Die Erfindung betrifft ein Mehrleiterkabel für die Übertragung von rechteckig verlaufenden Wechselströmen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Elektrokabel zur Energieübertragung mit Wechselströmen, die einen rechteckigen Verlauf haben und demzufolge einen hohen Anteil an Oberwellen aufweisen, eignen sich auch für den Transport von grossen einphasigen Strömen mit Frequenzen von mehr als 50 HZ. Die Konstruktion zielt auf Anwendungen mit hoher Stromdichte, die grosse thermische Erwärmung sowie auch starke, störende Magnetfelder und unangenehmen Lärm erzeugen könnten.
Solche Kabel sind für Anwendungen gefordert, bei denen zur Vermeidung von Schaltverlusten fast rechteckige Ströme erzeugt werden und diese zu einem Verbraucher transportiert werden müssen. Zum Beispiel als Verbindung zwischen Einphasen-Wechselrichter und Transformator können solche Kabel vorteilhaft eingesetzt werden.
Bekannte abgeschirmte Standardkabel für diese Anwendungen werden normalerweise für das Leiten von sinusförmigen und nach bekannten Tabellen berechneten Strömen von 50 oder 60 Hz eingesetzt. Wenn rechteckförmige Ströme übertragen werden, müssen die Stromlasten mit Abschlagsfaktoren reduziert werden, um eine Überhitzung der Kabel zu vermeiden. Meist werden mehradrige Kabel mit oder ohne gemeinsame Abschirmung und gemeinsamem Aussenmantel verwendet, wie sie auch als Motoranschlusskabel häufig vorkommen.
Der Einsatz von grösseren Querschnitten zur Kompensation der thermischen Verlustleistung hilft nur bei Strömen mit tieferen Frequenzen, da der Skineffekt bei Oberwellen resp. höheren Frequenzen den physischen Querschnitt stark reduziert. Die Parallelführung der Phasenleiter mit einem standardmässigen Vierleiterkabel erlaubt die Begrenzung des Skineffektes. Diese ist aber aufwendiger in der Herstellung und bringt zu dem Problem der EMV (Elektro-Magnetischen Verträglichkeit) geringe Verbesserungen. Je rechteckiger der Stromverlauf, desto höher das EMV-Störpotential. Der Abstand zwischen Vor- und Rückleiter und die Häufigkeit der Verdrillung ist dann entscheidend für die Stärke der magnetischen Abstrahlung sowie der möglichst guten Kompensation derselben, auch schon mit geringem Messabstand zum Leiter.
Ungünstig verhält sich ein konventionelles Kabel mit konventionell verdrillten Hin- und Rückleitern im höherfrequenten Strombereich in Bezug auf die Lärmabgabe. Die entgegengesetzten Ströme durch die einzelnen Adern bewirken ein pulsierendes Abstossen der Verseilung, und dies hat akustische Störgeräusche zur Folge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leiterkabel nach der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, welches geringe Werte hinsichtlich elektromagnetischer Abstrahlung, akustischer Störungen, des Skineffektes und höchstmögliche Wärmeabstrahlung aufweist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäss nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Entscheidende Vorteile ergeben sich aus dem jeweils koaxialen Aufbau des erfindungsgemässen Mehrleiterkabels, bei dem der jeweilige Innen- und Gegenleiter vorteilhaft den genau gleichen Leitwert aufweisen. Auf diese Art wird eine bestmögliche Kompensation von abstrahlenden Feldern erreicht. Die Beschränkung des maximalen Querschnittes der Innenleiter ist durch den Skineffekt gegeben. Der totale Querschnitt wird über die Parallelführung der Phasenleiter erreicht.
Vorteilhaft wird eine Konstruktion mit vier verseilten koaxialen Einleiterkabeln ohne gemeinsamen äusseren Schutzmantel verwendet, da hierbei auch das Verhältnis der Oberfläche für die Wärmeabstrahlung zu den Leiterquerschnitten optimaler ausgelegt ist.
Ausführungsbeispiele sowie weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>ein Vierleiterkabel nach der Erfindung im Querschnitt, und
<tb>Fig. 2<sep>einen teilweisen Querschnitt einer Variante eines einzelnen Einleiter-Elektrokabels eines solchen Zwei- oder Vierleiterkabels.
