HU223994B1

HU223994B1 - Nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel és eljárás az előállítására

Info

Publication number: HU223994B1
Application number: HU0002747A
Authority: HU
Inventors: Sergio Belli; Luigi Caimi; Alberto Bareggi; Luca Balconi
Original assignee: Pirelli Cavi E Sistemi S.P.A.
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2005-04-28
Also published as: EE9900489A; EG21959A; CA2289748C; ID24381A; AP1121A; EE04446B1; PL187115B1; KR20010012611A; MA24545A1; TNSN98064A1; SK286369B6; SK152099A3; BR9809119A; EA199901035A1; CZ398999A3; CN1255229A; DE69806377T2; IL132408A; JP2002510424A; GEP20022663B

Abstract

A találmány tárgya nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel,amely tartalmaz g) egy vezetéket (1); h) legalább egy szigetelőréteget(3), amely a vezeték (1) körül van elhelyezve; és i) egy habosítottpolimer anyagból (10) készült bevonatot, amely a tömör szigetelőréteg(3) körül van elhelyezve, és az a lényege, hogy a habosítandó polimeranyag hajlítási modulusa szobahőmérsékleten mérve a D 790 ASTMszabvány szerint legalább 200 Mpa, továbbá a habosított polimer anyag(10) habosítási foka 20% és 3000% között van. A találmány tárgya mégeljárás nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel belső szerkezeteütőszilárdságának növelésére, azáltal, hogy a belső szerkezet körülegy olyan bevonatot helyeznek el, amely az előzőekben meghatározotthajlítási modulusú és meghatározott mértékben habosított polimeranyagot (10) tartalmaz. ŕ

Description

A találmány tárgya olyan nagy teljesítmények átvitelére kiképezett kábel, amely ütésálló bevonattal van ellátva, amely a kábelt a véletlenszerű ütésektől meg tudja védeni.

Egy kábelen az arra ható véletlenszerű ütések, amelyek például a kábelek szállítása, fektetése stb. során léphetnek fel, súlyos sérüléseket okozhatnak a kábelnek, beleértve a szigetelőréteg deformálódását a szigetelőrétegnek a félvezető rétegtől való szétválását és hasonlókat. Az ilyen károsodások a szigetelőbevonat villamos gradiensében változásokat idézhetnek elő, amelyek azzal a következménnyel járhatnak, hogy csökken ennek a bevonatnak a szigetelőképessége.

Azokban a kábelekben, amelyek napjainkban kereskedelmi forgalomban kaphatók, például az alacsony- vagy középfeszültségű, nagy teljesítmények átvitelére kiképezett vagy elosztókábelekben rendszerint az ilyen ütéseknek ellenállni képes fémburkolatot alkalmaznak azért, hogy a kábeleket a véletlenszerű ütések által esetlegesen okozott károsodásoktól megvédjék. Az ilyen fémburkolat szalag vagy huzal alakú lehet (általában acélból készül), vagy más változat szerint egy fémpáncélzat formájú lehet (általában ólomból vagy alumíniumból készül), és ez a burkolat még egy külső polimer bevonattal van bevonva. Egy ilyen kábelszerkezetre példát találhatunk az US 5, 153, 381 számú szabadalmi leírásban.

Megfigyeltük, hogy a fent említett fémburkolat alkalmazásának számos hátránya van. így például a fémburkolat felvitele egy vagy több további lépést jelent a kábel gyártási eljárásában. Továbbá a fémburkolat jelentős mértékben megnöveli a kábel súlyát, ezenkívül környezetvédelmi problémák merülnek fel ezzel kapcsolatban, mivel ha ki kell cserélni a kábelt, az ilyen módon gyártott kábeltől nem könnyű megszabadulni.

A JP 7-320550 (Kokai) számú szabadalmi leírásban egy olyan kábelt írnak le, amely 0,2-1,4 mm vastagságú ütésálló bevonattal van ellátva, amely bevonat a kábel szigetelése és a külső fémburkolat közé van behelyezve. Ez az ütésálló bevonat fő összetevőként poliuretángyantát tartalmazó, nem habosított polimer anyagot tartalmaz.

Másrészt ismeretes az is, hogy számos különböző célra habosított polimer anyagokat alkalmaznak a kábelek szerkezetében.

A DE 1515 709 számú szabadalmi leírásban például egy, a kábel külső műanyag bevonata és belső fémburkolat közé helyezett közbenső réteg alkalmazását írják le, amelynek célja a külső műanyag bevonat alacsony hőmérsékletekkel szemben mutatott ellenállásának a növelése. Nem említik ebben az iratban a kábel belső szerkezetének közbenső réteggel való védelmét. Tény, hogy egy ilyen közbenső réteg ki tudja egyenlíteni a hőmérséklet csökkenése következtében a külső műanyag burkolatban létrejövő rugalmas feszültségeket, és lazán elhelyezett üvegszálakból vagy olyan anyagból állhat, amely meg tud duzzadni, vagy pedig üreges üveggömböket tartalmaz.

A DE G 8103 947.6 számú használati mintaoltalmi iratban olyan berendezések és gépek belsejében használatos villamos kábelt írnak le, amely sajátságos mechanikai ellenállással és hajlékonysággal rendelkezik. Ezt a kábelt speciálisan arra tervezték, hogy csigán vezessék meg, és hogy elegendően hajlékony legyen annak érdekében, hogy miután áthaladt a csigán visszanyerje egyenes szerkezetét. Ennek megfelelően az ilyen típusú kábelt speciálisan arra tervezték, hogy ellenálljon a statikus jellegű mechanikai terheléseknek (például az olyanoknak, amelyek a csigán való áthaladás során jönnek létre), és ehhez elsősorban a megfelelő hajlékonyság szükséges. A szakember számára könnyen belátható, hogy az ilyen típusú kábel alapvetően különbözik a kisfeszültségű vagy középfeszültségű, nagy teljesítmények átvitelére kiképezett vagy elosztókábelektől, amelyek fémburkolattal rendelkeznek, és amelyek ahelyett, hogy hajlékonyak, képeseknek kell lenniük arra, hogy a kábelre ható bizonyos erősségű ütések következtében fellépő dinamikus terheléseknek ellenálljanak.

A koaxiális vagy sodrott érpárú jelátviteli kábeleknél ismeretes a habosított anyagok alkalmazása a villamosán vezető fém szigeteléseként. A koaxiális kábeleket rendszerint nagyfrekvenciás jelek átvitelére használják, így például televíziós (kábeltelevíziós) (10-100 MHz) kábelekhez, műholdas kábelekhez (maximum 2 GHzig), számítógépekhez való koaxiális kábelekhez (1 MHz fölött); a hagyományos távbeszélőkábelek rendszerint 800 Hz körüli frekvenciájú jeleket továbbítanak.

A habosított szigetelő alkalmazásának a célja az ilyen kábelekben az, hogy növeljék a villamos jelek átviteli sebességét annak érdekében, hogy megközelítsék egy légkábel villamosán vezető fémvezetékében az ideális jelátviteli sebességet (ami a fénysebességhez közeli érték). Ennek oka az, hogy ha összehasonlítjuk a nem habosított polimer anyagokkal, a habosított anyagok rendszerint kisebb dielektromos állandóval (K) rendelkeznek, ami arányosan annál közelebb van a levegő dielektromos állandójához (K=1), minél magasabb fokú a polimer habosítása.

Az US 4,711,811 számú szabadalmi leírásban például olyan jelátviteli kábelt írnak le, amelyben habosított szigetelőként fluorpolimert alkalmaznak (0,05-0,76 mm vastagságban), ami egy etilén/tetrafluor-etilén vagy etilén/klór-triflór-etilén kopolimer filmmel van bevonva (0,013-0,254 mm-es vastagságban). Mint ebben a szabadalmi leírásban leírják a habosított polimer alkalmazásának az a célja az, hogy a vezetéket szigeteljék, míg a nem habosított polimer film szerepe, amely a habosított polimert burkolja, az, hogy javítsa az össznyomással szemben mutatott szilárdságot, amire akkor van szükség, amikor két szigetelt vezetéket összesodornak úgy, hogy egy úgynevezett „sodrott érpárt” alakítsanak ki.

Az EP 442, 346 számú szabadalmi leírásban olyan habosítottpolimer-alapú szigetelőréteggel bevont jelátviteli kábelt írnak le, ahol a szigetelőréteg közvetlenül a vezeték köré van helyezve. A habosított polimernek 75%-nál nagyobb hézagtérfogatú ultramikrosejtes szerkezete van (ami egy 300%-nál nagyobb fokú habosításnak felel meg). Ennek a polimernek ultramikrosej2

HU 223 994 Β1 tes szerkezete kell legyen, hogy ha 6,89* 10⁴ Pa nyomás alatt legalább 10%-kal összenyomjuk, akkor a terhelés eltávolítása után eredeti térfogatának legalább az 50%-át visszanyerje; ezek az értékek megközelítőleg annak a tipikus nyomószilárdsági értéknek felelnek meg, amellyel az anyagnak rendelkeznie kell ahhoz, hogy ellenálljon a kábelek összesodrása során fellépő nyomásnak.

