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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Isolierstruktur für
Mittel-, Hoch- und Höchstspannungskabel,
die Gleich- oder Wechselstrom transportieren.
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Diese Kabel bestehen im allgemeinen
aus einer leitfähigen
Ader, umgeben von einer Isolierstruktur, die zu dieser koaxial ist.
Diese Struktur umfasst wenigstens eine erste, halbleitende Schicht,
die in Kontakt mit der Ader des Kabels angeordnet, ihrerseits von
einer zweiten, elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, die
ihrerseits von einer dritten, halbleitenden Schicht überdeckt
ist. Andere äußere Schichten
dienen dem Schutz des Kabels.
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Die isolierende Schicht ist üblicherweise
auf Grundlage von Polyethylen hoher Dichte oder niedriger Dichte,
vernetztem Polyethylen oder auch Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer
mit Methylen-Hauptkette (EPDM).
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Die halbleitenden Schichten bestehen
im allgemeinen aus einer polaren Matrix, meist einem Ethylen-Alkylacrylat-Copolymer, das mit
Ruß aufgefüllt ist.
Die Menge an Füllmaterial
variiert je nach Art des verwendeten Rußes. Bei einem Acetylenruß oder einem
Ofenruß ist
der Anteil an Füllmaterial
im allgemeinen zwischen 28% und 40% enthalten.
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Die dielektrische Festigkeit eines
solchen Kabels ist eng verknüpft
mit der Qualität
der Grenzfläche
zwischen der halbleitenden Schicht und der isolierenden Schicht.
Die geringste Rauhigkeit an dieser Grenzfläche kann eine Verstärkung des
elektrischen Feldes bewirken und zum Durchschlag und zur Durchbrechung
der isolierenden Schicht führen.
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Um beim Extrudieren eine möglichst
glatte Grenzfläche
zu erhalten, ist die Matrix der halbleitenden Schichten der gegenwärtig vertriebenen
Hochspannungskabel im allgemeinen auf Grundlage eines Polymers mit
hohem Fluiditätsindex
oder "melt Index" in der Größenordnung
von 17 (ein hoher "melt Index" ist Anzeichen für das Vorhandensein von niedrigen Molmassen,
er wird nach den Normen ASM Referenz D1238 oder NFT51-016 gemessen),
das eine sehr breite Molmassenverteilung besitzt. Man hat jedoch in
der isolierenden Schicht in der Nähe der halbleitenden Schichten
das Auftreten von Raumladungen festgestellt, deren Ansammlung zu
einer Beeinträchtigung
der dielektrischen Festigkeit der Isolation führt, die bis zum Durchschlag
gehen kann.
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Bestimmte Hersteller von Halbleitern
verwenden apolare Matrizen auf Grundlage eines Ethylen-Copolymers
(EPR: thermoplastisches Ethylen-Propylen-Elastomer, oder EPDM: Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer
mit Methylen-Hauptkette), zu denen sie Öle oder Weichmacher zufügen, um
den Erhalt eines guten Oberflächenzustandes
der halbleitenden Schicht zu erleichtern. Diese Öle oder Weichmacher diffundieren
jedoch in die isolierende Schicht und erzeugen an der Grenzfläche zwischen
der halbleitenden Schicht und der isolierenden Schicht, wo das elektrische
Feld am stärksten
ist, einen Bereich verminderter dielektrischer Festigkeit.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist,
eine Isolierstruktur für
Mittel-, Hoch- und Höchstspannungskabel
anzugeben, die Gleich- oder Wechselstrom transportieren, die zeitlich stabilere
dielektrische Eigenschaften aufweist als die bisher bekannten.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist eine Kabelisolierstruktur, die wenigstens eine erste, halbleitende,
an die Ader des Kabels angrenzende und zu dieser koaxiale Schicht
umfasst, die von einer zweiten, elektrisch isolierenden Schicht
umgeben ist, die ihrerseits von einer dritten, halbleitenden Schicht bedeckt
ist. Die halbleitenden Schichten bestehen ausschließlich aus
einer Matrix, die nur apolare Polymere mit einer molaren Masse von
mehr als 1000 umfasst, und einem leitfähigen Füllmaterial.
