DE2639922A1 - Verfahren zur herstellung einer hochspannungsfesten isolierung aus durch feuchtigkeit vernetzbaren werkstoffen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung einer hochspannungsfesten
• Isolierung aus durch Feuchtigkeit vernetzbaren Werk~ stoffen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochspannungsfesten Isolierung aus durch Feuchtigkeit vernetzbaren Werkstoffen für elektrische Kabel, bei denen das Kabel kettenlinienförmig geführt, die Isolierung aufgebracht und anschließend abgekühlt wird.
• Die hierbei verwendeten Werkstoffe, wie Thermoplaste, Elastomere oder thermoplastische Kautschuke werden in Gegenwart von Silan oder einer Silanverbindung sowie der zum Pfropfen und ggf. für die Vernetzung notwendigen Zusatzstoffe, wie Peroxide, Aktivatoren und dgl.
• mechanisch durchgearbeitet, anschließend gepfropft und in noch warmem Zustand als Massestrom fortlaufend entgast und dann ausgeformt.
• Bekannt ist bereits ein Verfahren (DOS 2 458 776) zur Herstellung von durch Aufpfnpfen eins Silanverbindung in Anwesenheit von Feuchtigkeit vernetzbaren Thermoplasten oder Elastomeren, bei dem das mit Zusätzen gemischte und durchgearbeitete, nunmehr silangepfrpfte Basismaterial in noch warmem Zustand als Massestrom fortlaufend entgast und unmittelbar im Anschluß an die Entgasung ohne Zwischenlagerung ausgeformt wird. Durch diese Entgasung des gepfropfte#n Materials ist eine Blasenbildung, die etwa von eingeschlossenen Gasen, überschüssigem Silan, Gleitmitteln und dgl. herrührt, bei dem unmittelbar daran anschließenden Ausformen verhindert. Dieses bekannte Verfahren ist daher auch für die Herstellung solcher Isolierungen elektrischer Kabel einsetzbar, die für Mittel- oder Hochspannung, d.h. oberhalb 10 kV verwendet werden sollen.
• Das Problem bei der Herstellung elektrischer Kabel, die für höhere Spannungen geeignet sind, ist aber nicht nur eine geforderte Blasenfreiheit. Hinzu kommt nämlich, daß elektrische Kabel, die für die Ubertragung von Hoch-und Höchstspannungen geeignet sind, Isolierwanddicken aufweisen müssen, die 10 mm und mehr betragen können.
• Das Aufbringen solcher Isolierhüllen geschieht in der Regel dadurch, daß über dem durchlaufenden Leiter der thermoplastische Werkstoff das Spritzwerkzeug z.B. in Form eines dickwandigen Schlauches verläßt und sich anschließend teils durch Ausziehen, teils durch Unterdruck fest um den Leiter bzw. die auf dem Leiter befindliche innere Leitschicht herumlegt. Eine solche Fertigung von Kabeln hat jedoch eine unvermeidbare Orientierung der Moleküle des verwendeten Werkstoffes zur Folge, und diese Orientierung wiederum bedeutet eine widernatürliche Anordnung der Werkstoffmoleküle, die ihrerseits zu inneren Spannungen führt.
• Eine weitere Gefahr bei der Herstellung dickwandiger Isolierhüllen von elektrischen Kabeln besteht darin, daß insbesondere bei dickeren Kupfer- oder Aluminiumquerschnitten der Leiter des Kabels in der noch heißen Isolierung zur Verlagerung neigt, so daß die Zentrizität des Kabels nicht mehr gewährleistet ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß die Herstellung feuchtigkeitsvernetzbarer Isolierungen auch für solche elektrischen Kabel zuläßt, die aufgrund ihres Einsatzbereiches eine über den üblichen Rahmen hinausgehende dickere Isolierwandstärke aufweisen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren zur Herstellung einer hochspannungsfesten Isolierung dadurch gelöst, daß das entgaste und anschliessend ausgeformte Material im freien Durchhang des Kabels bei gleichzeitiger Stützung des noch fließfähigen Materials durch ein umgebendes flüssiges oder gasförmiges Medium kurzfristig mit Ausnahme eines äußeren Bereiches in Oberflächennähe auf Temperaturen noch oberhalb der Kristallisationstemperatur abgekühlt wird, daß anschließend aber noch während des Durchlaufes der im Bereich der äußeren Oberfläche durch die vorangegangene Abkühlung bereits erstarrte Bereich durch Wärmezufuhr von außen wieder auf Temperaturen oberhalb der Kristallisationstemperatur erwärmt wird und daß schließlich im weiteren Verlauf der Kettenlinie noch immer im freien Durchhang die nunmehr vollständig im zähelastischen Bereich befindliche Umhüllung im wesentlichen in einem gasförmigen Medium, wie Luft, abgekühlt wird.
