ES2200408T3

ES2200408T3 - Cable electrico que comprende una capa semiconductora expandida.

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Publication number: ES2200408T3
Application number: ES98966355T
Authority: ES
Inventors: Sergio Belli; Alberto Bareggi; Luigi Caimi; Luca Balconi
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2004-03-01
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP2001527267A; CN1306668A; US6455769B1; EP1042763B1; HUP0100055A3; DK1042763T3; EP1042763A1; CA2315694A1; WO1999033070A1; CN1142557C; HUP0100055A2; DE69814921D1; HU223024B1; PT1042763E; CA2315694C; HK1032141A1; DE69814921T2; ATE241204T1

Abstract

Cable eléctrico que comprende un conductor, por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una capa de material polimérico expandido situado debajo de dicho blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa del material polimérico expandido es semiconductora y comprende un material hinchable por agua.

Description

Cable eléctrico que comprende una capa semiconductora expandida.

La presente invención se refiere a un cable eléctrico, en concreto para la transmisión o distribución de energía a medio o alto voltaje, que dispone de una capa semiconductora expandida de bloqueo de agua. En la presente descripción, el término "medio voltaje" se refiere a un voltaje entre aproximadamente 1 kV y aproximadamente 30 kV, mientras que el término "alto voltaje" se refiere a voltajes por encima de 30 kV.

Los cables para la transmisión o distribución de energía a medio o alto voltaje consisten generalmente en un conductor metálico recubierto con una primera capa semiconductora interna, una capa aislante y una capa semiconductora externa. Para algunas utilizaciones, en concreto cuando es necesario que sean impermeables respecto al exterior, el cable se encierra dentro de un blindaje metálico, normalmente un blindaje de aluminio o cobre, que consiste en un tubo continuo o en una hoja metálica en forma de tubo y soldada o sellada para que sea impermeable.

Durante la producción, instalación o utilización, se pueden producir roturas y perforaciones del blindaje metálico, que permiten la penetración de humedad o incluso agua dentro del núcleo del cable, con la formación de ramificaciones electroquímicas en la capa aislante, que pueden causar un fallo en el aislamiento.

Una solución posible para este problema se proporciona en la patente de Estados Unidos número 4.145.567. En la misma se muestra un cable de alto voltaje que presenta, alrededor del exterior de la capa semiconductora externa, una capa comprimible de un material plástico espumado que debe evitar que la humedad exterior alcance la capa aislante, evitando por tanto la formación de ramificaciones electroquímicas. Según esa descripción, el blindaje metálico preferiblemente mantiene cierta presión contra la capa comprimible de forma que ni el aire ni cualquier otro fluido puede desplazarse a lo largo de la interficie entre la capa comprimible y el blindaje metálico. Como seguridad añadida contra el paso de fluido a lo largo del cable, el blindaje metálico puede encontrarse fijado a la capa comprimible. La capa comprimible es preferiblemente semiconductora.

Las rupturas del blindaje metálico pueden ser ocasionadas por los ciclos térmicos a los cuales se somete el cable como resultado de las variaciones diarias de la intensidad de la corriente transportada, con variaciones correspondientes de la temperatura del cable entre la temperatura ambiente y la temperatura máxima de funcionamiento (por ejemplo entre 20ºC y 90ºC). Estos ciclos térmicos causan la dilatación y la contracción subsiguiente de las capas de revestimiento del cable, con consiguientes fuerzas radiales que se ejercen sobre el blindaje metálico. Por tanto el blindaje metálico puede sufrir deformaciones mecánicas con formación de espacios vacíos entre el blindaje y la capa semiconductora externa, que pueden dar lugar a no uniformidades en el campo eléctrico. En el caso extremo, estas deformaciones pueden conducir a la ruptura del blindaje, en particular cuando se encuentra soldado o unido por medio de sellado, y por tanto a la pérdida completa de la funcionalidad del blindaje.

Una solución posible para este problema se proporciona en la patente de Estados Unidos número 5.281.757, donde el blindaje metálico es libre para moverse respecto a las capas adyacentes y presenta las zonas de borde superpuesto unidas por medio de un adhesivo que permite que las zonas de borde superpuesto se muevan una respecto a la otra durante los ciclos térmicos del cable. Entre el blindaje metálico y el núcleo del cable se puede aplicar una capa amortiguadora como la que se muestra en la patente de Estados Unidos número 4.145.567 mencionada anteriormente. Si se desea, la capa amortiguadora puede ser una cinta hinchable por agua o un polvo hinchable por agua en lugar de un material plástico espumado.

Según la experiencia del solicitante, los diseños de cable como los que se describen en US-4.145.567 y US-5.281.757 no son completamente satisfactorios. En primer lugar, la presencia de una capa comprimible entre el blindaje metálico y el núcleo del cable como se muestra en US-4.145.567 no es suficiente para evitar de forma efectiva la penetración y propagación de la humedad o el agua a lo largo del cable. De hecho, para obtener un efecto de bloqueo del agua efectivo, en US-5.281.757 se sugiere utilizar, en lugar de la capa comprimible, una cinta o polvo hinchable por agua. Sin embargo, la introducción de un material hinchable por agua debajo del blindaje metálico causaría serios problemas eléctricos. De hecho, el blindaje metálico, además de constituir una barrera contra la penetración de agua y/o humedad, ejerce funciones eléctricas importantes y necesita encontrarse en contacto eléctrico con la capa semiconductora externa. Una primera función del blindaje metálico es por supuesto crear un campo eléctrico radial uniforme en el interior del cable y, simultáneamente, cancelar el campo eléctrico en el exterior del cable. Otra función es dar soporte a corrientes de cortocircuito.

