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Verfahren zur herstellung einer von wasserlöslichen und/oder
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hygroskopischen Salzen weitgehend freien Isolierung für elektrische
Kabel Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer von
wasserlöslichen und/oder hygroskopischen Salzen weitgehend freien Isolierung für
elektrische mittels oder Hochspannungskabel aus durch bei der Extrusion durch Aufschmelzen
eine homogene Nasse bildenden Polymerteilchen, etwa auf Basis vernetzbarer oder
unvernetzbarer Polymere oder deren Copolymere, wie Polyolefine oder Polyolefinmischpolymerisate,
Elastomere oder thermoplastischer Kautschuke, allein oder in Kombination, sowie
üblicher Zusätze.
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In den letzten Jahren sind zahlreiche Untersuchungen in der Technik
durchgeführt worden, mit dem Ziel, offenbar durch Wasseransammlungen (Wasserbäumchen,
"water tress") verursachte Schäden in der Isolierung elektrischer Kabel aufzuklären
und tlaßnahmen zu treffen, diese Kabel schäden zu vermeiden. Entsprechend hoch ist
auch die Anzahl der Veröffentlichungen, die das Wachstum
der Wasserbäumchen
beschreiben und Vorschläge zur Unterdrückung solcher die Lebenserwartungen der Kabel
erniedrigenden Erscheinungen machen. Dabei besteht offenbar Ubereinstimmung darüber,
daß die Wasseransammlungen sich umso gefährlicher auswirken, je größer sie sind.
Solche von nur wenigen rm Länge gelten als vergleichsweise ungefährlich.
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Alle bisherigen Untersuchungen gehen davon aus, daß Feuchtigkeit entweder
von außen oder vom Leiter in die Isolierung gelangt, wo sie im elektrischen Feld
zu Wasserbäumchen führt.
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Eine Feuchtigkeitsdiffusion kann danach einmal bereits während der
Fertigung erfolgen, beispielsweise beim Vorgang der Vernetzung durch Einwirkung
von Wasserdampf beim kontinuierlichen Durchlauf durch eine Kettenlinie (CV-Anlage),
oder im Betrieb, etwa bei Beschädigung eines Metallmantels oder durch Wasserdampfdiffusion
durch den unbeschädigten Kunststoffmantel hindurch.
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Sind auf diese Weise Wasser enthaltende Mikrolunker entstanden, dann
kommt es unter dem Einfluß der bei Betriebsspannung herrschenden elektrischen Feldstärken
zur Bildung der bekannten Wasserbäumchen, deren ständiges Wachstum schließlich zu
elektrischen Durchschlägen und letzten Endes zur Zerstörung des Kabels überhaupt
führen kann.
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In diesem Zusammenhang ist auch bereits darauf hingewiesen worden
(Kunststoffe 67 (1977) 5, 5. 275ff), daß von den halbleitenden Feldbegrenzungen,
Hohlräumen und Verunreinigungen ausgehende Wasserbäumchen durch in Wasser gelöste
Salze in ihrem Wachstum beschleunigt werden. Diese Erkenntnis geht auch aus einer
weiteren Veröffentlichung hervor (IEEE Insulated Conductors Commitee of the IEEE
Power Engineering Society for presentation at the IEEE PES Winter Meeting, New York,
February 4-9, 1979 v.J. Sletbak) nach der drei Möglichkeiten des Bäumchenwachstums
untersucht worden sind, nämlich einmal die Wasserkondensation an Verunreinigungen,
beispielsweise auch Salzen oder an deren Elektrolyten, zum anderen eine Kapillar-Kondensation
in mikroporösen Verunreinigungen und schließlich
die Kapillar-Kondensation
in submikroskopischen Sprüngen oder Rissen der Isolierung.
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Da aufgrund des festgestellten stärkeren Bäumchenwachstums auf in
Mikrohohlräumen befindlichen Salzlösungen diese Fälle als besonders praxisnah angenommen
werden, liefen weitere Untersuchungen in der Richtung zu ermitteln, bei wieviel
so Feuchtigkeit mit einem Anwachsen der Anzahl der Bäumchen gerechnet werden muß.
Da sich hierbei ein Wert von weniger als 70 % ergab, wurde dem Fachmann bereits
die technische Lehre erteilt (DOS 28 17 804), in einem Energiekabel außen und getrennt
von der äußeren halbleitenden Schicht eine weitere, einen hygroskopischen Werkstoff
enthaltende Schicht anzuordnen, die die relative Feuchtigkeit der Umgebung einschließlich
der Leiterisolation auf einen 70 % nicht überschreitenden Wert begrenzt und stabilisiert.
Dies soll zu einem wirksamen Schutz der Isolierung selbst dann führen, wenn diese
Hohlräume und Verunreinigungen enthält.
