DE60031794T2

DE60031794T2 - Wasserdichtes elektrisches kabel

Info

Publication number: DE60031794T2
Application number: DE60031794T
Authority: DE
Inventors: Sergio Belli; Alberto Bareggi; Paolo Veggetti; Luca Castellani; Giovanni Pozzati; Luca Balconi
Original assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: EP1243004A1; DE60031794D1; CA2394846A1; ES2276714T3; CN1300804C; US20040065456A1; ATE344969T1; AR033958A1; BR0016575B1; AU2673701A; CA2394846C; EP1243004B1; TW511100B; US7087842B2; MY124920A; AU768890B2; CN1585989A; BR0016575A; WO2001046965A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kabel, insbesondere zur Energieübertragung oder -verteilung bei mittlerer oder hoher Spannung, versehen mit einer wasserquellbaren Schicht, die zur Bildung einer Barriere gegen Wasserpenetration geeignet ist, in einer Position, die sich radial extern zu der metallischen Abschirmung befindet.
In der vorliegenden Beschreibung meint der Ausdruck "mittlere Spannung" eine Spannung zwischen etwa 1 kV und etwa 30 kV, während der Begriff "hohe Spannung" Spannungen oberhalb 30 kV meint.
Kabel zur Energieübertragung oder -verteilung bei mittlerer oder hoher Spannung haben im allgemeinen einen metallischen Leiter, der beschichtet ist mit einer ersten inneren halbleitenden Schicht, einer Isolierungsschicht und einer äußeren halbleitenden Schicht. Im Verlauf der vorliegenden Beschreibung wird die vorbestimmte Sequenz von Elementen mit dem Ausdruck "Kern" bezeichnet.
In einer Position radial extern zu dem vorgenannten Kern ist das Kabel mit einer metallischen Abschirmung, üblicherweise aus Aluminium, Blei oder Kupfer versehen, in dessen Innerem der vorstehend genannte Kern eingeschlossen ist, wobei die metallische Abschirmung im allgemeinen aus einem fortlaufenden Rohr oder einem metallischen Band, das zu einer röhrenförmigen Form geformt ist und geschweißt oder versiegelt, um eine hermetische Abdichtung sicherzustellen, besteht.
Somit hat diese Abschirmung eine duale Rolle: einerseits stellt sie Hermetizität gegenüber dem Äußeren des Kabels bereit, indem eine Barriere gegenüber Wasserpenetration in radialer Richtung zwischengelegt wird, und andererseits führt sie eine Funktion elektrischer Natur durch, indem sie im Inneren des Kabels als Resultat eines direkten Kontaktes zwischen der metallischen Abschirmung und der äußeren halbleitenden Schicht des genannten Kerns ein einheitliches elektrisches Feld des Radialtyps schafft und gleichzeitig das äußere elektrische Feld des Kabels aufhebt. Eine weitere Funktion ist die Aushaltens von Kurzschlußströmen.
In einem Aufbau des einpoligen Typs hat das Kabel schließlich eine polymere Ummantelung in einer Position radial extern zu der oben genannten metallischen Abschirmung.
Kabel zur Energieübertragung oder -verteilung sind darüber hinaus im allgemeinen mit einer Schicht oder mehreren Schichten ausgestattet, die spezifisch plaziert sind, um eine Barrierewirkung zu erreichen, die fähig ist, eine Wasserpenetration in Richtung des Inneren (des Kerns) des Kabels zu blockieren.
Das Eindringen von Wasser in das Innere eines Kabels ist ein besonders unerwünschter Aspekt, da in Abwesenheit von geeigneten Lösungen, die konzipiert sind, um das Wasser zurückzuhalten, das Wasser, sobald es eingedrungen ist, fähig ist, frei im Inneren des Kabels zu fließen. Dies ist besonders für die Integrität des Kabels gefährlich, da Korrosionsprobleme sich darin entwickeln können, ebenso Probleme einer beschleunigten Alterung des Kabels selbst und der Verschlechterung der elektrischen Merkmale der Isolierungsschicht (speziell wenn die letztgenannte aus vernetztem Polyethylen hergestellt ist), ein Phänomen, das besser unter dem Ausdruck "water treeing" bekannt ist und das durch die Bildung von mikroskopischen Kanälen in einer Verzweigungsstruktur ("trees") infolge der kombinierten Wirkung des elektrischen Felds, das durch den Durchgang von Strom im Leiter erzeugt wird, und von Feuchtigkeit, die ins Innere der Isolierungsschicht penetriert ist, manifestiert wird.
Dies bedeutet daher, daß im Fall einer Wasserpenetration in das Innere eines Kabels, das letztgenannte ersetzt werden muß. Sobald Wasser darüber hinaus Verbindungsstellen, Terminals oder ein anderes Gerät, das an ein Ende des Kabels angeschlossen ist, erreicht hat, stoppt das Wasser nicht nur das letztgenannte vor einem Durchführen seiner Funktion, sondern schädigt auch das Gerät, wobei in den meisten Fällen eine Schädigung verursacht wird, die irreversibel ist und wirtschaftlich bedeutend ist.
Eine Wasserpenetration in das Innere eines Kabels kann aus vielen Gründen auftreten, speziell wenn das Kabel einen Teil einer unterirdischen Installation bildet. Eine solche Penetration kann zum Beispiel durch einfache Diffusion von Wasser durch die äußere polymere Ummantelung des Kabels oder als Resultat von Abrieb, zufälligem Schlag oder der Wirkung von Nagern auftreten, Faktoren, die zu einem Einschnitt oder sogar zu einem Reißen der äußeren Ummantelung des Kabels und daher zur Schaffung eines bevorzugten Wegs zum Eintritt von Wasser in das Innere des Kabels führen können.
Es sind bereits zahlreiche Lösungen zur Lösung dieser Probleme bekannt. Von diesen können wir zum Beispiel die Verwendung von hydrophoben und wasserquellbaren Verbindungen in Form von Pulvern oder Gel nennen, die in verschiedenen Positionen, die vom Typ des Kabels, das betrachtet wird, abhängen, im Inneren des Kabels plaziert werden.
Diese Verbindungen können zum Beispiel in einer Position radial intern zur metallischen Abschirmung, genauer in einer Position zwischen dem Kabelkern und seiner metallischen Abschirmung oder in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung, im allgemeinen in einer Position direkt unter der äußeren polymeren Ummantelung oder in beiden der vorstehend genannten Positionen gleichzeitig plaziert werden.
Die wasserquellbaren Verbindungen haben als Resultat eines Kontakts mit Wasser die Fähigkeit, sich im Volumen auszudehnen und somit einer longitudinale Wanderung des Wassers eine physikalische Barriere entgegenstellen. Diese Lösung macht es möglich, die Schädigung auf einen Kabelabschnitt beschränkter Länge zu beschränken, so daß der beschädigte Abschnitt, sobald er identifiziert ist, ersetzt wird, wobei ein daran angeschlossenes Gerät geschützt wird.
Nach einer bekannten Lösung wird zum Zwecke der Erleichterung der Aufbringung des genannten wasserquellbaren Materials das Kabel mit einem Band versehen, mit welchem das vorgenannte Material kombiniert ist. Detaillierter ausgedrückt, das Band wird schraubenförmig oder longitudinal auf ein geeignetes Element des Kabels selbst gewickelt, wobei es von Fall zu Fall unterschiedlich ist und, wie erwähnt, vom Kabeltyp, der betrachtet wird, abhängt, sowie von der Positionierung der Barriere, die herzustellen ist, radial intern oder extern zu der metallischen Abschirmung.
Dieses Band kann zum Beispiel aus einem Paar von Geweben aus ein Cellulosematerial, das auf ein anderes derart gelegt ist, daß im Raum zwischen dem Paar von Geweben das wasserquellbare Pulver, wie es oben genannt wurde, leicht plaziert werden kann. Nach einer anderen Ausführungsform wird das Band zum Zwecke der Verringerung der Dicke aus einem Material hergestellt, das ausreichend komprimierbar und porös ist, um eine Anordnung eines wasserquellbaren oder superabsorbierenden Materials zu erlauben (siehe zum Beispiel US-Patent 4,867,526). Nach einer weiteren Ausführungsform des Stands der Technik besteht das genannte Band aus einem superabsorbierenden Fasermaterial, das linear entlang des Kabels angeordnet ist oder schraubenförmig um das Kabel oder vorbestimmte Teile des Kabels gewickelt ist.
Zum Zwecke der Bereitstellung einer Barriere gegen Wasserpenetration in einer Position radial intern zu der metallischen Abschirmung besteht eine andere bekannte Technik in der Ausstattung der halbleitenden Schicht des Kabelkerns mit einer Vielzahl von longitudinalen Kanälen, vorzugsweise mit V-Profil, in die ein wasserquellbare Pulvermaterial gegeben wird.
