NO140249B - Sterkstroemkabel som er motstandsdyktig overfor dannelse av vanntraer i isolasjonen samt fremgangsmaate for fremstilling av slik kabel - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår sterkstrømkabler som er

forsynt med ekstrudert polymer isolasjon, samt en fremgangsmåte til fremstilling av slike.

Det er et velkjent problem, særlig i forbindelse med sterkstrøm-kabler for høyere spenninger, at såkalte vanntrær eller elektrokjemiske trær som er dannet i isolasjonen, vil kunne svekke isolasjonens elektriske karakteristikk. Det antas at forurensninger og hulrom stimu-lerer veksten av vanntrær som kan forårsake gjennomslag i isolasjonen. Det har tidligere vært foreslått mange måter for å eliminere eller redusere dannelsen av slike vanntrær.

Problemet med å eliminere eller redusere dannelsen av hulrom og vanntrær i polymer kabelisolasjon har for dét meste vært studert i forbindelse med tverrbindingsprosesser. Ved slike prosesser føres den isolerte leder gjennom en sone med høy temperatur og høyt trykk og deretter gjennom en avkjølt trykksone. Det har vist seg at når

polymer isolasjon utsettes for en våt og en varm atmosfære som f.eks.

i et damptverrbindingsrør, vil et stort antall hulrom opptre i kabel-isolas jonen.

Mens problemet med urenheter i isolasjonen for det meste har vært forsøkt løst ved å forbedre råmaterialet, har problemet med hulrom

vært behandlet under kabelfremstillingsprosessene. Det har vært foreslått flere metoder hvorved den konvensjonelle tverrbindings-metoden erstattes av tverrbinding under innvirkning av en inert gass, ved tverrbinding i lange dyser og ved tverrbinding i silikonolje. Oppvarmingsmetodene har også vært variert. Ytterligere metoder an-griper de konvensjonelle vannkjølingssystemer for å eliminere vann og fuktighet også på dette trinn. Ingen av de kjente prosesser garan-terer imidlertid en hulromsfri isolasjon i det ferdige produkt. Dette kommer delvis av at vannmolekyler er tilstede i råmaterialet, delvis

av at et lite antall vannmolekyler vanligvis dannes under tverrbind-

ingsprosessen ved kjemisk reaksjon inne i polymer-isolasjonen, og delvis på grunn av at vannmolekyler høyst sannsynlig vil trenge inn i isolasjonen dersom kabelen ikke installeres i fullstendig tørre omgivelser.

Problemet med å hindre eller i det minste begrense inntrengningen av vann i en installert kabel, har tidligere vært forsøkt løst ved å introdusere vanntette eller ugjennomtrengelige metallkapper utenpå den isolerte kabelkjerne.

I en artikkel i Kunststoffe nr. 5, 1977, side 275 - 279 "Kabel-isolierungen aus Kunststoff" av Prof. Dr. G. Wanser og Dr. Ing. F. Wiznerowicz er dette nevnt som en mulig løsning for å hindre inntrenging av vann i kabelen. Slike kapper kan enten være av ekstrudert bly eller aluminium, eller der kan benyttes bånd eller strimler av stål eller annet metall som vikles eller foldes rundt kabelkjernen og sveises langsgående.

Under og etter installering av en metallkappekabel vil det alltid være til stede en risiko for at kappen kan bli ødelagt mekanisk slik at vann eller fuktighet kan trenge inn gjennom metallkappen. Mange remedier har vært foreslått for å hindre vann i å flyte langsetter inne i kabelen, slik at kabelen ikke bare blir utsatt for vann eller fuktighet på det ødelagte sted, men også på en ikke uvesentlig lengde på hver side av stedet. For dette formål har det vært plassert såkalte vannsperrer ved jevne mellomrom langs kabelen, og det har også vært foreslått å fullstendig fylle alle hulrom i kabelen med en vann-avstøtende masse. For å gjøre slike fyllmasser så effektive som mulig, kan metallkappene være korrugert eller forsynt med et inn-trykket mønster. Remedier med disse formål for øye er f.eks. omtalt i US Patent nr. 3.943.271. Nevnes kan også installasjonsmetoder av "pipe-type cable" typen.

