Stromleiter mit umgesetzten Teilleitern

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Stromleiter (1) der Starkstromtechnik, welcher zur Verminderung der Leitungsverluste infolge von Stromverdrängung bei Wechselstrombetrieb in parallelgeschaltete, nebeneinanderlaufende und gegeneinander isolierte sowie abwechselnd bezüglich ihrer gegenseitigen Lage vertauscht geführte Teilleiter (2, 2') unterteilt ist, wobei die Teilleiter (2,2') aus koaxial angeordneten Rohrabschnitten (3,3') verschiedener Weiten bestehen, deren Enden durch Übergänge (4) miteinander verbunden sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Stromleiter, der zur Verminderung der Leitungsverluste infolge von Stromverdrängung bei Wechselstrombetrieb in parallelgeschaltete, nebeneinanderlaufende und gegeneinander isolierte sowie abwechselnd b_e- züglich ihrer gegenseiten Lage vertauscht geführte Teilleiter unterteilt ist.

[0002] Der vorgeschlagene Stromleiter findet Anwendung in der Starkstromtechnik und.zwar insbesondere bei Kabeln, in Schaltanlagen, als Verbindung zwischen Generatoren und Transformatoren oder als Sammelschiene, wo er zur Leitung von Wechselströmen von 1000 Ampere und mehr dient, sowie in der Hochfrequenztechnik.

[0003] Bei der Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie besteht grundsätzlich die Aufgabe, den elektrischen Widerstand aller stromführender Leiter so gering wie wirtschaftlich vertretbar zu halten, damit Energieverluste und damit die Erwärmung klein bleiben. Bekanntlich ist für die Fortleitung eines Gleichstromes der reine ohmsche Widerstand des gesamten Leiterquerschnittes maßgeblich, während bei Wechselstrom die für die Stromführung wirksame Querschnittsfläche durch die Stromverdrängung (den "Skineffekt") erheblich reduziert wird, sodaß bei einem Massivleiter kreisförmigen Querschnittes nur eine kleine, oberflädhennahe Kreisringzone die Stromleitung übernimmt; dadurch wird der bei Wechselstrombetrieb wirksame Leiterwiderstand erheblich größer als derjenige bei Betrieb mit Gleichstrom.

[0004] Maßnahmen zur Unterdrückung der Stromverdrängung sind seit annähernd 100 Jahren im Elektromaschinenbau bekannt. Bei hohen Stromstärken werden die Leiter einer Wicklung zur Vermeidung von zusätzlichen Verlusten durch den Skineffekt in parallele, isolierte Einzelleiter aufgeteilt. Der erste zusammengesetzte Leiterstab war wohl durch die britische Patentschrift 12 880 schon im Jahre 1886 bekannt geworden, wo zwei übereinander in der Nut einer elektrischen Maschine liegende Kupferbänder in der Nutmitte verschränkt wur-• den. Inzwischen sind eine größere Anzahl von Leiter rechteckigen Querschnittes entwickelt worden, die aus mehreren, in Schichten liegenden Teilleitern zusammengesetzt sind, die ihre Lage innerhalb des Gesamtquerschnittes zyklisch ändern. Nachteilig bei diesen Rechteckleitern - von denen der bekannteste der sogenannte "Roebelstab" sein dürfte - ist der Umstand, daß die Vertauschung der Lage der Teilleiter wegen der Verkettung mit dem Magnetfeld nur in einer Richtung erfolgt, was für die Anwendung bei elektrischen Maschinen zwar vorteilhaft ist, jedoch eine etwaige Anwendung inKabeln bzw.Schaltanlagen so wenig sinnvoll erscheinen läßt,daß eine solche bisher offenbar nicht stattfand. Stromleiter mit verminderter Stromverdrängung, die zylindrischen Querschnitt aufweisen und bei welchen eine radialsymmetrische Vertauschung der Teilleiter stattfindet, sind bisher nicht bekannt geworden.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Konzeption eines Stromleiters, der zur Verminderung der Leitungsverluste infolge von Stromverdrängung in Teilleiter unterteilt ist und der zum Zwecke der Erschließung neuer Anwendungsgebiete bei radialsymmetrischer Vertauschung seiner Teilleiter einen zylindrischen Querschnitt aufweist.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Stromleiter der eingangs beschriebenen Art ausgegangen und gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Teilleiter aus koaxial angeordneten Rohrabschnitten verschiedener Weiten bestehen, deren Enden durch Übergänge miteinander verbunden sind. Bei einem derartig zusammengesetzten Stromleiter geschieht die erforderliche Vertauschung dadurch, daß in gewissen Abständen jeweils der innerste Teilleiter mittels eines Überganges nach ganz außen geführt und dadurch zum äußersten Teilleiter wird, und an der gleichen Stelle die Position der anderen Teilleiter durch andere Übergänge ebenfalls geändert wird. Dadurch haben alle Teilleiter nach einigen solchen Vertauschungen den gleichen Wechselstromwiderstand und sie führen den gleichen Teilstrom. Diese gleichmäßige Stromverteilung hat zur Folge, daß es durch den Skineffekt zwar zu einer Stromverdrängung im einzelnen Teilleiter, nicht aber zu einer solchen im Gesamtquerschnitt kommt. Aus diesem Grunde weist der erfindungsgemäße, allgemein verwendbare zylindrische Stromleiter einen besonders niedrigen Wirkwiderstand bei Wechselstrom auf.

