[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrisches Sektorleiterkabel vom Millikentyp.
[0002] In querschnittsgroßen Leitern von Einleiterkabeln hoher Wechselstrom-Übertragungsleistungen
treten unerwünschte Stromverdrängungsverluste durch den Skin- und den Proximityeffekt
auf. Durch den Skineffekt (ein Effekt der Selbstinduktion) werden im Leiterinneren
durch das wechselnde magnetische Eigenfeld Wirbelströme induziert, die die Stromdichte
im Leiterinneren schwächen und zur Leiteroberfläche hin verstärken, also eine inhomogene
Stromdichteverteilung (Stromverdrängung zur Leiteroberfläche hin) ergeben. Dies führt
zu zusätzlichen Verlusten, die 20 % der Gleichstromverluste und mehr betragen können.
Der Proximityeffekt (ein Effekt der Gegeninduktion) bewirkt zwischen den Leitern von
aneinandergrenzenden Phasen, dass der Strom in diesen Leitern auf eine Seite des Leiterquerschnitts
verdrängt wird.
[0003] Skin- und Proximityeffekt können durch den Einsatz von Kabeln mit Leitern des sogenannten
Millikentyps erheblich verringert werden, so dass heute die meisten Einleiterkabel
mit Querschnitten oberhalb von etwa 1100 mm
2 von diesem Typ sind. Als Stand der Technik seien beispielhaft erwähnt:
H. Millikens Patent US 1904162 von 1933,
DE 4036169 A1,
EP 0949636 A1 oder
US 2187213.
[0004] Als Vergleichsmaß für Zusatzverluste in verschiedenen Leitern wird ein Parameter
k
S definiert, der als dimensionslose Größe zwischen 0 und 1 liegt. Im Fall von k
S = 1 liegt ein kompakter zylindrischer Leiter vor, bei dem die Wechselstromverluste
maximal sind. Für k
S = 0 entsprechen die Leitungsverluste denen eines Leiters bei Gleichstrom.
[0005] Bei einem Leiter vom Millikentyp ist der Leiter in mehrere, gewöhnlich sechs, untereinander
gleiche Segmente geteilt. Diese sind gegeneinander isoliert, um einen zentralen Kanal,
der hohl ist oder mit Kunststoff gefüllt sein kann, verseilt und zu einem insgesamt
runden Leiter verpresst. Jedes Segment besteht aus mehreren Lagen von Einzelleitern
(Drähte), die um einen Segmentkern verseilt sind. Man fertigt zunächst einen normalen,
mehrdrähtigen, lageverseilten Rundleiter und verformt ihn dann zum Segment.
[0006] Das Funktionsprinzip eines Leiters vom Millikentyp besteht darin, dass ein Draht
der innerhalb der Schlaglänge (Verseillänge) seiner Lage an einem Ort des Leiters
im unteren Bereich des Segments auftaucht und dort eine entsprechende Längsspannung
induziert bekommt, beim Vorrücken längs des Leiters aufgrund seiner Verseilung auch
im oberen Bereich des Segments auftaucht und dort eine diesem Ort entsprechende Längsspannung
induziert bekommt. Alle beim Durchlaufen der Schlaglänge induzierten Längsspannungen
addieren sich, so dass insgesamt eine mittlere Längsspannung induziert wird, die für
alle Drähte einer Lage gleichgroß ist, und die sich auch von den Längsspannungen der
übrigen Lagen desselben Segments nur wenig unterscheidet. Das Ergebnis ist eine Homogenisierung
der Stromdichte innerhalb eines jeden Segments, und damit eine Verringerung der Wirbelstromverluste.
[0007] Eine Verringerung der Wirbelstromverluste tritt schon dadurch auf, dass zwischen
den Einzelleitern immer (mehr oder weniger) gewisse Übergangswiderstände vorhanden
sind. Nach dem Stand der Technik werden die Übergangswiderstände dadurch erhöht, dass
isolierte Drähte (z. B. lack- oder emailleisolierte Kupferdrähte) eingesetzt werden.
