DE3629348C2

DE3629348C2 - Kunststoffisoliertes elektrisches Mittel- oder Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE3629348C2
Application number: DE3629348A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Schaedlich
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1985-11-09
Filing date: 1986-08-28
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2006-08-29
Also published as: DE3629348A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches kunststoff isoliertes Mittel- oder Hochspannungskabel mit einer den Leiter überdeckenden extrudierten inneren Leitschicht und einer an schließenden, ebenfalls extrudierten Isolierung aus einem thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff, insbesondere aus einem vernetzten Polymermaterial sowie einer die Isolierung überdeckenden äußeren Leitschicht.

In den letzten Jahren sind zahlreiche Untersuchungen in der Technik durchgeführt worden mit dem Ziel, offenbar durch Wasser ansammlungen (Wasserbäumchen, "water trees") verursachte Schäden in der extrudierten Isolierung elektrischer Kabel, z. B. aus vernetztem oder unvernetztem Polyäthylen, aufzuklären und Maßnahmen zu treffen, diese Kabelschäden zu vermeiden. Ent sprechend hoch ist auch die Anzahl der Veröffentlichungen, die das Wachstum der Wasserbäumchen beschreiben und Vorschläge zur Unterdrückung solcher die Lebenserwartungen der Kabel er niedrigenden Erscheinungen machen. Dabei besteht offenbar Über einstimmung darüber, daß die Wasserbäumchen umso gefährlicher sind, je größer sie ausfallen. Solche von nur wenigen µm Länge gelten als vergleichsweise ungefährlich.

Alle bisherigen Untersuchungen gehen davon aus, daß Feuchtig keit in ein Kabel und hierbei insbesondere in die Isolierung gelangt, wo sie an Inhomogenitäten unter Einfluß des elek trischen Feldes zu Wasserbäumchen führt. Feuchtigkeit kann bereits während der Fertigung in das Kabel eindringen, bei spielsweise beim Vorgang der Vernetzung durch Einwirkung von Wasserdampf während des kontinuierlichen Durchlaufes durch eine Kettenlinie (CV-Anlage), aber auch im Betrieb kann Feuchtigkeit aus der Umgebung in Leitschichten und Isolierung diffundieren, abgesehen von Feuchtigkeitsein brüchen bei Beschädigung eines Kunststoffmantels.

Ein bei Feuchtigkeitseinwirkung besonders gefährdeter Bereich ist die Grenzfläche zwischen extrudierter innerer Leitschicht und Isolierung, da hier die höchste Feldstärke im Kabel herrscht. Begünstigt wird die Entstehung von Wasser bäumchen hier durch Inhomogenitäten in der Grenzfläche, die sich schon durch die Zusammensetzung des Leitmaterials ergeben. Einerseits muß zur Einhaltung einer guten Leit fähigkeit eine ausreichende Menge von Ruß zugemischt werden, andererseits verhindern die ungleiche Korngrößenverteilung und agglomerierte Rußpartikel eine feine Siebung des Materials vor der Extrusion. Vernetzbare innere Leitschichten sind darüber hinaus besonders schwer zu sieben.

Von der inneren Leitschicht ausgehende sog. "vented trees" sind nach heutiger Auffassung die wesentliche Ursache für den Abfall der Spannungsfestigkeit in der Isolierung im elektrischen Feld bei Einwirkung von Wasser. Diese Wasser bäumchen beginnen in der Regel an Störstellen in bzw. an der inneren Leitschicht, wo auch die höchste Feldstärke im Kabel herrscht.

Eine andere Art der Wasserbäumchen die sog. "bow tie trees", vermindern die elektrische Festigkeit einer Isolierung ebenfalls, offenbar sind die aber im allgemeinen nicht die Ursache von Kabelfehlern im praktischen Betrieb. Auch ist das Wachstum der letztgenannten Wasserbäumchen begrenzt, während die sog. "vented trees" bei Wasserzufuhr ständig weiterwachsen, im Extremfall sogar bis zur Gegenelektrode.

Um das Bäumchenwachstum unter Wassereinfluß mindestens zu bremsen, hat man bereits versucht durch Werkstoffauswahl für die elektrische Isolierung weiterzukommen (IEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 3, March 1984). Zur Erzielung von Isolierungen aus vernetztem Polyethylen mit wasserbäumchenretardierenden Eigenschaften werden deshalb die Polymere durch Zusätze modifiziert oder durch Inhibitoren in Form chemischer Zusätze wasserresistent gemacht.

