DK161278B - Isoleringsmateriale til kabler og isoleret kabel - Google Patents

Description

i

DK 161278 B

Den foreliggende opfindelse angår et isoleringsmateriale, der er særligt egnet til mellemspændings- og højspændingskabler. Materialet, som er tværbindeligt eller tværbundet, består i det væsentlige af en kombination af en homopolymer af ethylen 5 eller en copolymer af ethylen og en α-olefin, og en ethylen-alkylacrylat- eller ethylen-alkylmethacrylatcopolymer. Materialerne ifølge opfindelsen har meget gode varmestabilitetsegenskaber og elektriske stabilitetsegenskaber.

Udviklingen inden for kraftkabler går mod højere og højere drifts-10 temperaturer, og der stilles således højere krav til isoleringsmaterialets evne til at modstå disse og til at modstå forøgede, meget høje temperaturer på grund af overbelastning og kortslutningsstrømme. Det er endvidere meget vigtigt, at materialet kan modstå dannelse af såkaldte water trees, som igang-15 sættes bl.a. fra steder med særligt høj elektrisk belastning, men som vil vokse ved en lavere belastning, og som gradvis kan føre til nedbrydning og betydeligt nedsætte den nyttige levetid af ledningen eller kablet.

Polyethylen anvendes i vidt omfang som kabelisoleringsmateriale.

20 På den anden side anvendes copolymerer af ethylen og polære materialer, såsom vinylacetat og ethylenacrylat, i hovedsagen kun som kappemateriale og kun i ubetydeligt omfang som isoleringsmateriale og i så fald kun til lavspændingsformål. Den termo-mekaniske stabilitet forbedres i almindelighed ved tværbinding, 25 og tværbundne materialer anvendes derfor i overvejende grad.

Copolymerer af ethylen og α-olefiner og lineære ethylenpolymerer har som sådanne bedre termomekaniske egenskaber end sædvanlige forgrenede homopolymerer med tilsvarende vægtfylde. Flere additiver har været foreslået for at løse problemerne med vandtræ-30 dannelse af water trees, f.eks. forskellige silaner. Det har også været foreslået at tilsætte en copolymer af ethylen og vinylacetat som inhibitor for dannelse af water trees til polyethylen.

DK 161278B

2

Ifølge den foreliggende opfindelse har det vist sig, at materialer af ethylenpolymerer og ethylen-alkylacrylat- eller ethylen-alkylmethacrylatcopolymerer har meget gode varmeegen-skaber, og at de er særligt egnede som isoleringsmateriale 5 til højspændingsledninger og -kabler, idet de bibringer modstandsevne mod dannelse af water trees.

Materialerne ifølge opfindelsen anvendes tværbundne på kablerne. De kan tværbindes ved stråling eller ved kemisk tværbinding uden risiko for nedbrydning. En særlig fordel er, at de 10 kan tåle de meget høje tværbindingstemperaturer, der benyttes ved de nyere tværbindingsprocesser, såsom ved tør tværbinding, f.eks. i en nitrogenatmosfære, uden at blive nedbrudt og give anledning til korroderende nedbrydningsprodukter.

Den foreliggende opfindelse angår således et tværbindeligt el-15 ler tværbundet kabelisoleringsmateriale til mellemspændings- og højspændingskabler, som består i det væsentlige af en ethylen-polymer, hvilken ethylenpolymer er en homopolymer af ethylen eller en copolymer af ethylen og en α-olefin, og en ethylen-alkylacrylat- eller ethylen-alkylmethacrylatcopolymer i en mæng-20 de på 10 - 40 vægt%, beregnet på kombinationen af ethylenpolymer og acrylatpolymer. Opfindelsen angår især et materiale som ovenfor anført, der indeholder et tværbindingsmiddel.