[0008] Die Verwendung von isolierten Drähten führt insbesondere zu dem Nachteil, dass bei
der Konfektionierung des Kabels in Garnituren (Endverschlüsse, Muffen) die Isolierung
entfernt werden muss. Weil sich das farbliche Aussehen der Lackisolierung bei Kupfer-Drähten
praktisch nicht von nicht isolierten Kupferdrähten abhebt, besteht für den Monteur
die zusätzliche Schwierigkeit, überhaupt festzustellen, ob ein Draht noch eine Isolierung
trägt oder schon abisoliert ist. Ein Verfahren der Konfektionierung, bei dem die Isolierschicht
der Drähte durch nadelförmige Kontaktspitzen durchstoßen wird, (wobei das Abisolieren
vermieden wird), lässt sich bei Millikenleiter nicht anwenden, da dort relativ dünne
Leiterdrähte verwendet werden und keine geeignete Garnituren zur Verfügung stehen.
[0009] Aus der
US 2972658 ist bekannt, zur Reduzierung der Übertragungsverluste in Sektoren zusätzliche Isolierelemente
vorzusehen.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau eines Sektorleiterkabels vom
Millikentyp anzugeben, bei dem eine weitere Reduzierung der Übertragungsverluste erzielt
wird.
[0011] Die Lösung der Aufgabe wird im Kennzeichen des Hauptanspruchs formuliert, wobei weiterführende
Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angesprochen werden.
Der beanspruchte Gegenstand wird wie folgt umrissen:
[0012] Es handelt sich um einen elektrischen Leiter vom Millikentyp, bei dem der, in der
Regel rund ausgebildete Leiter in einem Hochspannungskabel in mehrere, vorzugsweise
fünf oder sechs, Segmente geteilt ist, die gegeneinander isoliert verseilt sind. Jedes
Segment besteht aus mehreren Lagen von verdichteten, strangförmigen Einzelleitern,
die um das Zentrum des Hochspannungskabels mit unterschiedlichen Schlaglängen verseilt
sind. Jedes Segment besteht aus einem Kern mehrerer nicht isolierter Einzelleiter.
Auf dem Segmentkern sind mindestens zwei Lagen von strangförmigen Einzelleitern aufgebracht.
Die auf dem Segmentkern aufliegende erste Lage ist gegen den Segmentkern durch eine
Isolierschicht getrennt und die weiteren aufliegenden (zweite und weitere) Lagen sind
ebenfalls gegeneinander durch eine Isolierschicht getrennt. In den auf den Segmentkern
aufgebrachten Lagen sind neben den Einzelleitern weitere nicht-leitende Elementen
vorhanden, so dass mindestens zwei durch die nicht-leitenden Elemente getrennte Gruppen
von Einzelleitern vorliegen.
[0013] Wesentlich ist, dass die nicht-leitenden Elemente die Einzelleiter isolierend voneinander
trennen und dass die Zahl der nicht-leitenden Elemente möglichst klein ist, aber mindestens
zwei nicht-leitende Elemente in einer Lage vorhanden sind. Die gesamten Querschnitte
der nicht-leitenden Elemente in einer Lage machen nur einen Bruchteil des Querschnitts
der Einzelleiter in einer Lage aus. Die nicht-leitenden Elemente in einer Lage berühren
die Isolierschichten der benachbarten Lage, so dass die Ausdehnung (Querschnitt) eines
nicht-leitenden Elements im Minimum so groß sein muss, dass er die Dicke der Lage
ausfüllt, jedoch die benachbarten Einzelleiter auf möglichst kurzer Distanz isolierend
voneinander trennt, also die Ausdehnung (Breite) sehr schmal ist. Der Leiterquerschnitt
(Querschnitt der Einzelleiter) in einer Lage sollte möglichst groß sein.
[0014] Das als wesentlich angemerkte Charakteristikum der Erfindung konnte in ausführlichen
messtechnischen Untersuchungen bestätigt werden. Der Verlustparameter k
S lässt sich deutlich absenken, wenn nur wenige nicht-leitende, strang- oder stabförmige
Elemente in den jeweiligen Lagen vorhanden sind, die die nicht isolierten Einzelleiter
voneinander isolierend trennen. Die Abstände der nicht-leitenden Elemente können regelmäßig
(gleichabständig) sein.
[0015] Die bevorzugten Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden im folgenden aufgezählt,
wobei die Merkmale im Einzelnen oder in Kombination miteinander verwirklicht sein
können.
[0016] Mindestens zwei strangförmige, nicht-leitende Elementen sind in einer Lage eines
Segments eingebracht und liegen in gleichmäßigem Abstand auf dem Umfang in einer Lage,
wodurch die in der Lage liegenden nicht isolierten Einzelleitern voneinander isolierend
getrennt werden.
