DE2422914A1

DE2422914A1 - Elektrisches kabel, insbesondere hochoder hoechstspannungskabel, sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2422914A1
Application number: DE2422914A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Chem Dr Glander; Hermann Voigt
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1974-05-11
Filing date: 1974-05-11
Publication date: 1975-11-20
Also published as: NL7505504A; FR2270664B1; DE2422914C2; IT1035655B; GB1486953A; AR209930A1; CH610138A5; BR7502882A; US4008113A; JPS50155990A; FR2270664A1; BE828874A

Description

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Kabel- und Metall werke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

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9.5.74

Elektrisches Kabel, insbesondere Hoch- oder Höchstspannungs· kabel, sowie Verfahren su seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel, insbesondere ein Hoch- oder Höchstspannungskabel mit einer Leiterglättung aus einem vernetzbaren Material unterhalb der aus Thermoplasten oder Elastomeren bestehenden Isolierung.

Bekannt ist bereits ein Verfahren zur Vernetzung von organischen Polymerisaten durch Aufpfropfen von Alkoxysilanverbindungen und Aushärten in Gegenwart von Feuchtigkeit (DAS 028), bei dem man z.B. Polyäthylen in Gegenwart einer

Alkoxysilanverbindung der Formel R Si Y unter Bedingungen mechanischer Bearbeitung mischt, unter denen freie Radikale im Polymerisat gebildet werden. R bedeutet dabei eine Vinylgruppe oder oC-Methacryloxypropylgruppe. Während oder auch nach einer solchen mechanischen Materialumformung kann ein Silanol-Kondensationskatalysator zugefügt werden. Ebenso ist die Verwendung von freie Radikale liefernden organischen Peroxyden möglich. Für die mechanische Materialumformung können z.B. Extruder verwendet werden, die die Aufgabe haben, das eingegebene Material zu homogenisieren und den Pfropfvorgang durchzuführen.

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Da nach diesem bekannten Verfahren hergestellte Mischungen die Eigenschaft haben, bei Anwesenheit von Feuchtigkeit zu vernetzen, ist die Granulierung und Lagerung des gepfropften Materials sehr problematisch. So kann es leicht zu einer gewissen Vorvernetzung des Materials kommen, die die Verarbeitbarkeit erschwert oder sogar in Frage stellt. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich darüber hinaus jedoch dann, wenn aus dem gepfropften Material eine leitfähige Mischung hergestellt werden soll und zu diesem Zweck, wie allgemein üblich, dem Basismaterial Ruß zugegeben wird. Da die bisher verwendeten Ruße stark hygroskopisch sind, sie also eine relativ große Menge Feuchtigkeit enthalten, die auch durch Trocknungsprozesse nur schwierig und unvollständig entfernt werden kann, sind solche nach dem bekannten Verfahren hergestellten leitfähigen Mischungen zur Verarbeitung nach dem Feuchtigkeitsvernetzungsverfahren (Vernetzung über Siloxanbrücken) in der Kabeltechnik nicht bzw. wenig geeignet.

Elektrische Kabel und Leitungen , insbesondere wenn sie für Hoch- oder Höchstspannungen Einsatz finden, weisen aber in der Regel über dem elektrischen Leiter eine Leiterglättung zur Vermeidung von durch Rauhigkeiten an der Leiteroberfläche hervorgerufenen Feldstärkenerhohungen auf. Eine solche Leiterglättung bringt dann noch besondere Vorteile mit sich, wenn sie aus einem vernetzbaren Werkstoff hergestellt ist. Es ist üblich, die Vernetzung der Leiterglättung bzw. der darüberliegenden Isolierung in der Weise durchzuführen, daß die auf den Leiter aufgebrachten konzentrischen Schihten nach dem Extrudieren durch eine Warmbehandlungszone, etwa durch eine sog. CV-Anlage hindurchgeführt werden. Die-

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se Warmbehandlung bedeutet jedoch einen erhöhten Aufwand, der insbesondere dann nicht gerechtfertigt ist, wenn für die Isolierung Materialien verwendet werden, die nicht wie die üblichen Thermoplaste oder Elastomere in einer CV-Anlage, also durch äußere Wärmeeinwirkung vernetzt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Kabel, insbesondere ein Hoch- oder Höchstspannungskabel zu schaffen, das mit einfachen Mitteln herstellbar ist und dennoch die aus elektrischer Sicht gestellten Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Kabel, insbesondere einem Hoch- oder HöchstSpannungskabel, mit einer Leiterglättung aus einem vernetzbaren Material unterhalb der aus Thermoplasten oder Elastomeren bestehenden Isolierung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Isolierung aus einem durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzten gepfropften Basismaterial und einer ohne Wärmezufuhr von außen vernetzten Leiterglättung besteht. Auf diese Weise ist ein Kabel geschaffen, das aufgrund der Wahl der Isolierung mit einfachen Mitteln herstellbar ist und dennoch, obwohl keine Warmbehandlung von außen aufgebracht wird, durch eine Leiterglättung aus einem vernetzbaren Material auch für höhere Spannungen z.B. ab 1 kV geeignet ist.

