EP0025091B1 - Wasserfeste Hochspannungsisolierung für elektrische Kabel und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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EP0025091B1
EP0025091B1 EP80103644A EP80103644A EP0025091B1 EP 0025091 B1 EP0025091 B1 EP 0025091B1 EP 80103644 A EP80103644 A EP 80103644A EP 80103644 A EP80103644 A EP 80103644A EP 0025091 B1 EP0025091 B1 EP 0025091B1
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EP
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insulation
water
silane compounds
grafted
voltage
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Hermann-Uwe Dr. Dipl.-Chem. Voigt
Cornelius Dipl.-Ing. Van Hove
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Kabelmetal Electro GmbH
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Kabelmetal Electro GmbH
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    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/44Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins
    • H01B3/441Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins from alkenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01B3/00Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/46Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes silicones
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/28Protection against damage caused by moisture, corrosion, chemical attack or weather
    • H01B7/2813Protection against damage caused by electrical, chemical or water tree deterioration

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a high-voltage insulation which is resistant to the formation or growth of water trees on the basis of polyethylene homo- or copolymers for electrical cables, in which silane compounds are grafted onto the base materials in the presence of peroxides .
  • a known cable construction (US Pat. No. 4,145,567) is used in the same direction and for the same purpose, for example.
  • a compressible layer of a closed-cell foam is arranged directly above the insulation or the outer conductive layer, which is enclosed by a metal tape glued to the edges.
  • the tape edges are not to be expected to be permanently watertight.
  • This known mixture contains a high proportion of peroxides, with the aim of crosslinking the extruded mixture in a subsequent heat treatment process at temperatures preferably between 215 and 230 ° C.
  • This type of crosslinking presupposes that temperatures which are below the decomposition temperature of the respective peroxides are selected when shaping the insulation.
  • the known y-methacryloxypropyltrimethoxysilanes have no possibility of being grafted onto the molecules of the base material before the mixture containing these compounds is formed. In the absence of a chemical bond, there is therefore a risk that the known silanes as well as other additives, for example stabilizers, antioxidants, plasticizers and the like.
  • the invention is therefore based on the object of ensuring permanent protection of the cable insulation against the influence of moisture, without having to switch to expensive new cable designs with perhaps other disadvantages.
  • silane compounds wherein R is a vinyl group and Y is an alkoxy group having less than 6 carbon atoms
  • the silane compounds are grafted onto the base materials in an amount of 0.2-10, preferably 1.0-3.0% by weight before the high voltage insulation is formed and that 0.05-0.1 parts peroxide, based on 100 parts polymer material, are used.
  • the chemical binding of the "inhibitors” guarantees permanent protection, since the silanes do not migrate out of the insulation, even at operating voltage and operating temperature. This grafting and thus the permanent protection against water trees is independent of whether the insulating material, e.g. Polyethylene, in the cross-linked or non-cross-linked state forms the cable insulation.
  • the silanes or corresponding compounds those which are already known, for example a vinyltrimethoxisilane, a vinyltriethoxisilane or similar vinylsilanes which have other hydrolyzable alkoxy groups instead of the methoxy or ethoxy groups, can be used. Depending on the requirements placed on the particular insulation, the stated amounts of silanes can be added to the mixture.
  • thermoplastic rubbers which are increasingly being introduced into technology, to graft silane compounds onto their molecules to increase the heat resistance of these materials and then to rub these rubbers crosslink by exposure to moisture.
  • these materials can also be called high-voltage-resistant (DE-A-2 554 944) and, owing to their resistance to petrol and oil, can be used, for example, as insulation for ignition cables in motor vehicle construction, where peak pulse voltages above 20 kV are expected, they remain However, apart from a possible voltage boost to higher kV values, if only because of the much lower resistance to heat compared to polyethylene and in particular to crosslinked polyethylene, this should not be considered when it comes to the high-voltage-proof insulation of electrical power cables.
  • a particularly advantageous continuation of the inventive idea results from the fact that the insulation, on the macromolecules of which the silane compounds protecting against water trees are grafted, is crosslinked by the action of moisture, and only in this way.
  • the invention is based on the consideration that the destruction mechanisms summarized under the keyword “water treeing " only take place in the amorphous part of the insulation or in the border area crystalline / amorphous.
