DE2261452A1 - Elektrisches kabel - Google Patents

Description

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DiPL-ΐΝβ. R. SRLANEMANN dipl-chem. dr. B. REITZNER - dipl-ing. J. RICHTER

MÜNCHEN t HAMBURG"

Borg-Warner ¹⁵° ^Dea» ¹⁹⁷²

Corporation -.-.-unch-n.

200 South Michigan Avenue Telefon wen) 226207/22620?

Telegramme: Inventius München

Chicago, Illinois (V.St.A.)

1314 - ι _ 8036 1314 -III- 8037

Patentanmeldung Hilfsgebrauchsniusteranmeldung

Elektrisches Kabel

Dia Erfindung bezieht; sich auf elektrische Kabel ο Insbesondere bezieht sie sich auf elektrische Kabel₉ die aur Übertragung von elektrischer Energie auf Eintauchmotoren in Ölquellen mit hoher Temperatur und hohem Druck verwendet werden, in welchen die QuellenflUssigkeit nicht übermäßig kcrroeiv ist,

Eintauchpumpen, die in Öl-, mineralischen und Wasserquellen verwendet werden, enthalten gewöhnlich ein Hauptantriebsorgan in Form eines Elektromotors, der direkt mit der Pumpe verbunden und tief in der Quelle versenkt ist» Es ist deshalb notwendig» eine elektrLaqhe Verbindung zwischen dem Motor und der Stromquelle an der Oberfläche vorzusehen« Dies geschieht normalerweise mit Hilfe eines elektrisch leitenden Kabels »wischen der Stromquelle und dem Motor.

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In vielen Fällen handelt es sich um Hochleistungsmotoren, die in einigen Fällen eine Leistung von 200 FS überschreiten* Normalerweise handelt es sich hierbei üb Dreiphaeenmotoren, und das dazugehörige Kabel enthält drei getrennte elektrische Leiter.

Das elektrische Kabel -au0 für eine ausreichend hohe Stromstärke ausgelegt sein und eine ausreichende dielektrische Festigkeit oder Durchschlagsfestigkeit haben, um auch unter den ungünstigen Ufiweltbedingungen in der Quelle elektrische Verluste tu vermeiden. Die Umweltbedingungen in der Quelle schwanken im allgemeinen mit der geographischen Lage. Die Flüssigkeit in den Quellen» in denen das Kabel gemäß der Erfindung verwendet werden soll, ist nicht besonders korrosiv. In vielen Fällen überschreiten die Temperaturen der Quelle den Vfert von 120⁰C. Biese Quellen können gelöste Gase, Carbonate, gewisse Salze und große iiengäii Ol enthalten. Weiterhin sind die Quellen ziemlich tief, d.h. im Durchschnitt etwa 1200 bis 3000 m«, Dae elektrische Kabel muß eine ausreichend hohe physikalische Festigkeit tiaben, damit der Motor und das Kabel in diese Tiefen versenkt werden können, und die äußere Oberfläche dea Labels ntöö gegenüber dem beim Versenken auftretenden Abrieb beständig sein» Ba das Kabel normalerweise auf Lager- oder Transportrollen aufgewickelt iet, muß es weiterhin biegsam sein, damit beim Auf- und Abwickeln keine Beschädigungen entstehen.

Die aur Zeit verwendeten Kabelkonstruktionen enthalten drei Leiter aus Kupferlitze, die voneinander isoliert und spiralförmig zu einer Einheit gewickelt sind. Bie

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litzenförrnigen Leiter sind äuroh ein Material mit hoher Durchschlagfestigkeit, wie Polyethylen oder Polypropylen, voneinander isoliert. Die spiralförmig gewickelten und isolierten Leiter sind von einem stranggepreSten Mantel aus NitrilkautechuK umhüllt* der die isolierten Leiter

umgibt ν lter ffita&l^

einer äußeren Armierung in Form eines kontinuierlich

umgewickelten Sandes aus metallischem Material umgeben«

Elektrische Starkstromkabel alt der vorstehend beschriebenen Bauweise, die in . Ölquellen mit hoher femperatur_e hohen Drücken und mäßiger SaurestHrke verwendet wurden, werden aufgrund der Temperaturverformuiig der thermoplastischen Kabelbeatandteile oder aufgrund der Beeinträchtigung des elastomere^ Mantels durch Chemikalien und Lösungsmittel unbrauchbare Da die meisten Ölquellen gelöste öaee, Carbonate» Wasser» Salae und große Mengen öl enthalten* hat kein einsiger Werkstoff die erforderliche BeetHndigkeit gegenüber lösungsmitteln« Hitze und Druck» um unter diesen Bedingungen längere EeIt funktionsfähig zu sein» ohne durch mindestens einen dieser Faktoren beein« trttchtigt zu werden.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß sich die Kabel bei diesen Bedingungen unter Belastung verformen. Die Kabel sind Druck- und Zugkräften ausgesetzt, und bei hohen Temperaturen neigt die Ummantelung xu einer ausgeprägten Verformung» wodurch sich die Leiter gegeneinander verschieben und ein Kurzschluß zwischen den Phasen oder zwischen den phaeen und der Erde auftreten kann_Q

