DE1665329B2

DE1665329B2 - Abgeschirmtes elektrisches kabel

Info

Publication number: DE1665329B2
Application number: DE19661665329
Authority: DE
Inventors: Sidney William Scarsdale NY Trill (V St A )
Original assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp , New York, NY (V St A )
Priority date: 1965-07-09
Filing date: 1966-07-08
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR1486231A; DE1665329A1; NL6609498A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein abgeschirmtes elektrisches Kabel mit einer kontinuierlichen Schicht aus einem halbleitenden hitzehärtenden Material, die um einen ebktrischen Leiter herum extrudiert und darauf gehärtet ist unter Bildung einer elektrostatischen Abschirmung und mit einer Schicht aus einem hitzehärtenden isolierenden Kunststoff, der um die halbleitende Verbindung herum extrudiert und darauf gehärtet ist unter Bildung einer primären Isolierung, wobei die besagten beiden Schichten miteinander in Vebindung stehen.

Ein zur Leitung von elektrischen Hochspannungen geeignetes Kabel besteht im allgemeinen aus einem inneren Leiter, üblicherweise Kupfer und einer Beschichtung aus einem isolierenden Material. Häufig wird eine Überzugsschicht aus witterungsbeständigem Material auf den Isolator aufgebracht. Darüber hinaus wird es für höhere Voltzahlen oberhalb einer bestimmten Grenze, in Abhängigkeit von der Form des Kabels und dessen Anwendungsort, notwendig, die Kabelisolierung vor Belastungen von Spannungskonzentrationen, die zur Bildung einer Koronaentladung oder möglicherweise zum Zusammenbruch führen, zu schützen. Solche Spannungskonzentrationen können sich entwickeln, wenn Kabel in Abständen geerdet sind.

Ununterbrochene bzw. kontinuierliche Abschirmung ist zur Begrenzung des elektrischen Feldes innerhalb der Isolierung notwendig, um die Entwicklung hoher Spannungsbelastungen in dielektrisch schwachen Richtungen oder Bereichen des Kabels zu verringern oder zu unterbinden.

Es h; bereits bekannt, zur Verbesserung der Durchschlagsspannung bei polyäthylenisolierten Kabeln der Polyäthylenisolierung z. B. halogenierte Kohlenwasserstoffe zuzusetzen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1025 474 ist femer bekannt, zur Glättung des elektrischen Feldes dem Polyäthylen eine geringe Menge Ruß zuzusetzen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Schaffung eines isolierten Kabels zur Leitung von Hochspannungselektrizität, das gegenüber einer Coronaentladung oder einem elektrischen Zusammenbruch weitgehend stabil ist, sich verhältnismäßig leicht herstellen läßt und daß vor allem seine elektrische Leistungsfähigkeit bei wiederholten elektrischen Belastungen beibehält.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelösL daß die primäre Isolierung im wesentlichen aus Polyäthylen besteht und die halbleitende Kunststoffschicht im wesentlichen Ruß, ein Antioxydationsmittel, ein Vernetzungsmittel und ein durch Mischpolymerisation von Ä' vlen und einem ungesättigten, mit Äthylen mischpolyrnerisierbaren Ester erhaltenes Mischpolymerisat enthält.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Kabel gegenüber einer Coronaentladung oder einem elektrischen Zusammenbruch weniger anfällig ist als die bisher bekannten Kabel. Das erfindungsgemäße Kabel läßt sich ferner verhältnismäßig leic it herstellen und behält vor allem seine elektrische Leistungsfähigkeit bei wiederholten elektrischen Belastungen bei.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das verwendete Mischpolymerisat durch Mischpolymerisation von Äthylen und Äthylacrylat oder Vinylacetat im Gewichtsverhältnis von 70:30 bzw. 90: 10 erhalten.

Zum Zwecke des besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, in welcher die einzige Darstellung, Fig. 1, eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kabels mit Teilschnitten wiedergibt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 umfaßt das Kabel einen inneren Leiter 1 in Form einer gedrehten (verzwirnten) Gruppe von einzelnen Kupferdrähten. Aluminium- oder andere leitende Drähte können ebenso als Leiter 1 verwendet werden. Eine Schicht 2 einer hitzehärtenden Kunststoffverbindung mit einem Gehalt eines halbleitenden Materials wird um den inneren Leiter 1 direkt auf denselben geformt.

