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Feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein gegen Feuchtigkeit geschütztes
elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel, insbesondere für Hochspannung, mit
einer die Isolierung und eine darüber befindliche äußere Leitschicht umgebenden
geschlossenen metallischen Hülle, die über abstandhaltende Elemente mit der äußeren
Leitschicht in elektrischem Kontakt steht.
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Elektrische Energiekabel, die für Mittel- oder Hochspannungsbetrieb
ausgelegt sind, weisen in der Regel einen metallischen Schirm in ihrem Schichtenaufbau
auf, welcher auf der über der Kunststoffisolierung angeordneten äußeren Leitschicht
angebrachtistundz.fl. aus aufgelegten Drähten oder lletallbändern vorzugsweise aus
Kupfer besteht. Dieser metallische Schirm, der an sich aus elektrischen Gründen
vorgesehen ist, kann aber auch, wie bereits bekannt (DOS 15 40 430), gleichzeitig
zur Feuchtigkeitsdichten Hülle für die darunter befindliche Isolierung verwendet
werden. Hierbei besteht die metallische Hülle aus einem längseinlaufenden, um die
Kunststoffisolierung des Leiters herumgefalteten Metallband, vorzugsweise aus Kupfer,
dessen Kanten einander überlappen und im Bereich der Uberlappungsstelle miteinander
verlötet sind.
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Schwierigkeiten ergeben sich bei dieser bekannten Konstruktion jedoch
dadurch, daß sich bei Belastung des Kabels die Isolierung wesentlich stärker als
die im Schichtenaufbau vorgesehene Metallage ausdehnt, so daß, wenn die Dehnbarkeit
der an sich dichten metallischen Hülle ihre Grenzen erreicht, zumindest mit einem
Aufplatzen der Schweiß- oder Lötstelle gerechnet werden muß. Das gilt verständlichersveise
insbesondere bei solchen Kabeln, die aufgrund ihres Einsatzes für den Hochspannungsbetrieb
verhältnismäßig große Isolierwanddicken von z. B. 18 mm und mehr aufweisen. Hinzu
kommt, daß durch das längseinlaufend aufgebrachte Metallband die geforderte Biegbarkeit
solcher Kunststoffkabel beeinträchtigt wird, was sich insbesondere beim Auf-und
Abtrommeln sowie bei der Verlegung störend bemerkbar macht.
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Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, daß bei Beschädigungen der
äußeren metallischen Hülle eindringende Feuchtigkeit auch unterhalb des Metallbandes
sich in Kabel längsrichtung ausbreiten kann und im Laufe der Zeit zumindest Anlaß
zu Schäden in der Isolierung gibt.
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Zur Lösung dieses Problems hat man bereits vorgesehen (DOMS 28 11
579), unterhalb der geschlossenen Hülle eine zur Seele abstandhaltende Wendel in
Form eines Metallbandes anzuordnen, dessen Dicke dem Ausdehnungsverhalten des für
die Isolierung verwendeten Kunststoffes bei Temperaturerhöhung angepaßt ist. Werden
hierbei zur Längsabdichtung in dem Raum zwischen äußerer Leitschicht und metallischer
Hülle stark quellende oder aufschäumende Materialien in flüssiger Form verwendet,
dann besteht mitunter Gefahr, daß die Wendel durch die flüssigen Komponenten unterwandert
wird, was teilweise zur Trennung der elektrischen Verbindung zwischen Leitschicht
und Hülle führen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches Energiekabel zu schaffen, das
einmal trotz der im Betrieb auftretenden Wärmespiele der Isolierung seine feuchtigkeitsdichte
Abschirmung sowie den elektrischen Kontakt zwischen Leitschicht und Metallhülle
beibehält und das darüber hinaus so ausgebildet ist, daß durch einen äußeren Schaden
der Abschirmung eingedrungene Feuchtigkeit in ihrer Wirkung auf einen zumindest
eng begrenzten Bereich beschränkt bleibt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Abstandshalter
eine Wendel aus einem gummielastischen Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit
von mindestens 10 4 JL 1 cm 1 dient. Eine solche Wendel stützt, wenn man den gesamten
Querschnitt betrachtet, die Seele jeweils nur an einer Stelle des Umfanges ab, während
für den restlichen Bereich eine freie Bewegung der Isolierung möglich ist, ohne
daß es zu einem Anpressen der Isolierung gegen die geschlossene Hülle und damit
zu erhöhten Drücken insbesondere im Bereich der Nahtstelle kommt. Damit ist jederzeit
auch z. B. bei kurzzeitig auftretenden erhöhten Kurzschlußtemperaturen ein ausreichendes
Atmen der Isolierung ohne Beschädigung der feuchtigkeitsdichten Hülle gewährleistet.
