FI89840C

FI89840C - Av materialkomposition bestaoende band foer isolering av elkablar och en elkabel isolerad med detta band

Info

Publication number: FI89840C
Application number: FI864544A
Authority: FI
Inventors: Claudio Bosisio
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1986-11-07
Publication date: 1993-11-25
Also published as: IT1186188B; FI864544A; EP0222291B1; ES2002066A6; DK164381C; NO864463D0; CA1269606A; NO169804B; AU584246B2; DE3681404D1; DK164381B; JPS62123611A; EP0222291A2; DK526686A; US4853490A; AU6417386A; NO169804C; FI89840B; NO864463L; DK526686D0

Description

j 09840

Materiaaliyhdistel mästä muodostuva nauha sähkökaapelei den eristämiseksi ja sähkökaapeli jonka eristämiseen on käytetty mainittua nauhaa Tämä keksintö koskee yhdistelmämateriaalista muodostuvaa nauhaa sähkökaapeleiden eristämiseksi, jolloin kaapeli on öljy-täytteistä tyyppiä tai se on kyllästetty nestemäisellä öljyllä ja ainakin osa sen eristyksessä on saatu mainitun nauhan kiedoksilla. Hyvin korkeajännitteisen sähkövoiman siirrossa, nimittäin noin 1000 KV:hen saakka, käytetään normaalisti kaapeleita, joiden eristeenä on sei 1 uioosapaperia, joka on kyllästetty nestemäisellä öljyllä.

Näillä jännitearvoi11 a eristeessä ja erityisesti paperissa syntyvät dielektriset häviöt saavat aikaan 1ämmönmuodostuksen, joka vaatii sopivan jäähdytysjärjestemän käyttöönottoa, mikä ei ole aivan käytännöllistä ja aiheuttaa vastaavat kustannukset tai vaihtoehtoisesti, vähentää huomattavasti tällaisen kaapelin siirtämää voimaa. Dielektriset häviöt riippuvat oleellisesti nk. häviökulman delta (o) arvosta (vielä tarkemmin on kyse mainitun kulman tangentista) ja vähemmässä määrin sei 1 uioosapaperin suhteellisesta di elektrisyysvakiosta e .

r

Sei 1 uioosapaperin deltakulman tangentin (tans) arvo on ollut jatkuvassa laskussa (ja siten vastaavat dielektriset vakiot) viimeisten kymmenen vuoden aikana, 3 %:sta 1,5 %:iin parhailla papereilla, tuotantoprosessin parannusten ansiosta, kuten dejonisoidun veden käytöllä massan valmistuksessa.

Kuitenkin nämä arvot ovat edelleen liian korkeita, kun sellu-loosapaperia käytetään hyvin korkeilla jännitteillä niin, että tehostetun jäähdytysjärjestelmän käyttöönotto on välttämätöntä di elektrisistä häviöistä aiheutuvan lämmön haihduttamiseksi. Mainittujen di elektristen häviöiden vähentämiseksi on 2 89840 ehdotettu eristeen deltakulman tangentin arvon pienentämistä edelleen, käyttämällä sekoitettua eristettä, joka muodostuu paperinauhoista ja muovimateriaalia olevista nauhoista kuten polypropyleeninauhoista, joilla on hyvin alhainen deltakulman tangentin arvo suhteessa paperiin ja myös ε arvot alempia r kuin sei 1 uioosapaperin arvot. Eriste toteutetaan käärimällä vuorotellen paperinauhoja ja muovinauhoja tai käyttämällä edeltä käsin laminoituja rakenteita, jossa on yksi tai kaksi paperinauhaa yhdistettynä ekstrudoimal1 a saadulla muovimate-riaalikerroksel1 a tai käyttämällä kerrosten välillä liitosai-netta.

Näissä rakenteissa on käytännöllistä, että muovimateriaali-kerroksella on nauhan kokonaispaksuuteen nähden suhteellinen paksuus niin, että tuloksena oleva deltatangentin arvo vähenee niin paljon kuin mahdollista, esim. suuruusluokka-arvoon 0,7-1 %.

Näiden kerrostettujen rakenteiden haittapuolena on, että muovimateriaali ei käy yhteen kyl1ästysöljyn kanssa, jonka kanssa kosketuksissa se kärsii turpoamisesta. Kun muovimateriaalia on läsnä suurina määrinä, mainittu turpoaminen voi johtaa vaarallisiin jännityksiin eristyskerroksen sisällä. Itse asiassa turpoamisen vuoksi synteettistä materiaalia olevat kerrokset, erityisesti kun ne ovat kuumia, saavat aikaan sä-teettäisiä paineita, jotka saattavat aiheuttaa eristeen luhistumisen kautta taitoksia sillä riskillä, että selluloosa-kerrokset murtuvat.

