DE1021042B - Mischung fuer elektrisch halbleitenden Kunststoff zur Verwendung in Hochspannungs-Hochfrequenz-Impulskabeln - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an koaxialen Hochfrequenzkabeln und insbesondere solchen mit geringen Verlusten, wie sie bei der Übertragung von hochfrequenten Impulsen benötigt werden.

Koaxiale Impulskabel sind Bestandteil fast aller Hochfrequenz-Impulsgeräte, zu denen z. B. die sogenannten Radar- bzw. Funkmeßgeräte, die Fernsehapparaturen und die Geräte für die Impulszeitmodulation gehören. Durch diese Impulskabel werden die sehr hohen Spitzenspannungen der Impulse, wie z. B. vom Impulsgenerator zur Endstufe eines Senders übertragen.

Hierfür wurden zunächst Gummikabel verwendet. Sie bestanden aus einem oder mehreren Innenleitern, über denen eine dünne Lage aus einer halbleitenden Gummimischung angeordnet war, über der eine weitere Gummiisolierhülle lag. Die halbleitende Gummischicht hatte die Aufgabe, die Koronaentladung bzw. die Ionisation bei den hohen Impulsfeldstärken, die zwischen dem Innenleiter und dem Dielektrikum hzw. dem Metallgeflecht auftraten, zu vermeiden.

Diese Gummikabel hatten jedoch verschiedene erhebliche Mängel, die ihre Verwendung für die Übertragung von hochgespannten Hochfrequenzimpulsen erheblich einschränkten. So entstehen bei diesen hohen Frequenzen im Gummi erhebliche dielektrische Verluste, die zu einer unzulässigen Erhitzung des Dielektrikums führen. Bei Gummi sind ferner auch die dielektrischen Eigenschaften frequenz- und temperaturabhängig, was die Verwendung von Gummikabeln in derartigen Anlagen ebenso ausschließt wie die bei diesen Kabeln auftretende Abflachung bzw. Verzerrung der Impulsform, insbesondere, wenn größere Längen eines solchen Kabels verwendet werden müssen. Diese Mängel bringen — gegenüber der Verwendung in Anlagen, die mit angenähert sinusförmiger Hochfrequenzspannung arbeiten ·—· den weiteren Nachteil mit sich, daß nur eine wesentlich geringere Leistung übertragbar ist.

Es mußte daher ein verlustarmes, koaxiales Impulskabel gefunden werden, das über einen weiten Frequenz- und Temperaturbereich konstante Eigenschaften aufwies, das aber auch Impulse mit sehr steiler Stirn, wie z. B. Rechteckimpulse, infolge geringerer dielektrischer Verluste mit weit geringerer Dämpfung zu übertragen gestattete, als das bei den bisher bekannten Hochfrequenzkabeln bekannt war. Ein solches Kabel eignet sich dann auch zur Übertragung der oben gekennzeichneten Hochfrequenzimpulse bei im Verhältnis zu den Störspannungen äußerst geringer Nutzspannung als verlustarmes, gegen Störspannungen geschütztes und daher geräuschfreies Kabel.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, zuerst eine geeignete dielektrische Stoffmischung zu finden und dann diese geeignete physikalische Werte aufweisende Stoffmischung zur weiteren Ausbildung der Erfindung

Mischung für elektrisch halbleitenden

Kunststoff zur Verwendung

in Hochspannungs-Hochfrequenz-

Impulskabeln

Anmelder:

International

Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H, Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. März 19-53

George R. Leef, Millburn, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

zweckentsprechend im Kabel zu verwenden, um die Mängel der bekannten Kabel zu vermeiden.
Die nun bei Gummi als Kabelbaustoff für Impulskabel gefundenen Schwierigkeiten konnten durch die Verwendung von verlustarmem, thermoplastischem Material, wie Polyäthylen, überwunden werden, wobei es genügt, daß die Mischung wenigstens hauptsächlich aus Polyäthylen besteht. Die Verwendung von Polyäthylen oder einer Mischung von Polyäthylen mit Polyisobutylen als Dielektrikum für übliche sinusförmig belastete koaxiale Hochfrequenzkabel ist bekannt. Die Kombination dieser Dielektrika mit halbleitenden Schichten aus Gummi hat jedoch insofern unbefriedigende Ergebnisse gehabt, da es schwierig war, eine gut klebende Oberflächenverbindung zwischen dem leitenden Gummi und dem Polyäthylen herzustellen. Derartige Kabel besaßen häufig kleine Lufteinschlüsse und waren unter anderem die Ursache der Inkonstanz der Kabeleigenschaften und anderer Kabelmangel, wie z. B-.. Glimmentladungen. Diese Bauart schloß daher den Bau von brauchbaren Hochspannungs-, Impuls- oder geräuschfreien Impulskabeln mit extrem hohem Signal-Rausch-Äbstand, wie z. B. Meßkabel, praktisch aus.

