ES2200408T3 - Cable electrico que comprende una capa semiconductora expandida. - Google Patents
Cable electrico que comprende una capa semiconductora expandida.Info
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Abstract
Cable eléctrico que comprende un conductor, por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una capa de material polimérico expandido situado debajo de dicho blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa del material polimérico expandido es semiconductora y comprende un material hinchable por agua.
Description
Cable eléctrico que comprende una capa
semiconductora expandida.
La presente invención se refiere a un cable
eléctrico, en concreto para la transmisión o distribución de
energía a medio o alto voltaje, que dispone de una capa
semiconductora expandida de bloqueo de agua. En la presente
descripción, el término "medio voltaje" se refiere a un
voltaje entre aproximadamente 1 kV y aproximadamente 30 kV,
mientras que el término "alto voltaje" se refiere a voltajes
por encima de 30 kV.
Los cables para la transmisión o distribución de
energía a medio o alto voltaje consisten generalmente en un
conductor metálico recubierto con una primera capa semiconductora
interna, una capa aislante y una capa semiconductora externa. Para
algunas utilizaciones, en concreto cuando es necesario que sean
impermeables respecto al exterior, el cable se encierra dentro de
un blindaje metálico, normalmente un blindaje de aluminio o cobre,
que consiste en un tubo continuo o en una hoja metálica en forma de
tubo y soldada o sellada para que sea impermeable.
Durante la producción, instalación o utilización,
se pueden producir roturas y perforaciones del blindaje metálico,
que permiten la penetración de humedad o incluso agua dentro del
núcleo del cable, con la formación de ramificaciones electroquímicas
en la capa aislante, que pueden causar un fallo en el
aislamiento.
Una solución posible para este problema se
proporciona en la patente de Estados Unidos número 4.145.567. En la
misma se muestra un cable de alto voltaje que presenta, alrededor
del exterior de la capa semiconductora externa, una capa comprimible
de un material plástico espumado que debe evitar que la humedad
exterior alcance la capa aislante, evitando por tanto la formación
de ramificaciones electroquímicas. Según esa descripción, el
blindaje metálico preferiblemente mantiene cierta presión contra la
capa comprimible de forma que ni el aire ni cualquier otro fluido
puede desplazarse a lo largo de la interficie entre la capa
comprimible y el blindaje metálico. Como seguridad añadida contra
el paso de fluido a lo largo del cable, el blindaje metálico puede
encontrarse fijado a la capa comprimible. La capa comprimible es
preferiblemente semiconductora.
Las rupturas del blindaje metálico pueden ser
ocasionadas por los ciclos térmicos a los cuales se somete el cable
como resultado de las variaciones diarias de la intensidad de la
corriente transportada, con variaciones correspondientes de la
temperatura del cable entre la temperatura ambiente y la
temperatura máxima de funcionamiento (por ejemplo entre 20ºC y
90ºC). Estos ciclos térmicos causan la dilatación y la contracción
subsiguiente de las capas de revestimiento del cable, con
consiguientes fuerzas radiales que se ejercen sobre el blindaje
metálico. Por tanto el blindaje metálico puede sufrir deformaciones
mecánicas con formación de espacios vacíos entre el blindaje y la
capa semiconductora externa, que pueden dar lugar a no
uniformidades en el campo eléctrico. En el caso extremo, estas
deformaciones pueden conducir a la ruptura del blindaje, en
particular cuando se encuentra soldado o unido por medio de sellado,
y por tanto a la pérdida completa de la funcionalidad del
blindaje.
Una solución posible para este problema se
proporciona en la patente de Estados Unidos número 5.281.757, donde
el blindaje metálico es libre para moverse respecto a las capas
adyacentes y presenta las zonas de borde superpuesto unidas por
medio de un adhesivo que permite que las zonas de borde superpuesto
se muevan una respecto a la otra durante los ciclos térmicos del
cable. Entre el blindaje metálico y el núcleo del cable se puede
aplicar una capa amortiguadora como la que se muestra en la patente
de Estados Unidos número 4.145.567 mencionada anteriormente. Si se
desea, la capa amortiguadora puede ser una cinta hinchable por agua
o un polvo hinchable por agua en lugar de un material plástico
espumado.
Según la experiencia del solicitante, los diseños
de cable como los que se describen en US-4.145.567
y US-5.281.757 no son completamente satisfactorios.