La presencia de un material aislante como un material hinchable por agua debajo del blindaje metálico no puede asegurar la continuidad eléctrica entre el núcleo del cable y el blindaje eléctrico. Además, desde el punto de vista de la fabricación y la manipulación, la utilización de cintas hinchables por agua o polvos libres hinchables por agua presenta muchos inconvenientes. En concreto, la utilización de una cinta hinchable por agua implica un aumento de los costes apreciable y un descenso de la productividad, puesto que estas cintas son caras e implican la adición de una etapa de envoltura al proceso de fabricación del cable. Por otro lado, la presencia de polvos hinchables por agua de flujo libre hace bastante complicada la fabricación e instalación del cable.

Finalmente, se conocen en la técnica cables que se diseñan para atenuar el efecto de los ciclos térmicos sobre el blindaje metálico y al mismo tiempo evitar la propagación de humedad y/o agua a lo largo del cable. Estos cables disponen de una capa semiconductora externa con surcos longitudinales en forma de V que se rellenan con un material hinchable por agua en forma de polvo. La geometría en forma de V debería por un lado asegurar el contacto eléctrico entre la capa semiconductora y el blindaje metálico y por otro lado debería ayudar a la recuperación elástica de las dilataciones térmicas por parte del material que constituye la capa semiconductora.

Sin embargo, la producción de estos surcos longitudinales implica la utilización de una capa semiconductora de un grosor alto (aproximadamente 2 mm o más), aumentando por ello el coste y el peso total del cable. Además, la geometría que se desea para la capa semiconductora se logra generalmente por medio de un procedimiento preciso de extrusión en el cual se utilizan matrices diseñadas adecuadamente. Sobre la base de la experiencia del solicitante, la formación de surcos de geometría irregular es, en términos prácticos, inevitable durante un proceso de extrusión de dicho tipo. Estas irregularidades geométricas pueden dar lugar a una distribución no uniforme de la presión ejercida sobre el blindaje metálico y evitar por tanto que la capa semiconductora realice correctamente su función de absorción elástica de las fuerzas radiales.

Por tanto, los cables según la técnica anterior arriba descrita no pueden tratar de forma efectiva el problema de evitar la penetración y propagación de humedad y/o agua en el interior del núcleo del cable, y el problema de las posibles deformaciones o roturas del blindaje metálico debido a los ciclos térmicos del cable, manteniendo al mismo tiempo un contacto eléctrico correcto entre el blindaje metálico y el núcleo del cable.

El solicitante ha encontrado ahora que los problemas anteriores se pueden solucionar de forma efectiva por medio de insertar, debajo del blindaje metálico, una capa de material polimérico expandido que presenta propiedades semiconductoras y que comprende un material hinchable por agua. Esta capa es capaz de absorber de forma elástica y uniforme fuerzas radiales de expansión y contracción debidas a los ciclos térmicos a los que se somete el cable durante su utilización, mientras que asegura la continuidad eléctrica necesaria entre el cable y el blindaje metálico. Además, la presencia del material hinchable por agua disperso en la capa expandida es capaz de bloquear de forma efectiva la humedad y/o el agua, evitando así la utilización de cintas hinchables por agua o de polvos libres hinchables por agua.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere por tanto a un cable eléctrico que comprende un conductor, por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una capa de un material polimérico expandido situada debajo de dicho blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa de material polimérico expandido es semiconductora y comprende un material hinchable por agua.

En lo siguiente, la "capa de un material polimérico expandido" será referida de forma concisa como "capa expandida".

En la presente descripción y reivindicaciones, el término "material polimérico expandido" se entenderá que hace referencia a un material polimérico con un porcentaje predeterminado de espacio "libre" en el interior del material, o sea espacio no ocupado por el polímero sino por un gas o aire.

En general, el porcentaje de espacio libre en un polímero expandido se expresa en términos del grado de expansión (G), que se define por medio de la fórmula siguiente:

G = (d_{0}/d_{e} - 1) \cdot 100

donde d_{0} indica la densidad del polímero no expandido y d_{e} indica la densidad aparente medida sobre el polímero expandido.

El grado de expansión de la capa expandida según la presente invención puede variar dentro de un campo amplio, dependiendo tanto del material polimérico específico utilizado como del grosor del revestimiento que se pretende obtener. El grado de expansión se determina previamente para asegurar que las fuerzas radiales de expansión y contracción térmica del cable se absorben elásticamente y, simultáneamente, para mantener las propiedades semiconductoras. En general, el grado de expansión puede variar desde 5% hasta 500%, preferiblemente desde 10% hasta 200%.

