DE1665331A1

DE1665331A1 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln mit einer Isolation aus Plastikmaterial

Info

Publication number: DE1665331A1
Application number: DE19661665331
Authority: DE
Inventors: Trill Sidney William
Original assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Current assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Priority date: 1965-07-09
Filing date: 1966-07-08
Publication date: 1970-12-23
Also published as: FR1486229A; NL6609497A; SE321516B; DE1665331B2

Description

Anwaltsakten~Nr. 14 090

Phelps Dodge Copper Products Corporation 300 Park Avenue, New York, USA.

" Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln mit einer Isolation aus Plastikmaterial.¹·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität von elektrischen Kabeln mit einer Isolationsschicht aus wärmehärtendem oder thermoplastischem Kunststoff, durch die Vermeidung von Hohlräumen zwischen dem elektrischen Leiter und der Isolierung auf diesem Leiter.

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Die Herstellung von Kabeln mit einer thermoplastischen oder wärmehärtenden Isolierung des Leiters ist an sich "bekannt. Beim üblichen Verfahren der Herstellung solcher Kabeln wird die Isolierschicht bei hoher Temperatur in plastischem Zustand kontinuierlich extrudiert und zu einer Beschichtung um den Leiter geformt» Normalerweise besteht der Leiter eines Kabels dieser Art aus verschiedenen Kupfersträngen mit einer diese umschliessenden Halbleiterschicht. Nach dem Extrudieren muss das Isoliermaterial zur Verfestigung gekühlt werden. Dieser Kühlvorgang hat bisher zu Schwierigkeiten geführt. Für die Herstellung eines haltbaren und leistungsfähigen Kabels ist es erforderlich, dass die Isolierung überall gleichmässig mit dem Leiter in Berührung ■ist, ohne Lunker oder Hohlräume zwischen diesen. Das bisher angewandte Kühlverfahren führte zur Bildung solcher Hohlräume und Lunker. Das Kühlverfahren nach dem Stand der Technik besteht im Eintauchen des bei hoher Temperatur beschichteten Kabels in heisses Wasser. Der Heiss-Wasserstufe folgen mehrere weitere Eintauchvorgauge in Wasser von abnehmender Temperatur. Die anfänglich sehr rapide Abkühlung von etwa 175°C beim üblichen thermoplastischen Polyäthylen auf eine Temperatur unterhalb 100⁰C bewirkt eine Verfestigung der äusseren Oberfläche des thermoplastischen Isoliermaterials, Im Folgenden neigt die Isolierschicht dafcu, sich nach der äussflren Oberfläche hin abzukühlen, wodurch sich Hohlräume zwischen der Oberfläche des Leiters und der Iso-

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lierung und mechanische Spannungen in dem Polyäthylen ergeben. Bei hohen Spannungen in dem Leiter können sich durch diese Hohlräume Koronaentladungen einstellen. Falls solche Koronaentladungen über einen längeren Zeitraum stattfinden, kann dies zu einer Erosion der Isolierung an diesen Hohlräumen führen, wodurch sich der Hohlraum vergrössert und die Erosion sich fortsetzt, bis das Kabel ausfällt oder anderweitig unbrauchbar wird. Bei Vermeidung von Lunkern kann der Leiter höhere Spannungen führen ohne dass Koronaentladungen statt« finden.

Die Bildung von Hohlräumen bei der Herstellung von Isolierungen aus Polyäthylen oder Polypropylen tritt wegen deren hohem Ausdehnungskoeffizienten und geringer Wärmeleit~' fähigkeit besonders leicht auf. Das Verfahren mit* Heisswasserkühlung nach dem Stand der Technik ist zeitraubend und verringert damit die Herstellungsgeschwindigkeit für das Kabel, wobei ausserdem die Bildung von Hohlräumen einer bestimmten Mindestgrösse unvermeidbar ist.