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Vorzugsweise haben die Komponenten
der Matrix eine molare Masse von mehr als 5000.
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Wenn die halbleitenden Schichten
Verbindungen mit niedrigen molaren Massen oder Zusätze enthalten,
wie etwa Öle
oder Weichmacher, wandern diese Verbindungen in die isolierende
Schicht. Diese Erscheinung hat die Bildung von Raumladungen zur Folge,
die Verstärkungen
des elektrischen Feldes hervorrufen und letztendlich zu Durchschlägen führen können. Diese
Feldverstärkung
ist verknüpft
mit der Menge an gebildeten Ladungen, aber auch mit ihrer Beweglichkeit:
eine Menge von gleichförmig
verteilten Ladungen führt
nicht zu einer genauso großen Feldverstärkung wie
die gleiche Menge an lokalisierten Ladungen. Diese Wanderung kann
im Laufe der Anwendung oder im Laufe des Betriebes des Kabels stattfinden.
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Die Verwendung einer halbleitenden
Schicht mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung,
die nur Verbindungen mit hoher molarer Masse enthält, verhindert
die Wanderung von Spezies in der isolierenden Schicht und dadurch
die Ansammlung von Raumladungen in der Nähe der Grenzflächen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante sind
die Polymere ausgewählt
unter Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und ihren Copolymeren,
Legierungen von unter Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und
ihren Copolymeren ausgewählten
Polymeren und Gemischen von Verbindungen, ausgewählt unter Polyethylen, Polypropylen,
Polystyrol, deren Copolymeren und den vorgenannten Legierungen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante sind
die Polymere unter den polyolefinischen thermoplastischen Elastomeren
und ihren Gemischen ausgewählt.
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Von der Auswahl der die Matrix bildenden Polymere
hängen
die Qualität
ihrer Grenzfläche
zur isolierenden Schicht und die mechanischen Eigenschaften der
erhaltenen halbleitenden Schicht ab, ohne dass auf Zusätze zurückgegriffen
werden muss.
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Die vorliegende Erfindung hat den
Vorteil, dass sie die dielektrischen Eigenschaften der Isolierstruktur
stabilisiert, indem sie die Wanderung der Verbindungen mit niedriger
molarer Masse unterdrückt.
Infolgedessen wird die Qualität
der Grenzfläche
zwischen den verschiedenen Schichten ein weniger kritischer Parameter.
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Das Füllmaterial ist ein Ruß, der möglichst wenig
Verunreinigungen enthält.
Man kann einen Ofenruß oder
einen "KETJEN"-Ruß verwenden,
vorzugsweise wird aber ein Acetylenruß gewählt, der wesentlich reiner
ist.
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Andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der nachfolgenden Beispiele
die selbstverständlich
nur zur Erläuterung
und nicht zur Beschränkung
mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung gegeben werden. Es zeigen:
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1 das
allgemeine Schema der Druckwellen-Versuchsanlage,
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2 eine
Draufsicht auf die Probe der Isolierstruktur für den Druckwellenversuch,
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3 einen
schematischen Schnitt durch die Probe aus 2.
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Der Druckwellenversuch wird mit Hilfe
der in 1 dargestellten
Anlage durchgeführt.
Dieser Versuch erlaubt es, die Verstärkung des elektrischen Feldes
in einer Isolierstruktur zu bewerten.
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Eine Probe 1 der Isolierstruktur
für den Druckwellenversuch
ist in Draufsicht in 2 und
im Schnitt in 3 dargestellt.
