PL205143B1 - Ciągły proces wytwarzania kabli elektrycznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy procesu wytwarzania kabli elektrycznych, w szczególności zaś kabli elektrycznych do dystrybucji lub przesyłania mocy średniego lub wysokiego napięcia.

W niniejszym opisie, termin średnie napięcie, uż ywany jest w odniesieniu do typowych napięć od, około 1 kV, do około 60 kV, termin wysokie napięcie odnosi się do napięć powyżej 60 kV (czasami, według stanu techniki, stosuje się określenie najwyższe napięcie (bardzo wysokie napięcie) dla napięć rzędu 150 lub 220 kV, do 500 kV lub wyższego).

Wspomniane kable mogą być wykorzystywane do dystrybucji lub przesyłania zarówno prądu stałego (DC) jak i prądu przemiennego (AC).

Kable elektroenergetyczne, do przesyłu lub dystrybucji energii, w sieciach średniego lub wysokiego napięcia, z reguły mają metalowy przewód, który jest otoczony pierwszą, wewnętrzną, warstwą półprzewodnikową, warstwę izolacyjną i zewnętrzną warstwę półprzewodnikową. W dalszej części tego opisu, wspomniana grupa wymienionych elementów, będzie określana terminem „rdzeń”.

W położeniu radialnie zewnętrznym, w stosunku do wspomnianego rdzenia, kabel wyposażony jest w ekran (lub osłonę), przeważnie z aluminium, ołowiu lub miedzi. Metalowy ekran może składać się z wielu drutów lub taśm, nawiniętych spiralnie wokół rdzenia, lub z obwodowo ciągłej rury, będącej taśmą metalową ukształtowaną rurkowato i zaspawaną lub uszczelnioną tak, by zapewnić hermetyczność.

Metalowy ekran spełnia elektryczną funkcję tworząc, wewnątrz kabla, w rezultacie bezpośredniego stykania się metalowego ekranu z zewnętrzną, półprzewodnikową warstwą rdzenia, jednorodne pole elektryczne typu promieniowego, jednocześnie redukując zewnętrzne pole elektryczne kabla. Dodatkową funkcją jest przeciwstawianie się prądom zwarcia.

Gdy metalowy ekran ma formę rurowatą ciągłą obwodowo, stanowi także uszczelnienie, chroniące przed wnikaniem wody z kierunku promieniowego.

Przykład metalowych ekranów został przedstawiony w US Re36307.

W konfiguracji typu unipolarnego, wspomniany kabel zawiera ponadto polimerową powłokę zewnętrzną, umieszczoną radialnie, na zewnątrz, od wspomnianego wcześniej, metalowego ekranu.

Dodatkowo, kable do przesyłania lub dystrybucji mocy są z reguły wyposażone, w jedną lub kilka, warstw chroniących przed wpływem przypadkowych oddziaływań na ich powierzchnię zewnętrzną.

Przypadkowe oddziaływania mogą wystąpić, na przykład, podczas transportowania albo w fazie układania kabla, w rowie wykopanym w ziemi. Takie przypadkowe oddziaływania mogą spowodować serie uszkodzeń struktury kabla, łącznie z odkształceniem warstwy izolacyjnej oraz oderwaniem warstwy izolacyjnej od warstwy półprzewodnikowej, uszkodzenia takie mogą powodować zmiany napięcia elektrycznego, obciążającego warstwę izolacyjną a w rezultacie obniżenie własności izolacyjnych takiej warstwy.

Kable z izolacją usieciowaną są znane a metody ich wytwarzania opisano, w np. EP1288218, EP426073, US2002/0143114, i US4469539.

Usieciowanie izolacji kabla może być dokonane z wykorzystaniem tak zwanych usieciowanych silanów lub wykorzystując nadtlenki.

W pierwszym z przypadków, rdzeń kabla skł ada się wytł aczanej izolacji, otaczają cej przewód, utrzymywanej przez względnie długi czas (godziny lub dni) w otoczeniu zawierającym wodę (albo ciecz lub opary, w przypadku otaczającej wilgoci), dzięki czemu woda może przeniknąć przez izolację i dochodzi do usieciowania. Wymagane jest, aby rdzeń kabla nawinięty był na szpulach o określonej długości, a fakt ten, z natury, uniemożliwia prowadzenie procesu w sposób ciągły.

W drugim przypadku, usieciowanie spowodowane jest przez rozkł ad nadtlenków, w stosunkowo wysokiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu. W wyniku zachodzących reakcji chemicznych, powstają gazowe produkty uboczne, które muszą mieć możliwość przenikania przez warstwę izolacji, zarówno w czasie utwardzania jak i po utwardzeniu. Dlatego trzeba przewidzieć etap odgazowania, w którym to etapie rdzeń kabla utrzymywany jest na tyle d ł ugo, by wspomniane gazowe produkty uboczne zostały wyeliminowane, zanim kolejne warstwy zostaną na niego nałożone (w szczególności, gdy takie warstwy są gazoszczelne lub znacząco gazoszczelne, co ma miejsce w przypadku zastosowania warstw metalowych, wzdłużnie zaginanych).

Z doświadczeń praktycznych Zgłaszającego wynika, że w przypadku niezastosowania etapu odgazowania, przed nałożeniem kolejnych warstw, może się zdarzyć, że w szczególnych warunkach środowiska (np. znaczącego napromieniowania rdzenia kabla światłem słonecznym) wspomniane proPL 205 143 B1 dukty uboczne, rozszerzając się, powodują niepożądane deformacje metalowego ekranu i/lub zewnętrznej powłoki polimerowej.

Ponadto, w przypadku niezastosowania etapu odgazowania, gazowe produkty uboczne (np. metan, acetofenon, alkohol kuminowy) pozostają uwięzione w rdzeniu kabla, ponieważ występują kolejne warstwy, nałożone na rdzeń, i mogą one opuścić kabel tylko przez jego końce. Jest to szczególnie niebezpieczne, gdyż niektóre produkty uboczne (np. metan) są łatwopalne, w związku z czym może dojść do eksplozji, przykładowo podczas układania, lub łączenia takich kabli, w rowie wykopanym w ziemi.

Ponadto, w przypadku niezastosowania etapu odgazowania, przed nałożeniem kolejnych warstw, może dojść do sytuacji, w której pojawią się porowatości w izolacji, powodujące pogorszenie elektrycznych własności izolacyjnych.

Proces wytwarzania kabla z izolacją termoplastyczną, opisany został w W002/47092, zgłoszonym przez tego samego Zgłaszającego, gdzie kabel wytwarzany jest w wyniku wytłaczania i przepuszczania termoplastycznego materiału przez mieszadło statyczne, który to materiał składa się z polimeru termoplastycznego, wymieszanego z płynnym dielektrykiem, taki materiał termoplastyczny nakładany jest wokół przewodu, przy pomocy głowicy wytłaczającej. Po etapach chłodzenia i suszenia, rdzeń kabla składowany jest na szpuli, po czym następuje nakładanie metalowego ekranu, przez spiralne nakładanie cienkich taśm miedzianych, lub drutów miedzianych, na rdzeń kabla. Następnie zewnętrzna, polimerowa powłoka wykańcza kabel. Nie rozważano wariantu ciągłego dostarczanie rdzenia kabla, z wytłaczaną izolacją, do urządzenia nakładającego ekran. Rzeczywiście, ekran tego rodzaju, odpowiedni jest do zastosowania tylko w procesie nieciągłego nakładania, ponieważ wymaga stosowania szpul, zamontowanych na obracającym się urządzeniu, co zostanie opisane w dalszej części.

Zgłaszający zauważył, że występowanie fazy spoczynku, w czasie produkcji kabla, na przykład w celu utwardzania lub odgazowania, jest niepożądane, gdyż ogranicza dł ugość każ dego z odcinków kabla (wymagane składowanie kabla na szpulach), powoduje, w zakładzie produkcyjnym, problemy z miejscem i problemy logistyczne, wydłuża czas wytwarzania i ostatecznie podnosi koszty produkcji kabli.

Zgodnie z aspektem wynalazku, Zgłaszający zauważył, że kable można wytwarzać, w szczególnie wygodny sposób, w procesie ciągłym tzn. bez pośrednich faz spoczynku lub składowania, używając termoplastycznego materiału izolacyjnego, w połączeniu ze wzdłużnie zaginanym, obwodowo ciągłym metalowym ekranem.

W pierwszym aspekcie, wynalazek dotyczy ciągłego procesu wytwarzania kabla elektrycznego, obejmującego fazy:

- dostarczania przewodu z określoną prędkością;

- wytłaczania termoplastycznej warstwy izolacyjnej radialnie, na zewnątrz od przewodu;

- studzenia wytłoczonej warstwy izolacyjnej;

- formowania obwodowo zamkniętego, metalowego ekranu, wokół wspomnianej wytłoczonej warstwy izolacyjnej;

charakteryzującego się tym, że czas, między końcem fazy studzenia i początkiem fazy formowania ekranu, jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości podawania przewodu.

