DE3544085C2

DE3544085C2 -

Info

Publication number: DE3544085C2
Application number: DE3544085A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Van Dipl.-Ing. 3012 Langenhagen De Hove; Hans-Heinrich Dipl.-Ing. 3101 Wienhausen De Wilkens; Heinz Dipl.-Ing. 3006 Burgwedel De Kallerhoff
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1991-08-22
Also published as: CH672031A5; SE467850B; IT1199308B; DK596786D0; IT8648736A0; SE8605352L; SE8605352D0; FR2591792B1; NL8603160A; DK596786A; FR2591792A1; DE3544085A1; DK168502B1; AT394115B; ATA326486A; BE905892A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Luftkabel mit einer Lichtwellenleiter enthaltenden Seele, einer die Seele umschließenden Umhüllung aus einem thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff sowie einer Bewehrung unter- oder oberhalb dieser Umhüllung. Die Bewehrung kann insbesondere metallfrei sein.

Im Bereich der Energieversorgung durch Hochspannungs- Freileitungsnetze hat man bereits (ETZ Bd. 106 [1985] Heft 4, S. 154ff.) derartige Luftkabel mit Lichtwellenleitern zur Nachrichtenübermittlung vorgesehen, wobei im Falle sogenannter Weitspannluftkabel Spannweiten bis zu 435 m über brückt werden konnten. Die bei solchen Luftkabeln auf tretenden Probleme können mechanischer Art sein, etwa Schwingungs- oder Belastungsschwierigkeiten, die, je nach dem, durch geeignete Bewehrungen metallischer oder nichtmetallischer, d. h. metallfreier Art, zumindest gemindert werden konnten.

Bekannt sind aber auch bereits Probleme elektrischer Art, die sich aus der isolierenden Umhüllung ergeben. Im elektrischen Feld der Phasenleiter einer Hochspan nungsfreileitung wird nämlich die Umhüllung an der Oberfläche aufgeladen, wobei aufgrund des hohen Ober flächenwiderstandes bis zu 10¹² Ω/cm die induzierte Ladung nicht abfließen kann. Unterschiedliche Ver schmutzung und Feuchtigkeit auf der Oberfläche einer Umhüllung haben zur Folge, daß auch innerhalb des Spannfeldes einer Hochspannungsfreileitung Potential unterschiede auf dem metallfreien Luftkabel entstehen, die zu Kriechstromentladungen führen. Hinzu kommt, daß die Oberfläche der Umhüllung an jedem Mast durch die metallische Aufhängung, die mit dem Mast elektrisch leitend verbunden ist auf Nullpotential gezwungen wird. Dies führt im Bereich des Überganges Umhüllung-Aufhän gung bekanntlich zu hohen Spannungsdifferenzen, die immer wieder durch für das Luftkabel schädliche Ent ladungen abgebaut werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit der eingangs bezeichneten und im Bereich von Hochspannungs freileitungen eingesetzten Kabel zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß der thermoplastische oder elastomere Werkstoff nach Aufpfropfen von Silanverbindungen und anschließendem Einmischen von die Kriech stromfestigkeit bewirkenden Zusätzen, wie Metalloxiden, Karbiden u. dgl., einzeln oder in Kombination, unter Feuchtigkeitseinwirkung vernetzt ist. Der besondere Vorteil liegt darin, daß die Zusätze über die gesamte Kabellänge und den Querschnitt der Umhüllung gleichmäßig verteilt in einer ebenfalls gleichmäßig vernetzten Polymermatrix einge bunden sind. Dies führt zu einem für die ange sprochenen Zwecke betriebssicheren Kabel, da auch bei im elektrischen Feld gleichzeitig auftretender Beeinflussung durch Schmutz und Feuchtigkeit eine Beschädigung oder gar Zerstörung des auch metallfreien Kabels durch Kriechströme nicht zu erwarten ist.

