolierung 3 besteht vorteilhafterweise aus Polyäthylen oder einem ähnlichen thermoplastischen Kunststoff mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor für die 30 auftretenden Spektralfrequenzen bis etwa 100 MHz von z.B. 2 x 10-4. Die Massivisolierung 3 wird von einer äusseren leiterglättenden Schicht 4 umgeben, die vorteilhafterweise aus Graphitpulver besteht. Sie kann aber auch aus einem extrudierten, halbleitenden thermoplastischen Kunststoff beste- 35 hen, der dann keine mechanisch feste Verbindung mit der Isolierung 3 und der inneren Schicht 5 des Aussenleiters haben darf. Über der äusseren leiterglättenden Schicht 4 liegt die innere Schicht 5 des Aussenleiters, die aus einem oder mehreren, achsparallel verlaufenden, beidseitig mit metallbe- 40 In the single figure, the structure of a coaxial high-frequency cable for the transmission of high-voltage pulses is shown schematically. The inner conductor is designated 1 and in the example drawn as a solid conductor. But it can also consist of a metal tube or a metal rope. In the latter case, the conductor smoothing 2 surrounding it is unavoidable. The massive insulation 3 surrounding the inner conductor smoothing 2 advantageously consists of polyethylene or a similar thermoplastic with a low dielectric loss factor for the 30 spectral frequencies occurring up to about 100 MHz of e.g. 2 x 10-4. The solid insulation 3 is surrounded by an outer conductor-smoothing layer 4, which advantageously consists of graphite powder. However, it can also consist of an extruded, semiconducting thermoplastic, which must then have no mechanically strong connection with the insulation 3 and the inner layer 5 of the outer conductor. The inner layer 5 of the outer conductor lies over the outer conductor-smoothing layer 4, which consists of one or more axially parallel, metal-coated on both sides

schichteten Kunststoffbändern mit sich achsparallel überlappenden Bandkanten 6 besteht. Diese innere Schicht des Aussenleiters kann grundsätzlich aus einem einzigen Band 5 bestehen. Die Fertigung wird jedoch wesentlich vereinfacht, wenn mehrere parallellaufende Bänder 5 mit sich überlappenden Bandkanten 6 verwendet werden. Über der inneren Schicht 5 des Innenleiters liegt eine zweite Schicht aus wendeiförmig unter Zugspannung gewickelten, ebenfalls beidseitig mit Metall beschichteten Kunststoffbändern 7, deren Kanten 8 sich um etwa 50% der Breite B der Einzelbänder überlappen. Auch die mittlere Schicht des Aussenleiters kann grundsätzlich aus einem Band 7 hergestellt werden, die Fertigung eines einwandfreien Kabels wird aber durch die Verwendung von mehreren parallellaufenden Bändern 7 erleichtert. Über der mittleren Schicht 7 des Aussenleiters ist die äussere Leiterhülle 9 gezeichnet, deren Aufbau den Anforderungen an das Kabel angepasst ist. Die Leiterhülle 9 kann als Bandwicklung, als Reuse, als Geflecht oder auch als Rohr ausgebildet sein. Es können auch mehrere Aussenleiterhüllen übereinander angebracht werden. Über der Leiterhülle 9 ist noch ein Kabelmantel 10 gezeichnet, der dem Schutz des Kabels beim Transport und bei der Verlegung gegen mechanische Beschädigung und das Eindringen von Feuchtigkeit dient. layered plastic tapes with axially parallel overlapping tape edges 6. This inner layer of the outer conductor can basically consist of a single band 5. However, production is considerably simplified if a plurality of belts 5 running in parallel with overlapping belt edges 6 are used. Over the inner layer 5 of the inner conductor there is a second layer of plastic tapes 7 wound helically under tensile stress, likewise coated on both sides with metal, the edges 8 of which overlap by approximately 50% of the width B of the individual tapes. The middle layer of the outer conductor can in principle also be produced from a band 7, but the production of a faultless cable is facilitated by the use of several bands 7 running in parallel. The outer conductor sheath 9 is drawn over the middle layer 7 of the outer conductor, the structure of which is adapted to the requirements of the cable. The conductor sleeve 9 can be designed as a tape winding, as a trap, as a braid or as a tube. Several outer conductor shells can also be attached one above the other. A cable sheath 10 is also drawn over the conductor sleeve 9, which serves to protect the cable during transport and during installation against mechanical damage and the penetration of moisture.

Als Werkstoff für die beschichteten Kunststoffbänder 5 und 7 wird vorteilhafterweise Polyäthylenterephthalat verwendet, da dieser Werkstoff eine gute Dauerelastizität besitzt und sich mit ihm leicht beidseitig mit Metall beschichtete Kunststoffbänder herstellen lassen, die sich um wenigstens 15% dehnen lassen, ohne dass der Metallbelag Poren oder gar Risse zeigt. Ferner hat dieser Werkstoff den nötigen höheren Schmelzpunkt als das für die Isolierung 3 und für den Kabelmantel 10 verwendete Polyäthylen. Die auf die Kunststoffbänder 5 und 7 aufgebrachten Metallschichten können aus Kupfer oder Aluminium bestehen, dieses kann blank sein oder eine Oberflächenvergütung wie Versilberung oder Verzinnung besitzen. Für bestimmte Anwendungsfälle kann auch die Aussenleiterhülle 9 aus derartigen metallisierten Folien bestehen. Polyethylene terephthalate is advantageously used as the material for the coated plastic tapes 5 and 7, since this material has good long-term elasticity and can be used to easily produce plastic tapes coated on both sides with metal, which can be stretched by at least 15% without the metal covering pores or even Shows cracks. Furthermore, this material has the necessary higher melting point than the polyethylene used for the insulation 3 and for the cable sheath 10. The metal layers applied to the plastic strips 5 and 7 can consist of copper or aluminum, this can be bare or have a surface finish such as silvering or tinning. For certain applications, the outer conductor sleeve 9 can also consist of such metallized foils.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

647 887

1.Coaxial high-frequency cable for the transmission of high-voltage pulses, consisting of a cylindrical inner conductor (1), an inner conductor smoothing (2) surrounding the inner conductor, a solid plastic insulation (3) surrounding the conductor smoothing, and an outer conductor-smoothing layer surrounding the plastic insulation (4) and a flexible, cylindrical outer conductor, characterized in that the outer conductor is made up of

A. one or more plastic tapes (5) running parallel to the axis and coated on both sides with metal with tape edges (6) overlapping parallel to the axis,

B. one or more helically wound under tension, wound on both sides with fetal coated plastic tapes (7) whose edges (8) overlap by about 50% of the bandwidth (B) and

C. one or more conductor sleeves (9) made of metal tape or metal wires.

2. Coaxial cable according to claim 1, characterized in that the outer conductor-smoothing layer (4) consists of graphite powder.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Coaxial cable according to claim 1, characterized in that the outer conductor-smoothing layer (4) consists of an extruded, semiconducting thermoplastic.

4. Coaxial cable according to claim 3, characterized in that the conductor-smoothing plastic layer (4) has no mechanically firm connection with the insulation and the outer conductor (5).

5. Coaxial cable according to one of claims 1 to 4, characterized in that the plastic strips (5 and 7) coated on both sides with metal consist of a material which has a higher melting point than the material of the insulation (3).

6. Coaxial cable according to one of claims 1 to 5, characterized in that the plastic strips (5 and 7) are coated on both sides with aluminum or copper.

7. Coaxial cable according to one of claims 1 to 6, characterized in that the plastic strips coated on both sides with metal (5 and 7) have a total thickness of about 0.1 mm.