NO159327B - Flammesikker, oljefylt elektrisk kabel impregnert med isolerende fluidum, og isolasjonsvaeske for impregnering av elektriske kabler. - Google Patents

Description

Følgende oppfinnelse angår en flammesikker, oljefylt elektrisk kabel som omfatter minst én leder, en lagdelt isolasjon dannet av bånd viklet rundt lederen, impregnert med et isolasjonsfluidum, og en kabelarmering rundt den lagdelte isolasjon, og nærmere bestemt både en elektrisk kabel impregnert med en isolerende væske, vanligvis kalt "oljefylt" elektrisk kabel, og en elektrisk kabel impregnert med en isolerende væske og som benyttes i systemer vanligvis kalt "rør-systemer, begge for like- og vekselstrøm.

Oppfinnelsen angår også en isolerende væske for impregnering av elektriske kabler og tilsvarende.

I elektriske kabler impregnert med en isolerende væske må sistnevnte utvise alle de følgende egenskaper:

- En høy dielektrisk styrke for således å legge

grunnlag for en meget god lagdelt isolasjon ved å vikle impregnerte lag rundt den elektriske leder;

- en lav dielektrisk tapsfaktor eller tg<5 i isolasjonsvæsken for således å gi en effektiv kraftoverføring; - den isolerende væskes viskositet må være slik at væsken flyter lett langs kablen ved enhver temperatur kablen måtte befinne seg; - isolasjonsvæskens fysiske tilstand må være kånstant, dvs. den isolerende væske må forbli flytende ved . enhver"temperatur som kablen kan utsettes for; - endel av isolasjonsvæsken må oppvise meget god absorp-sjon av gass for å unngå dannelse av eventuelle gassbobler, eller hvis noen gassbobler skulle være tilstede og deres volum øker, for derved å hindre risiko for perforering av kablens lagdelte faste isolasjon; - flammesikre egenskaper ved isolasjonsvæsken slik at det i tilfelle av høye temperaturer eller brann ikke utvikles noen giftige gasser:

- lav pris.

Vanskeligheten med å finne en kjemisk sammensetning

hvor alle de nevnte egenskaper i høy grad er tilstede, slik at nevnte sammensetning kan anvendes med gode resultater som impregnerende isolasjonsvæske i elektriske kabler, er tydelig tilstede* Derfor må det vanligvis søkes etter et kompromiss,

ved å gi etter for noen av kravene til isolasjonsvæsken, som r f.eks. flammesikkerhet. j

Av denne grunn er bare noen få materialer for tiden

i

kjent og benyttet, eller anbefalt for bruk som impregner-

ende isolasjonsvæsker i elektriske kabler.

Blant de få substanser anbefalt som impregnerende isolasjonsvæsker i elektriske kabler kan nevnes polydimethylsiloxaner.

Nevnte polydimethylsiloxaner som representerer den største kjente type oljer kalt "silikoner", er interessante når det gjelder deres flammesikre egenskaper! deres mulighet til å forbli flytende væsker ved svært lav temperatur, deres viskositet som er praktisk talt konstant over et tilstrekke-lig stort temperaturområde, deres forholdsvis lave pris og deres gode verdier når det gjelder tapsfaktor eller tg<5.

Ubekvemmeligheten med polydimethylsiloxaner er imidlertid at de har en relativt lav dielektrisk motstandsdyktighet og fremfor alt liten evne til å absorbere gasser i et elektrisk f elt,og særlig de gassene som utvikles•i tidens løp på grunn av den nedbrytning som foregår i det faste isolasjons-materiale som benyttes i lag rundt lederen, gasser som vanligvis består av hydrogen, carbonmonoxyd, carbondioxyd og vanndamp .

For å overvinne de over nevnte ulemper vad polydimethylsiloxaner er allerede noen materialer blitt foreslått,som kan tilsettes dem for å gi blandinger som forbedrer deres util-fredsstillende egenskaper.

