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Verfahren zur Verbesserung der Durchschlegsfestigkeit einer
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aus Polyäthylen bestehenden Isolation eines Hochspannungskabels
Verfahren
zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit einer aus Polyäthylen bestehenden Isolation
eines Hochspannungskabels Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung
der Durchschlagsfestigkeit einer aus Polyäthylen bestehenden Isolation eines Hochspannungskabels
im Verlauf der Fertigung des Kabels. Es eignet sich sowohl fUr Isolationen aus vernetztem
wie auch aus solchem aus thermoplastischem Polyäthylen.
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Die Isolation eines Hochspannungskabels aus Polyäthylen wird mittels
eines Extruders auf den leiter, der entweder aus einem Xupfer- oder einem Aluminiu@seil
besteht und im allgemeinen mit einer halbleitenden Schicht als Leiterschirm versehen
ist, kontinuierlich aufgebracht. Die aufgebracht@ Isolation wird anschliessend auf
U@g@-bungstemperatur abgekühlt; soll sie aus
vernetztem Polyäthylen
bestehen, wird vorgängig noch die Vernetzung mittels bekannter Verfahren, vor allem
dem sog. Dampf-CV-Verfahren, durchgeführt. Auch die Abkühlung erfolgt auf bekannte
Weise; bei thermoplastischem Polyäthylen wird dieses durch eine aus mehreren einzelnen
Stufen bzw. Kühlbädern bestehende Kühlstrecke geleitet, während vernetztes Polyäthylen
unter Druck in dem von Wasser gefüllten Teil der Rohrstrecke (in dem mit Dampf gefüllten
Teil dieser Strecke findet die Vernetzung statt) unter Druck abgekühlt wird.
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Selbst unter optimalen Fertigungsbedingungen ist es bei Isolationen,
ob sie nun aus vernetztem oder thermoplastischem Polyäthylen bestehen, nicht völlig
auszuschliessen, dass in der Isolation gewisse Fehlstellen wie Blasen, Vakuolen,
Lunker, Hohlräume oder Verunreinigungen auftreten. Ein Teil der Fehlstellen kann
bei der Extrusion entstehen, obwohl die Ursache durchaus beim Material liegen kann,
z.B. Feuchtigkeit, Oxydation, Degradation, angesprungene Teile und Verunreinigungen.
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Je nach ihrem Ausmass können solche Fehlstellen im Betrieb unter dem
Einfluss der hohen elektrischen Feldstärken Ionisationserscheinungen im Polyäthylen
hervorrufen, wodurch dieses dann örtlich allmählich abgebaut wird, was schliesslich
zu einem Durchschlag in der Isolation führt. Bei vernetztem Polyäthylen tritt zusätzlich
die allgemein bekannte, meist kranzförmige Anhäufung von unzähligen mikroskopisch
kleinen Blasen im Mikrobereich auf, die dem Fachmann als Hilchstrassew oder wWolkennebel
bekannt ist und die erst nach einer gewissen Lagerungszeit wieder verschwindet,
wobei allerdings nur die Erscheinung der Bläschen optisch -verschwindet, verursacht
durch das Entweichen des Wassers bzw. Wasserdampfes, wohingegen die Bläschen selber
in der Isolation bestehen bleiben.
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Die Qualität eines Kabels, wie sie durch seine zu erwartende Lebensdauer
gekennzeichnet ist, ist daher umgekehrt proportional
zur Anzahl
und Grösse der enthaltenen Hohlräume und Einschlüsse in der Isolation. Ausserdem
liegt es auf der Hand, dass, je höher die Betriebsspannung ist, desto grösser die
an das Kabel gestellten Anforderungen hinsichtlich Blasen- und Verunreinigungsfreiheit
sind. Bei einer auf einem hohen Fabrikationsniveau stehenden Hochspannungskabelproduktion
sind diese Fehler nahezu vollständig eliminiert. Völlig ausschliessen lassen sie
sich jedoch höchstens bei relativ kurzen, unter Laborbedingungen hergestellten Kabeln,
nicht jedoch be einer im technischen Massstab betriebenen industriellen Fertigung.
Im allgemeinen werden daher die Hochspannungskabel vor ihrer Auslieferung neben
weiteren Qualitätskontrollen auch einer Spannungsprüfung unterzogen, bei welcher
vorhandene Fehlstellen im Kabel zum Durchschlag führen. Da die Durchschlagsstellen
nicht repariert werden können, zählen Kabel mit einem Durchschlag zum Ausschuss.
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Um den letzten Rest an unvermeidbaren Fehlstellen in der Kabelisolation
unschädlich zu machen und die schädlichen Auswirkungen der Ionisation zu unterbinden,
wurden verschiedene Lösungen aufgezeigt.