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Eine solche Feuchtigkeit absorbierende Schicht kann aber ebenso wie
die Zugabe feuchtigkeitsaufnehmender Füllstoffe in die Isolierung (US-PS 4 029 830)
sowie wasserlöslicher Elektrolyte nur die Wirkung haben, den Zeitpunkt mit Sicherheit
unter dem Einfluß des elektrischen Feldes auftretender Schäden hinauszuschieben,
wobei letztere Maßnahmen noch den Nachteil erhöhter Verunreinigungen in der Isolierung
mit sich bringen, was insbesondere bei höheren Spannungen zu Schwierigkeiten führt.
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Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
zu finden, auf die bisher bei Kabeln vorgeschlagenen Maßnahmen für einen vorläufigen
Schutz zu verzichten und dafür zu sorgen, daß aus einem Isoliermaterial hergestellte
elektrische Kabel oder Leitungen unter der Einwirkung von Feuchtigkeit weder in
elektrischer noch in mechanischer Hinsicht Schaden nehmen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Polymerteilchen
(Granulat, Krümel oder dergl.) mindestens un-
mittelbar vor dem
Verschmelzen der einzelnen Teilchen zur homogenen klasse einem an der Oberfläche
der Teilchen wirkenden Reinigungsvorgang unterworfen werden. Die Erfindung beruht
auf der Erkenntnis, daß bereits bei einer handelsüblichen Polymermischung, in der
nach einem bekannten Vorschlag (US-PS 40 42 WE) "non" Gew.% Salze hinzugefügt sind
und dennoch Wasserbäumchen entstanden, von der Herstellung des Polymeren her sowie
durch den Fertigungsablauf größenordnungsgemäß 1 ppm an wasserlöslichen, ionenbildenden
und sehr fein verteilten Salzen enthalten sind, die bei Zutritt von Wasser zur Bildung
von Mikrolunkern führen, die dann im elektrischen Feld zum Ausgangspunkt des Bäumchenwachstums
werden. Werden dagegen im Rahmen der Erfindung z. B. die Granulatteilchen einem
Reinigungsprozeß unterworfen, an der Oberfläche befindliche Salze also entfernt,
dann sind Extrudate herstellbar, die auch nach dem Dämpfen frei von Mikrolunkern
sind und, da den Wasserdampfdruck im Innern des Extrudats erniedrigende Salze fehlen,
bei einem Dampfdruckgleichgewicht innerhalb und außerhalb des Extrudats die in der
Umgebung befindliche Feuchtigkeit keine Veranlassung hat, in einer die Isolierung
schädigenden Menge in das Extrudat einzudiffundieren. Das Vorhandensein von Salzen
jeglicher Art an der Oberfläche der Granulatteilchen läßt sich beispielsweise aus
dem heute immer mehr praktizierten sog. Naßabschlag bei der Granulatherstellung
erklären, bei dem zur Erzielung höherer Extrusionsleistungen beispielsweise das
extrudierte Polymermaterial unmittelbar in das an der Lochplatte vorbeiströmende
Kühl- und Transportwasser extrudiert und von den unter Wasser vor der Lochplatte
rotierenden Messern zerkleinert, d. h. in Granulatform gebracht wird.
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Aber auch bei der Kühlung von trocken granuliertem Polymermaterial
mittels Wasser und anschließendem Trocknen durch Verdampfen von Wasserresten sind
Salzrückstände auf der Oberfläche der Granulatkörner nicht zu vermeiden, deren Mengen
an sich zwar klein, für die spezielle Verwendung der Polymere bei Hochspannungskabeln
aber groß genug sind, die oben beschriebenen Gefahren herbeizuführen. Desgleichen
enthalten die in normaler Raumluft vorhandenen Staubteilchen, wenn auch nur in Spuren,
wasserlösl«9> 4»
Die Durchführung der Erfindung bietet daher
die Möglichkeit, z. B. Kabel für Mittelspannung ohne einen dichten Feuchtigkeitsschutz
(Metallmantel) und ohne stabilisierende Schichten und dergl., herzustellen, die
Gewähr bieten, daß der bereits im Kabel selbst befindliche Feuchtigkeitsschutz durch
die wasserabweisenden Eigenschaften des Isoliermaterials selbst auch langfristig
gegen das Entstehen von Wasserbäumchen wirksam ist.
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Auch Isolierungen von Hochspannungskabeln werden vorteilhaft aus salzfreien
Mischungskomponenten zusammengesetzt.
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Zur Durchführung der Erfindung wird es daher zweckmäßig sein, wenn
der Reinigungsvorgang sich unmittelbar an die Granulierung bei der Herstellung des
Basismaterials bzw. an eine auf die Granulierung folgende Kühlung der Granulatteilchen
anschließt.
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Auf diese Weise können Eindampfrückstände an Salzen, die beim ständigen
Durchlauf der warmen Granulatteilchen z. B. beim Naßabschlag entstehen, von der
Oberfläche der Teilchen entfernt werden. Ein Einschleppen dieser in Form von Kristallen
an der Granulatoberfläche hefindlichen Salze in die elektrische Isolierung hinein
ist damit verhindert.
