DE69221814T2 - Electrical cable - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel zur Verwendung insbesondere bei hohen Gleichspannungen (typisch mehr als 60 kV).The present invention relates to an electrical cable for use in particular at high direct voltages (typically more than 60 kV).
Gleichstrom-Hochspannungs-Kabel werden derzeit immer häufiger verwendet, da sie wesentlich bessere Eigenschaften besitzen als die Wechselstrom-Hochspannungs-Kabel. Diese Kabel bestehen im allgemeinen aus einer leitenden Seele, die umgeben istDC high-voltage cables are currently being used more and more frequently because they have much better properties than AC high-voltage cables. These cables generally consist of a conductive core that is surrounded
- ggf. von einem ersten halbleitenden Schirm,- if necessary, by a first semiconducting screen,
- von einer Isolierhülle,- by an insulating cover,
- ggf. von einem zweiten halbleitenden Schirm,- if necessary by a second semiconducting shield,
- von einem Metallschirm,- from a metal screen,
- und von einer äußeren Schutzhülle aus Kunststoff.- and an outer protective plastic cover.
Zur Herstellung der Isolierhülle können mehrere Materialien in Betracht gezogen werden.Several materials can be considered for the production of the insulating cover.
Zunächst könnte man an die Verwendung eines für Wechselstrom-Hochspannungs-Kabel verwendeten Materials denken, d.h.beispielweise chemisch vernetztes Polyäthylen (nachfolgend PRC genannt), das sehr gute thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften hat. Die chemische Vernetzung des Polyäthylens wird durch Hinzufügung von organischen Peroxiden zum Polyäthylen erhalten, die sich bei hoher Temperatur zersetzen und freie Radikale bilden, die zwischen sich die linearen Polyäthylenketten vernetzen. Das Zerfallen oder Zersetzen dieser organischen Peroxide führt auch zur Bildung von Nebenprodukten. Es hat sich herausgestellt, daß diese Nebenprodukte bei Gleichstrom einen schädlichen Einfluß haben. Unter der Wirkung einer Gleichstromspannung sind nämlich diese Nebenprodukte der Grund für die Bildung von starken Ladungen, die in der Nähe der übergänge zwischen den halbleitenden Schirmen und der Isolierhülle (oder auch zwischen der Isolierhülle und der leitenden Seele einerseits und der Isolierhülle und dem Metallschirm andererseits, wenn das Kabel keine halbleitenden Schirme aufweist) wandern, wo sie lokale Verstärkungen des elektrischen Felds verursachen. Die Intensität des elektrischen Felds kann so in der Nähe der übergänge zwei- bis dreimal so hoch werden wie die Nennintensität des elektrischen Felds, so daß die Durchschlagspannung der Isolierhülle sehr rasch erreicht werden kann, insbesondere wenn ein Impuls großer Amplitude (z.B. aufgrund eines Blitzes) die Gleichstromspannung überlagert. Man stellt dann nach einer gewissen Zeit eine Durchlöcherung dieser Isolierhülle und somit eine Beschädigung des Kabels fest. Die Verwendung von PRC als Kabelisolierung für Gleichstrom-Hochspannung ist also nicht wünschenswert.Firstly, one could think of using a material used for high voltage alternating current cables, for example chemically cross-linked polyethylene (hereinafter referred to as PRC), which has very good thermal, mechanical and electrical properties. The chemical cross-linking of the polyethylene is obtained by adding organic peroxides to the polyethylene, which decompose at high temperatures and form free radicals which cross-link the linear polyethylene chains between themselves. The decomposition or decomposition of these organic peroxides also leads to the formation of by-products. It has been found that these by-products have a harmful effect on direct current. Under the effect of a direct current voltage, these by-products are in fact the cause of the formation of strong charges which are present near the junctions between the semiconducting screens and the insulating sheath (or between the insulating sheath and the conductive core on the one hand and the insulating sheath and the metal screen on the other hand). if the cable does not have semi-conductive screens) where they cause local amplification of the electric field. The intensity of the electric field can thus be two to three times higher than the nominal intensity of the electric field near the junctions, so that the breakdown voltage of the insulating sheath can be reached very quickly, especially if a high amplitude pulse (eg due to lightning) is superimposed on the direct current voltage. After a certain time, this insulating sheath is then perforated and the cable is damaged. The use of PRC as cable insulation for high voltage direct current is therefore not desirable.
