CH664231A5 - Plastics insulation for metallic medium and high voltage wiring - with multi-phase structure, contg. fine inorganic powder with non-linear current voltage curve - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Isolation für metallische Mittel- und Hochspannungsleiter, insbesondere von ein- oder mehradrigen Kabeln, auf der Basis eines organischen Isoliermaterials.

Die elektrische Isolation für Mittel- und Hochspannungskabei besteht in zunehmendem Masse aus polymeren Kunststoffen. Diese Materialien weisen gegenüber den herkömmlichen Papier/Öl-Isolationen offensichtlich die folgenden Vorteile auf: - Einfacherer Herstellungsprozess für die Kabelisolation.

- Einfachere Montage, einfacheres Zubehör, insbesondere für Muffen und Endverschlüsse.

- Das nicht ölhaitige Festdielektrikum trägt dem Umweltschutz besser Rechnung.

Die heute auf dem Markt angebotenen Isolationsmaterialien aus polymeren Kunststoffen haben jedoch neben den erwähnten Vorteilen auch Nachteile. Insbesondere ist diesbezüglich die Alterung zu erwähnen. Darunter versteht man die Abnahme der elektrischen Durchschlagfestigkeit im Verlauf der Zeit. Während sich nämlich beim Papier/Öl-Dielektrikum die Durchschlagfestigkeit im Verlauf der Zeit kaum ändert, nimmt sie bei Isolationen aus polymeren Kunststoffen mit der Zeit ab. Bei einer konstanten Beanspruchung durch die elektrische Feldstärke tritt nach einer bestimmten Zeit der elektrische Durchschlag ein.

Die Alterung einer elektrischen Isolation aus polymeren Kunststoffen hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise von - der Zahl und Grösse der Hohlräume in der Isolation, - dem Wassergehalt der Isolation, - den partikelförmigen Verunreinigungen in der Isolation, - den geometrischen Unregelmässigkeiten an der Grenzfläche zwischen der Isolation und den angrenzenden Materialien, z.B. in Form von Zipfeln, Löchern, Rissen, Verwerfungen oder dgl.

Weiter kann die fortgesetzte hohe Spannungsbeanspruchung im Rahmen der Alterung des polymeren Kunststoffs auch zu Abbaureaktionen und zur Rissbildung führen, was die Alterungs- bzw. Ermüdungserscheinungen wiederum beschleunigt.

Die Kombination der genannten Faktoren führt zur Bildung von sogenannten Wasserbäumchen (Water trees) und elektrischen Bäumchen (Electrical trees) im polymeren Kunststoff.

Diese sich unter dem Einfluss des starken elektrischen Feldes in makroskopischem Massstab bäumchenartig ausdehnenden Wasseradern führen schliesslich zum verfrühten elektrischen Durchschlag der Isolation. Für die näheren Zusammenhänge betreffend Wasserbäumchen in polymeren Kunststoffen, insbesondere in Polyäthylen, wird auf die Zeitschrift IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. EI - 15 No. 6, December 1980, Seiten 437 - 450, verwiesen.

In jüngster Zeit sind zahlreiche Anstrengungen unternommen worden, in elektrischen Isolationsmaterialien aus polymeren Kunststoffen die Bildung von Wasserbäumchen zu verhindern: - Einsatz von Materialien, die höchste Reinheits- und Homogenitätsanforderungen erfüllen, und weder zu geometrischen Unregelmässigkeiten an der Grenzfläche führen, noch Verunreinigungen enthalten sollen.

- Dreifache Extrusion des polymeren Kunststoffs.

- Trockenvernetzung des polymeren Kunststoffs.

- Einbau einer metallischen Umhüllung oder Beschichtung über die Isolation, um die Wasserabsorption zu verhindern.

- Zugabe von die Hohlräume füllenden und/oder sog.

spannungsstabilisierenden organischen Zusätzen.

Die erwähnten, für sich oder kombiniert angewandten Massnahmen haben den Nachteil, dass sie bei geringer Wirksamkeit aufwendig und teuer sind bzw. den Beweis für eine dauerhafte Erhöhung der Alterungsbeständigkeit noch nicht erbracht haben.

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, die Alterungsbeständigkeit von aus polymeren Kunststoffen bestehenden Isolationen, die für Mittel- und Hochspannungsleiter eingesetzt werden, zu erhöhen, wobei der Aufwand in finanzieller, materieller und personeller Hinsicht bescheiden sein soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen mehrphasigen Aufbau der Isolation, der aus einem polymeren Kunststoff und mindestens einem homogen eingemischten, feinstkörnigen anorganischen Material mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskurve besteht.

Die Matrix der erfindungsgemässen Isolation aus einem polymeren Kunststoff braucht lediglich die handelsübliche Reinheit aufweisen und muss nicht mit einem speziellen Verfahren aufgebracht werden.