En primer lugar, la presencia de una capa comprimible entre el
blindaje metálico y el núcleo del cable como se muestra en
US-4.145.567 no es suficiente para evitar de forma
efectiva la penetración y propagación de la humedad o el agua a lo
largo del cable. De hecho, para obtener un efecto de bloqueo del
agua efectivo, en US-5.281.757 se sugiere utilizar,
en lugar de la capa comprimible, una cinta o polvo hinchable por
agua. Sin embargo, la introducción de un material hinchable por
agua debajo del blindaje metálico causaría serios problemas
eléctricos. De hecho, el blindaje metálico, además de constituir una
barrera contra la penetración de agua y/o humedad, ejerce funciones
eléctricas importantes y necesita encontrarse en contacto eléctrico
con la capa semiconductora externa. Una primera función del
blindaje metálico es por supuesto crear un campo eléctrico radial
uniforme en el interior del cable y, simultáneamente, cancelar el
campo eléctrico en el exterior del cable. Otra función es dar
soporte a corrientes de cortocircuito.
La presencia de un material aislante como un
material hinchable por agua debajo del blindaje metálico no puede
asegurar la continuidad eléctrica entre el núcleo del cable y el
blindaje eléctrico. Además, desde el punto de vista de la
fabricación y la manipulación, la utilización de cintas hinchables
por agua o polvos libres hinchables por agua presenta muchos
inconvenientes. En concreto, la utilización de una cinta hinchable
por agua implica un aumento de los costes apreciable y un descenso
de la productividad, puesto que estas cintas son caras e implican
la adición de una etapa de envoltura al proceso de fabricación del
cable. Por otro lado, la presencia de polvos hinchables por agua de
flujo libre hace bastante complicada la fabricación e instalación
del cable.
Finalmente, se conocen en la técnica cables que
se diseñan para atenuar el efecto de los ciclos térmicos sobre el
blindaje metálico y al mismo tiempo evitar la propagación de
humedad y/o agua a lo largo del cable. Estos cables disponen de una
capa semiconductora externa con surcos longitudinales en forma de V
que se rellenan con un material hinchable por agua en forma de
polvo. La geometría en forma de V debería por un lado asegurar el
contacto eléctrico entre la capa semiconductora y el blindaje
metálico y por otro lado debería ayudar a la recuperación elástica
de las dilataciones térmicas por parte del material que constituye
la capa semiconductora.
Sin embargo, la producción de estos surcos
longitudinales implica la utilización de una capa semiconductora de
un grosor alto (aproximadamente 2 mm o más), aumentando por ello el
coste y el peso total del cable. Además, la geometría que se desea
para la capa semiconductora se logra generalmente por medio de un
procedimiento preciso de extrusión en el cual se utilizan matrices
diseñadas adecuadamente. Sobre la base de la experiencia del
solicitante, la formación de surcos de geometría irregular es, en
términos prácticos, inevitable durante un proceso de extrusión de
dicho tipo. Estas irregularidades geométricas pueden dar lugar a
una distribución no uniforme de la presión ejercida sobre el
blindaje metálico y evitar por tanto que la capa semiconductora
realice correctamente su función de absorción elástica de las
fuerzas radiales.
Por tanto, los cables según la técnica anterior
arriba descrita no pueden tratar de forma efectiva el problema de
evitar la penetración y propagación de humedad y/o agua en el
interior del núcleo del cable, y el problema de las posibles
deformaciones o roturas del blindaje metálico debido a los ciclos
térmicos del cable, manteniendo al mismo tiempo un contacto
eléctrico correcto entre el blindaje metálico y el núcleo del
cable.
El solicitante ha encontrado ahora que los
problemas anteriores se pueden solucionar de forma efectiva por
medio de insertar, debajo del blindaje metálico, una capa de
material polimérico expandido que presenta propiedades
semiconductoras y que comprende un material hinchable por agua. Esta
capa es capaz de absorber de forma elástica y uniforme fuerzas
radiales de expansión y contracción debidas a los ciclos térmicos a
los que se somete el cable durante su utilización, mientras que
asegura la continuidad eléctrica necesaria entre el cable y el
blindaje metálico. Además, la presencia del material hinchable por
agua disperso en la capa expandida es capaz de bloquear de forma
efectiva la humedad y/o el agua, evitando así la utilización de
cintas hinchables por agua o de polvos libres hinchables por
agua.
