DE2513385A1

DE2513385A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer von mechanischen spannungen weitgehend freien umhuellung fuer langgestrecktes gut

Info

Publication number: DE2513385A1
Application number: DE19752513385
Authority: DE
Inventors: Bernd Eilhardt; Ottmar Dr Rer Nat Leuchs
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1975-03-26
Publication date: 1976-10-07

Description

Verfahren und Vorrichtung zur herstellung einer von mechanischen Spannungen weitgehend freien Umhüllung für langgestrecktes Gut Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur herstellung einer von mechanischen Spannungen weitgehend freien, aus thermoplastischen Materialien bestehenden Umhüllung für langgestrecktes Gut, wie elektrische Kabel oder Leitungen, vorzugsweise für Kabel höherer Spannungen, bei dem die Umhüllung in Form eines Schlauches auf das Gut aufgespritzt und dieser anschließend abgekühlt wird.
Bei der herstellung von elektrischen Kabeln, insbesondere von solchen, die zur Übertragung höherer Spannungen geeignet sind, werden Isolierwandstärken gefordert, die 5 mm und mehr betragen können. Das Aufbringen der Isolierhülle geschieht in der Regel dadurch, daß über den durchlaufenden Leiter der thermoplastische Werkstoff, beispielsweise Polyäthylen, in Form eines, bezogen auf den Leiter, etwas zu großen bzw. zu dickwandigen Schlauches aufgespritzt wird, der sich dann anschließend teils durch Ausziehen, teils durch Unterdruck fest um den Leiter bzw. um die auf dem Leiter befindliche Leiterglättung als innere Leitschicht herumlegt. Dieses sogenannte Schlauchspritzen hat eine unvermeidbare Orientierung der Moleküle des thermoplastischen Werkstoffes in Kabellängsrichtung zur Folge.
Diese Orientierung bedeutet eine widernatürliche Anordnung der Polyäthylenmoleküle und hat Orientierungsspannungen zur Folge. Ein Maß für solche Orientierungsspannungen ist z. B. die Schrumpfung der Isolierung beim Tempern oberhalb des Schmelzpunktes. Beginnt unmittelbar hinter dem Extrusionswerkzeug die Kühlung mit einem Temperaturwert unterhalb des Schmelzpunktes des Isolierstoffes, so entsteht außen schon eine harte Röhre. Ein bei derAkihlung und Kristallisation eintretender Volumenschwund erfordert jedoch eine Abnahme des Durchmessers über der Isolierung. Dies wird jedoch durch die äußere harte Röhre erschwert oder ganz und gar verhindert. Diese im erkaltenden Werkstoff entstehenden Abkühlspannungen und die Orientierungsspannungen setzen die Durchschlagfestigkeit der Isolierung herab, so daß die Lebensdauer in dieser Weise hergestellter Kabel reduziert wird. Aus diesem Grunde sollten elektrische Kabel, soweit sie für die Übertragung von Hochspannungen eingesetzt werden, in Bezug auf ihre Isolierung frei von Eigenspannungen sein.
Eine Möglichkeit, der Entstehung solcher innerer Spannungen entgegenzuwirken, ist die, daß die Isolierung in einer sogenannten Turmanlage aufgebracht wird. Hierbei wird auf einen von oben senkrecht nach unten geführten Leiter das thermoplastische Material derart aufgespritzt, daß es sich, wie beim metallischen Stangguß, um den Leiter herumlegt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist neben der guten Zentrizität der Isolierung die Möglichkeit, sehr langsam - mit hohen Kühlmedium-Temperaturefl und unter Druck abzukühlen, so daß eine Entorientierung und Kompaktierung der Moleküle möglich ist, bevor die Kristallisation beginnt. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß nur mit niederen Fertigungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0,5 m pro Minute gefahren werden kann, da die Turmhöhe wegen des Aufwandes für die Erstellung einer solchen Anlage begrenzt ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen isolierender Hüllen auf langgestrecktes Gut anzugeben, das die Fertigung von z. B.
elektrischen Hochspannungskabeln mit wirtschaftlichen Fertigungsgeschwindigkeiten bei hoher elektrischer Qualität der Isolierung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Herstellung einer von inneren Spannungen weitgehend freien Umhüllung das thermoplastische Material ohne Ausziehen der Schmelze gespritzt und anschließend in Luft oder einem anderen Kühlmedium bis auf bzw. nahezu auf die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird und daß in einer weiteren Kühl stufe das Material etwa 10 - 300 C unter die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird, bevor in einer oder mehreren weiteren Stufen die endgültige Abkühlung der Umhüllung erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, elektrische Kabel auch mit größeren Wanddicken ohne oder mit nur sehr geringen Eigenspannungen herzustellen. Durch Verzicht auf das Ausziehen und durch ein schonendes Abkühlen werden die Eigenspannungen in den Isolierungen von Mittel- und Hochspannungskabeln z. B.
auf ein Minimum reduziert.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist es möglich, nach dem Spritzen des Materials ohne Ausziehen der Schmelze die Umhüllung in Luft abzukühlen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Luft zu diesem Zweck etwa Raumtemperatur aufweist, um so eine gleichmäßige langsame Abkühlung sicherzustellen. Zur Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit kann es jedoch mitunter zweckmäßig sein, während einer solchen Abkühlung in Luft bei Raumtem-peratur das Gut durch streckenweise und/oder kurzfristig aufgebrachtes zusätzliches Kühlmedium abzukühlen. Das kann etwa in der Weise geschehen, daß in Abständen angeordnete Sprühdüsen ein Kühlmedium auf das strangförmige Gut spritzen. Das Kühlmedium, z. B. Wasser, kann dabei vorteilhaft eine Temperatur zwischen 20 und 0 90 C aufweisen.
