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Elektrische Isolation
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Isolation aus Kunststoff
auf Polyolefinbasis, insbesondere bei Kabeln und Leitungen für Mittel- und Hochspannung,
mit einer inneren Leitschicht und einer Isolierschicht sowie einer äußeren Leitschicht,
die wenigstens einen Stabilisator als Alterungsschutzmittel enthalten.
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Elektrisch leitende Teile von Mittel- und Hochspannungsanlagen, vorzugsweise
Umhüllungen von Leitern eines Kabels, können bekanntlich mit einer Isolation aus
extrudierbaren Mischungen auf der Basis vernetzter oder unvernetzter Polymere oder
deren Copolymere versehen werden, die eine innere und eine äußere Leitschicht enthält,
zwi.schen denen weni.gstens eine Isolierschicht angeordnet i.st. Zur Isolation sind
Kunststoffe auf der Basis von Olefinen, vorzugsweise Homo- und Copolymere von Ethylen,
insbesondere Polyethylen PE und vernetztes Polyethylen VPE, geeignet. Es können
aber auch Ethylen-Copolymere, wie Ethylen-Propylen- Copolymere EPR, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere
EVA und Ethylen-Alkylacrylat-Copolymere (beispielsweise Ethylen-Ethylacrylat- und
-Butylacrylat-Copolymere), bzw. Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymere und Gemische (Blends)
dieser Ethylen-Copolymere und -Terpolymere mit Polyolefinen, insbesondere Polyethylen
und Polypropylen, verwendet werden. Die genannten Polymeren bzw. Polymergemische
können sowohl vernetzt als auch unvernetzt zum Einsatz kommen. Die Vernetzung kann
dabei peroxidisch, durch energiereiche Strahlen oder weitere üblicherweise angewandte
Verfahren erfolgen.
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Die Leitschichten enthalten im allgemeinen Füllstoffe, vorzugsweise
Ruß oder Graphit. Sowohl die Isolierschichten als auch die Leiter- und Isolierdeckschichten
können Alterungsschutzmittel enthalten, die dem Kunststoff oder Kautschuk beigemischt
werden um Alterungsvorgänge zu verzögern oder zu verhindern und die im allgemeinen
als Stabilisatoren bezeichnet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Isolation
anzugeben, die für hohe Spannungsbeanspruchung geeignet ist und die unter dem Einfluß
von Sauerstoff oder Wärmeeinwirkung auch langfristig keine wesentliche Alterung
aufweist.
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In Hochspannungskabeln werden bekanntlich Leiterisolierungen aus extrudierbaren
Kunststoffen, insbesondere auf der Basis vernetzter oder unvernetzter Polyolefine,
verwendet, die durch t.hermisch-oxidative Alterungsvorgänge in ihrer Langzeitstabilität
begrenzt sein können.
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Zum Schutz gegen diese thermisch-oxidative Alterung können der Isolation
Antioxidantien, wie Oxidationsinhibitoren oder Antioxygene, als Additive zugesetzt
werden. Das sind im allgemeinen organische Verbindungen, die unerwünschte, durch
Sauerstoffeinwirkung bedingte Veränderungen in den zu schützenden Stoffen verhindern
oder wenigstens hemmen. Als Additiv vorzugsweise geeignet für Polyethylen ist beispielsweise
ein Antioxidanz auf der Basis von 4.4'-Thiobis(6-tert.-butyl-3-methyl- phenol) (Santonox).
Ferner sind bei spielsweise Alterungsschutzmittel und Antioxidantien auf der Basis
von alkyl-, aryl- und aralkylsubstituierten Phenolen, Diphenylaminen, Naphthylaminen,
Phenylendiaminen, Chinolinen und dergleichen (Vulkanox) geeignet.
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In den Leitschichten an der Oberfläche der Isolation ist im allgemeinen
Ruß oder Graphit enthalten, das eine hohe aktive Oberfläche hat und durch Adsorption
der Isolierung das Additiv entziehen kann. Diese Additivverluste können zwar durch
den Einsatz höhermolekularer Additive vermindert werden; solche Additive können
jedoch Probleme bei. der homogenen Einmischung während der Compoundherstellung bringen
(Siemens Forschungs-und Entwicklungsberichte Bd. 12 (1983), Nr. 3, Seiten 155 bis
160).
