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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hoch- und Höchstspannungsgleichstromenergiekabel.
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Bei
den Kabeln der vorliegenden Erfindung handelt es sich um Kabel mit
60 bis 600 kV und darüber, vorzugsweise
Kabel mit 150 kV und darüber,
mit einer Isolierung aus extrudiertem Polymer.
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In
dem Dokument JP-A-2-18811 wird ein Gleichstromenergiekabel beschrieben,
das einen leitenden Kern und eine Isolierung aus extrudiertem Polymer
besitzt, die den Kern umgibt. Diese Isolierung besteht aus einer
Mischung aus Polyäthylen
mit hoher Dichte, Polyäthylen
mit geringer Dichte, Peroxyd und vorzugsweise Ruß in Form von kleinen Partikeln,
mit 2% bis 20% Massenanteil Polyäthylen
hoher Dichte und 0,2 bis 1,5% Massenanteil Ruß, und ist vernetzt. Sie soll
die Durchschlagseigenschaften unter Gleichspannung und unter Stoßspannung,
insbesondere des Kabels, gegenüber
den gleichen Eigenschaften eines analogen Kabels, dessen Isolierung
aber nur eine Polyäthylenart
besitzt, verbessern.
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Die
geringe Menge an Ruß in
der Isolierung dieses bekannten Kabels minimiert die Durchschlagsrisiken
aufgrund von Fehlern in der Isolierung. Sie führt zu dielektrischen Verlusten
in der Isolierung des Gleichstromkabels, die bei einem Nichtvorhandensein
von Fehlern und unter einem schwachen elektrischen Feld kaum von
Bedeutung sind, aber bei Fehlern und unter einem starken elektrischen
Feld übermäßig werden
und nicht mehr akzeptiert werden können.
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In
Dokument EP-A-0 539 905 wird ein Hochspannungsgleichstromkabel beschrieben,
bei dem das Isoliermaterial aus einem thermoplastischen Gummi mit
einer Elastomerphase und einer thermoplastischen Phase besteht.
In einer ersten Ausführung
dieses Kabels kann der thermoplastische Gummi olefinisch sein. In diesem
Fall besteht die Elastomerphase aus einem Äthylen-Propylen-Gummi und die
thermoplastische Phase wird zwischen Polyäthylen und Polypropylen ausgewählt. In
einer zweiten Ausführung
kann der thermoplastische Gummi aus Styrol hergestellt werden. In
diesem Fall kann die Elastomerphase hydriert werden und zwischen
Polybutadien und Polyisopren ausgewählt werden und die thermoplastische
Phase aus Polystyrol bestehen. Durch die Isolierung dieses Kabels
kann das Phänomen
der Ansammlung von Raumladungen bei hoher Gleichspannung reduziert
werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung soll ein Hoch- und Höchstspannungsgleichstromkabel
hergestellt werden, mit dem die dielektrischen Verluste in der Isolierung
vermieden werden, und das bei einer erhöhten Nutzspannung und geringen
Raumladungen bei hoher Gleichspannung und hoher Zuverlässigkeit
des Kabels gleichzeitig gegen Durchschlag bei Gleichspannung und
Impulsspannung widerstandsfähig
ist.
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Die
Erfindung hat ein Hoch- oder Höchstspannungsgleichstromkabel
zum Ziel; mit einem leitenden Kern und einer extrudierten Polymer-Isolierung
aus einem Styrolmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Material
aus einer Mischung aus Polyäthylen
und einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer, das unter den Polystyrol-Butadien
und Polystyrol-Isopren ausgewählt
worden ist, besteht, ein Styrol-Massenverhältnis von 11% bis 18% hat und
nicht vernetzt ist.
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Dank
dieser Isolierung ist die Nutzspannung im stabilen Zustand besonders
hoch und gleichzeitig sind die Durchlagsrisiken sehr gering, was
die Zuverlässigkeit
des Kabels erhöht.
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Das
Styrol-Massenverhältnis
der Mischung liegt vorzugsweise zwischen 11,5% und 16%.
