DE2362183C3

DE2362183C3 - Hochspannungskabel mit Kunststoffisolierung

Info

Publication number: DE2362183C3
Application number: DE19732362183
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 1000 Berlin Lukaschewitsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-11
Filing date: 1973-12-11
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE2362183A1; DE2362183B2

Description

Zur Übertragung elektrischer Energie mit hohen Spannungen werden in der Regel Kabel verwendet, deren Isolierungen aus lagenweise aufgebrachten Papierbändern aufgebaut und mit einem flüssigen Isoliermittcl getrankt ist. Um hierbei die Isolationseigenschaften der Isolierung an den Verlauf der elektrischen Feldstärke zwischen dem spannungsführenden Leiter und dem geerdeten Kabelscliirm h/w. dem gc
erdeten Kabelmantel anzupassen, kann die Isolierung aus Schichten unterschiedlichen Isolierpapiers aufgebaut sein. Beispielsweise werden Isolierpapier mil unterschiedlicher Durchlässigkeit für das Träiikmittel oder mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante oder mit unterschiedlichem Raumgewicht verwendet (DE-PS 361046, 383550, 486837, DE-AS 1198886).

Im Zuge des Einsatzes von Kunststoffen auf dem Gebiet der Kabelisolierung hat man auch vorgesehen, für Hochspannungskabel, deren Isolierung aus Folien aufgebaut ist, Kunststoffolien oder Folien aus einem Papier- und Kunststoffgemisch oder geschichtete Folien aus abwechselnd Papier und Kunststoff einzusetzen. Von besonderer Bedeutung für die Praxis der Kabelisolierung ist jedoch der Einsatz kompakter Isolierungen aus Kunststoffen auf der Basis eines polymerisierten Olefins, insbesondere des Polyäthylens. Bei Verwendung derartiger Isolierungen, die in einem Extrusisonsvorgang aufgebracht werden, ist es notwendig, der Grundsubstanz bestimmte chemische Zusätze in kleinen Mengen beizugeben, dit beispielsweise eine erhöhte Spannungsfestigkeit der Kunststoffisolierung sicherstellen (DE-PS 1248773, DE-AS 1569396). Derartige Zusätze, deren Aggregatzustand bei Raumtemperatur flüssig oder fest sein kann, sind beispielsweise aromatische Kohlenwasserstoffe, deren Molekül mindestens zwei Benzolkerne enthält, die über ein Kohlenstoffatom oder auch unmittelbar miteinander verbunden sind oder beispielsweise ein Diphenyl-para-piienylen-diamin.

Bei der Konstruktion von Hcchspannungskabeln ist mit zunehmender Übertragungsspannung und zunehmender Übertragungsleistung nicht nur der Verlauf der elektrischen Feldstärke innerhalb der Isolierung, sondern auch die Übertragungsveriuste zu berücksichtigen, die quadratisch mit der Betriebsspannung oder der übertragenen Leistung ansteigen. Demnach ist bei Kabeln mit hoher Übertragungsspannung an sich die Verwendung verlustarmer Isolierstoffe anzustreben. Die Verwendung derartiger Isolierstoffe wird jedoch dadurch eingeschränkt, daß verlustarme Isolierstoffe in der Regel eins geringe dielektrische Festigkeitaufweisen und somit bei hohen Übertragungsspannungen zu einer relativ dicken Isolierung führen würden. Dies gilt sowohl für Isolierpapiere als auch für Isolierstoffe auf der Basis polymerisierter Olefine wie insbesondere Polyäthylen.

An sich ist bereits ein Hochspannungskabel bekannt, dessen extrudierte Isolierung aus mehreren Isolierschichten unterschiedlicher Kunststoffe besteht, insbesondere aus Polyvinylchlorid, Alkydharz, Polyamid, Silicon und Fluorkunststoff. Hierbei sind die Kunststoffe für die einzelnen Schichten u. a. aufgrund ihrer Spannungsfestigkeit ausgewählt, die von innen nach außen abnimmt (US-PS 2717917).

Die Erfindung geht von einem Hochspannungskabel mit aus Folien aufgebauter oder extrudierter Isolierung auf der Basis eines Olefinpolymers, insbesondere auf der Basis von Polyäthylen, aus. dessen Isolierung aus mehreren Isolierschichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften besteht.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein kunststoffisoliertes Hochspannungskabel z.u schaffen, das sich bei hoher Übertragungsleistung und hoher Ühcrtragungsspaiminig durch eine geringe dielektrische Verlustleistung auszeichnet.

Zur I.ö:,img dieser Aufgabe ist gemäß der Hrfin
dung vorgesehen, daß die Isolierung aus wenigstens drei Isolierschichten besieht, von denen
a) die inneiste Isolier».!.hiebt einen /usatz von an

sich bekannten, bei Raumtemperatur flüssigen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von mehr als 10% oder einen Zusatz von bei Raumtemperatur festen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von mehr als 2% oder einen Zusatz eines Gemisches aus flüssigen und festen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von wenigstens 10% enthält und von denen

b) die äußerste Isolierschicht keinerlei den dielektrischer Verlustfaktor der Isolierschicht erhöhende Zusätze enthält, während

c) die zwischen der innersten und der äußersten Isolierschicht liegende bzw. liegenden Isolierschichten Spannungsstabilisierende Zusätze in üblicher Menge bzw. in einer nach außen gestaffelt abnehmenden Menge enthalten.

