SE512745C2 - Elektrisk DC-kabel med isoleringssystem omfattande en strängsprutad polyetenkomposition och en metod för framställning av sådan kabel - Google Patents

Description

Åülflmllil »alliiiüiiwliiiiiäuitm lat. 512 745 av utrustning eftersom systemets effektfaktor alltid är ett och en möjlighet att använda en given isoleringstjocklek eller isolationsavstånd vid en högre drifts- spänning. Mot dessa mycket betydande fördelar måste man väga den höga kost- naden för anslutningsutrustningen för omvandling av AC till DC och för omvändning av DC tillbaka till AC. För en given överföringseffekt är emellertid anslutningskostnaderna konstanta och därför blev DC-överföringssystem eko- nomiska för de system som inbegrep långa distanser. DC-teknologi blir sålunda ekonomisk för system avsedda för överföring över långa distanser såsom när överföringsdistansen i typiska fall överstiger den längd för vilken besparingarna i överföringsutrustning överstiger kostnaden för anslutningsanläggningen.

En viktig fördel med DC-drift är elimineríngen av praktiskt taget dielektriska förluster, varigenom en betydande vinst i effektivitet och besparingar i utrust- ning erbjudes. DC-låckströmmen är av sådan liten storlek att den kan ignoreras vid märkströmsberälniingar, under det att i AC-kablar dielektriska förluster för- orsakar en betydande reduktion i märkström. Detta är av avsevärd betydelse för system med högre spänningar. På samma sätt är hög kapacitans ej en nackdel i DC-kablar. En typisk DC-överföringskabel innefattar en ledare och ett isole- ringssystem omfattar ett flertal skikt, såsom en inre halvledande skärm, en iso- leringsbaskropp och en yttre halvledande skärm. Kabeln kompletteras även med hölje, armering etc. för att motstå vattenpenetration och eventuellt mekaniskt slitage eller krafter under produktion, installation och användning.

Nästan samtliga de DC-kabelsystem som hittills tillhandahållits har varit avsedda för sjökabelförbindelser eller landkabeln som är förbunden med dem.

För långa förbindelser våljes kabeltyp med homogen massaimpregnerad pap- persisolering eftersom det ej finnes några restriktioner avseende längd på grund av tryckfordringar. Den har tillhandahållits för driftspänningar på 450 kV. Hit- tills har en kropp isolerad med väsentligen helt och hållet pappersisolering impregnerad med en elektrisk isoleringsolja använts men användning av lami- nerat material såsom ett polypropenpapperslaminat överväges för användning vid spänningar upp till 500 kV för att dra fördel av ökad impulsstyrka och redu- cerad diameter. 512 745 3 Liksom i fallet med AC-överföringskablar är transienta spänningar en faktor som måste tas med i beräkningen vid bestämning av isoleringstjockleken för DC-kablar. Det har framkommit att det mest besvärliga tillståndet inträffar när en transient spänning med motsatt polaritet till driftspänningen pálägges på systemet när kabeln är fullt belastad. Om kabeln är ansluten till ett luftled- ningssystem inträffar ett sådant förhållande vanligtvis som ett resultat av blixt- transienter.

Strängsprutad homogen isolering baserad på en polyeten, PE, eller en tvärbun- den polyeten, XLPE, har i nästan 40 år använts för kabelisolering för AC-över- föring och distribution. Möjligheten av att använda XLPE och PE för DC-kabel- isolering har därför undersökts under många år. Kablar med sådan isolering har samma fördel som den massaimpregnerade kabeln genom att för DC-över- föring ñnnes icke några begränsningar på, kretslängd och de har även en poten- tial för att fungera vid högre temperaturer. Ifråga om XLPE, 90°C i stället för 50°C för konventionella massaimpregnerade DC-kablar, varigenom sålunda en möjlighet att öka överföringsbelastningen erbjudes. Det har emellertid icke varit möjligt att erhålla den fullständiga potentialen av dessa material för kablar i full skala. Det antages att ett av huvudskälen är framkallande av rymdladdning i dielektrikurnet vid utsättning för ett DC-fält. Sådana rymdladdningar förvränger spänningsfördelningen och består under långa tidsperioder beroende på den höga resistiviteten för polymererna. Rymdladdningar i en isoleringskropp vid utsättning för krafterna i ett elektriskt DC-fålt ackumuleras verkligen på ett sätt så att ett polariserat mönster liknande en kondensator bildas. Det finns två grundläggande typer av rymdladdningsackumuleringsmönster som skiljer sig i polaritet för rymdladdningsackumuleringen med hänsyn till polariteten. Rymd- laddningsackumuleringen resulterar i en lokal ökning vid vissa punkter hos det aktuella elektriska fältet i förhållande till det fält, som skall tas med i beräk- ningen när man överväger de geometriska dimensionerna och dielektriska egen- skaperna för en isolering. Den ökning som noteras i det aktuella fältet kan vara 5 eller t.o.m. lO gånger det avsedda fältet. Det planerade fältet för en kabelisole- ring måste sålunda innefatta en säkerhetsfaktor som tar hänsyn till detta avse- värt högre fält, vilket resulterar i användning av tjockare och / eller dyrbarare iillllih. til I. . v.. .i |....l|i\ . man. .;. 512 745 4 material i kabelisoleringen. Uppbyggnaden av rymdladdningsackumulering är ett långsamt förfarande varför detta problem accentueras när polariteten för kabeln efter att den utnyttjats under en lång tidsperiod med samma polaritet kastas om. Som ett resultat av omkastningen överlagras ett kapacitetsfålt på det fält som erhålles som resultat av rymdladdningsackumuleringen och punkten för maximal fåltspänning flyttas från grânsytan och in i isoleringen. Försök har orts att förbättra situationen genom användning av tillsatsmedel för att redu- cera isolationsresistansen utan att allvarligt påverka de andra egenskaperna.

