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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für Kabel,
die das Kabel vor unbeabsichtigten Einwirkungen schützen kann.
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Unbeabsichtigte
Einwirkungen auf ein Kabel, die auftreten können, zum Beispiel während Transport, Lagerung
etc., können
dem Kabel eine Reihe struktureller Schäden zufügen, einschließlich Veränderung
der Isolierungsschicht, Ablösen
der Isolationsschicht von der halbleitenden Schicht usw.; diese
Beschädigung kann
Variationen im elektrischen Gradienten der Isolierungsbeschichtung
mit einem anschließenden
Abnehmen der Isolierungskapazität
dieser Beschichtung verursachen.
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In
den Kabeln, die zur Zeit kommerziell erhältlich sind, zum Beispiel in
denen für
Niedrig- oder Mittelspannungs-Energieübertragung
oder -verteilung, wird üblicherweise
eine Metallbewehrung, der solchen Einflüsse widerstehen kann, angewendet,
um Kabel vor möglichen
Beschädigungen,
die durch unbeabsichtigte Einflüsse
verursacht werden, zu schützen.
Diese Wehrung kann in der Form von Bändern oder Drähten (üblicherweise
aus Stahl) oder alternativ in der Form eines Metallmantels (üblicherweise
aus Blei oder Aluminium) sein; diese Wehrung ist wiederum üblicherweise
mit einem äußeren Polymermantel
umhüllt.
Ein Beispiel solch einer Kabelstruktur ist in
US-Patent 5,153,381 beschrieben.
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Der
Anmelder hat festgestellt, daß die
Gegenwart der oben genannten Metallbewehrung eine bestimmte Anzahl
an Nachteilen besitzt. Zum Beispiel schließt die Anwendung der Wehrung
eine oder mehrere zusätzliche
Phasen bei der Herstellung des Kabels ein. Außerdem erhöht die Gegenwart der Metallwehrung das
Gewicht des Kabels beträchtlich
zusätzlich
zu Umweltproblemen, da, falls es ersetzt werden muß, ein auf diese
Weise konstruiertes Kabel nicht einfach entsorgt werden kann.
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Das
japanische Patent, veröffentlicht
unter der Nummer (Kokai) 7-320550 beschreibt ein Haushaltskabel
mit schlagfester Beschichtung von 0,2 bis 1,4 mm Dicke, die zwischen
dem Isolator und dem äußeren Mantel
eingefügt
ist. Diese schlagfeste Beschichtung ist ein nicht-expandiertes Polymermaterial,
das ein Polyurethanharz als Hauptkomponente enthält.
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Andererseits
ist die Verwendung von expandierten Polymermaterialien in Kabelkonstruktionen
für eine Vielzahl
von Anwendungen bekannt.
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Zum
Beispiel offenbart die
deutsche
Patentanmeldung Nr. P 15 15 709 die Verwendung einer Zwischenschicht
zwischen dem äußeren Plastikmantel
und dem inneren metallischen Mantel eines Kabels, um den Widerstand
der äußeren Plastikschicht
gegenüber
niedrigen Temperaturen zu erhöhen.
In diesem Dokument wird der Schutz der inneren Struktur des Kabels
durch diese Zwischenschicht nicht erwähnt. Tatsächlich sollte solch eine Zwischenschicht
die elastischen Spannungen, die in dem äußeren Plastikmantel aufgrund
von erniedrigter Temperatur erzeugt werden, kompensieren und kann
aus locker angeordneten Glasfasern oder einem Material, das entweder
expandiert sein kann oder hohle Glaskügelchen einschließt, bestehen.
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Ein
anderes Dokument,
deutsches
Gebrauchsmuster Nr. G 81 03 947.6 , offenbart ein elektrisches
Kabel zur Verwendung in Verbindungen in Apparaten und Maschinen
mit besonderem mechanischen Widerstand und Flexibilität. Das Kabel
ist besonders entworfen, um eine Rolle zu passieren und ist genügend flexibel,
um seine gerade Struktur nach dem Passieren dieser Rolle wiederzuerlangen.
Entsprechend zielt diese Art von Kabel besonders darauf hin, statischen
mechanischen Lasten zu widerstehen (wie sie während dem Passieren einer Rolle
erzeugt werden), und seine Haupteigenschaft ist die Flexibilität. Es ist
vollständig
offensichtlich für die
Fachleute, daß diese
Art von Kabel sich wesentlich von Niedrig- oder Mittelspannungs- Energieübertragungs-
oder -verteilungskabeln mit einer Metallbewehrung, die, statt flexibel
zu sein, dynamischen Lasten aufgrund von Einwirkungen einer bestimmten
Stärke
auf das Kabel widerstehen können
sollte.
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Außerdem ist
bei Signaltransmissions-Kabeln vom koaxialen oder verdrillten Doppelleitungs-Typ
bekannt, expandierte Materialien zu verwenden, um ein leitendes
Material zu isolieren. Koaxialkabel sollen üblicherweise Hochfrequenzsignale
tragen, wie Koaxialkabel für
Fernseher (CATV) (10–100
MHz), Satellitenkabel (bis zu 2 GHz), Koaxialkabel für Computer
(über 1
MHz); traditionelle Telephonkabel tragen üblicherweise Signale mit Frequenzen
von ungefähr
800 Hz.
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Der
Verwendungszweck eines expandierten Isolators in solchen Kabeln
ist, die Transmissionsgeschwindigkeit der elektrischen Signale zu
erhöhen,
um die Idealgeschwindigkeit der Signaltransmission in einem atmosphärischen
leitenden Metall anzunähern
(die nahe der Lichtgeschwindigkeit ist). Der Grund dafür ist, verglichen
mit nicht-expandierten Polymermaterialien, daß expandierte Materialien üblicherweise
eine niedrigere Dielektrizitätskonstante
(K) besitzen, die proportional um so näher zu der von Luft (K = 1)
kommt, je höher
der Expansionsgrad des Polymers ist.
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Zum
Beispiel beschreibt das
US-Patent
4,711,811 ein Signaltransmissionskabel mit einem expandierten
Fluorpolymer als Isolator (Dicke 0,05–0,76 mm) umhüllt mit
einem Film aus Ethylen/Tetrafluorethylen oder Ethylen/Chlortrifluorethylen-Copolymer (Dicke
0,013–0,254
mm). Wie in diesem Patent beschrieben, ist der Zweck des isolierten
Polymers, den Leiter zu isolieren, während der Zweck des Films aus
nicht-expandiertem Polymer,
das das expandierte Polymer umhüllt,
ist, die mechanischen Eigenschaften der Isolation zu verbessern,
insbesondere durch Verleihen der notwendigen Kompressionsstärke, wenn
zwei isolierte Leiter verdrillt sind, um die sogenannte "verdrillte Doppelleitung" zu bilden.
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EP-Patent 442 346 beschreibt
ein Signaltransmissionskabel mit einer Isolationsschicht auf Basis
expandierten Polymers, das direkt um den Leiter angeordnet ist;
dieses expandierte Polymer hat eine ultramikrozelluläre Struktur
mit einem Hohlvolumen von mehr als 75% (entsprechend einem Expansionsgrad
von mehr als 300%). Die ultramikrozelluläre Struktur dieses Polymers
sollte so sein, daß es
mindestens 10% unter einer Last von 6,89 × 10
4 Pa
komprimiert und mindestens 50% seines Originalvolumens nach Entfernen
dieser Last wiedergewinnt; diese Werte entsprechend ungefähr den typischen
Kompressionsstärkewerten,
die das Material benötigt,
um der Kompression während
der Verdrillung der Kabel zu widerstehen.
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In
der internationalen Patentanmeldung
WO
93/15512 , die auch ein Signaltransmissionskabel mit einer
expandierten Isolationsbeschichtung betrifft, wird ausgeführt, daß durch
Beschichten des expandierten Isolators mit einer Schicht aus nicht-expandiertem
isolierenden Thermoplast (wie z. B. in dem oben genannten
US-Patent 4,711,811 beschrieben)
die erforderliche Kompressionsstärke
erhalten wird, was jedoch die Fortschreitungsgeschwindigkeit des
Signal reduziert. Diese Patentanmeldung
WO 93/15512 beschreibt ein Koaxialkabel
mit einer Doppelschicht an Isolationsbeschichtung, in der beide
Schichten aus einem expandierten Polymermaterial bestehen, wobei
die innere Schicht aus mikroporösem
Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht und die äußere Schicht aus einem geschlossenzelligen
expandierten Polymer besteht, insbesondere Perfluoralkoxytetrafluorethylen-(PFA)-Polymere.
Die isolierende Beschichtung auf Basis expandierten Polymer wird durch
Extrudieren des PFA-Polymers über
die innere Schicht an PTFE-Isolator erhalten, wobei Freon 113 Gas als
Expansionsmittel injiziert wird. Gemäß den in der Beschreibung gegebenen
Details ermöglicht
dieser geschlossenzellige expandierte Isolator es, eine hohe Geschwindigkeit
an Signaltransmission aufrechtzuerhalten. Er wird außerdem in
dieser Patentanmeldung als resistent gegenüber Kompression definiert,
obwohl keine numerischen Daten betreffend diese Kompressionsstärke angegeben
werden.