W szczególności, obwodowo zamknięty, metalowy ekran, wokół wytłoczonej warstwy izolacyjnej, formowany jest przez wzdłużne zaginanie arkusza metalu, którego brzegi nakładają się na siebie lub są łączone brzegami na styk.

Korzystnie, faza formowania metalowego ekranu, zgodnie z procesem wynalazku, obejmuje etap, nakładania na siebie brzegów arkusza metalu. Ewentualnie, wspomniana faza formowania może obejmować etap łączenia brzegów, wspomnianego arkusza metalu, na styk.

Korzystnie, proces obejmuje fazę dostarczania przewodu, mającego formę pręta metalowego.

Ponadto, korzystne jest, gdy proces według wynalazku, obejmuje fazę nakładania, wokół metalowego ekranu, elementu chroniącego przed oddziaływaniem. Korzystnie, wymieniony element chroniący przed oddziaływaniem, nakładany jest poprzez wytłaczanie. Korzystnie, wymieniony element chroniący przed oddziaływaniem zawiera niespienioną warstwę polimerową i spienioną warstwę polimerową. Korzystnie, spieniona warstwa polimerowa położona jest radialnie, na zewnątrz w stosunku do warstwy polimerowej niespienionej. Korzystnie, warstwa polimerowa niespieniona i warstwa polimerowa spieniona, nakładane są w wspólnym procesie wytłaczania.

Proces według wynalazku obejmuje ponadto fazę nakładania zewnętrznej powłoki wokół metalowego ekranu.

Korzystnym jest, jeśli powłoka zewnętrzna nakładana jest przez wytłaczanie.

PL 205 143 B1

Korzystnie, element chroniący przed oddziaływaniem, nakładany jest pomiędzy zamkniętym metalowym ekranem i powłoką zewnętrzną.

Korzystnie, termoplastyczny polimerowy materiał warstwy izolacyjnej zawiera określoną ilość cieczy dielektrycznej.

Dodatkowo, Zgłaszający zauważył, że kabel otrzymany w ciągłym procesie według wynalazku, posiada zadziwiająco wysoką mechaniczną odporność na przypadkowe oddziaływania, którym kabel może podlegać.

W szczególno ś ci, Zgł aszają cy zauważ ył , ż e wysoki stopień zabezpieczenia kabla uzyskuje się w wyniku korzystnej kombinacji obwodowo zamknię tego metalowego ekranu i elementu chroni ą cego przed oddziaływaniem, zawierającego przynajmniej jedną, polimerową warstwę spienioną, gdy ta ostania, umieszczona jest radialnie na zewnątrz, w stosunku do metalowego ekranu.

Ponadto, Zgłaszający zauważył, że w przypadku deformacji ekranu, wynikającej z istotnego oddziaływania na kabel, obecność obwodowo zamkniętego metalowego ekranu jest szczególnie korzystna, ponieważ, ekran odkształca się w sposób ciągły i płynny, tym samym unika się lokalnego zwiększenia pola elektrycznego w warstwie izolacyjnej.

Ponadto, Zgłaszający zauważył, że kabel wyposażony w termoplastyczną warstwę izolacyjną, obwodowo zamknięty metalowy ekran i element chroniący przed oddziaływaniem, zawierający, przynajmniej jedną, polimerową warstwę spienioną, może być korzystnie uzyskany w wyniku ciągłego procesu wytwarzania.

Dodatkowo, Zgłaszający zauważył, że odporność mechaniczna na przypadkowe oddziaływania może być korzystnie podwyższona, przez wyposażenie kabla w kolejną, spienioną polimerową warstwę, umieszczoną radialnie wewnętrznie, w stosunku do metalowego ekranu.

Korzystnie, wspomniana kolejna spieniona polimerowa warstwa jest warstwą blokującą wodę.

W drugim aspekcie, wynalazek dotyczy kabla elektrycznego obejmują cego:

- przewód;

- termoplastyczną warstwę izolacyjną, radialnie zewnętrzną w stosunku do przewodu;

- przynajmniej jedną, polimerową warstwę spienioną, wokół wspomnianej warstwy izolacyjnej; oraz

- element chroniący przed oddziaływaniem, umieszczony radialnie na zewnątrz, w stosunku do metalowego ekranu, przy czym wspomniany element chroniący przed oddziaływaniem zawiera, przynajmniej jedną, niespienioną polimerową warstwę, wokół wspomnianego metalowego ekranu oraz przynajmniej jedną, spienioną polimerową warstwę, umieszczoną radialnie na zewnątrz w stosunku do wspomnianej, niespienionej warstwy polimerowej.

Kolejne szczegóły zostaną zilustrowane i opisane szczegółowo, w odniesieniu do przedstawionego rysunku, na którym:

- Figura 1 jest widokiem w perspektywie, kabla elektrycznego zgodnie z pierwszym przykładem realizacji wynalazku;

- Figura 2 jest widokiem w perspektywie, kabla elektrycznego zgodnie z drugim przykładem realizacji wynalazku;

- Figura 3 jest widokiem przedstawiającym schematycznie instalację do produkcji kabli, zgodnie z procesem według niniejszego wynalazku;

- Figura 4 jest widokiem przedstawiającym schematycznie alternatywną instalację do produkcji kabli, godnie z procesem według niniejszego wynalazku;

- Figura 5 pokazuje w przekroju poprzecznym kabel elektryczny, wykonany według wynalazku, uszkodzony przez oddziaływanie (zewnętrzne); oraz

- Figura 6 pokazuje w przekroju poprzecznym tradycyjny kabel elektryczny, zawierający ekran wykonany z drutów, uszkodzony przez oddziaływanie (zewnętrzne).

Figury 1, 2 pokazują w perspektywie, częściowo z przekrojem, kabel elektryczny 1, zaprojektowany typowo do użytkowania w zakresie średnich lub wysokich napięć, który został wykonany w procesie, według wynalazku.

Kabel 1 zawiera: przewód 2; wewnętrzną warstwę półprzewodnikową 3; warstwę izolacyjną 4; zewnętrzną warstwę półprzewodnikową 5; metalowy ekran 6 oraz element ochronny 20.

Korzystnie, przewód 2 jest metalowym prętem. Przewód ten może być wykonany np. z miedzi lub aluminium.

Ewentualnie, przewód 2 zawiera przynajmniej dwa druty metalowe, korzystnie z miedzi lub aluminium, razem splecione, według metod konwencjonalnych.

PL 205 143 B1

Powierzchnia przekroju poprzecznego przewodu 2 zależy od mocy, przesyłanej przy danym napięciu. Korzystnie, gdy powierzchnie przekroju poprzecznego kabli według wynalazku są w zakresie od 16 mm² do 1600 mm².

W niniejszym opisie, termin „materiał izolacyjny” użyty jest do określenia materiału mającego wytrzymałość dielektryczną równą, przynajmniej 5 kV/mm, korzystne jest, gdy wynosi więcej niż 10 kV/mm. Dla kabli przesyłowych w liniach średniego i wysokiego napięcia (czyli dla napięć wyższych od 1 kV), korzystne jest, gdy materiał izolacyjny ma wytrzymałość dielektryczną większą od 40 kV/mm.

W kablach przesyłowych, typowo, wartość stałej dielektrycznej (K), dla warstwy izolacyjnej, jest większa od 2.

Z reguły, wewnętrzna półprzewodnikowa warstwa 3 oraz zewnętrzna warstwa półprzewodnikowa 5, powstają przez wytłaczanie.

Podstawowe materiały polimerowe na warstwy półprzewodnikowe 3, 5, które wybrano jako korzystne, spośród wymienionych w dalszej części tego opisu, odnoszące się do spienionych warstw polimerowych, zostały zasilone dodatkami przewodzącej prąd sadzy, np. przewodzącej prąd sadzy piecowej lub sadzy acetylenowej, by nadać materiałowi polimerowemu własności półprzewodnikowe. W szczególności, pole powierzchni sadzy, jest na ogół większe od 20 m²/g, zwykle pomiędzy 40 i 500 m²/g. Korzystne jest zastosowanie sadzy o wysokiej przewodności, mającej pole powierzchni, przynajmniej 900 m²/g, takiej jak np. sadza piecowa, dostępna na rynku pod nazwą handlową Ketjenblack^® EC(Akzo Chemie NV). Ilość sadzy dodawanej do matrycy polimerowej może różnić się, zależnie od typu zastosowanego polimeru i sadzy, stopnia spienienia, jaki zamierza się osiągnąć, czynnika powodującego spienienie itp. Ilość sadzy powinna być taka, by nadać spienianemu materiałowi wystarczające własności półprzewodnikowe, w szczególności by otrzymać objętościowy opór właściwy, spienionego materiału, w temperaturze pokojowej, o wartości mniejszej od 500 Qm, korzystnie, jeśli mniej od 20 Qm. Typowo, sadza może stanowić od 1 do 50% wagowo, korzystnie od 3 do 30% wagowo, w odniesieniu do wagi polimeru.

