NO753093L - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår kabler for ekstra

høye spenninger, og særlig spenninger som er foreslått men ennu ikke tatt i bruk, der kablens dielektrikum i det minste delvis er bygget opp av bånd av polypropylen eller H.D. polyetylenlag som er bundet til minst ett cellulosepapirlag og er impregnert med en isolerende væske. Slike kabler vil i det følgende bli kalt "polyalkylenlaminat-kabler". Polypropylenet eller poly-etylenet kan inneholde små mengder av comonomerer.

Ved konstruksjon av polyalkylenlaminat-kabler må man •ta hensyn, til den tilbøyelighet polypropylen eller polyetylenlag har til å absorbere isolerende væske og dermed øke sitt volum (noen ganger kalt "svelling"), noe som kan føre til skadelige mekaniske krefter som, hvis en uhensiktsmessig isolerende væske velges, kan være tilstrekkelig til at båndene ryker og/eller skiller seg fra hverandre, og i mindre utpregede tilfelle kan denne svelling umuliggjøre oppvikling av den impregnerte kabel på en trommel av praktisk størrelse uten at båndene krøller seg ved påvikling og/eller senere avvikling.

Disse vanskeligheter kan overvinnes i de fleste anlegg ved å velge eh passende hydrokarbonolje og papir som egner seg i laminatet, i henhold til patentansøkning 3956/70, men vanskeligheter vil allikevel kunne oppstå i uvanlige anlegg der en kabel blir utsatt for bevegelse for oppvarmning (f.eks. under drift) over en vesentlig tid. Eksempler på dette innbefatter kabler som kanskje må legges om etter at de har vært i bruk en stund, og kabler som ikke er gravet ned, men understøttes i punkter i avstand fra hverandre (f.eks. i kabeltunneler som ofte er til-knyttet hydroelektriske kraftstasjoner), slik at varmeutvidelse kan frembringe små, men allikevel betydelige bevegelser.

Man er klar over at flytende polysiloksamer (polysiloksaner eller siliconer) med to hydrokarbonsubstituerte per silisiumatom, i det følgende kalt diorganisiloksamer har gode elektriske egenskaper, og bortsett fra de med meget lav molekylvekt fører de ikke til særlig svelling av polypropylen. Disse helsyntetiske væsker er imidlertid idag mer kostbare enn hydrokarbonoljer som er fremstilt av jordolje eller er synte-tisk fremstilt av jordoljeekstrakter, og dette forehold synes å ville ha sin gyldighet i lang tid på tross av ventede økninger i jordol jepr dis er. Idag koster de billigste polyorganisiloksamer som fåes i Storbritannia rundt ti ganger mer enn isolerende hydro-karbonol jer, målt i volum.

Oppfinnerne har derfor overveiet bruk av blandinger av hydrokarbonoljer med diorganosiloksamer. Teknisk godtagbare resultater kan oppnås ved anvendelse av en vilkårlig stor andel av diorganisiloksamer- men hittil har det vært meget vanskelig å bestemme den andel som kreves for å gi et godt økonomisk og allikevel teknisk tilfredsstillende resultat. Absorpsjonen av væsken av polypropylen eller polyetylen kan ikke observeres direkte i en eksperimentkabel fordi spenningen i laminatbåndene motvirker og i de fleste tilfelle helt hindrer observerbar ut-videlse av det overlappede laminerte båndlegeme som en helhet, og "svelling" kan bare påvises ved langvarige og kostbare eks-perimenter som er beregnet på undersøkelser om nedsettelse av bøyeegenskapene for en kabelprøve etter varmebehandling.

I polyalkylenlaminat-kabelen i henhold til oppfinnelsen består den isolerende væske hovedsakelig av en blanding av en flytende polydiorganosiloksamer (som definert) med en viskositet på ikke mindre enn 10 centistoke ved 25°C og en hydrokarbonolje i forhold som er valgt for etter langvarig oppvarmning til 85°C å frembringe en svelling, som målt perpendikulært på side-flaten av en prøve av laminatet ved et trykk mellom laminat-flater på 0,5 MN/m vil ligge fra 3-4^%, beregnet ut fra hele tykkelsen av laminatet. I de fleste tilfelle vil svellingen etter langvarige forsøk bli oppnådd etter at den flytende blanding har virket på laminatet noen hundre timer. Normalt er det nødven-dig å måle en serie prøver for å få resultater med en ønskede nøyaktighet. En hensiktsmessig eksperimentteknikk er beskrevet i literaturen (Drage, Secrått og Reynolds, "Compatibility of Liquids and Polymere in Mixed EHV Dielectrics" i the Annual Report fra NASpNRC Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena 19 70, sidene 100-106, og særlig sidene 101-102).

