DE69827164T2

DE69827164T2 - Verwendung eines Isolationssystems zur Herstellung eines Kabels

Info

Publication number: DE69827164T2
Application number: DE69827164T
Authority: DE
Inventors: Peter Carstensen; Anders Gustafsson; Andreas Farkas; Anders Ericsson; Jan-Ove BOSTRÖM; Bill Gustafsson; Ulf Nilsson; Fred Campus
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: AR017938A1; SE9704825D0; AU1993699A; WO1999033069A1; SE9704825L; KR20010033426A; NO324358B1; AU752970B2; CA2315808A1; JP2001527266A; DE69827164D1; EP1046177A1; ZA9811708B; SE514263C2; CN1286797A; EP1046177B1; CN1155969C; NO20003236D0; NO20003236L

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verwendung eines Isolationssystems zur Herstellung eines Kabels
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Isolationssytems, umfassend eine extrudierte und vernetzte Polyethylen-Zusammensetzung zur Herstellung eines isolierten elektrischen Gleichtromkabels, eines DC-Kabels, mit einem strom- oder spannungstragenden Körper, d. h. einem Leiter und einem Isolationssystem, angeordnet um den Leiter.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein isoliertes elektrisches DC-Kabel zur Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom. Das stranggepresste bzw. extrudierte Isolationssystem umfasst eine Vielzahl von Schichten, wie z. B. einer inneren halbleitenden Abschirmung, einer Isolation und einer äußeren halbleitenden Abschirmung. Zumindest die extrudierte Isolation umfasst eine vernetzte, auf Polyethylen basierende Zusammensetzung mit einem System aus Additiven, wie z. B. Vernetzungsmittel, Brandverzögerungsmittel und Antioxidationsmittel.
STAND DER TECHNIK
Obwohl viele der ersten elektrischen Versorgungssysteme zur Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie auf DC-Technologie basierten, wurden diese DC-Systeme schnell durch Systeme, die Wechselstrom, AC, verwenden, abgelöst. Die AC-Systeme wiesen das wünschenswerte Merkmal einfacher Umwandlung zwischen Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Spannung auf. Die Entwicklung moderner elektrischen Versorgungssystemen in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts basierte ausschließlich auf AC-Übertragungssystemen. Jedoch gab es seit den 1950er Jahren eine wachsende Nachfrage nach langen Übertragungssystemen und es wurde klar, dass unter bestimmten Umständen die Übernahme eines DC- basierten Systems von Nutzen sein kann. Die vorauszusehenden Vorteile schließen eine Reduzierung der typischerweise in Verbindung mit der Stabilität von AC Systemen auftretenden Problemen ein, eine wirksamere Nutzung der Ausrüstung, da der Energiefaktor des Systems immer eine Einheit ist und die Fähigkeit, eine gegebene Isolationsdicke oder Clearance bei höherer Betriebsspannung zu verwenden. Gegen diese sehr bedeutenden Vorteile sprechen die hohen Kosten der Endgeräte zur Umwandlung von AC in DC und zur Rückwandlung des DC zurück in AC. Jedoch sind für eine gegebene Übertragungsleistung die terminalen Kosten konstant und deshalb erwiesen sich DC Übertragungssysteme als ökonomisch für Systeme, die lange Entfernungen beinhalten. DC- Technologie wird daher ökonomisch für Systeme, die für große Entfernungen bestimmt sind, wie auch wenn die Übertragungsdistanz typischerweise die Länge übersteigt, die für die Ersparnis bei der Übertragungsausrüstung die Kosten der terminalen Anlage übersteigen.
Ein wichtiger Nutzen des DC- Betriebs ist praktisch die Beseitigung dielektrischer Verluste, und bietet damit einen beträchtlichen Gewinn an Effizienz und Einsparungen bei der Ausrüstung. Der DC-Streustrom ist von so geringer Größenordnung, dass er in derzeitigen Nennstromberechnungen ignoriert werden kann, während in AC Kabeln dielektrische Verluste eine deutliche Reduzierung des Nennstroms verursachen. Dies ist von beträchtlicher Bedeutung für höhere Systemspannungen. In ähnlicher Weise ist hohe Kapazitanz kein Nachteil in DC-Kabeln. Ein typisches DC- Übertragungskabel schließt einen Leiter und ein Isolationssystem ein, umfassend eine Vielzahl von Schichten, wie z. B. eine innere halbleitende Abschirmung, ein Isolationsgrundkörper und eine äußere halbleitende Abschirmung. Das Kabel ist auch ergänzt mit einem Mantel, Verstärkung etc., um dem Eindringen von Wasser und jedem mechanischen Verschleiß oder Kräften während der Herstellung, Installation und Gebrauch zu widerstehen.
Fast alle bislang zur Verfügung stehenden DC- Kabelsysteme waren für submarine Durchquerungen oder damit verbundene Landkabel. Für lange Übergänge wird der massegetränkte Festpapier isolierte Typ Kabel gewählt, weil es keine Beschränkungen bezüglich der Länge aufgrund von Überdruckkapselungserfordernissen gibt. Es wurde für Arbeitsspannungen von 450 kV geliefert. Bis heute werden im wesentlichen der ganze papierisolierte Körper, getränkt mit einem elektrischen Isolationsöl, verwendet, aber der Einsatz von laminiertem Material wie z. B. Polypropylen Papierlaminat ist überzeugender zur Verwendung bei Spannungen bis zu 500 kV, um einen Vorteil zu gewinnen durch die zunehmende Impulsstärke und den reduzierten Durchmesser.
Wie im Fall der AC Übertragungskabel sind Übergangsspannungen (transients) ein Faktor, der bei der Bestimmung der Isolationsdicke von DC- Kabeln berücksichtigt werden muss. Es wurde herausgefunden, dass die schwerste Kondition entsteht, wenn eine Übergangsspannung mit einer der Arbeitsspannung entgegengesetzten Polarität auf das System gelegt wird und das Kabel Vollast trägt. Wenn das Kabel mit einen Oberleitungssystem verbunden ist, ereignet sich eine solche Kondition gewöhnlich als Resultat von Blitzspannungsspitzen.
Extrudierte, feste Isolation, basierend auf Polyethylen, PE, oder einem vernetzten Polyethylen, XLPE wurde seit fast 40 Jahren zur AC-Übertragung und Verteilerkabelisolation verwendet. Deshalb wurde die Möglichkeit der Verwendung von XLPE und PE für eine DC- Kabelisolation über viele Jahre untersucht. Kabel mit solchen Isolationen weisen die gleichen Vorteile auf wie die massegetränkten Kabel und damit gibt es für DC- Übertragung keine Beschränkungen für Stromkreislänge und sie haben auch ein Potential zum Betrieb bei höheren Temperaturen. Im Falle von XLPE 90°C anstatt 50°C für konventionelle DC- Kabel. Damit bieten sie die Möglichkeit, die Übertragungslast zu erhöhen. Es war aber nicht möglich, das ganze Potential dieser Materialien für Kabel normaler Größe zu erreichen. Man vermutet, dass einer der Hauptgründe bei der Entwicklung von Raumladungen im Dielektrikum liegt, wenn dieses einem DC- Feld ausgesetzt wird. Solche Raumladungen verzerren die elektrische Belastungsverteilung und halten wegen des hohen Widerstands der Polymere über lange Zeiträume an. Raumladungen in einem Isolationskörper akkumulieren auf eine Weise, dass ein Polarisationsmuster ähnlich einem Kondensator gebildet wird. Es gibt zwei grundlegende Typen von Raumladungsakkumulationsmustern, die sich in der Polarität der Raumladungsakkumulation im Verhältnis zur Polarität unterscheiden. Die Raumladungsakkumulation führt zu einer lokalen Zunahme an bestimmten Punkten des elektrischen Feldes im Verhältnis zu dem Feld, welches betrachtet werden würde, wenn man die geometrischen Dimensionen und dielektrischen Charakteristika einer Isolation bedenkt. Die beobachtete Zunahme im tatsächlichen Feld kann 5 oder sogar 10 mal der des betrachteten Feldes sein. Daher muss das Designfeld für eine Kabelisolation einen Sicherheitsfaktor einschließen, der diesem beachtlich höherem Feld Rechnung trägt und zur Verwendung eines dickeren und/oder teureren Materials führt. Die Verstärkung der Raumladungsakkumulation ist ein langsamer Prozess, daher verschärft sich dieses Problem, wenn die Polarität des Kabels nach langem Betrieb bei gleicher Polarität umgekehrt wird. Als Resultat dieser Umkehr wird ein Kapazitätsfeld dem Feld aus der Raumladungsakkumulation überlagert und der Punkt der maximalen Feldbelastung verschiebt sich von der Grenzfläche in die Isolation. Zur Verbesserung der Situation wurden Versuche unternommen, durch Verwendung von Additiven den Isolationswiderstand zu reduzieren, ohne die anderen Eigenschaften ernsthaft zu beeinflussen. Bis jetzt war es nicht möglich, es mit der elektrischen Leistungsfähigkeit, die mit getränkten, papierisolierten Kabeln erreicht wurden, aufzunehmen, und es wurden keine kommerziellen polymerisolierten DC- Kabel installiert. Erfolgreiche Labortests aber berichteten von einem 250 kV Kabel mit einer Maximalbelastung von 20 kV/mm unter Verwendung von XLPE Isolation mit Mineralfüllstoff (Y. Maekawa et al., Research and Development of DC XLPE Cables, JiCable'91, pp. 562–569). Diese Beanspruchungshöhe ist vergleichbar mit 32 kV/mm, ein typischer Wert für massegetränkte, papierisolierte Kabel.
Eine extrudierte Harz Zusammensetzung für AC-Kabelisolation enthält typischerweise ein Poyletherharz als Basispolymerharz, ergänzt durch verschiedene Additive, wie z. B. ein Peroxid Vernetzungsmittel, ein Brandverzögerungsmittel und ein Antioxidationsmittel oder ein System von Antioxidationsmitteln, welche in der Europäischen Patentveröffentlichung EP-A1-0 579 434 beschrieben ist. Im Fall einer extrudierten Isolation werden auch die halbleitenden Abschirmungen typischerweise extrudiert und umfassen eine Harzzusammensetzung, die zusätzlich zum Basispolymer und einem elektrisch leitenden oder halbleitenden Füllstoff im wesentlichen den gleichen Typ von Additiven umfasst. Die verschiedenen extrudierten Schichten in einem isolierten Kabel basieren im allgemeinen auf einem Polyethylenharz. Polyethylenharz bedeutet im allgemeinen und in dieser Anmeldung ein Harz, basierend auf Polyethylen oder einem Ethylencopolymer, wobei das Ethylenmonomer einen Hauptanteil der Masse bildet. Daher können Polyethylenharze aus Ethylen und einem oder mehreren Monomeren, die mit Ethylen copolymerisierbar sind, bestehen. LDPE, Polyethylen niederer Dichte, ist heute das dominierende Isolationsbasismaterial für AC Kabel. Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der extrudierten Isolation und ihrer Fähigkeit, Abbau und Zersetzung standzuhalten unter dem Einfluss der vorherrschenden Bedingungen bei Produktion, Versand, Lagerung und Verwendung eines solchen Kabels, umfasst die auf Polyethylen basierende Zusammensetzung typischerweise Additive, wie z. B.