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Nach
einem weiteren Merkmal besitzt das Kabel eine innere Halbleiter-Abschirmung
zwischen dem leitenden Kern und der Isolierung und eine äußere Halbleiter-Abschirmung
um die Isolierung herum, die jeweils aus einer Polymermatrix der
gleichen Art wie die Isolierung bestehen, enthält eine leitfähige Ladung
und ist nicht vernetzt.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für ein Kabel
gemäß der Erfindung,
das in den nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft veranschaulicht
wird, ohne Anspruch auf Vollständigkeit
zu erheben, sowie aus den Eigenschaften des Kabelisoliermaterials.
Es zeigen
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1 eine aufgelöste, perspektivische
Ansicht eines Hoch- oder Höchstspannungsgleichstromkabels gemäß der Erfindung,
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2 die Durchschlagseigenschaften
bei Stoßspannung
(Blitzschlag) und unter Gleichspannung in Abhängigkeit von dem Kabelisoliersystem,
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3 und den zulässigen Nutzspannungsgradienten
in Abhängigkeit
von
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4 dem Isoliersystem in Form
eines Diagrammes,
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5 die Raumladungsmengen
in einem herkömmlichen
Isoliersystem, wobei verschiedene Spannungsgradienten auf das System
angewendet werden.
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6 und die Raumladungsmengen
in Isoliersystemen gemäß der
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7 Erfindung bei den gleichen
Spannungsgradienten wie in 5.
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Das
in 1 gezeigte Hoch-
oder Höchstspannungsgleichstromenergiekabel
besitzt einen mittleren, leitenden Kern 2 und nacheinander
und koaxial um diesen Kern herum eine innere Halbleiter-Abschirmung 3, eine
Isolierung 4, eine äußere Halbleiter-Abschirmung 5,
eine Metallschutzabschirmung 6 und einen äußeren Schutzmantel 7.
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Das
Vorhandensein der Abschirmungen 3, 5 und 6 wird
bevorzugt. Die Isolierung 4 wird gemäß der Erfindung durchgeführt. Die
Halbleiter-Abschirmungen 3 und 5 werden vorzugsweise
ebenfalls gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt.
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Die
Schutzkonstruktion, die aus der Metallabschirmung 6 und
dem Außenmantel
besteht, kann auch noch weitere Schutzelemente aufweisen wie insbesondere
ein nicht gezeigtes Halbleiter-Schutzband oder ein einfaches Schutzband,
das sich bei Wasser aufbläht.
Ein solches Schutzband wird vorzugsweise zwischen der äußeren Halbleiter-Abschirmung
und der Metallabschirmung eingeschoben. Es gewährleistet selbst den Stromdurchgang
zwischen der äußeren Halbleiter-Abschirmung
und der Metallabschirmung oder ist mit leitenden Elementen verbunden,
welche diesen Stromdurchgang gewährleisten.
Die Schutzkonstruktion dieses Kabels ist als solche von einer bekannten
Art und liegt außerhalb
des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der Erfindung
besteht die Isolierung 4 des Kabels 1 aus einer
Mischung aus Polyäthylen,
einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer und einem Anti-Oxydans mit
einem Styrol-Massenverhältnis
zwischen 11% und 18%, und ist nicht vernetzt.
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Das
verwendete Polyäthylen
wird aus einem Polyäthylen
niedriger, mittlerer bzw. hoher Dichte ausgewählt. Das hydrierte Blockcopolymer
wird aus den Polystyrol-Butadien und Polystyrol-Isopren ausgewählt. Es handelt
sich dabei vorzugsweise um ein Tri-Blockcopolymer.
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Wie
von dem Antragsteller festgestellt und durch die nachfolgend beschriebenen,
vergleichenden Testergebnisse nachgewiesen wurde, erhält man aufgrund
des Massenverhältnisses
von 11% bis 18% Styrol in dieser Mischung in einer mit dem Kabel
oder einem Kabelende verbundenen Umformstation überraschenderweise eine optimalere
Durchschlagsfestigkeit bei Gleichspannung und Stoßspannung
aufgrund von Blitzschlag, so dass eine höhere Nutzspannung möglich wird.
Gleichzeitig lässt
sich die Menge der Raumladungen in der Isolierung des Kabels unter
Gleichspannung minimieren, was die Durchlagsrisiken erheblich reduziert.
