DE2329859A1 - Abgeschirmtes hochspannungskraftkabel und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Description

PATENTANWALT
DR. HANS ULRICH MAY

D O MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a Z 0 Z O O U

TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON COSH} S936S2

G-7-P-42/1188 München,(2. Juni 1973

G_7_G-42/ll88a ^sch

General Cable Corporation in New York, N.Y₀, V.St.A.

Abgeschirmtes Hochspannungskraftkabel und Verfahren zum Herstellen de-sselben.

Kurze Zusammenfassung (Abstrakt) der Erfindung: Die hier beschriebene isolierende Abschirmung für Hochspannung skraftkabel mit massivem Dielektrikum weist ein halbleitendes Band auf, das mit sich überlappenden Windungen wendelförmig um das Kabel gewickelt 1st. Entlang den Rändern der Überlappungsstellen auftretende Hohlstellen werden durch einen halbleitenden Überzug überbrückt, der dui-ch Sprühen, Tauchen, Spülen, Wischen oder auf andere Weise aufgebracht wird und mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke um den Umfang der Isolation und in Richtung von deren Längserstreckung aufgebracht wird. Dieses Überbrücken der Hohlräume an der Innenseite des Bandes verhindert Koronaentladungen in den Hohlräumen, und dadurch wird die Nennleistung des Kabels erhöht. Der Überzug wird mit dem Band weit stärker verschweißt als mit der Isolation, so daß der Überzug bei Entfernen des Bandes für Anschlußzwecke von der Isolation abgezogen wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Aufbringen des Überzugs und des Bandes.

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Es gibt drei grundsätzliche Verfahren zum Abschirmen der Isolation von Hochspannungskraftkabeln mit massivem Dielektrikum: l) Aufbringen einer Halbleiterumkleidung, 2) Aufbringen einer extrudierten Halbleiterverbindung und 3) Aufbringen eines Halbleiterbandes. Das erste Verfahren wird nicht allgemein angewendet, da zum Entfernen der Abschirmung Lösungsmittel nötig sind, und die Hände des Monteurs mit Ruß verschmutzt werden» Manche ziehen die Verwendung eines Halbleiterbandes vor, obwohl dieses teurer ist als eine extrudierte Abschirmung, da es beim Spleißen oder Anschließen des Kabels leicht entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch in all den Jahren seiner Anwendung eine der Hauptstörquellen bei Hochspannungskabein gewesen, die minimalenAnforderungen bezügliche der Koronaverluste entsprechen sollen.

Diese Unbeständigkeit in bezug auf die Minimalanforderungen betreffend Koronaverluste ergibt sich primär infolge der durch die Überlappungsstellen des Bandes gebildeten Hohlräume, der Unregelmäßigkeiten beim Aufbringen des Bandes und durch Fehler, die ab und zu in dem Band selbst auftreten. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das diese Nachteile bei der Verwendung von Halbleiterbaiid als Isolation sab schirmung bei Hochspannungskraftkabeln mit massivem Dielektrikum vollständig überwindet und damit niedrige Verluste durch Koronaentladung gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird vor dem Aufbringen des Halbleiterbandes unmittelbar über die Isolation ein zusätzlicher dünner

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Überzug aus halbleitendem Material aufgebracht. Damit werden alle Hohlräume, die sich während der Umwicklung mit dem Band ergeben haben, überbrückt, und es wird sichergestellt, daß das fertige Kabel niedrige Koronaverluste aufweist, so daß das Kabel einem solchen mit einer extrudierten Halbleiterisolationsabschirmung äquivalent ist. Infolge dieser niedrigen Koronaverluste kann das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr Anwendung finden als Isolationsabschirmung auf Hochspannungskabeln, die eine Nennleistung von 5 kV und mehr haben«

Das wichtigste Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterüberzug so zusammengesetzt ist, daß er bei Beaufschlagung mit Wärme auf dem Halbleiterband haftet und zusammen mit diesem entfernt wird, wenn das Kabel gespleißt oder angeschlossen wird. Durch dieses Merkmal ist es nicht mehr erforderlich, daß Lösungsmittel gebraucht werden, um den überzug zu entfernen; dadurch wird der Haupthinderungsgrund für die Verwendung des Überzugs als isolierende Abschirmung in Verbindung mit einem Halbleiterband ausgeschaltet. Die Wärme, die erforderlich ist, damit das Halbleiterband an dem Halbleiterüberzug haftet,kann beim Umwickeln oder bei irgendeinem anschließenden Verarbeitungsschritt unter Anwendung von Wärme aufgebracht werden, beispielsweise beim Verbleien, beim thermoplastischen Ummanteln, Bleihärten, kontinuierlicher Vulkanisierung, Erhitzung im Brennofen usw.

