[0001] Die Erfindung betrifft ein Koaxialkabel zur Übertragung von Hochströmen im Bereich
von mehreren hundert bis mehreren tausend Ampere bei Hochfrequenzen, insbesondere
im Kilohertzbereich, mit einem ersten elektrischen Leiter für eine erste Stromphase
und einem koaxial zu diesem angeordneten zweiten elektrischen Leiter für eine zweite
Stromphase, die jeweils durch eine Anzahl ringförmig angeordneter Bündel aus einer
Vielzahl gegeneinander isolierter Einzeldrähte gebildet sind, wobei zwischen dem ersten
und zweiten Leiter eine elastische Isolationsschicht zur Verhinderung eines Spannungsüberschlags
liegt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kabel zur Übertragung hoher elektrischer
Leistungen bis in den Megawattbereich.
[0002] Solche Hochleistungskoaxialkabel sind bekannt beispielsweise aus
EP 0 823 766 A1, und werden vor allem zur industriellen induktiven Erwärmung, beispielsweise beim
Schmelzen, Vergüten oder Anlassen von Stahl eingesetzt, bei der hohe Stromstärken
zwischen 1.000-15.000 Ampere bei hoher Frequenz in der Regel von 4 kHz bis 150 kHz,
in Extremfällen sogar bis zu 400 kHz über das Kabel geleitet werden. Dies muss unter
minimalen Leistungsverlusten erfolgen. Heutige Kabel haben aber sowohl eine hohe Neigung
zu induktiven als auch ohmschen Verlusten. Insbesondere der bei hohen Frequenzen auftretende
Skin-Effekt führt zu hohen Spannungsabfällen im Kabel.
[0003] Zur Minimierung des Skin-Effekts schlägt die
DE 20 2010 006 735 U1 eine Leiteranordnung vor, die mehrere Fachungen bestehend aus einer Mehrzahl von
parallel angeordneten Litzen aus einer Mehrzahl gegeneinander isolierter Leiterdrähte
aufweist, wobei Gruppen von Fachungen untereinander zu Geflechten verflochten und
diese zur Bildung der Leiteranordnung verseilt werden.
[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Hochleistungskoaxialkabel für Industrieanwendungen
bereitzustellen, das geringere induktive Verluste besitzt und ferner einen gesteigerten
nutzbaren Leiterquerschnitt im relevanten Frequenzband durch Reduzierung des Skineffekts
aufweist.
[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Hochleistungskabel, mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben und
werden nachfolgend erläutert.
[0006] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das gattungsgemäße Koaxialkabel derart weiterzubilden,
dass die Bündel des ersten und/ oder zweiten elektrischen Leiters ein Geflecht bilden.
Die Bündel sind folglich miteinander verflogen, d.h. regelmäßig ineinander geschlungen.
Durch die Verwendung eines Geflechts werden die induktiven Verluste des Koaxialkabels
sowie der Skin-Effekt reduziert, so dass eine bessere Leistungsausnutzung des Koaxialkabels
besteht und letztendlich mehr Leistung zum Verbraucher transportiert werden kann.
[0007] Die Einzeldrähte sind vorzugsweise aus Kupfer, da Kupfer einen geringen spezifischen
Widerstand aufweist. Hierdurch sind die ohmschen Verluste des Koaxialkabels gering.
[0008] Vorzugsweise kann jedes Bündel in dem Geflecht in seiner Erstreckungsrichtung abwechselnd
jeweils zwei andere Bündel überkreuzen und unterkreuzen. Dies vereinfacht aufgrund
der Vielzahl an Bündeln die Herstellung im Vergleich zu einem Geflecht, bei dem jedes
Bündel abwechselnd nur ein anderes Bündel überkreuzt und unterkreuzt. Sich kreuzende
Bündel können in einem Flechtwinkel zwischen 30° und 60° liegen.
[0009] Die Isolation der Einzeldrähte kann beispielsweise durch einen Lack gebildet sein.
Diese Isolation ist von entscheidender Bedeutung für die Reduzierung des Skin-Effekts.
Da die Isolation der Einzeldrähte keine Isolation gegen Überschläge bei Potenzialunterschieden
ist, kann als Lack ein üblicherweise bei dem Bau von Spulen und Transformatoren verwendeter
Elektrolack verwendet werden. Ein Lack zur Isolation bildet eine sehr dünne Schicht,
so dass der Durchmesser der Einzeldrähte nicht merklich erhöht ist.
[0010] Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn die Einzeldrähte jedes Bündels um die Längsachse
des jeweiligen Bündels gewunden sind, wie dies bei einem Seil der Fall ist. Dies führt
dazu, dass die Bündel bei der Verarbeitung bzw. beim Flechten Bündel bleiben und sich
die Einzeldrähte nicht vereinzeln.
[0011] Geeigneterweise können die Einzeldrähte einen Durchmesser von 0,1mm bis 0,5mm aufweisen.
