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Leitendes Band mit einem ausgeprägt spannungsabhängigen Widerstand
für isolierte elektrische Leiter Die Erfindung betrifft ein leitendes Band mit einem
ausgeprägt spannungsabhängigen Widerstand, das zum Ausgleich des Potentialgradienten
längs der Oberfläche einer elektrischen Isolierung bestimmt ist, insbesondere auf
der Oberfläche einer außerhalb einer Schirmkante eines Kabels freigelegten Isolierung.
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Es ist zum Ausgleich des Potentialgradienten längs der Oberfläche
einer elektrischen Isolierung ein Verfahren bekannt, bei dem auf die Oberfläche
ein Belag mit Bestandteilen aufgebracht wird, die dem Belag einen ausgeprägt spannungsabhängigen
Widerstand verleihen. Ein solcher Belag hat eine starke nichtlineare Stromspannungscharakteristik,
so daß die Spannung über dem wirksamen Teil des Belags innerhalb eines großen Spannungsbereichs
annähernd konstant und unabhängig von der Stromstärke durch diesen Teil des Belags
wird. Der Widerstand der Beläge nimmt in jedem Teil unabhängig von dem Potential
des Leiters von selbst den zweckmäßigsten Wert an, so daß die Beläge einen befriedigenden
Ausgleich des Potentialgradienten auch bei innerhalb weiter Grenzen variierender
Spannung des Leiters zustande bringen.
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Um einen geeigneten Belag zu erhalten, ist es bekannt, einen ein Siliciumkarbid
enthaltenden härtbaren Lack zu verwenden. Dieser Lack kann entweder direkt auf die
Oberfläche der Isolierung oder erst auf ein beispielsweise aus Fasermaterial bestehendes
Band aufgebracht werden, das danach um die Isolierung des Leiters gewickelt wird.
Der Lack wird nach dem Aufbringen gehärtet.
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Wenn die bekannte Methode zum Ausgleich des Potentialgradienten längs
der Oberfläche einer außerhalb einer Schirmkante eines Kabels freigelegten Isolierung
verwendet wird, hat es gewisse Nachteile, den Belag aus einem härtbaren Lack herzustellen.
Ein Nachteil dabei ist, daß das Kabel nicht unmittelbar nach dem Aufbringen des
Lackes fertigmontiert werden kann, weil der Lack erst trocknen muß. Das nimmt eine
beträchtliche Zeit in Anspruch, besonders wenn keine Heizvorrichtung zur Verfügung
steht. Da das Verbinden und Verschließen der Kabel oft im Freien stattfindet, ist
der genannte Nachteil von großer Bedeutung. Bei solchen Gelegenheiten mit einem
flüssigen Produkt zu arbeiten, das sich schwierig aufbringen läßt, bringt auch andere
Nachteile mit sich, unter anderem Sedimentationsprobleme.Umabhängig davon, ob der
Lack direkt auf die Oberfläche der Isolierung oder erst auf ein Band aufgebracht
wird, das danach um die Isolierung des Leiters gewickelt wird, bietet die Lagerung
des Lackes weitere Probleme, besonders wenn der Lack eine kurze Härtungszeit hat
und seine Lagerungszeit dann nur kurz sein darf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile beim Aufbringen
eines Belags mit spannungsabhängigem Widerstand auf die Oberfläche einer außerhalb
einer Schirmkante eines Kabels freigelegten Isolierung zu vermeiden. Gemäß der Erfindung
dient zur Herstellung des Belags ein leitendes Band, das aus thermoplastischem oder
elastischem Werkstoff, z. B. Polyvinylchlorid, besteht, dem Siliciumkarbid zugesetzt
ist. Das Band kann mit Vorteil stranggepreßt sein.
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Unter einem ausgeprägt spannungsabhängigen Widerstand versteht man
einen Widerstand, bei dem der Exponent n in der Gleichung 1 = K -
Un mindestens etwa 2 beträgt, wobei 1 die Stromstärke angibt, U die Spannung und
K eine Konstante ist.
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Die Bänder nach der Erfindung sind geschmeidig, trocken und lagerungsbeständig.
