DE1494209B2

DE1494209B2 -

Info

Publication number: DE1494209B2
Application number: DE19621494209
Authority: DE
Priority date: 1961-08-28
Filing date: 1962-08-27
Publication date: 1970-12-03
Also published as: NL282067A; GB998499A; NL129982C; ES280330A1; LU42261A1; DE1494209A1; NO117611B; US3228883A; CH439432A; DK120088B; BE621744A; AT245247B

Description

Es ist bekannt, elektrische Kabel mit Natur- und/oder Kunstkautschuk zu isolieren. Die Verwendung solcher Kabel ist jedoch infolge ihrer ungenügenden Beständigkeit gegen Ozon und Ionisationseffekte auf einen Bereich verhältnismäßig niedriger Spannungen von nicht mehr als etwa 2000 V beschränkt.

Diese beiden grundlegenden Mängel, die sich besonders im Bereich mittlerer Spannungen (3000 bis 35000 V) und im Hochspannungsbereich (über 35000 V) bemerkbar machen, sind auf die Natur der bisherigen Isolierstoffe selbst sowie auf unvermeidliche Produktionsfehler zurückzuführen.

Ein Isolierstoff muß, um auch in einem höheren Spannungsbereich zu genügen, ozonbeständig sein und den bekannten mechanischen Prüfungen standhalten. Es war bisher nicht möglich, einen Isolierstoff zu entwickeln, der beiden Erfordernissen genügte.

Der Einfluß von Produktionsfehlern wird um so stärker, je komplizierter der Aufbau des Kabels ist. Hierzu gehören Zahl und Anordnung der verschiedenen Bestandteile, wie Leiter, Abschirmungen, Isolierschichten, mögliche Verstärkungen oder Armierungen. Abgesehen von unvermeidlichen Lufteinschlüssen innerhalb der Isolierung haben die Herstellungsfehler örtliche mangelnde Haftung zwischen der Isolation und der angrenzenden Abschirmung zur Folge. Diese Unterbrechungen und Lufteinschlüsse sind auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Einführungsisolatoren oder Transformatoren, zu finden.

Nach dem Gesetz der Verteilung von Potentialen in zusammengesetzten Dielektrika, die aus zwei aufeinanderfolgenden Schichten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante bestehen, lokalisiert sich das elektrische Potential vorwiegend auf der Schicht mit der niedrigeren Dielektrizitätskonstante. Berücksichtigt man, daß die zur Zeit verwendeten dielektrischen Materialien eine Dielektrizitätskonstante haben, die das drei- bis vierfache der Dielektrizitätskonstante der Luft beträgt, so ist es leicht verständlich, weshalb sich ein Potentialunterschied über jeder Luftblase oder jedem infolge mangelnder Haftung entstandenen Hohlraum stellt, bis er den kritischen Schwellenwert erreicht, bei dessen Überschreiten Ionisation der Luft einsetzt.

Im Falle von Wechselstrom sind die ionisierten Teilchen einer ständigen Vibrationsbewegung unterworfen, die sich in verschiedener Hinsicht nachteilig auf das dielektrische Material auswirkt. Insbesondere kommen folgende Schäden vor:

a) Örtliche Erhitzung bis zu einer Temperatur, bei der der Isolierstoff durch reine Wärmeeinwirkung abgebaut wird.

b) Zerfall, der langen, durch freie Radikale gebildeten Polymermoleküle und demzufolge weitgehende Depolymerisation durch die Wirkung des Aufpralls von Ionen, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden.

c) Oxydation des Polymeren durch Einwirkung von Ozon und automarem Sauerstoff, die durch Ionenbombardement gebildet werden. Wenn Ionisation an der Stelle stattfindet, an der das Kabel gebogen ist, bilden sich tiefe Risse in dem Teil des Isolierstoffs, der der Zugbeanspruchung unterworfen ist. Diese Risse haben zur Folge, daß das Kabel infolge ungenügender Durchschlagsfestigkeit verbrennt.

Aus der belgischen Patentschrift 595 773 ist es bereits bekannt, daß Peroxyd und Schwefel enthaltende Mischungen aus Äthylen-Propylen-Misch polymerisaten und Polyäthylen zur Kabelisolierung verwendet werden können. Der Gehalt an Mischpoly merisat soll 60 bis 70°/₀ der Mischung nicht über und 10 ⁰/₀ nicht unterschreiten.