Ein Ausführungfcbeispiel der Erfindung wird nachstehend un-

ter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: 409882/0499

Figur 1 eine schaubildliche Darstellung eines gemäß
der Erfindung hergestellten Hochspannungskraftkabels, wobei jeder der einzelnen Teile
■weggebrochen ist und jeweils darunterliegende
Teile gezeigt sind;und

Figur 2 einen sehr vergrößerten Teilschnitt entlang

der Linie 2-2 von Figur 1 über einen begrenzten Abschnitt des Kabelradius, so daß das Band und der Überzug zwischen der Isolation und dem Band veranschaulicht sind.

Ein Hochspannungskraftkabel 10 weist einen metallischen Innenleiter· 12 auf, der massiv oder verlitzt sein kann, sowie eine halbleitende Abschirmung 14. Um die Leiterabschirmung
Ik herum ist die übliche Isolation l6 vorgesehen. Die bisher beschriebene Konstruktion entspricht dem herkömmlichen Aufbau eines Kabels.

Die Isolationsabschirmung des Kabels weist eine halbleitende Lage eines Bandes 20 auf, das wendelförmig um die Isolation herumgewickelt ist, wobei benachbarte Schraubengänge
einander überlappen. Unter dem Halbleiterband 20 weist die
isolierende Abschirmung einen Halbleiterüberzug 22 auf, der durch Sprühen, Tauchen, Spülen, Wischen oder auf andere Weise auf die Oberfläche der Isolation um den gesamten Umfang und in Längsrichtung derselben aufgebracht ist. Dieser halbleitende Überzug 22 ist vorzugsweise von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke; eine Dicke von zwischen 25,4 bis 76,2,Um
hat sich als befriedigend erwiesen. Die Dicke des Bandes beträgt zwischen 228,6 und 279,4 um."

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Eine stranggepreßte Außenummantelung 2.k ist über der Isolations abschirmung angeordnet, und diese extrudierte Ummantelung 2.¹L füllt alle Unregelmäßigkeiten aus, die durch die sich überlevppendeii Schraubengänge an der Außenseite des Bandes 20 gebildet sind, und schafft eine glatte Außenfläche des Kabels, Derartige Außenummantelungen sind bei Kraftkabeln üblich.

Figur 2 ist ein Teilschnitt, der die Isolationsabschirmung in vergrößertem Maßstab und mit übertriebenen Abmessungen zeigt, um den Aufbau zu veranschaulichen sowie die Art und Weise, in der die Isolationsabschirmung Koronaentladungen verhindert und damit die Nennleistung des Kraftkabels erhöht·

Die Isolation l6 ist Polyäthylen oder irgendeine andere, allgemein bei Kraftkabeln verwendete, ein masives Dielektrikum bildende Isolation. Vorzugsweise besteht der Überzug 22 aus elektrisch leitendem Ruß, der in einer Lösung aus in Toluol gelöstem Polyäthylen feinverteilt ist. Die verwendete Rußmenge hängt vom Grad der Leitfähigkeit ab, die für den Überzug gewünscht wird, und die Menge des für das Polyäthylen verwendeten Lösungsmittels hängt ab von der Viskosität des Überzugs, die für das spezifische Aufbringverfahren und für die gewünschte Dicke des Überzugs 22 erforderlich ist. Wenn ein dünner Überzug einer Dicke von nur 25»^ jum auf die Isola-

mit tion aufgebracht werden soll, wird das Überzugsmaterial/einer größe.ren Menge Lösungsmittel gemischt, so daß man eine geringere Viskosität erhält als für einen· Überzug, der eine Dicke von 76,2 Aim haben soll. Es können auch andere Lösungsmittel

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für das Polyäthylen verwendet werden sowie andere Kunststoffträgermaterialien für den Ruß, beispielsweise Hypalon, Neopren und Polyvinylchlorid (PVC).

