DE1570922C3

DE1570922C3 - Verfahren zur Herstellung eines Kabelendes

Info

Publication number: DE1570922C3
Application number: DE1570922A
Authority: DE
Inventors: Harold Christian Hervig; Edward Elmore Leach
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1963-11-14
Filing date: 1964-11-09
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1073382A; CH468059A; DE1570922B2; US3446741A; DE1570922A1; JPS4414067B1

Description

(.Viele selbsthärtendp ^harzartige Massen sind bekannt, mit denen harzartige Vergußmassen mit hoher Durchschlagsfestigkeit und anderen für die elektrische Isolierung geeigneten Eigenschaften hergestellt werden können. Ein besonderes Beispiel ist die Klasse der Epoxydverbindungen, die z. B. aus Bisphenol und Epichlorhydrin hergestellt werden. Diese Verbindungen in flüssiger Form reagieren, wenn sie mit geeigneten Katalysatoren und Härtungsmitteln gemischt werden, schnell und unter Entwicklung beträchtlicher Wärme und bilden starke, harte, zähe ..harzartige Vergußmassen, .die viele der geforderten Eigenschaften von Isolatoren aufweisen. Dementsprechend haben sie sich als brauchbar beim Einkapseln von Kabelspleißstellen und bei anderen Anwendungszwecken erwiesen. Eine solche Verwendung ist die Einführung einer selbsthärtenden Masse unter Druck in eine poröse Wicklung eines offenmaschigen Kunststoffnetzes, das eine Kabelspleißstelle umgibt. Die gehärtete Masse hat eine hohe dielektrische und mechanische Festigkeit und liefert einen angemessenen Schutz.

In vielen Fällen ist es unmöglich, die Spleißstelle mit einem Kunststoffnetz zu umwickeln, und auch aus anderen Gründen kann es zweckmäßig sein, das poröse Füllmaterial wegzulassen und eine starre Form tu verwenden, in die die flüssige Reaktionsmischung eingeführt werden muß. Unter solchen Bedingungen geschieht es häufig, daß die exotherme Härtungsreaktion der Masse einen übermäßigen Anstieg der Temperatur verursacht, wobei sich das Harz beim Aushärten übermäßig ausdehnt. Die gehärtete Epoxyverbindung ist dann beim Abkühlen und Zusammenziehen Spannungen unterworfen, die ein Zerbrechen, eine Hohlraumbildung oder andere sichtbare oder erst beginnende Verschlechterungen hervorrufen können.

Es wurden früher viele Versuche unternommen, um die Wärmeabgabe der harzartigen Masse durch Einführung inerter Füllmittel oder Streckmittel zu verringern. Starke Zusätze von sauberem Sand oder Glimmerschuppen zu der flüssigen harzartigen Masse verringern tatsächlich die exotherme Reaktion und mindern die Neigung zu mechanischem Versagen, doch trennt sich das Material sehr schnell, wenn es in flüssiger Form steht, und ist das ausgehärtete Produkt übermäßig schwer.

Eine wichtige Anwendung flüssiger, selbsthärtender Reaktionsmischungen, die sehr gut die bei Sandzusätzen auftretenden Schwierigkeiten zeigt, ist die Bereitung von Hochpannungskabelenden. Die hohe Spannung erfordert ein notwendigerweise hohlraumfreies, dichtes, homogenes Gebilde, so daß eine Koronaentladung verhindert werden kann. Das verzweigte Gebilde erfordert ein fließfähiges Isolationsmaterial, das in die Ritzen und die offenen Räume eindringen und diese vollständig ausfüllen kann. Die Erwärmung und die durch die Wärme hervorgerufene Ausdehnung müssen auf einem Mindestmaß gehalten werden, so daß unnötige Spannungen in dem Gebilde verhindert werden können. Jegliche Trennung der Bestandteile während der Einführung des Harzes kann dazu führen, daß die engen öffnungen verstopfen und den freien Zugang des Harzes verhindern sowie gleichzeitig harzreiche Teile gebildet werden, die eine übermäßig hohe exotherme Reaktion haben. Aus diesen und anderen Gründen wurden auf diesem Gebiet bis jetzt große Schwierigkeiten angetroffen, wenn voll zufriedenstellende Hochspannungskabelenden erreicht werden sollen.

Aus der USA.-Patentschrift 3 087 606 sind Massen bekannt, die aus Epoxydverbindungen, Aminen und inerten Pigmenten bestehen. Diese bekannten Massen werden vernetzt und die entstehenden Produkte für elektrische Isolierzwecke benutzt.