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Die
Beschreibung betont die Tatsache, daß Leiter, die mit solch einem
Doppelschichtisolator umhüllt sind,
verdrillt werden können.
Außerdem
ermöglicht
gemäß dieser
Patentanmeldung der Anstieg an Hohlvolumen in der äußeren expandierten
Schicht es, einen Anstieg der Transmissionsgeschwindigkeit zu erreichen, wodurch
geringe Variationen in der Kapazität dieser Beschichtung, um die
Kompression der inneren expandierten Schicht zu widerstehen, entstehen.
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Wie
aus den oben genannten Dokumenten ersichtlich ist, ist der Hauptzweck "offenzelliger" expandierter Polymermaterialien
als Isolationsbeschichtungen für
Signaltransmissionskabel, die Transmissionsgeschwindigkeit des elektrischen
Signals zu erhöhen;
jedoch haben diese expandierten Beschichtungen den Nachteil, daß sie eine
ungenügende
Kompressionsstärke
besitzen. Wenige expandierte Materialien werden auch generisch als "resistent gegenüber Kompression" definiert, da sie
nicht nur eine hohe Signaltransmissionsgeschwindigkeit sondern auch
einen genügenden
Widerstand gegenüber
Kompressionskräften
sicherstellen müssen,
die üblicherweise
erzeugt werden, wenn zwei Leiter, die mit der oben genannten expandierten Isolation
beschichtet sind, miteinander verdrillt sind; entsprechend ist in
diesem Fall die angewandte Last im wesentlichen statisch.
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Deshalb,
während
es einerseits notwendig ist, daß diese
Isolationsbeschichtungen aus expandiertem Polymermaterial für Signaltransmissionskabel
Eigenschaften besitzen, daß sie
eine relativ geringe Kompressionslast ertragen können (so wie dies entsteht,
wenn zwei Kabel miteinander verdrillt werden), wird andererseits
in keinem Dokument, das dem Anmelder bekannt ist, eine Art von Schlagfestigkeit,
die durch eine expandierte Polymerbeschichtung verliehen werden
kann, erwähnt.
Außerdem,
obwohl solch eine expandierte Isolationsbeschichtung eine höhere Signaltransmissionsgeschwindigkeit
fördert,
wird dies als weniger vorteilhaft angesehen als eine Beschichtung
aus einem ähnlichen
nicht-expandierten Material hinsichtlich der Kompressionsstärke, wie
in der oben genannten Patentanmeldung
WWO 93/15512 beschrieben.
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In
DE 7122512 wird ein Signalübertragungskabel
erwähnt.
Eine aus geschäumten
Polymermaterial gebildete Pufferschicht, wie beispielsweise Polyethylen
hoher Dichte, Polyethylen niederer Dichte und Polyvinylchlorid,
schützt
den Kern solch eines Kabels gegen Einwirkungen. Das Polymermaterial
wird von 30% auf 40% expandiert.
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Der
Anmelder hat nun gefunden, daß durch
Einfügen
einer geeigneten Beschichtung aus expandiertem Polymermaterial geeigneter
Dicke und Elastizitätsmodul,
vorzugsweise in Kontakt mit dem Mantel der äußeren Polymerbeschichtung,
in die Struktur eines Energieübertragungskabels
es möglich
ist, ein Kabel mit hoher Schlagfestigkeit zu erhalten, wodurch es
möglich
wird, die Verwendung der oben genannten Schutzmantelwehrung in der
Struktur dieses Kaels zu vermeiden. Insbesondere hat der Anmelder
beobachtet, daß das Polymermaterial
ausgewählt
werden sollte, um einen genügend
hohen Elastizitätsmodul,
gemessen vor Expansion, zu besitzen, um die gewünschte Schlagfestigkeitseigenschaften
zu erzielen und mögliche
Schäden an
der inneren Struktur des Kabels aufgrund ungewünschter Einwirkungen auf die äußere, Oberfläche davon zu
vermeiden. In der vorliegenden Beschreibung sollte der Ausdruck "Einwirkungen" all diejenigen dynamischen
Lasten einer bestimmten Energie, die wesentliche Schäden zur
Struktur konventioneller unbewehrter Kabel zufügen können, während sie vernachlässigbare
Auswirkungen auf die Struktur üblicher
bewehrter Kabel besitzt, umfassen. Als ein Anhaltspunkt kann solch
eine Einwirkung als Einwirkung von ungefähr 20 bis 30 J, verursacht
durch einen Stempel in V-Form und abgerundeten Ecken mit einem Krümmungsradius
von ungefähr
1 mm, auf den äußeren Mantel
des Kabels angesehen werden.
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Der
Anmelder hat außerdem
beobachtet, daß überraschenderweise
ein expandiertes Polymermaterial, das als eine Beschichtung für Kabel
erfindungsgemäß verwendet
wird, es ermöglicht,
eine Schlagfestigkeit zu erhalten, die besser ist als die durch
Verwenden einer ähnlichen Beschichtung
auf Basis des gleichen Polymers, das nicht expandiert wird, erhalten
wird.
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Ein
Kabel mit einer Beschichtung dieser Art hat verschiedene Vorteile
gegenüber
einem konventionellen Kabel mit Metallbewehrung wie z. B. einfache
Verarbeitung, eine Verminderung des Gewichts und Dimension des fertigen
Kabels und eine verminderte Umwelteinwirkung hinsichtlich Recycling
des Kabels, wenn der Arbeitszyklus vorbei ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Energieübertragungskabel wie in Anspruch
1 dargelegt.
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Das
expandierte Polymermaterial wird aus einem Polymermaterial erhalten,
das, vor Expansion, ein Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur,
gemessen gemäß ASTM-Standard D790, von
größer als
200 MPa, vorzugsweise zwischen 400 und 1.500 MPa, besitzt, wobei
Werte von zwischen 600 und 1.300 MPa besonders bevorzugt sind.
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Das
Polymermaterial hat einen Expansionsgrad von ungefähr 20% bis
ungefähr
3.000%, vorzugsweise von ungefähr
30 bis ungefähr
500%, wobei ein Expansionsgrad von ungefähr 50% bis ungefähr 200%
besonders bevorzugt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die Beschichtung des expandierten
Polymermaterials eine Dicke von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise
zwischen 1 und 6 mm, insbesondere zwischen 2 und 4 mm.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dieses expandierte
Polymermaterial ausgewählt
aus Polyethylen (PE), Polyethylen niederer Dichte (LDPE), Polyethylen
mittlerer Dichte (MDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und linearem
Polyethylen niederer Dichte (LLDPE); Polypropylen (PP); Ethylen-Propylen-Gummi
(EPR); Ethylen-Propylen-Copolymer (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM);
Naturgummi; Butylgummi; Ethylen/Vinylacetat-(EVA)-Copolymer; Polystyrol;
Ethylen/Acrylat-Copolymer; Ethylen/Methylacrylat-(EMA)-Copolymer; Ethylen/Ethylacrylat-(EEA)-Copolymer;
Ethylen/Butylacrylat-(EBA)-Copolymer; Ethylen/α-Olefin-Copolymer; Acrylnitril-Butadien-Styrol-(ABS)-Harze; halogeniertes Polymer,
Polyvinylchlorid (PVC); Polyurethan (PUR); Polyamid; aromatischer
Polyester, Polyethylenterephthalat (PET); Polybutylenterephthalat
(PBT); und Copolymere oder mechanische Mischungen davon.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Aspekt ist dieses Polymermaterial ein Polyolefinpolymer
oder -copolymer auf Basis von PE und/oder PP, vorzugsweise mit Ethylen-Propylen-Gummi modifiziert,
worin das PP/EPR-Gewichtsverhältnis
zwischen 90/10 und 50/50, vorzugsweise zwischen 85/15 und 60/40,
insbesondere ungefähr
70/30 ist.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Aspekt enthält
dieses Polyolefinpolymer oder -copolymer auf Basis von PE und/oder
PP eine vorbestimmte Menge vulkanisierten Kautschuks in Pulverform,
vorzugsweise zwischen 10 und 60 Gew.% des Polymers.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Aspekt umfaßt dieses Kabel außerdem einen äußeren Polymermantel,
der sich vorzugsweise in Kontakt mit der expandierten Polymerbeschichtung
befindet, wobei dieser Mantel vorzugsweise eine Dicke von mindestens
0,5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm besitzt.