A WO 93/15512 számú nemzetközi szabadalmi bejelentésben, amely szintén egy habosított szigetelőbevonattal ellátott jelátviteli kábelre vonatkozik, megállapítják, hogy ha a habosított szigetelőt egy nem habosított szigetelő hőre lágyuló polimer réteggel vonják be (mint ahogy azt például a fent említett US 4, 711,811 számú szabadalmi leírásban leírják), akkor elérik a kívánt nyomószilárdságot, ez azonban csökkenti a jel terjedési sebességét. A fenti WO 93/15512 számú szabadalmi bejelentésben egy kettős szigetelőbevonat-réteggel ellátott koaxiális kábelt írnak le, ahol mindkét réteg habosított polimer anyagból áll, a belső réteg egy mikroporózus politetrafluor-etilén rétegből (PTFE), míg a külső réteg egy zárt sejtes habosított polimerből áll, különösen perfluor-alkoxi-tetrafluor-etilén (PFA)-polimerekből. A habosítottpolimer-alapú szigetelőbevonat úgy jön létre, hogy a PFA-polimert a belső PTFE szigetelőrétegre extrudálják, miközben Freon 113 gázt fecskendeznek be habosítóközegként. A leírásban megadott részletek szerint ennek a zárt sejtes habosított szigetelőnek az alkalmazása teszi lehetővé, hogy fenntartsák a nagy sebességű jelátvitelt. Azt is megállapítják ebben a szabadalmi bejelentésben, hogy a szigetelés ellenáll az összenyomásnak is, jóllehet, ezen nyomószilárdságra vonatkozó számszerű adatot nem adnak meg. A leírásban hangsúlyozzák azt a tényt, hogy egy ilyen kettős rétegű szigetelővel bevont vezetékeket össze lehet sodorni. Továbbá, a fenti szabadalmi bejelentés szerint a külső habosított rétegben a hézagtérfogat növelése lehetővé teszi, hogy az átviteli sebességben növekedést érjenek el, és ezzel a bevonat kapacitásában kis változásokat hoznak létre, ami ellenáll a belső habosított réteg nyomásának.

Mint az a fent említett iratokból látható, a jelátvivő kábelek szigetelőbevonataiban a „nyílt cellás szerkezetű” habosított polimer anyagok alkalmazásának a fő célja az, hogy növeljék a villamos jel átviteli sebességét. Ezeknek a habosított bevonatoknak azonban az a hátránya, hogy nem megfelelő a nyomószilárdságuk. Néhány habosított anyagot általánosan „nyomásállóként” határoznak meg, mivel azoknak nemcsak nagy sebességű jelátvitelt, hanem elegendő ellenállást is kell biztosítaniuk az összenyomó erőkkel szemben, amelyek tipikusan akkor jönnek létre, amikor két, a fent említett habosított szigetelővel bevont vezetőt egymással összesodornak; ennek megfelelően ebben az esetben is az alkalmazott terhelés alapvetően statikus jellegű.

Tehát egyrészt szükséges, hogy ezen habosított polimer anyagokból készült szígetelőbevonatok esetében a jelátviteli kábelek olyan tulajdonságúak legyenek, hogy azok viszonylag mérsékelt nyomást legyenek képesek elviselni (mint amilyen például akkor jön létre, amikor két kábelt összesodornak), másrészt egyik ismert dokumentumban sem említenek semmilyen ütésszilárdságot, amit egy habosított polimer bevonattal lehetne elérni. Továbbá, annak ellenére, hogy egy ilyen habosított szigetelőbevonat elősegíti a nagyobb sebességű jelátvitelt, ezt kevésbé előnyösnek tekintik a nyomószilárdság szempontjából, mint egy hasonló nem habosított anyagból készült bevonatot, mint arról a fent említett WO 93/15512 számú szabadalmi bejelentésben is beszámolnak.

Tapasztalataink azonban azt mutatták, hogy ha egy nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelszerkezetébe megfelelő vastagságú és hajlítási modulusú habosított polimer anyagból készült megfelelő bevonatot illesztünk be, előnyösen a külső polimer bevonat burkolatával érintkeztetve, akkor lehetséges egy olyan kábel kialakítása, amelynek nagy az ütésszilárdsága, és ily módon el lehet kerülni ennek a kábelnek a szerkezetében a fent említett védő fémfegyverzet alkalmazását. Még pontosabban megfigyeltük, hogy a polimer anyagot úgy kell kiválasztani, hogy annak elegendően nagy hajlítási modulusa legyen a habosítás előtt, hogy a kívánt ütés-ellenállósági tulajdonságokat elérjük, és elkerüljük a kábel külső felületét érő nemkívánatos ütések következtében annak belső szerkezetének a lehetséges károsodásait. A leírásunkban az „ütés” kifejezést olyan értelemben használjuk, hogy az felölel minden olyan, adott energiájú dinamikus terhelést, amely a hagyományos fegyverzet nélküli kábelek szerkezetében jelentős mértékű károsodás előidézésére képes, ugyanakkor a hagyományos fémburkolattal ellátott kábelek szerkezetére elhanyagolható hatásokat fejt ki. Jelzésképpen megemlítjük, hogy egy ilyen ütésnek lehet tekinteni például egy V alakú, kb. 1 mm-es lekerekítési sugárral lekerekített élű nyomófejjel a kábel külső burkolatára kifejtett, kb. 20-30 joule nagyságú ütést.

Felismertük továbbá, hogy a találmány szerinti kábelekhez használt habosított polimer anyag meglepő módon lehetővé teszi, hogy olyan ütésszilárdságot érjünk el, ami jobb, mint amit egy ugyanolyan alakú polimerből készült hasonló bevonat alkalmazásával érünk el, mely utóbbi polimer azonban nem habosított.

Egy ilyen típusú bevonattal ellátott kábelnek számos előnye van egy fémburkolattal ellátott hagyományos kábellel szemben, ilyen előny például a könnyebb gyártás, a kész kábel súly- és méretcsökkenése, és a kábel elhasználódása után a kábel újrahasznosításával kapcsolatban a csökkent környezeti hatás.

A kitűzött cél a találmány szerint tehát egy olyan nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel, amely tartalmaz

a) egy vezetéket;

b) legalább egy szigetelőréteget, amely a vezeték körül van elhelyezve; és

c) egy habosított polimer anyagból készült bevonatot, amely a tömör szigetelőréteg körül van elhelyezve, és az a lényege, hogy a polimer anyag hajlítási modulusa szobahőmérsékleten mérve a D 790 ASTM szabvány szerint legalább

HU 223 994 Β1

200 Mpa, továbbá a polimer anyag habosítást foka 20% és 3000% között van.

Előnyös, ha polimer anyag hajlítási modulusa 400 MPa és 1800 MPa között van, még előnyösebb, ha 600 MPa és 1500 MPa között, legelőnyösebb pedig, ha 30% és 500% között van.

Előnyös, ha a habosított polimer anyag bevonat vastagsága 0,5 mm vagy 1 és 6 mm között, előnyösen pedig 2 és 4 mm között van.

Maga a habosított polimer anyag a következő csoportból van kiválasztva: polietilén (PE), kis sűrűségű PE (LDPE), közepes sűrűségű PE (MDPE), nagy sűrűségű PE (HDPE) és lineáris kis sűrűségű PE (LLDPE); polipropilén (PP); etilén-propilén-gumi (EPR); etilénpropilén kopolimer (EPM); etilén-propilén-dién terpolimer (EPDM); természetes gumi; butilgumi; etilén/vinilacetát (ÉVA) kopolimer; polisztirol; etilén/akrilát kopolimer; etilén/metil akrilát (EMA) kopolimer; etilén/etil akrilát (EEA) kopolimer; etilén/butil akrilát (EBA) kopolimer; etilén/a-olefin kopolimer; akrilonitril-butadién-sztirén (ABS)-gyanták; halogénéit polimer; poli(vinil-klorid) (PVC); poliuretán (PUR); poliamid; aromás poliészter; polietilén-tereftalát (PÉT); polibutilén-tereftalát (PBT); és azok kopolimerei vagy mechanikai keverékei.

A habosított polimer anyag lehet PE- és/vagy PPalapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer vagy etilénpropilén-gumival módosított PE- és/vagy PP-alapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer. Az etilén-propiléngumival (EPR) módosított polipropilén esetében a PP/EPR tömegarány 90/10 és 50/50 között vagy a PP/EPR tömegarány 85/15 és 60/40 között vagy a PP/EPR tömegarány kb. 70/30.

A PE- és/vagy PP-alapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer előnyösen meghatározott mennyiségű vulkanizált gumit is tartalmaz, por alakban. Ez a por alakú vulkanizált gumi meghatározott mennyiség, a polimer tömegének 10%-a és 60%-a között van.

A kábel előnyösen egy külső polimer burkolatot is tartalmaz, amely adott esetben érintkezik a habosított polimer anyaggal.

A külső polimer burkolat vastagsága 0,5 mm-nél nagyobb, előnyösen 1 és 5 mm között van.

