SE511380C2 - Tensidtillsats vid förfarande för impregnering av ett poröst material samt användning av förfarandet vid impregnering av pappersisolering - Google Patents

Description

||.l *Il 511380 kapitalkostnaden under denna tillverkningsfas är stor och resultatet, dvs impregneringsgraden, blir som nämnts avgörande för kabelns elektriska egenskaper.

Av en bra impregneringsvätska krävs bl.a. speciella egenskaper vad gäller viskositet.

Själva impregneringsprocessen gynnas nämligen av en låg viskositet vid så låg temperatur som möjligt, för att impregneringen skall kunna utföras med minimal energiåtgång. Samtidigt är det önskvärt att impregneringsvätskan då den senare föreligger i en färdig kabel vid drift har så hög viskositet som möjligt.

Mest avgörande för den färdiga kabelns egenskaper har dock effektiviteten av själva impregneringsprocessen visat sig vara. Isolerande pappersmaterial och impregneringsvätska måste interagera så att det inte uppkommer kaviteter i kabeln om vätskan senare eventuellt rör sig, eller sväller på grund av sådana tryck- och temperaturskillnader som kan uppstå under drift. Det är också väsentligt att impregneringsprocessen inte blir ofullständig och efterlämnar några gasfickor i pappersmaterialet, då sådana kan ge upphov till urladdningar under drift, vilket i sin tur kan skada kabeln allvarligt och dessutom medföra stora kostnader. lmpregneringshastigheten och impregneringsgraden bestäms av tryckskillnader, pappersporositet, oljeviskositet samt fiberytornas ytenergier och vätbarhet.

Impregneringen enligt den kända tekniken mycket långsam, vilket medför onödiga kostnader, speciellt på grund av den energi som måste tillföras under processen.

Sammanfattning av uppfinniig Föreliggande uppfinning löser eller väsentligen eliminerar de ovan definierade problemen och bidrar till att klara de nya högre kraven genom att åstadkomma ett förfarande för impregnering av ett poröst material, vilket förfarande innefattar att det porösa materialet behandlas med en impregneringsvätska, vilken är en kolväteblandning med oljekaraktär.

Nämnda impregnering föregås av en avgasning av impregneringsvätskan. Förfarandet enligt uppfinningen karakteriseras av att nämnda impregnering och/eller avgasning utförs i närvaro av tensid. Närvaron av tensid har visat sig ge impregneringsvätskan överraskande goda egenskaper, dels då det gäller att optimera impregneringsgraden, dvs utfyllnaden av olja i den porösa matrisen, dels då det gäller att avgasa impregneringsvätskan före själva impregneringen. 511380 3 Uppfinningen avser även användning av ett förfarande där impregnering och eller avgasning sker i närvaro av en tensid för att påskynda och förbättra avgasningen av impregneringsvätskan i oljefyllda kablar, t.ex. högspänningskablar.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Enligt en första aspekt hänför sig föreliggande uppfinning till ett förfarande för impregnering av ett poröst material, såsom ett cellulosahaltigt isolennaterial, t.ex. en pappersisolering i en oljefylld kabel. Förfarandet enligt uppfinningen innefattar att det porösa materialet behandlas med en impregneringsvätska innefattande en kolväteblandning med oljekaraktär, varvid impregneringsvätskan avgasas före själva impregneringen, och karakteriseras av att det utförs i närvaro av tensid. Tensiden finns enligt en föredragen utföringsform närvarande i en mängd av ca 0,01-1,5 vikt%, företrädesvis ca 0,05-0,5 vikt%.

Med uttrycket ”tensid” avses i föreliggande ansökan en eller flera tensidsorter, beroende på vad som bedöms vara lämpligt.

Uppfinningen hänför sig enligt en föredragen utföringsform till ett förfarande, där tensiden som finns närvarande under impregneringen och/eller avgasningen är en non-jonisk tensid eller tensidblandning.