Dokument WO 99/33070 beschreibt die Verwendung einer Schicht aus geschäumtem polymeren Material, das in direktem Kontakt mit dem Kern eines Kabels in einer Position direkt unterhalb der metallischen Abschirmung des Kabels angeordnet ist und das vordefinierte halbleitende Eigenschaften besitzt, mit dem Ziel die notwendige elektrische Kontinuität zwischen dem leitenden Element und der metallischen Abschirmung zu garantieren.
Das technische Problem, das in WO 99/33070 behandelt wird, war das, daß die Überzugsschichten eines Kabels kontinuierlich mechanischen Ausdehnungen und Kontraktionen unterworfen sind, und zwar infolge der zahlreichen thermischen Zyklen, die das Kabel während seiner normalen Verwendung durchmacht. Diese thermischen Zyklen, die durch die täglichen Veränderungen in der Stärke des elektrischen Stroms, der getragen wird, verursacht werden, die mit entsprechenden Temperaturschwankungen im Inneren des Kabels selbst verbunden sind, führen zur der Entwicklung von radioalen Spannungen im Inneren des Kabels, die jede der genannten Schichten Beeinträchtigung und daher auch seine metallische Abschirmung. Dies bedeutet daher, daß der letztgenannte relevante mechanischen Deformationen mit Bildung von Leerräumen zwischen den Schirm und der äußeren halbleitenden Schicht und möglicherweise Erzeugung von Nicht-Einheitlichkeit im elektrischen Feld oder sogar im Lauf der Zeit im Reißen des Schirms selbst resultiert.
Dieses Problem wurde gelöst, indem unter die metallische Abschirmung eine Schicht aus expandiertem Polymermaterial eingesetzt wurde, das zum Absorbieren fähig ist, elastisch und einheitlich um das Kabel ist, wobei die vorgenannten Radialkräfte der Expansion/Kontraktion verhindert werden, so daß eine mögliche Schädigung an der metallischen Abschirmung verhindert wird.
Darüber hinaus offenbart das Dokument WO 99/33070, daß im Inneren des geschäumten Polymermaterials, das unter der metallischen Abschirmung positioniert ist, ein wasserquellbares Pulvermaterial eingebettet ist, das fähig ist, Feuchtigkeit und/oder kleine Mengen an Wasser, die in das Innere des Kabels selbst unter der metallischen Abschirmung eindringen könnten, zu blockieren.
Dokument WO 98/52197 beschreibt die Struktur eines Kabels zur Energieübertragung, das vorzugsweise in einer Position direkt unterhalb der äußeren polymeren Ummantelung einen Überzug aus expandiertem polymeren Material einer geeigneten Dicke hat, das fähig ist, dem Kabel eine hohe Schlagfestigkeit zu verleihen. Diese Festigkeit macht es daher möglich, die traditionellen metallischen schützenden Armierungen zu eliminieren. Das Dokument WO 98/52197 erwähnt das Problem der Wasserpenetration in das Innere eines solchen Kabels nicht.
Nun stellt sich die Anmelderin selbst die Aufgabe, eine Linderung für das Problem der Wasserpenetration in das Innere eines Kabels in den radial äußersten Schichten des letztgenannten, d.h. in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung, genauer in einer Position direkt unterhalb der äußeren polymeren Ummantelung des Kabels, zu finden.
Nach Auffassung der Anmelderin ist es in der Tat von fundamentaler Bedeutung, das Kabel mit einem Barriereeffekt gegenüber der Wasserpenetration speziell in der Nachbarschaft der radial äußersten Schicht, d.h. möglichst nahe an der äußeren polymeren Ummantelung, anzuordnen, wobei die letztgenannte das Element ist, das in direktem Kontakt mit der Umgebung steht und daher einem Schlag und/oder Abrieb ausgesetzt ist, was zur Bildung von Rissen oder tatsächlichen Brüchen mit nachfolgender Bildung von bevorzugten Wegen für den Eintritt von Wasser führen kann.
Die praktischen Lösungen des Standes der Technik, die oben im Verlauf der vorliegenden Beschreibung genannt wurden, weisen nach Meinung der Anmelderin eine Vielzahl von Nachteilen auf, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, wie es durch die folgende Erläuterung klarer gemacht wird.
Ein erster Nachteil ist beispielsweise, daß die Verwendung eines wasserquellbaren Materials, ob in Form eines Pulvers oder eines Gels, das in interne Regionen eines Kabels, die leer gelassen wurden, oder in die vorhergenannten longitudinalen Kanäle der halbleitenden Schicht zu plazieren ist, führt zu zahlreichen Problemen, speziell in der Stufe der Herstellung des Kabels selbst.
Die genannten freien Pulver als solche, d.h. nicht an einen Träger gebunden, sind schwierig während der Herstellung des Kabels auf dieses aufzubringen, was das Herstellungsverfahren besonders mühsam macht.
Darüber hinaus gewährleistet die Verwendung von freien Pulvern weder die vollständige Füllung der Leerräume im Inneren des Kabels noch die Schaffung einer wasserquellbaren Schicht, die über die gesamte Länge des Kabels gleichmäßig ist; daher garantiert sie auch nicht die Bildung einer wirksamen Barriere gegenüber Wasserpenetration.
Ein anderer Nachteil des Standes der Technik ist der, daß freies Pulver, das sich im Inneren des Kabels befindet, während der Kabelinstallation leicht in die Umgebung verteilt werden kann; des weiteren ergeben sich Interferenzprobleme mit den traditionellen Verfahren des Schweißens und Leimens, wenn es notwendig ist, Verbindungen zwischen zwei Kabelstücken oder Verbindungen zwischen einem Kabel und einem Terminal oder einem beliebigen Gerät herzustellen.
Andererseits führt eine Verwendung eines wasserquellbaren Materials, zum Beispiel in Pulverform, kombiniert mit einem Trägermaterial in Bandform, zum Beispiel eines der Bänder des Stands der Technik, die oben genannt wurden, zu verschiedenen zusätzlichen Problemen, speziell in der Stufe der Herstellung des Kabels, obgleich einige der Probleme, die mit freien Pulvern verbunden sind, gelöst werden.
In der Tat stellt die Kabel-"Taping"-Stufe, d.h. die Aufbringung eines wasserquellbaren Bands (mit wasserquellbares Band ist ein Band gemeint, das mit einem wasserquellbaren Material kombiniert ist) eine zusätzliche Stufe im Kabelherstellungsverfahren dar, die außerdem die Verwendung einer Vorrichtung verlangt, die für diesen bestimmten Vorgang bestimmt ist:
Detaillierter ausgedrückt, um eine Barriere gegen die Penetration von Wasser in einem Ort radial extern zu der metallischen Abschirmung eines Kabels durch die bekannte "Taping"-Technologie zu produzieren, umfaßt das Herstellungsverfahren, z.B. eines einadrigen Kabels, notwendigerweise:

• eine erste Linie, die für die Extrusion eines Kabelkerns bestimmt ist, der sobald er erhalten wird, auf eine erste Sammelrolle gewickelt wird;
• eine zweite Linie, die sich von der ersten unterscheidet und mit einem abgewickelten Kern von der oben genannten ersten Rolle versorgt wird zur Positionierung der metallischen Abschirmung und zur Anbringung des wasserquellbaren Bandes; das so erhaltene Zwischenprodukt wird dann auf eine zweite Sammelrolle gewickelt;
• eine dritte Linie, die mit dem Zwischenprodukt beliefert wird und zur Extrusion der äußeren polymeren Ummantelung zum Überziehen des wasserquellbaren Bandes und Vervollständigung des Kabelherstellungsverfahrens bestimmt ist.

Die zweite Linie, wenn erforderlich, kann lediglich dazu bestimmt sein, die metallische Abschirmung zu positionieren, wobei der "Taping"-Schritt in diesem Fall in einer dritten Linie vor dem Extrusionsschritt der äußeren polymeren Ummantelung durchgeführt wird. Allerdings erweist sich dieses Herstellungsverfahren als unvorteilhaft, da es in derselben Linie sowohl ein typisches Chargenverfahren, d.h. der "Taping"-Schritt, wie er traditionell ausgeführt wird, und ein typischerweise kontinuierliches Verfahren, nämlich der Extrusionsvorgang geben würde.
Daher hat die Anmelderin die Bedeutung der Bereitstellung einer wasserquellbaren Schicht, die eine Barriere für die Penetration von Wasser bilden kann, in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung erkannt, wobei ein Arbeitsverfahren des kontinuierlichen Typs verwendet wird, das es möglich macht, den "Taping"-Schritt des Standes der Technik zu eliminieren. Dieser Schritt führt unvermeidlich eine Diskontinuität in das Kabelherstellungsverfahren ein, was es sowohl hinsichtlich der verminderten Produktivität als auch bezüglich erhöhter Kosten auf dem Anlagenentwicklungslevel beeinträchtigt.