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Dieses
Styrol-Massenverhältnis
in der Mischung liegt vorzugsweise zwischen 11,5% und 16%.
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In
Bezug auf die Tests, die von der Antragstellerin durchgeführt wurden,
und deren Ergebnisse genannt werden, wird darauf hingewiesen, dass
die verschiedenen, verwendeten Proben aus einer Mischung aus Polyäthylen geringer
Dichte und einem hydrierten Tri-Blockcopolymer
aus Polystyrol-Butadien bestehen. Das Styrol-Massenverhältnis variiert
je nach den Proben. Sie haben alle die gleiche Stärke. Diese
Mischung ist nicht vernetzt, so dass Nebenprodukte der Vernetzung
vermieden werden, die zur Erhöhung
der Dichte von Raumladungen führen.
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In
dieser Tabelle handelt es sich bei Vimp um das Durchschlagsverhalten
unter Stoßspannung
und bei Vcc um das Durchschlagsverhalten bei Gleichspannung der
Proben bei 70°C
und bei Vo um den zulässigen Nutzspannungsgradienten
im stabilen Zustand in kV/mm gemäß dem Styrol-Massenverhältnis in
den Proben.
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Die
Veränderungen
von Vimp und Vcc in Abhängigkeit
von dem Styrol-Massenverhältnis
sind in 2 veranschaulicht
: sie zeigen, dass die Durchschlagsfestigkeit bei Gleichspannung
Vcc bei 0% Styrol relativ gering ist, anschließend bei Styrol-Massenverhältnissen
bis 10% deutlich ansteigt, dann nur geringfügig fällt und bei Styrol-Massenverhältnissen
von 10% bis 15% und darüber
bis zu einem möglichen
Grenzwert sehr hoch bleibt.
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Parallel
dazu ist die Durchschlagsfestigkeit bei Stoßspannung Vimp bei 0% Styrol
relativ hoch und nimmt bei einem zunehmenden Styrol-Massenverhältnis bis
10% dagegen sehr rasch ab, steigt aber erneut überraschenderweise sehr stark über 10%
hinaus bis zu einem möglichen
Grenzwert an.
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Dieser
Grenzwert im Massenverhältnis
liegt derzeit in der Größenordnung
von 18% bis 20% Styrol in dieser Mischung. Für diesen Grenzwert konnten
von der Antragstellerin nur unvollständige Tests durchgeführt werden,
weil bestimmte Tests zu lange dauern und die Merkmale der Proben
folglich nicht angegeben wurden.
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Mit
diesen beiden Durchschlagseigenschaften Vimp und Vmax kann der Gradient
der Nutzspannung im stabilen Zustand bewertet werden, der durch
diese Proben unterstützt
werden kann, und das Dimensionsmerkmal des Isoliersystem darstellt,
aus dem diese Mischung eines Gleichstromkabels besteht.
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Dieser
Gradient der Nutzspannung Vo ergibt sich in erster Linie aus den
Durchschlagsmerkmalen Vimp und Vcc sowie aus der Tatsache, dass
ein Gleichstromkabel Stößen aus
Blitzschlag unterworfen sein kann, die stärker sind als die Anforderungen
aus der Gleichspannung im stabilen Zustand: Derzeit sind die Stöße, die
ein Gleichstromkabel aushalten muss, zugegebenermaßen ungefähr 1,4 Mal
größer als
die Anforderungen aus der Gleichspannung im stabilen Zustand, und
zwar unter Berücksichtigung
der Verbesserung der verfügbaren
und verwendeten Überspannungsbegrenzungskreise
wie jene mit Varistoren mit Zinkoxyd. Dieses mit r bezeichnete Verhältnis kann
noch bis 1,1 abgesenkt werden, wenn man die Verbesserungen dieser Überspannungskreise,
aber auch eine mögliche
gesteigerte Durchschlagsfestigkeit der Isoliermaterialien selbst
berücksichtigt,
was hier der Fall ist und weiter unten erläutert wird.