Sammensetningen av blandingen frembringer den spe-sielle svelling som avhenger av den type hydrokarbonolje som velges og også av egenskapene ved papirlaminatet med polypropylen eller polyetylen, særlig det innbyrdes forhold mellom lag-enes tykkelser. Typiske verdier for laminater med et polypropylen eller polyetylenlag innlagt mellom to papirlag som hvert er omtrent halvparten så tykke som polypropylen eller polyetylen-lagene ligger i området fra 40-80 volum-% av polydiorganosiloksamer. Bare oljer med et høyt nafteninnhold krever polydiorgano-siloksamhivåer i den høyere del av det området som er angitt.

Foretrukne polydiorganosiloksamer er polydimetylsiloksamer og særlig de med viskositeter i området 10-100 cS

ved 25°C. Petroleumbaserte isolerende oljer kan benyttes og av disse foretrekkes aromatiske/paraffinoljer siden de krever mindre av de kostbare polydiorganisiloksamer enn oljer med et større nafteninnhold. Petroleumbaserte oljer har fortrinnsvis en viskositet som ikke er større enn 20 cS ved 20°C. Mer bestemt foretrekkes det imidlertid å benytte alkylert benzenolje som hydro-karbonol jen. Den alkylerte benzen har fortrinnsvis en viskositet som er mindre enn 60 cS ved 20°C, og en optimal verdi vil være mindre enn 20 cS ved 20°C. Det er fordelaktig at oljens mole-kyler har stort sett 15 og 25 karbonatomer. Som alkylert benzen foretrekkes det en monoalkylbenzen med en passende molekylvekt eller en blanding av monoalkylbenzener. I alminnelighet er monoalkylbenzener med rettkjedede alkylgrupper fordelaktige. 1-dode-cylbenzen er tilgjengelig på markedet i forholdsvis rene former med en viskositet på 10-20 cS ved 20°C og. disse materialer foretrekkes .

Polypropylen eller HD polyetylen for laminatet må være av en kvalitet som er stort sett uoppløselig i væskebland-ingen, og en hensiktsmessig kvalitet av polypropylen for de fleste blandinger selges av Imperial Chemical Industries Ltd, under betegnelsen "PXC 3391".

Det anvendes fortrinnsvis to cellulosepapirlag, der hvert lag danner sideflate av laminatet og laminatet er for trinnsvis av den ekstrusjonsbundne type. Et slikt laminat fremstilles ved ekstrudering av en bane av polypropylen eller polyetylen fra en munnstykkespalte ved en passende høy temperatur på f.eks. 300°C når det gjelder polypropylen^og før det kjøles ned innesluttes materialet mellom og bindes ved trykk til to papirbaner som har meget lavere temperatur (normalt liggende fra omgivende temperatur til 100°C) . Denne type laminat betegnes enkelte ganger som "forspent" laminat fordi papirlagene i det normale arbeidsområde og ved fravær av impregneringsmiddel og holder polypropylenlaget eller polyetylenlaget i en elastisk strukket tilstand.

Papirlagene i laminatet må være meget tynnere enn normalt kabelpapir. Selv i de ytre deler av dielektrikumet eller de deler av dette som er dannet av laminerte bånd skal tykkelsen på papiret fortrinnsvis ikke overskride 80 mikrometer. I den indre, sterkt påkjente sone av dielektrikumet der elektriske påkjenninger er størst, bør ingen av papirlagene normalt være tykkere enn 50 mikrometer og hvert av lagene kan med fordel ha en tykkelse på 20-25 mikrometer.

Det foretrukne papir for de indre deler av dielektrikumet er et ukalandrert papir for elektrisk anvendelse med middels fiberlengde og en spesifikk vekt på 0,7 g/cm 3, samt en impermeabilitet som er større enn 10 000 Gurley sekunder. Et slikt papir er Kraft spoleviklingspapir som fremstilles i overensstemmelse med British Standard 698:1956, klasse IA og med den meget høye kjemiske renhet som man normalt forbinder med konden-satormaterialer. For de ytre deler av dielectricumet kan Kraft-papir av den kvalitet som selges som eiektrolyttkondensator-materiale være å foretrekke fordi det gir en større bindings-styrke.

Papirlagene kan tilsettes et aktivt materiale av den art som er beskrevet i britisk patent nr. 1.185.474, det vil si aktivert aluminiumoksyd eller andre aktive metalloksyder, hyd-rerte metalloksyder, hydroksyder, karbonater eller basiske karbonater som har absorpsjonsevne i likhet med det man finner hos aktivert aluminiumoksyd for derved å redusere forringelsen av de elektriske egenskaper på grunn av forurensning av impregnerings-midlet med rester fra plastmaterialet.