Die Kunststoffverbindung besteht aus einem spezieilen Mischpolymerisat, so daß sie ausgezeichnete Bindungseigenschaften aufweist und verhältnismäßig leicht zu verarbeiten ist. Die Bezeichnung »Mischpolymerisat«, wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich nicht auf ein Gemisch, sondern auf das Produkt einer Mischpolymerisation von Monomeren, in welcher jedes der polymeren Moleküle des Mischpolymerisats 3ich wiederholende Einheiten, im allgemeinen in Kettenanordnung enthält. Die im allge neinen für eine solche Mischpolymerisation erforderlichen Bedingungen sind jene, die für die Polymerisation von reinen Monomeren in ein Homopolymerisat erforderlich sind. Das Mischpolymerisat der vorliegenden Erfindung besteht aus dem Produkt von Äthylen und einem mit Äthylen mischpo'.ymerisierbarcn Ester.

Vorzugsweise wird das Mischpolymerisat durch die Mischpolymerisation von Athylacrylat und Äthylen in einem Gewichtsverhälmis von 82 Teiler Äthylen zu 18 Teilen Äthylacryla'., einem Ester von Acryl-

säure mit der Formel CH₂ = CH-CO-OC₂Ho erhalten. Das Mischpolymerisat kann vor seiner Mischpolymerisation ein Gewichtsverhältnis von Äthylen zu Äthylacrylat von 70 :30 bzw. 90 :10 haben. Vinylacetat kann in dem Mischpolymerisat an Stelle von Äthylacrylat verwendet werden.

Eine typische und bevorzugte hitzehärtende Kunststoffverbindung umfaßt 100 Gewichtsteile des bevorzugten Mischpolymerisats von Äthylacrylat und Äthylen, 2 bis I¹It Gewichtsteile tertiäres Peroxyd, 25 bis 49 Gewichtsteile halbleitendem Ruß und weniger als 0,5 Gewichtsteile eines geeigneten Antioxydationsmittels. Das tertiäre Peroxyd ist ein chemisches Vernetzungsmittel für das Mischpolymerisat, wobei geeignete Peroxyde Dicumylperoxyd und di-tert-Butyl-peroxyd sind.

Schicht 2 wird mit einer hitzehärtenden Kunststoffüberzugsschicht 3 überzogen, welche die pri.uäre Isolierung darstellt und mit der inneren Schicht 2 bei der Hitzehärtung verbunden wird. Schicht 3 ist vorzugsweise eine vernetzbare Polyäthylenverbindung mit 100 Gewichtsteilen eines Polyäthylens hohen Molekulargewichtes, 2 bis 2¹ ■> Gewichtsteilen tertiärem Peroxyd und einem geeigneten Antioxydationsmittel.

Eine dritte Überzugssch'.cht 4 einer hitzehärtenden Kunststoffverbindung mit einem Gehalt eines halbleitenden Materials wird auf die Schicht 3 aufgebracht. Die Schicht 4 besteht aus der gleichen Verbindung wie die innere Schicht 2 und ist witterungsbeständig. Nach Erhärtung haftet die Überzugsschicht 4 fest an der Isolierschicht 3. Die Schichten 2 und 4, welche hinsichtlich ihrer Wirkung halbleitend sind, verteilen das elektrische Feld entlang der Oberfläche der Isolierung und helfen hierbei Coronaentladung un.l elektrischen Zusammenbruch der Isolierung zu vermeiden.

Das obenerwähnte Antioxydationsmitte' kann ein üblicher Oxydationsinhibitor, wie polymerisiertes Trimethyl-dihydrochinolin, sein.

Wahlweise kann die über alles liegende Schicht 4 der halbleitenden Zubereitung sofort in inniger Verbindung mit der Isolierung stehen, braucht jedoch nicht an sie gebi* den zu sein.

