DE1950404A1

DE1950404A1 - Hoechstspannungskabel sowie dielektrisches Isolierband und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE1950404A1
Application number: DE19691950404
Authority: DE
Inventors: George Bahder; George Sidney Jun; Carlos Katz
Original assignee: General Cable Corp
Current assignee: General Cable Corp
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-10-06
Publication date: 1970-06-04
Also published as: GB1287948A; ES372275A1; JPS4844791B1; FR2020036A1; CH520389A; SE374448B; CA922394A; US3594489A

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY _

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1 a I ? O U M V H

TELESRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN TELEFON C0811D 59 36 82

14 259 -■■--.

—i München, 6,Oktober 1969

G-7-P-26/788 Dr.M./st.

General Cable Corporation in New York, N.Y. / V.St.A.

Höchstspannungskabel sowie dielektrisches Isolierband und Verfahren zur Herstellung desselben

Kurzfassung (Abstrakt) der Offenbarung

Für Höchstspannungs-Stromkabel schlägt die Erfindung eine Isolation vor, die aus synthetischem Kunststoffmaterial besteht, das an beiden Seiten mit Papier verbunden ist, so daß es ein Mehrschicht-anband bildet. Statt des bisher verwendeten porösen Papiers wird erfindungsgemäß sehr dünnes Papier benutzt, wie das als "Kondensator-Seidenpapier" bekannte Papier, und Raum für die tfärmeausdehnung des synthetischen Kunststoffs und Kanäle für die Abführung von Feuchtigkeit und Einführung von Öl werden durch Prägen des Bandes erhalten. Um ein Verhaken der übereinanderliegenden Bänder beim Biegen des Kabels zu verhindern, besitzt die Prägung vorzugsweise ein Zufallsmuster, oder glatte ungeprägte Bänder werden abwechselnd zwischen geprägte Bänder gewick-elt. Die Erfindung umfaßt das neuartige dielektrische Isolierband, damit hergestellte Kabel, und Verfahren zur Herstellung des Isolierbands.

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Stand der Technik.

Man hat versucht, Kunststoffband®!», die eine wesentlich höhere Durchschlagsfestigkeit als Papier besitzen, für Hochspannungskabel au verwenden, jedoch waren die Kunststoffe fUr das di elektrische Kabelöl undurchlässig und besaßen keine genügende α Steifheit, um Spiralspalte zwischen benachbarten Windungen des Bandes zu Überbrücken. Die Ausdehnung des Kunststoffs während eines tfärmezyklus unterbrach für die Dauer die physikalische Unversehrtheit der Kabelstruktup, wodurch r.iayi übliche isolierende Abschiriiiimgen, übliche Feuchtigkeits- und mechanische Schutzmantel und übliche Kabelanschlüsse nicht verwenden, konnte, Sosreit es nicht gelang, die Spalte, offen und in Verbindung miteinander su halten, konnte das Öl die Hohlräume nicht ausfüllen. Der Kunststoff war auch gegen die V/irkungsn von Korona-Entladungen weniger widerstandsfähig als Papier.

Aus dem üSA-Patent 3 070 333 ist-die Verwendung-eines dielektrischen Materials bekannt, das aus einem einsigen Kunststoffband, das mit einem ainsigsn Papierband verbunden ist, besteht. Obgleich das Papier den Kunststoff teilweise mechanisch verstärkt, liefert es keinen Schutz gegen Korona-Ent:ladungen in <3.Qn StoßrKumsn und verhindert nicht daß Cviellen de?; Euast~ Stoffs und/oder das Einsinken in die Stoßfugen. Ande.i'c. M"ngel e:ines solchen Kabsls li^gon in Schwierigkeiten bei de? StIi:ti·=· ig und Dur^>chm.2ss-23?v€s⁵:ltideriuigen bei T

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BAD ORIGINAL

" ³" . 195040Λ

Aus der USA-Patentschrift 3 105 872 ist die Vervendung von geprägten Kunststoffbändern als Dielektrikum bekannt. Dieses zeigt jedoch eine Anzahl von Nachteilen, unter anderem!

a) Ungeschützte Kunststoffmaterialien sind sehr empfindlich gegenüber Korona-Entladungen, vas zu vorzeitigem Versagen des Kabels unter Bedingungen führt, welche elektrische Entladungen verursachen ( z.B. Schalt- und Blitzstöße;.

b) Die moisten Kunststoffe sind uit: geeigneten -flüssigen Dielektrika unverträglich; sie zeigen Quellung, Erveichung, Dehnung odor 2;erreissen unter Belastung usw., wenn sie mit solchen Flüssigkeiten in Berührung stehen, insbesondere bei höheren Tej.iperaturen.

c) Mehrere Kunststoffe haben eine geringe Steifheit und sinken in die* Stoßfugen der darunterliegenden Bänder ein;

d) die meisten Kunststoffmaterialien haben eine schlechte Wäivuebeständigkcit, wodurch die maximale Stromstärke beg?.'enzt ist, die ein Kabel transportieren kann.

Ein Kabelaufbau, der fast alle Nachteile anderer Hochspannungskabelkonstruktionen vermeidet ist aus der USA-Patentschrift 3 194 372 bekannt. Gemäß dieser Patentschrift "JiTa das Kabel mit eincu'susaanengesetsten Material aus Papier- Kunststofffür.-'Fapicr hergestellt. Die Erfindung ist eine Verbesserung diener bt,Vi.■->■-:-,--ά Konstruktion.