En un primer aspecto, la presente invención se
refiere por tanto a un cable eléctrico que comprende un conductor,
por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una
capa de un material polimérico expandido situada debajo de dicho
blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa de
material polimérico expandido es semiconductora y comprende un
material hinchable por agua.
En lo siguiente, la "capa de un material
polimérico expandido" será referida de forma concisa como
"capa expandida".
En la presente descripción y reivindicaciones, el
término "material polimérico expandido" se entenderá que hace
referencia a un material polimérico con un porcentaje
predeterminado de espacio "libre" en el interior del material,
o sea espacio no ocupado por el polímero sino por un gas o
aire.
En general, el porcentaje de espacio libre en un
polímero expandido se expresa en términos del grado de expansión
(G), que se define por medio de la fórmula siguiente:
G = (d_{0}/d_{e} - 1) \cdot
100
donde d_{0} indica la densidad del polímero no
expandido y d_{e} indica la densidad aparente medida sobre el
polímero
expandido.
El grado de expansión de la capa expandida según
la presente invención puede variar dentro de un campo amplio,
dependiendo tanto del material polimérico específico utilizado como
del grosor del revestimiento que se pretende obtener. El grado de
expansión se determina previamente para asegurar que las fuerzas
radiales de expansión y contracción térmica del cable se absorben
elásticamente y, simultáneamente, para mantener las propiedades
semiconductoras. En general, el grado de expansión puede variar
desde 5% hasta 500%, preferiblemente desde 10% hasta 200%.
En lo que respecta al grosor de la capa expandida
según la presente invención, éste es igual a por lo menos 0,1 mm;
preferiblemente se encuentra entre 0,2 y 2 mm y todavía más
preferiblemente entre 0,3 y 1 mm. Los grosores por debajo de 0,1 mm
son difíciles de producir en la práctica y, en cualquier caso,
permiten solamente una compensación limitada de la deformación,
mientras que los grosores por encima de 2 mm, aunque en principio
no presentan inconvenientes funcionales, se pueden utilizar cuando
cualquier requerimiento específico justifica el aumento de
coste.
Según un aspecto preferido, el cable eléctrico
según la presente invención comprende también una capa
semiconductora compacta situada entre la capa aislante y la capa
expandida.
El término "capa semiconductora compacta" se
refiere a una capa realizada con material semiconductor no
expandido, o sea material que presenta un grado de expansión
sustancialmente nulo.
Según la percepción del solicitante, esta capa
semiconductora compacta puede realizar ventajosamente la función de
evitar la descarga parcial, y por tanto el daño sobre el cable
causado por cualquier irregularidad de la superficie de la
interficie entre el revestimiento aislante y la capa expandida.
Esta función puede realizarse incluso por medio de una capa
semiconductora muy delgada, en concreto de aproximadamente 0,1 mm o
incluso menos. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, es
preferible un grosor entre 0,2 y 1 mm, e incluso es más preferible
entre 0,2 y 0,5 mm.
Como se ha indicado arriba, la capa expandida
comprende un material hinchable por agua. Como se muestra por medio
de las pruebas realizadas por el solicitante, la capa expandida es
capaz de incorporar grandes cantidades de material hinchable por
agua y el material hinchable por agua incorporado es capaz de
expandirse cuando la capa expandida entra en contacto con humedad o
agua, realizando por tanto de forma eficiente su función de bloqueo
del agua.
El material hinchable por agua se encuentra
generalmente en forma subdividida, en concreto en forma de polvo.
Las partículas que constituyen el polvo hinchable por agua
presentan preferiblemente un diámetro no mayor que
250 \mum y un diámetro medio desde 10 hasta 100 \mum. Más preferiblemente, la cantidad de partículas que presentan un diámetro desde 10 hasta 50 \mum son por lo menos un 50% en peso respecto al peso total del polvo.
250 \mum y un diámetro medio desde 10 hasta 100 \mum. Más preferiblemente, la cantidad de partículas que presentan un diámetro desde 10 hasta 50 \mum son por lo menos un 50% en peso respecto al peso total del polvo.
El material hinchable por agua consiste
generalmente en un homopolímero o copolímero con grupos hidrófilos a
lo largo de la cadena polimérica, por ejemplo: ácido poliacrílico
entrecruzado o por lo menos parcialmente salificado (por ejemplo
los productos Cabloc® de C. F. Stockhausen GmbH o Waterlock® de
Grain Processing Co.); almidón o derivados del mismo mezclados con
copolímeros entre acrilamida y acrilato de sodio (por ejemplo los
productos SGP Absorbent Polymer®; de Henkel AG);
carboximetilcelulosa de sodio (por ejemplo los productos Blanose® de
Hercules Inc.).