W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, półprzewodnikowe warstwy, wewnętrzna i zewnętrzna 3, 5 zawierają nieusieciowane tworzywo polimerowe, a jeszcze korzystniej tworzywo polipropylenowe.

Korzystnie jest, jeśli izolacyjna warstwa 4 wykonana jest z termoplastycznego materiału, zawierającego termoplastyczny materiał polimerowy zawierający określoną ilość płynu dielektrycznego.

Korzystnie, jeśli termoplastyczny materiał polimerowy jest wybrany spośród:

poliolefin, kopolimerów różnych olefin, kopolimerów olefiny z etylenowo nienasyconym estrem, poliestrów, polioctanów, polimerów celulozowych, poliwęglanów, polisulfonów, żywic fenolowych, żywic mocznikowych, poliketonów, poliakrylanów, poliamidów, poliamin i ich mieszanin. Przykładowymi odpowiednimi polimerami są: polietylen (PE), zwłaszcza o małej gęstości PE (LDPE), o pośredniej gęstości PE (MDPE), o dużej gęstości PE (HDPE), o małej gęstości liniowej PE (LLDPE), polietylen o ultra-małej gęstości (ULDPE); polipropylen (PP); kopolimery etylen/ester winylowy, na przykład kopolimer etylen/octan winylu (EVA); kopolimery etylen/akrylan, w szczególności kopolimer etylen/akrylan metylu (EMA), etylen/akrylan etylu (EEA) i etylen/akrylan butylu (EBA); termoplastyczne kopolimery etylen/αolefina; polistyren; żywice akrylonitryl/butadien/styren (ABS); polimery fluorowowane, w szczególności polichlorek winylu (PVC), poliuretan (PUR); poliamidy; aromatyczne poliestry takie jak politereftalon etylenowy (PET) lub politereftalon butylowy (PBT); i ich kopolimery lub ich mechaniczne mieszaniny.

Korzystnie, jeśli płyn dielektryczny może być wybrany z pośród: olejów mineralnych, takich jak np. oleje naftenowe, aromatyczne, parafinowe, poliaromatyczne, które to oleje mineralne opcjonalnie zawierają, przynajmniej jeden, heteroatom wybrany spośród tlenu, azotu lub siarki; ciekłych parafin; olejów roślinnych, takich jak np. olej sojowy, lniany, rącznikowy; oligomerycznych aromatycznych poliolefin; wosków parafinowych, takich jak, na przykład, woski polietylenowe, woski polipropylenowe; olejów syntetycznych, takich jak, na przykład, oleje silikonowe, alkilobenzeny (takie, jak na przykład, dibenzylotoluen, dodecylobenzen, di(oktylobenzylo)toluen), estry alifatyczne (takie jak, na przykład tetraestry pentaerytritolu, estry kwasu sebacynowego, estry kwasu ftalowego), oligomery olefinowe (takie, jak na przykład, ewentualnie, uwodornione polibutyleny lub poliizobutyleny); albo ich mieszaniny. Szczególnie preferowane są oleje aromatyczne, parafinowe i naftalenowe.

W korzystnych realizacjach pokazanych na fig. 1 i fig. 2, metalowy ekran 6 wykonany jest z ciągłego metalowego arkusza, korzystnie, gdy z aluminium lub miedzi, ukształtowanego rurowo.

Arkusz metalu, tworzący ekran metalowy 6, jest zaginany wzdłuż długości, wokół zewnętrznej warstwy półprzewodnikowej 5, przy czym jego brzegi nakładają się na siebie.

PL 205 143 B1

Korzystnie, pomiędzy nakładające się brzegi, wprowadzony jest materiał uszczelniający i spajający, dzięki czemu metalowy ekran staje się wodoszczelny. Ewentualnie, brzegi metalowego arkusza mogą być zespawane.

Jak pokazuje fig. 1 i fig. 2, metalowy ekran 6 otoczony jest przez zewnętrzną powłokę 23, korzystnie wykonana jest ona z nieusieciowanego polimerowego materiału, np. polichlorku winylu (PVC) lub polietylenu (PE); grubość takiej zewnętrznej powłoki można dobrać tak, by zapewnić określoną odporność kabla na obciążenia mechaniczne i oddziaływania, jednak bez znaczącego powiększenia średnicy i sztywności kabla. Rozwiązanie takie jest dogodne, np. gdy kable będą wykorzystywane w obszarach chronionych, gdzie oddziaływania są ograniczone lub ochrona zapewniona jest w inny sposób.

Zgodnie z przykładem realizacji wynalazku, pokazanym na fig. 1, który jest szczególnie dogodny, gdy wymagany jest podwyższony stopień ochrony przed oddziaływaniami (zewnętrznymi), kabel 1 wyposażony jest w element ochronny 20, umieszczony na pozycji radialnie zewnętrznej, w stosunku do wspomnianego ekranu metalowego 6. Zgodnie z przykładem realizacji, element ochronny 20, zawiera nie-spienioną polimerową warstwę 21 (umieszczoną radialnie, po stronie wewnętrznej) i spienioną polimerową warstwę 22 (umieszczoną radialnie na zewnątrz). Zgodnie z przykładem realizacji z fig. 1, nie-spienioną polimerowa warstwa 21 styka się z metalowym ekranem 6 oraz spieniona polimerowa warstwa 22 znajduje się pomiędzy nie-spienioną polimerową warstwą 21 i polimerową powłoką zewnętrzną 23.

Grubość, niespienionej warstwy polimerowej 21, przyjmuje wartość z zakresu od 0,5 mm do 5 mm.

Grubość, spienionej warstwy polimerowej 22, przyjmuje wartość z zakresu od 0.5 mm do 6 mm.

Korzystnie, gdy grubość spienionej polimerowej warstwy 22, jest, od jednego do dwóch razy większa, od grubości niespienionej warstwy polimerowej 21.

Funkcja elementu ochronnego 20, polega na podwyższeniu stopnia ochrony kabla przed oddziaływaniami zewnętrznymi, przez pochłanianie, przynajmniej częściowo, ich energii.

Podlegające spienianiu tworzywo polimerowe, do zastosowania w spienionej warstwie polimerowej 22, może być wybrane z grup obejmujących: poliolefiny, kopolimery różnych olefin, kopolimery olefiny z etylenowo nienasyconym estrem, poliestry, poliwęglany, polisulfony, żywice fenolowe, żywice mocznikowe i ich mieszaniny. Przykładami odpowiednich polimerów są: polietylen (PE), zwłaszcza o małej gęstości PE (LDPE), o pośredniej gęstości PE (MDPE), o dużej gęstości PE (HOPE), o małej gęstości liniowej PE (LLDPE), polietylen o ultra-małej gęstości (ULDPE); polipropylen (PP); elastomeryczne kopolimery etylen/propylen (EPR) albo terpolimery etylen/propylen/dien (EPDM); kauczuk naturalny; kauczuk butylowy; kopolimery etylen/ester winylowy, np. kopolimer etylen/octan winylu (EVA); kopolimery etylen/akrylan, w szczególności kopolimer etylen/akrylan metylu (EMA), etylen/akrylan etylu (EEA) i etylen/akrylan butylu (EBA); termoplastyczne kopolimery etylen/a-olefina; polistyren; żywice akrylonitryl/butadien/styren (ABS); polimery fluorowowane, w szczególności polichlorek winylu (PVC); poliuretan (PUR); poliamidy; aromatyczne poliestry takie jak politereftalon etylenowy (PET) lub politereftalon butylowy (PBT); i ich kopolimery lub ich mechaniczne mieszaniny.