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ssimg

Eine der durch die Erfindung erreichten Verbesserungen ist eine Verringerung des Leistungsfaktors bei HÖchstspannungskabeln. In solchen Kabeln muss die Gssamtdicke des Isolierbandes auf etwa O,.076 - O, 254 mm begrenzt ,werden. Je kleiner das Verhältnis der Papierdicke zur Kunststoffdicke ist, desto kleiner ist der Leistungsfaktor. Eine Schwierigkeit lag darin., ein dünnes Papier mit einem annehmbar geringen Luftviderstand zu erhalten, der J?iir einen wirksamen Abfluß der Feuchtigkeit aus dem Papier und das Eindringen des flüssigen Dielektrikums in die Hohlräume der Papier- Kunststoffisolation erforderlich ist. Die Erfindung ermöglicht die Vervendung von extrem dünnen und undurchlässigen Papieren mit geringem Verlust bei der Isolation von Kabeln.

Eine weitere Verbesserung liegt darin, da genügend Raum für die Ausdehnung des in der Isolierschicht benutzten Kunststoffs vorgesehen ist, sodaß die Gesamtabmessung des Kabels nicht verändert und seine physikalische Unversehrtheit nicht unterbrochen wird, vrenn das Kabel erwärmt vird, wodurch die Verwendung der gleichen elektrischen Abschirmungs- und mechanischen Schutzmaterialien und die Verwendung der gleichen Abschluß muffen an Kabelendpunlctren wie bei üblichen papierisolierten Kabeln möglich ist.

Eine weitere Verbesserung betrifft die Verwendung von Kunststoff·- ilmeii m?,'c guten elektroisclien, jedoch- verhältnismässig

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schlechten mpchanisch<sn und Wärnieeigenschaften. Eine weitere Verbesserung betrifft die Verbindung ( das Verkleben) des Papiers mit dem Kunststoff. Bei bisherigen Verbindungs-( Kleb- oder Schweiß-) Verfahren wanderte ein Teil des Kunststoffs zwischen die Zellulose-fasern des Papiers und bildete Sperren für die Feuchtigkeitentfernung und das Eindringen des flüssigen Dielektrikums.

Durch die Erfindung wird eine zusammengesetzte Isolation mit guten dielektrischen Eigenschaften und verhältnismäßig guten mechanischen und Wärmeeigenschaften geschaffen. Ein Kunststofffilm wird beiderseits mit einem dünnen Spezialpapier verbunden, das nicht mehr als etwa 50% der Gesamtdicke des Bandes einnimmt. Das Hehrschichtenband wird mit einem Muster geprägt, um Raum für die Ausdehnung des Kunststoffs und für den Burehtritt von dielektrischer Flüssigkeit zu bieten. Die Ausdehnung des Kunststoffs tritt imBetrieb durch Temperaturerhöhungen des Kabels ein. Ein Merkmal der Erfindung ist eine Bestrahlung des zusammengesetzten Materials zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit des Dielektrikums.

ßrfiiidungsgemäß hergestellte Hochsp-atmungskabel können mit dem Mehrschichtenband umwickelt werden, wobei nur jede zweite Schicht geprägt und die andere glatt ist. Dadurch wird das In~ und Aussereingriffkontman der Prägemuster beim Biegen des Kabels verhindert» und man braucht keine Zufall-Prägemuster anzuwenden, um das Festha-ken au verhindern.

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Auft-sr dent Kabelaufbau mit dem erfindungsgemäö-en neuartigen Mehrschiehten- Isolierband umfaßt die Erfindung auch Verfahren zur Herstellung das dielektrischen Isolierbandes und des Höchstspanmmgskabels.

Die Erfindung liefert ein verbessertes Hochspanhungskabel mit geringerem Leistungsfaktor! niedriger Dielektrizitätskonstante, guten mechanischen und V/ärmeeigenschaften, hoher Beständigkeit gegenüber Korona-Entladungen und gewährleistet gleichzeitig eine wirksame Feuchtigkeitsentfernung und Flüssigkeitssättigung.

V/eitere Zwecke» Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ..Beschriebung.

Kuraa Beschreibung der Zeichnung.

In der beigefügten Zeichnung sind entsprechende Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigeni Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Stücks eines erfindungsgemäß hergestellten dielektrischen Isolierbandes mit Zufallsmusterprägung; Fig. 2 ähnlich Fig. 1 ein Isolierband mit einer Prägung eines regelmässigen Musters;

Fig. 3 einen vergrösserten Schnitt eines Isolierbandes mit regelmässigem Prägemuster zwischen_#unge?rägten Streifon gewickelt, mn ein Einrasten der Prägung beim Biegen des Kabels zu verhindern;

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Fig. 4 eine Teilansicht, teilweise aufgeschnitten und im Schnitt eines mit dem erfindungsgemässen Isolierband hergestellten Kabels;

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch mehrere Schichten der Isolation des in Pig. 4 gezeigten Kabels; Fig. 6 eine schematiachs Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des in den anderen Figuren gezeigten Isolierbandes,

ti bevorzugter Ausflilirungsformen.

