DE2362453C3 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren MaterialienInfo
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Description
y
=
S Ι β» + Un -
E1
-..?.■ 4 4h
■ a, ■
df.
Hierin bedeuten im einzelnen:
Vk = Kenngröße für den Vernetzungsgrad
ϋκ = Kühlwassertemperatur
■&o = Anfangstemperatur des Kabels
ϋκ = Kühlwassertemperatur
■&o = Anfangstemperatur des Kabels
&D = Dampftemperatur in eier Warmbehandlungszone
Ea = Aktivierungsenergie, d. h. die für den
Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische
Energie
a] = Temperaturleitfähigkeit des Leitmate
rials entsorechend——mit A als Wärme-
C ■ η
leitfähigkeit, c Wärmespeicherfähigkeit u:.a ρ als spez. Gewicht
a\ = Temperaturleitfähigkeit des Isolierma
terials
Ar = konstante Fakiorer die sich aus den
geometrischen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften
der Materialien ergeben
tür = Nullstellen der Zylinderfunktionen, die
den Wärmefluß beschreiben
Zn(Mr ■ r)= Zylinderfunktion, die den Wärmefluß
beschreibt; sie ist die Lösung der Differentialgleichung für die Wärme ausbreitung
t\ ist die laufende Zeitkoordinate von f=0
bis zum Ende der Dampfstrecke tn
Ϊ2 die laufende Zeitkoordinate von tn bis
zum Ende der Kühlstrecke f/ und
R = die allgemeine Gaskonstante.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone
und anschließenden Kühlstrecke für unterschiedliche, zum Leiter konzentrische Schichten
vorbestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone
und anschließenden Kühlstrecke für die unmittelbar an den Leiter angrenzende Isolierschicht
vorbestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch I oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbestimmung
der Verweilzeit als Grundlage für die Längenbestimmung von Warmbehandlungszone und Kühlstrecke herangezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal
erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit von den Anlagenlängen vorbestimmt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vernetzungsgrad
an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorbestimmt wird.
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
jo Material in warmem Zustand aufgebracht, in einer
Warmbehandlungszone vernetzt und in einer anschließenden Kühlstrecke abgekühlt wird.
Isolierungen von elektrischen Kabeln oder Leitungen werden in der Mehrzahl der Fälle mit Hilfe von
j-, 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 Zwecke 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 j 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
-,ο anschließend 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
Vi es für Isolierwandslärken kleinerer Abmessungen auch
üblich ist, die Vernetzung oder Vulkanisierung des Isoliermaterials in einer an den Extruder sich anschließenden
Kettenlinic vorzunehmen, wo der umhüllte Strang freihängend geführt ist.
bo Die Erzielung des geforderten Vernetzungsgrades,
der bei Kabeln bis zu 30 kV ζ. Β. 70%, gemessen nach dem sog. Solvent-Extraction-Test (Sol/Gcl), in Leiternähobetragen
soll, geschieht bei diesen Vorrichtungen und Verfahren dadurch, daß nach Abzug einer bestimmten
h> 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 Kabein oder
Leitungen, da bei jeder Kabellänge mit verändertem Durchmesser und unterschiedlichem Material bzw.
abweichendem Vernetzungssystem zunächst eine bestimmte Anfangslänge zur Probenentnahme gefahren
werden muß.
Bekannt ist zwar bereits ein Verfahren (DE-AS 11 87 789) zum Strangpressen von Polymeren, bei dem
das Polymermaterial noch im Spritzmundstück soweit erwärmt wird, daß aus dem Mundstück ein noch nicht
voll ausgehärteter Strang austritt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit
entsprechend geregelt wird; dieses Verfahren trägt aber zur Lösung des der Erfindung
zugrunde liegenden Problems nicht bei, da auch hier zunächst einmal jede Kabeltype für sich eingefahren
werden muß, um überhaupt erst einmal festzustellen, welche Verweilzeiten im Extruder oder in einer
Je
i = 0
L
L
- »nr ('
■ät-4-anschließenden
Warmbehandlungszone erforderlich sind.