Para obtener una acción de bloqueo del agua
efectiva, la cantidad de material hinchable por agua a incluir en
la capa expandida se encuentra generalmente entre 5 y 120 phr,
preferiblemente entre 15 y 80 phr (phr = partes en peso respecto a
cien partes en peso de polímero de base).
La figura 1 muestra una sección transversal de
una realización de un cable eléctrico según la presente invención,
de tipo unipolar, para la transmisión de potencia a media
tensión.
Este cable comprende un conductor (1), una capa
semiconductora interior (2), una capa aislante (3), una capa
semiconductora compacta (4), una capa expandida (5), un blindaje
metálico (6) y una cubierta exterior (7).
El conductor (1) consiste generalmente en hilos
metálicos, preferiblemente realizados con cobre o aluminio, que se
trenzan juntos utilizando técnicas convencionales. El blindaje
metálico (6), realizado generalmente con aluminio o cobre, o también
plomo, consiste en un tubo metálico continuo o en una hoja metálica
con forma de tubo y soldada o sellada utilizando un material
adhesivo para convertirla en estanca al agua. El blindaje metálico
(6) se reviste generalmente con una cubierta exterior (7) que
consiste en un material polimérico entrecruzado o no entrecruzado,
por ejemplo cloruro de polivinilo (PVC) o polietileno (PE).
El material polimérico que constituye la capa
expandida puede ser cualquier tipo de polímero expansible como, por
ejemplo: polioleofinas, copolímeros de diferentes oleofinas,
copolímeros de una oleofina con un éster no saturado en etileno,
poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, resinas de fenol, resinas
de urea, y mezclas de los mismos. Ejemplos de polímeros adecuados
son: polietileno (PE), en concreto PE de baja densidad (LDPE), PE
de media densidad
(MDPE), PE de alta densidad (HDPE), PE lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de ultra-baja densidad (ULDPE); polipropileno (PP); copolímeros elastómeros de etileno/propileno (EPR) o terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM); goma natural; goma de butilo; copolímeros de éster de etileno/vinilo, por ejemplo acetato de etileno/vinilo (EVA); copolímeros de etileno/acrilato, en concreto acrilato de etileno/metilo (EMA), acrilato de etileno/etilo (EEA) y acrilato de etileno/butilo (EBA); copolímeros termoplásticos de etileno/alfa-oleofina; poliestireno; resinas de acrilonitrilo/butadieno/estireno (ABS); polímeros halogenados, en concreto cloruro de polivinilo (PVC); poliuretano (PUR); poliamidas; poliésteres aromáticos como teraftalato de polietileno (PET) o teraftalato de polibutileno (PBT); y copolímeros de los mismos o mezclas mecánicas de los mismos.
(MDPE), PE de alta densidad (HDPE), PE lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de ultra-baja densidad (ULDPE); polipropileno (PP); copolímeros elastómeros de etileno/propileno (EPR) o terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM); goma natural; goma de butilo; copolímeros de éster de etileno/vinilo, por ejemplo acetato de etileno/vinilo (EVA); copolímeros de etileno/acrilato, en concreto acrilato de etileno/metilo (EMA), acrilato de etileno/etilo (EEA) y acrilato de etileno/butilo (EBA); copolímeros termoplásticos de etileno/alfa-oleofina; poliestireno; resinas de acrilonitrilo/butadieno/estireno (ABS); polímeros halogenados, en concreto cloruro de polivinilo (PVC); poliuretano (PUR); poliamidas; poliésteres aromáticos como teraftalato de polietileno (PET) o teraftalato de polibutileno (PBT); y copolímeros de los mismos o mezclas mecánicas de los mismos.