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In
der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "Expansionsgrad des Polymers" so zu verstehen, daß er die
Expansion des Polymers, bestimmt auf die folgende Weise, betrifft: G (Expansionsgrad) = (d0/de – 1) × 100worin
d0 die Dichte des nicht-expandierten Polymers
angibt (d. h. das Polymer mit einer Struktur, die im wesentlichen
frei an Hohlvolumen ist) und de die Scheindichte, gemessen von dem
expandierten Polymer, angibt.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "expandiertes" Polymer so zu verstehen, daß er ein
Polymer betrifft, in dessen Struktur der Anteil des Hohlvolumens
(d. h. der Anteil, der nicht durch das Polymer sondern durch ein
Gas oder Luft ausgefüllt
ist) typischerweise größer als
10% des Gesamtvolumens dieses Polymers ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "Ablösungs" stärke so zu
verstehen, daß er
die benötigte
Kraft, um eine Schicht aus Beschichtung von dem Leiter oder von
einer anderen Schicht der Beschichtung zu trennen (abzulösen) betrifft;
für den
Fall der Abtrennung zweier Schichten von Beschichtung voneinander
sind diese Schichten üblicherweise
die Isolationsschicht und die äußere halbleitende
Schicht.
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Typischerweise
besitzt die Isolationsschicht von Energieübertragungskabeln eine Dielektrizitätskonstante
(K) von größer als
2. Außerdem,
im Gegensatz zu Signalübertragungskabeln,
worin der "elektrische
Gradient" Parameter
nicht wichtig ist, bewegen sich elektrische Gradienten im Bereich
von ungefähr
0,5 kV/mm für
Niedrigspannung bis zu ungefähr
10 kV/mm für
Hochspannung, an Energieübertragungskabel
angewendet; deshalb wird in diesen Kabeln die Gegenwart von Inhomogenität in der
Isolierungsbeschichtung (z. B. Hohlvolumina), die lokale Variation
in der dielektrischen Festigkeit mit einer anschließenden Abnahme
der Isolationskapazität
führen
könnte,
vermieden werden. Dieses Isolationsmaterial wird deshalb üblicherweise
ein kompaktes Polymermaterial sein, worin in der vorliegenden Beschreibung
der Ausdruck "kompakter" Isolator so zu verstehen
ist, daß er
ein Isolationsmaterial betrifft, welches eine Dielektrizitätsfestigkeit
von mindestens 5 kV/mm, vorzugsweise größer als 10 kV/mm, insbesondere
größer als
40 kV/mm, für
mittlere bis Hochspannungs-Energieübertragungskabel
besitzt. Im Gegensatz zu einem expandierten Polymermaterial ist
dieses kompakte Material im wesentlichen frei von Hohlvolumen in
seiner Struktur; insbesondere wird dieses Material eine Dichte von
0,85 g/cm3 oder mehr besitzen.
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In
der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck niedrige Spannung
so zu verstehen, daß er
eine Spannung von bis zu 1.000 V (typischerweise größer als
100 V) betrifft, der Ausdruck mittlere Spannung ist so zu verstehen,
daß er
eine Spannung von ungefähr
1 bis ungefähr
30 kV betrifft und der Ausdruck Hochspannung ist so zu verstehen,
daß er
eine Spannung über
30 kV betrifft. Solche Energieübertragungskabel
arbeiten typischerweise bei nominellen Frequenzen von 50 oder 60
Hz.
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Obwohl
im Verlauf der Beschreibung die Verwendung der expandierten Polymerbeschichtung
detailliert mit Bezug auf Energieübertragungskabel beschrieben
wird, in welchen diese Beschichtung vorteilhafterweise die Metallbewehrung,
die in solchen Kabels zur Zeit verwendet wird, ersetzen kann, ist
es für
die Fachleute klar, daß diese
expandierte Beschichtung in jeder Art von Kabel vorteilhaft verwendet
werden kann, für die
es gewünscht
sein könnte,
solch einem Kabel einen geeigneten Schlagschutz zu verleihen. Insbesondere schließt die Definition
von Energieübertragungskabel
nicht nur diejenigen für
insbesondere die Art an Niedrig- oder Mittelspannung sondern auch
Kabel für
Hochspannungs-Energieübertragung
ein.
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Die
Erfindung kann weiter mit Hilfe der folgenden Figuren verstanden
werden.
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1 zeigt
ein Energieübertragungskabel
vom tripolaren Typ mit Metallwehrung gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kabels
vom tripolaren Typ.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kabels
vom unipolaren Typ.
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1 ist
ein Querschnittsdiagramm eines Mittelspannungs-Energieübertragungskabels
gemäß dem Stand
der Technik vom tripolaren Typ mit Metallwehrung. Dieses Kabel umfaßt drei
Leiter (1), jedes mit einer inneren halbleitenden Beschichtung
(2), einer Isolationsschicht (3), einer äußeren halbleitenden
Schicht (4) und einem Metallschirm (5) umhüllt; zur
Vereinfachung wird diese Semi-Endstruktur
im Rest der Beschreibung als der "Kern" definiert
werden. Die drei Kerne sind aneinander befestigt und die sternförmigen Gebiete
zwischen ihnen sind mit einem Füllmaterial
(9) ausgefüllt
(üblicherweise
Elastomermischungen, Polypropylenfasern und dgl.), um die Querschnittsstruktur
zirkular zu machen, wobei das ganze wiederum mit einem inneren Polymermantel
(8), einer Wehrung von Metalldrähten (7) und einem
Polymermantel (6) beschichtet ist.
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2 ist
das Querschnittsdiagramm eines erfindungsgemäßen Kabels auch vom tripolaren
Typ für Mittelspannungs-Energieübertragung.
Dieses Kabel umfaßt
die drei Leiter (1), wobei jeder mit einer inneren halbleitenden
Beschichtung (2), einer Isolationsschicht (3),
einer äußeren halbleitenden
Schicht (4) und einem Metallschirm (5) umhüllt ist;
die sternförmigen
Gebiete zwischen den Kernen sind in diesem Fall mit einem schlagfesten
expandierten Polymermaterial (10) gefüllt, das wiederum mit einem äußeren Polymermantel
(6) beschichtet ist. In der expandierten Polymerbeschichtung
(10) ist ein kreisförmiger
Rand (10a), der der minimalen Dicke der expandierten Polymerbeschichtung
entspricht, in der Nähe
der äußeren Oberfläche der
Kerne (durch eine gestrichelte Linie) angedeutet.
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3 ist
das Querschnittsdiagramm eines erfindungsgemäßen Kabels vom unipolaren Typ
für Mittelspannungs-Energieübertragung.
Dieses Kabel umfaßt
einen zentralen Leiter (1), umhüllt mit einer inneren halbleitenden
Beschichtung (2), einer Isolationsschicht (3),
einer äußeren halbleitenden
Schicht (4), einem Metallschirm (5), einer Schicht
an expandiertem Polymermaterial (10) und einem äußeren Polymermantel
(6). Im Fall dieses unipolaren Kabels dargestellt in 3 fällt, da
der Kern einen kreisförmigen
Querschnitt hat, der kreisförmige
Rand (10a) veranschaulicht im Fall des tripolaren Kabels,
mit der Schicht des expandierten Polymermaterials (10)
zusammen.
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Diese
Figuren zeigen offensichtlich lediglich einige wenige der möglichen
Ausführungsformen
von Kabeln, für
die die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise verwendet werden
kann. Es ist offensichtlich, daß geeignete
Modifikationen, die im Fachgebiet bekannt sind, mit diesen Ausführungsformen
durchgeführt
werden können,
ohne irgendwelche Einschränkungen
der Anwendung der vorliegenden Erfindung dadurch zu implizieren.
Zum Beispiel mit Bezug auf
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2 können die
sternförmigen
Gebiete zwischen den Kernen zuvor mit einem üblichen Füllmaterial gefüllt werden,
wodurch ein halbverarbeitetes Kabel mit einem Querschnitt entsprechend
ungefähr
dem kreisförmigen
Querschnitt, der in dem kreisförmigen
Rand (10a) enthalten ist, erhalten wird; es ist dann vorteilhafterweise
möglich, über dieses
halbgefertigte Kabel über
die Querschnittsfläche
die Schicht des expandierten Polymermaterials (10) zu extrudieren
in einer Dicke entsprechend ungefähr dem kreisförmigen Rand
(10a) und anschließend
den äußeren Mantel
(6). Alternativ können
Kerne mit einem Querschnittsbereich auf solch eine Weise bereitgestellt
Werden, daß wenn
diese Kerne miteinander verbunden werden, ein Kabel von ungefähr kreisförmigem Querschnitt
gebildet wird, ohne die Notwendigkeit, das Füllmaterial für die sternförmigen Gebiete
zu verwenden; die Schicht des schlagfesten expandierten Polymermaterials
(10) wird dann über
diese so miteinander verbundenen Kerne extrudiert, gefolgt durch
den äußeren Mantel
(6).
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Im
Fall von Kabeln für
Niedrigspannungs-Energieübertragung
wird die Struktur dieser Kabel üblicherweise
die einzige Isolationsbeschichtung direkt in Kontakt mit dem Leiter
umfassen, welche wiederum mit der Beschichtung an expandiertem Polymermaterial
und mit dem äußeren Mantel
beschichtet ist.
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Weitere
Lösungen
sind einem Fachmann wohl bekannt, der die passendste Lösung bestimmen
kann auf Basis z. B. der Kosten, der Positionierungsart des Kabels
(Luft, eingefügt
in Röhren,
direkt unterhalb der Erdoberfläche
begraben, innerhalb Gebäuden
und unter dem Meer), der Betriebstemperatur des Kabels (Maximum-
und Minimumtemperaturen und Temperaturen im Umgebungsbereich).
