DE1206977B

DE1206977B - High voltage electrical conductor

Info

Publication number: DE1206977B
Application number: DEG27056A
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Ward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1958-05-21
Filing date: 1959-05-14
Publication date: 1965-12-16

Description

Elektrischer Hochspannungsleiter Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochspannungsleiter, dessen metallische Ader eine äußere Isolierung aus Polyäthylen und eine halbleitende Zwischenschicht aus mit Kohlenstoff gefülltem Polyäthylen hat. Elektrische Leiter dieser Art vertragen sehr hohe elektrische Spannungen, weil durch die halbleitende Zwischenschicht die Gefahr von Koronaentladungen verringert ist, die den Isoliermantel schnell zerstören würden.Electrical high voltage conductor The invention relates to an electrical conductor High-voltage conductor, the metallic core of which has an outer insulation made of polyethylene and a semi-conductive interlayer made of carbon-filled polyethylene Has. Electrical conductors of this type can withstand very high electrical voltages, because the semiconducting intermediate layer reduces the risk of corona discharges that would quickly destroy the insulating jacket.

Indessen hat ein bekannter Leiter dieser Art, bei dem es sich uni einen Draht oder ein Kabel handelt, den Nachteil, daß die halbleitende Zwischenschicht verhältnismäßig spröde ist und daher beim Biegen des Drahtes oder des Kabels leicht springt. In den Sprüngen kann aber die gefürchtete Koronaentladung leicht entstehen.However, a well-known leader of this type, who is uni a wire or a cable, the disadvantage that the semiconducting intermediate layer is relatively brittle and therefore easy to bend the wire or cable jumps. The dreaded corona discharge can easily arise in the cracks.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den elektrischen Leiter der eingangs erläuterten Art so auszugestalten, daß er ohne Schaden gebogen werden kann.The invention is now based on the object of the electrical conductor of the type explained above so that it can be bent without damage can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung zweier Merkmale gelöst. Das erste Merkmal besteht darin, daß die Zwischenschicht aus mit Ruß gefülltem, nicht schmelzbarem Polyäthylen quervernetzt ist. Es hat sich herausgestellt, daß trotz des hohen Kohlenstoffgehalts die Zwischenschicht im quervernetzten Zustande stärkere Biegungen verträgt als im gewöhnlichen Zustande. Das zweite Merkmal, das an sich bekannt ist, besteht darin, daß das Polyäthylen der äußeren Isolierung sowohl quervernetzt als auch wärmegeschrumpft ist. Infolgedessen übt die äußere Isolierung einen kräftigen Druck auf die Zwischenschicht aus. Dadurch wird der Bildung von Sprüngen in der Zwischenschicht beim Biegen des elektrischen Leiters in noch vollkommenerer Weise vorgebeugt.According to the invention, this object is achieved by combining two features solved. The first feature is that the intermediate layer is made of soot-filled, non-meltable polyethylene is cross-linked. It turned out that despite the high carbon content, the intermediate layer in the cross-linked state tolerates stronger bends than in the ordinary state. The second feature, the is known per se, is that the polyethylene of the outer insulation is both cross-linked as well as heat-shrunk. As a result, the outer insulation exercises a strong pressure on the intermediate layer. This will result in the formation of Cracks in the intermediate layer when bending the electrical conductor in an even more perfect way Way forward.

An sich ist es bekannt, daß man nicht nur gewöhnlichem Polyäthylen, sondern auch quervernetztem Polyäthylen Füllstoffe beifügen kann. Auch ist es bekannt, daß quervernetztes Polyäthylen eine höhere Festigkeit hat als gewöhnliches Polyäthylen.It is well known that not only ordinary polyethylene, but can also add fillers to cross-linked polyethylene. It is also known that cross-linked polyethylene has a higher strength than ordinary polyethylene.