Es ist wichtig, daß der Überzug 22, wenn er zum Aufbringen auf die Isolation l6 mit seinem Lösungsmittel gemischt wird, eine Zusammensetzung hat, die mit dem Material der Isolation verträglich ist. Der elektrisch leitfähige Ruß, der in einer in Toluol gelösten Polyäthylenlösung feinverteilt ist, ist verträglich mit massiven Dielektrika wie Butyl, Athylenpropylengummi, und zwar dem Terpolymerisat als auch dem Kopolymerisat, Styrol-Butadien-Gummi, Polyvinylchlorid (PVC), vernetzten! Polyäthylen und anderen Polyolefinen. Die Isolation l6 sollte vor Aufbringen des Überzugs 22 gehärtet werden, und der Überzug 22 wird absichtlich mit ungehärtetem Kunststoff hergestellt.

Das Band 20 kann aus halbleitendem ungehärtetem Butyl bestehen, oder es kann aus einem anderen halbleitenden Material bestehen und an seiner Innenseite eine dünne Schicht 26 aus ungehärtetem Kunststoff aufweisen. Diese dünne Schicht 26 wird mit dem Band verschweißt und gelangt mit dem Überzug 22 in Kontakt mit Ausnahme an den Stellen, wo die Schraubengänge des Bandes einander überlappen, und mit Ausnahme der Stellen, wo sich das Band nahe dem Rand einer überlappenden Windung von dem Überzug 22 wegerstreckt. In Figur 2 erstreckt sich beispielsweise ein Teil des Bandes von dem Überzug 22 weg, und zwar an einem Abschnitt 28, an dem das Band ansteigt und eine benachbarte Windung 30 überlappt.

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Zwischen dem Bernd 20 und der Isolation 16 ist an dem Abschnitt 28 des Bandes ein Hohlraum gebildet; es ist jedoch aus Figur 2 offensichtlich, daß der Überzug 22 diesen Hohlraum an der der Isolation 16 benachbarten Seite desselben überbrückt und so eine Koronaentladung in dem Hohlraum verhindert. Hohlräume sind an beiden in Figur 2 gezeigten Überlappungsstellen dargestellt, und diese Hohlräume sind mit 32 bezeichnet.

Je nach der Steifigkeit und Verdichtbarkeit des Bandes 20 sowie der Art und Weise der Wicklung können die Hohlräume 32 unterschiedliche Form haben, und an manchen Stellen wird sich an der Überlappungsstelle im wesentlichen kein Hohlraum ergeben; in Figur 2 sind die Hohlräume 32 zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt.

Beim Aufbringen der erfindungsgemäßen isolierenden Abschirmung auf ein Kabel sollte die Ausrüstung derart ausgelegt und das Verfahren so ausgeführt werden, daß der halbleitende Überzug 22 vor Aufbringung des halbleitenden Bandes 20 trocken ist. Wenn das Band aufgebracht wird, bevor der Überzug trocken ist, haben Lösungsmittelreste in dem Überzug 22 eine nachteilige Wirkung auf die feste Haftung des halbleitenden Überzugs 22 an dem Band 20; diese Haftung bildet jedoch ein wichtiges Merkmal der Erfindung.

Infolge der Tatsache, daß die Isolation 16 vor Aufbringen des Überzugs 22 bereits ausgehärtet ist, haftet der Überzug 22 nur leicht auf der Isolation l6, er haftet jedoch fest auf

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der ungehärteten Fläche des Bandes 20, gleichgültig, ob das gesamte Band ungehärtet ist oder nur eine mit dem Band verschweißte ungehärtete dünne Schicht 2.6 vorgesehen ist. Diese ungehärteten Kunststoffoberflächen werden dadurch zum Aneinanderhaften gebracht, daß das Kabel während der Fertigung einer ausreichend bemessenen Wärmebehandlung unterworfen wird. Die Beaufschlagung mit Wärme kann sich beim Verbleien ergeben oder beim Aufbringen einer thermop 3. as tischen strangge» preßten Ummantelung, z. B. der Ummantelung 2^, oder durch kontinuierliche Vulkanisierung oder beim Erhitzen im Ofen; die genannten Wärmeanwendungen hängen von dem spezifischen Herstellungsverfahren für das Kabel ab sowie von der aufgebrachten Außenummanteluiig.

