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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines @ochspanungs-
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kabels ist einer besonders dickwandigen Isolation aus vernetztem Polyäthylen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fferstellung eines Hochspannungskabels
mit einem Leiter und einer diesen umgebenden, besonders dickwandigen Isolation aus
vernetztem Dolyathylen, welche mittels eines Extruders augebracht und anschließend
in einer nachgeordneten Rohrstrecke, in der das kabel in i'O#m einer Kettenlinie
frei durchhängt, mittels einer als Wärmeübertragungsmittel dienenden Flüssigkeit
vernetzt wird und bezweckt eine Erhöhung der Formstabilität dieser Isolation während
des Fertigungsprozesses, Uild zwar für den Zeitraum unmittelbar nach der Extrusion.
Die Isolation liegt in diesem Fertigungsabschnitt als hochviskose, unvernetzte Schmelze
vor und ist bestrebt, unter der Einwirkung der Schwerkraft von Leiter,
auf
den sie kreisringförmig aufextrudiert ist, abzufliessen.
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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. Dieser selbsttätige 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 vernetztem Polyäthylen aufweisen, konzipiert,
wo 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 ochspannungskabels aus vernetztem 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 einem Vernetzungsprozess
unterzogen. Für den Vernetzungsvorgang sind verschiedene Verfahren bekannt.
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Das in der Kabelindustrie am meisten verbreitete Verfahren ist die
Wasserdampf-Vulkanisation, auf die später näher eingegangen wird.
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Die Vernetzung kann z.B. bereits im Extruderkopf eingeleitet und in
einer nachfolgenden Dampfstrecke fortgesetzt werden (bekannt als ~HEB-Verfahren")
oder sie wird im Extruderkopf begonnen und in einem nachgeordneten Kalibrierrohr
weitergeführt (bekannt als "MDCV-Verfahren"). Bekannt ist auch
ein
Verfahren, bei welchem die Vernetzung im Anschluss an die Extrusion in inerter Gasatmosphäre
vorgenommen wird (sog. ~RCP-Verfahren'1) . Alle diese Vernetzungsverfahren sind
sog. On-Line11-Prozesse, d.h. sie kommen in Extruderanlagen zur Anwendung, in welchen
Extrusion und Vernetzung der Isolation in einem Arbeitsgang stattfinden. Ein weiteres
bekanntes Vernetzungsverfahren stellt die Strahlenvernetzung dar. Sie kann sowohl
"on-line" als auch "off-line" betrieben werden, wobei letzterer Fall der häufigere
ist, da im allgemeinen die Durchsatzleistung einer Strahlenvernetzungsanlage ein
Mehrfaches der Ausstossleistung einer Extruderanlage beträgt und es somit wirtschaftlich
ungünstig ist, Extrusions-und Vernetzungsvorgang anlagenseitig miteinander zu verkoppeln.
Als Oberbegriff fürall diese Fertigungsprozesse hat sich die Bezeichnung "CV-Verfahren"
(von Continuous Vulcanisation") eingebürgert, und dementsprechend werden die dazu
notwendigen Fertigungseinrichtungen als CV-Anlagen bezeichnet. Bei diesen unterscheidet
man wiederum drei von der Anlagenkonzeption her grundsätzlich unterschiedliche Ausführungen:
die Horizontalanlage (für kleine, leichte Kabel), die Kettenlinien- bzw. Durchhanganlage
(für mittlere bis grosse Kabel) und die Vertikal- bzw. Turmanlage (für besonders
grosse und schwere Kabel). An nicht kontinuierlichen Vernetzungsprozessen hat für
die Herstellung von Hochspannungskabeln mit einer Isolation aus vernetztem Polyäthylen
allenfalls die sogenannte Wasservernetzung ("SIOPLAS") eine gewisse theoretische
Bedeutung gewonnen. Dabei wird für die Isolation des Kabels ein speziell entwickeltes
Polyäthylen verwendet, das in einer normalen Hochspannungskabel-Extrudieranlage
für die Verarbeitung von thermoplastischem Polyäthylen aufgebracht wird.
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Der Vernetzungsvorgang geschieht dann anschliessend während einer
längeren (meist mehrstündigen) Lagerung der genannten Kabellänge in mehr oder minder
temperiertem Wasser (40-80°C).