Sie können ohne Schwierigkeiten und ohne Hilfsmittel auf die Isolierung in der Form
einer dichten, anliegenden Hülle aufgebracht werden. Unmittelbar nach ihrem Aufbringen
kann die Montage des Kabels beendet werden.
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Das Thermoplast oder Elast in den Bändern kann außer aus den genannten
Polyvinylchloriden unter anderem aus Polyäthylen, Polybutylen, natürlichem oder
synthetischem Gummi bestehen.
Das Siliciumkarbid kann von einer
Qualität -sein, die gewöhnlich »Elektrokarbid« genannt und in nicht linearen Komponenten
angewendet wird, z. B. in Ventilableitern und Varistoren. Diese Qualität hat einen
verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand. Es kann auch von einer Qualität
mit hohem spezifischem Widerstand sein. Mit dem Ausdruck Siliciumkarbid mit hohem
spezifischem Widerstand meint man Siliciumkarbide, die elektronische Leiter sind
und einen spezifischen Widerstand zwischen einigen Ohmzentimetern bis zu mehreren
Millionen Ohmzentimetern haben. Die letztgenannte Art von Siliciumkarbid ist gewöhnlich
von grüner Farbe und wird normalerweise als Schleifmittel verwendet. Siliciumkarbid
mit hohem spezifischem Widerstand hat sich als besonders zweckmäßig im Gebrauch
erwiesen, weil man dabei einen so hohen Karbidgehalt benutzen kann, daß das Vorkommen
voneinander isolierter Karbidkörner und dadurch auch das Risiko des Glimmens im
Belag an Stellen hoher lokaler Feldstärke vermieden wird.
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Der Siliciumkarbidgehalt im Band beträgt zweckmäßig etwa 10 bis etwa
60, vorzugsweise 25 bis 50 Volumprozent. Weiter besteht das Siliciumkarbid zweckmäßig
aus Kornfraktionen mit Mittelkorngrößen innerhalb des Intervalls von 0,025 bis 0,07
mm. Das Karbid kann dabei aus einer einzigen Kornfraktion oder aus Mischungen von
zwei oder mehreren Kornfraktionen bestehen.
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Mit einer Kornfraktion mit einer Mittelkorngröße von 0,15 mm ist eine
Fraktion gemeint, bei der, abgesehen davon, daß die Mittelkorngröße etwa 0,15 mm
beträgt, ungefähr 90% des Gewichts der Fraktion aus Korngrößen zwischen etwa 0,09
und etwa 0,25 mm bestehen. Mit einer Kornfraktion mit einer Mittelkorngröße von
0,025 mm meint man in derselben Weise eine Fraktion, bei der, abgesehen davon, daß
die Mittelkorngröße etwa 0,025 mm beträgt, ungefähr 90 1/o des Gewichts der Fraktion
aus Korngrößen von zwischen etwa 0,015 und etwa 0,06 mm bestehen, und mit einer
Kornfraktion mit einer Mittelkorngröße von 0,07 mm eine Fraktion, bei der, abgesehen
davon, daß die Mittelkorngröße etwa 0,07 mm beträgt, ungefähr 90 % des Gewichts
der Fraktion aus Korngrößen zwischen etwa 0,035 und etwa 0,1 mm bestehen. Die übrigen
Kornfraktionen mit Mittelkorngrößen unter 0,15 mm haben eine entsprechende Korngrößenverteilung.
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Die Erfindung ist im Anschluß an die Beschreibung einiger als Beispiel
gewählter Ausführungsformen an Hand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt
F i g. 1 ein Kabel in Einleiterausführung und F i g. 2 eines in Dreileiterausführung.