Hierdurch können die Bündel eine Vielzahl, beispielsweise 20 bis 60 solcher Einzeldrähte
aufweisen. Je kleiner der Durchmesser desto mehr Einzeldrähte können bei gleichem
Leiterquerschnitt verwendet werden und je mehr Einzeldrähte verwenden werden, desto
mehr kann der Strom aufgeteilt werden, und desto geringer ist der Skin-Effekt.
[0012] Um den Leiterquerschnitt zu verdoppeln, beispielsweise von 70mm
2 auf 140mm
2 können beispielsweise bei jedem der beiden Leiter zwei Geflechtlagen verwendet werden,
so dass, wenn sowohl der erste als auch der zweite elektrische Leiter durch ein Geflecht
aus Bündeln von Einzeldrähten gebildet ist, insgesamt vier solcher Geflechte in dem
Koaxialkabel vorhanden sind. So kann folglich der erste und/ oder der zweite elektrische
Leiter von Bündeln aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter Einzeldrähte gebildet
sein, die in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei die Bündel der beiden
Kreise jeweils ein eigenes Geflecht bilden.
[0013] Vorzugsweise ist die elastische Isolationsschicht aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk)
hergestellt. Dieses Material kennzeichnet sich durch hohe Isolationseigenschaften,
so dass die Dicke der Isolationsschicht bei gleicher Isolationsleistung wie im Stand
der Technik, geringer sein kann. Dies führt wiederum dazu, dass der erste und zweite
elektrische Leiter näher beieinander liegen können, wodurch der induktive Verlust
verringert wird.
[0014] Aufgrund der Hochleistung, die das erfindungsgemäße Koaxialkabel zu übertragen vermag,
werden die elektrischen Leiter heiß. Zur Kühlung deshalb vorgesehen sein, das Koaxialkabel
beispielsweise mit Wasser zu kühlen. Vorzugsweise liegen hierfür der erste und zweite
elektrische Leiter in einer flüssigkeitsdurchströmbaren Kammer ein. Dabei kann die
Isolationsschicht eine erste flüssigkeitsdurchströmbaren Kammer von einer zweiten
flüssigkeitsdurchströmbaren Kammer trennen.
[0015] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
- Figur 1:
- den prinzipiellen Aufbau eines wassergekühlten Koaxialkabels nach dem Stand der Technik
- Figur 2:
- das Koaxialkabel nach Figur 1 mit Skin-Effekt
- Figur 3:
- elektrisches Ersatzschaltbild eines Koaxialkabels
- Figur 4:
- Darstellung des Geflechts aus Bündeln des zweiten Leiters
- Figur 5:
- perspektivische Darstellung eines teilweise aufgeschnittenen Koaxialkabels gemäß der
Erfindung
- Figuren 5a, 5b:
- Darstellung beispielhafter Geflechtstrukturen
[0016] Figur 1 zeigt ein Koaxialkabel 1 zur Übertragung von Hochströmen im Kiloamperebereich,
insbesondere im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend Ampere, bei Hochfrequenzen
im Kilohertzbereich, mit einem ersten elektrischen Leiter 4 für eine erste Stromphase
und einem koaxial zu diesem angeordneten zweiten elektrischen Leiter 7 für eine zweite
Stromphase, die jeweils durch eine Anzahl ringförmig angeordneter Bündel 4a, 7a aus
einer Vielzahl Einzeldrähte gebildet sind, wobei zwischen dem ersten und zweiten Leiter
4, 7 eine elastische Isolationsschicht 5, 6 zur Verhinderung eines Spannungsüberschlags
liegt. Ein solches Koaxialkabel ist Stand der Technik.
[0017] Wassergekühlte Koaxialkabel finden in der Hauptsache Anwendung in der industriellen
induktiven Erwärmung, beispielsweise beim Schmelzen, Vergüten oder Anlassen von Stahl).
Eine besondere Anforderung in diesem Bereich ist, dass hohe Stromstärken (1.000-15.000
Ampere) mit sehr hoher Frequenz (i.d.R. 4-150 kHz, in Extremfällen bis zu 400 kHz)
zum Induktionserwärmer geleitet werden müssen. Im Vergleich hierzu hat Haushaltsstrom
lediglich eine Stromstärke von wenigen Ampere und eine Frequenz von 50 Hz.
[0018] Wichtigste Anforderung an stromleitende Kabel in diesem Bereich ist eine möglichst
leistungsverlustfreie Durchleitung. Hierbei gilt es zwei Arten des Verlustes zu unterscheiden,
da man kapazitive Verluste vernachlässigen kann. Erstens ist dies der ohmsche Verlust.
Dies ist der Leistungsverlust, der durch den elektrischen Widerstand eines Leiters
entsteht und zur Erwärmung des Leiters führt. Der ohmsche Widerstand wird in der Hauptsache
durch das Material der Leiter bestimmt. Zweitens gibt es noch bei oben beschriebenen
Anwendungen den induktiven Verlust. Dieser Verlust entsteht durch die Frequenz des
Stroms, insbesondere dadurch, dass sich die zwei Phasen des Stroms bei steigender
Frequenz gegenseitig negativ beeinflussen ("den Strom verdrängen").