Zur Abkühlung der gespritzt Isolierung bis auf die Kristallisationstemper-atur, die beim verzweigten Polyzwischen 1120 äthylen je nach Abkühlgeschwindigkeit/90 und 112 0 liegt, kann man in Weiterführung der Erfindung aber auch so verfahren, daß das strangförmige Gut nach dem Aufbringen der Umhüllung in einem anderen Medium als Luft bis auf die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird. Als geeignetes Kühlmittel hat sich hierbei Druckwasser oder auch Äthylen-Glykol erwiesen, oder auch ein Gemisch dieservbeiden Materialien, beispielsweise in der Zusammensetzung von 50 % Wasser und 50 % Äthylen-Glykol, wobei die Siedetemperatur dieses Kühlmediums mindestens 1100 C betragen sollte. Als besonders vorteilhaft hat es sich in Durchführung der Erfindung auch erwiesen, beim Aufbringen der isolierenden Hülle den Ausziehgrad, d. h. das Verhältnis von Austrittsquerschnitt der Schmelze im bzw. unmittelbar am Spritzwerkzeug zum Querschnitt der heißen Umhüllung auf dem Kabel oder der Leitung unmittelbar hinter dem Werkzeug so zu wählen, daß es höchstens gleich 1 ist.
Ein solches Verhältnis trägt weiter mit zur Elerabsetzung der inneren Spannungen der gespritzten Isolierhülle bei.
Mitunter kann es zweckmäßig sein, wenn zur Beschleunigung der Spritzgeschwindigkeit, wie bereits ausgeführt, das umhüllte Gut beim Durchlaufen der Kühlstrecke im Falle der Abkühlung durch Luft ein- oder mehrfach in bestimmten Intervallen mit einer Kühlflüssigkeit besprüht wird. Durch das kurzfristige Verdampfen der aufgespritzten Kühlflüssigkeit wird der Oberfläche der Umhüllung Wärme entzogen, die vom Innern des Kabels oder der Leitung her nachgeliefert wird und so für das gesamte System zu einer beschleunigten Abkühlung führt. Ist in diesem Fall die Isolierung auf die Kristallisationstemperatur abgekühlt, erfolgt die weitere Abkühlung zweckmäßig durch Einführen des umspritzten Gutes in eine warme Kühlflüssigkeit, deren Temperatur um 10 bis 300 C unter der Kristallisationstemperatur des teilkristallinen Polyolefins liegt. Diese schonende Abkühlung führt die Kristallisationswärme so ab, daß der Kristallisationsvorgang in ausreichend langer Zeit abgeschlossen werden kann und ein isotropes Gefüge erhalten wird.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der Austrittsquerschnitt der Schmelze am Spritzwerkzeug dem Querschnitt der gespritzten, abgekühlten Umhüllung auf dem langgestreckten Gut höchstens gleichkommt. Dann ist nämlich der Ausziehgrad, d. h. das Verhältnis von Austrittsquerschnitt der Schmelze im Werkzeug bzw. unmittelbar am Werkzeugausgang zum Querschnitt der noch heißen Umhüllung auf dem Leiter höchstens gleich 1.
Durch eine entsprechende Ausbildung des Spritzwerkzeuges ist es so möglich, in der Weich-Polyäthylen-Isolierung von Mittel-und Hochspannungskabeln z. B. die Orientierungsspannungen um mehr als die Hälfte zu senken.
Die Erfindung sei anhand des in der Figur dargestellten Spritzwerkzeuges näher erläutert.
Das Mundstück des nicht näher bezeichneten Werkzeuges ist mit 1, der Nippel mit 2 und die auf den Leiter 3 aufzubringende Schmelze, z. B. aus Polyäthylen, mit 4 bezeichnet.
Der Austrittsquerschnitt der Polyäthylen-Schmelze im Spritzwerkzeug ist, wie die Figur deutlich macht, etwa gleich dem Querschnitt der heißen Polyäthylenschmelze, die sich auf dem Leiter befindet. Durch Verzicht auf das Ausziehen werden Orientierungen auf ein Minimum reduziert. Im Extruderkopf und beim Durchtritt der Polyäthylenschmelze durch das Mundstück ist eine geringe Orientierung der Polyäthylen-Ketten-Moleküle parallel zur Kabelachse nicht vermeidbar} durch ein geringes Stauchen des Materials kann diese Orientierung weitgehend aufgehoben werden.
Wie bereits ausgeführt, ist ein Maß für Orientierungsspannungen in der gespritzten Umhüllung die Schrumpfung. Tempert man z. B. die Weich-Polyäthylen-Isolierung eines Kabels in Silikonöl, z. B. AK5 der Fa. Wacker, 6 Stunden 0 bei 130 C, so wird die Probe proportional mit den vorhandenen Orientierungen kürzer und die Isolierschichtdicke nimmt zu. Die Schrumpfung sei in der nachstehenden Tabelle 1 anhand zweier Kabel gleichen Querschnittes aber unterschiedlicher Herstellung näher erläutert.
Tabelle 1: 2 Kabel 1, 20 KV, 150 mm Cu stark gereckt, schnell in Wasser abgekühlt Schrumpfung der Probe: 25 bis 27 % 2 Kabel 2, 20 KV, 150 mm Cu nicht gereckt langsam in Luft abgekühlt Schrumpfung der Probe: 3 bis 5 % Wie aus dem obigen Beispiel zu erkennen, beträgt die Schrumpfung im ersten Fall bei starker Reckung und schneller Abkühlung ein Vielfaches der Schrumpfung des langsam in Luft abgekühlten Kabels, entsprechend hoch sind auch die Orientierungsspannungen im ersten Fall, die zu einer Verminderung der elektrischen Festigkeit der Isolierung führen.
In wieweit die elektrische Durchschlagsfestigkeit z. B. in Folge starker Schrumpfungen der Umhüllung absinkt, ist in der Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2: 2 Kabel 1, 20 KV, 150 2 Cu stark gereckt, schnell in Wasser abgekühlt Haltezeit bis zum Durchschlag bei 700 KV/mm vor einer Nadelspitze 210 Minuten Kabel 2, 20 KV, 150 mm2 Cu nicht gereckt, langsam abgekühlt, 345 Minuten