Das in Fig. 1 dargestellte ist ganz speziell für die Übertragung von Wechselströmen mit einem annähernd rechteckigen Verlauf ausgelegt. Solche Spezialkabel werden im Bereich der Schienenfahrzeuge für die Verbindung zwischen Gleichspannungszerhacker und Trafo in der Anwendung von Mehrstromsystemen eingesetzt und es liegen ihnen die eingangs erläuterten Eigenheiten zugrunde.
Ein solches Vierleiterkabel 10 weist vier miteinander verseilte Elektrokabel 9 auf, die wendelförmig um ein zentrales Längselement 11 gewunden sind. Dieses Längselement 11 dient als Zentrierungsstütze dieser Elektrokabel 9 und besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Kunststoff.
Die vier Einleiter-Elektrokabel 9 dieses Mehrleiterkabels 10 sind identisch ausgebildet. Sie weisen jeweils einen feindrähtigen flexiblen Innenleiter 1 und einen konzentrisch um den Innenleiter 1 herum angeordneten feindrähtigen, aus einer Anzahl von Einzelleitern 4 gebildeten Gegenleiter 4 auf. Mit der Verwendung von solchen feindrähtigen Innenleitern 1 und Gegenleitern 4 ergibt sich eine leichte Biegsamkeit des Leiterkabels 10. Das Zentrum des Innenleiters könnte aus nicht leitendem Material und dieser damit als Hohlleiter aufgebaut sein, falls infolge hoher Frequenzen die innersten feindrähtigen Leiter wegen des Skineffektes ohnehin nicht zur Leitfähigkeit beitragen.
Zwischen dem Innenleiter 1 und dem Gegenleiter 4 ist ein zweischichtiges Isolationssystem vorgesehen, welches aus einer extrudierten wärmebeständigen biegsamen Kunststoffschicht 2 und einer zweiten Schicht 3 zusammengesetzt ist. Beide sind ausserdem mit Vorteil strahlenvernetzt ausgebildet, d.h. sie schmelzen bei höheren Temperaturen nicht mehr, wie dies im thermoplastischen Zustand der Fall ist. Damit wird die Redundanz bzw. eine Verbesserung der Eigenschaften in Bezug auf elektrisches Isolieren, eventuell Glättung elektrischer Felder (durch Halbleiter), chemische Beständigkeit, akustisches Verhalten oder in Bezug auf mechanische Festigkeiten erreicht.
Die Einzelleiter 4 des gegenpoligen Rückleiters 4, vorliegend in einer Anzahl von 24, sind gleichmässig um die Schicht 3 parallel zueinander angeordnet. Sie bestehen jeweils aus feindrähtigen Kupferlitzen oder dergleichen und einer diesen ummantelnden herkömmlichen Kunststoffisolierung 4. Darüber ist dieses weitere Isolationssystem bestehend aus einer Kunststoffschicht 6 und einer weiteren Schicht 7 aufgebracht. Diese ihrerseits sind von einem metallischen Schirm 8 umhüllt. Des Weiteren kann jeder Einleiter von einem äusseren Mantel 29 zum Schutz des Einlegers umhüllt sein. Die vier Elektrokabel 9 sind zudem von einem gemeinsamen, vorteilhaft aus einem widerstandsfähigen Aussenmantel 12 aus Kunststoff zusammengehalten.
Die Isolationssysteme 2, 3 bzw. 6, 7 könnten jeweils auch nur aus einer einzigen wärmebeständigen Kunststoffschicht bestehen und der Aussenmantel 12 sowie die Mäntel der Einleiter können bei normaler mechanischer Belastung auch weggelassen werden.
Statt der Schirme jedes einzelnen Einleiters 8, oder auch zusätzlich dazu, kann auch eine gemeinsame umhüllende Abschirmung um die bereits verseilten Einleiter vorgesehen werden.