Hittills har det icke varit möjligt att tävla med de elektriska prestanda som uppnås med kablar isolerade med impregnerat papper och icke några kommer- siella DC-kablar med polymerisolering har installerats. Framgångsrika labora- torietester har emellertid redovisats för en 250 kV kabel med en maximal påkånning av 20 kV/ mm med användning av XLPE-isolering med mineralfyll- medel (Y. Maekawa et al, Research and Development of DC XLPE Cables, JiCable'91, sid. 562-569). Detta påkänningsvärde kan jämföras med 32 kV/ mm som användes som ett typiskt värde för massaimpregnerade papperskablar.

En strängsprutad hartskomposition för AC-kabelisolering omfattar i typiska fall ett polyetenharts som baspolymer kompletterad med olika tillsatsmedel såsom ett peroxid-tvärbindningsmedel, ett anvulkningsfördröjande medel och en anti- oxidant eller ett system av antioxidanter. Ifråga om en strängsprutad isolering är även de halvledande skärmarna i typiskt fall strängsprutade och omfattar en hartskomposition som förutom baspolymeren och ett elektriskt ledande eller halvledande fyllmedel omfattar väsentligen samma typ av tillsatsmedel. De olika strängsprutade skikten i en isolerad kabel är i allmänhet ofta baserade på ett polyetenharts. Polyetenharts betyder vanligtvis och i denna ansökan ett harts baserat på polyeten eller en sarnpolymer av eten, vari etenmonomeren utgör en större del av massan. Polyetenhartser kan sålunda vara sammansatta av eten och en eller flera monomerer som är sampolymeriserbara med eten. LDPE, låg- densitets-polyeten, är idag det dominerande isoleringsbasrnaterialet för AC- kablar. För förbättring av de fysikaliska egenskaperna för den strängsprutade isoleringen och dess förmåga att motstå nedbrytning och sönderdelning under inverkan av de betingelser som råder under framställning, frakt, läggning och 512 745 5 användning av en sådan kabel omfattar den polyetenbaserade kompositionen i typiska fall tillsatsmedel såsom: - Stabiliserande tillsatsmedel, exempelvis antioxidanter, elektroneliminerings- medel för att motverka sönderdelning beroende på oxidation; strålning etc.; - smörjningstillsatsmedel, exempelvis stearinsyra, för ökning av bearbetbarhet; - tillsatsmedel för ökad förmåga att motstå elektrisk påkänning, exempelvis en ökad vattenträdsbeständighet, exempelvis polyetylenglykol, silikoner etc.; och - tvärbindningsmedel såsom peroxider, vilka vid upphettning sönderdelas till fria radikaler och initierar tvärbindning av polyetenhartset, ibland använt i kombination med - omättade föreningar som har förmåga att öka tvärbindningstätheten; - anvulkningsfördröjningsmedel för undvikande av förtidig tvârbindning.

Antalet av olika tillsatsmedel är stort och de möjliga kombinationerna därav är väsentligen obegränsade. Vid val av ett tillsatsmedel eller en kombination eller grupp av tillsatsmedel är målet att en eller flera egenskaper skall förbättras medan andra skall bibehàllas eller om möjligt även förbättras. I realiteten är det emellertid alltid nästan omöjligt att förutse alla möjliga bieffekter av en föränd- ring i systemet av tillsatsmedel. I andra fall är de förbättringar som eftersträvas av sådan dignitet att några mindre negativa mäste accepteras även om det alltid är ett mål att reducera sådana negativa effekter till ett minimum.

En typisk polyetenbaserad hartskomposition för användning som en sträng- sprutad, tvärbinden isolering i en AC-kabel omfattar: 100 viktdelar lågdensitets-polyeten (922 kg/ m3) med smältindex (MFRZ) av 0,4 - 2,5 g/ 10 minuter, 0,1 - 0,5 phr (delar per hundra delar harts) av en antioxidant, exempelvis SANTONOX R® (Flexsys Co.) med den kemiska benämningen 4,4'-tio-(bis(6-tert- butyl-m-kresol), eller andra antioxidanter eller kombination av antioxidanter, 1,0 - 2,5 phr av ett tvärbindningsmedel, DICUP R® (Hercules Chem.) med den kemiska benämningen dikumylperoxid.

Det är emellertid välkänt att alla tvärbundna polyetenkompositioner som använ- des som strängsprutad isolering i AC-kabelsystem uppvisar stark tendens att L.. ul lim 'li NN nlíni» i i 512 745 6 ackumulera rymdladdning under DC-elektrisk påkânning, vilket sålunda gör dem olämpliga att använda i isoleringssystem för DC-kablar. Det är även känt att utsträckt avgasning, dvs. exponering av den tvärbundna kabeln vid höga temperaturer för ett högt vakuum under långa tidsperioder, kommer att resul- tera i en något minskad tendens till rymdladdningsackumulering under DC- spänningspåkänning. Det antages vanligtvis att vakuumbehandlíngen avlägsnar peroxidsönderdelníngsprodukterna, såsom "acetofenon" och "kumylalkohol", från isoleringen varigenom rymdladdningsackumulering reduceras. Avgasning är ett tidsödande satsvist förfarande jämförbart med impregneríng av pappers- isoleringar och sålunda dyrbart. Det är därför fördelaktigt om behovet av avgas- ning undanröjes.

