DE69814921T2

DE69814921T2 - Elektrisches kabel mit eine halbleitende wasserblockierende expandierte schicht

Info

Publication number: DE69814921T2
Application number: DE69814921T
Authority: DE
Inventors: Sergio Belli; Alberto Bareggi; Luigi Caimi; Luca Balconi
Original assignee: Pirelli SpA
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: WO1999033070A1; ES2200408T3; CN1142557C; HK1032141A1; HUP0100055A3; HUP0100055A2; HU223024B1; CN1306668A; JP2001527267A; PT1042763E; EP1042763A1; DE69814921D1; CA2315694A1; CA2315694C; EP1042763B1; DK1042763T3; ATE241204T1; US6455769B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel, insbesondere zur Mittel- oder Hochspannungsenergieübertragung oder -Ver-teilung, welches eine halbleitende, Wasser-blockierende expandierte Schicht aufweist. In der vorliegenden Beschreibung soll sich der Begriff "Mittelspannung" auf eine Spannung von ca. 1 bis ca. 30 kV beziehen, während sich der Begriff "Hochspannung" auf Spannungen oberhalb ca. 30 kV beziehen soll.
Kabel zur Mittel- oder Hochspannungsenergieübertragung oder -Verteilung bestehen ganz allgemein aus einem Metall-Leiter, der mit einer ersten inneren halbleitenden Schicht, einer Isolierschicht und einer äußeren halbleitenden Schicht überzogen ist. Für einige Anwendungen, insbesondere wenn das Kabel wasserdicht gegenüber außen sein soll, wird es in ein Metall-Schutzschild, gewöhnlich in ein Aluminium- oder Kupferschild aus einem kontinuierlichen Rohr, oder in eine Metallplatte eingeschlossen, die zu einem Rohr geformt und verschweißt oder versiegelt wird, um somit wasserdicht zu sein.
Während Herstellung, Installation oder Gebrauch können Brüche und Durchlöcherungen im Metallschild auftreten, welche ein Eindringen von Feuchtigkeit oder sogar von Wasser in den Kabelkern unter Bildung elektrochemischer Bäume in der Isolierschicht ermöglichen, was ein Isolierversagen verursachen kann.
Eine mögliche Lösung dieses Problems ist in US 4,145,567 angegeben. Ein Hochspannungskabel wird darin beschrieben, welches um die Außenseite der äußeren halbleitenden Schicht herum eine komprimierbare Schicht aus einem geschäumten Kunststoffmaterial aufweist, das verhindern sollte, dass Feuchtigkeit von außen die Isolierschicht erreicht, wodurch die Bildung elektrochemischer Bäume vermieden wird. Gemäß dieser Offenbarung hält das Metallschild vorzugsweise ein wenig Druck gegen die komprimierbare Schicht aufrecht, so dass keine Luft oder ein anderes fluides Medium entlang der Grenzfläche zwischen der komprimierbaren Schicht und dem Metallschild fließen können. Als weitere Sicherung gegen einen Durchgang von fluidem Medium entlang des Kabels kann das Metallschild an die komprimierbare Schicht gebunden sein. Die komprimierbare Schicht ist vorzugsweise halbleitend.
Brüche im Metallschild können durch die Wärmezyklen verursacht werden, denen das Kabel als Ergebnis der täglichen Schwankungen bei der Intensität des transportierten Stroms mit entsprechenden Schwankungen bei der Temperatur des Kabels von Raumtemperatur bis zur maximalen Betriebstemperatur (z. B. von 20 bis 90°C) ausgesetzt ist. Diese thermischen Zyklen verursachen eine Dehnung und anschließende Kontraktion der Überzugsschichten des Kabels, woraus Radialkräfte entstehen, die auf das Metallschild ausgeübt werden. Das Metallschild kann somit unter Bildung von Leerräumen zwischen dem Schild und der äußeren halbleitenden Schicht mechanisch deformiert werden, wodurch Uneinheitlichkeiten im elektrischen Feld entstehen können. Im äußersten Fall können diese Deformationen zum Bruch des Schildes, insbesondere wenn es geschweißt oder durch Versiegelungsmittel befestigt ist, und somit zum vollständigen Verlust der Funktionsweise des Schildes führen.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist in US 5,281,757 angegeben, wobei sich das Metallschild bezüglich der angrenzenden Schichten frei bewegt und die überlappenden Kantenbereiche mit einem Klebstoff zusammengebunden sind, wodurch es ermöglicht wird, dass sich die überlappenden Kantenbereiche relativ zueinander während des Wärmekreislaufs des Kabels bewegen. Eine Polsterungsschicht wie die in der obigen US 4,145,567 beschriebene kann zwischen dem Metallschild und dem Kabelkern angeordnet sein. Gegebenenfalls kann die Polsterungsschicht ein in Wasser quellbares Band oder Pulver anstatt eines geschäumten Kunststoffmaterials sein.
Gemäß den Erfahrungen der Anmelderin sind Kabelentwürfe wie die in US 4,145,567 und 5,281,757 beschriebenen nicht vollkommen zufriedenstellend. Erstens reicht das Vorliegen einer komprimierbaren Schicht zwischen Metallschild und Kabelkern, wie offenbart in US 4,145,567 , nicht aus, um das Eindringen und Weiterleiten von Feuchtigkeit oder Wasser entlang des Kabels wirkungsvoll zu vermeiden. Tatsächlich wird zur Erzielung eines wirkungsvollen Wasserblockiereffekts in US 5,281,757 vorgeschlagen, anstatt der komprimierbaren Schicht ein in Wasser quellbares Band oder Pulver einzusetzen. Allerdings würde die Einbringung eines in Wasser quellbaren Materials unter das Metallschild ernste elektrische Probleme hervorrufen. Tatsächlich übt das Metallschild, zusätzlich zur Erstellung einer Barriere gegen das Eindringen von Wasser und/oder Feuchtigkeit, wichtige elektrische Funktionen aus und muss in elektrischem Kontakt mit der äußeren halbleitenden Schicht stehen. Eine erste Funktion des Metallschildes ist es tatsächlich, ein einheitliches radiales elektrisches Feld im Inneren des Kabels zu erzeugen und gleichzeitig das elektrische Feld außerhalb des Kabels auszulöschen. Eine weitere Funktion ist es, Kurzschlussströme zu unterstützen.