Ved tilsats av kjente additiver til polydimethylsiloxaner, nemlig med kjente blandinger basert på polydimethylsiloxaner, har problemet med gassabsorpsjon i det elektriske felt blitt løst . Forekomst av nevnte kjente additiver har imidlertid skapt andre julemper, som f.eks. ustabilitet av blandingens kjemiske sammensetning ved lav temperatur og/eller nedsettelse av den dieléktriske tapsfaktors eller tg6's verdi, slik at de allerede kjente polydimethyl-siloxanholtii<g>e blandinger i virkeligheten ikke ser ut til å ha hatt noen praktisk anvendelse.

i

Oppfinnelsen angår følgelig en flammesikker, oljefylt elektrisk kabel som omfatter minst én leder, en lagdelt isolasjon dannet av bånd viklet rundt lederen, impregnert med et isolasjonsfluidum, og en kabelarmering rundt den lagdelte isolasjon, hvilken kabel er kjennetegnet ved at båndene som utgjør den lagdelte isolasjon, er av cellulosemateriale, og at isolasjonsfluidumet omfatter en blanding av et polydimethylsiloxan med en viskositet større enn 5 cSt ved 25°C, og iso-propyldif enyl, hvori den sistnevnte er til stede i blandingen i en mengde som ikke overstiger 10 vekt% med hensyn til den totale vekt av blandingen.

Isopropyldifenyl har formelen

Oppfinnelsen angår enn videre en isolasjonsvæske for impregnering av elektriske kabler, som er kjennetegnet ved at den omfatter en blanding av polydimethylsiloxan som har en viskositet større enn 5 x 10 6 m /s (5 cSt) ved 25°C og isopropyldifenyl, og hvor isopropyldifenyl er til stede i blandingen i en mengde på mindre enn 10 vekt% med hensyn til den totale vekt av blandingen.

Oppfinnelsen illustreres ytterligere i den etter-følgende beskrivelse og eksempler under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: - fig. 1 er en perspektivtegning hvor deler er fjernet for å vise kabelstrukturen av en elektrisk kabel som er impregnert med isolasjonsvæske, av den vanlige typen som kalles "oljefylt" kabel; - fig. 2 er en perspektivtegning hvor deler er fjernet for å vise kabelstrukturen av en elektrisk kabel som er impregnert med en isolasjonsvæske, for systemer vanligvis kalt "rør"-systemer.

Som det fremgår av fig . 1 består den elektriske kablen av en leder 1 som omfatter en koaksialt utstrakt kanal 2 som

I

er fylt med isolasjonsvæske for at isolasjonsvæsken skal kunne

i

flyte langs kablen. j

Rundt den elektriske leder 1 er først anbragt en halvledende skjerm 3 omgitt av en fast lagdelt isolasjon 4 på-ført lagvis og dannet ved hjelp av mange viklinger med isolas jonsband som fullstendig er fremstilt avjcelluloseaktig materiale. i

Den faste lagdelte isolasjon 4 påført lagvis er impregnert med en isolasjonsvæske, og over denne er anordnet en halvledende skjerm 5. Sammensetningen som er dannet av de over nevnte elementer er innesluttet i ét glatt eller bølget hylster 6, som f.eks. er fremstilt av et metallisk materiale som bly eller aluminium.

Fig. 2 illustrerer en elektrisk kabel impregnert med isolasjonsvæske for kabelsystemer vanligvisjkalt "rør".

Som det kan ses i fig. 2, omfatter den elektriske-kabel en gruppe på tre ledere 7, og rundt h<y>er av disse er det anbragt en halvledende skjerm 8 dekket med en fast lagdelt isolasjon 9 påført lagvis og dannet vek hjelp av flere viklinger med isolasjonsbånd, som fullstendig er fremstilt av et celluloseaktig materiale.

Den faste lagdelte isolasjon 9 påførjt 'lagvis rundt hver leder 7 er impregnert med en isolasjonsvæske, og over denne er det anbragt en halvledende skjerm 10.

Gruppen av tre ledere 7, som er forsynt med de ovenfor angitte elementer, er innpakket i et stjivt rør som også er fylt med én isolasjonsvæske.

I foreliggende beskrivelse vil både hylsteret for en kabelsora den visti fig. 1 og det stive røret for en kabel som den vist i fig. 2 bli betegnet med uttrykket "omsluttende hylster" ("containing envelope").

Som isolasjonsvæske anvendes en blanding av polydimethylsiloxan hvor polydimethylsiloxanet har formelen:

og isopropyldifenyl, og nærmere bestemt en blanding be-

stående av polydimethylsiloxan, som har en viskositet større enn 5 x 10 ^ m^/s (5 cSt) ved 25°C, og isopropyldifenyl, som er til stede i en mengde på mindre enn 10 vekt% beregnet på

den totale vekt av blandingen, og som fortrinnsvis er til stede i en mengde på mellom 3 og 7 vekt% beregnet på den totale vekt av blandingen.

Isopropyldifenyl kan i dette tilfelle være p-monoisopropyldifenyl eller m-monoisopropyldifenyl eller en blanding av disse isomerer.

