FI82320C - Isoleringskomposition foer kablar. - Google Patents

Description

82320

Eristekoostumus kaapeleita varten Isoleringskomposition för kablar Tämä keksintö kohdistuu eristekoostumukseen, joka on erityisen sopiva keski- ja suurjännitekaapeleille. Koostumus, joka on verkkoutettava tai verkkoutettu, muodostuu olennaisesti etyleenin homopolymeerin, tai etyleenin ja alfa-olefiinin kopolymeerin, ja etyleeni-alkyyliakrylaatti- tai etyleenial-kyylimetakrylaattikopolymeerin yhdistelmästä. Keksinnön mukaiset koostumukset ovat lämpö- ja sähköstabiilisilta ominaisuuksiltaan erittäin hyviä.

Voimakaapelialalla kehitys kulkee kohti yhä korkeampia käyttölämpötiloja, ja eristemateriaalin kyvylle kestää näitä sekä kestää ylikuormituksesta tai oikosulkuvirroista johtuvia kasvavia hyvin suuria lämpötiloja asetetaan siten suurempia vaatimuksia. Lisäksi on erittäin tärkeää, että materiaali voi kestää niin kutsuttujen vesipuiden muodostumista, jotka saavat alkunsa muun muassa kohdista, jotka ovat sähköisesti erityisen paljon kuormitettuja, mutta jotka jatkavat kasvuaan pienemmällä kuormalla ja vähitellen voivat johtaa langan tai kaapelin rikkoutumiseen ja huomattavaan käyttöiän pienenemiseen.

Kaapelieristemateriaalina käytetään paljon polyetyleeniä. Toisaalta etyleenin ja polaaristen aineiden kuten vinyylia-setaatin ja etyleeninakrylaatin kopopolymeerejä käytetään olennaisesti ainoastaan vaippamateriaalina ja vain merkityksettömässä määrin eristemateriaalina, ja silloin vain pien-jännitetarkoituksiin. Lämpömekaaninen stabiilisuus paranee yleensä verkkouttamalla, ja siten verkkoutetut aineet ovat pääasiassa käytettyjä. Etyleenin ja alfa-olefiinien kopoly-meereilla, lineaarisilla etyleenipolymeereilla, on sinänsä paremmat lämpömekaaniset ominaisuudet kuin tiheydeltään vastaavilla tavanomaisilla haaraantuneilla homopolymereillä. Vesipuiden muodostumisen aiheuttamien ongelmien ratkaisemi- 2 82320 seksi on ehdotettu lukuisia lisäaineita, esim. erilaisia silaaneja. Vesipuiden muodostumisen estäjäksi on myös ehdotettu lisättäväksi polyetyleeniin etyleeni-vinyyliasetaatti-kopolymeeria.

Tämän keksinnön mukaisesti on yllättäen havaittu, että ety-leenipolymeerien ja etyleeni-alkyyliakrylaatti- tai etylee-ni-alkyylimetakrylaattikopolymeerien koostumuksilla on erittäin hyvät lämpöominaisuudet ja ne sopivat erityisen hyvin eristemateriaaliksi suurjännitejohdolle ja -kaapeleille, jolloin ne estävät vesipuiden muodostumista.

Keksinnön mukaisia koostumuksia käytetään kaapeleille verk-koutettuina. Ne voidaan säteilytysverkkouttaa tai verkkout-taa kemiallisesti ilman hajoamisvaaraa. Erityisenä etuna on, että ne voivat kestää niitä hyvin suuria verkkouttamislämpö-tiloja, joita viimeaikaisissa verkkoutumismenetelmissä, kuten kuivaverkkoutuksessa esim. typpiatmosfäärissä, käytetään, ilman että ne hajoaisivat ja muodostaisivat korrosii-visia hajoamistuotteita.