Korzystnie, tworzywo polimerowe, z którego formuje się spienioną warstwę polimerową 22, jest polimerem lub kopolimerem poliolefinowym na podstawie etylenu i/lub propylenu, i jest wybrany w szczególności spośród:

(a) kopolimerów etylenu z etylenowo nienasyconym estrem, na przykład, z octanem winylowym lub butylowym, w którym ilość nienasyconych estrów jest, ogólnie, pomiędzy 5% i 80% wagowo, korzystniej, jeśli pomiędzy 10% i 50% wagowo;

(b) elastomerycznych kopolimerów etylenu, z co najmniej jedną α-olefiną C₃-C₁₂ i ewentualnie dienem, korzystnie z etylen/propylen (EPR) lub kopolimerem etylen/propylen/dien (EPDM), mającym zasadniczo następujący skład: 35%-90% moli etylenu, 10%-65% moli α-olefin, 0%-10% moli dienu (na przykład 1,4-hexadie lub 5-etylideno-2-norbomen);

(c) kopolimerów etylenu, z co najmniej jedną α-olefiną C₄-C₁₂ i, korzystnie z 1-heksenem, 1-oktenem itp. i ewentualnie z dienem, mającym, zasadniczo, gęstość pomiędzy 0,86 g/cm³ i 0,90 g/cm³ i następujący skład: 75%-97% molowo etylenu; 3%-25% molowo α-olefin ; 0%-5% molowo dienu;

(d) kopolimerów polipropylenu modyfikowanych etylenem/a-olefiną C₃-C₁₂, w których stosunek wagowy, pomiędzy kopolimerem polipropylenowym i etylenem z α-olefiną C₃-C₁₂ wynosi pomiędzy 90/10 i 10/90, korzystnie pomiędzy 80/20 i 20/80.

Dla przykładu, produkty dostępne handlowo: Elvax^® (DuPont), Levapren^® (Bayer) i Lotryl^® (Elf-Atochem) należą do klasy (a), produkty: Dutral^® (Enichem) albo Nordel^® (Dow-DuPont) należą do klasy (b), produkty należące do klasy (c) to: Engage^® (Dow-DuPont) albo Exact^® (Exxon), podczas

PL 205 143 B1 gdy kopolimery polipropylenu modyfikowane etylenem/alfa-olefiną (d) są dostępne handlowo, pod nazwami firmowymi Moplen^® lub Hifax^® (Basell), lub Fina-Pro^® (Fina), i innymi.

W klasie (d) szczególnie korzystnymi są termoplastyczne elastomery zawierają ce cią g łą matrycę termoplastycznego polimeru, np. polipropylenu, i drobne cząsteczki (z reguły mające średnice rzędu μm -10 μm) utwardzonego polimeru elastomerowego, np. usieciowanego EPR lub EPDM, rozproszonego w matrycy termoplastycznej.

Elastomeryczny polimer może być zawarty w termoplastycznej matrycy, w stanie nieutwardzonym, a następnie dynamicznie usieciowany poprzez dodawanie odpowiedniej ilości środka usieciowiającego. Ewentualnie, elastomeryczny polimer może być utwardzony osobno i następnie dodany do matrycy termoplastycznej, w formie drobnych cząstek.

Termoplastyczne elastomery tego rodzaju zostały opisane w US 4,104,210 albo w europejskim zgłoszeniu patentowym EP 324,430. Termoplastyczne elastomery są korzystne, ponieważ udowodniona została ich szczególna przydatność do elastycznego pochłaniania sił promieniowych, w cyklach obciążeń termicznych kabla, w całym zakresie temperatur pracy.

Na użytek niniejszego opisu, określenie „spieniony” polimer, używane jest w odniesieniu do polimeru, w którego strukturze, procentowa zawartość „pustej” objętości (czyli przestrzeni niewypełnionej polimerem ale gazem lub powietrzem), jest zazwyczaj większa od 10% całkowitej objętości takiego polimeru.

Na ogół, procentową zawartość wolnej objętości w spienionym polimerze wyrażana termin - stopień spienienia (G). W niniejszym opisie, termin „stopień spienienia polimeru” rozumiany jest, jako odnoszący się do spienienia polimeru, określonego następującą zależnością:

G (stopień spienienia) = (do/de -1) gdzie: do określa gęstość niespienionego polimeru (czyli, polimeru, którego struktura jest zasadniczo wolna od pustej objętości) oraz de określa widoczną gęstość, zmierzoną dla spienionego polimeru.

Korzystnie, stopień spienienia, spienionej warstwy polimerowej 22 przyjmuje wartość z zakresu od 0,35 do 0,7, jeszcze korzystniej, gdy wynosi od 0,4 do 0,6.

Korzystne jest, gdy niespieniona warstwa polimerowa 21 i zewnętrzna powłoka 23 są wykonane z materiałów poliolefinowych, najczęściej polichlorku winylu albo polietylenu.

Jak pokazano na fig. 1 i fig. 2, kabel 1, jest później wyposażony w blokującą wodę warstwę 8, umieszczoną pomiędzy zewnętrzną półprzewodnikową warstwą 5 i metalowym ekranem 6.

Korzystne jest, gdy blokująca wodę warstwa 8 jest spienioną, pęczniejącą pod wpływem wody, warstwą półprzewodzącą.

Przykład spienionej, pęczniejącej pod wpływem wody, warstwy półprzewodzącej, jest opisany w zgłoszeniu tego samego Zgłaszającego, w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO 01/46965 na rzecz Zgłaszającego niniejsze zgłoszenie.

Korzystnie, spieniony polimer, w blokującej wodę warstwie 8, wybrany jest spośród materiałów polimerowych, opisanych powyżej, stosowanych w spienionej warstwie 22.

Korzystnie, grubość, blokującej wodę warstwy 8, przyjmuje wartość z zakresu od 0,2 mm do 1,5 mm.

Wspomniana, blokująca wodę warstwa 8, ma na celu stworzenie efektywnej bariery dla wzdłużnego przenikania wody, do wnętrza kabla.

Pęczniejący pod wpływem wody materiał, występuje z reguły w formie drobnej, w szczególności w formie proszku. Korzystne jest, by cząsteczki proszku, pęczniejącego pod wpływem wody, miały średnice nie większe niż 250 μm, oraz by przeciętna średnica cząstek wynosiła od 10 μm do 100 μm. Jeszcze korzystniej, przynajmniej 50% cząsteczek, licząc wagowo, w odniesieniu do sumarycznej wagi proszku, ma średnice w zakresie od 10 μm do 50 um.

Materiał pęczniejący pod wpływem wody, z reguły, składa się z homopolimeru lub kopolimeru mającego grupy hydrofilona wzdłuż łańcucha polimerowego, np.: usieciowany i co najmniej, częściowo w postaci soli, polikwas akrylowy (na przykład, produkt Cabfoc^® pochodzący z C. F. Stockhausen GmbH lub Waterlock^® pochodzący z Grain Processing Co.); skrobia, lub jej pochodne, zmieszana z kopolimerami akrylamidu (na przykład produkty SGP Absorbent Polymer^® firmy Henkel AG); karboksymetyloceluloza sodowa (na przykład, produkty Blanose^® firmy Hercules Inc.).

Ilość materiału pęczniejącego pod wpływem wody, dodawanego do spienionej polimerowej warstwy, wynosi zwykle od 5 phr do 120 phr, korzystnie, gdy od 15 do 80 phr (phr = cząstek wagowo, przyjmując 100 phr dla podstawowego polimeru).

PL 205 143 B1

Dodatkowo, spieniony materiał polimerowy warstwy blokującej wodę 8, jest modyfikowany tak, by był półprzewodnikowy, co uzyskuje się przez dodanie odpowiedniej, przewodzącej prąd sadzy, zgodnie z opisem powyżej, dotyczącym półprzewodnikowych warstw 3, 5.

Ponadto, wyposażając kabel z fig. 1, w spienioną polimerową warstwę mającą własności półprzewodnikowe i materiał, pęczniejący pod wpływem wody (np. półprzewodnikową blokującą wodę warstwę 8), uformowana zostaje warstwa zdolna do sprężystego i równomiernego pochłaniania sił promieniowych, poszarzających i kurczących, powstających w wyniku cykli obciążeń termicznych, którym podlega kabel podczas użytkowania, zapewniając jednocześnie niezbędną ciągłość elektryczną pomiędzy kablem i metalowym ekranem.

Ponadto, obecność materiału, pęczniejącego pod wpływem wody, rozproszonego w spienionej warstwie, wpływa na zdolność efektywnego blokowania wilgoci i/lub wody, dzięki czemu unika się stosowania taśm, pęczniejących pod wpływem wody albo proszków, pęczniejących swobodnie pod wpływem wody.

Dodatkowo, wyposażając kabel z fig. 1 w półprzewodnikową, blokującą wodę warstwę 8, grubość zewnętrznej, półprzewodnikowej warstwy 5 może być korzystnie zredukowana, ponieważ właściwości elektryczne, zewnętrznej półprzewodnikowej warstwy 5, są częściowo przejęte przez wspomnianą blokującą wodę warstwę półprzewodnikową. Dlatego, wymieniony aspekt znacząco przyczynia się do ograniczenia grubości zewnętrznej, półprzewodnikowej warstwy i w następstwie, do ograniczenia całkowitej wagi kabla.