Av ovenfor nevnte artikkel i Kunststoffe fremgår det at man først

i 1974 ble oppmerksom på de skadelige virkninger fuktighet kunne ha på ekstrudert isolasjon, og begrepet "vanntrær" oppsto først på den tid. En annen type "tredannelse" ble imidlertid oppdaget tidligere, i forbindelse med at sterkstrømkabel med kobberledere ble installert i fuktige omgivelser som var rike på hydrogrensulfid. Dette er omtalt i BRD off.skrift nr. 2.049.105 fra 1969. Det var allerede da kjent at det i et sterkt elektrisk felt kunne dannes "trær", og de nyoppdagede trær ble derfor kalt "sulfidtrær" til forskjell fra de kjente elektriske "trær".

I dette patentskrift beskrives i særdeleshet at hydrogensulfid (H2S) som dannes ved sjøbunnen trenger igjennom den polymere kabeliso-lasjon til kobberlederen hvor det dannes kobbersulfider. Disse sulfider forårsaker igjen dannelse av sulfidtrekrystaller i isolasjonen, hvorved isolasjonen ødelegges.

Mens dannelsen av "sulfidtrær" er avhengig av at kabelen har kobberleder og at omgivelsene er rike på svovel, dannes "vanntrær" uavhengig av ledermaterialet og omgivelsenes svovelinnhold. Av Kunststoffe-artikkelen fremgår det imidlertid at veksten av "vanntrær" stimuleres av saltoppløsning. Begge typer tredannelse (sulfidtrær og vanntrær) kan selvfølgelig avhjelpes ved å benytte en vanntett metall-kappe utenpå kabelen.

I nevnte BRD off.skrift nr. 2.049.105 er det foreslått å avhjelpe problemet med sulfid-trær ved å anbringe lag som inneholder fortrinnsvis vannuløselige salter direkte på kobberlederen eller utenpå isolasjonen. Hensikten med disse saltlag er å danne en sulfid-sperre, ved at even-tuelle vannløselige sulfider fra omgivelsene forbinder seg med salt-laget og danner et skikt med vannuløselige sulfider. En slik sulfid-sperre vil imidlertid hverken hindre eller redusere inntrenging av vann i isolasjonen slik at det likevel vil kunne dannes "vanntrær".

I BRD off.skrift nr. 2.537.283 er det omhandlet en løsning på problemet med vanntrær i kabelisolasjonen. I dette skrift mener en å ha funnet at årsaken til dannelse av vanntrær er følgende: I plast-isolasjonen er det små hulrom som opptar vann fra omgivelsene, og når vannets kjemiske potensial reduseres ved et elektrisk felt, vil de små vannfylte hulrom øke slik at det dannes vanntrær. Med det formål å redusere det elektriske felt og derved redusere tredannelsen blandes det inn i isolasjonsmaterialet en elektrolytt. Det legges stor vekt på at elektrolytten skal fordeles så jevnt som mulig i hele isolasjonen, og det er angitt et blandingsforhold på 10 - 1 vekt-% av isolasjonsmaterialet. En slik løsning må anses for å være svært risikabel, idet det må antas at enhver tilsetning av elektrolytisk materiale til isolasjonen vil kunne stimulere dannelsen av vanntrær.

Som tidligere nevnt har det vært foreslått flere alternative tverrbindingsmetoder for å redusere dannelse av hulrom i isolasjonsmaterialet. Da imidlertid konvensjonell damptverrbinding etterfulgt av vannkjøling representerer en økonomisk og enkel prosess, skal også nevnes en artikkel i Fujikura Technical Review 1974, side 40 - 57,

"The new cross-linking method of crosslinked polyethylene cables with ultrasonic wave", hvor det anføres at tverrbindingsprosessen kan foregå raskere, for å redusere tiden som isolasjonsmaterialet utsettes for fuktighet, ved å anvende ultralyd under selve prosessen, og at isolasjonsmaterialet under tverrbindings- og kjøleprosessen er forsynt med et udefinert fuktighetsabsorberende skikt.