Die nichtlineare Strom-Spannungskurve des anorganischen Materials in feinst-dispergierter Form wirkt als Überspannungs ableiter im Mikrobereich und baut so Felderhöhungen ab, die durch in der Nähe liegende Inhomogenitäten erzeugt werden.

Unter Inhomogenitäten werden hier Hohlräume, partikelförmige Verunreinigungen und Unregelmässigkeiten an den Grenzflächen des polymeren Kunststoffs verstanden.

Die regelmässige Verteilung des feinstkörnigen anorganischen Materials im polymeren Kunststoff bewirkt weiter, dass das Wachstum der Wasserbäumchen auf eine mikroskopische Grösse begrenzt wird, die zu einer erhöhten Alterungsbeständigkeit des Polymers führt. Die von den Inhomogenitäten ausgehenden Kapillaren, Haarrisse und dgl. werden also durch die feinen Körner in ihrem Wachstum derart beschränkt, dass sie kein makroskopisches Ausmass annehmen können. Die elektrische Isolation aus einem polymeren Kunststoff wird durch eine grosse Anzahl von sehr kleinen Wasserbäumchen, bzw. deren Poren und Rissen, stabilisiert.

Neben dem feinstdispersen anorganischen Material mit einer itichtlinearen Strom-Spannungskurve kann zusätzlich feinstkörniges organisches oder anorganisches Material, das hydrophobe Eigenschaften hat, homogen eingemischt werden. Dadurch wird das Ausbreiten von Wasser innerhalb der elektrischen Isolation aus polymeren Kunststoffen und/oder von aussen in diese verhindert.

Die beiden in polymeren Kunststoffen fein dispergierten Phasen können bei entsprechenden Eigenschaften auch in einem Material vereinigt sein, welches sowohl eine nichtlineare Strom-Spannungskurve als auch hydrophobe Eigenschaften hat. Die erwünschten hydrophobischen Eigenschaften können beispielsweise durch eine an sich bekannte Oberflächenbehandlung erhalten werden.

Alle in die polymeren Kunststoffe feindispers eingemischten Partikel haben vorzugsweise eine Korngrösse von unter 1 um, das Material liegt also submikron vor. Für das feinstkörnige anodische Material mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskurve haben sich in der Praxis geeignete Oxide, Karbide, Nitride und/oder Boride, insbesondere Siliziumkarbid und/oder Zinkoxid als vorteilhaft erwiesen. Diese Materialien sind nach einer speziellen Oberflächenbehandlung hydrophob. Die Ober flächenbehandlung wird beispielsweise mittels einer Silanierung durchgeführt.

Wird eine dreiphasige elektrische Isolation eingesetzt, also zwei feindisperse Phasen in den polymeren Kunststoff eingearbeitet, so besteht das hydrophobe Material bevorzugt aus geeigneten Oxiden, Karbiden, Nitriden und/oder Boriden, insbesondere aus Siliziumdioxid.

Der polymere Kunststoff selbst besteht vorzugsweise aus vernetztem Polyäthylen (XLPE) oder Äthylen-Propylen-Kautschuk (EPR). Das vernetzte Polyäthylen ist ein reiner polymerer Kunststoff, während der Äthylen-Propylen-Kautschuk ein bereits gefüllter polymerer Kunststoff ist. Falls eine spannungsisolierende organische Substanz eingesetzt wird, kann diese z.B.

aus Diphenyl-p-Phenylendiamin, Pentachlorophenol, Phenyld-Naphtylamin oder 4-Bromodiphenyl bestehen.

Für bestimmte Anwendungsfälle hat es sich als praktisch erwiesen, die elektrische Isolation gegen den metallischen Leiter und nach aussen durch eine Schicht aus einem Halbleiter zu begrenzen. Bevorzugt besteht der Halbleiter aus einem polymeren organischen Werkstoff. Dieser darf sich nicht vom polymeren Isolationsmaterial lösen, darf keine Gase, die im polymeren Isolationsmaterial Störstellen erzeugen würden, entwickeln und in der Grenzschicht zum polymeren Isolationsmaterial keine Unregelmässigkeiten aufweisen. Die Schichten aus einem Halbleiter bestehen beispielsweise aus den Kunststoffen Äthylen Propylen-Kautschuk (EPR), Äthylen-Vinyl-Acetat (EVA) oder Äthylen-Äthyl-Acrylat (EEA), welche mit Russ gefüllt sind, damit sie halbleitend werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Die schematischen Querschnitte durch Hochspannungskabel zeigen in Fig. 1 ein Kabel mit einem üblichen polymeren Kunststoff als elektrischen Isolator, und in Fig. 2 ein Kabel mit einem polymeren Kunststoff, der eingemischtes, feinstkörniges Material enthält.