Bekannt ist es auch bereits (DE-OS 25 25 419), im Grenzflächenbereich der Isolierung flüssige Schichten vorzusehen, die Verbindungen enthalten, welche in die Isolierung wandern, um dort spannungsstabilisierend zu wirken.

Alle die bekannten Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, daß sich mit den Werkstoffkombinationen oder Inhibitoren auch die elektrischen Eigenschaften der Isolierung, wie Durchschlagfestigkeit, Verlustfaktor etc., ändern. Dies ist nicht erwünscht und kann überhaupt nur bis zu einem gewissen Grad, insbesondere bei Hochspannungskabeln, zugelassen werden. Darüber hinaus ist bei Werkstoffen mit einer Resistenz gegenüber Wasserbäumchenbildung mit höheren Kosten zu rechnen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, trotz der offenbar nur schwer zu vermeidenden Inhomogenitäten bei der Herstellung von extrudierten Leitschichten die Betriebssicherheit üblicher Kabel zu verbessern und insbesondere das Bäumchenwachstum auf einen für den Betrieb des Kabels unschädlichen Wert zu reduzieren.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die der Isolierung zugekehrte Oberfläche der inneren und/oder äußeren Leitschicht von einer weiteren extrudierten Schicht aus einem Polymermaterial überdeckt ist, das weitgehend resistent gegenüber Wasserbäumchen ist.

Die Betriebssicher heit des Kabels ist damit entscheidend erhöht, da das Ent stehen von für die Isolierung gefährlichen "vented trees" an der der Isolierung zugekehrten Oberfläche der Leitschichten von vornherein vermieden ist. Denn die gegenüber Wasser bäumchen resistente Schicht überdeckt ggf. im Bereich der Grenzschichten von Isolierung und Leitschicht vorhandene Fehl stellen, wie Lunker oder Verunreinigungen, so daß sich diese auch unter der gleichzeitigen Einwirkung von Feuchtigkeit (Wasser) und elektrischem Feld nicht nachteilig auf die Be triebssicherheit des Kabels auswirken können. Gegenüber den bekannten Maßnahmen, etwa dem Einsatz von Inhibitoren, trägt die Erfindung auch zur Kostenreduzierung bei.

Im Verhältnis zur Dicke der Leitschichten ist die Dicke der extrudierten resistenten Schicht größer zu wählen. In Durchführung der Erfindung hat sich eine Dicke, die etwa das 1,5- bis 5fache der Dicke der Leitschichten ausmacht, als am zweckmäßigsten erwiesen. Beispielsweise kann bei einer Dicke von 0,3 bis 0,6 mm für die innere Leitschicht die gegen Wasserbäumchen resistente Schicht 1 bis 2 mm betragen, um sicherzustellen, daß "vented trees" keine Möglichkeit haben, in die Isolierung hinein zu wachsen.

Besteht die Isolierung des elektrischen Mittel- oder Hoch spannungskabels aus einem vernetzten Polyethylen, das ist der zur Zeit für die angeführten Zwecke üblichste Isolier werkstoff, dann ist es vorteilhaft, wenn die gegenüber Wasser bäumchen resistente Schicht aus einem Ethylen-Propylen- Kautschuk besteht. Unter Wassereinwirkung tritt bei diesem Material ein besonders geringer Abfall der elektrischen Festigkeit auf.

Statt des genannten Werkstoffes sind auch Polyblends aus Polyethylen und einem seiner Copolymere, beispielsweise mit bestimmtem Acetat-Anteil, für den Schutz der Isolierung gegen Wasserbäumchen geeignet oder auch ein vernetztes Polyethylen, das hoch stabilisiert ist.

Die gegen Wasserbäumchen resistente Schicht wird in der Regel eine Isolierschicht sein, man kann diese Schicht aber auch durch geeignete Zusätze leitfähig ausbilden, wobei die Leitfähigkeit dieser Schicht geringer ist als die Leitfähigkeit der inneren Leitschicht des Kabels. Wesentlich ist in jedem Fall, daß das Wachsen der sog. "vented trees" im Grenzflächenbereich Isolierung - Leitschicht verhindert ist.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit ist die, für den gleichen Zweck Polyvinylchlorid zu verwenden, das über die innere Leitschicht extrudiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei anhand der Figur näher erläutert.