Die Kriechstromfestigkeit der Umhüllung (Mantel) des Kabels über die gesamte Länge hat zudem den Vorteil der einfacheren Montage gegenüber solchen Ausführungen, bei denen man bekannte Kabel lediglich an den Stellen der Mastaufhängung gegen Kriechströme zu schützen ver sucht aber auch der höheren Betriebssicherheit wegen der durch die Erfindung erzielten weitgehenden Unab hängigkeit von der Qualität der Montagearbeiten.

Als vorteilhaft hat es sich in Durchführung der Erfin dung erwiesen, wenn die Zusätze eine Kombination aus Aluminiumoxidhydrat und Eisenoxid sind zweckmäßig in einer Menge von 30 bis 80 Teilen Aluminiumoxid hydrat und 3 bis 7 Teile Eisenoxid auf 100 Teile Polymeres. Die betriebsfertigen Umhüllungen weisen die geforderte Kriechstromfestigkeit auf, die Herstel lung der Umhüllungen, ihre Extrusion sowie die an schließende Vernetzung verläuft problemlos.

Anstelle der erwähnten Zusätze können auch andere Materialien verwendet werden, die die Kriechstrom festigkeit verbessern. Als zweckmäßig haben sich in diesem Zusammenhang z. B. das Titan- oder Zinkoxid erwiesen.

In Weiterführung der Erfindung ist es auch vorteilhaft, wenn als Werkstoff für die Umhüllung ein lineares Polyethylen (LLDPE) mit einer Dichte von 0,88-0,95 g/cm³ oder eines seiner Copolymere allein oder als Verschnitt mit anderen Polymeren dient. Als lineares Polyethylen (LLDPE - lineares low density Polyethylen) bezeichnet man ein Polyethylenpolymerisat, das charakteristische Eigenschaften des linearen Nieder druckpolyethylens (HDPE - high density Polyethylen) mit denen des stark verzweigten Hochdruck-Polyethylens (LDPE - low density Polyethylen) vereinigt. Die Struktur dieses Materials, das nach unterschiedlichen Verfahren bei vergleichsweise niedrigen Drücken herge stellt wird, enthält ebenso wie das HDPE nur sehr kurz kettige Verzweigungen. Die Polymerhauptkette ist damit, wie bei HDPE, bestimmend für einige wesentliche Eigen schaften des Makromoleküls. Dadurch bedingt liegen die Schmelzbereiche des LLDPE mit 120-125°C nahe dem des HDPE. Abweichend vom HDPE und damit wieder dem LDPE ähnlich, ist die Anzahl der Verzweigungen wesentlich höher. Dies bedingt, daß die Dichte und die Kristallinität wesent lich herabgesetzt wird. Die Bezeichnung LLDPE faßt die traditionell widersprüchlich erscheinenden Eigenschaften, nämlich lineare Molekularstruktur und niedrige Dichte (low density) zusammen.

Aus einem solchen Material hergestellte Umhüllungen zeichnen sich z. B. durch eine erhöhte Abriebfestigkeit, Wärmeformbeständigkeit sowie Kältebeständigkeit aus. Hinzu kommt, daß bei der Herstellung eines Kabels nach der Erfindung mit geringeren Silan- und Peroxidmengen zum Zwecke der Vernetzung als sonst üblich zu rechnen ist nach Pfropfung der Silanverbindungen auf die Basis moleküle des linearen Polyethylens läuft der Vernetzungs prozeß in Anwesenheit von Feuchtigkeit beschleunigt ab. Bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit kann sogar auf die Anwendung von Sattdampf oder Wasserlagerung ver zichtet werden. Die Herstellung eines Kabels nach der Erfindung ist deshalb auch kostengünstiger zu bewerk stelligen.