Dieses Mehrleiterkabel 10 zeichnet sich - wie bereits erwähnt - für die Anwendung einer solchen Übertragung von Rechteckstrom aus, denn es ergeben sich mit diesem bedeutend geringere akustische Geräusche, und überdies ist dem Skineffekt optimal begegnet, so dass im Lastzustand des Kabels bei gleichen Umgebungs- und Lastparametern geringere Temperaturen gehalten werden können, was sich stark auf verbesserte Alterungseigenschaften auswirkt, oder es kann bei gleicher Leistungsübertragung ein kompakteres Kabel gewählt werden.
Fig. 2 zeigt ein Elektrokabel 20 eines nicht näher dargestellten Mehrleiterkabels, wobei dieses Mehrleiterkabel analog demjenigen nach Fig. 1 als Vierleiterkabel oder auch nur als Zweileiterkabel ausgebildet sein könnte. Das Isolationssystem zwischen dem Innenleiter 1 und dem Gegenleiter 4 ist hierbei aus einer inneren Halbleiterschicht 22a, einem Dielektrikum 22 und einer Letzteren umgebenden Halbleiterschicht 23 gebildet. Eine innere Halbleiterschicht 25, ein Dielektrikum 26 und eine äussere Halbleiterschicht 27 bilden das äussere Isolationssystem. Die Halbleiterschichten können jeweils aus halbleitenden Bändern, Graphitschichten oder einem extrudierten Material bestehen.
Um diese äussere Isolation respektive Halbleiterschicht 27 ist noch ein Kupferdrahtgeflecht 28 oder eine konzentrisch um den Innenleiter 1 aus Drähten oder Bändern bestehende Leitschicht aufgebracht, die der Abschirmung elektrischer Felder dient. Über der Abschirmschicht ist noch ein einzelner umhüllender Mantel 29 aufgebracht.
Zwei solche Elektrokabel 20 können nun miteinander verseilt werden und erlauben ungefähr den Transport des doppelten Stromes, hierdurch eine Verringerung des Skineffektes bei rechteckförmigen Stromverläufen herbeigeführt wird. Mit vier solchen verseilten Elektrokabeln 20 würde die Leiteroberfläche und die Abkühloberfläche nochmals erhöht und zudem auch die Transportkapazität bei gegebenem Umkreisdurchmesser verbessert.
Solche erfindungsgemässen Leiterkabel können, wie erwähnt, noch mit zusätzlichen Schichten hergestellt werden, um die Verwendung auch bei höheren Spannungen abzusichern. Halbleiterschichten am Leiter, am gegenpoligen konzentrisch angeordneten Aussenleiter und am Schirm würden eine homogenere Verteilung des elektrischen Feldes erlauben.
Diese würden entsprechend aus extrudierten Halbleiterschichten oder aufgebrachten halbleitenden Bändern realisiert.
Eine äussere Abschirmung ermöglicht zudem die Führung des Schutzpotentials und die Abschirmung gegen elektrische Felder. Die resultierende Konstruktion weist eine grosse Leiteroberfläche auf, werden die Ströme doch auf mehrere Teilleiter verteilt; dies den Skineffekt für die Oberwellen vermindert. Der konzentrische Aufbau vermindert zudem die Abstrahlung magnetischer Felder nach aussen auf ein Minimum und die offene Verdrillung der Elektrokabel, d.h. ohne Aussenmantel 12, ergibt eine grössere Oberfläche und weniger Übergangswiderstand für die Wärmeabstrahlung.
Ein weiterer Pluspunkt ist die durch die Konstruktion ermöglichte konzentrische Kraftentfaltung, die dank der grösseren Oberfläche optimal abgestützt wird. Spezifisch kleinste Kraft pro Masse ergibt zudem geringste Beschleunigung, und kleinste Wegamplitude, was sich wiederum in einem geringeren Lärmpegel bemerkbar macht. Das akustische Verhalten ist bei rechteckförmigen Strömen sehr entscheidend, denn die Oberwellen verursachen Anregungen für störende Lärmemissionen.
Durch die Geometrie dieser koaxialen Zwei- oder Vierleiterkabel für Einphasensysteme entstehen zudem entgegengesetzt symmetrische elektromagnetische Felder, die sich praktisch kompensieren und sich deshalb wenig störend auf die nähere Umgebung ausbreiten können, bereits ohne Abschirmung. Die Geometrie von vier verseilten Elektrokabeln ergibt eine nicht eindeutig definierte Position der Anordnung, die mit einem Zentrumselement vorteilhaft gelöst werden kann und die Symmetrie der geometrischen Anordnung garantiert.