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Für jede dieser
berücksichtigten
Proben wird der zulässige
Gradient der Nutzspannung Vo also durch den Mindestwert des Wertepaares
Vimp/r, Vcc bestimmt. In Tabelle 1 ist er für r = 1,4 und r = 1,1 in Abhängigkeit
von dem Styrol-Massenverhältnis
angegeben und für
r = 1,4 in 3 in Form
eines Diagrammes und für r
= 1,1 in 4 entsprechend
dem Styrol-Massenverhältnis veranschaulicht.
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Aus
diesen Werten für
den Gradienten der zulässigen
Nutzspannung Vo entsprechend dem Styrolgehalt in der durchgeführten Mischung
geht hervor, dass also ein Styrolgehalt zwischen 11% und 18% und
vorzugsweise zwischen 11,5% und 16% zu einem sehr hohen und verbesserten
Nutzspannungsgradienten führt.
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In
diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass es die Durchschlagsfestigkeit
ist, welche den Gradienten der Nutzspannung bei Styrol-Massenverhältnissen
zwischen 11% und 18% begrenzt, doch die Erfindung profitiert genau
von dieser Tatsache, dass die Durchschlagsfestigkeit Vimp bei diesen
Styrol-Massenverhältnissen
zwischen 11% und 18% plötzlich
ausgezeichnet wird.
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Die
Bedeutung eines solchen Styrol-Gehaltes in der hergestellten Mischung
ist von der Antragstellerin außerdem
nachgewiesen worden. Es wurde nämlich
festgestellt, dass sich die Menge an Raumladungen, die in den Proben
bei einer Gleichsperrspannung bzw. bei einem Temperaturgradienten
erzeugt und eingeschlossen wird, verringert, wenn der Styrolgehalt
zunimmt.
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Außerdem sinkt
das maximale elektrische Feld unter nominalen Betriebsbedingungen,
d. h. wenn das Kabel Gleichstrom führt, und es wird bei diesen
Styrolgehalten in der Mischung schwach. Das führt dazu, dass das Kabel geringeren
Anforderungen unterworfen ist.
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Neben
diesen Styrolgehalten sind die eingeschlossenen Raumladungen auch
weniger schädlich
und führen
nur selten zu einem Zusammenbrechen der geschlossenen Feldlinien,
was dann einen Durchschlag bei Gleichspannung sehr unwahrscheinlich
macht.
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Diese
Merkmale reduzieren die Durchschlagsrisiken, d. h. sie erhöhen die
Zuverlässigkeit
und Lebenserwartung des Kabels sowie die außergewöhnlichen dielektrischen Eigenschaften
der so hergestellten Isolierung erheblich.
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Im
Vergleich dazu werden diese dielektrischen Eigenschaften bei Styrol-Massenverhältnissen
unter 10%, bei denen die Raumladungen und ihre Auswirkungen stärker sind,
nicht erreicht, und verschlechtern sich im Laufe der Zeit, und sie
führen
zu häufigeren
Durchschlägen.
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Die
Leistungen, die man aufgrund der Verwendung der Isolierung gemäß der vorliegenden
Erfindung erhält,
können
durch Verwendung einer inneren und äußeren Halbleiter-Abschirmung, die
aus einer Polymermatrix der gleichen An hergestellt wird wie die
Isolierung, noch weiter verbessert werden.
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Diese
Matrix der Halbleiter-Abschirmungen besteht aus einer Mischung aus
Polyäthylen,
einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer und einem Antioxydans, in
das eine leitfähige
Ladung integriert wird, um einen elektrischen Widerstand und die
erforderlichen mechanischen und rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Sie
erlaubt eine chemische und elektrische Kompatibilität zwischen
dem Isoliermaterial und dem der Halbleiter-Abschirmungen an ihren Schnittstellen.
Somit wird eine weitere Reduzierung der Raumladungen in der Isolierung
und eine Reduzierung der elektrischen Feldstärke an den Schnittstellen erreicht,
wobei die Haltbarkeit des Kabels unter Gleichspannung und Stoßspannung
bei Blitzschlag verbessert wird. Die Matrix der Halbleiter-Abschirmungen
ist aus den gleichen Gründen
wie den oben für
die Isolierung genannten Gründen
nicht vernetzt.