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Ein Reißen der Armierung als folge dee Quellens der Ummantelung ist ein weiteres Beispiel einer Verformung, die unter diesen Bedingungen auftritt. Auch, kann das Kabel insgesamt beim Herausziehen aus der Quelle »erst ort werden, wenn die in das Kabel eingedrungenen Flüssigkeiten entspannt werden.

Aufgrund dieser und anderer Schwierigkeiten bestand ein echtes Bedüxfhis nach einem verbesserten, undurchlässigen und gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlichen Kabel.

Durch die Erfindung wird ein verbessertes, aus mehreren Komponenten bestehendes elektrisches Kabel für Eintauoh« motoren« die in heiBen, unter hohem Druck stehenden Ölquellen verwendet werden, zur Verfügung gestellt. Znsbesondere betrifft die Erfindung ein Kabel, welches eine äußere Armierung aus einem kontinuierlich umgewickelten Band aus metallischem Material, eine innere Ummantelung aus Epichlorhydrinkaut schule und einen hochtemperaturbeständigen synthetischen organischen Isolator» der die elektrischen Leiter umgibt, enthält.

Das für die äußere Armierung verwendete Metallband gehurt einem Typ an, der normalerweise zum Schutz von Drähten verwendet wird. Das Band ist überlappend und spiralförmig umgewickelt, wobei auf Biegsamkeit geachtet wird· Beispiele für ein geeignetes Armierungsmaterial sind galvanisierter oder verzinkter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder Bronze.

Der für die Ummantelung verwendete Epichlorhydrinkautsohuk ist so oompoundiert, daß er nur eine minimale öl- und tfaeserdurchlässigkeit und eine minimale Quell barkeit hat, so daß Verformungen und das Eindringen von

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Flüssigkeiten und Gasen in die eigentliche Isolierung vermieden werden_o

Der Isolatorj, der in Ölquellen mit hoher Temperatur und hohen Drücken verwendet wird_μ ist ein hochtemperaturbeständiges „ hochmolekulares, hitaestabilisiertes Polypropylen, das bei höheren Temperaturen einen ausgezeichneten elektrischen Isolator darstelltj wenn es nicht mit Öl in Berührung steht„ Ein Polypropylen-Homopolymerisat mit überwiegend isotaktischer Struktur ist besonders geeigi Die äußere metallische Armierung ist abriebfest und dabei gleichzeitig biegsam» so daß die Ummantelung aus TSpichlorhydrinkautschuk geschütst wird; dabei wird die Armierung durch die Quellanflüssigkeit nicht angegriffen_o Die Ummantelung aus Epichlorhydr inkaut schule ist gegenüber Ö3 und Wasser unempfindlich und weitgehend ölundurchlässig_:. wodurch eine Sperre gebildet wird₈ die die Polypropylen-Isolierung schützt_o Dies hai sur Polge_p daß V/asser oder öl kaum eindringen können und die dadurch bedingten Schwierigkeiten vermieden werden_o

In der Zeichnung zeigenί

Figur 1 eine Teil-Perspektivansient eineB Schnittes durch ein elektrisch leitendes Kabel für Eintauch=· motoren«, worin einige Merkmale der Erfindung dargestellt sind? und

Figur 2 einen Sehn:* it durch das Kabel von Eigur 1 nach der Linie 2- 2„

in der Zeichnung ist ain aus mehreren Komponenten be- stehendes_# elektrisch leitendes Kabel für einen Exniauchmotor dargestellt, das für einen Betrieb in heißen₉

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unter hohem Bruok stehenden Ölquellen geeignet let und dae die wichtigsten Merkmale der Erfindung zeigt.

In dem Schnitt des Kabels von Figur 1 sind die Leiter mit 11» die elastische Ummantelung mit 13 und die äu3ere Armierung mit 15 bezeiohnet.

Die Leiter 11 sind aus den Litzen 17 gebildet, die spiralförmig aufgewickelt sind, um eine Trennung der Stränge zu verhindern. Die getrennten Stränge oder Litzen können versinnt sein, um ohemische Reaktionen zwischen dem Leiter und dem isolierenden Material zu verhindern.

Bei der dargestellten Ausführungsform enthalt jeder Leiter sieben Stränge oder Litzen. Die Anzahl der Leiter, der Durchmesser jedes Leiters und die Anzahl der Drähte hängen natürlich von der für eine bestimmte Anwendung des Kabels erforderlichen Belastbarkeit abα Bs kann ein beliebiges leitendes Material verwendet werden» z.Bo Kupfer» Aluminium usw.