Die Anmelderin hat gefunden, daß, um eine kontinuierliche wasserquellbare Schicht mit Eigenschaften einer Barriere gegen Wasserpenetration in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung eines Kabels zu versehen, das wasserquellbare Band des Standes der Technik effektiv und vorteilhaft durch eine Schicht aus expandierten polymerem Material, in dessen Innenseite ein wasserquellbares Material eingebettet ist, zum Beispiel in Form von Pulver, ersetzt werden kann. Die genannte Schicht gemäß der Erfindung ist eine kontinuierliche Schicht, die gleichmäßig entlang der Länge des Kabels ohne Übereinanderlagerung, selbst partieller Teilen der genannten Schicht, verteilt ist.
Diese Schicht aus expandiertem Material mit wasserquellbaren Eigenschaften kann direkt auf das Kabel in einem kontinuierlichen Arbeitsgang, möglicherweise auch gleichzeitig mit der Abscheidung der äußeren polymeren Ummantelung extrudiert werden (unter Verwendung eines Co-Extrusionsverfahrens).
Darüber hinaus übernimmt die wasserquellbare Schicht gemäß der Erfindung nicht nur die Funktion des Absorbierens von Feuchtigkeit, die im Inneren des Kabels vorliegt, sondern ist auch fähig, die longitudinale Bewegung von Wasser, das zufällig unter die äußere polymere Ummantelung penetriert ist, selbst wenn es in deutlichen Mengen erfolgt ist, zu blockieren.
Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung nach einem ersten Aspekt auf ein elektrisches Kabel, umfassend zumindest einen Leiter, eine Isolierungsabdeckung, eine metallische Abschirmung, die extern zur Isolierungsabdeckung positioniert ist, und zumindest eine wasserquellbare Schicht, die radial extern zu der metallischen Abschirmung positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine quellbare Schicht aus einem expandierten Material erzeugt ist, in dem ein wasserquellbares Material eingebettet ist, um eine Barriere gegenüber Wasserpenetration zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die wasserquellbare Schicht eine kontinuierliche Schicht, die entlang der Längsrichtung des Kabels gleichmäßig verteilt ist.
Das Expansionsausmaß der wasserquellbaren Schicht ist im allgemeinen zwischen 5% und 500%, vorzugsweise zwischen 10% und 200% und bevorzugter zwischen 10% und 50%.
Darüber hinaus ist die Dicke der wasserquellbaren Schicht zwischen 0,3 mm und 6 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 4 mm, und die Menge des wasserquellbaren Materials ist zwischen 1 phr und 120 phr, vorzugsweise zwischen 5 phr und 80 phr.
Nach einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Blockieren des longitudinalen Flusses von Wasser, das zufällig in das Innere eines elektrischen Kabels eingedrungen ist, in einem Bereich des zuletzt genannten, der radial extern zu zumindest einer metallischen Abschirmung des Kabels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine wasserquellbare Schicht in einer Position radial extern zu der zumindest einen metallischen Abschirmung angeordnet ist, wobei die wasserquellbare Schicht aus einem expandierten Material erzeugt ist, in die ein wasserquellbares Material eingebettet ist.
Weitere Merkmale und Vorzüge werden im Licht der folgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung klarer werden.
Die im folgenden präsentierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die lediglich zum Zwecke der Erläuterung und ohne Beschränkungs-Absicht beigefügt sind, worin:
1 zeigt ein Kabel für die Energieübertragung entsprechend dem Stand der Technik vom dreiadrigen Typ mit metallischer Bewehrung;
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels vom dreiadrigen Typ und
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels vom einadrigen Typ.
Im folgenden der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "expandiertes polymeres Material" ein polymeres Material mit einem vorbestimmten prozentualen Anteil an "freiem" Raum im Inneren des Materials, d.h. Raum, der nicht durch das polymere Material, sondern durch Gas oder Luft, besetzt ist.
Im allgemeinen wird der prozentuale Anteil an freiem Raum in einem expandierten Polymer durch das sogenannte "Expansionsausmaß" (G) ausgedrückt, das wie folgt definiert ist: G = (d0/de – 1)·100worin do die Dichte des nicht-expandierten Polymers bezeichnet und de die scheinbare Dichte angibt, die an dem expandierten Polymer gemessen wurde.
Wie bereits betont wurde, hat die Anmelderin gefunden, daß es möglich ist, eine wasserquellbare Schicht, die fähig ist, eine Barriere gegenüber der Penetration von Wasser zu bilden, in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung eines Kabels zu produzieren, indem in einem expandierten polymeren Material ein wasserquellbares Material, vorzugsweise in Form von Pulver, das fähig ist, bei Kontakt mit Wasser zu expandieren und somit das longitudinale Fortschreiten von Wasser, das in das Kabel eingedrungen ist, zu verhindern, eingebettet wird.
Das genannte wasserquellbare Material besteht im allgemeinen aus einem Polymer, das hydrophile Gruppen entlang der Polymerkette hat, zum Beispiel: Polyacrylsäure, die vernetzt wurde und wenigstens teilweise als Salz vorliegt (zum Beispiel die Produkte Cabloo^® von C. F. Stockhausen GmbH oder Waterlock^® von Sanyo); Stärke oder ihre Derivate gemischt mit Acrylamid/Natriumacrylat-Copolymeren (zum Beispiel die Produkt SGP Absorbent Polymer^® von Henkel AG); Natriumcarboxymethylcellulose (zum Beispiel die Produkte Blanose^® von Hercules Inc.).
Das expandierte polymere Material, das in der wasserquellbaren Schicht verwendet wird, besteht im allgemeinen aus einem expandierbaren Polymer. Bei Bedarf kann das Polymer nach Expansion einer Vernetzung unterworfen werden, wie es detaillierter im folgenden der vorliegenden Beschreibung beschrieben wird.
Das genannte expandierbare Polymer kann ausgewählt werden aus der Gruppe, umfassend: Polyolefine, Copolymere von verschiedenen Olefinen, Olefine/ungesättigte Ester-Copolymere, Polyester, Polycarbonate, Polysulfone, Phenolharze, Harnstoffharze und ihre Gemische. Beispiele für geeignete Polymere sind: Polyethylen (PE), insbesondere PE niedriger Dichte (LDPE), PE mittlerer Dichte (MDPE), PE hoher Dichte (HDPE) und lineares PE niedriger Dichte (LLDPE); Polypropylen (PP); elastomere Ethylen-Propylen-Copolymere (EPM) oder Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymere (EPDM); Naturkautschuk; Butylkautschuk; Ethylen/Vinylester-Copolymere, zum Beispiel Ethylen/Vinylacetat (EVA); Ethylen/Acrylat-Copolymere, insbesondere Ethylen/Methacrylat (EMA), Ethylen/Ethylacrylat (EEA), Ethylen/Butylacrylat (EBA); thermoplastische Ethylen/α-Olefin-Copolymere; Polystyrol; Acrylnitril-Butadien-Styrolharze (ABS); halogenierte Polymere, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC); Polyurethan (PUR); Polyamide; aromatischer Polyester, zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT) und ihre Copolymere oder mechanischen Mischungen.
Vorzugsweise ist das polymere Material ein polyolefinisches Polymer oder Copolymer, das auf Ethylen und/oder Propylen basiert und insbesondere ausgewählt ist unter:

(a) Copolymeren von Ethylen mit einem ethylenisch ungesättigten Ester, zum Beispiel Vinylacetat oder Butylacetat, in welchem die Menge an ungesättigtem Ester im allgemeinen zwischen 5 Gew.-% und 80 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 10 Gew.-% und 50 Gew.-% liegt;
(b) elastomeren Copolymeren von Ethylen mit wenigstens einem C_3-12-α-Olefin und gegebenenfalls einem Dien, vorzugsweise Ethylen-Propylen (EPR)- oder Ethylen-Propylen-Dien (EPDM)-Copolymere, vorzugsweise mit der folgenden Zusammensetzung: 35–90 mol-% Ethylen, 10–65 mol-% α-Olefin, 0–10 mol-% Dien (zum Beispiel 1,4-Hexadien oder 5-Ethyliden-2-norbornen);
(c) Copolymeren von Ethylen mit wenigstens einem C_4-12-α-Olefin, vorzugsweise 1-Hexen, 1-Octen und dgl., gegebenenfalls einem Dien, das im allgemeinen eine Dichte zwischen 0,86 und 0,90 g/cm³ und die folgende Zusammensetzung hat: 75–97 mol-% Ethylen, 3–25 mol-% α-Olefin, 0–5 mol-% eines Diens;
(d) Polypropylen, modifiziert mit Ethylen/C_3-12-α-Olefin-Copolymeren, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Polypropylen und Ethylen/C_3-12-α-Olefin-Copolymer zwischen 90/10 und 30/70 und vorzugsweise zwischen 50/50 und 30/70 liegt.

