EP0025091A2

EP0025091A2 - Wasserfeste Hochspannungsisolierung für elektrische Kabel und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: EP0025091A2
Application number: EP80103644A
Authority: EP
Inventors: Hermann-Uwe Dr. Dipl.-Chem. Voigt; Cornelius Dipl.-Ing. Van Hove
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH; KM Kabelmetal AG
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1981-03-18
Also published as: ATE41075T1; AU6087480A; JPS5636806A; CA1153798A; EP0025091A3; EP0025091B1; DE2935224A1

Abstract

Die Wasserbeständigkeit elektrischer Hochspannungsisolierungen auf der Basis polymerer Werkstoffe wird dadurch erhöht, daß auf deren Basismoleküle Silanverbindungen aufgepfropft werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wasserfeste Hochspannungsisolierung für elektrische Kabel auf der Basis polymerer Werkstoffe, wie Olefinpolymerisate oder Olefinmischpolymerisate, Elastomere oder thermoplastische Kautschuke, jeweils allein oder in Mischung, die als Inhibitoren gegen das Entstehen oder das Wachstum von Wasserbäumchen (water trees) Silane oder Silanverbindungen der allgemeinen Formel
enthält. wobei R eine Vinyleruppe oder γ-Metharcryloxypropylgruppe und Y eine Alkoxygruppe mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen ist.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Untersuchungen in der Technik durchgeführt worden, mit dem Ziel, offenbar durch Wasseransammlungen (Wasserbäumchen, "water trees") verursachte Schäden in der Isolierung elektrischer Kabel aufzuklären und Maßnahmen zu treffen, diese Kabelschäden zu vermeiden. Entsprechend hoch ist auch die Anzahl der Veröffentlichungen, die das Wachstum der Wasserbaumchen beschreiben und Vorschläge zur Unterdrückung solcher die Lebenserwartungen der Kabel erniedrigenden Erscheinungen machen. Dabei besteht offenbar Übereinstimmung darüber, daß die Wasseransammlungen sich umso gefährlicher auswirken, je größer sie sind. Solche von nur wenigen µm Länge gelten als vergleichsweise ungefährlich.
Der sicherste, aber auch kostspieligste Weg zur Vermeidung von Wasserbäumehen ist die strikte Ausschaltung von Wasser über den gesamten Lebenszeitraum des Kabels. Das bedeutet aber einen geschlossenen, Z. B. an den Kanten verschweißten, Metallmantel mit längxwasserdirhtem Schirm sowie einen kontinuierlich gestopften Leiter, so daß jegliche Längskanäle von vornherein ausgeschaltet sind. Diese Maßnahmen sind aber insbesondere für Mittel.svannungskabel außerordentlich aufwendig.
In der gleichen Richtung liegt und dem gleichen Zweck dient beispielsweise auch eine bekannto Kabelkonstruktion (US-PS 4,145,567). Hierbei ist unmittelbar über der Isolierungbzw. der äußeren Leitschicht eine zusammendrückbare Schicht aus einem geschlossenporigen Schaum angeordnet, die von einem an den Kanten verklebten Metallband umschlossen ist. Abgesehen von dem erhöhten konstruktiven Aufwand und der vergrößerten äußeren Abmessungen ist wegen der Verklebung der Bandkanten nicht mit einer Wasserdichtigkeit auf Dauer zu rechnen.
Es gibt aber auch andere Vorschläge zur Vermeidung bzw. Verminderung der Gefahr von Wasserbaumchen, die die Zusammensetzung bzw. die Struktur des Dielektrikums betreffen. So ist es z. B. bekannt (DOS 27 54 336), in der Kunststoffisolierung ein von innen nach außen gerichtetes Diffusionsgefälle vorzusehen. So soll etwa die Isolierung mit einer Schicht aus wasserabsorbierendem Material umgeben werden. Unberücksichtigt geblieben ist hierbei allerdings, daß offenbar die Gefahr von Wasserbaumchen an Grenzflächen, z. B. zwischen Isolierung und leitfähigen Schichten, besonders groß ist (Wasserbüschel).
Vorgesehen ist es auch bereits (DOS 28 17 804), in einem Energiekabel außen und getrennt von der äußeren halbleitenden Schicht eine weitere, einen hygroskopischen Werkstoff enthaltende Schicht anzuordnen, die die relative Feuchtigkeit der Umgebung einschließlich der Leiterisolation auf einen 70 % nicht übersteigenden Wert begrenzt und stabilisiert. Dies soll zu einem wirklichen Schutz der Isolierung selbst dann führen, wenn diese Hohlräume und Verunreinigungen enthält.
