DE2811579A1

DE2811579A1 - Feuchtigkeitsgeschuetztes elektrisches kunststoffisoliertes energiekabel

Info

Publication number: DE2811579A1
Application number: DE19782811579
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Ziemek
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1979-09-27
Also published as: NO790905L; AU524749B2; CA1129975A; FR2420191A1; SE7902360L; AU4520679A; IN149357B; JPS5559607A

Description

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

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1*1. März 1978

Feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energi ekabel

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gegen Feuchtigkeit geschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel, insbesondere für Hoch- oder Hochstspannung, mit einer die Isolierung und eine darüber befindliche äußere Leitschicht umgebenden geschlossenen metallischen Hülle.

Elektrische Energiekabel, die für Mittel- oder Hochspannungsbetrieb ausgelegt sind, weisen in der Regel einen metallischen Schirm in ihrem Schichtenaufbau auf, der auf der über die Kunststoffisolierung angeordneten äußeren Leitschicht angebracht ist und z. B. aus aufgelegten Drähten oder Metallbändern vorzugsweise aus Kupfer besteht. Dieser metallische Schirm, der an sich aus elektrischen Gründen vorgesehen ist, kann aber auch, wie bereits bekannt (DOS 15 kO 430), gleichzeitig zur feuchtigkeitsdichten Hülle für die darunter be-

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findliche Isolierung verwendet werden. Hierbei besteht die metallische Hülle aus einem längseinlaufenden, um die Kunststoffisolierung des Leiters herumgefalteten Metallband, vorzugsweise aus Kupfer, dessen Kanten einander überlappen und im Bereich der Überlappungsstelle miteinander verlötet sind.

Schwierigkeiten ergeben sich bei dieser bekannten Konstruktion jedoch dadurch, daß sich bei Belastung des Kabels die Isolierung wesentlich stärker als die im Schichtenaufbau vorgesehene Metallage ausdehnt, so daß, wenn die Dehnbarkeit der an sich dichten metallischen Hülle ihre Grenzen erreicht, zumindest mit einem Aufplatzen der Schweiß- oder Lötstelle gerechnet werden muß. Das gilt verständlicherweise insbesondere bei solchen Kabeln, die auf Grund ihres Einsatzes für den Hoch- oder Höchst-Spannungsbetrieb verhältnismäßig große Isolierwanddicken von

z. B. l8 mm und mehr aufweisen. Hinzu kommt, daß durch das längseinlaufend aufgebrachte Metallband die geforderte Biegbarkeit solcher Kunststoffkabel beeinträchtigt wird, was sich insbesondere beim Auf- und Abtrommeln sowie bei der Verlegung störend bemerkbar macht.

Als weitere Schwierigkeit kommt oft hinzu, daß bei Beschädigungen der äußeren metallischen Hülle eindringende Feuchtigkeit auch unterhalb des Metallbandes sich in Kabellängsrichtung ausbreiten kann und im Laufe der Zeit zumindest Anlaß zu Schäden in der Isolierung gibt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches Energiekabel zu schaffen, das einmal trotz der im Betrieb auftretenden Wärmespiele der Isolierung seine feuchtigkeitsdichte Abschirmung beibehält und das darüberhinaus so ausgebildet ist, daß durch einen äußeren Schaden der Abschirmung eingedrungene Feuchtigkeit in ihrer Wirkung auf einen zumindest eng begrenzten Bereich beschränkt bleibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß unterhalb der geschlossenen Hülle eine zur Seele Abstand

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haltende Wendel in Form eines Metallbandes angeordnet ist, dessen Dicke dem Ausdehnungsverhalten des für die Isolierung verwendeten Kunststoffes bei Temperaturerhöhung angepaßt ist. Eine solche Wendel stützt, wenn man den gesamten Querschnitt betrachtet, die Seele jeweils nur an einer Stelle des Umfanges ab, während für den restlichen Bereich eine freie Bewegung der Isolierung möglich ist, ohne daß es zu einem Anpressen der Isolierung gegen die geschlossene Hülle und damit zu erhöhten Drücken insbesondere im Bereich der Nahtstelle kommt. Damit ist jederzeit auch z. B. bei kurzzeitig auftretenden erhöhten Kurzschlußtemperaturen ein ausreichendes Atmen der Isolierung ohne Beschädigung der feuchtigkeitsdichten Hülle gewährleistet.