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Bei vernetztem Polyäthylen wurden verschiedene verbesserte Vernetzungsverfahren
vorgeschlagen. Eine einfache Lösung ist ferner die Imprägnierung der Isolation mit
Imprägnierölen, Imprägniermassen oder inerten Gasen. Hierzu sind jedoch wieder besondere
Fertigungsmassnahmen notwendig, welche die Vorteile des Kunststoffkabels gegenüber
den herkömmlichen Kabeln zum Teil wieder aufheben. In neuester Zeit ist auch vorgeschlagen
worden, dem die Durchschlagsfestigkeit der Isolation herabsetzenden Einfluss durch
Verwendung besonderer Medien, die unter dem Begriff ~Spannungsstabilisatoren' bekannt
sind, entgegenzuwirken, hauptsächlich bei thermoplastischem
Polyäthylen.
Auch bei vernetztem polyäthylen wurde dieser Vorschlag schon gemacht. Diese Spannungsstabilisatoren
werden gemäss einem Verfahren in Form von Imprägniermitteln auf das fertige Kabel
aufgebracht, wobei es sich beispielsweise um Stoffe auf der Basis polymerisierbarer
Derivate aromatischer oder sonstiger zyklischer Verbindungen handelt. Als polymerisierbare
Verbindungen finden vor allem ungesättigte aromatische Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise
Styrol, Verwendung, denen üblicherweise Beschleuniger und/oder Katalysatoren beigegeben
sind. Das Imprägniermittel kann dabei entweder durch Eindiffundieren von aussen
in die fertige Isolation oder durch Einsaugen durch den Leiter des Kabels in die
Isolation eindringen; im letzteren Fall polymerisiert das vorzugsweise verwendete
Styrol nach der Diffusion in das Polyäthylen und füllt dabei auch Hohlräume aus.
Das zuletzt genannte Vorgehen wird als nachträgliches UAusstopfenfl von Fehlstellen
der extrudierten Polyäthylenisolation bezeichnet.
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Spannungsstabilisatoren können aber auch direkt dem Polyäthylen zugegeben
werden. Als Spannungsstabilisatoren haben sich vor allem ar6matisch-organische Verbindungen
wie z.B. 2-Nitro-Diphenylamin, Acetophenon, O-Nitroanisale, #-Brozno-Naphtalin,
Anthracen, Acenaphtalin und andere bewährt, die dem Polyäthylen in Anteilen von
ca. 0,2 bis 2% zugegeben werden. Die Zugabe kann auf die gleiche Art erfolgen wie
sie von der Beimischtechnik für Additive, Pigmente, Peroxyde etc. bei Kunststoffen
allgemein bekannt ist, so z.B. durch Beimengung zum Rohmaterial. Auch die Beigabe
unmittelbar vor der Extrusion ist bekannt.
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Allen diesen Verfahren haften jedoch Nachteile an. Beim Aufbringen
auf den fertigen Leiter können die Stabilisatoren nur noch in die festen Körper
eindiffundieren (sog. Festkörperdiffusion). Zwar werden die schädlichen Wirkungen
der Blasen
und sonstigen Hohlräume schliesslich aufgehoben; andere,
die Durchschlagsfestigkeit herabsetzende Fehlstellen wie z.B. Verunreinigungen im
Polyäthylen bleiben jedoch davon unbeeinflusst. Beim Zugeben von Spannungsstabilisatoren
vor oder während der Extrusion muss in Betracht gezogen werden, dass im Extruder
eine weitgehend homogene Verteilung der Spannungsstabilisatoren erfolgt, andererseits
aber in der Kunststoffschmelze zu jenem Zeitpunkt noch wenig oder gar keine Hohlräume
vorhanden sind, da sich diese zum grössten Teil erst nachher bilden, vor allem bei
der Vernetzung, aber auch bei der Abkühlung. Die Wirkung der Spannungsstabilisatoren
wird dadurch weitgehend herabgesetzt.
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Die Erfindung bezweckt nun, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren
zu schaffen, bei welchem die Zugabe von Mitteln zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit
der Isolation annähern zu demjenigen Zeitpunkt während der Herstellung des Kabels
erfolgt, in welchem sich die meisten Fehlstellen bilden, wobei sie aber von den
Medien noch am ehesten erreicht werden.
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Dieses Verfahren zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit einer
Isolation eines Hochspannungskabels, welche mittels eines Extruders auf den Leiter
des Kabels aufgebracht und anschliessend daran weiter behandelt wird, ist erfindungsgemäss
dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation unmittelbar nach der Extrusion mit einem
Medium behandelt wird, welches mindestens zum Teil aus einem Stoff besteht, der
ein Hineindiffundieren des Mediums in die von der Extrusion her noch plastische
Isolation bewirkt und dadurch deren Durchschlagsfestigkeit erhöht.