Die verdrillten Drahtstringe bilden jeweils einen Leiter, die durch eine Isolierschicht 19 voneinander isoliert Bind. Die Leiterisolierung 19 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen organischen synthetischen Material mit hoher Durchschlagsfestigkeit. Ein für diesen Zweok geeignetes Material ist z.B. ein noohtemperaturbestindigea, hochmolekulares» hitzestabilisiertes Poly* propylen. Wenn das leitfähige Material Kupfer darstellt, so muß die Polypropylen-Isolierung außer gegenüber Hitze auch gegenüber Kupfer stabilisiert sein. Die Stabilisierung von Olefin Kautaohu!carten und Polymeren gegenüber Kupfer ist an sich bekannt und kann beispielsweise in der in don UiiA-Patentechrlften 3 535 257 oder

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3 54-9 572 "beschriebenen ?ei-se oder in einer anderen Weise durchgeführt werden. Wird als leitfähiges Material ein anderes Material als Kupfer verwendet, so kann eine andersartige Stabilisierung notwendig sein. Als Isolierung für die Leiter kann ein stranggepreßter Überzug aus einem solchen Isolator verwendet werden·

Eine bevorzugte Ausführungsform eines als isoliermaterial verwendeten hoohtemperaturbestandigen, hochmolekularen, hitzestabilisierten Polypropylen-Monopolyraerisats ist unter der Handelsbezeichnung Avisun 1046 (Hersteller Amoco Corporation) im Handel erhältlich. Dieses Material hat die nachstehenden physikalischen Eigenschaften:

Molekulargewichtζ Hoch, entsprechend einer reduzierten Viskosität von U gp/_e ⁼

3,4 dl/g, in Dekalin bei 135⁰C.

Spezifisches Gewichts 0,90 bis 0,91 bei 23°C

(Α3ΪΜ-Β-792-64Ϊ}

Jließgeschwindigkeit: Bei 230⁰C_f Belastung 2 160 g,

5,0 g/10 min (ASISM)-1238-65T)

Biegetemperaturs 110⁰G bei 4,65 kg/em

(AS!ÖSit-D-648-6i)

VerforBiung unter Belastung! 3,5 ^ bei 140 kg/cm . (24 Stunden bei 50<>C)

'Tasseraufnähme5 0,01 ^ (Α3ϊ»ϊ-Τ)-570-63)

12 700 kg/cm² ( (ASTM-D-790-66)

Biegemodul! 12 700 kg/cm² (1,25 mm/min CHS)

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Tie vorstehend erwähnt, kann es erforderlich sein, dieses Polypropylen zu modifizieren, um es gegenüber Kupfer oder einen anderen leitenden Metall zu stabilisierenο

Die verdrillte Leiteranordnung ist in der Ummantelung angeordnet, die einen hochmolekularen Epichlorhydrin-Kautschuk darstellt, der so compoundiert mirde, daß er weitgehend öl- und wasserundurchlässig ist und eine äußerst gerinne Quellbarkeit hat« Biese Ummantelung kann um die verdrillten Leiter extrudiert werden und füllt vorzugsweise auch die Z.vischenräume 23 zwischen den angrenzenden Leitern aus.

Nachstehend ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Ansatzes aus Epichlorhydrinkautschuk und anderen Substanzen angegebent

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CaJ O (O OO IO

CD C*>

Handelsbezeichnung

Herclor H Span

Dyphos XL

NBO

Climate

Phenothiazine

Vulcan

Hi SiI

TE-70

TP-95

Azelainsäure

NA~22

Bestandteile Teile/100 Teile Kautschuk

Hochmolekularer Epichlor= hydrin-Kaut s chuk

Oberflächenaktives Mittel aus Partialestern von Hexitanhydriden

Zweibasisches Bleiphosphit (Hitzestabilisator;

Nickeldibutyldithiocarbamat (Antioxydans)

Kupferdimethyldithiocarbamat (Akzelerator) ,

Phenothiäzin

Ruß (Füllstoff) Kieselsäure (Füllstoff) Weichmacher Weichmacher Dispergiermittel

2-Mercaptothiazolin (Beschleuniger). 100.,O

1O_fO 1_D0

0,125 1»O

3O₃O 1Q_VO 0,5 1„0 4,0

1»0

Hersteller Hercules, Inc.