– stabilisierende Additive, wie z. B. Antioxidationsmittel, Elektronenfänger, um dem Zerfall durch Oxidation, Strahlung etc., entgegenzuwirken;
– Schmieradditive wie z. B. Stearinsäure, um die Verarbeitbarkeit zu erhöhen;
– Additive zur zunehmenden Fähigkeit, elektrischer Belastung standzuhalten, z. B. einen erhöhten Wasserwiderstand (water tree resistance), z. B. Polyethylenglykol, Silikone etc.; und
– Vernetzungsmittel wie z. B. Peroxide, die bei Erwärmung in frei Radikale zerfallen und Quervernetzung Polyethylenharzes initiieren, manchmal verwendet in Kombination mit
– ungesättigten Verbindungen, die die Fähigkeit aufweisen, die Vernetzungsdichte zu verstärken.

Die Anzahl der verschiedenen Additive ist groß und die möglichen Kombinationen davon im wesentlichen unbegrenzt. Bei der Auswahl eines Additivs oder einer Kombination oder Gruppe von Additiven ist es das Ziel, dass eine oder mehrere Eigenschaften verbessert werden, während andere beibehalten oder, wenn möglich, auch verbessert werden. Dennoch ist es in der Realität praktisch unmöglich, bei einer Änderung im System alle möglichen Nebeneffekte vorherzusehen der Additive. In anderen Fällen sind die angestrebten Verbesserungen von solcher Würde, dass einige kleinere, negative Nebeneffekte akzeptiert werden müssen, obwohl es immer ein Ziel ist, solche negativen Effekte zu minimieren.
Eine typische als eine extrudierte, quervernetzte Isolation in einem AC Kabel zu verwendende Harzzusammensetzung umfasst:
97,1–98,9 Gew.-% Polyethylen mit niederer Dichte (922 kg/m³) mit einer Fließfähigkeit von 0,4–2,5 g/10 min.
0,1–0,5 Gew.-% eines Antioxidationsmittels SANTONOX R^® (Flexsys Co) mit der chemischen Bezeichnung 4,4'-Thio-bis(6-tert-butyl-m-kresol), hier als Verbindung (A) bezeichnet,
1,0–2,4 Gew.-% eines Vernetzungsmittels, DICUP R^® (Hercules Chem) mit der chemischen Bezeichnung Dicumylperoxid.
Obwohl einige Nachteile bei der Verwendung von SANTONOX R^® als Antioxidationsmittel seit langem bekannt sind, haben seine Vorteile (z. B. seine Fähigkeit, das verfrühte Anspringen einer Vernetzung zu verhindern) diese Nachteile überwogen. Weiter ist bekannt, dass diese vernetzte Zusammensetzung eine starke Tendenz zur Bildung von Raumladungen in elektrischen DC- Feldern hat und sie damit in einem Isolationssystem für DC- Kabel unbrauchbar macht. Es ist aber auch bekannt, dass längere Ausgasung, d. h. das vernetzte Kabel bei hohen Temperaturen über lange Zeit einem Hochvakuum auszusetzen, zu einer ziemlich verminderten Tendenz zur Raumladungsakkumulation unter DC- Belastung führt. Allgemein vermutet man, dass die Vakuumbehandlung die Peroxid-Zerfallprodukte, wie z. B. "Acetophenon" und "Cumylalkohol", aus der Isolation entfernt, wodurch die Raumladungsakkumulation vermindert wird. Ausgasung ist ein zeitintensiver Chargenprozess, vergleichbar mit der Tränkung von Papierisolationen, und damit ebenso teuer. Es ist deshalb von Vorteil, wenn die Notwendigkeit der Ausgasung beseitigt wird. Die meisten bekannten vernetzten Polyethylen-Zusammensetzungen, die als extrudierte Isolationen in AC-Kabeln verwendet werden, zeigen eine Tendenz zur Ladungsakkumulation, die sie zur Verwendung in Isolationssystemen für DC- Kabel ungeeignet machen.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes DC- Kabel mit einem elektrischen Isolationssystem, geeignet zur Verwendung als Übertragungs- und Verteilerkabel in Netzwerken und Installationen zur DC- Übertragung und Verteilung elektrischen Stroms zur Verfügung zu stellen. Das Kabel soll eine feste, extrudierte Leiterisolation umfassen, die verwendet und verarbeitet werden kann, ohne die Notwendigkeit für irgendeine lange, zeitintensive Chargenbehandlung wie z. B. Tränkung oder Ausgasung, d. h. Vakuumbehandlung des Kabels. Damit werden die Produktionszeit und mithin die Produktionskosten für das Kabel gesenkt und damit die Möglichkeit für eine im wesentlichen kontinuierlichen oder zumindest halbkontinuierlichen Produktion des Kabelisolationssystems gegeben. Weiter soll die Zuverlässigkeit, geringe Unterhaltungserfordernisse und Lebensdauer konventioneller DC-Kabel, umfassend eine massegetränkte, papierbasierte Isolation erhalten oder verbessert werden. Das bedeutet, dass das Kabel, gemäss der vorliegenden Erfindung, stabile und konsistente dielektrische Eigenschaften und eine hohe und konsistente elektrische Spannungsfestigkeit aufweist. Die Kabelisolation soll eine geringe Tendenz zur Raumladungsakkumulation zeigen, eine hohe DC- Durchschlagsfestigkeit, eine hohe Feldstärkefestigkeit und hohen Isolationswiderstand. Das Ersetzen von getränktem Papier oder cellulosebasierten Bändern mit einer extrudierten Polymerisolation soll einen zusätzlichen Vorteil eröffnen für eine Zunahme der Spannungsfestigkeit und damit zunehmende Arbeitsspannungen, verbesserte Handhabbarkeit und Robustheit des Kabels.
Es ist auch eine Aufgabe, ein Kabel bereitzustellen, umfassend eine extrudierte, vernetzte Isolation basierend auf Polyethylen, das geringe oder keine Raumladungsakkumulation in der Isolation unter DC- Belastung aufweist und damit jedes Problem in Verbindung mit Raumladungsakkumulation eliminiert oder zumindest wesentlich reduziert. Es soll auch Leistungsfähigkeit bereitstellen, Sicherheitsfaktoren in Designwerten, die zur Auslegung der Kabelisolation verwendet werden, zu reduzieren.
Es ist weiter die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung der Isolation eines solchen Kabels gemäss der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Das Verfahren, gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verwendung und Verarbeitung der Leiterisolation soll im wesentlichen frei von Betriebsstufen sein, die lange Chargenbehandlung kompletter Kabellängen oder langer Kabelkerne. Das Verfahren soll auch ein Potential zur Verwendung in einer kontinuierlichen oder semi-kontinuierlichen Art zur Produktion sehr langer DC- Kabel aufzeigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Verwendung eines auf Polyethylen basierenden Compounds mit Additiven, einschliesslich eines Vernetzungsmittels, eines Brandverzögerungsmittels und eines Antioxidationssystems zur Herstellung einer extrudierten, vernetzten Leiterisolation, die um den Leiter eines DC- Kabels angeordnet ist. Gemäss der vorliegenden Erfindung in ihrem allgemeinen Konzept umfasst das Brandverzögerungsmittel die Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methylpenten-1, und das Antioxidationssystem umfasst die Verbindung (C), einen Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionsäure und Thiodiglycol.
Die compoundierte Isolation auf Polyethylenbasis wird typischerweise extrudiert und bei einer erhöhten Temperatur über eine längere Zeitspanne erhitzt, genügend zur Vernetzung der Isolation. Die Temperatur und die Zeitspanne werden kontrolliert, um im wesentlichen alle unerwünschten Nebenprodukte, die in der vernetzten Zusammensetzung entstehen, unterdrücken oder zu vermeiden.
Die Kabelisolation kann in einem im wesentlichen kontinuierlichen Prozess zum Einsatz kommen, ohne die Notwendigkeit von zu langen Chargenbehandlungen wie z. B. Vakuumbehandlung. Die geringe Tendenz zu Raumladungsakkumulation und zunehmender DC-Durchschlagsfestigkeit konventioneller DC- Kabel, umfassend eine getränkte Papierisolation wird erhalten oder verbessert. Dies wird erreicht durch ausgewogene Zugaben des Brandverzögerungsmittels, des Peroxid-Vernetzungsmittels und des Antioxidationsmittels in Kombination mit kontrollierten Prozesstemperaturen und Prozesszeiten gemäss der Erfindung, wie im Folgenden erläutert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Verbindung auf Polyethylenbasis, besonders für DC- Kabel geeignet, umfasst ein kombiniertes Zweikomponenten -Antioxidationssystem, bei dem primäre phenolische Antioxidationsverbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol ergänzt wird durch eine so genannte sekundäre Antioxidations (oder Thio-Synergist) verbindung (B), einem Di-alkyl-thio-dipropionat wie z. B. DSTDP, Di-stearyl-thio-dipropionat oder alternativ DLTDP, Di-lauroyl-thio-dipropionat. Das Alkyl ist bevorzugt eine lineare oder verzweigte gesättigte Alkylgruppe mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen.
