DE1665330A1 - Abgeschirmtes bzw. mit einer Schutzschicht versehenes Kabel - Google Patents

Abgeschirmtes bzw. mit einer Schutzschicht versehenes Kabel

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Description

DRS. EULE & BERG DIPL.-ING. STAPF
PATENTANWÄLTE Dn. Eule & Berg, PIpI. Ing. Stapf, 8 MOndwi 13, KurfOntanplgti 2 MÜNCHEN 13, dan O. KURFORSTENPLATZ 2 Talefon-Sammel-Nr. 364265 Telegrainm-Adr.. PATENTEULE MOndtM Bonkvtrblndungi Bayerische Verelnibqnk MOnAe* 453100 PotMcheck-Kontoi MOnthe« «5343
Ihr ZeJdien Unter Zeldien
Anwaltsakte: 14
PHEIiPS DODGE GOPPER PRODUCTS CORPORATION 300 Park Avenue, Hew York, N.Y., Delaware, U.S.A.
Abgeschirmtes bzw„ mit einer Schutzschicht versehenes Kabel.
Die vorliegende Erfindung betrifft'Kabel, und insbesondere eine verbesserte Beschichtung bzw. Überzug für zur Leitung von elektrischen Hochspannungen vorgesehene Kabel.
Bin zur leitung von elektrischen Hochspannungen geeignetes
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Gasei 2966
Kabel umfaßt im allgemeinen einen inneren Leiter, üblicherweise Kupfer und eine Beschichtung aus isolierendem 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 von 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 Felds innerhalb der Isolierung notwendig, um die Entwicklung hoher Spannungsbelastungen in dielektrisch schwachen Richtungen oder Bereichen des Kabels zu verringern oder zu unterbinden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines isolierten Kabels zur Leitung von Hochspannungselektrizität, welches weniger als die bisherigen Kabel Koronaentladung oder elektrischem Zusammenbruch unterworfen ist, verhältnismäßig leicht herzustellen ist und welches seine elektrische Leistungsfähigkeit bei wiederholten elektrischen Beanspruchungen beibehält«
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der innere Metallische Leiter des Kabels durch eine Schicht aus thermoplastischer primärer Isolierung, im wesentlichen Polyäthylen, die um den elektrischen Leiter herum extrudiert ist, umgeben, und eine im wesentlichen copolymere thermoplastische Kunststoffverbindung, welche ein halbleitendes Material enthält, wird um den inneren metallischen Leiter unter und/oder über die primäre Isolierung herum extrudiert. In jedem Fall haftet die, das halbleitende Material enthaltende copolymere thermoplastische Kunststoffverbindung an der primären Isolierschicht aus Kunststoff.
Demgemäß wird mit der vorliegenden Erfindung ein abge- Bchirmtes elektrisches Kabel geschaffen, welches folgen de Kombination umfaßt: einen inneren Leiter, eine durchge hende Schicht einer halbleitenden thermoplastischen um den Leiter herum extrudierten und darauf gehärteten Verbindung zur Bildung einer elektrostatischen Abschirmung, und eine Schicht aus thermoplastischem isolierendem Kunststoff, der um die halbleitende Verbindung herum extrudiert und darauf gehärtet ist zur Bildung einer primären Isolierung, wobei die besagten Schichten mit einander verbunden eind und die primäre Isolierung im wesentlichen aus Polyäthylen besteht, die besagte halbleitende Kunststoffschicht im wesentlichen Ruß, ein Antioxydationsmittel und ein Copolymerisat umfaßt, welches das oopolymerisat von Äthylen und von einem mit Äthylen copolymerisierbaren Ester ist.
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Zum Zwecke des besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sie auf die anliegende Zeichnung verwiesen, in welcher die einzige Darstellung, Figur 1, eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Form des neuen Kabels mit Teilschnitten wiedergibt.
Gemäß der Darstellung in Firgur 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 thermoplastischen Kunststoffver— bindung mit einem Gehalt eines halbleitenden Materials wird um den inneren Leiter 1 direkt auf denselben geformt.