  • the crystallites with their higher density are on the one hand more resistant to charge carriers accelerated in the electric field , on the other hand, almost impenetrable for H 2 0 permeation, so that diffusing water fronts have to migrate around the crystallites, so that with increasing degree of crystallinity of the insulation, decreasing H 2 0 permeation can be expected
  • Suitable heat radiators or wet in the usual steam cross-linking systems the cross-linking bridges formed far above the crystallite melting range, then these cross-linking points act as embedded impurities in the subsequent cooling to room temperature and crystallization of the structure, which is known I greatly reduce the degree of crystallinity of the material treated in this way compared to an uncrosslinked material, but in the sense of the previous considerations make it more sensitive to the effects of water.
  • the crosslinking sites are formed in the already crystallized state of the insulation, ie exclusively and only in the amorphous regions.
  • the crystal structure itself remains largely undisturbed by cross-linking points, which represent weak points in the crystal structure for possible water trees.
  • the bundle-like, polyfunctional crosslinking sites in the amorphous region of the solidified base polymers or base copolymers forming the insulation also give the polymer material a higher structural strength. Both effects - high undisturbed crystallinity and crosslinking nodes in the amorphous area of the insulation - lead to an increased, above that Lifespan of the cable constant resistance to water tree growth.
  • the physico-chemical property of the siloxane group Si-O-Si to repel water also plays an important role in protecting an insulation according to the invention.
  • the polymer for example polyethylene, is quasi “hydrophobized”, i.e. water-repellent, in its amorphous areas. As a result, both the pure diffusion and the electrophoretic diffusion taking place under the influence of the alternating electrical field are slowed down and the material is therefore more resistant to water trees.
  • the preparation of a water-protected insulation according to the invention expediently takes place in such a way that the silanes or silane compounds are grafted onto the macromolecules of the base materials after the mixing and homogenization of the individual mixture components and before the molding.
  • the melted polymer material is subjected to a temperature treatment of e.g. Subject to 180-250 ° C. Either for isolation, either immediately afterwards or after an intermediate storage in a second processing stage.
  • water-repellent siloxane groups are formed exclusively in the amorphous region between the crystallites.
  • the inner conductive layer 2 is applied over the conductor 1, which consists of individual wires, in order to homogenize the surface in order to prevent field strength peaks.
  • the insulation 3, for example made of polyethylene, is arranged above it, which in turn is covered by the outer conductive layer 4. With 5 the reinforcement is designated, the outer jacket 6, z. B. made of polyvinyl chloride, gives the external mechanical protection.
  • the insulation 3 is said to be resistant to water trees, for this purpose it can consist of a wide variety of polymer materials, onto the molecules of which silanes or silane compounds are grafted.
  • the insulation can have the following composition:
  • Insulation according to the invention can be produced, for example, by means of two extruders connected in series (cascade technology).
  • the silanes contained in the mixture are mixed, homogenized and grafted in the first extruder, while the second extruder is used to shape the mass which has already been grafted and delivered via a connecting part.
  • the latter can also be degassed in the transfer area.
  • any other method is also suitable if it is only ensured that the added silanes or silane compounds are grafted.
  • a two-step process is also possible, in which the grafting process is carried out in the first step, then the grafted material is blended with a catalyst batch and, in a second step, the material thus prepared is finally shaped by a shaping extrusion.
  • High-voltage cables in the sense of the invention are therefore to be understood to mean all electrical cables which are preferably operated with an operating voltage of 20 kV and above.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gegen das Entstehen oder das Wachstum von Wasserbäumchen (water trees) widerstandsfähigen Hochspannungsisolierung auf der Basis von Polyethylen Homo- oder Copolymerisaten für elektrische Kabel, bei dem Silan-Verbindungen auf die Basismaterialien in Gegenwart von Peroxiden aufgepfropft werden.
  • 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 Wasserbäumchen 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 11m Länge gelten als vergleichsweise ungefährlich.
