DE2732484A1 - Verfahren zur verbesserung der durchschlagsfestigkeit einer aus polyaethylen bestehenden isolation eines hochspannungskabels - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der durchschlagsfestigkeit einer aus polyaethylen bestehenden isolation eines hochspannungskabels

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DE2732484A1 DE19772732484 DE2732484A DE2732484A1 DE 2732484 A1 DE2732484 A1 DE 2732484A1 DE 19772732484 DE19772732484 DE 19772732484 DE 2732484 A DE2732484 A DE 2732484A DE 2732484 A1 DE2732484 A1 DE 2732484A1
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Description

  • Verfahren zur Verbesserung der Durchschlegsfestigkeit einer
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der anzulegende Mindestdruck ist temperaturabhängig.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Variante des Verfahrens ist vor allem bei Kabeln für höhere Spannungen, also etwa ab 60 kV Nennspannung, interessant.
  • 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.
  • 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.
  • 3 Zehnerpotenzen grösser ist als beispielsweise bei 200C.
  • 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.
  • diejenige für Wasser.
  • 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).

Claims (7)

  1. Patentansprüche 9 Verfahren zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit einer aus Polyäthylen bestehenden Isolation eines Hochspannungskabels, welche mittels eines Extruders auf den Leiter des Kabels aufgebracht und anschliessend daran weiterbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation unaittelbar 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, für eine Isolation aus Polyäthylen, welches nach der Extrusion vernetzt und anschliessend daran gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein wasserfreies Medium gewählt wird, welches ausser der Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit auch die Vernetzung durch wärmezufuur und die anschliessende Kühlung des Polyäthylens bewirkt, wobei die Vernetzung im Temperaturbereich von 180 - 28asc und bei DrUcken zwischen 2 - 26 at stattfindet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, für eine Isolation aus thermoplastischer Polyäthylen, welches nach der Extrusion in mehreren Stufen abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe bei einer Temperatur im Bereich von 1000C bis zur Eintrittstemperatur der in diese Stufe eintretenden Isolation unter Verwendung eines gleichzeitig die Durchschlagsfestigkeit erhöhenden KUhlrittels betrieben wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungs- und Kühlmittel verwendet wird, das folgende Eigenschaften aufweist: a) einen Siedepunkt bei 760 mm Hg von über 300°C, b) eine Dichte von weniger als 1,5 g/cm3 bei 1800C, c) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,10 r 0,50 kcal/m.h.°C zwischen 180 - 2800C, d) eine spezifische Wärme von 0,30 - 0,90 kcal/kg.OC zwischen 180 - 2800C, e) eine kinematische Zähigkeit von weniger als 50 c St bei 1800C, f) einen Schmelzpunkt unter 1500C, g) eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1,5 - 100, und h) einen dieleketrischen Verlustfaktor (tan{) zwischen 0,0001 und 0, 1 bei 50 Hz.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium verwendet wird, das folgende Eigenschaften aufweist: a) einen Siedepunkt bei 760 mm Hg von über 1500C, b) eine Dichte von unter 1,5 g/cm3 bei 1000C, c) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,10 - 0,50 kcal/m.h.0C bei 1000C, d) eine spezifische Wärme von 0,30 - 0,90 kcal/kg.°C bei 1000C e) eine kinematische Zähigkeit von weniger als 50 c St bei 1000C, f) einen Schmelzpunkt unter 50°C, g) eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1, 5 - 100, und h) einen dielektrischen Verlustfaktor (tan {} von 0,0001 - 0,1 bei 50 Hz.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungs- bzw.Küh@medium auf der Basis aromatischer, aliphatischer oder cycloaliphatischer Kohlenwasserstoffe verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche1 dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeübertragungs- bzw. Kühlmedi# spannungsstabilisierende Zusätze in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.% beigegeben werden.
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