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Die
schlagfeste expandierte Polymerbeschichtung kann aus jedem Typ expandiertem
Polymer bestehen, wie z. B. Polyolefinen, Polyolefin-Copolymeren,
Olefin/Ester-Copolymeren,
Polyestern, Polycarbonaten, Polysulfonen, phenolischen Harzen, Harnstoffharzen
und Mischungen davon. Beispiele geeigneter Polymere sind Polyethylen
(PE), insbesondere Polyethylen niederer Dichte (LDPE), Polyethylen
mittlerer Dichte (MDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und lineare
Polyethylene niederer Dichte (LLDPE); Polypropylen (PP); Ethylen-Propylen-Gummi
(EPR), insbesondere Ethylen-Propylen-Copolymer
(EPM) oder Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer
(EPDM); Naturgummi; Butylgummi; Ethylen-Vinylacetat-(EVA)-Copolymer; Polystyrol; Ethylen/Acrylat-Copolymer, insbesondere
Ethylen/Methylacrylat-(EMA)-Copolymer,
Ethylen/Ethylacrylat-(EEA)-Copolymer, Ethylen/Butylacrylat-(EBA)-Copolymer;
Ethylen/α-Olefin-Copolymer; Acrylnitril-Butadien-Styrol-(ABS)-Harze;
halogenierte Polymere, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC); Polyurethan
(PUR); Polyamid; aromatische Polyester wie Polyethylenterephthalat
(PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT); und Copolymere oder mechanische
Mischungen davon. Vorzugsweise werden Polyolefinpolymere oder -copolymere
verwendet, insbesondere diejenigen auf PE und/oder PP Basis vermischt
mit Ethylen-Propylen-Gummis. Vorteilhafterweise kann Polypropylen
modifiziert mit Ethylen-Propylen-Gummi (EPR) verwendet werden, wobei
das PP/EPR Gewichtsverhältnis
zwischen 90/10 und 50/50, vorzugsweise zwischen 85/15 und 60/40
ist, wobei ein Gewichtsverhältnis
von ungefähr
70/30 besonders bevorzugt ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Anmelder außerdem beobachtet, daß es möglich ist,
die Polymermaterialien mechanisch zu mischen, die der Expansion
unterworfen werden, insbesondere im Fall von Olefinpolymeren, insbesondere
Polyethylen oder Polypropylen, mit einer vorherbestimmten Menge
an Gummi in Pulverform, z. B. vulkanisiertem natürlichen Kautschuk.
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Typischerweise
werden diese Pulver aus Partikeln mit Größen zwischen 10 und 1.000 μm, vorzugsweise
zwischen 300 und 600 μm
gebildet. Vorteilhafterweise können
vulkanisierte Kautschukabfälle
erhalten von der Verarbeitung von Reifen verwendet werden. Der Anteil
an Gummi in Pulverform kann sich im Bereich von 10 bis 60 Gew.%
relativ zum zu expandierenden Polymer, vorzugsweise zwischen 30
und 50 Gew.%, bewegen.
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Das
zu expandierende Polymermaterial, das entweder ohne weitere Verarbeitung
verwendet wird oder das als expandierbare Basis in einer Mischung
mit pulverförmigem
Gummi verwendet wird, wird notwendigerweise eine Festigkeit derart
haben, sobald es expandiert ist, daß es eine bestimmte Größe an gewünschter Schlagfestigkeit
sicherstellt, um den inneren Teil des Kabels zu schützen (d.
h. die Isolatorschicht und die halbleitenden Schichten, die vorhanden
sein können)
vor Beschädigung
nach unerwünschten
Einflüssen,
die auftreten können.
Insbesondere muß dieses
Material eine genügend
hohe Kapazität
besitzen, um die Einwirkungsenergie zu absorbieren, um zu der darunter
befindlichen Isolationsschicht eine Energiemenge zu übertragen,
die derart ist, daß die
Isolationseigenschaften der darunter befindlichen Beschichtungen
nicht unter einen vorherbestimmten Wert verändert werden. Der Grund dafür ist, wie
in der folgenden Beschreibung genauer ausgeführt, daß der Anmelder gefunden hat,
daß in
einem Kabel, das einer Einwirkung unterworfen wird, ein Unterschied
beobachtet wird zwischen dem Durchschnittswert und dem am Einwirkungspunkt
gemessenen Wert der Ablösestärke der
darunter befindlichen Isolationsbeschichtungen; vorteilhafterweise
kann diese Ablösestärke zwischen
der Isolationsschicht und der äußeren halbleitenden
Schicht gemessen werden. Der Unterschied in dieser Stärke ist
proportional um so größer je mehr
Einwirkungsenergie auf die darunter befindlichen Schichten übertragen
wird; im Fall, worin die Ablösestärke zwischen
der Isolationsschicht und der äußeren Halbleiterschicht
gemessen wird, wurde festgestellt, daß die Schutzbeschichtung einen
genügenden Schutz
zu den inneren Schichten verleiht, wenn der Unterschied in Ablösestärke im Einwirkungspunkt
relativ zum Durchschnittswert geringer als 25% ist.
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Der
Anmelder hat beobachtet, daß ein
aus den oben genannten Polymermaterialien ausgewähltes besonders geeignet ist,
wobei dieses Material vor der Expansion ein Elastizitätsmodul
bei Raumtemperatur von mehr als 200 MPa, vorzugsweise von mindestens
400 MPa, gemessen gemäß ASTM- Standard D790, besitzt. Andererseits,
da eine übermäßige Festigkeit
des expandierten Materials es schwierig machen könnte, das Endprodukt zu handhaben,
ist es bevorzugt, ein Polymermaterial zu verwenden, das ein Elastizitätsmodul
bei Raumtemperatur von weniger als 2.000 MPa besitzt.
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Polymermaterialien,
die besonders für
diesen Zweck geeignet sind, sind diejenigen, die vor der Expansion
ein Elastizitätsmodul
bei Raumtemperatur zwischen 400 und 1.800 MPa besitzen, wobei ein
Polymermaterial mit einem Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur
von zwischen 600 und 1.500 MPa besonders bevorzugt ist.
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Diese
Elastizitätsmodulwerte
können
für ein
bestimmtes Material kennzeichnend sein oder sie können vom
Mischen von zwei oder mehr Materialien mit verschiedenen Modulen
resultieren, die in einem Verhältnis gemischt
werden, um den gewünschten
Festigkeitswert des Materials zu erhalten. Zum Beispiel kann Polypropylen,
das ein Elastizitätsmodul
von mehr als 1.500 MPa besitzt, entsprechend mit geeigneten Mengen
Ethylen-Propylen-Gummi (EPR), mit einem Modul von ungefähr 100 MPa,
zum Zweck des Verminderns der Festigkeit auf eine geeignete Weise
verändert
werden.
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Beispiele
von kommerziell erhältlichen
Polymerverbindungen sind:
Polyethylen niedriger Dichte: Riblene
FL 30 (Enichem);
Polyethylen hoher Dichte: DGDK 3364 (Union
Carbide);
Polypropylen: PF 815 (Montell);
Polypropylen
modifiziert mit EPR: Moplen EP-S 30R, 33R und 81R (Montell); Fina-Pro
5660G, 4660G, 2660S und 3660S (Fina-Pro).
-
Der
Expansionsgrad des Polymers und die Dicke der Beschichtungsschicht
müssen
so sein, daß sie in
Kombination mit dem äußeren Polymermantel
Widerstand gegenüber
typischen Einwirkungen sicherstellen, die während dem Handhaben und Verlegen
der Kabel auftreten.
-
Wie
oben genannt, wird der "Expansionsgrad
des Polymers" auf
die folgende Weise bestimmt: G (Expansionsgrad)
= (d0/de – 1) × 100 worin
d0 die Dichte des nicht-expandierten Polymers
angibt und de die Scheindichte, gemessen von dem expandierten Polymer,
angibt.
-
Der
Anmelder hat beobachtet, daß,
sofern es die Aufrechterhaltung der gewünschten Schlagfestigkeitseigenschaften
erlaubt, es für
eine gleichmäßige Dicke
der expandierten Schicht bevorzugt ist, ein Polymermaterial mit
einem hohen Expansionsgrad zu verwenden, da es auf diese Weise möglich ist,
die Menge an verwendetem Polymermaterial zu beschränken mit
Vorteil sowohl hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und reduziertem Gewicht
des Endprodukts.
-
Der
Expansionsgrad ist sehr variabel, sowohl als eine Funktion des verwendeten
spezifischen Polymermaterials als auch als eine Funktion der Beschichtungsdicke,
die verwendet werden soll; üblicherweise kann
sich dieser Expansionsgrad im Bereich von 30 bis 500% bewegen, wobei
ein Expansionsgrad von zwischen 50 und 200% besonders bevorzugt
ist. Das expandierte Polymer besitzt üblicherweise eine geschlossenzellige
Struktur.
