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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines Hochspannungs-
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kabels mit einer besonders dickwandigen Isolation aus thermoplastischem
Polyäthylen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochspannungskabels
mit einem Leiter und einer diesen umgebenden, besonders dickwandigen Isolation aus
thermoplastischem Polyäthylen, welche mittels eines ein Mundatück aufweisenden Extruders
aufgebracht und anschließend in einer nachgeordneten drucklosen, wenigstens ein
Ktlhlbad aufweisenden Kühlstrecke, in der das Kabel in Form einer Kettenlinie frei
durchhängt, abgekühlt wird, und bezweckt eine Erhöhung der Formstabilität der Isolation
eines Hochspannungskabels aus thermoplastischem Polyäthylen während des Fertigungsprozesses,
und zwar für den Zeitraum unmittelbar nach der Extrusion bis zum Eintauchen in das
erste Kühlbad0 Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens,
Die Isolation liegt in diesem Fertigungsabschnitt als
hochviskose Schmelze vor und ist bestrebt, unter der Einwirkung der Schwerkraft
vom Leiter, auf den sie kreisringförmig aufextrudiert ist, abzufliessen. Dadurch
tritt eine Formänderung ein, in deren Folge das bei Verlassen des Extruders ursprünglich
runde Kabel eine mehr oder minder elliptische bzw. ei- oder tropfenförmige Gestalt
annimmt.
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Dieser selbstätige Verformungsprozess wird mit dem vorliegenden Verfahren
wirksam unterbunden. Das Verfahren ist dabei insbesondere im Hinblick auf Hochspannungskabel
der höheren Spannungsreihen, also - 60 kV Nennspannung, die speziell dickwandige
Isolationen aus thermoplastischem Polyäthylen aufweisen, konzipiert, bei welchen
die Gefahr bzw. das Ausmass der Formänderung besonders gross ist, und diese im Hinblick
auf Qualität und Aussehen des Kabels sowie die Wirtschaftlichkeit der Fertigung
eine wesentliche Rolle spielt.
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Die Isolation eines Hochspannungskabels aus thermoplastischem Polyäthylen
wird mittels eines Extruders auf den Leiter, der entweder aus einem Kupfer- oder
einem Aluminiumseil besteht und im allgemeinen mit einer halbleitenden Schicht als
Leiterschirm versehen ist, kontinuierlich aufgebracht und anschliessend in einer
mehrere Temperaturstufen umfassehden Kühlstrecke von der Extrusionstemperatur auf
Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Kühlstrecke besteht aus mehreren nacheinander
angeordneten Kühlbädern, welche Wasser oder ein anderes flüssiges Kühlmedium unterschiedlicher
Temperatur enthalten und von denen jedes eine Temperaturstufe der Kühlstrecke darstellt.
Durch das dem Extruder unmittelbar folgende erste Kühlbad, das die höchste Temperatur
aufweist, wird das Hochspannungskabel meist im freien Durchhang geführt, da die
Isolation zur Vermeidung bleibender, schädlicher
Deformationen keinerlei
mechanischer Beanspruchung, wie sie z.B. durch eine Unterstützungsrolle hervorgerufen
würde, ausgesetzt werden darf. Um die Temperatur in diesem Kühlbad möglichst hoch,
nämlich in der Nähe des 0 Kristallitschmelzpunktes von 107 c, halten zu können,
wird im Schweizer Patent (Gesuch Nr. 986/75))ein spezielles Verfahren unter Einsatz
bestimmter anderer Kühlmedien als Wasser beschrieben.
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Aus betriebstechnischen Gründen ist es erforderlich, dass der Platz
unmittelbar nach dem Extruder während der Anfahrphase einer Kabelfertigungslänge
für den Maschinenoperateur zugänglich ist. Es ist deshalb üblich, in Hochspannungs-Kabel-Anlagen
zwischen Isolationsextruder und Kühlbad etwa 1 m freien Platz vorzusehen. Dazu kommt
die Strecke für den Ueberlauf des Kühlbades und, je nach Anführung, eine weitere
Strecke für den Schrägeinlauf ins Kühlmedium, der sich durch das im ersten Kühlbad
angewandte Durchhangverfahren ergibt. Es entsteht so meist eine Gesamtstrecke von
mehr als 2 m, welche die Kabelisolation nach der Extrusion zurückzulegen hat, bevor
sie ins Kühlmedium des Bades eintaucht. Legt man dabei eine Fertigungsgeschwindigkeit
von 1 m/Min. zugrunde, so bedeutet dies eine Zeitdauer von häufig mehr als 2 Min.,
während welcher die extrudierte Isolation jeweils bis zum Eintauchen ins Kühlbad
unterwegs ist.
