DE2362453C3

DE2362453C3 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien

Info

Publication number: DE2362453C3
Application number: DE2362453A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dr.-Ing. 3000 Hannover Stenzel; Hermann Uwe Dr.Rer.Nat. 3012 Langenhagen Voigt
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1973-12-15
Filing date: 1973-12-15
Publication date: 1980-07-17
Also published as: DE2362453A1; IT1023314B; BR7410449D0; JPS50116979A; DK630774A; DE2362453B2; SE7415004L; FR2254422A1

Description

y ₌

S Ι β» + Un -

E₁

-..?.■ 4 4h

■ a, ■

df.

Hierin bedeuten im einzelnen:

Vk = Kenngröße für den Vernetzungsgrad
ϋ_κ = Kühlwassertemperatur
■&o = Anfangstemperatur des Kabels

&D = Dampftemperatur in eier Warmbehandlungszone

Ea = Aktivierungsenergie, d. h. die für den

Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische Energie

a] = Temperaturleitfähigkeit des Leitmate

rials entsorechend——mit A als Wärme-

C ■ η

leitfähigkeit, c Wärmespeicherfähigkeit u:.a ρ als spez. Gewicht

a\ = Temperaturleitfähigkeit des Isolierma

terials

Ar = konstante Fakiorer die sich aus den

geometrischen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften der Materialien ergeben

tür = Nullstellen der Zylinderfunktionen, die

den Wärmefluß beschreiben

Zn(Mr ■ r)= Zylinderfunktion, die den Wärmefluß beschreibt; sie ist die Lösung der Differentialgleichung für die Wärme ausbreitung

t\ ist die laufende Zeitkoordinate von f=0

bis zum Ende der Dampfstrecke tn

Ϊ2 die laufende Zeitkoordinate von tn bis

zum Ende der Kühlstrecke f/ und

R = die allgemeine Gaskonstante.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke für unterschiedliche, zum Leiter konzentrische Schichten vorbestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke für die unmittelbar an den Leiter angrenzende Isolierschicht vorbestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbestimmung der Verweilzeit als Grundlage für die Längenbestimmung von Warmbehandlungszone und Kühlstrecke herangezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit von den Anlagenlängen vorbestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vernetzungsgrad an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorbestimmt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien, bei dem auf einen Leiter oder eine Seele das vernetzbare

jo Material in warmem Zustand aufgebracht, in einer Warmbehandlungszone vernetzt und in einer anschließenden Kühlstrecke abgekühlt wird.

Isolierungen von elektrischen Kabeln oder Leitungen werden in der Mehrzahl der Fälle mit Hilfe von

j-, Thermoplasten oder auch Elastomeren hergestellt, wobei diese Materialien mittels Extruder auf die Leiter oder die Seele aufgespritzt werden. Je nach den Erfordernissen, die an das isoliermaterial gestellt werden, sind im Anschluß an den Spritzvorgang Warmbehandlungen der Isoliermaterialien etwa zum Zwecke der Vernetzung oder Vulkanisation möglich. In neuester Zeit ist man bestrebt, in zunehmendem Maße auch für thermoplastische Werkstoffe vernetzbare Materialien einzusetzen, die nach dem Spritzen einer j zusätzlichen Warmbehandlung ausgesetzt werden. Diese Warmbehandlung kann einmal bei der Herstellung von Kabeln und Leitungen in den sog. Turmanlagen Verwendung finden, wo der Leiter im Turm nach oben geführt, oben mit der Isolierung versehen und

-,ο anschließend nach unten abgezogen wird, wobei während des Abziehens senkrecht nach unten die Warmbehandlung der Isolierung erfolgt. Diese Anlagen sind insbesondere für Isolierwandstärken größerer Dicke, z. B. von 12 mm und darüber geeignet, während

Vi es für Isolierwandslärken kleinerer Abmessungen auch üblich ist, die Vernetzung oder Vulkanisierung des Isoliermaterials in einer an den Extruder sich anschließenden Kettenlinic vorzunehmen, wo der umhüllte Strang freihängend geführt ist.

bo Die Erzielung des geforderten Vernetzungsgrades, der bei Kabeln bis zu 30 kV ζ. Β. 70%, gemessen nach dem sog. Solvent-Extraction-Test (Sol/Gcl), in Leiternähobetragen soll, geschieht bei diesen Vorrichtungen und Verfahren dadurch, daß nach Abzug einer bestimmten

h> Probelänge die Isolierung überprüft und, wenn der Vernetzungsgrad als nicht ausreichend ermittelt wird, die Temperatur- oder Geschwindigkeitsführung so lange variiert wird, bis die geforderte Vernetzung

erreicht ist Für die Fertigung bedeutet dies einen erheblichen Ausschuß an hergestellten Kabein oder Leitungen, da bei jeder Kabellänge mit verändertem Durchmesser und unterschiedlichem Material bzw. abweichendem Vernetzungssystem zunächst eine bestimmte Anfangslänge zur Probenentnahme gefahren werden muß.