[0017] Der Bruchteil des Querschnitts der nicht-leitenden Elemente in einer Lage des Segments
zum Querschnitt der Einzelleiter in derselben Lage kann in einem Bereich zwischen
5 und 10 % liegen.
[0018] Die Bruchteile des Querschnitts der nicht-leitenden Elemente zum Querschnitt der
Einzelleiter können von einer inneren zur nächst-äußeren Lage zunehmend ausgebildet
sein.
[0019] Die nicht-leitenden Elemente sind vorzugsweise aus stab- oder strangförmigem Isoliermaterial
gebildet, beispielsweise aus einem Stab oder Faden (Fasern) aus Kunststoff, der oder
die mit den Einzelleitern verseilt werden.
[0020] Die Einzelleiter können aus nicht isolierten Runddrähten bebildet sein, wobei dann
in einer Lage mehrere, möglicherweise durchmessergleiche Runddrähte nebeneinander
in Berührung stehen und eine leitende Gruppe bilden. Solche Gruppen werden von den
zuvor erwähnten Stäben oder Fäden aus Kunststoff voneinander getrennt. Die Einzelleiter
können auch aus flachem Bandmaterial gebildet sein. In einer Lage eines Segments würden
beispielsweise drei (oder vier) flache Einzelleiter aus Bandmaterial liegen, welche
jeweils von drei (oder vier) Kunststoff-Elementen voneinander isolierend getrennt
werden. Die flachen Einzelleiter aus Bandmaterial könnten beispielsweise aus Aluminium
hergestellt sein.
[0021] Wie erwähnt können die bandförmigen Leiterelemente als flaches Band ausgebildet sein,
die in ihrer Breitenerstreckung tangential zum Umfang einer Segmentlage liegen. Sie
können auch in ihrer Position in den Lagen konkav zum Segmentkern verformt sein, so
dass sie etwa auf dem Kreisumfang der zugehörigen Lage liegen.
[0022] Die nicht-leitenden Elemente (Stäbe oder Fäden) und die Isolierschicht auf dem Segmentkern
und zwischen den Lagen (als Folie) sollten aus einem wärmebeständigen Kunststoff (bis
200 °C) bestehen, beispielsweise kann die Folie 250 µm dick sein und aus Polyester
bestehen.
[0023] Die wesentlichen Eigenschaften eines herkömmlich bekannten Kabels vom Millikentyp
sollen in dem beanspruchten Gegenstand verwirklicht sein. Wesentlich sind hier die
Verdrillung (Drall) der Segmente bei unterschiedlicher Schlaglänge und die Verdichtung
der Segmente bzw. der Einzelleiter in den Segmenten.
[0024] Die Herstellung eines Sektorleiterkabels (im folgenden auch kurz nur mit 'Millikenleiter'
bezeichnet) erfolgt so, dass zunächst ein üblicher, mehrdrähtiger, lagenverseilter
Rundleiter gefertigt wird, dieser in einem Werkzeug (durch Walzen oder Strangpressen)
zum Segment verformt wird und schließlich die gleichförmigen Segmente, üblicherweise
5 oder 6, zum Millikenleiter verseilt werden. In der Kabelfertigungstechnik werden
insbesondere Strangpress-Anlagen eingesetzt, die unter der Bezeichnung Conform-Pressen
(= continuos forming nach Holton) in der Fachwelt bekannt sind (beispielsweise
EP 0494 755 A1).
[0025] Zur Herstellung eines Segments mit bandförmigen Leiterelementen kann man wie folgt
vorgehen. Es wird zuerst - wie beschrieben - ein Segmentkern hergestellt und dieser
mit einer temperaturstabilen Kunststoff-Folie umhüllt. Dieser Segmentkern wird (in
einer ersten Lage) mit mehreren bandförmigen Leitern (mindestens drei) umgeben, wobei
dieses Zwischenprodukt in einem Werkzeug (durch Walzen oder Strangpressen) verdichtet
wird. Die zwischen den bandförmigen Leitern vorhandenen Zwischenräume werden dann
in einer PE-Extrusionsanlage mit PE gefüllt. Anschließend wird eine weitere Kunststoff-Folie
zur Isolierung darüber gebracht und in Wiederholung des ersten Schritts weiterhin
eine Lage von bandförmigen Leitern aufgetragen. Abschließend erfolgt wiederum eine
Füllung der Zwischenräume in einem Extrusionsprozess.