Die äußere Isolierung kann im Strangpreßverfahren auf den Leiter aufgebracht werden. Die Zwischenschicht und die äußere Isolierung können aber auch in Form eines Bandes gewickelt oder im Längsbedeckungsverfahren aufgebracht und nachfolgend einer Formung unterworfen werden, so daß die äußere Isolierung über dem metallischen Kern die halbleitende Zwischenschicht aus Polyäthylen zusammenpreßt.The outer insulation can be extruded onto the conductor will. The intermediate layer and the outer insulation can also be in the form of a Tape wound or applied in the longitudinal covering process and then one Forming are subjected to so that the outer insulation over the metallic core compresses the semi-conductive intermediate layer made of polyethylene.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Zwischenisolation ein Polyäthylen enthalten, das durch Bestrahlung mit Elektronen von großen Energien sehr stark quervernetzt ist. Darüber hinaus kann das Polyäthylen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch chemisch quervernetzt sein, gewöhnlich geschieht das durch die Stellung einer bestimmten Klasse von organischen Peroxyden (z. B. Dicumylperoxyd in Mengen von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent des Polyäthylens) innerhalb der Verbindung, wie in der USA.-Patentschrift 2826570 näher beschrieben wird.According to a further embodiment of the invention, the intermediate insulation can contain a polyethylene which is very strongly cross-linked by irradiation with electrons of high energies. In addition, according to a further development of the invention, the polyethylene can also be chemically cross-linked; this usually occurs through the position of a certain class of organic peroxides (e.g. dicumyl peroxide in amounts of 0.1 to 10 percent by weight of the polyethylene) within the compound, such as in U.S. Patent 2826570.

Die äußere Polyäthylen-Isolierung ist ebenfalls auf chemischem Wege oder durch Bestrahlung mit Elek- tronen von hohen Energien quervernetzt, und wird dann zermahlen, so daß sie sich über den metallischen Kern und die halbleitende Zwischenschicht aus quervernetztern, mit Ruß gefülltem Polyäthylen strangpressen läßt.The outer polyethylene insulation is also cross-linked chemically or by irradiation with electrons of high energies, and is then ground so that it can be extruded over the metallic core and the semiconducting intermediate layer of cross-linked polyethylene filled with carbon black.

Wird die äußere Isolierung aus Polyäthylen als Band aufgetragen, so besteht sie vorzugsweise aus einem flachen Grundstoff, z. B. einem ebenen Band, das mindestens 10 bis 50 1/o wenigstens in einer Richtung gedehnt worden ist, am besten in der Längsrichtung des Bandes und vorteilhafterweise sowohl in der Längsals auch in der Querrichtung. Eine derartige Vorbereitung bedeutet, daß das Polyäthylen entweder nach oder während oder vor der Bestrahlung mit Elektronen von hohen Energien zur Quervernetzung des Polyäthylens gedehnt wird. Diese Vorbereitung des Polyäthylens kann auch an dem obenerwähnten, chemisch quervernetzten Polyäthylen vorgenommen werden. Wenn dann das gedehnte Polyäthylen auf den metallischen Kein und die halbleitende Zwischenschicht aus quervernetztein Polyäthylen aufgetragen und einer Wärmebehandlung unterworfen wird, so verursacht die Wärme eine Schrumpfung des gedehnten Polyäthylens, so daß eine dichte, lückenlose Schicht um die Zwischenisolation aus halbleitendem, quervernetztem Polyäthylen und um den metallischen Kern aufgetragen wird. Durch dieses dichte Gewebe wird die Möglichkeit einer Koronaentladung, die in den Luftspalten zwischen dem Leiter und der Isolierung stattfinden kann, weitgehend ausgeschaltet.If the outer insulation made of polyethylene is applied as a tape, it preferably consists of a flat base material, e.g. B. a flat tape that has been stretched at least 10 to 50 1 / o in at least one direction, preferably in the longitudinal direction of the tape and advantageously in both the longitudinal and transverse directions. Such preparation means that the polyethylene is stretched either after, during or before exposure to high energy electrons to cross-link the polyethylene. This preparation of the polyethylene can also be carried out on the above-mentioned chemically cross-linked polyethylene. When the stretched polyethylene is then applied to the metallic element and the semiconducting intermediate layer made of cross-linked polyethylene and subjected to a heat treatment, the heat causes the stretched polyethylene to shrink, so that a dense, gapless layer is formed around the intermediate insulation made of semiconducting, cross-linked polyethylene and around the metallic core is applied. This dense fabric largely eliminates the possibility of a corona discharge that can take place in the air gaps between the conductor and the insulation.

Das mit Ruß gefüllte, quervernetzte Polyäthylen, das als Zwischenschicht bei dem oben beschriebenen, isolierten Leiter verwendet wird, kann zwischen 10 und 300 Gewichtsprozent des quervemetzten Polyäthylens an Ruß enthalten. Anders ausgedrückt kann man 0,1 bis 3 Teile Ruß je Teil Polyäthylen zusetzen. Zu den fein zerteilten Rußarten, die sich für den Hochspannungsleiter nach der Erfindung verwenden lassen, gehören beispielsweise tierische oder pflanzliche Qualitäten von Ruß, z. B. auch Acetylen- und Lampenruß. Diese Rußarten besitzen eine sehr kleine Teilchengröße, d. h. ihre durchschnittliche Teilchengröße liegt zwischen 0,001 und 0,1 li.The carbon black-filled, cross-linked polyethylene used as the intermediate layer in the insulated conductor described above can contain between 10 and 300 percent by weight of the cross-linked polyethylene of carbon black. In other words, 0.1 to 3 parts of carbon black can be added per part of polyethylene. The finely divided types of soot that can be used for the high-voltage conductor according to the invention include, for example, animal or vegetable grades of soot, e.g. B. also acetylene and lamp black. These carbon blacks have a very small particle size, d. H. their average particle size is between 0.001 and 0.1 li.