A találmány tárgya még eljárás nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel belső szerkezete ütőszilárdságának növelésére oly módon, hogy a kábel belső szerkezete körül egy olyan burkolatot helyezünk el, amely habosított polimer anyagot tartalmaz, és az a lényege, hogy a polimer anyag hajlítási modulusa szobahőmérsékleten mérve a D 790 ASTM szabvány szerint legalább 200 Mpa, továbbá a polimer anyag habosítási foka 20% és 3000% között van

Az eljárás során a kábel belső szerkezetét előnyösen úgy alakítjuk ki, hogy legalább két olyan réteget tartalmaz, amelyeknek egymáshoz képest adott átlagos hámozási szilárdsága van, és amikor a kábelre kb. 72 J energiát fejtünk ki egy ütközési pontnál, az átlagos hámozási szilárdság és az ütközési pontnál mért hámozási szilárdság közötti különbség kisebb, mint 25%, továbbá adott esetben a habosított anyagból készült bevonatot egy külső polimer burkolattal is ellátjuk.

A leírásban a „polimer habosításának foka” kifejezés alatt azt értjük, hogy az a polimernek a következőképpen meghatározott kiterjedésére vonatkozik:

G (habosítás foka)=(do/d_e-1 )-100 (%) ahol d₀ a nem habosított polimer sűrűségét jelenti (vagyis azét a polimerét, amelynek szerkezete alapvetően nem tartalmaz hézagtérfogatokat), és d_e a habosított polimeren mért látszólagos sűrűségét jelöli.

A leírásunkban a „habosított” polimer kifejezést úgy értelmezzük, hogy az olyan polimerre vonatkozik, amelynek szerkezetében a hézagtérfogat aránya (azaz annak a térnek az aránya, amelyet nem polimer, hanem gáz vagy levegő foglal el) tipikusan nagyobb, mint a polimer teljes térfogatának a 10%-a.

A leírásban a „hámozási” szilárdságot úgy értjük, hogy az arra az erőre vonatkozik, amely a vezetőről vagy a bevonat egy másik rétegéről egy réteg bevonat leválasztásához, lehúzásához (lehámozásához) szükséges; két bevonatrétegnek az elválasztása esetében ezek a rétegek tipikusan a szigetelőréteg és a külső félvezető réteg.

Tipikusan a nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelek szigetelőrétegének a K dielektromos állandója kettőnél nagyobb. Továbbá, a jelátviteli kábelekkel ellentétben, amelyekben az „elektromos gradiens” paraméterről nem tételezzük föl, hogy annak jelentősége van, a nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábeleknél kisfeszültségű kb. 0,5 kV/mm, nagyfeszültségű kábeleknél legfeljebb 10kV/mm nagyságú elektromos gradienst alkalmazunk. Ezekben a kábelekben a szigetelőbevonatban az inhomogenitások jelenlétét (például a hézagtérfogatokat) általában el kell kerülni, amely hézagtérfogatok a dielektromos szilárdságban helyi változásokat idézhetnének elő, ami a szigetelési kapacitás csökkenésével jár együtt. Ez a szigetelőanyag tipikusan tömör polimer anyag. A leírásunkban, a „tömör” szigetelés kifejezést úgy kell érteni, hogy az egy olyan szigetelőanyagra vonatkozik, amelynek dielektromos szilárdsága legalább 5 kV/mm, előnyösen nagyobb, mint 10 kV/mm, és különösen előnyösen nagyobb, mint 40 kV/mm közepes feszültségű nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelek esetében. A habosított polimer anyaggal ellentétben ez a tömör anyag szerkezetében lényegében hézagtérfogatoktól mentes, és sűrűsége 0,85 g/cm³ lesz, vagy annál több. A leírásban a kis feszültség kifejezés legfeljebb 1000 V (tipikusan 100 V-nál nagyobb) feszültségre hivatkozunk, a közepes feszültség kifejezés alatt 1-30 kV feszültségre hivatkozunk, és a nagyfeszültség kifejezés egy 30 kV feletti feszültségre utal. Az ilyen nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelek tipikusan 50 vagy 60 Hz-es névleges frekvencián működnek. Jóllehet a leírásunkban a habosított polimer bevonat alkalmazását nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelekre való hivatkozással ismertetjük részletesen, amelyben ez a bevonat előnyösen helyettesítheti napjainkban az ilyen kábelekben használt fémpáncélzatot, a szakember számára azonban világos, hogy ezt a habosított bevonatot előnyösen bármilyen típusú olyan kábelnél lehet használni, amelynél a kábelnek megfelelő ütésvédelmet kell

HU 223 994 Β1 biztosítani. A nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelek definíciója nemcsak a kis- vagy közepes feszültségű típusú kábeleket foglalja magában, hanem a nagyfeszültségű, nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábeleket is.

A találmányt az alábbiakban a kiviteli példa kapcsán, a mellékelt rajzra való hivatkozással ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábrán egy, a technika állásához tartozó nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel látható, amely egy háromfázisú fémpáncélzatú kábel; a

2. ábrán a találmány szerinti háromfázisú kábel első kiviteli alakja látható; és végül a

3. ábra találmány szerinti egyfázisú kábel második kiviteli alakja.

4. és 5. ábra a kábelekben létrejövő deformálódási mutatja.

Az 1. ábrán a technika állásához tartozó fémburkolattal ellátott háromfázisú nagy teljesítmény átvitelére kiképezett, közepes feszültségű kábel keresztmetszete látható. Ez a kábel három db 1 vezetéket tartalmaz, amelyek mindegyike egy belső 2 félvezető bevonattal, valamint egy 3 szigetelőréteggel, egy külső 4 félvezető bevonattal és végül egy hálóból kialakított 5 fémtokozással van ellátva. Ezt a szerkezetet az egyszerűség kedvéért a leírás további részében „mag”-nak fogjuk hívni. A három mag össze van fonva, és a közöttük kialakuló csillag alakú térrész 9 töltőanyaggal (általában rugalmas keverékekkel, polipropilénszálakkal és hasonlóval) van kitöltve annak érdekében, hogy a végső kábel keresztmetszete szerkezetét kör alakúvá tegyük, és az egész egy belső 8 polimer burkolattal, továbbá egy huzalokból készült 7 fémtokozással és egy külső 6 polimer burkolattal van bevonva.

A 2. ábrán egy találmány szerinti kábel keresztmetszete látható, amely közepes feszültségű, nagy teljesítmény átvitelére kiképezett háromfázisú feszültségre használható. Ez a kábel három 1 vezetékből áll, amelyek mindegyike egy belső 2 félvezető bevonattal, egy 3 szigetelőréteggel, egy külső 4 félvezető bevonattal és egy 5 fémtokozással van ellátva. Az így kapott magok közötti csillag alakú térrészek ebben az esetben egy ütésálló 10 habosított polimer anyaggal vannak kitöltve, amely azután még egy külső 6 polimer burkolattal van bevonva. A 10 habosított polimer anyagban bejelöltünk egy kör alakú 10a peremet is, amely megfelel a 10 habosított polimer anyag minimális vastagságának, a magok külső felülete közelében (a 10a peremet szaggatott vonallal jelöltük).

A 3. ábra egy, találmány szerint kialakított, közepes feszültségű, nagy teljesítmény átvitelére kiképezett egyfázisú kábel keresztmetszeti rajza. Ez a kábel egy középen elhelyezkedő 1 vezetéket tartalmaz, amely belső 2 félvezető bevonattal, 3 szigetelőréteggel, külső 4 félvezető bevonattal, 5 fémtokozással, valamint a 10 habosított polimer anyagból készült réteggel, és a külső 6 polimer burkolattal van ellátva. A 3. ábrán szemléltetett egyfázisú kábel esetében, mivel a mag kör keresztmetszetű, a háromfázisú esetben feltüntetett 10a perem egybeesik a 10 habosított polimer anyagból készült réteggel.

Ezek az ábrák természetesen csak néhány lehetséges kiviteli változatát szemléltetik a találmány szerinti kábelnek, amelyeket előnyösen lehet alkalmazni. Belátható, hogy a szakterületen ismert megfelelő módosításokat végre lehet hajtani ezen a három kiviteli változaton anélkül, hogy a találmány oltalmi körét ezek a változtatások érintenék. így például a 2. ábrán látható kiviteli változat esetében a magok közötti csillag alakú térrészeket előre ki lehet tölteni hagyományos 9 töltőanyaggal, és így egy félkész kábelt kapunk, amelynek keresztmetszete megközelítőleg megfelel a kör alakú 10a perem belsejében lévő kör alakú keresztmetszetnek. Erre a félig kész kábelre extrudálással lehet előnyösen felvinni a 10 habosított polimer anyagból álló réteget, a kör alakú 10a peremnek megközelítőleg megfelelő vastagságban, majd ezt követően a külső 6 polimer burkolatot lehet felvinni. Más változatban a magokat egy keresztmetszetszektorral lehet kialakítani oly módon, hogy amikor ezeket a magokat egymással összekapcsoljuk, egy megközelítőleg kör keresztmetszetű kábelt alakítunk ki anélkül, hogy a csillag alakú területeket 9 töltőanyaggal kellene kitölteni; majd az így egymással összekapcsolt magok fölé extrudálással visszük fel az ütésálló 10 habosított polimer anyagból készült réteget, amit a külső 6 polimer burkolat felvitele követ.