Bekannt ist zwar bereits ein Verfahren (DE-AS 11 87 789) zum Strangpressen von Polymeren, bei dem das Polymermaterial noch im Spritzmundstück soweit erwärmt wird, daß aus dem Mundstück ein noch nicht voll ausgehärteter Strang austritt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend geregelt wird; dieses Verfahren trägt aber zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems nicht bei, da auch hier zunächst einmal jede Kabeltype für sich eingefahren werden muß, um überhaupt erst einmal festzustellen, welche Verweilzeiten im Extruder oder in einer

Je

i = 0

L ^L

- »nr ('

■ät-4-anschließenden Warmbehandlungszone erforderlich sind.

Demgegenüber geht die Erfindung von der Überlegung aus, bereits auf die empirische Ermittelung der Fertigungsdaten durch Probelängen zu verzichten und unabhängig vom jeweiligen Kabeltyp zu Beginn einer Fertigung die jeweiligen Daten zu ermitteln, die dann wieder die Basis für eine Regelung des Fertigungsablaufes bilden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die bei der Herstellung von elektrischen Kabeln oder Leitungen bisher unvermeidbaren Ausschußquoten ausschließt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei der Herstellung von elektrischen Kabeln und Leitungen dadurch gelöst, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aus der folgenden Formel bestimmt wird:

r\/ R

di .

Hierin bedeuten im einzelnen:

Vk = Kenngröße für den Vernetzungsgrad
&κ = Kühlwassertemperatur
&o = Anfangstemperatur des Kabels
&o = Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone

E,\ = Aktivierungsenergie, d. h. die für den

Anstoß des Vernetzungsablaufes der Makromoleküle aufzuwendende thermische Energie
a] = Temperaturleitfähigkeit des Leitrnaterials

entsprechend—— mit λ als Wärmeleitfähigkeit, c Wärmespeicherfähigkeit und ρ als spez. Gewicht

a\ = Temperaturleitfähigkeit des isoliermate-

rials

A,- = konstante Faktoren, die sich aus den geometrischen Abmessungen des Kabels sowie den thermischen Eigenschaften der Materialien ergeben

o)_r = Nullstellen der Zylinderfunktionen, ά'κ den

Wärmefluß beschreiben

Zo(W ■ r)— Zylinderfunktion, die den Wärmefluß beschreibt; sie ist die Lösung der Differentialgleichung für die Wärmeausbreitung

fi ist die laufende Zeitkoordinate von ί = 0 bis

zum Ende der Dampfstrecke Oj

/₂ die laufende Zeitkoordinate von to bis zum

Ende der Kühlstrecke ti. und

R = die allgemeine Gaskonstante.

Hierdurch ist es möglich, die Verweilzeit in der Wärmbehändlungszöne und damit die Feftigungsgeschwindigkeit von vornherein so einzustellen und jedem Kabeltyp sowie den verschiedenartigen vernetzbaren Materialien so anzupassen, daß ohne Vorlängen ein Kabel oder eine Leitung entsprechend dem geforderten Vernetzungsgrad gefahren werden kann. Die Fertigung erfolgt damit unter optimalen Bedingungen. Denn aufgrund der ermittelten Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und der anlagebedingten Verweilzeit in der Kühlstrecke sowie der Gesamtlänge der Anlage läßt sich von vornherein für jeden Kabeltyp die optimale Fertigungsgeschwindigkeit festlegen, die dem Maschinenpersonal z. B. in Form eines Programmes mitgegeben werden kann.