Die speziellen Mischpolymerisate der vorliegenden Erfindung sind gegenüber der Verwendung eines Homopolymerisats, wie reinem Polyäthylen als der elektrischen Abschirmungsschicht oder -schichten überlegen. Reines Polyäthylen 'M, wenn es mit genügend Ruß gefül!; ist, um entsprechend halbleitend zu sein, und auf dem Kabel zu einer Schutzschicht verarbeitet ist, sehr spröde, hat eine sehr geringe Kaltbiegeelastizität (z.B. 27,8° C im Vergleich zu — 56,7° C), hat eine geringe Dehnung, und bei Belastung treten schwere Brüche auf. Eine geringe Kaltbiegeelastizität in einer Leiterabschirmung verursacht Kaltbiegerisse in der primären Isolierung. Eine halbleitende Kunststoffverbindung ist,wenn sie aus reinem Polyäthylen hergestellt ist, sehr schwer zu extrudieren und erzeugt kein glattes einheitliches Produkt.

In einem vernetzbaren Material ist es notwendig, daß die Verbindung bei möglichst niedriger Arbeitstemperatur hergestellt wird, um jegliche vorher auftretende Vernetzung zu vermeiden. Leichte Verarbeitbarkeit ist wesentlich, wenn das Material extrudiert wird, zur Vermeidung unerwünschter Vernetzung beim Vorgang der Extrusion. Diese Erfordernisse können nicht erfüllt werden mit einer halbleitender., Ruß gefüllten Verbindung auf der Basis eines PoIyhomopolymerisats, wie einem vernetzbaren Polyäthylen.

Es wurde bereits beschrieben (australische Patentschrift 167 415), daß eine gute Bindung durch Ver-

wendung einer halbleitenden Kunststoffschicht erzielt werden kann, die chemisch und physikalisch der thermoplastischen dielektrischen Schicht ähnlich ist. Es wurde nun gefunden, daß eine bessere Bindung auftritt, wenn die halbleitende Kunststoffzubereitung

ίο nicht ähnlich ist. Es wurden hinsichtlich der Haftfestigkeit zwischen einem halbleitenden homopolymeren Material (mit Ruß gefülltes Polyäthylen) und einem ähnlichen dielektrischen Kunststoffmaterial (reines Polyäthylen) Untersuchungen durchgeführt.

Ähnliche Untersuchungen wurden hinsichtlich der Haftfestigkeit zwischen dem herleitenden Mischpolymerisat der vorliegenden Erfindung (wobei das Mischpolymerisat ein Verhältnis von Äthylen zu Äthylacrylat von 82: 12 aufweist) und einem nicht-

ähnlichen Homopolymerisat (Polyäthylen) uurchgeführt. lede Reihe von Vergleichsuntersuchungen wurde für vernetzte und unvernetzte Verbindungen wiederholt. Die Bindung unter Verwendung des vernetzten Mischpolymerisats der vorliegenden Eriindung und des vernetzten Polyäthyleu-Homopolymerisats war etwa 30 % stärker als die Bindung unter Verwendung der beiden ähnlichen Homopolymerisate. Aus den Untersuchungen ist ersichtlich, daß die thermoplastischen Materialien (unvernetzt) nicht die überlegene Bindungsstärke aufweisen, wie sie durch die Kombination der vorliegenden Erfindung des hitzehärtenden (vernetzten) Misc loolymerisats und Homoplymerisats (reinem Polyäuiylen) geschaffen wird.

Nachfolgend werden die Testergebnisse aufgeführt. Testproben wurden, wie nachfolgend beschrieben, hergestellt:

1. 15,24-15,24-2,32 cm große Blätter der Verbindungen wurden bei 121° C 10 Minuten geformt. Diese Bedingungen sind ausreichend zur Verformung der Verbindungen in die obigen Maße, jedoch nicht zur Vernetzung der vernetzbaren.

2. Die 15,24-15,24-2,32 cm großen Blätter wurden in 15,24-7,62-2,32 cm große Blätter geschnitten.

3. Halbe Blätter der gewünschten Kombinationen von isolierenden Verbindungen und halbleitenden Verbindungen [s. I (a), I (b), II (?) und II (b)] wurden wieder unter Kontakt an den Kanten in die 15,24 15,24-2,32 cm Hohlpreßformen eingebracht und erneut bei 3,16 kg/cm² Dampfdruck 1 Stunde verformt. Unter diesen Bedingungen wurden die halben Blätter einwandfrei (schweiß-)verbunden, und die vernetzbaren Verbindungen sind im wesentlichen vollständig vernetzt.

4. Hanteiförmige Versuchsstücke wurden in der Weise geschnitten, daß die Schnitt- und Grenzfläche der beiden Verbindungen in dem verengten Bereich der Probestücke lag.