Ferner sind aus SPE Journal, 16 (1960), Nr. 1,

S. 93 bis 100 Mischungen aus Epoxydverbindungen, Aminen, deren Umsetzung zu Polyadditionsprodukten und der Zusatz kleiner harzartiger Teilchen bekannt.

Außerdem werden in dem Buch von Lee und Neville Epoxy Resins«, 1957, Kapitel »Fillers«, S. 146 bis 149 synthetische organische Harze als Füllstoffe für Polyadditionsprodukte aus Epoxydverbindungen beschrieben, wobei die Füllstoffe Teilchengrößen von 0,1 Mikron aufwärts aufweisen.

Diese Literaturstellen geben keinen Hinweis darauf, ob besonders vorteilhafte Eigenschaften durch die Wahl eines Füllstoffs erzielt werden können, der ein spezifisches Gewicht hat, das in einer bestimmten Beziehung zu dem des Epoxydharzes steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kabelendes mit einem hohen Widerstand gegen durch die Korona hervorgerufene Verschlechterungen an einem abgeschirmten

Hochspannungskabel zur Verfügung zu stellen, bei dem eine zeitweise flüssige, selbsthärtende Masse mit inerten Füllstoffteilchen zum Ausfüllen einer hohlen Form verwendet werden, die einen Spannungskegel am Kabelende einkapselt, wobei die selbsthärtende Masse mit den inerten Füllstoff teilchen einer Trennung in die Bestandteile auch bei langem Stehen widerstehen und ohne übermäßige Wärmeentwicklung zu einer dichten, festen, gleichförmigen, hohlraumfreien, harzartigen Masse mit ausgezeichneten elektrischen und mechanischen Eigenschaften aushärten soll.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kabelendes mit einem hohen Widerstand gegen durch die Korona hervorgerufene Verschlechterungen an einem abgeschirmten Hochspannungskabel durch Befestigung eines Spannungskegels am Kabelende in leitender Verbindung mit der Kabelabschirmung, Einkapselung des Kegels und der anliegenden Kabelflächen in eine hohle Form, Füllen der Form und vollständiges Umgeben der Kabelflächen mit einer zeitweise flüssigen, selbsthärtenden Mischung aus einem Diglycidyläther des 2,2-Bis(4,4'-hydroxyphenyl)-propans und Triäthylentetramins sowie inerten Füllstoff teilchen und Aushärten dieser Mischung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Füllstoffteilchen in der Mischung gleichmäßig verteilt sind, etwa ein Zehntel bis etwa ein Drittel des Gesamtvolumens ausmachen, und daß diese aus kleinen, inerten, kugelförmigen Teilchen bestehen von denen jedes einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 60 Mikron und ein spezifisches Gewicht aufweist, welches sich von dem der Epoxyd-Härter-Mischung um nicht mehr als 0,05 unterscheidet, und jedes Füllstoffteilchen aus einem Tröpfchen eines flüssigen dielektrischen Öls in einer dünnen, nicht perforierten Aminoplastharzschale besteht, wobei das flüssige Dielektrikum etwa 50 bis 80 Gewichtsprozent des Gewichts der Teilchen ausmacht.

Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung machen die Füllstoffteilchen etwa ein Fünftel des Gesamtvolumens aus, und hat jedes Teilchen einen Durchmesser im Bereich von 25 bis 30 Mikron.

In der Zeichnung ist die

Fig. 1 ein fertiges Hochspannungskabelende im Querschnitt und die

Fig. 2 ein Teil der mit den Füllstoff teilchen versehenen, gehärteten Epoxyd-Härter-Mischung in starker Vergrößerung.