Das dargestellte kunststoffisolierte Mittel- oder Hoch spannungskabel besteht aus dem aus miteinander verseilten Einzeldrähten aufgebauten Leiterseil 1, das von der extru dierten Leitschicht 2 mit etwa 0,5-0,7 mm Wanddicke überdeckt ist. Um zu vermeiden, daß ggf. auf oder in der Leitschicht vorhandene Inhomogenitäten unter der Einwirkung von Feuchtigkeit, die zum Beispiel über das Leiterseil 1 herangeführt wird, zu einem Entstehen und Wachsen von Wasserbäumchen führt, ist zwischen der Isolierung 3, etwa aus einem vernetzten Polyethylen, und der inneren Leit schicht 2 eine gegen Wasserbäumchen resistente extrudierte Schicht 4 angeordnet. Diese Schicht 4 kann aus einem Werk stoff der nachstehenden Mischungsbeispiele bestehen, wobei die Wanddicke dieser Schicht vorteilhaft 1 bis 2 mm beträgt, bei einer gesamten Isolierwanddicke von vorzugsweise 4 bis 8 mm.

Über der Isolierung 3 ist in bekannter Weise die der Abschirmung dienende äußere Leitschicht 5 angeordnet, die ihrerseits von dem Außenmantel 6 überdeckt ist.

Die nachstehenden Mischungsbeispiele I bis IV betreffen Möglichkeiten für die Ausbildung der Schicht 4.

I. Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR)
100 Teile
Kaolin	60 Teile
Weichmacher	5 Teile
Coagenz (z. B. Vinylsilan)	1 Teil
Alterungsschutzmittel (etwa ein Chinolinderivat)	2 Teile
Peroxid (Dicumylperoxid z. B.)	6 Teile
II. Polyethylen (z. B. Dichte 0,92 g/cm³)	80 Teile
Ethylen-Copolymer mit z. B. 15% Acetatanteil	20 Teile
Alterungsschutzmittel (z. B. Santonox)	0,8 Teile
Peroxid (z. B. Dicumylperoxid) als Vernetzungsmittel	2,0 Teile
III. Polyethylen (etwa Dichte von 0,92 g/cm³)	100 Teile
Stabilisator (z. B. aromat. Ketone)	10 Teile
Alterungsschutzmittel	1 Teil
Peroxid als Vernetzungsmittel	2 Teile
IV. Polyvinylchlorid	100 Teile
Kreide	10 Teile
Kieselsäure	10 Teile
Weichmacher	40 Teile
Stabilisator, etwa Bleiphthalat	5 Teile

In der dargestellten Fig. ist der Übersichtlichkeit halber nur die gegen Wasserbäumchen resistente Schicht 4 im Grenz bereich zwischen innerer Leitschicht 2 und Isolierung 3 dargestellt. Eine solche zusätzliche Schicht (4) kann ent sprechend der Erfindung auch zwischen der äußeren Leit schicht 5 und der Isolierung 3 angeordnet sein.

Claims

1. Elektrisches kunststoffisoliertes Mittel- oder Hochspannungskabel mit einer den Leiter überdeckenden extrudierten inneren Leitschicht und einer anschließenden, ebenfalls extrudierten Isolierung aus einem thermoplastischen oder elastomeren Werkstoff, insbesondere aus einem vernetzten Polymermaterial, sowie einer die Isolierung überdeckenden äußeren Leitschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die der Isolierung (3) zugekehrte Oberfläche der inneren und/oder äußeren Leitschicht (2, 5) von einer weiteren extrudierten Schicht (4) aus einem Polymermaterial überdeckt ist, das weitgehend resistent gegenüber Wasserbäumchen ist.

2. Kabel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der gegen Wasserbäumchen resistenten Schicht (4) etwa das 1,5- bis 5fache der Dicke der Leitschichten (2, 5) ausmacht.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Isolierung aus einem vernetzten Polyethylen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Wasserbäumchen resistente Schicht (4) aus einem Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR) besteht.

4. Kabel nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Isolierung aus einem vernetzten Polyethylen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Wasserbäumchen resistente Schicht (4) aus einem Polyblend aus Polyethylen und einem seiner Copolymere besteht.

5. Kabel nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Isolierung aus einem vernetzten Polyethylen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Wasserbäumchen resistente Schicht (4) aus einem hoch stabilisierten Polyethylen niederer Dichte besteht.

6. Kabel nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Isolierung aus einem vernetzten Polyethylen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Wasserbäumchen resistente Schicht (4) aus Polyvinylchlorid besteht.

7. Kabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Wasserbäumchen resistente Schicht (4) eine gegenüber der inneren Leitschicht geringere Leitfähigkeit aufweist.