[0026] Ein komplettes Hochleistungskabel umfasst mehrere Segmente und hat einen äußeren
Kabelmantel mit einem üblichen Aufbau, beispielsweise ein Kabelmantel aus einem Polymer
(PE, HDPE) (ältere Konstruktionen aus Öl-Papier-Isolierung). Unter dem Kabelmantel
liegen (von außen nach innen) ein Bleischirm, eine halbleitende Rußpapierschicht,
ein metallisches (kupfernes) Abschirmklebeband und die Kabelisolierung auf dem Millikenleiter.
Unter dem Kabelmantel kann noch eine Lage von Quellpapier oder Quellvlies zur Längswasserabdichtung
eingebracht sein. Im Zentrum oder Zwickel des Kabels kann anstelle eines Hohlkanals
Kunststoff eingebracht sein. Es hat sich bei einem Kabel mit Leitmaterial im Zentrum
gezeigt, dass sich der Verlustparameter k
S auch dadurch verringern lässt, wenn man die äquivalente Menge des Querschnitts an
Kupfer statt im Zentrum in den Segmenten unterbringt und das Zentrum mit Kunststoff
füllt.
[0027] Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der, folgenden Zeichnungen verdeutlicht.
[0028] Es zeigen
Fig. 1 ein Segment für einen Millikenleiter mit Rundleitern und
Fig. 2 ein weiteres Segment mit bandförmigen Leiterelementen.
[0029] Fig. 1 zeigt ein keilförmiges Segment 10 eines elektrischen Leiters vom Millikentyp,
bei dem sechs Segmente 10 den Leiter eines Hochleistungskabels bilden. Das Kabelzentrum
50 befindet sich unten, mit Bezugszeichen 52 ist der Schichtaufbau des Kabelmantels
angedeutet. Im Kabelzentrum kann ein Hohlraum ausgebildet oder mit Isolierstoff gefüllt
sein. Für bestimmte Hochleistungskabel kann das Kabelzentrum jedoch auch mit Leitermaterial
gefüllt sein.
[0030] Jedes Segment besteht aus einem Segmentkern 11 und im allgemeinen aus mehreren (in
den Figuren zwei) Lagen von verdichteten, strangförmigen Einzelleitern 30 aus Kupfer,
die um das Zentrum des Hochleistungskabels mit unterschiedlichen Schlaglängen verseilt
sind. Jedes Segment 10 ist gegen das benachbarte Segment isoliert (Isolierung 25 in
Fig. 2). In den Lagen 12, 14 liegen nicht-isolierte Einzelleiter 30, die durch die
Verformung bei der Segmentbildung eckigen Querschnitt erhalten haben. Die erste Lage
12 auf dem Segmentkern ist gegen den Segmentkern isoliert (Isolierschicht 16), ebenso
ist die erste gegen die zweite Lage 14 isoliert (Isolierschicht 16). In den auf den
Segmentkern 11 aufgebrachten Lagen 12,14 sind neben den Einzelleitern 30 (aus Kupfer)
strangförmige, nicht-leitende Elemente 40 vorhanden, die einzeln jeweils einen Querschnitt
haben, der etwa dem Querschnitt eines Einzelleiters 30 entspricht. Die nicht-leitenden
Elemente 40 können beispielsweise aus Stäben oder Fäden aus Kunststoff bestehen. In
der Fig. 1 sind beispielhaft in der ersten Lage drei und in der zweiten Lage vier
nicht-leitende Elemente 40 vorhanden.
[0031] In der Fig. 2 ist der Segmentkern 11 aufgebaut wie in Fig. 1. Auf dem Segmentkern
befinden sich ebenfalls zwei Lagen 12,14, die untereinander und gegen den Segmentkern
mit einer Isolierschicht 16 abgetrennt sind. Die Einzelleiter 32 der Fig. 2 sind bandförmige
Leiterelemente 32. Die Dicke eines bandförmigen Leiters entspricht der Schichtdicke
einer Lage. Die bandförmigen Leiter sind in ihrer Breitenerstreckung in dem außenliegenden
Bereich der Segmentlagen, der etwa einen Kreisbogen bildet, konkav zum Segmentkern
11 verformt. Benachbarte Segmente 10 sind untereinander mit einer Isolierschicht 25
getrennt. Wie in Fig. 1 ist auch diese Zeichnung beispielhaft, wo in jeder Lage drei
bandförmige Leiter 32 liegen, die durch drei Isolierelemente 42 getrennt sind, wobei
die Isolierelemente in einem Extrusionsverfahren eingebracht sein können, welches
zuvor als mögliches Herstellverfahren schon angesprochen wurde. Es dürfte dem Fachmann
klar sein, dass durch die Verdrillung des Segments sich die Position der Elemente
in den Lagen mit fortschreitender Länge des Segments verändert, so dass die in Fig.