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Bei
der leitfähigen
Ladung handelt es sich um Ruß oder
vorzugsweise Acetylenruß.
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Der
Styrolgehalt der Polymermatrix der Halbleiter-Abschirmungen ist
wegen der leitfähigen
Ladung, die in diese Matrix integriert ist, weniger kritisch als
der Styrolgehalt der Isolierung. Die Matrix kann 0,1% bis 20% Styrol
enthalten. Der bevorzugte Gehalt liegt bei 1% bis 10%.
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Die
Messungen der Raumladungen, die in den 5, 6 und 7 veranschaulicht sind, werden
durch ein bekanntes elektroakustisches Pulsverfahren durchgeführt. Sie
wurden an einer flachen Probe des betreffenden Isoliersystems durchgeführt, die
aus einer 0,5 mm starken Isolierschicht und zwei 0,2 bis 0,3 mm
starken Halbleiterschichten bestand, die zu beiden Seiten der Isolierschicht
angeordnet waren, wobei ein Spannungsunterschied zwischen den Halbleiterschichten
angewendet wurde.
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So
führt ein
Spannungsunterschied von 5, 10, ..., 30 kV zwischen den Halbleiter-Schichten
zu einem mittleren Spannungsgradienten von 10, 20, ..., 60 kV/mm
im Isoliersystem, wobei der lokale Spannungsgradient selbst von
der Menge der Raumladungen in dem Material abhängt.
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In 5 wurden mit 3' und 5' die beiden
Halbleiter-Schichten und mit 4' die Isolierschicht eines herkömmlichen
Isoliersystems bezeichnet. In 6 besitzt
das Isoliersystem gemäß der Erfindung
eine Isolierschicht 4 gemäß der Erfindung und herkömmliche
Halbleiter-Schichten 3' und 5'. In 7 besitzt das bevorzugte
Isoliersystem gemäß der Erfindung
eine Isolierschicht 4 und eine Halbleiterschicht 3 und 5,
die alle der vorliegenden Erfindung entsprechen.
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In
diesen drei Abbildungen wurde der angewendete Spannungsunterschied
zwischen den verschiedenen Isolierschichten durch die Zeichen +
und – im
rechten Winkel zu den Schnittstellen zwischen den verschiedenen
Schichten des Isoliersystems schematisiert. Die Zeichen + und – wurden
ebenfalls zu beiden Seiten von Null angegeben, wobei die positiven
und negativen Raumladungen in Coulomb/m3 gemessen
wurden, ohne jedoch den entsprechenden Maßstab anzugeben, der im absoluten
Wert nicht feststeht, aber für
alle angegebenen Kurven analog ist.
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Die
Kurven von 5 zeigen,
dass die Isolierschicht 4' des
herkömmlichen
Isoliersystems in ihrer ganzen Stärke erhebliche Raumladungen
enthält.
Die Menge der Raumladungen ist umso größer, je höher der Spannungsgradient ist.
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Im
Vergleich dazu zeigen die Kurven von 6,
dass sich die Raumladungen in der Isolierschicht 4 des
Isoliersystems gemäß der Erfindung
in der Nähe
der Schnittstellen mit den herkömmlichen
Halbleiterschichten 3' und 5' befinden, und
im übrigen
fast nicht existent sind. Das Verhalten dieses Isoliersystems ist gegenüber dem
Verhalten des herkömmlichen
Systems verbessert.
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Im
Vergleich dazu zeigen die Kurven von 7 auch,
dass sich die Raumladungen in der Isolierschicht 4 des
bevorzugten Isoliersystems gemäß der Erfindung
ebenfalls in der Nähe
der Schnittstellen mit den Halbleiterschichten gemäß der Erfindung
befinden, dass sie darüber
hinaus aber deutlich geringer sind und das gleiche Vorzeichen besitzen
wie jene, die in der Halbleiterschicht der Schnittstelle enthalten
sind. Diese geringe Menge an Raumladungen und ihr zu beiden Seiten
einer jeden Schnittstelle identisches Vorzeichen führt zu einem
minimalen elektrischen Feld, für
das dieses bevorzugte Isoliersystem als optimal angesehen werden
kann.