Preferiblemente, el material polimérico es un
polímero de polioleofina o un copolímero basado en etileno y/o
propileno, y se escoge en concreto entre:
(a) copolímeros de etileno con un éster
insaturado en etileno, por ejemplo acetato de vinilo o acetato de
butilo, en los cuales la cantidad de éster insaturado se encuentra
generalmente entre 5 y 80% en peso, preferiblemente entre 10 y 50%
en peso;
(b) copolímeros elastómeros de etileno con por lo
menos una alfa-oleofina
C_{3}-C_{12}, y opcionalmente un dieno,
preferiblemente copolímeros de etileno/propileno (EPR) o
etileno/propileno/dieno (EPDM), generalmente con la siguiente
composición: 35-90% molar de etileno,
10-65% molar de alfa-oleofina,
0-10% molar de dieno (por ejemplo
1,4-hexadieno o
5-etildieno-2-norborneno);
(c) copolímeros de etileno con por lo menos una
alfa-oleofina C_{4}-C_{12},
preferiblemente 1-hexeno, 1-octileno
y similares, y opcionalmente un dieno, generalmente con una
densidad entre 0,86 y 0,90 g/cm^{3} y la siguiente composición:
75-77% molar de etileno; 3-25%
molarde alfa-oleofina; 0-5% molar de
un dieno;
(d) polipropileno modificado con copolímeros de
etileno/C_{3}-C_{12}
alfa-oleofina, donde la relación de peso entre el
polipropileno y el copolímero de
etileno/C_{3}-C_{12}
alfa-oleofina se encuentra entre 90/10 y 10/90,
preferiblemente entre 80/20 y 20/80.
Por ejemplo, los productos comerciales Elvax® (Du
Pont), Levapren® (Bayer) y Lotryl® (Elf-Atochem) se
encuentran dentro de la clase (a), los productos Dutral® (Enichem)
o Nordel® (Dow-Du Pont) se encuentran dentro de la
clase (b), los productos que pertenecen a la clase (c) son Engage®
(Dow-Du Pont) o Exact® (Exxon), mientras que el
polipropileno modificado con copolímeros de
etileno/alfa-oleofinas se encuentra disponible
comercialmente bajo los nombres de marca comercial Moplen® o Hifax®
(Montell), o también Fina-Pro® (Fina).
Dentro de la clase (c), se prefieren en
particular elastómeros termoplásticos que comprenden una matriz
continua de un polímero termoplástico, por ejemplo polipropileno, y
partículas finas (generalmente con un diámetro del orden de
1-10 \mum) de un polímero elastómero curado, por
ejemplo EPR o EPDM entrecruzado, disperso en el interior de la
matriz termoplástica. El polímero elastómero se puede incorporar al
interior de la matriz termoplástica en estado no curado y a
continuación crear dinámicamente el entrecruzado durante el
procesado por medio de la adición de una cantidad adecuada de un
agente de entrecruzado. Alternativamente, el polímero elastómero se
puede curar a parte y a continuación se puede dispersar dentro de
la matriz termoplástica en forma de partículas finas. Elastómeros
termoplásticos de este tipo se describen por ejemplo
US-4.104.210 o EP-324.430. Se
prefieren estos elastómeros termoplásticos puesto que han probado
ser particularmente efectivos para absorber elásticamente fuerzas
radiales durante los ciclos térmicos del cable en todo el campo de
temperaturas de trabajo.
Los productos que se conocen en la técnica para
la preparación de composiciones de polímero semiconductor se pueden
utilizar para dar al material polimérico propiedades
semiconductoras. En concreto, se puede utilizar un negro de carbón
conductor eléctrico, por ejemplo negro de horno o negro de
acetileno conductores eléctricos. El área de superficie del negro
de carbón es generalmente mayor que 20 m^{2}/g, normalmente entre
40 y 500 m^{2}/g. Ventajosamente, se puede utilizar un negro de
carbón altamente conductor, con un área de superficie de por lo
menos 900 m^{2}/g como, por ejemplo, el negro de carbón de horno
que se conoce comercialmente bajo la marca comercial Ketjenblack® EC
(Akzo Chemie NV).
La cantidad de negro de carbón a añadir a la
matriz polimérica puede variar dependiendo del tipo de polímero y
de negro de carbón utilizado, el grado de expansión que se desea
alcanzar, el agente de expansión, etc. La cantidad de negro de
carbón tiene que ser por tanto tal que proporcione al material
expandido propiedades semiconductoras suficientes, en concreto para
obtener para el material expandido un valor de resistividad
volumétrica, a temperatura ambiente, menor que 500 \Omega\cdotm,
preferiblemente menor que 20 \Omega\cdotm. Típicamente, la
cantidad de negro de carbón puede encontrarse entre 1 y 50% en
peso, preferiblemente entre 3 y 30% en peso, en relación con el peso
del polímero.