Das Vorliegen eines isolierenden Materials wie eines in Wasser quellbaren Materials unter dem Metallschild vermag eine elektrische Kontinuität zwischen dem Kabelkern und dem Metallschild nicht zu gewährleisten. Ausserdem weist, aus der Sicht von Produktion und Handhabung, die Verwendung von in Wasser quellbaren Bändern oder von freien, in Wasser quellbaren Pulvern viele Nachteile auf. Insbesondere beinhaltet die Verwendung eines in Wasser quellbaren Bandes einen beachtlichen Kostenanstieg und ein Absinken bei der Produktivität, da diese Bänder teuer sind und die Zufügung einer Umhüllungsstufe zum Kabelherstellverfahren bedingen. Andererseits gestaltet das Vorliegen frei fließender, in Wasser quellbare Pulver Produktion und Installation des Kabels ziemlich aufwendig.
Schließlich sind Kabel im Stand der Technik bekannt, die so entworfen und konstruiert sind, dass der Effekt der Wärmezyklen auf das Metallschild verringert und gleichzeitig die Weiterleitung von Feuchtigkeit und/oder Wasser entlang des Kabels vermieden werden. Diese Kabel sind mit einer äußeren halbleitenden Schicht mit V-förmigen longitudinalen Nuten ausgerüstet, die mit einem in Wasser quellbaren Material in Pulverform befüllt sind. Die V-förmige Geometrie sollte einerseits den elektrischen Kontakt zwischen der halbleitenden Schicht und dem Metallschild sichern und andererseits zum Elastizitätsrückgewinn der thermischen Ausdehnungen durch das Material einen Beitrag leisten, das die halbleitende Schicht aufbaut.
Allerdings beinhaltet die Herstellung dieser longitudinalen Nuten die Verwendung einer halbleitenden Schicht hoher Dicke (von ca. 2 mm oder mehr), wodurch die Kosten und das Gesamtgewicht des Kabels steigen. Außerdem wird die gewünschte Geometrie der halbleitenden Schicht im Allgemeinen nur mit einem präzisen Extrusionsverfahren erzielt, bei welchem entsprechend genau konstruierte Matrizen angewandt werden. Auf der Grundlage der Erfahrungen der Anmelderin ist die Bildung von Nuten unregelmäßiger Geometrie, in der Praxis, während solch eines Extrusionsverfahrens nicht vermeidbar. Diese geometrischen Unregelmäßigkeiten können eine nicht-einheitliche Verteilung des auf das Metallschild ausgeübten Drucks entstehen lassen und es somit verhindern, dass die halbleitende Schicht ihre Funktion zur elastischen Absorption der Radialkräfte korrekt durchführt.
Daher vermögen die Kabel gemäß dem Stand der Technik nicht wirkungsvoll sowohl dem Problem einer Vermeidung des Eindringens und Weiterleitens von Feuchtigkeit und/oder Wasser im Inneren des Kabelkerns als auch dem Problem möglicher Deformationen oder Brüche des Metallschilds wegen der Wärmezyklen des Kabels zu begegnen, während ein sauberer elektrischer Kontakt zwischen Metallschild und Kabelkern aufrecht erhalten bleibt.
Die Anmelderin hat nun herausgefunden, dass die obigen Probleme wirkungsvoll gelöst werden, indem man, unter dem Metallschild, eine Schicht aus einem expandierten Polymermaterial einbringt, das Halbleiter-Eigenschaften aufweist und ein in Wasser quellbares Material einschießt. Diese Schicht weist die Befähigung auf, Radialkräfte von durch die Wärmezyklen erzeugten Expansionen und Kontraktionen, denen das Kabel beim Gebrauch ausgesetzt ist, elastisch und einheitlich zu absorbieren, wobei die notwendige elektrische Kontinuität zwischen dem Kabel und dem Metallschild sichergestellt bleibt. Außerdem vermag das Vorliegen des in Wasser quellbaren Materials, das in der expandierten Schicht dispergiert ist, Feuchtigkeit und/oder Wasser wirkungsvoll zu blockieren, und es wird somit die Verwendung von in Wasser quellbaren Bändern oder von freien, in Wasser quellbaren Pulvern vermieden.
In einer ersten Ausführungsform betrifft daher die vorliegende Erfindung ein Elektrokabel, das einen Leiter, mindestens eine Isolierschicht, ein äußeres Metallschild und eine Schicht aus einem expandierten Polymermaterial unter dem genannten Metallschild umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht aus dem expandierten Polymermaterial halbleitend ist und ein in Wasser quellbares Material einschließt.
Im Folgenden wird die "Schicht aus einem expandierten Polymermaterial" kurz und bündig als "expandierte Schicht" bezeichnet.
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen soll sich der Begriff "expandiertes Polymermaterial" auf ein Polymermaterial mit einem vorbestimmten Prozentsatz an "freiem" Raum innerhalb des Materials beziehen, d. h. auf einen Raum, der nicht vom Polymer, sondern von einem Gas und von Luft besetzt ist.
Im Allgemeinen wird der Prozentsatz an freiem Raum in einem expandierten Polymer als Expansionsgrad (G) ausgedrückt, der durch die folgende Formel definiert ist: G = (d0/de – 1) × 100, worin d₀ die Dichte des nicht-expandierten Polymers und de die auftretende Dichte, gemessen am expandierten Polymer, bezeichnen.