Beispielsweise umfaßt Kategorie (a) die kommerziellen Produkte Elvax^® (DuPont), Levapren^® (Bayer), Lotry^® (Elf-Antochem); Kategorie (b) umfaßt die Produkte Dutra^® (Enichem) oder Nordel^® (Dow-Du Pont) und Kategorie (c) umfaßt die Produkte Engage^® (Dow-Du Pont) oder Exact^® (Exxon), wohingegen Polypropylen, modifiziert mit Ethylen/α-Olefin-Copolymeren unter den Marken Moplen^® oder Hifax^® (Montel) oder Fina-Pro^® (Fina) und dgl. vermarktet werden.
In Kategorie (d) besonders bevorzugt sind die thermoplastischen Elastomere, die eine kontinuierliche Matrix eines thermoplastischen Polymers, zum Beispiel Polypropylen, und kleine Partikel (im allgemeinen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1–10 μm) eines vulkanisierten elastischen Polymers, zum Beispiel vernetztes EPR oder EPDM, dispergiert in der thermoplastischen Matrix umfassen. Das elastomere Polymer kann in die thermoplastische Matrix im unvulkanisierten Zustand eingearbeitet werden und kann dann dynamisch während des Verfahrens durch Zusetzen einer geeigneten Menge eines Vernetzungsmittels vernetzt werden. Alternativ kann das elastomere Polymer getrennt vulkanisiert werden und kann dann in der thermoplastischen Matrix in Form von kleinen Partikeln dispergiert werden. Thermoplastische Elastomere dieses Typs sind zum Beispiel in den Dokumenten US-4,104,210 oder EP-324,430 beschrieben.
Unter den polymeren Materialien wurde einem Polypropylen mit hoher mechanischer Festigkeit im geschmolzenen Zustand (hochschmelzfestes Polypropylen) besondere Präferenz gegeben, wie es zum Beispiel im US-Patent 4,916,198 beschrieben wird, das im Handel unter der Marke Profax^® (Montell S.p.A.) verfügbar ist. Das genannte Dokument veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung des genannten Polypropylens mittels einer Bestrahlungsstufe eines linearen Polypropylens, die unter Verwendung einer ionisierenden Hochenergie-Strahlung für einen ausreichenden Zeitraum, um die Bildung einer großen Menge langer Verzweigungen der Kette zu bewirken, durchgeführt wird, wobei auf diese Phase eine geeignete Behandlung des bestrahlten Materials folgt, um so im wesentlichen alle freien Radikale, die in dem bestrahlten Material vorliegen, zu desaktivieren.
Sogar noch bevorzugter unter den polymeren Materialien ist eine polymere Zusammensetzung, umfassend das vorstehend genannte Polypropylen mit einem hohen Vernetzungsgrad in einer Menge im allgemeinen zwischen 30 Gew.-% und 70 Gew.-%, vermischt mit einem thermoplastischen Elastomer des Typs, der zur Kategorie (d), wie sie oben angegeben wurde, gehört, in einer Menge im allgemeinen zwischen 30 Gew.-% und 70 Gew.-%, wobei die Prozentangaben, bezogen auf das Gesamtgewicht der polymeren Zusammensetzung ausgedrückt sind. Die genannte polymere Zusammensetzung ist besonders vorteilhaft, da das wasserquellbare Material einfach und wirksam in die Zusammensetzung eingebettet werden kann, die, versetzt mit dem wasserquellbaren Material, kein Problem während des Expansionsprozesses für eine Bildung der wasserquellbaren Schicht der vorliegenden Erfindung aufweist. Darüber hinaus ist es unter Verwendung der genannten polymeren Zusammensetzung möglich, eine wasserquellbare Schicht zu produzieren, die kontinuierlich und einheitlich entlang der gesamten Länge des Kabels ist und aufgrund des hohen Biegemoduls der polymeren Zusammensetzung, die verwendet wird, zufriedenstellende Schlagfestigkeit hat, wobei der genannte Modul etwa 500 MPa entspricht.
Der Aspekt, wie er hoben beschrieben wurden, ist besonders vorteilhaft, da er es möglich macht, den Einschluß der metallischen Bewehrung zu vermeiden, wodurch eine Verringerung des Gesamtgewichts des Kabels und niedrigere Produktionskosten des Kabels resultieren.
Ein Kabel (10) zur Energieübertragung bei mittlerer Spannung gemäß dem Stand der Technik ist in 1 im Querschnitt gezeigt.
Das genannte Kabel (10) ist eines vom dreiadrigen Typ und umfaßt drei Leiter (1), jeder überzogen mit einer inneren halbleitenden Abdeckung (2), einer Schicht Isolierungsmaterial (3) und einer äußeren halbleitende Schicht (4). Diese halbfertige Struktur, wie sie oben erwähnt wurde, wurde mit dem Ausdruck "Kern" bzw. "Ader" definiert. Eine metallische Abschirmung (5), zum Beispiel ein Schirm, bestehend aus Kupferbändern, ist in einer Position radial extern zu dem Kern lokalisiert.
Die drei Kerne bzw. Adern, jeder/jede mit seiner/ihrer eigenen metallischen Abschirmung (5) ausgestattet, sind miteinander verseilt bzw. verlitzt, und die sternförmigen Bereiche, die zwischen ihnen erhalten wurden, sind mit einem Füllstoff (6) (im allgemeinen elastomere Gemische auf der Basis von EPR und gefüllt mit wiedergewonnenem Material, zum Beispiel Calciumcarbonat) gefüllt, so daß die Struktur einen kreisförmigen Abschnitt ergibt, wobei das ganze wiederum mit einer inneren polymeren Ummantelung (7), einem wasserquellbaren Band (8), das die Funktion einer Barriere gegenüber Wasserpenetration erfüllt, einer metallischen Bewehrung (9) und einer äußeren polymeren Ummantelung (11) überzogen ist. Die metallische Bewehrung (9) kann aus Metalldrähten, zum Beispiel Stahldrähten, aus einer metallischen Abschirmung in Form eines kontinuierlichen Rohrs – aus Aluminium, Blei oder Kupfer – oder aus einem Metallstreifen in Form eines Rohrs bestehen und mit einem Kleber verschmolzen oder versiegelt sein, der fähig ist, eine geeignete Hermitizität sicherzustellen.
Eine Variante (nicht gezeigt) des genannten Kabeltyps (10) des Standes der Technik sieht eine Positionierung eines wasserquellbaren Bandes auch in einer Position radial intern zu der metallischen Abschirmung unmittelbar unter der letztgenannten in Betracht, um eine Barriere gegen eine Wasserpenetration auch im Kabelteil intern zu der metallischen Abschirmung bereitzustellen. Im Hinblick auf die besondere Lokalisierung des genannten Bands gemäß der besonderen Ausführungsform besitzt das Band notwendigerweise geeignete halbleitende Eigenschaften, die durch das Vorliegen eines elektrisch leitenden Ruße, zum Beispiel Acetylenruß, elektrisch leitender Ofenruß oder dgl. kombiniert mit dem Band verliehen wird.
Entsprechend weiterer Ausführungsformen (nicht gezeigt) des genannten Kabeltyps (10) des Standes der Technik kann die Verwendung einer dünnen Aluminiumfolie in betracht ziehen, die extern zu der metallischen Armierung (9), zum Beispiel unter die äußere polymere Ummantelung (11) geklebt ist, wobei die Aluminiumfolie als Barriere gegenüber einer Wasserpenetration in radialer Richtung wirkt.
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kables (20) gemäß der vorliegenden Erfindung vom dreiadrigen Typ für eine Energieübertragung bei mittlerer Spannung im Schnitt.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wurden in den beigefügten Zeichnungen ähnliche oder identische Komponenten mit denselben Ziffern versehen.
Das Kabel (20) der Erfindung umfaßt: drei Leiter (1), die jeweils mit einem inneren halbleitenden Überzug (2) überzogen sind, eine Isolierungsschicht (3), eine äußere halbleitende Schicht (4), die die vorgenannten "Kerne" bzw. "Adern" definieren, von denen jeder/jede in einer radialexternen Position mit einer metallischen Abschirmung (5) versehen ist.
Die starförmigen Bereiche, die zwischen den vorstehend genannten Kernen, die mit der metallischen Abschirmung (5) überzogen sind, definiert sind, sind wie im Fall von 1 mit einem Füllstoff (6) gefüllt.