Zur Herstellung eines Luftkabels nach der Erfindung geht man vorteilhaft so vor, daß das Basismaterial zunächst mit der Silankomponente gemischt und an schließend das Silan auf das Basispolymer aufgepfropft wird, daß in das so vorbereitete Basismaterial die Zu sätze eingearbeitet und homogen verteilt werden, und daß schließlich die Umhüllung ausgeformt und der Feuchtigkeit zum Zwecke der Vernetzung ausgesetzt wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Basis polymere zunächst vernetzungsfähig gemacht werden muß, um die spätere gleichmäßige Vernetzung auch unterschied licher Querschnitte sicherzustellen, bevor in dieses für den Vernetzungsablauf bereits vorprogrammierte Mate rial die für die Verbesserung der Kriechstromfestigkeit wesentlichen Zusätze eingemischt werden.

Weitere Qualitätsverbesserungen des Endproduktes lassen sich während des Fertigungsablaufes noch dadurch er reichen, daß die Einmischung der Zusätze in das mit Silanen gepfropfte Basismaterial bei Temperaturen zwischen 100°C und 140°C erfolgt.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Vernetzungskatalysator für die Vernetzung unter der Einwirkung von Feuchtigkeit erst unmittelbar vor der Formgebung der vernetzbaren Um hüllung eingemischt wird. Vorvernetzungen nach Zugabe der Metalloxide, Hydrate und dergl. sind auf diese Weise ver mieden.

Die Erfindung sei an Hand des nachfolgenden Mischungs beispieles sowie des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Mischungsbeispiel
A
Polyethylen-Copolymer (Copolymeranteil ca. 20%)	100 Teile
Vinyltrimethoxisilan	1,7 Teile
Peroxid (z. B. Dicumylperoxid)	0,006 Teile
B @	Polyethylen-Copolymer (Copolymeranteil ca. 30%)	20 Teile
Aluminiumoxidhydrat (Martinal OL 104 C der Fa. Martinswerke)	42 Teile
Eisenoxid (Fe₃O₄)	5 Teile
Stabilisator (Anos HB)	0,5 Teile
C @	Polyethylen-Copolymer (Copolymeranteil ca. 15%)	100 Teile
Katalysator (Naftovin S)	0,85 Teile

Die Polyethylenkomponente im Mischungsbeispiel kann auch z. B. durch einen Ethylen-Propylen-Kautschuk oder das oben erwähnte LLDPE ersetzt werden.

Zur Herstellung einer kriechstromfesten Umhüllung für Luftkabel geht man beispielsweise so vor, daß zunächst entsprechend A in einem sog. Pfropfextruder in dessen Einführungstrichter das Polymermaterial zusammen mit dem Silan und darin gelöstem Peroxid eingegeben und auf das PE-Copolymere das Silan aufgepfropft, also vernetz bar gemacht wird. Das so behandelte PE-Basismaterial wird extrudiert und granuliert.

Parallel dazu wird nach B eine hochkonzentrierte Mischung (Batch) hergestellt, die an Zusätzen zur Verbesserung der Kriechstromfestigkeit Aluminiumoxidhydrat und Eisenoxid enthält. Zur Mischung der einzelnen Bestandteile dient zweckmäßig ein geeigneter Kneter. Vorteilhaft auf einem Kneter hergestellt wird auch ein Batch entsprechend C, der den Vernetzungskatalysator enthält.

Nach Granulierung der vernetzbaren Basismischung (A) wird diese zusammen mit der hochkonzentrierten Mischung (B) z. B. in einem geeigneten Kneter oder einem ent sprechenden Mischaggregat gemischt und das Gemisch an schließend dem Einführungstrichter eines Extruders zur kontinuierlichen Herstellung der erfindungsgemäßen Um hüllung zugeführt. Frühestens in den Ausformextruder wird auch die Mischung entsprechend C eingegeben, während der Misch- und Homogenisierungsphase im Extruder wird der Vernetzungskatalysator ausreichend homogen verteilt.

Die Fig. 1 zeigt ein nach der Erfindung aufgebautes metallfreies Luftkabel mit Lichtwellenleiter (LWL), während in der Fig. 2 dessen Anordnung im Zuge einer Hochspannungs-Überland-Freileitung veranschaulicht ist.