Atlas Chemical Industries National Lead Company DuPout

R«T» Vanderbilt Company Fisher Scientific Company

Cabot Corporation P.P.Gw Industries Technical Processing,Ine_o Thiokol Chemical Corp, Eastman Organic Chemicals

DuPont

Die extrudierte Eplchlorhydrin-Umraantelung füllt die Hohlräume um die getrennt Isolierten Leiter vollständig aus· Dadurch -;ird vermieden, daß die Isolierung mit der Quellenflüssigkeit in Berührung korant und daß die Quellenflüsöigkeit in Längsrichtung des Kabels fließt, falls sich an einer Stelle der äußeren Armierung 15 und auf der Außenseite der Ummantelung 13 ein Riß gebildet haben sollte.

Die Ummantelung 13 des Kabels ist von der äußeren Armierung 15 umgeben» die aus einem kontinuierlich gewickelten Band aus metallischem T*aterial gebildet ist. Das Metallband kann aus galvanisiertem oder verzinktem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder aus Bronze gebildet sein. Die handelsüblichen galvanisierten oder verzinkten Metallarmierungen sind im allgemeinen ausreichend. Dies trifft besonders für ölreiche Quellen zu,

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in denen ein ölüberzug die Armierung vor korrodierenden Bestandteilen schlitzt» Unter gewiesen korrodierenden Bedingungen Bedingungen kann es notwendig sein, die Armierung aus korrosionsbeständigem Stahl oder Speziallegierungeri, wie Monelmetall, herzustellen«

Das beschriebenes aus mehreren Komponenten bestehende Kabel ist. abriebfest, für die in den Quellen auftretenden Flüssigkeiten undurchlässig, biegsam und wird durch das Medium v.nü die hohen iOemperaturen in der Quelle nicht angegrixfen„ wenn es in einer weniger stark korrodierenden Quellflüssigkeit mit mäßiger Säurestärke verwendet wird»

Das Kabel gemäß der Erfindung stellt einen wirksamen und dauerhaften Stromleiter unter den ungünstigen Umweltbedingungen in heißen, unter einem hohen Druck stehenden Ölquellen dar ο Die äuiäere Armierung be sits t die erwünschten physikalischen Eigenschaften für die Anwendung als Kabel für Eintauchmotoren, wenn die Säizrekorrösion des Fetalls kein schwerwiegendes Problem

Obgleich im Beispiel als Epiehlorhydrinkautschuk für die Ummantelung 13 das Handelsprodukt Herolor H von Hercules, Ina <>, ein Epichlorhydrin-Homopolymerisat (PoIy-(^-Chlorpropylenoxyd)) angegeben wurde_y können für diese Anwendung auch andere Homopolymerisate des Epichlorhydrins, wie Hydrin 100 (B₆IO Goodrich) verwendet werden* Auch Epichlorhydrin-KautBchukarten, die aus Epichlorhydrin und Äthylenoxyd hergestellt sind, sind far die Ummantelung 13 geeignet. Diese Mischpolymerisate sind unter den Bezeichnungen Herclor G (Hercules, Ine») und Hydrin 200 (B₀P₀ G-oodrich) im Handel.

Ansprüche 3 09 825/0893

Claims (4)

1. - 12 Ansprüche

   Aus mehreren Komponenten bestehendes elektrisches Kabel für Eintauchmotoren, gekennzeichnet durch mindestens einen elektrischen Leiter (11); eine den Leiter (11) umgebende Schicht (19) aus isolierendem Material, das aus einem hochtemperaturbeständigen, synthetischen, organischen Isolator gebildet ist j eine die Isolierschicht (19) umgebende elastische Ummantelung (13) aus einem Epichlorhydrinkautschuk mit hohem Molelailargowicht; und eine die elastische TJmniantelung ('!;} umgebende llüßere Armierung aus einem Bari aus metal*-, lachen Material*
2. 2. liabol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ö.er hochtemperatur! eatändige synthetische organische Isolator ein hochtemperaturbeetändiges, hochmolekulares,, hitzestabilisiertes Polypropylen darstellt«
3. 3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturbeständige, hochmolekulare, hitzestabilsierte Polypropylen auch gegenüber Kupfer stabilisiert ist <,
4. 4. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet* daß der Leiter Kupfer darstellt und der hochtemperaturbeständige synthetische organische Ino3ator gegenüber Kupfer stabilisiert ist.

   5ο Kabel nach einem der Ansprüche i bis 4*. dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Metallischem Material aus verzinktem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gebildet ist,

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   Kabel nach einem der Ansprüche ί Ms 4* dadurch gekenn söhihneHs daß das Band aus metallischem Material aus veecinkter Bronze gebildet iat.,

   β Kabel nach einem der Ansprüche Ί bia 4? dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus metallischem Material aus einem Spezialmetali oder einer Spaziallegierung gebildet ist„

   3„ Kabel nach einem der Ansprüche { bis 7? dadurch ge·= keianaeichnetp daß das Band aus metallischem Material α.in konöinuierLichen9 apiralförmig und überlappend au-ifgewickeitas

   H/hi

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   BAD ORIOtNAt

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