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Alle diese vorgenannten Schwierigkeiten, die sich bei den mit Gummi aufgebauten Impulskabeln ergeben hatten, konnten durch die Verwendung eines chemisch- und physikalisch gleichartig aufgebauten thermoplastischen Kunststoffes beseitigt werden, der sowohl als Dielektrikum wie auch als halbleitendes Material im Kabel verwendet werden konnte.

Es wurde nämlich gefunden, daß es möglich war, auch die elektrisch wohldimensionierte halbleitende Schicht bei Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen nun Ausführungsbeispiele für die weitere Ausbildung der Erfindung beim Aufbau von koaxialen Kabeln.

Fig. 1 dient sowohl als Impulskabel als auch geräuschfreies Meßkabel;

Fig. 2 zeigt ein Kabel, das sich besonders dafür eignet, die Abflachung oder Verzerrung der Impulse zu vermeiden ;

Fig. 3 stellt ein Kabel dar, das für die Impulsüber-Impulskabeln anstatt aus Gummi aus dem Gemisch auf io tragung besonders günstige Eigenschaften aufweist.
Polyäthylen-Polyisobutylen-Basis herzustellen und mit Der Mittelleiter 1, der z. B. aus verseilten Kupfer-

ihr die mangelhafte Schichtenverklebung zu beheben, die drähten besteht, ist von einer erfindungsgemäßen HaIbja nur bei Hochfrequenzkabeln dann eine wesentliche lederschicht 2 umgeben, über der eine Schicht aus PolyRolle spielt, wenn auch gleichzeitig Hochspannung ver- äthylenmischung 3 liegt. Über dieser ist eine weitere

wendet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die nachfolgende erfindungsgemäße Mischung zur Herstellung der halbleitenden Schicht geeignet bzw. besonders vorteilhaft zu verwenden ist.

Polyäthylen 10 bis 40 Gewichtsprozent

Polyisobutylen 20 bis 60

Acetylen-Ruß 25 bis 50

Dazu kann noch vorteilhafterweise gegeben werden:

Stearinsäure 0 bis 5 Gewichtsprozent

Mikrokristallines Wachs 0 bis 5

Als besonders
erkannt:

vorteilhaft wurde folgende Mischung

Polyäthylen 19 Gewichtsprozent

Polyisobutylen 38 „

Acetylen-Ruß 36

Stearinsäure 4

Mikrokristallines Wachs .... 3 Halbleiterschicht 4 mit einem leitenden Metallgefiecht 5 und einem äußeren Mantel 6 aus elastischem Material angeordnet. Zusätzlich können auch noch weitere Drahtgeflechte, wie z. B. in Fig. 3 bei 7 und 9 mit einer zwischen ihnen liegenden Isolierschicht 8 gezeigt ist, angeordnet sein. Für manche Zwecke kann die halbleitende Schicht 2 auch fortgelassen werden, wie Fig. 2 zeigt. Diese Kombination von Drahtgeflechten mit isolierenden Hüllen, die manchmal als "Triaxial-Konstruktiom bezeichnet wird, hat in Installationen Bedeutung, bei denen das dritte Geflecht von den übrigen unabhängig geerdet werden soll. Für besondere Abschirmungszwecke kann auch noch ein viertes Drahtgeflecht vorgesehen werden.

