DE2753866C3

DE2753866C3 - Nichtimprägnierte Isolationsschicht für elektrischen Strom führende Körper, insbesondere für elektrische Kabel, und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE2753866C3
Application number: DE2753866A
Authority: DE
Inventors: Alain Marcel Joseph Pau Herbreteau (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Francaise des Petroles SA
Current assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1980-10-09
Also published as: MX149123A; NO142976C; JPS5370385A; NL170994C; IT1088467B; NO774122L; DE2753866B2; NL170994B; AU514488B2; CA1118561A; NO142976B; NL7713280A; CH614552A5; AU3118177A; DE2753866A1; BR7708030A; AR214909A1; SE7713643L; US4271226A; DD135256A5

Description

Erweichungspunktes des Bandmaterials liegen und die Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 5 und 40⁰C unterhalb des Erweichungspunktes,

Die Orientierung der Folie, aus welcher das Band hergestellt wurde, erfolgt in konventioneller Weise vorzugsweise durch flaches, axiales Recken der Folie. Die axiale Streckung der Folie erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen Erweichungspunkt und Schmelzpunkt und insbesondere zwischen 100⁰C unterhalb ues Schmelzpunktes und dem Schmelzpunkt des eingesetzten Kunststoffes und mit einem Streckverhältnis (Ausgangslänge: gestreckte Länge) von 3 bis 7.

Obwohl die Wicklung kohäsiv, d.h. ohne daß das Band gleiten kann, erfindungsgemäß erfolgen soll, wird während des Bandwickelvorganges unvermeidlich Luft, ein dielektrisches Gas, zwischen den Schichten des Bandes in den sehr kleinen Spiralräumen, die zwischen den Bandschichten und den seitlichen Kanten des Bandes existieren, eingeschlossen. Diese Räume sind in der radialen Richtung der Isolationsschicht auf die Dicke des Bandes beschränkt Der Einschluß eines dielektrischen Gases innerhalb der Isolatbnsschicht ist somit unvermeidlich, jedoch nicht zwingend erforderlich für die dielektrischen Eigenschaften der Isolierung, welche erfindungsgemäß allein durch das Band gegeben sind. Jedoch können die Isoliereigenschaften der Bandschicht noch weiter durch die absichtliche Einführung eines dielektrischen Gases an den seitlichen Kanten der Bandschicht während oder nach dem Bandwickelvorgang erhöht werden. Die Wicklung kann also in einer solchen Gasatmosphäre durchgeführt werden oder ein solches Gas kann nach beendeter Wicklung aufgedrückt werden, so daß die sich zwangsläufig durch die Wicklung ergebenden Hohlräume wie oben geschildert mit einem dielektrischen Gas gefüllt werden.

Ein solches dielektrisches Gas kann ein beliebiges Gas oder eine Mischung verschiedener Gase sein. Als Beispiele geeigneter Gase seien genannt:

Luft N₂ SF„ CCI3F CCI₂F₂
CH3I CCU CHCl₃ CH₃COCl

CS₂

CCI₂COCI CHCl₂F CHCICCl₂ CH₂CI₂
CH₂ClCHCI₂ CH₃CI CH₃CHO
CH₂ClF CO CHCI₂CHCl₂ CH₃Br
CH₄ CH₂CICH₂Cl CH₃NO₂
CH₂CICH₂OH C₂F₆ CH₃COSH
CH₂CH₂C(CH₃)CH CH₂OH C₂CI₃F₃
BCl₃ SO₂ PCl₃ SOCI₂ SO₂CI₂ Cl₂
C₂H₅ONO₂ SH₂ C₄F₈ C₃F₈ C₂H₄
TiCl₄ HCOOCH₃ N₂O POCI₃
C₂H₂ C₂H₅NH₂ (CH₃J₂NH S₂CI₂
C₆H₅NO₂ (C₂Hj)₂O C₂H₅OH
CF₄ C₂H₅CI C_fiH_sCOCI (CH₃J₂C=CH₂ H₂ CO₂ O₂ CHCIF₂ C₂CIF₅
C₂CI₂F₄

Der für das Folienband verwendete Kunststoff kann ein geeignetes Homopolymerisat, Copolymerisat oder Terpolymerisat sein, z. B. stereoreguläre Homopolymerisate mit isotaktischem Charakter und der allgemeinen Formel (-CH₂-CHR-J_n, wobei R ein in Polymeren üblicher organischer Rest, ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom oder eine Hydroxygruppe sein Kann. Beispielsweise kann R einer der folgenden Reste sein.

