DE2811028A1 - Energiekabel, insbesondere isolierueberzug fuer ein energiekabel - Google Patents

Energiekabel, insbesondere isolierueberzug fuer ein energiekabel

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Description

Energiekabel, insbesondere Isolierüberzug für ein Energiekabel.
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kabel, insbesondere auf mit Papier isolierte und ölgefiillte Wechselstromkabei, die Millikan-Leiter aufweisen.
Es ist bekannt, daß ein immer zunehmendes Bestreben besteht, große elektrische Leiter in Wechselstromenergiekabeln zu verwenden, um mehr Energie übertragen zu können. Andererseits ist es ebenfalls bekannt, daß sich ernsthafte Nachteile bei großen Leitern ergeben, und zwar zufolge des "Hauteffektes" und des "Näherungseffektes11 oder "Nachbarschaftseffektes", durch welche der tatsächliche Widerstand der Leiter erhöht und in
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vielen Fällen alle Vorteile in Frage gestellt bzw. aufgehoben werden, die sich ansich aus der größeren Größe der Leiter ergeben.
Um diese Effekte zu minimieren, werden allgemein Millikan—Leiter verwendet, die bekanntlich aus vier oder sehr segmentförmigen bzw· sektorförraigen leitenden Elementen bestehen, die getrennt verseilt und so angeordnet sind, daß ein Leiter mit kreisförmigem Querschnitt gebildet wird. Jedes Segment bzw. jeder Sektor ist allgemein aus miteinander verseilten Kupferdrähten gebildet. Mit dieser Anordnung ist es möglich, den "Hauteffekt" und den "Nachbarschaftseffekt" auszubalancieren, da durch diese Anordnung der induktive Spannungsabfall in jedem der Drähte annähernd ausgeglichen wird. In jedem Fall ist zu berücksichtigen, daß, wenn ein Übergang von Strom von einem Draht oder Leiter zu einem anderen Draht oder Leiter erfolgt, die Wirksamkeit der Anordnung beträchtlich verringert wird. Demgemäß ist es von großer Bedeutung, leitende Elemente dieser Art derart auszuführen, daß der Übergang von Strom von einem Draht oder Leiter zu dem anderen Draht oder Leiter auf ein Minimum zurückgeführt wird.
Es ist, um einen hohen Widerstand gegen Berührung zwischen benachbarten leitenden Drähten zu erhalten, bekannt, einen Überzug für die Drähte zu verwenden mit einer Schicht aus geeignetem Isoliermaterial, wobei der Überzug insbesondere im Hinblick auf maximal mögliche Größenverringerung eine minimale Dicke in der Größenordnung von 1 bis 10 γ. haben soll. Jedoch muß ein Isoliermaterial, mit welchem ein solcher Überzug gebildet werden soll, so vielen unterschiedlichen technischen Forderungen genügen, daß in der Praxis eine solche Lösung noch nicht verwirklicht worden ist. Tatsächlich ist für den Isolierüberzug die Forderung zu berücksichtigen, daß er bei Berührung
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mit dem Papier und mit dem das Kabel füllenden Öl derart unbeeinflußt bleibt, daß irgendeine Verunreinigung des Öles durch Abbauprodukte oder Zersetzungsprodukte des Überzugs verhindert ist. Weiterhin muß für den Überzug die Notwendigkeit berücksichtigt werden, an dem leitenden Draht dauerhaft anzuhaften und den beträchtlichen Beanspruchungen mechanisch zu widerstehen, denen die Leiter während ihrer Handhabung und Verseilung unterworfen werden, so daß gute Isolierung auf der gesamten Außenfläche oder Berührungsfläche der Leiter gewährleistet ist. Schließlich erfordert die Möglichkeit der Ausführung von Verbindungen zwischen Kabeln dieser Art die Auswahl eines Überzugsmateriales, welches zu keinerlei Nachteil zum Zeitpunkt des Ver-Ib"tens, Verschweißens oder dergleichen führt, was bedeutet, daß das Überzugsmaterial bequem entfernt oder vollständig karbonisiert oder verkohlt werden kann, ohne daß sich irgendeine Verunreinigung des das Kabel füllenden Öles ergibt.
Es ist ersichtlich, daß, da das Problem darin besteht, Isolierüberzüge in Schichten von minimaler Dicke aufzubringen, eine Lösung darin bestehen könnte, sogenannte Isolierlacke oder Isolieremails zu verwenden, d. h. Lacke oder Emails aus thermoplastischen oder wärmehärtenden synthetischen Harzen, die Folien bilden können und die bereits in großem Ausmaß als die Harze bekannt sind, die auf Leiter aufgebracht werden, die zum Bilden von Wicklungen in elektrischen Maschinen oder in Transformatoren verwendet werden.
Es ist jedenfalls zu bemerken, daß in dem genannten Ge--"biet die Dicken, die gewöhnlich für die Schichten aus Isolierlack oder Isolieremail in dem Bereich von Drahtdurchmessern, die denen von Millikan-Drähten analog sind, in der Größenordnung von 80 bis iOO ^i liegen, d. h. beträchtlich größer als die Dicken sind, die in Millikan-Leitern verwendet werden sollen. Demgemäß können einige der obengenannten Probleme, beispielsweise die Haftung des Überzugs an dem leitenden
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Draht und sein mechanischer Widerstand, bequem dadurch gelöst werden, daß eine Mehrzahl von Schichten aus sogar zwei oder mehr Harzen aufgebracht werden können, die unterschiedliche physikalische und mechanische Eigenschaften haben.
Weiterhin ist hinsichtlich der besonderen Verwendung von emaillierten oder lackierten Leitern in Transformatoren, wo die Notwendigkeit offensichtlich nicht besteht, daß der Leiterüberzug ein Isolieröl nicht verunreinigt, zu bemerken, daß die Umgebung, in welcher das Isolieremail oder der Isolierlack (nachstehend der Einfachheit halber als Lack bezeichnet) verwendet wird oder arbeitet, weniger aggressiv als die der Energiekabel ist. Als Folge ergibt sich, daß es ungeeignet ist, auf Millikan-Leiter einen Lack aufzubringen, der sich bei Leitern zufrxedenstellend verhält, die in Transformatoren verwendet werden sollen.
Demgemäß ist gefunden worden, daß die bekannten Isolierlacke, die auf Leiter für Wicklungen von elektrischen Haschinen und Transformatoren aufgebracht werden, nicht in gleichguter Weise für Millikan-Leiter verwendet werden können, weil sie eines oder mehrere der notwendigen Merkmale nicht aufweisen. Tatsächlich haben Polyurethanlacke schlechten mechanischen Widerstand und eine unannehmbare Tendenz gezeigt, sich bei Berührung mit dem Papier und dem Isolieröl während des Gebrauchs abzubauen oder zu zersetzen, so daß sich eine Verunreinigung des Gles ergibt, In gleicher Weise verunreinigend sind Lacke auf Polyesterbasis, da diese bekanntlich leicht hydrolisierbar sind. Polyamidimidlacke haben bekanntlich schlechte Haftung an Metalldrähten, während Polyamidlacke geringen mechanischen Widerstand haben. Schließlich können Epoxylacke praktisch nicht in dünnen Schichten auf einen Metalldraht aufgebracht werden, wie sie auf dem Gebiet von Millikan-Leitern erforderlich sind, da sie extrem unregelmäßige Oberflächen hervorrufen.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen Isolierlack zu schaffen, dessen physikalische und mechanische Eigenschaften derart sind, daß, wenn er als Schicht minimaler Dicke auf leitende Drähte aufgebracht wird, welche Millikan-Leiter eines Energiekabels darstellen, alle obengenannten Anforderungen erfüllt werden.
Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung ein Energiekabel mit einem Millikan-Leiter kreisförmigen Querschnitts, der aus wenigstens vier sektorförmigen leitenden Elementen besteht, wobei der Leiter mit Papier isoliert und mit Öl gefüllt ist, und wobei jedes der leitenden Elemente miteinander verdrallte oder verseilte leitende Metalldrähte aufweist, deren jeder einen Isolierüberzug mit einer Dicke zwischen h und 10 jl und gegen den Übergang von Strom von einem leitenden Metalldraht zu einem anderen einen Übergangswiderstand hat, der mit Bezug auf den Längswiderstand der leitenden Metalldrähte hoch ist« Gemäß der Erfindung ist ein solches Kabel dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug aus einem vernetzten synthetischen Harz besteht mit einer Wärmeklasse von 120° C, einem Widerstand gegen Abrieb in zwei Richtungen gemäß CEI-Standard 55*1 von wenigstens 50 Zyklen, einem Wärmedruckwert gemäß CEI-Standard 55.1 von höher als 170 C und mit einer Verunreinigungswirkung auf das Eabelöl nach dem Altem in einem geschlossenen System, welches das Öl und das Isolierpapier umfaßt, der praktisch Null ist, und daß das Harz während der Schweißphase oder Lötphase der Leiter in der Schweißzone oder Lötzone sich praktisch vollständig verflüchtigen kann.
Es ist gefunden worden, daß ein synthetisches Harz mit den obengenannten physikalischen und mechanischen Eigenschaften einen Isolierüberzug schafft, der den verschiedenen Anforderungen besser entspricht, die bei der Herstellung, der Verbindung und der Lebensdauer eines Kabels mit Millikan-Leiter erfüllt werden sollen.
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Insbesondere ist das Harz hinsichtlich seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften definiert bezüglich seiner Wärmeklasse, d. h. der Temperatur, bei welcher das Harz über eine Zeitperiode von 20.000 Stunden beständig ist, bezüglich 3eines Widerstandes gegen Abrieb in zwei Richtungen und bezüglich des Wärmedrucks. Bekanntlich wird der Widerstand gegen Abrieb in zwei Richtungen gemäß Standard CEI 55.1 mittels einer geeigneten Stahlnadel gemessen,. die so angeordnet wird, daß mit Bezug auf die Längsachse des leitenden Drahtes, der mit einer Schicht vorbestimmter Dicke des zu untersuchenden Harzes überzogen ist, ein rechter Winkel gebildet wird, wobei die Nadel eine Abriebwirkung an dem Harz hervorruft, indem sie abwechselnd entlang der Achse des leitenden Drahtes unter einer zunehmend größeren Last bewegt wird. Die Anzahl der Verschiebungszyklen der Nadel bis zum Auftreten eines Rurzschlußes zufolge Berührung zwischen der Nadel und dem leitenden Draht ergibt den Index für den mechanischen Widerstand des Harzes.
Die Bestimmung oder Bewertung des Wärmedrucks gemäß Standard CEI 55.1 wird bekanntlich dadurch ausgeführt, daß zwei leitende Drähte, die mit dem zu prüfenden Harz überzogen sind, im rechten Winkel zueinander angeordnet, während einer vorbestimmten Zeit (im vorliegenden Fall 2 Minuten) einer Wärmekonditionierung bei 170° C unterworfen und dann während einer vorbestimmten Zeit (i Minute) mit einem vorbestimmten Gewicht belastet werden, wonach festgestellt wird, ob ein Kurzschluß stattgefunden hat oder nicht.
In Verbindung mit dem Verunreinigungsfaktor des Kabel— Öles nach dem Altern des leitenden Drahtes, der mit dem Harz gemäß der Erfindung überzogen ist, ist festzustellen, daß dieses Merkmal von großer Bedeutung ist bezüglich der Betriebslebensdauer des Kabels mit Millikan-Leiter.
Auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung wird dieser Faktor nach zwei Arten von Alterungstests bewertet, die
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beide dadurch ausgeführt werden, daß der leitende Kupferdraht , der mit einer Harzschicht einer Dicke zwischen 4k
und 10 μ überzogen ist, in einem geschlossenen Raum angeordnet wird, der das Papier und das Öl umfaßt, welche die Kabelisolierung bilden sollen. Bei einem Test wird dieses System einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 140° C während 30 Tagen unterworfen, während in dem zweiten Test das System einer gleichen Wärmebehandlung während 7 Tagen unterworfen wird, wobei dieser Behandlung eine Wärmebehandlung bei 200° C während 2 Stunden folgt.
Bei beiden Testen wird der Verlustfaktor des in dem System enthaltenen Öles gemessen._
Wie oben bereits gesagt, hat ein verhetztes synthetisches Harz, welches gemäß der Erfindung den Überzug für die Drähte von Millikan-Leitern bilden soll, einen Verunreinigungsfaktor für das Kabelöl/ier praktisch Null ist.
Vorzugsweise ist ein synthetisches Harz, welches alle obengenannten physikalischen und mechanischen Eigenschaften besitzt, ein Polyvinylaoetalharz, beispielsweise ein PoIyvinylformalharz, dessen Vernetzung wenigstens nittels eines Phenolharzes und eines Melaminharzes in Prozentsätzen von iO bis 80 Teilen bzw. 0 bis 15 Teilen auf 100 Teile PoIyvinyla.cetalharz erhalten wird.
Zweckmäßiger wird das Polyvinylacetalharz außer mit den obengenannten Harzen auch durch ein blockiertes Isocyanat vernetzt in einer Menge von 10 bis 75 Teile auf 100 Teile Polyvinylaoetalharz.
Noch zweckmäßiger ist das Polyvinylacetalharz vorzugsweise durch ein Polyvinylformalharz dargestellt, welches bekanntlich ein Kondensationsprodukt von Formaldehyd mit einem Hydrolyseprodukt von Polyvinylacetat ist. Das
obengenannte Phenolharz ist ein Kondensationsprodukt eines Phenols mit Formaldehyd, und es ist vorzugsweise dargestellt durch das Kondensationsprodukt von Kresol mit Formaldehyd.
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Das Melaniinharz ist stattdessen ein Kondensationsprodukt von Melamin mit einem Aldehyd, beispielsweise mit Formaldehyd. Das blockierte Isocyanat, welches als zusätzliches Vernetzungsmittel verwendet wird, ist vorzugsweise ein Toluylendiisocyanat, welches beispielsweise mit Phenol blockiert ist.
Ein Beispiel einer Zusammensetzung des synthetischen Harzes gemäß obiger Definition, welches dazu verwendet werden kann, einen Isolierüberzug für Millikan-Leiter zu bilden, ist wie folgt:
Polyvinyl-Formalharz (l) 100 Gewichtsteile Cresol-Formaldehydharz JA Gewichtsteile Melamin-Formaldehydharz (2) Ii Gewichtsteile blockiertes Isocyane.t (3) 60 Gewichtsteile Lösungsmittel (Xylenol) 553 Gewichtsteile Verdünnungsmittel 368 Gewichtsteile
(1) "Formvar", ein von Monsanto verkauftes Harz
(2) "Resimene 882", ein von Monsanto verkauftes Harz
(3) "Desmodur AP", ein von denFarbenfabriken Bayer AG verkauftes Material.
Die gebildete Lösung mit einer Viskosität im Bereich
von 500 bis 3.OOO cp wird auf die leitenden Kupferdrähte
zwischen aufgebracht, die einen Durchmesser 0,30 und 5 mm haben und die zu einem Millikan-Leiter gebildet werden sollen. In der Praxis werden die Drähte veranlaßt, durch ein Bad zu gehen, welches die oben beschriebene Lösung enthält. Die auf diese Weise überzogenen Drähte werden nach dem Austritt aus dem Bad einer Wärmebehandlung unterworfen, um das Harz zu härten. Hierzu werden die Drähte durch einen Ofen geführt, und zwar durch eine erste Zone, die auf eine Temperatur von etwa 300° C aufgeheizt ist, und dann durch eine zweite Zone, die auf eine Temperatur im Bereich zwischen 400 und 4500 C aufgeheizt ist.
Das vernetzte Polyvxnylacetalharz gemäß vorstehender
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Beschreibung, welches als Isolierüberzug für leitende Drähte verwendet wird, welche den Strang eines Millikan-Leiters bilden sollen, ist, wie oben gesagt, ein Harz, welches den Anforderungen besser entspricht, die bei der Herstellung und dem Gebrauch von Kabeln der beschriebenen Art gestellt werden, . wie es durch Tests festgestellt worden ist, die an leitenden Drähten ausgeführt worden sind, die in der beschriebenen Weise überzogen wurden. Tatsächlich konnte nachgewiesen werden, daß das Harz folgende Eigenschaften aufwies:
Wärmeklasse 120° C
Dielektrische Festigkeit gemessen nach
Standard CEI 55.1 >120 KV/mm
Widerstand gegen Abrieb in zwei Richtungen
gemäß Standard CEI 55.1 150 Zyklen
Wärmedruckwert gemäß Standard CEI 55.1 >i7O° C Wirkung von Verunreinigung durch Altern von Decylbenzol
Verlustfaktor
bei Raumtem- bei 100° C ρeratür bei 140° C während 30 Tagen:
Harzüberzogener Draht/Decylbenzol/ Papier-System
Decylbenzol/Papier-System
bei 140° C während 7 Tagen mit nachfolgender Behandlung bei 200° C während 2 Stunden:
Harzüberzogener Draht/Decylbenzol/
Papier-System <lxiO 4x10
Decylbenzol/Papier-System <ixiO ixiO
Aus obigen Werten ist ersichtlich, daß am Ende des Alterungstestes, der an dem geschlossenen System ausgeführt wurde, welches dargestellt ist durch mit dem oben beschriebenen
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Al
harzüberzogenen Draht, DecyTbenzol und Papier, der Verlustfaktor von Decylbenzol praktisch analog demjenigen ist', der sich am Ende des Alterungstestes ergibt, der an einem geschlossenen System ausgeführt wurde,.welches durch Decy!benzol und Papier dargestellt ist. Daher kann geschlossen werden, daß die Verunreinigung von Decylben- zol, hervorgerufen von dem geprüften Harz, im wesentlichen Null ist.
Weiterhin ist zu bemerken, daß es sich gezeigt hat, daß das obengenannte Harz an den leitenden Drähten stark haftet. Weiterhin ist während des Verbindens der leitenden Drähte, was vorzugsweise mit einem Schutzgasverfahren erfolgt (Metall/inertes Gas), gefunden worden, daß das Harz sich praktisch vollständig verflüchtigt.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche.
    Γ\
    I l.jEnergiekabel mit einem Millikan-Leiter kreisförmigen querschnitts, der aus wenigstens vier sektorförmigen leitenden Elementen besteht, wobei der Leiter mit Papier isoliert und mit Öl gefüllt ist, und wobei jedes leitende Element miteinander verdrallte oder verseilte leitende Metalldrähte aufweist, deren jeder einen Isolierüberzug einer Dicke zwischen h und 10 ^u und gegen den Übergang von Strom von einem leitenden Metalldraht zu einem anderen einen übergangswiderstand hat, der mit Bezug auf den Längswiderstand der leitenden Metalldrähte hoch ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug ein vernetztes synthetisches Harz aufweist mit einer Wärmeklasse von 120 C, einem Widerstand gegen Abrieb in zwei Richtungen gemäß Standard CEI 55.1 von wenigstens 50 Zyklen, einem Wärmedruckwert gemäß Standard CEI 55.1 von höher als 170° C, und mit einer Verunreinigungswirkung auf das Kabelöl nach Alterung in einem geschlossenen System, welches das Öl und das Isolierpapier umfaßt, von im wesentliehen Null, und daß das Harz während der Schweißphase oder Lötphase der Leiter in der Schweißzone oder Lötzone praktisch vollständig verflüchtigbar ist.
  2. 2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vernetzte synthetische Harz aus einem Polyvinylacetalharz besteht, welches wenigstens mittels eines Phenolaldehydharzes und eines Melaminharzes in Prozentsätzen zwischen 10 und 80 Teilen bzw. 0 und 15 Teilen auf 100 Gewichtsteile des Polyvinylacetalharzes vernetzt ist.
  3. 3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vernetzte synthetische Harz aus dem Polyvinylacetalharz besteht, welches weiterhin mittels eines blockierten Isocyanate in einer Menge zwischen 10 und 75 Teilen auf 100 Teile Polyvinyla ce talharz vernetzt ist.
  4. 4. Kabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyvinylacetalharz aus einem Kondensations-
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    produkt von Formaldehyd mit einem Hydrolyseprodukt eines Polyvinylacetats besteht.
  5. 5. Kabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phenolaldehydiiarz ein Kondensations— produkt von Eresol mit Formaldehyd ist.
  6. 6. Kabel nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Melaminharz ein Kondensationspro— dukt von Melamin und Formaldehyd ist,
  7. 7. Kabel nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das blockierte Isocyanat ein phenolblockiertes Toluylendiisocyanat ist.
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