-
Der
Anmelder hat beobachtet, daß über einen
bestimmten Expansionsgrad die Kapazität der Polymerbeschichtung zum
Erhalt der benötigten
Schlagfestigkeit abnimmt. Insbesondere wurde beobachtet, daß die Möglichkeit
des Erhalts hoher Expansionsgrade des Polymers durch Aufrechterhalten
einer hohen Schutzwirkung gegen Einwirkungen mit dem Elastizitätsmodulwerts
des zu expandierenden Polymer korreliert werden kann. Der Grund
dafür ist,
daß der
Anmelder beobachtet hat, daß der
Modul des Polymermaterials abnimmt, wenn der Expansionsgrad dieses
Materials ansteigt, annäherungsweise
gemäß der folgenden
Formel: E2/E1 =
(ρ2/ρ1)2 worin:
E2 den Elastizitätsmodul des Polymers am höheren Expansionsgrad
darstellt;
E1 den Elastizitätsmodul
des Polymers am niedrigeren Expansionsgrad darstellt;
ρ2 die
Scheindichte des Polymers beim höheren
Expansionsgrad darstellt; und
ρ1 die
Scheindichte des Polymers beim geringeren Expansionsgrad darstellt.
-
Als
eine Richtlinie bringt für
ein Polymer mit einem Elastizitätsmodul
von ungefähr
1.000 MPa eine Variation im Expansionsgrad von 25 bis 100% eine
ungefähre
Halbierung des Werts des Elastizitätsmoduls für das Material mit sich. Polymermaterialien,
die ein hohes Elastizitätsmodul
besitzen, können
deshalb zu einem größeren Grad
zu Polymermaterialien mit niedrigeren Modulwerten expandiert werden,
oder daß dies
zu einem Vorurteil bezüglich
der Fähigkeit
der Beschichtung zum Widerstehen gegen Einwirkungen führt.
-
Eine
weitere Variable, die dazu neigt, die Einwirkungsstärke des
Kabels zu beeinflussen, ist die Dicke der expandierten Beschichtung;
die Minimumdicke, die die Einwirkungsstärke sicherstellen kann, die
mit solch einer Beschichtung zu erhalten gewünscht wird, wird hauptsächlich vom
Expansionsgrad und vom Elastizitätsmodul
dieses Polymer abhängen. Üblicherweise
hat der Anmelder beobachtet, daß für das gleiche
Polymer und für
den gleichen Expansionsgrad es durch Erhöhen der Dicke der expandierten
Schicht möglich
ist, höhere Werte
an Schlagfestigkeit zu erhalten. Jedoch, für den Zweck eine beschränkte Menge
an Beschichtungsmaterial zu verwenden, wodurch sowohl die Kosten
und die Dimensionen des Endprodukts vermindert werden, wird die
Dicke der Schicht expandierten Material vorteilhafterweise die Minimumdicke,
die zum Sicherstellen der gewünschten
Schlagfestigkeit benötigt
wird, sein. Insbesondere für
Kabel vom mittleren Spannungstyp wurde beobachtet, daß eine expandierte
Beschichtungsdicke von ungefähr
2 mm üblicherweise
einen genügenden
Widerstand gegenüber
normaler Einwirkung sicherstellen kann, denen ein Kabel dieses Typs
ausgesetzt ist. Vorzugsweise wird die Beschichtungsdicke größer als
0,5 mm, insbesondere zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 6 mm
sein, wobei eine Dicke von zwischen 2 mm und 4 mm besonders bevorzugt
ist.
-
Der
Anmelder hat beobachtet, daß es
möglich
ist, den Zusammenhäng
zwischen der Beschichtungsdicke und dem Expansionsgrad des Polymermaterials
bis zu einer vernünftigen
Annäherung
zu definieren für Materialien
mit verschiedenen Elastizitätsmodulwerten,
so daß die
Dicke der expandierten Beschichtung geeignet dimensioniert als Funktion
des Expansionsgrads und des Modus des Polymermaterials ist, insbesondere
für Dicken
der expandierten Beschichtung von ungefähr 2 bis 4 mm. Solch ein Zusammenhang
kann wie folgt ausgedrückt
werden: V × de ≥ Nworin
V
das Volumen des expandierten Polymermaterials pro Meter Kabel (m3/m) darstellt, wobei dieses Volumen relativ
zum kreisförmigen
Rand durch die Minimumdicke der expandierten Beschichtung definiert
ist, entsprechend dem kreisförmigen
Rand (10a) der 2 für multipolare Kabel, oder der
Beschichtung (10) wie für 3 für unipolare
Kabel definiert;
de die Scheindichte
gemessen für
das expandierte Polymermaterial darstellt (kg/m3);
und
N das Ergebnis des Produkts der zwei oben genannten Werte
ist, die sein müssen,
größer als
oder gleich:
0,03 für
Materialien mit einem Modul > 1.000
MPa,
0,04 für
Materialien mit einem Modul von 800–1.000 MPa,
0,05 für Materialien
mit einem Modul von 400–800
MPa,
0,06 für
Materialien mit einem Modul < 400
MPa.
-
Der
Parameter V ist mit der Dicke (S) der expandierten Beschichtung
durch die folgende Beziehung verbunden: V = π(2RixS + S2)worin
Ri den inneren Radius das kreisförmigen Randes
(10a) darstellt.
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Der
Parameter de ist mit dem Expansionsgrad des Polymermaterial durch
den vorherigen Zusammenhang verknüpft: G =
(d0/de – 1) × 100
-
Auf
Basis der oben genannten Beziehung wurde für eine expandierte Beschichtung
mit ungefähr
2 mm Dicke, angebracht auf einem kreisförmigen Ausschnitt eines Kabels
mit einem Durchmesser von ungefähr
22 mm, für
verschiedene Materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodi bei
Raumtemperatur (Mf) gefunden, daß diese Beschichtung eine minimale
Scheindichte haben muß von
ungefähr:
0,40
g/cm3 für
LDPE (Mf von ungefähr
200);
0,33 g/cm3 für eine 70/30 PP/EPR Mischung
(Mf von ungefähr
800);
0,26 g/cm3 für HDPE (Mf von ungefähr 1.000);
0,20
g/cm3 für
PP (Mf von ungefähr
1.500).
-
Diese
Werte der Scheindichte des expandierten Polymers entsprechen einem
maximalen Expansionsgrad von ungefähr:
130% für LDPE (d0 = 0,923);
180% für die PP/EPR Mischung (d0 = 0,890);
260% für HDPE (d0 =
0,945);
350% für
PP (d0 0,900).
-
Ähnlich werden
für eine
Dicke der expandierten Beschichtung von ungefähr 3 mm angebracht auf einem
Kabel von identischen Dimensionen die folgenden Werte der minimalen
Scheindichte erhalten:
0,25 g/cm3 für LDPE;
0,21
g/cm3 für
eine 70/30 PP/EPR Mischung;
0,17 g/cm3 für HDPE;
0,13
g/cm3 für
PP,
entsprechend einem maximalen Expansionsgrad von ungefähr:
2730%
für LDPE;
320%
für die
PP/EPR Mischung;
460% für
HDPEM
600% für
PP.
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Die
oben gezeigten Resultate veranschaulichen, daß, um die Einwirkungsstärke zu optimieren,
die Eigenschaften einer expandierten Beschichtung von vorherbestimmter
Dicke, sowohl der mechanischen Festigkeitseigenschaften des Materials
(insbesondere sein Elastizitätsmodul)
und der Expansionsgrad des Materials beachtet werden sollten. Jedoch
sollten die durch Anwenden der obigen Beziehung bestimmten Werte
nicht als einschränkend
für den
Bereich der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Insbesondere
kann der maximale Expansionsgrad von Polymeren, die Elastizitätsmodulwerte nahe
den oberen Grenzen der für
die Variation der Zahl N (d. h. 400, 800 und 1.000 MPa) definierten
Intervalle besitzen, in Wirklichkeit sogar größer als der gemäß der obigen
Beziehung berechnete sein; deshalb wird eine PP/EPR Schicht von
ungefähr
2 mm Dicke (mit Mf von ungefähr
800 MPa) immer noch den gewünschten
Schlagschutz selbst mit einem Expansionsgrad von ungefähr 200%
bereitstellen können.
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Das
Polymer wird üblicherweise
während
der Extrusionsphase expandiert; diese Expansion kann entweder chemisch
durch Addition einer geeigneten "Expansions"-Verbindung, d. h. eine, die ein Gas
unter definierter Temperatur und Druckbedingungen generieren kann,
oder physikalisch durch Injektion von Gas bei hohem Druck direkt
in den Extrusionszylinder stattfinden.
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Beispiele
geeigneter chemischer "Expander" sind Azodicarboamid,
Mischungen von organischen Säuren
(z. B. Zitronensäure)
mit Carbonaten und/oder Bicarbonaten (z. B. Natriumbicarbonat).
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Beispiele
von bei hohem Druck in den Extrusionszylinder injizierbaren Gasen
sind Stickstoff, Kohlendioxid, Luft und niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe
wie Propan und Butan.