Siten tämä keksintö koskee verkkoutettavaa tai verkkoutettua kaapelieristekoostumusta keski- ja suurjännitekaapelia varten, joka koostumus muodostuu olennaisesti etyleenipolymee-ristä, sanotun etyleenipolymeerin ollessa etyleenin homopo-lymeeri tai etyleenin ja alfa-olefiinin kopolymeeri, ja etyleeni-alkyyliakrylaatti- tai etyleeni-alkyylimetakrylaatti-kopolymeeristä määränä 10-40 painoprosenttia laskettuna etyleenipolymeerin ja akrylaattipolymeerin yhdistelmästä. Keksintö kohdistuu erityisesti edellä määriteltyyn koostumukseen, joka sisältää verkkoutusaineen.

Peruspolymeeri näissä koostumuksisa on etyleenin homopoly-meeri tai etyleenin ja yhden tai useamman alfa-olefiinin lineaarinen kopolymeeri. Viimeksi mainitut etyleenipolymeerit 3 82320

ovat olennaisesti lineaarisia ja ne valmistetaan etyleenin ja sellaisten alfa-olefiinien kopolymeraatiolla, joissa on 3-14 hiiliatomia. Yleensä käytetään 1-20 painoprosenttia kopolymeeria. Näissä koostumuksissa etyleennipolymeerilla on sopivasti tiheys, joka ei ylitä 940 kg/m^, verkkouttamatto-mana aineena, ja tiheys on sopivasti alueella 915-935 kg/m^· Etyleeniperuspolymeerin sulaindeksi, MI2/ (mitattuna ISO

1133 mukaan, paino 2,16 kg 190°C:ssa) tulisi olla alueella 0,1 - 20 g/10 min, ja suositeltavimmin alueella 0,5 - 10. Peruspolymeeri koostumuksissa on suositeltavasti etyleenin homopolymeeri, ja suositeltavasti korkeapainepolyetyleeni.

Koostumusten akrylaattikopolymeerit ovat etyleenin ja alkyy-liakrylaatin tai alkyylimetakrylaatin, jolloin alkyyliryh-missä tavallisesti on 1-8 hiiliatomia, esim. metyyliakrylaa-tin, etyyliakrylaatin, propyyliakrylaatin, n-butyyliakrylaa-tin, i-butyyliakrylaatin, metyylimetakrylaatin, etyylimetak-rylaatin, kopolymeereja. Voidaan luonnollisesti myös käyttää kahden tai useamman mainitun akrylaatin tai metakrylaatin kopolymeereja. Kopolymeereja voi olla läsnä määrinä 10-50 painoprosenttia ja sopivasti 25-40 painoprosenttia laskettuna yhdistelmästä etyleeniperuspolymeerin kanssa. Etyleeni-alkyyliakrylaattikopolymeerit ovat suositeltavia ja erityisesti etyleenin ja n-butyyliakrylaatin kopolymeereja, joilla on erityisen tyydyttävä lämpöhapettava stabiilisuus kosketuksessa kuparin kanssa. Akrylaattikopolymeerin sulaindeksi on sopivasti 2-60 g/10 min. (MI2 mitattuna edellä määritellyllä tavalla). Kopolymeerin akrylaattipitoisuuden tulisi sopivasti olla alueella 9-50 painoprosenttia. Korkeammat ak-rylaattipitoisuudet kopolymeereissa näyttävät johtavan lyhy-empiin puihin ja pienempään puiden tiheyteen, ja siten käytetään suositeltavasti kopolymeeria, jonka akrylaattipitoi-suus on 15-35 painoprosenttia, ja suositelluimmin kopolymeeria, jonka akrylaattipitoisuus on alueella 18-30 painoprosenttia. Näissä koostumuksissa akrylaattikopolymeeria on läsnä määränä 10-40 painoprosenttia ja suositeltavasti mää- 4 82320 ränä 10-35 painoprosenttia. Mainitut arvot ovat akrylaatti-kopolymeeriprosentteja laskettuna tämän ja etyleenipolymee-rin yhdistelmästä.

Eristekoostumus on erityisen sopiva keski- ja suurjännite-kaapelille, jolloin tarkoitetaan lankaa tai kaapelia yli 1 kV/mm:n ja erityisesti yli 1,8 kV/mm:n sähkökenttävoimak-kuudelle.