En lo que respecta al grosor de la capa expandida según la presente invención, éste es igual a por lo menos 0,1 mm; preferiblemente se encuentra entre 0,2 y 2 mm y todavía más preferiblemente entre 0,3 y 1 mm. Los grosores por debajo de 0,1 mm son difíciles de producir en la práctica y, en cualquier caso, permiten solamente una compensación limitada de la deformación, mientras que los grosores por encima de 2 mm, aunque en principio no presentan inconvenientes funcionales, se pueden utilizar cuando cualquier requerimiento específico justifica el aumento de coste.

Según un aspecto preferido, el cable eléctrico según la presente invención comprende también una capa semiconductora compacta situada entre la capa aislante y la capa expandida.

El término "capa semiconductora compacta" se refiere a una capa realizada con material semiconductor no expandido, o sea material que presenta un grado de expansión sustancialmente nulo.

Según la percepción del solicitante, esta capa semiconductora compacta puede realizar ventajosamente la función de evitar la descarga parcial, y por tanto el daño sobre el cable causado por cualquier irregularidad de la superficie de la interficie entre el revestimiento aislante y la capa expandida. Esta función puede realizarse incluso por medio de una capa semiconductora muy delgada, en concreto de aproximadamente 0,1 mm o incluso menos. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, es preferible un grosor entre 0,2 y 1 mm, e incluso es más preferible entre 0,2 y 0,5 mm.

Como se ha indicado arriba, la capa expandida comprende un material hinchable por agua. Como se muestra por medio de las pruebas realizadas por el solicitante, la capa expandida es capaz de incorporar grandes cantidades de material hinchable por agua y el material hinchable por agua incorporado es capaz de expandirse cuando la capa expandida entra en contacto con humedad o agua, realizando por tanto de forma eficiente su función de bloqueo del agua.

El material hinchable por agua se encuentra generalmente en forma subdividida, en concreto en forma de polvo. Las partículas que constituyen el polvo hinchable por agua presentan preferiblemente un diámetro no mayor que
250 \mum y un diámetro medio desde 10 hasta 100 \mum. Más preferiblemente, la cantidad de partículas que presentan un diámetro desde 10 hasta 50 \mum son por lo menos un 50% en peso respecto al peso total del polvo.

El material hinchable por agua consiste generalmente en un homopolímero o copolímero con grupos hidrófilos a lo largo de la cadena polimérica, por ejemplo: ácido poliacrílico entrecruzado o por lo menos parcialmente salificado (por ejemplo los productos Cabloc® de C. F. Stockhausen GmbH o Waterlock® de Grain Processing Co.); almidón o derivados del mismo mezclados con copolímeros entre acrilamida y acrilato de sodio (por ejemplo los productos SGP Absorbent Polymer®; de Henkel AG); carboximetilcelulosa de sodio (por ejemplo los productos Blanose® de Hercules Inc.).

Para obtener una acción de bloqueo del agua efectiva, la cantidad de material hinchable por agua a incluir en la capa expandida se encuentra generalmente entre 5 y 120 phr, preferiblemente entre 15 y 80 phr (phr = partes en peso respecto a cien partes en peso de polímero de base).

La figura 1 muestra una sección transversal de una realización de un cable eléctrico según la presente invención, de tipo unipolar, para la transmisión de potencia a media tensión.

Este cable comprende un conductor (1), una capa semiconductora interior (2), una capa aislante (3), una capa semiconductora compacta (4), una capa expandida (5), un blindaje metálico (6) y una cubierta exterior (7).

El conductor (1) consiste generalmente en hilos metálicos, preferiblemente realizados con cobre o aluminio, que se trenzan juntos utilizando técnicas convencionales. El blindaje metálico (6), realizado generalmente con aluminio o cobre, o también plomo, consiste en un tubo metálico continuo o en una hoja metálica con forma de tubo y soldada o sellada utilizando un material adhesivo para convertirla en estanca al agua. El blindaje metálico (6) se reviste generalmente con una cubierta exterior (7) que consiste en un material polimérico entrecruzado o no entrecruzado, por ejemplo cloruro de polivinilo (PVC) o polietileno (PE).

El material polimérico que constituye la capa expandida puede ser cualquier tipo de polímero expansible como, por ejemplo: polioleofinas, copolímeros de diferentes oleofinas, copolímeros de una oleofina con un éster no saturado en etileno, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, resinas de fenol, resinas de urea, y mezclas de los mismos. Ejemplos de polímeros adecuados son: polietileno (PE), en concreto PE de baja densidad (LDPE), PE de media densidad
(MDPE), PE de alta densidad (HDPE), PE lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de ultra-baja densidad (ULDPE); polipropileno (PP); copolímeros elastómeros de etileno/propileno (EPR) o terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM); goma natural; goma de butilo; copolímeros de éster de etileno/vinilo, por ejemplo acetato de etileno/vinilo (EVA); copolímeros de etileno/acrilato, en concreto acrilato de etileno/metilo (EMA), acrilato de etileno/etilo (EEA) y acrilato de etileno/butilo (EBA); copolímeros termoplásticos de etileno/alfa-oleofina; poliestireno; resinas de acrilonitrilo/butadieno/estireno (ABS); polímeros halogenados, en concreto cloruro de polivinilo (PVC); poliuretano (PUR); poliamidas; poliésteres aromáticos como teraftalato de polietileno (PET) o teraftalato de polibutileno (PBT); y copolímeros de los mismos o mezclas mecánicas de los mismos.