Extern zu dem letztgenannten hat das Kabel (20) gemäß der vorliegenden Erfindung eine wasserquellbare Schicht (21) aus expandiertem polymeren Material, in das ein wasserquellbares Material, vorzugsweise in Pulverform, eingebettet ist; wobei die Schicht (21) die Funktion der Bereitstellung einer wirksamem Barriere gegenüber einer Wasserpenetration in das Innere des Kabels erfüllt.
In einer Position radial extern zu der wasserquellbaren Schicht (21) kann das Kabel (20) auch ein röhrenförmiges Element (nicht gezeigt) haben, das zum Beispiel aus einer dünnen Folie oder Ummantelung aus Aluminium, geschweißt oder extrudiert, besteht, das dazu in der Lage ist, die Funktion des Blockierens der Penetration von Wasser in radialer Richtung durchzuführen.
Schließlich ist die wasserquellbare Schicht (21) mit einer äußeren polymeren Ummantelung (11) überzogen.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform führt die wasserquellbare Schicht (21), die vollständig die metallische Armierung (9) ersetzt, auch die Funktion des Schutzes des Kabels gegen zufällige Schläge, die auftreten können, durch.
Wie es bekannt ist, erfüllt die traditionelle metallische Bewehrung (9) die Funktion eines mechanischen Schützens des Kabels gegen zufällige Schläge, die auftreten können, zum Beispiel während des Transportes, Liegens usw. und die die Kabelstruktur ernsthaft schädigen können. Beispielsweise können solche Schläge zur Verformungen der Isolierungsschicht führen, was Veränderungen im elektrischen Gradienten des isolierenden Überzugs bewirkt und als Folge einer Abnahme seiner Isolierungskapazität oder eine Trennung zwischen den isolierenden und halbleitenden Schichten verursacht, was zu partiellen Entladungen führt, die zu einer vorzeitigen Alterung und/oder durch Schlagen des Kabels führen können.
Nach einer Ausführungsform (nicht gezeigt) ist es allerdings möglich, eine Bewehrung (9) des traditionellen Typs, die oben beschrieben ist, in einer Position unterhalb der äußeren polymeren Ummantelung (11) bereitzustellen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Kabels (30) für eine Energieübertragung mit mittlerer Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt, wobei das Kabel vom einadrigen Typ ist.
Dieses Kabel (30) umfaßt einen zentralen Leiter (1), überzogen mit einem inneren halbleitenden Überzug (2), einer Isolierungsschicht (3), einer äußeren halbleitenden Schicht (4) und einer metallischen Abschirmung (5).
Gemäß der Erfindung hat das Kabel in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung (5) eine wasserquellbare Schicht (21) aus expandierten polymeren Material, in dem ein wasserquellbares Material, wie es oben beschrieben ist, eingebettet ist.
Schließlich hat das Kabel (30) eine äußere polymere Ummantelung (11) extern zu der genannten Schicht (21).
Ähnlich der vorangegangenen Beschreibung für den dreiadrigen Fall unter Bezugnahme auf 2 war die wasserquellbare Schicht (21) des einadrigen Kabels (30) geeignet dimensioniert, so daß sie auch eine Funktion des Schutzes des Kabels gegen mögliche zufällige Schläge erfüllt, wobei sie eine metallische Armierung (9) der bekannten Art ersetzt.
Nach einer Variante (nicht gezeigt) kann das einadrige Kabel (30) der Erfindung in einer Position radial extern zu der äußeren halbleitenden Schicht ein Band haben, das mit einem wasserquellbaren Pulver des bekannten Typs imprägniert ist, um eine Barriere gegen die Wasserpenetration auch in einer Position radial intern zu der metallischen Abschirmung (5) bereitzustellen, oder es kann eine expandierte halbleitende Schicht haben, wie sie in WO 99/33070 beschrieben ist.
Die oben dargestellten Figuren zeigen nur einige der möglichen Ausführungsformen von Kabeln, in denen die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise verwendet werden kann.
In der Tat ist es offensichtlich, daß geeignete Modifikationen zu den oben genannten Ausführungsformen gemacht werden können, ohne Beschränkungen bezüglich der Anwendung der vorliegenden Erfindung aufzuerlegen. Beispielsweise ist es möglich, Kerne bzw. Adern mit sektorialem Querschnitt ins Auge zu fassen, so daß, wenn die Kerne kombiniert werden, der resultierende Kabelquerschnitt fast kreisförmig ist, ohne die Notwendigkeit, Füllstoff für die starförmigen Bereiche zu verwenden; die wasserquellbare Schicht (21) und dann die äußere polymere Ummantelung (11) werden direkt auf diese kombinierten Kerne extrudiert.
Im Fall von Kabeln zur Energieübertragung mit niedriger Spannung wird die Konstruktion der genannten Kabel normalerweise die einzelne Isolierabdeckung direkt in Kontakt mit dem Leiter haben, die wiederum mit dem Überzug aus expandiertem polymeren Material, in das das wasserquellbare Pulver eingebettet ist, und der äußeren polymeren Ummantelung überzogen ist.
Weitere Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt, der fähig ist, die geeigneteste Lösung in bezug zum Beispiel auf die Kosten, die Art der Kabelverlegung (überirdisch, in Leitungen eingesetzt, direkt in der Erde verborgen, in Gebäuden, am Meeresgrund usw.) und der Arbeitstemperatur des Kabels (maximale und minimale Temperaturen, thermische Schwankungen der Umgebung), zu beurteilen.
Bezüglich des Herstellungsverfahrens eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Hauptschritte, die das vorstehend genannte Verfahren in dem Fall charakterisieren, daß ein einadriges Kabel produziert wird, im folgenden präsentiert. Wenn die Herstellung eines vieladrigen Kabels beispielsweise vom dreiadrigen Typ ausgeführt wird, kann das Verfahren, das für ein einadriges Kabel beschrieben wurde, geeigneterweise auf der Basis der gelieferten Information und des technischen Wissens, das der Durchschnittsfachmann besitzt, modifiziert werden.
Die halbleitenden Schichten, innere (2) und äußere (4), die nach bekannten Techniken, insbesondere durch Extrusion, produziert werden, werden auf einen Leiter (1), der von einer geeigneten Rolle abgewickelt wurde, aufgetragen, wobei ein polymeres Material und ein Ruß von den oben genannten ausgewählt werden.
In ähnlicher Weise wird auch die isolierende Schicht (3), die in einer Position zwischen den halbleitenden Schicht (2, 4) angeordnet wird, vorzugsweise durch Extrusion eines Polyolefins erhalten, das aus den oben genannten Materialien ausgewählt wird, insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Propylen-Copolymere und dgl. ist.
Am Ende des Extrusionsschritts wird das Material vorzugsweise nach bekannten Techniken, zum Beispiel durch Peroxide oder durch Silane, vernetzt.
Alternativ kann der Kabelkern, d.h. die Anordnung aus Leiter (1), innerer halbleitender Schicht (2), Isolierungsschicht (3) und äußerer halbleitender Schicht (4), auch durch ein Co-Extrusionsverfahren der vorher genannten Schichten nach bekannten Techniken produziert werden. Sobald der Kern vollendet ist, wird er auf einer ersten Sammelrolle gelagert.
In einer anderen Linie der Herstellungsanlage wird der Kern von dieser ersten Rolle abgewickelt und es wird eine metallische Abschirmung (5) durch bekannte Mittel darauf aufgebracht. Beispielsweise wird eine "tape screening machine" verwendet, die dünne Kupferfolien (zum Beispiel mit einer Dicke von 0,1–0,2 mm) schraubenartig mittels geeigneter rotierender Köpfe anordnet, wobei die Ränder der Folien um eine Menge von etwa 33% ihrer Fläche überlappen.
Alternativ kann die metallische Abschirmung aus einer Vielzahl von Kupferdrähten (z.B. mit einem Durchmesser von 1 mm) bestehen, die von Rollen abgewickelt werden, welche sich in geeigneten rotierenden Käfigen befinden, und schraubenartig an dem Kern angebracht werden. Im allgemeinen ist es in solchen Fällen auch erforderlich, eine Gegenspirale (zum Beispiel dargestellt durch ein Kupferband mit einer Dicke von 0,1–0,2 mm) aufzubringen, dessen Funktion es ist, die vorstehend genannten Kupferdrähte während der folgenden Produktionsschritte in Position zu halten. Sobald dies beendet wird, wird das so erhaltene Zwischenprodukt, d.h. Kern und metallische Abschirmung, auf einer zweiten Sammelrolle gelagert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der nächste Schritt die Produktion der wasserquellbaren Schicht (21) in einer weiteren unterschiedlichen Produktionslinie, wo das vorstehend genannte Zwischenprodukt von der zweiten Rolle abgewickelt wird. Das polymere Material der wasserquellbaren Schicht wird zuvor mit dem wasserquellbaren Material und Additiven gemäß auf dem Fachgebiet bekannter Methoden vermischt. Beispielsweise kann das Mischen in einem inneren Mischer des Typs mit tangentialen Rotoren (Banbury) oder mit co-penetrierenden Rotoren oder in kontinuierlichen Mischern, zum Beispiel solchen des Co-Kneader-Typs (Buss) oder des Typs mit gleichsinnig rotierenden oder gegensinnig rotierenden Doppelschnecken durchgeführt werden.
