DE2362453A1

DE2362453A1 - Verfahren zur herstellung von elektrischen kabeln und leitungen mit einer isolierung aus vernetzbaren materialien

Info

Publication number: DE2362453A1
Application number: DE2362453A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dr Ing Stenzel; Hermann Uwe Dr Rer Nat Voigt
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1973-12-15
Filing date: 1973-12-15
Publication date: 1975-06-19
Also published as: DE2362453B2; SE7415004L; DE2362453C3; FR2254422A1; DK630774A; BR7410449D0; JPS50116979A; IT1023314B

Description

Kabel -".und Metallwerke Gutehoffnungshutte Akti engeseil schaft

1 1297 11.12.1973

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien, bei dem auf einen Leiter oder eine Seele das vernetzbare Material in warmem Zustand aufgebracht, in einer Warmbehandlungszone vernetzt und anschließend abgekühlt wird.

Isolierungen von elektrischen Kabeln oder Leitungen werden in der Mehrzahl der Fälle mit Hilfe von Thermoplasten oder auch Elastomeren hergestellt, wobei diese Materialien mittels Extruder auf die Leiter oder die Seele aufgespritzt werden. Je nach den Erfordernissen, die an das Isoliermaterial gestellt werden, sind im Anschluß an den Spritzvorgang Warmbehandlungen der Isoliermaterialien etwa zum Zwekke der Vernetzung oder Vulkanisation möglich. In neuester Zeit ist man bestrebt, in zunehmendem Maße auch für thermoplastische Werkstoffe vernetzbare Materialien einzusetzen, die nach dem Spritzen einer zusätzlichen Warmbehandlung ausgesetzt werden. Diese Warmbehandlung kann einmal bei der Herstellung von Kabeln und Leitungen in den sog. Turmanlagen Verwendung finden, wo der Leiter im Turm nach oben geführt, oben mit der Isolierung versehen und anschließend

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nach unten abgezogen wird, wobei während des Abziehens senkrecht nach unten die Warmbehandlung der Isolierung erfolgt. Diese Anlagen sind insbesondere für Isolierwandstärken größerer Dicke, z.B. von 12 mm und darüber geeignet, während es für Isolierwandstärken kleinerer Abmessungen auch üblich ist, die Vernetzung oder Vulkanisierung des Isoliermaterials in einer an den Extruder sich anschließenden Kettenlinie vorzunehmen, wo der umhüllte Strang freihängend geführt ist.

Die Erzielung des geforderten Vernetzungsgrades, der bei Kabeln bis zu 30 kV z.B. 70%, gemessen nach dem sog. Solvent-Extraction-Test (Sol/Gel)₅in Leiternähe betragen soll , geschieht bei diesen Vorrichtungen und Verfahren dadurch, daß nach Abzug einer bestimmten Probelänge die Isolierung überprüft und, wenn der Vernetzungsgrad als nicht ausreichend ermittelt wird, die Temperatur- oder Geschwindigkeitsführung so lange variiert wird, bis die geforderte Vernetzung erreicht ist. Für die Fertigung bedeutet dies einen erheblichen Ausschuß an hergestellten Kabeln oder Leitungen, da bei jeder Kabellänge mit verändertem Durchmesser und unterschiedlichem Material bzw. abweichendem Vernetzungssystem zunächst eine bestimmte Anfangslänge zur Probenentnahme gefahren werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die bei der Herstellung von elektrischen Kabeln oder Leitungen bisher unvermeidbaren Ausschußquoten ausschließt.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei der Herstellung von elektrischen Kabeln oder Leitungen dadurch gelöst, daß die Verweilzeit des durchlaufenden Gutes in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aufgrund von anlage-, material- und kabel- oder leitungsgeometriebedingten Ausgangskriterien vorbestimmt und als Grundlage für die Festlegung der Fertigungsgeschwindigkeit benutzt wird. Hierdurch ist es möglich, die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und damit die Fertigungsgeschwindigkeit von vornherein so einzustellen und jedem Kabeltyp sowie den verschiedenartigen vernetzbaren Materialien so anzupassen, daß ohne Vorlängen ein Kabel oder eine Leitung entsprechend dem geforderten Vernetzungsgrad gefahren werden kann. Die Fertigung erfolgt damit unter optimalen Bedingungen. Denn aufgrund der ermittelten Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und der anlagebedingten Verweilzeit in der Kühlstrecke sowie der Gesamtlänge der Anlage läßt sich von vornherein für jeden Kabeltyp die optimale Fertigungsgeschwindigkeit festlegen, die dem Maschinenpersonal z.B. in Form eines Programmes mitgegeben werden kann.