Die in F:l<j. 1 gezeigte bandförmige Isolation besteht aus einem Isolierband 0 aus erfindungsgemäß hergestelltem zusammengesetzten, verbundenen,geprägten und in gevissen Fällen bestrahltem Material. Das Mehrschichtenmaterial besteht aus einer Schicht eines geeigneten Kunststoffilms 1o vom Hochpolymertyp, wie Polypropylen oder Polyäthylen, der zvischen zwei sehr dünne, jex/e&s etwa o,oi9 - o,o38 mm rficke Blätter 12 aus sehr reinem Papier mit niedrigem Verlust vom Typ des bei der Herstellung von Kondenisatoren benutzten und allgemein als " Kondensator- Seidenpapier" bekannten Typs eingelegt: und mit diesem verbunden ist.

Die Wärmeausdehnimg sythetischer Kunststoffe ist sehr groß besonders im Vergleich mit der Wärmeausdehnung von Papier. Beispielsweise vergröß-ert sich das Volumen von Polyäthylen bei Erhitzen auf 10O⁰C um ungefähr S% seines Volumens bei Raumtemperatur, im Vergleich mit veniger als 1% für übliches Papiex". Auß-eräen hat das Konclensator-Seidenpapier den Nach-':eil, in raö-ir.ler Sichtung für alle; praktischen Zvecke gegen-

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über flüssigem Dielektrikum undurchlässig zu sein. Beide Nachteile verden durch eine dauerhafte Prägung des miteinander verbundenen zusammengesetzten Materials beseitigt.

Die Tiefe der Prägung 14 ist so groß, daß genügend Raum £ür die Ausdehnung des Kunststoffs während der einen teil des Her« Stellungsverfahrens bildenden Trocknung und Imprägnierung und vährend Dauerbetrieb bleibt, vährend gleichzeitig der unbehinderte Längsfluß von Feuchtigkeit und öl nicht auf eine verhältnismäßig langsame Bewegung begrenzt ist. Außerdem ist die Prägung nicht zu tief, um die besten dielektrischen Eigenschaften des zusammengesetzten Materials nachteilig zu beeinflussen. Eine Prägetiefe, welche ungefähr 0,025 mm zu der 0,127 mm betragenden Dicke eines einzigen Blatts des zusammengesetzten Materials hinzufügte, lieferte sehr befriedigende Ergebnisse bei Vervendung mit einen öl einer Viskosität von ungefähr 6000 SSU bei 30° C.

Fig. 1 zeigt ein mit einem Zufallsmuster geprägtes Band des verbundenen Mehr Schichtenmaterials. Zufall sprägemuster verden vorteilhafterveise angewandt, um ein Verha-ken der übereinanderliegenden Bänder bei Kabeln zu vermeiden, wo alle Isolierbänder geprägt sind. Bin Verha-ken ( Ineinandergreifen) der Bänder könnte beim Biegen des rabels elektrische und / oder mechanische Schädigungen hervorrufen.

Fig. 2 zeigt ein Band 8' eines verbundenen Mehrschichtenmaterial s, das mit einem sich gleichmäßig wiederholenden Präge*ust«r 16 versehen ist. Die Teile des Bandes 8* sind mit de« gleichen

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Bezugszeichen vie in Pig. 1 unter Beifügung eines Indexstriches bezeichnet.

Eine Abwandlung des oben beschriebenen Höchstspannungskabels ist in Fig. 3 gezeigt. Es besitzt zusammengesetzte Bänder 8A, die mit einem zufälligen oder sich gleichmäßig viederholenden Prägemuster 18 versehen sind. Bei dieser abgewandelten Form braucht nur jede zweite Schicht des Dielektrikums geprägt zu sein, während die restlichen Schichten 8B aus dem gleichen»doch ungeprägten Dielektrikum bestehen. Papier- und Kunststoffschichten sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 unter Beifügung eines A oder B bezeichnet. Abgesehen von der Zuordnung von geprägten und ungeprägten Schichten kann das gemäß Fig. 3 hergestellte Kabel das gleiche sein, wie es im Folgenden mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben wird.

Eine zweite Abwandlung dieses Kabels gemäß Fig. 3 kann mit einem geprägten zusammengesetzten Material hergestellt werden, das Kondensator-Seidenpapier nur an einer Seite und Kunststoffilm an der anderen Seite besitzt. In diesem Fall muß-te das Kunststoffmaterial stark verbesserte mechanische und Wärmeeigenschaften besitzen.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Höchstspannungskabel 22 mit einem einzigen verseilten Leiter 20 und einer Isolation mit zusammengesetzten dielektrischen Bändern 8 mit Zufallsprägemuster. Der Leiter 20 dieses besonderen Kabels ist segmentförmig gestaltet, wobei zwei seiner gegenüberliegenden Segmente mit einem hochreinen, mechanisch festen dielektrischen Bandmaterial

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24 isoliert sind. Der Leiter dieses Kabels ist mit einer elektrostatischen Abschirmung 26 umwickelt, die von leitenden Bändern gebildet wird, über welche die Masse der geprägten zusammengesetzten Bandisolation 8 sorgfältig und genau mit offenen Stoßfugen aufgebracht ist. Die Richtung der Bandwickelung wurde in regelmäßigen Abständen ( alle zehn Bänder) geändert, um ein elektrisch leistungsfähiges und mechanisch widerstandsfähiges Kabel zu erhalten. Zwei Lagenrichtungen der aufgebrachten Isolierbänder 8 sind gezeigt, über die Isolation wird eine aus leitenden Bändern.bestehende Isolationsabschirmung 30 und über diese ein Feuchtigkeits- und mechanischer Schutzmantel aufgebracht. Diese letztgenannten Schutzmäntel sind zur Vereinfachung der Zeichnung nicht gezeigt.