Demgegenüber geht die Erfindung von der Überlegung aus, bereits auf die empirische Ermittelung der
Fertigungsdaten durch Probelängen zu verzichten und unabhängig vom jeweiligen Kabeltyp zu Beginn einer
Fertigung die jeweiligen Daten zu ermitteln, die dann wieder die Basis für eine Regelung des Fertigungsablaufes
bilden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die bei der Herstellung von
elektrischen Kabeln oder Leitungen bisher unvermeidbaren Ausschußquoten ausschließt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei der Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen
dadurch gelöst, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aus der
folgenden Formel bestimmt wird:
r\/ R
di .
Hierin bedeuten im einzelnen:
Vk = Kenngröße für den Vernetzungsgrad
&κ = Kühlwassertemperatur
&o = Anfangstemperatur des Kabels
&o = Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone
&κ = Kühlwassertemperatur
&o = Anfangstemperatur des Kabels
&o = Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone
E,\ = Aktivierungsenergie, d. h. die für den
Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische
Energie
a] = Temperaturleitfähigkeit des Leitrnaterials
a] = Temperaturleitfähigkeit des Leitrnaterials
entsprechend—— mit λ als Wärmeleitfähigkeit,
c Wärmespeicherfähigkeit und ρ als spez. Gewicht
a\ = Temperaturleitfähigkeit des isoliermate-
rials
A,- = konstante Faktoren, die sich aus den
geometrischen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften der Materialien ergeben
o)r = Nullstellen der Zylinderfunktionen, ά'κ den
Wärmefluß beschreiben
Zo(W ■ r)— Zylinderfunktion, die den Wärmefluß beschreibt;
sie ist die Lösung der Differentialgleichung für die Wärmeausbreitung
fi ist die laufende Zeitkoordinate von ί = 0 bis
zum Ende der Dampfstrecke Oj
/2 die laufende Zeitkoordinate von to bis zum
Ende der Kühlstrecke ti. und
R = die allgemeine Gaskonstante.
Hierdurch ist es möglich, die Verweilzeit in der Wärmbehändlungszöne und damit die Feftigungsgeschwindigkeit
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 isothermen, 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 Vulkanisierzeiten
auf andere Temperaturen umzurechnen. In der Praxis, z. B. bei der Isolierung elektrischer Kabel und
Leitungen, treten infoige 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. Auch hier können die Reaktionseffekte während der
Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Kabel- oder Leitungsisolierung erfaßt werden, da die Verweilzeit des
durchlaufenden Gutes in der Wärmbehändlungszöne
und der anschließenden Kühlstrecke über die angegebene Formel bestimmt wird, die eine Aussage macht über
den Zusammenhang zwischen geforderten Vernet-
5-, zungsgrad, Wärmedurchgangsfunktion, Akiivierungsenergie
des jeweils verwendeten Vernetzungssystems und der Verweilzeit in der Anlage.
Aufgrund der heanspruchten Beziehung kann die
kürzestmögliche, d. h. wirtschaftlichste Verweilzeit des
μ Kabels öder der Leitung, die mit einer isolierenden
Hülle umgeben sind, z. B. in einem Dampfrohr festgelegt werden, wenn der Vernetzungsgrad des jeweils
verwendeten Isoliermaterials vorgegeben ist. Für dieses Isoliermaterial bzw. Vernetzungssystem wird zunächst
f-5 die Aktivierungsenergie nach bekannten Methoden
bestimmt und anschließend die Ermittlung der Verweilzeit in der Anlage vorgenommen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der
Möglichkeit, den infolge des schlechten Wärmeleitvermögens von z. B. Polyäthylen zeitlich inhomogenen
Temperaturverlauf über den Kabel- oder Leitungsquerschnitt zu bestimmen. Das kann in der Weise geschehen,
daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone bzw. der Gesamtanlage für unterschiedliche, zum Leiter
konzentrische Schichten vorbestimmt wird. So ist es z. B. 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
tJbertragungseigenschaftcn. wie elektrische Spannungsfestigkeit und Überlastungs- und Kur/.schlußfcstigkeit
auszeichnen.
Ist die Verweilzeit eines bestimmten Kabels in der
Wnrinhehnndliingszone und anschließenden Kühlstrekke
vorbestimmt, dann lassen sich leicht die Verweilzeiten für Warmbchandlungszonc und Kühlstrecke je
gesondert errechnen bzw. daraus und aus der vorgegebenen Gesamtlänge der Anlage die Fertigungsgeschwindigkeit
ermitteln. Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens 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 80cC
betragen soll, um ein Aufblähen der Isolierung zu verhindern. Das Verfahren ist für beliebige 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 die maximal erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit
von der Anlagenlänge vorbestimmt wird. Desgleichen ist es oft vorteilhaft, aufgrund der gefundenen
Beziehung den Vernetzungsgrad an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorzubestimmen.