Man könnte auch daran denken, durch Strahlung vernetztes Polyäthylen zu verwenden. Die Dicke der Isolierhülle, die notwendig ist für die Hochspannungs-/ Gleichstromanwendungen (einer Größenordnung von 2 cm), macht die Vernetzung durch Strahlung schwierig und ergibt in der Praxis eine schlechte Qualität.One could also consider using radiation-crosslinked polyethylene. The thickness of the insulating sheath required for high voltage/direct current applications (of the order of 2 cm) makes radiation-crosslinking difficult and, in practice, results in poor quality.
Eine andere Art von Material wurde kürzlich zur Isolierung von Kabeln für Gleichstrom-Hochspannung vorgeschlagen. Es handelt sich um Materialien auf der Basis von PRC, die Mineralpartikel enthalten und deren Eigenschaften z.B. in einem Aufsatz mit dem Titel "Research and development of DC XLPE cables" beschrieben sind, der in JI CABLE 87 erschienen ist. Diese Materialien würden die schädliche Wirkung der Anhäufung von Raumladungen an den übergängen vermeiden. Um zu diesem Ergebnis zu kommen, ist es jedoch laut dem erwähnten Aufsatz notwendig, daß die Reinheit der in das PRC eingeführten Mineralpartikel genauestens überwacht wird, damit nicht gleichzeitig verschiedene Unreinheiten in das PRC gelangen. Selbst das Vorhandensein einer sehr kleinen Menge von Unreinheiten reicht aus, die Akkumulierung von Raumladungen hervorzurufen, da die Unreinheiten sich unter der Wirkung des elektrischen Felds zersetzen können, um Raumladungen zu bilden. In der Praxis ist es aber schwierig und langwierig, sehr stark gereinigte Mineralpartikel in das PRC einzuführen. Die Verwendung von Mineralpartikel enthaltendem PRC ist also kaum denkbar.Another type of material has recently been proposed for the insulation of high voltage direct current cables. These are materials based on PRC containing mineral particles, the properties of which are described, for example, in a paper entitled "Research and development of DC XLPE cables" published in JI CABLE 87. These materials would avoid the harmful effect of the accumulation of space charges at the junctions. However, according to the paper mentioned, in order to achieve this result, it is necessary to carefully monitor the purity of the mineral particles introduced into the PRC so that different impurities do not enter the PRC at the same time. Even the presence of a very small amount of impurities is sufficient to cause the accumulation of space charges, since the impurities can decompose under the action of the electric field to form space charges. In practice, however, it is It is difficult and time-consuming to introduce highly purified mineral particles into the PRC. The use of PRC containing mineral particles is therefore hardly conceivable.
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Kabel herzustellen, bei dem das die Isolierhülle bildende Material es ermöglicht, das Phänomen der Anhäufung von Raumladungen bei einer hohen Gleichspannung zu reduzieren.Consequently, it is an object of the present invention to produce an electric cable in which the material forming the insulating sheath makes it possible to reduce the phenomenon of accumulation of space charges at a high direct voltage.
Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Kabel vor, das koaxial von innen nach außen angeordnet aufweist:For this purpose, the present invention proposes an electrical cable comprising, arranged coaxially from the inside to the outside:
- eine leitende Seele,- a guiding soul,
- eine Hülle aus Isoliermaterial,- a cover made of insulating material,
- einen Metallschirm,- a metal screen,
- eine äußere Schutzhülle,- an outer protective cover,
und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Isoliermaterial aus einem thermoplastischen Kautschuk besteht, der eine Elastomerphase und eine thermoplastische Phase aufweist.and characterized in that the insulating material consists of a thermoplastic rubber having an elastomer phase and a thermoplastic phase.