Diese Metallgeflechte bestehen gewöhnlich aus Kupferdraht oder -band, doch kann auch weicher Eisendraht allein oder in Verbindung mit Kupferdraht für besondere Abschirmungszwecke verwendet werden. Wenn notwendig, kann das Kabel auch mit einer Metallarmierung versehen werden.
Obgleich das in Fig. 1 gezeigte Kabel sowohl als Impulskabel als auch als geräuschfreies Meßkabel geeignet ist, so richten sich die Abmessungen der verschiedenen Kabelbestandteile nach dem jeweiligen Verwendungszweck. So hat sich herausgestellt, daß ein Kabel nach Fig. 3 zur Übertragung von Impulsen mit 10 bis 20 kV Spitzen-

Während in der ersten Tabelle die Angaben der Gewichtsprozente sich auf den nützlichen Mischungsbereich beziehen, gibt die zweite Tabelle diejenigen

Gewichtsprozente an, die sich als besonders vorteilhaft 40 spannung und einer nur nach Mikrosekunden zählenden herausgestellt haben. Der mit der ersten Tabelle gege- Dauer und einer Wiederkehrhäufigkeit der Impulse von

1000 pro Sekunde besonders geeignet ist. Dieses Kabel

bene Spielraum gestattet insbesondere die für die Fabrikation auf den Kabelmaschinen sehr wichtige Zähigkeit bzw. Klebrigkeit der Mischung wunschgemäß einzustellen. Dem gleichen Zweck dienen auch die Mischungsbestandteile Stearinsäure und mikrokristallines Wachs, mit Hilfe deren man eine gute Verarbeitungsmöglichkeit, insbesondere Spritzbarkeit erzielen kann. Die Mischung ergibt auch eine sehr gute Oberflächenverbindung gegenüber dem Innenleiter, wie auch gegenüber dem Polyäthylen-Dielektrikum, so daß derartige Kabel den üblichen Biegeproben bei tiefen Temperaturen bis zu —55° C unterzogen werden konnten, ohne zu brechen.

Für die Herstellung der Mischung hatte sich als zweckmäßig herausgestellt, die Bestandteile in der Mischmaschine nicht langer als 5 Minuten bei 180 bis 190⁰C zu mischen. Unmittelbar danach soll das Material höchstens zweimal durch gekühlte Walzen laufen, um die Felle zu erzeugen, die dann für die Weiterverarbeitung in geeigneter Weise zerteilt werden können. Als günstige Spritztemperatur wurde 200 bis 250⁰C gefunden.

Der auf diese Weise zur Kabelhülle verarbeitete halbleitende Kunststoff soll etwa einen spezifischen Widerstand von 100 bis 10 000 Ω · cm haben. Um die Koronawar entsprechend den Bezugszahlen in Fig. 3 folgendermaßen aufgebaut:

Außendurchmesser

1 Kupferseil, 19 · 0,52 Durchmesser ... 2,6 mm

2 halbleitende Schicht 3,8 mm

3 Polyäthylen-Dielektrikum 10,5 mm

4 halbleitende Schicht 11,5 mm

5 Drahtgeflecht 12,8 mm

7 Drahtgeflecht 13,8 mm

8 Isolationsschicht 14,4 mm

9 Drahtgeflecht 15,3 mm

6 biegsamer Kunststoffmantel 16,9 mm

Das in Fig. 1 beispielsweise dargestellte Kabel kann vorteilhafterweise auch als verlustarmes, geräuschfreies Meßkabel verwendet werden. Für viele Zwecke müssen elektrische Signale durch koaxiale Kabel mit nur sehr geringer Spannung, etwa in der Größenordnung von einigen Mikrovolts, übertragen werden, und es kann schwierig sein, diese Signale von Streu- oder Störspannungen, die aus verschiedenen Quellen herrühren können, zu unterscheiden. Eine wichtige Quelle solcher Geräusch

entladung bei der Übertragung von hochfrequenten Im- 65 spannungen ist oft im Kabel selbst zu finden, und sie entpulsen sehr hoher Spannungen mit einer Anstiegszeit von stehen offenbar durch Reibung zwischen dem Dielektrietwa 0,01 Mikrosekunden zu verhindern, soll der spezi- kum und dem Leiter, wenn das Kabel gebogen, verdreht fische Widerstand unter etwa 5000 Ω · cm liegen. Bei oder in anderer Weise bewegt wird. Die dadurch entdiesem Wert ist auch die Dämpfung der hochfrequenten stehenden Störgeräusche können mit einem Kabel nach Impulse über 30 Megahertz noch unerheblich. 70 Fig. 1 ausgeschaltet werden. Folgender Kabelaufbau hat