Kisfeszültségű, nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábelek esetében a kábelek szerkezete rendszerint csak egyetlen 3 szigetelőréteget fog tartalmazni, ami úgy van elhelyezve, hogy az 1 vezetékkel érintkezik, és ezt a 3 szigetelőréteget a 10 habosított polimer anyagból álló réteggel és a külső 6 polimer burkolattal vonjuk be.

A szakmában jártas szakember számára további megoldások is jól ismertek, és a szakember ki tudja értékelni, például a költségek, a kábelelhelyezés típusa (légkábel, csővezetékbe behelyezett kábel, közvetlenül a földbe fektetett kábel, épületeken belül, tenger alatti stb. kábelek), a kábel működési hőmérséklete (maximális és minimális hőmérsékletek, a környezet hőmérsékleti tartományai) és hasonlók alapján a legmegfelelőbb megoldást.

Az ütésnek ellenálló, azaz röviden ütésálló 10 habosított polimer anyagból álló réteg bármilyen habosítható polimertípusból állhat, például poliolefinekből, poliolefin kopolimerekből, olefin/észter kopolimerekből poliészterekből, polikarbonátokból, poliszulfonátokból, fenolgyantákból, ureikgyantákból és azok keverékeiből. A megfelelő polimerekre példák a következők: polietilén (PE), különösen a kis sűrűségű PE (LDPE), közepes sűrűségű PE (MDPE), nagy sűrűségű PE (HDPE) és lineáris kis sűrűségű PE (LLDPE); polipropilén (PP); etilén-propilén-gumi (EPR), különösen etilénpropilén kopolimer (EPM) vagy etilén-propilén-dién terpolimer (EPDM); természetes gumi; butilgumi; etilén/vinil acetát (ÉVA); polisztirén; etilén/akrilát kopolimer, különösen etilén/metil akrilát (EMA) kopolimer, etilén/etil akrilát (EEA) kopolimer, etílén/butil akrilát (EBA) kopoli5

HU 223 994 Β1 mer; etilén/a-olefin kopolimer; akrilonitril-butadiénsztirén (ABS)-gyanták; halogénéit polimerek, különösen poli(vinil-klorid) (PVC); poliuretán (PUR); poliamidok; aromás poliészterek, például polietilén-tereftalát (PÉT) vagy polibutilén-tereftalát (PBT); és azok kopolimerei vagy mechanikai keverékei. Előnyösen poliolefinpolimereket vagy -kopolimereket alkalmazunk, különösen az etilén-polipropilén-gumikkal kevert PEés/vagy PP-alapú polimereket. Előnyösen etilénpropilén-gumival (EPR) módosított poliproilént lehet alkalmazni, előnyös, ha a PP/EPR tömegarány 90/10 és 50/50, előnyösen 85/15 és 60/40 között van, és különösen előnyös egy kb. 70/30 tömegarány.

Tapasztalataink szerint a habosítandó polimer anyagot, különösen olefinpolimerek, előnyösen polietilén és polipropilén esetében, mechanikusan lehet előre meghatározott mennyiségű por alakú gumival, például vulkanizált természetes gumival összekeverni.

Tipikusan ezek a porok 10 és 1000 pm, előnyösen 300 és 600 pm közötti méretű részecskékből vannak kialakítva. Előnyösen gumiabroncsok feldolgozásából származó vulkanizáltgumi-hulladékot lehet használni. A por alakú gumi tömegaránya a habosítandó polimerhez viszonyítva 10 tömeg%-tól 60 tömeg%-ig terjedhet, előnyösen 30% és 50% között lehet.

A habosítandó polimer anyagnak, amelyet vagy további feldolgozás nélkül alkalmazunk, vagy por alakú gumival keverve habosítható alapanyagként használunk, a keménységének olyannak kell lennie, hogy olyan az ütőszilárdsággal rendelkezzen, hogy az ütéssel szemben meghatározott nagyságú ellenálló képességet biztosítson, hogy a kábel belső részét (azaz a 3 szigetelőréteget és adott esetben a félvezető bevonatokat) védje az esetleges ütések következtében fellépő károsodástól. Nevezetesen ennek az anyagnak elegendően nagy ütésienergia-elnyelő képességének kell lennie, hogy az alatta elhelyezkedő 3 szigetelőrétegnek akkora energiát adjon csak át, amelynek hatására az alul elhelyezkedő bevonatok szigetelőtulajdonságai egy előre meghatározott értéknél jobban nem változnak meg. Ennek az az oka, mint azt a leírás további részében nagyvonalakban szemléltetjük, hogy a bejelentő megfigyelte, hogy egy ütésnek kitett kábelben az alul elhelyezkedő szigetelőbevonatok hámozási, lehúzási szilárdságának az átlagos értéke és az ütési pontban mért értéke között különbség van; előnyösen ez a hámozási szilárdság a 3 szigetelőréteg és a külső félvezető réteg között mérhető. Ez a különbség szilárdságban arányosan annál nagyobb, minél nagyobb ütési energiát vittünk át az alul elhelyezkedő rétegekre, abban az esetben, amikor a hámozási szilárdságot a 3 szigetelőréteg és a külső 4 félvezető bevonat között mérjük, azt tapasztaltuk, hogy a védőbevonat elegendő védelmet biztosít a belső rétegek számára, amikor a hámozási szilárdságban ez a különbség az ütés pontjánál az átlagos értékhez viszonyítva kevesebb, mint 25%.

Azt tapasztaltuk, hogy a fent említett csoportból kiválasztott azon polimer anyag különösen megfelelő erre a célra, amelynek a habosítás előtt a hajlítási modulusa szobahőmérsékleten 200 MPa-nál nagyobb, előnyösen legalább 400 MPa, a D 790 ASTM szabvány szerint mérve. Másrészt viszont, mivel a habosított anyag túlzott merevsége a készterméket nehezen kezelhetővé teheti, előnyös egy olyan polimer anyag alkalmazása, amelynek hajlítási modulusa szobahőmérsékleten 2000 MPa-nál kisebb. Azok a polimer anyagok alkalmasak különösen erre a célra, amelyeknek a habosítás előtt szobahőmérsékleten a hajlítási modulusuk 400 és 1800 MPa között van, különösen előnyös egy olyan polimer anyag, amelynek hajlítási modulusa szobahőmérsékleten 600 és 1500 MPa között van.

Ezek a hajlításimodulus-értékek jellemzőek lehetnek egy bizonyos anyagra, vagy két vagy több különböző hajlítási modulussal rendelkező anyag keverékére, amelyeket olyan arányban keverünk össze, hogy az anyag számára a kívánt szilárdsági értéket kapjuk. Például egy polipropilén, amelynek hajlékonysági modulusa 1500 MPa-nál nagyobb, megfelelően módosítható egy megfelelő mennyiségű etilén-propilén-gumival (EPR), amelynek hajlítási modulusa kb. 100 MPa, hogy annak keménységét megfelelő módon csökkentsük.

Példaképp felsorolunk kereskedelmi forgalomban kapható polimer vegyületeket:

- kis sűrűségű polietilén: Riblene FL 30 (Enichem);

- nagy sűrűségű polietilén: DGDK 3364 (Union Carbide);

- polipropilén: PF 814 (Montell);

- EPR-rel módosított polipropilén: Moplen EP-S 30R és 81R (Montell); Fina-Pro 5660G, 4660G, 2660S és 3660S (Fina-Pro).

A polimer habosításának foka és az ebből képezett réteg vastagsága olyan kell legyen, hogy ezek a külső 6 polimer burkolattal együtt azokkal a tipikus ütésekkel szemben, amelyek a kábel kezelése és fektetése folyamán fellépnek, ellenállást biztosítsanak.

Mint korábban említettük, a „polimer habosításának fokát” a következő módon határozzuk meg:

G (habosítás foka)=(do/d_e-1)· 100 (%), ahol d₀ a nem habosított polimer sűrűségét jelöli, d_e a habosított polimer látszólagos sűrűségét jelöli.

Megfigyeltük továbbá azt is, hogy amennyiben a kívánt ütőszilárdsági paraméterek megengedik, azonos vastagságú 10 habosított polimer anyag réteg esetében előnyös egy olyan polimer anyag alkalmazása, amelynek nagymértékű a habosítása, mivel ily módon a felhasznált polimer anyag mennyiségét korlátozni lehet, ami mind a gazdaságosság, mind pedig a késztermék csökkent tömege szempontjából előnyös.

A habosítás foka nagyon változó, egyaránt függ az alkalmazott polimer anyagtól, és az alkalmazni kívánt réteg vastagságától. Általában a habosítás a foka 20%-tól 3000%-ig terjedhet, előnyösen 30%-tól 500%ig, egy 50% és 200% közötti habosítási fok különösen előnyös. A 10 habosított polimer anyagnak rendszerint zárt sejtes szerkezete van.