Der Expansionsgrad der expandierten Schicht kann bei der vorliegenden Erfindung in einem weiten Bereich schwanken, abhängig von sowohl dem eingesetzten spezifischen Polymermaterial als auch der Dicke des Überzugs, die angestrebt wird. Der Expansionsgrad wird so vorbestimmt, dass sichergestellt ist, dass die Radialkräfte thermischer Expansion und Kontraktion des Kabels elastisch absorbiert werden und gleichzeitig die halbleitenden Eigenschaften aufrecht erhalten bleiben. Im Allgemeinen kann der Expansionsgrad 5 bis 500 und vorzugsweise 10 bis 200 betragen.
Bezüglich der Dicke der expandierten Schicht ist diese gemäß der vorliegenden Erfindung gleich mindestens 0,1 mm; sie beträgt vorzugsweise 0,2 bis 2 und noch bevorzugter 0,3 bis 1 mm. Eine Dicke unterhalb 0,1 mm ist in der Praxis nur schwierig herzustellen und ermöglicht, in jedem Fall, eine nur eingeschränkte Kompensation von Verformungen, während eine Dicke oberhalb 2 mm, wobei dies prinzipiell keine funktionalen Nachteile bedeutet, angewandt werden kann, wenn spezifische Erfordernisse die erhöhten Kosten zu rechtfertigen vermögen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Elektrokabel gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine kompakte halbleitende Schicht zwischen dem Isolierüberzug und der expandierten Schicht.
Der Begriff "kompakte halbleitende Schicht" soll sich auf eine Schicht aus einem nicht-expandierten halbleitenden Material, d. h. auf ein Material mit einem Expansionsgrad von im Wesentlichen Null, beziehen.
Gemäß den Erkenntnissen der Anmelderin vermag diese kompakte halbleitende Schicht in vorteilhafter Weise die Funktion zu erfüllen, Teilentladungen und somit Schädigungen des Kabels zu verhindern, die durch Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Grenzfläche zwischen dem Isolierüberzug und der expandierten Schicht verursacht werden. Diese Funktion kann sogar mit einer sehr dünnen halbleitenden Schicht, nämlich einer mit ca. 0,1 mm oder sogar weniger, erfüllt werden. Allerdings ist, aus auf die Praxis bezogener Sicht, eine Dicke von 0,2 bis 1 mm bevorzugt, und sie beträgt noch bevorzugter 0,2 bis 0,5 mm.
Wie oben gesagt, schließt die expandierte Schicht ein in Wasser quellbares Material ein. Wie durch die von der Anmelderin durchgeführten Tests dargelegt, vermag die expandierte Schicht große Mengen von in Wasser quellbarem Material aufzunehmen, und das eingebrachte in Wasser quellbare Material ist zur Expansion befähigt, wenn die expandierte Schicht in Kontakt mit Feuchtigkeit oder Wasser gebracht wird, wodurch in wirkungsvoller Weise ihre Wasserblockierfunktion bewerkstelligt wird.
Das in Wasser quellbare Material liegt im Allgemeinen in zerteilter Form, insbesondere in Pulverform, vor. Die Partikel aus dem in Wasser quellbaren Pulver weisen vorzugsweise einen Durchmesser von nicht größer als 250 μm und einen Durchschnittsdurchmesser von 10 bis 100 μm auf. Bevorzugter beträgt die Menge der Partikel mit einem Durchmesser von 10 bis 50 μm mindestens 50 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Pulvers.
Das in Wasser quellbare Material besteht im Allgemeinen aus Homo- oder Copolymeren mit hydrophilen Gruppen an der Polymerkette, z. B.: aus vernetzter und zumindest teilweiser in die Salzform überführter, bzw. neutralisierter Polyacrylsäure (z. B. aus den Produkten Cabloc^® von C. F. Stockhausen GmbH oder Waterlock^® von Grain Processing Co.), aus Stärke oder Derivaten davon, gemischt mit Copolymeren aus Acrylamid mit Natriumacrylat (z. B. aus den Produkten SGP Absorbent Polymer^® von Henkel AG) und aus Natriumcarboxymethylcellulose (z. B. den Produkten Blanose^® von Hercules Inc.).
Zur Erzielung einer effektiven Wasserblockierwirkung beträgt die Menge des in Wasser quellbaren Materials, die in die expandierte Schicht einzubringen ist, im Allgemeinen 5 bis 120 und vorzugsweise 15 bis 80 phr (phr = Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gew. Teile Basispolymer).
1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgetaltung eines Elektrokabels gemäß der vorliegenden Erfindung vom unipolaren Typ zur Übertragung einer mittleren Spannungsenergie.
Dieses Kabel umfasst einen Leiter (1), eine innere halbleitende Schicht (2), eine Isolierschicht (3), eine kompakte halbleitende Schicht (4), eine expandierte Schicht (5), ein Metall-Schutzschild (6) und einen Aussenschaft (7).
Der Leiter (1) besteht ganz allgemein aus Metalldrähten, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, welche unter Anwendung herkömmlicher technischer Verfahrensweisen zusammen als Litzen ausgebildet sind. Das Metall-Schutzschild (6), das gewöhnlich aus Aluminium oder Kupfer oder auch aus Blei hergestellt ist, besteht aus einem kontinuierlichen Metallrohr oder aus einer Metallplatte, die zu einem Rohr geformt und verschweißt oder mit einem Klebematerial versiegelt ist, um sie wasserdicht zu machen. Das Metall-Schutzschild (6) ist gewöhnlich mit einem Aussenschaft (7) überzogen, der aus einem vernetzten oder nicht-vernetzten Polymermaterial, z. B. aus Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylen (PE), besteht.