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Der äußere Schutzmantel,
der die Schicht expandierten Polymers umhüllt, kann günstigerweise einer vom normalerweise
verwendeten Typ sein. Materialien für die äußere Beschichtung, die verwendet
werden können,
sind Polyethylen (PE), insbesondere PE mit mittlerer Dichte (MDPE)
und PE mit hoher Dichte (HDPE), Polyvinylchlorid (PVC), Mischungen
von Elastomeren und dergleichen. MDPE oder PVC wird vorzugsweise verwendet.
Typischerweise besitzt dieses Polymermaterial, das diesen äußeren Mantel
bildet, einen Elastizitätsmodul
von zwischen ungefähr
400 und ungefähr
1.200 MPa, vorzugsweise zwischen ungefähr 600 MPA und ungefähr 1.000
MPa.
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Der
Anmelder hat beobachtet, daß die
Gegenwart des äußeren Mantels
zum Bereitstellen der Beschichtung mit den gewünschten Schlagfestigkeitseigenschaften
beiträgt,
in Kombination mit der expandierten Beschichtung. Insbesondere hat
der Anmelder beobachtet, daß dieser
Beitrag des Mantels zur Schlagfestigkeit für die gleiche Stärke expandierter
Beschichtung ansteigt, wenn der Expansionsgrad des Polymers, das diese
expandierte Beschichtung bildet, ansteigt. Die Dicke dieses äußeren Mantels
ist vorzugsweise größer als
0,5 mm, insbesondere zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen
2 und 4 mm.
-
Die
Herstellung eines Kabels mit einer erfindungsgemäßen Schlagfestigkeit wird mit
Bezug auf das Kabelstrukturdiagramm der 2 beschrieben,
worin jedoch die zu beschichtenden sternförmigen Räume zwischen den Kernen nicht
direkt mit dem expandierten Polymer (10) sondern eher mit
einem üblichen
Füllmaterial
gefüllt
sind; die expandierte Beschichtung wird dann über dieses semiverarbeitete
Kabel extrudiert zur Bildung eines kreisförmigen Bandes (10a)
um dieses semiverarbeitete Kabel und wird anschließend mit
dem äußeren Polymermantel
(2) umhüllt.
Die Herstellung der Kabelkerne, d. h. die Anordnung des Leiters
(4), der inneren Halbleiterschicht (9), des Isolators
(5), der äußeren Halbleiterschicht
(8) und des Metallschirms, wird wie im Fachgebiet bekannt
durchgeführt,
z. B. durch Extrusion. Diese Kerne werden dann miteinander verbunden
und die sternförmigen
Räume mit
einem üblichen
Füllmaterial
gefüllt
(z. B. Elastomermischungen, Polypropylenfasern und dergleichen)
II typischerweise durch Extrusion des Füllmaterials über die
verbundenen Kerne, um ein semiverarbeitetes Kabel mit einem kreisförmigen Querschnitt
zu erhalten. Die Beschichtung des expandierten Polymers (10)
wird dann über
das Füllmaterial
extrudiert. Vorzugsweise wird das Mundstück des Extruderkopfes einen
Durchmesser geringfügig
kleiner als der Enddurchmesser des Kabels mit expandierter Beschichtung
besitzen, um das Polymer bis zur Außenseite des Extruders zu expandieren.
-
Es
wurde beobachtet, daß unter
identischen Extrusionsbedingungen (wie Drehgeschwindigkeit der Schraube,
Geschwindigkeit der Extrusionslinie, Durchmesser des Extruderkopfes
und dergleichen) die Extrusionstemperatur eine der Verfahrensvariablen
ist, die einen beträchtlichen.
-
Einfluß auf den
Expansionsgrad besitzt. Im allgemeinen ist es für Extrusionstemperaturen unter
160°C schwierig,
einen genügenden
Expansionsgrad zu erhalten; die Extrusionstemperatur ist vorzugsweise
mindestens 180°C,
insbesondere ungefähr
200°C. Üblicherweise
entspricht ein Anstieg der Extrusionstemperatur einem höheren Expansionsgrad.
-
Außerdem ist
es möglich,
bis zu einem gewissen Ausmaß den
Expansionsgrad des Polymers durch Ändern der Kühlrate zu kontrollieren, da
es durch angemessenes Verlangsamen oder Erhöhen der Kühlung des Polymers, das die
expandierte Beschichtung am Extruderauslaß bildet, möglich ist, den Expansionsgrad des
Polymers zu erhöhen
oder zu vermindern.
-
Wie
angeführt,
hat der Anmelder beobachtet, daß es
möglich
ist, quantitativ die Auswirkungen einer Einwirkung auf eine Kabelbeschichtung
durch Messen der Ablösestärke der
Kabelbeschichtungsschichten zu bestimmen, wobei Unterschiede zwischen
dem Durchschnittswert dieser Ablösestärke und
dem Wert gemessen am Einwirkungspunkt ausgewertet werden. Insbesondere
können
für Kabel
vom mittleren Spannungstyp mit einer Struktur umfassend eine innere
halbleitende Schicht, eine Isolationsschicht und eine äußere halbleitende
Schicht die Ablösestärke (und
der relative Unterschied) vorteilhafterweise zwischen der Schicht
des äußeren halbleitenden
Materials und der Isolationsschicht gemessen werden.
-
Der
Anmelder hat beobachtet, daß die
Auswirkungen der besonders schwerwiegenden Einwirkungen, denen ein
Kabel unterworfen werden kann, insbesondere ein bewehrtes Mittelspannungskabel,
durch einen Einwirkungstest auf Basis des französischen Standards HN 33-S-52
betreffend bewehrte Kabel für
Hochspannungs-Energieübertragung,
das eine Einwirkungsenergie auf das Kabel von ungefähr 72 Joule
(J) erlaubt, reproduziert werden kann.
-
Die
Ablösestärke der
Beschichtungsschicht kann gemäß dem französischen
Standard HN 33-S-52 gemessen werden, gemäß dem die benötigte anzuwendende
Kraft um die äußere halbleitende
Schicht von der Isolationsschicht gemessen wird. Der Anmelder hat
beobachtet, daß durch
kontinuierliches Messen dieser Kraft an den Punkten, an denen die
Einwirkung stattfindet, Kraftspitzen gemessen werden, die eine Variation in
der Kohäsionskraft
zwischen zwei Schichten veranschaulicht. Es wurde beobachtet, daß diese
Variationen üblicherweise
mit einem Abfall der Isolationskapazität der Beschichtung zusammenhängen. Die
Variation wird proportional größer werden,
je kleiner die Schlagfestigkeit ist, die durch die äußere Deckung
bereitgestellt wird (die im Fall der vorliegenden Erfindung aus
der expandierten Beschichtung und dem äußeren Mantel besteht). Die
Variationsgröße dieser
an den Einwirkungspunkten gemessenen Kraft relativ zum Durchschnittswert
gemessen entlang dem Kabel stellt deshalb eine Indikation des Schutzgrades,
bereitgestellt durch die Schutzbeschichtung, bereit. Im allgemeinen
werden Variationen in der Ablösestärke von
20 bis 25% relativ zum Durchschnittswert als akzeptabel angesehen.
-
Die
Eigenschaften der expandierten Beschichtung (Material, Expansionsgrad,
Dicke), die vorteilhafterweise miteinander mit einem geeigneten
schützenden äußeren Polymermantel
verwendet werden können, können gemäß dem Einwirkungsschutz,
welcher der darunter befindlichen Kabelstruktur verliehen werden
soll, ausgewählt
werden und auch abhängig
von den Eigenschaften des spezifischen Materials, das als Isolator und/oder
Halbleiter verwendet wird, wie Härte
des Materials und Dichte.
-
Wie
aus der vorliegenden Beschreibung entnommen werden kann, ist das
erfindungsgemäße Kabel besonders
geeignet, um übliche
bewehrte Kabel aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der expandierten Polymerbeschichtung
bezogen auf die Metallbewehrung zu ersetzen. Jedoch sollte ihre
Verwendung nicht auf solch eine bestimmte Anwendung eingeschränkt werden.
Als eine Tatsache kann das erfindungsgemäße Kabel vorteilhaft in all
den Anwendungen angewendet werden, worin ein Kabel mit verbesserten
Schlagfestigkeitseigenschaften wünschenswert
wäre. Insbesondere
kann das schlagfeste erfindungsgemäße Kabel übliche nicht bewehrte Kabel
in all denjenigen Anwendungen ersetzen, worin bis heute die Verwendung
bewehrter Kabel vorteilhaft gewesen wäre, aber aufgrund der Nachteile
der Metallbewehrung entmutigend war.
-
Einige
wenige veranschaulichende Beispiele werden nachstehend gegeben,
um die Erfindung weiter detailliert zu beschreiben.