[0019] Aufgrund der hohen Frequenzen, die im Bereich der induktiven Erwärmung benötigt werden,
kommt diesem Effekt im Bereich der industriellen induktiven Erwärmung eine besondere
Bedeutung zu. Der Grund für diese Leistungsverluste ist der sogenannte Skin-Effekt,
der dafür sorgt, dass bei steigender Frequenz der Strom den Leiter weniger stark durchdringt
bzw. im Querschnitt betrachtet nur an der Oberfläche des Leiters fließt. Somit wird
nur noch ein geringer Teil des Leiterquerschnitts zur Stromdurchleitung verwendet.
Folge ist, dass eine große Strommenge durch einen sehr kleinen Querschnitt fließt.
Es kommt zu erhöhter Temperaturentwicklung bis hin zur Zerstörung der Leiter. Dies
erhöht wiederum die Anforderungen an Leiter für hochfrequente Ströme.
[0020] Bei dem Koaxialkabel 1 nach Figur 1 besteht im Inneren ein Hohlraum 2, der durch
ein mechanisches Stützelement 2, beispielsweise durch eine Innenspirale 2 vorzugsweise
aus Bronze begrenzt wird. Die Innenspirale 2 ist durch einen dicken Draht gebildet,
der sich spiralförmig um die Kabelachse erstreckt, wie dies in Figur 5 zu sehen ist.
Sie stützt den ersten elektrischen Leiter 4, nachfolgend auch Innenleiter 4 genannt,
ab. Der Innenleiter 4 besteht aus einer Mehrzahl kreisförmig um die Innenspirale 3
angeordneten Bündeln 4a. Jedes Bündel 4a besteht wiederum aus einer Vielzahl Einzeldrähten
aus Kupfer, nachfolgend auch Kupferdrähte genannt. Kupfer wird hier verwendet, da
es einen sehr geringen ohmschen Widerstand hat und somit ein sehr guter Leiter ist.
Der Durchmesser der einzelnen Kupferdrähte beträgt 0,2mm. Die Kupferdrähte sind entlang
der Längserstreckung des jeweiligen Bündels 4a, gewunden, so dass jedes Bündel 4a
in der Art eines Seils ausgebildet ist. Nachfolgend werden die Bündel 4a deshalb auch
als Kupferseilbündel bezeichnet.
[0021] Der Hohlraum 2 wird aus elektrotechnischen Gründen nicht benötigt, da er vom Strom
nicht durchdrungen wird. Er dient jedoch als Kühlwasserleitung und sorgt somit für
einen effizienteren Wärmeabtransport. Der innere Hohlraum 1 und der Ringraum, in dem
die Seilbünde 4a des Innenleiters liegen, bilden gemeinsam eine innere Kühlwasserkammer
9.
[0022] In der Abfolge des Schichtaufbaus weiter radial außen liegend, folgt die elastische
Isolationsschicht 5, die hier einen inneren Kühlschlauch 5 und eine radial außen auf
den Kühlschlauch 5 aufgebrachte Schicht 6 umfasst. Der Kühlschlauch 5 umgibt den Innenleiter
4 ringförmig und begrenzt die innere Kühlwasserkammer 9 nach außen hin. Als nächstes
folgt der zweite Leiter 7, nachfolgend Außenleiter 7 genannt, der aus einer Vielzahl
kreisförmig angeordneter Bündel 7a besteht, welche wiederum aus einer Vielzahl einzelner
Drähte gebildet sind. Die Bündel 7a des zweiten Leiters 7 können gleich zu denjenigen
des ersten Leiters 4 gebildet sein, sodass auch hier von Kupferdrähten und Kupferseilbündeln
7a gesprochen werden kann.
[0023] Der Außenleiter 7 liegt in einer äußeren Kühlwasserkammer 10 in Form eines Ringraums
ein. Ein äußerer Kühlschlauch 8 begrenzt die äußere Kühlwasserkammer 10 radial nach
außen. Dieser bildet die äußerste Schicht des Koaxialkabels 1. Er isoliert das Kabel
folglich elektrisch und schützt vor mechanischer und chemischer Einwirkung. Die Isolationsschicht,
d.h. der innere Kühlschlauch 5 samt seiner außen aufgebrachten Schicht, erfüllen die
Aufgabe eines Dielektrikums und trennen die beiden Stromphasen im zweiten Leiter 7
und ersten Leiter 4 voneinander. Darüber hinaus trennen sie die beiden Kühlwasserkammern
9, 10 von einander.