So bald das Mischen erfolgt ist, wird die wasserquellbare Schicht, d.h. die Schicht aus expandiertem polymeren Material, in welcher das wasserquellbare Material eingebettet ist, durch einen Extrusionsvorgang erhalten, der direkt an dem vorstehend genannten Zwischenprodukt durchgeführt wird. Der genannte Extrusionsvorgang produziert somit die wasserquellbare Schicht in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung.
Die Expansion des Polymers erfolgt während des Extrusionsschritts. Diese Expansion kann entweder chemisch durch Zusatz eines geeigneten Expansionsmittels, d.h. das fähig ist, ein Gas unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen zu entwickeln oder physikalisch durch Injektion von Gas bei hohem Druck direkt in den Zylinder des Extruders durchgeführt werden.
Beispiele für geeignete Expansionsmittel sind: Azodicarbamid, para-Toluolsulfonylhydrazid, Gemische organischer Säuren (z.B. Zitronensäure) mit Carbonaten und/oder Bicarbonaten (z.B. Natriumbicarbonat) und dgl.
Beispiele für Gase, die bei hohen Druck in den Extruderzylinder injiziert werden können, sind: Stickstoff, Kohlendioxid, Luft, niedrigsiegende Kohlenwasserstoffe, z.B. Propan oder Butan, z.B. Methylenchlorid, Trichlorfluormethan, 1-Chlor-1,1-difluorethan und dgl. oder deren Gemische.
Vorzugsweise hat die Düse des Extruderkopfes einen Durchmesser, der leicht geringer ist als der Enddurchmesser des Kabels mit expandiertem Überzug, das derart zu erhalten ist, daß die Expansion des Polymers außerhalb des Extruders in der Erreichung des gewünschten Durchmessers resultiert.
Es wurde beobachtet, daß unter denselben Extrusionsbedingungen (z.B. Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke, Geschwindigkeit der Extrusionslinie, Durchmesser des Extruderkopfes) eine der Verfahrensvariablen, die den meisten Einfluß auf den Expansionsgrad haben, die Extrusionstemperatur ist. Im allgemeinen ist es für Extrusionstemperaturen unter 130°C schwierig, ein ausreichendes Expansionsausmaß zu erhalten; die Extrusionstemperatur ist vorzugsweise wenigstens 140°C und insbesondere etwa 180°C. Normalerweise entspricht eine Erhöhung der Extrusionstemperatur einem höheren Expansionsausmaß.
Darüber hinaus ist es möglich, das Expansionsausmaß des Polymers zu einem gewissen Grad zu kontrollieren, indem auf die Kühlungsgeschwindigkeit eingewirkt wird. In der Tat ist es durch Verzögern oder durch geeignetes Beschleunigen des Abkühlens des Polymers, das den expandierten Überzug bildet, wenn es den Extruder verläßt, möglich, das Expansionsausmaß des Polymers zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Gemäß der Erfindung kann das Expansionsausmaß von 5% bis 500%, vorzugsweise von 10% bis 200% und noch bevorzugter zwischen 10% und 50% variieren.
Wie oben offenbart wurde, kann das expandierte polymere Material vernetzt oder unvernetzt sein. Eine Vernetzung wird nach den Schritten der Extrusion und Expansion nach bekannten Techniken, insbesondere durch Erhitzen in Gegenwart eines Radikalinitiators, zum Beispiel eines organischen Peroxids wie Dicumylperoxid, durchgeführt. Alternativ kann eine Vernetzung unter Verwendung von Silanen durchgeführt werden, welche die Verwendung eines Polymers, das zu der oben genannten Gruppe gehört, insbesondere ein Polyolefin, an das kovalent Silan-Einheiten gebunden sind, die wenigstens eine hydrolysierbare Gruppe, zum Beispiel Trialkoxysilan-Gruppen, insbesondere Trimethoxysilan, umfassen, in Betracht zieht. Es kann eine Pfropfung der Silan-Einheiten durch eine Radikalreaktion mit Silan-Verbindungen, zum Beispiel Methyltriethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Vinyldimethoxysilan und dgl., stattfinden. Eine Vernetzung wird in Gegenwart von Wasser und eines Vernetzungskatalysators, zum Beispiel ein organisches Titanat oder ein metallisches Carboxylat, durchgeführt. Dibutylzinndilaurat (DBTL) ist besonders bevorzugt.
Die Anmelderin hat beobachtet, daß es möglich ist, das polymere Material, das eine Expansion durchmacht, speziell im Fall von olefinischen Polymeren, spezifischer Polyethylen oder Polypropylen, mit einer vorbestimmten Menge an Kautschuk in Pulverform, zum Beispiel vulkanisiertem Naturkautschuk, zu vermischen.
Typischerweise werden diese Pulver aus Partikeln mit Größen zwischen 10 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 300 μm und 600 μm, gebildet. "Scrap"-vulkanisierter Kautschuk, der aus der Reifenherstellung erhalten wird, kann vorteilhafterweise eingesetzt werden. Der Prozentgehalt an Kautschuk in Pulverform kann von 10 Gew.-% bis 60 Gew.-%, bezogen auf das zu expandierende Polymer, variieren und ist vorzugsweise zwischen 30% und 50%.
Die Dicke der wasserquellbaren Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung liegt vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 6 mm und bevorzugter zwischen 1 mm und 4 mm.
In einer Position radial extern zu der wasserquellbaren Schicht ist es möglich, wie bereits angegeben, eine tubulare Abdeckung (nicht gezeigt) zu positionieren, wie zum Beispiel aus einer Aluminium-, Blei- oder Kupferummantelung (zum Beispiel unter Verwendung von Extrusionspressen) oder einem oder mehreren Streifen aus Aluminium oder Stahl besteht, wobei die Ränder überlappen und ihre Längsseite mittels einer geeigneten Vorrichtung, zum Beispiel vom Lasertyp, geleimt oder geschweißt werden.
In dem Fall (nicht gezeigt), in dem das Kabel auch eine metallische Bewehrung hat, sieht das Herstellungsverfahren eine Plazierung der genannten Bewehrung an der Außenseite der wasserquellbaren Schicht beispielsweise mit Hilfe einer Draht- oder Bandbewehrungsmaschine, die nach demselben Prinzip wie die oben genannten Siebmaschinen arbeitet.
Schließlich wird das soweit erhaltene Kabel mit einer äußeren polymeren Ummantelung überzogen, die zum Beispiel durch Extrusion eines polymeren Materials, üblicherweise Polyvinylchlorid oder Polyethylen, erhalten werden kann.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung werden nachfolgend erläuternde Beispiele angegeben.
Beispiel 1
Eine Mischung wurde hergestellt, die zur Herstellung einer wasserquellbaren Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, d.h. einer Schicht aus einem expandierten polymeren Material mit einem wasserquellbaren Material darin eingebettet, um so eine Barriere gegen eine Wasserpenetration in ein Kabel bereitzustellen. Die Zusammensetzung der genannten Mischung ist in Tabelle 1 gezeigt (ausgedrückt in Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Basispolymer oder phr).
Die Komponenten der Mischung wurden in einem geschlossenen Mischer des Werner-Typs (6 l nutzbares Volumen), der mit dem Basispolymer, dem wasserquellbaren Pulver und den anderen Additiven gleichzeitig beladen worden war, gemischt; das Mischen wurde für etwa 5 Minuten durchgeführt. Am Ende dieses Vorgangs wurde die Mischung, die bei einer Temperatur von etwa 210 bis 220°C entnommen worden war, in einem offenen Mischer weiter gemischt. Die Streifen der Mischung, die stromabwärts aus dem offenen Mischer erhalten wurden, wurden dann einem Pelletisiervorgang unterworfen. Tabelle 1

Santoprene^® 201/121-68 W228 (Advanced Elastomer System): thermoplastischer Kautschuk mit einer Dichte von 0,97 kg/l, Härte 68 Shore A (gemessen gemäß Standard ASTM D2240), bleibende Verformung bei 23°C (168 h) 23% (gemessen gemäß Standard ASTM D395, Methode B);
Profax^® PF 814 (Montell): Homopolymer von isotaktischem Propylen mit einer Struktur mit hohem Verzweigungsgrad (MFI = 3 g/10'-ASTM D1238);
Waterlock^® J550 (Grain Processing Co.): vernetzte Polyacrylsäure (teilweise mit Salzbildung) (mehr als 50% der Partikel mit einem Durchmesser zwischen 10 und 45 μm).