Der in Fig. 1 dargestellte isolierte Mittel- und Hochspannungsleiter 10 ist mit einem polymeren Kunststoff 12 aus vernetztem Polyäthylen überzogen. Diese Polyäthylenisolation ist gegen aussen durch eine äussere Schicht 14, gegen den metallischen Leiter 16 mit einer inneren Schicht 18 aus einem Halbleiter getrennt.

Die elektrische Isolation aus vernetztem Polyäthylen zeigt starke Alterungserscheinungen. Ausgehend von geometrischen Unregelmässigkeiten 20 an den Grenzflächen zwischen dem Polyäthylen und den Halbleiterschichten, Hohlräumen 22 und partikelförmigen Verunreinigungen 24 haben sich unter dem Einfluss der elektrischen Spannungsbeanspruchung im Poly äthylen Kapillaren und Haarrisse gebildet. Ebenfalls unter dem Einfluss des Feldes der elektrischen Spannung haben sich mit der Zeit Wasserbäumchen 26 gebildet. Diese führen schliesslich zu einem vorzeitigen Durchschlag der elektrischen Mittel bzw.

Hochspannungsisolation. An der Stelle 28 beispielsweise ist in nächster Zeit ein solcher elektrischer Durchschlag zu erwarten.

Der metallische Leiter 16 ist ein- oder mehradrig ausgebildet. Als Leitungsmetall wird bevorzugt Elektrolytkupfer oder Aluminium eingesetzt.

Der in Fig. 2 dargestellte, elektrisch isolierte metallische Mittel- und Hochspannungsleiter 30 entspricht in bezug auf seine Geometrie Fig. 1. Die elektrische Isolation aus polymerem Kunststoff, im vorliegenden Falls aus vernetztem Polyäthylen, enthält jedoch homogen eingemischte, submikrone Partikel aus einem anorganischen Material 32 mit einer nichtlinearen Strom Spannungskurve. Nach einer entsprechenden Oberflächenbehandlung sind diese Partikel auch hydrophob.

Im Gegensatz zu Fig. 1 werden im Bereich der geometrischen Unregelmässigkeiten 20 an den Grenzflächen zwischen dem Polyäthylen und den Halbleiterschichten, der Hohlräume 22 und der partikelförmigen Verunreinigungen 24 keine makroskopischen Wasserbäumchen gebildet. Die submikronen Partikel 32 bauen die elektrische Felderhöhung im Bereich der Störungsquellen ab und begrenzen die Ausbreitung von Wasserbäumchen.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrische Isolation für metallische Mittel- und Hochspannungsleiter, insbesondere von ein- oder mehradrigen Ka beln, auf der Basis eines organischen Isoliermaterials, gekennzeichnet durch einen mehrphasigen Aufbau der Isolation, der aus einem polymeren Kunststoff (12) und mindestens einem homogen eingemischten, feinstkörnigen anorganischen Material (32) mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskurve besteht.

2. Elektrische Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem dreiphasigen Aufbau, mit einem zusätzlich homogen eingemischten feinstkörnigen organischen oder anorganischen Material, das hydrophobe Eigenschaften hat, besteht.

3. Elektrische Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feinstkörnige anorganische Material (32) gleichzeitig hydrophob ist.

4. Elektrische Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse des feinstkörnigen Materials unter 1 ,um liegt.

5. Elektrische Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Material (32) mit einer nichtlinearen Strom-Spannungskurve aus geeigneten Oxiden, Karbiden, Nitriden und/oder Boriden, insbesondere Siliziumkarbid und/oder Zinkoxid besteht, welches nach einer entsprechenden Oberflächenbehandlung gleichzeitig hydrophob ist.

6. Elektrische Isolation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobe Material aus geeigneten Oxiden, Karbiden, Nitriden und/oder Boriden, insbesondere aus Silizi- umoxid, besteht.

7. Elektrische Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der polymere Kunststoff (12) aus vernetztem Polyäthylen (XLPE) oder Äthylen-Propylen-Kautschuk (EPR) besteht.

8. Elektrische Isolation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der polymere Kunststoff (12) eine spannungsisolierende organische Zusatzsubstanz enthält, die vorzugsweise aus Diphenyl-p-Phenylendiamin, Pentachlorophenol, Phenyld-Naphtylamin oder 4-Bromodiphenyl besteht.

9. Elektrische Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach aussen und gegen den metallischen Leiter (16) durch eine Schicht (14, 18) aus einem Halbleiter begrenzt ist.

10. Elektrische Isolation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter aus mit Russ gefülltem Äthylen Propylen-Kautschuk (EPR), Äthylen-Vinyl-Acetat (EVA) oder Äthylen-Äthyl-Acrylat (EEA) besteht.