[0024] Sowohl die innere Kühlwasserkammer 9, d.h. der innere Hohlraum 2 samt dem Raum um
den Innenleiter 4, als auch die äußere Kühlwasserkammer 10, d.h. der Raum um den Außenleiter
7 sind kühlwasserdurchströmt, um die auf Grund der hohen Stromstärke, der hohen Frequenz
und dem hierin begründeten Skin-Effekt entstehende Hitze ableiten zu können. Diese
Kühlfähigkeit ist auch ein entscheidender Faktor für die Leistungseffizienz eines
solchen Kabels 1. Denn je mehr Hitze abgeleitet werden kann, desto mehr Strom kann
durch ein solches Kabel 1 geleitet werden.
[0025] Ein wichtiger, die Tragfähigkeit des Kabels 1 begrenzender Faktor, ist der Skin-Effekt.
Er sorgt dafür, dass die beiden Leiter 4, 7 nur oberflächlich durchströmt werden und
zwar wegen der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Leitern 4, 7
der äußere Teil des Innenleiters 4 und der innere Teil des Außenleiters 7, was in
Abbildung 2 dargestellt ist. Die Folge dessen ist, dass jeweils nur ein geringer Teil
des tatsächlichen Querschnitts der Seilbündel 4a, 7a stromdurchflossen ist. Somit
fließt bei einem hochfrequenten Strom viel Strom durch einen relativ kleinen Querschnitt
des jeweiligen Leiters 4, 7, was zu einer deutlich erhöhten Hitzeentwicklung und somit
Belastung des Kabels 1 führt.
[0026] Figur 3 zeigt das elektrische Standardschaltbild für ein Koaxialkabel 1, bei dem
ein Verbraucher 11 beispielsweise in Gestalt eines Induktionsofens, der elektrisch
im Wesentlichen eine Spule ist, zwischen den Innenleiter 4 und den Außenleiter 7 geschaltet
ist. Der Innenleiter 4 und der Außenleiter 7 können jeweils Strom einer Phase eines
Drehspannungsnetzes führen, wobei die Phasen 120° gegeneinander verschoben sein können.
Der dargestellte Stand der Technik geht mit verschiedenen Nachteilen einher:
[0027] Beispielsweise besitzen die Kabel 1 induktive Verluste, die heute durchschnittlich
bei etwa 10 % Spannungsabfall liegen (bezogen auf die üblichen eingesetzten Längen).
Dies liegt zum einen am Skin-Effekt, der stets vorhanden ist, d.h. es wird nur ein
relativ kleiner Anteil der tatsächlichen Leiterquerschnitte für die Durchleitung von
Strom verwendet. Es wird geschätzt, dass dieser Anteil heute im relevanten Frequenzband
im Durchschnitt nur bei ca. 20% liegt. Umgekehrt bedeutet dies, dass fast 80% des
Kabelquerschnitts tatsächlich gar nicht für den Stromfluss verwendet wird. Zum anderen
ist eine zu geringe Isolierung Schuld. Denn aufgrund von wenig hochohmig isolierenden
Gewebeeinlagen in den zur Isolation genutzten Kühlschläuchen 5, 8 müssen weite Abstände
zwischen dem Innenleiter 4 und dem Außenleiter 7 gewählt werden, um Überschläge zu
verhindern. Würden die beiden Leiter 4, 7 aber näher zusammen liegen, würden sich
die vom jeweiligen Leiter 4, 7 erzeugten elektromagnetischen Felder mehr auslöschen,
so dass weniger Energie in diese Felder fließt. Für eine maximale Leitungseffizienz
wäre folglich ein minimaler Abstand erforderlich.
[0028] Bei einem Beispielkabel mit einem Durchmesser von 80 mm, einer Länge von 15 m, einer
Frequenz von 5 kHz, bei 40°C, einer Eingansstromstärke von 4700 A und einer Eingangsspannung
von 1.000 V beträgt der Spannungsabfall aufgrund des induktiven Verlustes ca. 79 V
und der aufgrund des ohmschen Widerstandes ca. 13V.
[0029] Das erfindungsgemäße Koaxialkabel 1 bildet das Koaxialkabel gemäß Figur 1 nun dahingehend
weiter, dass die Einzeldrähte gegeneinander lackisoliert sind und die Bündel 4a, 7a
des ersten und zweiten elektrischen Leiters 4, 7 ein Geflecht 12 bilden, was in verschiedenen
Punkten zu Vorteilen führt. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf das Geflecht 12, aus
dem der zweite Leiter 7 gebildet ist.
[0030] Zum einen ist eine hohe mechanische Flexibilität der elektrischen Leiter 4, 7 gegeben,
da die sich regelmäßig kreuzenden Bündel 4a, 7a eines Leiters 4, 7 gegeneinander beweglich
sind. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass sie sich an jede Biegelage des Koaxialkabels
1 faltenfrei anpassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Koaxialkabeln 1 nach Figur 1
kommt es nicht dazu, insbesondere aufgrund der Stauchung des Kabels innenseitig einer
Biegung, dass ein Bündel des zweiten elektrischen Leiters von der Isolationsschicht
abhebt, d.h. eine Schlaufe oder Falte wirft. Dies hätte Inhomogenitäten in dem durch
die einzelnen Einzeldrähte erzeugten elektromagnetischen Feld zur Folge und würde
lokal zu einem größeren induktiven Verlust führen, weswegen das betroffene Bündel
vom Strom gemieden werden würde. Durch die Verwendung eines Geflechts 12 wird jedoch
im Mittel stets ein konstanter Abstand der beiden elektrischen Leiter 4, 7 zueinander
beibehalten.