Eine weitere Abwandlung dieses Kabels kann hergestellt werden, indem man unmittelbar über die elektrostatische Leiterabschirmung mehrere Bänder aus dünnem, hochreinen, niedrigen Verlust zeigenden Papier und/oder mehrere Bänder des gleichen üblichen Papiers über die äußere Schicht der geprägten zusammengesetzten Isolation aufbringt. Die Isolationsabschirmung wird über das Papier aufgebracht. Keinesfalls sollten diese einfachen Papiere mehr als 15% des Gesamtquerschnitts des Kabels einnehmen. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform sind die Feuchtigkeitsabführung und Flüssigkeitsimprägnierung verbessert, und man erhält eine bessere Verteilung der Belastung bei hoher elektrischer Spannung.

Eine weitere abgewandelte Ausführungsform dieses Kabels kann hergestellt werden, indem wan bei der Herstellung zusammenge-

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setzte Bänder mit verschiedener Prägetiefe benutzt. Die jeweiligen Prägetiefen hängen von der Dicke des Bandes und seiner Lage bezüglich des Leiters ab. Bei diesem Aufbau ist die Prägetiefe umso größer» je dicker das Band ist und je veiter die Einzelschicht des zusammengesetzten Bandes vom Leiter entfernt ist.

Fig. 5 zeigt im einzelnen einen längsverlaufenden Querschnitt mehrerer geprägter Isolierbänder 8 des in Fig. 4 gezeigten Kabels. Die durch die Prägung und die mit dem Bezugszeichen 34 bezeichneten Stoßfugen zvischen den Bändern gelassenen Zwischenräume sind mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllt.

Das Kondensator-Seidenpapier 12, 12·, 12A oder 12B hat einen Leistungsfaktor von ungefähr 0,07% bei 80° C; eine Dielektrizitätkonstante_vvon ungefähr 1,7 bei 80° C und eine ölimprägnierte Durchschlagfestigkeit von ungefähr 2 800 V/o,O25 mm. Diese Werte sind nur zur Erläuterung angegeben und sind günstiger als die der reinsten Papiere, die gewöhnlich bei der rabelhersteilung verwendet werden. Außerdem gestattet das Kondensator-Seidenpapier vegen seiner verhältnismäßig hohen mechanischen Festigkeit die Vervendung von Cunststoffilmmaterialien nit verhältnismäßig geringer mechanischer Festigkeit, jedoch guten elektrischen Eigenschaften·

Der Ausdruck " Kondensator-Seidenpapier" wird hier zur Bezeichnung eines Papiers benutzt» das aus kurzfasrigem Ausgangsmaterial hergestellt ist und ein lochfreies, sehr undurchlässiges Papier mit einer Dicke von 0,0054 bis 0,039 mm und einer Dichte

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im Bereich von etva O₁7 bis 1,2 qfcitr ist· Das Seidenpapier hat einen niedrigen Leistungsfaktor und eine niedrige Dielektrizitätskonstante.

Bei der bevorzugten Bauweise hat das Kondensator-Seidenpapier einen trockenen, prozentualen Leistungsfaktor von ungefähr 0,07 bei 80⁰C, und der Leistungsfaktor des geölten zusammengesetzten erfindungsgemäßen Materials beträgt veniger als O₉OOiS und vorzugsweise etwa 0,0005 oder weniger bei 80⁰C mit einer Gesamtdielektrizitätskonstante von unter 3,0 bei 80°C. Das bevorzugte Kondensator-Seidenpapier enthält veniger als 1,4 leitende Teilchen pro Qu; pH von ungefähr 6,3 - 7.

leitende Teilchen pro Quadrat-Fuß ( 929 cm ) und hat einen

In den Kabeln mit einer Isolation aus geprägtem zusammengesetzten Material sorgt das Kondensator-Seidenpapier für die notwendige mechanische Festigkeit ( Verstärkung) des zusammengesetzten Materials und schützt den Kunststoff bei seiner Ervei- | chung und Ausdehnung vor dem Einsinken in die Stoßfugen der benachbarten Lagen des Dielektrikums. Da das Kondensator-Seidenpapier fest und dauerhaft mit dem Kunststoff beschichtet ist, kann bei einem Temperaturanstieg der Kunststoff sich nicht vesentliehe in Längsrichtung ausdehnen( falls das Papier schwach wäre,würde die Längsausdehnung des Kunststoffs das Papier zerreiß.-en). Der durch die Prägung zwischen den Bändern verbleibende Raum ist mehr als ausreichend, um die Volumenvergrößerung des Kunststoffs zu absorbieren).

Da das Kondensator-Seidenpapier den Kunststoff schützt und

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dem zusammengesetzten Material die notwendige mechanische Festigkeit verleiht, ist es außerdem möglich, das zusammengesetzte Dielektrikum ähnlich vie Papier bei der Herstellung von Kabeln zu verenden.