Keksinnön mukaisia koostumuksia käytetään kaapeleilla verk-koutetussa tilassa, ja ne voidaan verkkouttaa tunnetulla tavalla säteilytysverkkouttamalla tai käyttämällä kemiallisia verkkoutusaineita. Kemialliset verkkoutusaineet ovat tavanomaisia tällaisia aineita kuten orgaanisia peroksideja ja atsoyhdisteitä sekä myös silaaneja. Kemialliset verkkoutusaineet voivat olla läsnä koostumuksissa tai ne voidaan lisätä jälkeenpäin kaapelia valmistettaessa. Suositellut koostumukset sisältävät tarpeellisen määrän verkkoutusainet-ta, joka on valittu orgaanisista peroksideista, atsoyhdis-teistä ja silaaneista. Orgaaniset peroksidit ovat suositeltavia, ja esimerkkeinä niistä voidaan mainita dikumyylipe-roksidi ja di-tert.butyyliperoksidi. Tarvittava verkkoutu-saineen määrä riippuu muun muassa halutusta verkkoutumisas-teesta, verkkoutusaineen tyypistä ja etyleeniperuspolymeerin tyypistä. Kun perusaine on polyetyleeniä, verkkoutusaineen määrä on sopivasti alueella 0,5-6 painoprosenttia laskettuna etyleeniperuspolymeerin ja akrylaattikopolymeerin yhdistelmästä. Lineaarisille etyleenipolymeereille voidaan käyttää pienempiä määriä verkkoutusainetta saman verkkoutumisasteen saavuttamiseksi, ja määrä on tällöin sopivasti alueella 0,2-5 painoprosenttia.

Erityisen suositeltavat tämän keksinnön mukaiset koostumukset muodostuvat polyetyleenistä peruspolymeerinä, etyleeni-alkyyliakrylaattikopolymeeristä ja verkkoutusaineesta, suositeltavasta orgaanisesta peroksidista.

5 82320

Suurjännitekaapeleita varten käytetään usein etyleeni-alkyy-liakrylaattikopolymeeria olevaa ulompaa sidottua puolijohta-vaa kerrosta. Nämä koostumukset ovat erittäin hyvin yhteensopivia tällaisten kerrosten kanssa ja kiinnittyvät siten mitä parhaiten. Keski- ja suurjännitekaapeleilla, joissa on sidottu ulompi puolijohtava kerros, joka on etyleeni-akry-laattikopolymeeria, ja nyt kyseessä olevaa koostumusta oleva eriste, on siten kokonaisuutena parhaat mahdolliset sähköiset ominaisuudet.

Jos ulommassa puolijohtavassa kerroksessa käytetään etylee-ni-vinyyliasetaattikopolymeeria tai ei-akrylaattikopolymee-riä, tällaisten kerrosten kuorittavuutta, mikä on joskus tarpeellista, ajatellen kuorittavuusominaisuudet luultavasti parantuvat yhdistelmässä nyt kyseessä olevan eristekoostu-muksen kanssa.

Nämä eristekoostumukset muodostuvat olennaisesti etyleeni-polymeeristä ja etyleeni-akrylaattikopolymeerista, kuten aikaisemmin on määritelty. Joskin myös muita polymeerejä voidaan ottaa mukaan koostumuksiin, ne suositeltavasti eivät sisällä mitään muita polymeerisiä aineita, eivätkä ainakaan yli 10 painoprosenttia tällaisten materiaalien painosta. Koostumukset voivat tietysti sisältää lisäaineita, jotka tämäntyyppisten materiaalien yhteydessä ovat tavanomaisia, kuten antioksidantteja, verkkoutumisen kiihdyttäjiä ja verk-koutumisen hidastajia, muita lisäaineita vesipuiden muodostumisen estämiseksi, proradeja, kenttävoimakkuuden säätäjiä, jne., joita käytetään vähäisinä määrinä peruskoostumukseen nähden. Epäorgaanisia aineita, esimerkiksi täyteaineita, kuten aluminiumhydroksideja, kaoliinia ja antimonioksideja ei suositeltavasti tulisi olla läsnä koostumuksissa, eikä ainakaan suurempina määrinä kuin 2 painoprosenttia, koska useimmilla tällaisilla aineilla on negatiivinen vaikutus dielekt-risyyshäviöihin suurempina määrinä.