[0007] Die Übergänge können entweder radial oder konisch ausgebildet sein.

[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht jeder Teilleiter aus mindestens zwei gleich ausgebildeten und hintereinander geschalteten, aus wenigstens zwei mittels Ausnehmungen aufweisenden Übergängen miteinander verbundenen Rohrabschnitten verschiedener Weiten hergestellten Leiterelementen, die koaxial angeordnet und so ineinander geschoben sind, daß die Rohrabschnitte grösseren Durchmessers über denjenigen kleineren Durchmessers stecken und das freie Ende jedes Rohrabschnittes mit der kleinsten Weite mit dem freien Anfang des Rohrabschnittes mit der größten Weite des benachbarten Leiterelementes durch die Ausnehmungen durchsetzende Verbindungsstücke verbunden sind. Ein solcher Stromleiter läßt sich relativ einfach herstellen, weil er aus lauter gleich ausgebildeten Bauteilen zusammengesetzt ist.

[0009] Zweckmäßig sind die konischen Übergänge als die Ausnehmungen tragende Kegelstümpfe ausgebildet. Diese Ausführung erlaubt eine besonders kompakte, kurze Bauart der Übergänge.

[0010] Als Verbindungsstücke dienen vorteilhaft Hülsen, die mittels sie durchsetzender Schraubenbolzen zwischen die Rohrabschnitte eingeklemmt sind.

[0011] Es kann für die Herstellung und die Montage des vorgeschlagenen Stromleiters von Vorteil sein, wenn die Übergänge getrennte Bauteile sind, die mit Verbindungseinrichtungen versehene Rohrstutzen tragen, an welche die Rohrabschnitte beiderseits angesetzt werden können.

[0012] Bei hochbelasteten Stromleitern ist es zweckmäßig, wenn zu Zwecken der Zwangsbelüftung im Innern der Leiterelemente ein Lüftungskanal vorgesehen ist. Wird eine Selbstbelüftung vorgezogen, dann weisen die Rohrabschnitte Querbohrungen auf.

[0013] Zu der erforderlichen gegenseitigen Isolation der Teilleiter gegeneinander sind vorteilhaft zwischen den Leiterelementen Abstandshalter aus Isoliermaterial vorgesehen. Solche Abstandshalter behindern eine Zwangskühlung der Teilleiter nur sehr wenig.

[0014] Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromleiter mit zwei koaxialen Teilleitern in einem Längsschnitt, schematisch dargestellt;

Fig. 2 einen Stromleiter mit drei koaxialen Teilleitern in einem Längsschnitt, schematisch dargestellt;

Fig. 3 einen Stromleiter mit. vier koaxialen Teilleitern in einem Längsschnitt, ebenfalls schematisch dargestellt;

Fig. 4 einen Stromleiter mit drei koaxialen Teilleitern, die aus Leiterelementen zusammengesetzt sind, in einem verkürzten Längsschnitt;

Fig. 5 den Stromleiter nach Fig. 4 in einem Querschnitt, geschnitten entlang der Linie .V - V in Figur 4;

Fig. 6 ein Leiterelement des Stromleiters gemäß Figur 4, in einem verkürzten Längsschnitt;

Fig. 7. einen als gesonderten Bauteil konisch ausgebildeten Übergang in Gestalt von Kegelstümpfen, in einem Längsschnitt.

