DE4417363A1

DE4417363A1 - Radial schrumpfbare zylindrische Muffenanordnung zum Einhüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elektrokabels

Info

Publication number: DE4417363A1
Application number: DE19944417363
Authority: DE
Inventors: Manfred Viebranz; Dieter Hellbusch; Raymund Krabs
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 1995-11-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine radial schrumpfbare zylindrische Muffenanordnung zum Einhüllen einer Verbin dung oder eines Endes eines Elektrokabels nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Kabelverbindungen und Kabelend anschlüssen muß der Leiter des Kabels oder der Kabelader zwangsläufig freigelegt werden. Es ist bekannt, zum Ein hüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elektro kabels radial schrumpfbare Muffen vorzusehen. Die Muffen bestehen entweder aus wärmeschrumpfbarem Material oder aus einem dauerelastischen Material. Im letzteren Fall werden sie mechanisch in einem aufgeweiteten Zustand gehalten. Wird das mechanische Stützmittel entfernt, legt sich die Muffe unter Spannung an die Kabelverbindung oder den Kabel endanschluß an.

Beispiele für mechanische Stützmittel sind etwa in der DE 37 15 915 oder der EP 0 379 056 angegeben. Letztere Druck schrift offenbart im übrigen eine Muffe aus zwei Schichten, wobei die äußere Schicht eine geringere Restverformung aufweist als die innere, nachdem die Muffe aufgebracht worden ist. Die Schichten können im Koextrusionsverfahren hergestellt werden.

Bei bekannten schrumpfbaren Muffen für die Anwendung im Mittelspannungsbereich wird aus elektrophysikalischen Gründen ein dreischichtiger Aufbau in radialer Richtung als optimal angesehen. Die innere Schicht wird mit feld steuernden Eigenschaften versehen. Sie kann sich durchge hend über die Länge der Muffe erstrecken, wie in der EP 0 079 118 vorgeschlagen oder aus drei im Abstand voneinan der angeordneten Abschnitten bestehen, nämlich einer mitt leren Elektrode und zwei Elektroden an den Enden, wie aus der DE 39 43 296 bekanntgeworden. Die Elektroden sorgen für eine Feldvergleichmäßigung im Verbindungsbereich der Leiter der Kabel sowie an den Enden im Übergangsbereich zur Kabelisolation. Die mittlere Schicht, welche zumeist die größte Dicke aufweist, dient Isolierzwecken. Sie ist daher aus einem geeigneten Isoliermaterial gefertigt. Eine äußere Schicht aus elektrisch halbleitendem Material sorgt für die notwendige Abschirmung.

Muffen mit durchgehenden zylindrischen Schichten können im Extrusionsverfahren oder auch im Spritzgußverfahren her gestellt werden. Im letzteren Verfahren werden die Schich ten sukzessive durch aufeinanderfolgendes Spritzgießen geformt und miteinander verbunden. Ein Koextrusionsver fahren kommt bei einer Muffe nach der DE 39 43 296 nicht in Frage. Die Elektroden können nur im Spritzgußverfahren hergestellt werden.

Die halbleitende innere Schicht bzw. die Elektroden der zuletzt erwähnten bekannten Muffe bestehen aus einem ge eigneten feldsteuernden Material, das gemäß der DE 34 12 029 permanentelastisches dielektrisches Basismaterial auf weisen kann, in dem fein verteilter Wirkstoff eingemischt ist, der aus staubfeinen Partikeln elektrisch polarisier baren Materials geringer elektrischer Leitfähigkeit be steht. Als Wirkstoff dient zum Beispiel Ruß. Außerdem wird ein zusätzlicher Wirkstoff hinzugefügt, der metallisch leitend ist. Hierfür werden u. a. Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von mindestens 2 µm vorgeschlagen. Die Mikro kügelchen sind zumindest an der Oberfläche leitend und be stehen beispielsweise aus Aluminium.

Mit einem derartigen feldsteuernden Material wird eine relative Dielektrizitätskonstante von 30 bis 300 erhalten. Ein derartiges feldsteuerndes Material ist daher insbeson dere für Muffen geeignet, die bei Hochspannungskabeln ein gesetzt werden.

Die Herstellung der bekannten Muffen mit dem beschriebenen dreischichtigen Aufbau ist relativ aufwendig. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine radial schrumpf bare, zylindrische Muffenanordnung zum Einhüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elektrokabels zu schaf fen, die mit geringerem Aufwand hergestellt werden kann und insbesondere für Mittelspannungen bis zu 15 kV geeig net ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Muffe wird der feldsteuernde in nere Bereich und/oder zumindest ein Teil des isolierenden Bereichs von einer einzigen Schicht aus einem homogenen Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten gebildet, die signifikant größer ist als die der Leiter isolation des Kabels.