Cer gummielastische Charakter der erfindungsgemäßen Wendel sichert bereits bei der
Herstellung einen dichten Kontakt mit der äußeren Leitschicht, verhindert ein Unterwandern
durch isolierende Dichtmittel und hält die elektrische Verbindung zwischen Leitschicht
und metallischer Hülle auch bei im Betrieb auftretenden Wärmespielen der Isolierung
aufrecht. Die Funktionsfähigkeit des Kabels bleibt stets erhalten.
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Die Verwendung von wendelförmig aufgebrachten leitfähigen Bändern,
insbesondere Kupferbändern, ist in der Kabeltechnik an sich allgemein bekannt.
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Sie dienen z. B. dazu, die aus Einzeldrähten bestehende konzentrische
Lage eines Schutz- oder Nulleiters auf der Kabelseele festzuhalten und weisen zu
diesem Zweck eine Wandstärke zwischen 0,1 und 0,3 mm auf. Diese lediglich dem Zusammenhalt
der Drähte und der Querleitfähigkeit dienenden Kupferbänder sind jedoch aufgrund
ihrer Dicke allein schon nicht geeignet, als Abstandshalterwendel für eine darüber
aufgebrachte geschlossene metallische Hülle zu dienen.
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Wesentlich für die Erfindung ist dagegen, daß aufgrund der Abstandshalterwendel
der Isolierung einmal die Möglichkeit einer freien Ausdehnung gegeben ist, und zum
anderen der ständige leitende Kontakt zwischen äußerer Leitschicht und Hülle sichergestellt
ist. Im Gegensatz zu den bekannten leitenden Wendeln beträgt in Durchführung der
Erfindung die Banddicke mindestens 1,0 mm, vorzugsweise 1,5 bis 4,5 mm. Damit können
erhebliche Dickenschwankungen aufgefangen und hohe Flächenpressungen auf die Leitschicht
übertragen
werden. Die freie Ausdehnung der Isolierung bei Temperaturerhöhung kann weiter gefördert
werden, wenn man in Weiterführung der Erfindung die Wendel mit langem SchIag auf
die äußere Leitschicht bzw. eine darüber befindliche Polster- und/oder Schirmschicht
aufbringt.
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Die geschlossene Hülle selbst kann aus einem längseinlaufend aufgebrachten,
zum Rohr geformten und verschweißten Metallband mit glatter Obexfläche hergestellt
sein; zur Unterstützung der an sich hohen Flexibilität kunststoffisolierter Kabel
ist es jedoch vorteilhaft, wenn die geschlossene Hülle als gewellter Metallmantel
ausgebildet ist. Für die Wellung kann eine Schrauben- oder Parallelwellung verwendet
werden, eine solche geschlossene Hülle, die feuchtigkeits- und gasdicht ist, beeinträchtigt
die Flexibilität des Kabels dann nicht mehr. Das Kabel kann vielmehr in üblicher
gleise auf- und abgewickelt werden, ohne daß es zu einer Beschädigung der Feuchtigkeitssperre
kommt. Die zur Kabelseele gerichteten Wellenberge drücken sich in die verhältnismäßig
dickwandige Wendel ein und fördern damit weiter die Abdichtung.
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Der durch die Wendel und die darüber befindliche geschlossene metallische
Hülle gebildete Raum wird in Weiterführung der Erfindung längswasserdicht gemacht.