Die Kunststoffverbindung besteht aus einem speziellen Copolymerisat, sodaß sie ausgezeichnete Bindungseigenschaften aufweist und verhältnismäßig leicht zu verarbeiten ist. Die Bezeichnung "Copolymerisat", wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich nicht auf ein Gemisch, sondern auf das Produkt einer Copolymerisation von Monomeren, in welcher jedes der polymeren Moleküle des Copolymerisate sich wiederholende Einheiten, im allgemeinen in Kettenanordnung enthält. Die im allgemeinen für eine solche Copolymerisation erforderlichen Bedingungen sind jene, die für die Polymerisation von reinen Monomeren in ein Homopolymerisat erforderlich sind. Das Copolymerisat der vorliegenden Erfindung besteht aus dem Produkt von Polyäthylen und
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einem mit Äthylen eopolymerisierbaren Ester. Vorzugsweise wird das Copolymerisat durch die Copolymerisation yon Äthylacrylat und Äthylen, in einem Gewichtsverhältnis von 82 Teilen Äthylen zu 18 Teilen Äthylacrylat, einem Ester von Acrylsäure mit der Formel CHg=CH-CO-OCgHc erhalten. Das Copolymerisat kann vor seiner Copolymerisation ein Gewichtsverhältnis von Äthylen zu Äthylaerylat von 70:30 bzw. 90:10 haben. Vinylacetat kann in dem Gopolymerisat an Stelle von Äthylacrylat verwendet werden.
Eine typische und bevorzugte thermoplastische Kunststoffverbindung umfaßt 100 Gewichtsteile des bevorzugten Copolymerisate von Äthylacrylat und Äthylen, 25 bis 49 (zum Beispiel 30) Gewichtsteile halbleitenden Ruß und weniger als 0,5 (zürn Beispiel 0,2) Gewichtsteile eines geeigneten Antioxydationsmittels.
Schicht 2 wird mit einer thermoplastischen Kunststoffüberzugsschicht 3 überzogen, welche die primäre Isolierung darstellt und mit der inneren Schicht 2 anläßlich der Extrusion derselben verbunden wird. Schicht 3 ist vorzugsweise eine Polyäthylenverbindung mit einem Polyäthylen hohen Molekulargewichte und einer kleinen Menge eines geeigneten Antioxydationsmittels«
line dritte Überzugeechicht 4 einer thermoplastischen KunststoffVerbindung mit einem Gehalt eines halbleitenden
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Materials wird auf die Schicht 3 aufgebracht. Die Schicht 4 besteht vorzugsweise aus der gleichen Verbindung wie die innere Schicht 2 und ist witterungsbeständig. Nach Erhärtung haftet die Überzugeschicht 4 fest an der Isolierschicht 3. Schichten 2 und 4, welche hinsichtlich ihrer Wirkung halbleitend sind, verteilen das elektrische Feld entlang der Oberfläche der Isolierung und helfen hierbei Koronaentladung und elektrischen Zusammenbruch der Isolierung zu vermeiden.
Das oben erwähnte Antioxydationsmittel 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 gebunden zu sein.
Die speziellen Copolymerisate der vorliegenden Erfindung sind gegenüber der Verwendung eines Homopolymerisats, wie reinem Polyäthylen als der elektrischen Abschirmungsschicht oder -Schiohten überlegen. Reines Polyäthylen ist, wenn es mit genügend RuS gefüllt ist, um entsprechend halbleitend zu »ein, und auf dem Kabel au einer Sohutseehicht ver- : arbeitet ist, sehr spröde, hat sehr geringe Kaltbiegeelaetiaität (zum Beispiel -18°F/«-27»8QQ im Vergleich au
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-70°]?y-56,70), hat geringe Dehnung und bei Belastung treten schwere Brüche auf. Geringe Kalfbiegeelastizxtat in einer Leiter-Abschirmung 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.
Es wurde bereits zuvor beschrieben (Australische Patentschrift 167 415), daß gute Bindung durch Verwendung einer halbleitenden Kunststoffschicht erzielt werden kann, die chemisch und physikalisch der thermoplastischen dielektrischen Schicht ähnlich ist.
Überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß eine gute Bindung auftritt, wenn die halbleitende Kunststoffzubereitung 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 halbleitenden Copolymerisat der vorliegenden Erfindung (wobei das Oopolymerisat ein Verhältnis von Äthylen zu Äthylacrylat von 82t12 aufweist) . und einem nicht-ähnlichen Homopolymerisat (Polyäthylen)
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durchgeführt.
Nachfolgend werden die Testergebnisse aufgeführtί Testproben wurden, wie nachfolgend beschrieben, hergestellt:
1. 6» χ 6» χ 0,80" (15,24 cm χ 15,24 cm χ 2,32 cm) große Blätter der Verbindungen wurden bei 25O0P (1210C) Minuten lang geformt. Diese Bedingungen sind ausreichend zur Verformung der Verbindungen in die obigen Maße.
2. Die 6» χ 6" χ 0,80" großen Blätter wurden in 6" χ 3" x 0,80" (15,24 cm χ 7,62 cm χ 2,32 cm) große Blätter geschnitten.
3. Halbe Blätter der gewünschten Kombinationen von isolierenden Verbindungen und halbleitenden Verbindungen (siehe I und II) wurden wieder unter Kontakt an den Kanten in die 6" χ 6" χ 0,8_0" Hohlpreßformen eingebrächt und erneut bei 45 psi (3,16 kg/cm )Dampfdruck eine Stunde lang verformt. Unter diesen Bedingungen wurden die halben Blätter einwandfrei (Schweiß-) verbunden. ·
4· Hanteiförmige Versuchsstücke wurden in der Weise geschnitten, daß die Schnitt- und Grenzfläche der beiden Verbindungen in dem verengten Bereich der Probestücke
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lag.
5. Die Versuchsstücke wurden bei 20 inch pro Minute (50,80 cm) und Zimmertemperatur auf einem Scott Zugfestigkeitsprüfer gestreckt bis sie zerrissen. Die Streckgrenze oder die Belastung, bei welcher die Proben begannen eine Einschnürung zu zeigen (neck down) und die Zugfestigkeit beim Bruch wurden bestimmt."
Testergebnisse
Isolations-Verbindung
Halbleitende Verbindung
Streckgrenze
Zugfestigkeit
Unvernetztes
Homopolymerisat-Reines Polyäthylen
Unvernetztes Copolymerisat Äthylacrylatäthylen
1295 psi 1305 psi
(91,08 kg/ (91,75 kg/
ρ ρ
cm ) cm )
Anmerkung: Der verengte Isolieranteil eines jeden durch
trennte 3xch die Form geschnittenen Versuchsstücks/nach Erreichen der Streckgrenze völlig ab. Der halbleitende Anteil begann sich dann zu strecken und nach einer sehr geringfügigen Belastungazunähme 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
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größer als die Zugfestigkeit der haibleitenden Verbindung,
Isolations-Verb indung
II
Halbleitende Verbindung
Streckgrenze
Zugfestigkeit
Unvernetztes
Homopolymerisat- Reines
Polyäthylen
Unvernetztes Homopolymerisat Reines Polyäthylen
1390 psi 1390 psi (97,73 kg/ (97,73 kg/ cm2)
cm2)
Anmerkung: Wiederum schnürte sich der verengte Isolieranteil eines jeden durch die Form geschnittenen Versuchsstücks nach Erreichen der Streckgrenze völlig ab. Jeder ■Versuchskörper brach dann sofort an der Grenze zwischen den Verbindungen ohne weitere Be1astungszunähme. Die Bindefestigkeit zwischen den Verbindungen war demzufolge nicht größer als die Streckgrenzen-Belastung der Isolationsverbindung .