Megfigyeltük továbbá azt is, hogy egy bizonyos fokú habosítás felett a polimer bevonatnak az a képessége, hogy az ütéssel szemben a kívánt szilárdságot biztosítsa, csökken. Ez azt jelenti, hogy annak a lehetősége,

HU 223 994 Β1 hogy a polimer habosítása nagyfokú legyen, és ugyanakkor az ütésekkel szemben nagy hatékonyságú védelmet biztosítson, összefüggésben lehet a habosítandó polimer hajlítási modulusának értékével. Ennek az az oka, hogy megfigyeltük, hogy a polimer anyag modulusa csökken, ha növekszik ennek az anyaghabosítási foka, megközelítőleg a következő képlet szerint:

Ε₂/Ε·|=(ρ₂/ρι)², ahol E₂ jelöli a polimer hajlítási modulusát nagyfokú habosításnál;

E-ι jelöli a polimer hajlítási modulusát kisfokú habosításnál;

p₂ jelöli a polimer látszólagos sűrűségét nagyfokú habosításnál;

Pl jelöli a polimer látszólagos sűrűségét kisfokú habosításnál.

Tájékoztatásul, egy kb. 100 MPa hajlítási modulusú polimer esetében a habosítás fokának 25%-ról 100%ra történő változása az anyag hajlításimodulusértékének megközelítőleg a feleződését vonja maga után. Ebből következik, hogy az olyan polimer anyagok, amelyeknek nagy a hajlítási modulusa, nagyobb mértékben habosíthatóak, mint az olyan polimer anyagok, amelyeknek kicsi a hajlítási modulusa, anélkül, hogy ez károsan befolyásolná a réteg ütésállóságát, azaz ütőszilárdságát.

Egy másik változó, amely a kábel ütésállóságát befolyásolhatja, a 10 habosított polimer anyagból készült bevonat vastagsága. Az a minimális vastagság, amely egy ilyen réteggel képes biztosítani a kívánt ütőszilárdságot, főleg a habosítás mértékétől és ennek a polimernek a hajlítási modulusától fog függeni. Általánosságban azt figyeltük meg, hogy ugyanazon polimer és ugyanakkora habosítási fok mellett a habosított réteg vastagságának a növelésével nagyobb ütőszilárdságértékeket lehet elérni. Annak érdekében azonban, hogy korlátozott mennyiségű bevonóanyagot használjunk fel, és ezzel csökkentsük a költségeket is és a késztermék méreteit is, a habosított anyagból készült réteg vastagsága előnyösen az a minimális vastagság lesz, amire a kívánt ütőszilárdság biztosításához szükség van. Nevezetesen közepes feszültséghez alkalmazható kábelek esetében azt tapasztaltuk, hogy egy kb. 2 mm vastagságú habosított réteg rendszerint képes megfelelő ellenállást biztosítani az olyan ütésekkel szemben, amelyeknek általában üzemi körülmények között az ilyen típusú kábel ki van téve. Előnyösen a bevonat vastagsága 0,5 mm-nél nagyobb lesz, előnyösen kb. 1 mm és kb. 6 mm között, legelőnyösebb egy 2 mm és 4 mm közötti vastagság.

Azt tapasztaltuk, hogy ésszerű megközelítés formájában meg lehet határozni az összefüggést a bevonat vastagsága és a polimer anyag habosításának foka között, olyan anyagokra, amelyeknek különböző hajlításimodulus-értékei vannak úgy, hogy a habosított bevonat vastagságát megfelelő módon méretezzük a polimer anyag habosítási fokának és hajlítási modulusának függvényében, előnyösen kb. 2-4 mm vastagságú habosítottbevonat-vastagságok esetében. Egy ilyen összefüggést a következőképpen lehet kifejezni:

Vd_e >N, ahol

V a 10 habosított polimer anyagnak a kábel egy lineáris méterére eső térfogatát jelképezi (m³/m), ez a térfogat a habosított réteg minimális vastagsága által meghatározott kör alakú peremre vonatkozik, a 2. ábrán látható kör alakú 10a peremnek megfelelően, többfázisú elrendezéseknél használt kábeleknél, vagy pedig a 10 habosított polimer anyag rétegre, ami a 3. ábrán látható, egyfázisú kábelek esetében;

d_e a 10 habosított polimer anyagra a mért látszólagos sűrűséget jelöli (kg/m³); és

N a két fent említett érték szorzatának az eredménye, aminek nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie:

0,03-dal, 1000 MPa-nál nagyobb hajlítási modulusú anyagoknál;

0,04-dal, 800-1000 MPa hajlítási modulusú anyagoknál,

0,05-dal, 400-800 MPa hajlítási modulusú anyagoknál,

0,06-dal, 400 MPa-nál kisebb hajlítási modulusú anyagoknál.

A V térfogatot a habosított réteg S vastagságával a következő összefüggés szerint lehet kifejezni:

V=TT(2 RyS+S²), ahol

R₁ a kör alakú 10a perem belső sugarát jelöli.

A d_e paraméter a polimer anyag habosításának fokával az előző összefüggéssel írható fel:

G=(do/d_e-1 )-100.

A fent említett összefüggésre alapulva, kb. 2 mm vastagságú habosított rétegre, amelyet egy kb. 22 mm átmérőjű, kör alakú kábelre vittünk fel, szobahőmérsékleten különböző Mf hajlítási modulussal rendelkező különböző anyagok esetében azt tapasztaltuk, hogy ennek a rétegnek a minimális látszólagos sűrűsége kb. a következő kell legyen:

0,40 g/cm³ LDPE esetében (Mf kb. 200);

0,33 g/cm³ 70/30 PP/EPR keverék esetében (Mf kb. egyenlő 800-zal);

0,26 g/cm³ HDPE esetében (Mf kb. 1000);

0,20 g/cm³ PP esetében (Mf kb. 1500).

A 10 habosított polimer anyagnak ezek a látszólagossűrűség-értékei kb. a következő maximális habosítási értékeknek felelnek meg:

130% LDPE esetében (d_o=O,923)

180% PP/EPR keverék esetében (d_o=O,89O)

260% HDPE esetében (d_o=O,945)

350% PP esetében (d_o=O,9OO).

Hasonlóképpen egy azonos méretű kábelre helyezett kb. 3 mm vastagságú habosított réteg esetében a következő minimális látszólagossűrűség-értékeket kaptuk:

0,25 g/cm³ LDPE esetében;

0,21 g/cm³ PP/EPR keverék esetében;

0,17 g/cm³ HDPE esetében;

0,13 g/cm³ PP esetében;

ami kb. a következő maximális habosítási fokoknak felel meg:

270% LDPE esetében;

320% PP/EPR esetében;

HU 223 994 Β1

460% HDPE esetében;

600% PP esetében.

A fent bemutatott eredmények azt jelzik, hogy ahhoz, hogy egy meghatározott vastagságú habosított anyag réteg ütőszilárdsági tulajdonságait optimalizáljuk, az anyagnak a mechanikai szilárdsági tulajdonságait is (különösen annak hajlítási modulusát), és a szóban forgó anyag habosítási mértékét is figyelembe kell venni. A fenti összefüggések alkalmazásával meghatározott értékeket azonban nem szabad úgy tekinteni, mint amelyek a találmány oltalmi körét korlátozzák. Nevezetesen, olyan polimerek maximális habosítási foka, amelyeknek hajlításimodulus-értékei közel vannak a N szám változására meghatározott intervallumok felső határaihoz (vagyis a 400, 800 és 1000 MPa értékekhez), a valóságban még nagyobbak lehetnek azoknál az értékeknél, mint amelyeket a fenti összefüggés szerint kiszámítottunk, így például egy kb. 2 mm vastagságú PP/EPR réteg (egy kb. 800 MPa nagyságú Mf-fel) még mindig képes arra, hogy biztosítsa a kívánt ütés elleni védelmet, még egy kb. 200%-os habosítási fok mellett is.

A polimert rendszerint az extrudálási fázis során habosítják; ez a habosítás történhet vagy vegyi úton, megfelelő „habosító” összetevő hozzáadásával, vagyis egy olyan habosító összetevővel, amely képes meghatározott hőmérsékleti és nyomási körülmények között gáz fejlesztésére, vagy pedig fizikai úton történik oly módon, hogy nagy nyomással gázt fecskendeznek be közvetlenül az extruderhengerbe.

Megfelelő kémiai „habosítóanyagokra” példaként megemlítjük az azodikarboamidot, szerves savak (például citromsav) és karbonátok és/vagy bikarbónátok (például nátrium-bikarbónát) keverékét.

Az extruderhengerbe nagy nyomással befecskendezendő gázokra példaként megemlítjük a nitrogént, szén-dioxidot, levegőt és az alacsony forráspontú szénhidrogéneket, például a propánt és a butánt.

A külső burkolat, amelyik a habosított polimer réteget takarja, a szokásosan alkalmazott típusú lehet, és anyaga lehet polietilén (PE), különösen közepes sűrűségű PE (MDPE) és nagy sűrűségű PE (HDPE), poli(vinil-klorid) (PVC), elasztomer keverékei és hasonlók. Előnyösen MDPE-t vagy PVC-t alkalmazunk. Tipikusan a polimer anyagnak, amelyik a külső burkolatot képezi, a hajlítási modulusa kb. 400 és kb. 1200 MPa között, előnyösen kb. 600 MPa és kb. 1000 MPa között van.