Für die Erfindung ist also ein wenigstens dreischichtiger Aufbau der Kunststoffisolierung wesentlich, wobei mit Hilfe der innersten Schicht und der unmittelbar anschließenden Schicht bzw. Schichten die Anpassung der Spannungsfestigkeit des Kabels an die hohen Übertragungsspannungen erfolgt, während mit der äußersten Schicht die Anpassung ^n möglichst geringe ÜbertraguηgsVerluste erfolgt. In Übereinstimmung mit diesem grundsätzlichen Aufbau ist anzustreben, den Anteil der Wandstärke der äußersten Isolierschicht an der Gesamtwandstärke der Isolierung möglichst groß zu wählen, vorzugsweise größer als 50%.

Im Hinblick auf die innerste der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Isolierschichten geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß einige der an sich für die Stabilisierung von Kunststoffen bekannten Stabilisatoren eine feldstärkeabhängige Charakteristik ihres Verlustfaktors, der in diesen Fällen vorwiegend durch die Leitfähigkeitsverluste bestimmt wird, aufweisen, und zwar derart, daß die Leitfähigkeitsverluste mit zunehmender Feldstärke größer werden, d. h. der elektrische Widerstand mit zunehmender Feldstärke geringer wird. Diese Eigenschaft läßt sich vor allem dann, wenn die Stabilisatoren der Isoliermasse in einer Menge von mehr als 10% (bei Raumtemperatur flüssige Stabilisatoren) oder in einer Menge von mehr als 2% (bei Raumtemperatur feste Spannungsstabilisatoren) zugesetzt sind, zur Steuerung des elektrischen Feldverlaufs verwenden. Die Zusätze bewirken dann in unmutelbarer Leiternähe, in der an sich die höchsten Feldstärken auftreten, einen Abbau der elektrischen Feldstärke auf Werte, denen das Isoliermaterial standhält. In der anschließenden Isolierschicht bzw. den anschließenden Isolierschichten wird dann die elektrische Festigkeit der Isolierung durch Zusatz von Spannungsstabilisatoren in üblicher Menge sichergestellt, wobei die Menge dieser Spannungsstabilisatoren nach außen gestaffelt von Schicht zu Schicht abnehmen kann, um gleichzeitig die durch den Zusatz von Spannungsstabilisatoren bedingten dielektrischen Verluste geringer werden zu lassen. Durch diese Art der Staffelung wird eine Vergleichmäßigung des Spannungsgradienten, d. h. der elektrischen Feldstärke erreicht. In der äußersten Schicht, die ohne besondere Zusätze den in diesem Hereich auftretenden Spannungsbearispruchungen gewachsen ist, wird dann der für das jeweilige Kunststoffmaterial eigentümliche geringe dielektrische Verlustfaktor cr/.ielt. Da die äußerste Isolierschicht den wesentlichen Volumenanteil der Gesamtisolierung bildet, cnt.-ieht somit eine Kahclkonstruk-

tion, die trotz des in Leiternähe vorhandenen großen dielektrischen Verlustfaktors insgesamt einen relativ kleinen dielektrischen Verlustfaktor aufweist. Die neue Kabelkonstruktion ist somit insbesondere zur Übertragung höchster Spannungen wie beispielsweise 110, 220 oder 400 kV geeignet.

Für die neue Kabel konstruktion eignen sich alle bekannten flüssigen oder festen Spannungsstabilisatoren, sofern sie eine von der elektrischen Feldstärke abhängige Widerstandscharakteristik aufweisen, bei der der elektrische Widerstand mit zunehmender Feldstärke geringer wird. Geeignete flüssige Spannungsstabilisatoren sind beispielsweise aromatische Kohlenwasserstoffe, deren Molekül mindestens zwei Benzolkerne enthält, die über ein Kohlenstoffatom oder auch unmittelbar miteinander verbunden sind. Derartige Kohlenwasserstoffe sind in der DE-AS 1490574 näher beschrieben.

Als flüssige Spannungsstabilisatoreu kommen weiterhin hochsiedende hocharomatische Öle auf Kohlenwassersioffbasis mit einem '.A-omatengehalt von mindestens 40% in Betracht. Derartige Stoffe sind der DE-OS 2234C65 zu entnehmen.

Als fester Spannungsstabilisator kommen beispielsweise das auch als Antioxidationsmittel bekannte Diphenyl-para-phenylen-diamin in Betracht. Geeignet sind auch aliphatische, aromatische oder gemischt aliphatisch-aromatische, gesättigte, tertiäre Mono-, Di- oder Polyamine, deren Substituenten reine Kohlenwasserstoffe sind. Derartige Substanzen sind im einzelnen mehr in der DE-OS 2 139599 beschrieben.