[0015] Ein erfindungsgemäßer Stromleiter 1 weist in seiner einfachsten Ausführungsform - vergleiche Figur 1 - zwei elektrisch parallel geschaltete Teilleiter 2 und 2' auf, die aus koaxial angeordneten Rohrabschnitten 3, 3' bestehen. Die Enden dieser Rohrabschnitte 3, 3', welche kreisförmigen, elliptischen oder auch einen mehreckigen Querschnitt aufweisen können, sind an mehreren Stellen durch Übergänge 4 miteinander verbunden. Die Teilleiter 2 und 2' sind an ihrem Anfang sowie ihrem Ende an einer gemeinsamen Anschlußplatte 5 befestigt. D-ie Rohrabschnitte 3,3'..., . die Übergänge 4 und die Anschlußplatte 5 bestehen aus einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer geeigneten Legierung.

[0016] Die Rohrabschnitte 3,3'... weisen verschiedene Weiten auf, für einen aus zwei Teilleitern 2, 2' bestehenden Stromleiter 1 (Fig.1) bedarf es einer Anzahl von Rohrabschnitten 3,3' von zwei verschiedenen Weiten. Für einen Stromleiter 1 aus drei Teilleitern 2, 2' und 2'' (vgl. Fig.2) werden Rohrabschnitte 3, 3' und 3" mit drei verschiedenen Weiten benötigt, und für einen Stromleiter 1 aus vier Teilleitern sind Rohrabschnitte mit vier unterschiedlichen Weiten erforderlich (Fig.3) usw.

[0017] Der Stromleiter 1 weist in verschiedenen periodischen Abständen Vertauschungsstellen 6 auf, an welchen die Enden der Rohrabschnitte 3,3',3" ... durch die Übergänge 4 sozusagen "über Kreuz" miteinander verbunden sind. Diese Verbindung geschieht so, daß bei dem aus zwei Teilleitern 2 und 2' bestehenden Stromleiter 1 nach Figur 1 jeder der beiden nebeneinander laufenden und durch die Anschlußplatten 5 parallel geschalteten Teilleiter 2 und 2' abwechselnd einmal nach innen und einmal nach außen geführt ist. Bei drei Teilleitern 2,2' und 2" (Fig.2) wird durch die Übergänge 4 die Lage der Teilleiter 2,2',2" fortwährend zyklisch vertauscht, sodaß der an die Anschlußplatte 5 angesetzte, zunächst ganz innen liegende Teilleiter 2 in Gestalt des Rohrabschnittes 3" an der ersten Vertauschungsstelle 6 durch den Übergang 4 nach außen geführt wird; bei der nächsten Vertauschungsstelle 6 wird er in die Mitte zwischen die beiden anderen Rohrabschnitte 3 und 3' geführt, und bei der dritten Vertauschungs- ' stelle 6 wird er wieder nach innen geführt usw..Im Zuge jedes Stromleiters 1 wird auf diese Weise jeder der drei Teilleiter 2,2',2" über die Gesamtlänge des Stromleiters 1 zu jeweils einem Drittel innen, in der Mitte und außen geführt, sodaß der Stromleiter 1 damit zwischen seinen beiden Anschlußplatten 5 bei Wechselstrombetrieb einen nach Betrag und Komponenten gleichen Scheinwiderstand aufweist. Aus diesem Grunde verteilt sich der in ihm fließende Strom gleichmäßig auf die drei Teilleiter 2,2' und 2" , sodaß der Skineffekt nur zu einer Stromverdrängung innerhalb eines einzelnen Teilleiters 2,2' bzw. 2", nicht jedoch zu einer Verdrängung im gesamten Querschnitt des Stromleiters 1 führt.

[0018] Durch Verwendung von vier koaxialen Teilleitern 2,2',2'' und 2"' (Fig.3) läßt sich der nachteilige Effekt der Stromverdrängung noch weiter verringern. Eine weitere Verminderung der Leitungsverluste durch Vergrößerung der Anzahl der parallel geführten Teilleiter ist möglich, dabei steigt jedoch der technische Aufwand progressiv. Eine sinnvolle Grenze liegt dort, wo die Wandstärke der Teilleiter 2,2'... gleich der Eindringtiefe des Wechselstromes entsprechend dem Skineffekt ist. Dabei kann u.U. jeder Teilleiter 2,2'... selbst wieder aus zwei oder mehreren, entsprechend den Figuren 1 bzw. 2 oder 3 aufgebauten Teilleitern bestehen, wobei zur zyklischen Vertauschung Haupt- und Nebenvertauschungsstellen vorgesehen werden müssen.