Det er ikke nødvendig at den vegg av dielektrikumet som består av impregnert laminert bånd utgjør hele kablens dielektrikum idet det godt kan være fordelaktig for dielektrikumet å ha tynne indre og ytre soner av cellulosepapirbånd, fortrinnsvis i overensstemmelse med patentansøkning nr. 740934.

Et høyt innhold av polypropylen eller polyetylen er mest fordelaktig i de deler av dielektrikumet som ligger nærmest lederen, der de elektriske påkjenninger er størst, og i noen tilfelle kan det være fordelaktig å bygge opp dielektrikumet av et antall forskjellig sammensatte bånd slik at en del av dielek^trikumet som dannes av plastmateriale avtar med økende avstand fra kablens leder. Antallet av trinn som er ønskelig vil øke med økende veggtykkelse for dielektrikumet og derfor med økende arbeidsspenning for kablen. Der dielektrikumets vegg har en tykkelse på 10 mm vil det f.eks. være hensiktsmessig med to trinn og der dielektrikumets veggtykkelse er 25 mm kan tre trinn være ønskelige.

I henhold til vanlig praksis vil dielektrikumet normalt ved sine indre og ytre flater være begrenset av en ledende skjerm og en dielektrisk skjerm. Disse kan være laget av ettlags- eller flerlags ledende bånd som kan være papirbånd eller være laminert på samme måte som de som benyttes for å danne hele eller deler av dielektrikumet, og i begge tilfelle er papiret metallisert og/eller tilsatt karbon eller annet ledénde materiale. Idag vil metallisert karbonpapir foretrekkes. Der laminerte bånd benyttes for skjermene er fortrinnsvis alle tre lag i laminatet tilsatt ledende materiale, men i noen tilfelle, f.eks. for det ytre lag av en ledende skjerm eller det indre lag av en dielektrisk skjerm kan det benyttes et tredobbelt laminat med ett papirlag uten ledende materiale, det vil si det papirlag som løper . sammen med det dielektriske materiale. Papir som ikke er tilsatt ledende materiale tilsettes fortrinnsvis aluminiumoksyd eller annet materiale av den art som er omhandlet i britisk patent nr. 1.185.473.

Hvis den sentrale lastførende leder i kablen er av en oppdelt type finnes det en tilbøyelighet til at den ledende skjerm kan drives inn i mellomrommene mellom enkeltlederne på grunn av det trykk som oppstår ved svelling. For å unngå denne mulighet blir lederen fortrinnsvis omviklet med metallbånd før den ledende skjerm pålegges. Fosforbronsebånd med en tykkelse på rundt 0,1 mm har vist seg å være tilfredsstillende for dette formål. Om nødvendig kan "halvledende" papirstøttebånd benyttes under den ledende skjerm.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under hen-visning til tegningen der man ser en enledérs oljefylt kabel og der: Fig. 1 viser et snitt gjennom kablen og fig, 2 viser, i forstørret målestokk, et snitt gjennom en liten del av kablens dielektrikum.

På fig. 1 danner et skrueformet stålbånd en sentral oljekanal inne i den metalliske leder 2. Rundt lederen er det på-lagt en ledende skjerm 3 av metalliserte bånd eller bånd som er tilsatt ledende materiale som tidligere forklart. Dielektrikumet er bygget opp av et tynt.indre lag 4 som selv består av to papirbånd, et hovedlegeme 5 bygget opp av et antall av de laminerte bånd og et tynt ytre lag 6 av to papirbånd. Kablen har dessuten en halvledende skjerm 7, et ledende støttebånd 8 av kobbertråd og tekstiltråder eller §lassfibertråder vevet sammen, samt en blykappe eller aluminiumkappe 9, bronsebånd 10 eller annen trykk-fast forsterkning og en ytre kappe 11 av plast.

I det første eksempel som er en 132 kV kabel, har dielektrikumet en radiell tykkelse på 5,5 mm. De to papirbånd som danner lager 4, er hver omtrent 75 mikrometer tykke, og de to papirbånd som danner Jaget 6 er hvert 100 mikrometer tykke. Hele hoveddelen 5 av dielektrikumet (fig. 2) er bygget opp av ekstru-deringsbundne laminatbånd som hvert består av et polypropylenlag 12 som er 50 mikrometer tykt innlagt mellom og bundet til to papirlag 13 som hvert er 25 mikrometer tykt. Papiret er impregnert og gapene 14 ved kantene er fylt med isolerende væske som forklart nærmere nedenfor.