Ett ändamål enligt uppfinningen är att tillhandahålla en isolerad DC-kabel med ett elektriskt isoleringssystem lämplig för användning som en överförings- och distributíonskabel i kabelnåt och installationer för DC-överföring och distribu- tion av elektrisk kraft. Kabeln skall omfatta en homogen strängsprutad ledariso- lering som kan anbringas och bearbetas utan behov av någon långvarig tids- ödande satsvis behandling såsom impregnering eller avgasning, dvs. vakuum- behandling av kabeln. Genom detta reduceras produktionstiden och sålunda produktionskostnaderna för kabeln varigenom möjligheten av en väsentligen kontinuerlig eller åtminstone halvkontinuerlig framställning av kabelísolerings- systemet erbjudes. Vidare skall pålitligheten, de låga underhållsfordringarna och den långa livslängden för konventionella DC-kablar omfattande en massa- irnpregnerad pappersbaserad isolering bibehållas eller förbättras. Dvs. kabeln enligt föreliggande uppfinning skall ha stabila och oföränderliga dielektriska egenskaper och en hög och oföränderlig elektrisk hållfasthet. Kabelisoleringen skall uppvisa en låg tendens till rymdladdningsackumulering, en hög DC- genombrottshållfasthet, en hög impulshållfasthet och ett högt isolationsmot- stånd. Ersättning av det impregnerade papperet eller cellulosabaserad tape med strängsprutad polymerisolation skall som en extra fördel öppna för en ökning i elektrisk hållfasthet och sålunda medge en ökning i driftspänningar, göra kabeln lätthanterlig och förbättra robustheten. 512 745 7 Ett ändamål enligt uppfinningen även att tillhandahålla en kabel omfattande en strängsprutad, tvärbunden isolation baserad på polyeten som har låg eller icke någon rymdladdningsackumulering i isolationen under DC-elektriska påkänningar, varigenom alla problem som hör samman med rymdladdnings- ackumulering elimineras eller åtminstone reduceras väsentligt. Den skall även tillhandahålla kapacitet att reducera sâkerhetsfaktorer i konstruktionsvärden som användes för dimensionering av kabelisolationen.

Ett ytterligare ändamål är att tillhandahålla en metod för tillverkning av isole- ringen för en sådan isolerad DC-kabel enligt föreliggande uppfinning. Förfaran- det enligt denna aspekt av föreliggande uppfinning för anbiíngning och bearbet- ning av ledarisolationen skall vara väsentligen fritt från driftsteg som kräver långvarig satsvis behandling av fullständiga kabellängder eller långa längder av kabelkänia. Förfarandet skall även uppvisa en potential för att användas på ett kontinuerligt eller halvkontinuerligt sätt för framställning av långa längder av DC-kabel.

Det har nu överraskande framkommit att utomordentliga resultat med avseende på ackumulering av rymdladdning under inverkan av ett DC-elektriskt fält kan uppnås genom införlivning i XLPE-kompositioner för elektriska kablar av ett specifikt glycerolfettsyraestertillsatsmedel, eventuellt i kombination med ytterli- gare tillsatsmedel.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller sålunda en DC-elektrisk kraftkabel omfattande en ledare och ett strängsprutat, tvärbundet, homogent isolations- system omfattande minst tre skikt anordnade runt ledaren, som utmårkes av att det strängsprutade isolationssystemet omfattar en polyetenbaserad massa till vilken tillsatsmedel innefattande ett Wårbindningsmedel, ett anvulkningsför- dröjande medel, en antioxidant och ett tillsatsmedel omfattande en glycerolfett- syraester med den allmänna formeln (I) R1o(c3H5(oR2)o)nR3 (i) maunm» n m» m 512 745 8 vari n 2 1, lämpligen, beroende på kommersiell tillgänglighet, n = 1-20 och ännu lämpligare n = 3-8, Rl, RQ och R3, som är lika eller olika, betecknar väte eller resten av en karb- oxylsyra med 8-24 kolatomer, med det förbehållet att det finns minst två fria OH-grupper och minst en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen. I det fail att RQ och Rs båda betecknar väte-(H)-atomer och Rl = R kommer karboxylresterna hos formeln att anta den enkla formen (II) RO(CH2CH(OI-I)CH2O)nl-I (II) Den blandade polyetenbaserade isoleringen strängsprutas i typiska fall och upphettas till en förhöjd temperatur under en tidsperiod som är tillräckligt lång för att tvärbinda isoleringen. Temperaturen och tidsperioden regleras så att tvärbindningsförfarandet optimeras.

Kabelisolationssystemet kan anbringas på ledaren med ett väsentligen konti- nuerligt förfarande utan behov av långvariga satsvisa behandlingar såsom exempelvis vakuumbehandling. Den låga tendensen till rymdladdningsackumu- lering och den ökade DC-genombrottshållfastheten för konventionella DC-kablar omfattande en impregnerad pappersisolering bibehálles eller förbättras. Isole- ringsegenskaperna för DC-kabeln enligt föreliggande uppfinning uppvisar en all- män långtidsstabilitet så att livslängden för kabeln bibehålles eller ökas.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller även en metod för framställning av en DC-kabel såsom beskrevs i det föregående. I den mest allmänna formen omfat- tar förfarandet för framställning av en isolerad DC-kabel omfattande som en ledare en strängsprutad tvärbunden polyetenbaserad ledarisolation följande steg: - Utläggning eller på annat sätt framställning av en ledare med vilken som helst önskad form och konstitution; - blandning av en polyetenbaserad hartskompositíon omfattande till- 512 745 satser av ett tvârbindningsmedel, ett anvulkningsfördröjande medel, antioxidant och ett rymdladdningsreducerande tillsatsmedel - strängsprutning av den blandade polyetenbaserade hartskompositio- nen för framställning av en ledarisolation anordnad runt ledaren i DC-kabeln (lämpligen anbringas treskikts-isolationssystemet omfat- tande isolationsskiktet kompletterat med de tvâ halvledande skär- marna med användning av ett verkligt trippelstrångsprutningsför- farande) - tvärbindning av den strängsprutade isoleringen - vari enligt föreliggande uppfinning ett rymdladdningsreducerande tillsatsmedel omfattande en glycerolfettsyraester med den allmänna formeln (I) sâttes till polyetenhartset vid blandning; 121o(c3H5(oR2)o)nR3 (I) vari n 2 1, Rl, RQ och RS, som är lika eller olika, betecknar väte eller resten av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer, med det förbehållet att det finns minst två fria OH-grupper och minst en rest av en karb- oxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen, - och vari den blandade polyetenbaserade hartskompositionen sträng- sprutas och tvärbindes vid en förhöjd temperatur och anbringat tryck och under en tidsperiod som är tillräckligt lång för att tvârbinda isole- ringen.

Andra sârskiljande kännetecken och fördelar hos föreliggande uppfinning kom- mer att framgå av följande beskrivning och bifogade patentkrav.