Grundpolymeren i de foreliggende materialer er en homopolymer af ethylen eller en lineær copolymer af ethylen og en eller flere 25 α-olefiner. Sidstnævnte ethylenpolymerer er i det væsentlige lineære og fremstilles ved copolymerisation af ethylen og a-olefiner med 3-14 carbonatomer, I almindelighed anvendes 1 -20 vægt% af copolymeren. Ethylenpolymeren i de foreliggende materialer har hensigtsmæssigt en vægtfylde, der ikke overstiger 3 30 940 kg/m , som ikke-tværbundet materiale, og vægtfylden er 3 hensigtsmæssigt i intervallet fra 915 til 935 kg/m . Smelte

indekset af ethylengrundpolymeren, (målt i henhold til ISO

3

DK 161278 B

1133, 2,16 kg vægt ved 190°C) skal fortrinsvis være i intervallet fra 0,1 til 20 g/10 min. og mest hensigtsmæssigt i intervallet fra 0,5 til 10. Grundpolymeren i materialerne er fortrinsvis en homopolymer af ethylen, fortrinsvis højtryks-5 polyethylen.

Acrylatcopolymererne i materialerne er copolymerer af ethylen og alkylacrylat eller alkylmethacrylat, hvori alkylgrupperne i reglen har 1-8 carbonatomer, f.eks. methylacrylat, ethyl-acrylat, propylacrylat, n-butylacrylat, i-butylacrylat, methyl-10 methacrylat, ethylmethacrylat. Copolymerer af to eller flere af de nævnte acrylater eller methacrylater kan naturligvis også anvendes. Copolymererne kan findes i mængder fra 10 til 50 vægt% og hensigtsmæssigt i en mængde på 25 - 40 vægt%, beregnet på kombinationen med ethylengrundpolymer. Ethylen-alkylacrylat-15 copolymerer foretrækkes og især copolymerer af ethylen og n-butylacrylat, der har særligt tilfredsstillende termooxidativ stabilitet i kontakt med kobber. Acrylatcopolymeren har hensigtsmæssigt et smelteindeks på 2 - 60 g/10 min. (ΜΠ^ målt som tidligere anført). Indholdet af acrylat i copolymeren skal hensigts-20 mæssigt være i intervallet fra 9 til 50 vægt%. Højere acrylat-indhold i copolymererne synes at føre til kortere træer og lavere trætæthed, og en copolymer med et acrylatindhold på 15 -35 vægt% anvendes derfor fortrinsvis, og mest hensigtsmæssigt en copolymer med et acrylatindhold i intervallet fra 18 til 30 25 vægt%. I de foreliggende materialer findes acrylatcopolymeren i en mængde på 10 - 40 vægt% og fortrinsvis i en mængde på 10 -35 vægt%. De nævnte værdier er procent af acrylatcopolymeren, beregnet på kombinationen af denne og ethylenpolymeren.

Isoleringsmaterialet er særligt egnet til mellemspændings- og 30 højspændingskabler, og hermed menes ledninger og kabler til en elektrisk feltstyrke over 1 kV/mm og især over 1,8 kv/mm.

Materialerne ifølge opfindelsen anvendes i tværbundet tilstand 4

DK 161278 B

på kablerne, og de kan tværbindes på kendt måde ved strålingstværbinding eller ved anvendelse af kemiske tværbindingsmidler. Kemiske tværbindingsmidler er de sædvanlige, såsom organiske peroxider og azoforbindelser og også silaner. Kemiske tvær-5 bindingsmidler kan findes i materialerne ifølge opfindelsen eller tilsættes bagefter ved kabelfremstillingen. Foretrukne midler indeholder en effektiv mængde af et tværbindingsmiddel valgt blandt organiske peroxider, azoforbindelser og silaner. Organiske peroxider foretrækkes, og som eksempler på disse kan næv-10 nes dicumylperoxid og di-tert.-butylperoxid. Den nødvendige mængde tværbindingsmiddel afhænger bl.a. af den ønskede grad af tværbinding, typen af tværbindingsmiddel og typen af ethylen-grundpolymer. Når grundmaterialet er polyethylen, er mængden af tværbindingsmiddel hensigtsmæssigt i intervallet fra 0,5 til 15 6 vægt%, beregnet på kombinationen af ethylengrundpolymer og acrylatcopolymer. Til lineære ethylenpolymerer kan anvendes mindre mængder tværbindingsmiddel for at opnå samme grad af tværbinding, og mængden er her hensigtsmæssigt i intervallet fra 0,2 til 5 vægt%.