Aufgrund der Verwendung einer solchen Isolierung wird die Anhäufung von Raumladungen an den übergängen zwischen der Isolierhülle und der leitenden Seele einerseits und zwischen der Isolierhülle und der Metallschirm andererseits in Gegenwart einer hohen Gleichstromspannung in Bezug auf die Kabel gemäß dem Stand der Technik verringert.Due to the use of such insulation, the accumulation of space charges at the transitions between the insulating sheath and the conductive core on the one hand and between the insulating sheath and the metal shield on the other hand in the presence of a high direct current voltage is reduced with respect to the cables according to the state of the art.
Gemäß einer ersten Möglichkeit kann der thermoplastische Kautschuk von Olefin-Typ sein. In diesem Fall kann die thermoplastische Phase ausgewählt werden aus Polyäthylen und Polypropylen und die Elastomerphase aus einem Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen.According to a first possibility, the thermoplastic rubber can be of the olefin type. In this case, the thermoplastic phase can be selected from polyethylene and polypropylene and the elastomer phase can consist of an ethylene-propylene rubber.
Gemäß einer zweiten Möglichkeit kann der thermoplastische Kautschuk vom Styrol-Typ sein. In diesem Fall kann die Elastomerphase, ggf. hydrogeniert, aus Polybutadien und Polyisopren ausgewählt werden und die thermoplastische Phase aus Polystyrol bestehen.According to a second possibility, the thermoplastic rubber can be of the styrene type. In this case, the elastomer phase, optionally hydrogenated, can be selected from polybutadiene and polyisoprene and the thermoplastic phase can consist of polystyrene.
Schließlich kann ein erster halbleitender Schirm zwischen die leitende Seele und die Hülle aus Isoliermaterial eingefügt sein, und ein zweiter halbleitender Schirm kann zwischen die Hülle aus Isoliermaterial und den Metallschirm eingefügt sein.Finally, a first semiconducting screen be inserted between the conductive core and the sheath of insulating material, and a second semiconductive screen may be inserted between the sheath of insulating material and the metal screen.
Die Isolierhülle kann extrudiert werden.The insulating sleeve can be extruded.
Das erfindungsgemäße Kabel kann bei hohen Gleichspannungen verwendet werden.The cable according to the invention can be used at high direct voltages.
Weitere Merkmale und Vorteile werden nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden erfindungsgemäßen Kabels und der einzigen Figur näher erläutert, die in Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßes Kabel für Gleichspannung und insbesondere für hohe Gleichspannung zeigt.Further features and advantages will now be explained in more detail using a non-limiting cable according to the invention and the single figure, which shows an exploded view of a cable according to the invention for direct voltage and in particular for high direct voltage.
In dieser Figur enthält ein Kabel 1 für hohe Gleichspannung:In this figure, a cable 1 for high DC voltage contains:
- eine leitende Seele 2 aus Kupfer oder Aluminium,- a conductive core 2 made of copper or aluminium,
- einen ersten halbleitenden Schirm 3,- a first semiconducting screen 3,
- eine Isolierhülle 4, die erfindungsgemäß aus einem thermoplastischen Kautschuk besteht,- an insulating sleeve 4, which according to the invention consists of a thermoplastic rubber,
- einen zweiten halbleitenden Schirm 5,- a second semiconducting screen 5,
- einen metallischen Schutzschirm 6,- a metallic protective shield 6,
- eine äußere Schutzhülle 7 aus Kunststoff.- an outer protective cover 7 made of plastic.
Die beiden thermoplastischen Kautschukmaterialien (CT) bestehen aus zwei miteinander nicht kompatiblen Phasen, nämlich einer sogenannten thermoplastischen Phase (Phase T) und einer sogenannten Elastomerphase (Phase E). Nachfolgend werden als nicht beschränkend zu verstehendes Beispiel zwei CT-Familien angegeben, die für die Anwendung der Erfindung in Frage kommen, nämlich die Olefin-CTs und die Styrol-CTs.The two thermoplastic rubber materials (CT) consist of two phases that are incompatible with each other, namely a so-called thermoplastic phase (phase T) and a so-called elastomer phase (phase E). Two families of CTs that are suitable for the application of the invention are given below as a non-limiting example, namely the olefin CTs and the styrene CTs.