För att använda strängsprutad polyeten eller tvärbunden polyeten (XLPE) som isolation för DC-kablar måste flera faktorer tas med i beräkningen. Den vikti- ._ _.a_,.__._*-,,.m,l,. 512 745 10 gaste frågan är rymdladdningsackumuleringen under DC-spänningspåkänning.

Föreliggande uppfinning åstadkommer sådan betydande minskning i rymdladd- ningsackumuleríng som i typiska fall inträffar i en DC-kabel i drift genom inför- livning av en liten mängd av ett tillsatsmedel med den allmänna strukturen (I) in i polyetenen eller den tvärbindningsbara polyetenblandningen. Föreningen med den allmänna strukturen (I) är en mono- eller polyglyceroleter där minst en OH-grupp bildar en ester med en karboxylsyra med 8-24 kolatomer. Föreningen med struktur (I) är lämpligen en monoester, dvs. den innehåller en karboxyl- syrarest med 8-24 kolatomer per molekyl. Den esterbildande karboxylsyran bil- dar vidare lämpligen ester med en primär hydroxylgrupp hos glycerolföreningen.

Föreningen med formel (I) kan innefatta 1-20, lämpligen 1-15, företrädesvis 3-8 glycerolenheter, dvs. n i formeln (I) är 1-20, lämpligen 1-15 och företrädesvis 3-8.

När Rl, RQ och R3 i formel (I) icke betecknar väte, betecknar de resten av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer. Dessa karboxylsyror kan vara mättade eller omättade och grenade eller ogrenade. Åskädliggörande, icke-begränsande exempel på sådana karboxylsyror är laurinsyra, myristinsyra, palmitinsyra, stearinsyra, oljesyra, linolsyra, linolensyra och behensyra. När karboxylresten är omättad kan omättnaden utnyttjas för bindning av föreningen med struktur (I) till etenpolymeren hos kompositionen och sålunda effektivt förhindra migre- ring av föreningen med struktur (I) från kompositionen.

I formel (I) kan Rl, RQ och Rs beteckna samma karboxylsyrarest, såsom stea- royl, eller olika karboxylrester, såsom stearoyl och oleyl.

För att förhindra migrering och utsvettning skall föreningen med struktur (I) vara kombinerbar med den komposition i vilken den införlivas och i synnerhet med etenbashartset hos kompositionen.

Föreningarna med struktur (I) är kända kemiska föreningar eller kan framstäl- las medelst kända metoder. En förening med formel (I) där n = 3 är sålunda kommersialiserad som Atmer® 184 (eller 185) av ICI, Storbritannien, och en där 512 745 ll n i genomsnitt är 8, som har en fettsyrarest per molekyl, kan erhållas från ICI under beteckningen SCS 2064®. Andra kända kommersiella föreningar som kan beskrivas med formel (II) år TST 221® (n = 6 och R = linolsyrarest (omâttad C18-syra)), TST 2l5® (n = 6 och R = stearinsyra (mättad C18-syra)) och TST 216® (n = 6 och R = behensyra (omâttad CQQ-syral) alla levererade av Danisco, Danmark.

Föreningen med formel (I) införlivas i kompositionen enligt uppfinningen i en mängd som år effektiv för inhibering av rymdladdningsackumulering under DC- påkänning. Detta innebär vanligtvis att föreningen med formel (I) införlivas i en mängd av ungefär 0,05-Z viktprocent, lämpligen 0,1-l viktprocent, av komposi- tionen.

Förutom föreningen med formel (I) kan kompositionen för blandníngarna för DC-kablarna enligt föreliggande uppfinning innefatta konventionella tillsats- medel, såsom antioxidanter, för att motverka sönderdelning beroende på oxida- tion, strålning etc.; smörjande tillsatsmedel, såsom stearinsyra; tvärbindnings- tillsatsmedel, såsom peroxider, vilka sönderdelas vid upphettning och initierar tvårbindning; och andra tillsatsmedel, såsom anvulkningsfördröjande medel och kompatibiliseringsmedel. Den totala mängden tillsatsmedel, innefattande före- ningen med formel (I) i kompositionen enligt föreliggande uppfinning skall icke överstiga ungefär 10 viktprocent av kompositionen.

Förutom föreningen med formel (I) och andra konventionella och valfria tillsats- medel som nämnts ovan omfattar kompositionen enligt uppfinningen över- vägande en etenpolymer såsom tidigare angivits. Valet av och kompositionen för etenpolymeren varierar beroende på huruvida kompositionen är avsedd som ett isolerande skikt hos en elektrisk kabel eller som ett inre eller yttre halvledande skikt hos en elektrisk kabel.

En komposition för ett isolerande skikt hos en elektrisk kabel enligt uppfin- ningen kan exempelvis omfatta ungefär 0,05 till ungefär 2 viktprocent av före- ningen med formel (I) tillsammans med andra konventionella och valfria tillsats- lllJ lll 512 745 12 medel; 0 till ungefär 4 viktprocent av ett peroxidtvärbindriingsmedel; varvid återstoden av kompositionen väsentligen består av en etenpolymer. Sådan eten- polymer är lärnpligen en LDPE, dvs. en etenhomopolymer eller en sampolymer av eten och en eller flera ot-olefiner med 3-8 kolatomer, såsom l-buten, 4-metyl- l-penten, l-hexen och 1-okten. Mängden av oc-olefinsammonomeremerna) kan ligga inom området från ungefär 1 till ungefär 40 viktprocent av etenmonome- ren. En sampolymer av eten tillsammans med mindre mängder, dvs. upp till 5 viktprocent av en eller flera polär(a) sammonomer(er), exempelvis vinylacetat, metylakrylat, etylakrylat, butylakrylat eller dirnetylamino-propylmetakrylarnid (DMAPMA) kan även användas.

På liknande sätt kan en komposition för ett halvledande skikt hos en elektrisk kabel omfatta ungefär 0,05 till ungefär 2 viktprocent av en förening med formel (I) tillsammans med andra konventionella och valfria tillsatsmedel; ungefär 30-80 viktprocent av en etenpolymer; kolsvart i en mängd som är minst tillräck- lig för att göra kompositionen halvledande, lämpligen ungefär 15-45 viktprocent kolsvart; 0 till ungefär 30 viktprocent av en akrylnítril-butadien-sampolymer; och O till ungefär 4 viktprocent av ett peroxidtvärbindningsmedel. I detta sarn- manhang är etenpolymeren en etensampolymer med den sammansättning som beskrevs för isoleringsskiktet eller en etensampolymer, såsom EVA (eten-vinyl- acetat), EMA (eten-metylakrylat), EEA (eten-etylakrylat) eller EBA (eten-butyl- akrylat).