[0031] Elektrotechnisch ist das Geflecht 12 von besonderer Bedeutung. Denn von der Gesamtheit
und Gesamtzahl der Bündel 4a, 7a verlaufen die eine Hälfte der Bündel 4a, 7a schraubenförmig
im Uhrzeigersinn um die Längsachse des Koaxialkabels 1, die andere Hälfte der Bündel
4a, 7a schraubenförmig gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse, so dass zwischen
den sich kreuzenden Bündeln 4a, 7a ein Flechtwinkel liegt, der im Fall der Ausführungsvariante
in Figur 4 etwa 50° beträgt. Dies bewirkt, dass sich die elektromagentischen Felder
um die einzelnen Bündel abschwächen, was wiederum einen Beitrag zur Reduzierung der
induktiven Verluste leistet.
[0032] Die einzelnen Bündel 4a, 7a sind nicht gesondert ummantelt. Dies hat zum Vorteil,
dass sie in ihrer Querschnittsform nicht festgelegt sind. So sind die Einzeldrähte
im Querschnitt der Bündel 4a, 7a betrachtet nicht kreisrund angeordnet sondern annähernd
oval. D.h. dass die Bündel 4a, 7a sind eher flach ausgebildet, was eine Wirkung des
axialen Zuges am Koaxialkabel bzw. an dem jeweiligen Geflecht 12 ist. Hierdurch liegen
die Bündel 4a, 7a dicht aneinander, so dass keine offenen Maschen bestehen. Das Geflecht
12 bewirkt insgesamt ein absolut dichtes elektromagnetisches Feld mit geringer Streuwirkung,
was ebenfalls die induktiven Verluste des Koaxialkabels 1 reduziert.
[0033] Schließlich ist räumlich noch zu berücksichtigen, dass die Geflechte 12 zu einem
lokal höheren Füllgrad in dem jeweiligen Ringraum des Koaxialkabels 1 führen, in dem
der erste bzw. zweite Leiter 4, 7 liegt, weil der Querschnitt der Bündel 4a, 7a auf
den Umfang des jeweiligen Leiters 4, 7 verteilt ist. Dies kann man sich leicht anhand
Figur 1 klar machen, wenn man berücksichtigt, dass bei kreisrunden Bündeln 4a, 7a
Freiräume bildende Zwickel zwischen zwei benachbarten Bündeln 4a, 7a und der Isolationsschicht
5, 6 liegen. Bei kreisrunden Bündeln 4a, 7a wie sie in Figur 1 vorhanden sind, entspricht
die radiale Dicke der elektrischen Leiter 4, 7 jeweils dem Durchmesser der Bündel
4a, 7a, wobei zwischen zwei benachbarten Bündeln 4a, 7a jeweils von den elektrischen
Leitern 4, 7 ungenutzte Zwickel liegen.
[0034] Gegenüber einer solchen Anordnung sind die einzelnen Einzeldrähte der Bündel 4a,
7a des ersten und zweitens Leiters 4, 7 jeweils homogen auf den den entsprechenden
elektrischen Leiter 4, 7 tragenden Ring im Querschnitt des Koaxialkabels 1 verteilt,
so dass nahezu vollumfänglich die gesamte radiale Dicke des jeweiligen Ringraums mit
den Einzeldrähten ausgefüllt ist. Dies bewirkt wiederum, dass die radiale Dicke des
jeweiligen Ringraums mit geflochtenen Bündeln 4a, 7a gemäß Figur 4 bei gleichem Leiterquerschnitt
kleiner ist, als im Falle der runden Bündel 4a, 7a in Figur 1. Dies hat zum Vorteil,
dass der erste und der zweite elektrische Leiter 4, 7 näher aneinander liegen, d.h.
einen geringeren radialen Abstand zueinander haben. Der radiale Abstand ist maßgeblich
für die Höhe der induktiven Verluste, so dass aufgrund des geflechtbedingt geringeren
Leiterabstands die induktiven Verluste auf ein Minimum reduziert werden.
