DE2139599C3

DE2139599C3 - Elektrisches Kabel, vorzugsweise Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE2139599C3
Application number: DE19712139599
Authority: DE
Inventors: Ilse Dipl Ing Lemmench Jost Dipl Phys Lukaschewitsch Al fred Dipl Ing 1000 Berlin Arendt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-08-03
Publication date: 1977-07-07

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel, vorzugsweise ein Hochspannungskabel, dessen Isolierung aus einem Olefinpolymerisat besteht. Unter Kabel sind hierbei und im folgenden auch Leitungen zu verstehen.

Für die Isolierung eines solchen Kabels kann insbesondere Polyäthylen, und zwar sowohl Hochdruckpolyäthylen als auch Niederdruckpolyäthylen sowie auch vernetztes Polyäthylen, verwendet werden. Für diesen Zweck kommen aber auch andere Polymerisate oder Copolymerisate auf der Basis von Äthylen, Propylen oder von deren Homologen sowie auch Copolymerisate dieser Art in Frage, die als dritte Komponente einen ungesättigten Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Dien, enthalten. Spezielle derartige Copolymerisate sind unter der Bezeichnung Äthylen-Propylen-Terpolymer-Kautschuk (EPDM) bekannt.

Es ist bekannt, Kabelisolierungen auf der Basis von Olefinpolymerisaten, insbesondere auf der Basis von Polyäthylen, geringe Mengen eines Kohlenwasserstoffes, wie beispielsweise Tristyrol,<%- oder /?-Methylnaphthalin oder Dodecylbenzol zuzusetzen (OE-PS 2 07 561). Weiterhin ist für solche Kabelisolierungen der Zusatz geringer Mengen von ungesättigten, perhalogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb 20° C und einem Siedepunkt über 120° C (DT-AS 1141081), von Bisbenzyltoluol (DT-AS 14 90 574), von festen aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen, die in Kohlenwasserstoffölen dispergiert sind (DT-OS 15 69 396) sowie von N-Phenyl-N'-isopropyl-p-phenylendiamin und/oder N-Phenyl-N'-cydohexyl-p-phenylendiamin und/oder Carbazol und/oder Acridin (DT-PS 14 90 575) und von Diphenyl-p-phenylendiamin (Transact. AIEE, Vol.81, Part. Ill, Juni 1962, S. 115) sowie von spezielle Substituenten tragenden Anilinen (DT-OS 17 65 583) bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Festigkeit von Kabeln, insbesondere Hochspannungskabeln, mit einer Isolierung auf der Basis eines Olefinpolymerisuts, insbesondere eines Polymeri

sats oder Copolymerisats auf Äthylenbasis, weiter zu

verbessern. ,.„,.,

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem elektrischen Kabel aus, dessen Isolierung zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit eine geringe Menge eines Additivs in Form einer Stickstoffverbindung enthält. Gemäß der Erfindung ist als Additiv ein Tetraalkyl-diamino-diaryl-alkan in einer Menge von 0,1 bis 2% verwendet.

Elektrische Kabel, deren Kabelisolierung mit dem gemäß der Erfindung vorgesehenen Additiv angereichert sind, zeigen eine erhebliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, und zwar insbesondere der Langzeitfestigkeit.

Bei dem im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Additiv handelt es sich um ein gemischt aliphatisch-aromatisches, gesättigtes, tertiäres Diamin, dessen Substituenten reine Kohlenwasserstoffe sind. Für die Erfindung ist also wesentlich, daß als Zusatzstoff ein gesättigtes tertiäres Amin verwendet wird und daß diese Verbindung keine weiteren Heteroatome enthält. Die gesamte Molekülstruktur des verwendeten Zusatzstoffes weist also nur reine Kohlenwasserstoffgruppen sowie tertiäre Amine auf.

Die im Rahmen der Erfindung vorgesehenen gesättigten tertiären Diamine haben folgende Struktur:

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N—X₁-R'- X₂- N

R₂

Hierbei sind die Substituenten R' eine Alkangruppe, Ri bis R₄ Alkylgruppen und Xi, X2 Arylgruppen, also

aliphatische, aromatische oder polycycloaromatische

Gruppen; diese Gruppen können auch gemischt

aliphatisch-aromatisch sein. Sie können einander gleich

oder auch voneinander verschieden sein. Wesentlich ist allein, daß es sich um reine Kohlenwasserstoffe handelt,

die also keine Heteroatome enthalten.