Das DC- Kabel umfasst das kombinierte zwei Komponenten-Antioxidationsmittel, bestehend aus der Verbindung (C) und der Verbindung (B), zugegeben zu dem Polyethylen mit einem Gehalt von 0,1 bis 0,8 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 0,5 Gew.-%. Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol ist bekannt und kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen IRGANOX 1035^® von Ciba-Geigy und bekannt zur Verwendung als Komponente in Antioxidationssystemen für extrudierte, vernetzte Isolationen von AC-Kabeln, bei dem es typischerweise in Mengen von ungefähr 0,2 Gew.-% zugegeben wird. Um die Antioxidationseffizienz zu erhöhen, wird ein Hydroperoxid Zersetzungsmittel (B) zugegeben. Verbindung (B) ist in Form von DSTDP Di-stearyl-thio-dipropionat kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen IRGANOX PS802 von Ciba-Geigy p1c, oder HOSTANOX SE2 von der Hoechst AG, alternativ ist DLTDP, Di-lauroyl-thio-dipropionat, kommerziell verfügbar als IRGANOX 800 von Ciba-Geigy p1c oder HOSTANOX SE1 von der Hoechst AG. Jedoch weisen Verbindung (C) oder die Kombination aus Verbindung (C) und (B) nicht die brandverzögernden Eigenschaften von Verbindung (A) auf. Deshalb wird Verbindung (D) als Brandverzögerungsmittel zugegeben, wodurch im wesentlichen jede unerwünschte, verfrühte Vernetzung während des Extrusionsprozesses vermieden wird. Das Brandverzögerungsmittel (D), 2,4-Diphenyl-4-methylpenten-list kommerziell verfügbar von Nippon Oiland Fats unter dem Handelsnamen Nofmer MSD^®. Die Verwendung dieses modifizierten, kombinierten Systems, welches das Brandverzögerungsmittel (D) als komplementäres Mittel zum Antioxidationssystem enthält, umfassend Verbindung (C), erwies sich als erfolgreich zur Unterdrückung jeder Tendenz zum Anbrennen und verfügt über den zusätzlichen Vorteil, dass es das finale Vernetzungsverhältnis in der Polyethylen-Zusammensetzung erhöht.
Das DC- Kabel umfasst daher einen Leiter und eine extrudierte, vernetzte, auf Polyethylen basierende Isolation, die um den Leiter angeordnet ist, wobei der Polyethylencompound ein Peroxid-Vernetzungsmittel, ein Brandverzögerungsmittel, bestehend aus Verbindung (D) und einem kombinierten Antioxidationsmittelsystem, bestehend aus Verbindung (B) und (C), umfasst. Das DC- Kabel muss, da Verbindung (B) unter bestimmten Bedingungen die Wasserbildung aus Cumylalkohol katalysiert, unter Bedingungen verarbeitet werden, bei denen diese Wasserbildung unterdrückt wird. Die Kabelisolation wird daher bei ausreichend niedrigen Temperaturen verarbeitet, um diese Wasserbildung zu unterdrücken. Die Produkttemperatur während Extrusion und Vernetzung wird unter 230°C gehalten. Dies soll mit einer typischen Produkttemperatur von etwa 300°C bei der Verarbeitung von bestimmungsgemäßen XLPE Systemen verglichen werden. Die Produkttemperatur wird bevorzugt in einem Bereich von etwa 200°C bis 220°C gehalten. Die Bezeichnung "Produkttemperatur" bedeutet in dieser Anwendung die maximale Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Produkts, d. h. der extrudierten Isolation. Die Verarbeitungszeit bei dieser Temperatur wird unter 10 Minuten gehalten, bevorzugt im Bereich von 2 Minuten bis 5 Minuten. Diese Einschränkungen bei der Produkttemperatur und den Zeiten bei dieser Temperatur beschränken die Dicke der Isolation, die extrudiert und vernetzt werden kann, auf eine Dicke von ungefähr 10 mm oder weniger ein. Das DC- Kabel zeigt auch einen minimierten Gehalt an überschüssigem Peroxid Vernetzungsmittel in der vernetzten Polyethylen-Isolation. Dies wird erreicht durch die begrenzte und kontrollierte Zugabe des Vernetzungsmittels in Kombination mit der Beschleunigung von aufpolymerisierten Brücken zwischen Polymerketten, bereitgestellt durch das Brandverzögerungsmittel, Verbindung (D). Das Isolationssystem ist typischerweise ein dreischichtiges System, umfassend eine erste innere, halbleitende Abschirmung, eine Isolation mit einer Dicke, die im Hinblick auf die elektrischen oder mechanischen Kräfte, die auf das Kabel einwirken, und die thermische Situation bei Verwendung, als geeignet erachtet wird, sowie eine zweite äußere halbleitende Abschirmung. Dieses Isolationssystem wird typischerweise durch ein echtes Dreifach-Extrusionsverfahren aufgetragen, kann aber natürlich auch durch andere geeignete Extrusionsverfahren aufgetragen werden.
Das Brandverzögerungsmittel, Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-Methyl-penten-1, wird gemäss der vorliegenden Erfindung in einer Menge von 0,1 bis 1,0 Gew.-% zugegeben. Bevorzugt ist es in einer Menge von 0,2 bis 0,5 Gew.-%.
Das Peroxid-Vernetzungsmittel wird in einer Menge von 1,0 bis 2,4 Gew.-% zugegeben, bevorzugt in einer Menge von 1,2 bis 1,8 Gew.-%. Das Peroxid-Vernetzungsmittel ist bevorzugt Dicumylperoxid.
Das Polyethylenharz ist Polyethylen niederer Dichte mit einer Fließfähigkeit (MFR) im Bereich von 0,5 bis 2 g/10 Min. Die MFR wird bestimmt bei 190°C/2,16 kg gemäss ISO 1133 cond. 4.
Gemäß eines anderen Beispiels umfasst das DC- Kabel eine extrudierte, vernetzte auf Polyethylen basierende Isolation, die um den Leiter angeordnet ist, wobei die Polyethylenverbindung ein Peroxid-Vernetzungsmittel, ein Brandverzögerungsmittel, bestehend aus Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, sowie als Antioxidationsmittel nur Verbindung (C), einen Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, umfasst. Durch diese genau spezifizierte Kombination von Additiven, bestehend aus einem genau beschriebenen Antioxidationsmittel, einem ebenfalls genau beschriebenem Brandverzögerungsmittel und einem Peroxid-Vernetzungsmittel ist ein niedriger Gehalt polarer Nebenprodukte in der vernetzten Verbindung gewährleistet und die Tendenz zur Bildung solcher Verbindungen bei der Verarbeitung bei erhöhten Temperaturen unterdrückt. Zusätzlich zu der beträchtlichen Freiheit von solcher Nebenproduktbildung in der Harzzusammensetzung, bietet die Kombination von Additiven den Vorteil, dass der zugegebene Anteil von Peroxid-Vernetzungsmittel reduziert und innerhalb eines engen Spielraums kontrolliert werden kann und trotzdem das erwünschte Vernetzungsverhältnis sichergestellt ist. Der Polyethylencompound kann ohne Höchstgrenzen von Temperatur und Zeit vernetzt werden. Das DC- Kabel umfasst ein Antioxidationsmittel, das nur aus Verbindung (C) besteht. Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol wird zu dem Polyethylenharz in einem Anteil von 0,1 bis 0,5 Gew.-% gegeben, bevorzugt von 0,2 bis 0,4 Gew.-%.
Das DC- Kabel wird bereitgestellt mit einer Isolation, die unter Verwendung konventionell angewandter Verarbeitungsbedingen aufgebracht wird. Daher wird die compoundierte Harzzusammensetzung bei einer Produkttemperatur über 230°C, aber unter 400°C, bei der thermischer Abbau eintritt, extrudiert und vernetzt. Es gibt keine zeitlichen Beschränkungen bei der erhöhten Extrusions- und Vernetzungstemperatur und daher können DC- Kabel mit größerer Isolationsdicke hergestellt werden. Das Kabel wird typischerweise bei einer Temperatur von 230°C oder höher für bis zu 120 Minuten extrudiert und vernetzt. Bevorzugt wird die Kabelisolation bei einer Temperatur im Bereich von 240°C bis 350° und typischerweise bei 270°C für eine Zeitspanne von 20 Minuten bis 120 Minuten verarbeitet. Das DC- Kabel kann ein Isolationssystem jeder Dicke aufweisen. Außer der erhöhten Produkttemperatur und Verarbeitungszeit ist der Extrusionsprozess zum Ausbringen der Isolation im wesentlichen der gleiche wie im Vorgehenden beschrieben. Das Brandverzögerungsmittel, Verbindung (D), wird auch in einem Anteil von 0,1 bis 1,0 Gew.-% zugegeben. Bevorzugt wird ein Anteil von 0,2 bis 0,5 Gew.-%. Ebenso wird das Peroxid Vernetzungsmittel zu einem Anteil von 1,0 bis 2,4 Gew.-% zugegeben, bevorzugt zu einem Anteil von 1,2 bis 1,8 Gew.-%. Bevorzugt ist das Peroxid Vernetzungsmittel Dicumylperoxid. Das Polyethylenharz ist Polyethylen niederer Dichte mit einer Fließfähigkeit MFR im Bereich von 0,5 bis 10 g/10 Min. Die MFR wird bestimmt bei 190°C/2,16 kg gemäß ISO 1133 cond. 4.
Ein DC- Kabel gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst typischerweise vom Zentrum und nach außen gerichtet,