Preferiblemente, el material polimérico es un polímero de polioleofina o un copolímero basado en etileno y/o propileno, y se escoge en concreto entre:

(a) copolímeros de etileno con un éster insaturado en etileno, por ejemplo acetato de vinilo o acetato de butilo, en los cuales la cantidad de éster insaturado se encuentra generalmente entre 5 y 80% en peso, preferiblemente entre 10 y 50% en peso;

(b) copolímeros elastómeros de etileno con por lo menos una alfa-oleofina C_{3}-C_{12}, y opcionalmente un dieno, preferiblemente copolímeros de etileno/propileno (EPR) o etileno/propileno/dieno (EPDM), generalmente con la siguiente composición: 35-90% molar de etileno, 10-65% molar de alfa-oleofina, 0-10% molar de dieno (por ejemplo 1,4-hexadieno o 5-etildieno-2-norborneno);

(c) copolímeros de etileno con por lo menos una alfa-oleofina C_{4}-C_{12}, preferiblemente 1-hexeno, 1-octileno y similares, y opcionalmente un dieno, generalmente con una densidad entre 0,86 y 0,90 g/cm^{3} y la siguiente composición: 75-77% molar de etileno; 3-25% molarde alfa-oleofina; 0-5% molar de un dieno;

(d) polipropileno modificado con copolímeros de etileno/C_{3}-C_{12} alfa-oleofina, donde la relación de peso entre el polipropileno y el copolímero de etileno/C_{3}-C_{12} alfa-oleofina se encuentra entre 90/10 y 10/90, preferiblemente entre 80/20 y 20/80.

Por ejemplo, los productos comerciales Elvax® (Du Pont), Levapren® (Bayer) y Lotryl® (Elf-Atochem) se encuentran dentro de la clase (a), los productos Dutral® (Enichem) o Nordel® (Dow-Du Pont) se encuentran dentro de la clase (b), los productos que pertenecen a la clase (c) son Engage® (Dow-Du Pont) o Exact® (Exxon), mientras que el polipropileno modificado con copolímeros de etileno/alfa-oleofinas se encuentra disponible comercialmente bajo los nombres de marca comercial Moplen® o Hifax® (Montell), o también Fina-Pro® (Fina).

Dentro de la clase (c), se prefieren en particular elastómeros termoplásticos que comprenden una matriz continua de un polímero termoplástico, por ejemplo polipropileno, y partículas finas (generalmente con un diámetro del orden de 1-10 \mum) de un polímero elastómero curado, por ejemplo EPR o EPDM entrecruzado, disperso en el interior de la matriz termoplástica. El polímero elastómero se puede incorporar al interior de la matriz termoplástica en estado no curado y a continuación crear dinámicamente el entrecruzado durante el procesado por medio de la adición de una cantidad adecuada de un agente de entrecruzado. Alternativamente, el polímero elastómero se puede curar a parte y a continuación se puede dispersar dentro de la matriz termoplástica en forma de partículas finas. Elastómeros termoplásticos de este tipo se describen por ejemplo US-4.104.210 o EP-324.430. Se prefieren estos elastómeros termoplásticos puesto que han probado ser particularmente efectivos para absorber elásticamente fuerzas radiales durante los ciclos térmicos del cable en todo el campo de temperaturas de trabajo.

Los productos que se conocen en la técnica para la preparación de composiciones de polímero semiconductor se pueden utilizar para dar al material polimérico propiedades semiconductoras. En concreto, se puede utilizar un negro de carbón conductor eléctrico, por ejemplo negro de horno o negro de acetileno conductores eléctricos. El área de superficie del negro de carbón es generalmente mayor que 20 m^{2}/g, normalmente entre 40 y 500 m^{2}/g. Ventajosamente, se puede utilizar un negro de carbón altamente conductor, con un área de superficie de por lo menos 900 m^{2}/g como, por ejemplo, el negro de carbón de horno que se conoce comercialmente bajo la marca comercial Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV).

La cantidad de negro de carbón a añadir a la matriz polimérica puede variar dependiendo del tipo de polímero y de negro de carbón utilizado, el grado de expansión que se desea alcanzar, el agente de expansión, etc. La cantidad de negro de carbón tiene que ser por tanto tal que proporcione al material expandido propiedades semiconductoras suficientes, en concreto para obtener para el material expandido un valor de resistividad volumétrica, a temperatura ambiente, menor que 500 \Omega\cdotm, preferiblemente menor que 20 \Omega\cdotm. Típicamente, la cantidad de negro de carbón puede encontrarse entre 1 y 50% en peso, preferiblemente entre 3 y 30% en peso, en relación con el peso del polímero.

La capa semiconductora compacta presente de forma opcional entre el revestimiento aislante y la capa expandida, así como la capa semiconductora interna, ambas del tipo compacto, se preparan según técnicas conocidas, en concreto por medio de extrusión, seleccionándose el material polimérico y el negro de carbón entre los anteriormente mencionados para la capa expandida.