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In den Figuren ist der metallische Leiter 1 mit einer Isolierung 2
versehen, die beispielsweise aus einem weichgemachten Polyvinylchlorid oder Polyäthylen
oder auch aus Papier u. dgl. bestehen kann. Der isolierte Leiter, die Kabelader,
ist mit einer an sich bekannten Schicht 3, z. B. aus einem Ruß enthaltenden Thermoplast,
versehen. Die Schicht kann aus einer saumlosen stranggepreßten Hülle oder aus einem
spiralenförmig verlaufenden Band bestehen. Wenn das Kabel mehrere Leiter hat, wie
in F i g. 2, sind diese verkabelt und mit einer gemeinsamen halbleitenden Hülle
4 versehen, die aus demselben Material bestehen und in derselben Weise ausgeführt
sein kann wie die halbleitende Schicht auf den Kabeladern. Auf der Schicht 3 im
Einleiterkabel oder der gemeinsamen Hülle 4 im Mehrleiterkabel sitzt ein metallischer
Mantel 5, der aus spiralenförmig angebrachten Drähten oder Bändern oder in der Längsrichtung
angebrachten Bändern oder saumlos angebrachtem Metall, wie Blei oder Aluminium,
bestehen kann. Der Metallmantel kann außen von einer Hülle 6 aus z. B. Polyvinylchlorid
geschützt werden.
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Bei der Montage eines Kabels des oben beschriebenen Typs wird der
metallische Schirm mit Erde verbunden, wobei auch die halbleitende Schicht 3 Erdpotential
bekommt, entweder durch direkten Kontakt mit dem Metallschirm; wie es bei dem Einleiterkabel
nach F i g. 1 der Fall ist, oder durch Kontakt mit dem Metallschirm über die gemeinsame
Hülle 4, wie es bei dem Mehrleiterkabel nach F i g. 2 der Fall ist. Bei der Montage
werden die Kabelenden herausgeschält und die Kabeladern in der aus den Figuren hervorgehenden
Weise freigelegt. Um die Feldkonzentration auszugleichen, die beim Prüfen und im
Betrieb an der Schirmkante entsteht, versieht man die Aderisolierung 2 erfindungsgemäß
mit einem Belag mit einem ausgeprägt spannungsabhängigen Widerstand in der Foren
einer Umwicklung 7 mit einem Band aus Thermoplast oder Flast, z. IB. Polyvinylchlorid,
das Siliciumkarbid enthält. Beispiele von zweckmäßigen Zusammensetzungen des Materials
des Bandes werden weiter in der Beschreibung angegeben. In den in den Figuren gezeigten
Ausführungsformen besteht der Belag aus einem Band, das mit Überlappung - z. B.
50 0/0 überlappung - um die Aderisolierung gewickelt ist. Gemäß den Figuren überlappt
der Belag 7 die Bandage 3 der halbleitenden Schicht. Die Länge des Belags hängt
von der Beanspruchung ab, für die das Kabel vorgesehen ist. In der Regel ist eine
Länge von einigen Zentimetern ausreichend.
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In gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Belag 7 und die halbleitende
Schicht 3, unabhängig davon, ob das Kabel ein Finleiterkabel wie in F i g. 1 oder
ein Mehrleiterkabel wie in F i g. 2 ist, aus ein und demselben Band bestehen zu
lassen. In diesem Fall ist der Belag 7 nur eine Verlängerung der innerhalb des Mantels
gelegenen Schicht 3, wobei das Band des Belages 7 vollständig das Band der Schicht
3 ersetzt, so daß dieses Band entfällt. Dabei wird innerhalb des Schirmes 5 nur
das Leitvermögen des Bandes ausgenutzt, um die Äquipotentialfläche zu bilden, dagegen
nicht die Spannungsabhängigkeit des Widerstandes.
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Im folgenden sind einige Beispiele von zweckmäßigen Zusammensetzungen
des Materials im Thermoplastband gegeben. Beispiel 1 67 Gewichtsteile Polyvinylchlorid,
33 Gewichtsteile Dioctylphthalat, 1 Gewichtsteil Bleiweiß und 150 Gewichtsteile
Siliciumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand von einer Kornfraktion mit einer
Mittelkorngröße von 0,037 mm und mit ungefähr 90% des Gewichts der Fraktion in den
Korngrößen von etwa 0;02 bis etwa 0,07 mm werden vermischt. Die Volumprozente an
Siliciumkarbid in dieser Thermoplastmischung betragen etwa 38 ö%. Aus der erhaltenen
Mischung wird mit 160° C warmen Walzen ein Band mit einer Dicke von etwa 0,3 mm
und einer Breite von etwa 20 mm gewalzt, das dann
mit 75 0l0 Überlappung
gemäß den Figuren auf ein 10 kV plastisol,iertes Hochspannungskabel aufgebracht
wird, so daß die Länge des Belags etwa 7 cm ist.
