NO179499B - Ekstruderanlegg, kabel og fremgangsmåte - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et ekstruderanlegg og fremgangsmmåte for fremstilling av en kraftkabel omfattende en leder med ekstrudert polymer isolasjon og halvledende lag. Oppfinnelsen gjelder særlig fremstilling av høyspentkab 1 er i vertikale ekstruderanlegg, men er ikke begrenset til slike anlegg. Ved ekstrudering av i sol asjonslag med veggtykkelse større enn ca 20 mm, kan det imidlertid ved horisontale anlegg og kjedel injeanlegg oppstå problemer med å oppnå konsentriske 1 ag.

Det har vært vanlig praksis i mange år, se f eks US 3,404,432, å ekstrudere et indre halvledende lag, et tykkere i solasjonslag og en tynn ytre halvleder i en operasjon. Når det gjelder større tverrsnitt, har imidlertid konvensjonelle ektruderanlegg visse mangler.

US 4,354,992 omhandler et anlegg for ekstrudering av tre eller fire lag på en kabelleder. Her beskrives anvendelse av et enkelthode i tandem med et dobbelthode, samt anvendelse av to dobbelthoder i tandem. Anlegget synes å være egnet for kabler med små dimensjoner, hvor det innerste i sol asjonslaget f eks skal være av størrelsesorden 10 mils til 50 mils. I US 5,046,938 er det beskrevet et anlegg for ekstrudering av flere lag i hverandre, et anlegg som synes å være best egnet for ekstrudering av rør og flasker.

Hovedformålet ved oppfinnelsen er å tilveiebringe et kabel-ekstruderanl egg som er i stand til å ekstrudere konsentriske polymerlag for kraftkabler beregnet for spenninger over 300 kV. Dette oppnås ved oppfinnelsen hvis særtrekk er definert i patentkravene.

Ovenfor nevnte og andre formål og særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil klart fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen sett i sammenheng med figurene, hvor Figurene IA og IB viser kjerner av høyspente kraftkabler som er fremstilt i henhold til oppfinnelsen,

Figur 2 viser et vertikalt kabelekstruderanlegg,

Figur 3 viser et lukket materi alhåndteringssystem,

Figur 4 og 5 viser delvise snitt gjennom et ekstruderhode, Figur 6 viser detaljer ved materi al strømmen inne i et ekstruderhode som er konstruert for et vertikalanlegg, og

Figurene 7 og 8 skjematisk viser en kjedelinje og horisontal1 inje som anvender oppfinnelsen.

I figurene IA og IB er det skjematisk vist tverrsnitt av kabelkjerner IA og IB som er fremstilt i anlegget ifølge oppfinnelsen. Kjernen består av en elektrisk leder av kobber, aluminium eller annet egnet materiale, og suksessive konsentriske lag med polymert materiale. Disse består av et første, indre lag med halvledende materiale 3, - minst to lag med isolasjonsmateriale 4 og 5, henholdsvis 7,8,9, og et andre, ytre lag med halvledende materiale 6. Det første indre i solasjonslag 4 og 7 utgjør 10-75 % av den totale isolasjonstykkelse.

Ytre beskyttende lag og kapper og armering er ikke vist da slike kabeltekniske detaljer ikke utgjør noen del av den foreliggende oppfinnelse.

Bakgrunnen for ønsket om å dele i sol asjonssystemet i minst to individuelle lag med isolasjonsmateriale er å simulere et viklet i solasjonssystem. Derved vil det også være mulig å benytte ulik graderte polymerer i de forskjellige lag. Det innerste laget 4 og 7 er utsatt for den største spennings-gradienten og må velges med omhu.

Som vil bli forklart senere, blir alle lagene som er vist i figurene IA og IB ekstrudert i ett ekstruderhode. Lagene ekstruderes direkte oppå hverandre for å tilveiebringe full integrasjon mellom lagene. Individuelle ekstruderskruer som fører polymermaterial et til ekstruderhodet er vanligvis plassert vinkelmessig forskjøvet i forhold til hverandre. Nabolag skal fortrinnsvis ha forskjellig molekylorientering. Ved analysering av kabelprøver, vil en analyse-ingeniør kunne skille mellom kabler laget i henhold til oppfinnelsen og kabler laget i andre anlegg.