En DC-kabel enligt föreliggande uppfinning med ett strängsprutat, tvärbundet isolationssystem omfattande en tvärbunden polyetenkomposition, XLPE, och ett tillsatsmedel med struktur (I) uppvisar betydande fördelar såsom: - En väsentligt reducerad tendens för rymdladdningsackumulering och följakt- ligen en ökad DC-genombrottshållfasthet.

Kabeln i följande exempel enligt föreliggande uppfinning erbjuder även god pres- tanda och stabilitet för det strängsprutade kabelisolationssystemet även när höga temperaturer har använts under strängsprutning, tvärbindning eller annan högtemperaturs-konditionering. 512 745 13 DC-kabeln enligt föreliggande uppfinning erbjuder möjlighet till framställning med ett väsentligen kontinuerligt förfarande utan något tidsödande satsvist steg såsom impregnering eller avgasning, varigenom man öppnar för betydande reduktion i framstållningstid och sålunda produktionskostnader utan att ris- kera den tekniska prestandan för kabeln.

För att ytterligare underlätta förståelsen av uppfinningen kommer nägra åskåd- liggörande, icke-begränsande exempel att anges nedan. I exemplen är alla kom- positioner angivna som viktdelar per hundra viktdelar harts, såvida icke något annat anges.

Föreliggande uppfinning kommer att beskrivas närmare i detalj under hänvis- ning till ritningania och exemplen. Figur 1 visar en bild i genomskâniing av en kabel för högspänningslikströmsöverföring av elektrisk kraft enligt en utförings- form av föreliggande uppfinning. Figur 2 visar konfigurationen för testplattorna.

Figurerna 3 till 14 visar rymdladdningsregistreríngar för mätningar på plattor med XLPE-kompositioner som användes i tidigare isolerade AC-kablar och för kompositioner enligt föreliggande uppfinning.

DC-kabeln enligt den utföringsform av föreliggande uppfinning som visas i figur 1 omfattar från centrum och utåt: - En kablad rnångtrådig ledare 10; - en första strângsprutad halvledande skärm 11 anordnad runt och utanför ledaren 10 och innanför en ledarisolering 12; - en strängsprutad ledarisolering 12 med en strângsprutad tvårbunden kompo- sition; - en andra strängsprutad halvledande skärm 13 anordnad på utsidan av ledar- isoleringen 12; - en metallisk skärm 14; och - ett yttre hölje eller mantel 15 anordnad på utsidan av den metalliska skärmen 14.

.JJ 512 745 14 DC-kabeln kan när så bedömes lämpligt ytterligare kompletteras på olika sätt med olika funktionella skikt eller andra kännetecken. Den kan exempelvis kompletteras med en förstärkning i form av metalltrådar på utsidan av den yttre strängsprutade skärmen 13, en förseglingsmassa eller ett vattensvällande pul- ver infört i metall/ polymer-gränsytorna eller ett system av fuktspärrskikt upp- nått genom exempelvis ett korrosionsbeständigt metall-polyeten-laininat och longitudinell vattenförsegling uppnàdd genom vattensvällningsmaterial, exem- pelvis band eller pulver under manteln 15. Ledaren behöver icke vara kablad utan kan vara av vilken som helst önskad form och konstitution såsom en kab- lad mångtrådig ledare, en homogen ledare eller en segrnentformad ledare.

Den testplatta 20 som användes för mätning av rymdladdningsfördelningen som visas i figur 2 omfattar två halvledande elektroder 21 tillverkade av en kolsvart- fylld etensampolymer och ísoleringskroppen 22 med den komposition som anges itabell 1.

Figurerna 3, 5, 7, 9, 11 och 13 visar fördelningen av rymdladdning i godtyckliga enheter i "spänning-på"-tillstånd som en funktion av avstånd från den jordade elektroden. På liknande sätt visar figurerna 4, 6, 8, 10, 12 och 14 fördelningen av rymdladdning l godtyckliga enheter i "spänning-av"-tillstånd som en funktion av avstånd från den jordade elektroden (observera att skalorna i "spänning-på"- tillståndet och "spänning-av"-tillståndet år olika).

För att underlätta förståelsen av uppfinningen kommer några åskådliggörande, icke-begränsande exempel att anges nedan. I de följande exemplen framställdes testplattor med olika kompositioner och utsattes för mätningar av rymdladd- ningsackumulering genom registrering av rymdladdningsprofilerna. Profilerna registrerades med användning av Pulsed Electro Acoustic (FEM-tekniken. PEA- tekniken är välkänd inom tekniken och beskrives av Takada et al. i IEEE Trans.

Elec. Insul., vol. El-22 (nr 4), sid. 497-501 (1987). Rymdladdningsprofilerna som visas i de följande exemplen är antingen "spänning-på", dvs. registrerade rymd- laddningsprofiler under elektrisk påkånning efter 3 timmars DC-spânnings- anbringníng, eller "spänning-av", dvs. registrerade rymdladdningsproñler 512 745 15 omedelbart efter jordning av elektroderna (före jordning anbringades en DC- spänning under 3 timmar).