Hierzu dient z. B. ein in den freien Raum kontinuierlich oder in Abständen eingebrachter
Schaum, etwa auf Polyurethanbasis, der nach dem Aufquellen oder -schäumen für eine
Längswasserdichtigkeit sorgt.
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Wesentlich für die Erfindung ist ferner der Werkstoff, der für die
nach der Erfindung vorgesehene Wendel aus dem elastischen leitfähigen Werkstoff
in Frage kommt. Zu berücksichtigen ist hierbei nämlich, daß bei ausreichender elektrischer
Leitfähigkeit - sie sollte bei allen anzunehmenden Temperaturen den Wert von 10
4kl 1 cm 1 nicht unterschreiten - noch eine hohe Elastizität und hohe Ermüdungsfreiheit
bei gutem Alterungsverhalten vorhanden ist. Als für diese Zwecke besonders geeignet
haben sich daher Materialien auf Basis Äthylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) oder auch
chloriertem Polyäthylen (CM) erwiesen. Sie haben eine ausgeglichene Eigenschaftskombination
hinsichtlich Alterung und Elastizität. Zur Erzeugung
ausreichender
Leitfähigkeit werden bestimmte Ruße in Kombination oder auch allein verwendet, aber
auch die Kombination mit Graphit oder Graphit allein als leitende Komponente führt
zu geeigneten Mischungen.
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Für die Durchführung der Erfindung hat es sich weiterhin als vorteilhaft
erwiesen, für die Wendel vernetzte Werkstoffe einzusetzen. Die Vernetzung kann nach
den unterschiedlichsten Verfahren durchgeführt sein, so kann die Vernetzung der
Wendel aus einem Werkstoff auf Basis EPDM durch peroxidische Vernetzung, etwa im
Dampfrohr (CV-Technik) vorgenommen werden, oder auch dadurch erfolgen, daß eine
drucklose Feuchtigkeitsvernetzung angewendet wird, indem zunächst auf die Moleküle
der Basismaterialien Organosilane aufgepfropft werden, die bei der späteren Lagerung
z. B. im Wasserdampf den Vernetzungsmechanismusbewirken (Siloxantechnik). Das gleiche
gilt für den Fall, daß als Basismaterial ein chloriertes Polyäthylen eingesetzt
wird.
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Mischungsbeispiele von Werkstoffen mit für die Erfindung geeigneter
Qualität der hieraus hergestellten Abstandswendel sind die folgenden: Beispiel I
EPDM 100 Teile Ruß (Vulcan P) 90 Ruß (Ketjenblack EC -BET Oberfläche > 900 m2/g)
20 Weichmacher 70 Verarbeitungshilfen 10 Alterungsschutzmittel 2 Peroxid 7 " Vernetzung
CV-Anlage Reißfestigkeit 9 N/mm2 Reißdehnung 350 % Spezifischer Widerstand 20wL
cm
Beispiel II EPDM 100 Teile Ketjenblack 45 " Graphit 120 Verarbeitungshilfe
6 Weichmacher 60 Alterungsschutzmittel 2 Peroxid 7 " Vernetzung CV-Anlage Reißfestigkeit
6 Nimm2 Reißdehnung 100 % Spezifischer Widerstand 5sIcm Beispiel III EPDM 100 Teile
Graphit 125 Weichmacher 20 Verarbeitungshilfe 4 II Alterungsschutzmittel 2 Vernetzungstechnik
drucklose Feuchtigkeitsvernetzung (Siloxantechnik) Reißfestigkeit 6 N/mm² Dehnung
200 % Spezifischer Widerstand 100 SL cm Beispiel IV CM (chloriertes Polyäthylen)
100 Teile Ketjenblack EC 30 Weichmacher 30 Verarbeitungshilfe 20 Stabilisator 8
Peroxid 7 " Vernetzung CV-Technik Reißfestigkeit 15 N/mm² Reißdehnung 450 % Spezifischer
Widerstand 15 acm
Die Erfindung sei anhand des in der Fig. als
Ausführungsbeispiel dargestellten einadrigen Hochspannungskabels näher erläutert.