I Fujikura's BRD off.skrift nr. 2.519.574 hevdes det at det fuktighetsabsorberende stoff calsiumoksyd (CaO) har meget god effekt.

Patentet nevner i fleng en rekke fuktighetsabsorberende stoffer, hvorav man har konsentrert seg om CaO (ulesket kalk), MgO (magnesia), CaS04 (-2H20) (gips) og Si02 gel (silicagel). Alle disse stoffer har svært lav løselighet i vann, og den relative fuktighet over en mettet oppløsning er nær 100%. Det vil si at når et lag som inneholder CaO eller et av disse stoffer blir mettet, vil laget og dets omgivelser få en relativ fuktighet på 100%. Hovedformålet med den der beskrevne oppfinnelse er å hindre inntrenging av vanndamp i isolasjonen under damptverrbindingsprosessen, slik at det ikke dannes små hulrom (micro-voids) i isolasjonen. Oppfinnelsen ifølge Fujikura grunner seg på den teori at dersom man unngår dannelse av hulrom i isolasjonen under tverrbindingsprosessen, vil det i den ferdige kabel ikke kunne dannes vanntrær selv om kabelen installeres i fuktige omgivelser. Oppfinnelsen forutsetter derfor at CaO-laget anbringes før damptverrbindingsprosessen tar til og skiktet har utspilt sin rolle når denne prosess er ferdig, fordi det aktive stoff da vil være mettet med vanndamp og ikke lenger ha noen fuktighetsabsorberende virkninger. Tykkelsen av det fuktighetsabsorberende lag skal ifølge skriftet tilpasses den tid kabelen befinner seg på tverrbindingsstadiet, dvs. jo lengre tid kabelisolasjonen befinner seg i damptverrbindingsrøret jo tykkere bør laget være. Dette for å sikre at lagets virkning er effektivt så lenge damptverrbindingsprosessen pågår. Det nevnes imidlertid forsøk med en kabelprøve forsynt med kombinert halvleder/CaO-lag utenpå kabelisolasjonen (såvel som mellom leder og kabelisolasjon), hvor isolasjonen ikke viste tegn til vanntre-dannelse etter de 30 dager kabelprøven var neddykket i vann. Prøvetiden må imidlertid anses for å være alt for kort til å overbevise om at metoden vil gi noen effektiv langtidsbeskyttelse av kabelen om den installeres i fuktige omgivelser. Dertil må CaO anses for å være uegnet til å gi langtidsbeskyttelse p.g.a. nevnte høye relative fuktighet. Det påpekes endog i nevnte patent at det utenpåliggende fuktighets-absorberende skikt kan fjernes etter tverrbindingen av isolasjonen, og at dersom skiktet beholdes, kan (bør) det dekkes av en kappe, dvs. en fuktighetstett kappe. I motsetning til hva som foreslås i nevnte patent, tar den foreliggende oppfinnelse sikte på å tilveiebringe en kabel som ikke er avhengig av fuktighetstette kapper, men som likevel beskytter isolasjonen mot dannelse av vanntrær, under hele kabelens antatte levetid, vanligvis 30 år.

Dette trykkskrift gir ingen anvisning på at andre forbindelser enn CaO har den tilsiktede effekt, idet de fleste av de fuktighetsab-absorberende stoffer som nevnes forkastes ved første utvelgning, og forbindelsene MgO, CaS04 («2^0) og Si02 gel forkastes ved andre utvelgning.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en sterkstrøm-kabel som er motstandsdyktig overfor dannelse av vanntrær i isolasjonen, og som ikke innehar de samme ulemper som tidligere kjente kabler.

Oppfinnelsen fremgår av de nedenfor angitte krav, og i underkrav er angitt foretrukne utførelsesformer.

Eksperimenter har vist at dersom den relative fuktighet i isolasjonen er lavere enn en viss grense, vil ikke vanntrær begynne å gro selv om isolasjonen inneholder hulrom og forurensninger. Denne grense synes videre å være omtrent 70%, som svarer til fuktigheten i luft over vann som er mettet med NaCl.