De kompositioner som visas i tabell 1 framställdes alla på konventionellt sätt genom blandning av komponenterna i en strängsprumingsanordning. Testplat- torna tillverkades i ett tvåstegsförfarande. I det första steget pressformades iso- leringen från ett strängsprutat band vid 130°C i 10 minuter till cirkulära plattor med en diameter av 210 mm och en tjocklek av 2 mm. I det andra förfarandet monterades två 'halvledande elektroder i centrum på varje sida av de cirkulära isoleringsplattorna och aggregatet upphettades till 180°C i 15 minuter i en elektrisk press såvida icke något annat anges. Högtemperaturcykeln ordes för att fullborda tvärbindningen. Testplattorna kyldes därefter till omgivande tem- peraturer och tryckf Mylar®-ñ1mer användes som bärare under pressforrn- ningen. De halvledande elektroderna tillverkades av en kommersiell produkt, LE O500® fràn Borealis, Sverige. Denna blandning omfattar eten-butqylakrylat-sam- polymer och acetylensvart. Dimensionerna för dessa elektroder var I mm i tjocklek och 50 mm i diameter. Figur 2 visar konfigurationen och dimensio- nerna för testplattorna.

Rymdladdningsprofilerna för testplattorna registrerades med en anordning för PEA-analys vid 50°C. En elektrod var jordad och den andra hölls vid en spän- ning av +40 kV, dvs. den elektriska fåltstyrkan i plattan var 20 kV / mm. I rymd- laddningsproñlerna i figurerna 3-14 redovisas den elektriska laddningen per volymenhet som en funktion av testplattetjocklek, dvs. noll är positionen för den jordade elektroden och x anger avståndet från den jordade elektroden i riktning mot högspännings-(+40 kV)-elektroden. I "spänning-pá"-tillstándet registrerades rymdladdningsprofilen efter 3 timmars spänningsanbringning. I "spänning-av"- tillståndet registrerades rymdladdningsprofilen omedelbart efter jordning av högspänningselektroden (dvs. efter 3 timmar vid +40 kV). Rymdladdningsproñ- lema anges i godtyckliga enheter av laddning per volym isolering. Den förstärk- ning som användes under "spänning-av" högre än under "spänning-på". De skalor som användes för alla prov i endera tillståndet är emellertid jämförbara. .im lt lMm . Hllllxll Fitlut fl;- g i -..í-'Hil .Åll 512 745 16 Exempel 1, 2 och 3 år jåmförelseexempel. Kompositionen för isoleringsmateria- let i dessa exempel motsvarar den uppfinning som beskrives i svenska patent- ansökan nr 9704825-0 (1997-12-22).

EXEMPEL l En 2 mm tjock testplatta av polyeten med komposition A (se tabell 1) utrustad med två halvledande elektroder och tvärbunden vid 180°C i 15 minuter testades vid 50°C i en anordning för PEA-analys. Plattan var insatt mellan två plana elektroder och utsattes för ett 40 kV direktspänningselektriskt fält. Dvs. en elektrod jordades och den andra elektroden hölls vid en spånningspotential av +40 kV. Rymdladdníngsprofilen som visas i figur 3 registrerades i det s.k. "spän- ning-påfl-tillståndet efter 3 timmars exponering för DC-spänningspåkänning.

Laddningen per volymenhet redovisas i godtyckliga enheter som en funktion av testplattetjocklek, dvs. 0 är vid den jordade elektroden och x anger avståndet från den jordade elektroden i riktning mot +40 kV-elektroden.

Figur 4 visar rymdladdningsproñlen omedelbart efter jordning av högspännings- elektroden vid slutet av 3 timmars högspänningselektriñering i det s.k. "spän- ning-av"-tillstà.ndet. Laddningen per volymenhet redovisas i godtyckliga enheter (olika det som användes i "spänning-pà"-tillståndet) som en funktion av test- plattetjocklek, dvs. O år den jordade elektroden och x anger avståndet från den jordade elektroden i riktning mot den ursprungliga högspänningselektroden.

EXEMPEL 2 För att testa effekten av avlägsnande av allt flyktigt material från isoleringssys- temet behandlades en testplatta av samma typ som i exempel 1 och tvärbunden vid 180°C i 15 minuter i ett högt vakuum vid 80°C i 72 timmar. Efter denna behandling registrerades rymdladdriingsproñlerna. Figur 5 visar "spânning-på"- tillståndet och ñgur 6 "spånning-av"-tillstàndet. 512 745 17 EXEMPEL 3 För att testa effekten av tvårbindningsbetingelser tvårbands en testplatta av samma typ som i exempel 1 vid 250°C i 30 minuter. Testplattan testades i en anordning för PEA-analys. Figur 7 visar "spâ.nning-pà"-tillståndet och ñgur 8 "spårming-aW-tülståndet.

EXEMPEL 4 En 2 mm tjock testplatta av polyeten med komposition B (se tabell 1) utrustad med två halvledande elektroder och tvärbunden vid l80°C i 15 minuter testades vid 50°C i en anordning för PEA-analys. Plattan infördes mellan två plana elekt- roder och utsattes för ett 40 kV direktspänningselektriskt fält. Dvs. en elektrod jordades och den andra elektroden hölls vid en spänningspotential av +40 kV.

Rymdladdningsprofilen som visas i figur 9 registrerades i det s.k. "spänning-på"- tillstàndet efter 3 timmars utsättning för DC-spånningspåkänning. Laddningen per volymenhet redovisas i godtyckliga enheter som en funktion av testplatte- tjocklek, dvs. O är den jordade elektroden och x anger avståndet från den jor- dade elektroden i riktning mot +40 kV-elektroden.

Figur 10 visar rymdladdningsprofilen omedelbart efter jordning av högspån- ningselektroden vid slutet av 3 timmars högspänningselektriñering i det s.k. "spänning-av"-tillståndet. Laddningen per volymenhet redovisas i godtyckliga enheter (olika det som användes i "spänning-på"-tillståndet) som en funktion av testplattetjocklek, dvs. O år den jordade elektroden och x anger avståndet från den jordade elektroden i riktning mot den ursprungliga högspårmingselektro- den.

EXEMPEL 5 För att testa effekten av avlägsnande av allt flyktigt material från isoleringssys- temet behandlades en testplatta av samma typ som i exempel 4 och tvårbunden vid l80°C i 15 minuter i ett högt vakuum vid 80°C i 72 timmar. Efter denna lllhl mn: lill l | nnmuwnn ._ "m- H n* j 512 745 18 behandling registrerades rymdladdningsprofilerna. Figur 1 1 visar " spänning- på"-tillståndet och figur 12 "spänning-av"-tillståndet.