– einen Leiter von jeder gewünschten Form und Zusammensetzung, wie z. B. einen mehrdratigen vieladrigen Leiter, einen Massivleiter oder einen Segmentleiter;
– eine erste extrudierte, halbleitende Abschirmung, angeordnet um und auf der Außenseite des Leiters und auf der Innenseite der Leiterisolation;
– eine extrudierte Leiterisolation gemäss der vorliegenden Erfindung und wie im vorgehenden beschrieben;
– eine zweite extrudierte, halbleitende Abschirmung, angeordnet auf der Außenseite der Leiterisolation;
– eine metallische Abschirmung; und
– eine Ummantelung, angeordnet auf der Außenseite der metallischen Abschirmung. Das Kabel kann, wenn es als geeignet erachtet wird, mit weiteren Merkmalen ergänzt werden, wie z. B. Verstärkungsdrähte außerhalb der äußeren extrudierten Abschirmung, Dichtmasse oder ein in Wasser aufquellendes Pulver zur Füllung irgendwelcher Zwischenräume in und um den Leiter, andere Metall/Polymer Grenzflächen können abgedichtet werden, um zu verhindern, dass sich Wasser an diesen Grenzflächen ausbreitet. Die drei Schichten des Isolationssystems werden typischerweise unter Verwendung eines echten dreifachen Extrusionsverfahrens um den Leiter herum aufgetragen.