Bei der Vernetzung von Makromolekülen handelt es sich um chemische Reaktionen, die durch Zuführung von thermischer Energie aktiviert werden. Bei isothermem, d.h. zeitlich konstantem Temperaturverlauf im Inneren der zu vernetzenden Isolierung ist es relativ einfach, z.B. anhand von sog. Vulkameterkurven auf den nach verschiedenen Zeiten erhaltenen relativen Vernetzungsgrad zu schließen. Mit Hilfe der Methoden der chemischen Reaktionskinetik gelingt es ferner, die bei einer bestimmten Temperatur optimalen Vulkanisier-

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zeiten auf andere Temperaturen umzurechnen. In der Praxis, z.B. bei der Isolierung elektrischer Kabel und Leitungen, treten infolge des begrenzten Wärmeleitvermögens von organischen Hochpolymeren Aufheiz- und Abkühlvorgänge auf, die ein zeitlich inhomogenes Temperaturfeld zur Folge haben und bereits einen Beitrag zum Ablauf der Vernetzungsreaktion liefern. Um nun auch die Reaktionseffekte während der Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Kabel- oder Leitungsisolierung mitzuerfassen, wird die Verweilzeit des durchlaufenden Gutes in der Warmbehandlungszone und der anschließenden Kühlstrecke in Durchführung der Erfindung vorteilhaft über eine Formel vorgenommen, die eine Aussage macht über den Zusammenhang zwischen geforderten! Vernetzungsgrad, Wärmedurchgangsfunktion, Aktivierungsenergie des jeweils verwendeten Vernetzungssystems und der Verweilzeit in der Anlage.

Über die laufende Zeitkoordinate wird der Vernetzungsgrad

E₁

Hierin bedeuten im einzelnen:

V ι- = Kenngröße für den Vernetzungsgrad i/|( = Kühlwassertemperatur

i9; = Anfangstemperatur des Kabels

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j} = Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone . = Aktivierungsenergie, d.h. die für den Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische Energie

U^ = Temperaturleitfähigkeit des Leitmaterials entsprechend -^- , mit /L als Wärmeleitfähigkeit,

c Wärmespeicherfähigkeit und t als spez. Gewicht t. - -

U = Temperaturleitfähigkeit des Isoliermaterials

₁- = konstante Faktoren, die sich aus den geometrischen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften der Materialien ergeben

_v = Nullstellen der ZyI inderf unkt ionen, die den Wärmefluß beschreiben

')= Zylinderfunktion, die den Wärmefluß beschreibt; sie ist Lösung der Differentialgleichung für die Wärmeausbreitung

t ist die laufende Zeitkoordinate von t = ο bis zum Ende der Dampfstrecke t.

D lcoordi

der Kühlstrecke t,

t die laufende Zeitkoordinate von t bis zum Ende

Έ
und R = die allgemeine Gaskonstante.

Aufgrund der obigen Beziehung ist es nun möglich, die kürzestmögliche, d.h. wirtschaftlichste Verweilzeit des Kabels oder der Leitung, die mit einer isolierenden Hülle umgeben sind, z.B. in einem Dampfrohr festzulegen, wenn rier Vernetzungsgrad des jeweils verwendeten Isoliermaterials vorgegeben ist. Für dieses Isoliermaterial bzw. Vernetzungssystem wird zunächst die Aktivierungsenergie nach bekannten Methoden bestimmt' und anschließend die Ermittlung der Verweilzeit in der Anlage vorgenommen.