Beispiel 2
Die Produktion eines Kabels mittlerer Spannung wurde entsprechend dem in 2 gezeigten Konzept durchgeführt.
Jeder der drei Kerne bzw. jede der drei Adern des Kabels bestand aus einem Kupferleiter mit einem Querschnitt von 150 mm², bedeckt mit den folgenden Schichten, die mit Peroxid vernetzt waren, auf eine Kettenlinie:

• eine innere halbleitende Schicht auf EPR-Basis (Dicke 0,5 mm);
• eine Isolierungsschicht auf EPR-Basis (Dicke 6,5 mm);
• eine äußere halbleitende Schicht auf EVA-Basis (Dicke 0,5 mm).

Die genannten Kerne (jeder mit einem Außendurchmesser von etwa 65 mm) wurden durch Extrusion mit einer Schicht aus Füllstoff auf der Basis von EPR, gefüllt mit Calciumcarbonat und Paraffin bedeckt bzw. überzogen, um so eine Füllstoffdicke von etwa 0,7 mm in dem Bereich radial extern zu den Kernen, d.h. auf der Außenseite der letztgenannten, zu erhalten. Der Füllstoff wurde unter Verwendung eines 160 mm-Einzelschneckenextruders in 20 D-Konfiguration mit einer Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke von etwa 6 U/min abgeschieden.
Dann wurde die Füllstoffschicht mit der wasserquellbaren Schicht mit der in Beispiel 1 von Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung überzogen bzw. bedeckt, wobei eine Dicke der Schicht gleich 2 mm erhalten wurde. Eine Extrusion wurde unter Verwendung eines 120 mm-Einschneckenextruders in 20 D-Konfiguration durchgeführt, wobei die Schnecke mit einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 10 U/min lief. Der Extruder war mit einem Anfangsabschnitt des Zylinders mit Längsrillen, einer Beschickungsöffnung des Kastentyps und einer Schnecke mit Transfergewinde der Länge 20 D. Die Schneckenkanaltiefe war 10 mm in der Beschickungszone und 7 mm im Endabschnitt mit einem Gesamtkompressionsverhältnis der Schnecke von etwa 1:1,42. Der Druck im Extrusionskopf, gemessen in Übereinstimmung der Verbindungszone zwischen dem Extrusionskopf und dem Körper des Extruders, war 55 atm. Der Input des Motors des Extruders war 60 A.
Dem Extrusionsschritt ging ein Filtrationsschritt des Materials gemäß der Zusammensetzung von Beispiel 1 voran, wobei die Filtration unter Verwendung eines Filters vom Typ 50 NIT durchgeführt wurde (Maschenzahl in 50 linearen mm).
Stromabwärts vom Extruder wird dann ein elektrisch geheizter orthogonaler Extrusionskopf verwendet, ausgestattet mit einem Doppelbandförderer. Es wurde der folgende Formzusammenbau verwendet: männlich mit 67 mm Durchmesser, weiblich vom Kompressionstyp mit 69,5 mm Durchmesser.
Im Schritt der Abscheidung der wasserquellbaren Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung wurde das in Tabelle II angegebene thermische Profil im Extruder und im Extrusionskopf verwendet.
Tabelle II
Die Beschickungsrate des zu überziehenden bzw. zu bedeckenden Kables, das bisher erhalten wurde, d.h. Kern mit metallischer Abschirmung und Schicht aus Füllstoff, wurde in Relation zu der erforderlichen Dicke der wasserquellbaren Schicht gesetzt. In dem betrachteten Fall wurde eine Liniengeschwindigkeit von 2,8 m/min verwendet, wodurch, wie angegeben, eine Dicke der wasserquellbaren Schicht von 2 mm produziert wurde.
Eine Expansion der letztgenannten wurde chemisch durch Einführen in den Trichter von 0,5 phr des Expandiermittels Hydrocerol^® BM 70 (Carbonsäure/Natriumbicarbonat), produziert von Boehringer Ingelheim, erreicht.
Das Material, das die wasserquellbare Schicht bildet, hatte eine Enddichte von 0,85 kg/l und ein Expansionsausmaß von 25%.
In einer Position radial extern zu der wasserquellbaren Schicht der Erfindung wurde schließlich eine äußere polymere Ummantelung extrudiert, die auf Polyvinylchlorid basiert, wobei bekannte Extrusionstechniken verwendet wurden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke des Extruders war 5 U/min, und es wurde eine Dicke der Ummantelung von etwa 3,5 mm produziert.
Als nächstes wurde das halbfertiggestellte Produkt in Wasser gekühlt und auf einer Rolle aufgewickelt.
Wasserpenetrationstest
Eine Probe des so erhaltenen Kabels mit einer Länge von 3 m wurde einem Wasserpenetrationstest entsprechend den unten beschriebenen Bedingungen und im wesentlichen dem Standard ENEL DC4584 entsprechend unterworfen.
Etwa auf halben Weg entlang der Länge der genannten Probe wurde die äußere polymere Ummantelung in einem ringförmigen Bereich mit einer Breite von etwa 50 cm entfernt, wodurch die wasserquellbare Schicht der vorliegenden Erfindung von außen sichtbar wurde, um so einen Durchgang für Wasser in das Innere des Kabels zu schaffen.
Die Testvorrichtung umfaßte ein hohles tubuläres Element, das konzentrisch mit der Probe und extern zu ihr positioniert werden konnte, entsprechend dem ringförmigen Teil, der wie oben beschrieben entfernt worden war. An jedem Ende des tubulären Elements wurde ein Verbindungselement positioniert, das im wesentlichen die Gestalt eines Kegelstumpfs hatte, das fähig war, das tubuläre Element hermetisch mit der äußeren Oberfläche des fraglichen Kabels zu verbinden. Somit bildete die Vorrichtung eine geschlossene Kammer um die Probe, genau in der Zone, die den Kabelbereich umgibt, wo der vorher genannte ringförmige Teil entfernt war. Die genannte Vorrichtung umfaßte außerdem eine Beschickungsleitung, die im rechten Winkel zur Achse der Kammer angeordnet war und daher zu der Kabelachse, und die geeignet war, die Einführung von Wasser in die Kammer und eine Beurteilung, aufgrund der Hermitizität der Verbindungselemente, der Penetrationsrate des Wassers in das Kabel zuzulassen. Zuerst wurde die Kammer über die Beschickungsleitung mit Wasser mit Raumtemperatur gefüllt. In diesem Schritt gab es eine Wartezeit von etwa 15 Minuten, die auch die Zeit umfaßte, die zum Füllen der Kammer zum Belassen des Wassers im Inneren der Kammer bei Atmosphärendruck erforderlich war. Neben der Beschickungsleitung war zum Beispiel ein anderes Rohr zu einem externen Tank, der Wasser mit derselben Temperatur enthielt, angeschlossen, so daß ein Wassersturz von 1 m für einen Zeitraum von 24 h auf das Kabel erhalten wurde. Am Ende dieses Zeitraums wurde die Probe entfernt und analysiert, um den Grad der Wasserpenetration in das Kabel zu bestimmen, d.h. die Länge des Kabels durch welche das Wasser beginnend von der Kabelzone, von der der vorher genannte ringförmige Teil entfernt worden war, gegangen war.
Am Ende des 24 h-Zeitraums wies die Kabelprobe kein Entweichen von Wasser aus seinen Enden auf, und es wurde festgestellt, daß das Wasser über eine Teillänge von etwa 230 mm in beide Richtungen, beginnend von der Entfernungszone des ringförmigen Teils, in das Innere des Kabels eingedrungen war.
Test auf Schlagfestigkeit bzw. Schlagzähigkeit
Um die Schlagfestigkeit zu beurteilen, wurden Schlagtests an der Kabelprobe durchgeführt, und das Ausmaß der Schädigung wurde dann beurteilt. Diese Beurteilung basierte auf einer visuellen Untersuchung des Kabels am Schlagpunkt.
Der Test auf Schlagfestigkeit basierte auf dem französischem Standard HN 33-S-52, der das Kabel einer Schlagenergie von 72 Joule (J) unterwirft, wobei diese durch Fallenlassen eines Schlagtestkeils mit 27 kg aus einer Höhe von 27 cm erreicht wird, wobei das V-förmige Ende des Keils eine leichtgerundete Form hat (Radius der Krümmung 1 mm). Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung basierte die Schlagfestigkeit auf einem einzelnen Schlag.