[0035] Das Geflecht 12 aus Bündeln 4a, 7a des ersten und/ oder zweiten elektrischen Leiters
4, 7 führt zudem zu einer Reduzierung des Skin-Effekts und folglich zu einer Erhöhung
der stromdurchflossenen Querschnittsfläche, so dass das Koaxialkabel 1 mehr Strom/
Leistung zum Verbraucher 11 führen kann, als vergleichbare Kabel nach dem Stand der
Technik. Dies lässt sich damit erklären, dass bei dem Geflecht 12 der Abstand jedes
Bündels 4a, 7a von der Achse des Koaxialkabels 1 in radialer Richtung betrachtet annähernd
sinusförmig variiert. Wenn ein Bündel 4a, 7a ein anderes Bündel überkreuzt, liegt
es radial weiter außen, wenn es ein anderes Bündel unterkreuzt, liegt es radial weiter
innen. Damit verändert sich auch der Abstand jedes Bündels 4a, 7a des einen elektrischen
Leiters 4, 5 in Erstreckungsrichtung relativ gesehen zum anderen elektrischen Leiter
7, 4.
[0036] Wie bezüglich Figur 4 erläutert, kommt es jedoch dazu, dass der Strom nur im radial
außen liegenden Oberflächenbereich des ersten elektrischen Leiters 4 und im radial
innen liegenden Oberflächenbereich des zweiten elektrischen Leiters 7 fließt. Je höher
die Frequenz ist, desto geringer ist die Eintauchtiefe des Stroms. Dadurch, dass jeder
Einzeldraht in seiner Erstreckungsrichtung mal mehr und mal weniger weit weg ist vom
jeweils anderen Leiter 4, 7, sich zudem auch um die Längsachse des jeweiligen Bündels
4a, 7a windet, und zudem der Strom in jedem Einzeldraht "gefangen" ist, wird die Eintauchtiefe
des Stroms im Vergleich zu nichtisolierten Einzeldrähten erhöht. Somit ist auch der
effektive Leitungsquerschnitt, der den Strom führt, größer. Dadurch wird die Belastung
des ersten und zweiten elektrischen Leiters 4, 7 reduziert bzw. kann bei gleicher
Belastung ein höherer Strom durch das Koaxialkabel 1 geführt werden.
[0037] Wie man anhand von Figur 4 erkennen kann, überkreuzt und unterkreuzt jedes Bündel
4a, 7a in dem Geflecht 12 in seiner Erstreckungsrichtung abwechselnd jeweils zwei
andere Bündel 4a, 7a.
[0038] Die Isolation der Einzeldrähte in den einzelnen Bündeln 4a, 7a gegeneinander erfolgt
durch Elektrolack, beispielsweise Polyethylen, und hat besondere Bedeutung für die
Reduzierung des Skin-Effekt. Denn durch die Isolation wirken die Einzeldrähte nicht
wie ein einziger elektrischer Leiter, in dem der Strom "überall" hin kann. Jedes Bündel
ist vielmehr die Summe einzelner Drähte, aus denen ein Strom -abgesehen vom Axialende-
nicht herausfließen kann. Dies führt dazu, dass sich der Strom bei den hohen Frequenzen
nicht an der Oberfläche eines Bündels "sammeln" kann, sondern allenfalls an der Oberfläche
eines Drahtes. Insgesamt wird dadurch der effektive vom Strom genutzte Querschnitt
der elektrischen Leiter 4, 7 erhöht.
[0039] Bei dem erfindungsgemäßen Koaxialkabel 1 ist die Isolationsschicht 5, 6 zwischen
dem ersten elektrischen Leiter 4 und dem zweiten elektrischen Leiter 7 durch einen
Schlauch aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) hergestellt. Dieses Material ist
diffusionsdicht und elektrisch gut isolierend, sodass der radiale Abstand der beiden
elektrischen Leiter 4, 7 kleiner ist als beim Stand der Technik gemäß Figur 1.
[0040] Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Koaxialkabels 1 in
perspektivischer Ansicht, wobei eine teilweise schematische Darstellung gewählt und
ein Teil des Kabels 1 aufgeschnitten ist, um den inneren Aufbau erkennen zu können,
der im Wesentlichen dem Aufbau in den Figuren 1 und 2 entspricht. Das axiale Ende
des Koaxialkabels 1 weist einen Anschlusskopf 13 auf, um das Kabel 1 mit einem Verbraucher
11 oder einer Spannungsquelle, beispielsweise einem Transformator, zu verbinden. Im
Anschlusskopf erfolgt die Einspeisung des Stroms in die einzelnen Bündel 4a, 7a des
ersten und zweiten elektrischen Leiters 4, 7.
[0041] Schematisch sind in Figur 5 die den ersten und zweiten elektrischen Leiter 4, 7 bildenden
Schichten dargestellt, die jeweils durch eine Anzahl ringförmig angeordneter Bündel
4a, 7a aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter Einzeldrähte gebildet sind. Gegenüber
dem Stand der Technik sind die Schichten jedoch erfindungsgemäß als Geflecht 12 ausgebildet.
Eine vergrößerte und schematische Darstellung zweier beispielhafter Geflechtstrukturen
ist in Figuren 5a und 5b dargestellt. Figur 5a zeigt eine einfache Geflechtstruktur,
bei der jedes Bündel 4a, 7a ein einziges kreuzendes Bündel 4a, 7a abwechselnd überberückt
und unterbrückt. Demgegenüber zeigt Figur 5b die Geflechtstruktur aus Figur 4, bei
der jedes Bündel 4a, 7a zwei kreuzende Bündel 4a, 7a abwechselnd überberückt und unterbrückt.