Die gegenwärtige Erfindung vermindert die Bildung von Hohlräumen durch die Verwendung eines Hochdruck-Heissdampf-Systems für das anfängliche Kühlen der thermoplastischen oder wärmeheärtenden Isolierung auf dem Leiter« Nach dem Extrudieren der Isolation auf dem Leiter tritt das Kabel aus der Extrusionsvorrichtung und in eine Heissdampf unter Druck enthaltende Kammer. Die Temperatur und der Druck

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des Dampfes kann je nach dem extrudierten Material, der Extrusionsgeschwindigkeit und dem gewünschten Temeperaturabfall verändert werden. Da der Dampf unter Druck steht, lassen sich so bei der gemässigten ersten Kühlstufe Temperaturen über 100⁰C erreichen. Nach dem Durchlaufen der Dampfkammer wird der isolierte Leiter durch heisses und darauf durch kühleres Wasser geführt, welche beide unter Druck stehen, um den Kühlvorgang zu beenden. Da somit die Abkühlung zur Erreichung eines langsameren Temperaturwechsels von der Extrusionstemperatur her gesteuert ist, neigt die Isolierung dazu, nach einwärts gegen den Leiter hin zu schrumpfen, wobei ein besseres und haltbareres Fertigprodukt entsteht, da zwischen der Isolierung und dem Leiter Hohlräume im wesentlichen fehlen und mechanische Spannungen in der Isolierung verringert sind. Überdies erhöht sich die Herstellungsgeschwindigkeit gegenüber dem Heisswasser-Kühlverfahren nach dem Stand der Technik um etwa 20$.

Es ist also Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung, ein Verfahren für die Steuerung der Kontraktion von plastischem Isoliermaterial auf einem Leiter zu schaffen, bei dem zunächst das plastische Material auf den Leiter aufgetragen wird und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der elektrische Leiter mit seinem Überzug in plastischem Zustand in einen mit Dampf von einer Temperatur unterhalb der Temperatur

des plastischen Materials und höher als 100⁰C gefüllten Rohrabschnitt eingebracht und das plastische Material dort

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auf geringere Temperatur abgekühlt wird, dass der isolierte Leiter aus besagtem erstem Rohrabschnitt in einen zweiten Abschnitt gebracht und dort in Wasser von einer geringeren Temperatur als die Dampftemperatur am Ausgang des ersten Abschnitts, jedoch von höherer als Raumpemperatur eingetaucht wird, wobei das Wasser unter einem Druck gleich dem Druck in dem den Dampf enthaltenden Abschnitt steht, dass besagtes isoliertes Kabel von besagtem zweiten Abschnitt in einen dritten Abschnitt gebracht und dort in Wasser von näherungsweise Raumtemperatur eingetaucht wird, wobei der Wasserdruck dem des zweiten Abschnitts gleich ist; und dass besagter Leiter aus dem dritten Abschnitt entnommen wird, wodurch eine gleichförmige Kontraktion der thermoplastischen Isolation im wesentlichen ohne die Bildung von Hohlräumen zwischen dem Leiter und der Isolierung bewirkt wird.

Zum genaueren Verständnis der Erfindung und zur Erleicherung der Durchführung wird die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigegebenen Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.

Fig« 1 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm mit Darstellung des Durchlaufs des isolierten Kabels durch die verschiedenen Verfahrensstufen.

Fig. 2 ist ein Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Dampfkammer,

Wiß in Ftp;» 1 und 2 dargestellt, tritt der Leiter 1mit eLner eattrudLerten äusseren thermopla3tischen Schicht 2 aus

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der Extrusionsvorriohtung 3 aus und in die Kammer 5 ein, welche einen grösseren Durchmesser aufweist als das fertige Kabel und gegenüber der Extrusionsvorrichtung durch eine mechanische Dichtung 4 zur Erhaltung des Dampfdruckes abgedichtet ist. Zur Vermeidung von Berührung zwischen den Wandungen der Kammer und der heissen thermoplastischen Isolation weist die Kammer eine durchhängende Rohrform auf. Falls erwünscht kann die Kammer auch senkrecht angeordnet sein, wodurch die heisse thermoplastische Isolierung nach abwärts durch die Dampfkammer geführt wird, ohne die Wandungen zu berühren. Für einen begrenzten kleineren Grössenbereich von Leitern und Isolation kann sie auch horizontal verlaufen»