Eine solche Feuchtigkeit absorbierende Schicht kann aber ebenso wie die Zugabe feuchtigkeitsaufnehmender Füllstoffe in die Isolierung (US-PS 4,049,830) sowie wasserlöslicher Elektrolyte nur die Wirkung haben, den Zeitpunkt mit Sicherheit unter dem Einfluß des elektrischen Feldes auftretender Schäden hinauszuschieben, wobei letztere Maßnahmen noch den Nachteil erhöhter Verunreinigungen in der Isolierung mit sich bringen, was insbesondere bei höheren Spannungen zu Schwierigkeiten führt.
Offenbar auch aus diesem Grunde ist eine andere Maßnahme zur Verringerung bzw. Vermeidung von Wasserbäumchen in der Kunststoffisolierung elektrischer Kabel bekannt geworden (US-PS 4,144,202). In diesem Fall werden dem Isoliermaterial, vernetzbar oder nicht, Silane oder Silanverbindungen als sog. Wasserbäumchen-Inhibitoren zugegeben. Mittels eines besonderen Tests wird der Nachweis erbracht, daß solche Inhibitoren enthaltende Mischungen bzw. daraus hergestellte Isolierungen gegen Wasserbäumchen eine hohe Resistenz aufweisen. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß diese Inhibitoren ebenso wie in der Kabeltechnik seit langem verwendete andere Zusätze, wie Stabilisatoren, Antioxidantien, Weichmacher und dergl. das Bestreben haben, mit der Zeit aus der Isolierung hinaus zu diffundieren, so daß ihre Wirksamkeit wieder nachläßt. Auch diese bekannte Maßnahme ist deshalb lediglich geeignet, den Zeitpunkt mit Sicherheit unter dem Einfluß des elektrischen Feldes auftretender Schäden hinauszuschieben, ein dauerhafter Schutz des Kabels ist auch hiermit nicht gegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen dauerhaften Schutz der Kabelisolierung gegen den Einfluß von Feuchtigkeit sicherzustellen, ohne auf kostenaufwendige neue Kabelkonatruktionen mit vielleicht anderen Nachteilen übergehen zu müssen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Silane oder Silanverbindungen auf die Makromoleküle der Basispolymere oder Basismischpolymere aufgepfropft und damit chemisch an diese gebunden sind. Durch diese chemische Bindung der "Inhibitoren" ist die Gewähr für einen dauerhaften Schutz gegeben, da eine Migration der Silane aus der Isolierung heraus auch bei Betriebsspannung und Betriebstemperaturen unterbleibt. Diese Pfropfung und damit der dauerhafte Schutz gegen Wasserbäumchen ist unabhängig davon, ob das Isoliermaterial, z. B. Polyäthylen, im vernetzten oder unvernetzten Zustand die Kabelisolierung bildet. Als Silane bzw. entsprechende Verbindungen können die schon bekannten, beispielsweise ein Vinyltrimethoxisilan, ein Vlnyltriäth-o:iris,ilan oder ähnliche Vinylailane, die anstelle der Methoxi- bzw. Athoxi-Gruppen andere hydrolisierbare Alkoxi-Gruppierungen aufweiaen, verwendet werden. Je nach den Erfoderniasen, die an die jeweiligen Isolierung gestellt werden, können Mengen von 0,2 - 10 %,vorzugsweise 1,0 - 3,0 Gew.-%-an Silanen in Durchführung der Erfindung eingesetzt werden.
An sich ist es zwar bekannt, auf die Makromoleküle von poly_- meren Werkstoffen Silane aufzupfropfen, um damit bei einer späteren Feuchtigkeitseinwirkung Vernetzungsstellen zu schaffen. Abweichend von der Erfindung sollen hierbei jedoch die mechanischen Eigenschaften gegenüber unvernetzten Materialien verbessert und insbesondere die Temperaturbeständigkeit solcher Werkstoffe erhöht werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterführung des Erfindungsgedankens ergibt sich noch dadurch, daß die Isolierung, auf deren Makromoleküle die vor Wasserbäumchen schützenden Silanverbindungen aufgepfropft sind, durch Feuchtigkeitseinwirkung, und zwar ausschließlich auf diese Weise, vernetzt ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß die unter dem Stichwort "water treeing" zusammengefaßten Zerstörungsmechanismen ausschließlich im amorphen Teil der Isolierung bzw. im Grenzbereich kristallin/amorph ablaufen. Die Kristallite mit ihrer höheren Dichte sind einerseits resistenter gegen im