Es sei allerdings angemerkt, dass bei den Geflechten 12 in den Figuren 5a und 5b ein
Geflechtwinkel von etwa 90° vorliegt, wohingegen ein geringerer Geflechtwinkel bevorzugt
ist, um eine einfache Verbindung der Bündel mit dem Anschlusskopf zu erreichen. Rein
schematisch ist hier jedes Bündel durch drei Einzeldrähte repräsentiert, obgleich
jedes Bündel aus einer Vielzahl von Einzeldrähten besteht.
[0042] Ein weiterer Unterschied der Variante in Figur 5 gegenüber dem Kabel in Figuren 1
und 2 besteht darin, dass sowohl der Innenleiter 4 als auch der Außenleiter 7 jeweils
aus zwei Geflechten 12 besteht. Der erste und der zweite elektrische Leiter 4, 7 sind
jeweils aus Bündeln 4a, 7a gebildet, die in zwei zueinander konzentrischen Kreisen
angeordnet sind. Dabei bilden die Bündel 4, 7a der beiden Kreise jeweils ein eigenes
Geflecht 12. Es liegen folglich zwei Geflechte 12 übereinander. So hat der Außenleiter
7 ein inneres Geflecht 7.1 und ein äußeres Geflecht 7.2 und der Innenleiter 4 ein
inneres Geflecht 4.1 und ein äußeres Geflecht 4.2. Während ein einziges Geflecht beispielsweise
zu einem Leiterquerschnitt von 70mm
2 führt, kann dieser Leiterquerschnitt durch eine zweite Geflechtlage beispielsweise
auf 140mm
2 verdoppelt werden.
[0043] Mit dem erfindungsgemäßen Hochleistungskoaxialkabel ist erstmals eine weiterführende
Skin-Effekt-Reduzierung integriert zur Steigerung der Effizienz für industrielle Anwendungen.
Dabei werden die induktiven Verluste um bis zu 50% reduziert und der nutzbare Leiterquerschnitt
im relevanten Frequenzband von ca. 20% auf bis zu 35% gesteigert.
[0044] Von besonderem Vorteil ist der modulare Aufbau des Koaxialkabels 1, da es mehrere
Möglichkeiten gibt, eine entsprechende Anpassung des Leiterquerschnitts an eine bestimmte
Verwendung vorzunehmen. So ist der Querschnitt der elektrischen Leiter in erster Linie
dadurch definiert,
- wie viele Bündel in Umfangsrichtung vorhanden sind, wodurch u.a. der Kabeldurchmesser
beeinflusst wird,
- wie viele Drähte jedes Bündel hat, wodurch letztendlich der Durchmesser der einzelnen
Bündel beeinflusst wird,
- welchen Durchmesser die Einzeldrähte haben, und
- wie viele Geflechtlagen übereinander liegen.
[0045] Durch entsprechende Wahl dieser Parameter kann das erfindungsgemäße Koaxialkabel
an jede Anwendung angepasst werden, so dass weder eine teure Überdimensionierung noch
eine risikobehaftete Unterdimensionierung erfolgen kann.
Bezugszeichenliste
[0046]
- 1
- Koaxialkabel
- 2
- Innerer Hohlraum
- 3
- Innenspirale
- 4
- Innenleiter
- 4a
- Seilbündel des Innenleiters
- 4.1
- inneres Geflecht des Innenleiters
- 4.2
- äußeres Geflecht des Innenleiters
- 5
- Innerer Kühlschlauch
- 6
- Isolationsschicht
- 7
- Außenleiter
- 7a
- Seilbündel des Außenleiters
- 7.1
- inneres Geflecht des Außenleiters
- 7.2
- äußeres Geflecht des Außenleiters
- 8
- Äußerer Kühlschlauch
- 9
- Innere Kühlwasserkammer
- 10
- Äußere Kühlwasserkammer
- 11
- Spule, Verbraucher, Induktionsofen
- 12
- Geflecht
- 13
- Anschlusskopf
1. Koaxialkabel (1) zur Übertragung von Hochströmen im Bereich von mehreren hundert bis
mehreren tausend Ampere bei Hochfrequenzen im Kilohertzbereich, mit einem ersten elektrischen
Leiter (4) für eine erste Stromphase und einem koaxial zu diesem angeordneten zweiten
elektrischen Leiter (7) für eine zweite Stromphase, die jeweils durch eine Anzahl
ringförmig angeordneter Bündel (4a, 7a) aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter
Einzeldrähte gebildet sind, wobei zwischen dem ersten und zweiten Leiter (4, 7) eine
elastische Isolationsschicht (5, 6) zur Verhinderung eines Spannungsüberschlags liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (4, 7a) des ersten und/ oder zweiten elektrischen Leiters (4, 7) ein Geflecht
(12) bilden.