La capa aislante se prepara preferiblemente por medio de extrusión de una polioleofina seleccionada entre las mencionadas anteriormente para la capa expandida, en concreto polietileno, polipropileno y copolímeros de etileno/propileno. Después de la extrusión, preferiblemente se hace entrecruzar el material por medio de técnicas conocidas, por ejemplo utilizando peróxidos o por medio de silanos.

La capa expandida puede ser preparada por extrusión del material polimérico que contiene el relleno semiconductor y el material para el bloqueo del agua sobre el núcleo del cable, o sea sobre el conjunto del conductor (1), la capa semiconductora interna (2), la capa aislante (3) y la capa semiconductora compacta opcional (6). El núcleo del cable puede prepararse también por medio de extrusión, en concreto por medio de extrusión conjunta de las tres capas según técnicas conocidas.

El material polimérico se puede mezclar con el relleno semiconductor, el material hinchable por agua y otros aditivos convencionales opcionales según los procedimientos conocidos en la técnica. La mezcla se puede realizar, por ejemplo, utilizando una mezcladora interna del tipo con motores tangenciales (Banbury) o con rotores que se penetran mutuamente, o alternativamente en mezcladoras continuas como las del tipo Ko-amasadora (Buss), o del tipo con tornillo gemelo de rotación conjunta o rotación contraria.

La expansión del polímero se realiza normalmente durante la fase de extrusión. Esta expansión se puede producir químicamente, por medio de la adición de un agente de expansión adecuado, o sea uno capaz de producir gas bajo condiciones específicas de temperatura y presión, o alternativamente de forma física, por medio de la inyección a alta presión de gas directamente dentro del cilindro de la extrusionadora. El agente de expansión se añade preferiblemente al material polimérico solamente después de la adición de los rellenos y otros aditivos como se han descrito anteriormente y el enfriado subsiguiente de la mezcla por debajo de la temperatura de descomposición del agente de expansión para evitar una expansión prematura del polímero. En concreto, el agente de expansión puede añadirse ventajosamente a la composición polimérica durante la extrusión, por ejemplo a través de la tolva de la extrusionadora.

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Ejemplos de agentes de expansión adecuados son: azodicarbamida, para-toluenosulfonilo hidracina, mezclas de ácidos orgánicos (por ejemplo ácido cítrico) con carbonatos y/o bicarbonatos (por ejemplo bicarbonato de sodio).

Ejemplos de gases para inyectar a alta presión dentro del cilindro de la extrusionadora son: nitrógeno, dióxido de carbono, aire, hidrocarburos de bajo punto de ebullición, por ejemplo propano o butano, hidrocarburos halogenados, por ejemplo cloruro de metileno, triclorofluorometano, 1-cloro-1,1-difluoroetano o mezclas de los mismos.

Preferiblemente, la matriz de la cabeza de la extrusionadora tendrá un diámetro ligeramente menor que el diámetro final del cable con el revestimiento expandido que se desea obtener, de forma que la expansión del polímero fuera de la extrusionadora permite alcanzar el diámetro del cable deseado.

La temperatura de extrusión seleccionada depende principalmente de la naturaleza de la matriz polimérica, del agente de expansión y del grado deseado de expansión. Normalmente, se prefiere una temperatura de extrusión no inferior a 140ºC para alcanzar un grado de expansión suficiente.

El material polimérico expandido puede estar o no entrecruzado. El entrecruzamiento se puede realizar, después de las fases de extrusión y expansión, por medio de técnicas conocidas, en concreto por medio de calentar en presencia de un iniciador de radicales, por ejemplo un peróxido orgánico como peróxido de dicumilo. Alternativamente, se puede realizar un entrecruzamiento por medio de silanos, lo cual permite la utilización de un polímero como los anteriormente mencionados, en concreto una polioleofina, a la cual se enlazan de forma covalente unidades de silano que comprenden por lo menos un grupo hidrolizable, por ejemplo grupos trialcoxisilano, en concreto grupos metoxisilano. La implantación de las unidades de silano puede producirse por medio de la reacción de radicales con compuestos de silano, por ejemplo trietoxisilano de metilo, dimetildietoxisilano, y vinildimetoxisilano. El entrecruzamiento se realiza en presencia de agua y un catalizador de entrecruzamiento, por ejemplo un titanato orgánico o un carboxilato metálico. Se prefiere en concreto dibutiltin dilaurato (DBTL).

Una vez se ha preparado la capa expandida, el cable se encierra en un blindaje metálico. Según una realización preferida, en ausencia de fuerzas aplicadas, el diámetro de la capa expandida es mayor que el diámetro interior del blindaje metálico, de forma que se obtiene, después de aplicar el blindaje metálico, un grado predeterminado de compresión previa de la capa expandida. Esta compresión previa hace posible lograr un contacto óptimo entre la capa expandida y el blindaje metálico y puede permitir la recuperación de cualquier deformación residual de la capa expandida, o sino un cierto grado de deformación plástica del blindaje metálico, durante la fase de contracción térmica de la capa aislante.

Eventualmente, el blindaje metálico se puede revestir con una cubierta protectora que se puede obtener, por ejemplo, por medio de extrusión de un material polimérico, normalmente cloruro de polivinilo o polietileno.

A continuación se darán algunos ejemplos ilustrativos para describir con más profundidad la presente invención.