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Das heute noch mit Abstand am häufigsten angewandte und am weitesten
verbreitete Verfahren zur Herstellung von Hochspannungskabeln mit einer Isolation
aus vernetztem Polyäthylen ist das sogenannte llDampf#CV'LVerfahren, wie es bei
der Vulkanisation der Gummikabel seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz ist. Im Gegensatz
zu den dort mehrheitlich verwendeten Horizontalanlagen gelangen für die Herstellung
von Hochspannungskabeln mit einer Isolation aus vernetztem Polyäthylen meist Kettenlinienanlagen
zur Anwendung; in selteneren Fällen werden auch Turmanlagen eingesetzt. Bei einer
Kettenlinen-Dampf-CV-Anlage ist unmittelbar nach dem Extruder und über ein Teleskoprohr,
das aus betriebstechnischen Gründen während der Anfahrphase einer Kabelfertigungslänge
den Platz unmittelbar nach dem Extruder für den Maschinenoperateur zugänglich macht,
eine mit dem Extruder dicht verbundene kettenlinienförmig gebogene Rohrstrecke angeordnet,
die am anderen Ende gegen das Kabel abgedichtet ist. Ein Teil der Rohrstrecke, und
zwar etwa l2 bis 3/4 der Gesamtstrecke, vom Extruder an gerechnet, ist mit Sattdampf
von einer Temperatur von etwa 180-2250C und einem Druck zwischen 10-26 at gefüllt.
Dies ist die eigentliche Vulkanisations-bzw. Vernetzungsstrecke. Am anderen Ende
des Rohres wird Kaltwasser gegen den Dampf gedrückt und je nach Betriebsfall ein
mehr oder weniger grosser Teil der Rohrstrecke mit Wasser aufgefüllt. Dieser Teil
stellt die Druck-Kühlstrecke des Dampf-CV-Rohres dar. Während des Fertigungsprozesses
wird das Kabel durch die Rohrstrecke im freien Durchhang geführt. Die mittels eines
Extruders aufgebrachte Isolation aus vernetzbarem Polyäthylen durchläuft dabei nach
Verlassen
des Extruder-Mundstückes, wo sie bei einer Extrusionstemperatur von ca. 100-130°C
noch in unvernetztem Zustand vorliegt, zunächst den mit Dampf gefüllten Teil der
Rohrstrecke, wo sie nach Anhebung auf das höhere Temperaturniveau des Dampfes allmählich
in den vernetzten Zustand übergeht. Die so vernetzte Polyäthylenisolation passiert
anschliessend den mit Wasser gefüllten Teil der Rohrstrecke, wo sie bis zum Verlassen
des Rohres unter Druck auf ca. 40-80°C heruntergekühlt wird.
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Die Vernetzungsgeschwindigkeit ist erstens von der Zeitkonstante des
Kabels abhängig. Diese ist nämlich massgebend für den zeitlichen Anstieg der Temperatur
des Kabels von Extrusions- auf Vernetzungsniveau, da erst ab dort die Vernetzung
stattzufinden beginnt. Die Zeitkonstante des Kabels und damit auch der Zeitdauer
bis zur Erreichung der Vernetzungstemperatur sind dabei umso grösser, je grösser
beispielsweise Leiter und Isolation des Kabels sind. Zum zweiten ist die Vernetzungsgeschwindigkeit
von der Grösse der Isolation allein abhängig, da der Vernetzungsvorgang selbst bis
zur Erreichung eines bestimmten Vernetzungsgrades in der Isolation in Leiternähe
eine bestimmte Zeit benötigt.
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Hochspannungskabel der höheren Spannungsreihen im Bereich 60 - 150
kV mit Isolationen aus vernetztem Polyäthylen 2 haben Leiterquerschnitte von 400
bis 1000 mm und grösser, Leiterdurchmesser zwischen 25 und 50 mm und Isolationswandstärken
zwischen 10 und 30 mm. Erfahrungsgemäss tritt ein Abfliessen bzw. Abtropfen der
Isolation bei diesen Wandstärken bis zu einem Vernetzungsgrad von etwa 20% auf.
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Sobald die Isolation auch in Leiternähe einen höheren Vernetzungsgrad
erreicht hat, ist sie im allgemeinen formstabil genug, dass kein Abfliessen oder
Abtropfen mehr stattfindet. Die Verweilzeit für die Erreichung eines etwa 20%-igen
Vernetzungsgrades bei den obigen Kabeln
beträgt bei den üblichen
Fertigungsbedingungen mindestens 2 Min. Legt man dabei eine Fertigungsgeschwindigkeit
von etwa 1 m/Min. zugrunde, so ergibt sich eine Strecke von etwa 2 m nach dem Extruder,
auf der die Isolation durch Abfliessen bzw. Abtropfen vom Leiter eine Deformation
des Kabels verursacht.
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Um ein Abfliessen der Isolation auf dieser Strecke unmittelbar nach
dem Extruder zu vermeiden, sind verschiedene Lösungen verfahrens- bzw. anlagetechnischer
Natur bekannt: In der deutschen Offenlegungsschrift 23 57 984 wird beispielsweise
vorgeschlagen, die Isolation nach der Extrusion zunächst in einem Kühlbad kurzfristig
so abzukühlen, dass sie standfest genug ist, und diese erst dann der Vernetzungsstrecke
zuzuführen.