elektrischen Feld beschleunigte Ladungsträger, andererseits nahezu undurchdrin-glich für eine H 0-Permeation. Diffundierende Wasserfronten müssen also die Kristallite umwandern, so daß bei steigendem Kristallinitätsgrad der Isolierung mit geringer werdender H₂0-Permeation gerechnet werden kann. Werden nun wie bei der bekannten peroxidischen Vernetzung, trocken mittels geeigneter Wärmestrahler oder naß in den üblichen Dampf-Vernetzungsanlagen, die Vernetzungsbrücken weit oberhalb des Kristallitschmelzbereiches gebildet, dann wirken diese Vernetzungsstellen bei der anschließenden Ablühlung auf Raumtemperatur und Kristallisation des Gefüges als eingelagerte Störstellen, die bekanntlich den Kristallinitätsgrad des so behandelten Werkstoffes gegenüber einem unvernetzten stark herabsetzen, damit aber im Sinne der vorherigen Überlegungen gegen Wassereinwirkung empfindlicher machen.
Wird dagegen, wie in Durchführung der Erfindung vorgesehen, das aufgepfropfte Polymermaterial unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzt, dann erfolgt die Ausbildung der Vernetzungsstellen in bereits auskristallisiertem Zustand der Isolierung, d. h. ausschließlich und nur in den amorphen Bereichen. Das Kristallgefüge selbst bleibt aber von Vernetzungsstellen, die im Kristallgefüge Schwachstellen für mögliche Wasserbaumchen darstellen, weitgehend ungestört. Die bündelartigen. polyfunktionellen Vernetzungsstellen im amorphen Bereich der die Isolierung bildenden erstarrten Basispolymere bzw. Basismischpolymere verleihen dem Polymermaterial darüber hinaus eine höhere Strukturfestigkeit. Beide Effekte - hohe ungestörte Kristallinität und Vernetzungsknoten im amorphen Bereich der Isolierung - führen zu einem erhöhten, über die Lebensdauer des Kabels gleichbleibenden Widerstand gegen Wasserbäumchen-Wachstum.
Neben diesen morphologischen Einflüssen spielt für den Schutz einer Isolierung nach der Erfindung noch eine wesentliche Rolle die physikalisch-chemische Eigenschaft der Siloxangruppe Si-O-Si, Wasser abzustoßen. Das Polymere, beispielsweise das Polyäthylen, wird in seinen amorphen Bereichen quasi "hydrophobiert", d. h. wasserabweisend eingestellt. Dadurch wird sowohl die reine Diffusion als auch die unter dem Einfluß des elektrischen Wechselfeldes erfolgende elektrophoretische Diffusion gebremst und damit der Werketoff gegen Wasserbäumchen widerstandsfähiger.
Die Herstellung einer wassergeschützten Isolierung nach der Erfindung geschieht zweckmäßig in der Weise, daß die Silane oder Silanverbindungen im Anschluß an die Mischung und Homogenisierung der einzelnen Mischungskomponenten und noch vor der Ausformung auf die Makromoleküle der Basismaterialien aufgepfropft werden. Zu diesem Zweck wird das aufgeschmolzene Polymermaterial einer Temperaturbehandilung von z. B. 180 - 250° C unterworfen. Entweder unmittelbar anschließend oder aber auch nach einer Zwischenlagerung in einer zweiten Verarbeitungsstufe kann die Ausformung zur Isolierung erfolgen. Nach Abkühlung der Isolierung und Feuchtigkeitseinwirkung auf diese werden in Durchführung der Erfindung ausschließlich im amorphen Bereich zwischen den Kristalliten wasserabstoßende Siloxan-Gruppierungen gebildet.
Die Erfindung sei an Hand des als Ausführungsbeispiel dargestellten Einleiter-Hochspannungstabels näher erläutert.
Über dem aus Einzeldrähten bestehenden Leiter 1 ist zur Vergleichmäßigung der Oberfläche zur Unterbindung von Feldstärkenspitzen die innere Leitschicht 2 aufgebracht. Darüber ist die Isolieru. g 3, beispielsweise aus Polyäthylen angeordnet, die ihrer―soits von der äußeren Leitschicht 4 überdeckt ist. Mit 5 ist die Bewehrung bezeichnet, der Außenmantel 6, z. B. aus Polyvinylchlorid, gibt den äußeren mechanischen Schutz.
Die Isolierung 3 soll gegen Wasserbäumchen widerstandsfähig sein, sie kann zu diesem Zweck aus den unterschiedlichsten Polymermaterialien bestehen, auf deren Moleküle Silane oder Silanverbindungen aufgepfropft sind. Beispielsweise kann die Isolierung die folgende Zusammensetzung aufweisen:

Beispiel I

Beispiel II

Die Herstellung einer Isolierung nach der Erfindung kann beispielsweise mittels zweier hintereinander geschalteter Extruder erfolgen. (Kaskadentechnologie). Hierbei erfolgt im ersten Extruder die Mischung, Homogenisierung und Pfropfung der in der Mischung enthaltenen Silane, während der zweite Extruder zur Auaformung der über ein Verbindungsteil angelieferten, bereits gepfropften Masse dient. Letztere kann im Übergabebereich zusätzlich noch entgast werden. Aber auch jedes andere Verfahren ist geeignet, wenn nur dafür gesorgt wird, daß eine Pfropfung der zugegebenen Silane oder Silanverbindungen erfolgt. So ist beispielsweise auch ein Zwei-Schritt-Verfahren möglich, bei dem im 1. Schritt der Pfropfvorgang durchgeführt, dann das gepfropfte Material mit einem Katalysator-Batch verschnitten und in einem 2. Schritt schließlich das so vorbereitete Material durch eine Formgebungsextrusion ausgeformt wird.
Zum Nachweis der Wirksamkeit des Erfindungsgedankens wurde je zwei Kabelmuster, geeignet für die Übertragung von 20 KV, mit einer Isolierung aus unvernetztem Polyäthylen.dampfvernetztem Polyäthylen und schließlich mit einem Polyäthylen umgeben, das entsprechend der Erfindung vorbereitet war. Diese Muster wurden mit verschiedenen Leitertemperaturen unter Betriebsspannung gealtert, und zwar während 200h. Danach wurden in die Leiter 1 und Schirme 5 dieser Musterlängen Wasser gefüllt, die Leiter zyklisch geheizt und die Längen über 120 Tage mit einer mittleren Feldstärke von ca. 6 kV/mm beansprucht. Schließlich wurde die elektrische Restfestigkeit mit Wechselspannung in einem 1-Stunden-Stufentest ermittelt.
Die folgende Tabelle gibt das erzielte Ergebnis wieder:
Hieraus ist klar ersichtlich, daß bei Alterung mit VDE-mäßigen Leitertemperaturen Polyäthylen und vernetztes Polyäthylen etwa gleiche Resistenz gegen Wasser aufweisen, jedoch mit ge- pfropften Silanen behandeltes Polyäthylen deutlich höhere Spannungsstufen erreicht.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für alle elektrischen kabel, die mit erhöhter Betriebsspannung betrieben werden. Als Hochspannungskabel im Sinne der Erfindung sollen daher alle elektrischen Kabel verstanden werden, die vorzugsweise mit 20 kV Betriebsspannung und darüber betrieben werden.

Claims

1. Wasserfeste Hocbspannunaaiaolierung für elektrische Kabel auf der Basis polymerer Werkstoffe, wie Olefinpolymerisate oder Olefinmiachpolymorinate, Elastomere oder theraoplastische Kautschuke, jeweils allein oder im Mischung, die als Inhibitoren gegen das Entstehen oder das Wachstum von Wasserbäumchen (water trees) Silanverbindungen der allgemeinen Formel

enthält, wobei R eine Vinylgruppe oder [ -Methacryloxypropylgruppe und Y eine Alkoxygruppe mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Silane oder Silanverbindungen auf die Makromoleküle der Basispolymere oder Baaisniachpolymere aufgepfropft und damit chemisch an diese gebunden sind.

2. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Silane oder Silanverbindungen in einer Menge von 0,2 - 10, vorzugsweise 1,0 - 3,0 Gew.-% enthält.

3. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung durch Feuchtigkeitseinwirkung vernetzt ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer hochspannungsfesten Isolierung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Silane oder Silanverbindungen im Anschluß an die Mischung und Homogenisierung der einzelnen Mischungskomponenten und noch vor der Ausformung auf die Makromoleküle der Basismaterialien aufgepfropft werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemischten Materialkomponenten kurzfristig zur Pfropfung auf Temperaturen zwischen 180 - 250° C gebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnete daß nach Abkühlung der ausgeformten Isolierung und anschließender Feuchtigkeitseinwirkung ausschließlich im amorphen Bereich zwischen den Kristalliten des Polymermaterials wasserabstoßende Siloxan-Gruppierungen gebildet werden.