Ejemplos 1-2

Se prepararon algunas mezclas adecuadas para formar la capa expandida según la presente invención. Las composiciones se dan en la tabla 1 (en phr). Los componentes de la mezcla se mezclaron juntos en una mezcladora Banbury cerrada (volumen de trabajo 1,2 1), cargando en primer lugar el polímero de base, a continuación, después de un periodo breve de procesado, el negro de carbón, el polvo hinchable por agua y los otros aditivos (excepto el agente de expansión).

La mezcla se realizó durante aproximadamente 6 minutos con una temperatura final para el material extraído de aproximadamente 150ºC. Al final del mezclado se añadió el agente de expansión a la mezcla, habiendo sido el material previamente enfriado hasta aproximadamente 100ºC para evitar una descomposición prematura del agente de expansión, que conduciría a una expansión incontrolada del polímero. La mezcla se moldeó a presión a continuación a 160ºC utilizando un bastidor de 200 x 200 mm de tamaño y 3 mm de grosor. La mezcla se añadió en pequeñas cantidades para obtener una capa inicial de 1 mm de grosor, de forma que quedase suficiente espacio para que el polímero se expandiera. Se midieron las siguientes características sobre las piezas de prueba obtenidas de esta forma:

- densidad aparente, y a continuación, sabiendo la densidad del material no expandido, se calculó el grado de expansión según la fórmula dada anteriormente;

- resistividad volumétrica a temperatura ambiente.

Los datos se dan en la tabla 1.

Algunas muestras se colocaron dentro del agua: se observó la expansión inmediata del polvo hinchable por agua hasta un volumen aproximadamente tres veces superior al volumen inicial.

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Ejemplo 3

Se fabricó un cable de medio voltaje utilizando la composición polimérica del ejemplo 1, según el esquema de estructura que se indica en la figura 1. La composición polimérica se preparó según el ejemplo 1, pero sin añadir el agente de expansión para evitar la expansión prematura de la composición. El agente de expansión se introdujo solamente durante la extrusión como se describe a continuación.

El núcleo del cable sobre el que se iba a depositar la capa expandida comprendía un conductor de aluminio de 70 mm^{2} de sección transversal, revestido con las siguientes capas entrecruzadas por medio de peróxido en una línea catenaria:

- una capa semiconductora interna realizada con EPR conteniendo negro de carbón (0,5 mm de grosor);

- una capa aislante realizada con EPR relleno con caolín (5,5 mm de grosor);

- una capa de semiconductor externa (compacta) realizada con EVA conteniendo 35% en peso de negro de carbón N472 (0,5 mm de grosor).

Para depositar la capa expandida sobre este núcleo de cable (con un diámetro exterior de aproximadamente 23 mm), se utilizó una extrusionadora de tornillo único de 80 mm en configuración 25 D. La extrusionadora presentaba una sección inicial del cilindro con surcos longitudinales, un cuello de alimentación en forma de caja y un tornillo de descarga ensartado de 25 D de longitud. La profundidad de los surcos del tornillo era de 9,6 mm en la zona de aporte y de 7,2 mm en la sección final, para una relación de compresión de tornillo total de aproximadamente 1:1,33.

A continuación de la extrusionadora se utilizó una cabeza de extrusión ortogonal calentada eléctricamente equipada con una cinta de transporte con una línea de doble sutura. Se utilizó el siguiente montaje de matriz: matriz de punta de 24 mm de diámetro, matriz de compresión de anillo de 24 mm de diámetro. La matriz de punta se escogió con la intención de permitir un paso fácil del núcleo a revestir, con un diámetro aproximadamente 1 mm mayor que el diámetro del núcleo a revestir. La matriz de anillo se escogió, por otro lado, con un diámetro ligeramente menor que el diámetro final a obtener, para evitar que el material se expandiera dentro de la cabeza de extrusión.

El siguiente perfil de calor (ºC) se utilizó para la extrusionadora y la cabeza de extrusión:

Cuello de	Tornillo	Zona	Zona	Zona	Zona	Zona	Zona	Collar	Cabeza
aporte		1	2	3	4	5	6
20	neutro	160	170	180	185	190	195	200	200

La velocidad de producción del núcleo a revestir se estableció como función del grosor deseado de material expandido. En nuestro caso, se utilizó una velocidad de línea de 1,2 m/minuto. Bajo estas condiciones, se registraron los siguientes parámetros de extrusión:

: Velocidad de rotación de extrusionadora: 1,2 rpm;

: Diámetro semiterminado caliente: 25,0 mm;

: Diámetro semiterminado frío: 24,8 mm.

El producto semiterminado se enfrió en aire. Se evitó el contacto directo con el agua de refrigeración para no provocar problemas de hinchado del polvo bloqueador de agua. El producto semiterminado obtenido se devanó a continuación sobre un carrete.

El material se depositó sobre el núcleo con un grosor de aproximadamente 1 mm. Este material se expandió químicamente, añadiendo dentro de la tolva de la extrusionadora aproximadamente 2% del agente de expansión Hydrocerol® CF 70 (ácido carboxílico + bicarbonato de sodio).