In seiner allgemeinsten Form schließt das Herstellungsverfahren eines isolierten DC- Kabels, umfassend einen Leiter und eine extrudierte, vernetzte, auf Polyethylen basierende Leiterisolation, folgende Stufen ein:

– Verlegen oder andernfalls Formen eines Leiters in jeder erwünschten Form und Zusammensetzung;
– Compoundieren einer auf Polyethylen basierenden Harzzusammensetzung, umfassend die Zugabe eines Peroxid-Vernetzungsmittels, eines Brandverzögerungsmittels und eines Antioxidationsmittels,
– Extrudieren der compoundierten auf Polyethylen basierenden Harzzusammensetzung zur Bildung einer Leiterisolation, angeordnet um den Leiter im DC- Kabel, bevorzugt das dreischichtige Isolationssystem, umfassend die Isolationsschicht, ergänzt mit den beiden halbleitenden Abschirmungen, die unter Verwendung eines echten dreifachen Extrusionsverfahrens aufgetragen wird;
– Vernetzung der extrudierten Isolation,
– wobei gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brandverzögerungsmittel, umfassend Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, nach dem Compoundieren des Polyethylenharzes zugegeben wird;
– eine Antioxidationsmittel umfassende Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol wird nach dem Compoundieren des Polyethylenharzes zugegeben; und
– dass die compoundierte auf Polyethylen basierende Harzzusammensetzung extrudiert und bei erhöhter Temperatur und für eine genügende Zeit vernetzt wird, um die Isolation zu vernetzen. Die Temperatur wird kontrolliert und die Dauer begrenzt, um im wesentlichen die Bildung unerwünschter polarer Nebenprodukte in der vernetzten Zusammensetzung zu verhindern. Bevorzugt werden Zusätze während des Compoundierens in ausgewogenem Verhältnis zugegeben, so dass die Menge an überschüssigem Peroxid-Vernetzungsmittel in der vernetzten Isolation minimiert werden kann.