Mer speciellt innefattar föreliggande uppfinning utföringsfonner av ovan beskrivna förfarande, där tensiden som finns närvarande väljes ur gruppen bestående av sockerbaserade, fluorsilikonbaserade, fluorbaserade, etoxylerade eller silikonbaserade tensider, eller någon blandning därav.

Enligt en altemativ utföringsform är uppfinningen ett förfarande för impregnering, såsom beskrivits ovan, där tensiden som finns närvarande är en anjonisk eller katjonisk tensid eller tensidblandning. Dessa tensider kan fördelaktigt användas i de fall, då de inte inverkar negativt på kabels elektriska prestanda.

Enligt en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen sätter man tensid till impregneringsvätskan för att förbättra avgasningsprocessen innan nämnda impregnerings- vätska appliceras på det porösa materialet. Avgasningen kan åstadkommas genom ett eller flera av följande förfaranden: Att impregneringsvätskans yta förstöras, att impregnerings- vätskan värrnes och/eller samtidigt underkastas undertryck. De gasbubblor som då bildas sugs 511380 4 sedan fördelaktigt av från vätskeytan. Avgasningen kan fördelaktigt utföras vid en temperatur av ca 60-80°C.

Enligt en speciell utföringsforin av förfarandet enligt uppfinningen reduceras tensid- halten i impregneringsvätskan efter det att avgasningen är fullbordad. Eventuellt kan nämnda tensidhalt då elimineras helt. Reduceringen, eller avdrivningen, utförs då efter avgasningen, men före själva impregneringen, och åstadkommes tex. genom en ytterligare värmning och/eller höjning av temperaturen av den avgasade impregneringsvätskan och lämpar sig speciellt för de fall, då närvaro av en speciell tensid i den färdiga kabeln inte är önskvärd.

Valet av tensid är sålunda avgörande för huruvida en senare eliminering därav är nödvändig.

Denna utföringsform är sålunda fördelaktig i de fall, då endast en förbättrad avgasning eftersträvas.

Sålunda syftar närvaron av tensid under förfarandet enligt uppfinningen till att för- bättra impregneringsprocessens effektivitet. Denna effektivitetsförbättring baserar sig emellertid på två olika tekniska bakgrunder. För det första har det enligt uppfinningen visat sig att effektiviteten förbättras drastiskt genom närvaro av tensid i impregneringsvätskan under själva impregneringsprocessen. För det andra kan impregneringseffektiviteten enligt uppfinningen dessutom förbättras ytterligare genom att avgasningen av impregneringsvätskan förbättras, eftersom en impregneringsprocess blir mindre effektiv om impregneringsvätskan innehåller luft eller gaser. En sådan avgasning här enligt föreliggande uppfinning drastiskt visats gynnas av närvaro av vissa tensider. Fackmannen inom området kan avgöra från fall till fall vilken, eller vilka, tensider som är lämpliga. Tensiden väljes dock företrädesvis så att onödig skumning undvikes. Dessutom bör den väljas så att den uppvisar en tillfredsställande oljelöslighet. Faktorer som är väsentliga för valet av tensid diskuteras mer detaljerat nedan i anknytning till försöksdelen av denna ansökan, bl.a. under rubriken ”Diskussion”.

Mer speciellt kan ovan nämnda utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen sålunda utföras så att tensidinnehållet i impregneringsvätskan reduceras eller elimineras helt efter slutförd avgasning. Nämnda reducering eller eliminering åstadkommes enklast genom att impregneringsvätskan värrnes och används företrädesvis med sådana tensider, som kan tänkas försämra det färdigimpregnerade cellulosamaterialets egenskaper. Det kan exempelvis vara fördelaktigt med hänsyn till isolationens elektriska egenskaper att undvika vissa tensid- sorter i slutprodukten. 511 380 5 En andra aspekt av föreliggande uppfinning är användning av ett förfarande enligt ovan för impregnering av en pappersisolering i en oljefylld kabel av konventionell typ, företrädesvis en högspänningskabel.