  • Der sicherste, aber auch kostspieligste Weg zur Vermeidung von Wasserbäumchen 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 längswasserdichtem Schirm sowie einen kontinuierlich gestopften Leiter, so daß jegliche Längskanäle von vornherein ausgeschaltet sind. Diese Maßnahmen sind aber insbesondere für Mittelspannungskabel außerordentlich aufwendig.
  • In der gleichen Richtung liegt und dem gleichen Zweck dient beispielsweise auch eine bekannte Kabelkonstruktion (US-PS 4 145 567). Hierbei ist unmittelbar über der Isolierung bzw. 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 den 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 Wasserbäumchen, die die Zusammensetzung bzw. die Struktur des Dielektrikums betreffen. So ist es z. B. bekannt (DE-A-2 754 336), 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 Wasserbäumchen an Grenzflächen, z. B. zwischen Isolierung und leitfähigen Schichten, besonders groß ist (Wasserbüschel).
  • Vorgesehen ist es auch bereits (DE-A-2 817 804), 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 Silan- verbindungen 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. Das gilt auch für eine weitere bekannte Kabelisolierung, bei der spezielle Organosilan-Verbindungen, nämlich y-Methacryloxypropyltrimethoxysilane, in die Mischung eingegeben werden (EP-A-0 002 830). Diese bekannte Mischung enthält einen hohen Anteil an Peroxiden, mit dem Ziel, die extrudierte Mischung in einem anschließenden Wärmebehandlungsprozeß bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 215 und 230°C zu vernetzen. Diese Art der Vernetzung setzt voraus, daß bei der Ausformung der Isolierung Temperaturen gewählt werden, die unter der Zerfallstemperatur der jeweiligen Peroxide liegen. Damit aber haben die bekannten y-Methacryloxipropyltrimethoxisilane keine Möglichkeit, noch vor der Ausformung der diese Verbindungen enthaltenen Mischung auf die Moleküle des Basismaterials aufgepfropft zu werden. Mangels einer chemischen Bindung besteht deshalb Gefahr, daß die bekannten Silane ebenso wie andere Zusätze, z.B. Stabilisatoren, Antioxidantien, Weichmacher u.dgl. mit der Zeit aus der Isolierung hinaus 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. Zwar ist davon auszugehen, daß aufgrund der Behandlung der ausgeformten und die Peroxide enthaltenen Kabelisolierung bei zum Zwecke der Vernetzung erhöhten Temperaturen es hier und da zu einer Pfropfreaktion des Silans und damit zu einer chemischen Bindung kommt, diese Pfropfung kann aber durch den für die Vernetzungsreaktion notwendigen hohen Peroxidanteil nicht gezielt und gleichmäßig ablaufen, sondern nur im Zusammen- oder Gegeneinanderspiel mit der gleichzeitig ablaufenden peroxidischen Vernetzung mehr oder weniger häufig, d. h. mehr zufällig, erreicht werden. Ein sicherer Schutz der nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Kabelisolierung gegen Wasserbäumchen ist somit nicht gewährleistet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen dauerhaften Schutz der Kabelisolierung gegen den Einfluß von Feuchtigkeit sicherzustellen, ohne auf kostenaufwendige neue Kabelkonstruktionen mit vielleicht anderen Nachteilen übergehen zu müssen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß als Silanverbindungen solche der allgemeinen Formel
    Figure imgb0001
    wobei R eine Vinylgruppe und Y eine Alkoxygruppe mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen ist, verwendet werden, und die Silanverbindungen vor der Ausformung der Hochspannungsisolierung auf die Basismaterialien in einer Menge von 0,2-10, vorzugsweise 1,0-3,0 Gew% aufgepfropft werden und daß 0,05-0,1 Teile Peroxid, bezogen auf 100 Teile Polymermaterial, eingesetzt werden.
  • Durch die 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 Betriebstemperatur unterbleibt. Diese Pfropfung und damit der dauerhafte Schutz gegen Wasserbäumchen ist unabhängig davon, ob das Isoliermaterial, z.B. Polyethylen, im vernetzten oder unvernetzten Zustand die Kabelisolierung bildet. Als Silane bzw. entsprechende Verbindungen können die schon bekannten, beispielsweise ein Vinyltrimethoxisilan, ein Vinyltriäthoxisilan oder ähnliche Vinylsilane, die anstelle der Methoxi- bzw. Äthoxi-Gruppen andere hydrolisierbare Alkoxi-Gruppierungen aufweisen, verwendet werden. Je nach den Erfordernissen, die an die jeweilige Isolierung gestellt werden, können die angegebenen Mengen an Silanen der Mischung zugesetzt werden.