Wenn sich der Durchmesser von mit geprägtem zusammengesetzten Material isolierten Kabeln so verändern würde, wie es bei kunststoff isolierten Kabeln der Fall ist, hätte man nach neuen Materialien für die elektrostatische Abschirmung, den Feuchtigkeitsund mechanischen Schutz des Kabels suchen müssen. Nur Materialien mit ähnlichen Wärmeeigenschaften wie die in diesen Kabeln benutzten Kunststoffe und mit ungewöhnlichen elast-oraeiren und mechanischen Eigenschaften wären verwendbar. Durch Benutzung des geprägten zusammengesetzten dielektrischen Materials können beliebte und wohlbekannte Materialien, wie beispielsweise Kupferbänder, mit Polie unterlegterPolyesterfilm, metallische Gleitdrähte ( skid wires) usw. verwendet werden* Es wäre auch sonst erforderlich gewesen, eine Art von Abschlußmuffe zu erfinden urwt zu entwerfen, welche ihre radialen Abmessungen mit der Temperatur verändert.

Die Prägung des zusammengesetzten Materials gibt Raum für die Wärmeausdehnung des Kunststoffs und ermöglicht eine schnelle Peuchtigkeitsabftihrung und ölimprägnierung, während die Möglichkeit der Hohlraumbildung auf ein unwesentliches Ausmaß herabgesetzt wird.

Die bevorzugte Ausflihrungsform der Erfindung betrifft insbe-

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sondere ein Höchstspannungskabel, das isoliert ist mit

a) einein zusammengesetzten dielektrischen Material, das aus einem durchgehenden Polypropylenfilm besteht, der zwischen zvei dünnen Blättern von eine sehr hohe Reinheit und einen geringen Verlust besitzenden Kondensator-Seidenpapier eingeklebt ist.

Das verklebte zusammengesetzte Material ist mit einer Dauerprägung mit einem zufälligen oder gleichmäßig sich wiederholenden Muster geprägt, das der Dicke eines 0,127 min starken Einzelbandes des zusammengesetzten llaterials bis zu ungefähr 0,054 mm hinzufügen kann.

b) Einem dielektrischen Material wie oben angegeben, außer

daß das Polypropylen durch Polyäthylen ersetzt und das zusammengesetzte Material nach dem Prägen mit einer Dosis von 7-17 Megarads bestrahlt ist. Die Bestrahlung des zusammengesetzten Materials ermöglicht den wirksamen Betrieb des Kabels bei verhältnismäßig hohen Temperaturen.

c) Einem dielektrischen Material, wie oben angegeben, außer daß statt Polypropylen oder Polyäthylen andere Kunststoffe als Mittelschicht des zusammengesetzten Materials ver-wendet werden,

Zur Verwendung im zusammengesetzten Material eigenen sich Kunststoffe, wie Polyphenylen-Oxyd, Polysilcxan, fluoriertes Äthylen-Propyien, Polykarbonat, Polyimid, Polysulfon, Polytetrafluoräthylen, Poly-4- ethylpenten, Polystyrol und ihre bestrahlten Abwandltingen und alle anderen Kunststoffe mit guten elektrischen Eigenschaften, beispielsweise niedrigem Vei^lustfaktor, niedriger Dielektrizitätskonstante, guter

dielektrisches? Festigkeit und außerdem verhältnismäßig guten Wärmeeigenschaften.

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Das erfindungsgemäße Höchstspannungskabel wird hergestellt, indem man den verseilten, beschichteten oder unbeschichteten Kupfer- oder Aluminiumleiter mit einer von leitenden Bändern gebildeten elektrostatischen Abschirmung umvickelt.

Das Aufbringen des dielektrischen Bandes erfolgt mit Hilfe von Mehrkopfbandwicklern, wobei die Richtung der Bandumvicklung in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle sehn Bänder, gewechselt wird. Dieser Arbeitsgang wird in einem geschlossenen Raum, der frei von Verunreinigungen ist und bei etwa 25 - 30°C gehalten wird, und bei einer relativen Feuchtigkeit nicht Über 10* durchgeführt.

Nach dem Aufbringen der geprägten zusammengesetzten dielektrisehen Bänder 8 wird das Kabel auf einer Trommel aufgespult und anschließend unter Vakuum bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,1% getrocknet, worauf es mit einem flüssigen Dielektrikum imprägniert wird, das auch alle Z ischenräuae in festen Dielektrikum ausfüllt. Bänder zur Abschirmung,zum Feuchtigkeits- und mechanischen Schute werden in einem folgenden Arbeitsgang Über das Schichtmaterial aufgebracht.

Die Herstellung des dauerhaft geprägten zusammengesetzten (Hehrschicht-) Dielektrikums kann in einem kontinuierlichen Arbeitsgang erfolgen, wie vereinfacht in Fig« 6 gezeigt. Der Kunststoff lim 10 wird dort unmittelbar nach der Herstellung durch

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Strangpressen zvischen Zuführungsvalzen 40 hindurch zu einer Klebestation 44 geführt, wo der Kunststoffilm 10 über oder zvischen einer Reihe von geheizten Walzen 46 hindurchläuft, denen auch das sehr dünne Papier 12 zugeführt vird· Vor der Zusammenführung des Papiers 12 und des Kunststoffilms 10 vird das Papier über andere Stahlvalzen 50 geführt» die auf etva 140°C erhitzt sind. Das Erhitzen des Papiers dient dem doppelten Zveck der Entfernung von Feuchtigkeit und der Vorwärmung des Papiers»um eine bessere Verbindung zvischen dem Papier 12 und dem Kunststoff ilm 10 zu erhalten.