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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 normalerweise sind darüber der Isolationsextruder sowie in weiteren
Stockwerken darüber der Extruder für den Leiterschirm und ausserdem die Seilumlenkung
aufgestellt. Bekanntgeworden ist auch eine Turmanlage, bei der von unten nach oben
extrudiert wird und bei der die Vernetzungsstrecke senkrecht über dem Extruder angeordnet
ist. Die Vernetzungsstrecke wird bei dieser Ausführung mit Flüssigkeit gefüllt (deutsche
Offenlegungsschrift 15 40 606).
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Wegen der mit wachsender Höhe überproportional ansteigenden
Investitionskosten
ist bei Turmanlagen die Länge der Kühl- bzw. Vulkanisierstrecke auf 30 bis maximal
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 Durchgang- bzw. Kettenlinienanlagen 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, umso 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 vernetzter Polyäthylen-Isolation
in einer Schicht auf einer Durchhanganlage zu ermöglichen. Hierzu dient das erfindungsgemässe
Verfahren der eingangs erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine
unter Druck stehende Flüssigkeit verwendet wird, welche während des Vernetzungsvorganges
das Abfliessen bzw. Abtropfen der Isolation vom Leiter verhindert.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt,
der zur Durchführung des Verfahrens dienenden Einrichtung,
Fig.
2 einen Querschnitt durch einen deformierten, nicht auf dieser Einrichtung hergestellten
Leiter, und Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1.
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Eine nicht dargestellte 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 einem Arbeitsgang aufgebracht werden, und
von denen nur der Isolations-Extruder 1 dargestellt ist.
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Das aus dem letzteren kommende Kabel K, bestehend aus dem Leiter L,
dem Leiterschirm H und der noch heissen unvernetzten Isolation I wird durch eine
Rohrstrecke 2 der Kettenlinien-CV-Anlage geführt, in welcher es frei durchhängt
und von dem nur die Einlaufseite dargestellt ist. Anschliessend daran folgen weitere
nicht dargestellte Kühlbäder, in denen das Kabel bis auf Umgebungstemperatur heruntergekühlt
wird, im 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
unvernetzte Schmelze verlässt, hat sie das Bestreben, auf den heute üblichen Kettenlinien-Dampf-CV-Anlagen
auf einer Strecke von einigen Metern nach dem Extruder bis zum Erreichen eines Vernetzungsgrades
von ca. 20% vom leiterschirmummantelten 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. Um diesen selbsttätigen Abfliess- bzw. Abtropfprozess
wirksam zu unterbinden, wird nun im Vernetzungsteil der CV-Anlage, also in der Rohrstrecke
2, statt des üblichen Dampfes ein flüssiges, unter Druck stehendes Medium verwendet,
wie z.B. der Dampftemperatur entsprechendes Heisswasser oder eines der Medien, wie
sie im Schweizer Patent (Gesuch Nr. 986/75)*)vorgeschlagen sind. In der anschliessenden,
aus den erwähnten Kühlbädern bestehenden Druckkühlstrecke wird wie üblich mit Kaltwasser
bzw. einem Medium analog demjenigen im Vernetzungsteil gearbeitet.
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Weil das Kabel direkt ins flüssige Medium extrudiert wird, findet
kein Abfliess- bzw. Abtropfprozess statt, 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 Durchhanges ergibt.
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Die Isolation selbst gerät in einen schwebenden bis leicht schwimmenden
Zustand, da sie mit einer Dichte von ca.
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3 0,92 g/cm etwas leichter ist als Wasser oder eines der in der obgenannten
Patentschrift erwähnten Medien, deren Dichte beispielsweise bei einer Temperatur
von 1000C als unter 1,5 g/cm³ liegend beschrieben ist.
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Für den Grad der Verformung der Polyäthylen-Isolation auf der Strecke
zwischen Extruder und dem ersten Kühlbad sind in erster Linie die geometrischen
Abmessungen des Kabels massgebend. Die Grenze, ab der normalerweise mit einer Verformung
zu rechnen ist, lässt sich durch das Verhältnis D/dl bzw. S/dl ausdrücken und liegt
ungefähr bei D = 2 dl
bzw. S = dz/2. Dabei bedeuten: D = Durchmesser des fertigen Kabels
K dl = Durchmesser über dem Leiterschirm H S = Schichtdicke bzw. Wandstärke der
Isolation I.
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Die Flüssigkeit kann der leicht geneigten Rohrstrecke 2 über eine
Zuleitung 3 mit einem Ventil oder Absperrorgan 4 zugeführt werden. An der höchsten
Stelle der Rohrstrecke 2 befindet sich beispielsweise ein Steigrohr 5, das ebenfalls
ein Ventil oder eine Drosselstelle 6 aufweist und, nach Füllung und Entlüftung der
Rohrstrecke 2, während der Kabelfertigung ganz oder teilweise geschlossen ist.
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Vom Ueberlauf 7 gelangt die Flüssigkeit entweder in den nicht dargestellten
Ablauf oder zurück in den Flüssigkeitskreislauf.
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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.
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