Die Art der Herstellung des mit Ruß gefüllten, quervernetzten Polyäthylens kann in weiten Grenzen variiert werden. Eines der Verfahren umfaßt die Einfügung des Rußes in das Polyäthylen und nachfolgende Bestrahlung des mit Ruß gefüllten Polyäthylens zur Quervernetzung mit Elektronen von hohen Energien. Andererseits kann man chemische Härtemittel, z. B. ein organisches Peroxyd, wie Dialphacumylperoxyd, zur Quervemetzung mit dem Polyäthylen vermischen. Nachdem man Peroxyd und Ruß mit dem Polyäthylen gemischt hat, wird diese Mischung bei erhöhten Temperaturen zwischen 150 und 1751 C zur Quervemetzung (d. h. Wärmehärtung) des mit Ruß gefüllten Polyäthylens gehärtet.The type of production of the crosslinked polyethylene filled with carbon black can be varied within wide limits. One of the methods involves incorporating the carbon black into the polyethylene and then irradiating the carbon black-filled polyethylene to crosslink it with electrons of high energies. On the other hand, one can use chemical hardeners, e.g. B. mix an organic peroxide, such as dialphacumyl peroxide, for crosslinking with the polyethylene. After the peroxide and carbon black have been mixed with the polyethylene, this mixture is cured at elevated temperatures between 150 and 1751 C to crosslink (i.e., thermoset) the carbon black-filled polyethylene.

Bei der Verwendung von Bändern für die halbleitende Zwischenschicht oder für die äußere Isolierung aus Polyäthylen ist das Band vorzugsweise 1,27 bis 15,24 cm oder mehr breit und besitzt eine Stärke von etwa 0,025 bis 0,5 mm. Während der Herstellung des isolierten Leiters kann sich herausstellen, daß die Auftragung von mehr als einer Bandlage sowohl des quervernetzten, mit Ruß gefüllten Polyp äthylens als auch der äußeren Polyäthylen-Isolierung erforderlich ist.When using tapes for the semiconducting intermediate layer or for the outer insulation made of polyethylene, the tape is preferably 1.27 to 15.24 cm or more wide and has a thickness of about 0.025 to 0.5 mm. During the manufacture of the insulated conductor, it may be found that the application of more than one layer of tape of both the cross-linked carbon black-filled polyp and the outer polyethylene insulation is required.

Die beigefügte Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsforin der Erfindung. Diese Abbildung stellt einen metallischen Kern 1 dar, z. B. aus Kupfer, der von einer halbleitenden Schicht aus einem quervernetzten, mit Ruß gefüllten Polyäthylen 2 und einer äußeren Isolierung aus Polyäthylen 3 umgeben ist, die entweder wärmebildsam oder ebenfalls quervernetzt und weitgehend unschmelzbar und unlöslich ist.The accompanying drawing shows a preferred embodiment of the invention. This figure shows a metallic core 1 , e.g. B. made of copper, which is surrounded by a semiconducting layer of a cross-linked, carbon black-filled polyethylene 2 and an outer insulation made of polyethylene 3 , which is either heat-buildable or also cross-linked and largely infusible and insoluble.

Im folgenden Ausführungsbeispiel sind alle Angaben nach Gewichtsmengen aufgeführt.In the following exemplary embodiment, all details are given by weight listed.

