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
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
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. The invention relates to electrical insulation for metallic medium and high voltage conductors, in particular single or multi-core cables, based on an organic insulating material.
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. The electrical insulation for medium and high voltage cables consists increasingly of polymer plastics. These materials obviously have the following advantages over conventional paper / oil insulation: - Simpler manufacturing process for cable insulation.
- Einfachere Montage, einfacheres Zubehör, insbesondere für Muffen und Endverschlüsse. - Easier installation, simpler accessories, especially for sleeves and end closures.
- Das nicht ölhaitige Festdielektrikum trägt dem Umweltschutz besser Rechnung. - The non-oil-containing solid dielectric takes better account of environmental protection.
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. However, the insulation materials made of polymer plastics offered on the market today have disadvantages in addition to the advantages mentioned. In this regard, aging should be mentioned in particular. This is the decrease in the dielectric strength over time. While the dielectric strength of the paper / oil dielectric hardly changes over time, it decreases over time with insulation made of polymer plastics. With a constant load due to the electric field strength, the electrical breakdown occurs after a certain time.
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. The aging of an electrical insulation made of polymer plastics depends on several factors, for example - the number and size of the cavities in the insulation, - the water content of the insulation, - the particulate contamination in the insulation, - the geometric irregularities at the interface between the Isolation and the adjacent materials, e.g. in the form of corners, holes, cracks, faults or the like
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. Furthermore, the continued high stress in the course of the aging of the polymer plastic can also lead to degradation reactions and crack formation, which in turn accelerates the signs of aging and fatigue.
Die Kombination der genannten Faktoren führt zur Bildung von sogenannten Wasserbäumchen (Water trees) und elektrischen Bäumchen (Electrical trees) im polymeren Kunststoff. The combination of the factors mentioned leads to the formation of so-called water trees and electrical trees in the polymeric plastic.
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. These water veins, which expand like a tree under the influence of the strong electric field on a macroscopic scale, ultimately lead to premature electrical breakdown of the insulation. For the more detailed connections regarding water trees in polymeric plastics, especially in polyethylene, reference is made to the journal IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. EI - 15 No. 6, December 1980, pages 437-450.
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. In recent times, numerous efforts have been made to prevent the formation of water trees in electrical insulation materials made of polymer plastics: - Use of materials which meet the highest purity and homogeneity requirements and which neither lead to geometrical irregularities at the interface, nor should they contain impurities.
- Dreifache Extrusion des polymeren Kunststoffs. - Triple extrusion of the polymer plastic.
- Trockenvernetzung des polymeren Kunststoffs. - Dry crosslinking of the polymer plastic.
- Einbau einer metallischen Umhüllung oder Beschichtung über die Isolation, um die Wasserabsorption zu verhindern. - Installation of a metallic covering or coating over the insulation to prevent water absorption.
- Zugabe von die Hohlräume füllenden und/oder sog. - Addition of the cavities filling and / or so-called.
spannungsstabilisierenden organischen Zusätzen. voltage-stabilizing organic additives.
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. The measures mentioned, used alone or in combination, have the disadvantage that they are complex and expensive with little effectiveness or have not yet provided evidence of a permanent increase in the resistance to aging.
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. The inventor has therefore set itself the task of increasing the aging resistance of insulations made of polymer plastics, which are used for medium and high voltage conductors, the effort being to be modest in financial, material and personnel terms.
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. The object is achieved according to the invention by a multiphase structure of the insulation, which consists of a polymer plastic and at least one homogeneously mixed, fine-grained inorganic material with a non-linear current-voltage curve.
Die Matrix der erfindungsgemässen Isolation aus einem polymeren Kunststoff braucht lediglich die handelsübliche Reinheit aufweisen und muss nicht mit einem speziellen Verfahren aufgebracht werden. The matrix of the insulation according to the invention made of a polymeric plastic only needs to be commercially available and does not have to be applied using a special method.
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. The non-linear current-voltage curve of the inorganic material in finely dispersed form acts as a surge arrester in the micro range and thus reduces field increases caused by nearby inhomogeneities.
Unter Inhomogenitäten werden hier Hohlräume, partikelförmige Verunreinigungen und Unregelmässigkeiten an den Grenzflächen des polymeren Kunststoffs verstanden. Inhomogeneities are to be understood here as voids, particulate impurities and irregularities at the interfaces of the polymeric plastic.
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. The regular distribution of the fine-grained inorganic material in the polymeric plastic also means that the growth of the water trees is limited to a microscopic size, which leads to increased resistance to aging of the polymer. The capillaries, hairline cracks and the like emanating from the inhomogeneities are limited in their growth by the fine grains in such a way that they cannot assume a macroscopic dimension. The electrical insulation made of a polymer plastic is stabilized by a large number of very small water trees, or their pores and cracks.