Weiterhin geeignet als feste Spannungsstabilisatoren sind beispielsweise N-Phenyl-N'-isopropyl-pphenylendiamin sowie /3-(3,5-Di-tert.-butyI-4-hydroxy-phenyl)-propionsäureester von Pentaerythrit.

Wie bereits erwähnt, sind im Rahmen der Erfindung nur solche Spannungsstabilisatorpn geeignet, die eine von der Feldstärke abhängige Charakteristik des elektrischen Verlustfaktors, der in diesem Fall vorliegend durch den Anteil der Leitfähigkeitsverluste bestimmt wird, aufweisen. Besonders geeignet sind Stoffe, deren Verlustfaktor (tan (*>) in dem für Hochspannungskabel in Frage kommenden Feistärkebereich zwischen ca. 3,5 und 10 kV/rvim mittlerer Feldstärke (U/W) U = Spannung in kV, W = Wanddicke der Isolierung in mm, Werte zwischen 10"⁴ und 10"^: annimmt. Dabei wird in jedem Fall ein überproportionaler Anstieg des Verlustfaktors mit zunehmender Feldstärke erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel des neuen Hochspannungskabels ist in der Figur im Querschnitt dargestellt.

Dieses Kabel zeigt folgenden Aufbau:

Auf den Kupferleiter 1, der aus einer Vielzahl miteinander verseilter Einzeldrähte bestellt ist zunächst die Leiterglättung 2 aufgebracht. Hierbei handelt es sich um eine extrudierte Schicht aus einem durch Zusatz von Ruß elektrisch leitend gemachten Kunststoff. Über dieser L^iterdeckschicht ist die aus den drei Schichten 3, 4 und S bestehende Isolierung angeordnet. Die innere Schicht 3, die etwa l'C'f der Gesamtwandstärke der Isolierung einnimmt, besteht aus einem Polyäthylen, dem im Rahmen der Eirfindung vorgesehene flüssige bzw. feste Spannungsstabilisaturen in einer Menge von mehr als \<)"r. bzw. 2^r> zugesetzt sind. Die zweite Isolierschicht, die in gleicher Weise wie die erste und die dritte Isolierschicht durch

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einen Kxtrusionsvorgang aufgebracht ist. besteht dielektrischen Verlustfaktor auf.
ebenfalls aus Polyäthylen und enthalt einen Zusatz Die aus den drei Schichten 3. 4 und 5 aufgebaute von flüssigen bzw. festen Spaniuingsstabil'satoren in Isolierung ist mit dem Schirm 6 umgeben, der aus eider ubliehen Menge von weniger als IO h/w. 2'f Die ner zunächst extrudieren Schicht und einer darauf dritte Isolierschicht, die ¹Wr der (iesamtwandstiirke aufgebrachten Bcspinnungaus einem kupferhand heder Isolierung einnimmt, enthält keinerlei spatinungs- steht Das Hinlcitcrkabel ist nach außen durch den stabilisierende Zusätze, sie weist also den niedrigsten Mantel 7 aus Polyvinylchlorid geschützt.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochspannungskabel mit aus Folien aufgebauter oder extrudierter Isolierung auf der Basis eines Olefinpolymeren, insbesondere auf der Basis von Polyäthylen, dessen Isolierung aus mehreren Isolierschichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus wenigstens drei Isolierschichten (3, 4, 5) besteht, von denen

a) die innerste Isolierschicht (3) einen Zusatz von an sich bekannten, bei Raumtemperatur flüssigen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von mehr als 10% oder von bei Raumtemperatur festen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von mehr als 2% oder von einem Gemisch aus flüssigen und festen Spannungsstabilisatoren in einer Menge von wenigstens 10% enthält, und von denen

b) die äußerste Isolierschicht (5) keinerlei den dielektrischen Verlustfaktor der Isolierschicht erhöhende Zusätze enthält, während

c) die zwischen der innersten und der äußersten Isolierschicht (4) liegende bzw. liegenden Isolierschichten Spannungsstabilisierende Zusätze in üblicher Menge bzw. in einer nach außen gestaffelt abnehmenden Menge enthalten.

2. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsstabilisatoren an sich bekannte aromatische Kohlenwasserstoffe, deren Molekül mindestens 2 Benzolkerne enthält, die über ein Kohlenstoffatom oder auch unmittelbar miteinander verbunden sind, oder hochsiedende aromatische öle auf Kohlenwasserstoffbasis mit einem Aromatengehalt von mindestens 40% verwendet sind.

3. Hochspannungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feste Spannungsstabilisatoren ein Diphenyl-para-phenylen-diamin oder aliphalische, aromatische oder gemischt aliphatisch-aromatische, gesättigte tertiäre Mono-, Di- oder Polyamine, deren Substituenten reine Kohlenwasserstoffe sind, oder N-Phenyl-N'-isopropyl-p-phenylendiamin oder /3-(3,5-Ditert.-butyl-4-hydroxy-phenyl)-propionsäureester von Pentaerythrit verwendet sind.

4. Hochspannungskabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Isolierschicht (5) wenigstens 50% der Gesamtwandstärke der Isolierung einnimmt.