Bei den Olefin-CTs kann die Phase T ausgehend von Polypropylen oder Polyäthylen hoher oder geringer Dichte präpariert werden, während die Phase E im allgemeinen aus einem Äthylen-Propylen-Kautschuk besteht. Der Anteil von Polyäthylen im CT liegt in diesem Fall vorzugsweise, aber nicht unbedingt, zwischen 10 und 25%. Um das CT mit der gewünschten Struktur zu erhalten, führt man eine dynamische Vernetzung der Phase E in Gegenwart der Phase T durch, d.h. daß man die Phase E vernetzt, indem das Ganze stark durchgeknetet wird, was die Fraktionierung der Phase E und ihre Verteilung in Form von Aggregaten in der Phase T ermöglicht.In the case of olefin CTs, the T phase can be prepared from polypropylene or high or low density polyethylene, while the E phase is generally made of an ethylene-propylene rubber. The proportion of polyethylene in the CT in this case is preferably, but not necessarily, between 10 and 25%. In order to obtain the CT with the desired structure, a dynamic Crosslinking of phase E in the presence of phase T, ie crosslinking of phase E by vigorous kneading of the whole, which enables the fractionation of phase E and its distribution in the form of aggregates in phase T.
Bei den Styrol-CTs, d.h. bei den sequenzierten Copolymeren auf der Basis von Styrol oder Block-Copolymeren, besteht die Phase T z.B. aus einem nicht-kristallinen Polystyrol und die Phase E aus Polybutadien oder nicht vernetztem Polyisopren. Bei der Synthese des CT pfropft sich z.B. das Polystyrol auf das Polybutadien am Ende der Kette dieses letzteren auf und gruppiert sich in "Bereichen" geringer Abmessungen (Durchmesser der Größenordnung von 30 nm), während die Kautschukmatrix (oder Phase E) durchgehend bleibt. Das Material besteht so aus einer Folge von steifen Segmenten in einer durchgehenden Kautschukphase.For example, in the case of styrene CTs, i.e. sequenced copolymers based on styrene or block copolymers, phase T consists of a non-crystalline polystyrene and phase E of polybutadiene or non-cross-linked polyisoprene. During the synthesis of the CT, for example, the polystyrene is grafted onto the polybutadiene at the end of the chain of the latter and is grouped into "areas" of small dimensions (diameters of the order of 30 nm), while the rubber matrix (or phase E) remains continuous. The material is thus composed of a succession of rigid segments in a continuous rubber phase.
Die CT besitzen also allgemein eine verteilte organische Phase in einer durchgehenden organischen Phase. Diese Verteilung von Aggregaten erzeugt viele übergänge innerhalb der Isolierhülle. Daher akkumulieren sich die Raumladungen nicht mehr nur an den übergängen zwischen halbleitenden Schirmen und Isolierhülle, sondern verteilen sich auch auf die vielen inneren übergänge der Isolierhülle. Nun findet man keine großen Anhäufungen von Raumladungen mehr an den übergängen zwischen halbleitenden Schirmen und der Isolierhülle, und die in der Hülle verteilten Raumladungen erzeugen unter Wirkung einer Betriebs-Gleichspannung nur eine geringe Verstärkungen des lokalen elektrischen Felds.CTs generally have a distributed organic phase in a continuous organic phase. This distribution of aggregates creates many transitions within the insulating shell. As a result, the space charges no longer accumulate only at the transitions between semiconducting screens and insulating shell, but are also distributed over the many internal transitions of the insulating shell. Now, there are no longer any large accumulations of space charges at the transitions between semiconducting screens and the insulating shell, and the space charges distributed in the shell create only a small amplification of the local electric field under the effect of an operating DC voltage.