La conductividad eléctrica y el grado de expansión se midieron sobre muestras de la capa expandida obtenida de esta forma. El grado de expansión medido fue de aproximadamente 20%.

Se realizaron también pruebas de expansión del material en presencia de agua (efecto de bloqueo del agua): el material se hinchó, gracias a la presencia del polvo hinchable por agua, hasta un volumen de aproximadamente 3 veces el volumen inicial.

Ejemplo 4

Se utilizó un elastómero termoplástico como material de base para producir una capa expandida según la presente invención. La composición se describe en la tabla 1 (incluido el agente de expansión que se añadió solamente durante la extrusión). La mezcla se realizó en la misma mezcladora Banbury que se ha descrito para los ejemplos 1-2 con un tiempo de mezclado de aproximadamente 10 minutos y una temperatura final del material extraído de aproximadamente 195ºC. Después del mezclado, el material se granuló y selló dentro de bolsas de plástico para evitar la absorción de humedad.

Ejemplo 5

Se fabricó un cable de medio voltaje utilizando la composición polimérica del ejemplo 4, según el esquema de estructura que se muestra en la figura 1.

El núcleo del cable consistía en un conductor de aluminio con 150 mm^{2} de sección transversal y 14,0 mm de diámetro, revestido con las siguientes capas, entrecruzadas por medio de peróxido sobre una línea catenaria:

: - una capa semiconductora interna: producto LE 0595 de Borealis (0,6 mm de grosor);

: - una capa aislante realizada con XLPE (4,65 mm de grosor);

: - una capa semiconductora externa (compacta): producto LE 0595 de Borealis (0,4 mm de grosor).

La capa expandida se depositó sobre este núcleo (con un diámetro exterior de aproximadamente 25,3 mm) por medio de extrusión según la técnica que se describe para el ejemplo 3, utilizando una extrusionadora de tornillo único de 30 mm en configuración 24 D, una matriz de punta de 25,7 mm de diámetro, una matriz de compresión de anillo de 26,1 mm de diámetro, y con el siguiente perfil térmico (ºC):

Cuello de	Tornillo	Zona 1	Zona 2	Zona 3	Collar	Cabeza
aporte
20	flotante	190	200	210	200	200

El agente de expansión se añadió durante la extrusión a través de la tolva de la extrusionadora. La velocidad de línea fue de 2,9 m/minuto, con una velocidad de tornillo de 56 rpm. El grosor de la capa expandida después de la extrusión y enfriamiento fue de 0,65 mm.

El cable obtenido de esta forma se envolvió a continuación con una lámina lacada de aluminio (grosor: 0,2 mm) utilizando un adhesivo para unir los bordes superpuestos. Eventualmente, se aplicó una cubierta externa realizada con PVC por medio de extrusión.

Dos tramos de 3 m del cable final se sometieron a una prueba de penetración de agua bajo ciclos térmicos según la especificación NF C 33-323 de marzo de 1998. Después de quitar una zona central (longitud: 50 mm) de los revestimientos externos para alcanzar la capa semiconductora externa (4), las muestras de cable se sumergieron en agua y se mantuvieron a temperatura ambiente durante 24 horas, a continuación de sometieron a 10 ciclos térmicos de 8 horas cada uno (4 horas de calentamiento hasta 100ºC por medio de la circulación de corriente eléctrica a lo largo del conductor, a continuación 4 horas de enfriamiento). Al final de la prueba, el agua penetró a través del corte 20 cm por un lado y 25 cm por el otro lado, por tanto ampliamente dentro de los requerimientos de la especificación (no aparecerá agua procedente de los extremos de la muestra de cable).

TABLA 1

Ejemplo	1	2	4
Elvax® 470	100	- -	- -
Elvax® 265	- -	100	- -
Profax® PF 814	- -	- -	20
Santoprene® RC8001	- -	- -	80
Ketjenblack® EC 300	20	20	10
Irganox® 1010	0,5	0,5	0,2
Irganox® PS802	- -	- -	0,4
Waterlock® J550	40	40	25
Hydrocerol® CF70	2	2	2
d_{0} (g/cm^{3})	1,15	1,15	1,012
d_{e} (g/cm^{3})	0,95	0,95	0,86
Grado de expansión (%)	21	21	17,7
Resistividad volumétrica (\Omega\cdotm)	< 15	< 15	2
Elvax® 470 (Du Pont): copolímero de acetato de etileno/vinilo (EVA) (18% VA, índice de fusión 0,7);
Elvax® 265 (Du Pont): copolímero EVA (28% VA, índice de fusión 3,0);
Profax® PF 814 (Montell): homopolímero de propileno isotactico (MFI = 3g/10' - ASTM D 1238);
Santoprene® RC8001 (Monsanto): elastómero termoplástico (89% en peso de EPR curado, 11% en peso de
polipropileno);
Ketjenblack® EC 300 (Akzo Chemie): negro de carbón de horno de alta conductividad;
Waterlock® J550 (Grain Processing Co.): ácido poliacrílico entrecruzado (parcialmente salificado) (más de
50% en peso de partículas con diámetro entre 10 y 45 \mum);
Hydrocerol® CF70 (Boeheringer Ingelheim): agente de expansión de ácido carboxílico/bicarbonato de sodio;
Irganox® 1010: pentaeritrilo-tetra[3-(3,5-di-ter-butilo-4-hidroxifenilo)propinato] (Ciba-Geigy);
Irganox® PS802 FL: distearilo tiodipropionato (DSTDP) (Ciba-Geigy).