Kort figgrbeskrivníng Figur I visar ytspänningen hos olja utan tillsats och med tillsats av 0,1 vikt% tensid enligt försöket.

Detaljerad figurbeskrivníng Figur I visar ytspänníngen hos olja utan tillsats och med tillsats av 0,1 vikt% tensid enligt försöket. Det framgår tydligt hur ytspänningen minskar genom tensidtillsatsema, speci- ellt tydligt för FC. fattar tensider enligt uppfinningen och avtar sedan tydligt.

Figur 3 är analog med figur 2, men visar resultat för impregneringsvätskor innefat- tande andra tensider.

Figur 4 är analog med figur 2 och 3, men visar resultat för impregneringsvätskor innefattande andra tensider.

Figur 5 är analog med flgur 2-4, men visar resultat för impregneringsvâtskan FS (fluorsilikon) i olika halter. meren vid 20°C. all? 511 380 6 För cellulosafibrema är ytspänningsgradienten områden med harts < lignin < cellulosa (G. Carlsson). Vätningen varierar sålunda, beroende på papperets egenskaper och impregneringsvätskans sammansättning.

Material Papper: DC-papper med en tjocklek av 70 pm (av samma typ som användes för den av ABB tillverkade ”Baltic Cable”) (sats nr. 78250-1) torkades vid l20°C under 96 h och förvarades i exsickator före mätning. Under torkningsprocessen fästes pappersremsor på en hård yta. _O_lj§ För studien användes en basolja av samma typ som den som används för kabeltill- verkning, med undantag av att den inte innehöll tillsats av polymerförtjockare. Anledningen till att man inte använde den fullständiga impregneringsoljan var att mätningama måste utföras vid rumstemperatur och det är då inte möjligt att bilda distinkta droppar av oljan som kan bildanalyseras.

Tensider: De tensider som valdes var med ett undtantag non-joniska och åtminstone delvis lösliga i olja. Tensider som stabiliserade skum undveks, med undantag av en produkt. De testade produkterna visas nedan.

Tensid Märke Tillverka re Kemisk samman- Egenskaper sättning Berol BE Akzo-Nobel C9-ll + 4 EO Löslig i opolära OX 914 lösningsmedel AG 6202 AG Akzo-Nobel 2-etylhexyl-glukosid Löslig i etanol Empimin EM Albright & Wilson Natrium-di-oktyl- Blandbar med polära OP 70 Sulfoßuminat lösningsmedel. Anjonisk.

FS 1265 FS Dow Coming Fluor-silikon Skumdämpare Q2-521 1 Q2 Dow Coming Silikon-polyeter Vätmedel Löslig i polåra lösnings- medel. Stabilt skum.

Fluorad FC 3M Fluor-alifatisk FC 740 polymer-ester FÖRSÖK hög reproducerbarhet var ett stort antal testkömingar nödvändiga. ytspänningen.

Provframställning Framställníng av O,l%-ig lösning: 70 g olja blandades med 5 g tensid i lösningsmedel vid koncentrationen 0,014 g tensid/g lösningsmedel. Procentandelen aktiv substans av de kommersiella produktema och lösningsmedlen som användes visas nedan. mi wa l“'.~: ~.~ thai-illa; ll in. 511 380 8 Tensid Aktiv substans, % Lösningsmedel 0,1%-ig oljelösnin; Berol OX 91-4 100 heptan klar AG 6202 50 (50-100) etanol viss oklarhet Empimin OP 70 72 etanol mycket oklar FS 1265 100 heptan klar Q2-521 1 90 heptan viss oklarhet Fluorad FC 740 50 heptan klar J RESULTAT Ytsgänning Oljans ytspänning var 38,6 mN/m. Tillsats av 0,l% tensid sänkte ytspänningen, se figur 1.