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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darüber hinaus
in der Möglichkeit, den infolge des schlechten Wärmeleitvermögens von z.B. Polyäthylen zeitlich inhomogenen Temperaturverlauf über den Kabel- oder Leitungsquerschnitt
zu bestimmen. Das geschieht in Durchführung der Erfindung in der Weise, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone bzw. der Gesamtanlage für unterschiedliche, zum Leiter konzentrische Schichten vorbestimmt wird. So ist es
z.B. in Weiterführung der Erfindung möglich, die Verweilzeit für die unmittelbar an den Leiter angrenzende und
daher den elektrischen und thermischen Beanspruchungen
am meisten ausgesetzte Isolierschicht zu.bestimmen. Das
Ergebnis sind elektrische Kabel und Leitungen, die sich
durch besonders gute Ubertragungseigenschaften, wie elektrische Spannungsfestigkeit und überlastungs- und Kurzschlußfestigkeit auszeichnen.

Ist die Verweilzeit eines bestimmten Kabels in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke vorbestimmt, dann lassen sich in Weiterführung der Erfindung leicht
die Verweilzeiten für Warmbehandlungszone und Kühlstrecke je gesondert errechnen bzw. daraus und aus der vorgegebenen Gesamtlänge der Anlage die Fertigungsgeschwindigkeit
ermitteln. Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist lediglich, daß ein bestimmter Vernetzungsgrad vorgegeben wird, in der heutigen Technik eine allgemein übliche Forderung der Abnehmer, und daß die obere Grenze für die Temperatur der Isolierung beim Austritt aus der Kühlstrecke festgelegt wird, die beispielsweise nicht mehr als 70 C oder 80 C betragen soll, um ein Aufblähen der Isolierung zu verhindern. Das Verfahren ist für beliebi-

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ge Materialien anwendbar, wenn diese Stoffe nur vernetzbar sind und die Vernetzungsreaktion durch Erwärmung in Gang gebracht wird. So können in gleicher Weise thermoplastische Werkstoffe auf der Basis von Polyolefinen wie Elastomere, etwa Natur- oder Kunstkautschuk, eingesetzt werden, wobei für jeden der eingesetzten Werkstoffe die Aktivierungsenergie nach bekannten Methoden vorbestimmt wird.

Ist die Verweilzeit in der Anlage und daraus etwa die Fertigungsgeschwindigkeit ermittelt, dann kann es für die Auslegung einer Fertigungsstraße mitunter erhebliche Vorteile bringen, wenn in We iterführung der Erfindung die maximal erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit von der Anlagenlänge vorbestimmt wird. Desgleichen ist es oft vorteilhaft, aufgrund der durch die Erfindung gefundenen Beziehung den Vernetzungsgrad an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorzubestimmen.

Die Erfindung sei anhand der in der Figur schematisch dargestellten Fertigungsstraße für die Herstellung elektrischer Kabel und Leitungen näher erläutert.

Schematisch angedeutet ist in der Figur der elektrische Leiter 1, der mit einer Leiterglättung versehen in den Extruder 2 einläuft und hier mit einer Isolierung 3, z.B. aus einem vernetzbaren thermoplastischen Kunststoff umgeben wird. Um ein Aufliegen des Kabels und damit die Beschädigung der noch weichen Isolierung 3 zu verhindern,

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wird das Kabel im Dampf- bzw. Kühlrohr 4 in einer Kettenlinie freihängend geführt. Die Gesamtlänge der Kettenlinie sei 1, davon entfällt auf die Warmbehandlungszone, d.h. die mit Dampf von z.B. l6 atü gefüllte Strecke der Kettenlinie, dj e Strecke I_n? während mit 1„ die anschließende Kühlstrecke bezeichnet ist. Ein Umlenkrad 5 schließlich dient zur Führung des Kabels, wenn es in Pfeilrichtung abgezogen und auf eine nicht dargestellte Aufwickeltrommel aufgewickelt wird. Unterhalb der Kettenlinie ist die laufende Zeitkoordinate t angegeben, die beim Einlaufen des Leiters 1 in die Kettenlinie t = o, am Ende der Warmbehandlungszone t = t_n und nach der Gesamtstrecke 1 am Ende der Kettenlinie t = t_, ist. Ist die Kühlstrecke nicht auf den Kettenlinienteil beschränkt, sondern schließt sich an den Kettenlinienteil eine weitere Kühlstrecke an, dann verlängert sich entsprechend die Länge 1.