Auf einer kreisförmigen Oberfläche mit
dem Durchmesser A von 20 mm findet man überlagert:
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- – eine
erste, halbleitende Schicht 2 mit einer Dicke B von
0,5 mm,
- – eine
zweite, elektrisch isolierende Schicht 3 mit einer Dicke C von
0,8 mm,
- – eine
dritte, halbleitende Schicht 4, die mit der Schicht 2 identisch
ist.
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Die in 1 dargestellte
Anlage besteht aus einem YAG-Laser 10,
dessen Strahl auf ein Ziel 11 gelenkt wird, das der Probe
1 entspricht, und von dem jeder Halbleiter eine Plus- bzw. Minuselektrode bildet.
Dieser an der Oberfläche der
Minuselektrode 2 absorbierte Strahl zerlegt diese Oberfläche durch Pyrolyse,
und die abgegebenen Gase bewirken eine Druckwelle, die die Probe
durchläuft.
Diese Welle moduliert die Bildladungen auf den Elektroden und gibt
Zugang zu der Raumladungsdichte in der Probe.
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Eine Photodiode 12 ermöglicht es,
einen Detektor 13 mit dem Laser 10 zu synchronisieren.
Die Schaltung wird elektrisch durch eine Hochspannungsversorgung 14 versorgt,
die mit einem Widerstand 15 versehen ist. Die aufgezeichneten
Daten werden übertragen,
um von einem Computer 16 verarbeitet und in Funktion der
Zeit auf einem graphischen Aufzeichnungsgerät 17 dargestellt zu
werden. Der Laser 10 schickt eine Welle auf das Ziel 11,
die das Auftreten von Raumladungen und die Veränderung der Verteilung des
elektrischen Feldes bewirkt, die dann von dem Detektor 13 gemessen
wird.
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Beispiel 1
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Eine Probe der Isolierstruktur nach
dem Stand der Technik analog zur in 2 dargestellten Probe
wird hergestellt, welche umfasst:
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- – eine
erste, halbleitende Schicht, bestehend aus einer polaren Matrix
auf Grundlage eines Ethylen-Alkylacrylat-Copolymers,
dessen "melt Index" den Wert 8 hat und dessen Gehalt an Ester 20% ist,
und zu der Acetylenruß-Füllmaterial
in einem Anteil von 66 Gewichtsanteilen zu 100 Anteilen Matrix zugefügt ist,
- – eine
zweite, elektrisch isolierende Schicht, bestehend aus einem olefinischen
thermoplastischen Elastomer,
- – eine
dritte, halbleitende Schicht, die mit der ersten Schicht identisch
ist.
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Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch
mit Hilfe der in 1 dargestellten
Anlage unterzogen. Man stellt das Auftreten von negativen Ladungen
an der Kathode 2 in erheblichem Umfang fest. Die Verstärkung des
Feldes ist dann größer als 20%
und die Ladungen bleiben nach Abschalten der Spannung im Material
mehrere Stunden gefangen.
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Beispiel 2
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Eine Probe der Isolierstruktur nach
dem Stand der Technik analog zur in 2 dargestellten Probe
wird hergestellt, welche umfasst:
-
- – eine
erste, halbleitende Schicht, bestehend aus einer polaren Matrix
auf Grundlage eines Ethylen-Alkylacrylat-Copolymers,
dessen "melt Index" den wert 8 hat und dessen Gehalt an Ester 20% ist,
zu der Acetylenruß-Füllmaterial
in einem Anteil von 66 Gewichtsanteilen zu 100 Teilen Matrix zugefügt ist,
- – eine
zweite, elektrisch isolierende Schicht, bestehend aus einem chemisch
vernetzten Polyethylen (PRC),
- – eine
dritte, halbleitende Schicht, die mit der ersten Schicht identisch
ist.
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Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch
mit Hilfe der in 1 dargestellten
Anlage unterzogen. Man stellt das Auftreten von negativen Ladungen
in erheblichem Umfang in der Nähe
der Kathode 2 fest, die in der Matrix der isolierenden
Schicht nach Abschalten der Spannung gefangen bleiben. Die Feldverstärkung ist
größer als
20%.