Um einen isolierenden Kern 1 herum verseilt sind die Hohladern 2, in denen die Lichtwellenleiter 3 geführt sind. Dieser Verseilverband ist umgeben von der isolierenden Umhüllung 4 (Mantel), die entsprechend der Erfindung aus einem nach Aufpfropfen von Silanen durch Feuchtigkeit vernetzten, kriechstromfesten Polymermaterial besteht. Eine z. B. aus hochfesten Kunststoffäden, etwa auf Basis aromatischer Homo- oder Copolyamide, bestehende Armierung 5 dient der Aufnahme von Zugkräften.

Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel können solche Luftkabel auch eine metallische Bewehrung enthalten oder in der Seele unterhalb der Umhüllung metallische Nachrichtenübermittlungsstränge angeordnet sein.

Die heute praktizierte Anordnung eines Luftkabels mit LWL im Energieversorgungsbereich zeigt schematisch die Fig. 2. Hierbei sind zwischen den z. B. 400 m entfernt stehenden Masten 6 und 7 das Erdseil 8 sowie die drei Phasenseile 9 eingespannt. Im Abstand von z. B. 6 m zu den Phasenleitern 9 befindet sich ein entsprechend Fig. 1 aufgebautes Luftkabel 11, das über die metallischen und geerdeten Aufhängungen 10 am Mast 6 bzw. 7 be festigt ist. Insbesondere im Bereich dieser Aufhängungen ist bei einem metallfreien Luftkabel mit erhöhter Bean spruchung durch auf der Oberfläche der Umhüllung 4 induzierte Kriechströme zu rechnen. Bei entsprechender, im Betrieb unvermeidbarer zusätzlicher elektrischer Be anspruchung durch Schmutz und Feuchtigkeit, Schwingungen des Kabels, besondere Baulichkeiten und dergl., sind jedoch auch andere Kabelabschnitte kriechstromgefährdet. Hier schafft die Erfindung durch den speziellen Mantel aufbau ebenfalls Abhilfe.

Claims

1. Optisches Luftkabel mit einer Lichtwellenleiter enthaltenden Seele, einer die Seele umschließenden Umhüllung aus einem thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff sowie einer Bewehrung unter- oder oberhalb dieser Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische oder elastomere Werkstoff nach Aufpfropfen von Silanverbindungen und anschließendem Einmischen von die Kriechstromfestigkeit bewirkenden Zusätzen, wie Metalloxiden, Karbiden u. dgl., einzeln oder in Kombination, unter Feuchtigkeitseinwirkung vernetzt ist.

2. Luftkabel nach Anspruch 1 mit einer Metalloxide ent haltenden Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze eine Kombination aus Aluminiumoxidhydrat und Eisenoxid sind.

3. Luftkabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil Aluminiumoxidhydrat 30-80 und der Anteil Eisenoxid 3-7 Teile auf 100 Teile Polymeres beträgt.

4. Luftkabel nach Anspruch 1 mit einer Metalloxide enthaltenden Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß Titandioxid oder Zinkoxid verwendet wird.

5. Luftkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Umhüllung ein lineares Polyethylen (LLDPE) mit einer Dichte von 0,88-0,95 g/cm³ oder eines seiner Copolymere allein oder als Verschnitt mit anderen Polymeren dient.

6. Verfahren zur Herstellung eines Luftkabels mit kriechstromfester Umhüllung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial zunächst mit der Silankomponente gemischt und anschließend das Silan auf das Basis polymer aufgepfropft wird, daß in das so vorbereitete Basismaterial die Zusätze eingearbeitet und homogen verteilt werden, und daß schließlich die Umhüllung ausgeformt und der Feuchtigkeit zum Zwecke der Ver netzung ausgesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmischung der Zusätze in das mit Silanen gepfropfte Basismaterial bei Temperaturen zwischen 100° und 140°C erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Vernetzungskatalysator für die Vernetzung unter Einwirkung von Feuchtigkeit erst unmittelbar vor der Formgebung der vernetzbaren Um hüllung eingemischt wird.