Proces wytwarzania i instalacja

Na fig. 3 pokazano instalację do produkcji kabli, według wynalazku zawierającą: zespół dostarczania przewodu 201, pierwszą sekcję wytłaczania 202, do otrzymywania izolacyjnej warstwy 4 oraz półprzewodnikowych warstw 3 i 5, sekcję studzenia 203, sekcję nakładania metalowego ekranu 204, drugą sekcję wytłaczania 214 do nakładania elementu ochronnego 20, sekcję wytłaczania powłoki zewnętrznej 205, dalszą sekcję studzenia 206 i sekcję odbiorczą 207.

Korzystnie, by zespół podawania przewodu 201 zawierał urządzenie walcujące metalowy pręt do wymaganej, dla kabla, średnicy przewodu (zapewniając odpowiednie wykończenie powierzchni).

W przypadku, gdy wymagane jest łączenie odcinków prętów metalowych, by wyprodukować ciągły odcinek kabla o długości finalnej, wymaganej przez (planowane) zastosowanie (lub zgodnie z wymaganiami klienta), korzystne jest by zespół dostarczania przewodu 201, zawierał urządzenie do spawania i obróbki cieplnej przewodu, oraz zespoły magazynujące, zapewniające czas wystarczający do wykonania operacji spawania, tak, by dostarczanie samego przewodu następowało ciągle i ze stałą prędkością.

Pierwsza sekcja wytłaczania 202 zawiera pierwszy przyrząd wytłaczający 110, odpowiedni do wytłaczania warstwy izolacyjnej 4 na przewód 2, dostarczony przez zespół dostarczania przewodu 201; pierwszy przyrząd wytłaczający 110 jest poprzedzony, patrząc wzdłuż kierunku przesuwania przewodu 2, przez drugi przyrząd wytłaczający 210, odpowiedni do wytłaczania wewnętrznej półprzewodnikowej warstwy 3 na zewnętrznej powierzchni przewodu 2 (i poniżej warstwy izolacyjnej 4), następnym jest trzeci przyrząd wytłaczający 310, odpowiedni do wytłaczania zewnętrznej warstwy półprzewodnikowej 5, wokół warstwy izolacyjnej 4, i otrzymania rdzenia kabla 2a.

Przyrządy wytłaczające - pierwszy, drugi i trzeci, mogą być ustawione kolejno, każdy ze swoją własną głowicą wytłaczającą, albo, co jest korzystniejsze, łączy się je we wspólną potrójną głowicę wytłaczającą 150, by realizować wspólny proces wytłaczania trzech wspomnianych warstw.

Przykład konstrukcji, odpowiedniej dla urządzenia wytłaczającego 110, opisany jest w WO02/47092, zgłoszonym przez tego samego Zgłaszającego.

Korzystne, by przyrządy wytłaczające, drugi i trzeci, miały konstrukcje zbliżone do pierwszego przyrządu wytłaczającego 110 (chyba, że zastosowanie konkretnych materiałów wymagać będzie innej aranżacji).

Sekcja studzenia 203, przez którą przechodzi rdzeń kabla 2a, może składać się z otwartego, wydłużonego kanału, wzdłuż którego przepływa płyn chłodzący. Korzystnym przykładem takiego płynu chłodzącego jest woda. Zarówno długość takiej sekcji studzącej, oraz rodzaj, temperatura i tempo przepływu płynu chłodzącego, dobierane są tak, by zapewnić odpowiednią temperaturę końcową, dla następnych etapów procesu.

Przed wejściem do następnej sekcji, korzystnym jest umieszczenie suszarki 208, taka suszarka służy do usuwania resztek płynu chłodzącego, takich jak wilgoć czy kropelki wody, zwłaszcza w przypadku, gdy takie resztki mogą okazać się szkodliwymi dla ogólnego funkcjonowania kabla. Sekcja nakłaPL 205 143 B1 dania metalowego ekranu 204, zawiera urządzenie podające arkusze metalu 209, odpowiednie do dostarczania arkusza metalu 60 do sekcji nakładającej 210.

W przykładowej realizacji, sekcja nakładająca 210, zawiera wzornik wyoblania (nie pokazany), w którym, przechodzący przez niego, arkusz metalu 60, zaginany jest wzdłuż długości i przyjmuje kształt rurowy, tak by otoczyć nim rdzeń kabla 2a, i stworzyć obwodowo ciągły, metalowy ekran 6.

Poprzez wprowadzenie, do obszaru nakładania się brzegów arkusza 60, odpowiedniego czynnika uszczelniającego i spajającego, uzyskuje się zamknięty na obwodzie, metalowy ekran 6.

Ewentualnie, odpowiedni czynnik uszczelniający i spajający, może być zastosowany na brzegu arkusza 60, tworząc zamknięty na obwodzie, metalowy ekran 6.

Zastosowanie zaginanego wzdłuż długości, metalowego ekranu, jest szczególnie dogodnym rozwiązaniem, gdyż umożliwia wytwarzanie kabla w procesie ciągłym, bez konieczności wykorzystywania skomplikowanych kołowrotków, jakie były by potrzebne w przypadku, nawijanych spiralnie, metalowych ekranów składających się z wielu drutów (lub taśm).

W przypadku szczególnych projektów kabli, dogodne może być zastosowanie kolejnej wytłaczarki 211, wyposażonej w głowicę wytłaczającą 212, umieszczonej przed sekcją nakładającą 210, razem z chłodnicą 123, nakładającej spienioną półprzewodzącą warstwę 8, wokół rdzenia kabla 2a, pod metalowym ekranem 6.

Korzystnie, gdy chłodnica 213 jest powietrzną, z wymuszonym obiegiem.

Gdy nie jest wymagane dodatkowe zabezpieczenie przed oddziaływaniami zewnętrznymi, kabel jest wykańczany, gdy przechodzi przez sekcję wytłaczania powłoki zewnętrznej 205, zawierającą wytłaczarkę powłoki zewnętrznej 220 i jej głowicę wytłaczającą 221.

Za sekcją chłodzenia 206, w instalacji znajduje się sekcja odbiorcza 207, w której następuje nawijanie gotowego kabla na szpulę 222.

Korzystnie, gdy sekcja odbiorcza 207 zawiera sekcję składowania 223, pozwalającą na wymienienie pełnej szpuli na pustą, bez przerywania procesu wytwarzania kabla.

Gdy wymagane jest dodatkowe zabezpieczenie, przed oddziaływaniami zewnętrznymi, kolejna sekcja wytłaczania 214, umieszczana jest za sekcją nakładania 210.

Zgodnie z przykładem realizacji, pokazanym na fig. 3, sekcja wytłaczania 214 zawiera trzy wytłaczarki 215, 216, 217, wyposażone w jedną, wspólną, potrójną głowicę wytłaczającą 218.

Przedstawiając szczegółowo, sekcja wytłaczania 214, odpowiada za nakładanie elementu ochronnego 20, zawierającego spienioną warstwę polimerową 22 i niespienioną warstwę polimerową 21. Niespieniona warstwa polimerowa 21 nakładana jest przez wytłaczarkę 216, podczas, gdy spieniona warstwa polimerowa 22 nakładana jest przez wytłaczarkę 217.

Następnie, sekcja wytłaczania 214, zawiera kolejną wytłaczarkę 215, którą zastosowano do nakładania warstwy gruntującej, służącej poprawie spajania metalowego ekranu 6 i elementu ochronnego 20 (np. niespienionej warstwy polimerowej 21). Za dalszą sekcją wytłaczania 214, dogodnie jest umieścić sekcję chłodzenia 219.

Na fig. 4 pokazana jest instalacja podobna do tej z fig. 3, na której wytłaczarki 215, 216, 217 są pooddzielane od siebie i gdzie występują trzy, różne, niezależne głowice wytłaczające 215a, 216a, 217a.

Oddzielne, kanały lub przewody chłodzące 219a i 219b, znajdują się za wytłaczarkami, odpowiednio, 215 i 216, natomiast kanał chłodzący 219 znajduje się za wytłaczarką 217.

Zgodnie z kolejnym przykładem realizacji wynalazku (nie pokazany), warstwa gruntująca i niespieniona warstwa polimerowa 21, nakładane są razem, we wspólnym procesie wytłaczania, oraz kolejno następuje wytłaczanie spienionej warstwy polimerowej 22.

Zgodnie z kolejnym przykładem realizacji wynalazku (nie pokazany), warstwa gruntująca i niespieniona warstwa polimerowa 21, nakładane są razem, we wspólnym procesie wytłaczania, oraz kolejno, następuje nakładanie spienionej warstwy polimerowej 22 i zewnętrznej powłoki 23, we wspólnym procesie wytłaczania. Ewentualnie, warstwa gruntująca i niespieniona warstwa polimerowa 21 nakładane są oddzielnie, wykorzystują dwie, różne głowice wytłaczające 215a, 216a, natomiast spieniona warstwa polimerowa 22 i powłoka zewnętrzna 23 nakładane są łącznie, we wspólnym procesie wytłaczania.