La capa semiconductora compacta presente de forma
opcional entre el revestimiento aislante y la capa expandida, así
como la capa semiconductora interna, ambas del tipo compacto, se
preparan según técnicas conocidas, en concreto por medio de
extrusión, seleccionándose el material polimérico y el negro de
carbón entre los anteriormente mencionados para la capa
expandida.
La capa aislante se prepara preferiblemente por
medio de extrusión de una polioleofina seleccionada entre las
mencionadas anteriormente para la capa expandida, en concreto
polietileno, polipropileno y copolímeros de etileno/propileno.
Después de la extrusión, preferiblemente se hace entrecruzar el
material por medio de técnicas conocidas, por ejemplo utilizando
peróxidos o por medio de silanos.
La capa expandida puede ser preparada por
extrusión del material polimérico que contiene el relleno
semiconductor y el material para el bloqueo del agua sobre el
núcleo del cable, o sea sobre el conjunto del conductor (1), la capa
semiconductora interna (2), la capa aislante (3) y la capa
semiconductora compacta opcional (6). El núcleo del cable puede
prepararse también por medio de extrusión, en concreto por medio de
extrusión conjunta de las tres capas según técnicas conocidas.
El material polimérico se puede mezclar con el
relleno semiconductor, el material hinchable por agua y otros
aditivos convencionales opcionales según los procedimientos
conocidos en la técnica. La mezcla se puede realizar, por ejemplo,
utilizando una mezcladora interna del tipo con motores tangenciales
(Banbury) o con rotores que se penetran mutuamente, o
alternativamente en mezcladoras continuas como las del tipo
Ko-amasadora (Buss), o del tipo con tornillo gemelo
de rotación conjunta o rotación contraria.
La expansión del polímero se realiza normalmente
durante la fase de extrusión. Esta expansión se puede producir
químicamente, por medio de la adición de un agente de expansión
adecuado, o sea uno capaz de producir gas bajo condiciones
específicas de temperatura y presión, o alternativamente de forma
física, por medio de la inyección a alta presión de gas
directamente dentro del cilindro de la extrusionadora. El agente de
expansión se añade preferiblemente al material polimérico solamente
después de la adición de los rellenos y otros aditivos como se han
descrito anteriormente y el enfriado subsiguiente de la mezcla por
debajo de la temperatura de descomposición del agente de expansión
para evitar una expansión prematura del polímero. En concreto, el
agente de expansión puede añadirse ventajosamente a la composición
polimérica durante la extrusión, por ejemplo a través de la tolva
de la extrusionadora.
\newpage
Ejemplos de agentes de expansión adecuados son:
azodicarbamida, para-toluenosulfonilo hidracina,
mezclas de ácidos orgánicos (por ejemplo ácido cítrico) con
carbonatos y/o bicarbonatos (por ejemplo bicarbonato de sodio).
Ejemplos de gases para inyectar a alta presión
dentro del cilindro de la extrusionadora son: nitrógeno, dióxido de
carbono, aire, hidrocarburos de bajo punto de ebullición, por
ejemplo propano o butano, hidrocarburos halogenados, por ejemplo
cloruro de metileno, triclorofluorometano,
1-cloro-1,1-difluoroetano
o mezclas de los mismos.
Preferiblemente, la matriz de la cabeza de la
extrusionadora tendrá un diámetro ligeramente menor que el diámetro
final del cable con el revestimiento expandido que se desea
obtener, de forma que la expansión del polímero fuera de la
extrusionadora permite alcanzar el diámetro del cable deseado.
La temperatura de extrusión seleccionada depende
principalmente de la naturaleza de la matriz polimérica, del agente
de expansión y del grado deseado de expansión. Normalmente, se
prefiere una temperatura de extrusión no inferior a 140ºC para
alcanzar un grado de expansión suficiente.
El material polimérico expandido puede estar o no
entrecruzado. El entrecruzamiento se puede realizar, después de las
fases de extrusión y expansión, por medio de técnicas conocidas, en
concreto por medio de calentar en presencia de un iniciador de
radicales, por ejemplo un peróxido orgánico como peróxido de
dicumilo. Alternativamente, se puede realizar un entrecruzamiento
por medio de silanos, lo cual permite la utilización de un polímero
como los anteriormente mencionados, en concreto una polioleofina, a
la cual se enlazan de forma covalente unidades de silano que
comprenden por lo menos un grupo hidrolizable, por ejemplo grupos
trialcoxisilano, en concreto grupos metoxisilano. La implantación de
las unidades de silano puede producirse por medio de la reacción de
radicales con compuestos de silano, por ejemplo trietoxisilano de
metilo, dimetildietoxisilano, y vinildimetoxisilano. El
entrecruzamiento se realiza en presencia de agua y un catalizador
de entrecruzamiento, por ejemplo un titanato orgánico o un
carboxilato metálico. Se prefiere en concreto dibutiltin dilaurato
(DBTL).