-
Beispiel 1
-
Herstellung des Kabels mit expandierter
Beschichtung
-
Um
die Schlagfestigkeit einer erfindungsgemäßen expandierten Polymerbeschichtung
zu bestimmen, wurden verschiedene Teststücke hergestellt durch Extrudieren
variabler Dicken einiger weniger Polymere mit verschiedenen Expansionsgraden über einen
Kern, der zusammengesetzt war aus einem Vielfachdrahtleiter mit
ungefähr
14 mm Dicke beschichtet mit einer Schicht von 0,5 mm halbleitendem
Material, einer Schicht von 3 mm einer Isolationsmischung auf Basis
von EPR und einer weiteren Schicht von 0,5 mm "leicht entfernbarem" halbleitendem Material auf Basis von
EVA ergänzt
mit Ruß für eine Gesamtkerndicke
von ungefähr
22 mm.
-
Polyethylen
mit niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE),
Polypropylen (PP), eine 70/30 pro Gewicht mechanische Mischung von
LDPE und fein gepulvertem vulkanisierten natürlichen Kautschuk (Teilchengröße von 300
bis 600 μm)
(PE-Pulver), PP modifiziert mit EPR Gummi (PP-EPR als eine 70/30
Gewichtsmischung) wurden als zu expandierende Polymermaterialien
verwendet; diese Materialien sind im folgenden Text durch die Buchstaben
A bis E identifiziert und sind in der folgenden Tabelle detailliert
beschrieben:
| | Material | Markenname
und Hersteller | Modul
(MPa) |
| A | LDPE | Riblene
FL 30 – Enichem | 260 |
| B | HDPE | DGDK
3364 – Union
Carbide | 1.000 |
| C | PP | PF
814 – Montell | 1.600 |
| D | PP-EPR | FINA-PRO
36605 | 1.250 |
| E | PE/Pulver | Riblene
FL 30 | |
-
Das
Polymer wurde chemisch expandiert, wobei alternativ zwei verschiedene
Expansionsverbindungen (CE) verwendet wurden, wobei diese wie folgt
identifiziert werden:
| | Verbindung | Markenname
und Hersteller |
| CE1 | Azodicarboamid | Sarmapor
PO – Sarma |
| CE2 | Carbonsäurebicarbonat | Hydrocerol
CF 70 – Boehringer
Ingelheim |
-
Das
zu expandierende Polymer und die Expansionsverbindung wurden in
einen 80 mm 25 D Einzelschraubenextruder (Bandera) (in den in Tabelle
2 angegebenen Verhältnissen)
gefüllt;
dieser Extruder ist mit einer Gewindetransferschraube ausgestattet,
die durch eine Tiefe in der Endzone von 9,6 mm gekennzeichnet ist.
Das Extrusionssystem besteht aus einer männlichen Düse, die einen gleichmäßigen Durchgang
des zu beschichtenden Kern bereitstellen kann (üblicherweise mit einem Durchmesser,
der ungefähr
0,5 mm größer als der
Durchmesser des zu beschichtenden Kerns ist), und eine weibliche
Düse, worin
der Durchmesser so ausgewählt
ist, daß er
eine Größe von ungefähr 2 mm
weniger als der Durchmesser des Kabels mit der expandierten Beschichtung
hat; auf diese Weise expandiert das extrudierte Material eher beim
Heraustreten aus dem Extrusionskopf als innerhalb dieses Kopfes
oder innerhalb des Extruders. Die Durchgangsgeschwindigkeit des
zu beschichtenden Kerns (Geschwindigkeit der Extrusionslinie) wird
als eine Funktion der gewünschten
Dicke des expandierten Materials eingestellt (siehe Tabelle 2).
In einem Abstand von ungefähr
500 mm von dem Extrusionskopf befindet sich ein Kühlrohr (das
kaltes Wasser enthält),
um die Expansion zu beenden und das extrudierte Material abzukühlen. Das
Kabel wird dann auf eine Spule gewickelt.
-
Die
Zusammensetzung des Polymermaterials/Expansionsmischung und die
Extrusionsbedingungen (Geschwindigkeit, Temperatur) wurden geeignet
verändert,
wie in Tabelle 2 unten beschrieben. Tabelle 2 Expansionsmischung und Extrusionsbedingungen
| Kabe
1 Nr. | Material
+ % und Art des Expanders | Extrusionsgeschwindigkeit
(rev/min) | (1)Extrusions -temperatur (°C) | Liniengeschwindigkeit
(m/min) |
| 1 | A
+ 2% CE1 | 6,4 | 165 | 3 |
| 2 | A
+ 2% CE1 | 11,8 | 190–180 | 2 |
| 3 | A
+ 2% CE1 | 5,5 | 190–180 | 3 |
| 4 | A
+ 2% CE1 | 6,8 | 190–180 | 2 |
| 5 | A
+ 2% CE1 | 6,4 | 165 | 1,5 |
| 6 | A
+ 0,8% CE2 | 5,7 | 225–200 | 2 |
| 7 | C
+ 0,8% CE2 | 3,7 | 200 | 2 |
| 8 | C
+ 0,8% CE2 | 6,3 | 200 | 2 |
| 9 | E
+ 0,8% CE2 | 4,9 | 225–200 | 1,8 |
| 10 | B
+ 1,2% CE2 | 8,2 | 225–200 | 2 |
| 11 | D
+ 2% CE2 | 8 | 225–200 | 2 |
- (1): Die Extrusionstemperatur betrifft
den Zylinder und Extrusionskopf. Wenn lediglich ein Wert gegeben
ist, sind diese Temperaturen identisch. In der Anfangszone des Extruders
ist die Temperatur ungefähr
150°C.
-
Probe
1 wurde nicht expandiert, vermutlich da die Temperatur des Extruders
zu niedrig (165°C)
war, und ähnlich
expandierte aus dem gleichen Grund Probe 5 eingeschränkt (lediglich
5%).
-
Das
Kabel mit der expandierten Beschichtung wurde dann anschließend mit
einem üblichen
Mantel aus MDPE (CE 90 – Materie
Plastiche Bresciane) variabler Dicke (siehe Tabelle 3) durch übliche Extrusionsverfahren
beschichtet, wodurch Kabelproben mit den in Tabelle 3 definierten
Eigenschaften erhalten wurden; Kabel Nr. 1, in dem das Polymer nicht
expandierte, wurde als Vergleich einer nicht-expandierten Polymerbeschichtung
verwendet. Tabelle 3 gibt auch für
Vergleichszwecke die Eigenschaften eines Kabels, das die expandierte
Füllung
nicht besitzt und nur mit dem äußeren Mantel
beschichtet ist (Kabel Nr. 0), an. Tabelle 3 Eigenschaften der Beschichtung
| Kabel
Nr. | Expansionsgrad
der Füllung
(%) | Dicke
der Füllung
(mm) | Manteldicke
(mm) |
| 0 | - | 0 | 3 |
| 1 | 0 | 1 | 3 |
| 2 | 31 | 4,3 | 3 |
| 3 | 61 | 1 | 3 |
| 4 | 48 | 2,5 | 3 |
| 5 | 5 | 3 | 3 |
| 6 | 35 | 2 | 2 |
| 7 | 52 | 2 | 2 |
| 8 | 29 | 3 | 2,2 |
| 9 | 23 | 2,5 | 2 |
| 10 | 78 | 4 | 2 |
| 11 | 82 | 4 | 2 |
-
Auf
eine ähnliche
Weise wie die oben beschriebene unter Verwendung einer expandierten
Polymerbeschichtung mit einem Elastizitätsmodul von ungefähr 600 MPa
bestehend aus einem Polypropylen modifiziert mit ungefähr 30% eines
EPR Gummis, wurden weitere 6 Kabelproben hergestellt, wie in Tabelle
4 aufgeführt
(Beispiele 12 bis 17); Tabelle 4 gibt auch zwei Vergleichsbeispiele
von Kabeln mit expandierten Beschichtungen aber ohne den äußeren Mantel
(Beispiele 16a und 17a). Tabelle 4 Eigenschaften der Beschichtung
| Kabel
Nr. | Expansionsgrad
der Füllung
(%) | Dicke
der Füllung
(mm) | Manteldicke
(mm) |
| 12 | 71 | 3 | 1,9 |
| 13 | 22 | 2 | 2 |
| 14 | 167 | 3 | 1,8 |
| 15 | 124 | 2 | 2 |
| 16 | 56 | 2 | 2 |
| 16a | 56 | 2 | - |
| 17 | 84 | 2 | 2 |
| 17a | 84 | 2 | - |
-
Beispiel 2
-
Schlagfestigkeitstest
-
Um
die Schlagfestigkeit der gemäß Beispiel
1 hergestellten Kabel zu bestimmen, wurden Einwirkungsuntersuchungen
mit dem Kabel mit anschließender
Bestimmung des Schadens durchgeführt.
Die Wirkungen der Einwirkung wurden sowohl durch visuelle Analyse
des Kabels und durch Messung der Variation in der Ablösestärke der
Schicht aus halbleitendem Material am Einwirkungspunkt bestimmt.