Megfigyeltük továbbá azt is, hogy a külső burkolat jelenléte hozzájárul ahhoz, hogy az a bevonatnak a kívánt ütőszilárdságot biztosítja, kombinálva a habosított anyag réteggel. Azt is megfigyeltük, hogy a külső burkolatnak az ütőszilárdsághoz való ezen hozzájárulása, ugyanolyan vastagságú habosított réteg esetében, úgy növekszik, ahogy annak a polimernek, amely ezt a habosított réteget képezi, a habosítási foka növekszik. Ennek a külső burkolatnak a vastagsága előnyösen 0,5 mm-nél nagyobb, előnyösen 1 és 5 mm között van, és még előnyösebben 2 és 4 mm között.

A találmány szerinti, megnövelt ütőszilárdságú kábel előállítását a 2. ábrán látható kábelszerkezetrajzra való hivatkozással írjuk le, amelyen azonban a bevonandó magok közötti csillag alakú térrészek nem közvetlenül a 10 habosított polimer anyaggal, hanem hagyományos 9 töltőanyaggal vannak kitöltve. A habosított réteget ezután ezen félig kész kábelre extrudáljuk rá, hogy egy kör alakú 10a perem alakuljon ki e körül a félig kész kábel körül, majd ezt követően azt bevonjuk a külső 6 polimer bevonattal. A kábelmagok előállítása, azaz az 1 vezetékből, a belső 2 félvezető bevonatból, a 3 szigetelőrétegből, a külső 4 félvezető bevonatból és az 5 fémtokozásból álló szerelvény előállítása a technika állásából ismert módon történik, például extrudálással. Ezeket a magokat azután összekötözzük, és a csillag alakú tereket hagyományos 9 töltőanyaggal (például elasztomer keverékekkel, polipropilénszálakkal és hasonlókkal) kitöltjük, tipikusan a 9 töltőanyagnak az összekötözött magokra való extrudálása segítségével, hogy egy kör keresztmetszetű félig kész kábelt kapjunk. A 10 habosított polimer anyagból álló réteget azután a 9 töltőanyag tetejére extrudáljuk. Előnyösen az extruderfej szerszám átmérője valamivel kisebb, mint a habosított réteggel ellátott kábel végső átmérője, hogy lehetővé tegyük, hogy a polimer az extruderen kívül habosodjon.

Megfigyeltük, hogy azonos extrudálási körülmények között (mint például a csiga sebessége, az extrudáló gyártósor sebessége, az extruderfej átmérője és hasonlók) az extrudálási hőmérséklet az egyik olyan változó a folyamatban, amelynek jelentős hatása van a habosodás mértékére. Általában a 160 °C alatti hőmérsékletek esetében nehéz megfelelő habosodást elérni; az extrudálás hőmérséklete előnyösen legalább 180 °C, előnyösen kb. 200 °C. Az extrudálási hőmérséklet növekedése rendszerint nagyobb mértékű habosodásnak fele meg.

A polimer habosodásának mértékét bizonyos fokig szabályozni lehet a hűtés sebességének a megválasztásával. Ha megfelelő módon lelassítjuk vagy felgyorsítjuk a polimernek, amelyik a habosított réteget képezi, a hőmérsékletét az extruder kimeneténél, ily módon ennek a polimernek a habosodási mértékét növelni vagy csökkenteni lehet.

Mint említettük, megfigyeltük, hogy egy kábelbevonaton egy ütés hatásait mennyiségileg meg lehet határozni úgy, hogy megmérjük a kábelbevonatot képező rétegek hámozási szilárdságát, ezen hámozási szilárdság átlagos értéke és az ütés pontján mért értékek közötti különbséget pedig kiértékeljük.

Közepes feszültségű kábelek esetében, amelyeknek szerkezete belső 2 félvezető bevonatból, 3 szigetelőrétegből és külső 4 félvezető bevonatból áll, a hámozási szilárdságot (és a relatív különbséget) előnyösen a külső 4 félvezető bevonat és a 3 szigetelőréteg között lehet mérni.

Megfigyeltük azt is, hogy a különösen erős ütések hatásai, amelyeknek egy kábel ki lehet téve, különösen egy 5 fémtokozással ellátott közepes feszültségű kábel, a HN 33-S-52 számú francia szabványra alapuló ütésvizsgálat segítségével reprodukálható, mely francia szabvány a nagyfeszültségű, nagy teljesítmény át8

HU 223 994 Β1 vitelére kiképezett és fémburkolattal ellátott kábelekre vonatkozik, és amely a kábelre egy kb. 72 joules (J) energiájú ütést enged meg.

A réteg hámozási szilárdságát a HN 33-S-52 számú francia szabványnak megfelelően lehet megmérni, amely szerint azt az erőt mérjük, amit ahhoz kell kifejteni, hogy a külső 4 félvezető bevonatot elválasszuk a 3 szigetelőrétegtől. A bejelentő megfigyelte, hogy ha ezt az erőt folyamatosan mérjük annál a pontnál, ahol az ütés történik, olyan erőcsúcsokat mérünk, amelyek a két réteg közötti kohéziós erőben fellépő változást jelzik. Megfigyeltük, hogy ezek a változások rendszerint a bevonat szigetelőképességének a csökkenésével járnak együtt. A változás arányosan annál nagyobb lesz, minél kisebb ütőerő éri a külső burkolatot (ami a találmány esetében a habosított bevonatból és a külső burkolatból áll). Az ütési pontoknál mért erőnek a változásának a mértéke, a kábel mentén mért átlagos értékhez viszonyítva, tehát egy olyan adat, ami mutatja a védőbevonat által nyújtott védelem fokát. Általában elfogadottnak tekinthetjük azt a hámozási szilárdságban fellépő változást, ami legfeljebb az átlagos érték 20-25%-át éri el.

A habosított rétegnek a tulajdonságait (anyag, habosítás mértéke, vastagság), amely bevonatot előnyösen egy védő külső 6 polimer bevonattal együtt alkalmazhatunk, az ütésvédelemnek megfelelően választhatjuk meg, amely ütésvédelmet az alatta elhelyezkedő kábelszerkezetnek biztosítani kívánunk, és ezek a tulajdonságok a szigetelőként és/vagy félvezetőként használt speciális anyag tulajdonságaitól, így például az anyag keménységétől, sűrűségétől és hasonlótól is függ.

A leírás alapján belátható, a találmány szerinti kábel különösen alkalmas hagyományos fémburkolattal ellátott kábelek helyettesítésére, a habosított polimer rétegnek a fémburkolathoz viszonyított előnyös tulajdonságai következtében. A találmány szerinti kábelt azonban nem kell korlátozni ilyen speciális alkalmazásra. A gyakorlatban a találmány szerinti kábelt előnyösen lehet alkalmazni minden olyan területen, ahol az ütéssel szemben megnövelt ellenállású kábelre van szükség. A találmány szerinti, ütésnek ellenálló kábel minden olyan területen helyettesíthet hagyományos fémburkolattal el nem látott kábeleket, ahol eddig a fémburkolattal ellátott kábelek alkalmazása előnyös lett volna, de a fémburkolat hátrányai miatt eddig azokat nem szívesen alkalmazták.

A továbbiakban néhány példán keresztül szemléltetjük a találmány szerinti megoldást.

1. példa

A habosított anyag réteggel ellátott kábel előállítása

Egy, a találmány szerinti 10 habosított polimer anyag réteg ütőszilárdságának a kiértékeléséhez különböző próbadarabokat készítettünk, amelyeknél különböző mértékben habosított polimerekből változó vastagságú rétegeket alakítottunk ki extrudálással egy olyan magon, amely több huzalból áll, kb. 14 mm vastagságú, és egy 0,5 mm vastagságú félvezető anyagréteggel, egy EPR-alapú, 3 mm vastagságú szigetelőkeverék-réteggel és egy további, 0,5 mm vastag, aktív korommal kiegészített EVA-alapú „könnyen lehámozható” félvezető anyagrétegből áll, és a teljes magvastagság kb. 22 mm volt.