Eine Spule aus Kupferlitze von etwa 6,4 mm Breite und 25,4 mm Höhe wurde mit einem halbleitenden, bestrahlten Bänd umwickelt, das aus mit Ruß gefüll- tem Polyäthylen bestand (dessen Gehalt an Ruß etwa 30 Gewichtsprozent betrug), das mit Elektronen aus einem Hochspannungsbeschleuniger bestrahlt worden war. Dashalbleitende Band, das etwa 0,1 mm stark war, wurde um die Spule gewickelt, so daß überlappungen bis zu einer Stärke von etwa 0, 15 bis 0,2 mm des mit Ruß gefüllten, quervernetzten Polyäthylens auf dem isolierten Leiter entstanden. Nicht gefülltes, gedehntes Polyäthylenband (40 bis 50111« Dehnung), das bestrahlt worden war, wurde dann um den metallischen Kein und das mit Ruß gefüllte, quervernetzte Polyäthylen gewickelt, so daß sich eine Stärke von etwa 1 mm ergab. Das gesamte Gebilde (die Isolation war etwa 1,2 mm stark), das aus der äußeren, bestrahlten Polyäthylenisolierung, der Zwischenschicht aus mit Ruß gefülltem, quervernetztem Polyäthylen und dem metallischen Korn bestand, wurde 1 Stunde lang auf 105 bis 1151 C erhitzt, so daß die äußere Polyäthylenschicht schrumpfte, und dann 15 Minuten lang auf 150'C erhitzt, wodurch eine enge Vernetzung aller Polyäthylenschichten bewirkt wurde. Dieses Verfahren ergab eine glatte wiederholbare Isolation, die weitgehend frei von Spalten oder Lücken ist. Eine Wärmebehandlung bei 150'C war ausreichend zur Vernetzung der halbleitenden und der äußeren isolierenden, nicht gefüllten, bestrahlten Polyäthylenschichten.A coil of copper braid about 6.4 mm wide and 25.4 mm high was wrapped with a semiconducting, irradiated tape, which consisted of polyethylene filled with carbon black (the carbon black content was about 30 percent by weight), which was exposed to electrons had been irradiated with a high voltage accelerator. Dashalbleitende band which was about 0.1 mm thick, was wrapped around the coil so that overlaps to a thickness of about 0 15 to 0.2 mm filled with soot formed of crosslinked polyethylene on the insulated conductor. Unfilled, stretched polyethylene tape (40 to 50111 "elongation) that had been irradiated was then wrapped around the metallic core and the carbon black-filled crosslinked polyethylene to give a thickness of about 1 mm. The entire structure (the insulation was about 1.2 mm thick), which consisted of the outer, irradiated polyethylene insulation, the intermediate layer of cross-linked polyethylene filled with carbon black and the metallic grain, was heated to 105 to 1151 C for 1 hour, so that the outer polyethylene layer shrunk, and then heated for 15 minutes at 150 ° C, whereby a close crosslinking of all polyethylene layers was effected. This procedure resulted in a smooth, repeatable isolation that is largely free of gaps or gaps. A heat treatment at 150 ° C. was sufficient to crosslink the semiconducting and the outer insulating, unfilled, irradiated polyethylene layers.

Zum Vergleich wurde ein anderer isolierter Leiter, der dem oben beschriebenen ähnlich war, hergestellt mit dem Unterschied, daß die halbleitende Zwischenschicht aus mit Ruß gefülltem, quervernetztem Polyäthylen ausgelassen wurde, und die äußere, durch Bestrahlung mit Elektronen quervernetzte Polyäthylenisolierung in ihrer Stärke von 1,0 auf 1,2 mm erhöht wurde, so daß dieser zum Vergleich benutzte Leiter eine ebenso starke Isolation wie der oben beschriebene nach der Erfindung aufwies.For comparison, another insulated conductor was made, which was similar to the one described above, with the difference that the semiconducting intermediate layer of carbon black-filled, cross-linked polyethylene was omitted, and the outer polyethylene insulation cross-linked by irradiation with electrons in its thickness of 1, 0 was increased to 1.2 mm, so that this conductor used for comparison had as much insulation as that described above according to the invention.

Jeder dieser beiden Leiter wurde bis zum Versagen beansprucht. Bei dieser Prüfung wurden Blechwicklungen als Erdung bei einer Spannung von 167 V auf 0,025 mm verwendet. Die Beanspruchung, die die nicht gefüllte, bestrahlte Polyäthylenisolierung vertrug, betrug 200 V auf 0,025 mm. Das Ergebnis dieser Prüfungen (meistens wurden fünf Versuche an jedem der beiden isolierten Leiter durchgeführt) war, daß diejenigen isolierten Leiter, die keine Zwischenschicht aus mit Ruß gefülltem, quervernetztein Polyäthylen besaßen, durchschnittlich etwa 6 Stunden bis zum Versagen unter der dielektrischen Beanspruchung aushielten, während die isolierten Leiter mit der Zwischenschicht aus einem mit Ruß gefüllten, quervernetzten Polyäthylen durchschnittlich etwa 67 Stunden bis zum Versagen aushielten.Each of these two conductors has been stressed to the point of failure. In this test, sheet metal windings were used as grounding at a voltage of 167 V at 0.025 mm. The stress that the unfilled, irradiated polyethylene insulation withstood was 200 V on 0.025 mm. The result of these tests (usually five tests were carried out on each of the two insulated conductors) was that those insulated conductors that did not have an intermediate layer of carbon black-filled, cross-linked polyethylene withstood an average of about 6 hours to failure under the dielectric stress during the insulated conductors with the intermediate layer of a cross-linked polyethylene filled with carbon black withstood an average of about 67 hours until failure.