Wenn das Band 20 von einem Endabschnitt des Kabels für Spleiß- oder Anschlußzwecke entfernt werden soll, wird das Band in der üblichen Weise abgewickelt; wegen der festen Haftung zwischen dem Band und dem Überzug 22 wird der Überzug zusammen mit dem Band von der Isolation abgezogen, und die Isolation verbleibt frei von allem Halbleitermaterial, ohne daß vor dem Spleißen oder Anschließen des Kabels eine spezielle Behandlung erforderlich ist.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. P a t en tan s ρ r ii c he

   1. Hochspannungskraftkabel rait massivem Dielektrikum, gekennzeichnet durch einen isolierten Innenleiter (12), einen die Außenseite der Isolation (l6) bedeckenden kontinuierlichen Überzug (22) aus halbleitendera Materiell, ein halbleitendes Abschirmungsband (20), das um die Isolation herum über den halbleitenden überzug (22).gewickelt ist und an dem überzug (22) haftet, wobei der Überzug (22) stärker an dem halbleitenden Abschirmungsband (20) als an der Isolation (l6) haftet, so daß bei Entfernen des Bandes (20) von einem Endabschnitt des Kabels der Überzug (22) entlang dem Endabschnitt des Kabels von der Isolation (l6) entfernt wi i"d.

   2. Hochspannungskraftkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Überzug (22) eine an der Isolation (l6) haftende Schicht von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke ist, die an dem halbleitenden Abschirmungsband (20) wesentlich stärker haftet, und daß das Band (20) wendelförmig um die Isolation herumgewickelt ist.

   3· Hochspannungskraftkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (20) auf die Isolation (l6) über den Überzug (22) wendelförmig überlappend aufgewickelt ist, wobei Hohlräume (32) auftreten, wo in Kontakt, mit dem Überzug (22) stehende Windungen des Bandes (20) sich nach außen erstrecken und die nächste Windung des Bandes

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   (20) übei-lappen, daß das Band (20) ein halbleitendegfeand ist und daß der halbleitende Überzug (22) auf dex~ Isolation (l6) die Hohlräume (32) der Überlappungsstellen überbrückt und so Koronaentladungen in den Hohlräumen verhinderte

   k. Hoclisparinungskraf tkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Überzug (22) aus thermoplastischem Material besteht, daß die Isolation (l6) eine Axißenflache aus vernetztem Polymerisat aufweist, so daß sich keine starke VerbincSung zwischen dem halbleitenden Überzug (22) und der Isolation (l6) ergibt, und daß das halbleitende Band (20) an seiner Innenfläche eine dünne Schicht (26) aus halbleitendem ungehärtetem Elastomer aufweist, die bei Beaufschlagung des Kabels mit Wärme eine feste Verbindung mit dem halbleitenden überzug (22) bildet.

   5. Hochspannungskraftkabel nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite des Bandes (20) eine stranggepreßte Kunsts to ff ummantelung (2^li) aufgebracht ist, die durch Überlappen der Windungen des Bandes (20) bewirkte Unregelmäßigkeiten an dessen Außenseite ausfüllt und eine glatte Außenfläche des Kabels bildet.

   6. Hochspannungskraftkabel nach Anspruch ^zl, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (22) eine Mischung aus leitfähigem Ruß ist, der in einer in Toluol gelösten Polyäthylenlösung feinverteilt ist, daß der Überzug (22) zu einer glatten nichtklebrigen Fläche trocknet und eine Dicke von etwa 25,Λ Jim bis 76,2 um hat, daß der Überzug (22)

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   verträglich ist mit Isolation der aus Butyl, dem Terpolymer und d"i;-, Kopelyjncr von Äthyl enpropylengummx, Styrol-ButadienjViini, Polyvinylchlorid, vernetzten! Polyäthylen und anderen

   Polyolefinen bestehenden Grujjpe und daß das halbleitende

   dünne liond (20) an seiner Innenseite eine/halbleitende Schicht

   (26) aus ungehärtetem Elastomer aufweist und die Gesamtdicke dos Bundes (20) zwischen 228,6 und 279,4 am liegt.