Die Isolierung der Kabel für hohe Gleichspannung mittels CT läst alle Probleme, die sich bei den verschiedenen möglichen Materialien gemäß dem Stand der Technik ergaben.The insulation of the high DC voltage cables using CT solves all the problems that arose with the various possible materials according to the state of the art.
Wie oben beschrieben ergeben die CT bessere Ergebnisse als die PRC in Bezug auf die Anhäufung von Raumladungen. Außerdem sind sie viel einfacher zu verwenden. Mit den PRC findet nämlich die chemische Vernetzung während der Herstellung des Kabels und direkt nach dem Extrudieren der Isolierhülle statt. Dies erfolgt unter Druck und bei einer sehr hohen Temperatur (etwa 200ºC) und die Abkühlung erfolgt ebenfalls unter Druck. Das Herstellungsverfahren ist also sehr schwerfällig. Dagegen werden die CT vor der Herstellung synthetisiert, und ihre Verwendung erfolgt durch Erhitzen und Extrudieren um das Kabel herum, wie bei jedem anderen thermoplastischen Material. Sie verlieren also bei der Erwärmung für das Extrudieren nicht ihren thermoplastischen Charakter.As described above, CT gives better results than PRC in terms of space charge accumulation. In addition, they are much easier to use. With PRC, chemical cross-linking takes place during The extrusion takes place before the cable is manufactured and immediately after the insulating sheath is extruded. This takes place under pressure and at a very high temperature (around 200ºC) and cooling is also carried out under pressure. The manufacturing process is therefore very cumbersome. CTs, on the other hand, are synthesized before manufacture and are used by heating and extruding them around the cable, like any other thermoplastic material. They therefore do not lose their thermoplastic character when heated for extrusion.
Da die Bildung von organischen Aggregaten eine den CT innewohnende Eigenschaft ist, ist außerdem die Gefahr des Vorhandenseins äußere Unreinheiten gering im Verhältnis zur Einführung von Mineralpartikeln in PRC. Außerdem ist die Anwendung der CT einfacher als die eines PRC mit Mineralpartikeln.In addition, since the formation of organic aggregates is an inherent property of CT, the risk of the presence of external impurities is low compared to the introduction of mineral particles into PRC. In addition, the application of CT is simpler than that of a PRC with mineral particles.
Im Labor durchgeführte Tests haben gezeigt, daß unter den gleichen Versuchsbedingungen die PRC und die CT ein völlige unterschiedliches Verhalten haben. So sind bei den CT die lokalen Verstärkungen des elektrischen Felds aufgrund der Akkumulierung von Raumladungen wesentlich geringer: Nach eine Stunde lang angelegter Gleichspannung bei 20ºC beträgt die Feldverstärkung in der Nähe der übergänge etwa 110% für PRC in Bezug auf den Wert des angelegten Felds, während sie bei den CT unter 20% liegt.Tests carried out in the laboratory have shown that under the same experimental conditions, the PRC and the CT have completely different behavior. For example, in the CT, the local electric field amplifications due to the accumulation of space charges are much lower: after an hour of DC voltage applied at 20ºC, the field amplification near the junctions is about 110% for the PRC with respect to the value of the applied field, while for the CT it is less than 20%.
Es wurden auch Tests der Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude durchgeführt. Die Beständigkeit der getesteten Materialien gegenüber Impulsen hoher Amplitude wird entweder durch direktes Anlegen eines Impulses mit bis zum Durchschlag der Isolierung steigender Spannung oder durch Anlegen dieses Impulses steigender Spannung nach einem vorherigen Anlegen einer Gleichspannung gleich einem Drittel der gewünschten Durchschlagspannung während einer Stunde bestimmt. Vo sei die Durchschlagspannung ohne vorher angelegte Gleichspannung und Vp ist die Durchschlagspannung mit Gleichspannung. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten zeigt in etwa die Beständigkeit gegen Impulse hoher Amplitude, die einer Betriebsgleichspannung der getesteten Materialien überlagert wird: Bei den PRC ist das Verhältnis Vp/Vo gleich 0,7; bei den CT ist das Verhältnis Vp/Vo gleich 1.Tests of resistance to high amplitude pulses were also carried out. The resistance of the materials tested to high amplitude pulses is determined either by directly applying a pulse with increasing voltage until the insulation breaks down or by applying this pulse with increasing voltage after a previous application of a direct voltage equal to one third of the desired breakdown voltage for one hour. Let Vo be the breakdown voltage without a previous applied direct voltage and Vp is the breakdown voltage with DC voltage. The ratio between these two values gives an approximate indication of the resistance to high amplitude pulses superimposed on a DC operating voltage of the materials tested: for PRCs, the Vp/Vo ratio is 0.7; for CTs, the Vp/Vo ratio is 1.