EXEMPEL 6 För att testa effekten av tvärbindningsbetingelserna tvärbands en testplatta av samma typ som i exempel 4 vid 250°C i 30 minuter. Testplattan testades i en anordning för PEA-analys. Figur 13 visar 'spänning-påfl-tillståndet och figur 14 "spänning-av" -tillstándet Vid jämförelse av rymdladdningsprofilerna i exempel 1, 2 och 3 med rymdladd- ningsprofilema i exempel 4, 5 och 6 är det uppenbart att föreningen med formel (I) är ett extremt effektivt ryrndladdningsreduktionsmedel. Det framgår klart av tabell 2 att den rymdladdning som ackumuleras under liknande betingelser är mer än 50 % lägre när en förening med formel (I) sättes till isoleringskompositio- 11.611.

För att visa styrkan för rymdladdningsackumuleringsnedtryckníngseffekten av föreningen med formel (I) genomfördes följande experiment som redovisas i exempel 7, 8 och 9.

EXEMPEL 7 För att kontrollera eventuellt koncentrationsberoende av föreningen med formel (I) testades en 2 mm tjock testplatta av polyeten med komposition C (se tabell l), utrustad med två halvledande elektroder och tvärbunden vid l80°C i 15 minuter, vid 50°C i en anordning för PEA-analys. Ryrndlacldningsprofilerna i "spänning-på"-tillstånd och "spänning-av"-tillstånd var identiska med ñgur 9 resp. 10. 512 745 19 EXEMPEL 8 För att kontrollera inverkan av antioxidantsystemet på den rymdladdningsredu- cerande styrkan för föreningen med formel (I) framställdes tre testplattor av komposition D, E resp. F (se tabell 1) och testades såsom beskrevs i exempel 1.

Alla tre testplattorna visade rymdladdníngsprofiler i både "spánning-på"-till- stånd och "spånning-aW-tillstånd som var identiska med figur 9 resp. figur 10.

EXEMPEL 9 För att undersöka inverkan av andra tillsatsmedel på den rymdladdningsredu- cerande styrkan för en förening med formel (I) framställdes tre olika komposi- tioner G, H resp. I (se tabell 1) och testades såsom beskrevs i exempel 1. Alla tre testplattorna visade rymdladdningsprofiler i både "spånning-på"-til1stånd och "spänning-av"-tillstånd som var identiska med figur 9 resp. figur 10.

Det är uppenbart av resultaten i exempel 7, 8 och 9 att tíllsatsen av en förening med formel (I) år ett effektivt rymdladdningsreducerande medel i ett mycket brett område av tvärbundna polyetenkompositioner. m Ni nliill iii! 512 745 20 TABELL 1 Sarnmansâttning för XLPE-isoleringsblandningar Blandning nr A B C LDPE*, MFR2=0,8 100 100 100 LDPE*, MFR2=2 - - _ Irganox 1035** 0,2 0,2 0,2 Irganox PS 802*** 0,4 0,4 0,4 Antioxidant 3 - - - Antioxidant 4 - - - Förening med formel (1): - 0,6 0,9 Polyglycerylmono-fettsyraester (SCS 2064)**** N-metylpyrrolidon - - - Kompatibíliseríngsmedel 1 - - - Kompatibiliseringsmedel 2 - - - Dikumylperoxid 1,8 1 ,8 1,8 Anvulkningsfördröjande mede1***** f 0,4 0,4 0,4 Totalt 102,8 103,4 103,7 *LDPE, lågdensitets-polyeten, dvs. polyeten framställd genom radíkalpolymeri- safion vid högt tryck (densitet = 0,922 g/ cmß).

**Irganox 1035®, diester av 3-(3,5-di-tert-buty1-4-hydroxifeny1)propionsyra och tiodíglykol, Ciba-Geigy.

***Irganox PS 802®, di-steaxyl-tío-dípropionat, Ciba-Geigy.

****ICI, Storbritannien *****2,4-dífeny1-4-metylpenten-1, Nofmer MSD®, Nippon Oil and Fats. 512 745 21 TABELL 1 (forte) Sammansâttziing för XLPE-isoleringsblandningar Blandning nr D E F LDPE*, MFR2=0,8 100 100 100 LDPE*, MFR2=2 - - - Irganox 1035** 0,15 0,2 0,2 Irganox PS 802*** - - - Antioxidant 3 0,08 - - Antioxidant 4 - 0,2 0,2 Förening med formel (1): 0,6 0,6 0,35 Polyglycerylmono-fettsyraester (SCS 2064)**** N-metylpyrrolidon - - - Komgatibiliseringsmedel 1 - - - Kompatibiliseringsmedel 2 - - - Dikumylperoxid 1 ,8 1 , 8 1 ,8 Anvulkningsfördröjande mede1***** 0,4 0,4 0,4 Totalt 103,3 103,2 102,95 *LDPE, lågdensitets-polyeten, dvs. polyeten framställd genom radikalpolymeri- sation vid högt tryck (densitet = 0,922 g/ cm3).

"Irganox l035®, diester av 3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxifeny1)propionsyra och tiodiglykol, Ciba-Geigy.

***Irganox PS 802®, di-stearyl-tio-dipropionat, Ciba-Geigy.

****ICI, Storbritannien *****2,4-difeny1-4-mety1penten-1, Nofrner MSD®, Nippon Oil and Fats. _.....àl\l...f...au| Nu... . 512 745 22 TABELL 1 (forts.) Sanimansâttiiíng för XLPE-isoleringsblandningar Blandning nr G H I LDPE*, MFR2=O,8 100 - 100 LDPE*, MFR2=2 - 100 - Irganox 1035** 0,2 0,2 0,2 Irganox PS 802*** 0,4 0,4 0,4 Antioxidant 3 - - - Antioxidant 4 - - _ Förening med formel (1): 0,35 0,35 0,7 Polyglyceiylmono-fettsyraester (SCS 2064)**** N-metylpyrrolidon 0,07 0,05 0,07 Kompatibiliseringsmedel 1 - 0,35 - Kompatíbiliseringsmedel 2 0,25 - - Dikumylperoxid 1,8 1,8 1,8 Anvulkníngsfördröjande mede1***** 0,4 0,4 0,4 Totalt 103,47 103,55 103,57 *LDPE, lågdensitets-polyeten, dvs. polyeten framställd genom radikalpolymeri- sauon vid hög: nya; (densitet = 0,922 g/cmß).