The invention relates to a multi-conductor cable for the transmission of rectangular alternating currents according to the preamble of claim 1.
Electric cables for energy transmission with alternating currents, which have a rectangular shape and consequently have a high proportion of harmonics, are also suitable for the transport of large single-phase currents with frequencies of more than 50 Hz. The design targets high current density applications that could generate large thermal heaters as well as strong, interfering magnetic fields and unpleasant noise.
Such cables are required for applications in which almost rectangular currents are generated to avoid switching losses and these must be transported to a consumer. For example, as a connection between single-phase inverter and transformer such cables can be used advantageously.
Known standard shielded cables for these applications are normally used for conducting sinusoidal currents of 50 or 60 Hz, calculated according to known tables. If rectangular currents are transmitted, the current loads must be reduced with cut-off factors in order to avoid overheating of the cables. Most often multi-core cables are used with or without common shield and common outer sheath, as they often occur as a motor connection cable.
The use of larger cross-sections to compensate for the thermal power dissipation helps only in streams with lower frequencies, since the skin effect resp. higher frequencies greatly reduces the physical cross section. The parallel guidance of the phase conductors with a standard four conductor cable allows the limitation of the skin effect. However, this is more expensive to produce and brings to the problem of EMC (electro-magnetic compatibility) small improvements. The more rectangular the current flow, the higher the EMC interference potential. The distance between the forward and return conductors and the frequency of the twist is then decisive for the strength of the magnetic radiation and the best possible compensation of the same, even with a small measuring distance to the conductor.
A conventional cable behaves unfavorably with conventionally twisted return conductors in the higher-frequency current range with respect to the noise emission. The opposite currents through the individual wires cause a pulsating repulsion of the stranding, and this causes acoustic noise.
The invention has for its object to provide a conductor cable according to the type mentioned, which has low values in terms of electromagnetic radiation, acoustic interference, the skin effect and highest possible heat radiation.
The object is achieved according to the features of claim 1.
Decisive advantages result from the respective coaxial construction of the multi-conductor cable according to the invention, in which the respective inner conductor and opposite conductor advantageously have exactly the same conductance. In this way, the best possible compensation of radiating fields is achieved. The limitation of the maximum cross section of the inner conductors is given by the skin effect. The total cross section is achieved via the parallel guidance of the phase conductors.
Advantageously, a construction with four stranded coaxial single-core cables without a common outer protective jacket is used, since in this case the ratio of the surface for the heat radiation to the conductor cross-sections is optimally designed.
Embodiments and other advantages of the invention are explained below with reference to the drawing. It shows:
<Tb> FIG. 1 <sep> a four-conductor cable according to the invention in cross-section, and
<Tb> FIG. Fig. 2 is a partial cross-sectional view of a variant of a single single conductor electric cable of such a two or four wire cable.
The illustrated in Fig. 1 is designed specifically for the transmission of alternating currents with an approximately rectangular shape. Such special cables are used in the field of rail vehicles for the connection between DC chopper and transformer in the application of multi-stream systems and they are based on the features described above.
Such a four-conductor cable 10 has four interconnected electric cables 9, which are helically wound around a central longitudinal member 11. This longitudinal member 11 serves as Zentrierungsstütze this electric cable 9 and preferably consists of a heat-resistant plastic.
The four single-wire electric cables 9 of this multi-conductor cable 10 are identical. They each have a finely stranded flexible inner conductor 1 and a finely stranded, arranged around the inner conductor 1 fine-stranded, formed from a number of individual conductors 4 counter conductor 4. With the use of such finely stranded inner conductors 1 and counter conductors 4 results in a slight flexibility of the conductor cable 10. The center of the inner conductor could be made of non-conductive material and this therefore as a waveguide, if due to high frequencies, the innermost fine-wire conductor because of the skin effect anyway contribute to conductivity.