Am Ende des Tests wurden sowohl die äußere polymere Ummantelung als auch die wasserquellbare Schicht der Erfindung von der Probe entfernt, um so die bleibende Verformung an der Füllstoffschicht und an der äußeren halbleitenden Schicht zu beurteilen. Die Probe wies eine bleibende Verformung an Füllstoff von 0,2 mm auf, wobei keine bleibende Verformung an der äußeren halbleitenden Schicht festgestellt wurde.
Die vorliegende Erfindung bietet im Vergleich zum oben beschriebenen Stand der Technik einige wichtige Vorteile.
Erstens, wie oben angegeben wurde, ist das Herstellungsverfahren für ein Kabel gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten Verfahren deutlich vereinfacht, da es möglich wurde, eine kontinuierlich Schicht mit Eigenschaften eine Barriere gegen die Wasserpenetration in einer Position radial extern zu der metallischen Abschirmung durch einen Extrusionsvorgang zu erhalten, der es möglich macht, den "Tapine"-Schritt des Standes der Technik und die deutlichen Nachteile, die dieser beinhaltet, zu eliminieren. Unter diesen ist zum Beispiel die Notwendigkeit, den "Taping"-Schritt in einer zusätzlichen getrennten Stufe auszuführen, wodurch eine Diskontinuität im Herstellungsverfahren eingeführt wird, welches notwendigerweise höhere Kapitalkosten bei der Anlagenkonstruktion, höhere Wartungskosten, eine kompliziertere Anlagenlogistik wie auch eine konstante Verringerung bei der Kapazität des Herstellungsverfahrens beinhaltet.
Das expandierte Material, in das das wasserquellbare Pulver gemäß der vorliegenden Erfindung eingebettet ist, macht es statt dessen möglich, die vorher genannte wasserquellbare Schicht kontinuierlich mittels eines Extrusionsschritts, der vorteilhafterweise an der Produktionslinie durchgeführt wird, ohne zusätzliche Stufen zu produzieren. Darüber hinaus kann die wasserquellbare Schicht vorteilhafterweise mit den verschiedenen Beschichtungsmaterialien, die das fragliche Kabel bilden, koextrudiert werden. Dies bedeutet daher eine Durchführung eines Verfahrens des kontinuierlichen Typs mit beträchtlichen Vorteilen sowohl hinsichtlich der Kosten der Anlage als auch höherer Produktivität infolge der größeren Einfachheit des Verfahrens und des Einsparens von Zeit und Mitteln im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik.
Darüber hinaus kann das expandierte polymere Material zum Einbetten beachtlicher Mengen des wasserquellbaren Materials verwendet werden, was eine wirksame Barrierenwirkung sicherstellt, selbst wenn es eine Penetration einer deutlichen Wassermenge in das Kabel gibt, eine Situation, die im allgemeinen den Kabelteil radial intern zu der metallischen Abschirmung betrifft, wo das Vorliegen der Abschirmung eine wirksame Barriere gegen Wasserpenetration ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Ausführungsform, in der die wasserquellbare Schicht auch die metallische Bewehrung ersetzt, die ein Kabel im allgemeinen besitzt. In diesem Fall ist es in der Tat möglich, zwei verschiedene Komponenten zu ersetzen, d.h. das wasserquellbare Band und die metallische Bewehrung, und zwar mit einer einzelnen Komponente, d.h. der wasserquellbaren Schicht, welche die duale Funktion der Barriere gegen Wasserpenetration und schlagbeständige Verstärkungsschicht erfüllt. Die vorstehend genannte Ausführungsform führt zu einer weiteren Vereinfachung des Herstellungsverfahrens sowie der Produktion eines wirtschaftlicheren und leichteren Kabeltyps, der dennoch ausgezeichnete Resultate sowohl bezüglich der Schlagfestigkeit als auch der Barriere gegen Wasserpenetration garantieren kann.

Claims

Elektrisches Kabel (20, 30), umfassend zumindest einen Leiter (1), eine Isolierabdeckung (3), eine metallische Abschirmung (5), die extern zur Isolierabdeckung (3) positioniert ist und zumindest eine wasserquellbare Schicht (21), die in einer Position angeordnet ist, die sich radial extern zu der metallischen Abschirmung (5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine wasserquellbare Schicht (21) aus einem expandierten Material erzeugt ist, in dem ein wasserquellbares Material eingebettet ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine wasserquellbare Schicht (21) eine kontinuierliche Schicht ist, die entlang der Längsrichtung des Kabels (20, 30) gleichmäßig verteilt ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (20, 30) zumindest zwei Leiter (1) umfasst, die jeweils mit der Isolierabdeckung (3) und mit der metallischen Abschirmung (5), die extern zu der Isolierabdeckung (3) positioniert ist, einem Füllstoff (6), der extern zu der metallischen Abschirmung (5) angeordnet ist, um dem Kabel (20, 30) eine Struktur mit kreisförmigem Querschnitt zu verleihen, und einer wasserquellbaren Schicht (21) versehen ist, die in einer Position radial extern zu der Struktur angeordnet ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsausmaß der wasserquellbaren Schicht (21) zwischen 5% und 500% ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsausmaß zwischen 10% und 200% ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsausmaß zwischen 10% und 50% ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wasserquellbaren Schicht (21) zwischen 0,3 mm und 6 mm ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke zwischen 1 mm und 4 mm liegt.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserquellbare Material ein Polymer mit hydrophilen Gruppen entlang der Polymerkette ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des wasserquellbaren Materials zwischen 1 phr und 120 phr ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass die Menge zwischen 5 phr und 80 phr ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material, das die wasserquellbare Schicht (21) ausmacht, ein expandierbares thermoplastisches Polymer ist, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Polyolefine, Copolymere von verschiedenen Olefinen, Olefine/ungesättigte Ester-Copolymere, Polyester, Polycarbontate, Polysulphone, phenolische Harze, Harnstoffharze und deren Mischungen.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material ein polyolefinisches Polymer oder Copolymer auf der Basis von Ethylen und/oder Propylen ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material ausgewählt ist aus: (a) Copolymeren aus Ethylen mit einem ethylenisch ungesättigten Ester, worin die Menge des ungesättigten Esters zwischen 5 Gew.-% und 80 Gew.-%, bevorzugt 10 Gew.-% und 50 Gew.-% ist; (b) elastomeren Copolymeren aus Ethylen mit zumindest einem C₃-C₁₂-α-Olefin und wahlweise einem Dien mit der folgenden Zusammensetzung: 35–90 mol-% Ethylen, 10–65 mol-% α-Olefin, 0–10 mol-% Dien; (c) Copolymeren aus Ethylen mit zumindest einem C₄-C₁₂-α-Olefin und wahlweise einem Dien, im allgemeinen mit einer Dichte zwischen 0,86 und 0,90 g/cm³; (d) Polyproylen, modifiziert mit Ethylen/C₃-C₁₂-α-Olefin-Copolymeren, worin das Gewichtsverhältnis zwischen Polypropylen und dem Ethylen/C₃-C₁₂-α-Olefin-Copolymer zwischen 90/10 und 30/70, bevorzugt 50/50 und 30/70 ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserquellbare Schicht (21) durch Extrusion erhalten ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsschritt der wasserquellbaren Schicht (21) während der Extrusion durch Zugabe eines Expansionsmittels bewirkt ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion durch Injektion eines Gases bei hohem Druck erhalten wird.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Expansion das polymere Material einem Vernetzungsschritt unterworfen ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine tubuare Abdeckung in einer Position radial extern zu der wasserquellbaren Schicht (21) angeordnet ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die tubuare Abdeckung eine dünne Folie aus Aluminium, Blei oder Kupfer ist.
Elektrisches Kabel (20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Bewehrung in einer Position radial extern zu der wasserquellbaren Schicht (21) angeordnet ist.
Verfahren zum Blockieren des longitudinalen Flusses von Wasser, das zufällig in das Innere eines elektrischen Kabels (20, 30) eingedrungen ist, in einem Bereich des zuletzt genannten, der radial extern zu zumindest einer metallischen Abschirmung (5) des Kabels (20, 30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine wasserquellbare Schicht (21) in einer Position radial extern zu der zumindest einen metallischen Abschirmung (5) vorgesehen ist, wobei die wasserquellbare Schicht (21) aus einem expandierten Material erzeugt ist, worin ein wasserquellbares Material eingebettet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserquellbare Schicht (21) kontinuierlich und gleichmäßig verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserquellbare Schicht (21) durch Extrusion erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserquellbare Schicht (21) mit einer äußeren polymeren Abdeckung des Kabels (20, 30) co-extrudiert wird.