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Hochspannungskabel der höheren Spannungsreihen im Bereich von 60 -
150 kV mit Isolationen aus thermoplastischem Polyäthylen haben Wandstärken zwischen
10 und 30 mm. Um ein Abfliessen dieser besonders dickwandigen Isolationen auf der
Strecke zwischen Extruder und Kühlbad zu vermeiden, sind verschiedene Lösungen verfahrens-
bzw. anlagetechnischer Natur bekannt:
Der einfachste Weg ist das in mehreren Operationen hintereinander
erfolgende mehrmalige Aufeinander-Extrudieren dünnerer Schichten. Ausser enormen
Herstellkosten weist dieses Vorgehen u.a. zwei weitere von der Kabelqualität her
entscheidende Mängel auf, nämlich die Gefahr des Auftretens von Verunreinigungen
zwischen den einzelnen Schichten und deren mangelhafte Verschweissung miteinander,
bedingt durch Ungleichmässigkeit der Fabrikationsbedingungen und Probleme hinsichtlich
der Reproduzierbarkeit in der Fertigung.
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Eine weitere Möglichkeit stellt die Vertikal-Extrusion in sogenannten
Turmanlagen dar. Diese Anlagen wurden in erster Linie für die dickwandigen Hochspannungskabel
entwickelt, und zwar in zwei Ausführungen, nämlich einerseits mit einer Abkühlstrecke
für Kabel mit thermoplastischer Polyäthylen-Isolation und andererseits mit einer
Dampf-Vulkanisationsstrecke für Kabel mit vernetzbarer Polyäthylen-Isolation.
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Bei Turmanlagen ist die Abkühl- oder Vulkanisationsstrecke senkrecht
angeordnet, und darüber sind der Isolationsextruder sowie in weiteren Stockwerken
darüber der Extruder für den Leiterschirm und ausserdem die Seilumlenkung aufgestellt.
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Wegen der mit wachsender Höhe überproportional ansteigenden Investitionskosten
ist bei Turmanlagen die Länge der Kühl-bzw. Vulkanisierstrecke auf 30 bis max. 50
m beschränkt, was Türme von insgesamt 50 - 70 m Höhe erfordert. Da die Abkühl-bzw.
Vulkanisationsstrecken von Turmanlagen damit auf etwa die Hälfte dessen begrenzt
sind, was bei Durchhang- bzw.
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Kettenlinienaniagen möglich und üblich ist, sind auch die Fertigungsgeschwindigkeiten
auf der Turmanlage etwa nur halb so gross wie auf den Durchhanganlagen. Die Turmanlage
ist daher, was die Wirtschaftlichkeit anbelangt, einigermassen problematisch, um
so mehr, als selbst die halb so schnell
fertigende Turmanlage einschliesslich
Turm und allen Nebenkosten meist investitionsmässig noch teurer zu stehen kommt
als die vergleichbare Kettenlinienanlage. Die Vertikalextrusion stellt somit zwar
technisch eine einwandfreie Lösung dar, die sich jedoch nur mit enormem Investitionsaufwand
über eine Turmanlage bei wirtschaftlich nicht optimaler Fertigung realisieren lässt.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird nun bezweckt, die Fertigung auch
von extrem dickwandigen Hochspannungskabeln mit thermoplastischer Polyäthylen-Isolation
in einer Schicht auf einer Durchhanganlage zu ermöglichen.