Demgegenüber muß es überraschen, daß der er findungsgemäße hochgefüllte Werkstoff, der bis zi 120 Teile Füllstoff pro 100 Teile Äthylen-«-Olefin Copolymeres enthalten kann, derart hervorragend;

ίο elektrische Eigenschaften besitzt, da der Fachmani wußte, daß Füllstoffe zwar die mechanischen Eigen schäften der Produkte verbessern, denen sie zugesetz werden, daß aber die elektrischen Eigenschaften vo allem beim Arbeiten in feuchter Umgebung durch de:

Füllstoffzusatz nachaltig verschlechtert werden, wa bereits bei relativ niedrigen Füllstoffgehalten zu be obachten ist. Aus Kenntnis dieser Tatsache hat es fil· den Fachmann nicht nahegelegen, den Produkten de belgischen Patents 595 773 hohe Füllstoffmengei zuzusetzen.

Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäßei Werkstoffe eine sehr gute Beständigkeit gegen Οζο; und gegen Ionisierungseffekte. Gegenüber den Pro dukten der belgischen Patentschrift 595 773 zeigen di erfindungsgemäßen Werkstoffe eine etwa um da Doppelte höhere Durchschlagsfestigkeit, die ein Mai für die Eignung als Isolierstoff ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein elastomere dielektrischer, als Isolierung im Mittel- und Hoch Spannungsbereich zu verwendender Werkstoff, de nur vernachlässigbare dielektrische Verluste aufweist durch Feuchtigkeit nicht beeinflußt wird und außerder die mechanischen und technologischen Erforderniss erfüllt, d. h. sich leicht verarbeiten, strangpressen um spritzgießen läßt sowie die gewünschte Elastizitä und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Be anspruchungen aufweist, wenn er für Kabel, Iso lationsschichten und andere Zwecke gebraucht wird Zur Herstellung dieses Werkstoffes gemäß de Erfindung wird von amorphen gesättigten Misch polymeren von Äthylen mit einem «-Olefin, und zwa vorzugsweise Propylen oder Buten, ausgegangen.

Derartige Mischpolymere, insbesondere in Mischun mit mineralischen Füllstoffen und Metallseifen, sin· von den Erfindern für die Isolierung elektrischer Kabc bereits vorgeschlagen worden. Es hat sich jedoch ir Zusammenhang mit einem durch die vorliegend Erfindung zu lösenden Problem gezeigt, daß dies Isolierstoffe verhältnismäßig niedrigen Spannungei nur mit hohen dielektrischen Verlusten und übermäßi; starkem Anstieg dieser Verluste bei Verwendung ii feuchter Umgebung widerstehen. Mit diesem Materia isolierte Kabel verhalten sich im Niederspannung: bereich (bis zu etwa 2000 V) einwandfrei, sind aber ir Bereich mittlerer Spannungen, d. h. zwischen 3000 un 35000 V, ungeeignet.

Demgegenüber besteht der Werkstoff gemäß de Erfindung aus vulkanisierbaren Formmassen zu Herstellung elektrischer Isolierungen im Hoch Spannungsbereich, bestehend aus

a) einem amorphen, 10 bis 80 Molprozent Äthyle enthaltenden Copolymeren aus Äthylen und einer «-Olefin mit einer Mooney-Viskosität ML-IOO⁰ < zwischen 20 und 8.

b) Polyäthylen,

c) einem Peroxyd,

d) Schwefel als Vulkanisationsmittel,

i gekennzeichnet durch einen Gehalt an Komponente a) j von 70 bis 95 Gewichtsprozent, der Komponente b) an 30 bis 5 Gewichtsprozent und einem nichthygroskopischen mineralischen Füllstoff in einer Menge I von 5 Gewichtsprozent bis zu 120 Gewichtsteilen ; pro 100 Gewichtsteile des amorphen Copolymeren. I Als Füllstoffe eignen sich für die Zwecke der I Erfindung wasserfreie Oxyde des Zinks, Eisens, ; Aluminiums, Siliciums und Titans, Oxydhydrate des ! Aluminiums und Siliciums, Carbonate des Calciums, '. Zinks, Bariums, Strontiums und Magnesiums, Lithopone und Bariumsulfat sowie Silikate, und zwar besonders die des Zinks, Calciums, Magnesiums und Aluminiums und Gemische der genannten Ver- ; bindungen.

