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Isoliermasse zur Isolierung elektrischer Leiter, Kabel od. dgl. und zum Verguss von Kabelgarnituren.
Für die Isolierung und Tränkung von elektrischen Leitern und Kabeln sowie für den Verguss von Kabelgarnituren werden hauptsächlich organische Isolierstoffe verwendet, wie z. B. Bitumina, Harze, Öle, Gummi, Lacke allein oder mit organischen Faserstoffen wie Papier, Textilien u. dgl. Diese elektrischen Isolierstoffe sind nur begrenzt wärmebeständig und hoch wärmeisolierend, so dass in der Nähe des stromführenden Leiters leicht Wärmestauungen entstehen, die zu einem Wärmedurchschlag führen können.
Die flüssigen oder halbflüssigen Isolierstoffe (z. B. Mineralöl in Kabelgarnituren) haben überdies den Nachteil, dass sie einen verhältnismässig grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass es bisher notwendig war, bei Verwendung dieser Stoffe verschiedene Zusatzeinrichtungen wie komplizierte Ausdehnungsgefässe, Druckausgleichsgefässe od. dgl. anzuordnen.
Um diese Übelstände zu vermeiden ist schon vorgeschlagen worden, den Isolierstoffen verschiedene Zusätze, wie Kreide, Metallpulver usw. beizugeben. So wurde z. B. auch vorgeschlagen, für die Isolierung von Magnetspulen organische Isolierstoffe zu verwenden, denen Quarzsand, Asbestpulver od. dgl. beigemengt wurden, um so eine bedeutend erhöhte Wärmeableitung an der Oberfläche der Spulen zu erzielen. Es ist ferner auch bekannt geworden, für die Isolierung elektrischer Leiter anorganische Isolierstoffe-welche eine grössere Wärmeleitfähigkeit aufweisen-zu verwenden und diese mit Hilfe eines Bindemittels (s. z. B. die amerikanische Patentschrift Nr. 1896040) auf den Leiter aufzubringen. Ein anderer Vorschlag bestand darin, organische Isolierstoffe, z. B.
Emaillacke bei der Verfestigung einem starken elektrischen Felde auszusetzen (s. die deutsche Patentschrift Nr. 490580).
Die vorliegende Erfindung knüpft an diesen Stand der Technik an und besteht in der Vereinigung der beiden an sich bekannten Mittel : Die Verwendung von Zusätzen zu den üblichen technischen Isolierstoffen und Behandlung der so entstehenden Isoliermischungen Ì : 1l elektrischen Felde. Gemäss der Erfindung werden den technischen Isolierstoffen wie den Isolierölen (insbesondere Mineralölen), Harzen (Natur-oder Kunstharzen) Bitumina, Gummi, Guttapercha, Lacke, Paraffine, Wachse usw. oder Mischungen aus diesen Stoffen Sand oder Pulver kristallisierter oder kristalliner Art, z. B. Quarzsand, Asbestfasern, Asbestpulver, gemahlener Granit, gemahlener Gneis usw. beigemengt und die so entstehenden Isoliermischungen einem starken elektrischen Felde ausgesetzt.
Durch diese kombinierte Verfahrensweise können Isoliermassen von so hoher Wärmeleitfähigkeit und so geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten erhalten werden, wie solche bis nun nicht hergestellt werden konnten und wie solche für die Isolierung elektrischer Kabel und Leiter und für den Verguss von Kabelgarnituren schon lange angestrebt wurden.
Diese günstigen Eigenschaften der durch die kombinierte Verfahrensweise hergestellten Isolierungen dürfte folgendermassen zu erklären sein :
Es ist gefunden worden, dass Kristalle oder Sand kristallisierter oder kristalliner Art eine bis 100fach so grosse Wärmeleitfähigkeit besitzen als die üblichen amorphen Isolierstoffe. Es wäre daher in bezug auf Wärmeleitfähigkeit am besten, wenn man Kristalle oder Sand kristallisierter Art zur Isolierung von Leitern usw. verwenden könnte. Da dies aber in den meisten Fällen nicht möglich ist, hat man sich in der Weise geholfen, dass man den technischen Isolierstoffen, z. B. Öl, Harz, Bitumen usw. Sand oder Pulver kristallisierter oder kristalliner Art beimengte.