Figur 2 viser hovedelementene i et vertikalt anlegg eller tårn 10 for ekstrudering av konsentriske lag med polymer materiale omkring en elektrisk leder 11 for å fremstille en høyspent kraftkabelkjerne 12. Et slikt ekstrudertårn kan være mer enn 100 m høyt.

Den elektriske leder 11 mates fra en trommel 13 som er plassert på bakkenivå eller på et lavere nivå, hvoretter lederen løftes til et høyere nivå 14 inne i tårnet 10 og føres vertikalt ned til et ekstruderhode 15. En av minst fire ekstruderskruer 16 for å påføre lag med polymer materiale omkring lederen 11 er antydet. Når alle lag er anbragt konsentrisk på lederen 11 i hodet 15, føres kabelen vertikalt nedover gjennom en varme-og-kjølesone 17 for å tverrbinde polymermaterial et. Kabelkjernen 12, svarende til kjernene IA og IB i figurene IA og IB vikles på en trommel 18 i den lavere del av tårnet.

Metal1skjermer, korrosjonsbeskyttende lag og ytre armering anbringes på kabelkjernen i etterfølgende prosesser, som ikke er nevnt her.

I forbindelse med ekstruderskruen 16 som mater polymer materiale inn i hodet 15, antyder også figur 2 en drivenhet 19 for ekstruderen, samt et lukket rent materi alhåndteringssystem 20 som fører fra en polymerbeholder 21 til ekstruderen.

Polymermaterialbeholdere 21 og forbindelseskanaler 20 er anordnet på nivåer som ligger høyere enn nivået for de respektive ekstruderskruer 16 slik at materialet transporteres ved sin egen tyngde i individuelle materi alhåndteringssystemer fra individuelle beholdere til skruene.

Et problem som kan oppstå når man fremstiller høyspente kraftkabler, er at polymerene kan inneholde uønskede forurensninger. Disse kan ha kommet inn i materialet hos leverandøren eller i ens egne materi alhåndterings-systemer. Det er antatt at man for å fremstille et komplett dielektrisk system for kablene, må unngå forurensninger. Slike forurensninger kan fjernes ved å benytte finmaskede filtre 22 like før inngangen til ekstruderhodet. Filtrene for i solasjonspolymeren kan benytte 400 til 1400 mesh, mens det i filtrene for halvlederne kan benyttes 200 til 400 mesh.

I figur 3 er det i noe større detalj skjematisk vist en av de lukkede rene materi alhåndteringssystemer 30 som fører fra en beholder 31 til en ekstruderskrue 32. En materi albeholder 33 eller lignende som er levert fra en materi all everandør og transportert til et av de øvre nivåer i tårnet kan plasseres i beholderen 31. Beholderen er sammenkoblet med materialhåndteringssystemet 34 ved hjelp av et kuvøselignende mani pulerings-arrangement 35. Beholderen 31 kan utelates dersom det kan oppnås en betryggende forbindelse fra beholderen 33 til systemet 34.

Figur 3 antyder også anordninger 36 for å sirkulere tørr varm luft eller fortrinnsvis nitrogen {N2) eller annen elektrisk inert gass opp gjennom systemet 34. Luften eller gassen tørkes og filtreres i et filter 37 for å fjerne partikler som er større enn 0,3 /um, før den tilføres materi alhåndteringssystemet. Et HEPA filter som gir 99,999% ren luft/gass er ansett som egnet for dette formålet. Hele materi al håndteringssystemet inklusive beholderen 33 står således under overtrykk i forhold ti 1.omgi vel sene for å unngå forurensning av polymermaterial ene.

I figurene 4 og 5 er det skjematisk vist delvise snitt gjennom et ekstruderhode 40 som. svarer til hodet 15 i figur 2, og som illustrerer orienteringen av de fire-fem ekstruder-skruene. Figur 4 viser et skjematisk snitt gjennom figur 5 langs linjen IV-IV, mens figur 5 viser et skjematisk snitt gjennom figur 4, langs linjen V-V. En første skrue 41 for det indre halvledende lag er antydet plassert ca 90 grader vinkelforskjøvet fra en skrue 42 for det første, indre i sol asjons!ag 4,7. Denne skruen 42 er igjen ca 90 forskjøvet i forhold til en skrue 43 for det andre i sol asjonslag 5,8. Disse tre skruene kan plasseres i det samme vertikale plan rundt ekstruderhodet 40. En skrue 44 for det ytre halvledende materiale 6 er anordnet i et annet vertikalplan enn skruene 41-43, for å forenkle installering og demontering av skruer og hode. Ekstruderskruen 44 kan være ca 45 grader forskjøvet fra skruen 43 eller fra skruen 41 som vist. En skrue 46 for et tredje i solasjonslag 9 er også antydet. Skruene anordnes på hodet på en slik måte at det medvirker til å forenkle montering og demontering. I figur 5 er det vist at en leder 11 føres inn i ekstruderhodet 40 mens en kabelkjerne 12 forlater hodet.