Feldsteuerndes Material hat meist nur eine sehr geringe Durchschlagfestigkeit. Andererseits weist das Isolations material kaum feldsteuernde Eigenschaften auf. Die Erfin dung geht von der Erkenntnis aus, daß zwischen den Eigen schaften dieser beiden Materialien ein Kompromiß erhalten werden kann. Wird die innerste Schicht einer Muffe mit einer Dielektrizitätskonstanten ausgestattet, die höher liegt als die der Leiterisolation des Kabels, ist es sehr wohl möglich, in Grenzen eine feldsteuernde Wirkung zu erhalten, auch wenn diese Schicht zugleich elektrisch iso liert. Hierbei ist zu bedenken, daß die feldsteuernde Wir kung der einzigen Schicht radial weiter ausgedehnt ist als dies bei üblichen feldsteuernden Schichten der Fall ist, die eine relativ geringe Dicke aufweisen. Bei der Erfin dung kommt es zu feldvergleichmäßigender Wirkung über die Dicke der "Isolierschicht", d. h. trotz relativ kleiner Dielektrizitätskonstanten ist die feldbeeinflussende Wir kung ziemlich groß. Insbesondere im Mittelspannungsbereich bis 15 kV ist die feldsteuernde Wirkung durchaus ausrei chend. Eine Muffe zum Umhüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elektrokabels braucht daher lediglich aus zwei Schichten zu bestehen, nämlich der bereits beschriebenen sowohl feldsteuernden als auch isolierenden inneren Schicht und der äußeren Abschirmungsschicht. Eine derartige Muffe kann zum Beispiel auch auf einfache Weise im Koextrusions verfahren hergestellt werden.

Da für den mittleren Bereich der erfindungsgemäßen Muffe eine Elektrode nicht vorgesehen ist, kann es notwendig sein, die Leiterverbindung selbst zum Beispiel mit einem halbleitenden Mastixband mit einer hohen relativen Dielek trizitätskonstanten zu umwickeln, um den Bereich um die Verbindung auf gleiches Potential zu bringen. Es versteht sich, daß auch andere bekannte Mittel verwendet werden können, um den angestrebten Zweck zu erreichen, beispiels weise mittels eines hohlraumfreien Mediums mit relativ hoher Dielektrizitätskonstanten oder mit Hilfe eines Faraday′schen Käfigs.

Neben der einfachen Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Muffe tritt der weitere Vorteil, daß keine besondere An passung an die Länge einer Leiterverbindung vorgenommen werden muß, vielmehr kann die erfindungsgemäße Muffe eine beliebige Länge aufweisen. Die erfindungsgemäße Muffe kann schnell und zuverlässig für einen relativ breiten Mittel spannungsbereich für verschiedene Abmessungen und Typen verwendet werden. Die Installation erfolgt ohne Werkzeug. Die erfindungsgemäße Muffe ist insbesondere für die Ver wendung mit mechanischen Stützmitteln geeignet, insbeson dere einer Stützwendel, wie sie etwa aus der DE 37 15 915 bekanntgeworden ist.

Die relative Dielektrizitätskonstante der inneren Schicht ist 3 oder größer als 3. Sie liegt z. B. zwischen 3 und 10, vorzugsweise zwischen 3 und 4.

Wie erwähnt, braucht eine Muffe lediglich aus zwei Schich ten zu bestehen. Bei einer Anwendung auf einen höheren Mittelspannungsbereich kann es zweckmäßig sein, zusätzlich eine isolierende Schicht zwischen der isolierenden Innen schicht mit feldsteuernden Eigenschaften und der Abschirm schicht anzuordnen. Ein derartiger Muffenaufbau kann eben falls nach dem Extrusionsverfahren gefertigt werden.

Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, einem isolie renden Material eine höhere relative Dielektrizitätskon stante zu verleihen, ohne daß die Durchschlagsfestigkeit zu stark reduziert wird. Eine besteht nach einer Ausge staltung der Erfindung darin, eine Masse aus einer Matrix aus dielektrischem Kunststoff und einem Anteil von insge samt oder an der Oberfläche elektrisch leitenden Mikrokü gelchen mit einer Durchmesserverteilung von 10 bis 500 µm vorzusehen, die gleichmäßig verteilt in das Matrixmaterial eingemischt sind, wobei die Mischung eine relative Dielek trizitätskonstante von gleich oder < 3 und eine Durch schlagsfestigkeit von mindestens 5 kV/mm aufweist. Als Matrixmaterial kommt nach einer Ausgestaltung der Erfin dung Silikongummi, insbesondere Flüssigsilikongummi in Frage. Es sind jedoch auch andere unterschiedliche Matrix materialien denkbar, zum Beispiel Acrylester-Kautschuk (ANM), Celluloseacetat (CA), Epoxid (EP), Nitrilkautschuke (NBR/NCR), Polyamide (PA), Polyarylat (PAR), Polycarbonat (PC), Polyimid (PI), Styrolbutadien-Kautschuk (SBR), Sili kon (SI) oder Vinylacetat (VAC). Wesentlich ist, daß das Matrixmaterial gut formbar ist durch bekannte Formprozesse, wie Extrudieren oder Spritzgießen. Wesentlich ist auch, daß die Beschaffenheit des Matrixmaterials derart ist, daß die Kügelchen während eines derartigen Formprozesses nicht zerstört werden, d. h. eine nicht zu hohe Viskosität auf weist.

Der Durchmesserbereich der Kügelchen bewegt sich zwischen 10 und 500 µm. Vorzugsweise liegt die Durchmesservertei lung nach einer Ausgestaltung der Erfindung zwischen 10 und 90 µm, wobei eine Verteilung von 30 bis 60 µm bevor zugt ist. Diese kleinen Kügelchen lassen sich sehr gut mit herkömmlichen Kunststoff-Formverfahren verarbeiten und ermöglichen eine gute homogene Verteilung im Formkörper.

Die auf diese Weise erhaltene Masse weist eine relative Dielektrizitätskonstante von 3 oder < 3 auf sowie eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 5 kV/mm.

Die Mikrokügelchen können zum Beispiel aus Metall sein. Vorzugsweise werden jedoch Glaskügelchen verwendet, ins besondere Glashohlkügelchen, wie sie etwa aus "Scotch Light Glass Bubbles Mikroglashohlkugeln" Produkt-Informa tion und Spezifikation 3M vom 1.1.1993 bekanntgeworden sind. Sie werden aus alkaliarmem Borosilikatglas gefertigt und sind chemisch inaktiv. Sie haben eine Kornverteilung von 96% in der Größenordnung von 20 bis 120 µm und von 60% in der Größenordnung von 40 bis 80 µm. Bei der Verwendung von Metallkügelchen ist die Leitfähigkeit automatisch gegeben. Bei Verwendung von Glaskügelchen ist hingegen eine Oberflächenbeschichtung mit Metall obligatorisch. Sie kann zum Beispiel aus Aluminium, Nickel, Silber oder der gleichen bestehen. Die metallische Beschichtung kann so dünn wie möglich gewählt werden, da ein signifikanter Strom nicht auftritt. So wird beispielsweise eine Beschich tung mit einer Dicke von 0,01 µm vorgenommen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, die Kügelchen mit einer Isolierschicht zu ver sehen. Dies gilt für Metallkügelchen und mit Metall be schichtete Glaskügelchen gleichermaßen. Eine derartige Schicht kann sogar noch dünner sein und zum Beispiel eine Dicke von 0,004 µm aufweisen. Als bevorzugtes Material für die Beschichtung dient solches, das mit dem Metall bzw. der Metallschicht kompatibel ist, also keine chemische Reaktion erzeugt und außerdem ausreichend haftet. So kann zum Beispiel Aluminium als Metallbeschichtung und ein Aluminiumoxid als isolierende Beschichtung verwendet wer den.

Die Beschichtung der nicht leitfähigen Glaskügelchen mit Metall kann mit herkömmlichen Technologien wie dem Plasma sprühverfahren durchgeführt werden.

Insbesondere bei der Verwendung von Glashohlkügelchen ist wesentlich, daß diese während des Formverfahrens nicht zerstört werden. Daher erweist sich insbesondere Flüssig silikongummi als besonders vorteilhaft, weil seine Visko sität nicht sehr hoch ist. Eine zu hohe Viskosität könnte zu einem Brechen der Kügelchen führen und außerdem ver hindern, daß die Kügelchen sich während des Mischprozesses gleichmäßig verteilen.

