DE2709344C2 - Isoliermaterial für Hochspannungskabel und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Isoliermaterial für Hochspannungskabel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es ist bekannt, zur Isolierung von Kabeln mit Spannungen von 20 bis 225 kV den zentralen Leiter mit einer dicken Polyäthylenhülle geringer Dichte zu umgeben. Dieses Material hat in der Tat verschiedene Vorteile, wie z. B. eine gute dielektrische Festigkeit, einen großen Isolierwiderstand, schwache dielektrische Verluste, einen annehmbaren mechanischen Widerstand und eine ausreichende Verformbarkeit, und kann gut in einem Extrusionsprozeß verarbeitet werden ohne Homogenitätsverlust beim Abkühlen. Seine Dichte liegt allgemein unter 0.930. Es unterscheidet sich vom Polyäthylen »hoher Dichte« (höher als 0,95), das bei niedrigerem Druck synthetisiert wird, und aus dem Teile großer Dicke im Extrusionsverfahren schwieriger herstellbar sind; außerdem entstehen leicht Risse, an denen sieh Kurzschlüsse ausbilden können.

Nur das Extrusionsverfahren erlaubt es auf wirtschaftliche Weise, aus Körnern von Rohmaterial den zentralen Leiter mit einer homogenen isolierenden Hülle zu umgeben. Dabei ist es notwendig, daß die Materialkörnchen sich erweichen lassen bei einer genügend niedrigen Temperatur, um eine homogene Masse zu bilden, ohne daß ein Bruch der Molekülketten erfolgt Nachfolgend wird der Begriff »extrudierbares Material« für ein Material verwendet, mit dem es möglich ist, in einem industriellen Verfahren durch Extrusion eine Hülle von mindestens 1 cm Dicke um einen zentralen Leiter von 4 cm Durchmesser ohne Rißbildung nach dem Abkühlen herzustellen. Es ist besonders wichtig beim Transport von Hochspannungsenergie, daß das Risiko von Fehlern wie Blasen oder Rissen extrem gering ist, weil Kurzschlüsse sich nun einmal am schwächsten Punkt des Kabels ereignen. Dieser Fall ist von dem der Fernmeldekabel zu unterscheiden, die nicht dazu bestimmt sind, hohe Spannungen zu übertragen, sondern bei denen möglichst geringe dielektrische Verluste erwünscht sind. Ein einziger Rißansatz in der Isolierung eines Hochspannungskabels kann dazu führen, dieses außer Betrieb zu setzen, während ein solcher Riß in einem Fernmeldekabel kaum stören kann.

Es ist auch einfacher, das Auftreten von Rissen im Isoliermaterial eines Kabeis bei der Verarbeitung zu vermeiden, ein Risiko, das von einer zu großen Viskosität stammt, wenn die Makromoleküle, die die starke Viskosität dieses Materials hervorrufen, mit einem genügenden Anteil von kurzen Molekülketten wie z. B.

ölen und Wachsen auf der Basis von Polyäthylen versehen sind, die mit Äthanol entfernt werden können. Hierzu wird auf die Veröffentlichung von Nobuyuki Nakajima und Patrick S. L Wong, »Steady state melt flow behaviour of polyethylene blends«, Transactions of the Society of Rheology, Vol. 9, Nr. 1 (1965), Seiten 3 bis 11 hingewiesen, die den Einfluß von Polyäthylen niedrigen Molekulargewichts auf die Viskosität des Materials in geschmolzenem Zustand zeigt.

Mit bekannten Materialien zur Isolierung von Hochspannungskabeln erhält man eine hohe Spannungsfestigkeit bei einer Dicke von 10 bis 20 mm. Der Raumbedarf, das Gewicht und der Preis steigen mit der Dicke des Isoliermaterials. Außerdem würde bei Spannungen über 200 kV eine zu starke Dicke des Isoliermaterial"-die erwünschte Biegsamkeit beeinträchtigen, die für das Aufrollen des Kabels auf eine Kabeltrommel und das unterirdische Verlegen benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Isoliermaterial für Hochspannungskabel anzugeben, das bei gleicher elektrischer Spannung eine Verminderung der Dicke der Isolierhülle erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch das Isoliermaterial gelöst, das im Anspruch I gekennzeichnet ist.