Das Polymermaterial, aus dem die expandierte Schicht aufgebaut ist, kann jeder Typ eines expandierbaren Polymers sein, wie z. B.: Polyolefine, Copolymere unterschiedlicher Olefine, Copolymere eines Olefins mit einem Ethylen sich ungesättigten Ester, Polyester, Polycarbonate, Polysulfone, Phenol-Harze, Harnstoff-Harze und Mischungen davon. Beispiele von geeigneten Polymeren sind: Polyethylen (PE), insbesondere PE niedriger Dichte (LDPE), PE mittlerer Dichte (MDPE), PE hoher Dichte (HDPE), lineares PE niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen ultra-niedriger Dichte (ULDPE), Polypropylen (PP), elastomere Etehylen/Propylen-Copolymere (EPR) oder Ethylen/Propylen/Dien-Terpolymere (EPDM), Naturgummi, Butylgummi, Ethylen/Vinylester-Copolymere, z. B. Ethylen/Vinylacetat (EVA), Ethylen/Acrylat-Copolymere, insbesondere Ethylen/Methylacrylat (EMA), Ethylen/Ethylacrylat (EEA) und Ethylen/Butylacrylat (EBA), Ethylen/α-Olefin-Thermoplast-Copolymere, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Harze, halogenierte Polymere, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PUR), Polyamide, aromatische Polyester, wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT), und Copolymere davon oder mechanische Mischungen davon.
Vorzugsweise ist das Polymermaterial ein Polyolefinpolymer oder -copolymer auf Basis von Ethylen und/oder Propylen, und es ist insbesondere ausgewählt aus:

(a) Copolymeren von Ethylen mit einem ethylenisch ungesättigten Ester, z. B. Vinyl- oder Butylacetat, worin die Menge des ungesättigten Esters im Allgemeinen 5 bis 80 und vorzugsweise 10 bis 50 Gew.% beträgt,
(b) elastomeren Copolymeren von Ethylen mit mindestens einem C_3-12-α-Olefin und gegebenenfalls einem Dien, vorzugsweise aus Ethylen/Propylen (EPR)- oder Ethylen/Propylen/Dien (EPDM)-Copolymeren, die im Allgemeinen die folgende Zusammensetzung aufweisen: 35–90 Mol% Ethylen, 10–65 Mol% α-Olefin, 0 bis 10 Mol% Dien (z. B. 1,4-Hexadien oder 5-Ethyliden-2-norbornen),
(c) Copolymeren von Ethylen mit mindestens einem C_4-12-?-Olefin, vorzugsweise 1-Hexen, 1-Octen und dgl., und gegebenenfalls einem Dien, welche im allgemeinen eine Dichte von 0,86 bis 0,90 g/cm³ und die folgende Zusammensetzung aufweisen: 75 bis 97 Mol% Ethylen, 3 bis 25 Mol% α-Olefin, 0 bis 5 Mol% Dien,
(d) Polypropylen, modifiziert mit Ethylen/C_3-12-α-Olefin-Copolymeren, worin das Gewichtsverhältnis zwischen Polypropylen und Ethylen/C_3-12-?-Olefin-Copolymer 90/10 bis 10/90 und vorzugsweise 80/20 bis 20/80 beträgt.

Beispielsweise gehören die Handelsprodukte Elvax^® (Du Pont), Levapren^® (Bayer) und Lotryl^® (Elf-Atochem) zur Klasse (a), die Produkte Dutral^® (Enichem) oder Nordel ® (Dow-Du Pont) gehören zur Klasse (b), Produkte, die zur Klasse (c) gehören, sind Engage^® (Dow-Du Pont) oder Exact^® (Exxon), während das mit Ethylen/α-Olefin-Copolymeren modifizierte Polypropylen im Handel unter den Markennamen Moplen^® oder Hiflax ^® (Montell) oder auch Fina-Pro^® (Fina) erhältlich ist.
Innerhalb der Klasse (d) sind thermoplastische Elastomere besonders bevorzugt, welche eine kontinuierliche Matrix aus einem thermoplastischen Polymer, z. B. aus Polypropylen, und Feinpartikel (im Allgemeinen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 bis 10 μm) eines gehärteten elastomeren Polymers, z. B. aus vernetztem EPR oder EPDM, umfassen, die in der thermoplastischen Matrix dispergiert sind. Das elastomere Polymer kann in die thermoplastische Matrix im ungehärteten Zustand eingebracht und dann dynamisch bei der Verarbeitung durch Zugabe einer geeigneten Menge eines Vernetzungsmittels vernetzt werden. Alternativ dazu, kann das elastomere Polymer getrennt gehärtet und dann in der thermoplastischen Matrix in der Form von Feinpartikeln dispergiert werden. Thermoplastische Elastomere dieses Typs sind z. B. in US 4,104,210 oder EP 324,430 beschrieben. Diese thermoplastischen Elastomeren sind bevorzugt, da sie sich als besonders wirkungsvoll erwiesen haben, die Radialkräfte während der Wärmezyklen des Kabels im gesamten Bereich der Arbeitstemperaturen elastisch zu absorbieren.
Produkte, die im Stand der Technik zur Herstellung halbleitfähiger Polymerzusammensetzungen bekannt sind, können verwendet werden, um dem Polymermaterial die halbleitfähigen Eigenschaften zu verleihen. Insbesondere kann ein elektroleitfähiger Kohlenstoffruß verwendet werden, z. B. elektroleitfähiger Ofen- oder Acetylenruß. Die Oberflächenfläche des Koh lenstoffrußes ist im Allgemeinen größer als 20 m²/g und beträgt gewöhnlich 40 bis 500 m²/g. In vorteilhafter Weise kann ein hoch-leitender Kohlenstoffruß verwendet werden, der eine Oberflächenfläche von mindestens 900 m²/g aufweist, wie z. B. Ofen-Kohlenstoffruß, der im Handel unter dem Handelsnamen Ketjenblack^® EC (Akzo Chemie NV) bekannt ist.