H CH., CH₂-CH₃ CH=-CH, CH₂-CH₂-CH₃

CH₃ CH₁-CH

CH₃

/ CH₁-CH₁-CH

CH

CH₃

C-CH₃

CH₃

C(CH₃J₂-CH₂-CH₃

CH₂-. «

CH₃

CH,

CH₃

CH(CH₃)

(I

I OH

O C CH₁

Il ο

C O CH₁

CN

CO Nil,

Beispiele von anderen Homopolymerisate^ welche für die Folie verwendet werden können, sind:

Poly-(4,4'-diphenylenpropancarbonat)

aus der Gruppe der Polycarbonate;

Poly-(äthylenterephthaiat)

aus der Gruppe der Polyester;

Poly-(hexamethylenadipamid)

aus der Gruppe der Polyamide;

Poly-(oxyphenylen)

aus der Gruppe der Poly-(arylenoxide);

Polysulfone;

Polyvinylhalogenide;

Poly-(methylmethacrylat);

Poly-(tetrafluoräthylen);

Poly-(monochlortrifluoräthylen);

Poly-(vinylenchlorid);

Polyamid-6, Polyamid-6.6. Polyamid-6.10,

Polyamid-lOund Polyamid-11.

Bevorzugte Copolymerisate und Terpolymerisate für die Folie werden aus den Monomeren der zuvor genannten Homopolymerisate synthetisiert. Ein Beispiel eines Terpolymerisates, welches für die Folie verwendet werden kann, ist fluoriertes Äthylenpropylenterpolymerisat.

Die Polymerisate besitzen ein Gewichtsdurchschnittsmolekulargewicht von 200 000 bis 700 000 und vorzugsweise 350 000 bis 500 000 und ihr Polymolekularitätsindex beträgt 2 bis 10. Der Kristallinitätsgrad der Polymerisate Hegt zwischen 40 und 90%, vorzugsweise bei 50 bis 80%.

Das beachtliche durchschnittliche Molekulargewicht der Polymerisate und die starke Haftung der Moleküle bewirken, daß die Polymerisate zu Filmen verarbeitet und die Filme ohne RiSbüdung gestreckt werden können und so Folienbänder erhalten werden, die als »undurchlässig« bezeichnet werden können, d.h., daß

sie fehler- und rißfreie Filme ohne Hohlräume oder Poren darstellen. Diese fehler- und rißfreie, porenfreie Filme bedeuten, daß keine Hohlräume eingeschlossen sind. Die beachtliche Kristallinität der Polymerisate bewirkt, daß die Filme eine hohe Zugfestigkeit, Elastizität und dielektrische Stärke besitzen.

Das bevorzugte Kiinststoffmaterial ist isotaktisches Polypropylen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Band aus einer biaxial orientierten Folie aus isotaktischem Polypropylen hergestellt und weist folgende Merkmale auf:

Dicke

Gewichtsdurchschnilts-

molekulargewicht

Zugfestigkeit

in Längsrichtung

7 ttaff*Qt\a\r t*\i ——β·--·*ο**"-·*

in Querrichtung
Kristallinität

= 25 (im

= 430 000

= 140 N/mm-'

= 250N/mnV

= größer als 50%

Diese Folie besitzt eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit für Gleichstrom, wobei clic-e größer als 630 kV/mm ist. Zusätzlich besitzt sie eine niedrige Dielektrizitätskonstante von 2,2 und einen niedrigen Verlustfaktor in der Größenordnung von 2 χ 10 ■*.

Das Folienband wird auf den zu isolierenden Körper unter einem Zug aufgewickelt, der innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Bandes liegt. Beispielsweise kann ein Band aus pinem Film m<t einer Dicke von 25 μιη und einer Breite von 20 mm unter einem Zug von 500 Gramm aufgewickelt werden. Allgemein soll die Zugspannung nicht niedriger als 4 N pro mm² sein.