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Aufgrund des großen Adsorptionsvermögens der mit Ruß oder Graphit
gefüllten Leitschichten und aufgrund der Migration der als Alterungsschutzmittel
verwendeten Additive, insbesondere der Oxidationsinhibitoren, wirken die Leitschichten
wie eine Senke für den in der Isolierung erforderlichen Stabilisator. Dies hat zur
Folge, daß sich die Additi.ve in den Leitschichten anreichern, bis im Extremfall,
d.h. bei langer Betriebsdauer, die Konzentration der Stabilisatoren in der Isolierung
so weit absinkt, daß der erforderliche Schutz nicht mehr gegeben ist. Man kann zwar
eine überhöhte Additivkonzentration als Reservoir in die Isolierung einbringen oder
die Migrationsverluste durch Einsatz höhermolekularer Stabilisatoren verlangsamen
oder auch ein Konzentrationsgleichgewicht der Additive in der Isolierung und den
Leitschichten einstellen. Durch diese Maßnahmen kann aber eine für den Alterungsschutz
der Isolierung an jedem Ort ausreichende Stabilisatorkonzentration langzeitig nicht
aufrechterhalten werden.
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Demgegenüber sind zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß
die innere und die äußere Leitschicht mit einer im Vergleich zur Isolierung erhöhten
Konzen-
tration des Stabilisators versehen. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Isolation ist die Stabilisatorkonzentration in den Leitschichten
so bemessen, daß, bezogen auf das Adsorptions-Desorptionsverhalten der Leitschichten,
für den Stabilisator und die in der Isolierung erforderliche Stabilisatorkonzentration,
und, bezogen auf eine vorgesehene Temperatur, ein Diffusionsgleichgewicht zwischen
Isolierschicht und Leitschichten besteht. Damit wird die für eine langzeitige Stabilisierung
erforderliche Konzentration in der Isolierung aufrechterhalten.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 beispielsweise der Querschnitt eines Einleiter-Energiekabels
schematisch veranschaulicht ist, das mit einer Isolation nach der Erfindung versehen
ist. In Figur 2 ist die Konzentration der Additive in einem Diagramm dargestellt.
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Nach Figur 1 ist ein langgestrecktes, elektrisch leitendes Teil, beispielsweise
ein Leiter 2 eines Hochspannungskabels, mit einer Isolation 3 versehen, die aus
einer inneren Leitschicht 4 sowie einer äußeren Leitschicht 5 besteht, zwischen
denen eine Isolierschicht 6 angeordnet ist, die aus einem thermoplastischen oder
vernetzten Kunststoff, vorzugsweise einem Polyolefin, insbesondere Polyethylen,
besteht. Sowohl die als Leiterdeckschicht dienende innere Leitschicht 4 als auch
die als Isolierdeckschicht dienende äußere Leitschicht 5 sowie die Isolierschicht
6 enthalten als Alterungsschutzmittel dienende Additive, insbesondere Antioxidantien.
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Die zeitl-iche Änderiinq des Konzentrationsprofils ist dem Diagramm
tiac 10 1 <jur zu entnehemen in dtm die Verteilung der Konztntrati on C der Stabiiisatoren
innerhalb der Isolierschicht 6 zwischen den angrenzenden Leitschichten 4 und 5 aufgetragen
ist. Kurz nach der Kabelherstellung ist die Additivkonzentration, di.e einer gewünschten
Sollkonzentration Co entspricht, über den Querschnitt der Isolierschicht 5, deren
Dicke d beispielsweise bei einem 30 kV-Kabel 8 mm betragen soll, im wesentlichen
gleichmäßig verteilt. Man erhält somit die zunächst konstant verlaufende Anfangskonzentration
C0 von beispielsweise etwa 7,5 . 10 -4 für eine Isolierschicht 6 aus Polyethylen
mit einem Oxidationsinhibitor auf der Basis von 4.!<'-Thiobis(6-tert.-butyl-3-methyl-phenol)
als Stabilisator. Bei einer anfänglich homogenen Stabilisatorkonzentration nach
dem Stand der Technik hat sich aufgrund fortschreitender Migrationsverluste des
Oxidati onsi nhi bitors nach beispielsweise etwa 4 Sahren eine Verteilung der Stabilisatorkonzentration
C1 eingestellt, bei der aus den Randgebiten nahe den Leitschichten 4 und 6 der Stabilisator
nahezu vollständig verschwunden ist. hach beispielsweise etwa 10 Jahren ist die
Konzentration C2 auch im mittleren Bereich der Isolierschicht. 6 erheblich vermindert.
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Dagegen erhält man nach der Erfindung eine langzeitig stabile Konzentration
C0 des Oxidationsinhibitors, bedingt durch ein Diffusionsgleichgewicht zwischen
der Isolierschicht 6 und den Leitschichten 4 und 5, die eine - auf eine Sollkonzentration
C0 in der Isolierung und eine Solltemperatur T5 bezogen - entsprechend eingestellte
Stabilisatorkonzentration enthalten.
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2 Patentansprüche 2 Figuren