Die Hitze- und Druckbedingungen» um die innige und dauerhafte Verbindung zu erhalten« hängen von der Art des Kunststoffilms ab und können beispielsweise für Polypropylen und Polyäthylen in der Größenordnung von 130 - 140°C liegen. Unmittelbar nach dan Verbinden ( Verschweißen) und ohne daß man die Temperatur wesentlich absinken läßt vird das Mehrschichtenmaterial zvischen den Prägewalzen 54-55 hindurchgeführt, von denen die eine aus einem hartgummiartigen Material und die andere aus Stahl be steht und letztere auf ihrer Oberfläche das eingravierte Prägemuster trägt.

Die Tiefe und Qualität der Prägung hängt von der Temperatur des Mehrschichtraaterials zum Zeitpunkt des Prägens und von der Geschwindigkeit ab, mit der das Mehr Schichtmaterial durch die Prägewalzen läuft. Beispielsweise wurden im Pail eines Mehrschichtmaterials mit einem 0,063 mm dicken Polypropylenfilm zvischen zvei jeweils 0,025 mm dicken Bändern von Kondensator-

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Seidenpapier eine Geschwindigkeit von etwa 3,66 m/foin und eine Temperatur von etva 13O⁰C angewandt, um ein geeignet geprägtes Mehr^chichtmaterial mit einer Gesamtdicke von etva 0,140 mm zu erhalten. Diese Zahlenwerte sind nur zur Erläuterung angegeben. Die verwendeten Prägemuster können jede praktische und mögliche Gestalt haben.

Nach Beendigung des Prägeschritts wird das Mehrschichtmaterial auf eine zwischen der Prägetemperatur und der Raumtemperatur liegende Zvischentemperatur, beispielsweise 6O°C_# abgekühlt und gleichzeitig in eine Umgebung mit niedriger relativer Feuchtigkeit gebracht, um soweit möglich die Aufnahme von Feuchtigkeit durch das Papier au vermeiden. Das abgekühlte Mehrschichtmaterial wird durch Hesser 62 zerschnitten und auf Einzelspulen 64 mit einer Breite von jeweils 19,05j 22,23 oder 25»4 mm in geeigneter Weise bis au beispielsweise 50,8 cm Durchmesser aufgespult. Die Spulen werden in feuchtigkeitsdichte Behälter verpackt und zum ort der Kabelumwickelungsmaschinen gebracht oder versandt, wo sie über einen elektrischen Leiter gewickelt werden.

Wäreria aller oben erwähnten, das Dielektrikum betreffenden Herstellungsschritte muß besonders darauf geachtet werden, jede mögliche Verunreinigung des Materials drireh Fremdstoffe, wie Staub und Feuchtigkeit, welche den Verlustfaktor des Mehrschichtenmaterials vergrößern könnten, zu vermeiden.

Das beschriebene kontinuierliche Verfahren zur Herstellung dieser dielektrischen Umwickelung für Höchstspannungszwecke ist das

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wirtschaftlichste» jedoch kann das Verfahren ohne jede Folge für die guten Eigenschaften des Dielektrikums in einzelne Verfahrensschritte unterteilt verden* Das Prägen kann auch nach einem komplizierteren Verfahren unter Verwendung von mehr als einer Prägewalze vorgenommen werden.

In den Fällen, wo eine Verbesserung der tfärmebeständigkeit des Dielektrikums durch Bestrahlen des Materials erhalten werden kann, wird dieser Verfahrensschritt vorgenommen, nachdem das Mehrschichtenmaterial geprägt ist» Im Fall eines mit Polyäthylen hergestellten Mehrschichtenmaterials ist eine unter Vakuum angewandte Bestrahlungsdosis von 7-17 Megarads am wirksamsten.

Inert-Die Bestrahlung kann auch in einer in / gas atmosphäre wirksam

vorgenoiamen werden.

Die Verbindung zwischen dem Papier und dem Kunststoffilm kann auch durch Anwendung irgendeines Klebstoffs bewirkt werden, der die guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften des

nicht

zusammengesetzten Materials/nachteilig beeinflusst. Beispielsweise sind Klebstoffe vom Typ Polyisobutylen geeignet.

Im folgenden sind einige typische Ergebnisse für die erfindungsgemäße Mehrschichtenkabelisolation und im Vergleich auch solche für anderes dielektrisches Material angegeben.

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Verlustfaktor gemäß ASTM D2413 % bei

Raum- 6O⁰C 8O⁰C 1OO°C temp« . ____ _mmmm^_mmm

ülimprägniertes, geprägtes zusammengesetztes Dielektrikum von 0,127 mm Dieke(6O?i Polypropylen, AO% Papier) 0,059 0,046 0,052 0,082

ölimprägniertes geprägtes bestrahltes zusammengesetztes Dielektrikum von 0,127 mm Dicke( 70*Polyäthylen, 30% Papier) 0,078 0,039 0,048 0,093

Ölimprägniertes hochreines Papier, vie für Hochspannungskabel vervendet, 0,127 mm dick 0,154 0,147 0,154 0,166

Dielektrizitätskonstante gemäß ASTH D2413 bei

JRaum temp

Saum- 6O⁰C 80⁰C 1OO°C

ölimprägniertes, glattes zusammengesetztes Dielektrikum von 0,127 mm Dicke (60Ji Polypropylen, 40# Papier) 2,50 2,51 2,56 2,60

ölimprägniertes geprägtes bestrahltes zusammengesetztes Dielektrikum von 0,127 «m Dicke (70* Polyäthylen, 3O)C Papier) 2,26 2,30 2,26 2,42

ölimprägniertes hochreines Papier, vie für Hochspannungskabel vervendet, 0,127mm dick 3,58 3.60 3,62 3,62