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. In addition to the finely dispersed inorganic material with a nonlinear current-voltage curve, very fine-grained organic or inorganic material that has hydrophobic properties can also be mixed in homogeneously. This prevents water from spreading within the electrical insulation from polymeric plastics and / or from the outside into it.
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. The two phases, which are finely dispersed in polymeric plastics, can also be combined in a material with appropriate properties, which has both a non-linear current-voltage curve and hydrophobic properties. The desired hydrophobic properties can be obtained, for example, by a surface treatment known per se.
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. All of the particles finely dispersed in the polymeric plastics preferably have a grain size of less than 1 μm, so the material is submicron. In practice, suitable oxides, carbides, nitrides and / or borides, in particular silicon carbide and / or zinc oxide, have proven to be advantageous for the very fine-grained anodic material with a non-linear current-voltage curve. After a special surface treatment, these materials are hydrophobic. The surface treatment is carried out, for example, by means of silanation.
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. If a three-phase electrical insulation is used, that is to say two finely dispersed phases are incorporated into the polymeric plastic, the hydrophobic material preferably consists of suitable oxides, carbides, nitrides and / or borides, in particular of silicon dioxide.
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. The polymeric plastic itself preferably consists of cross-linked polyethylene (XLPE) or ethylene-propylene rubber (EPR). The cross-linked polyethylene is a pure polymer plastic, while the ethylene-propylene rubber is an already filled polymer plastic. If a voltage-isolating organic substance is used, this can e.g.
aus Diphenyl-p-Phenylendiamin, Pentachlorophenol, Phenyld-Naphtylamin oder 4-Bromodiphenyl bestehen. consist of diphenyl-p-phenylenediamine, pentachlorophenol, phenyld-naphthylamine or 4-bromodiphenyl.
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. For certain applications, it has proven practical to limit the electrical insulation from the metallic conductor and to the outside by a layer made of a semiconductor. The semiconductor preferably consists of a polymeric organic material. This must not detach from the polymeric insulation material, must not develop gases that would create defects in the polymeric insulation material, and must not show any irregularities in the boundary layer with the polymeric insulation material. The layers of a semiconductor consist, for example, of the plastics ethylene propylene rubber (EPR), ethylene vinyl acetate (EVA) or ethylene-ethyl acrylate (EEA), which are filled with carbon black so that they become semiconducting.
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. The invention is explained in more detail with reference to the drawing, for example. The schematic cross sections through high-voltage cables show in Fig. 1 shows a cable with a conventional polymeric plastic as an electrical insulator, and in Fig. 2 shows a cable with a polymeric plastic that contains mixed, fine-grained material.
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. The insulated medium and high voltage conductor 10 shown in FIG. 1 is coated with a polymeric plastic 12 made of cross-linked polyethylene. This polyethylene insulation is separated from the outside by an outer layer 14, from the metallic conductor 16 with an inner layer 18 made of a semiconductor.
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. The electrical insulation made of cross-linked polyethylene shows strong signs of aging. Starting from geometrical irregularities 20 at the interfaces between the polyethylene and the semiconductor layers, cavities 22 and particulate impurities 24, capillaries and hairline cracks have formed in the polyethylene under the influence of the electrical stress. Also under the influence of the electric voltage field, water trees 26 have formed over time. These ultimately lead to premature breakdown of the electrical means or
Hochspannungsisolation. An der Stelle 28 beispielsweise ist in nächster Zeit ein solcher elektrischer Durchschlag zu erwarten. High voltage insulation. At point 28, for example, such an electrical breakdown is expected in the near future.
Der metallische Leiter 16 ist ein- oder mehradrig ausgebildet. Als Leitungsmetall wird bevorzugt Elektrolytkupfer oder Aluminium eingesetzt. The metallic conductor 16 is formed with one or more wires. Electrolyte copper or aluminum is preferably used as the line metal.
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. The electrically insulated metallic medium and high voltage conductor 30 shown in FIG. 2 corresponds with respect to its geometry to FIG. 1. The electrical insulation made of polymer plastic, in the present case made of cross-linked polyethylene, however, contains homogeneously mixed in, submicron particles made of an inorganic material 32 with a non-linear current-voltage curve. After an appropriate surface treatment, these particles are also hydrophobic.
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. In contrast to FIG. 1, no macroscopic water trees are formed in the area of the geometric irregularities 20 at the interfaces between the polyethylene and the semiconductor layers, the cavities 22 and the particulate impurities 24. The submicron particles 32 reduce the electric field increase in the area of the sources of interference and limit the spread of water trees.
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