Es hat sich gezeigt, daß eine relative Dielektrizitätskon stante von 3 und größer bei ausreichender Durchschlag festigkeit von über 5 kV/mm erhalten wird, wenn sich der Anteil der Mikrohohlkügelchen in dem Bereich von 2 bis 10 Vol.-% bewegt, bezogen auf das Matrixmaterial.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm für den spezifischen Durchgangs widerstand, die Durchschlagsfestigkeit, die rela tive Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor im Verhältnis zum Volumenanteil von Glashohlkügel chen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer schrumpfba ren Muffe nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt die Muffe nach Fig. 2 nach dem Aufbringen auf eine Kabelverbindung.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer schrumpfba ren Muffe nach der Erfindung.

Eine elastische Muffe 10 sitzt auf einer Stützwendel 12, wie sie an sich bekannt ist. Die Muffe 10 weist eine in nere Schicht 14 auf sowie eine äußere Schicht 16 und ist beispielsweise im Koextrusionsverfahren hergestellt. Die innere Schicht besteht aus einem isolierenden Material, das zugleich eine Dielektrizitätskonstante von 3 oder größer aufweist. Die äußere Schicht 16 besteht aus einem geeigneten halbleitenden Material.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie die Muffe 10 auf eine Kabelver bindung aufgebracht worden ist. Die Kabel 18, 20 sind mit ihren Leitern 22, 24 über einen Verbinder 26 in bekannter Weise elektrisch leitend und mechanisch verbunden. Auf den Aufbau der Kabel 18, 20 wird im einzelnen nicht eingegan gen, weil er grundsätzlich bekannt ist.

In Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß der eigentliche Ver bindungsbereich mit Hilfe eines halbleitenden Mastixbandes 28 umwickelt ist, um in diesem Bereich eine feldvergleich mäßigende Wirkung zu erhalten.

Die Dicke der Kabelisolierung beträgt 4,0 mm für ein 10 kV-Kabel. Sie beträgt indessen 4,5 mm für ein 15 kV-Kabel. Die relative Dielektrizitätskonstante beträgt 2,3. Bei diesen Werten ergeben sich für die Muffe nach Fig. 2 fol gende Daten:

Relative Dielektrizitätskonstante der Innenschicht 14: 3
Dicke der Innenschicht 14: 8,5 mm
Durchschlagsfestigkeit der Innenschicht 14: 20 kV/mm
Verlustfaktor: 0,0001.

Das Diagramm nach Fig. 1 gibt die Verhältnisse für eine Isoliermasse wieder, wie sie als innere Schicht 14 der Muffe 10 nach Fig. 2 verwendet werden kann. Es wird Flüs sigsilikongummi (Firmenschrift "Der Fortschritt in der Formteilfertigung Elastosil LR" der Firma Wacker von 1989) als Matrixmaterial verwendet, das mit metallisch beschich teten Glashohlkügelchen gemischt ist. Das spezifische Ge wicht der Glashohlkügelchen ist 0,6. Ihre hydrostatische Druckfestigkeit beträgt 700 N/cm². Die Größenverteilung der Kügelchen ist wie folgt:

Siebgröße (µm)
Durchsatz in %
88
100
62	93,7
44	73,7
31	50,5
22	30,5
16	15,8
11	7,4
7,8	2,1
5,5	0,0

Die Glashohlkügelchen sind mit Aluminium in der Dicke von 100 Angström beschichtet, während die darauf aufgebrachte isolierende Schicht aus Aluminiumoxid eine Dicke von 40 Angström hat.

Aus dem Diagramm nach Fig. 1 ergibt sich, daß der spezifi sche Durchgangswiderstand oberhalb von 2 Vol.-% stabil ist und einen Wert in der Größe von 6·10¹³ Ωcm erreicht. Die Durchschlagsfestigkeit bewegt sich im Bereich von 18 kV/mm, welche sich insbesondere für Mittelspannungen als durchaus ausreichend erweist. Der Verlustfaktor bewegt sich um 0,0001. Bei einem Volumenanteil von 2% ist die relative Dielektrizitätskonstante geringfügig über 3, während sie bei 10% Volumenanteil 4 beträgt.

Die oben genannten Werte für die Innenschicht 14 der Muffe 10 nach Fig. 2 werden daher bei einem Volumenanteil von Glashohlkügelchen der beschriebenen Art von 2% erreicht.