Claims (6)

1. 5 6

   sich entsprechend den Bezugszahlen in Fig. 1 als beson- sungen, aber mit zwei halbleitenden Schichten. Auch

   ders geeignet herausgestellt: diese Kabel können zur Abschirmung mit einem oder

   Außendurchmesser mehreren Drahtgeflechten mit oder ohne isolierende

   1 Kupferleiter, 7 · 0,254 Durchmesser.. 0,76 mm Zwischenschicht versehen werden.
2. 2 Halbleiterschicht 1,22 mm ⁵
3. 3 Polyäthylen-Dielektrikum 3,1 mm Patentansprüche:
4. 4 Halbleiterschicht 3,72 mm ι ι . . -r , -,ν, . _Ί
5. 5 Drahtgeflecht 4,76 mm *· ^Mischung fur elektrisch halbleitenden Kunststoff
6. 6 Mantel 616 mm ^zur Verwendung in Hochspannungs-Hochfrequenz-

   lo Impulskabeln und geräuschfreien Impulskabeln, ge-

   Während die Anordnung der halbleitenden Schichten kennzeichnet durch die Verwendung von 10 bis 40 Ge-

   zwischen Leiter und Dielektrikum nach Fig. 1 der bei wichtsprozent Polyäthylen, 20 bis 60 Gewichtsprozent

   üblichen Impuls-Gummikabeln gewohnten mehr oder Polyisobutylen, 25 bis 50 Gewichtsprozent feinem

   weniger entspricht, ist die neuartige Anordnung nach Ruß.

   Fig. 2, bei der sich die halbleitende Schicht zwischen 15 2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

   Dielektrikum und Drahtgeflecht befindet, hinsichtlich zeichnet, daß sie zusätzlich 0 bis 5 Gewichtsprozent

   einer besonders niedrigen Dämpfung wie auch für die mikrokristallines Wachs enthält.

   Herstellung eines dünneren für mittlere Impulsspan- 3. Mischung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge-

   nungen geeigneten Kabels vorteilhaft. Bei diesem Kabel- kennzeichnet, daß sie 19 Gewichtsprozent Polyäthylen,

   aufbau wird die Koronaentladung am Drahtgeflecht und 20 38 Gewichtsprozent Polyisobutylen, 36 Gewichts-

   nicht am Innenleiter verhindert, doch ist dieser Aufbau prozent Acetylen-Ruß, 0 bis 5 Gewichtsprozent

   deshalb von besonders praktischer Bedeutung, da die Stearinsäure, 0 bis 5 Gewichtsprozent mikrokristal-

   Koronaentladung selbst nach dem Aufwickeln und Biegen lines Wachs enthält.

   erst bei 12 bis 18 kV bemerkbar wird, während sie ohne 4. Verwendung der Mischung nach Anspruch 1 bis 3 halbleitende Schicht bereits bei etwa 8 kV auftritt. Bei 35 für Koaxialkabel folgenden Aufbaus: Innenleiter, mäßigen Impulsspannungen braucht daher auf dem Mit- Hülle aus Halbleitermischung nach einem oder telleiter keine halbleitende Schicht angeordnet zu werden, mehreren der vorstehenden Ansprüche, dielektrische sondern man legt sie zweckmäßig an das Drahtgeflecht. Hülle aus Polyäthylen, Hülle aus Halbleitermischung Diese Anordnung einer einzelnen halbleitenden Schicht nach einem oder mehreren der vorstehenden Anweicht von der bei Impulskabeln bekannten Anordnung 30 Sprüche, Drahtgeflecht, Mantel.

   ab. Der Wert von Impulskabeln mit nur einer halb-

   leitenden Schicht liegt, von der größeren Einfachheit des In Betracht gezogene Druckschriften:

   Aufbaus abgesehen, darin, daß ein solches Kabel eine »Industrial and Engineering Chemistry«, 1945, Nr. 6,

   geringere Dämpfung hat als ein Kabel gleicher Abmes- S. 526 ff.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ® 709 810/224 12.57