Between the inner conductor 1 and the counter conductor 4, a two-layer insulation system is provided, which is composed of an extruded heat-resistant flexible plastic layer 2 and a second layer 3. Both are also advantageously radiation crosslinked, i. they no longer melt at higher temperatures, as is the case in the thermoplastic state. This achieves the redundancy or improvement of the properties with regard to electrical insulation, possibly the smoothing of electric fields (by semiconductors), chemical resistance, acoustic behavior or with respect to mechanical strengths.
The individual conductors 4 of the reverse polarity return conductor 4, in this case in a number of 24, are arranged uniformly around the layer 3 parallel to one another. They each consist of finely stranded copper strands or the like and a conventional plastic insulation 4 surrounding this. In addition, this further insulation system consisting of a plastic layer 6 and a further layer 7 is applied. These in turn are enveloped by a metallic screen 8. Furthermore, each introducer may be enveloped by an outer jacket 29 to protect the insert. The four electric cables 9 are also held together by a common, advantageously made of a durable outer shell 12 made of plastic.
The insulation systems 2, 3 and 6, 7 could each consist only of a single heat-resistant plastic layer and the outer shell 12 and the coats of the discharger can also be omitted under normal mechanical stress.
Instead of the screens of each single initiator 8, or in addition thereto, a common enclosing shielding around the already stranded initiator can be provided.
This multi-conductor cable 10 is characterized - as already mentioned - for the application of such a transfer of rectangular current, because it results with this significantly lower acoustic noise, and also the skin effect is optimally met, so that in the load state of the cable at the same ambient and Load parameters lower temperatures can be maintained, which has a strong effect on improved aging properties, or it can be selected with the same power transmission, a more compact cable.
Fig. 2 shows an electric cable 20 of a multi-conductor cable, not shown, said multi-conductor cable could be analogous to that of FIG. 1 as a four-conductor cable or even designed as a two-wire cable. The insulation system between the inner conductor 1 and the counter conductor 4 is formed from an inner semiconductor layer 22a, a dielectric 22 and a semiconductor layer 23 surrounding the latter. An inner semiconductor layer 25, a dielectric 26, and an outer semiconductor layer 27 form the outer isolation system. The semiconductor layers may each consist of semiconducting tapes, graphite layers or an extruded material.
To this outer insulation or semiconductor layer 27 is still a copper wire mesh 28 or a concentrically applied to the inner conductor 1 of wires or tapes conductive layer applied, which serves to shield electrical fields. Above the shielding layer, a single enveloping jacket 29 is still applied.
Two such electric cables 20 can now be stranded together and allow approximately the transport of double the current, thereby reducing the skin effect in rectangular current curves is brought about. With four such stranded electrical cables 20, the conductor surface and the Abkühloberfläche would increase again and also improves the transport capacity for a given perimeter diameter.
As already mentioned, such conductor cables according to the invention can still be produced with additional layers in order to ensure their use even at higher voltages. Semiconductor layers on the conductor, on the opposite polarity concentrically arranged outer conductor and on the screen would allow a more homogeneous distribution of the electric field.
These would be realized accordingly from extruded semiconductor layers or applied semiconducting tapes.
An external shield also allows the management of the protection potential and the shielding against electric fields. The resulting construction has a large conductor surface, but the currents are distributed over several sub-conductors; this reduces the skin effect for the harmonics. The concentric design also minimizes the radiation of magnetic fields to the outside to a minimum and the open twist of the electrical cables, i. without outer jacket 12, results in a larger surface area and less contact resistance for the heat radiation.
Another advantage is the concentric power delivery enabled by the design, which is optimally supported thanks to the larger surface area. Specifically, the smallest force per mass also results in the lowest acceleration and the smallest path amplitude, which in turn results in a lower noise level. The acoustic behavior is very important for rectangular currents, because the harmonics cause suggestions for disturbing noise emissions.
The geometry of these coaxial two- or four-conductor cables for single-phase systems also creates oppositely symmetrical electromagnetic fields that can be practically compensated and therefore can not spread to the surrounding environment with little disruption, even without shielding. The geometry of four stranded electric cables results in an ambiguously defined position of the arrangement, which can be advantageously solved with a center element and guarantees the symmetry of the geometric arrangement.