Unter »Behandeln« versteht man den Entzug von Polyäthylen niedrigen Molekulargewicht. Das behandelte Material besteht aus Polyäthyienkörnchen.

Jas Lösungsmittel, das z. B. aus Diäthyloxid oder aus Äthanol bestehen kann, wird so gewählt, daß nur das Polyäthylen sehr niedrigen Molekulargewichts entfernt wird.

Das Entfernen dieses Polyäthylens vollzieht sich während mehrerer Stunden nach dem Gegenstromprinzip im Dampf des Lösungsmittels bei einer Temperatur, die leicht über dem Taupunkt liegt, in einem Inertgasstrom und unter Lichtabschluß. Das Abkühlen der Körnchen erfordert dieselben Vorsichtsmaßnahmen.

Die Körnchen werden dann mehrere Stunden lang unter geringem Druck (0,01 bis zu einigen mbar) bei einer Temperatur zwischen 60 und 90° C getrocknet, Nach dem Trocknen unter Vakuum werden die Körnchen im inertgas bei Umgebungstemperatur und im Dunkeln aufbewahrt. Bestimmte Zusätze (Oxidationshemmer) können vor der Trockenphase oder während

des Extrusionsvorgangs hinzugefügt werden.

Nachfolgend werden die Eigenschaften des Materials, das bisher zur Herstellung von Hochspannungskabeln verwendet wurde, beschrieben. Es ist ein Polyäthylen geringer Dichte.

— Seine Dichte beträgt d= 0320.

— Sein Anteil an durch Behandeln mit Äthanol entfernbaren Bestandteilen liegt mindestens bei 800 ppm.

— Sein Anteil an Oxidationshemmern DPPD (Ν,Ν'-DiphenyI-paraphenyIdiarnin) beträgt 500 ppm.

— Seine Viskosität im geschmolzenen Zustand ist so, daß mit einem bestimmten Extrusions-Meßgerät dessen Schraube einen Durchmesser von 19 mm/ 25D besitzt, bei einem Verdichtungsgrad von 3 bis 30 t/min das an die Schraube angelegte Drehmoment 2500 gm beträgt, wenn ein Temperaturprofil vom Trich.!?«- zur Extrusionsdüse von 170 bis 205⁰C vorliegt

Seine elektrischen Eigenschaften bei Wechselstrom von 50 Hz sind die folgenden:

— Stoßspannungssicherheit: 77 kV/mm. Diese Festigkeit wird auf feinen gezogenen Plättchen von 03 mm Dicke gemessen, wobei sie zwischen Messingelektroden in einem isolierenden Öl gehalten werden. Der Krümmungsradius des Randes der oberen Elektrode beträgt 3 mm. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beträgt 2,15 VNIs.

— Die Lebensdauer übersteigt n-.jht 38 Stunden in einem 20 kV-Versuch mitüner ebenen und einer Nadelelektrode mit einer Nadel, t ;ren Durchmesser 2 mm. deren Radius an der Spitze 5 Mikron und deren Spitzenwinkel 30° beträgt; die Entfernung zwischen Spitze und ebener Elektrode beträgt 10 mm.

Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Demnach verwendet man das bereits bekannte Material, aber man unterzieht es vor dem Extrudieren einer Behandlung, um das Polyäthylen niedrigen Molekulargewichts unter den oben beschriebenen Bedingungen zu entfernen. So erhält man ein Polyäthylen einer fast unveränderten Dichte d = 0520, das aber praktisch kein Polyäthylen niedrigen Molekulargewichts mehr enthält. Unter gleichen Meßbedingungen wie oben ist seine Viskosität so, daß das auf dem Extrusionsmeßgerät gemessene Drehmoment 2800 gm beträgt. Seine Stoßspannungssicherheit beträgt 84 kV/ mm und seine Lebensdauer bei einem Versuch mit einer ebenen und einer Nadelelektrode beträgt im Mittel 48 Stunden. Andere Arten von Polyäthylen können gemaß <Jer Erfindung nach dem Behandeln unter analogen Bedingungen verwendet werden.

Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet man ein für die Isolierung von Fernmeldekabeln schon bekanntes Ausgangsmaterial, dessen dielek-Irischer Verlustwinkel geringer als 70 Mikroradianten bei 30MHz ist. Während mandiesem Material bisher etwa 600 ppm eines üblichen Oxidationshemmers hinzufügte, ist es empfehlenswert, als Oxidationshemmer hier Ν,Ν'-Diphenyl-paraphenyldiamin oder ähnliches zu wählen.

Dieser Oxidationshemmer wird im allgemeinen wegen seiner spanriungsstabilisierenden Wirkung bei Kabein verwendet, das heißt, weil er teilweise die elektrischen Oberschläge verhindert, die bei eventuellen Fehlern im Innern des Isoliermaterials entstehen können. Er wird in einem Anteil zwischen 200 und 2000 Gewichtsteilen pro Million (ppm) verwendet

Das nach dieser zweiten Ausführur.gsform der Erfindung verwendete Grundmaterial ist ein Polyäthylen niedriger Dichte mit den folgenden Eigenschaften, wobei man immer die gleichen Meßbedingungen beibehält:

Seine Dichte beträgt d = 0527. Es enthält nur 300 ppm Polyäthylen, das durch Behandeln unter den vorgenannten Bedingungen entfernt werden kann. Seine Viskosität ist so, daß das auf dem Extrusionsmeßgerät gemessene Drehmoment 2800 gm beträgt Seine Stoßspannungssicherheit beträgt 93 kV/mm. Seine Lebensdauer bei einem Versuch mit einer spitzen und einer ebenen Elektrode beträgt mindestens 64 Stunden.

Allgemein gesagt wurde herausgefunden, daß die Wahl eines Polyäthylens mit geringerem Gehalt an niedrigerem Molekulargewicht als bisher bekannt eine deutliche Verringerung der Isolationsdicke in Hochspannungskabeln erlaubt In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß im Gegensatz zu den Befürchtungen der Spezialisten die Isolationsqualität der mit diesen Materialien hergestellten Hüllen nicht durch Risse beeinträchtigt wird.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Isoliermaterial für Hochspannungskabel aus extrudierbarem Polyäthylen mit einer Dichte unter 0,930, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Polyäthylens niedrigen Molekulargewichts kleiner als 600 Gew.-ppm ist

2. Isoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dichte höher als 0325 und der Anteil des Polyäthylens niedrigen Molekulargewichts kleiner als 400 Gew.-ppm ist.

3. Isoliermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen dielektrischen Verlustwinkel besitzt, der niedriger als 70 Mikroradianten bei 30 MHz ist

4. Isoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein die Oxidation hemmendes und ein die Spannung stabilisierendes Material enthält.

5. Isoliermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oxidation hemmenden und die Spannung stabilisierenden Materialien aus N, N'-Diphenyl-Paraphenyldiamin in einem Verhältnis von zwischen 200 und 2000 Gew.-ppm bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Isoliermaterials für Hochspannungskabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Polyäthylen mit einer Dichte unter 0,930 und mit einem Anteil von mehr als 600 Gew.-ppm von Polyäthylen mit geringem Molekulargewicht als Ausgangsmaterial verwendet wird und dieses mit einem Lösungsmittel behandelt wird, so daß das Polyäthylen geringen Molekulargewichts zumindest teilweise entzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandeln im trockenen Dampf von Äthanol oder Diäthyloxid als Lösungsmittel erfolgt