Dielektrische Festigkeit genÄß ASTM D MehrSchichtendielektrikum

von 0,127 mm Dicke( 60Ji

Polypropylen, 40* Papier) 2800 v/0,025 mn

Bestrahltes Mehrschichtendielektrikum VCIl Ο« 127 BDR Dicke ( 709; Polyäthylen 30* Papier) 2600 V/0,025 na

Hochreines Papier niedriger Dichte von 0,127 mm Dicke 1500 V/0,025 mm

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Verträglichkeit mit ölen Diese Prüfung wurde durchgeführt» indem Bänder des festen Die-

loktrikums unter einer Zugspannung von 35 kg / cm in ein Mineralöl bzw. ein Polybutenöl gebracht vurden. Die das Ul und die Proben enthaltenden Behälter wurden in einen bei 100⁰C gehaltenen Ofen gestellt.

Polypropylen ( allein) 0,127 mra dick - nach 2-4 Stunden über die Prüfgrenze hinaus gedehnt ( > 30% Dehnung).

Polyphenylenoxid (allein) - O_#127 mm dick - brach nach 4-48 Stunden unter den Prüf bedingungen in beiden ölen.

Geprägtes Mehrschichtendielektrikum von 0,12? ront Dicke vor dem Prägen und etwa 0,152 mm nach dem Prägen ( 60% Polypropylen, 40% Papier)

nach 200 Stunden unter den obigen Bedingungen in beiden Ölen unwesentliche Dehnung.

r.oj!onal3fiständigkeitsprtifung

Die Prüfung wurde durchgeführt, indem man Probestücke von 0,330 + 0,013 mm Dicke Koronaentladungen aussetzte« Dabei wurde ein Abstand von 0,127 mm zwischen dem Probestück und einer der Elektroden gehalten und die Probestücke einer Belastung von 15 kV unterworfen.

Material

0,254 mm Polypropylen + 0,076 mm Kondensator-Seidenpapier - Polypropylen - das Polypropylen wprde den Koronaentladungen ausgesetzt

0(254 mm Polypropylen + 0,076 mm Kondensator-Seidenpapier- das Kondensator-Seidenpapier wurde den Koronaentladungen ausgesetzt

Kondensator-Seidenpapier allein

Hochreines Papier mit niedriger Dichte, wie in Hochspannungskabel·]verwendet, allein

0,254 mm Polyäthylen + 0,076 mm Kondensator-Seidenpapier - Polyäthylen den Korona-entladungen ausgesetzt *

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Ungefähre Stundenzahl i (Mit

bis zum Versagen (Mit» telwert mehrerer Proben)

20 50

4.5 8

_o. 1950A04

0,854 mm Polyäthylen + 0,076 ism
Kondensator Saidenpapier - Kondensator-Seideixpapier den Koronaentladungen ausgesetzt # 80

* unter geringfügig anderen Prüfbedingungen als oben.

Die PrüJFungen zeigten ♦ daß unter ähnlichen Prüf bedingungen der erzwungene Fluß von öl lUngs der oberfläche von dauerhaft geprägten*, Mehrsehichtenband etwa zehn Mal schneller als an der Oberfläche von porösem hochreinem Papier niedriger Dichte.des in Hochspannungskabeln verwendeten Typs ist»

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Claims

Patentansprüche

1.)) Dielektrisches Material, dadurch gekennzeichnet, daß es aus GiuQYa Kunst stoff ils mit guten dielektrischen und verhältnismäßig guten mechanischen und Wärmeeigenschaften» der assf beiden Seiten mit jeweils einem Blatt Kondensator-Seidenpapier zu einem Hehyschichtenband verbunden ist, besteht»

2.) Dielektrisches Material nach Anspruch 1 dadurch gekennseiehnet, das das Mehrschichtenband mit einem Zufallsmuster geprägt ist» wodurch auf ein Kabel gewickelte Übereinanderliegende Lagen äss Mehrschichtenbandes beim Biegen des Kabels nicht ineänanderhaken ·

3») Dielektrisches Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dar Mehrsehichtsnstreifen mit einem gleichmäßigen Muster geprägt ist»

4.) Dielektrisches Material nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, daö der Kunststoffilm etwa Q»051 0,254 m dick ist, jedes Blatt des Kondensator-Seidenpapiers eine Dicke von etva 0,019 - 0,038 mm besitzt und das Mehr» schichtenband mit einer Tiefe zwischen etva 0,013 und 0,051 ram geprägt ist,

5.) Dielektrisches Material nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gskesaiseiclmets daß die Dicke jedes der Sa&rk blätter nicht mehr als 25$ der Gesamtdieke des m bandes beträgt.

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6.) Dielektrisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschichtenband zur Verbesserung seiner Wärmebeständigkeit aus bestrahltem Material besteht·

7·) Dielektrisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da* durch gekennzeichnet, daß der Kunststoffilm aus Polypropylen» Polyäthylen, Polyphenylenoxid, Polysiloxan, fluoriertem Äthylenpropylen. Polycarbonate Polyimid, Polysulfon, Polytetrafluoräthylen, Poly-4-methylpenten, Polystyrol und deren bestrahlten Varianten besteht und die Prägetiefe etva 0,013 bis 0,051 mm beträgt.