  • An sich ist es zwar bekannt, auf die Makromoleküle von Thermoplasten, Elastomeren oder thermoplastischen Kautschuken Silanverbindungen aufzupfropfen (DE-A-2 555 018), dies jedoch mit dem Ziel, durch eine anschließende Feuchtigkeitsvernetzung eine Kabeiumhüllung zu schaffen, die gegen äußere Einflüsse weitgehend unempfindlich ist und eine hohe mechanische Stabilität aufweist.
  • Bekannt ist es ferner (DE-A-2 554 944), bei einer speziellen Art von Kautschuken, nämlich den in zunehmendem Maße in die Technik eingeführten sog. thermoplastischen Kautschuken, zu Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit dieser Materialien auf deren Moleküle Silanverbindungen aufzupfropfen und diese Kautschuke anschließend durch Feuchtigkeitseinwirkung zu vernetzen. Diese Materialien können zwar auch, in gewissem Rahmen, als hochspannungsfest bezeichnet werden (DE-A-2 554 944) und aufgrund einer Benzin-und Ölbeständigkeit beispielsweise als Isolierung für Zündleitungen im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden, wo Impulsspitzenspannungen über 20 kV erwartet werden, sie bleiben jedoch, abgesehen von einer möglichen Spannungsertüchtigung auf höhere kV-Werte, schon allein aufgrund der gegenüber Polyethylen und insbesondere gegenüber dem vernetzten Polyethylen, wesentlich geringeren Wärmestandfestigkeit außer Betracht, wenn es um die hochspannungsfeste Isolierung von elektrischen Energiekabeln geht.
  • 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 undurchdringlich für eine H20-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 Abkühlung 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 Wasserbäumchen 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 Werkstoff 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 Temperaturbehandlung 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-Hochspannungskabels 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 Isolierung 3, beispieJsweise aus Polyäthylen angeordnet, die ihrerseits 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 Silan- verbindungen aufgepfropft sind. Beispielsweise kann die Isolierung die folgende Zusammensetzung aufweisen:
  • Beispiel I Polyäthylen-Homopolymerisat (Dichte: 0,918-0,930; Meltindex: 0,2-2,5) 100 Teile
  • Figure imgb0002
  • Beispiel II Polyäthylen-Copolymerisat mit weniger als 8 Mol% Vinylacetat - bzw. Acrylat-Anteil (Dichte: 0,930-0,935; Melt-
  • Figure imgb0003
  • 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 Ausformung 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 200 h. 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:
    Figure imgb0004
  • Hieraus ist klar ersichtlich, daß bei Alterung mit VDE-mäßigen Leitertemperaturen Polyäthylen und vernetztes Polyäthylen etwa gleiche Resistenz gegen Wasser aufweisen, jedoch mit gepfropften 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)

1. Verfahren zur Herstellung einer gegen das Entstehen oder das Wachstum von Wasserbäumchen (water trees) widerstandsfähigen Hochspannungsisolierung auf der Basis von Polyethylen Homo- oder Copolymerisaten für elektrische Kabel, bei dem Silan-Verbindungen auf die Basismaterialien in Gegenwart von Peroxiden aufgepfropft werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Silan- verbindungen solche der allgemeinen Formel
Figure imgb0005
wobei R eine Vinylgruppe und Y eine Alkoxygruppe mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen ist, verwendet werden, und die Silanverbindungen vor der Ausformung der Hochspannungsisolierung auf die Basismaterialien in einer Menge von 0,2-10, vorzugsweise 1,0-3,0 Gew% aufgepfropft werden und daß 0,05-0,1 Teile Peroxid, bezogen auf 100 Teile Polymermaterial, eingesetzt werden.
EP80103644A 1979-08-31 1980-06-27 Wasserfeste Hochspannungsisolierung für elektrische Kabel und Verfahren zu deren Herstellung Expired EP0025091B1 (de)

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