Als Beispiel sei ein 1 kV-Kabel mit einer vernetzbaren Polyäthylen-Isolierung gegeben. Die Länge 1 der Anlage betrage 120 m, die Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone 210 C bei .-. l8 atü Druck. Die Temperatur des Leiters 1 beim Einlauf in den Extruder betrage I30 C, die Spritztemperatur des verwendeten Kunststoffes sei

ebenfalls I30 C. An geometrischen Daten des Kabels sind ferner vorgegeben der Leiterquerschnitt mit 150 mm und die benötigte Isolierwanddicke von 1,4 mm. Die Vernetzung der Isolierhülle soll 70%, gemessen nach der Sol/Gel-Methode, betragen, und das Kabel soll die Kühlstrecke höchstens mit einer Temperatur von 70 C verlassen,

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Ist für den verwendeten Werkstoff die mit einem Vernetzungsgrad von 70% korrespondierende und von der Aktivierungsenergie abhängige Energiemenge bekannt, so kann nach Formel (l) über den zeitlichen Tempnraturverlauf für ver— schiedene Schichten der Isolierung die Zeit berechnet werden, bis zu der ein ausreichender Vernetzungsgrad erreicht ist.

Bei einer geforderten Endtemperatur von z.B. 70 C als Grenzwert laßt sich aus den obigen Anfangsbedingungen die Verweilzeit t in der Kettenlinie ermitteln und damit, da die Länge 1 ebenfalls vorgegeben, die Fertigungsgeschwindigkeit ν für jeden Kabeltyp und beliebige Materialien festlegen. Außerdem bietet sich hier eine Möglichkeit, das Verhältnis von Dampf/Kühlstrecke für jeden Kabel- oder Leitungstyp optimal zu wählen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das oben angeführte Ausfuhrungsbeispiel beschränkt, so kann der Leiter 1 auch ohne Vorwärmung also z.B. mit Raumtempera- tür in den Extruder eingeführt werden. Als Ausgangskriterium muß dann auch diese Temperatur lediglich in der Formel (l) berücksichtigt werden.

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Claims

Kabel- und Meta Il werke Gutehoffnungshütte Aktiengesell schaft

1 1297 11.12.1973

Pat entanspr ii c h e

1./Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln oder Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien, bei dem auf einen Leiter oder eine Seele das vernetzbare Material in warmem Zustand aufgebracht, in einer Warmbehandlungszone vernetzt und in einer anschließenden Kühlstrecke abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Verweilzeit des Kabels oder der Leitung in der Warmbehandlungszone,und anschließenden Kühlstrecke aufgrund von anlage-, material- und kabel- oder leitungsgeometriebedingten Anfangsbedingungen vorbestimmt und als Grundlage für die Festlegung der jeweiligen Fertigungsgeschwindigkeit benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aus folgender Formel bestimmt wird:

^j, -4) ^*'^h] f-^*t Ar

-Z-

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--«-■■■■

Hierin bedeuten im einzelnen:

^= Kenngröße für den Vernetzungsgrad

= Kühlwassertemperatur
■j, = Anfangstemperatur des Kabels "$0 ⁼ Dampftemperatur in der. Warmbehandlungszone ^= Aktivierungsenergie, d.h. die für den Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische Energie

Cl.^= Temperaturleitfähigkeit des Leitmaterials entsprechend mit <. als Wärmeleitfähigkeit, c Wärmespeicherfähigkeit und C- als spez. Gewicht U^= Temperaturleitfähigkeit des Isoliermaterials - yfj .= konstante Faktoren-, die sich aus den geometri- ■" sehen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften der Materialien ergeben -ΙλΛ·= Nullstellen der Zylinder funkt ionen, die den Wärmefluß beschreiben

H .(.«ν.Λ/= ZyI inderf unkt ion, die den Wärmefluß beschreibt; sie ist Lösung der Differentialgleichung für die Wärmeausbreitung
t ist die laufende Zeitkoordinate von t = ο bis zum Ende der Dampfstrecke I_n

tp die laufende Zeitkoordinate von t_n bis zum.Ende der Kühlstrecke t„

Je» -

und R = die allgemeine Gaskonstante

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke für unterschiedliche, zum Leiter konzentrische Schichten vorbestimmt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke für die unmittelbar an den Leiter angrenzende Isolierschicht vorbestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbestimmung der Verweilzeit als Grundlage für die Längenbestimmung von Warmbehandlungszone und Kühlstrecke herangezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit von den Anlagenlängen vorbestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vernetzungsgrad an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorbestimmt wird.

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