2. Koaxialkabel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (4a, 7a) in dem Geflecht (12) in seiner Erstreckungsrichtung abwechselnd
jeweils zwei andere Bündel (4a, 7a) überkreuzt und unterkreuzt.
3. Koaxialkabel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation der Einzeldrähte durch einen Lack, insbesondere Elektrolack gebildet
ist.
4. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldrähte jedes Bündels (4a, 7a) um die Längsachse des jeweiligen Bündels
(4a, 7a) gewunden sind.
5. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldrähte einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5mm aufweisen.
6. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich kreuzende Bündel (4a, 7s) in einen Flechtwinkel zwischen 30° und 60° zueinander
liegen,
7. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Isolationsschicht aus EPDM hergestellt ist.
8. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/ oder der zweite elektrische Leiter (4, 7) von Bündeln (4a, 7a) aus
einer Vielzahl gegeneinander isolierter Einzeldrähte gebildet sind, die in zwei konzentrischen
Kreisen angeordnet sind, wobei die Bündel (4, 7a) der beiden Kreise jeweils ein eigenes
Geflecht (12) bilden.
9. Koaxialkabel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite elektrische Leiter (4, 7) in einer flüssigkeitsdurchströmbaren
Kammer (9, 10) einliegen.
1. Coaxial cable (1) for the transmission of high currents in the range of several hundred
to several thousand ampere in the high-frequency kilohertz range, with a first electrical
conductor (4) for a first current phase and a second electrical conductor (7) arranged
coaxially to the first for a second current phase, respectively formed by a number
of bundles arranged in a ring shape (4a, 7a) made of numerous individual wires that
are insulated against each other, with the first and second conductor (4, 7) being
separated by an elastic insulating layer (5, 6) to prevent a voltage flash-over, characterised by the bundles (4, 7a) of the first and/or second electrical conductor (4, 7) forming
a mesh (12).
2. Coaxial cable (1) according to claim 1, characterised by each bundle (4a, 7a) in the mesh (12) in its extension direction alternately crossing
over and under two other bundles (4a, 7a) respectively.
3. Coaxial cable (1) according to claim 1 or 2, characterised by the insulation of the individual wires being formed by a lacquer, in particular electrical
lacquer.
4. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by the individual wires of each bundle (4a, 7a) being wound around the longitudinal
axis of the respective bundle (4a, 7a).
5. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by the individual wires having a diameter of 0.1 mm to 0.5 mm.
6. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by two bundles that cross over each other (4a, 7s) positioned at a 30° and 60° angle
of twist relative to each other.
7. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by the elastic insulation layer being made of EPDM.
8. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by the first and/or second electrical conductor (4, 7) of the bundles (4a, 7a) consisting
of numerous individual wires that are insulated against each other, arranged in two
concentric circles, with the bundles (4, 7a) of the two circles respectively forming
their own mesh (12).
9. Coaxial cable (1) according to one of the preceding claims, characterised by the first and second electrical conductors (4, 7) lying in a chamber (9, 10) that
liquid can flow through.
1. Câble coaxial (1) de transmission de courants élevés dans une plage de plusieurs centaines
à plusieurs milliers d'ampères à hautes fréquences dans une plage de l'ordre du kilohertz,
composé d'un premier conducteur électrique (4) pour une première phase de courant
et d'un second conducteur électrique (7), placé coaxialement au premier, pour une
seconde phase de courant, lesquels conducteurs étant composés d'un certain nombre
de faisceaux en anneau (4a, 7a) de brins isolés les uns des autres, sachant que le
premier et le second conducteur (4, 7) sont séparés par une couche d'isolation élastique
(5, 6) destinée à prévenir une surtension, caractérisé en ce que les faisceaux (4a, 7a) du premier et/ou du second conducteur électrique (4, 7) forment
une tresse (12).
2. Câble coaxial (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque faisceau (4a, 7a) de la tresse (12), dans la direction d'extension, croise
en alternance par le dessus et par le dessous deux autres faisceaux (4a, 7a).
3. Câble coaxial (1) selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'isolation des brins est formée par une couche de laque, plus particulièrement d'une
couche de laque électro-isolante.
4. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brins de chaque faisceau (4a, 7a) sont enroulés le long de son axe longitudinal.
5. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brins ont une section de 0,1 mm à 0,5 mm.
6. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux faisceaux (4a, 7a) sont tressés ensemble selon un angle entre 30° et 60°.
7. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'isolation élastique est en EPDM.
8. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et/ou le second conducteur électrique (4, 7) des faisceaux (4a, 7a) sont
composés de brins isolés les uns des autres et disposés en cercles concentriques,
sachant que les faisceaux (4a, 7a) des deux cercles forment chacun une tresse (12).
9. Câble coaxial (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le second conducteur électrique (4, 7) sont placés dans une chambre
(9, 10) pouvant être traversée par un liquide.