Habosítandó polimer anyagként kis sűrűségű polietilént (LDPE), nagy sűrűségű polietilént (HDPE), LDPE-nek és finoman őrölt, vulkanizált természetes guminak (300-600 pm-es részecskeméret) (PE-por) 70/30 tömegű mechanikus keverékből álló polipropilént (PP), EPR-gumival módosított PP-t (PP-EPR, mint 70/30 tömegkeverék) használtunk; ezeket az anyagokat a következő szövegrészben A-E betűkkel azonosítjuk, és az alábbi táblázatban írjuk le részletesen:

	Anyag	Márkanév és gyártó	Modu- lus (MPa)
A	LDPE	Riblene FL 30 - Enichem	260
B	HDPE	DGDK 3364 - Union Carbide	1000
C	PP	PF 814-Montell	1600
D	PP-EPR	FINA-PRO3660S	1250
E	PE/por	Riblene FL 30

A polimert kémiailag habosítottuk, váltakozva alkalmaztunk két különböző habosítóvegyületet (CE), amelyeket a következőképpen lehet azonosítani:

	Vegyület	Márkanév és gyártó
CE1	azodi karboa mid	Sarmapor PO - Sarma
CE2	karboxilsav-bikarbonát	Hydrocerol CF 70 Boehringer Ingelheim

A habosítandó polimert és a habosítóvegyületet egy 80 mm - 25 D egycsigás etruderbe (Bandera) töltöttük be (a 2. táblázatban jelzett arányokban); ezt az extrudert egy csavarmenetes továbbítócsigával láttuk el, amelynek a végtartományában a mélysége 9,6 mm. Az extruderrendszer egy bélyegből áll, amely a bevonni kívánt bélyegnek megfelelő sima alakot tud biztosítani (amelynek átmérője általában kb. 0,5 mm-rel nagyobb, mint a bevonandó mag átmérője), és egy üreges szerszámrészből áll, amelynek átmérőjét úgy választjuk meg, hogy annak mérete kb. 2 mm-rel kisebb legyen, mint a habosított bevonattal ellátott kábel átmérője, ily módon az extrudált anyag akkor habosodik, amikor kilép az extruderfejből, nem pedig az extruderfej belsejében, vagy magában az extruder belsejében. A bevonandó mag kibocsátási sebességét (az extrudáló gyártósor sebességét) a habosított anyag réteg kívánt vastagságának a függvényében állítjuk be (lásd:

2. táblázat). Az extruderfejtől kb. 500 mm-es távolságban egy hűtőcső található (amely hideg vizet tartalmaz), és ennek az a célja, hogy leállítsuk a habosodást és lehűtsük az extrudált anyagot. A kábelt ezután egy kábeldobra tekerjük fel.

A polimer anyag/habosító keverék összetételét és az extrudálási körülményeket (sebesség, hőmérséklet) megfelelő módon változtattuk, mint azt az alábbi 2. táblázatban leírjuk.

HU 223 994 Β1

2. táblázat

Habosítókeverék és extrudálási körülmények

Ká- bel- szám	Anyag+% és habosítóanyag-típus	Extruder- sebesség (fordu- lat/perc)	COExtru- der-hő- mérséklet (°C)	Gyártó- sorsebes- ség (M/perc)
1	A+2%CE1	6,4	165	3
2	A+2%CE1	11,8	190-180	2
3	A+2%CE1	5,5	190-180	3
4	A+2%CE1	6,8	190-180	2
5	A+2%CE1	6,4	165	1,5
6	A+0,8%CE2	5,7	225-200	2
7	C+0,8%CE2	3,7	200	2
8	C+0,8%CE2	6,3	200	2
9	E+0,8%CE2	4,9	225-200	1,8
10	B+1,2%CE2	8,2	225-200	2
11	D+2%CE2	8	225-200	2

0): Az extrudálási hőmérséklet a hengerre és az extruderfejre vonatkozik. Ha csak egy érték van megadva, akkor ez a két hőmérséklet azonos. Az extruder belépési tartományában a hőmérséklet kb. 150 °C.

Az 1. számú minta nem ment keresztül habosodáson, feltételezhetően azért, mert az extruder hőmérséklete túl alacsony volt (165 °C), és hasonlóképpen, ugyanezen okból az 5. számú minta csupán korlátozott habosodáson ment keresztül (csupán 5% volt).

A habosodott anyag réteggel ellátott kábelt ezután hagyományos extrudálási eljárások segítségével változó vastagságú (lásd 3. táblázatot) hagyományos MDPE-bevonattal láttuk el (CE 90 - Materié Plastiche Bresciane), és így a 3. táblázatban meghatározott tulajdonságú kábelmintákat kaptunk; az 1. számú kábelt, amelyben a polimer nem ment keresztül habosodáson, összehasonlító, nem habosított polimer bevonatként használtuk. A 3. táblázat, összehasonlítási célokból, egy olyan kábel paramétereit is tartalmazza, amelyben nincs habosított 9 töltőanyag, és csak a külső burkolattal van bevonva (0. számú kábel).

3. táblázat

A bevonat paraméterei

Kábelszám	A 9 töltőanyag habosodásának mértéke (%)	A 9 töltőanyag vastagsága (mm)	A burkolat vastagsága (mm)
0	-	0	3
1	0	1	3
2	31	4,3	3
3	61	1	3
4	48	2,5	3
5	5	3	3
6	35	2	2
7	52	2	²

Kábelszám	A 9 töltőanyag habosodásának mértéke (%)	A 9 töltőanyag vastagsága (mm)	A burkolat vastagsága (mm)
8	29	3	2,2
9	23	2,5	2
10	78	4	2
11	82	4	2

A fentiekben leírtakhoz hasonló módon egy kb. 30% EPR-gumival módosított polipropilént tartalmazó, kb. 600 MPa hajlítási modulusú habosított polimer bevonat alkalmazásával további 6 kábelmintát készítettünk, mint azt a 4. táblázatban szemléltettük (12-17 minták); a 4. táblázatban is megadunk két olyan összehasonlító kábelmintát, amely el van látva habosított bevonattal, de hiányzik róla a külső bevonat (16a és 17a példák).

4. táblázat

A bevonat paraméterei

Kábelszám	A 9 töltőanyag habosodásának mértéke (%)	A 9 töltőanyag vastagsága (mm)	A burkolat vastagsága (mm)
12	71	3	1,9
13	22	2	2
14	167	3	1,8
15	124	2	2
16	56	2	2
16a	56	2	-
17	84	2	2
17a	84	2	-

2. példa

Ütőszilárdsági vizsgálatok

Az 1. példa szerint elkészített kábelek ütőszilárdságának kiértékeléséhez ütővizsgálatokat hajtottunk végre a kábeleken, majd a károsodást kiértékeltük. Az ütés hatásait a kábel vizuális vizsgálata segítségével is kiértékeltük, és megmértük a 4 félvezető bevonatnak az ütés pontjánál érzékelhető hámozásiszilárdságváltozását is. Az ütésvizsgálatot a francia HN 33-S-52 szabványt alapul véve hajtottuk végre, amely szerint kb. 72 joules (J) nagyságú ütőenergiát alkalmaztunk a kábelen, amit úgy értünk el, hogy egy 27 kg-os tömeget 27 cm-es magasságból ejtünk le. A jelen vizsgálathoz az ütőenergiát egy 97 cm-es magasságból leejtett 8 kg-os tömeggel állítottuk elő, amelynek az ütővége egy V alakú, lekerekített élű (1 mm-es lekerekítési sugarú) nyomófejből van kialakítva. A találmány szerinti kábel vizsgálatához az ütőszilárdságot egyetlen ütés alapján értékeltük ki. A 6-12 minták esetében a vizsgálatot másodszor is megismételtük, az első helytől kb. 100 mm-es távolságban.

A hámozási szilárdságot a francia HN 33-S-52 szabvány szerint mértük, amely szerint azt az erőt mértük, amely a külső 4 félvezető bevonatnak a bel10

HU 223 994 Β1 ső 3 szigetelőrétegtől való különválasztásához szükséges. Ezt az erőt folyamatosan mérve azokon a pontokon mértünk erőcsúcsértékeket, amelyeknél az ütközés fellépett. Minden egyes vizsgált darab esetében az ütközési pontnál egy „pozitív erőcsúcsértéket mértünk, ami megfelelt az erő azon növekedésének (az átlagos értékhez képest), ami a két réteg szétválasztásához szükséges volt, és egy „negatív” erőcsúcsértéket is mértünk (az átlagos értékhez viszonyított csökkenést). Az erő mért csúcsértékének maximuma (Fmax.) és minimuma (Fmin.) közötti különbségből megkaptuk az ütközési pontnál a hámozási szilárdság legnagyobb változását.

A hámozási szilárdságban fellépő változást úgy számítottuk ki, hogy meghatároztuk a fent említett különbség (Fmax.-Fmin.) és a kábelre mért átlagos hámozásiszilárdság-érték (F<>), közötti százalékos arányt:

változás %=100 (Fmax.-Fmin.) /F<>

Ennek az erőnek az ütközési pontoknál mért változásának a mérete a kábel mentén mért átlagos értékhez viszonyítva így egy jelzést ad a habosított anyag réteg által nyújtott védelem fokáról. Általában a legfeljebb 20-25%-os változásokat tekintjük elfogadhatónak. Az 5. táblázatban adjuk meg a 0-17a mintákra kapott hámozási szilárdságban fellépő változások értékeit.

5. táblázat %-os változás a hámozási szilárdságban

Kábel	Első vizsgálat	Második vizsgálat
0	62	78
1	40	-
2	18	-
3	27	-
4	13	-
5	21	-
6	17	23
7	9	12
8	4	5
9	19	15
10	9,8	12,5
11	4,3	2,5
12	7	14
13	16	17
14	14	12
15	10	10
16	16	18
16a	30	55
17	15,5	¹³
17a	116	103

Mint az a 3. táblázatból látható, az 1 minta esetében (amelynél nem értünk el habosodást), a hámozási szilárdságban fellépő %-os változás szélsőségesen nagy; ez azt jelzi, hogy egy nem habosított polimer anyagnak határozottan kisebb az ütéselnyelő kapacitása, mint egy ugyanabból a polimerből álló és azonos vastagságú rétegé, amely réteg habosítva van (lásd a

3. példát), amelyben a bevonat habosítása 61 %-os. A 3. példa egy olyan változást mutat a hámozási szilárdságban, ami valamivel a 25%-os határérték felett van; a minta által nyújtott korlátozott ütőszilárdságot főként a habosított bevonat csupán 1 mm-es vastagságának lehet tulajdonítani, a többi minta 2-3 mm-es vastagságához viszonyítva.