• Dieses Verfahren erlaubt eine Viskositätserhöhung des Extrudates von außen nach innen soweit, daß die schmelzflüssige Masse auf dem Leiter ohne Unterstützung im freien Hang und ohne Verlagerungen zum Leiter hin weitergeführt werden kann. Zu Beginn der unterstützungsfreien Führung wird dann die äußere, bereits erkaltete Schicht wieder so stark erwärmt, daß bei der nachfolgenden Abkühlung der äußere aufgeschmolzene Bereich symmetrisch nach innen gezogen wird. Der Einsatz bisher üblicher Spritzwerkzeuge ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin möglich. Probleme der Exzentrizität des gespritzten Leiters treten nicht mehr auf, da das Extrudat, so lange es abtropft bzw. zu Querschnittsveränderungen neigt, durch die gleichzeitige Stützung während der kurzfristigen Abkühlung auf Temperaturen oberhalb der Kristallisationstemperatur an einer Formänderung gehindert wird. Bei der nunmehr anschließenden weiteren langsamen Abkühlung wird nur so viel Wärme abgegeben, daß eine Versteifung des Extrudates eintritt, ohne daß im Produkt größere Spannungen entstehen. Damit wird die Herstellung elektrischer Hochspannungskabel möglich, die sich auch bei größeren Wanddicken durch einen homogenen blasenfreien Aufbau auszeichnen und damit für hohe und höchste Spannungen geeignet sind.
• In Durchführung der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, zur Stützung und gleichzeitigen Kühlung der gespritzten Umhüllung Wasser mit oder ohne Zusätzen zu #erwenden. Der Fertigungsablauf gestaltet sich dadurch besonders einfach, der mashinelle Aufwand ist gering. Hinzu kommt, daß dieses Kühlwasser, dem besondere Zusätze, wie Stabilisatoren usw., beigegeben werden können, bereits geeignet ist, im Sinne-einer Feuchtigkeitsvernetzung zu wirken.
• Eine andere vorteilhafte Möglichkeit ist die, vor der eigentlichen Ausformung des Materials, aber nach der Entgasung, dem zu spritzenden Werkstoff wasserabspaltende Zusätze beizugeben, so daß im Anschluß an die Ausformung und während einer schonenden Abkühlung bereits der Vernetzungsmechanismus eingeleitet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Vernetzungsdauer, insbesondere bei dickwandigen Kabeln, wesentlich herabzusetzen.
• Vorteilhaft ist es auch in Weiterführung der Erfindung, wenn das verwendete Material, das ein Thermoplast, ein Elastomer oder auch ein thermoplastischer Kautschuk sein kann, kurzfristig so weit abgekühlt wird, daß die Viskosität auf das 5 bis 50fach des Wertes ansteigt, den das Material während der Formgebung aufweist. Die Stützung und gleichzeitige Kühlung der gespritzten Umhüllung kann z.B. bei einer Temperatur von 110 bis 120°erfolgen, wobei das Kühlmittel z.B. eine Temperatur von 20 bis 900, je nach Kabelabmessungen aufweisen kann.
• Zur spannungsfreien Abkühlung auf Raumtemperatur wird das kurzfristig abgekühlte Kabel anschließend auf Temperaturen oberhalb 1150, vorzugsweise zwischen 150 und 2000 erwärmt, so daß der äußere Bereich der gespritzten Isolierung so weit aufgeschmolzen wird, daß eine spannungsfreie Volumenkontraktion bei der langsamen Luftkühlung, die anschließend vorgenommen wird, erreicht wird. Damit eine kontinuierliche Fertigung der beschriebenen Art erfolgen kann, ist es erforderlich, daß wegen der benötigten Entgasung zur Erzielung einer Blasenfreiheit eine Abstimmung zwishen der Anlieferung und Schrumpfung bzw. Entgasung und Ausformung erfolgt.
• Diese Abstimmung kann durch eine Druckregelung vorgesehen sein, die vorzugsweise nach elektronischer Aufnahme von Meßwerten automatisch erfolgt.
• Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung hat sich eine Vorrichtung als am vorteilhaftesten erwiesen, bei der zwei Extruder zu einer L-Formation zusammengefaßt sind. Der in Durchlaufrichtung gesehen erste Extruder dient hierbei zur Aufnahme des Basismaterials und der Zusätze, der Aufbereitung und Pfropfung und der sich daran anschließende mit dem ersten mechanisch fest verbundene zweite Extruder zur Entgasung des vom ersten gelieferten gepfropften Materials und zur weiteren Homogenisierung und Austragung. Die Abmessungen dieser Extruder sind so gewählt, daß sie die Aufgaben der Mischung und Pfropfung erfüllen, d.h. das Basismaterial mit den Zusätzen gut durchmischen, schonend aufschmelzen und anschließend pfropfen.
• Der erste Extruder, der die Mischung und Pfropfung des Basismaterials besorgt, ist seitlich an einen zweiten Extruder ange#nscht, der zur weiteren Veredelung des gepfropften Materials und vor allem zur Entgasung niedermolekularer gasförmiger Bestandteile verwendet wird, bevor eine Austragung des auf 170 bis 270° z.B.
• erwärmten Materials erfolgt. Die Übergabe des gepfropften Polyäthylens z.B. vom in den Maßen 150/25D ausgebildeten Extruder an einen zweiten Extruder, dessen Ausstoßfähigkeit an die Leistung des ersten angepaßt sein muß und deshalb beispielsweise die Maße 150/15D aufweist, erfolgt in einem Bereich des zweiten Extruders etwa an der Stelle 3 bis 4 D, an der der Zylinder aufgebohrt ist.
• Die Erfindung sei anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles für die Herstellung hochspannungsfester Kabelisolierungen näher erläutert.
• Zur Vorbereitung des zu verspritzenden Materials dient, wie aus der Figur ersichtlich, der Extruder 1, der über einen Verbindungsflansch mit dem Extruder 3 verbunden ist. Das zu verspritzende Material 4, das ein Thermoplast, aber auch ein Elastomer oder ein thermoplastischer Kautschuk sein kann, wird in den Fülltrichter 5 des Extruders 1 eingegeben, ixx im Bereich des Extruders durchmischt, und anschließend wird immer noch innerhalb dieses Extruders die Pfropfung des Silans auf das Basismaterial vorgenommen. Die Arbeitsgänge, wie Mischen, Pfropfen usw., sind möglich durch eine entsprechende Wahl der Extruder-Zylinder-Länge sowie des Durchmessers, so daß das eingeführte Material durch die Schnecke 6 vermischt, aufgeschmolzen und im weiteren Verlauf zum Ausgang des Extruders hin gepfropft wird.
• Entsprechend der eingestellten Fördermenge wird das gepfropfte Material über den Verbindungsflansch 2 dem Extruder 3 zugeführt, der als Austragsextruder ausgebildet eine geringere Länge als der erste Extruder aufweist. Die vom Extruder 2 gelieferte Materiallänge wird am Spritzkopf 7 z.B. auf eine durchgehende Kabelseele 8 eines Hochspannungskabels aufgebracht. Im Bereich des Überganges vom ersten zum zweiten Extruder ist eine Vakuumzone 9 vorgesehen, die etwa i bis 200 Torr betragen kann. Hier wird das gepfropfte und über den Verbindungsflansch 2 angelieferte Material entgast, bevor eine weitere Homogenisierung im anschließenden Teil der Schnecke 10 erfolgt.
• Für einen kontinuierlichen Betrieb dieser Anlage und die Herstellung eines Endproduktes hoher Qualität ist Voraussetzung, daß die Drehzahl der Schnecken der beiden Extruder i und 3 so aufeinander abgestimmt werden, daß ein kontinuierlicher Materialfluß gegeben ist und während des Durchlaufens dieses Materials die Möglichkeit einer Entgasung besteht. Da eine mögliche Entgasung proportional der Oberfläche des Materialelementes sowie der zur Verfügung stehenden Zeit ist und ferner vom herrschenden Druck in dem zu entgasenden Bereich abhängt, ist es notwendig, die Forderungen nach einer weitestgehenden EntagBung des Materials bei gleichzeitiger Forderung nach einer kontinuierlichen Ausformung so aufeinander abzustimmen, daß optimale Fertigungsbedingungen erreicht werden.
• Das aus dem Spritzkopf 7 des Extruders 3 austretende Material wird z.B. als Isolierung mit einer Wandstärke von i8 mm und einer Massetemperatur von 200°C auf die Kabelseele 8 eines Hochspannungskabels aufgebracht. Der umsprtzte Strang wird dann unmittelbar im Anschluß hieran in das Stützbecken 11 eingeführt, das bei einer kurzen Verweilzeit dafür sorgt, daß der dem Leiter zugekehrte innere Bereich z.B. auf 1700C, die Oberfläche des daran anschließenden äußeren Bereiches aber auf Temperaturen von 20 bis 90°C abgekühlt wird. Diese kurzfristige Abkühlung führt zur Festlegung der äußeren Dimension des Kabels und einer Festlegung des Leiters im Innern der Isolierung, so daß die Zentrizität des Leiters in der Isolierung gewährleistet ist. Wird nun nach Durchlaufen dieses Stützbeckens die Oberfläche und der anschließende Bereich mittels der Aufwärmvorrichtung 12, die eine Infrarotlampe oder auch eine Gasflamme sein kann, auf Temperaturen oberhalb der Kristallisationstemperatur z.B. 1200C aufgewärmt, so wird damit das zunächst im Stütz- und-Kühlbecken geschaffene Korsett gelöst und dem Material die Möglichkeit gegeben, über den Gesaitquerschnitt spannungsfrei abzukühlen. Die weitere Abkühlung erfolgt in einer anschließenden Luftkühlstrecke, immer noch im freien Durchhang. Möglich ist es auch, in die anschlies- sende Luftkühlstrecke aus einem flüssigen Medium bestehende Flüssigkeitskühlstrecken einzubauen, so daß eine Staffelung der Kühlung als Luft-Kühlflüssigkeitskühlung möglich ist.

Claims (7)

1. Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer hochspannungsfesten Isolierung aus durch Feuchtigkeit vernetzbaren Werk- stoffen für elekrische Kabel, bei dem das Kabel kettenlinienförmig geführt, die Isolierung aufgebracht und -anschließend abgekühlt wird, wobei die verwendeten Werkstoffe, wie Thermoplaste, Elastomere oder thermoplastischenKautschuke in Gegenwart von Silan oder einer Silanverbindung sowie der zum Pfropfen und ggf. für die Vernetzung notwendigen Zusatzstoffe, wie Peroxide, Aktivatoren und dgl0, mechanisch durchgearbeitet, anschließend gepfropft und in noch warmem Zustand als Massestrom fortlaufend entgast und dann ausgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material unmittelbar nach seiner Formgebung im freien Durchhang bei gleichzeitiger Stützung des noch fließfähigen Extrudats durch ein umgebendes flüssiges oder gasförmiges Medium kurzfristig mit Ausnahme eines äußeren Bereiches in Oberflächennähe auf Temperaturen noch oberhalb der Kristallisationstemperatur abgekühlt wird, daß anschliessend, aber noch während des Durchlauf ens der im Bereich der äußeren Oberfläche durch die vorangegangene Abkühlung bereits erstarrte Bereich oberhalb der Kritallisationstemperatur erwärmt wird und daß schließlich im weiteren Verlauf der Kettenlinie noch immer im freien Durchhang die nunmehr vollständig im zähelastischen Bereich befindliche Umhüllung im wesentlichen in einem gasförmigen Medium, wie Luft, abgekühlt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stützung und gleichzeitigen Abkühlung der gespritzten Isolierung Wasser mit und ohne Zusätze verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ausformung, aber nach der Entgasung dem Material wasserabspaltende Zusätze beigegeben werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das gespritzte Material so weit abgekühlt wird, daß die Viskosität auf das 5 bis tOfache des Werts ansteigt, den das Material während der Ausformung aufweist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützung und gleichzeitige Kühlung durch ein flüssiges Medium mit einer Temperatur zwischen 20 und 900C erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferung des gepfropften Basismaterials auf die ausstoßende Menge abgestimmt wird0
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der zu liefernden Materialmengen über eine Druckregelung erfolgt.