Die Menge an Kohlenstoffruß, die zur Polymermatrix gegeben wird, kann in Abhängigkeit vom eingesetzten Typ des Polymers und Kohlenstoffrußes, vom Expansionsgrad, der angestrebt wird, vom Expandiermittel usw. schwanken. Die Menge des Kohlenstoffrußes muss somit so groß sein, dass das expandierte Material hinreichende halbleitfähige Eigenschaften aufweist, um insbesondere einen volumetrischen Widerstandswert für das expandierte Material bei Raumtemperatur von weniger als 500 und vorzugsweise von weniger als 20 Ω × m zu erzielen. In typischer weise kann die Menge des Kohlenstoffrußes 1 bis 50 und vorzugsweise 3 bis 30 Gew.% betragen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymers.
Die kompakte halbleitfähige Schicht, die gegebenenfalls zwischen dem Isolierüberzug und der expandierten Schicht vorhanden ist und vorliegt, sowie die innere halbleitfähige Schicht, die beide kompakt sind, werden gemäß bekannten Verfahrenstechniken, insbesondere durch Extrusion des Polymermaterials und des Kohlenstoffrußes, welche aus den oben genannten für die expandierte Schicht ausgewählt sind, hergestellt.
Die Isolierschicht wird vorzugsweise durch Extrusion von Polyolefin hergestellt, das aus den oben genannten für die expandierte Schicht, insbesondere aus Polyethylen, Polypropylen und aus Ethylen/Propylen-Copolymeren, ausgewählt ist. Nach der Extrusion wird das Material vorzugsweise mit bekannten Verfahrenstechniken, z. B. unter Verwendung von Peroxiden oder über Silane, vernetzt.
Die expandierte Schicht kann durch Extrusion des Polymermaterials, das den halbleitfähigen Füllstoff und das Wasserblockiermaterial enthält, auf den Kern des Kabels, d. h. durch den Zusammenbau des Leiters (1), der inneren halbleitfähigen Schicht (2), der Isolierschicht (3) und der gegebenenfalls vorliegenden kompakten halbleitfähigen Schicht (6), hergestellt werden. Der Kabelkern selbst kann ebenfalls durch Extrusion, insbesondere durch Coextrusion der drei Schichten, gemäß bekannten Verfahrenstechniken hergestellt werden.
Das Polymermaterial kann mit dem halbleitfähigen Füllstoff, dem in Wasser quellbaren Material und weiteren gegebenenfalls zuzufügenden her kömmlichen Additiven gemäß im Stand der Technik bekannten Verfahren vermischt werden. Die Vermischung kann z. B. mit einem internen Mischer des Typs mit Tangentialrotoren (Banbury) oder mit interpenetrierenden Rotoren oder, alternativ dazu, in kontinuierlichen Mischern wie denen des Typs Co-Kneter (Buss) oder des Typs mit co- oder gegen-rotierenden Doppelschrauben durchgeführt werden.
Die Expansion des Polymers wird im Normalfall während der Extrusionsphase durchgeführt. Diese Expansion kann entweder chemisch durch Zugabe eines geeigneten Expandiermittels, d. h. von einem mit der Befähigung zur Entwicklung eines Gases unter spezifischen Temperatur- und Druckbedingungen, oder, alternativ dazu, physikalisch durch Hochdruckeinspritzung von Gas direkt in den Extruderzylinder erfolgen. Das Expandiermittel wird vorzugsweise zum Polymermaterial nur nach der Zugabe der oben beschriebenen Füllstoffe und weiterer Additive und nach einer anschließenden Abkühlung der Mischung unter die Zersetzungstemperatur oder in vorteilhafter Weise zur Polymerzusammensetzung während der Extrusion, z. B. durch den Extruder-Silo, gegeben.
Beispiele geeigneter Expandiermittel sind: Azodicarbamid, p-Toluolsulfonylhydrazid, Mischungen organischer Suren (z. B. von Zitronensäure) mit Carbonaten und/oder Bidarbonaten (z. B. mit Natriumbicarbonat).
Beispiele der Gase, die bei hohem Druck in den Extruderzylinder gespritzt werden, sind: Stickstoff, Kohlendioxid, Luft, niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe, z. B. Propan oder Butan, halogenierte Kohlenwasserstoffe, z. B. Methylenchlorid, Trichlorfluormethan, 1-Chlor-1,1-difluorethan, oder Mischungen davon.
Vorzugsweise weist die Matrize im Extruderkopf einen Durchmesser auf, der geringfügig kleiner als der Enddurchmesser des Kabels mit expandiertem Überzug, der angestrebt wird, ist, so dass durch Expansion des Polymers ausserhalb des Extruders ermöglicht wird, dass der gewünschte Durchmesser für das Kabel erreicht wird.
Die ausgewählte Extrusionstemperatur hängt hauptsächlich von der Natur der Polymermatrix, des Expandiermittels und des gewünschten Expansionsgrades ab. Gewöhnlich ist eine Extrusionstemperatur von nicht unter 140°C zur Erzielung eines hinreichenden Expansionsgrades bevorzugt.