Figur 6 viser i større detalj materi al strømmen inne i et fire-lags ekstruderhode 50 som kan brukes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse og i et vertikalanlegg. Tegningen indikerer inngangene til hodet fra fire ekstruderskruer, for henholdsvis et indre 51 og et ytre 52 halvledende lag, og henholdsvis et indre 53 og et ytre 54 i solasjonslag. Ekstruderskruen 54 kan som vist være noe forskjøvet fra planet for skruene 51 og 53. Skruen 52 for den ytre halvlederen er vesentlig forskjøvet fra de andre tre skruene.

Tegningen viser tverrsnittet av to forskjellige sett med dyser. Dysene 61-64 som vises i området 55 til venstre benyttes for en kabel med store tverrsnitt, mens dysene 65-68

i området 56 til høyre benyttes for en kabel med mindre tverrsnitt. Dysene 61 og 65 mates fra ekstruderskruen 51, - dysene 62 og 66 mates fra skruen 53, - dysene 63 og 67 mates fra skruen 54 som er anbragt vinkelrett på skruene 51 og 53, - mens dysene 64 og 68 mates fra skruen 52.

En elektrisk leder (ikke vist) som føres inn øverst i hodet 50, forsynes suksessivt med et indre halvledende lag, to i sol asjonslag ekstrudert 90 grader på hverandre og et ytre halvledende lag. I denne utførelsen av oppfinnelsen er skruen 51 for det indre halvledende laget forskjøvet ca 180 grader fra det indre i solasjonslag.

Det viste ekstruderhode er egnet til å fremstille kabler for driftsspenning i området 24 kV til 420 kV. Dysene som er vist til venstre 55 i tegningen er beregnet for en 420 kV kabel, mens dysene til høyre 56 er beregnet for 24 kV. De tilsvarende diametre for kabel komponentene kan være:

De største fordelene ved den foreliggende oppfinnelse oppnås ved store tverrsnitt og for kabler beregnet for spenninger over 300 kV.

Som det vil ses av dette eksempel, er de to isolasjons-lagene gitt samme tykkelse. Som tidligere nevnt skal det innerste i solasjonslaget utgjøre minst 10% av den totale i sol asjonstykkelse og polymeren i dette laget må være gradert til å tåle en høy spenningsgradient.

Mens oppfinnelsen i hovedsak er beskrevet i forbindelse med vertikale ekstrusjonsanlegg, kan prinsippene også anvendes ved et kjedel injeanlegg som antydet i figur 7 og ved et horisontalanlegg som antydet i figur 8. Den indre konstruk-sjon av et ekstruderhode som skal benyttes i et aktuelt ekstruderanlegg må tilpasses og justeres nøye for å sikre oppnåelse av et fullstendig konsentrisk kabel i solasjonssystem. Figur 7 antyder et kjedelinjeanlegg 70. En kabelleder 71 som trekkes av en snelle 72 føres gjennom et ekstruderhode 73 hvor lederen påføres to halvledende lag 3, 6 og minst to i solasjonslag 4,5 eller 7,8,9. Den resulterende kabelkjerne 74 svarer til tverrsnittene vist i figurene IA og IB. Ekstruder-skruene, hvorav en er vist ved 75 forsynes med polymer-materiale fra en lagertank 76 gjennom et lukket rent material-føringssystem 77 svarende til det som er beskrevet i forbindelse med figur 3.

I figur 8 er det antydet et horisontalt ektruderanlegg 80 som også benytter hovedprinsippene ved opppfinnelsen.

Ovenstående detaljerte beskrivelse av noen utførelses-eksempler av foreliggende oppfinnelse skal bare betraktes som eksempler og må ikke oppfattes som begrensninger av beskyt-telsens omfang..