Das Kabel 10 besteht aus einem litzenförmigen Leiter 11, der mit einer Isolationsschicht 12, einer dünnen leitenden Abschirmung 13 und einer äußeren rohrförmigen Schutzhülle 14 umgeben ist. Eine Endöse 15 aus einer flachen, mit einem Loch versehenen Klemme 16 wird an einem offenen Napf 17 getragen und ist an dem abisolierten Ende des Leiters 11 angelötet. Ein leitender Spannungskegel 18 mit offenem Ende paßt fest über die Isolation 12 und stellt einen leitenden Kontakt mit dem sich nach unten erweiternden freien Ende der Abschirmung 13 her. Diese letztere ist äußerlich über einen biegsamen Leiter 19 geerdet, welcher an der Abschirmung abgelötet und an einer Stiftschraube 20 befestigt ist. Das zusammengesetzte Gebilde ist in einer isolierenden hohlen Form 21 enthalten, die aus einem konischen Grundteil 22, einem rohrförmigen Körper 23, einer trichterförmigen -Kappe 24 mit einem herausragenden Stiel und einem «der mehreren konischen Endabschirmungen 25 besteht. Die Stiftschraube 20 geht durch den Körper 23 hindurch und wird durch eine Mutter 26 gehalten, wobei sie außen durch nicht gezeigte Mittel geerdet ist. Der Körper 23 besitzt auch eine Eintrittsöffnung 27 für die flüssige, selbsthärtende Mischung, wobei diese Öffnung 27 gegebenenfalls ein Einwegventil (nicht gezeigt) enthalten kann.

Der in der hohlen Form verbleibende Raum ist vollständig mit einer gehärteten harzartigen Masse 28

ίο ausgefüllt, von der in F i g. 2 gezeigt wird, daß sie aus einem harten Harzkörper 29 besteht, der mit sehr kleinen kugelförmigen Teilchen aus einem Tröpfchen eines flüssigen dielektrischen Öls 30 in nicht perforierten Aminoplastharzschalen 31 gefüllt ist.

Im folgenden wird die Erfindung ausführlicher beschrieben. Alle Verhältnisse sind, wenn es nicht anders angegeben ist, Gewichtsverhältnisse.

Ein Vorkondensat wird zunächst hergestellt, indem 40 kg einer 37%igen Formaldehydlösung, 217 cm³ Triäthanolamin und 15 kg Harnstoff miteinander vermischt werden und das Gemisch eine Stunde lang auf 70° C gehalten wird. Das Vorkondensat wird mit 72 kg Wasser verdünnt. Zu der Lösung werden 82 cm³ konzentrierter Salzsäure und 32 kg Transformatoröl, ein nicht korrodierendes, stark raffiniertes Mineralöl niederiger Viskosität und mit einem spezifischen Gewicht von etwa 0,96, gegeben. Das Gemisch wird sehr stark gerührt, bis das öl in Form sehr kleiner Tröpfchen dispergiert ist. Es werden dann 98 cm³ Salzsäure zugefügt, und die Temperatur wird 12 Minuten lang bei 28 bis 30° C gehalten. Danach werden zusätzlich 131 cm³ der Säure in 27 kg Wasser langsam innerhalb von 5 Minuten zugefügt. Die öltröpfchen, die nun teilweise durch eine härzartige Schale geschützt sind, werden auf die Teilchengröße hin untersucht, und gegebenenfalls wird eine geeignete Einstellung der Rührgeschwindigkeit vorgenommen, wobei eine Verstärkung des Rührens an diesem Punkt eine weitere Abnahme der Teilchengröße zur Folge hat. Die harzbildende Reaktion wird dann eine Stunde lang bei 30° C und danach mehrere Stunden bei 40° C fortschreiten gelassen.

Die sich ergebenden sehr kleinen Kapseln, die eine äußere kugelförmige, undurchlässige Aminoplastharzschale haben, welche einen flüssigen Inhalt umgibt, werden durch Filtern gewonnen, gut mit Wasser gewaschen und in dünnen Schichten in Trögen in einem Ofen bei 60 bis 80° C getrocknet. Die Analyse zeigt, daß die sehr kleinen Kapseln einen Durchmesser zwisehen etwa 5 und 60 Mikron haben, wobei bei weitem der größere Teil einen Durchmesser im Bereich zwischen 25 bis 30 Mikron hat. Der ölgehalt macht etwa 50 bis 80% des Gewichts der Teilchen aus, wobei 65°/o eine bevorzugte Größenordnung darstellt und das spezifische Gewicht der Teilchen etwa 1,05 beträgt.