Durch den Einlass 7 wird heisser Dampf 6 von einer Temperatur über 100⁰C und geringer als die Temperatur der heissen thermoplastischen Isolation unter Druck in die Kammer eingeführt, Der unter Druck stehende Dampf bewirkt eine Temperaturabnahme der Isolation und eine nach innen gerichtete Kontraktion derselben nach dem Leiter hin.

Das teilweise gekühlte Kabel tritt aus der Dampfkammer durch die Wasseroberfläche 8 in einen unter Druck stehenden wassergefüllten Abschnitt, wo die Kühlung fortgesetzt wird. Das Wasser zwischen dem Austrittsrohr 11 und der Oberfläche 8 wird durch den Kontakt mit dem Dampf an dieser Oberfläche erwärmt, und hat somit eine Zwischentemperatur zur weiteren Temperaturverringerung des Kabels, Das Wasser in diesem

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Abschnitt weist keine wesentliche Strömung auf„ Die Länge des Abschnittes zwischen der Oberfläche 8 und dem Rohr 11 ist mittels des Wasserstandsreglers 9 einstellbar, welcher die Lage der Oberfläche 8 regelt. Die Lage der Oberfläche kann in Abhängigkeit von verschiedenen verwendeten Materialien und Temperaturen eingestellt, werden.

Nach dem Durchtritt durch die Oberfläche 8 verläuft das Kabel durch den Abschnitt mittlerer Temperatur und darauf durch einen Kaltwasserabschnitt zwischen dem Auslassrohr und der Wasserdichtung 17. Diesem Abschnitt wird dauernd kaltes Wasser 10 durch eine Hochdruck-Wasserpumpe 14 über das Einlassrohr 16 unter einem Druck gleich dem Dampfdruck zugeführt. Die Temperatur des durch das Rohr 16 eintretenden Wassers kann der Umgebungstemperatur entsprechen oder wahlweise mehr oder weniger kühl sein.

Schliesslich tritt das Kabel durch die Wasserdichtung 17. Diese Dichtung ist so eingerichtet, dass sie'den Durchtritt einer geringen Menge Wassers mit dem Kabel zur Schmierung des Durchtritts ermöglicht. Raupen-Fördereinrichtungen 12 und 13 zur Führung des isolierten Leiters unter einer regelbaren Spannung gegenüber einem gleichen, nicht dargestellten Paar Fördereinrichtungen zur Führung des Leiters bei Eintritt in die Extrusionsvorrinhtung führen das Kabel in der durchhängenden Form und halten es im wesentlichen frei von der Wandung der ee umschliessenden Kammer_o Na^h dem Durchlauf

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durch die Fördereinrichtungen wird das Kabel auf der Rolle 18 aufgenommen. Das Extrusionsverfahren für das thermoplastische Material und die Art der Durchführung des Leiters durch die Ext rusiojis vorrichtung und die Einrichtungen zur Drehung der Rolle sind die üblichen und daher nicht dargestellt. Bei der Verwendung des"vorliegenden Verfahrens kann der Druck, und damit die Temperatur des Dampfes verändert v/erden, um die Charakteristik der Kühlung jr nach der.-. extrudjorten Material der Wanduicke und den Abmessungen des Leiters zu verändern, um ein Erzeugnis von optimaler Beschaffenheit zu erhalten, Ausserdem kann die Erfindung mit jedem thermoplastischen Material angewendet v/erden, "bei dem eine enge Berührung zwischen dem plastischen Material und dem Leiter erforderlich ist. Typische verwendbare Materialien oind Polyäthylen, Polypropylen und Mischungen dieser plastischen Kunststoffe mit Polyisobutylen. Die Beschaffenheit von gezogenen Erzeugnissen aus Polyvinylchlorid wire] durch das beschriebene Verfahren ebenfalls verbessert, obgleich seine Verwendung nicht der des Polyäthylen entspricht. Es wurde früher festgestellt·, dnss Polyäthylen von hoher Dichte wegen seiner starken Koiitraktiori grosso Schwierigkeiten bei der Verwendung bietet} das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung erleichtern jedoch die Verwendung. Obgleich das bisher beschriebene Kabel ein Kraftstromkabel ist, kann die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung auch zur Herstellung von Koaxialkabeln verwendet werden.