Bei der Vernetzung von Makromolekülen handelt es· sich um chemische Reaktionen, die durch Zuführung von thermischer Energie aktiviert werden. Bei isothermen, d. h. zeitlich konstantem Temperaturverlauf im Inneren der zu vernetzenden Isolierung ist es relativ einfach, z. B. anhand von sog. Vulkameterkurven auf den nach verschiedenen Zeiten erhaltenen relativen Vernetzungsgrad zu schließen. Mit Hilfe der Methoden der chemischen Reaktionskinetik gelingt es ferner, die bei einer bestimmten Temperatur optimalen Vulkanisierzeiten auf andere Temperaturen umzurechnen. In der Praxis, z. B. bei der Isolierung elektrischer Kabel und Leitungen, treten infoige des begrenzten Wärmeleitvermögens von organischen Hochpolymeren Aufheiz- und Abkühlvorgänge auf, die ein zeitlich inhomogenes Temperaturfeld zur Folge haben und bereits einen Beitrag zum Ablauf der Vernetzungsreaktion liefern. Auch hier können die Reaktionseffekte während der Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Kabel- oder Leitungsisolierung erfaßt werden, da die Verweilzeit des durchlaufenden Gutes in der Wärmbehändlungszöne und der anschließenden Kühlstrecke über die angegebene Formel bestimmt wird, die eine Aussage macht über den Zusammenhang zwischen geforderten Vernet-

5-, zungsgrad, Wärmedurchgangsfunktion, Akiivierungsenergie des jeweils verwendeten Vernetzungssystems und der Verweilzeit in der Anlage.

Aufgrund der heanspruchten Beziehung kann die kürzestmögliche, d. h. wirtschaftlichste Verweilzeit des

μ Kabels öder der Leitung, die mit einer isolierenden Hülle umgeben sind, z. B. in einem Dampfrohr festgelegt werden, wenn der Vernetzungsgrad des jeweils verwendeten Isoliermaterials vorgegeben ist. Für dieses Isoliermaterial bzw. Vernetzungssystem wird zunächst

f-5 die Aktivierungsenergie nach bekannten Methoden bestimmt und anschließend die Ermittlung der Verweilzeit in der Anlage vorgenommen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der

Möglichkeit, den infolge des schlechten Wärmeleitvermögens von z. B. Polyäthylen zeitlich inhomogenen Temperaturverlauf über den Kabel- oder Leitungsquerschnitt zu bestimmen. Das kann in der Weise geschehen, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone bzw. der Gesamtanlage für unterschiedliche, zum Leiter konzentrische Schichten vorbestimmt wird. So ist es z. B. möglich, die Verweilzeit für die unmittelbar an den Leiter angrenzende und daher den elektrischen und thermischen Beanspruchungen am meisten ausgesetzte Isolierschicht zu bestimmen. Das Ergebnis sind elektrische Kabel und Leitungen, die sich durch besonders gute tJbertragungseigenschaftcn. wie elektrische Spannungsfestigkeit und Überlastungs- und Kur/.schlußfcstigkeit auszeichnen.

Ist die Verweilzeit eines bestimmten Kabels in der Wnrinhehnndliingszone und anschließenden Kühlstrekke vorbestimmt, dann lassen sich leicht die Verweilzeiten für Warmbchandlungszonc und Kühlstrecke je gesondert errechnen bzw. daraus und aus der vorgegebenen Gesamtlänge der Anlage die Fertigungsgeschwindigkeit ermitteln. Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens ist lediglich, daß ein bestimmter Vernetzungsgrad vorgegeben wird, in der heutigen Technik eine allgemein übliche Forderung der Abnehmer, und daß die obere Grenze für die Temperatur der Isolierung beim Austritt aus der Kühlstrecke festgelegt wird, die beispielsweise nicht mehr als 70"C oder 80^cC betragen soll, um ein Aufblähen der Isolierung zu verhindern. Das Verfahren ist für beliebige Materialien anwendbar, wenn diese Stoffe nur vernetzbar sind und die Vernetzungsreaktion durch Erwärmung in Gang gebracht wird. So können in gleicher Weise thermoplastische Werkstoffe auf der Basis von Polyolefinen wie Elastomere, etwa Natur- oder Kunstkautschuk, eingesetzt werden, wobei für jeden der eingesetzten Werkstoffe die Aktivierungsenergie nach bekannten Methoden vorbestimmt wird.