Eine selbsthärtende Epoxyd-Härter-Mischung wird bereitet, indem man 100 Gewichtsteile eines flüssigen Epoxydreaktionsproduktes von Epichlorhydrin und dem Glycidyläther yon Bisphenol A. mit einem Epoxydäquivalentgewicht in der Größenordnung von 175 bis 210, einem Durransschen Schmelzpunkt im Bereich von 8 bis 12° C und einer Viskosität bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 10 000 bis 15 000 cP und 11,5 Teile Triäthylentetramin miteinander vermischt. Das Gemisch hat ein spezifisches Gewicht von etwa 1,05 und ist bei Raumtemperatur, wie es zuerst hergestellt ist, eine dünne

Flüssigkeit, reagiert jedoch bald exotherm zu einem harten zähen Produkt. Zu dem zuerst hergestellten Gemisch werden 23,5 Gewichtsteile der trockenen und frei fließenden sehr kleinen Kapseln zugefügt. Die Anfangsviskosität des Gemisches, gemessen bei 28° C, beträgt 7500 cP. Das Gemisch wird unter Druck in die hohle Form eines vorher zusammengestellten Kabelendengebildes, wie oben beschrieben, durch die Eintrittsöffnung 27 in einer Menge eingeführt, welche ausreicht, um die hohle Form bis zum oberen Ende der Kappe 24 zu füllen. Gegebenenfalls kann die enge öffnung am oberen Ende zwischen der hohlen Form und dem Kabel mit Ausnahme von Luftauslaßöffnungen geschlossen werden, indem sie z. B. mit einem druckempfindlichen Klebband umwickelt wird. Die Masse läßt man dann aushärten.

Die nach der Erfindung hergestellten Kabelenden zeigen durchweg überragende Ergebnisse hinsichtlich des Widerstandes gegen Verschlechterungen unter Hochspannungsanwendungsbedingungen im Vergleich zu Kabelenden, die entweder mit reinen Harzen oder mit Harzen gefüllt sind, welche herkömmliche Zusätze aus Sand, Glimmer od. ä. dieelektrischen Teilchen enthalten. Eine Zerstörungsprüfung der Enden hat gezeigt, daß die nach der Erfindung verwendeten FüUstoffteilchen eine praktisch vollständige Gleichförmigkeit, verringerte Spannungen, was aus dem Fehlen von Brüchen oder Rissen hervorgeht, vollständige Füllung aller offenen Räume und allgemein überraschende Eigenschaften des fertigen Produktes sicherstellen.

Ähnliche Vorteile werden beobachtet, wenn man das erfindungsgemäße Verfahren anwendet, um Kabelspleißstellen, Transformatoren oder andere elektrische Teile einzukapseln.

Eine mögliche Erklärung der Vorteile der Erfindung kann aus den Ergebnissen von Prüfproben abgelesen werden, die mit vergleichbaren Gemischen hergestellt wurden, welche die nach der Erfindung vorgeschlagenen FüUstoffteilchen und andererseits Glimmerschuppen als inerte FüUstoffteilchen enthielten. Bei einem Gesamtvolumen von 78 cm³ der Mischung in einer 90-cm³-Schale erreichte die vorstehend angegebene Mischung, die nach der Erfindung verwendet wird und eine Anfangsviskosität von 7500 cP hatte, eine höchste Temperatur von etwa 165° C in 35 Minuten. Durch Ersetzen der nach der Erfindung vorgeschlagenen FüUstoffteilchen in der angegebenen Menge durch Glimmerschuppen, wobei grob eine äquivalente Anfangsviskosität erzielt wurde, d. h. die Verwendung von 45 Teilen GUmmerschuppen an Stelle von 23,5 Teilen der sehr kleinen Kapseln, wurden eine Anfangsyiskositat von 9300 cP und eine Temperatursteigerung auf etwa 170⁰C in 42 Minuten erhalten. Bei 70 Teilen Glimmer, d.h. einem Volumenzusatz, der dem der sehr kleinen Kapseln äquivalent war, betrug die Anfangsviskosität 22 200 cP. Diese Mischung erreichte eine höchste Temperatur von 145° C in 46 Minuten. Viskositäten, die größer als etwa 10 000 cP sind, rufen Schwierigkeiten hervor, wenn eine wirksame Füllung der hohlen Form durch Handpumpen erreicht werden soll, wie es bei diesen Vorgängen üblich ist.

Ähnliche Ergebnisse wurden mit einer weiteren Prüfreihe erzielt. In diesem Fall enthielt das Gemisch 100 Teile der obenerwähnten flüssigen Epoxydverbindung und 10 Teile Diäthylentriamin, und das Volumen der Probe betrug 115 ecm. Mit 23,5 Teilen Kapseln betrug die Anfangsviskosität 11 000 cP bei 24° C, und eine höchste Temperatur von etwa 155° C

ίο wurde in 32 Minuten erreicht. Mit 50 Teilen Glimmer betrug die Viskosität 15 500 cP, die höchste Temperatur betrug 175° C, und die erforderliche Zeit betrug 40 Minuten. Bei 70 Teilen Glimmer ergaben sich folgende Ergebnisse: 22 000 cP, etwa 155° C und 44 Minuten.