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BAD OF.'SSNAL

Die Erfindung kann ebenfalls verwendet werden für wärmehärtende Materialien, wie Z₀B₀ vernetztes Polyäthylen. Beim Kühlen von vernetzten plastischen Isolierungen weist die Dampfkammer vorzugsweise einen Druck von 18 kg/cm bei 200⁰C auf. Zur Verfestigung des wärmehärtenden Kunststoffes muss die Temperatur über 140⁰C sein_e Der Wasser führende Abschnitt hat vorzugsweise eine Temperatur von etwa 93⁰C am Eintritt und 49⁰C am Austritt, bei dem gleichen Druck von etwa 18 kg/cm . Zur Erzielung einer schnelleren Verfestigung können auch höhere Drücke verwendet werden, z.B. etwa 28 kg/cm und 300 C. Diese höheren Drücke erfordern eine längere Kühldauer und genaue Beobachtung der Abdichtung der Kammer.

Die Erfindung kann ebenfalls mit einer wärmehärtenden oder thermoplastischen Halbleiterschicht verwendet werden. Die Eigenschaft als Halbleiter wird vorzugsweise durch einen Zusatz von halbleitendem Russ zu dem plastischen Material erzeugt. So wird zum Beispiel eine wärmehärfbare Halbleiterschicht aus Polyäthylen um den Leiter 1 extrudiert, darauf eine Schicht wärmehärtendes Polyäthylen als Isolierung über die Halbleiterschicht gezogen und das Kabel für den ersten Kühlvorgang in die Kammer 5 eingefühlt₀

Das Folgende 1st als Beispiel für die bevorzugte Ausführung der Erfindung beschrieben.

- 10 ~ Ü Ü 9 0 5 '2 / U 7 7 5

~ 10 -

Beispiel.

Sieben Stränge Nr.2-AWG Kupferdraht mit einem Durchmesser von 2.4-74 mm werden zu einem Leiter von 7,42 mm Durchmesser versponnen und. mit einer dünnen Halbleiterschicht überzogen. Eine Isolierung aus Polyäthylen mit einer Dichte von 0,918 und einem Schmelzpunkt zwischen 0,15 und 0,30 wird zu einem Überzug von 5,59 mm Dicke um den Leiter extrudiert. Nach dem Verlassen der Extrudervorrichtung tritt der über« zogene Leiter in eine Dampfkammer von 36,60 m Länge. An der Eingangsseite wird der Kammer Dampf unter einem Druck von 2,81 kg/cm bei 140°(J zugeführt. Die Temperatur der Kammer verringert sich von 140⁰C am Eintritt auf 116°C an der Stelle, wo der isolierte Leiter durch die Flüssigkeitsoberfläche tritt· Nach dem Verlassen der Dampfkammer tritt das Kabel in einen 12,40 m langen Abschnitt, der Wasser bei Temperaturen von 93°C an der Eintrittsseite und 50⁰C an der Austrittsseite enthält. Der Druck in der Kammer beträgt 2,81 kg/cm . Nach diesem Wasser führenden Abschnitt tritt das Kabel in einen weiten, 12,40 m längen Wasserführenden Abschnitt, welcher eur weiteren Kühlung Wasser von 16⁰C bei 2,81 kg/cm enthält. Die Vorschubgeschwindigkeit des Kabels beträgt 9,15 m pro Minute.

