DE69418804T3 - Kabelisolierstruktur - Google Patents

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    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01B9/02Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
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  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isolierstruktur für Mittel-, Hoch- und Höchstspannungskabel, die Gleich- oder Wechselstrom transportieren.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise haben die Komponenten der Matrix eine molare Masse von mehr als 5000.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante sind die Polymere unter den polyolefinischen thermoplastischen Elastomeren und ihren Gemischen ausgewählt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1 das allgemeine Schema der Druckwellen-Versuchsanlage,
  • 2 eine Draufsicht auf die Probe der Isolierstruktur für den Druckwellenversuch,
  • 3 einen schematischen Schnitt durch die Probe aus 2.
  • 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.
  • 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:
    • – 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel 1
  • 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, 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.
  • 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.
  • Beispiel 2
  • 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.
  • 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%.
  • Beispiel 3
  • 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, 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.
  • 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.
  • Beispiel 4
  • 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.
  • Beispiel 5 – Vergleich
  • 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.
  • Diese Probe wird dann dem Druckwellenversuch mit Hilfe der in 1 dargestellten Anlage unterzogen. Die Feldverstärkung ist in diesem Fall 140%.
  • 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.

Claims (5)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten halbleitenden Schichten ausschließlich aus einer Matrix, die nur apolare Polymere mit einer molaren Masse von mehr als 1000 umfasst, und einem leitfähigen Füllmaterial bestehen.
  2. Struktur nach Anspruch 1, bei der die Komponenten der besagten Matrix eine molare Masse von mehr als 5000 haben.
  3. Struktur nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Matrix unter Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und ihren Copolymeren, Legierungen von Polymeren, die unter Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und ihren Copolymeren ausgewählt sind, und den Gemischen der vorgenannten Verbindungen ausgewählt ist.
  4. Struktur nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Matrix unter polyolefinischen thermoplastischen Elastomeren und ihren Gemischen ausgewählt ist.
  5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das besagte Füllmaterial Acetylenruß ist.
DE69418804T 1993-09-21 1994-09-20 Kabelisolierstruktur Expired - Lifetime DE69418804T3 (de)

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