Die Verwendung von wendelförmig aufgebrachten Metallbändern, insbesondere Kupferbändern, ist in der Kabeltechnik an sich allgemein bekannt. Sie dienen z. B. dazu, die aus Einzeldrähten bestehende konzentrische Lage eines Schutz- oder Nulleiters auf der Kabelseele festzuhalten und weisen zu diesem Zweck eine Wandstärke zwischen 0,1 und 0,3 mm auf. Diese lediglich dem Zusammenhalt der Drähte und der Querleitfähigkeit dienenden Kupferbänder sind jedoch aufgrund ihrer Dicke allein schon nicht geeignet, als Abstandshalterwendel für eine darüber aufgebrachte geschlossene metallische Hülle zu dienen.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß aufgrund der Abstandshalterwendel der Isolierung die Möglichkeit einer freien Ausdehnung gegeben ist. In Weiterführung der Erfindung ist deshalb die Banddicke s so gewählt, daß sie der Beziehung

s min = "Ί * Av " d

genügt, wobei <>_v der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kabelseele, ΔΌ"¹" die Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Seelentemperatur und Raumtemperatur, bei Höchstbelastung des Kabels, und d der Durchmesser der Kabelseele bei 20 C ist.

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Im Gegensatz zu den bekannten Wendeln wird daher in Durchführung der Erfindung die Abstand haltende Wendel mindestens 0,3 mm betragen. Die freie Ausdehnung der Isolierung bei Temperaturerhöhung kann weiter gefördert werden, wenn man in Weiterführung der Erfindung die Wendel mit langem Schlag auf die äußere Leitschicht bzw. eine darüber befindlichen Polster- und/oder Schirmschicht aufbringt.

Die geschlossene Hülle selbst kann aus einem längseinlaufend aufgebrachten, zum Rohr geformten und verschweißten Metallband mit glatter Oberfläche hergestellt sein; zur Unterstützung der an sich hohen Flexibilität kunststoffisolierter Kabel ist es jedoch vorteilhaft, wenn die geschlossene Hülle als gewellter Metallmantel ausgebildet ist. Für die Wellung kann eine Schrauben- oder Parallelwellung verwendet werden, eine solche geschlossene Hülle, die feuchtigkeits- und gasdicht ist, beeinträchtigt die Flexibilität des Kabels dann nicht mehr. Das Kabel kann vielmehr in üblicher Weise auf- und abgewickelt werden, ohne daß es zu einer Beschädigung der Feuchtigkeitssperre kommt.

Der durch die Wendel und die darüber befindliche geschlossene metallische Hülle gebildete Raum kann z. B. bei der Fertigung kurzzeitig dazu benutzt werden, durch Abdrücken mittels eines geeigneten Gases eine Dichtigkeitskontrolle der Metallhülle durchzuführen. Dieser Raum kann aber auch dazu dienen, durch eine ständige Gasfüllung dafür zu sorgen, daß jederzeit auch während des Betriebes eine Druckgasüberwachung möglich ist und insbesondere Beschädigungen der metallischen Hülle kurzfristig geortet werden können. Wird in diesem Zusammenhang ein Inertgas, z. B. ein SF,--Gas verwendet, dann ergibt sich der besondere Vorteil, daß dieses Gas im Laufe der Zeit in die darunter befindliche Isolierung eindiffundieren und dort spannungsstabilisierend wirken kann. Der durch die Wendel gebildete Raum kann aber auch dazu benutzt werden, das Kabel dadurch längswasserdicht zu machen, daß hier eine Füllung

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ζ. B. aus einer feuchtigkeitsdichten Masse, etwa auf Vaselinebasis, vorgesehen sein kann. In der gleichen Weise können aber auch bekannte, bei Feuchtigkeitszutritt quellende Materialien, z. B. auf Zellulosebasis, in diesen Bereich kontinuierlich
5 oder in Abständen eingebracht sein, die bei Feuchtigkeitseinbruch für eine Abstopfung des Kabels und damit für eine Beschränkung des Schadens auf einen engen Bereich sorgen.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit des Abstopfens des Raumes zwischen der Metallhülle und der Seele kann darin bestehen,
kontinuierlich oder in Abständen einen Schaumstoff, etwa auf
Polyurethanbasis, einzubringen, der für eine Längswasserdichtigkeit sorgt.