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Handelt es sich bei der Isolation um eine, bei welcher das Polyäthylen
anschliessend an die Extrusion vernetzt wird, so wird mit Vorteil ein Medium gewählt,
das sämtliche Funktionen bei dieser Art von Kabelherstellung ausführt, nämlich ausser
der
Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit auch die Vernetzung durch Wärmezufuhr und die
anschliessende Kühlung, wobei die Vernetzung im Temperaturbereich von 180 - 2800C
und bei Drücken zwischen 2 - 26 at stattfindet.
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Die Vernetzung geschieht unter Druck, was neben der relativ hohen
Temperatur, bei welcher sich diese Variante dieses Verfahrens abspielt, eine weitere
Beschleunigung des Eindiffundierens des die Durchschlagsfestigkeit erhöhenden Stoffes
in die Isolation mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Medium
wasserfrei ist; bei den bisher üblichen Verfahren wurden Wasser und Wasserdampf
verwendet. Da es sich bei den gleichzeitig die Durchschlagsfestigkeit verbessernden
Wärmeübertragungsmitteln um bei Betriebstemperatur flüssige Medien handelt, können
auf entsprechend ausgerüsteten Kettenlinien-CV-Anlagen auch Kabel für höchste Spannungen
mit besonders dickwandigen Isolationen hergestellt werden, was bei den bisher bekannten
Verfahren nur mit den sehr aufwendigen Turmanlagen,#bei welchen vertikal extrudiert
wird, möglich war und auch dort nur unter relativ unwirtschaftlichen Bedingungen.
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Bei den eingesetzten Wärmeübertragungsmitteln handelt es sich ausnahmslos
um hochsiedende Medien. Dadurch können Vernetzungstemperatur und -druck unabhängig
voneinander gewählt werden, was beispielsweise bei Dampf nicht möglich ist, wo Temperatur
und Druck voneinander abhängige Grössen sind. Da Wärmezufuhr und Druckeinwirkung
für unterschiedliche Vorgänge bei der Vernetzung benötigt werden, ist es durchaus
sinnvoll, sie separat zu optimieren. Die Wärmezufuhr einerseits wird benötigt, um
die Isolation von der Extrusions- auf die Vernetzungstemperatur anzuheben und auf
dieser bis zur Beendigung des - Vernetzungsprozesses zu halten. Je höher dabei diese
Temperatur ist, desto rascher erfolgt die Temperaturanhebung der Isolation und damit
der Vernetzungsvorgang. Erstrebenswert ist deshalb aus wirtschaf tlichen Grunde
eine ~möglichst hohe Vernetzungstemperatur,
welche von der Degradationsgrenze
des Materials gerade noch weit genug entfernt ist, um eine sichere Fertigung zu
gewahrleisten.
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Eine drucklose Vernetzung von Polyäthylen mit Peroxyden unter Temperatureinwirkung
würde jedoch praktisch zu einer unkontrollierten Schaumisolation führen, d.h. es
würde sich nicht nur die erwähnte "Milchstrassez in Form eines Kranzes feinster
Blasen einstellen, sondern die gesamte Isolation wäre vollständig mit mehr oder
minder grossen Blasen durchsetzt und damit für Hochspannungskabel unbrauchbar (wie
übrigens für die meisten übrigen Kabeltypen auch). Um eine blasenfreie Isolation
aus vernetztem Polyäthylen zu erhalten, ist es daher unerlässlich, sowohl den eigentlichen
Vernetzungsvorgang wie die anschliessende Abkühlung unter Druck stattfinden zu lassen.
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Der anzulegende Mindestdruck ist temperaturabhängig.
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Um den Vorteil der getrennten Optimierung von Temperatur und Druck
zu verdeutlichen, sei ein Beispiel genannt: Mit dem vorliegenden Verfahren wäre
es ohne weiteres möglich, die Vernetzung bei einer Temperatur von 2800C und einem
Druck von 10 at vorzunehmen. Wollte man beispielsweise bei Dampf eine Vernetzungstemperatur
von 280 0c realisieren, so wäre dazu ein Druck von 65 at erforderlich, wollte man
nicht zu der hier unwirtschaftlichen und problematischen Lösung des überhitzten
Dampfes greifen. So hohe Betriebsdrücke würden jedoch die Anlagekosten rapid in
die Höhe treiben. Normale Vernetzungsanlagen für diese Zwecke sind für Drücke bis
max. etwa 26 at gebaut. Dies bedeutet jedoch bei Anwendung von Wasserdampf eine
Begrenzung der Vernetzungstemperatur auf max. 2250C.