Gemäß einem Beispiel werden ein Brandverzögerungsmittel, umfassend Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, und ein kombiniertes zwei Komponenten Antioxidationssystem, umfassend Verbindung (B), ein Di-alkyl-thio-dipropionat, und Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol zu dem Polyethylenharz während des Compoundierens zugegeben. Die compoundierte auf Polyethylen basierende Harzzusammensetzung wird danach extrudiert und vernetzt bei einer geeigneten Temperatur und über einen geeigneten Zeitraum, typischerweise unter 230°C oder höher für 10 Minuten oder weniger. Bevorzugt wird die Kabelisolation bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 220°C für eine Zeitspanne von 2 Minuten bis 5 Minuten verarbeitet. Da Verbindung (B) die Wasserbildung aus Cumylalkohol katalysiert, wird die Kabelisolation unter den im vorhergehenden Satz gegebenen Bedingungen verarbeitet, wodurch diese Wasserbildung unterdrückt wird. Das DC- Kabel ist am besten in Installationen geeignet, wo eine reduzierte Isolationsdicke erstrebt und geeignet ist, d. h. eine Isolationsdicke von ungefähr 10 mm oder weniger. Dieses DC- Kabel umfasst auch einen minimierten Gehalt an überschüssigen Peroxid Vernetzungsmittel in der vernetzten Polyethylen Isolation. Dies wird erreicht durch die begrenzte und kontrollierte Zugabe des Vernetzungsmittels in Kombination mit der Beschleunigung von aufpolymerisierten Brücken zwischen Polymerketten, bereitgestellt durch das Brandverzögerungsmittel, Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1. Ein kombiniertes Antioxidationsmittel, bestehend aus Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, und Verbindung (B), Di-alkyl-thio-dipropionat, wird zu dem Polyethylen mit einem Gehalt von 0,1 bis 0,8 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 0,5 Gew.-% zugegeben.
Gemäss einem anderen Beispiel werden ein Brandverzögerungsmittel, umfassend Verbindung (D), und ein Antioxidationsmittel, umfassend nur Verbindung (C) zu dem Polyethylenharz nach dem Compoundieren gegeben. Die compoundierte auf Polyethylen basierende Harzzusammensetzung wird danach extrudiert und vernetzt bei einer geeigneten Temperatur und über einen geeigneten Zeitraum, typischerweise über 230°C oder höher für 120 Minuten oder mehr. Bevorzugt wird die Kabelisolation bei einer Temperatur im Bereich von 240°C bis 350°C für eine Zeitspanne von 20 Minuten bis 120 Minuten verarbeitet. Die Bildung unerwünschter Nebenprodukte in der extrudierten, vernetzten Zusammensetzung wird im wesentlichen eliminiert oder zumindest unterdrückt durch die genau kontrollierte Auswahl an Additiven. Die ausgewogene Zugabe des Peroxid Vernetzungsmittels und des Brandverzögerungsmittels führt zu einer wesentlichen Reduktion an überschüssigem Peroxid in der Polyethylen-Zusammensetzung nach der Vernetzung. Daher ist jede Tendenz zur Raumladungsakkumulation nach Verwendung des DC- Kabels wesentlich reduziert und die DC-Impulsstärke ist wesentlich erhöht. Das DC- Kabel wird typischerweise in jeder Isolationsdicke hergestellt, die durch die auf das Kabel einwirkenden elektrischen oder mechanischen Kräfte oder der thermischen Situation nach Verwendung als erforderlich erachtet wird. Ein Antioxidationsmittel, bestehend nur aus Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, wird zu dem Polyethylenharz bei einem Gehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 0,4 Gew.-% zugegeben.
Ein DC-Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Isolationssystem, umfassend eine extrudierte, vernetzte, Polyethylen-Zusammensetzung, mit der spezifischen Kombination von Additiven und Verarbeitung, zeigt beträchtliche Vorteile wie

– eine verringerte Tendenz zur Akkumulation von Raumladung.
– eine vergrößerte DC- Impulsstärke.

Weitere Vorteile mit DC- Kabeln gemäß der vorliegenden Erfindung sind unter anderem:

– eine wesentliche Eliminierung des Problem des Anbrennens (scorch), und damit eine homogene Kabelisolation gewährleistend.
– ein hoher und kontrollierter Grad an Vernetzung, der der Kabelisolation die erwünschten Hochtemperatur- und mechanischen Eigenschaften verleiht, und
– verbesserte Wärmealterungseigenschaften, welche die erwünschte lange Lebensdauer des Kabels auch unter hoher Last gewährleistet.