Die Muffe 10a nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß eine zusätzliche Isolierschicht 30 zwischen der isolierenden Innenschicht 14 und der Abschir mung 16 angeordnet ist. Auch die Muffe 10a kann durch ein Koextrusionsverfahren oder durch aufeinanderfolgendes Spritzgießen hergestellt werden. Die zweite Isolierschicht 30 kann aus einem üblichen elastischen Isoliermaterial bestehen, beispielsweise Silikongummi oder Flüssigsilikon gummi. Die Innenschicht 14 entspricht der nach Fig. 2.

Während die Muffe 10 nach Fig. 2 für einen Mittelspannungs bereich bis 15 kV geeignet ist, kann die Muffe nach Fig. 4 für Mittelspannungen oberhalb von 15 kV eingesetzt werden. Anstelle des oben erwähnten Materials für die Schicht 14 nach Fig. 2 und Fig. 4 kann folgende Zusammensetzung vor gesehen werden:

(1) 100 Teile Methylvinylsilikonkautschuk (HDV) (z. B. Silicone rubber R 420/40 U der Fa. Wacker)
10 Teile Ruß N 765
0,9 Teile Dicumylperoxid.
Man erhält hierbei:
Relative Dielektrizitätskonstante εr = 4,6
Spez. Widerstand: = 3·10¹⁴ Ωcm
Durchschnittsfestigkeit: = 10 kV/mm
(2) Substanten und Anteile wie oben, jedoch mit Ruß N 683.
Man erhält:
Dielektrizitätskonstante εr = 3,5
Spez. Widerstand: = 5·10¹⁴ Ωcm
Durchschlagsfestigkeit: = 12 kV/mm

Claims

1. Radial schrumpfbare, zylindrische Muffenanordnung zum Einhüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elek trokabels, insbesondere eines Mittelspannungskabels, mit einem abschirmenden radial äußeren Bereich, einem isolierenden und einem feldsteuernden inneren Bereich, die eine Einheit aus dauerelastischem Werkstoff bilden, die mittels entfernbarer mechanischer Stützmittel, vor zugsweise Stützwendeln, im radial ausgedehnten Zustand gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere feldsteuernde Bereich und zumindest ein Teil des iso lierenden Bereichs aus einer einzigen Schicht (14) aus homogenem isolierendem Material bestehen mit einer rela tiven Dielektrizitätskonstanten, die signifikant größer ist als die der Leiterisolation des Kabels (18, 20).

2. Muffenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (14) aus einer Matrix aus di elektrischem Kunststoff und einem Anteil von insgesamt oder an der Oberfläche elektrisch leitenden Mikrokügel chen mit einer Durchmesserverteilung von 10 bis 500 µm, die gleichmäßig verteilt in das Matrixmaterial einge mischt sind, besteht, wobei die Mischung

a) eine relative Dielektrizitätskonstante von gleich oder < 3 und
b) eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 5 kV/mm aufweist.

3. Muffenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial Silikongummi vorgesehen ist, vorzugsweise Flüssigsilikongummi.

4. Muffenanordnung nach Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Durchmesser der Kügelchen sich um nicht mehr als eine Größenordnung unterscheiden.

5. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Durchmesserverteilung der Mikrokügelchen zwischen 10 und 90 µm liegt, vorzugsweise zwischen 30 und 60 µm.

6. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß Metallkügelchen vorgesehen sind.

7. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß Glaskügelchen vorgesehen sind, vorzugsweise Glashohlkügelchen, die mit einem Metall beschichtet sind.

8. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Kügelchen mit einer dünnen Isolierschicht beschichtet sind, vorzugsweise mit einem Aluminiumsuboxid.

9. Muffenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Dicke der Beschichtung etwa 0,01 µm be trägt.

10. Muffenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Dicke der isolierenden Schicht etwa 0,004 µm beträgt.

11. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Anteil an Mikrokügelchen zwischen etwa 2 bis 12 Vol.-% beträgt, bezogen auf das Matrixmaterial.

12. Muffenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die relative Dielektrizitätskonstante der in neren Schicht (14) zwischen 3 und 10 beträgt, vorzugs weise zwischen 3 und 4.

13. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit mindestens 10 kV/mm ist.

14. Muffenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß der Verlustfaktor < 0,01, vorzugsweise < 0,001 ist.

15. Muffenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die innere Schicht (14) Methyl vinylsilikonkautschuk verwendet wird, dem Ruß zuge mischt ist und dem vorzugsweise ferner ein geringer Anteil Dicumylperoxid hinzugefügt ist.

16. Muffenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß der Rußtyp N 765 oder N 683 vorgesehen ist.