Das Ausmaß der Überlappung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten des Bandes wird in Abhängigkeit von dem Ausmaß der erforderlichen Isolation, d. h. der maximalen Spannung und dem maximalen Strom, die in dem Körper geführt werden sollen, variiert.

Falls eine weitere Kompaktierung der Schichten des Bandes zusätzlich zu der Wicklung des Bandes unter Spannung gewünscht wird, kann das Band während oder nach dem Auftrag auf den Körper erhitzt werden, so daß es geschrumpft wird. Im Fall eines Bandes aus isotaktischem Polypropylen wird das Band auf eine Temperatur zwischen etwa 10O⁰C und 135⁰C, die unterhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens liegt, erhitzt. Dieses Erhitzen der Polypropylenfolie besitzt den zusätzlichen Vorteil der Erhöhung des Kristallinitätsgrades des Materials.

Die erfindungsgemäße Isolationsschicht kann insbesondere jedoch nicht ausschließlich zur Herstellung von Hochspannungskabeln und Unterwasserkabeln verwendet werden.

Zur Herstellung eines Unterseekabels für eine sehr hohe Gleichstromspannung wird beispielsweise zunächst um einen leitenden Kern aus einem elektrisch leitfähigen Metall, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Aluminium mit einem Stahlträger oder Kupfer, eine wasserfreie Schicht aus Polyäthylen oder einem extrudierten Äthylen-Polypropylencopolymerisat oder einem anderen Material aufgebracht Hierauf wird dann die erfindungsgemäße Isolationsschicht aus einer Wickelschicht beispielsweise eines Folienbandes aus isotaktischem Polypropylen aufgebracht, und die erfindungsgemäße Isolationsschicht wird dann mit einer Schicht umgeben, die der den Kern umgebenden Schicht

ähnlich sein kann; hierauf folgt eine Abschirmung und ein Antikorrosionsschutz.

Die erfindungsgemäße Isolationsschicht besteht aus einer Vielzahl von übereinandergelegten Bandschichten, die eine Vielzahl von Polymerisat-Polymerisatgrenzflächen liefern, welche die Ausbildung von Strömen hemmen. Diese elektrischen Eigenschaften sind mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften verhüten, die sich aus der kompakten und daher kohärenten Art der Isolationsschichl ergeben. Dabei ist die Isolierung nicht von dem Einschluß eines elektrischen Gases oder Öls zur Herbeiführung einer ausreichenden Isolierung abhängig und besitzt daher eine größere Zuverlässigkeit als diejenige einer extrudierten synthetischen Isolierung einerseits oder einer konventionellen Bandwickelisolierung andererseits.

IO

Die Dicke der Isolierung kann variiert werden in Abhängigkeit von der nominellen Betriebsspannung des stromführenden Körpers. Die durch die zuvor beschriebene Isolationsschicht erreichte Isolierung kann für sehr hohe elektrische Spannungen und Belastungskapazitäten ausreichen, z.B. 500MW bis 1000 MW bei einem Potentialgradienten in dem Leiter von 80 kV/mm.

Wegen der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der Isolationsschicht kann ein mit einer solchen Isolationsschicht versehenes Kabel auf Tiefen von größer als 500 m untergetaucht werden.

Obwohl die Isolierung insbesondere für Hochspannungskabel und Unterwasserkabel geeignet ist, kann sie auch zur Isolierung von eine niedrigere Spannung führenden Kabeln, Erdkabeln, Telefonkabeln und sowohl für Wechselspannungskabel als auch für Gleichspannangskabel verwendet werden.

Claims

Patentansprüche;

1. Nichtimprägnierte Isolationsschicht in Form von aufgewickeltem Band aus einer biaxial gereck- "· ten Kunststoffolie aus einem Polymeren mit einer Dicke kleiner als 50μπι und einer Zugfestigkeit größer als 50N/mm², dadurch gekennzeichnet, daß das Folienband aus einem sterisch geordneten, isotaktischen Polymeren mit einem i<> Gewichtsdurchschnittsmolekulargewicht von 200 000 bis 700 000, einem Polymolekularitätsindex von 2 bis 10 und einem Kristallinitätsgrad von 40 bis 90% besteht und einen Elastizitätsmodul von 1750 bis 4500 N/mm² aufweist, und daß das Folienband ι "> unter einer Zugspannung von nicht weniger als 4 N/mm² und unterhalb der Elastizitätsgrenze des Bandes zur Erzielung einer kompakten Isolierschicht aufgewickelt worden ist.

2. Isolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch -« gekennzeichnet, daß es aus einem stereoregulären, isotaktischen Polymerisat der folgenden allgemeinen Formel besteht:

(-CH₂-CHR)_n r,

worin R eine der folgenden Bedeutungen besitzt: H CH₃ CH₂-CH₃ CH-CH₂ CH₂-CH₂-CHj

CHj

CH₃

/ CH₂-CH

/ CH₂-CH₂-CH

CH₃ ,CH₃

Vh₃

/ CH

CH₃

C-CHj \

CHj

C(CHj)₂-CH₂-CHj

CH₂ ^

CHj

4i

M)

und insbesondere aus Polypropylen.

3. Isolationsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Folien· bandes auf den Körper aufgeschrumpft worden ist.

4. Isolationsschicht nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Bandschichten an den seitlichen Kanten des gewickelten Folienbandes mit einem dielektrischen Gas gefüllt sind.

5. Verwendung der Isolationsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Hochspannungskabeln.

6, Verwendung der Isolationsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Unterwasserkabeln,

Die Erfindung betrifft eine nichtimprägnierte Isolationsschicht in Form von aufgewickeltem Band aus einer biaxial gereckten Kunststoffolie aus einem Polymeren in mit einer Dicke kleiner als 50 μπι und einer Zugfestigkeit größer als 50 N/mm² für elektrischen Strom führende Körper, insbesondere für elektrische Kabel und speziell für Hochspannungskabel, welche bei Oberlandleitungen und Unterwasserleitungen verwen- π det werden.

Die Isolierung von elektrischen Hochspannungskabeln, wie sie derzeit eingesetzt werden, umfaßt Bänder aus Cellulosepapier, weiche entweder mit einem viskosen Material ohne Aufdrücken von Gas (Kabef >n vom Festtyp) oder unter Aufdrücken von Gas (unter Gasdruck vorimprägnierte Kabel) vorimprägniert wurden oder vollständig mit einem OI geringer Viskosität unter Druck (Flüssigölkabel mit Innendruck) imprägniert wurden.

Die Isolierung auf Grundlage von mit viskosen Materialien imprägniertem Papier gibt die Möglichkeit für Kabel sehr hoher Spannung zur Überbrückung von großen Entfernungen, jedoch beschränkt das Verhalten einer solchen Isolierung, insbesondere elektrische und in thermische Überschläge, die Verwendung eines Kabels für 300 MW unter eine 300 kV nicht überschreitende Spannung.

Die Isolierung eines Ölkabels mit Innendruck ermöglicht den Transport von großen Energiemengen js unter sehr hoher Spannung, jedoch ist uie überbrückte Länge insbesondere bei Unterwasserverlegung unter Verwendung sines solchen Kabels durch die Anwesenheit und die unerläßliche Aufrechterhaltung des Öldruckes auf 60 km beschränkt Der Ersatz von Papier <to aus Cellulose durch ein synthetisches Papier oder eine Kunststoffolie ergibt keine Veränderung solcher Beschränkungen.

Darüber hinaus erfordern alle diese Kabeltypen eine absolut dichte, schwere, metallische Ummantelung, welche zusammen mit der Isolierung auf Basis von Papier aus Cellulose bislang die Tauchtiefe der Kabel auf ungefähr 500 m beschränken.

Dieser Stand der Technik ermöglicht daher nicht die Durchführung von unter zahlreichen Aspekten technisch und wirtschaftlich vorteilhaften Projekten zur Überbrückung langer Entfernungen mit Hilfe von Hochspannungskabeln von 400 kV und höher für hohe Energien von 400 MW und höher, und insbesondere von langen Unterwasserleitungen, welche Eintauchtiefen größer als 500 m bedingen. Solche Projekte könnten jedoch vorteilhaft mit einer Isolierschicht gelöst werden, welche keine Imprägnation mit einem viskosen Material oder einem flüssigeren öl unter Druck erfordern würde und als Folge hiervon keine schwere, absolut dichte, metallische Ummantelung erfordern würde.