Tatsächlich ist es auf diese Weise gelungen, technisch verwendbare Isolierstoffe herzustellen, die eine bis zu zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit als die normalen technischen Isolierstoffe besitzen. Eine weitergehende Verbesserung
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der mit Sand versetzten Isolierstoffe konnte aber nicht erzielt werden, da zwischen den einzelnen Sandkörnern Teile der amorphen Grundmasse (des technischen Isolierstoffes) zu liegen kommen, welche die günstige Wärmeleitfähigkeit von Sandkorn zu Sandkorn unterbrechen. Nach der Erfindung wurde aber gefunden, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser, mit Sand kristallisierter oder kristalliner Art versetzten Isolierstoffe bedeutend erhöht werden kann, wenn diese Mischungen der richtenden Kraft eines starken elektrischen Feldes ausgesetzt werden.
Durch das elektrische Feld werden die Atome der zwischen den einzelnen Sandkörner liegenden Grundmasse geordnet (gerichtet) und dadurch auch die Wärmeleitfähigkeit dieser dünnen, zwischen den Sandkörnern liegenden Schichten erhöht, so dass die durch das Grundmaterial auftretende Störung der höheren Wärmeleitfähigkeit der Sandkörner zum grossen Teil behoben wird.
Die geringe Wärmeausdehnung der erfindungsgemässen Isoliermischungen ist auf den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten des kristallisierten oder kristallinen Sandes zurückzuführen. Es werden daher die Isoliermischungen eine um so geringere Wärmeausdehnung aufweisen, je grösser der Gehalt von kristallisiertem oder kristallinem Sand ist. Aber auch die Behandlung im elektrischen Felde wird sich auf die Wärmeausdehnung der Isoliermisehungen günstig auswirken, da durch die bessere Wärmeableitung auch eine geringere Erwärmung und damit auch eine geringere Wärmeausdehnung bedingt ist.
Es ist zwar auch bekannt geworden, hochwertige elektrische Körper in fein unterteilter Form, z. B. Pulverform, der Einwirkung eines elektrischen Feldes auszusetzen und dann durch Druck und Erhitzung oder Verwendung einer Bindemasse wie Paraffin zu einem festen Isolierstoff zu vereinigen (s. deutsches Patent Nr. 564885), jedoch bloss zu dem Zweck, um hochwertige piezoelektrische und pyroelektrische Körper für Hochfrequenztechnik zur Schwingungserzeugung und zur Hervorbringung elektrischer Wirkungen bei Zuführung von Wärmeenergie zu erhalten.
Es ist hingegen bisher nicht vorgeschlagen worden, Isoliermischungen hoher Wärmeleitfähigkeit für die Isolierung elektrischer Kabel und Leitungen und zum Verguss von Kabelgarnituren herzustellen, die neben einem oder mehreren der bekannten organischen Isoliermittel noch einen anorganischen Zusatz kristallisierter, kristalliner oder vorwiegend kristalliner Art in fein verteilter Form, z. B. in Sand-oder Pulverform enthalten und die einem starken elektrischen Felde ausgesetzt werden.
Für die Isolierung von Kabeln nach der Erfindung können z. B. Gummimischungen verwendet werden, denen neben den üblichen Zutaten noch 10-65% feiner Quarzsand von möglichst gleichmässigem Korn zugesetzt wird und die nach der Aufbringung auf die Leiter während der Vulkanisation einem starken elektrischen Felde ausgesetzt werden. Die Stärke des notwendigen Feldes hängt von der Art der Mischung und von der Isolationsstärke ab und bewegt sich in der Höhe von 1000 V/mm bis 10.000 V/mm. Günstig wirkt sich bei diesen, in einem starken elektrischen Felde behandelten Mischungen noch ein verhältnismässig hoher Zusatz von Zinkoxyd aus, u. zw. derart, dass ein Gehalt an Quarzstaub und Zinkoxyd bis zu 400% vom Rohkautschukgehalt noch hervorragend gute Isoliermassen mit überraschend hoher Wärmeleitfähigkeit ergibt.