   7. Hochspmmungskraf tkabel mit massivem Dielektrikum, gekennzeichnet durch einen Innenleiter (12), eine auf diesen aufgebrachte Abschirmung (lk) aus halbleitendein Material sowie eine die halbleitende Abschirmung (l4) umgebende Isolation (l6), durch einen aus halbleitendem Material bestehenden Überzug (22) auf der Isolation (l6) und in kontinuierlichem Kontakt mit derselben, und zwar sowohl in Uaifangs- als auch in Längsrichtung, durch ein die Isolation (l6) umgebendes, wendelförmig gewickeltes isolierendes Abschirmband (20) mit sich überlappenden Windungen, wobei sich unter dem Band (20) an den Enden der Überlappungsstellen der Bandwindungen Hohlräume (32) und ergeben und jeder Hohlraum im Längsschnitt allgemein dreieckig ist und an einem Ende durch einen Rand des Bandes (20) und an seinen jeweiligen anderen Enden durch die Innenfläche des Bandes (20) und die Außenfläche des halbleitenden Überzugs (22) auf der Isolation (l6) begrenzt wird, so daß die Hohlräume (32) unschädlich sind.

   8. Hochspannungskraftkabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (22) auf der

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   Isolation (l6) eine Stärke von zwischen 25,4 um und 76,2 um hat sowie eine die Hohlräume (32) überbrückende glatte, nichtklebrige Fläche besitzt, daß das Band (20) eine wesentlich größere Dicke als der Überzug (22) hat und daß die sich überlappenden Abschnitte des Bandes (20) miteinander verschweißt sind.

   9. Hochspannungskraftkabel, gekennzeichnet durch einen Imienleiter (12), eine auf diesem aufgebrachte, aus halbleitendem Material bestehende Abschirmung (l4), durch eine die Abschirmung (l4) umgebende primäre stranggepreßte Isolation (l6) mit winzigen Vertiefungen in ihrer Außenflächej durch ein um die Isolation (l6) entlang im wesentlichen der gesmaten Kabellänge mit teilweisen Überlappungen gewickeltes halbleitendes Band (20), wobei an Übei·- lappungsstellen des Bandes (20) Hohlräume (32) auftreten, und durch einen aus halbleitendem haftendem Material bestehenden Überzug (22), der auf die Außenfläche der Isolation (l6) über deren Länge aufgetrocknet und von dem Band (20) bedeckt ist, wobei der haftende Überzug (22) die genannten Vertiefungen ausfüllt und die Hohlräume entlang den Überlappungsstellen des Bandes (20) einschließt und unschädlich macht und stärker an dem Band (20) als an der Isolation (l6) haftet.

   10. Verfahren zum Abschirmen eines Hochspannungskraftkabels mit masivem Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite eines mit vernetztem Material isolierten Leiters ein halbleitender Über-

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   zug aufgebracht wird, der elektrisch leitfähige Partikel enthält, die in einem in einem Lösungsmittel gelösten thermo plastischen Trägermaterial feinverteilt sind, daß der halbleitende Überzug kontinuierlich über den Umfang der vernetzten Isolation und in Richtung von deren LängserStreckung aufgebracht wird, daß der Überzug durch Verdunstung des Lösungsmittels zu einer glatten, nichtlclebrigen Oberfläche getrocknet wird und daß nach Trocknen des Überzugs die mit dem Überzug versehene Isolation wendelförmig mit einem halbleitenden Band umwickelt wird, dessen Windungen einander überlappen und an den Rändern der Überlappungsstellen Hohlräume aufweisen, wobei die letzteren durch den halbleitenden Überzug auf der Isolation überbrückt werden.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor Aufbringen des Überzugs die Isolation vernetzt wird, daß der Überzug aus halbleitendem thermoplastischem Material besteht, daß das halbleitende Band mit einer Innenfläche aufgebracht wird, die ein ungehärtetes Elastomer mit darin feinverteilten elektrisch leitenden Rußpartikeln aufweist, und daß das Kabel erhitzt wird zur Verschweißung des thermoplastischen halbleitenden Überzugs mit dem ungehärteten Elastomer.

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