Neben den obengenannten Komponenten kann der elastomere dielektrische Werkstoff gemäß der Erfindung natürlich je nach Bedarf Antioxydantien, Gleitmittel, Weichmacher und Ruß enthalten. Bei der Wahl der Antioxydantien ist zu berücksichtigen, daß die Mischung mit Schwefel und Peroxyden, beispielsweise Dicumylperoxyd oder tertiärem Butylperoxyd, ■|j vulkanisiert wird, so daß die Antioxydantien mit den letzteren verträglich sein müssen. Gute Ergebnisse werden bei dem Werkstoff gemäß der Erfindung mit Antioxydantien aus der Klasse der Alkylphenole sowie mit polymerisiertem Dihydrochinolin erhalten. Selbstverständlich können auch die verschiedensten anderen Antioxydantien verwendet werden.

Die Art der Gleitmittel und Weichmacher ist nicht

entscheidend. Neben allgemein bekannten Produkten können niedrigmolekulare Polymere und co-vulkanisier-

, bare Mischpolymere (Viskosität 500 bis 30000 Poise ! bei 20⁰C), insbesondere Lithium- und Natriumpolybutadiene der genannten Viskosität, verwendet werden.

j Es ist ferner möglich, Metallseifen zu verwenden.

i Ruß ist bekannt als sogenannter verstärkender

I Füllstoff. Er kann für die Zwecke der Erfindung I gebraucht werden, wenn der Elastizitätsmodul und/oder die Abriebfestigkeit des dielektrischen Werkstoffes

; verbessert werden sollen. Die Ergebnisse, die mit den ; verschiedenen zur Zeit gebräuchlichen Rußtypen : erhalten wurden, sind äußerst überraschend und unter-

ίΛ streichen die wichtige Rolle des Rußzusatzes. Bei-•^ spielsweise wurden ausgezeichnete Ergebnisse mit MT-Ruß (Medium Thermal) erhalten. Die mit FT- ; und MPC-Ruß erhaltenen Ergebnisse können als i gut bezeichnet werden, während mit den unter den i internationalen Bezeichnungen EPC, HAF, FEF und SRF bekannten Rußsorten der dielektrische Werkstoff leicht bei den während der Prüfung angewendeten Spannungen verbrannte.
I Die Erfindung soll durch das folgende Beispiel

' näher erläutert werden.

ί Es wurde eine Mischung aus den folgenden Kom-

I ponenten hergestellt:

I Gewichtsprozent

Äthylen-Propylen-Mischpolymerisat 54,0

i Polyäthylen »20 Grade« 10,8

i Calciniertes Kaolin 21,46

I Antioxydans 0,50

! Zinkoxyd 7,12

I Stearinsäure 3,24

j Organisches Peroxyd 2,59

! Schwefel 0,29

ι ■

! ιοο,οο

Nach 2stündiger Vulkanisation bei 145⁰C wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Mechanische Eigenschaften

Zugfestigkeit. 0,825 kg/mm²

Bruchdehnung 785°/₀

Bleibende Verformung nach ASTM . .17%

Mechanische Eigenschaften nach 20stündiger Alterung bei 127° C an der Luft in Prozent des ursprünglichen Wertes:

Zugfestigkeit 99%

Bruchdehnung 95%

- Wasserabsorption 7 g bei 70° C = 1,4 mg/cm²

¹S Elektrische Eigenschaften

Durchschlagfestigkeit 47 kV/mm

Isolationskonstante 30000 Ohm/km

Dielektrizitätskonstante 2,5

Dielektrischer Verlust

bei 23°C, 1575 V/mm 0,005

3150 V/mm 0,018

bei 100° C, 1575 V/mm 0,040

3150 V/mm 0,045

Aus dem beschriebenen Gemisch wurde durch Umspritzen und 2stündiger Vulkanisation bei 145° C ein Kabel für 15 kV mit einem Leiter von 100 mm² Querschnittsfläche und einer Dicke der Isolierschicht von 11 mm hergestellt. In dieses Kabel wurde künstlich ein HersteJlungsfehler in Form eines Lufteinschlusses eingearbeitet, so daß die Ionisationsspannung 8 kV betrug. Das Kabel widerstand mehrere Monate einer Wechselspannung (50 Hz) von 60 kV, ohne Verbrennungen oder Änderungen seiner elektrischen Eigenschaften zu zeigen.

Die gleichen Kabel, die mit üblichen Materialien, wie beispielsweise Naturkautschuk, Butylkautschuk, Polyäthylen oder Butadien-Styrol-Mischpolymerisat isoliert waren, verbrannten innerhalb einer Zeit von einigen Minuten bis zu einigen Stunden, wenn sie den gleichen Prüfbedingungen ausgesetzt wurden. Lediglich weichgemachtes Polyvinylchlorid zeigte eine mit den Dielektrika gemäß der Erfindung vergleichbare zufriedenstellende Widerstandsfähigkeit gegen Abbau, während seine dielektrischen Verluste erheblich höher lagen und für viele Anwendungszwecke unannehmbar waren. Darüber hinaus schließt seine große Steifigkeit seine Verwendung als dielektrisches Material für flexible Kabel aus.