Die derzeit im Handel erhältlichen CT werden als Isolierung bei Kabeln für Wechselstrom-Niederspannung verwendet. Die CT haben aufgrund ihrer molekularen Ausbildung nämlich die Eigenschaft, sich bei den Temperaturen, denen sie bei der Herstellung von Kabeln unterworfen werden, wie Kunststoffmaterialien zu verhalten, und bei den üblichen Verwendungstemperaturen wie gummiartige Materialien. Sie werden somit wegen ihrer einfachen Anwendung und ihren interessanten mechanischen und thermischen Eigenschaften auf dem Gebiet der Wechselstrom-Niederspannungen eingesetzt.CTs currently available on the market are used as insulation for low voltage AC cables. CTs have the property, due to their molecular structure, of behaving like plastic materials at the temperatures to which they are subjected during cable manufacture and like rubber-like materials at the usual temperatures of use. They are therefore used in the field of low voltage AC because of their ease of use and their interesting mechanical and thermal properties.
Außerdem ist es bekannt, daß die Beständigkeit eines Materials gegen Impulse hoher Amplitude mit seiner Kristallisierung ansteigt. Der Aufsatz mit dem Titel "The effect of morphology on the impulse breakdown in XLPE cable insulation", der in IEEE Vol. E117 No 5 von Oktober 1982, Seite 386 erschienen ist, zeigt in dieser Hinsicht eine Kurve, die den Widerstand gegen Impulse hoher Amplitude in Abhängigkeit von der Kristallisierung angibt. Die CT sind jedoch sehr wenig kristallin und haben somit eine mäßige Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude. Daher wurden sie bisher nicht als Isoliermaterial für Hochspannungs-Gleichstrom- Kabel verwendet.It is also known that the resistance of a material to high amplitude pulses increases with its crystallization. In this respect, the paper entitled "The effect of morphology on the impulse breakdown in XLPE cable insulation", published in IEEE Vol. E117 No 5 of October 1982, page 386, shows a curve that indicates the resistance to high amplitude pulses as a function of crystallization. However, CTs are very poorly crystalline and thus have moderate resistance to high amplitude pulses. For this reason, they have not been used as insulating material for high voltage direct current cables.
Im Gegensatz zur bisherigen Ansicht wurde also festgestellt, daß die thermoplastischen Kautschukmaterialien, auch wenn ihre Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude schlechter als die der PRC ist, sehr viel besser geeignet sind als diese letzteren, wenn sie Impulsen hoher Amplitude ausgesetzt werden, die einer Gleichstrom-Betriebsspannung überlagert werden. Die CT kännen daher als Isolierung für Kabel für Hochspannungs-Gleichstrom verwendet werden.Contrary to previous opinion, it has been found that thermoplastic rubber materials, although their resistance to high amplitude pulses is worse than that of PRCs, are much better than the latter when subjected to high amplitude pulses superimposed on a direct current operating voltage. CTs can therefore be used as insulation for high voltage direct current cables.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebene Ausführungsform beschränkt: Die angegebenen Zahlenwerte sind nur beispielhaft, und jedes Mittel kann durch ein gleichwertiges Mittel ersetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Of course, the invention is not limited to the embodiment just described: the numerical values given are only examples and each means can be replaced by an equivalent means without departing from the scope of the invention.
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