I det annet eksempel som er en 275 kV er hvert av de to papirbånd 4 75 mikrometer tykke. Dielektrikumets vegg 5 av laminert bånd er bygget opp av to deler, hver med en radiell tykkelse på 5 mm. De laminerte bånd av de indre deler er identiske med de som er beskrevet i det første eksempel,og de i den ytre del skiller seg bare fra det første eksempel ved at hvert av papirlagene er 30 mikrometer tykke og polypropylenlaget er 60 mikrometer tykke.

I det tredje eksempel som er en 400 kV kabel er papirlagene 4 og 6 på samme måte bygget opp av to 25 mikrometer tykke og 200 mikrometer tykke papirbånd. Hoveddelen 5 av dielektrikumet er bygget opp av fire deler hver med ekstruderingsbuntene papir/polypropylen/papirlaminat, der den indre del er 5 mm tykk og av laminerte bånd der polypropylenlaget er 50 mikrometer tykt, den annen del også er 5 mm tykk og laget av laminerte bånd der polypropylenlaget er 60 mikrometer tykt og hver av papirene er 30 mikrometer tykke, det tredje lag er 4 mm tykt og bygget opp av laminerte bånd der polypropylenlaget er 80 mikrometer tykt og hvert av papirene er 40 mikrometer tykke, og der det ytre lag er 1 mm. tykt og av laminerte bånd som er identiske med de i det annet lag.

I alle eksemplene kan en hvilken som helst av de følgende isolerende væskeblandinger benyttes der prosenttallene er 6%. Polydimetylsiloksamer er den man kan få fra Dow Corning Ltd., Barry, Glamorgan, under betegnelsen "Dow Corning 220/20 silicone fluid", med en viskositet på rundt 20 cS ved 20 . Petroleumoljene er de man kan få fra Dussek Bros, Ltd., Crayford,

Kent, under den nevnte betegnelse, og dodecyklbenzenen er den som selges av Shell-Mex & B.P. Ltd., Shell-Mex House, Strand, London W.C.2 som $alkylate Pl" med en viskositet på rundt 11 cS ved 20°C dlg omtrent 3 cS ved 60°C.

Væske A: 66-76 (fortrinnsvis rundt 70) volum-%

polydimetylsiloksamer, og resten Dusseks CIO petroleumolje for oljefylt kabel.

Væske B: 54-68 (fortrinnsvis rundt 60) volum-%

polydimetylsiloksamer og resten C6 lav-viskositets petroleumolje for oljefylte kabler.

Væske C: 40-60 (fortrinnsvis .50) volum-% polydimetylsiloksamer og resten vanlig dode-cyklbenzen.

Svelling av laminatprøver kan måles uten vanskelighet, og oppfinnelsen gjør det derfor mulig å komme frem til en sammen-setning av isolerende væske ved anvendelse av en gitt hydrokarbon-isolasjonsolje og en gitt polydiorganosiloksamer uten omfattende prøver i full målestokk.

Claims (7)

1. Kabel for ekstra høye spenninger der kablens dielektrikum er bygget opp i det minste delvis av bånd av et laminat bestående av polypropylen eller H.D. polyetylenlag, fortrinnsvis et polypropylenlag som er bundet til minst ett cellu-loseholdig papirlag og er impregnert med en isolerende væske bestående hovedsakelig av en blanding av en flytende polydiorganosiloksamer med en viskositet som ikke er mindre enn 10 cS ved 25°C og en valgt hydrokarbonolje,karakterisertv e d at de innbyrdes forhold i blandingen er valgt slik at de etter lengre tids utsettelse for 85°C bevirker en svelling, målt perpendikulært på flaten av en prøve av laminatet ved en flate-trykk på 0,5 MN/m som ligger i området 3-4%% beregnet på basis av hele tykkelsen av laminatet.

2. Kabel som angitt i krav 1,karakterisert vedat polydiorganosiloksamerstoffet er en polydimetylsiloksamer.

3. Kabel som angitt i krav 2,karakterisert vedat polydimetylsiloksamerstoffet har en viskositet i området fra 10-100 cS ved 25°.

4. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav,karakterisert vedat hydrokarbon-oljen er en alkylert benzenplje med en viskositet på ikke mindre enn 60 cS ved 20°C.

5. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav,karakterisert vedat karbonoljen har en viskositet som ikke er større enn 20 cS ved 20°C.

6. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav,karakterisert vedat dielektrikumet innbefatter tynne indre og ytre soner av celluloseholdige papirbånd.

7. Kabel som angitt i krav 6,karakterisert vedat hver av de indre og ytre soner består bare av to papirbånd.