Die spezifischen Kombinationen der ausgewählten Systeme von Additiven und Aufstellung von Prozessparametern, einschließlich einer geeigneten Zusammensetzung und Verarbeitung während der Extrusion und Vernetzung, bewirkt eine Unterdrückung der Bildung von Nebenprodukten durch Raumladungsakkumulation nach der Vernetzung. Das Brandverzögerungsmittel, (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, das die Bildung von aufpolymerisierten Brücken zwischen Polymerketten fördert, bietet die Möglichkeit, das ein erwünschtes Vernetzungsverhältnis sicher erzielt wird, selbst bei einer reduzierten und genau kontrollierten Zugabe des Peroxid Vernetzungsmittels. Daher kann eine wesentliche Eliminierung oder Reduktion von überschüssigen Peroxid Resten in der Isolation des Kabels erzielt werden. Abgesehen von den technischen Vorteilen, die sich als Resultat hieraus ergeben, wie früher diskutiert, ist dies auch unter Berücksichtigung der Kosten des Peroxid Vernetzungsmittels vorteilhaft. Somit zeigt ein DC- Kabel gemäss der vorliegenden Erfindung, umfassend eine extrudierte, vernetzte, Polyethylen-Zusammensetzung, mit der spezifischen Kombination von Additiven und Verarbeitung, wie beschrieben, beträchtliche Vorteile wie z. B. eine verringerte Tendenz zur Akkumulation von Raumladung, verbesserte und stabile elektrische Eigenschaften. DC- Kabel gemäss der vorliegenden Erfindung, umfassend eine extrudierte, vernetzte Leiterisolation, wie im vorhergehenden definiert, gewährleistet langfristige, stabile und konsistente dielektrische Eigenschaften und eine hohe und konsistente Spannungsfestigkeit, so gut oder besser als herkömmliche, gewickelte und getränkte Kabel. Dies ist insbesondere wichtig aufgrund der langen Lebensdauer, für die solche Installationen ausgelegt sind, und für den beschränkten Zugang für Wartung von solchen Installationen, die an abgelegenen Orten oder sogar unterseeisch installiert sind. Weiterhin bietet ein isoliertes DC- Kabel, wie zuvor beschrieben, die Möglichkeit eines im wesentlichen kontinuierlichen oder semikontinuierlichen zur Auftragung der Isolation ohne der Notwendigkeit einer Chargenbehandlung, wie z. B. Entgasen oder Tränken, um die Leistung und Stabilität der Kabelisolation zu gewährleisten. Damit bieten sich Möglichkeiten, welche die Herstellungszeit wesentlich verringern werden durch die Annahme eines im Wesentlichen kontinuierlichen Vorgangs frei von Betriebsschritten, die eine Chargenbehandlung von vollständigen Kabellängen oder Teillängen erfordern, und verglichen mit herkömmlichen Kabeln Kostenvorteile bieten.
Weiter erlaubt die wesentliche Eliminierung der Tendenz zur Raumladungsakkumulation, kombiniert mit einer Zunahme an Spannungsfestigkeit eine Erhöhung der Spannungsbelastung, insbesondere der Arbeitsspannung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Beispiele genauer beschrieben werden.
1 zeigt den Querschnitt eines typischen DC- Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung zur Übertragung von elektrischem Strom, umfassend eine extrudierte, vernetzte Isolation.
2a bis 2d zeigen Aufzeichnungen von Raumladung von Vergleichsversuchen auf Platten mit Zusammensetzungen, wie sie in isolierten AC-Kabeln verwendet werden, und für Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN; BEISPIELE
Das DC--Kabel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist, umfasst von der Mitte und nach außen:

– einen mehrdrähtigen, vieladrigen Leiter 10;
– eine erste extrudierte halbleitende Abschirmung 11, die um den und außerhalb des Leiters 10 und innerhalb einer Leiterisolierung 12 angeordnet ist;
– eine extrudierte Leiterisolierung 12 mit einer extrudierten, vernetzten Zusammensetzung wie im Vorhergehenden beschrieben,
– eine zweite extrudierte halbleitende Abschirmung 13, die außerhalb der Leiterisolierung 12 angeordnet ist;
– eine metallische Schirmung 14; und
– eine äußere Abdeckung oder Ummantelung 15, die außerhalb der metallischen Schirmung 14 angeordnet ist.

Das Kabel kann, wenn dies als notwendig erachtet wird, weiterhin auf vielfältige Weisen mit verschiedenen funktionalen Schichten oder anderen Eigenschaften ergänzt werden. Es kann zum Beispiel mit einer Verstärkung in Form von metallischen Drähten außerhalb der äußeren extrudierten Abschirmung 13 ergänzt werden, einer abdichtenden Komponente oder eines wasserquellenden Pulvers, das in metallischen/polymeren Grenzflächen eingefügt wird, oder einem System von Radial, z. B. erreicht durch ein korrosionsresistentes Metallpolyethylenlaminat und eine longitudinale Wasserabdichtung, erreicht durch wasserquellendes Material, z. B. Band oder Pulver unterhalb der Ummantelung 15.
BEISPIEL 1
Vergleichsversuche
Testplatten mit Zusammensetzungen, wie sie in isolierten AC-Kabeln des Stands der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wurden hergestellt, bearbeitet und einer Überprüfung der Tendenz zur Anhäufung von Raumladung unterzogen, indem Raumladungsprofile unter Verwendung der Pulsed ElectroAcoustic (PEA) Technik aufgezeichnet wurden. Die PEA Technik ist im Stand der Technik wohlbekannt und wird beschrieben von Takada et al in IEEE Trans. Electrc. Insel. Vol. EI-22 8 (No. 4), Seiten 497–501 (1987).

a. Eine 2 mm dicke Testplatte einer Polyethylenzusammensetzung, umfassend: etwa 98 Gew.-% eines Polyethylens niedriger Dichte (922 kg/m³) mit einer Fließfähigkeit von 0,8 g/10 min. etwa 0,4 Gew.-% eines Antioxidationsmittels SANTONOX R^® (Flexsys Co) mit der chemischen Bezeichnung 4,4'-Thio-bis(6-tert-butyl-m-kresol), und etwa 1,6 Gew.-% eines Vernetzungsmittels, DICUP R^® (Hercules Chem) mit der chemischen Bezeichnung Dicumylperoxid, wurde bei 130°C geformt.

Zwei halbleitende Elektroden wurden an die Testplatte angeformt und der Aufbau in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt.
Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingesetzt wurde, und einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 2a gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d. h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der + 40 kV Elektrode an.

b. Eine 2 mm dicke Testplatte der gleichen Polyethylenzusammensetzung, umfassend wie in dem vergleichenden Beispiel a, wurde ebenso bei 130°C geformt. Zwei halbleitende Elektroden wurden an diese Testplatte angeformt und der Aufbau wurde in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt. Anschliessend wurde die Testplatte in einem Vakuumofen für 72 Stunden bei 80°C und einem Druck von < 10^–3 Torr entgast.

Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 2b gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d. h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.

c. Eine 2 mm dicke Testplatte einer Polyethylenzusammensetzung umfassend,
– etwa 97,7 Gew.-% Polyethylen niederer Dichte (922 kg/m³) mit 1,2 g/10 min. Fließfähigkeit,
– etwa 1,7 Gew.-% eines Peroxid Vernetzungsmittels in Form von Dicumylperoxid,
– etwa 0,3 Gew.-% von Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, als Brandverzögerungsmittel,
– etwa 0,3 Gew.-% eines Antioxidationssystems, bestehend aus
– Verbindung (B), in Form von DSTDP, Di-stearyl-thio-dipropianat und
– Verbindung (C), ein Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, das Verhältnis von Verbindung B zu Verbindung C betrug 1 : 3, wurde bei 130°C geformt.