5. Die Versuchsstücke wurden bei 50,80 cm pro Minute und Zimmertemperatur auf einem Scott-Zugfestigkeitsprüfer gestreckt, bis sie zerrissen. Die Streckgrenze oder die Belastung, bei welcher die Proben.begannen eine Einschnürung zu zei-

gen, und die Zugfestigkeit beim Bruch wurden bestimmt.

Testergebnisse II (b)

Isolations- Verbindung	Halhleitcndc Verbindung	Streck grenze	Zugfestigkeit
Vcrnetztes Homopoly merisat — Reines Poly äthylen	Vernetztcs bevorzugtes Mischpoly merisat von Äthylacrylat/ Äthylen	97,73 kg/cm²	127,91 kg/cm-

Isolations- Verbindung	Halbleitende Verbindung	Streck grenze	Zugfestigkci
Unvernetztes Homopoly merisat — Reines Poly äthylen	Unvcmetztes Homopoly merisat Reines Poly äthylen	97,73 kg/cm³	97,73 kg/cm'-'

Anmerkung: Der verengte Isolieranteil jedes durch die Form geschnittenen Probestücks schnürte sich völlig ab nach Erreichen der Streckgrenze. Die Belastung stieg dann um etwa 30 °/o an, wobei der halbleitende Anteil des verengten Teils sich zu strecken begann, bis gegebenenfalls jedes Probestück an der Grenze zwischen den beiden Verbindungen brach. Die Festigkeit der Bindung zwischen den beiden Verbindungen war so etwa 30 % höher als die Streckgrenzenbelastung des vernetzten reinen Polyäthylens.

I (D)

Isolations- Vcrbindung	Halbleitende Verbindung	Streck grenze	Zugfestigkeit
Vernetztcs reines Poly äthylen	Vernetztes Homopoly merisat (Reines Polyäthylen)	99,10 kg/cm-	99,10 kg/cm²

Anmerkung: Auch hier schnürte sich der verengte Isolieranteil eines jeden durch die Form geschnittenen Versuchsstücks nach Erreichen der Streckgrenze völlig ab. Jedes Probestück brach dann sofort an der Grenze der beiden Verbindungen ohne weitere Erhöhung der Belastung. Die Festigkeit der Bindung zwischen den Verbindungen war so nicht größer als die Strcckgrcnzenbelastung der Isolierverbindung.

II (a)

Isolation*- Verbindung	Halbleitende Verbindung	Streck grenze	Zugfestigkeit
Unvernetztes Homopoly merisat Reines Poly äthylen	Unvernetztes Mischpoly merisat Äthyl acryl at- äthylen	91,08 kg/cm²	91,75 kg/cm²

Anmerkung: Wiederum schnürte sich der verengte Isolieranteil eines jeden durch die Form geschnittenen Versuchsstücks nach Erreichen der Streckgrenze völlig ab. Der halbleitende Anteil begann sich dann zu strecken, und nach einer sehr geringfügigen tJelastungszunahme brach jeder Versuchskörper im halbleitenden Anteil des verengten Teils. Die Festigkeit der Bindung zwischen den Verbindungen war demzufolge größer als die Streckgrenzen-Belastung der Isolationsverbindung und größer als die Zugfestigkeit der halbleitenden Verbindung. Anmerkung: Wiederum schnürte sich der verengte Isolicrantcil eines jeden durch die Form geschnittener Versuchsstücks nach Erreichen der Streckgrenzt

is völlig ab. Jeder Versuchskörper brach dann sofort an der Grenze zwischen den Verbindungen, ohne weitere Belastungsziinahnie. Die Bindefestigkeit zwischen den Verbindungen war demzufolge nicht größer als die Strcckgrenzcnbelastung der Isolationsverbindung.

ao Darüber hinaus wurde überraschenderweise gefunden, daß viel weniger Ruß in einem Mischpolymerisat von Äthylen und Äthylacrylat als in einem PoIyhomopolym·.iisat zur Erzielung eines äquivalenten Ausmaßes an Leitfähigkeit benötigt wird.