Dieser Einwirkungstest basiert auf dem französischen Standard HN 33-S-52,
der eine Einwirkungsenergie auf das Kabel von ungefähr 72 Joule
(J) bereitstellt, die durch Fallenlassen eines 27 kg Gewichts aus
einer Höhe
von 27 cm erhalten wird. Für
den vorliegenden Test wurde solch eine Einwirkungsenergie durch
ein Gewicht von 8 kg, das aus einer Höhe von 97 cm fallengelassen
wurde, hergestellt. Das Einwirkungsende des Gewichts wird mit einem
Stempel mit V-Form und abgerundeten Ecken (1 mm Krümmungsradius)
bereitgestellt. Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung wurde die Einwirkungsstärke für eine einzelne
Einwirkung bestimmt. Für
Proben 6 bis 12 wurde der Test ein zweites Mal in einem Abstand
von ungefähr
100 mm von dem ersten wiederholt.
-
Die
Ablösestärke wurde
gemäß dem französischen
Standard HN 33-S-52 gemessen, gemäß dem die benötigte Kraft,
die angewendet werden muß,
um die äußere halbleitende
Schicht von der Isolationsschicht zu trennen, gemessen wird. Durch
kontinuierliches Messen dieser Kraft werden Kraftspitzen an den
Punkten gemessen, an denen die Einwirkung auftaucht. Für jedes
Teststück
wurde am Einwirkungspunkt eine "positive" Kraftspitze gemessen
entsprechend einem Anstieg in der Kraft (relativ zum Durchschnittswert),
die benötigt wird,
um die zwei Schichten zu trennen, und eine "negative" Kraftspitze (Abfall relativ zum Durchschnittswert). Aus
dem Unterschied zwischen dem Maximum (Fmax) und Minimum (Fmin) der
gemessen Kraftspitzen wird die maximale Abweichung in der Ablösestärke am Einwirkungspunkt
erhalten.
-
Die
Variation in der Ablösestärke wird
deshalb durch Bestimmen des Anteilsverhältnisses zwischen dem oben
genannten Unterschied (Fmax–Fmin)
und dem durchschnittlichen Ablösestärkewert
gemessen für das
Kabel (F<>) gemäß der folgenden
Beziehung berechnet: % Variation = 100 (Fmax–Fmin)/F<>
-
Die
Variationsgröße dieser
Kraft gemessen an den Einwirkungspunkten relativ zum Durchschnittswert gemessen
entlang dem Kabel ergibt deshalb einen Anhaltspunkt des Schutzgrads,
der durch die expandierte Beschichtung bereitgestellt wird. Im allgemeinen
werden Veränderungen
von bis zu 20 bis 25% als annehmbar angesehen. Tabelle 5 gibt die
Variationswerte in der Ablösestärke für Beispiele
0 bis 17a. Tabelle 5 % Variation in der Ablösestärke
| Kabel | 1.
Test | 2.
Test |
| 0 | 62 | 78 |
| 1 | 40 | - |
| 2 | 18 | - |
| 3 | 27 | - |
| 4 | 13 | - |
| 5 | 21 | - |
| 6 | 17 | 23 |
| 7 | 9 | 12 |
| 8 | 4 | 5 |
| 9 | 19 | 15 |
| 10 | 9,8 | 12,5 |
| 11 | 4,3 | 2,5 |
| 12 | 7 | 14 |
| 13 | 16 | 17 |
| 14 | 14 | 12 |
| 15 | 10 | 10 |
| 16 | 16 | 18 |
| 16a | 30 | 55 |
| 17 | 15,5 | 13 |
| 17a | 116 | 103 |
-
Wie
in Tabelle 3 zu sehen ist, ist für
Probe 1 (für
die keine Expansion erhalten wurde) die prozentuale Variation der
Ablösestärke extrem
hoch; dies weist darauf hin, daß eine
nicht-expandiertes Polymer eine entscheidend niedrigere Kapazität zum Absorbieren
von Einwirkungen als eine Schicht identischer Dicke des gleichen
Polymers, das expandiert ist, besitzt (siehe Beispiel 3 mit 61%
expandierter Beschichtung). Beispiel 3 zeigt eine Variation in der
Ablösestärke, die
wenig über
dem 25% Grenzwert ist; die limitierte Schlagfestigkeit, die durch
die Probe bereitgestellt wird, kann hauptsächlich der Dicke von nur 1
mm der expandierten Beschichtung, relativ zu den 2 bis 3 mm Dicken
der anderen Proben, zugeschrieben werden.
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Probe
5 mit einer expandierten Beschichtungsdicke von 3 mm hat einen hohen
Wert an Ablösestärke wegen
dem geringen Expansionsgrad des Polymers (5%), was die limitierte Schlagfestigkeit,
die durch eine Beschichtung mit einem niedrigen Expansionsgrad bereitgestellt
wird, demonstriert. Probe 4, obwohl sie eine Dicke an expandiertem
Material besitzt, die geringer als die von Probe 5 ist (2,5 mm im
Gegensatz zu 3 mm) besitzt trotzdem eine höhere Schlagfestigkeit mit einer
Variation in der Ablösestärke von
13%, verglichen mit 21% für
Probe 5, wodurch die Tatsache demonstriert wird, daß ein höherer Expansionsgrad
eine höhere Schlagfestigkeit
verleiht.
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Durch
Vergleich von Probe 13 mit Probe 15 wird gesehen, wie ein Anstieg
im Expansionsgrad des Polymers (von 22 bis 124%) für die gleiche
Dicke der Schicht expandierten Materials und des äußeren Mantels einen
Anstieg der Schlagfestigkeit der Beschichtung (von 16 bis 17% bis
10% Variation in der Ablösestärke) verleiht.
Dieser Trend wird durch Vergleich von Probe 16 mit Probe 17 bestätigt. Jedoch
kann durch Vergleichen von Proben 16a und 17a (ohne äußeren Mantel)
mit den entsprechenden Proben 16 und 17 gesehen werden, wie der
Beitrag, der durch den äußeren Mantel
bereitgestellt wird, gegen den Einwirkungsschutz ansteigt, wenn
der Expansionsgrad ansteigt.
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Beispiel 3
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Schlagfestigkeitsstärke-Vergleichstest mit bewehrtem
Kabel
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Kabel
Nr. 10 wurde gegenüber
einem üblichen
bewehrten Kabel untersucht, um die Schlagfestigkeitseffizienz der
expandierten Beschichtungsschicht zu bestätigen.
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Das
bewehrte Kabel hat den selben Kern wie Kabel Nr. 10 (d. h. ein Vielfachdrahtleiter
mit ungefähr 14
mm Dicke, beschichtet mit einer Schicht von 0,5 mm halbleitendem
Material, einer Schicht von 3 mm einer isolierenden Mischung auf
Basis von EPR und einer weiteren Schicht von 0,5 mm "leicht ablösbarem" halbleitenden Material
auf Basis von EVA ergänzt
mit Ruß,
für eine
Gesamtkerndicke von ungefähr
22 mm). Dieser Kern ist vom Inneren zum Äußeren des Kabels umgeben durch:
- a) eine Schicht Füllmaterial auf Gummibasis von
ungefähr
0,6 mm Dicke;
- b) einen Mantel aus PVC von ungefähr 0,6 mm Dicke;
- c) zwei bewehrte Stahlbänder
von jeweils ungefähr
0,5 mm Dicke;
- d) einen äußeren Mantel
aus MDPE von ungefähr
2 mm Dicke.
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Für den Vergleichsversuch
wurde eine dynamische Maschine vom "Fallgewichts"-Typ (CEAST, mod. 6758) verwendet. Zwei
Testsätze
wurden durchgeführt
durch Fallenlassen eines 11 kg Gewichts aus einer Höhe von 50
cm (Energieeinwirkung ungefähr
54 Joule) bzw. 20 cm (Energieeinwirkung ungefähr 21 Joule); das Gewicht wird
an seinem einwirkenden Ende mit einem halbsphärischen Kopf von ungefähr 10 mm
Radius bereitgestellt.
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Die
resultierende Deformation des Kabels ist in 4 und 5 (50
bzw. 20 cm Höhe)
gezeigt, worin das erfindungsgemäße Kabel
mit a) angedeutet wird, während
das übliche
bewehrte Kabel mit b) angedeutet wird.
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Die
Deformation des Kerns wurde gemessen, um die Schäden der Kabelstruktur zu bestimmen.
Tatsächlich
scheinen größere Deformationen
des halbleitenden-Isolations-halbleitenden Mantels eher elektrische Schäden in den
Isolationseigenschaften des Kabels zu verursachen. Die Resultate
sind in Tabelle 6 angeführt. Tabelle 6 % Abnahme der Dicke der halbleitenden
Schicht nach Einwirkung
| | im üblichen
bewehrten Kabel | in
Kabel Nr. 10 |
| 50
cm Höheneinwirkung | 41% | 26,5% |
| 20
cm Höheneinwirkung | 4,4% | 2,9% |
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Wie
aus den in Tabelle 6 gezeigten Resultaten offensichtlich, zeigt
das erfindungsgemäße Kabel
sogar bessere Schlagfestigkeitsleistungen als ein übliches
bewehrtes Kabel.