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Der aus einer Vielzahl von miteinander verseilten Einzeldrähten bestehende
Leiter 1 ist von der inneren Leitschicht 2 überdeckt, die für einen Ausgleich der
durch die Einzeldrähte gebildeten Unregelmäßigkeiten der Oberfläche sorgt. Diese
innere Leitschicht 2 ist z. B aufextrudiert, sie kann aus einem durch Ruß leitfähig
gemachten Polyäthylen oder eines seiner Copolymere bestehen und vernetzbar sein.
Über der inneren Leitschicht 2 befindet sich die Isolierung 3, z. B. aus einem vernetzbaren
oder thermoplastischen Polyäthylen, dessen Wandstärke entsprechend der zu übertragenden
Spannung ausgewählt ist. Mit 4 ist die die Isolierung überdeckende Leitschicht bezeichnet,
die vorteilhaft ebenfalls aus einem durch Extrusion aufgebrachten, durch Ruß oder
Graphit leitfähigen thermoplastischen oder vernetzbaren Werkstoff besteht. Über
dieser Leitschicht 4, die gegebenenfalls noch eine Polsterschicht, z. B. aus einem
leitfähigen Gewebeband, und zusätzliche Schirmdrdhte beinhalten kann, befindet sich
die elastische Wendel 5 z. B. aus EPDìl in einer Dicke vor z. B. 4 Izm, die wendelförmig
aufgebracht ist und als Abstandshalterung für den hierzu konzentrischen Wellmantel
6 dient. Dieser Wellmantel weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Paralleiwellung
auf, diese Wellung kann aber auch einen wendelförmigen Verlauf haben. Der zwischen
dem Wellmantel 6 und dem Band 5 gebildete Raum 7 dient zur Aufnahme eines schäumenden
Materials, etwa auf Basis Polyurethan, das für eine Abschottung in Längsrichtung
sorgt. Selbstverständlich können auch diesen Materialien spannungsstabilisierende
Zusätze beigeben werden, die im Laufe des Betriebes insbesondere bei Temperaturerhöhung
aufgrund der zu übertragenden Energie in die darunter befindliche Isolierung eindiffundieren.
Die geschlossene metallische Hülle ist umgeben von dem mechanisch widerstandsfähigen
Kunststoffmantel 8 als äußerer Schutz.
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Die über der Seele befindliche Wendel 5 aus einem gummielastischen
leitfähigen Band sorgt für eine weitgehend freie radiale Bewegung der bei Temperaturerhöhung
sich ausdehnenden Isolierung, so daß auch bei kurzfristig auftretenden erhöhten
Temperaturen, z. B. im Kurzschlußfall, nicht
ein Aufplatzen der
an sich feuchtigkeitsdichten und auch gasdichten Hülle befürchtet werden muß. Die
Form der Wendel kann von der dargestellten Art abweichen, sie kann statt im Querschnitt
rechteckig auch rund oder quadratisch sein, aufgrund der Elastizität des Werkstoffes
kann die Verformung bis zur Tiefe des Wellentales reichen.
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Zur Herstellung eines in der Fig. dargestellten Kabels geht man zweckmäßig
so vor, daß auf den Leiter 1 zunächst die innere Leitschicht 2 und dann die Isolierung
3 aufextrudiert werden. Die äußere Leitschicht 4 wird ebenfalls durch Extrusion
aufgebracht,und anschließend erfolgt das Aufwickeln des elastischen Bandes 5. Schließlich
wird in bekannter gleise längseinlaufend ein Kupfer- oder Stahlband 6 um die Seele
rohrförmig herumgelegt, wobei vor dem Verschweißen der Bandkanten das noch in flüssiger
Form vorliegende Komponentensystem eingebracht wird. Die Topfzeit ist dabei so gewählt,
daß der Schäumvorgang sich erst an den Wellvorgang für das an den Kanten verschweißte
Rohr anschließt und dabei den freien Pum ausfüllt. Das so vorbereitete Kabel durchläuft
dann einen weiteren Extruder, mittels dem, gegebenenfalls nach Aufbringen eines
zusätzlichen Korrosionsschutzes, der Außenmantel 8 aufgebracht wird.