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Soll das erfindungsgemässe Verfahren für eine Isolation aus thermoplastischem
Polyäthylen angewendet werden, welches nach der Extrusion in mehreren Stufen abgekühlt
wird, so wird mit
Vorteil die erste Stufe bei einer Temperatur
im Bereich von 100 0C bis zur Eintrittstemperatur der in diese Stufe eintretenden
Isolation unter Verwendung eines gleichzeitig die Durchschlagsfestigkeit erhöhenden
Kühlmittels betrieben.
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Diese Variante des Verfahrens ist vor allem bei Kabeln für höhere
Spannungen, also etwa ab 60 kV Nennspannung, interessant.
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Die von den angestrebten Abkühlbedingungen in der ersten Stufe, d.h.
im ersten Kühlbad sehr langsamen Fertiqungsgeschwindigkeiten begünstigen das vorliegende
Verfahren, weil dadurch für diese Kabel eine ausreichend grosse linprägnierzeit
vorhanden ist. Die für das erste Kühlbad mit einer Länge von 60 m und für die erwähnten
Kabel mit einer durchschnittlichen Fertigungsgeschwindigkeit von 1 m/Min. gerechnet
werden kann, so ergibt sich eine Imprägnierzeit in der Grössenordnung von 1 Std..
Für Kabel kleinerer Spannungsreihen (10, 20, 30 kV) stellen sich aufgrund der wesentlich
höheren Fertigungsgeschwindigkeiten entsprechend kleinere Durchlaufzeiten im ersten
Kühlbad ein.
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Auf jeden Fall unterstützen die Temperaturveriiltnisse im ersten Kühlbad
die Diffusions- und Penetrationsvorgänge im Polyäthylen sehr wesentlich. Kann doch
davor atisgegangen werden, dass die Isolation mit annähernder Extrusionstemperatur,
die etwa bei 200°C Liegt, in das erste Kühlbad eintritt, dessen Temperatur selbst
bei ca. 100 0c liegt. Die Polyäthylenisolation, die zunächst als thermoplastische
Schmelze vorliegt, wird während des Durchlaufens des ersten Kühlbades allmählich
auf dessen Temperatur abgekühlt und verfestigt sich dabei, sobald sie unterhalb
des Kristallitschmelzpunktes von 1070C gerät. Die Bedingungen sind sehr günstig
für eine rasche Penetration, ist doch bekannt, dass die Permeabilität des Polyäthylens
stark temperaturabhängig ist und bei einer (mittleren hier vorherrschenden) Temperatur
von v<>n a. 150°C etwa.
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3 Zehnerpotenzen grösser ist als beispielsweise bei 200C.
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Dabei liegt die Durchlässigkeit des Polyäthylens (bei 20 0C) für die
hier vorzugsweise zum Einsatz kommenden Medien auf der Basis aromatischer, aliphatischer
oder cycloaliphatischer Kohlenwasserstoffe bereits um 3 Zehnerpotenzen höher als
z.B.
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diejenige für Wasser.
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Der grundsätzliche Vorteil beider Varianten des erfindungsgemässen
Verfahrens besteht darin, dass die die Durchschlagsfestigkeit der Isolation verbessernden
Medien erst nach der Extrusion durch Eindiffundieren der Polyäthylenisolation zugeführt
werden, entweder bei der Vernetzung oder bei der Abkühlung im ersten Kühlbad. Dadurch
wird nämlich ein sofortiges, mehr oder minder vollständiges Füllen bzw. "Ausstopfen"
der Blasen, Vakuolen und Lunker erzielt, was beispielsweise bei einer Zugabe dieser
Spannungsstabilisatoren vor oder während der Extrusion nicht möglich ist, da einerseits
im Extruder eine weitgehend homogene Verteilung der Spannungsstabilisatoren erfolgt
und zudem die genannten Hohlräume zum grössten Teil im Verlaufe des Extrusionsprozesses
entstehen (wenn ihre Ursachen auch möglicherweise im Material selber liegen: Feuchtigkeit,
Oxydation, Degradation, Verunreinigungen etc.). Die Vorteile gegenüber dem erwähnten
nachträglichen Ausstopfen des fertigen Kabels liegen auf der Hand. Aber auch sonst
weist das Verfahren noch einige maschinen-und fertigungstechnischen Vorzüge auf,
welche im wesentlichen darauf zurückzuführen sind, dass es, von vorhandenen Fertigungseinrichtungen
ausgehend, lediglich den Austausch des Kühlmediums gegen ein geeignetes Material
verlangt und mit einigen zusätzlichen konzeptionellen Aenderungen der Anlage ohne
grossen zusätzlichen Aufwand zu realisieren ist, wohingegen die andernfalls je nach
angewandter Methode benötigten Aggregate zur Dosierung und Beimischung der Spannungsstabilisatoren
sowie die Imprägnierkessel und -einrichtungen wegfallen. Auch erübrigt sich die
Verwendung verschiedener Polyäthylentypen (spannungsstabilisiert und nichtspannungsstabilisert).