6 82320

Koostumukset voidaan valmistaa tavanomaisella tavalla sekoittamalla tavanomaisella, erä- tai jatkuvatoimisella se-koituslaitteella. Lisättyä etyleeniakrylaattikopolymeeria voidaan sopivasti käyttää kantajana muille lisäaineille kuten verkkoutusaineille, antioksidanteille, jne.

Koostumukset lisätään metallijohtimelle, tämän päällä tavallisesti olevalle puoli johtavalle kerrokselle, eristeeksi. Eräs tämän keksinnön suoritusmuoto koskee myös eristettyä kaapelia, joka käsittää metallijohtimen, puoli johtavan kerroksen ja nyt kysymyksessä olevaa koostumusta olevan eristeen sekä tämä päälle ekstruoidun ja sitten verkkoutetun ulomman puolijohtavan kerroksen. Koostumukset voidaan verk-kouttaa, ja tähän voidaan käyttää äskettäin kehitettyjä ja lisääntyvästi käytettyjä korkealämpötilaisia verkkoutusmene-telmiä, kuivakovetusmenetelmiä, jolloin lämpötilat ovat noin 250°C ja enemmän. Päinvastoin kuin muun tyyppisiä kopolymee-reja, kuten etyleeni-vinyyliasetaattikopolymeereja, näitä koostumuksia akrylaattikopolymeerien kanssa voidaan käsitellä näissä korkeissa lämpötiloissa ilman mitään olennaista hajoamista, ja ilman että vapautuu korrosiivisia hajoamistuotteita. Tämä tarkoittaa, että keksinnön mukainen eriste kestää erittäin hyvin lämpöhajaantumista, ja siten sen käyttöikä pitenee. Keksinnön mukaisella eristeellä on myös erittäin hyvä sähköinen stabiilisuus, ja vesipuiden muodostuminen vähenee tai estyy niissä.

Keksintöä havainnollistetaan vielä seuraavilla esimerkeillä, joita ei kuitenkaan ole tarkoitettu rajoittamaan sitä. Osat ja prosentit tarkoittavat paino-osia ja vastaavasti painoprosentteja, ellei muuta ole mainittu.

Esimerkki

Keksinnön mukaisten koostumusten kykyä vastustaa vesipuiden muodostumista tutkittiin Rogowskyn kappaleilla. Niinkutsut-

II

i 82320 tujen sisäisten puiden ja niinkutsuttujen ulkoa lähtevien puiden olemassaolo tutkittiin ja myös pisimpien puiden keskikoko. Sisäiset sidospuut kasvavat eristeen sisässä olevista epäsäännöllisyyksistä, kun taas ulkoa lähtevät puut kasvavat eristeen ja puolijohteen välisestä rajapinnasta. Ro-gowskyn kappaleilla saadaan homogeeninen sähkökenttä kuten kaapelilla käytössä. Kappaleet muistuttavat pieniä säiliöitä ja maapuolelta lähtien niissä on alumiinilevy, joka toimii veden diffuusiosulkuna ja maaelektrodina. Tämän levyn vieressä on puolijohde, ja nämä kaksi levyä on valettu yhteen. Puolijohdetta seuraa eriste, joka on ennalta puristettu eks-truoidusta nauhasta. Eristeen päälle asetetaan vesisäiliö, ja vesi yhdistetään suurjännitegeneraattoriin. Säiliö, eriste ja puolijohde alumiinilevyineen kootaan muotissa ja puristetaan ja eriste verkkoutetaan. Näytteet konditioidaan kolmen päivän ajan 90°C:ssa kiertoilmauunissa. Sitten kappaleisiin kohdistetaan 6 kV/mm: n sähkörasitus 90°C:ssa 3 viikon ajan. Sitten kappaleista mikrotomoidaan viipaleita, jotka kuivataan ja tutkitaan mikroskoopilla.