Na fig. 3 i 4, układ instalacji wytwarzającej, ma kształt litery U, dzięki czemu zmniejszeniu ulegają wymiary podłużne zakładu produkcyjnego. Na rysunku, kierunek przemieszczania się kabla, na końcu sekcji chłodzenia 203, został odwrócony, przez dowolne, nadające się do tego celu rozwiązania, według stanu techniki, np. przy pomocy rolek.

Ewentualnie, gdy nie stosuje się odwrócenia kierunku podawania kabla, układ instalacji do jego wytwarzania rozrasta się wzdłużnie.

PL 205 143 B1

Ciągły proces wytwarzania

Instalacja, według wcześniejszego opisu, pozwala na wytwarzanie kabla w procesie ciągłym.

W tym opisie, termin „ciągły proces” rozumiany jest jako proces, w którym czas niezbędny do wytworzenia kabla o określonej długości, jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości posuwania się kabla do przodu na linii (produkcyjnej), a zatem wyeliminowane zostają pośrednie fazy spoczynkowe, między dostarczeniem przewodu i odbiorem gotowego kabla.

Według wynalazku, przewód jest dostarczany ciągle, przez zespół dostarczania przewodu 201.

Zespół dostarczania przewodu 201 jest zorganizowany tak, umożliwia ciągłe dostarczanie przewodu.

Korzystnie, gdy przewód, wykonany jest z metalowego pręta (typowo z aluminium lub miedzi). W takim przypadku, ciągłe dostarczanie przewodu, umożliwione jest przez łączenie, dostępnego odcinku pręta metalowego (typowo załadowanego na szpulę), z kolejnym fragmentem pręta metalowego.

Takie łączenie może zostać wykonane, np. przez spawanie końców prętów.

Zgodnie z ciągłym procesem, według wynalazku, maksymalna długość wyprodukowanego kabla, określana przez wymagania klienta lub instalatora, wynika z długości linii, którą należy położyć (pomiędzy dwiema pośrednimi stacjami), maksymalnych gabarytów szpuli używanej do przewozu (i wynikających stąd odpowiednich ograniczeń transportowych), maksymalnej dającej się pomieścić długości itp, a nie przez dostępność surowego materiału lub półwyrobu o danej długości lub (wynikająca z) możliwości maszyn. Metoda ta pozwala instalować linie elektryczne z minimalną liczbą połączeń, między odcinkami kabli, dzięki czemu zwiększa się niezawodność, gdyż połączenia kabli, jak punkty nieciągłości, stwarzają problemy elektryczne podczas eksploatacji linii.

W przypadku zapotrzebowania na przewód pleciony (linka), niezbędne są kołowrotki do splatania i korzystne jest, by przewód przygotowywany był oddzielnie, w wymaganych odcinkach, gdyż operacja łączenia jest trudna. W takim przypadku, długość wytwarzanego kabla warunkowana jest przez dostępne odcinki splecionego przewodu (którego długość może być określona wcześniej, na podstawie wymagań klienta) i/albo przez pojemność szpul transportowych, przy czym proces pozostaje ciągły, od dostarczenia przewodu aż do końca.

Wytłaczanie warstwy izolacyjnej 4, warstw półprzewodnikowych 3 i 5, powłoki zewnętrznej 23, elementu ochronnego 20, (jeśli występuje) i warstwy blokującej wodę 8, może być prowadzone w sposób ciągły, ponieważ różnorodne materiały i komponenty do wytłaczania, dostarczane są do odpowiednich wlotów wytłaczarek bez przerwy.

W związku ze stosowaniem termoplastów, etap usieciowania nie występuje, nie wymaga się zatem stosowania materiałów usieciowanych, w szczególności na warstwę izolacyjną, dzięki czemu nie ma przerw w procesie.

W gruncie rzeczy, konwencjonalny proces produkcji kabli z izolacją usieciowaną zawiera fazę „spoczynkową”, podczas której zaizolowany przewód trzymany jest oddzielnie, przez pewien czas (godziny lub nawet dni) aby pozwolić na to, by: a) zaszła reakcja usieciowania, w przypadku stosowania sieciowania silanów albo b) gazy, powstające jako produkty uboczne reakcji usieciowania, w przypadku sieciowania nadtlenkami mogły się wydostać. Faza spoczynkowa, w przypadku a) może polegać na wprowadzeniu kabla (nawiniętego na szpulę pomocniczą) do pieca albo do wody o temperaturze około 80°C, dzięki czemu reakcja usieciowania przebiega szybciej.

Faza spoczynkowa, w przypadku b) np. faza odgazowania, może polegać na wprowadzeniu kabla (nawiniętego na szpulę pomocniczą) do pieca, dzięki czemu skraca się czas odgazowywania.

Taka „spoczynkowa” faza wiąże się, najczęściej, ze efektem nawinięcia, w połowie wykończonego elementu, na szpule, po zakończeniu wytłaczania odpowiednich warstw. Następnie, usieciowany, w połowie wykończony element, przekazywany jest do innej, niezależnej linii, gdzie następuje dokończenie produkcji kabla.

Zgodnie z procesem, według wynalazku, metalowy ekran 6, ukształtowany ze wzdłużnie zaginanego arkusza metalu, który, korzystnie, jeśli jest odwinięty ze szpuli, zamontowanej na nieruchomym przyrządzie, która może się swobodnie obracać wokół osi obrotu, i takim sposobem arkusz może zostać odwinięty ze szpuli. Zgodnie z procesem według wynalazku, arkusz metalu może być dostarczany, bez przerwy, ponieważ tylny koniec arkusza na używanej szpuli, w łatwy sposób może być połączony (np. przez spawanie) z przednim końcem arkusza, który jest załadowany na nowej szpuli. Zasadniczo, odpowiedni aparat do zbierania arkuszy będzie przedstawiony/zastosowany później.

Nie jest to możliwe, w przypadku stosowania ekranów typu śrubowego (formowanych przez spiralne nawijanie drutów lub taśm), ponieważ w takim przypadku szpule z drutami czy taśmami, musiaPL 205 143 B1 łyby się znajdować na obracającym się urządzeniu, kręcącym się wokół kabla, a zatem wymiana pustej szpuli na nową wymagałaby wstrzymania podawaniu kabla.

Jakkolwiek, możliwe jest nałożenie na kabel metalowego ekranu, zrobionego z drutów lub taśm, przy utrzymaniu ciągłości procesu wytwarzania, stosując urządzenie, w którym wspomniane druty/taśmy nakładane są na kabel w operacjach splatania typu S lub Z, prowadzonych przemiennie. W takim przypadku szpule trzymające wspomniane druty/taśmy nie są zmuszane do poruszania się obrotowo wokół kabla.

Jednakże, użycie wzdłużnie zaginanych metalowych ekranów jest szczególnie korzystne, zwłaszcza w połączeniu z użyciem termoplastycznych warstw izolujących i półprzewodnikowych.

Jak wcześniej stwierdzono, w przypadku użycia materiałów usieciowanych, po zakończeniu reakcji usieciowania, niezbędne jest zapewnienie określonego czasu, w którym umożliwia się gazom, powstałym jako produkty uboczne reakcji usieciowania, na wydostanie się. Tradycyjnie, realizuje się to, pozwalając, na wpół wykończonym produktom (np. rdzeniowi kabla) spoczywać przez pewien czas, po zakończeniu reakcji usieciowania. W przypadku zastosowania nieciągłych kołowych ekranów metalowych (jak w przypadku przewodów lub taśm nawiniętych spiralnie wokół rdzenia kabla), może następować emisja gazów, także w wyniku dyfuzji przez metalowy ekran (np. poprzez obszary nakładania się drutów lub taśm) oraz przez wytłoczone warstwy, rozmieszczone na zewnątrz, promieniowo, w stosunku do metalowego ekranu.

W przypadku zastosowania wzdłużnie zaginanego, metalowego ekranu, rozciąga się on okrężnie, wokół pełnego obwodu rdzenia kabla, i w ten sposób tworzy praktycznie nieprzepuszczalną otoczkę, która znacząco zapobiega dalszemu wydostawaniu się gazowych produktów ubocznych. Odpowiednio, gdy użyty jest podłużnie zaginany, metalowy ekran, w połączeniu z usieciowanymi warstwami izolacyjnymi, to odgazowanie tych materiałów powinno być w znacznym stopniu zakończone, przed nałożeniem metalowego ekranu.

W przeciwieństwie, w przypadku użycia na warstwę izolacyjną w kablu, termoplastycznego nieusieciowanego materiału, który nie wydziela gazowych produktów ubocznych powstałych w wyniku usieciowania (oraz, odpowiednio, nie wymaga żadnej fazy odgazowania), w połączeniu ze wzdłużnym zaginanym metalowym arkuszem służącym jako ekran kabla, możliwe jest wytwarzanie kabla w procesie ciągłym, ponieważ nie jest potrzebna autonomiczna faza „spoczynku”.