Claims

1. Cable eléctrico que comprende un conductor, por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una capa de material polimérico expandido situado debajo de dicho blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa del material polimérico expandido es semiconductora y comprende un material hinchable por agua.

2. Cable según la reivindicación 1, en el que la capa expandida presenta un grado de expansión predeterminado para asegurar la absorción elástica de las fuerzas radiales de expansión y contracción térmica del cable y mantener las propiedades semiconductoras.

3. Cable según la reivindicación 2, en el que el grado de expansión de la capa expandida es entre 5% y 500%.

4. Cable según la reivindicación 3, en el que el grado de expansión de la capa expandida es entre 10% y 200%.

5. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el grosor de la capa expandida es por lo menos 0,1 mm.

6. Cable según la reivindicación 5, en el que el grosor de la capa expandida se encuentra entre 0,2 y 2 mm.

7. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende también una capa semiconductora compacta situada entre el revestimiento aislante y la capa expandida.

8. Cable según la reivindicación 7, en el que la capa semiconductora compacta presenta un grosor comprendido entre 0,1 y 1 mm.

9. Cable según la reivindicación 8, en el que la capa semiconductora compacta presenta un grosor comprendido entre 0,2 y 0,5 mm.

10. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por agua es en forma de polvo.

11. Cable según la reivindicación 10, en el que el material hinchable por agua es en forma de polvo con un diámetro de partícula no mayor que 250 \mum y un diámetro de partícula medio comprendido entre 10 y 100 \mum.

12. Cable según la reivindicación 11 donde, en el material hinchable por agua, la cantidad de partículas con un diámetro entre 10 y 50 \mum es por lo menos 50% en peso respecto al peso total del polvo.

13. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por agua es un homopolímero o copolímero con grupos hidrófilos a lo largo de la cadena de polímero.

14. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por agua se encuentra presente en una cantidad entre 5 y 120 phr.

15. Cable según la reivindicación 14, en el que el material hinchable por agua se encuentra presente en una cantidad entre 15 y 80 phr.

16. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material polimérico que constituye la capa expandida es un polímero expandido seleccionado entre:

polioleofinas, copolímeros de diferentes oleofinas, copolímeros de una oleofina con un éster insaturado en etileno, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, resinas fenólicas, resinas de urea, y mezclas de los mismos.

17. Cable según la reivindicación 16, en el que el material polimérico es un polímero de oleofina o copolímero basado en etileno y/o propileno.

18. Cable según la reivindicación 17, en el que el material polimérico se selecciona entre:

(a) copolímeros de etileno con un éster insaturado en etileno, en los cuales la cantidad de éster insaturado se encuentra entre 5 y 80% en peso;

(b) copolímeros elastómeros de etileno con por lo menos una alfa-oleofina C_{3}-C_{12}, y opcionalmente un dieno, con la siguiente composición: 35-90% molar de etileno, 10-65% molar de alfa-oleofina, 0-10% molar de dieno;

(c) copolímeros de etileno con por lo menos una alfa-oleofina C_{4}-C_{12}, y opcionalmente un dieno, con una densidad entre 0,86 y 0,90 g/cm^{3};

(d) polipropileno modificado con copolímeros de etileno/C_{3}-C_{12} alfa-oleofina, donde la relación de peso entre el polipropileno y el copolímero de etileno/C_{3}-C_{12} alfa-oleofina se encuentra entre 90/10 y 10/90.

19. Cable según la reivindicación 18, en el que el material polimérico es un elastómero termoplástico que comprende una matriz continua de un polímero termoplástico y partículas finas de un polímero elastómero curado dispersas en el interior del polímero termoplástico.

20. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida presenta un valor de resistividad volumétrica a temperatura ambiente del material expandido menor que 500 \Omega\cdotm.

21. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida comprende una cantidad predeterminada de negro de carbón conductor eléctrico.

22. Cable según la reivindicación 21, en el que el negro de carbón conductor eléctrico presenta un área de superficie de por lo menos 20 m^{2}/g.

23. Cable según la reivindicación 22, en el que el negro de carbón presenta un área de superficie de por lo menos 900 m^{2}/g.

24. Cable según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, en el que el negro de carbón se encuentra presente en cantidades entre 5 y 80% en peso.

25. Cable según la reivindicación 24, en el que el negro de carbón se encuentra presente en cantidades entre 10 y 70% en peso.

26. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida se obtiene por medio de extrusión.

27. Cable según la reivindicación 26, en el que la expansión de la capa se obtiene durante la extrusión por medio de la adición de un agente de expansión.

28. Cable según la reivindicación 26, en el que la expansión de la capa se obtiene durante la extrusión por medio de la inyección de un gas a alta presión.

29. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el diámetro de la capa expandida, en ausencia de fuerzas aplicadas, es mayor que el diámetro interior del blindaje metálico, de forma que se obtiene un grado predeterminado de compresión previa de la capa expandida después de aplicar el blindaje metálico.