Als geeignet erwiesen für die Realisierung des Erfindungsgedankens haben sich beispielsweise Diamine mit folgenden Strukturformeln:

R₄

(tetrasubstituiertes
Naphthylen-phenylen-diamino-alkan)

fts

(Ν,Ν,Ν '.,N '-Tetramethyldinaphthyl-diamino-methan)

bzw.

(Ν,Ν,Ν',Ν-Tetramethyl-7,7-diamino-di(2-naphthyl)-methan)

Die aromatischen Gruppen dieser Stoffe können aber auch noch mit weiteren reinen Kohlenwasserstoffgruppen (Y_n) substituiert sein. Man erhält damit beispielsweise folgende Struktur:

Ein besonders geeignetes Tetraalkyl-diamino-diarylalkan ist das Ν,Ν,Ν',Ν'-Tetramethyl-diamino-diphenylmethan, das folgende Strukturformel aufweist: ι s

H₃C

CH₃

-CH,

H₃C

CH₃

Besonders günstig ist eine Kabelisolierung auf der Basis von Polyäthylen, der 0,5 bis 0,8% Tetramethyl-diamino-diphenyl-methan zugesetzt ist.

So hat die Prüfung der Kurzzeitfestigkeit in Form einer Sofortdurchschlagprüfung eines Modellkabels mit 0,5 mm Wanddicke der Leiterglättung auf der Basis eines Polyäthylenvinylacetates und mit 1,0 mm Wanddicke der Isolierung folgende Werte ergeben, denen zum Vergleich die Werte eines in gleicher Weise aufgebauten Modellkabels gegenübergestellt sind, dessen Polyäthylenisolierung 0,08% Diphenyl-p-Phenylendiamin zugesetzt ist:

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Polyäthylenisolierung enthält
0,08% Diphenyl- 0,5%Tetramethylp-phenylendiamin diamino-diphenylmethan kabeln, für die zur Zeit ein Wert von maximal 70⁰C zugelassen ist, von besonderer Bedeutung.

Ferner ist der Reinheitsgrad des im Handel erhältlichen Tetramethyl-diamino-diphenylmethans größer als bei Diphenyl-p-phenylendiamin. Die letztgenannte Verbindung enthält nämlich im •Anlieferungszustand wie alle sekundären Amine stets ihre eigenen Oxidationsprodukte sowie in diesem speziellen Fall noch Diphenylamin als Verunreinigung, so daß der Schmelzbereich des im Handel erhältlichen Diphenyl-pphenylendiamins bei 120 bis 143°C liegt. Dagegen schmilzt das im Handel erhältliche Tetramethyldiaminodiphenylmethan im Anlieferungszustand zwischen 82 und 87⁰C.

Hinsichtlich des Leistungsfaktors hat eine Kabelisolierung aus Polyäthylen mit einem Zusatz von 0,8% Tetramethyl-diamino-diphenylmethan den gleichen tan ό-Wert von 1,4 · 10~⁴ wie eine Kabelisolierung aus dem gleichen Polyäthylen-Typ mit einem Zusatz von nur 0,05% Diphenyl-p-phenylendiamin.

Während Diphenyl-p-phenyldiamin ein sekundäres aromatisches Amin mit antioxidativen Eigenschaften ist, haben Amine wie insbesondere das Tetramethyl-diamino-diphenylmethan keine antioxidativen Eigenschaften. An sich ist es bekannt (DT-OS 20 30 972), Verbindungen der Struktur

50%-Wert
70%-Wert
95%-Wert

54 kV/mm
60kV/mm
73kV/mm

65 kV/mm
78 kV/mm
95 kV/mm

40

45 Y,

Prüfungen der Langzeitfestigkeit nach dem Würstlin-Test haben bei dem gleichen Polyäthylen-Typ ergeben, daß ein Zusatz von 0,5% Diphenyl-p-phenylendiamin bei 30 kV Priiifspannung einen Medianwert von 70 h ergibt, während ein Zusatz von Tetramethyl-diamino-diphenyl-methan unter gleichen Bedingungen einen Medianwert von 1800 h ergibt.