Monoisopropyldifenyl har en god aldringsresistens i nærvær av me-taller som kobber sem utqiør kabellederen. En betydelig stabilitet kan derfor oppnås over tid med hensyn til blandingen som utgjør isolasjonsvæsken sammensatt av blandinger av polydimethylsiloxan og isopropyldifenyl.

Et flertall eksperimentelle tester ble utført med en isolasjonsvæske ifølge oppfinnelsen, dvs. en væske dannet ved en blanding av polydimethylsiloxan og isopropyldifenyl,

for å bevise at det ved anvendelse av nevnte væske er mulig å oppnå de over angitte mål. Analoge sammenligningstester ble utført med bare polydimethylsiloxan.

En første serie eksperimentelle tester ble utført

for å demonstrere de flammesikre egenskaper av en isolasjonsvæske for impregnering av kabler ifølge oppfinnelsen, og analoge sammenligningstester ble utført med polydimethylsiloxaner, monoisopropyldifenyl, og en hydrocarbonisolasjons-væske som vidt anvendes som impregnerende medium for elektriske kabler, som decylbenzen.

For å bestemme de flammesikre egenskaper til de an-gjeldende væsker, ble eksperimentelle téster utført. De er definert ved uttrykkene "flammepunkt" og "brennpunkt", og de ble utført ifølge ASTM D-93-79 STANDARDS.

Uttrykket "flammepunkt" betyr den temperatur av en væske som, når en liten flamme som er plassert ved væske-overflaten, får flammen til hurtig å blusse opp for der-

etter umiddelbart å slukne.

Uttrykket "brennpunkt" betyr i stedet den temperatur

av en væske som, når en liten flamme som er plassert ved

væskens overflate, får dampene som væsken gir fra seg til å brenne i minst 5 min.

Den første serie med eksperimentelle;tester ble

utført med polydimethylsiloxaner fra Dow Corning Corporation ' og nærmere bestemt med polydimethylsiloxaner markeds-ført under handelsbetegnelsene DC 200/5, DC 200/10, DC 200/20, DC 200/50, og med polydimethylsiloxaner fra Rhone-Poulenc og nærmere bestemt med polydimethylsiloxaner markedsført under handelsbetegnelsene 47 V/10, 47 V/20 og 47 V/50.

Denne første serie med eksperimentelle tester omfatter ennvidere tester utført med isolasjonsvæsker ifølge oppfinnelsen omfattende blandinger av polydimethylsiloxan og isopropyldifenyl med forskjellige prosentandeler av den sistnevnte.

Blandingene ble fremstilt ved å tilsiette de ovenfor angitte polydimethylsiloxaner fra Dow Corning Corporation og Rh<5ne-Poulenc forskjellige mengder med isopropyldifenyl

i

fra Sun Petroleum Products Comapny med handelsnavn "Suresol 250" i de prosentandeler som fré:'mgår fra følgende tabell, som viser resultatene fra den første serie med eksperimentelle tester:

i

Ved analyse av resultatene i ovenstående

tabell, kan det først og fremst bemerkes at for å tilveie-bringe flammesikre isolasjonsvæsker for impregnering av elektriske kabler ifølge oppfinnelsen, må polydimethylsiloxaner som DC 200/5, eller de som har en viskositet lavere enn

— 6 5 x 10 m^/s (5 cSt) elimineres, siden de når det gjelder flammesikring, har egenskaper som er sammenlignbare med •

de til hydrocarbonvæsker som decylbenzen, som er ansett for å være brannfarlige.

Med unntagelse av det ovenfor nevnte kan man merke

seg at en isolas jonsvæske for impregnering av elektriske kabler ifølge oppfinnelsen, dannet av en blanding av polydimethylsiloxan og isopropyldifenyl,opprettholder de meget gode flammesikre karakteristika til polydimethylsiloxaner,

som vist ved høye temperaturer både for "flammepunkt" og "brennpunkt", til tross for det faktum at isopropyldifenyl er en forbindelse som er lett antennelig.

En andre serie eksperimentelle tester for å bestemme de fysikalske karakteristika av isolasjonsvæsker ifølge oppfinnelsen og av polydimethylsiloxaner ble utført (det vil si bestemmelse av deres permanente!flytende tilstand) .