8·) Dielektrisches Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschichtenband mit einem Zufallsmuster geprägt ist, wodurch auf ein Kabel gewickelte Übereinanderliegende Lagen des Mehrschichtenbandes sich beim Biegen des Kabels nicht ineinander verhaken, der lunststoffilm etva 0,051 bis 0,254 mra dick ist» jedes Blatt des Seidenpapiers eine Dicke von etva 0,019 bis 0,038 mm besitst, die Prägung des Mehrschichtenstreifens eine Tiefe zvischen etva 0,013 und 0,051 mm besitzt und die Dicke jedes der beiden Seidenpapierblätter nicht mehr als 25% der Gesautdicke des Mehrschichtenbandes beträgt.

9·) Höchstspannungskabel mit einem Leiter, einer Abschirmung und Isolation um den Leiter, wobei die Isolation Schichten eines dielektrischen Materiris gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material einen Kunstenthält, stoff ilm mit gv'-*n ν elektrischen Eigenschaf ten, / der beidseitig

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mit Papierblättern, von denen jedes dünner als der Kunststoffilm ist^ verbunden ist, wobei wenigstens einige der Papierblätter mit Prägungen versehen sind, welche Ausdehnungs- und Verbindungsräume zwischen Überlappenden Lagen der Mehrschichtenbandisolation bilden und mit flüssigem Dielektrikum gefüllt sind.

10.) Elektrisches Höchstspannungskabel nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschichtendielektrikum zur Verbesserung seiner Wärmebeständigkeit bestrahlt ist.

11.) Elektrisches Höchstspannungskabel nach Anspruch 8 oder SI» dadurch gekennzeichnet, daß das MehrSchichtendielektrikum zur Erzeugung der Ausdehnungs- und Verbindungsräume zwischen überlappenden Lagen der zusammengesetzten Isolation geprägt ist.

12.) Elektrisches Höchstspannungskabel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prägung der dielektrischen Mehrschichtenbänder ein Zufallsmuster aufweist, das sich beim Biegen des Kabels nicht in der Prägung einer darunter oder darüber liegenden Lage festhakt.

13·) Höchstspannungskabel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage des geprägten dielektrischen Mehrschichtenbandes ein gleichmäßiges Prägemuster besitzt und abwechselt mit einer Schicht von glattem ungeprägtem dielektrischen Mehrschichtenband, um ein Verhaken der geprägten Oberflächen von Bändern mit gegenüberliegenden Oberflächen anderer Bänder beim Biegen des Kabels zu verhindern.

14.) Höchspannungskabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffilm etwa 0,051 bis 0,254 mm Dicke besitzt und

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die Papierblätter aus Kondensatorseidenpapier mit einer Dicke von etva 0,019 bis etwa 0,038 nun Dicke bestehen.

15·) Höchstspannungskabel nach einem der Ansprüche 9 bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß einige der Lagen des dielektrischen Materials eine größere radiale Dicke als andere besitzen und die Papierblätter dieser dickeren Lagen tiefer geprägt sind, um mehr Raum für die Ausdehnung des Kunststoffilms, die Feuchtigkeitsabführung und Flüssigkeitsimprägnierung zu bieten.

16.) Höchstspannungskabel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, λ daß zur Außenseite des Kabels hin liegende Lagen des dielektrischen Materials Kunststoffilme mit größerer radialer Dicke als näher beim Mittelpunkt des Kabels liegende Lagen besitzen und die Prägetiefe der Dicke des Kunststoffilms der jeweiligen Lage angepaßt ist.

17·) Höchstspannungskabel nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen des dielektrischen Materials bestrahlt sind.

18.) Höchstspannungskabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation Bänder enthält, bei denen der Kunststoffilm ι beiderseits mit Papierblättern verbunden ist, und andere Bänder axis üblicher hochreineY» einen niedrigen Verlust zeigender Papierisolation besitzt, wobei der Anteil der letzteren nicht mehr als etwa 15% des Gesamtquerschnitts der Isolation beträgt*

19*) Höchstspannungskabel nach Anspruch 9t dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation innere und äußerste Lagen von Bändern aufweist, von denen wenigstens eines ein Papierband ist.

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20.) Verfahren zur Herstellung eines dauerhaft geprägten dielektrischen Materials gemäß einem der Ansprüche T bis 8, bei dem ein Kunststoffilm auf beiden Seiten mit Blättern von Kondensator-Seidenpapier verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffolie einer Verschveißungsstation zugeführt, das Kondensatorseidenpapier mit dem Film bei einer Verschereißungstemperatur unter Druck in Berührung gebracht wird, um ein dielektrisches Mehrschichtenmaterial zu erzeugen, und das Mehrschichtenmaterial nach Herstellung der Verbindung geprägt wird.

21.) Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier vor der Berührung mit dem Kunststoffilm auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der es sich mit dem Kunststoffilm verbindet, das Papier, während es so erhitzt ist, unter Walzdruck und mit kontinuierlicher Längsbewegung des Kunststoffilms und der Papierbögen in Berührung mit dem Film gepreßt und das zusammengesetzte Mehrschichtenmaterial durch von einer Prägeform und einer elastischen Oberfläche auf gegenüberliegende Seiten des MehrSchichtenmaterials ausgeübten Walzdruck geprägt und kontinuierlich von der Verschweißungs- und Prägestation zu einer Heizstation geführt wird, wo das zusammengesetzte Mehrschichtenmaterial längs paralleler Linien zu getrennten Bändern zerschnitten wird, die bestrahlt und auf Spulen aufgewickelt werden.

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