Aus den Untersuchungen wurde ersichtlich, daß die Kabelschutzschicht der vorliegenden Erfindung daueraft. strapazierfähig und stabil ist. ("irmäR der Erfindung hergestellte Kabel wurden Biegefestigkeitsuntersuchungen und Belastungsprüfzyklen untcrwor- fen, in welchen die Leitertemperatur über zahlreiche Belastungskreisläufe, beispielsweise 1100 Kreisläufe oder mehr von Zimmertemperatur bis 90 oder 130° C durchlief.

Das Kabel der vorliegenden Erfindung ist für die Herstellung unter hoher Geschwindigkeit und unter gesteuerten Bedingungen geeignet. Diese Tatsache ist von besonderer Bedeutung auf dem Elektrogebiel, wo die Einheitlichkeit der elektrischen Eigenschaften des Kabels ein bedeutender Gesichtspunkt für die Auslegung eines elektrischen Verteilersysterr st. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Verbindungen können leicht durch übliche Kunststoffextrusionsvorrichtungcn extrudiert werden. Ein Extrudierverfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß^n Kabels besteht darin, daß man den inneren Leiter 1 durch eine Strangpreßform zieht, welche (während der Kunststoff in dickem, viskosem Zustand ist) die Schicht 2 aus halbleitender hitzehärtender Mischpolymerisat-Kunststoffverbindung 0,0508 cm dick über den metallischen Leiter aufbringt. In einem nachfolgenden Extrudiervorgang, vorzugsweise in der zweiten Strangpreßform einer Doppelextrudiervorrichtung, wird das Homopolymerisat-Kunststoff-Isoliermaterial der Schicht 3 aufgebracht. In einem dritten Extrudiervorgang wird die Verbindung der Schicht 4 auf das Kabel aufextmdiert. Eine zufriedenstellende Erhärtung der beiden Schichten 2 und 3 kann erzielt werden, wenn man die Verbindung IV2 bis 2 Minuten zwischen 182 bis 188° C hält Der innige Kontakt zwischen den Schichten 2 and 4 gleicht sich aus und beseitigt Oberflächenhohlräume an der Schicht 3 mit dem Ergebnis eines hohlraumfreien Produkts, wodurch Coronaentladung und Zusammenbruch der Kabelisolierung veimieden wird.

Die mit dem Extruder in Zusammenhang stehende Ausrüstung, d. h. einschließlich der üblichen Steuertafel, Kühlmulde, Entlüfter, Steuereinrichiung, Dicke-Prüfanordnung, Winde (Capstan) und Spulenauf-

nahmen, sind alle im Handel erhältlich und dem Fachmann gut bekannt.

Die vollständige Erhärtung der extrudierten Schichten kann gemäß irgendeiner üblichen Verfahrensweise erzielt werden, z. B. durch Verwendung eines

Hochdruckdampfes als Erhitzungsmittel. Ebenso sine Induktionserhitzung durch Hochfrequenzstrom unc Erhitzung durch Strahlung möglich.

Schutz wird nur für ein abgeschirmtes elektrische! Kabel gemäß den Patentansprüchen begehrt.

Hierzu 1 "Blatt Zeichnungen

309508/V

Claims

Patentansprüche:

1. Abgeschirmtes elektrisches Kabel mit einer kontinuierlichen Schicht aus einem halbleitenden hitzehärtenden Material, die um einen elektrischen Leiter herum extrudiert und darauf gehärtet ist unter Bildung einer elektrostatischen Abschirmung und mit einer Schicht aus einem hitzehärtenden isolierenden Kunststoff, der um die halbleitende Verbindung herum extrudiert und darauf gehärtet ist unter Bildung einer primären Isolierung, wobei die besagten beiden Schichten miteinander in Verbindung stehen, dadurchgekennzeichn e t. daß die primäre Isolierung im wesentlichen aus Polyäthylen besteht und die halbleitende Kunststoffschicht im wesentlichen Ruß, ein Antioxydationsmittel, ein Vernetzungsmittel und ein durch Mischpolymerisation von Äthylen und einem ungesättigten, mit Äthylen rmschpolymerisierbaren Ester erhaltenes Mischpolymerisat enthält.

2. Abgeschirmtes elektrisches Kabel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischpolymerisat durch Mischpolymerisation von Äthylen und Äthvlacrylat oder Vinylacetat im Gewichtsverhältnis von 70:30 bzw. 90:10 erhalten wird.