Desgleichen kann es in Weiterführung der Erfindung oft zweckmäßig sein, unter der Metallwendel, z. B. im Gegenschlag, eine Wendel aus einem bei Feuchtigkeitseinwirkung quellende Material anzuordnen. Hierzu geeignet ist z. B. ein mit quellfähigem Material beschichtetes Papier.

Die als Feuchtigkeitsschutz verwendete metallische Hülle sowie die im Schichtenaufbau eingesetzte metallische Wendel führen

zu einer Erhöhung des Kabelsgewichtes. Um z. B. bei der Verlegung eines solchen Kabels auch die erhöhten Zugkräfte ohne
Schaden für das Kabel aufnehmen zu können, wird man in Weiterführung des Erfindungsgedankens dem über der metallischen Hülle aufgebrachten Kunststoffmantel, z. B. aus einem Polyvinylchlorid, längs verlaufende Stahl- oder Glasseidefäden zuordnen. Bei der
Montage z. B. auch in Seewassergebieten könnte damit die Seele und auch die feuchtigkeitsdichte Hülle von Zugkräften entlastet werden. Der Mantel aus dem geeigneten Kunststoff könnte zweischichtig aufgebracht sein, wobei sich die zugfesten Fäden zwischen den Lagen befinden, er kann aber auch in einem Spritzgang hergestellt werden, wobei die zwei Schichten während des
Austrittes aus dem Extruder miteinander verschweißen und damit die zugfesten Elemente sicher verankern.

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Die Erfindung sei an Hand des in der Fig. als Ausführungsbeispiel dargestellten einadrigen Hochspannungskabels näher erläutert.

Der aus einer Vielzahl von miteinander verseilten Einzeldrähten bestehende Leiter 1 ist von der inneren Leitschicht 2 überdeckt, die für einen Ausgleich der durch die Einzeldrähte gebildeten Unregelmäßigkeiten der Oberfläche sorgt. Diese innere Leitschicht 2 ist z. B. aufextrudiert, sie kann aber auch aus einem durch Ruß leitfähig gemachten Polyäthylen oder eines seiner Copolymere bestehen. Über der inneren Leitschicht 2 befindet sich die Isolierung 3 ■> ^z· B· aus einem vernetzbaren oder thermoplastischen Polyäthylen, dessen Wandstärke entsprechend der zu übertragenden Spannung ausgewählt ist. Mit k ist die die Isolierung überdeckende äußere Leitschicht bezeichnet, die vorteilhaft ebenfalls aus einem durch Extrusion aufgebrachten, durch Ruß oder Graphit leitfähigen thermoplastischen Werkstoff besteht. Über dieser Leitschicht 4, die gegebenenfalls noch eine Polsterschicht z. B. aus einem leitfähigen Gewebeband und zusätzliche Schirmdrähte beinhalten kann, befindet sich das Metallband 5 ζ. B. aus Kupfer oder Stahl in einer Dicke von z. B.

0,4 mm, das wendelförmig aufgebracht ist und als Abstandshalterung für den hierzu konzentrischen Wellmantel 6 dient. Dieser Wellmantel weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Parallelwellung auf, diese Weilung kann aber auch einen wendelförmigen Verlauf haben. Der zwischen dem Wellmantel 6 und dem Band 5 gebildete Raum 7 dient entweder zur Aufnahme eines isolierenden vorzugsweise spannungsstabilisierend wirkenden Gases oder einer in Längsrichtung dichtenden Masse aus einem unter Feuchtigkeitseinwirkung quellenden oder schäumenden Material oder auch aus einem solchen Werkstoff mit dauerelastischer oder klebriger Konsistenz, der für eine Abschottung in Längsrichtung sorgt. Selbstverständlich können auch diesen Materialien spannungsstabilxsierende Zusätze beigegeben werden, die im Laufe des Betriebes insbesondere bei Temperaturerhöhung aufgrund der zu übertragenden Energie in die darunter befindliche Isolierung eindiffundieren.