2 gezeigte Position relativ zufällig ist, wo die Isolierelemente 42 in den Ecken liegen.
[0032] Abschließend sei ein Konstruktionsbeispiel eines Millikenleiters angegeben mit 1800
mm
2 Querschnitt und aus 6 Segmenten aufgebaut. Der Leiter hat einen Durchmesser von 53
mm. Im Leiter-, bzw. Kabelzentrum befindet sich durchgehend eine Kunststoff-Füllung
mit 12 mm Durchmesser.
Der Segmentkern besteht aus 18 Drähten von einer Dicke von je 2,58 mm;
die 1. Lage auf dem Kern besteht aus 17 Drähten von einer Dicke von je 2,58 mm bei
einer Schlaglänge von 280 mm und aus 2 Kunststoff-Fäden oder -Stäben; bzw. 16 Drähte
und 3 Kunststoff-Fäden oder -Stäbe;
die 2. Lage darüber besteht aus 23 Elementen (21 Drähte + 2 Isolierelemente; oder
20 Drähte oder 3 Isolierelemente) von einer Dicke von je 2,42 mm bei einer Schlaglänge
von 310 mm;
Bezugszeichen
[0033]
- 10
- Segment
- 11
- Segmentkern
- 12
- erste Lage auf dem Segmentkern
- 14
- zweite Lage auf dem Segmentkern
- 16
- Isolierschicht auf Segmentkern
- 20
- Isolierschicht auf erster Lage
- 25
- Isolierung zwischen den Segmenten
- 30
- Einzelleiter (rund, durchmessergleich)
- 31
- Einzelleiter (strangförmig)
- 32
- Einzelleiter (blattförmig)
- 40
- Stab aus Isolationsmaterial
- 42
- Strang aus Isolationsmaterial (extrudiert)
- 50
- Kern des Leiters
- 52
- Schichtaufbau des Kabelmantels
1. Elektrisches Sektorleiterkabel vom Millikentyp mit mehreren, gegeneinander isolierten
und verseilten Segmenten, wobei die Segmente aus einem Segmentkern (11) aus elektrisch
leitenden Einzelleitern (30,31,32),
mit darauf aufgebrachten mindestens zwei Lagen (12,14) aus strangförmigen elektrisch
leitenden Einzelleitern (30, 31, 32) bestehen
und die jeweiligen Lagen (12,14) voneinander und zum Segmentkern (11) elektrisch isoliert
sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede der auf den Segmentkern (11) aufgebrachten Einzelleiter-Lagen (12,14) neben den
elektrisch leitenden, nicht isolierten Einzelleitern mindestens drei zusätzliche strangförmige
Elemente (40,42) aus reinem Isoliermaterial aufweisen, deren Durchmesser denen der
Einzelleiter entsprechen.
2. Sektorleiterkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei strangförmige, nicht-leitende Elemente (40,42) in gleichmäßigem Abstand
in einer Lage (12,14) liegen.
3. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil des Querschnitts der nicht-leitenden Elemente (40,42) in einer Lage
eines Segments zum Querschnitt der Einzelleiter (30,31,32) in derselben Lage in einem
Bereich zwischen 5 und 10 % liegt.
4. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-leitenden, strangförmigen Elemente (40,42) Körper aus hochtemperaturfesten
Kunststoff sind.
5. Sektorleiterkabel nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strangförmigen, nicht-leitenden Elemente aus Isoliermaterial (42) bestehen, welches
in einem Extrusionsprozess eingebracht ist.
6. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel in fünf Segmente (10) geteilt ist.
7. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelleiter der Segmente (10) in mindestens einer Lage (12,14) aus durchmessergleichen
Drähten (30) bestehen.
8. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelleiter der Segmente (10) in mindestens einer Lage (12,14) aus bandförmigen
Leiterelementen (32) bestehen.
9. Sektorleiterkabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmigen Leiterelemente (32) in ihrer Position in den Lagen (12,14) konkav
zum Segmentkern (11) verformt sind.
10. Sektorleiterkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (16) auf dem Segmentkern (11) und zwischen den Lagen (12,14) aus
einer Polyesterfolie besteht.