Nærmere bestemt utføres denne andre serie av tester for å bestemme viskositet av væsker ved romtemperatur, deres tilstandsendringspunkt kjent av fagfolk via' egenskaper kalt ''hellepunkt" ("pour point") og definert i Henhold til ASTM D 97-66 STANDARDS, samt starttemperatur for separasjon av homogene blandinger, som bestemmes visuelt ved dannelse av en melkeaktig væske. i

Nevnte andre serie eksperimentelle jtester ble ut-ført med de samme isolasjonsvæsker ifølge oppfinnelsen og benyttet for impregnering av elektriske kabler, og som var blitt testet i den første serien, med unntagelse av de som ble eliminert på grunn av deres brannfarlige karakteristika.

Resultatene av den andre serie eksperimentelle"tester fremgår fra følgende tabell:

Ved analyse av resultatene fra de eksperimentelle tester vist i tabellen over, kan følgende bemerkes: - Viskositetsverdien for en isolasjonsvæske for impregnering av kabler ifølge oppfinnelsen er lavere enn de for de tilsvarende polydimethylsiloxaner. Dette betyr at isolasjonsvæsken ifølge oppfinnelsen lettere kan flyte langs kablen; - verdiene for separasjonstemperaturen kan selvsagt bare vurderes for blandinger og ikke for en ren forbindelse slik som polydimethylsiloxan. De er ekstremt lave med hensyn til isolasjonsvæsker for impregnering av kabler ifølge oppfinnelsen, de er nemlig svært forskjellige fra de temperaturer en kabel kan utsettes for under bruk, forutsatt at mengden av isopropyldifenyl ikke er større enn 10 vekt% av den totale vekt av blandingen. videre er også temperaturverdiene ved hvilke begynnelsesstørk-ning inntreffer i en isolerende væske for elektriske kabler ifølge oppfinnelsen, slik som for polydimethylsiloxan, lavere enn de som er nødvendige for ethvert kabelbehov. Dette betyr at en isolasjonsvæske for impregnering av elektriske kabler ifølge oppfinnelsen har, når det angår disse effekter, de samme positive karakteristika som polydimethylsiloxan, som det fremgår fra verdier fra kolonnen under "hellepunkt".

En tredje serie med eksperimentelle tester ble utført for å bestemme de dielektriske karakteristika for en væske for impregnering av kabler ifølge oppfinnelsen og som ble betraktet som meget god etter de to forutgående testserier.

Eksperimentelle tester ble utført for å vurdere den dielektriske tapsfaktor eller tg6 og den dielektriske styrke på flate prøveeksemplarer.

, Bestemmelse av den dielektriske tapsfaktor eller tg6 ble utført ifølge IEC247 (1978) STANDARDS.

I

Bestemmelsen av den dielektriske st'yrke på flate prøveeksemplarer ble utført som følger.

Tre ark celluloseaktig papir ble anvendt til å danne lagene i en kabelisolasjon, og med en tykkelse på 80 ym, ble

brettet dobbelt, hvorved det ble dannet en sirkelformet kanal på 4 mm i diameter i det sentrale ark.

Det resulterende prøveeksemplar ble plassert mellom

i

to flate sirkulære elektroder med en diameter på 3 cm, og

i

papirarkene ble tørket. Prøveeksemplaret! ble deretter impreg-i

nert med tidligere avgasset isoleringsvæske som skal under-søkes, og dielektrikumet ble utsatt for e't mekanisk trykk på 0,2 kg/cm 2 utøvet av elektrodene. |'

Spenning påføres så over de to elektrodene og verdien av spenningen som forårsaker perforering |av dielektrikumet måles. !

De eksperimentelle tester ble utført på isolasjonsvæskene for impregnering av elektriske kabler ifølge oppfinnelsen, og som ble betraktet som gode, såvel som på polydimethylsiloxaner som danner hovedkomponenten av isolasjonsvæsken ifølge oppfinnelsen.

Resultatene av denne tredje seriej eksperimentelle tester fremgår fra følgende tabell:

Ved analyse av de eksperimentelle resultater angitt

i den ovenstående tabell, er det klart at en elektrisk kabel impregnert med en isolærende væske ifølge oppfinnelsen har betraktelige forbedrede dielektriske karakteristika sammenlignet med elektriske kabler impregnert med bare polydimethylsiloxan,

En fjerde serie med eksperimentelle tester ble ut-ført for å bestemme oppførselen av en elektrisk kabel ifølge oppfinnelsen og av en isolerende væske for impregnering av elektriske kabler ifølge oppfinnelsen, i nærvær av et elektrisk felt, spesielt et vekselstrømfelt, og for å bestemme absorpsjonsgraden av gasser utviklet i den benyttede kabel.