Das expandierte Polymermaterial kann vernetzt sein oder nicht. Die Vernetzung kann nach den Extrusions- und Expansionsphasen mit bekannten Verfahrenstechniken, insbesondere durch Erhitzen in der Gegenwart eines radikalischen Initiators, z. B. eines organischen Peroxids wie von Dicumylperoxid, durchgeführt werden. Alternativ dazu, kann eine Vernetzung über Silane durchgeführt werden, welche die Verwendung eines Polymers wie der oben genannten, insbesondere eines Polyolefins, an das Silan-Einheiten mit mindestens einer hydrolysierbaren Gruppe, z. B. mit Trialkoxysilangruppen, insbesondere Trimethoxysilangruppen, kovalent gebunden sind, ermöglicht. Die Pfropfung der Silan-Einheiten kann durch radikalische Reaktion mit Silanverbindungen, z. B. mit Methyltriethoxy-silan, Dimethyldiethoxysilan und mit Vinyldimethoxysilan, erfolgen. Die Vernetzung wird in der Gegenwart von Wasser und einem Vernetzungskatalysator, z. B. von einem organischen Titanat oder einem Metallcarboxylat, durchgeführt. Diebutylzinndilaurat (DBTL) ist besonders bevorzugt.
Sobald die expandierte Schicht hergestellt ist, wird das Kabel im Metall-Schutzschild eingeschlossen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist, in der Abwesenheit angelegter Kräfte, der Durchmesser der expandierten Schicht größer als der Innendurchmesser des Metall-Schilds, um so, nach Anbringen des Metallschilds, einen vorbestimmten Vorkompressionsgrad der expandierten Schicht zu erhalten. Durch diese Vorkompression wird es ermöglicht, einen optimalen Kontakt zwischen der expandierten Schicht und dem Metallschild zu erzielen, und es wird dadurch auch ermöglicht, jegliche Restdeformation der expandierten Schicht oder einen sonstigen bestimmten plastischen Verformungsgrad des Metallschilds während der Phase der thermischen Kontraktion der Isolierschicht zurückzugewinnen.
Gegebenenfalls kann das Metall-Schutzschild mit einem Schutzschaft überzogen werden, der beispielsweise durch Extrusion eines Polymermaterials, gewöhnlich aus Polyvinylchlorid oder Polyethylen, erhältlich ist.
Einige Ausführungsbeispiele werden nun dargelegt, um die Erfindung noch weiter zu beschreiben.
Beispiele 1 und 2
Einige Mischungen, die sich gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bildung der expandierten Schicht eignen, wurden hergestellt. Die Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 (in phr) angegeben. Die Komponenten der Mischung wurden in einem geschlossenen Banbury-Mischer (1,2 L Arbeitsvolumen) vermischt, wobei zuerst das Basispolymer, dann, nach einer kurzen Verarbeitungsdauer, der Kohlenstoffruß, das in Wasser quellbare Pulver und die weiteren Additive (ausgenommen das Expandiermittel) eingebracht und zugegeben wurden.
Die Vermischung wurde ca. 6 min lang bei einer Endtemperatur für das entnommene Material von ca. 150°C durchgeführt. Am Ende der Vermischung wurde das Expandiermittel zur Mischung gegeben, wobei das Material zuvor auf ca. 100°C zur Vermeidung einer vorzeitigen Zersetzung des Expandiermittels abgekühlt wurde, was andernfalls zur ungesteuerten Expansion des Polymers führen würde. Die Mischung wurde dann unter Kompression bei 160°C in einem Rahmengestell von 200 × 200 mm und 3 mm Dicke geformt. Die Mischung wurde in solchen Mengen zugegeben, um eine 1 mm dicke Anfangsschicht zu erhalten, um so genügend Raum für das Polymer zur Expansion übrig zu lassen. Die folgenden Eigenschaften wurden an den so erhaltenen Teststücken gemessen:

– auftretende Dichte, worauf, bei Kenntnis der Dichte des nicht-expandierten Materials, der Expansionsgrad gemäß der oben angegebenen Formel berechnet wurde,
– Volumenwiderstand bei Raumtemperatur.

Die Daten sind in Tabelle 1 angegeben.
Einige Proben wurden in Wasser gegeben: sofortige Expansion des in Wasser quellbaren Pulvers bis zu einem Volumen von ca. dem 3-Fachen des Anfangsvolumens wurde festgestellt.
Beispiel 3
Ein Mittelspannungskabel wurde mit der Polymerzusammensetzung von Beispiel 1 gemäß dem in 1 dargestellten Strukturschema erzeugt. Die Polymerzusammensetzung wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt, aber ohne Zugabe des Expandiermittels, um die vorzeitige Expansion der Zusammensetzung zu vermeiden. Das Expandiermittel wurde nur während der Extrusion zugeführt, wie im Folgenden beschrieben.
Der Kabelkern, auf dem die expandierte Schicht abgeschieden wurde, bestand aus einem Aluminium-Leiter von 70 mm²/g Querschnitt, der mit den folgenden Schichten überzogen wurde, die über Peroxid auf einer Kettenlinie vernetzt wurden:

– einer inneren halbleitfähigen Schicht aus EPR, enthaltend Kohlenstoffruß (0,5 mm dick);
– einer Isolierschicht aus EPR, gefüllt mit Kaolin (5,5 mm dick);
– einer äußeren halbleitfähigen Schicht (kompakt) aus EVA, enthaltend 35 Gew.% N472-Kohlenstoffru0 (0,5 mm dick).

Zur Abscheidung der expandierten Schicht auf diesem Kabelkern (mit einem Außendurchmesser von ca. 23 mm) wurde ein 80 mm Einzelschrauben extruder in Konfiguration 25 D angewandt. Der Extruder war mit einem Anfangsquerschnitt des Zylinders mit Längsrillen, einer Einspeisöffnung vom Kasten-Typ und einer gewundenen Austragschraube 25 D der Länge nach ausgestattet. Die Tiefe der Schraubennut betrug 9,6 mm in der Nachschub-zone und 7,2 mm im Endabschnitt für ein Gesamt-Schraubenkompressionsverhältnis von ca. 1 : 1,33.