Claims (13)

1. Ekstruderanlegg for fremstilling av en høyspent kraftkabel omfattende en leder (2,11) og konsentriske lag av ekstrudert polymerisolasjon og halvledende materiale, karakterisert ved at det omfatter ett ekstruderhode (15,40,50) for å ekstrudere minst fire suksessive lag, - et første, indre halvledende lag (3), to eller flere lag av isolasjonsmateriale (4,5;7,8,9), og et andre, ytre lag med halvledende materiale (6),- oppå hverandre omkring lederen (2), og at ekstruderhodet (15,40,50) er forsynt med minst fire individuelle ekstruderinngangsskruer (41-44,46), minst to for isolasjonslag og to for halvledende materiale.

2. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at to av isolasjonsskruene (42,43;53,54) er vinkelforskjøvet i forhold til hverandre, fortrinnsvis med 90 grader, om anleggets langsgående akse.

3. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at skruen (41) for den indre halvleder er 90 grader vinkel-forskjøvet i forhold til skruen (42) for det indre isolasjonslag, om anleggets langsgående akse.

4. Anlegg ifølge krav 3, karakterisert ved at skruen (44;52) for den ytre halvleder er vinkelforskjøvet i forhold til skruen for det ytre isolasjonslag med ca 45 grader, om anleggets langsgående akse.

5. Anlegg ifølge krav 4, karakterisert ved at skruen (44;52) for den ytre halvleder er aksielt forskjøvet fra de andre tre ekstruderskruer (41,42,43;53,54,52).

6. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det første, indre isolasjonslag (4) utgjør 10-75 % av den totale isolasjonstykkelse.

7. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at beholdere (21;31/33) og materialhåndteringssystemer (20;30) for polymer materiale er anordnet på nivåer som ligger høyere enn nivået for de respektive ekstruderskruer (16,-32;41-44,46,-51-54) slik at materialet transporteres ved sin egen tyngde i materialhåndteringssystemene fra individuelle beholdere til skruene.

8. Anlegg ifølge krav 7, karakterisert ved at det omfatter anordninger (36,37) for sirkulering av tørket varm luft eller inert gass oppover gjennom de lukkede systemer (30) , slik at hele materialhåndteringssystemet holdes under overtrykk ved hjelp av filtrert luft/gass.

'9. Anlegg ifølge krav 7, karakterisert ved at finmaskede filtre (37) er anbragt mellom hver enkelt ektruder og ekstruderhodet.

10. Anlegg ifølge krav 9, karakterisert ved at de finmaskede filterpakker for isolasjonsmaterialet har 400 til 1400 mesh, mens filtrene for halvlederne benytter 200 til 400 mesh.

11. Anlegg ifølge krav 1-10, karakterisert ved at ekstruderanlegget er anordnet vertikalt inne i et tårn (figur 2).

12 . Fremgangsmåte for fremstilling av en høyspent kraftkabel omfattende en leder (2,11) og et isolasjonssystem bestående av konsentriske lag av ekstrudert polymerisolasjon og halvledende materiale, karakterisert ved at isolasj onssystemet (3-9) anbringes på lederen i et ekstruderanlegg omfattende ett ekstruderhode (15,40,50) for ekstrudering av minst fire suksessive lag, - et første, indre halvledende lag (3) , to eller flere lag av isolasjonsmateriale (4, 5;7, 8, 9) , og et andre, ytre lag med halvledende materiale (6) , - oppå hverandre omkring lederen (2), og hvor ekstruderhodet (15,40,50) er forsynt med minst fire individuelle ekstruder-inngangs skruer (41-44,46), - minst to for isolasj onslag og to for halvledende materiale.

13. Høyspent kraftkabel omfattende en leder (2,11) og et isolasj onssystem bestående av konsentriske lag av ekstrudert polymerisolasjon og halvledende materiale, hvor isolasj onssystemet (3-9) som omfatter et første, indre halvledende lag (3), to eller flere lag av isolasjonsmateriale (4,5/7,8,9), og et andre, ytre lag med halvledende materiale (6) er anbragt oppå hverandre omkring lederen i et ekstruderanlegg omfattende ett ekstruderhode (15,40,50) for ekstrudering av de minst fire suksessive lag, og hvor ekstruderhodet (15,40,50) er forsynt med minst fire individuelle ekstruderinngangsskruer (41-44,46), - minst to for isolasjonslag og to for halvledende materiale, karakterisert ved at det første, indre isolasjonslag (4) utgjør 10-75 % av den ■totale isolasjonstykkelse og at dets tykkelse er minst 2,75 mm.