Die Imprägnierung füllt die Poren der Bänder aus Papier aus Cellulose und/oder aus synthetischem Papier oder Kunststoffolie sowie die durch die Relativverschiebung der Bänder bei der durch die Handhabung und das An-Ort-und-Stelle-bringen des Kabels bedingten Deformationen der Isolierung übriggebliebenen Hohlräume auf. Tatsächlich basiert das Konzept jeder Isolierung mittels Bändern auf einer Theorie, welche die freie Verschiebung der Bänder bedingt, um das Auftreten einer jeden Heterogenität in der Isolierschicht bei Handhabungen, die z, B, eine Biegung des Kabels mit sich bringen, zu vermeiden.

Bei zahlreichen Arbeiten wurde daher eine nicht mit dielektrischem, viskosem Material oder dielektrischem öl imprägnierte Isolierung vorgesehen, d.h. eine massive Trockenisolierung. Die einzige bislang bekannte Arbeitsweise zur Herstellung hiervon besteht in einem Strangpressen eines synthetischen Polymerisates aus Polyäthylen. Obwohl dieses Auftragsverfahren des Polymerisates möglich erscheint, bewirkt das elektrische Verhalten einer nach einer solchen Arbeitsweise hergestellten, massiven Trockenisolierung insbesondere unter hoher Gleichspannung die Entwicklung von Lokalströmen, was im allgemeinen ein vorzeitiges, dielektrisches Zusammenbrechen der Isolierung mit sich bringt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine nichtitnprägnierte Isolationsschicht mit Massiveigenschaften für Kabel für sehr hohe Stromstärken unter sehr hoher Spannung, welche insbesondere bei lange Entfernungen überbrückenden Erdleitungen und Unterwasserleitungen verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Insbesondere ergibt eine solche erfindungsgemäße, nichtimprägnierte und quasi massive Isolationsschicht keine Relativverschiebung der Bänder gegeneinander> so daß die Einführung eines Imprägniermittels vermieden werden kann.

Die erfindungsgemäße Isolationsschicht weist die Vorteile der Massiveigenschaften von stranggepreßten Isolationsschichten auf, wobei jedoch die Entwicklung von lokalen Strömen durch die Einschaltung einer Vielzahl von wohldefinierten Grenzflächen, welche ebenso viele Diskontinuitäten in dem isolierenden Medium bilden, ausgeschaltet wird.

Das Folienband wird bei der erffedungsgemäßen Isolationsschicht in aufeinanderfolgenden, überlappenden Schichten um mindestens einen der isolierenden, stromleitenden Körper gewickelt Das Folienband soll an sich selbst haften, so daß die sich überlappenden und aufeinanderliegenden Schichten des Folienbandes aneinander haften. Zur Förderung der Hafteigenschaften des Bandes soll die Folie, aus der das Band hergestellt ist, vorzugsweise eine konstante Dicke und einen gleichförmigen Oberflächenzustand besitzen. Die Dicke des Folienbandes beträgt vorzugsweise 10 bis 25 Mikron. Wegen der Zugfestigkeit von größer als 50 N/mm² und des hohen Elastizitätsmoduls von 1750 bis 4500 N/mm² des Bandes kann es kohäsiv auf den Körper aufgewickelt werden, so daß die erhaltene Isolationsschicht fest zusammenhaltend ist. Außerdem verschieben sich die Bandschichten nicht relativ zueinander, wenn der Körper in Längsrichtung deformiert wird, z. B. wenn der Körper ein Kabel ist, welches auf eine Trommel aufgewickelt wird.

Das biaxial gereckte Folienband besitzt die Fähigkeit zum Schrumpfen. Falls die Kompaktierung oder Verdichtung der Isolationsschicht noch erhöht werden soll, kann daher dieses Band während oder nach der Wicklung auf den stromtragenden Körper erhitzt werden, so daß es auf den Körper aufschrumpft, wodurch die Kompaktierung oder Verdichtung der Schicht erhöht wird. Die Temperatur, auf welche das Band hierfür erhitzt werden muß. muß unterhalb des