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Die geschlossene metallische Hülle ist umgeben von dem mechanisch widerstandsfähigen Kunststoffmantel 8 als äußerer Schutz, wobei längs verlaufende zugfeste Elemente 9 eingebracht sind, die in dem Mantelmaterial fest verankert sind.

Die über der Seele befindliche Wendel aus dem Metallband 5, das in seiner Dicke dem Ausdehnungsverhalten des die Isolierung bildenden Werkstoffes angepaßt ist, sorgt für eine weitgehend freie radiale Bewegung der bei Temperaturerhöhung sich ausdehnenden Isolierung, so daß auch bei kurzfristig auftretenden erhöhten Temperaturen, z. B. im Kurzschlußfall, nicht ein Aufplatzen der an sich feuchtigkeitsdichten und auch gasdichten Hülle befürchtet werden muß.

Zur Herstellung eines in der Fig. dargestellten Kabels geht man zweckmäßig so vor, daß auf den Leiter 1 zunächst die innere Leitschicht 2 und dann die Isolierung 3 aufextrudiert werden. Die äußere Leitschicht k wird ebenfalls durch Extrusion aufgebracht und anschließend erfolgt das Aufwickeln des Metallbandes 5» wenn nicht vorher noch die als Abschirmung dienende äußere Leitschicht k durch eine zusätzliche Bandbewicklung, etwa aus leitfähigen Bändern, oder durch eine zusätzliche Kupferdrahtlage verstärkt wird. Anschließend wird dann in bekannter Weise längseinlaufend ein Kupfer- oder Stahlband um die Seele bzw. das wendelförmig aufgebrachte Metallband rohrförmig herumgelegt, an den Kanten verschweißt und schließlich gewellt. Das so vorbereitete Kabel durchläuft dann einen weiteren Extruder, mittels dem, gegebenenfalls nach Aufbringung eines zusätzlichen Korrosionsschutzes, der Außenmantel 8 gleichzeitig mit den Glasseidefäden oder Drähten oder auch Stahldrähten aufgebracht wird.

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Claims

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

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Ik. März 1978

Patentansprüche

Feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel, insbesondere für Hoch- oder Höchst spannung, mit einer die Isolierung und eine darüber befindliche äußere Leitschicht umgebenden geschlossenen metallischen Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der geschlossenen Hülle eine zur Seele Abstand haltende Wendel in Form eines Metallbandes angeordnet ist, dessen Dicke dem Ausdehnungsverhalten des für die Isolierung verwendeten Kunststoffes bei Temperaturerhöhung angepaßt ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Banddicke S der Beziehung

S min = c*. · Δ\/" · d

genügt, wobei J^ der Wärmeausdehnungskoeffizient der Seele Δν~ die Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Seelentemperatur bei Höchstbelastung und Raumtemperatur, und d der Durchjjie-eser der Seele bei 20° c ist.

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3· Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Banddicke mindestens 0,3 ^mm beträgt.

k. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß die Wendel mit langem Schlag auf die äußere Leitschicht bzw. auf darüber befindliche Polster- und/oder Schirmschichten aufgebracht ist.

5· Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß die geschlossene Hülle aus einem Wellmantel besteht.

6. Kabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der geschlossenen Hülle und der Wendel gebildete Raum zur Aufnahme eines isolierenden Gases dient.

7· Kabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch seine ständige Anwesenheit gleichzeitig zur Spannungsstabilisierung der Isolierung dient.

8. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß der von der Hülle und der Wendel gebildete Raum mit einer gegen Feuchtigkeit dichtenden Masse, etwa auf Vaseline-Basis (Petrolat) gefüllt ist.

9. Kabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im von der Hülle und der Wendel gebildeten Raum kontinuierlich oder in Abständen unter Feuchtigkeitseinwirkung quellende Materialien, etwa auf Zellulosebasis, angeordnet sind.

10. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß kontinuierlich oder in Abständen eingebrachter Schaumstoff den Raum zwischen Hülle und Kabelseele feuchtigkeitsdicht abschließt.

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11. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Metallvrendel eine Wendel aus einem bei Feuchtigkeit quellenden oder quellfähige Mittel tragenden Material im Gegenschlag angeordnet ist.

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