[0019] Alle Teilleiter 2,2'... sind gegeneinander für eine Spannung von einigen Volt elektrisch isoliert. Auch an den Übergängen 4 laufen die Teilleiter 2 elektrisch voneinander getrennt aneinander vorbei, weshalb diese in besonderer Weise - bei radialem oder konischen Aufbau - ausgebildet sein müssen.

[0020] Eine konkrete Ausführungsform der Erfindung stellt der in den Figuren 4 bis 6 wiedergegebene Stromleiter 1 dar. Hier besteht jeder der drei Teilleiter 2, 2' und 2" aus einer Anzahl von gleich angeordneten Leiterelementen 7 - siehe Figur 6. Jedes dieser Leiterelemente 7 besteht aus drei mit Hilfe von radial ausgebildeten Übergängen 4 miteinander verbundenen Rohrabschnitten 3,3' und 3" verschiedener Weite. Im Bereich der Übergänge 4 sind vier kreisförmige Ausnehmungen 8 angeordnet, im Bereich des freien Anfanges des Rohrabschnittes 3" mit der größten Weite sitzen vier Löcher 9 und im Bereich des freien Endes des Rohrabschnittes 3 mit der geringsten Weite befinden sich Gewindelöcher 10. Die Ausnehmungen 8, die Löcher 9 und die Gewindelöcher 10 liegen jeweils unter Zentriwinkeln von 90 Grad. Der Rohrabschnitt 3 mit der geringsten Weite ist von einem Lüftungskanal 11 durchsetzt, alle Rohrabschnitte 3,3' und 3'' besitzen kreisringförmigen Querschnitt.

[0021] Zur Bildung des aus den drei Teilleitern 2,2',2" bestehenden Stromleiters 1 gemäß Figur 4 sind eine Anzahl von Leiterelementen 7 so ineinander geschoben, daß die Rohrabschnitte 3... größeren Durchmessers jeweils über denjenigen kleineren Durchmessers stecken - vgl. Figur 4. Das freie Ende jedes Leiterlementes 7 (bzw. das freie Ende jedes Rohrabschnittes 3 mit der kleinsten Weite) ist mit dem freien Anfang jedes benachbarten Leiterelementes 7 (bzw. dem freien Anfang jedes Rohrabschnittes 3" mit der größten Weite des benachbarten Leiterelementes 7) mit Hilfe von Verbindungsstücken 12 elektrisch miteinander verbunden, welche durch die Ausnehmungen 8 hindurchgreifen. Diese Verbindungsstücke 12 sind Hülsen 13, welche von Schraubenbolzen 14 durchsetzt werden. Die Hülsen 13 sind jeweils zwischen die Rohrabschnitte 3" mit der größten Weite und die Rohrabschnitte 3 mit der geringsten Weite mit Hilfe der festgezogenen Schraubenbolzen 14 eingeklemmt, sodaß sie eine elektrische Verbindung herstellen, während sie gegen die Ausnehmungen 8 elektrisch isoliert sind.

[0022] Zwischen den Leiterelementen 7 sind pilzförmige Abstandshalter 15 aus einem elektrisch nicht leitenden Material vorgesehen.An deren Stelle können auch die Leiterelemente 7 mit einer fest aufgebrachten,die ganze Oberfläche oder wesentliche Teile davon bedeckende Isolierschicht versehen sein. Die Teilleiter 2, 2' und 2" sind an ihrem Anfang und am Ende mit Schrauben 16 an den aus einem gut leitenden leitenden Metall bestehenden Anschlußplatten 5 angeschraubt, mit deren Hilfe die Parallelschaltung der drei Teilleiter 2,2',2" bewirkt wird.