**Irganox 1035®, diester av 3-(3,5-di-tert-buty1-4-hydroxifenyhpropionsyra och tiodíglykol, Ciba-Geigy.

***Irganox PS 802®, di-stearyl-tío-dipropionat, Ciba-Geigy.

****ICI, Storbritannien *****2A-difenyl-flf-metylpenten-1, Nofmer MSD®, Nippon Oil and Fats. 512 745 23 TABELL 2 Relatíva ømfattningar av den ackumulerade rymdladdníngen i "spänning-av"- tillstånd (efter 3 timmars DC-elektñfieríng vid 20 kV/mm) EXEMPEL 1 2 3 4 5 6 Komposition enligt tabell 1 e , A A A B B B Tvårbindningstemperatur, °C 1 80 1 80 250 180 180 250 Efter bearbetning (80°C/ 72 - + - - + - timmar/ vakuum) Relativ omfattning av rymdladdning i 1 00 '70 160 50 35 60 "spånning-av" -tillstånd Figur nr I 4 6 8 1 O 1 2 1 4

Claims (18)

512 745 24 PATENTKRAV

1. Isolerad elektrisk DC-kabel med en ledare och ett polymerbaserat iso- leringssystem omfattande minst tre skikt av strängsprutade och tvârbundna polyeten, XLPE, -baserade kompositioner, anordnade omkring ledaren, k å n - n e t e c k n a d av att den strängsprutade isoleringssystemet förutom de poly- etenbaserade blandningarna innefattar ett tillsatsmedel som är en glycerolfett- syraester med den allmänna formeln R1o(c3H5(oR-2)o)n123 (I) vari nzl, RI, RQ och R3, som är lika eller olika, betecknar väte eller resten av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer, med det förbehållet att det finns minst två fria OH-grupper och minst en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen.

2. DC-kabel enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att i förening (I) betecknar både RQ och R3 väteatomer och R1=R resten av karboxylsyra med 8-24 kolatomer, dvs. föreningen har formeln RO(CH2CH(OH)CH2O)nH (Il)

3. DC-kabel enligt patentkrav 1, k å n n e t e c k n a d av att n är 1-20, lämpligen 1-15 och företrädesvis 3-8.

4. DC-kabel enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen med formel (I) är en monoester.

5. DC-kabel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - 512 745 25 n a d av att estern är bildad mellan karboxylsyran och en primär hydroxyl- grupp hos glycerolföreningen.

6. DC-kabel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att föreningen med formel (I) år innefattad i både isolerings- och halv- ledande skikten.

7. DC-kabel enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen med formel (I) är innefattad endast i isoleringsskikteflen).

8. DC-kabel enligt något av patentkraven l-S, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen med forrnel (I) är innefattad endast i det(de) halvledande skik- tet(en).

9. DC-kabel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att föreningen med formel (I) finnes närvarande i polymerkompositio- nen(erna) i en mängd av minst 0,05 viktprocent baserat på den aktuella kompo- sitionen.

10. DC-kabel enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen med formel (I) finnes närvarande i polymerkompositionemerna) i en mängd av från 0,05 till 2 viktprocent, lämpligen från 0,1 till 1 viktprocent, av den aktuella kompositionen.

11. 1 1. DC-kabel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att polymerkompositionemema) innefattar en eller flera konventionella tillsatsmedel såsom antioxidanter, tvärbindningsmedel, smörjande tillsatsmedel, anvulkningsfördröjande medel och kompatibiliseringsmedel.

12. DC-kabel enligt patentkrav ll, k ä n n e t e c k n a d av att den totala mängden konventionella tillsatsmedel, innefattande föreningen med formel (I), i den aktuella kompositionen icke är mer än ungefär 10 viktprocent av den aktuella kompositionen. 512 745 26

13. DC-kabel enligt något av föregående patentkrav, k å n n e t e c k - n a d av att polyetenen (PE) väljes bland homopolymerer av eten, sampolymerer av eten med en eller flera on-oleñner med 3-8 kolatomer och sampolylnerer av eten med vinylacetat, metylakrylat, etylalqylat, butylakrylat eller dimetylamino- propylrnetakrylamid (DMAPMA).

14. Metod för framställning av en isolerad elektrisk DC-kabel omfattande stegen blandningskomponeñng av en polyeten-(PE-komposition, strängsprut- ning av nämnda blandade PE-komposition som en del av polymerbaserat isole- ringssystem anordnat omkring en ledare och därefter tvärbindning av PE-kom- positionen in i en XLPE-komposition, k å n n e t e c k n a d av att en förening med den allmänna formeln R1o(c3H5(oR2)o)nR3 (I) vari n2l, Rl, RQ och R3, som är lika eller olika, betecknar väte eller resten av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer, med det förbehållet att det finns minst två fria OFI-grupper och minst en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen; sättes till PE-kompositionen.

15. Metod enligt patentkrav 14, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen (I) tillsättes i en mängd av minst 0,05 % baserat på vikten av den aktuella kom- positionen-_

16. Metod enligt patentkrav 15, k ä n n e t e c k n a d av att föreningen (I) tillsättes i en mängd av 0,05 - 2 viktprocent, lämpligen från 0,1 till 1 viktpro- cent, av den aktuella kompositionen.

17. Metod enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att ett eller flera andra tíllsatsmedel såsom antioxidanter, smörjande tillsats- medel, tvårbindningsmedel, anvulkningsfördröjande medel och kompatibilíse- ringsmedel även sättes till kornpositionen. 512 745 27

18. Metod enligt något av patentlaaven 15 - 17, k â n n e t e c k n a d av att den totala mängden tillsatsmedel, innefattande föreningen med formel (I) som sâttes till varje komposition icke är mer än 10 víktprocent av den aktuella kompositionen.