W celu pełniejszego opisu wynalazku, prezentuje się przykład ilustrujący poniżej.

P r z y k ł a d 1

Niniejszy przykład opisuje szczegółowo główne kroki ciągłego procesu produkcji kabla o przekroju 150 mm², dla 20 kV, zgodnie z fig. 1. Przyjęta prędkość linii 60 m/min.

a) wytłaczanie rdzenia kabla.

Warstwę izolacyjną kabla otrzymuje się dostarczając bezpośrednio do leja samowyładowczego wytłaczarki 110 heterofazowy kopolimer propyleu o temperaturze topnienia 165°C, entalpii topnienia 30 J/g, MFI 0,8 dg/min i współczynnik zginania 150 MPa (Adflex® Q 200 F - produkt handlowy firmy Basell).

Następnie, olej dielektryczny Jarylec^® Exp3 (produkt handlowy Elf Atochem - dibenzylotoluen), wymieszany uprzednio z przeciwutleniaczami, wstrzyknięty zostaje, pod wysokim ciśnieniem do wytłaczarki.

Wytłaczarka 110 ma średnicę 80 mm i stosunek L/D równy 25.

Wstrzyknięcie oleju dielektrycznego następuje podczas wytłaczania, około 20 D od początku śruby wytłaczarki 110, przy pomocy trzech punktów wstrzykiwania, rozmieszczonych co 120° względem siebie, na tym samym przekroju. Wstrzyknięty olej dielektryczny ma temperaturę 70°C i ciśnienie 250 bar.

Odpowiednie wytłaczarki użyte są do wewnętrznej i zewnętrznej warstwy półprzewodnikowej.

Aluminiowy przewód 2, w kształcie pręta (przekrój 150 mm²) jest podawany przez potrójną głowicę wytłaczarki 150.

Rdzeń kabla 2a opuszczający głowicę wytłaczającą 150 jest studzony, gdy przechodzi, przez mającą kształt kanału, sekcję studzenia 203, z przepływającą zimną wodą.

W rezultacie rdzeń kabla 2a, ma wewnętrzną półprzewodnikową warstwę o grubości około 0,5 mm, warstwę izolacyjną około 4,5 mm grubości i zewnętrzną półprzewodnikową warstwę o grubości około 0,5 mm.

PL 205 143 B1

b) blokująca wodę półprzewodnikowa spieniona warstwa kabla

Blokująca wodę, półprzewodnikowa spieniona warstwa 8, ma grubość około 0,7 mm i stopień spienienia 0,6, i nałożona jest na rdzeń kabla 2a przez wytłaczarkę 211, która ma średnicę 60 mm i stosunek L/D równy 20.

Materiał na wspomnianą warstwę 8 podany jest w tabeli 1, poniżej. Materiał jest chemicznie spieniony poprzez dodanie około 2% środka spieniającego Hydrocerol^® CF 70 (kwas karboksylowy + wodorowęglan sodu) do leja samowyładowczego wytłaczarki.

T a b e l a 1

Związek	Ilość (phr)
Elvax® 470	100
Ketjenblack® EC 300	20
Irganox® 1010	0,5
Waterloock® J 550	40
Hydrocerol® CF70	2

gdzie:

- Elvax^® 4 70: kopolimer etylen/octan winylu (EVA) (produkt handlowy DuPont);

- Ketjenblack^® EC 300: wysokoprzewodząca sadza piecowa (produkt handlowy Akzo Chemie);

- Irganox^® 1010: propionian pentaerytrylo-tetrakis[3-(3,5-dibutylo-4-hydroksyfenyl)] (produkt handlowy Ciba Specialty Chemicals);

- Waterloock^® J 550: zmielony usieciowany polikwas akrylowy (częściowo w postaci soli) (produkt handlowy Grain Processing);

- Hydrocerol^® CF 70: kwas karboksylowy/wodorowęglan sodowy ś rodek spieniający (produkt handlowy Boeheringer Ingelheim).

Za głowicą wytłaczającą 212 wytłaczarki 211, zastosowano studzenie przy pomocy chłodnicy 213 z wymuszonym obiegiem powietrza.

c) nałożenie metalowego ekranu kabla

Rdzeń kabla 2a, wyposażony w spienioną półprzewodnikową warstwę 8, jest następnie pokryty, za pomocą sekcji nakładającej 210, wzdłużnie zaginanym, lakierowanym, arkuszem aluminiowym o grubości 0,3 mm, z użyciem kleju łączącego nachodzące na siebie brzegi arkuszy.

Klej nakładany jest przez wytłaczarkę 215.

d) nakładanie na kabel elementu ochronnego

Następnie, wytłoczona zostaje wewnętrzna polimerowa warstwa 21, wykonana z polietylenu, grubości około 1,5 mm, ponad aluminiowym ekranem, przez wytłaczarkę 216, o średnicy 120 mm i stosunku L/D równym 25.

Zgodnie z procesem według fig. 3, spieniona polimerowa warstwa 22, mająca grubość około 2 mm i stopień spienienia 0,55, jest wytłoczona we wspólnym procesie wytłaczania razem z nie-spienioną wewnętrzną polimerową warstwą 21

Spieniona polimerowa warstwa 22, nałożona jest przez wytłaczarkę 217, która ma średnicę 120 mm i stosunku L/D równy 25.

Materiał na spienioną polimerową warstwę 8 podany jest w tabeli 2 poniżej.

T a b e l a 2

Związek	Ilość (phr)
Hifax® SD817	100
Hydrocerol® BiH40	1,2

gdzie:

- Hifax^® SD 817: kopolimer propylenu modyfikowany etylenem/propylenem, produkt handlowy Basell;

- Hydrocerol^® BiH40: kwas karboksylowy + wodorotlenek sodowy środek spieniający, produkt handlowy Boeheringer Ingelheim.

Materiał polimerowy jest spieniany chemicznie poprzez dodawanie środka spieniającego (Hydrocerol^® BiH40) do leja samowyładowczego wytłaczarki.

W odległości około 500 mm od głowicy wytłaczającej 218, sekcja chłodzenia 219, mająca formę rury lub kanału, z przepływającą zimną wodą, powstrzymuje spienianie i chłodzi wytłoczone materiały przed wytłoczeniem zewnętrznej, nie-spienionej polimerowej warstwy 23.

PL 205 143 B1

e) wytłaczanie powłoki zewnętrznej kabla

Następnie, powłoka zewnętrzna 23, wykonana z polietylenu, grubości około 1,5 mm zostaje wytłoczona ponad przez wytłaczarkę 220, o średnicy 120 mm i stosunku L/D równym 25.

Kabel opuszczający głowicę wytłaczarki 221 zostaje na koniec ochłodzony, w sekcji studzenia 206, z przepływającą zimną wodą.

Studzenie wykończonego kabla może być prowadzone wykorzystując wielokrotny kanał studzący, którego stosowanie korzystnie zmniejsza podłużne wymiary sekcji studzenia.

Oddziaływanie (zewnętrzne) i wytrzymałość na obciążenia

W przypadku występowania obciążeń mechanicznych, oddziałujących na kabel, takich jak uderzenie, w zewnętrzną powierzchnię kabla albo przy znacznych obciążeniach lokalnych, mogących wywołać deformację samego kabla, zauważono, że deformacje dotyczą także izolacji, np., gdy energia uderzenia przekracza dopuszczalną wartość, którą może wytrzymać warstwa ochronna, albo, gdy grubość elementu ochronnego przyjmuje stosunkowo małą wartość, to wówczas profil odkształcenia metalowego ekranu, tworzy ciągłą i płynną linię, i tym samym unika się lokalnego zwiększenia pola elektrycznego.

Na ogół, materiały użyte na warstwę izolacyjną i zewnętrzną osłonę kabla, powracają sprężyście, ale tylko częściowo, do oryginalnego kształtu i wymiarów, po ustąpieniu zewnętrznego oddziaływania, a zatem po ustąpieniu zewnętrznego oddziaływania, nawet, gdy nastąpiło to przed zasileniem kabla energią, grubość warstwy izolacji elektrycznej ulega zmniejszeniu.

Jednakże, Zgłaszający zauważył, że gdy ekran metalowy zastosowany jest po zewnętrznej stronie warstwy izolacyjnej kabla, materiał taki zostaje trwale zdeformowany przez oddziaływanie, co dodatkowo ogranicza, elastyczne cofanie się deformacji, czyli, że warstwa izolacyjna powstrzymywana jest przed elastycznym powracaniem, do oryginalnego kształtu i wymiarów.