Ein Ausführungsbeispiel der 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, wird das Kabel im Dampf-
bzw. Kühlrohr 4 in einer Kettenlinie frei hängend geführt. Die Gesamtlänge der Kettenlinie sei /, davon
entfällt auf die Warmbehandlungszone, d. h. die mit Dampf von z. B. 16 atü gefüllte Strecke der Kettenlinie,
die Strecke Ir während mit Ik. die anschließende
Kühlstrecke bezeichne! ist. Ein Umlcnkrad 5 schließlich
dient zur Führung des Kabels, wenn es in Pfeilrichliing
abgezogen und auf eine nicht dargestellte Aufwickeltrommel aufgewickeil wird. Unterhalb der Kci eniinie
ist die laufende Zeitkoordinatc t angegeben, d - beim
Einlaufen des Leiters I in die Kettenlinic f = 0, am Ende
der Warmbehandliingszone I = //>und nach der Gesamtstrecke
/ am Ende der Kcttcnlinie t— ti ist. Ist die
Kühlstrecke nicht auf den Kettenlinientcil beschrankt, sondern schließt sich an den Kettenlinienteil eine
weitere Kühlstrecke an, dann verlängert sich entsprechend die Lange /.
Als Beispiel sei ein 1-kV-Kabel mit einer vernetzbaren
Polyäthylen-Isolierung gegeben. Die Länge / der Anlage betrage 120 m. die Dampftemperatur in der
Warmbehandlungszone 210C bei 18 atü Druck. Die Temperp'ur des Leiters I beim Einlauf in den Extruder
betrage I 30" C. die Spritztemperatur des verwendeten Kunststoffes sei ebenfalls 130rC. 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.
Ist für den verwendeten Werkstoff die mit einem Vernetzungsgrad von 70% korrespondierende und von
der Aktivierungsenergie abhängige Energiemenge bekannt, so kann nach der Formel über den zeitlichen
Temperaturverlauf für verschiedene Schichten der Isolierung die Zeit berechnet werden, bis zu der ein
ausreichender Vernetzungsgrad erreicht ist.
Bei einer geforderten Endtemperatur von z. B. 70cC
als Grenzwert läßt sich aus den obigen Anfangsbedingungen die Verweilzeit t in der Kettenlinie ermittein
und damit, da die Länge / 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 optirr .1 zu wählen.
Der Leiter 1 kann auch ohne Vorwärmung also z, B. mit Raumtemperatur in den Extruder eingeführt
werden. Als Ausgangskriterium muß dann auch diese Temperatur in der Formel berücksichtigt werden.
Claims (1)
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 in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aus folgender
Formel bestimmt wird:
Priority Applications (7)
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---|---|---|---|
DE2362453A DE2362453C3 (de) | 1973-12-15 | 1973-12-15 | Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien |
IT54122/74A IT1023314B (it) | 1973-12-15 | 1974-11-19 | Procedimento per la produzione di cavi e conduttori elettrici con un isolamento di materiali reticolabili |
SE7415004A SE7415004L (de) | 1973-12-15 | 1974-11-29 | |
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---|---|
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DE2362453C3 true DE2362453C3 (de) | 1980-07-17 |
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Family Applications (1)
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FR (1) | FR2254422A1 (de) |
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- 1973-12-15 DE DE2362453A patent/DE2362453C3/de not_active Expired
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1974
- 1974-11-19 IT IT54122/74A patent/IT1023314B/it active
- 1974-11-29 SE SE7415004A patent/SE7415004L/xx not_active Application Discontinuation
- 1974-12-04 DK DK630774A patent/DK630774A/da unknown
- 1974-12-13 BR BR10449/74A patent/BR7410449D0/pt unknown
- 1974-12-13 FR FR7441164A patent/FR2254422A1/fr not_active Withdrawn
- 1974-12-14 JP JP49143077A patent/JPS50116979A/ja active Pending
Also Published As
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---|---|
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IT1023314B (it) | 1978-05-10 |
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FR2254422A1 (en) | 1975-07-11 |
BR7410449D0 (pt) | 1975-09-16 |
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JPS50116979A (de) | 1975-09-12 |
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