Ytterligare tillsats av FC och Q2 till 1,0 vikt% sänkte ytspänningen till ca 31 mN/m för båda, under det att ytspänningen för EM och FS förblev densamma som för 0,1%.

Vätbarhet Den dynamiska kontaktvinkeln uppmätt vid start, ca en sekund efter applicering av droppen, sänktes genom tillsats av 0,1 vikt% tensid till oljan. Vinkeln uppnådde emellertid samma nivå som ren olja efter ca 200 sekunder.

Tensid, 0,1 vikt% Kontaktvinkel, start Kontaktvinkel, efter 200 s Ingen 86 23 Berol OX 91-4 69 26 AG 6202 60 24 Empimin OP 70 79 30 FS 1265 71 22 š-5211 75 24 Lliïiorad FC 740 62 L 22 511 380 9 Resultaten visar att vätningen av pappersytan kan förbättras. Den spontana sprid- ningen av oljan över ytan är snabbare under de första 20 s och därefter långsammare då kontaktvínkeln går mot 30° (figur 4).

Den bästa vätningen erhölls med AG 6202. Denna är en sockerbaserad tensid och tycks enligt dessa försök vara den som är bäst lämpad för att uppfylla kraven på god absorp- tion vid oIje/cellulosagränsen, men inte vid gas/oljegränsen. Molekylen liknar både oljan och cellulosan, den är non-jonisk och enligt föreliggande uppfinning mycket intressant.

F luorad-produkten, FC 740, verkade lovande med studerades inte vidare på grund av dess tendens att avge stabilt skum. Ingen annan Fluorad-produkt med rimlig oljelöslíghet fanns tillgänglig.

Den fluorsilikonbaserade produkten, FS 1265, har samma förmåga som FC 740 att ge en låg ytspänning för olja/papper och säljs som skumdämpare. Denna komponent tycks sålunda vara mycket intressant för ändamålen enligt föreliggande uppfinning.

Ytterligare försök vid högre (1,0 vikt%) och lägre (0,01 vikt%) tensidhalt utfördes för några produkter. Resultaten visas nedan.

Kontaktvinkel, start Kontaktvinkel, 200 s Tensid 0,01% 0,1 % 1,0% 0,01% 0,1% 1,0% AG 6202 79 60 - 21 24 Empimin - 79 81 30 30 FS 1265 74 71 81 22 22 25 Q2-5211 - 75 73 24 28 ä Fotnot: För olja utan tillsats var kontaktvínkeln vid start 86 och efter 200 s 23.

Enligt dessa resultat tycktes en koncentration av ca 0,1 vikt% vara bäst för vätbar- heten. Detta behöver emellertid inte nödvändigtvis gälla för absorptionen och optimal impregnerbarhet. Den relativt stora kontaktvínkeln med 1,0% FS 1265 jåmförd med de lägre kunnat förklaras. (Se figur 5) 511 380 10 A_bsgrpt_i0_n Absorptionen av oljan in i papperet studerades genom volymminskningen av droppen under 200 s. Dessa resultat är emellertid svåra att tolka, eftersom de hänför sig till den spontana vätskepenetreringen i papperet och inte den tvingade penetreringen, såsom tex. är fallet med kabelimpregnering. Den applicerade volymen, och sålunda de erhållna förändringama, är också mycket små. De volymförändringar som erhölls efter 200 s visas nedan.

Minskning i droppvolym, ul Tensid 0,01% 0,1 % 1,0% Berol OX 91-4 0,7 AG 6202 1,4 0,4 Empimin 1,1 0,3 FS 1265 1,4 1,3 1,4 Q2-5211 0,9 0,2 FC 740 1,3 Fotnot: Minskningen för oljan utan tillsatt tensid var 1,1 ul.

Det är väsentligt att notera att en högre koncentration gav en lägre absorption, med undantag av FS 1265. Detta överensstämmer åtminstone för Q2-5211 med teorin och kan för- klaras av en alltför låg ytspänning mot luft vid högre koncentration.