Esille tuleva kaapelin taipuisuuden menetys on edelleen eräs epäkäytännöl1isyys. Muovimateriaalikerroksei 1 a, joka on ekst-rudoitu rakenteen muodostamisen aikana (esim. ekstrudoimal1 a kahden liikkeessä olevan paperi kerroksen väliin), on huonot mekaaniset ominaisuudet. Liitosaineen mahdollinen käyttö muo-vinauhojen yhdistämiseksi paperiin määräisi sähköiset ominaisuudet, jotka kärsivät huomattavasta huonontumisesta sopimattomien materiaalien läsnäollessa eristeen sisällä.

li O n, a ('

l'> J i) 4 U

3

Sei 1 uioosapaperin sähköisiä ominaisuuksia, näiden joukossa myös deltatangentin arvo ja suhteellinen dielektrisyysvakio ε , voidaan parantaa huomattavasti lisäämällä happoja ja/-r tai mineraalisuoloja, jotka pystyvät vähentämään materiaalin sähköistä kokonaisvalenssia (nimittäin dipolilukua) muodostamalla joniyhdisteitä.

Tällaisia käsiteltyjä papereita saadaan esimerkiksi upottamalla paperi nauhoja kylpyihin, jotka sisältävät sopivaa ainetta kuten kloorihappoa ja/tai sen suoloja ja sitten kuivaamalla ne ja niillä voi olla deltatangentin arvot suuruusluokkaa 0,4-0,5 promillea ja ε arvot suuruusluokkaa 1,8 - 2,0.

r

Kuitenkin nämä suhteelliset parannukset sähköisissä ominaisuuksissa saavutetaan sellaisen suolapitoisuuden yhteydessä, mikä tekee paperin kohtuuttoman hauraaksi (kuivassa tilassa) ja on siksi sopimatonta käytettäväksi voimakaapeleiden eristykseen. Itse asiassa vaikka ei olisikaan kyse pienestä paksuudesta (esim. 200 mikronia), on olemassa suuri riski paperin murtumiseen jo käärimistoimintojen aikana.

Kuitenkin ennen kaikkea valmiissa kaapelissa tätä paperia, sen haurauden takia, ei voida käyttää murtumien, taittumien ja muiden 1uhistumisi 1 miöiden mahdollisen riskin takia itse kaapelin uudel1eenkäsittelyn ja paikai 1eenpanon aikana.

Näin ollen huolimatta teoreettisista ja usein suositelluista mahdollisuuksista käyttää tämän tyyppisiä lisäaineita sisältäviä sei 1 uioosapapereita myös sähkökaapeleissa, ne ovat todella käytettävissä vain staattisiin järjestelmiin tai järjestelmiin, kuten muuntajiin, kondensaattoreihi n ja senkaltaisiin, joihin kohdistuu hyvin pienet kuormitukset.

4 3 9 C 4 G

Tämän keksinnön tavoitteena on niinmuodoin saada aikaan nauhamainen materiaali, joka on sopiva muodostamaan sähkökaape-leiden eristys hyvin korkeilla jännitteillä ja joka aiheuttaa vähentyneet dielektriset häviöt.

Edelleen keksinnön tavoitteena on saada aikaan mainittu materiaali suurimmalla mahdollisella paperipitoisuudel1 a niin, että mainitulla materiaalilla eristetty kaapeli on taipuisa, helppo kyllästää ja siinä vältetään oleellisesti kaikki jännitykset, jotka aiheutuvat synteettisten materiaalien turpoamisesta. Ts. muovimateriaalia käytetään pääasiassa mekaanisena tukena sei 1 uioosamateriaali11 e.

Keksinnön tavoitteena on myös saada aikaan yllä kuvatun tyyppinen materiaali, jossa muovimateriaalin ja sei 1 uioosamateri aal in välinen kuuma liitos ei aiheuta mitään enempää muovi-materiaalin kuin paperinkaan mekaanisten ominaisuuksien menetystä .

Lopuksi keksinnön vielä eräänä tavoitteena on saada aikaan sähkökaapeli, jonka eristys on ainakin osittain muodostunut yllä kuvatun nauhamaisen materiaalin kierroksista.