Ein elektrisch beheizter Orthogonal-Extrusionskopf, ausgerüstet mit einem Förderband mit einer Doppel-Nahtlinie, wurde stromabwärts vom Extruder angewandt. Der folgende Matrizenaufbau wurde angewandt: Spitzen-Matrize mit 24 mm Durchmesser, Ringkompressionsmatrize mit einem Durchmesser von 1 mm größer als der Durchmesser des zu überziehenden Kerns. Die Ring-Matrize wurde andererseits mit einem Durchmesser gewählt, der geringfügig kleiner als der zu erhaltende Enddurchmesser war, um so das Material daran zu hindern, innerhalb des Extrusionskopfes zu expandieren.
Das folgende Hitzeprofil (°C) wurde für den Extruder und den Extrusionskopf angewandt:
Die Durchsatzgeschwindigkeit des zu überziehenden Kerns wurde als Funktion der gewünschten Dicke des expandierten Materials festgelegt. Im vorliegenden Fall wurde eine Liniengeschwindigkeit von 1,2 m/min angewandt. Unter diesen Bedingungen wurden die folgenden Extrusionsparameter aufgenommen:
Extruderrotationsgeschwindigkeit: 1,2 Upm
Heißer halbfertiger Durchmesser: 25,0 mm
Kalter halbfertiger Durchmesser: 24,8 mm
Das halbfertige Produkt wurde an Luft gekühlt. Ein direkter Kontakt mit Kühlwasser wurde vermieden, um so Problemen einer zufälligen Rückquellung des Wasserblockierpulvers zu begegnen. Das erhaltene halbfertige Produkt wurde anschließend auf einer Spule aufgewickelt.
Das Material wurde auf dem Kern in einer Dicke von ca. 1 mm abgeschieden. Dieses Material wurde chemisch durch Zugabe von ca. 2% des Expandiermittels Hydrocerol^® CF70 (Carbonsäure + Natriumbicarbonat) in den Extruder-Silo expandiert.
Die elektrische Leitfähigkeit und der Ausdehnungsgrad wurden an Proben der so erhaltenen expandierten Schicht gemessen. Der gemessene Ausdehnungsgrad betrug ca. 20%.
Expansionstests des Materials in der Gegenwart von Wasser (Wasserblockiereffekt) wurden ebenfalls durchgeführt: das Material guoll, durch die Gegenwart des in Wasser quellbaren Pulvers, auf ein Volumen von ca. dem 3-Fachen des Anfangsvolumens auf.
Beispiel 4
Ein thermoplastisches Elastomer wurde als Basismaterial eingesetzt, um gemäß der vorliegenden Erfindung eine expandierte Schicht zu erzeugen. Die Zusammensetzung ist in Tabelle 1 angegeben (ausgenommen das Expandiermittel, das nur während der Extrusion zugefügt wurde). Die Vermischung erfolgte im gleichen Banbury-Mischer wie in den Beispielen 1 und 2 mit einer Mischzeit von ca. 10 min und einer Endtemperatur für das entnommene Material von ca. 195°C. Nach der Vermischung wurde das Material granuliert und in Kunststoffbeuteln versiegelt, um eine Absorption von Feuchtigkeit zu vermeiden.
Beispiel 5
Ein Mittelspannungskabel wurde mit der Polymerzusammensetzung des Beispiels 4 gemäß dem in 1 dargestellten Strukturschema erzeugt. Der Kabelkern bestand aus einem Aluminium-Leiter mit einem Querschnitt vom 150 mm² und einem Durchmesser von 14,0 mm, welcher mit den folgenden Schichten überzogen wurde, die über Peroxid auf einer Kettenlinie vernetzt wurden:
einer inneren halbleitfähigen Schicht: Produkt LE 0595 von Borealis (0,6 mm dick);

– einer Isolierschicht aus XLPE (4,65 mm dick);
– einer äußeren halbleitfähigen Schicht (kompakt): Produkt LE 0595 von Borealis (0,4 mm dick).

Die expandierte Schicht wurde auf diesem Kern (mit einem Außendurchmesser von ca. 25,3 mm) durch Extrusion gemäß der in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrenstechnik in einem 30 mm Einzelschraubenextruder in Konfiguration 4 D, mit einer Spitzen-Matrize von 25,7 mm Durchmesser und einer Ringkompressionsmatrize von 26,1 mm Durchmesser, mit dem folgenden Hitzeprofil (°C) abgeschieden:
Das Expandiermittel wurde bei der Extrusion über den Extruder-Silo zugefügt. Die Liniengeschwindigkeit betrug 2,9 mm/min bei einer Schraubengeschwindigkeit von 56 Upm. Die Dicke der expandierten Schicht nach der Extrusion und Abkühlung betrug 0,65 mm.
Das so erhaltene Kabel wurde dann in einem lackierten Aluminiumstip (Dicke: 0,2 mm) unter Verwendung eines Klebstoffs eingewickelt, um die überlappenden Kanten zu binden. Gegebenenfalls wurde ein Aussenschaft aus PVC durch Extrusion aufgebracht.
Zwei Teilstücke von 3 m des Endkabels wurden einem Eindringtest von Wasser unter Wärmezyklen gemäß der Spezifikation NF C 33–233 vom März 1998 unterzogen. Nach Entfernen des Zentralteils (Länge: 50 mm) des Außenüberzugs zur Freilegung der äußeren halbleitfähigen Schicht (4) wurden die Kabelspezimen im Wasser getaucht und bei Raumtemperatur 24 h lang gehalten, worauf sie jeweils 10 Wärmezyklen 8 h lang unterzogen wurden (4 h lang Erhitzen auf 100°C durch elektrischen Stromkreislauf entlang des Leiters, dann 4 h lang Abkühlung). Am Ende des Tests war Wasser durch die Schnittstellen über 20 cm auf der einen Seite und von 25 cm auf der anderen Seite eingedrungen, und dies lag weitgehend innerhalb der Bedingungen der Spezifikation (kein Wasser soll aus den Kabelspezimen-Extremitäten austreten). Tabelle 1

Claims

Elektrisches Kabel, umfassend einen Leiter, mindestens eine Isolierschicht, ein äußeres Schutzschild aus Metall und eine Schicht aus expandiertem Polymermaterial, angeordnet unter dem genannten Metall-Schutzschild, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des expandierten Polymermaterials halbleitend ist und ein in Wasser quellbares Material einschließt.