Una vez se ha preparado la capa expandida, el
cable se encierra en un blindaje metálico. Según una realización
preferida, en ausencia de fuerzas aplicadas, el diámetro de la capa
expandida es mayor que el diámetro interior del blindaje metálico,
de forma que se obtiene, después de aplicar el blindaje metálico,
un grado predeterminado de compresión previa de la capa expandida.
Esta compresión previa hace posible lograr un contacto óptimo entre
la capa expandida y el blindaje metálico y puede permitir la
recuperación de cualquier deformación residual de la capa
expandida, o sino un cierto grado de deformación plástica del
blindaje metálico, durante la fase de contracción térmica de la capa
aislante.
Eventualmente, el blindaje metálico se puede
revestir con una cubierta protectora que se puede obtener, por
ejemplo, por medio de extrusión de un material polimérico,
normalmente cloruro de polivinilo o polietileno.
A continuación se darán algunos ejemplos
ilustrativos para describir con más profundidad la presente
invención.
Ejemplos
1-2
Se prepararon algunas mezclas adecuadas para
formar la capa expandida según la presente invención. Las
composiciones se dan en la tabla 1 (en phr). Los componentes de la
mezcla se mezclaron juntos en una mezcladora Banbury cerrada
(volumen de trabajo 1,2 1), cargando en primer lugar el polímero de
base, a continuación, después de un periodo breve de procesado, el
negro de carbón, el polvo hinchable por agua y los otros aditivos
(excepto el agente de expansión).
La mezcla se realizó durante aproximadamente 6
minutos con una temperatura final para el material extraído de
aproximadamente 150ºC. Al final del mezclado se añadió el agente de
expansión a la mezcla, habiendo sido el material previamente
enfriado hasta aproximadamente 100ºC para evitar una descomposición
prematura del agente de expansión, que conduciría a una expansión
incontrolada del polímero. La mezcla se moldeó a presión a
continuación a 160ºC utilizando un bastidor de 200 x 200 mm de
tamaño y 3 mm de grosor. La mezcla se añadió en pequeñas cantidades
para obtener una capa inicial de 1 mm de grosor, de forma que
quedase suficiente espacio para que el polímero se expandiera. Se
midieron las siguientes características sobre las piezas de prueba
obtenidas de esta forma:
- densidad aparente, y a continuación, sabiendo
la densidad del material no expandido, se calculó el grado de
expansión según la fórmula dada anteriormente;
- resistividad volumétrica a temperatura
ambiente.
Los datos se dan en la tabla 1.
Algunas muestras se colocaron dentro del agua: se
observó la expansión inmediata del polvo hinchable por agua hasta
un volumen aproximadamente tres veces superior al volumen
inicial.
\newpage
Se fabricó un cable de medio voltaje utilizando
la composición polimérica del ejemplo 1, según el esquema de
estructura que se indica en la figura 1. La composición polimérica
se preparó según el ejemplo 1, pero sin añadir el agente de
expansión para evitar la expansión prematura de la composición. El
agente de expansión se introdujo solamente durante la extrusión
como se describe a continuación.
El núcleo del cable sobre el que se iba a
depositar la capa expandida comprendía un conductor de aluminio de
70 mm^{2} de sección transversal, revestido con las siguientes
capas entrecruzadas por medio de peróxido en una línea
catenaria:
- una capa semiconductora interna realizada con
EPR conteniendo negro de carbón (0,5 mm de grosor);
- una capa aislante realizada con EPR relleno con
caolín (5,5 mm de grosor);
- una capa de semiconductor externa (compacta)
realizada con EVA conteniendo 35% en peso de negro de carbón N472
(0,5 mm de grosor).