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Die Entstehung von Salzkristallen auf der Oberfläche der für die Extrusion
geeigneten Polymerteilchen läßt sich von vornherein vermeiden, wenn man in Weiterführung
des Erfindungsgedankens bei der Granulatherstellung unter Wasser (Naßabschlag) Wasser
in salzfreier Form, etwa destilliertes Wasser, verwendet. Ebenso ist es zweckmäßig,
die sich an eine Trockengranulierung anschließende Kühlung, die in der Regel durch
Wasser in üblicher Zusammensetzung erfolgt, in destilliertem, also völlig salzfreiem
Wasser, durchzuführen.
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Will man auch die Gefahren ausschließen, die sich nach der Granulierung
bis zum Zeitpunkt des Verbrauchens, d. h. Eingabe in eine Kunststoffverarbeitungsmaschine
(Extruder) hinsichtlich Feuchtigkeitsniederschlages auf der Granulatoberfläche und
Bildung von Salzkristallen ergeben, dann wird man nach einem weiteren Erfindungsgedanken
einen Reinigungs- bzw. Waschvorgang der Teilchen unmittelbar vor der Eingabe in
den Extrudertrichter
vornehmen, wobei sich an diesen Reinigungsprozeß
in der Regel ein kurzer Trocknungsprozeß wird anschließen müssen, sei es selbsttätig
oder durch Zuführung von Warmluft. Wesentlich ist in jedem Fall, daß für das Entfernen
von Salzkristalliten ein von wasserlöslichen und/oder hygroskopischen Salzen freies
Wasser verwendet wird.
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Die durch die Erfindung vorgeschlagene }1maßnahme betrifft aber nicht
allein die Polymerteilchen des Basismaterials. Auch bei Zusätzen, die über ein sog.
Polymerbatch, d. h. ein mit dem Zusatz hoch konzentriertes Polymermaterial, dem
Basismaterial zugegeben werden, kann ggf. eine Entfernung von Salzkristallen notwendig
werden.
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Im Falle elektrischer Kabel, insbesondere für höhere Spannung, sind
im Kabelaufbau oft neben der Isolierung weitere Schichten aus einem extrudierbaren
Polymermaterial vorgesehen. Solche durch zur oder Graphit leitfähig gemachten Schichten
finden bekannter Maßen Anwendung als innere bzw. äußere Leitschichten.
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Da diese Schichten mit leitfähigem Charakter offenbar, was die "Wasserbäumchen"
oder "Wasserbiischel" betrifft, besonders geeignete Gefahrenquellen für das Kabel
darstellen, ist auch vor der Extrusion dieser Schichten eine entsprechende Reinigung
und Beseitigung von Salzkristalliten entsprechend der Erfindung vorzunehmen.
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Wird so verfahren, dann weisen die aus den oberflächlich gereinigten
Granulatteilchen hergestellten Mischungen bzw. Isolierungen einen Salzgehalt auf,
der aufgrund seiner niedrigen Konzentration - unter 10 1 ppm - von vornherein die
Bildung von Wasserbäumchen unmöglich macht, da die Ursache für diese Schadstellen,
nämlich die mit einer Salzlösung gefüllten und daher elektrisch leitfähigen Nikrolunker
nicht entstehen können.
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Die Erfindung sei an Hand des in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Um schon bei der Granulatherstellung für eine von Salzen freie Teilchenoberfläche
zu sorgen, kann man, wie aus der Fig. er-
sichtlich, so vor@@@@
vor # ### dem Schneidmesser @@@@@ @@@@@@@ @@@@@@@@@@@ gekühlt und ansch@@@ @@@ @@@@@
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Auf das Granulat gerichtete Blasdüsen 9 sorgen beispielsweise mittels
eines Warmluftstromes flir eine kurzfristige Trocknung des Granulats, bevor es über
eine Umlenkung 10 und ein weiteres Förderband 11 in einen Speicher 12 gelangt, wo
es verpackt, d.h.
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auch in Säcken zum Versand werden kann.
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Soweit es die Granulatherstellung betrifft, kann man abweichend hiervon
aber auch so vorgehen, daß als Kühlmittel im Behälter 4 bereits ein entsprechend
salzfreies Wasser eingesetzt wird und längs des Transportbandes 6 nur noch die Trocknung
der Granulatteilchen vorgenommen wird.
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Ein ähnliches Reinigungsverfahren könnte auch unmittelbar vor der
Extrusion der Polymerteilchen erfolgen. Beispielsweise könnte angeliefertes Polymermaterial,
in der Regel in Granulatform, auf das Transportband 6 aufgebracht und dort zunächst
besprüht und von Salzen befreit und anschließend getrocknet werden. Die Weiter3eitung
kann dann unmittelbar an den Extrudertrichter oder in einen gegen Feuchtigkeit abgeschirmten
Zwischenspeicher erfolgen.
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