Tämän mukaisesti keksinnön kohteena on materiaaliyhdistelmäs-tä muodostuva nauha suurijännitteiSten sähkökaapeleiden eristykseen, joka nauha muodostuu paperikerroksesta, joka on liitetty vähintään yhteen polymeeristä muovimateriaalia olevan kalvon pintaan ja jolle on tunnusomaista että mainittu paperi sisältää mineraalisuoloja alueella 0,1 ja 3 %:n välissä paperin painosta ja että muovimateriaalin paksuus on alueella 10 ja 30 %:n välissä nauhan kokonaispaksuudesta.

Keksinnön edul1isimmassa suoritusmuodossa muovi materiaalikai -vo tehdään kaksoisorientoidusta polypropyleenista ja se päällystetään ohuella kerroksella propyleenietyleenikopolymeeriä.

li 9 9 P 4 0 5

Keksintö koskee lisäksi sähköistä voimakaapelia, joka on ainakin osittain eristetty yllä kuvatun tyyppisellä yhdistelmä-materiaalia olevalla nauhalla. Keksintöä kuvataan nyt viittaamalla joihinkin toteutusmuotoihin, jotka on kuvattu liitteenä olevissa kuvioissa, joissa: kuvio 1 on osittainen poikkileikkaus keksinnön mukaisesta yh-distelmämateriaalia olevasta nauhasta, kuvio 2 on osittainen poikkileikkaus keksinnön mukaisen yh-distelmämateriaalia olevan nauhan vaihtoehtoisesta toteutus-muodosta , kuvio 3 on suurennettu osittainen leikkaus keksinnön mukaisen materiaaliyhdistelmää olevan nauhan vielä eräästä vaihtoehtoisesta toteutusmuodosta ja kuvio 4 esittää öljytäytteistä kaapelia, jonka eristys on saavutettu käyttämällä keksinnön mukaista nauhaa.

Kuvio 1 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisen yhdistel-mämateriaalia olevan nauhan rakenteesta; nauha kokonaisuudessaan on osoitettu viitenumerolla 1 ja se muodostuu kahdesta paperikerroksesta 2, 4, joiden väliin on kerrostettu ja liitetty nauha tai kalvo 3 polymeerisestä muovimateriaalista, jolla on hyvät sähköiset ominaisuudet yleisesti. Paperiker-roksilla 2 ja 4 on edullisesti sama paksuus ja ne on tehty lisäaineistetusta paperista, joka on saatu esim. upottamalla boorihappo tai magnesiumboraatti- tai muuhun suolaliuokseen, ja on kuivattu tämän jälkeen. Näin paperiin tuodun lisäaineen painopitoisuus paperissa on alueella 0,1 ja 3 ϊ:η välissä ja edullisesti 0,5 ja 1 %\r\ välissä paperin painosta.

Muovikalvon paksuus suhteessa nauhan kokonaispaksuuteen on alueella 10 ja 30 %:n välillä ja edullisesti 15 ja 25 %:n välillä. Mainittu nauhan kokonaispaksuus voi vaihdella vaatimusten mukaan; kuitenkin se on edullisesti 50 ja 200 mikronin välillä, mitkä arvot vastaavat normaalisti käytettyjä. Esim. nauhassa, joka on saatu kuviossa 1 esitetyn rakenteen mukaisesti ja jolla on kokonaispaksuus 110 mikronia, muovimate- 6 8 9 8 40 riaalia olevan kalvon paksuus saattaa olla 20 mikronia ja kummankin kahdesta paperikerroksesta paksuus noin 45 mikronia, mikä vastaa 18 % muovimateriaalin suhteena nauhan kokonaispaksuuteen .

Kuviossa 2 esitetyssä toteutusmuodossa materiaaliyhdistelmä-nauha 11 on sen sijaan muodostettu vain yhdestä kerroksesta 1isäainekäsiteltyä paperia 12, joka on liitetty muovimateriaalia 13 olevaan kalvoon. Rakentamalla nauha,jonka paksuus on 100 mikronia, muovimateriaalin paksuus jää 20 mikroniin, kun taas paperikerroksen paksuudeksi tulee 90 mikronia. Po-lyolefiinit ovat polymeerisistä muovimateriaaleista sopivimpia muovikerrokseen niiden hyvien sähköisten ominaisuuksien (ne eivät ole polaarisia ja niillä on hyvä di elektrisyysvah-vuus), termisten ominaisuuksien (riittävän korkea pehmenemis-lämpötila) ja mekaanisten ominaisuuksien ansiosta.

