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Geschichtetes und imprägniertes Dielektrikum für ein
Gleichstrom-Leistungskabel
Die Erfindung betrifft ein geschichtetes und mit einem flüssigen oder halbfesten Isolierstoff impräg- niertes Dielektrikum für ein Gleichstrom-Leistungskabel, das Spannungen von wenigstens 100 KV standhalten soll.
Der Potentialgradient im Dielektrikum solcher Kabel hängt vom spezifischen Widerstand des für das Dielektrikum verwendeten Materials ab. Da der spezifische Widerstand dieses Materials stark von der Viskosität abhängt, die ihrerseits eine Funktion der Temperatur ist, ergibt sich, dass sich während derEr- wärmungs- und Abkühlungsperioden des Kabels die Verteilung des Potentialgradienten im Kabeldielektri- kum starkgegenüber jenen Verhältnissen ändernkann, bei denen das Dielektrikum vom thermischen Standpunkt aus stabilisiert ist.
Neuere Untersuchungen haben erwiesen, dass bei einer Abkühlung des Kabels infolge der damit verbundenen raschen Änderung der elektrischen Parameter der Isoliermaterialien eine erhebliche Unabgeglichenheitder Verteilung der elektrischen Ladungen innerhalb des Dielektrikums auftreten kann. Diese Ladungen, die normalerweise als"Raumladungen"bezeichnet werden und im dielektrischen Körper während des Kabelbetriebes auftreten, sind auch infolge von Schwankungen der angelegten Spannung und insbesondere infolge von Schwankungen der elektrischen Belastung unregelmässig verteilt.
Die Bewegungen der Raumladungen erfolgen insbesondere während Übergangsphasen elektrischer und thermischer Natur und dauern auch nach Beendigung dieser Phasen über lange Perioden an, wobei sich ihr Abklingen in einer langen Zeit verlängert.
Eine unabgeglichene Verteilung der Raumladungen kann zu örtlichen Konzentrationen des elektrischen Gradienten führen und für den Kabelbetrieb sehr schädlich sein.
Diese Erscheinung ist besonders auffällig in einem geschichtetenDielektrikum, d. h. in einem Dielektrikum, das aus mehreren Lagen von wendelförmig gewickelten Streifen besteht und bei dem die zwischen den Streifen verbleibenden Hohlräume mit einem flüssigen oder halbfesten Isolierstoff ausgefüllt sind. In diesem Falle werden in bezug auf dielektrische Festigkeit die besten Ergebnisse erzielt, wenn der Wert des spezifischen Widerstandes des Dielektrikums innerhalb definierter Grenzen gehalten wird.
Der obere Grenzwert des spezifischen Widerstandes muss hinreichend niedrig sein, um eine rasche Verteilung der Raumladungen zu ermöglichen und so eine Konzentration derselben zu vermeiden. Die untere Grenze wird offensichtlich durch jenen Wert festgelegt, der noch eine gewisse Sicherheit gegen übermä- ssigen Streustrom vermittelt, der seinerseits zu einer Durchlochung des Dielektrikums infolge thermischer Instabilität führen könnte. Um die gewünschten Verhältnisse in einem geschichteten und imprägnierten Dielektrikum zu erhalten, kann sowohl das die Isolierstreifen bildende Material als auch der Isolierstoff, mit dem diese Streifen imprägniert werden, entsprechend gewählt werden.
Das Kennzeichen eines gemäss der Erfindung ausgebildeten geschichteten und imprägnierten Dielektrikums für ein Gleichstrom-Leistungskabel, das Spannungen von wenigstens 100 KV standhalten soll, besteht darin, dass es durch Zusatz antistatischer Stoffe mit ionischer Leitfähigkeit, wie Metallseifen, oder
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mit elektronischer Leitfähigkeit, wie geblasenem Bitumen, zu dem das geschichtete Dielektrikum bildenden, isolierenden Bandmaterial und bzw. oder zur Imprägnierungsmasse einen stabilen spezifischen Widerand zwischen 1015 und 1016 Ohm. cm, gemessen nach einer Minute bei 200c und einem Potentialgradienten von 50 V/mm aufweist.
Ein derartiges Dielektrikum kann industriell mit Isolierstreifen, beispielsweise aus Papier, hergestellt werden, die mit ionisierbaren Salzen mit antistatischen Eigenschaften, wie beispielsweise Karbonaten von Alkalimetallen oder Alkylphosphaten, die teilweise mit Aminen modifiziert oder mit Stoffen kombiniert sind, die infolge vorherrschender elektronischer Leitfähigkeit antistatische Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Anilinsehwarz, Polymere von Poly-acen-chinonen oder Polyvinyl-apthracen-Derivate, imprägniertsind.
Alternativ können die Isoliereigenschaften der imprägnierten Masse, die beispielsweise aus einem Bereich eines Mineralöls für Kabel und Polyisobutylen besteht, durch den Zusatz eines in diesem Gemisch löslichen Stoffes modifiziert werden, der eine ionische Leitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Metallseifen und Bleinaphthenat, oder von Stoffen, die eine überwiegend elektronische Leitfähigkeit haben, wie beispielsweise hochkondensierte polyzyklische Verbindungen, z. B. Bitumen von Rohöl, das in Gegenwart von Eisen- (Ii)-chlorid als Katalysator geblasen worden ist.
Als Beispiel für den Anteil des antistatischen Stoffes, der dem flüssigen Mineralöl zugesetzt werden soll, sei angegeben, dass einem Mineralöl, das 2% Polyisobutylen als Verdickungsmittel enthält, 0, 5 Gew.-% Bleinaphthenat oder die gleiche Menge von geblasenem Bitumen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Öles, beizumengen ist.