Darüber hinaus wurde überraschender Weise gefunden, daß viel weniger Ruß in einem Gopolymerisat von Äthylen und Äthylacrylat als in einem Polyhomopolymerieat zur Erzielung eines äquivalenten Ausmaßes an !leitfähigkeit benötigt wird«
Aus den Untersuchungen wurde ersichtlich, daß die KabelsohutzBchicht der vorliegenden Erfindung dauerhaft, stra-
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pazierfähig und stabil is.t. Gemäß der Erfindung hergestellte Kabel wurden Biegefestigkeitsuntersuchungen und Belastungsprüfzyklen unterworfen, in welchen die Leitertemperatur über zahlreiche Belastungskreisläufe, beispielsweise 1100 Kreisläufe oder mehr von Zimmertemperatur bis 900C oder 1300O 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 Elektrogebiet, wo die Einheitlichkeit der elektrischen Eigenschaften des Kabels ein bedeutender Gesichtspunkt für die Auslegung eines elektrischen Verteilungssystems ist.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Verbindungen können leicht durch übliche KunststoffextruE'ionsvorrichtungen extrudiert werden. Ein Extrudierverfahren zur Herstellung des erfindungsgemäSen 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 Qopolymerisat-Kunststoffverbindung 20 mile (0,0508 cm) dick über den metallischen Leiter aufbringt. In einem nachfolgenden Extrudiervorgang, vorzugsweise in der zweiten Strangpreßform einer Doppelextrudiervorrichtung, wird das Homopolymeri- eat-Kunststoff-Isoliermaterial der Schicht 3 aufgebracht.
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In einem dritten Extrudiervorgang wird die Verbindung der Schicht 4 auf das Kabel aufextrudiert. Der innige Kontakt zwischen den Schichten 2 und 4 gleicht sich aus und beseitigt Oberflächenhohlräume an der Schicht 3 mit dem Ergebnis eines hohlraumfreien Produkts, wodurch Koronaentladung und Zusammenbruch der Kabelisolierung vermieden wird.
Die mit dem Extruder in Zusammenhang stehende Ausrüstung, d.h. einschließlich der üblichen Steuertafel, Kühlmulde, Entlüfter, Steuereinrichtung, Dicke-Prüfanordnung, Winde. (Capstan) und Spuhlenaufnahmen sind alle im Handel erhältlich und dem Fachmann gut bekannt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt jene Kabel, die nur eine Äthylen-Copolymerisat-Schutzschicht mit hitzehärtenden und halbleitenden Eigenschaften aufweist. Bei bestimmten Arten von überzogenen Kabeln wäre es vorzuziehen, die äußere Schutzschicht 4, wie hierin definiert, wegzulassen, sodaß das Kabel aus einem inneren Leiter 1, einer Schutzschicht 2 aus Äthylen-äthylacrylat-Copolymerisat-halbleitendem Material, einer Isolierschicht 3 und einem Band oder anderen Art äußeren Schutzhülle besteht.
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Claims (2)

Patentansprüche:
1. Abgeschirmtes elektrisches Kabel, welches in Verbindung mit einander einen inneren Leiter, eine elektrostatische um den Leiter befindliche Abschirmung und eine um die elektrostatische Abschirmung herum extrudierte Schicht einer thermoplastischen Kunststoffisolierung zur Bildung einer primären Isolierung umfaßt, wobei die besagte Schicht und die besagte Abschirmung mit einander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Abschirmung eine kontinuierliche Schicht einer halbleitenden thermoplastischen um den Leiter herum extrudierten und darauf gehärteten Verbindung ist, wobei die primäre Isolierung im wesentlichen aus Polyäthylen besteht und die besagte halbleitende Kunststoffschicht im wesentlichen Ruß, ein Antioxydationsmittel und ein durch die Copolymerisation von Äthylen und einem ungesättigten, mit Äthylen copolymerisierbaren Ester erhaltenes Oopolymerisat enthält.
2. Abgeschirmtes elektrisches Kabel gemäß Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Oopolymerisat durch die Copolymerisation von Itiiylen und Ithyl-acrylat oder Vinylacetat im Gewichtsverhältnis von 70:30 bzw» 90»10 erhalten wird.
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3· Abgeschirmtes elektrisches Kabel gemäß einem der vorgenannten Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite kontinuierliche Schicht eines halbleitenden thermoplastischen Kunststoffmaterials um den metallischen Leiter herum extrudiert und darauf gehärtet ist, wobei die primäre Isolierschicht zwischen den halbleitenden Schichten angeordnet und mit diesen verbunden ist und die halbleitende Schicht im wesentlichen Ruß, ein Antioxydationsmittel und ein durch Copolymerisation von Äthylen und einem ungesättigten, mit Äthylen c.opolymerisierbaren Ester erhaltenes Copolymerisat enthält.
00988A/178A
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