Auch die Prüfung der Langzeitfestigkeit nach dem Doppelnadeltest hat für Kabelisolierungen auf der Basis von Polyäthylen, die einen Zusatz von 0,5% Tetramethyl-diamino-cliphenyl-methan enthalten, wesentlich höhere Werte der elektrischen Feldstärke ergeben, ohne daß eine Ionisation oder Durchschläge auftraten, als es bei einer gleichartigen Kabelisolierung mit einem Zusatz von Diphenyl-p-phenylendiamin der Fall war.

Außerdem ist noch zu berücksichtigen, daß sich, wie Versuche gezieigt haben, Diphenyl-p-phenylendiamin bei 8O⁰C innerhalb von zwei Stunden zu 90% verflüchtigt, während die Flüchtigkeitsverluste von Tetramethyl-diamino-diphenylmethan bei gleichen Bedingungen nur 10% betragen. Dies ist im Hinblick auf die gegenüber Raumtemperatur stark erhöhte Betriebstemperatur von polyäthylenisolierten Hochspannungsmit Yi: Phenyl- oder Alkylphenylgruppe, Y2: Alkylgruppe mit ί bis 8 C-Atomen oder Cycloalkylgruppe mit 5 bis 9 C-Atomen oder N,N'-Dialkyl-N,N'-diaryl-l,4-arylen· diamin oder N,N'-Di(j?-Hydroxyalkyl)-N,N'-diaryl-l,4-arylendiamin, Y₃: Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen als Antioxidantien für peroxidvernetzte Polyäthylenformmassen zu verwenden. Die Behauptungen üter die antioxidative Wirksamkeit dieser Verbindungen für peroxidvernetzte Polyäthylenformmassen stützen sich auf Messungen der Zugfestigkeit und der Dehnung. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Verbindungen dieser Art bei nicht vernetzten Polyäthylenisolierungen gegenüber der Einwirkung von Sauerstoff nahezu unwirksam sind.

In Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich daher, dem als Kabelisolierung verwendeten Gemisch auf der Basis eines Olefinpolymerisats, das einen Zusatz an gesättigten tertiären Aminen enthält, in an sich bekannter Weise ein Antioxidans zuzusetzen. Hierfür kommen beispielsweise in Betracht:

4,4-Thiobis-(3-methyl-6-tert.-butyl-phenol) N-Phenyl-1 -naphthylamin,
0-(3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxy-phenyl)-propionsäureester von Pentaerythrit.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Einleiter-Hochspannungskabel perspektivisch dargestellt.

Der Leiter dieses Kabels besteht aus miteinander verseilten Kupferdrähten, auf welche die Leiterglättung 2 aus Polyäthylen-Vinylacetat aufgebracht ist.

Auf die Leiterglättung 2 ist im Extruder die Polyäthylenisolierung'3 aufgespritzt. In Durchführung des Erfindungsgedankens besteht diese Polyäthylenisolierung 3 aus einem Hochdruckpolyäthylen mit einem

Molekulargewicht von etwa 80 000, dem 0,5% Tetramethyl-diamino-diphenylmethan zugesetzt ist.

Der Polyäthylenisolierung 3 ist in an sich bekannter Weise ein Antioxidans, beispielsweise 4,4'-Thiobis-(3-methyl-6-tert.-butyl-phenol) in einer Menge von 0,05 bis 1 % zugesetzt.

Auf die Polyäthylenisolierung 3 wird die äußere

Feldbegrenzung 4 aus Polyäthylenvinylacetat aufgespritzt. Die Feldbegrenzung 4 ist vom Schirm 5 aus Kupferdrähten umgeben, der seinerseits von der aus Kupferband bestehenden Gegenwendel 6 eingeschlossen ist.

Nach außen wird das dargestellte Kabel von dem Schutzmantel 7 aus Polyvinylchlorid umgeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisches Kabel mit einer Isolierung aus einem Olefinpolymerisat, insbesondere aus einem Polymerisat oder Copolymerisat auf Äthylenbasis, dessen Isolierung zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit eine geringe Menge eines Additivs in Form einer Stickstoffverbindung enthält, d a durch gekennzeichnet, daß als Additiv ein Tetraalkyl-diamino-diaryl-alkan in einer Menge von 0,1 bis 2% verwendet ist.

2. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in einer Menge von 0,5 bis 0,8% zugesetzt ist.

3. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv ein

N,N,N'.N'-Tetramethyl-diamino-dipheny!-rnethan
ist.

4. Elektrisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelisolierung zusätzlich zu dem die elektrische Festigkeit steigernden Additiv einen geringen Zusatz eines Antioxidans enthält.

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