W konsekwencji, deformacje spowodowane oddziaływaniem, albo przynajmniej znacząca ich część, utrzymują się po ustąpieniu oddziaływania, nawet, gdy sam powód wystąpienia oddziaływania został wyeliminowany.

W rezultacie takich deformacji, grubość warstwy izolacyjnej zmienia się z wartości oryginalnej to do wartości „uszkodzonej” td (patrz fig. 5). A zatem, gdy kabel zostaje zasilony energią, rzeczywista grubość warstwy izolacyjnej, poddawana różnicy napięć elektrycznych (F) w obszarze oddziaływania, nie wynosi już to ale raczej td.

Dodatkowo, gdy oddziaływanie wywierane jest na kabel, mający metalowy ekran typu „nieciągłego”, np. wykonany z nawiniętych spiralnie drutów lub taśm, albo w przypadku, gdy nie ma warstwy ochronnej przed oddziaływaniami (co pokazano na fig. 5) albo nawet w przypadku obecności warstwy ochronnej przed oddziaływaniami (typu zwartego lub spienionego), nierówny opór struktury metalowego ekranu powoduje, że druty znajdujące się bliżej obszaru oddziaływania, są znacznie zdeformowane i przekazują taką deformację do warstw leżących pod nimi, jako „lokalną” deformację, z minimalnym angażowaniem obszarów przyległych.

Powoduje to, w warstwie izolacyjnej, efekt „szpikulca”, który wprowadza deformację, zazwyczaj kołowych, linii ekwipotencjalnych pola elektrycznego w obszarze oddziaływania, co pokazano na fig. 5, gdzie oryginalne kołowe linie ekwipotencjalne narysowane są liniami kropkowymi a linie zdeformowane liniami ciągłymi. Deformacja linii ekwipotencjalnych pola elektrycznego powoduje, że w obszarze oddziaływania są one bliżej (siebie), co oznacza, że gradient pola staje się, w tym obszarze, znacznie większy. Lokalny wzrost gradientu pola, sprzyja występowaniu wyładowań elektrycznych, co w testach częściowego wyładowania prowadzi do awarii kabla (który uległ oddziaływaniu), nawet, gdy oddziaływanie to miało relatywnie niską energię.

Zgłaszający zauważył, że w przypadku metalowego ekranu, wykonanego ze wzdłużnie zaginanego arkusza metalu, w szczególności, w połączeniu z zastosowaniem spienionego elementu ochronnego, lokalna deformacja ekranu i leżącej pod nim warstwy izolacyjnej, zostaje znacząco zredukowana.

Spieniony element ochronny, w sposób ciągły wspierany, przez leżący pod nim, metalowy ekran, jest w stanie rozłożyć energię uderzenia (oddziaływania) na stosunkowo dużą powierzchnię, wokół miejsca uderzenia (oddziaływania), co pokazano na fig. 6.

Odpowiednio, deformacje linii ekwipotencjalnych pola elektrycznego zostają ograniczone, (i jednocześnie dotyczą większej powierzchni), w mniejszym stopniu zbliżają się do siebie, niż w przypadku spiralnego nawinięcia drutów, opisanego powyżej, przy oddziaływaniu o takiej samej energii.

PL 205 143 B1

W rezultacie, wzrost lokalnego gradientu pola elektrycznego, spowodowany oddzia ł ywaniem, jest zminimalizowany i znacząco wzrastają możliwości kabla do przejścia pomyślnie częściowych testów wyładowania.

Claims (19)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Proces wytwarzania kabla elektrycznego (1), obejmujący fazy:

   - dostarczania (201) przewodu (2) z określoną prędkością dostarczania;

   - wytłaczania (202) termoplastycznej warstwy izolacyjnej (4) radialnie, na zewnątrz od przewodu (2);

   - studzenia (203) wytłoczonej warstwy izolacyjnej (4);

   - formowania (4) obwodowo zamkniętego, metalowego ekranu (6), wokół wspomnianej wytłoczonej warstwy izolacyjnej (4); znamienny tym, że czas, między końcem fazy studzenia (203) i początkiem fazy formowania ekranu (210), jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości podawania przewodu (2).
2. 2. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że faza formowania (210) obejmuje etap wzdłużnego zaginania arkusza metalu (60) wokół wspomnianej wytłoczonej warstwy izolacyjnej (4).
3. 3. Proces według zastrz. 2, znamienny tym, że faza formowania (210) obejmuje etap nakładania się brzegów wspomnianego arkusza metalu (60) by uformować ekran metalowy (6).
4. 4. Proces według zastrz. 2, znamienny tym, że faza formowania (210) obejmuje etap łączenia brzegów wspomnianego arkusza metalu (60) by uformować ekran metalowy (6).
5. 5. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo obejmuje fazę podawania przewodu (2) mającego formę metalowego pręta.
6. 6. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo obejmuje fazę nakładania warstwy gruntującej wokół metalowego ekranu (6).
7. 7. Proces według zastrz. 6, znamienny tym, że faza nakładania warstwy gruntującej prowadzona jest przez wytłaczanie.
8. 8. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo obejmuje fazę nakładania elementu chroniącego przed oddziaływaniem (20) wokół wspomnianego obwodowo zamkniętego ekranu metalowego (6).
9. 9. Proces według zastrz. 8, znamienny tym, że faza nakładania elementu chroniącego przed oddziaływaniem (20) zawiera fazę nakładania nie-spienionej polimerowej warstwy (21) wokół wspomnianego metalowego ekranu (6).
10. 10. Proces według zastrz. 8, znamienny tym, że faza nakładania elementu chroniącego przed oddziaływaniem (20) zawiera fazę nakładania spienionej polimerowej warstwy (22).
11. 11. Proces według zastrz. 9 i 10, znamienny tym, że spieniona polimerowa warstwa (22) nakładana jest wokół nie-spienionej polimerowej warstwy (21).
12. 12. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo obejmuje fazę nakładania zewnętrznej powłoki (23) wokół wspomnianego ekranu metalowego (6).
13. 13. Proces według zastrz. 10 i 12, znamienny tym, że zewnętrzna powłoka (23) nakładana jest wokół spienionej polimerowej warstwy (22).
14. 14. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że faza studzenia (203) wytłoczonej warstwy izolacyjnej (4) prowadzona jest przez wzdłużne podawanie przewodu (2) z termoplastyczną warstwą izolacyjną (4) przez wydłużone urządzenie chłodzące.
15. 15. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że termoplastyczne tworzywo polimerowe warstwy izolacyjnej (4), wybrane jest spośród:

    poliolefin, kopolimerów różnych olefin, kopolimerów olefiny z etylenowo nienasyconym estrem, poliestrów, polioctanów, polimerów celulozowych, poliwęglanów, polisulfonów, żywic fenolowych, żywic mocznikowych, poliketonów, poliakrylanów, poliamidów, poliamin i ich mieszanin.
16. 16. Proces według zastrz. 15, znamienny tym, że wspomniane termoplastyczne tworzywo polimerowe wybrane jest spośród:

    polietylenu (PE), polipropylenu (PP), etylenu/octanu winylu (EVA); etylenu/akrylanu metylu (EMA), etylenu/akrylanu etylu (EEA), etylenu/akrylanu butylu (EBA), termoplastycznych kopolimerów etylen/αolefina, polistyrenu, żywic akrylonitryl/butadien/styren (ABS); polichlorku winylu (PVC), poliuretanu,

    PL 205 143 B1 poliamidów, politereftalonu etylenowego (PET), politereftalonu butylowego (PBT), i ich kopolimerów lub ich mechanicznych mieszanin.
17. 17. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że termoplastyczny polimerowy materiał warstwy izolacyjnej (4) zawiera wcześniej ustaloną ilość płynu dielektrycznego.
18. 18. Kabel elektryczny (1) zawierający:

    - przewód (2);

    - termoplastyczną warstwę izolacyjną (4) promieniowo na zewnątrz od przewodu (2);

    - przynajmniej jedną spienioną warstwę polimerową (8) wokół wspomnianej warstwy izolacyjnej (4);

    - obwodowo zamknięty ekran metalowy (6) wokół wspomnianej warstwy izolacyjnej (4);

    - element chroniący przed oddziaływaniem (20) na pozycji radialnie zewnętrznej, w stosunku do ekranu metalowego (6), przy czym wspomniany element chroniący przed oddziaływaniem (20) zawiera przynajmniej jedną, nie-spienioną polimerową warstwę (21), wokół wspomnianego metalowego ekranu (6) oraz, przynajmniej jedną, spienioną polimerową warstwę (22) radialnie zewnętrzną, w stosunku do wspomnianej warstwy polimerowej (21).
19. 19. Kabel elektryczny (1), według zastrz. 18, znamienny tym, że grubość spienionej polimerowej warstwy (22), jest, od jednego do dwóch razy większa, od grubości nie-spienionej warstwy polimerowej (21).