Im Rahmen der Erfindung kann ein Zusatz ein und desselben antistatischen Stoffes sowohl zu den Isolierstreifen als auch zum Imprägnierstoff erfolgen ; es kann auch ein Zusatz eines vorgegebenen antistati- sehen Stoffes zu den Isolierstreifen und ein Zusatz eines andern antistatischen Stoffes zur Imprägniermasse erfolgen. So kann beispielsweise ein Karbonat eines Alkalimetalles dem Papier und geblasenes Bitumen dem Imprägnierstoff zugesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Geschichtetes und imprägniertes Dielektrikum für ein Gleichstrom-Leistungskabel, das Spannungen vonwenigstens 100 KV standhalten soll, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Zusatz antistatischer Stoffe mit ionischer Leitfähigkeit, wie Metallseifen, odermit elektronischer Leitfähigkeit, wie geblasenem Bitumen, zu dem das geschichtete Dielektrikum bildenden, isolierenden Bandmaterial und bzw. oder zur Imprägniermasse einen stabilen spezifischen Widerstand zwischen 10 und 10 Ohm.. cm, gemessen nach einer Minute bei 20 C und einem Potentialgradienten von 50 V/mm, aufweist.
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Layered and impregnated dielectric for one
DC power cables
The invention relates to a layered dielectric, impregnated with a liquid or semi-solid insulating material, for a direct current power cable, which is intended to withstand voltages of at least 100 KV.
The potential gradient in the dielectric of such cables depends on the specific resistance of the material used for the dielectric. Since the specific resistance of this material is strongly dependent on the viscosity, which in turn is a function of the temperature, it follows that during the heating and cooling periods of the cable the distribution of the potential gradient in the cable dielectric can change significantly compared to the conditions at which the Dielectric is stabilized from the thermal point of view.
Recent studies have shown that when the cable cools down as a result of the associated rapid change in the electrical parameters of the insulating materials, a considerable imbalance in the distribution of the electrical charges within the dielectric can occur. These charges, which are normally referred to as "space charges" and occur in the dielectric body during cable operation, are also distributed irregularly as a result of fluctuations in the applied voltage and in particular as a result of fluctuations in the electrical load.
The movements of the space charges take place in particular during transition phases of an electrical and thermal nature and last for long periods even after these phases have ended, their decay being prolonged over a long period of time.
An unbalanced distribution of the space charges can lead to local concentrations of the electrical gradient and can be very detrimental to cable operation.
This phenomenon is particularly noticeable in a layered dielectric; H. in a dielectric, which consists of several layers of helically wound strips and in which the cavities remaining between the strips are filled with a liquid or semi-solid insulating material. In this case, with regard to dielectric strength, the best results are achieved if the value of the specific resistance of the dielectric is kept within defined limits.
The upper limit of the specific resistance must be sufficiently low to enable a rapid distribution of the space charges and thus to avoid a concentration thereof. The lower limit is obviously determined by that value which still provides a certain security against excessive stray current, which in turn could lead to perforation of the dielectric as a result of thermal instability. In order to obtain the desired proportions in a layered and impregnated dielectric, both the material forming the insulating strips and the insulating material with which these strips are impregnated can be selected accordingly.
The characteristic of a layered and impregnated dielectric designed according to the invention for a direct current power cable, which is to withstand voltages of at least 100 KV, is that it is made by adding antistatic substances with ionic conductivity, such as metal soaps, or
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with electronic conductivity, such as blown bitumen, to the insulating tape material forming the layered dielectric and / or to the impregnation compound a stable specific resistance between 1015 and 1016 ohms. cm, measured after one minute at 200c and a potential gradient of 50 V / mm.
Such a dielectric can be produced industrially with insulating strips, for example made of paper, which are made with ionizable salts with antistatic properties, such as carbonates of alkali metals or alkyl phosphates, some of which are modified with amines or combined with substances that have antistatic properties due to the predominant electronic conductivity such as aniline black, polymers of poly-acene-quinones, or polyvinyl-apthracene derivatives, are impregnated.
Alternatively, the insulating properties of the impregnated mass, which consists, for example, of a range of mineral oil for cables and polyisobutylene, can be modified by adding a substance which is soluble in this mixture and which has ionic conductivity, such as metal soaps and lead naphthenate, or of substances that have a predominantly electronic conductivity, such as highly condensed polycyclic compounds, e.g. B. bitumen from crude oil which has been blown in the presence of iron (II) chloride as a catalyst.
As an example of the proportion of the antistatic substance that is to be added to the liquid mineral oil, it should be stated that a mineral oil containing 2% polyisobutylene as a thickening agent, 0.5% by weight lead naphthenate or the same amount of blown bitumen, based on the total weight of the oil is to be added.
Within the scope of the invention, one and the same antistatic substance can be added to both the insulating strips and the impregnating substance; a given antistatic substance can also be added to the insulating strips and another antistatic substance can be added to the impregnation compound. For example, a carbonate of an alkali metal can be added to the paper and blown bitumen can be added to the impregnating agent.
PATENT CLAIMS:
1. Layered and impregnated dielectric for a direct current power cable that is to withstand voltages of at least 100 KV, characterized in that it is made by adding antistatic substances with ionic conductivity, such as metal soaps, or with electronic conductivity, such as blown bitumen, to which the layered dielectric forms , insulating tape material and / or to the impregnation compound has a stable specific resistance between 10 and 10 Ohm .. cm, measured after one minute at 20 C and a potential gradient of 50 V / mm.