Vorteilhaft ist es auch, wenn in Weiterführung der Erfindung das Basismaterial für die Leiterglättung ebenfalls aus einem durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Thermoplasten oder Elastomeren besteht. Um zu vermeiden, daß durch den Ruß zur Erzielung der Leitfähigkeit in die Mischung eingebrachte

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Feuchtigkeit bereits zu einer Vorvernetzung führt, wird in Durchführung der Erfindung das elektrisch leitfähige Material, z.B. der Ruß, dem vernetzbaren gepfropften Basismaterial erst bei dessen Formgebung bzw. unmittelbar davor zugeführt. Die Zuführung des Rußes kann z.B. in Form eines Rußbatchs erfolgen. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Vorvernetzung aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehaltes von z.B. Ruß wesentlich verringert. Die Extrudierfähigkeit der Mischung ist auch dann nicht behindert, wenn, wie allgemein üblich, etwa 40 Teile Ruß verwendet verden, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit herbeizufuhr en.

Als zweckmäßig wird hierbei das vernetzbare gepfropfte Basismaterial, wie bereits vorgeschlagen (Pat.Anm. 24 11 l4l.9-1 1315) so hergestellt, daß dem als rieselfähigem Granulat vorliegenden und in Bewegung gehaltenen thermoplastischen Werkstoff unterhalb des Kristallit-Schmelzbereiches vorzugsweise bei Temperaturen von 60 bis 100 C Vernetzungsmittel zugesetzt werden, die ganz oder teilweise durch Diffusion in die Oberfläche der Granulatkörner eindringen und damit zur homogenen Verteilung in dem weiterhin rieselfähigen Granulat beitragen. Denn ein nach diesem Verfahren hergestelltes gepfropftes Material zeichnet sich gegenüber dem eingangs erwähnten bereits durch eine erhebliche Qualitätsverbesserung und verbesserte Verarbeitbarkeit aus.

Die Gefahr einer Vorvernetzung durch Feuchtigkeit enthaltende Zusätze, wie z.B. Ruß, kann weiter vermindert werden, wenn man die Zugabe in Batch-Form, d.h. in bereits eingearbeiteter Form vornimmt. Das kann vorteilhaft dadurch geschehen, daß das rußhaltige Batch unmittelbar in den Trich-. :ter des weiterverarbeitenden Extruders zudosiert wird.

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Zweckmäßig und für die Durchführung der Erfindung besonders vorteilhaft ist es auch, solche Rußtypen zu verwenden, die z.B. unter dem Handelsnamen Ketjenblack EC bekannt sind und sich dadurch auszeichnen, daß sie in relativ geringer Menge zugegeben - ca. 10 bis 13% - eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit an einem Polymermaterial bewirken. So fällt z.B. der elektrische Durchgangswiderstand einer Mischung mit nur 10 Teilen Ketjenblack EC auf Werte unterhalb 100 SIx cm. Da die durch 10 Teile Ruß eingeschleppte Feuchtigkeitsmenge wesentlich.geringer ist als die bei der ublicherxveise verwendeten Menge von 30 Teilen ist der Vorvernetzungsgrad durch Feuchtigkeit bei diesem Ruß niedriger und damit die Extrudierbarkeit der Mischung besser.

Eine weitere Möglichkeit, den Vorvernetzungsgrad durch aufgenommene Feuchtigkeit niedrig zu halten, ist die, einen Ruß mit einer mittleren Teilchengröße von 70 bis 100 m , vorzugsweise 95 ήΛ und einer mittleren Oberfläche von 15 bis 30 qm/g, vorzugsweise 20 bis 25 qm/g nach BET zu verwenden. Durch die verhältnismäßig hohe Grobkörnigkeit dieses Rußes ist die Feuchtigkeitsaufnahme auf ein Minimum reduziert. Dabei ist z.B. die Leitfähigkeit im Sinne eines Strahlungsschutzes für elektrische Kabel ausreichend und die Verscjdhweißung mit anderen Thermoplasten einwandfrei.