Kabel gemäß Anspruch 1, worin die expandierte Schicht einen vorbestimmten Expansionsgrad aufweist, um so eine elastische Absorption der Radialkräfte der Wärmeexpansion und -kontraktion des Kabels zu gewährleisten und die halbleitenden Eigenschaften aufrecht zu erhalten.
Kabel gemäß Anspruch 2, worin der Expansionsgrad der expandierten Schicht 5 bis 500 beträgt.
Kabel gemäß Anspruch 3, worin der Expansionsgrad der expandierten Schicht 10 bis 200 beträgt.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Dicke der expandierten Schicht mindestens 0,1 mm beträgt.
Kabel gemäß Anspruch 5, worin die Dicke der expandierten Schicht 0,2 bis 2 mm beträgt.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend eine kompakte halbleitende Schicht, die zwischen dem Isolierüberzug und der expandierten Schicht angeordnet ist.
Kabel gemäß Anspruch 7, worin die kompakte halbleitende Schicht eine Dicke von 0,1 bis 1 mm aufweist.
Kabel gemäß Anspruch 8, worin die kompakte halbleitende Schicht eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm aufweist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das in Wasser quellbare Material in der Form eines Pulvers vorliegt.
Kabel gemäß Anspruch 10, worin das in Wasser quellbare Material in der Form eines Pulvers mit einem Partikeldurchmesser von nicht größer als 250 μm und einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 10 bis 100 μm vorliegt.
Kabel gemäß Anspruch 11, worin in im Wasser quellbaren Material die Menge der Partikel mit einem Durchmesser von 10 bis 50 μm mindestens 50 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Pulvers, beträgt.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das in Wasser quellbare Material ein Homopolymer oder Copolymer mit hydrophilen Gruppen entlang der Polymerkette ist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das in Wasser quellbare Material in einer Menge von 5 bis 120 phr vorhanden ist.
Kabel gemäß Anspruch 14, worin das in Wasser quellbare Material in einer Menge von 15 bis 80 phr vorhanden ist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Polymermaterial, woraus die expandierte Schicht hergestellt ist, ein expandierbares Polymer ist, ausgewählt aus: Polyolefinen, Copolymeren unterschiedlicher Olefine, Copolymeren eines Olefins mit einem ethylenisch ungesättigten Ester, Polyestern, Polycarbonaten, Polysulfonen, Phenol-Harzen, Harnstoff-Harzen und aus Mischungen davon.
Kabel gemäß Anspruch 16, worin das Polymermaterial ein Olefin-Polymer oder -Copolymer auf Basis von Ethylen und/oder Propylen ist.
Kabel gemäß Anspruch 17, worin das Polymermaterial ausgewählt ist aus: (a) Copolymeren von Ethylen mit einem ethylenisch ungesättigten Ester, worin die Menge des ungesättigten Esters 5 bis 80 Gew.% beträgt; (b) elastomeren Copolymeren von Ethylen mit mindestens einem C_3-12-α-Olefin und gegebenenfalls einem Dien mit der folgenden Zusammensetzung: 35 bis 90 Mol% Ethylen, 10 bis 65 Mol% ?-Olefin und 0 bis 10 Mol% Dien; (c) Copolymeren von Ethylen mit mindestens einem C_4-12-α-Olefin und gegebenenfalls einem Dien mit einer Dichte von 0,86 bis ,90 g/cm3 (d) Polypropylen, modifiziert mit Ethylen/C_3-12-?-Olefin-Copolymeren, worin das Gewichtsverhältnis von Polypropylen zu Ethylen/C_3-12-α-Olefin-Copolymer 90/10 bis 10/90 beträgt.
Kabel gemäß Anspruch 18, worin das Polymermaterial ein thermoplastisches Elastomer ist, umfassend eine kontinuierliche Matrix aus einem thermoplastischen Polymer und Feinpartikeln eines gehärteten elastomeren Polymers, das im thermoplastischen Polymer dispergiert ist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die expandierte Schicht einen Volumen-Widerstandswert für das expandierte Material bei Raumtemperatur von weniger als 500 Ω × m aufweist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die expandierte Schicht eine vorbestimmte Menge elektroleitfähigen Kohlenstoffruß umfasst.
Kabel gemäß Anspruch 21, worin der elektroleitfähige Kohlenstoffruß eine Oberflächenfläche von mindestens 20 m²/g aufweist.
Kabel gemäß Anspruch 22, worin der Kohlenstoffruß eine Oberflächenfläche von mindestens 900 m²/g aufweist.
Kabel gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, worin der Kohlenstoffruß in Mengen von 5 bis 80 Gew.% vorhanden ist.
Kabel gemäß Anspruch 24, worin der Kohlenstoffruß in Mengen von 10 bis 70 Gew.% vorhanden ist.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die expandierte Schicht durch Extrusion erhalten wird.
Kabel gemäß Anspruch 26, worin die Expansion der Schicht während der Extrusion durch Zugabe eines Expandiermittels erhalten wird.
Kabel gemäß Anspruch 26, worin die Expansion der Schicht während einer Extrusion durch Hochdruck-Injektion eines Gases erhalten wird.
Kabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Durchmesser der expandierten Schicht, in der Abwesenheit angelegter Kräfte, größer als der Innendurchmesser des Schutzschildes aus Metall ist, um so einen vorbestimmten Vorkompressionsgrad der expandierten Schicht nach dem Anbringen des Schutzschildes aus Metall zu erhalten.