En av fordelene med sterkstrømkabler som er forsynt med et lag i henhold til oppfinnelsen, er at dannelsen av vanntrær i isolasjonen blir sterkt redusert, selv om isolasjonen inneholder hulrom og forurensninger. Oppfinnelsen gjør ikke at remedier som foretas for å redusere hulrom og forurensninger blir unødvendige, men yter vesentlig til formålet med å frembringe bedre og sikrere sterkstrømkabler.

Ved å ta i bruk den foreliggende oppfinnelse vil det imidlertid ikke være nødvendig å utstyre kablene med kostbare vanntette metallkapper.

For å oppnå den ønskede effekt bør det fuktighetsreduserende materiale fordeles jevnt over hele kabelens overflate.

Som materiale som har egenskapen å redusere relativ fuktighet anvendes salter løsbare i vann: 1. Det er ikke-flyktige forbindelser som, når de oppløses i vann, reduserer damptrykket over oppløsningen i forhold til hva det ville være for rent vann ved samme temperatur. 2. Salter som danner stabile hydrater, som f.eks. CaCl2 + 2H20 = CaCl2 • 2H20; MgCl2 + 6H20 = MgCl2 • 6H20.

Når langtidseffekt ønskes, har eksperimenter vist at slike forbindelser er velegnet. Eksperimenter har også vist at disse forbindelser oppviser høy motstand mot å bli vasket ut.

Eksempler på salter som vil ha den ønskede effekt er nevnt i en artikkel av R.G. Wylie "The properties of water-salt systems in rela-tion to humidity", publisert i en bok av A. Wexler: "Humidity & Moisture", Volum III, Chapman and Hall, 1965.

Av de salter som er nevnt, vil bare de som forblir vannløselige i kabelens levetid og som har en relativ fuktighet lavere enn 70% være

.egnet. Listen over vannnløselige salter kan imidlertid ikke ansees

for å være fullstendig.

Ved valg av den aktive forbindelse må det tas hensyn til at for-bindelsen skal forbli vann-løselig, idet den må ikke reagere til å bli vann-uløselig med stoffer som enten finnes i selve kabelkonstruksjonen, eller som man må (kan) påregne trenger inn fra omgivelsene under drift.

Av de stoffer som finnes i selve kabelen gjelder dette først og fremst selve bærermaterialet (polymer evt. med fyllstoff) og tilsatser til dette eller til de andre" konstruksjonsmaterialene i form av anti-oksydanter, myknere, brannhemmende tilsatser eller lignende.

Stoffer som kan trenge inn fra kabelomgivelsene vil først og fremst være lavmolekylære gasser som atmosfæregasser (oksygen), ozon fra utladningen, hydrogensulfid og ammoniakk fra organisk forråtnelse, men også mineraloljer vil kunne diffundere inn gjennom kappen og bindes til det aktive laget.

De vann-løselige forbindelser som er anvendelige i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er som nevnt plassert i et sammenhengende lag utenpå og adskilt fra kabelens isolasjon, men danner ikke en vanntett barriere. Formålet med dette laget er å redusere den relative fuktighet i isolasjonen til en forutbestemt prosentandel. Den relative fuktighet i isolasjonen vil ved tilstedeværelse av vann bli redusert til en verdi som er karakteristisk for den forbindelse som benyttes i laget, dvs. den relative fuktighet vil bli den samme som i en atmosfære over en mettet oppløsning i vann av den forbindelse som benyttes.

Ovennevnte formål og særtrekk ved oppfinnelsen vil klarere fremgå av nedenstående detaljbeskrivelse under henvisning til tegningene, hvor Fig. 1 viser et tverrsnitt av en kabel i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 2 viser en skisse av et anlegg for fremstilling av en kabel i henhold til Fig. 1.

Kjernen 1 i elektriske sterkstrømkabler for hvilken den foreliggende oppfinnelse kan benyttes, kan være av en hvilken som helst konvensjonell type, som f.eks. en metallisk leder av en hvilken som helst form og materiale omgitt av et lag med halvledende materiale 2, deretter omgitt av et eller flere lag ekstrudert polymer isolasjon 3 av ønsket tykkelse og et ytre lag av halvledende materiale 4.