Zwei halbleitende Elektroden wurden an die Testplatte angeformt und der Aufbau in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt.
Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 2c gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d. h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der + 40 kV Elektrode an.

d. Eine 2 mm dicke Testplatte einer Polyethylenzusammensetzung umfassend,
– etwa 97,7 Gew.-% eines Polyethylen niederer Dichte mit 1 g/10 min. Fließfähigkeit,
– etwa 1,4 Gew.-% eines Peroxid Vernetzungsmittels in Form von Dicumylperoxid,
– etwa 0,4 Gew.-% eines Brandverzögerungsmittels in Form von Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1, und
– etwa 0,3 Gew.-% eines Antioxidationssystems, bestehend aus Verbindung (C), ein

Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, wurde bei 130°C geformt.
Zwei halbleitende Elektroden wurden an die Testplatte angeformt und der Aufbau in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt.
Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 2d gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d. h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.
ERGEBNISSE DER VERGLEICHSVERSUCHE
Die Raumladungsprofile der Proben in den Beispielen 1a, 1b, 1c und 1d, aufgenommen 3 Stunden nach dem Anlegen der DC-Spannung, sind in den 2a, 2b, 2c bzw. 2d gezeigt. Es kann klar ersehen werden, dass die Anhäufung von Raumladung in dem herkömmlicherweise in AC-XLPE Kabeln verwendeten Isolierungsmaterial (siehe 2a) hoch ist. Nach dem Ausgasen nimmt die Raumladungsakkumulation ab, weist aber noch immer noch eine signifikante Größe auf. Dennoch ist die Neigung zur Anhäufung von Raumladung bei den zwei Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich verringert, dargestellt in den vergleichenden Beispielen der c und d. Die Reduktion der Raumladungsakkumulation ist ebenso gut oder besser als die durch den langen Ausgasungsprozess erzielte, Beispiele in 2a und b.
BEISPIEL 2
Eine Harzzusammensetzung auf Polyethylenbasis wurde, wie im folgenden beschrieben, compoundiert. Zu einem Polyethylen Harz niederer Dichte mit 1,2 g/10 min. Fließfähigkeit wurden folgende Zusätze gemacht,

– ein Peroxid Vernetzungsmittel in Form von Dicumylperoxid wurde in einem Anteil von 1,7 Gew.-% zugegeben,
– ein Brandverzögerungsmittel in Form von Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-methylpenten-1 wurde in einem Anteil von 0,3 Gew.-% zugegeben, und ein Antioxidationssystems, bestehend aus
– Verbindung (B), in Form von DSTDP, Di-stearyl-thio-dipropianat und
– Verbindung (C), einem Diester von 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionsäure und Thiodiglycol, wurde zu dem Polyethylen Harz in einem Gesamtanteil von 0,3 Gew.-% zugegeben. Das Verhältnis von Verbindung B zu Verbindung C betrug 1 : 3. Die compoundierte Harzzusammensetzung wurde zu einer 8 mm Isolation auf einem abgeschirmten, strangförmigen, mehrdrahtigen Leiter extrudiert und bei einer Produkttemperatur von 225°C und für eine begrenzte Verarbeitungszeit von 5 Minuten vernetzt.

In der extrudierten, vernetzten Isolation wurde kein signifikanter Wassergehalt gefunden. Da Wasserbildung typischerweise bei hohen Temperaturen auftritt, in einem System, umfassend Verbindung (B), die normalerweise die Wasserbildung aus Cumylalkohol katalysiert, wurde der niedrige Wassergehalt als Beweis dafür gewertet, dass die Wasserbildung durch die erniedrigte Produkttemperatur und Verarbeitungstemperatur erfolgreich unterdrückt wurde.
Die Tendenz zur Raumladungsakkumulation war im Test niedrig und wesentlich vermindert und im Vergleich zur Raumladungsakkumulation, die normalerweise in gewöhnlich extrudierten, vernetzten, polyethylenbasierten Zusammensetzungen zur Verwendung in AC Kabeln gefunden wird. Das Kabel wurde daher als geeignet erachtet zur Verwendung als DC- Kabel.
Weitere Vorteile wurden im niedrigen Gehalt an überschüssigem Peroxid Vernetzungsmittel in der Kabelisolation nach der Vernetzung und der genauen Kontrolle des Vernetzungsgrades gefunden. Diese Vorteile wurden erhalten durch die begrenzte und kontrollierte Zugabe des Vernetzungsmittels in Kombination mit der Vermehrung von aufpolymerisierten Brücken zwischen Polymerketten, welche durch das Brandverzögerungsmittel Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-Methyl-penten-1 geliefert werden.
DC- Kabel gemäß diesem Beispiel sind primär für DC- Kabel mit dünneren Isolationen, d. h. Isolationen mit einer Dicke von ungefähr 10 mm oder weniger, vorgesehen.
BEISPIEL 3
Eine Harzzusammensetzung auf Polyethylen Basis wurde, wie im folgenden beschrieben, compoundiert. Zu einem Polyethylen Harz mit niederer Dichte mit 1 g/10 min. Fließfähigkeit wurden folgende Zusätze gemacht,

– ein Peroxid Vernetzungsmittel in Form von Dicumylperoxid wurde in einem Anteil von 1,4 Gew.-% zugegeben,

Die Tendenz zur Raumladungsakkumulation war im Test niedrig und wesentlich vermindert und im Vergleich zur Raumladungsakkumulation, die normalerweise in gewöhnlich extrudierten, vernetzten, polyethylenbasierten Zusammensetzungen zur Verwendung in AC Kabeln gefunden wird. Das Kabel wurde daher als geeignet erachtet zur Verwendung als DC- Kabel.
Weitere Vorteile wurden im niedrigen Gehalt an überschüssigem Peroxid Vernetzungsmittel in der Kabelisolation nach der Vernetzung und der genauen Kontrolle des Vernetzungsgrades gefunden. Diese Vorteile wurden erhalten durch die begrenzte und kontrollierte Zugabe des Vernetzungsmittels in Kombination mit der Vermehrung von aufpolymerisierten Brücken zwischen Polymerketten, bereitgestellt durch das Brandverzögerungsmittel, Verbindung (D), 2,4-Diphenyl-4-Methyl-penten-1.
Es wurde gefunden, dass Kabel gemäß diesem Beispiel für jede Isolationsdicke, die im Hinblick auf die elektrischen oder mechanischen Kräfte, die auf das Kabel einwirken, und die thermische Situation bei Verwendung, geeignet sind.

Claims

Verwendung eines auf Polyethylen basierenden Compounds mit Additiven, umfassend ein Vernetzungsmittel, ein Brandverzögerungsmittel und ein Antioxidationsmittel, wobei das Brandverzögerungsmittel ein Compound (D), 2,4-Diphenyl-4-methyl-penten-1 umfasst, und wobei das Antioxidationsmittel ein Compound (C), einen 3-(3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxphenyl)propionsäurediester und Thiodiglycol umfasst, für die Herstellung einer extrudierten, vernetzten Leiterisolation, die um den Leiter eines Gleichstrom-Kabels angeordnet ist, wobei die Isolation eine verringerte Neigung zur Bildung von Raumladung aufweist.