20 Særligt foretrukne materialer ifølge opfindelsen omfatter polyethylen som grundpolymer, en ethylen-alkylacrylatcopolymer og et tværbindingsmiddel, fortrinsvis et organisk peroxid.

Til højspændingskabler anvendes ofte et ydre bundet halvledende lag af en ethylen-alkylacrylatcopolymer. De foreliggende mate-25 rialer giver den største forenelighed med sådanne lag og derfor den største adhæsion. Mellemspændings- og højspændingskabler med et bundet ydre halvledende lag af en ethylen-acrylatcopolymer og en isolering af det foreliggende materiale vil således have de bedst mulige samlede elektriske egenskaber.

30 Hvis der anvendes en ethylen-vinylacetatcopolymer eller en ikke- acrylatcopolymer i det ydre halvledende lag til sådanne lag, der er aftagelige, hvilket sommetider ønskes, vil aftageligheden 5

DK 161278 B

formodentlig blive forbedret i kombination med det foreliggende isoleringsmateriale.

De foreliggende isoleringsmaterialer består i det væsentlige af ethylenpolymeren og ethylen-acrylatcopolymeren som tidligere 5 defineret. Selv om andre polymere materialer kan inkluderes i materialerne, indeholder de fortrinsvis ikke andre polymere materialer, og i det mindste ikke mere end 10 vægt% af sådanne materialer. Materialerne kan naturligvis indeholde additiver, der er sædvanlige til denne type materialer, såsom antioxidanter, 10 acceleratorer for tværbinding og forhalingsmidler for tværbinding, andre additiver til haanning af dannelser af water trees, prorad, feltstyrkeregulatorer etc., som anvendes i mindre mængder i forhold til grundmaterialet. Uorganiske materialer, f.eks. fyldstoffer, såsom aluminiumhydroxider, kaolin og antimonoxider, 15 skal fortrinsvis ikke findes i materialerne og i det mindste ikke i større mængder end 2 vægt%, da de fleste af disse materialer har en negativ virkning på dielektriske tab i større mængder.

Materialerne kan fremstilles på sædvanlig måde ved blanding i 20 sædvanligt blandeudstyr til portionsvis eller kontinuerlig fremstilling. Den tilsatte ethylen-acrylatcopolymer kan hensigtsmæssigt anvendes som bærer for andre additiver, såsom tværbindingsmidler, antioxidanter og etc.

Materialerne påføres på en metalleder som isolering over det 25 på denne i reglen værende halvledende lag. En udførelsesform ifølge opfindelsen angår også et isoleret kabel omfattende en metalleder, et halvledende lag og en isolering af det foreliggende materiale samt et ydre halvledende lag ekstruderet over dette og derefter tværbundet. Materialerne kan tværbindes, 30 og hertil kan anvendes de nylig udviklede og i stigende grad anvendte højtemperatur-tværbindingsprocesser, tørre hærdningsprocesser, hvor temperaturerne er ca. 250°C eller højere. I modsætning til andre typer copolymerer, såsom ethylen-vinyl- 6

DK 161278 B

acetatcopolymerer, kan de foreliggende materialer med acrylat-copolymerer behandles ved disse høje temperaturer uden nogen væsentlig nedbrydning og uden frigørelse af korroderende nedbrydningsprodukter. Dette betyder, at isolering ifølge opfin-5 delsen har en yderst god modstandsevne mod varmenedbrydning og derfor forøget levetid. Isolering ifølge opfindelsen har også meget god elektrisk stabilitet og nedsat eller hindret dannelse af water trees.

Opfindelsen illustreres nærmere i følgende eksempel, Dele og 10 procenter er efter vægt, med mindre andet er anført.

EKSEMPEL.