Erityisen sopivaksi muovimateriaaliksi on osoittautunut polypropyleeni. Toinen materiaali, joka antaa hyviä tuloksia on polymetyleenipenteeni, joka sulaa korkeammassa lämpötilassa kuin polypropyleeni ja tarjoaa siten lisäedun kaapelia alumiinilla päällystettäessä.

Kuvio 3 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisen materiaa-1iyhdistelmänauhan erään toteutusmuodon rakenteesta. Se koostuu 1isäainekäsitellyn paperin 22 kerroksesta, joka on liitetty kaksoisorientoitua polypropyleeniä olevaan nauhaan tai kalvoon 23, jonka molekyylit on orientoitu venyttämällä kahteen toisiaan vastaan kohtisuoraan suuntaan. Paperi voidaan käsitellä lisäaineella kuten edellä olevassa esimerkissä tai muilla suoloilla kuten silikaateilla, joiden pitoisuus on kuitenkin pidettävä yllä määritellyissä rajoissa.

Kahden kerroksen yhdistäminen saadaan ohuen propyleenietyleeni kopol ymeeri ä olevan kerroksen tai päällysteen 23 avulla, joka saadaan paikalleen esim. ekstrudoimaila kaksoisorien toi- il 7 89840 dun polypropyleeninauhan päälle. Tämän pinnalla olevan polyp-ropyleenikopolymeerimikrokerroksen paksuus on muutaman mikronin luokkaa esim. kaksi mikronia ja se on erityisen sopiva termisen sidoksen saamiseksi polypropy1eenin ja paperin väliin. Edullisesti sen propy1eenipitoisuus on korkeampi kuin 80 paino-%. Itse asiassa mikrokerroksen sisältävä materiaali tarttuu polypropyleeniin affiniteetin vaikutuksesta ja käyttämällä hyödyksi sitä tosiasiaa, että kopolymeerin pehmene-mislämpötila on matalampi kuin polypropy1eenin, voidaan saavuttaa pysyvä liitos paperin 22 ja nauhan 23 välille ilman, että viimeksimainittu sulaa. Ts. laminoitu rakenne syntyy matalammassa lämpötilassa kuin polypropyleenin sulamislämpöti1 a, joka siten säilyttää kaikki mekaaniset kestävyysominaisuutensa .

Erityisesti polypropyleenin kaksoisorientoitunut rakenne ei muutu niin, että sillä on suurempi kyky vastustaa turpoamista yhteydessä ky 11ästysaineeseen ja se antaa mekaanista vastustuskykyä materiaaliyhdistelmänauhalle.

Kuten on ilmeistä edelleen keksinnön mukaisesti, materiaa-1iyhdistelmänauha voidaa rakentaa päällystämällä kaksoisorien-toitu polypropyleeni molemmilta puoliltaan polypropyleeniko-polymeerillä sellaisen materiaaliyhdistelmänauhan saamiseksi, jolla on paperi molemmilla ulkopinnoilla analogisesti kuviossa 1 esitetyn toteutusmuodon kanssa. Tietenkin on mahdollista käyttää muuta kaksoisorientoitua muovimateriaalia ja/tai muuta kopolymeeria termisen liitoksen saamiseksi.

Kuvio 4 esittää noin 700 KV:11a energiaa siirtävää kaapelia 5, joka muodostuu johtimesta 6, joka on muodostettu joukosta hoivikivenmuotoisiä lankoja tai nauhoja 7, jotka rajaavat sisemmän johteen 8 öljyä varten ja eristeestä 10, joka on kääritty johteen ympärille. Johteen 6 ja eristeen 10 välissä on puolijohtava verkko 9 ja ulompi puolijohtava verkko 11 on sijoitettu eristeen 10 ja kaapelin suojaavan metallivaipan 15 väliin.

8 89 840

Keksinnön mukaisesti ainakin osa eristeestä 10 kuvatussa öljy täyttei sessä kaapelissa saavutetaan kietomalla yllä kuvatun tyyppistä yhdistelmämateriaalinauhaa. Mikäli vain osa eristeestä 10 rakennetaan käyttämällä kuvattua yhdistelmämateri aalinauhaa, mainittu osa on edullisesti sisin kerros, nimittäin lähin johdetta oleva. Seuraavassa taulukossa on esitetty vertailu keksinnön mukaisen laminoidun rakenteen, joka muodostuu 20 mikronin polypropyleenikerroksesta päällystettynä vain toiselta pinnaltaan boraatteja sisältävällä paperilla, ja tavanomaisen laminaatin, jossa on paksuudeltaan 52 mikronin polypropy1eeni kerrostettuna kahden paperi kerroksen väliin, mekaanisten ominaisuuksien välillä.