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Beispiel 2 In derselben Weise und mit demselben Material wie im Beispiel
1, mit der Ausnahme, daß an Stelle von Siliciumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand
»Elektrokarbid« verwendet wird, wird ein Band hergestellt, das dann in der im Beispiel
1 angegebenen Weise aufgebracht wird.
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Beispiel 3 67 Gewichtsteile Polyvinylchlorid, 22 Gewichtsteile Dioctylphthalat,
1 Gewichtsteil Bleiweiß und 100 Gewichtsteile Siliciumkarbid mit hohem spezifischem
Widerstand von einer Kornfraktion mit einer Mittelkorngröße von 0,062 mm und ungefähr
90 0/0 des Gewichts der Fraktion innerhalb der Korngrößen von etwa 0,03 bis etwa
0,09 mm werden vermischt. Die Volumprozente an Siliciumkarbid in dieser Thermoplastmischung
sind etwa 27%. In derselben Weise wie im Beispiel l wird ein Band hergestellt, das
dann in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise aufgebracht wird. Beispiel 4 In derselben
Weise und mit demselben Material wie im Beispie13 angegeben, mit der Ausnahme, daß
anstatt von Siliciumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand »Elektrokarbid« verwendet
wird, wird ein Band hergestellt, das dann, wie im Beispiel 1 angegeben, aufgebracht
wird.
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Beispiels 67 Gewichtsteile Polyvinylchlorid, 33 Gewichtsteile Dioctylphthalat,
1. Gewichteil Bleiweiß und 150 Gewichtsteile Siliciumkarbid mit hohem spezifischem
Widerstand mit einer Mittelkorngröße, die unter 0,025 mm liegt, werden vermischt.
Die Volumprozente in dieser Thermoplastmischung sind etwa 38%. In derselben Weise
wie im Beispiel 1 wird ein Band hergestellt, das dann, auch wie im Beispiel 1, aufgebracht
wird.
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Beispiel 6 In derselben Weise und mit demselben Material wie im Beispie15,
mit der Ausnahme, daß anstatt Siliciumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand »Elektrokarbid«
verwendet wird, stellt man ein Band her, das dann wie im Beispiel 1 aufgebracht
wird. Beispiel ? 67 Gewichtsteile Polyvinylchlorid, 33 Gewichtsteile Dioctylphthalat,
1 Gewichtsteil Bleiweiß und 200 Gewichtsteile Siliciumkarbid mit hohem spezifischem
Widerstand von einer Kornfraktion mit einer Mittelkorngröße von 0,037 mm und mit
ungefähr 90% des Gewichts der Fraktion innerhalb der Korngrößen von etwa 0,02 bis
etwa 0,07 mm werden vermischt. Die Volumprozente an Siliciumkarbid in dieser Thermoplastmischung
betragen etwa 47 %. In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise wird ein Band hergestellt,
das dann auch gemäß Beispiel 1 aufgebracht wird.
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Beispiel 8 In derselben Weise und mit demselben Material wie im Beispie17,
mit der Ausnahme, daß anstatt Siliciumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand »Elektrokarbid«
benutzt wird, stellt man ein Band her, das dann wie im Beispiel 1 aufgebracht wird.
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Es dürfte offenbar sein, daß die Erfindung mit Vorteil nicht nur bei
einer außerhalb einer Schirmkante eines Kabels freigelegten Isolierung, sondern
auch in mehreren anderen Fällen angewendet werden kann, wo der Bedarf vorliegt,
den Potentialgradienten auf der Oberfläche einer Isolierung auszugleichen, wie z.
B. bei den freien Wickelköpfen elektrischer Maschinen und bei Hochspannungsdurchführungen.