Evnen hos materialer ifølge opfindelsen til at modstå dannelse af water trees blev undersøgt ved afprøvning på Rogowsky-genstande. 15 Tilstedeværelsen af såkaldte butterflytræer og såkaldte viftetræer blev undersøgt og også gennemsnitsstørrelsen af de længste træer. Butterflytræer vokser fra uregelmæssigheder inde i isoleringen, medens viftetræer vokser fra grænsefladen mellem isolering og halvleder. Rogowsky-genstande giver et homogent elek-20 trisk felt som i et kabel under brug.Genstandene ser ud som små beholdere, og fra jordsiden er der en aluminiumplade, der tjener som vanddiffusionsbarriere og jordelektrode. Ved siden af denne plade er der en halvleder, og de to plader er støbt sammen. Ved siden af halvlederen er isoleringen, som er forud presset af 25 ekstruderet bånd. På isoleringen anbringes en vandbeholder, og vandet forbindes med en højspændingsgenerator. Beholderen, isoleringen og halvlederen med aluminiumpladen samles i en form og presses, og isoleringen tværbindes. Prøverne forbehandles i 3 dage ved 90°C i en ovn med luftcirkulation. Genstandene udsæt-30 tes så for en elektrisk belastning på 6 kV/mm ved 90°C i 3 uger.

7

DK 161278 B

Skiver udskæres så med mikrotom af genstandene, farves og undersøges i mikroskop.

Følgende materialer blev undersøgt som ovenfor beskrevet (i alle materialer var grundpolymeren en polyethylen med en vægtfylde på 5 922 kg/m3 og en MI2 på 2): a) 70% polyethylen og 30% af en ethylen-n-butylacrylatcopolymer (MI2 = 4) med et acrylatindhold på 27%.

b) 81,5% polyethylen og 18,5% ethylen-n-butylacrylatcopolymer ifølge a).

10 c) 70% polyethylen og 30% af en ethylen-n-butylacrylatcopolymer (MI2 = 3) med et acrylatindhold på 17%.

d) 75% polyethylen og 25% ethylen-n-butylacrylatcopolymer ifølge a).

Der blev foretaget sammenligning med polyethylengrundpolymeren 15 (e) sammenligning) og også med en ethylen-ethylacrylatcopolymer indeholdende 1,8% ethylacrylat (f) sammenligning). Alle prøver blev tværbundet med peroxid og afprøvet i tværbundet tilstand.

Resultaterne er vist i følgende tabel. Trætætheden er blevet 3 klassificeret efter en skala, hvor 0=0 træer pr. cm , 1 -20 300 træer, 2 = 301 - 800 træer, 3 = 801 - 1500 træer, 4 = 1501 - 2000 træer og 5 = mere end 2000 træer.

Claims (6)

1. 2. Materiale ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ethylenpolymeren i materialet har et smelteindex, MI2, i in- 35 tervallet fra 0,5 til 10. DK 161278 B
2. 3. Materiale ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det indeholder et tværbindingsmiddel.
3. 4. Materiale ifølge krav 3, kendetegnet ved, at tværbindingsmidlet er et organisk peroxid.
4. 5. Materiale ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det indeholder 10 - 35 vægt% acrylatcopolymer, beregnet på kombina-tionen af ethylenpolymer og acrylatcopolymer.
5. 6. Materiale ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at acrylatcopolymeren er ethylen-n-butylacrylat- copolymer. 15
6. 7. Materiale ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at acrylatindholdet i acrylatcopolymeren er i intervallet fra 9-50 vægt%. 8. isoleret kabel omfattende en metalleder, et halvledende lag og en isolering af et materiale, der i det væsentlige består af en ethylenpolymer, som er en homopolymer af ethylen eller en copolymer af ethylen og en α-olefin, og en ethylen-alkylacrylat-eller ethylen-alkylmethacrylatcopolymer i en mængde på 10 - 40 25 vægt%, beregnet på kombinationen af ethylenpolymer og acrylat copolymer , og et ydre halvledende lag ekstruderet over dette og derefter tværbundet. 30 35