Det lag 5 som inneholder forbindelser som på i og for seg kjent måte er i stand til å redusere og stabilisere den relative fuktighet av isolasjonen til en verdi som bestemmes av materialet selv, vil i det følgende bli kalt det aktive lag. Det aktive laget 5 kan ekstruderes som et fjerde lag av polymert materiale. Videre kan det til-veiebringes flere aktive lag som er ekstrudert eller anbrakt utenpå hverandre. Alternativt kan det aktive lag dannes i form av et bånd som vikles eller foldes om kabelkjernen. Videre kan det benyttes to eller flere omviklede eller foldede bånd, eller en kombinasjon av ekstruderte lag og viklede (foldede) lag. Utenpå det aktive lag er anbragt et dekklag 6 av polymert materiale.

Tykkelsen av det aktive lag i forhold til kabeldiameteren kan være i størrelsesorden samme tykkelse som de halvledende lag. Det avgjørende for levetiden av det fuktighetsstabiliserende lag er at kabelen inneholder en tilstrekkelig mengde aktivt materiale per over-flateenhet. Mengden av det aktive materiale må derfor dimensjoneres ut fra ønsket levetid under spesifiserte betingelser (temperatur, fuktighet i omgivelsene, vann-permeabilitet for kappematerialet). Eksempelvis antas et innhold på 0,01 - 0,1 g/cm å gi gode resultater hele kabelens levetid. Her skal bemerkes at selv om det aktive materiale blir mettet ved at det utsettes for fuktighet, vil den fuktighetsstabiliserende og reduserende virkning være tilstede så lenge der er aktivt materiale til stede. Den relative fuktighet i det innenforliggende isolasjonsmateriale vil bare gradvis øke til verdier hvor vanntrær dannes, etter hvert som det aktive materiale fortynnes.

Fig. 2 viser en fordelaktig fremgangsmåte for fremstilling av sterkstrømkabel i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Kabelkjernen 1 føres fra en avvikletrommel 10 til én eller flere ekstrudere 11, 12, 13 for påføring av indre halvleder 2, isolasjon 3 og ytre halvleder 4, hvoretter de tverrbindbare lag tverrbindes og kjøles i et tverrbindingsanlegg 14. Når kabelen er forsynt med et fuktighetsstabiliserende lag 5 påføres et dekklag 6 i en ekstruder 15, hvoretter kabelen vikles opp på en trommel 16. Når det benyttes vanndamp under tverrbindingsprosessen, må det fuktighetsstabiliserende lag 5 påføres, f.eks. i en ekstruder 17 etter at kabelens isolasjon 3 og halvledende lag 2, 4 har passert tverrbindingsanlegget. Derved sikres at laget har full effekt fra det tidspunkt da kabelen er ferdig fremstilt. Dersom det benyttes tverrbindingsprosess uten vanndamp og eventuelt også uten vannkjøling, vil det være mulig å påføre det fuktighetsstabiliserende lag 5 i tandem med påføringen av den ytre halvleder allerede før tverrbindingsprosessen, som antydet med ekstruder 18.

Det aktive materiale kan tilsettes en ekstruder i form av et fin-fordelt pulver eller granulat. Et lag med slikt aktivt pulver kan også frembringes ved å føre kabelen gjennom en beholder eller boks som inneholder slikt pulver før ekstrudering av et ytre dekklag eller påføring av et dekkende bånd. Alternativt kan det aktive materiale være løst i en oppløsning gjennom hvilken ekstrudergranulatet passerer før ekstrudering. En slik aktiv oppløsning kan også adsorberes i et isolerende lag som ekstruderes utenpå det ytre halvledende lag ved å føre kabelen gjennom en slik oppløsning. Det aktive lag kan forøvrig også utføres halvledende. Et aktivt viklebart bånd kan også lages på denne måten. Materialet kan også sintres på med et omviklet bånd eller en ekstrudert kappe utenpå for å hindre hurtig utvasking. Eksperimenter har vist at utvaskningstiden for materialet under slike tilstander vil være vesentlig lenger enn kabelens ventede levetid.