Bei einem nach diesem Beispiel hergestellten Kabel findet eine Koronaentladung erst bei mindestens 50 Kilovolt statt. Bei einem Kabel gleicher Länge und den gleichen Charakteristiken wie vorher beschrieben, welches mit herkömmlicher Wasser-

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kühlung hergestellt wurde, findet die Koronaentladung bei ergeblieh geringerer Spannung statt, und die Herstellungs· geschwindigkeit wäre erheblicsh geringer«,

Patentansprüche : - 12 ~

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Kontraktion von plastischem Isoliermaterial auf einem elektrischen Leiter, bei welchem zunächst der Leiter mit dem plastischen Material überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter n:it dem Überzug aus plastischem Material in plastischem Zustand in einen mit Dampf von geringerer Temperatur als der des plastischen Materials, jedoch höher als 10O⁰C gefüllten Rohrabschnitt zur Kühlung des plastischen Materials auf eine niedrigere Temperatur eingebracht wird, dass der isolierte Leiter von diesem ersten Abschnitt in einen zweiten Abschnitt weitergeführt und darin enthaltenes Wasser von einer Temperatur unterhalb der des Dampfes an der Ausgangsseite des ersten Abschnittes und höher als Raumtemperatur eingetaucht wird, wobei das Wasser unter einem Druck steht, der dem Druck in dem Dampf enthaltenden Abschnitt gleich ist, dass der isolierte Leiter aus dem zweiten Abschnitt in einen dritten Abschnitt weitergeführt und in darin enthaltenes Wasser von nahezu Raumtemperatur und einem Druck der dem im zweiten Abschnitt gleich ist, eingetaucht wird, und dass der Leiter aus dem dritten Abschnitt entnommen wird, wodurch eine gleichmassige Kontraktion der thermoplastischen Isolation bewirkt wird, im wesentlichen ohne dass Hohlräume zwischen dem Leiter und der Isolierung entstehen.

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2o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der erste und der zweite Abschnitt in der Länge verstellbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das plastische Isoliermaterial thermoplastisches Polyäthylen oder thermoplastisches Polypropylen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines mit thermoplastischem Polyäthylen isolierten elektrischen Leiterstranges, gekennzeichnet durch das kontinuierliche Extrudieren von Polyäthylen um einen elektrischen Leiter, wobei der erste Rohrabschnitt unter Druck stehenden Dampf von einer Temperatur zwischen etwa 14O⁰C und etwa 115 O enthält, das Wasser in dem zweiten Abschnitt den gleichen Druck aufweist wie der Dampf, bei einer Temperatur zwischen

etwa 93⁰G und etwa 5O⁰C, und das Wasser im dritten Abschnitt etwa Raumtemperatur und den gleichen Druck aufweist, wie im zweiten Abschnitt·

5. Verfahren nach Anspruch Γ zur Herstellung eines mit einer Isolierung aus wärmehärtendem Polyäthylen versehenen elektrischen Leiterstranges, gekennzeichnet durch das Extrudieren von vernetzbarem Polyäthylen um einen elektrischen Leiter, das Einführen des isolierten Leiters in plastischem Zustand in den ersten Rohrabschnitt, der Dampf bei einer Temperatur von mehr als 14O⁰C enthält, wobei das

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Wasser im zweiten Abschnitt unter dem gleichen Druck steht wie der Dampf und eine Temperatur zwischen etwa 93°C und
etwa 5O⁰C aufweist, und das Wasser in dem dritten Abschnitt etwa Raumtemperatur und den gleichen Druck, wie das Wasser in dem zweiten Abschnitt aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass eine halbleitende Schicht aus vernetibarem plastischem
Material um den Leiter extrudiert wird, und die Isolierung um diese Halbleiterschicht extrudiert wird·

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