Molemmissa 1aminaateissa kokonaispaksuus on 125 mikronia.

Vetolujuus Maksimi venymä (N/mm ) %

Pitkittäin Poikittain Pitkittäin Poikittain

Paperi-polypropy 1 eeni -paperi 1ami- naatti 48 24 2 5

Keksinnön mukainen nauha 105 50 4 12

Keksinnöllä saavutetaan tarkoitettu tulos.

Itse asiassa sen mukaisella yhdistelmämateriaali nauhalla on alhainen tangentti <5 ja ε arvot, jotka erityisesti ovat r alemmat kuin tavanomaisen paperipolypropyleenipaperirakenteen.

li 0 9 8 4 : 9

Edelleen muovimateriaalin vähentynyt paksuus ja sen kaksois-orientaatio minimoi kyl1ästysöljyn aiheuttamaa turpoamista, kun yhdistelmämateriaalinauhaa käytetään kaapeleiden eristämisessä, jolloin kaapelille saadaan edelleen vaadittu taipui-suus, koska muovimateriaalia on läsnä vähentynyt määrä.

Lisäksi nauhalla on erittäin hyvät mekaaniset kestävyysominaisuudet, jotka osoittautuvat edullisiksi sekä johtimen kää-minnän aikana että niiden myöhempien toimintojen aikana, joihin kaapeli joutuu. Aivan erityisesti esim. yhdistelmämateri aal i nauhal 1 a on erittäin hyvät repäisylujuusominaisuudet, mikä johtuu kaksoisorientoidusta polypropyleenikalvosta, joka ei ole kärsinyt muutoksista liittämisen aikana, koska pehmeneminen on koskenut ainoastaan kopolymeerin mikrokerrosta.

Keksinnön mukaisessa yhdistelmämateriaalinauhassa ei ole lisärajoituksia paperin tiheyden suhteen, jolla voi olla lähellä yhtä olevia arvoja, kun taas paperi polypropyleenipaperi1a-minaateissa paperi on edullisesti pieni tiheyksistä tyyppiä.

Vaikka keksintöä on kuvattu määrätyillä viitteillä joihinkin edullisiin suoritusmuotoihin, se ei ole raoitettu niihin vaan kattaa kaikki vaihtoehdot ja/tai muunnokset, jotka ovat ilmeisiä tuloksia tällä alueella teknistä taitoa omaavalle.

Claims

09iUQ

1. Suurjännitteisten sähkökaapelien eristykseen käytettävä yhdistelmämateriaalinauha, joka muodostuu paperikerroksesta, joka on liitetty polymeeristä muovimateriaalia olevan kalvon ainakin yhteen pintaan, tunnettu siitä, että mainittu paperi (2, 4; 12, 22) sisältää mineraalisuoloja 0,1 ja 3 %:n välillä paperin painosta, ja että muovimateriaalin (3; 13; 23) paksuus on 10 ja 30 %:n välillä nauhan kokonaispaksuudesta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen nauha, tunnettu siitä, että mineraalisuolojen pitoisuus on 0,5 ja 1 %:n välillä paperin painosta ja että muovimateriaalin paksuus on 15 ja 25 %:n välillä nauhan kokonaispaksuudesta.

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen nauha, tunnettu siitä, että mainitut mineraalisuolat ovat boraatteja.

4. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen nauha, tunnettu siitä, että mainitut mineraalisuolat ovat silikaatteja.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen nauha, tunnettu siitä, että mainittu muovimateriaali (3; 13; 23) on kaksoisorientoitua.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen nauha, tunnettu siitä, että paperin (22) ja polymeerimateriaalin (23) välissä on ohut kopolymeerikerros (25), jonka peh-menemislämpötila on alempi kuin polymeerin (23).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen nauha, tunnettu siitä, että muovimateriaali on polyolefiini.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen nauha, tunnettu siitä, että muovimateriaali on polypropyleeni.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen nauha, tunnettu siitä, että muovimateriaali on polymetyylipenteeni. il 89840

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen nauha, tunnettu siitä, että mainittu kopolymeeri on propyleenietyleenikopolymeeri ja että ohuen kerroksen paksuus on suuruusluokkaa 2 μιη.

11. Energiaa korkealla jännitteellä siirtävä sähkökaapeli, tunnettu siitä, että se muodostuu ainakin yhdestä jonkin edellä olevan vaatimuksen mukaisilla yhdistelmämateriaa-linauhan kierroksilla (10) ainakin osittain eristetystä langasta (6) .