Seuraavat koostumukset tutkittiin edellä kuvatulla tavalla (kaikissa koostumuksissa peruspolymeeri oli polyetyleeni, jonka tiheys oli 922 kg/m^ ja MI2 2): a) 70 % polyetyleeniä ja 30 % etyleeni-n-butyyliakrylaatti-kopolymeeriä (MI2 =4), jonka akrylaattipitoisuus oli 27 %.

b) 81,5 % polyetyleeniä ja 18,5 % a):n mukaista etyleeni-n-butyyliakrylaattikopolymeeria c> 70 % polyetyleeniä ja 30 % etyleeni-n-butyyliakrylaatti-kopolymeeria (MI2 =4), jonka akrylaattipitoisuus oli 17 %.

d) 75 % polyetyleeniä ja 25 % a):n mukaista etyleeni-n-bu-tyyliakrylaattikopolymeeria.

e 82320

Suoritettiin vertailu polyetyleeniperustaisen polymeerin (e) ref.) ja myös etyleeni-etyyliakrylaattikopolymeerin, joka sisälsi 1,8 % etyyliakrylaattia (f)ref.) kanssa. Kaikki näytteet verkkoutettiin peroksidilla ja testattiin verkkou-tetussa tilassa.

Tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa. Puiden tiheys on luokiteltu asteikolla, jossa 0=0 puuta/cm^, 1 = < 300 puuta, 2 = 301 - 800 puuta, 3 = 801 - 1500 puuta, 4 = 1501 -2000 puuta ja 5 = yli 2000 puuta.

Koostumus Sisäisiä puita ulkoa lähteviä puita tiheys koko ym tiheys koko ym a) 0-1 <10 0 0 b) 0-1 35 00 c) 1 25 00 d) 0-1 15 00 e) ref. 3 90 2 180 f )ref. 1-2 27 1-2 35 Nähdään, että kaikki keksinnön mukaiset koostumukset olivat täysin vapaita ulkoa lähtevistä puista, kun taas kummallakin referenssikoostumuksella oli suuria määriä tällaisia puita ja myös enemmän sisäisiä puita. Mainittakoon myös, että useimmat kaupalliset verkkoutetut polyetyleenikaapelieris-teet osoittavat näissä testeissä sisäisten puiden tiheyttä 3-5 edellisen asteikon mukaan.

Claims (8)

9 82320

1. Verkkoutettavan koostumuksen käyttö keski- ja suurjänni-tekaapeleiden eristämistä varten, joka koostumus muodostuu etyleenin homopolymeeristä tai etyleenin ja alfa-olefiinin kopolymeerista, ja etyleeni-alkyyliakrylaatti- tai etyleeni-alkyylimetakrylaattikopolymeerista määränä 10-40 painoprosenttia laskettuna etyleenipolymeerin ja akrylaattikopoly-meerin yhdistelmästä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että koostumuksen sisältämän etyleenipolymeerin su-laindeksi, Ml2» on 0,5-10.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että koostumus sisältää verkkoutusainetta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen käyttö, tunnettu : siitä, että verkkoutusaine on orgaaninen peroksidi.

5. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista mukainen käyttö, tunnettu siitä, että koostumus sisältää 10-35 painoprosenttia akrylaattikopolymeeria laskettuna etyleenipolymeerin ja akrylaattikopolymeerin yhdistelmästä.

6. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista mukainen käyttö, tunnettu siitä, että akrylaattikopolymeerikoostu-muksessa on etyleeni-n-butyyliakrylaattikopolymeeri.

7. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista mukainen käyttö, tunnettu siitä, että akrylaattikopolymeerin akry-laattipitoisuus koostumuksessa on alueella 9-50 painoprosenttia .

8. Eristetty keski- tai korkeajännitekaapeli, johon kuuluu metalli johdin, puolijohtava kerros ja eriste, joka on verk- 10 82320 koutettua koostumusta, joka muodostuu olennaisesti etyleeni-polymeerista, joka on etyleenin homopolymeeri tai etyleenin ja alfa-olefiinin kopolymeeri, ja etyleeni-alkyylikrylaatti-tai etyleeni-alkyylimetakrylaattikopolymeerista määränä 10-40 painoprosenttia laskettuna etyleenipolymeerin ja akry-laattikopolymeerin yhdistelmästä, ja ulompi puoli johtava kerros, joka on ekstruoitu tämän päälle.