Das beschriebene Beispiel zeigt die Fähigkeit einer leitenden Schicht, die Beanspruchung durch die Spannung zu verteilen und die Ionisation zu verhindern. Die Beschädigung der Isolierung durch eine Entladung im Lichtbogen, die gleichzeitig den elektrischen Leiter angreift, ist weitgehend verringert wenn nicht ausgeschaltet worden. Die beschriebene Erfindung vermeidet die Anwendung der bekannten Verfahren, bei denen im Vakuum unter Druck eine enge Verbindung der Bestandteile eines elektrischen Leiters herbeigeführt wird.The example described shows the ability of a conductive layer to distribute the stress caused by the voltage and prevent ionization. The damage to the insulation by a discharge in the arc that occurs at the same time attacks the electrical conductor is largely reduced if not switched off been. The invention described avoids the use of the known methods, in which in a vacuum under pressure a close connection of the components of an electrical Head is brought about.

Die isolierten, elektrischen Hochspannungsleiter nach der Erfindung weisen eine enge Verbindung der äußeren Isolierung mit dem Kern des Leiters auf, die durch die halbleitende Zwischenschicht hergestellt wird und die die üblichen Beeinträchtigungen, die durch Biegen, Drehen oder Schwingungen auftreten, vermeidet. Die üblichen, nicht vemetzten, halbleitenden Bänder hingegen werden spröde und rissig und lösen sich von der Isolierung, wodurch Spalten entstehen. Durch die Gleichartigkeit und Verträglichkeit der äußeren Isolation mit der Zwischenschicht aus mit Ruß gefülltem, quervemetztem Polyäthylen entsteht ein homogenes Gefüge, das die Nachteile der bisher verwendeten Schichten ausschließt, die nicht untereinander verträglich sind. Das bedeutet, daß keine Hohlräume in der Isolierung entstehen, die durch Wärmeeinwirkung, d. h. durch Ausdehnung und Zusammenziehen der Isolationsschichten auf Grund der Temperaturunterschiede, auftreten. Da die Zwischenschicht unschmelzbar ist, kann sie den Temperaturen beim Strangpressen widerstehen, wenn beispielsweise ein wärmebildsames oder zerinahlenes, quervernetztes Polyäthylen über das mit Ruß gefüllte, quervernetzte Polyäthylen und den metallischen Kern stranggepreßt wird.The insulated, electrical high-voltage conductor according to the invention have a close connection of the outer insulation to the core of the conductor, which is produced by the semiconducting intermediate layer and which avoids the usual impairments that occur through bending, twisting or vibrations. The usual, non-crosslinked, semiconducting tapes, on the other hand, become brittle and cracked and detach from the insulation, creating gaps. Due to the similarity and compatibility of the outer insulation with the intermediate layer of cross-linked polyethylene filled with carbon black, a homogeneous structure is created which excludes the disadvantages of the layers previously used, which are not mutually compatible. This means that there are no voids in the insulation caused by the action of heat, i.e. H. due to the expansion and contraction of the insulation layers due to the temperature differences. Since the intermediate layer is infusible, it can withstand the temperatures during extrusion, for example when a heat-forming or ground, cross-linked polyethylene is extruded over the carbon-black-filled, cross-linked polyethylene and the metallic core.

Claims

Claims: 1. Electrical high-voltage conductor, the metallic core of which has an outer insulation made of polyethylene and a semiconducting intermediate layer of carbon-filled polyethylene, characterized by the combination of the feature that the intermediate layer of non-meltable polyethylene filled with carbon black is cross-linked with the second known feature that the polyethylene of the outer insulation is both cross-linked and heat-shrunk.

2. Electrical high voltage conductor according to claim 1, characterized in that the intermediate layer contains a chemically cross-linked polyethylene. 3. Electrical high voltage conductor according to claim 1, characterized in that the intermediate insulation contains a cross-linked polyethylene irradiated with electrons.

Considered publications: German utility model No. 1722 267; German Auslegeschriften Nos. 1 021042, 1 005 266, 1000 076; British Patent No. 620,875; Journal "ETZ-B", 1956, vol. 8, no. 8, p. 314; General Electric Review, September 1955, pp. 48-51.