Az 5 minta esetében a habosított anyag rétegvastagsága 3 mm, és a hámozási szilárdság nagy értékű annak az árán, hogy a polimer habosítása kismértékű (5%-os), és ez a kismértékű habosítással kialakított bevonat által biztosított korlátozott ütőszilárdságot bizonyítja. A 4 mintánál, jóllehet a habosított anyag vastagsága kisebb, mint az 5 mintáé (2,5 mm, szemben a 3 mm-rel), mindazonáltal mégis nagyobb az ütőszilárdsága, a hámozási szilárdságban fellépő változás pedig 13%-os, összehasonlítva az 5 mintánál kapott 21 %kai, és ez azt a tényt bizonyítja, hogy a nagyobb mértékű habosítás nagyobb ütőszilárdságot nyújt. Ha összehasonlítjuk a 13 mintát a 15 mintával, akkor látható, hogy - ugyanolyan vastagságú habosított anyag réteg és külső 6 polimer burkolat esetében - a polimer habosítás! fokának a növekedése (22-ről 124%-ra) hogyan vonja maga után a bevonat ütőszilárdságának a növekedését (a hámozási szilárdság 16—17%-ról 10%-ra megy). Ezt az irányzatot megerősíti, ha összehasonlítjuk a 16 mintát a 17 mintával. Ha viszont (külső bevonat nélküli) 16a és 17a mintákat hasonlítjuk össze a megfelelő 16 és 17 mintákkal, akkor látható, hogy hogyan nő a külső réteg által biztosított ütközéssel szembeni védelem, amikor a habosítás mértéke nő.

3. példa

Ütőszilárdsági összehasonlítási vizsgálat fémtokozással ellátott kábellel

A 10. számú kábelt vizsgáltuk meg és hasonlítottuk össze egy hagyományos 5 fémtokozással ellátott kábellel, hogy igazoljuk a habosított anyag réteg ütőszilárdsági hatékonyságát.

Az 5 fémtokozással ellátott kábelnek ugyanolyan magja van, mint a 10. számú kábelnek (vagyis: lásd az

1. példánál). Ezt a magot, belülről a kábel külseje felé, a következők veszik körül:

a) egy kb. 0,6 mm vastagságú gumialapú töltőanyag (9) réteg;

b) egy kb. 0,6 mm vastagságú PVC-bevonat;

c) kettő db, egyenként kb. 0,5 mm vastagságú, fémburkolatot képező acélszalag;

d) egy kb. 2 mm vastagságú MDPE külső burkolat.

Az összehasonlító vizsgálathoz „ejtősúlyos” típusú dinamikus gépet (CEASR, 6758 számú modell) alkalmaztunk. Két vizsgálatsorozatot hajtottunk végre, egy 11 kg-os tömeget 50 cm magasságból leejtve (kb. 54 joule energiájú ütközés) és 20 cm-ről (kb. 21 joule energiájú ütközés); a leejtett tömeget az ütköző végénél egy kb. 10 mm-es sugarú félgömb alakú fejjel láttuk el.

HU 223 994 Β1

A kábelekben az így kapott deformálódást a 4. és 5. ábrákon mutatjuk be (50 cm-es és 20 cm-es magasságok), ahol a találmány szerinti kábelt a)-lel jelöltük, míg a hagyományos 5 fémtokozással vagy burkolattal ellátott kábelt b)-lel.

A mag deformálódását mértük, hogy kiértékeljük a kábelszerkezetben bekövetkezett sérüléseket. A félvezető-szigetelő-félvezető bevonat nagyobb deformálódásai nagyobb valószínűséggel okoznak villamos meghibásodásokat a kábel szigetelésében. Az eredményeket a 6. táblázatban szemléltetjük.

6. táblázat

A félvezető réteg vastagságának %-os csökkenése az ütközés után

	Hagyományos fémburkolattal ellátott kábelben	10 számú kábelben
Ütközés 50 cmes magasságból	41%	26,5%
Ütközés 20 cmes magasságból	4,4%	2,9%

A 6. táblázat alapján nyilvánvaló, a találmány szerinti kábel ütőszilárdsági tulajdonságai is jobbak, mint a hagyományos 5 fémtokozással ellátott kábelé.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel, amely tartalmaz

a) egy vezetéket (1);

b) legalább egy szigetelőréteget (3), amely a vezeték (1) körül van elhelyezve; és

c) egy habosított polimer anyagból (10) készült bevonatot, amely a tömör szigetelőréteg (3) körül van elhelyezve, azzal jellemezve, hogy a habosítandó polimer anyag hajlítási modulusa szobahőmérsékleten mérve a D 790 ASTM szabvány szerint legalább 200 Mpa, továbbá a habosított polimer anyag (10) habosítási foka 20% és 3000% között van.
2. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosítandó polimer anyag (10) hajlítási modulusa 400 MPa és 1800 MPa között van.
3. A 2. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosítandó polimer anyag (10) hajlítási modulusa 600 MPa és 1500 MPa között van.
4. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) habosítási foka 30% és 500% között van.
5. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) habosítási foka 50% és 200% között van.
6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) bevonat minimális vastagsága 0,5 mm.
7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) bevonat vastagsága 1 és 6 mm között van.
8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) bevonat vastagsága 2 és 4 mm között van.
9. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) a következő csoportból van kiválasztva: polietilén (PE), kis sűrűségű PE (LDPE), közepes sűrűségű PE (MDPE), nagy sűrűségű PE (HDPE) és lineáris kis sűrűségű PE (LLDPE); polipropilén (PP); etilén-propilén-gumi (EPR); etilénpropilén kopolimer (EPM); etilén-propilén-dién terpolimer (EPDM); természetes gumi; butilgumi; etílén/vinilacetát (ÉVA) kopolimer; polisztirol; etilén/akrilát kopolimer; etilén/metil akrilát (EMA) kopolimer; etilén/etil akrilát (EEA) kopolimer; etilén/butil akrilát (EBA) kopolimer; etilén/a-olefin kopolimer; akrilonitril-butadién-sztirén (ABS)-gyanták; halogénéit polimer; poli(vinil-klorid) (PVC); poliuretán (PUR); poliamid; aromás poliészter; polietilén-tereftalát (PÉT); polibutilén-tereftalát (PBT); és azok kopolimerei vagy mechanikai keverékei.
10. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) PE- és/vagy PPalapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer.
11. Az 1. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy habosított polimer anyag (10) etilén-propiléngumival módosított PE- és/vagy PP-alapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer.
12. A 11. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyag (10) etilén-propiléngumival (EPR) módosított polipropilén, a PP/EPR tömegarány 90/10 és 50/50 között van.
13. A 12. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a PP/EPR tömegarány 85/15 és 60/40 között van.
14. A 13. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a PP/EPR tömegarány kb. 70/30.
15. A 11. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a PE- és/vagy PP-alapú poliolefinpolimer vagy -kopolimer meghatározott mennyiségű vulkanizált gumit is tartalmaz, por alakban.
16. A 15. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a por alakú vulkanizált gumi meghatározott mennyisége a polimer tömegének 10%-a és 60%-a között van.
17. Az 1-16. igénypontok bármelyike szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy egy külső polimer burkolatot (6) is tartalmaz.
18. A 17. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a külső polimer burkolat (6) érintkezik a habosított polimer anyaggal (10).
19. A 17. vagy 18. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a külső polimer burkolat (6) vastagsága 0,5 mm-nél nagyobb.
20. A 17. vagy 18. igénypont szerinti kábel, azzal jellemezve, hogy a külső polimer burkolat (6) vastagsága 1 és 5 mm között van.
21. Eljárás nagy teljesítmény átvitelére kiképezett kábel belső szerkezete ütőszilárdságának növelésére oly módon, hogy a kábel belső szerkezete körül egy

HU 223 994 Β1 olyan burkolatot helyezünk el, amely habosított polimer anyagot (10) tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a habosítandó polimer anyag hajlítási modulusa szobahőmérsékleten mérve a D 790 ASTM szabvány szerint legalább 200 Mpa, továbbá a habosított polimer anyag 5 (10) habosítási foka 20% és 3000% között van.
22. A 21. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kábel belső szerkezetét úgy alakítjuk ki, hogy legalább két olyan réteget tartalmaz, amelyeknek egymáshoz képest adott átlagos hámozási szilárdsága van, és amikor a kábelre kb 72 J energiát fejtünk ki egy ütközési pontnál, az átlagos hámozási szilárdság és a ütközési pontnál mért hámozási szilárdság közötti különbség kisebb, mint 25%.
23. A 21. vagy 22. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a habosított polimer anyagból (10) készült bevonatot egy külső polimer burkolattal (6) is ellátjuk.