" Eksempel

Som praktisk utprøving av prinsippet med å bruke vannløselige forbindelser i henhold til oppfinnelsen som fuktighetsstabiliserende lag er det utført langtidsforsøk på kabler. Kablene er for 12kV nominell spenning med 35 mm 2 aluminium leder, ekstrudert indre halvleder,

3,4 mm isolering av (damp)tverrbundet polyetylen og ekstrudert ytre halvleder (trippelekstrudert). Utenpå den ytre halvleder er det viklet et lag sotpapir (kreppet) med ca. 75% overlapp. Det aktive lag på kabel nr. 1 er påført ved å føre den ferdig viklede kabel gjennom en beholder med mettet vannløsning av CaC^ som så er tørket før man har trukket over en 0,5 mm tykk krympeslange og krympet denne fast. For kabel nr. 2 ble rommet mellom den tørre bånderingen og krympe-slangen fylt med mettet vannløsning av CaC^ før slangen er krympet fast. Kabel nr. 3 er en referansekabel med samme utførelse og fremgangsmåte som kabel nr. 2, bortsett fra at det er brukt rent vann i stedet for CaC^ løsning. Alle kablene er satt til prøving neddykket i vann ved romtemperatur. Ved de angitte prøvetider er det tatt 5 mm lange prøver av isoleringen som er mikroskopert, for å telle trær og måle lengden av disse. x angir middelverdien i yum og s spredningen. Resultatene fra undersøkelsene er gitt i tabell 1."

Claims (10)

1. Elektrisk sterkstrømkabel som er motstandsdyktig overfor dannelse av vanntrær i isolasjonen, omfattende en leder forsynt med ett eller flere lag ekstrudert polymert isolasjonsmateriale samt et indre og et ytre halvledende lag, og omfattende et ytre beskyttende lag av polymert materiale, karakterisert ved at der utenfor og adskilt fra isolasjonen er anbragt et sammenhengende lag som inneholder vann-løselige salter som forblir vann-løselige i kabelens levetid, og som på i og for seg kjent måte begrenser og stabiliserer den relative fuktighet i lederisolasjonen til en verdi som ikke overskrider 70%.

2. Sterkstrømkabel i henhold til krav 1, karakterisert ved at saltene utvelges fra gruppen salter som danner stabile hydrater.

3. Sterkstrømkabel i henhold til krav 2, karakterisert ved at det vann-løselige salt er CaC^.

4. Sterkstrømkabel i henhold til krav 2, karakterisert ved at det vann-løselige salt er MgC^.

5. Sterkstrømkabel i henhold til et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at de vann-løselige salter inneholdes i et halvledende låg.

6. Sterkstrømkabel i henhold til et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at de vann-løselige salter inneholdes i et helisk viklet i bånd.

7. Sterkstrømkabel i henhold til et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at mengden av vann-løselige salter utgjør minst 0,01 g/cm 2 av lagets overflate.

8. Fremgangsmåte for fremstilling av elektrisk sterkstrømkabel i henhold til krav 1, hvorved en elektrisk leder føres gjennom én eller flere ekstrudere for påføring av et indre halvledende lag, ett eller flere isolerende lag og et ytre halvledende lag, idet i det minste ett av lagene består av tverrbindbart polymert materiale, hvoretter kabelen gjennomgår en tverrbindingsprosess slik at ett eller flere av de nevnte lag tverrbindes, samt påføres et ytre beskyttende lag av polymert materiale, karakterisert ved at kabelen, utenfor og adskilt fra isolasjonen, ved vikling, ekstrudering, eller på annen måte, påføres et sammenhengende lag som inneholder vann-løselige salter som forblir vann-løselige i kabelens levetid, og som på i og for seg kjent måte begrenser og stabiliserer den relative fuktighet i lederisolasjonen til en verdi som ikke overstiger 70%.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved a t det fuktighetsstabiliserende lag påføres etter tverrbinding av det (de) nevnte lag, eventuelt før tverrbindingsprosessen, dersom denne ikke omfatter behandling med vanndamp.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at de vann-løselige salter i blanding med granulert polymert materiale påføres ved ekstrudering.