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Beispiel 3
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Eine Probe der Isolierstruktur gemäß der Erfindung
analog zu der in 2 dargestellten
Probe wird hergestellt, welche umfasst:
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- – eine
erste, halbleitende Schicht, bestehend aus einer apolaren Matrix,
zu der Acetylenruß-Füllmaterial
in einem Verhältnis
von 66 Gewichtsanteilen in Bezug auf 100 Anteile Matrix zugefügt ist;
die Matrix enthält
einerseits 20% Polyethylen (PE), dessen "melt Index" den Wert 2
hat, und dessen molare Masse zwischen 103 und
107 liegt und um 1,1 × 106 zentriert
ist, und andererseits 80% eines Ethylen-Propylen-Copolymers, das
ca. 50 Gewichtsprozent Ethylen enthält und dessen "MOONEY"-Viskosität (gemessen
nach der Norm NFT43005) in der Größenordnung von 40 liegt und
dessen molare Masse zwischen 103 und 107 enthalten und um 1,2 × 105 zentriert
ist,
- – eine
zweite, elektrisch isolierende Schicht, bestehend aus einem chemisch
vernetzten Polyethylen (PRC),
- – eine
dritte, halbleitende Schicht, die mit der ersten Schicht identisch
ist.
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Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch
mit Hilfe der in 1 dargestellten
Anlage unterzogen. Die Verstärkung
des elektrischen Feldes ist kleiner als 10%, und nach Abschalten
der Spannung bleiben keine gefangenen Ladungen im isolierenden Material
zurück.
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Beispiel 4
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Eine Probe der Isolierstruktur gemäß der Erfindung
analog zu der in 2 dargestellten
Probe wird hergestellt, welche umfasst:
-
- – eine
erste, halbleitende Schicht, bestehend aus einer apolaren Matrix,
der Acetylenruß-Füllmaterial
in einem Verhältnis
von 66 Gewichtsanteilen in Bezug auf 100 Anteile Matrix zugefügt ist;
die Matrix enthält
einerseits 20% Polyethylen (PE), dessen "melt Index" den Wert 2
hat und dessen molare Masse um 1,1 × 106 zentriert
ist, und andererseits 80% eines Ethylen-Propylen-Copolymers, das ca. 50 Gewichtsprozent
Ethylen enthält
und dessen "MOONEY"-Viskosität
(nach der Norm NFT43005) in der Größenordnung von 40 liegt und
dessen molare Masse zwischen 103 und 107 enthalten ist und um 1,2 × 105 zentriert ist,
- – eine
zweite, elektrisch isolierende Schicht, bestehend aus einem olefinischen
thermoplastischen Elastomer,
- – eine
dritte, halbleitende Schicht, die mit der ersten Schicht identisch
ist.
-
Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch
mit Hilfe der in 1 dargestellten
Anlage unterzogen. Die Verstärkung
des elektrischen Feldes ist kleiner als 10%, und nach Abschalten
der Spannung bleiben keine gefangenen Ladungen in dem isolierenden
Material zurück.
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Beispiel 5 – Vergleich
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Eine Probe analog zu der in Beispiel
4 beschriebenen wird hergestellt, wobei allerdings zur Matrix der
halbleitenden Schichten ein Parafinöl in einem Anteil von 5 Gewichtsprozent
bezogen auf die Matrix zugefügt
wird.
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Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch
mit Hilfe der in 1 dargestellten
Anlage unterzogen. Die Feldverstärkung
ist in diesem Fall 140%.
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Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt, sondern
eignet sich zu zahlreichen Abwandlungen, die im Rahmen des fachmännischen Könnens liegen,
ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, jedes Mittel durch ein äquivalentes
Mittel ersetzt werden.