Der Einfluß der Feuchtigkeit auf die Einleitung der Vernetzung und die Gefahr einer Vorvernetzung kann weiter vermindert werden, wenn dem Basispolymer wasserbindende Stoffe zugegeben werden, die auch bei erhöhten Temperaturen das Wasser fester zu binden vermögen als der in der Mischung vorhandene Ruß. Solche Stoffe sind z.B. Calciumoxide, wie sie unter dem Handelsnamen Rhenösorb bekannt sind, bzw. andere HO absorbierende Stoffe, die entweder in reiner bzw.· gecoateter Form oder auch

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als Batch zugesetzt werden. Dabei muß die Menge dieser H₂O bindenden Stoffe sorgfältig abgestimmt sein, damit ihr H_o0-Absrbtionsvermögen nicht die angestrebte H_o0-Vernetzung nach erfolgter Extrusion verhindert bzw. beeinträchtigt.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Kabeln oder Leitungen mit vernetzter Leiterglättung, deren Polyäthylenisolierung feuchtigkeitsvernetzt ist, besteht in einer Mikrowellenerwärmung der Peroxide enthaltenden Leiterglättung. Dies kann dadurch geschehen, daß die Ader nach dem Aufbringen der Isolierung eine UHF-Strecke durchläuft. Die ausgeprägte Mikrowellenabsorbtionsfähigkeit der rußhaltigen Leiterglättung bewirkt eine starke Erwärmung, so daß ein thermischer Peroxidzerfall und damit eine Vernetzung ohne Anwendung einer konventionellen Dampf-CV-Strecke erreicht wird. Die äußere Polyäthylenisolierung kann dann unabhängig davon durch eine normale Feuchtigkeitslagerung vernetzt werden.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß anstelle der UHF-Erwärmung auch unmittelbar der Wärmeinhalt der thermoplastisch extrudierten Polyäthylenisolierung ausgenutzt wird, um die peroxidhaltige Leiterglättung zu vernetzen. Auch in diesem Fall kann auf die Anwendung einer Dampf-CV-Strecke verzichtet und die Isolierung durch einfache Wasserlagerung vernetzt werden. Das gelingt insbesondere dann, wenn die Extrusionstemperatur hoch, d.h. oberhalb 200 C ist. Eine solche Temperatur ist immer dann erforderlich, wenn Pfropfung und Extrusion in einem Schritt durchgeführt werden.

Die Erfindung sei anhand der in der Figur als Ausführungsbeispiel dargestellten'Seele eines Polyäthylen-Hochspannungs-

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kabeis näher erläutert.

Der Hochspannung führende Leiter 1 eines solchen Kabels besteht aus einer Vielzahl von miteinander verseilten Einzeldrähten, auf die zur Vermeidung von Feldstärkenspitzen die Leiterglättung 2 aufgebracht ist. Diese Leiterglättung besteht aus einem vernetzbaren Material, beispielsweise einem vernetzbaren Polymer. Die darüber befindliche Isolierung 3 besteht aus einem organischen Polymerisat, das durch Aufpfropfen von Alkoxysilanverbindungen in Gegenwart von Feuchtigkeit vernetzt. Die bei der Extrusion bzw. der Pfropfung im Extruder erzeugte Wärme, also der Wärmeinhalt der thermoplastisch extrudierten Isolierung 3, reicht aus, um eine Vernetzung der darunter befindlichen Leiterglättung 2 ohne Einwirkung einer äußeren Wärmequelle zu bewirken. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile der durch die Vernetzung in Anwesenheit von Feuchtigkeit vernetzenden Materialien auch für solche Kabel einzusetzen, für die ein Einsatz bisher wegen der extrem hohen Feuchtigkeitsaufnahme von leitfähigem Ruß nicht möglich war.

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Claims

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft ι 1329 9.5.74 Pat entansprüche

1.1 Elektrisches Kabel, insbesondere Hoch- oder Höchst-""■■ Spannungskabel, mit einer Leiterglättung aus einem vernetzbaren Material unterhalb der aus Thermoplasten oder Elastomeren bestehenden Isolierung, gekennzeichnet durch eine Isolierung aus einem durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzten gepfropften Basismaterial und einer ohne Wärmezufuhr von außen vernetzten Leiterglättung.

2. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial für die Leiterglättung ebenfalls aus einem durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Thermoplasten oder Elastomeren besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kabels nach Anspruch 1 oder 2 mit einer durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Leiterglättung, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch leitfähige Material dem vernetzbaren Basismaterial erst bei dessen Formgebung zugeführt wird.

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km Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kabels nach Anspruch 1 mit einer durch Einwirkung von Wärme vernetzbaren Leiterglättung, dadurch gekennzeichnet , daß die Vernetzung der Leiterglättung durch den VTärmeinhalt der in Anwesenheit von Feuchtigkeit vernetzenden Isolierung erfolgt.

5· Verfahren zur Herstellungi-eines elektrischen Kabels nach Anspruch 1 mit einer durch Einwirkung von Wärme vernetzbaren Leiterglättung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterglättung durch Anwendung einer UHF-Strahlung vernetzt wird.

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