Ist die Verweilzeit in der Anlage und daraus etwa die Fertigungsgeschwindigkeit ermittelt, dann kann es für die Auslegung einer Fertigungsstraße mitunter erhebliche Vorteile bringen, wenn die maximal erforderliche Fördermenge des Isolierstoffextruders in Abhängigkeit von der Anlagenlänge vorbestimmt wird. Desgleichen ist es oft vorteilhaft, aufgrund der gefundenen Beziehung den Vernetzungsgrad an unterschiedlichen, zum Leiter konzentrischen Schichten vorzubestimmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei anhand der in der Figur schematisch dargestellten Fertigungsstraße für die Herstellung elektrischer Kabel und Leitungen näher erläutert

Schematisch angedeutet ist in der Figur der elektrische Leiter 1, der mit einer Leiterglättung versehen in den Extruder 2 einläuft und hier mit einer Isolierung 3, z. B. aus einem vernetzbaren thermoplastischen Kunststoff umgeben wird. Um ein Aufliegen des Kabels und damit die Beschädigung der noch weichen Isolierung 3 zu verhindern, wird das Kabel im Dampf- bzw. Kühlrohr 4 in einer Kettenlinie frei hängend geführt. Die Gesamtlänge der Kettenlinie sei /, davon entfällt auf die Warmbehandlungszone, d. h. die mit Dampf von z. B. 16 atü gefüllte Strecke der Kettenlinie, die Strecke Ir während mit Ik. die anschließende Kühlstrecke bezeichne! ist. Ein Umlcnkrad 5 schließlich dient zur Führung des Kabels, wenn es in Pfeilrichliing abgezogen und auf eine nicht dargestellte Aufwickeltrommel aufgewickeil wird. Unterhalb der Kci eniinie ist die laufende Zeitkoordinatc t angegeben, d - beim Einlaufen des Leiters I in die Kettenlinic f = 0, am Ende der Warmbehandliingszone I = //>und nach der Gesamtstrecke / am Ende der Kcttcnlinie t— ti ist. Ist die Kühlstrecke nicht auf den Kettenlinientcil beschrankt, sondern schließt sich an den Kettenlinienteil eine weitere Kühlstrecke an, dann verlängert sich entsprechend die Lange /.

Als Beispiel sei ein 1-kV-Kabel mit einer vernetzbaren Polyäthylen-Isolierung gegeben. Die Länge / der Anlage betrage 120 m. die Dampftemperatur in der Warmbehandlungszone 210C bei 18 atü Druck. Die Temperp'ur des Leiters I beim Einlauf in den Extruder betrage I 30" C. die Spritztemperatur des verwendeten Kunststoffes sei ebenfalls 130^rC. An geometrischen Daten des Kabels sind ferner vorgegeben der Leiterquerschnitt mit 150 mm- und die benötigte Isolierwanddicke von 1,4 mm. Die Vernetzung der Isolierhülle soll 70%. gemessen nach der Sol/Gel-Methode. betragen, und das Kabel soll die Kühlstrecke höchstens mit einer Temperatur von 70° C verlassen.

Ist für den verwendeten Werkstoff die mit einem Vernetzungsgrad von 70% korrespondierende und von der Aktivierungsenergie abhängige Energiemenge bekannt, so kann nach der Formel über den zeitlichen Temperaturverlauf für verschiedene Schichten der Isolierung die Zeit berechnet werden, bis zu der ein ausreichender Vernetzungsgrad erreicht ist.

Bei einer geforderten Endtemperatur von z. B. 70^cC als Grenzwert läßt sich aus den obigen Anfangsbedingungen die Verweilzeit t in der Kettenlinie ermittein und damit, da die Länge / ebenfalls vorgegeben, die Fertigungsgeschwindigkeit ν für jeden Kabeltyp und beliebige Materialien festlegen. Außerdem bietet sich hier eine Möglichkeit, das Verhältnis von Dampf/Kühlstrecke für jeden Kabel- oder Leitungstyp optirr .1 zu wählen.

Der Leiter 1 kann auch ohne Vorwärmung also z, B. mit Raumtemperatur in den Extruder eingeführt werden. Als Ausgangskriterium muß dann auch diese Temperatur in der Formel berücksichtigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln oder Leitungen mit einer Isolierung aus vernetzbaren Materialien, bei dem auf einen Leiter oder eine Seele das vernetzbare Material in warmem Zustand aufgebracht, in einer Warmbehandlungszone vernetzt und in einer anschließenden Kühlstrecke abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der Warmbehandlungszone und anschließenden Kühlstrecke aus folgender Formel bestimmt wird: