-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung,
die bei der Verbindung von Starkstromkabeln verwendet werden
soll, welche bei mittlerer oder hoher Spannung von
mindestens 1,8/3 (3,6kV) arbeiten, vorzugsweise, aber nicht
ausschließlich, für die Übertragung von Wechselstrom.
-
Derzeit erfolgt der Anschluß von zwei Kabeln mit
Hilfe einer vorgefertigten Verbindung, die durch Injektion
oder Extrusion hergestellt wird und die ein Isolationssystem
um die Seelen der miteinander verbundenen Kabel
wiederherstellt. Die Verbindungsvorrichtung enthält eine elektrisch
isolierende Schicht, die zwischen zwei leitenden Schichten
angeordnet ist, die die gleichmäßige Verteilung des
elektrischen Felds gewährleisten. Die beiden die isolierende
Schicht umgebenden Schichten besteht entweder aus einem
halbleitenden Polymer-Material, das mit einem leitenden Ruß
vermischt ist, meist EPDM (Äthylenpropylendien-Terpolymer
mit Methylen-Hauptkette). Die Druckschriften EP-A-0 507 676
und GB-A-2 111 769 beschreiben Beispiele solcher
Verbindungen.
-
Die Stärke des elektrischen Felds kann in der Nähe
der Schnittstellen zwischen den Schichten die mehrfache
Stärke des Nennfelds erreichen, so daß die
Durchschlagspannung rasch erreicht werden kann. Dann kann die
Isolierschicht durchstoßen werden.
-
Eine solche Verbindung hat hinsichtlich ihrer
Verwendung unzureichende dielektrische Eigenschaften, was
einerseits einen Durchschlag der Verbindung hervorruft und
Störungen in der Stromverteilung im Netz bewirken kann, und
andererseits eine mangelnde Zuverlässigkeit der Herstellung
Ursache für viel Ausschuß ist.
-
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung
zur Verbindung von Starkstromkabeln, die bei mittlerer oder
hoher Spannung arbeiten, vor, deren dielektrische
Eigenschaften
in Bezug auf die bekannten Verbindungsvorrichtungen
verbessert sind.
-
Außerdem schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur
Verbindung von Starkstromkabeln, die bei mittlerer oder
hoher Spannung arbeiten, vor, deren Herstellung und Einsatz
mit erhöhter Zuverlässigkeit durchgeführt werden können.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
Vorrichtung zur Verbindung von Starkstromkabeln für mittlere
und hohe Spannung, die koaxial mindestens eine erste Schicht
aufweisen, die außen von einer zweiten, elektrisch
isolierenden Elastomerschicht umgeben ist. Die erste Schicht
besteht aus der Mischung aus einer Polymermatrix und einer
Beigabe, die ein Polymer ist, welches in Höhe der
Monomermotive Funktionen enthält, die die homogene Verteilung des
elektrischen Felds gewährleisten können. Die Beigabe wird
aus einerseits einem Polymer mit hängenden polaren Gruppen
ausgewählt, dessen relative Dielektrizitätskonstante εr
mindestens 10 beträgt und dessen Anteil so gewählt wird, da
die relative Dielektrizitätskonstante εr dieser Mischung
mindestens 6 beträgt. Die zweite Schicht besteht aus einem
thermoplastischen Elastomer. Die erste Schicht und die
zweite Schicht sind eng miteinander verbunden mit einer
Haftung von mindestens 5N cm&supmin;¹.
-
Die Verstärkung des elektrischen Felds erfolgt
hauptsächlich an der Schnittstelle zwischen zwei Schichten.
Das Vorhandensein einiger Heterogenitäten in Höhe dieser
Schnittstelle genügt, um die Akkumulierung von Raumladungen
und eine örtliche Verstärkung des elektrischen Felds
hervorzurufen, das sehr stark sein und einen Durchschlag der
Verbindung bewirken kann. Es ist also sehr wichtig, daß die
erste und die zweite Schicht einen Übergang aufweisen, der
so regelmäßig wie möglich ist, und daß sie stark aneinander
haften.
-
Die Beigabe ist ein Polymer, das vorzugsweise
ausgewählt wird aus Nitrilkautschuk, der ein Copolymer aus
Butadien
und Acrylonitril ist, hydriertem Nitrilkautschuk
(HNBR), chloriertem Polyäthylen, chlorsulfuriertem
Polyäthylen und den Mischungen, die mehr als 25 Gew.% dieser
Polymere enthalten.
-
Man könnte genauso gut Polyurethane oder
Polychloropren (PCP) verwenden, aber ihre Verwendung ist schwierig
aufgrund ihrer Toxizität. Man könnte auch
Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwenden, aber dann wäre eine gute Haftung
nur schwierig zu erzielen.
-
Das Vorhandensein der hängenden polaren Gruppen, die
sich in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Felds
ausrichten, trägt zu seiner besseren Verteilung im Volumen
der ersten Schicht bei.
-
Die Matrix wird aus einem Copolymer von Äthylen, aus
linearem Polyäthylen sehr geringer Dichte (VLDPE) und ihren
Mischungen ausgewählt.
-
Wenn die Matrix ein Äthylencopolymer ist, ist dieses
vorzugsweise amorph und wird aus dem Äthylenpropylendien-
Terpolymer mit Methylen-Hauptkette (EPDM), dem
Äthylenpropylencopolymer mit Methylen-Hauptkette (EPM), dem Copolymer
aus Äthylen und Vinylacetat (EVA), das mindestens 26%
Vinylacetat enthält, dem Copolymer aus Äthylen und Butylacrylat
(EBA), dem Copolymer aus Äthylen und Methylacrylat (EMA) und
ihrem Mischungen ausgewählt.
-
Die Matrix verleiht der Mischung ihre mechanischen
Eigenschaften und trägt zur Qualität der Haftung zwischen
der ersten und der zweiten Schicht bei.
-
Vorzugsweise besteht die zweite Schicht aus einem
vielphasigen thermoplastischem Elastomer, das eine Mischung
von Polymeren auf Olefinbasis ist, die durch dynamische
Vernetzung in einer eine Schraube enthaltenden Apparatur
hergestellt wird.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform besteht die zweite
Schicht aus einem vielphasigen thermoplastischen Elastomer,
das aus den Mischungen des Äthylenpropylendien-Terpolymers
mit Methylen-Hauptkette (EPDM) mit dem
Polyäthylenterephthalat (PET), dem Polyamid (PA), dem Polycarbonat (PC) und
dem Polypropylen (PP) ausgewählt wird.
-
Gemäß einer zweiten Ausführungsform besteht die
zweite Schicht aus einem vielphasigen thermoplastischem
Elastomer, das aus den Mischungen des linearen Polyäthylens
sehr geringer Dichte (VLDEP) mit dem Polyäthylenterephtalat
(PET), dem Polyamid (PA), dem Polycarbonat (PC) und dem
Polypropylen (PP) ausgewählt wird.
-
Die thermoplastischen Elastomere sind für ihre
leichte Formbarkeit bekannt, was die Produktivität
verbessert. Sie besitzen im allgemeinen eine organische Phase, die
in einer kontinuierlichen organischen Phase dispergiert ist.
Diese vielphasige Struktur läßt eine große elektrische
Mobilität an der Übergangsfläche auftreten, die das
Auftreten von Raumladungen vermeidet und somit an der
Übergangsfläche eine mögliche Verstärkung des elektrischen Felds
begrenzt.
-
Eine Schicht aus thermoplastischem Material für die
Isolierung eines Gleichstrom-Hochspannungskabels (mehr als
60 kV), die zwischen der Seele des Kabels und einer
Metallabschirmung angeordnet ist, wurde in der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0 539 905 beschrieben.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die zweite Schicht aus einem vernetzten Elastomer,
das aus dem Äthylenpropylendien-Terpolymer mit Methylen-
Hauptkette (EPDM), dem Äthylenpropylen-Copolymer mit
Methylen-Hauptkette (EPM oder EPR) und dem linearen Polyäthylen
sehr geringer Dichte (VLDPE), ihren Legierungen und ihren
Mischungen ausgewählt wird.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer
nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele
anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
-
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Verbindung durch Injektion.
-
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Verbindung durch Extrusion.
-
Figur 3 zeigt schematisch im Schnitt eine Probe, die
für die Prüfung der Durchschlagsfestigkeit verwendet wird.
-
Figur 4 zeigt ein Schema der Anlage, die für die
Prüfung der Durchschlagsfestigkeit verwendet wird.
-
Figur 5 zeigt schematisch von oben eine Probe, die
für die Messung der Verstärkung des elektrischen Felds
verwendet wird.
-
Figur 6 zeigt schematisch im Schnitt die Probe aus
Figur 5.
-
Figur 7 zeigt ein Schema der Anlage, die für die
Messung der Verstärkung des elektrischen Felds verwendet
wird.
-
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1,
die durch Injektion geformt wurde und die die Verbindung
zwischen einem ersten Kabel 2 und einem zweiten Kabel 3
herstellt. Das Kabel 3, dessen Außendurchmesser kleiner als
der des Endes der Vorrichtung 1 ist, besitzt ein Anpaßstück
10 mit einem Deflektor 4. Die leitenden Seelen 13 der Kabel
2 und 3 werden durch ein Verbindungsteil 5 verbunden, das
von einem Wärmeabfuhrorgan 6 umgeben ist. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 besteht aus einer ersten Schicht einer
Dicke von etwa 0,6 mm, die aus der Mischung einer
Polymermatrix und einer Beigabe besteht, die ein Polymer ist, das in
Höhe der Monomermotive Funktionen aufweist, die eine
homogene Verteilung des elektrischen Felds gewährleisten können,
an der eine zweite Schicht 8 einer Dicke von etwa 5,5 mm
haftet, die aus einem vielphasigen thermoplastischen
Elastomer besteht, und aus einer äußeren Halbleiterschicht 9 von
etwa 0,6 mm Dicke, die gemäß dem Stand der Technik aus einem
Material auf der Basis von EPDM besteht, das eine Beigabe
von leitendem Ruß aufweist. Jede dieser Schichten ist mit
der entsprechenden Schicht der Kabel verbunden. Wenn man
eine Verbindung herstellt, wird das Kabel abisoliert, um
eine an Masse gelegte Halbleiterschicht 11 freizulegen, die
die Abschirmung des Kabels gewährleisten soll und die mit
der Außenschicht 9 der Verbindungsvorrichtung 1 über den
Deflektor 4 verbunden wird. Dann kommt eine elektrisch
isolierende Schicht 12, die mit der zweiten Schicht 8 gemäß
der Erfindung über das Anpaßstück 10 verbunden wird.
Schließlich bedeckt eine halbleitende Schicht die Seele 13
des Kabels, um eine äquipotentiale Kammer zu bilden, und
wird mit der ersten Schicht 7 gemäß der Erfindung über das
Wärmeabfuhrorgan 6 verbunden.
-
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 21,
die durch Extrusion geformt wird und die Verbindung zwischen
einem ersten Kabel 22 und einem zweiten Kabel 23 herstellt.
Die abisolierten leitenden Seelen 20 der Kabel 22 und 23
werden über ein Verbindungsteil 25 verbunden, das von einem
halbleitenden Wärmeabfuhrorgan 26 umgeben ist, das aus dem
gleichen Material wie die erste Schicht 27 besteht. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 21 besteht aus einer ersten
Schicht 27 aus einer Polymermatrix, der ein Polymer
beigegeben ist, das in Höhe der Monomermotive Funktionen
aufweist, die eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen
Felds gewährleisten können, an der eine zweite Schicht 28
haftet, die aus einem vielphasigen thermoplastischen
Elastomer besteht, und aus einer halbleitenden Außenschicht 29,
die gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist. Jede dieser
Schichten ist mit der entsprechenden Schicht der Kabel
verbunden. Wenn eine Verbindung hergestellt wird, wird das
Kabel abisoliert, um eine an Masse liegende halbleitende
Schicht 210 freizulegen, die die Abschirmung des Kabels
gewährleisten soll und die mit der Außenschicht 29 der
Verbindungsvorrichtung 21 verbunden wird. Dann kommt eine
elektrisch isolierende Schicht 211, die mit der zweiten
Schicht 28 gemäß der Erfindung verbunden wird. Schließlich
bedeckt eine Halbleiterschicht 212 die Seele 20 des Kabels,
um eine äquipotentiale Kammer zu bilden, und wird mit der
ersten Schicht 27 gemäß der Erfindung über das
Wärmeabfuhrorgan 26 verbunden. Eine Schutzhülle 24 bedeckt die
Verbindungsstelle und verlängert die Schutzhülle 208 des
Kabels.
BEISPIEL 1
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung A gemäß dem Stand
der Technik hergestellt, die eine erste halbleitende Schicht
einer Dicke von 0,6 mm aufweist, die aus der Mischung einer
Matrix aus EPDM (εr=2,5) besteht, zu der die 60 Gewichtsteile
eines leitenden Rußes der Art "Ofenruß" zugefügt wurden.
Diese Mischung hat einen spezifischen elektrischen
Widerstand von 80 Ω cm bei 50 Hz, einen Wert der Reißdehnung bei
Umgebungstemperatur von 600% und einen Zugwiderstand von
10MPa.
-
Auf diese erste Schicht wird eine zweite, isolierende
Schicht einer Dicke von 5,5 mm gebracht, die aus EPDM
besteht.
-
Die halbleitende Außenschicht hat die gleiche
Zusammensetzung wie die erste Schicht.
BEISPIEL 2
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung B gemäß dem Stand
der Technik hergestellt, die eine erste halbleitende Schicht
einer Dicke von 0,6 mm aufweist, die aus der Mischung einer
Matrix aus EPDM besteht, zu der 30 Gewichtsteile eines
leitenden Rußes der Art "KETJEN" zugefügt wurden. Diese
Mischung hat eine relative Dielektrizitätskonstante εr von 8
bei 50 Hz, einen Wert der Reißdehnung bei
Umgebungstemperatur von 550% und einen Zugwiderstand von 14MPa.
-
Auf diese erste Schicht wird eine zweite, isolierende
Schicht einer Dicke von 5,5 mm gebracht, die aus EPDM
besteht.
-
Die halbleitende Außenschicht hat die gleiche
Zusammensetzung wie die erste Schicht.
BEISPIEL 3
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung C gemäß der
Erfindung hergestellt, die eine erste halbleitende Schicht
einer Dicke von 0,6 mm aufweist, die aus der homogenen
Mischung von 50 Gewichtsteilen einer Matrix aus Äthylen-
Copolymer EVA mit 45 Gew.% Vinylacetat (εr=2,5) der Referenz
"LEVAPRENE 450" der Firma BAYER, von 50 Gewichtsteilen von
hydriertem Nitrilkautschuk HNBR (εr=40) der Referenz "TORNAC
3855" der Firma BAYER, von 3 Gewichtsteilen eines
Vernetzungsmittels, das Dicumylperoxid der Referenz "PERKADOX BC
40" ist, und von 1,5 Gewichtsteilen eines
Oxidationsinhibitors besteht, der Poly-1,2-dihydro-2,2,4-trimethylquinolein
ist. Diese Mischung hat eine relative
Dielektrizitätskonstante εr von 11 bis 50 Hz, einen Wert der Reißdehnung bei
Umgebungstemperatur von 450% und einen Zugwiderstand von
5MPa.
-
Auf diese erste Schicht wird eine zweite
Isolierschicht einer Dicke von 5,5 mm gebracht, die aus EPDM
besteht. Die Haftung zwischen den beiden Schichten beträgt 10
daN cm&supmin;¹.
-
Die halbleitende Außenschicht hat die gleiche
Zusammensetzung wie die erste Schicht.
BEISPIEL 4
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung E gemäß der
Erfindung hergestellt, die eine erste halbleitende Schicht
einer Dicke von 0,6 mm aufweist, die aus der homogenen
Mischung von 50 Gewichtsteilen einer Matrix aus "Äthylen-
Copolymer EVA mit 45 Gew.% Vinylacetat (εr=2,5) der Referenz
"LEVAPRENE450" der Firma BAYER, von 50 Gewichtsteilen von
hydriertem Nitrilkautschuk HNBR (εr=40) der Referenz "TORNAC
3855" der Firma BAYER, von 3 Gewichtsteilen eines
Vernetzungsmittels, das Dicumylperoxid der Referenz "PERKADOX BC
40" ist, und von 1,5 Gewichtsteilen eines
Oxidationsinhibitors besteht, der Poly-1,2-dihydro-2,2,4-trimethylquinolein
ist. Diese Mischung hat eine relative
Dielektrizitätskonstante εr von 11 bei 50 Hz, einen Wert der Reißdehnung bei
Umgebungstemperatur von 450% und einen Zugwiderstand von
5MPa.
-
Auf diese erste Schicht wird eine zweite, isolierende
Schicht einer Dicke von 5,5 mm gebracht, die aus einer
Mischung von Polymeren besteht, die 70 Gew.% EPDM und 30
Gew.% PC enthält. Die Haftung zwischen den beiden Schichten
beträgt 10 daN cm&supmin;¹.
-
Die halbleitende Außenschicht hat die gleiche
Zusammensetzung wie die erste Schicht.
BEISPIEL 5
-
Eine Prüfung der Durchschlagsfestigkeit wird an
Proben einer Dicke von 0,7 mm durchgeführt, von denen die
Figur 3 einen Schnitt darstellt, analog den
Verbindungsvorrichtungen A, B, C, E, die gemäß den Beispielen 1 bis 4
hergestellt wurden. Die Probe 30 besteht aus der Stapelung
einer ersten Schicht 31, an der eine zweite Schicht 32 gemäß
der vorliegenden Erfindung haftet, und einer dritten
Außenschicht 33, die aus der Mischung einer EPDM-Matrix und 60
Gewichtsteilen eines leitenden Rußes der Art "Ofenruß" gemäß
dem Stand der Technik besteht.
-
Die Prüfung wird mit Hilfe einer in Figur 4
dargestellten Anlage durchgeführt, in der die Proben einer
Wechselspannungsrampe einer Frequenz von 50 Hz unterworfen
werden, die vom Spannungsteiler 41 erzeugt wird und an den
Eingang eines Niederspannungs/Hochspannungs-Transformators
42 angelegt wird. Die entsprechende Hochspannung U wird
direkt an den Probenhalter 43 angelegt und an den Klemmen
des kapazitiven Durchlasses 44 gemessen. Der Probenhalter 43
besteht aus zwei Messingelektroden und ist in ein
Silikonölbad getaucht, um eine ausreichende Isolierung zu
garantieren und die Temperaturwirkungen studieren zu können.
-
Diese Proben werden einem Wechselspannungsanstieg von
1 kV/s unterworfen. Die Ergebnisse werden durch die
statistische Methode von WEIBULL ausgewertet, die die
Wahrscheinlichkeit des Durchschlags (in %) der Proben A bis E für ein
Feld von 30 kV/mm angeben. Diese Werte werden in der
nachfolgenden Tabelle I aufgeführt:
TABELLE I
-
Man stellt fest, daß die geringste Wahrscheinlichkeit
für die Probe E gemäß der Erfindung erhalten werden. Diese
Prüfung zeigt den Vorteil der Verbindungsvorrichtungen C und
E gemäß der vorliegenden Erfindung für die
Durchschlagsfestigkeit der Verbindung unter der Wirkung einer
kurzzeitigen Störung.
BEISPIEL 6
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung B' gemäß dem
Stand der Technik analog der im Beispiel 2 beschriebenen
Verbindungsvorrichtung B hergestellt, mit Ausnahme der
Außenschicht, die die gleiche Zusammensetzung wie die erste
Schicht der Verbindungsvorrichtung B hat.
BEISPIEL 7
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung C' gemäß dem
Stand der Technik analog der im Beispiel 3 beschriebenen
Verbindungsvorrichtung C hergestellt, mit Ausnahme der
Außenschicht, die die gleiche Zusammensetzung wie die erste
Schicht der Verbindungsvorrichtung C hat.
BEISPIEL 8
-
Es wird eine Verbindungsvorrichtung E' gemäß dem
Stand der Technik analog der im Beispiel 5 beschriebenen
Verbindungsvorrichtung E hergestellt, mit Ausnahme der
Außenschicht, die die gleiche Zusammensetzung wie die erste
Schicht der Verbindungsvorrichtung E hat.
BEISPIEL 9
-
Eine Messung der Verstärkung des elektrischen Felds
wird an Proben einer Dicke von 2 mm durchgeführt, die Figur
5 von oben und Figur 6 im Schnitt zeigt, analog den
Verbindungsvorichtungen A, B', C', E', die gemäß den Beispielen
1 und 6 bis 8 hergestellt wurden. Figur 6 zeigt den Schnitt
durch eine Probe 51 eines Durchmessers a von 20 mm, gebildet
aus der Stapelung einer ersten Schicht 52 einer Dicke b von
0,5 mm, an der eine zweite isolierende Schicht einer Dicke c
von 1 mm gemäß der vorliegenden Erfindung haftet, und einer
dritten Außenschicht 54 einer Dicke von 0,5 mm und gleicher
Zusammensetzung wie die erste Schicht 52.
-
Die in Figur 7 gezeigte Anlage besteht aus einem YAG-
Laser 60, dessen Strahl auf ein Ziel 61 entsprechend der
Probe 51 geschickt wird, von der jede halbleitende Schicht
eine positive (+) bzw. negative Elektrode (-) bildet. Dieser
an der Oberfläche der negativen Elektrode (-) absorbierte
Strahl zersetzt diese Fläche durch Pyrolyse und die
ausgesandten Gase erzeugen eine Druckwelle, die die Probe
durchquert. Diese Welle moduliert die Bild-Ladungen auf den
Elektroden und ermöglicht den Zugang zur volumetrischen
Ladungsdichte in der Probe.
-
Eine Fotodiode 62 ermöglicht es, ein Registrierorgan
63 mit dem Laser 60 zu synchronisieren. Die Schaltung wird
elektrisch von einer Hochspannungsversorgung 64 gespeist,
die mit einem Widerstand 65 versehen ist. Die registrierten
Daten werden übertragen, um von einem Computer 66
verarbeitet und in Abhängigkeit von der Zeit auf einem Plotter 67
ausgegeben zu werden.
-
Diese Proben werden einer Vorspannung von 30 kV/mm
mit Gleichstrom unterworfen und man mißt den Zeitraum, an
dessen Ende eine Verstärkung von 50% des elektrischen Felds
an den Elektroden festgestellt werden kann. Die Häufigkeit
der Beobachtungen beträgt einmal pro Stunde. Die in Stunden
erfaßten Zeitdauern werden in der nachstehenden Tabelle II
angegeben:
TABELLE II
-
Diese Prüfung zeigt den Vorteil der Vorrichtungen C'
und E' gemäß der vorliegenden Erfindung für die
Beständigkeit der Verbindung während der Dauer ihrer Benutzung.