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Das hierzu angewendete Verfahren der zu Anfang erwähnten Art ist dadurch
gekennzeichnet, dass die extrudierte Isolation zwischen dem Extruder und dem Kühlbad
zwecks Erhöhung ihrer Formstabilität der Auftriebswirkung eines Mediums ausgesetzt
wird, welches das Abfliessen bzw. Abtropfen der an dieser Stelle als hochviskose
Schmelze vorliegenden Isolation vom Leiter unterbindet.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich
erfindungsgemäss durch ein Rohr zur Aufnahme des die Isolation formstabilisierenden
Mediums, welches Rohr zwischen Extruder und dem Kühlbad angeordnet ist.
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Die Erfindung wird anhand zweier in den beiliegenden Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht
der Einrichtung zur Durchführung der ersten Verfahrensvariante,
Fig.
2 einen Querschnitt durch ein deformiertes Kabel, Fig. 3 einen Schnitt längs der
Linie A-A in Fig. 1, Fig. 4 eine zu Fig. 1 analoge Ansicht zur Durchführung der
zweiten Verfahrensvariante, und Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie B-B in
Fig. 4.
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Eine nicht dargestellte, an und für sich bekannte Schubraupe bewirkt
den Vorschub eines von einer ebenfalls nicht dargestellten Abwickeltrommel abgenommenen
blanken Leiters L zu den meist im Abstand von einigen Metern hintereinander angeordneten
Leiterschirm- und Isolations-Extrudern, auf denen unmittelbar nacheinander zwei
Schichten, der Leiterschirm H und die Isolation I, in je einem Arbeitsgang aufgebracht
werden. Der Einfachheit halber ist nur der Isolations-Extruder 1 dargestellt. Das
aus ihm kommende Kabel K, bestehend aus dem Leiter L, dem Leiterschirm H und der
noch heissen Isolation I, wird in ein erstes offenes Kühlbad 3 eingetaucht, in welchem
es frei durchhängt und von dem die Einlaufstelle dargestellt ist. Anschliessend
daran folgen weitere nicht dargestellte Kühlbäder, in denen das Kabel stufenweise
bis auf Umgebungstemperatur herungergekühlt wird, des weiteren eine Zugraupe, welche
den nötigen Zug im Kabel aufrecht erhält, und schliesslich eine Aufspultrommel,
der das fertige Kabel zugeführt wird.
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Weil die Polyäthylen-Isolation I den Isolationsextruder 1 als hochviskose
Schmelze verlässt, hat sie das Bestreben, auf dem Weg zum Kühlbad 3 vom Leiterschirm
ummantelten Leiter L + H abzufliessen, was eine Aenderung ihrer ursprünglichen Kreisringform
bewirkt, und wodurch das ursprünglich runde
Kabel eine mehr oder
minder elliptische bzw. ei- oder tropfenförmige Gestalt annimmt, wie sie aus Fig.
2 ersichtlich ist. Sobald das erste Kühlbad 3 erreicht ist, hört der Abtropfprozess
auf, da die Auftriebskraft des Kabels der für das Abtropfen verantwortlichen Schwerkraft
der Isolation entgegenwirkt. Auf das Kabel als ganzes hat der Auftrieb nur insofern
einen Einfluss, als sich eine geringfügige Aenderung der Kettenlinie des Durchgangs
ergibt.
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Die Isolation I selbst gerät in einen schwebenden bis leicht schwimmenden
Zustand, da sie mit einer Dichte von 0,918 g/cm3 etwas leichter ist als Wasser oder
eines der im Patent (Gesuch Nr. 986/75) erwähnten Kühlmedien, deren Dichte bei einer
Kühlbadtemperatur von 100 0c als unter 3 1,5 g/cm liegend beschrieben ist.
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Für den Grad der Verformung der Polyäthylen-Isolation auf der Strecke
zwischen Extruder 1 und Kühlbad 3 sind in erster Linie die geometrischen Abmessungen
des Kabels massgebend.
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Die Grenze, ab der normalerweise mit einer Verformung zu rechnen ist,
lässt sich durch das Verhhltnis D/d1 bzw. S/d1 ausdrücken und liegt ungefähr bei
D - 2 dl bzw. 5 >- d1/2.
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Dabei bedeuten: D = Kabeldurchmesser, d1 = Durchmesser über dem aufgetragenen
Leiterschirm H, S = Schichtdicke bzw. Wandstärke der Isolation I.
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Um der Deformation der Polyäthylen-Isolation I entgegenzuwirken, wird
nach einer ersten Ausführungsform des Verfahrens auf der Strecke zwischen Isolationsextruder
1 und Kühlbad 3 eine Einrichtung 2 dazwischengeschaltet. Diese weist ein Rohr 201
auf, das auf seiner oberen Seite mit Perforierungen oder Düsen 202 versehen ist.
Das Rohr 201 ist dicht unter dem laufenden Kabel K angeordnet und reicht im Betriebsfall
vom
Extruder 1 bis zur Eintauchstelle des Kabels K im Kühlbad 3. Es ist auf einer am
Kühlbadgehäuse 31 befindlichen Führung 203 beweglich angebracht, so dass es axial
verschiebbar und in der Anfahrphase der Fertigung in Richtung des Kühlbades 3 entfernbar
ist.
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Das Rohr 201 ist mit zwei gebogenen Leitblechen 204 versehen, die
mittels Scharnieren 205 an diesem befestigt sind und sich so bewegen lassen, dass
sich ein minimaler Längsöffnungsspalt h an beiden Seiten des Kabels K einstellen
lässt. Im Betriebsfall wird nun Luft, die eventuell auf eine Temperatur von ca.
100 0c aufgewärmt wurde und unter einem Druck von 2-5 atü steht, über einen Einlassstutzen
206 in das Rohr 201 und von dort durch dessen Perforierungen bzw. Düsen 202 von
unten gegen das Kabel K geblasen. Das dabei entstehende Luftpolster trägt die viskose
Polyäthylen-Isolation I und verhindert ihr Abfliessen bzw. Abtropfen auf der Strecke
zwischen Extruder 1 und Kühlbad 3 auf wirksame Weise.
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Der bei der soeben dargestellten Ausführungsform des Verfahrens beschriebene
Fertigungsprozess sowie die dort geschilderten physikalischen Ausgangsverhältnisse
für das Abfliessen bzw. Abtropfen der Polyäthylen-Isolation gelten ebenso für die
im folgenden dargestellte weitere Ausführungsform des Verfahrens, deren Problemlösung
jedoch auf etwas anderer Basis erfolgt. Sie baut dabei auf der Möglichkeit auf,
die sich durch den Einsatz des Abkühlprozesses nach dem Schweizer Patent (Gesuch
Nr. 986/75) für die Anwendung des Auftriebsprinzips auf der fraglichen Strecke ergibt.
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Aus den bei der erstgenannten Ausführungsform des Verfahrens geschilderten
Gründen hört das Abfliessen bzw.
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Abtropfen der heissen Polyäthylen-Isolation I sofort auf, sobald das
Kabel K in das Kühlbad 3 eintaucht, da dort die Auftriebskraft des Kabels der Schwerkraft
der Isolation entgegenwirkt und diese praktisch aufhebt.
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Als Kühlmedium in den Kühlbädern einer Hochspannungskabel-Fabrikationsanlage
wurde bisher üblicherweise Wasser verwendet. Dadurch war es prinzipiell unmöglich,
in einer offenen (drucklosen) Kühlstrecke, wie sie bei solchen Anlagen für Hochspannungskabel
mit thermoplastischer Isolation normalerweise verwendet werden, das Kühlmedium bis
auf die Höhe hEx des Extruder-Mundstückes 11 anzuheben, um so die Einwirkung der
Auftriebskraft auf die Kabelisolation schon unmittelbar nach deren Austritt aus
dem Extruder 1 beginnen zu lassen. Das Mundstück 11 des Extruders 1, aus dem die
heisse Isolation extrudiert wird, ist im Falle der Verarbeitung von thermoplastischem
Polyäthylen für Hochspannungs-0 kabel auf eine Temperatur zwischen 180 und 220 C
aufgeheizt.