Transformatoröl ist ein bekanntes flüssiges Dielektrikum und ist besonders brauchbar für die Durchführung der Erfindung, doch können auch andere flüssige dielektrische Materialien verwendet werden.

ao Flüssige chlorierte Biphenyle sind besonders entweder allein oder in Mischung mit Mineralöl brauchbar, wenn Füllstoffteilchen erhöhten spezifischen Gewichts zweckmäßig sind. Das spezifische Gewicht der FüllstoffteUchen kann auch in geringem Maße durch

as Steuerung der Schalendicke innerhalb der oben angegebenen Grenzen geändert werden.

Gegebenenfalls kann ein Teil des bei dem Verfahren der Erfindung verwendeten Epoxyds durch andere flüssige Epoxydverbindungen ersetzt werden.

Zum Beispiel kann ein Zehntel des obengenannten flüssigen Epoxyds durch ein gleiches Gewicht epoxydierten 1,4-Butandiols ersetzt werden. Gegebenenfalls können der selbsthärtenden Mischung auch Farbstoffe oder Pigmente zugegeben werden.

Eine besonders bequeme Vorrichtung zum Mischen und Einführen der selbsthärtenden Mischung ist diejenige, die in der deutschen Patentschrift 1 083 380 beschrieben wird. Das Epoxyd und der Härter sind in getrennten AbteUen einer Mischhülle aus Kunststoff untergebracht, wobei die FüUstoffteilchen in einer oder in beiden Abteilen enthalten sein können. Das Zerbrechen einer Membran oder einer Dichtung, die die beiden Abteile voneinander trennt, erlaubt das Vermischen der beiden Bestandteile. Das Gemisch wird dann aus der Hülle durch eine geeignete öffnung oder Düse in die hohle Form durch die Eintrittsöffnung 27 unter Druck eingeführt, der durch eine handbetriebene Pumpe oder eine Druckpistole od. dgl. geliefert wird.

Wie oben angegeben ist, können die FüUstoffteilchen bis zu einem Drittel des Gesamtvolumens der selbsthärtenden Mischung ausmachen. Die größeren Anteile an FüUstoffteilchen führen zu einer geringeren WännebUdung und sind zweckmäßig, um ein Erwärmen der Mischung und die dadurch hervorgerufenen Spannungen zu verringern. Es können auch weit geringere Anteile an FüUstoffteilchen verwendet werden, und zwar, wie oben, angegeben ist, bis zu einem Zehntel des Gesamtvolumens der Mischung, wobei noch eine brauchbare Beeinflussung der Erwärmungs · wirkung erzielt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Kabelendes mit einem hohen Widerstand gegen durch die Korona hervorgerufene Verschlechterungen an einem abgeschirmten Hochspannungskabel durch Befestigung eines Spannungskegels am Kabelende in leitender Verbindung mit der Kabelabschirmung, Einkapselung des Kegels und der anliegenden Kabelflächen in eine hohle Form, Füllen der Form und vollständiges Umgeben der Kabelflächen mit einer zeitweise flüssigen, selbsthärtenden Mischung aus einem Diglycidyläther des 2,2-Bis(4,4'-hydroxyphenyl)-propans und Triäthylentetramin sowie inerten Füllstoffteilchen und Aushärten dieser Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffteilchen in der Mischung gleichmäßig verteilt sind, etwa ein Zehntel bis etwa ein Drittel des Gesamtvolumens ausmachen, und daß diese aus kleinen, inerten, kugelförmigen Teilchen bestehen, von denen jedes einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 60 Mikron und ein spezifisches Gewicht aufweist, welches sich von dem der Epoxyd-Härter-Mischung um nicht mehr als 0,05 unterscheidet, und jedes Füllstoffteilchen aus einem Tröpfchen eines flüssigen dielektrischen Öls in einer dünnen, nicht perforierten Aminoplastharzschale besteht, wobei das flüssige Dielektrikum etwa 50 bis 80 Gewichtsprozent des Gewichts des Teilchens ausmacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffteilchen etwa ein Fünftel des Gesamtvolumens ausmachen und jedes Teilchen einen Durchmesser im Bereich von 25 bis 30 Mikron hat.