Gasser kan være tilstede i en kabel av to årsaker:

- ufullstendig avgassing av isolasjonsvæsken i en kabel under kabelproduksjonen; - dannelse av gass som følge av nedbrytning på grunn av aldring av lagene av fast materiale som utgjør kabelisolasjon, spesielt ved høy temperatur.

Gassene som er tilstede i kablen utgjøres vesentlig

av hydrogen, carbonmonoxyd, carbondioxyd og vanndamp. Deres tilstedeværelse er et negativt element, siden de kan resultere i perforering av kabelisolasjonen og sette denne ut av bruk når gassene ikke kjemisk absorberes av isolasjonsvæsken som impregnerer kablen.

Blant de gasser som kan utvikles i en kabel, er.hydrogen den qass som er i stand til å qi best indeks for bestemmelse av absorpsjonsqraden av en qass i en isolerende væske.

Følgelig ble eksperimentelle tester utført for å bestemme absorpsjonsgraden av hydrogen i isolasjonsvæskene ifølge oppfinnelsen, og i de relativt basiske polydimethylsiloxaner. De oppnådde resultater er angitt i følgende tabell.

Nevnte eksperimentelle tester kjent som "gasstester", ble utført ifølge IEC 628-1978 STANDARDS.

Analoge tester for andre gasser som kan utvikles i en kabel slik son carbonmonoxyd, carbondioxyd og vanndamp,ble ut-ført på to isolasjonsvæsker ifølge oppfinnelsen, og som ble betraktet å være blant de beste. Dijssevar DC 200/20 pluss 5 vekt% med "Suresol" 250 av den totale vekt av blandingen samt 47 V/20 pluss 5 vekt%med "Suresol"j250 av total-vekten av blandingen.

Resultatene av disse eksperimentelle tester er angitt i følgende tabell: I

i

(°) med hensyn til carbondioxyd skjedde et ikke-linært utviklings/absorpsjonsfenomen under testen. Først fant det sted en utvikling av gassen, men etter et tidsintervall ble denne absorbert av isolasjonsvæsken. Absorpsjonsverdiene er de som er angitt i tabellen.

Ved analyse av de eksperimentelle prøveresultater i

de foregående tabeller, er det klart at isolasjonsvæskene for impregnering av elektriske kabler ifølge Oppfinnelsen er istand til å absorbere gasser som kan bli utviklet under kablens levetid og som derfor eliminerer enhver risiko for perforering av isolasjonen som derved ville kunne sette kablen ut av bruk.

De samlede resultater oppnådd fra alle seriene med eksperimentelle tester viser at en elektrisk kabel impreg-neret med en isolerende væske ifølge oppfinnelsen, såvel som isolasjonsvæskene ifølge oppfinnelsen for impregnering av både kabler av "oljefylt" type og de av "rør" systemtype er i stand til å oppfylle alle de tidligere nevnte krav.

Claims (4)

1. Flammesikker, oljefylt elektrisk kabel som omfatter i minst én leder, en lagdelt isolasjon dannet av bånd viklet rundt lederen, impregnert med et isolasjbnsfluidum, og en kabelarmering rundt den lagdelte isolasjon, karakterisert ved at båndene som utgjør den lagdelte isolasjon, er av cellulosematerjiale, og at isola- i sjonsfluidumet omfatter en blanding av et polydimethylsiloxan med en viskositet større enn 5 cSt ved 25°C, og isopropyldifenyl, hvori den sistnevnte er til stede i blandingen i en mengde som ikke overstiger 10 vekt% med(hensyn til den totale i vekt av blandingen. i I j

2. Kabel ifølge krav 1 , karakterisert ved at blandingen av polydimethylsiloxan og isopropyldifenyl inneholder 3-7 vekt% isopropyldifenyl med hensyn til den totale vekt av blandingen. j

3. Isolasjonsvæske for impregneringl av elektriske kabler, karakterisert ved at ;den omfatter en blanding av polydimethylsiloxan som har en viskositet større enn 5 x 10 — 6 m 2 /s (5 cSt) ved 25 o C og isopr■opyldifenyl, og hvor isopropyldifenyl er til stede i blandingen i en mengde på mindre enn 10 vekt% med hensyn til den{totale vekt av blandingen .

4. Isolasjonsvæske ifølge krav 3, i karakterisert ved at! isopropyldifenyl er til stede i blandingen i en mengde på 3 vekt% med hensyn til den totale vekt av blandingen. j j