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Wollte man nun das ca. 90-grädige Kühlwasser des ersten Bades bis
zu dieser Stelle führen, so würde dies dort unter Bildung starker Turbulenzen sofort
zu sieden anfangen, eine starke Verdampfung hervorrufen und in der Folge eine un~ulässige
Beschädigung des Kabels in Form von kratzern auf der Isolationsoberfläche verursachen.
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Dieser Weg ist erst gangbar-geworden durch den Einsatz höher siedender
Kühlmedien als Wasser, wie sie im Schweizer Patent (Gesuch Nr. 986/75) vorgeschlagen
werden.
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Dort wird damit der Zweck verfolgt, die Kühlbadtemperatur selbst auf
1000C oder mehr anzuheben, was mit Wasser natürlich nicht möglich ist. Es werden
Kühlmedien mit einem Siedepunkt von über 150 0c bei Normaldruck vorgeschlagen. In
Kombination
mit der vorliegenden Erfindung erfordert dies konkret den Einsatz von Kühlmedien
mit einem Siedepunkt 0 von 250 C oder mehr.
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Die zur Realisierung der zweiten Ausführungsform des Verfahrens nötige
Einrichtung ist aus Fig. 4 ersichtlich und ebenfalls generell mit 2 bezeichnet.
Sie weist ein Rohr 211 auf, dessen Querschnittsfläche mindestens doppelt so gross
ist wie derjenige des Kabels (Fig. 5), und durch welches hindurch das Kabel K vom
Extruder 1 zum Kühlbad 3 läuft.
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Das Rohr 211 ist im Betriebsfall mit dem Extruder 1 im Bereich des
Mundstückes 11 über einen schnell zu lösenden Verschluss 212 dicht verbunden und
reicht auf der anderen Seite bis unter den Kühlbadpegel hk ins Kühlbad 3 hinein.
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Das Rohr 211 ist auf einer am Kühlbadgehäuse 31 befindlichen Führung
213 beweglich angebracht, so dass es axial verschiebbar und in der Anfahrphase der
Fertigung in Richtung des Kühlbades 3 entfernbar ist. An einem Behälter 214, der
mittels einer Rohr- bzw. Schlauchleitung 215 und einem Magnetventil 216 an das Rohr
211 angeschlossen ist, wird ein Vakuum angelegt, das von einer Vakuumpumpe 217 erzeugt
wird Das Kühlmedium wird durch das angelegte Vakuum in der Folge durch das Rohr
211 bis zum Extruder 1 und darüber hinaus hin zu dem Behälter 214 gezogen, wo über
einen Schwimmerschalter 218 das Kühlmittelniveau zwischen einem minimalen und einem
maximalen Stand gehalten wird.
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Selbstverständlich kann das Kühlmittelniveau im Behälter 214 auch
anders hergestellt und aufrecht erhalten werden: z.B. über einen Vakuumschalter
219 und ein Luft-Bypass-Ventil 220, wie dies in Fig. 4 durch die gestrichelte Anordnung
angedeutet ist, oder auf irgendeine andere bekannte Art und Weise. Im weiteren besteht
die Möglichkeit, statt einer hydrostatischen Anhebung-des Kühlmittelpegels mittels
eines
Vakuums, bei der das Kühlmedium innerhalb des Rohres 211
und des Behälters 214 praktisch steht und eine Zirkulation nur über die Wärmeströmung
stattfindet, das Rohr 211 an ein separates oder mit dem Kühlbad 3 verbundenes Umwälzsystem
auszuschliessen und auf diese Weise seine Füllung bis hin zum Extruder 1 zu erreichen.
Ausserdem wäre es denkbar, das Kühlbad 3 selbst so zu bauen, dass eine gesamte Anhebung
des Kühlbadpegels bis auf Extrudierhöhe im Betriebsfall und dessen Absenkung sowie
das Wegklappen eines Teilstückes am Kühlbadanfang beim Anfahren einer Fertigungslänge
möglich wäre.
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Selbstverständlich können auch solche Kabel aufgrund der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden, die in bekannter Art über der Isolation eine halbleitende
Schicht aufweisen, die vor Eintritt in das Kühlbad 3 bzw. vor Eintritt in die Rohrstrecke
2 auf die Isolation aufgebracht wird.