Berücksichtigt man die Tatsache, daß Kabel für mittlere Spannungen bisher mit ölimprägniertem Papier isoliert wurden, sowie den komplizierten Aufbau, die Herstellungskosten und das Gewicht dieser Kabel, so sind die gemäß der Erfindung erzielten Ergebnisse zweifellos überraschend. Die mit dem Werkstoff gemäß der Erfindung hergestellten Kabel haben geringeres Gewicht, sind leicht zu verlegen und zuverlässig im Betrieb und brauchen keine Schutzhülle gegen Feuchtigkeit und chemischen Angriff, wie dies bei papiersiolierten Kabeln notwendig ist.

Die Werkstoffe sind selbstverständlich nicht nur für

die Herstellung von Kabeln geeignet. Sie lassen sich nämlich leicht kalandrieren und durch Spritzguß auch zu komplizierten Formen verarbeiten. So ist es möglich, elektrische Verbindungsteile und Kabelendverschlüsse für den Gebrauch im Freien und Einführungsisolatoren herzustellen, die eine Belastung von mehr als 100 kV aushalten, ohne daß Korona-

effekte oder Schädigungen des Dielektrikums auftreten. Es wurden z. B. Versuchstransformatoren für mittlere Spannungen hergestellt, deren Kern und Windungen durch Spritzguß in das erfindungsgemäße Dielektrikum eingebettet waren, das gleichzeitig die Einführungsisolatoren bildete. Diese Transformatoren arbeiteten ohne Beanstandung monatelang unter Belastung. Der dielektrische Werkstoff gemäß der Erfindung kann selbstverständlich überall dort verwendet werden, wo Isolierungen für die Leiter des Niederspannungs- und Mittelspannungsbereiches erforderlich sind.

Die Tatsache, daß bei dem dielektrischen Werkstoff gemäß der Erfindung keine Koronaeffekte auftreten, ist von großer Bedeutung für eine Verstärkung, die in der Isolierschicht und in Isolatoren aus diesen Materialien vorgesehen ist. Die bekannten Isolierstoffe können kaum zusammen mit textlien Verstärkungen oder Drahtarmierungen innerhalb des Isolators verwendet werden, und zwar einmal auf Grund der Tatsache, daß durch diese Verstärkungen bzw. Armierungen die Wahrscheinlichkeit von Lufteinschlüssen im Isolator erhöht wird und das verstärkende Material, wie Baumwolle, eine Ursache für Koronaentladungen ist, und zum anderen auf Grund der Tatsache, daß eine große Zahl von synthetischen Fasern, die an sich gut isolieren, während der Vulkanisation des Dielektrikums mehr oder weniger stark abgebaut werden.

Die starke Antikoronawirkung des dielektrischen Werkstoffes gemäß der Erfindung ermöglicht die Einarbeitung von Verstärkungen sowohl in Form von Naturfasern, wie beispielsweise aus Baumwolle, Flachs oder Hanf, als auch in Form von synthetischen Fasern, wie beispielsweise aus Glas, regenerierte Cellulose oder Polyester ohne jede Gefahr einer Ionisation und verleiht gleichzeitig diesen Fasern unter Vulkanisationsbedingungen,.ei|ie erhöhte natürliche Widerstandsfähigkeit: :._:.^."·-**■.-:

Claims

Patentansprüche:

1. Vulkanisierbare Formmassen zur Herstellung elektrischer Isolierungen im Hochspannungsbereich, bestehend aus

a) einem amorphen 10 bis 80 Molprozent enthaltenden Copolymeren aus Äthylen und einem a-Olefin mit einer Mooney-Viskosität ML-IOO⁰ C zwischen 20 und 8,

b) Polyäthylen,

c) einem Peroxyd,

d) Schwefel als Vulkanisationsmittel,
gekennzeichnet durch einen Gehalt an Komponente a) von 70 bis 95 Gewichtsprozent, der Komponente b) an 30 bis 5 Gewichtsprozent ( und. einem nichthygroskopischen mineralischen Füllstoff in einer Menge von 5 Gewichtsprozent bis zu 120 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile des amorphen Copolymeren.

2. Formmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Antioxydantien, Gleitmittel, Weichmacher und/oder Ruß enthält.