[0023] Der in Figur 7 wiedergegebene Übergang 4 für einen aus drei Teilleitern 2,2' und 2" bestehenden Stromleiter 1 ist ein gesonderter Bauteil, an welchem die drei koaxialen, gleichlangen Rohrabschnitte 3,3' und 3" beiderseits mittels Verbindungseinrichtungen 17 (in Gestalt von Außengewinden) befestigt werden können. Dieser Übergang 4 besteht aus insgesamt sechs Rohrstücken 18 a - f mit drei verschiedenen, den Rohrabschnitten 3, 3', 3" entsprechenden Weiten. Die Verbindung des mittleren Eingangs-Rohrstückes 18 b mit dem inneren Ausgangs-Rohrstück 18 d sowie diejenige des äußeren Eingangs-Rohrstückes 18 c mit dem mittleren Ausgangs-Rohrstück 18 e geschieht durch Kegelstümpfe 19, welche Ausnehmungen 8 tragen. Vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Verbindungsstücke 12, bestehend aus einer Hülse 13, die von einem Schraubenbolzen 14 durchsetzt ist, stellen die elektrische Verbindung zwischen dem inneren Eingangs-Rohrstück 18 a und dem äußeren Ausgangs-Rohrstück 18 f her. Die Außengewinde auf den Enden der Rohrstücke 18 a - f ermöglichen ein Anschrauben der Rohrabschnitte 3,3' und 3" . An die Stelle dieser Gewinde können z.B. auch Steckverbindungen mit Kontaktfingern treten.

[0024] Der Lüftungskanal 11 dient zur Zwangskühlung der inneren Teilleiter mit Hilfe eines in Längsrichtung den Stromleiter 1 durchfließenden, gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums. Eine Verbesserung der Wärmeabfuhr der innen liegenden Teileiter kann auch durch Querbohrungen 20 (vgl.Fig.4 und 6) geschehen,die an bestimmten Stellen alle Teilleiter 2,2',2" so durchsetzen,daß sie in der späteren Einbaulage senkrecht stehen,damit eine natürliche Konvektion sich entwickeln kann.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugsziffern

[0025] 

1 Stromleiter

2,2'.. Teilleiter

3,3'.. Rohrabschnitt

4 Übergang

5 Anschlußplatte

6 Vertauschungsstelle

7 Leiterelement

8 Ausnehmung

9 Loch

10 Gewindeloch

11 Lüftungskanal

12 Verbindungsstück

13 Hülse

14 Schraubenbolzen

15 Abstandshalter

16 Schrauben

17 Verbindungseinrichtungen

18 a - f Rohrstück

19 Kegelstumpf

20 Querbohrung

Ansprüche

1. Stromleiter, der zur Verminderung der Leitungsverluste infolge von Stromverdrängung bei Wechselstrombetrieb in parallelgeschaltete, nebeneinanderlaufende und gegeneinander isolierte sowie abwechselnd bezüglich ihrer gegenseitigen Lage vertauscht geführte Teilleiter unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilleiter (2,2'...) aus koaxial angeordneten Rohrabschnitten (3,3'...) verschiedener Weiten bestehen, deren Enden durch Übergänge (4) miteinander verbunden sind.

2. Stromleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Übergänge (4) radial ausgebildet sind.

3. Stromleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Übergänge (4) konisch ausgebildet sind.

4. Stromleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Teilleiter (2,2'...) aus mindestens zwei gleich ausgebildeten und hintereinander geschalteten, aus wenigstens zwei mittels Ausnehmungen (8) aufweisenden Übergängen (4) miteinander verbundenen Rohrabschnitten (3,3'...) verschiedener Weiten hergestellten Leiterelementen (7) besteht, die koaxial angeordnet und so ineinander geschoben sind, daß die Rohrabschnitte größeren Durchmessers über denjenigen kleineren Durchmessers stecken und das freie Ende jedes Rohrabschnittes mit der kleinsten Weite mit dem freien Anfang des Rohrabschnittes mit der größten Weite des benachbarten Leiterelementes durch die Ausnehmungen (8) durchsetzende Verbindungsstücke (12) verbunden sind.

5. Stromleiter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Übergänge (4) als die Ausnehmungen (8) tragende Kegelstümpfe (19) ausgebildet sind.

6. Stromleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Verbindungsstücke (12) Hülsen (13) dienen, die mittels sie durchsetzender Schraubenbolzen (14) zwischen die Rohrabschnitte (3,3'... eingeklemmt sind.

7. Stromleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a - durc h gekennzeichnet, daß die Übergänge (4) mit Verbindungseinrichtungen (17) versehene, Rohrstücke (18a - f) tragende Bauteile sind.

8. Stromleiter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß im Innern der Leiterelemente (7) ein Lüftungskanal (11) vorgesehen ist.

9. Stromleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohrabschnitte (3, 3' ...) Querbohrungen (20) aufweisen.

10. Stromleiter nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Leiterelementen (7) Abstandshalter (15) aus Isoliermaterial vorgesehen sind.

Zeichnung