Besonders hohe Zusätze an Sand wird man bei Mischungen zur Isolierung von starren Kabeln verwenden. So können z. B. zur Füllung von starren Kabeln nach dem österr. Patent Nr. 102222 Mischungen Anwendung finden, die Sand bis zu 90% enthalten.
Als vorzügliche Vergussmasse für Kabelverbindungsmuffen, Kabelendverschlüsse od. dgl. erweist sich z. B. eine Mischung von 20 Teilen Mineralöl und 80 Teilen Quarzsand, Seesand od. dgl., der, damit keine Entmischung auftreten kann, etwas Kolophonium zugesetzt wird. Diese Füllmasse zeigt nach der Behandlung im elektrischen Felde je nach der verwendeten Sandart die 5-15fache Wärmeleitfähigkeit des Mineralöles und einen für Kabelgarnituren praktisch vernachlässigbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine andere Vergussmasse mit grosser Wärmeleitfähigkeit erhält man nach der Erfindung z. B. in der Weise, dass man 75 Teile Quarzsand, 10 Teile Ozokerit und 15 Teile Paraffin zusammenmischt.
Wird diese Mischung nach den Einbringen in die Kabelgarnitur, solange sie noch warmflüssig ist, einem starken elektrischen Felde-bei einer Schichtdicke der Isoliermischung zwischen den stromführenden Teilen von 30 mm wird eine Spannung von 60.000 Volt genügen- ausgesetzt und das Feld so lange aufrecht erhalten, bis die Mischung erhärtet ist, so zeigt sieh für diese Mischung eine Durchschlagsfestigkeit und eine Wärmeleitfähigkeit, die ungefähr 50% höher ist als die der unbehandelten Mischung.
Will man die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeausdehnungskoeffizienten der erfindung- gemässen, im elektrischen Felde behandelten Isoliermisehungen noch weiter verbessern, so kann diesen
Mischungen noch Graphit oder Metallpulver in mehr oder minder grossen Mengen-etwa bis 50% - zugesetzt werden. Allerdings wird dadurch eine gewisse elektrische Leitfähigkeit der Mischungen bedingt, doch können auch solche Mischungen für die Isolierung von elektrischen Leitern, Kabeln und als Vergussmasse für Kabelgarnituren mit Vorteil verwendet werden. So kann z. B. bei Gummi-
Hochspannungskabeln die erste, an den Leiter angrenzende Schicht aus Gummimisehungen bestehen, die neben Quarzstaub noch einen verhältnismässig hohen Zusatz von Graphit oder Metallpulver enthalten, worüber eine hochisolierende Gummischicht, z.
B. eine Gummischicht, die bloss Quarz- pulverzusatz enthält, vorgesehen wird. Auch bei Verbindungsmuffen oder Endverschlüssen aus
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isolierenden Stoffen, z. B. bei Kunststoffmuffen oder Porzellanendverschlüssen können derartige, mit Graphit oder Metallpulver versetzte Vergussmasse verwendet werden.
Wichtig ist, dass die einzelnen Bestandteile der erfindungsgemässen Isoliermischungen vorteilhaft vor der Zusammenmischung entlüftet, entgast und entfeuchtet werden, was in beheizten Vakuumgefässen erfolgen kann. Die Behandlung im elektrischen Felde wird vorzugsweise nach Aufbringung der Mischungen auf die Leitungen bzw. nach Einbringung der Mischungen in die Kabelarmaturen in der Weise erfolgen, dass man das elektrische Feld zwischen den Leitern und dem Kabelmantel bzw. zwischen den Leitern und dem Armaturgehäuse ausbildet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Isoliermasse zur Isolierung von elektrischen Leitern und Kabeln und zum Verguss oder zur Herstellung von Kabelgarnituren, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mischung besteht, die neben einer oder mehreren der bekannten organischen Kabelisoliermittel wie Mineralöl, Harzöl, Harz (Natur-oder Kunstharz), Gummi (Weich-oder Hartgummi), Lack, Bitumen, Wachs usw. noch einen Zusatz kristallisierter, kristalliner oder vorwiegend kristalliner Art in fein zerteilter Form, z. B. in Sand-, Pulver-oder Staubform enthält und dass diese Mischung der richtenden Kraft eines starken (hochgespannten) elektrischen Feldes ausgesetzt wird.