Claims

Patentansprüche 9 Verfahren zur Herstellung einer von inneren Spannungen weitgehend freien, aus thermoplastischen Materialien bestehenden Umhüllung für langgestrecktes Gut, wie elektrische Kabel oder Leitungen, vorzugsweise für Kabel höherer Spannung, bei dem die Umhüllung in Form eines Schlauches auf das Gut aufgespritzt und dieser anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material ohne Ausziehen der Schmelze gespritzt und anschließend in Luft oder einem anderen Kühlmedium bis auf oder nahezu auf die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird und daß in einer weiteren Kühl stufe das Material etwa 10 - 300 C unter die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird, bevor in einer oder mehreren weiteren Stufen die endgültige Abkühlung der Umhüllung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abkühlung der Umhüllung in Luft erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft Raumtemperatur aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlung in Luft das Gut durch streckenweise und/oder kurzfristig aufgebrachtes zusätzliches Kühlmedium auf bzw. nahezu auf die Kristallisationstemperatur abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Kühlmedium eine Temperatur von 20 bis 0 90 C aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch i, bei dem die Abkühlung auf bzw. nahezu auf die Kristallisationstemperatur in einem anderen Kühlmedium erfolgt als Luft, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium eine Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur von etwa 90 bis 1120 aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Wasser ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Äthylen-Glykol ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium ein Gemisch aus beispielsweise 50 ,~ Wasser und 50 ,~ Äthylen-Glykol ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausziehgrad, d. h. das Verhältnis vom Austrittsquerschnitt der Schmelze am bzw. im Spritzwerkzeug zum Querschnitt der heißen Umhüllung hinter dem Spritzwerkzeug höchstens gleich 1 ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung in einer weiteren Kühlstufe unter die Kristallisationstemperatur in einem warmen Kühlmedium von 70 bis 900 C erfolgt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, mit einem Spritzwerkzeug zum Aufbringen der Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt des Spritzwerkzeuges für die Schmelze höchstens dem Querschnitt der gespritzten Umhüllung auf dem langgestreckten Gut entspricht.