DISKUSSION Resultaten av försöken beskrivna ovan visar att oljans initiala kontaktvinkel mot papperet är mellan 80 och 90°. Teoretiskt borde vinkeln vara ännu större, då vätskefrontens hastighet ökar. Den initiala vätningen av oljan är sålunda tämligen dålig. Vätningen kan däre- mot enligt föreliggande uppfinning förbättras genom tillsats av tensid. Sex olika typer av tensider testades och det befanns att den initiala kontaktvinkeln kunde sänkas till ca 60°.

De tillsatser som enligt uppfinningen verkar vara de mest intressanta är sockcrbaserad tensid och fluorsilikontensid. Den första tycks idag vara den mest fördelaktiga, sannolikt eftersom den liknar både oljan och cellulosan. tensider. Sådana modifierade tensider och tensidkombinationer faller också inom ramen för föreliggande uppfinning, även om de inte beskrivs mer detaljerat här.

De bästa tillsatsema för sänkning av ytspânningen hos oljan är fluoralifatiska före- ningar eller fluorsilikonföreningar. Fasta material med dessa komponenter är kända för att ha väntas ge låg ytspänning.

Då man väljer tensid för förfarandet enligt föreliggande uppfinning är ett lågt koncentrationsberoende väsentligt, eftersom koncentrationen avtar under impregneringsprocessen allteftersom tensiden adsorberas vid cellulosaytan

Claims (11)

ill ilili I. mi.. i lll iiilaianl. .l._..i._.n...l...a ..i nu ai ll lill l itrwi 511 380 12 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för impregnering av ett poröst material, vilket förfarande innefattar att det porösa materialet behandlas med en impregneringsvätska innefattande en kolväteblandning med oljekaraktär, varvid impregneringsvätskan avgasas före själva impregneringen, k ä n - n etecknat av att impregneringen av det porösa materialet och/eller avgasning av impregneringsvätskan utförs i närvaro av tensid.

2. Förfarande enlig krav 1, där det porösa materialet är ett cellulosahaltigt material, före- trädesvis ett cellulosahaltigt isolennaterial, såsom en pappersisoleríng i en oljefylld kabel. 5.:)

3. Förfarande enligt krav l eller 2, där mängden närvarande tensid är ca 0,0l-l ,5 vikt%.

4. Förfarande enligt krav 3, där mängden närvarande tensid är ca 0,05-0,5 vikt%.

5. Förfarande enligt vilket som helst av de föregående kraven, där tensiden som finns när- varande är en non-jonisk tensid eller tensidblandning.

6. Förfarande enligt krav 5, där tensiden väljes ur gruppen sockerbaserade, fluorsilikon- baserade, fluorbaserade, silikonbaserade eller etoxylerade tensíder, eller någon kombination av dessa.

7. Förfarande enligt vilket som helst av krav 1-4, där tensiden som finns närvarande är en anjonisk tensid eller tensidblandning.

8. Förfarande enligt vilket som helst av krav 1-4, där tensiden som finns närvarande är en katjonisk tensid eller tensidblandning.

9. Förfarande enligt vilket som helst av de föregående kraven, där tensidinnehållet i impregrieringsvätskan reduceras, eller elimineras helt, efter avgasningen. 13

10. Förfarande enligt krav 9, där nämnda reducering eller eliminering av tensidinnehållet uppnås genom en ytterligare värinning och/eller höjning av temperaturen hos impregneringsvätskan.

11. Användning av ett förfarande enligt vilket som helst av kraven 1-10 för impregnering av en pappersisoleríng, i en oljefylld kabel av konventionell typ, företrädesvis en högspänningskabel, med en impregneringsvätska, företrädesvis en olja ochfeller avgasning av impregneringsvätskan, oljan, utförs i närvaro av tensid, varvid kabeln innefattar en ledare omgiven av isoleringen vilken innefattar högrent cellulosapapper och karbonpapper, och ett isoleringen omgivande hölje.