Para depositar la capa expandida sobre este
núcleo de cable (con un diámetro exterior de aproximadamente 23
mm), se utilizó una extrusionadora de tornillo único de 80 mm en
configuración 25 D. La extrusionadora presentaba una sección inicial
del cilindro con surcos longitudinales, un cuello de alimentación
en forma de caja y un tornillo de descarga ensartado de 25 D de
longitud. La profundidad de los surcos del tornillo era de 9,6 mm
en la zona de aporte y de 7,2 mm en la sección final, para una
relación de compresión de tornillo total de aproximadamente
1:1,33.
A continuación de la extrusionadora se utilizó
una cabeza de extrusión ortogonal calentada eléctricamente equipada
con una cinta de transporte con una línea de doble sutura. Se
utilizó el siguiente montaje de matriz: matriz de punta de 24 mm de
diámetro, matriz de compresión de anillo de 24 mm de diámetro. La
matriz de punta se escogió con la intención de permitir un paso
fácil del núcleo a revestir, con un diámetro aproximadamente 1 mm
mayor que el diámetro del núcleo a revestir. La matriz de anillo se
escogió, por otro lado, con un diámetro ligeramente menor que el
diámetro final a obtener, para evitar que el material se expandiera
dentro de la cabeza de extrusión.
El siguiente perfil de calor (ºC) se utilizó para
la extrusionadora y la cabeza de extrusión:
Cuello de | Tornillo | Zona | Zona | Zona | Zona | Zona | Zona | Collar | Cabeza |
aporte | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |||
20 | neutro | 160 | 170 | 180 | 185 | 190 | 195 | 200 | 200 |
La velocidad de producción del núcleo a revestir
se estableció como función del grosor deseado de material
expandido. En nuestro caso, se utilizó una velocidad de línea de
1,2 m/minuto. Bajo estas condiciones, se registraron los siguientes
parámetros de extrusión:
- Velocidad de rotación de extrusionadora: 1,2 rpm;
- Diámetro semiterminado caliente: 25,0 mm;
- Diámetro semiterminado frío: 24,8 mm.
El producto semiterminado se enfrió en aire. Se
evitó el contacto directo con el agua de refrigeración para no
provocar problemas de hinchado del polvo bloqueador de agua. El
producto semiterminado obtenido se devanó a continuación sobre un
carrete.
El material se depositó sobre el núcleo con un
grosor de aproximadamente 1 mm. Este material se expandió
químicamente, añadiendo dentro de la tolva de la extrusionadora
aproximadamente 2% del agente de expansión Hydrocerol® CF 70 (ácido
carboxílico + bicarbonato de sodio).
La conductividad eléctrica y el grado de
expansión se midieron sobre muestras de la capa expandida obtenida
de esta forma. El grado de expansión medido fue de aproximadamente
20%.
Se realizaron también pruebas de expansión del
material en presencia de agua (efecto de bloqueo del agua): el
material se hinchó, gracias a la presencia del polvo hinchable por
agua, hasta un volumen de aproximadamente 3 veces el volumen
inicial.
Se utilizó un elastómero termoplástico como
material de base para producir una capa expandida según la presente
invención. La composición se describe en la tabla 1 (incluido el
agente de expansión que se añadió solamente durante la extrusión).
La mezcla se realizó en la misma mezcladora Banbury que se ha
descrito para los ejemplos 1-2 con un tiempo de
mezclado de aproximadamente 10 minutos y una temperatura final del
material extraído de aproximadamente 195ºC. Después del mezclado, el
material se granuló y selló dentro de bolsas de plástico para
evitar la absorción de humedad.
Se fabricó un cable de medio voltaje utilizando
la composición polimérica del ejemplo 4, según el esquema de
estructura que se muestra en la figura 1.
El núcleo del cable consistía en un conductor de
aluminio con 150 mm^{2} de sección transversal y 14,0 mm de
diámetro, revestido con las siguientes capas, entrecruzadas por
medio de peróxido sobre una línea catenaria:
- - una capa semiconductora interna: producto LE 0595 de Borealis (0,6 mm de grosor);
- - una capa aislante realizada con XLPE (4,65 mm de grosor);
- - una capa semiconductora externa (compacta): producto LE 0595 de Borealis (0,4 mm de grosor).
La capa expandida se depositó sobre este núcleo
(con un diámetro exterior de aproximadamente 25,3 mm) por medio de
extrusión según la técnica que se describe para el ejemplo 3,
utilizando una extrusionadora de tornillo único de 30 mm en
configuración 24 D, una matriz de punta de 25,7 mm de diámetro, una
matriz de compresión de anillo de 26,1 mm de diámetro, y con el
siguiente perfil térmico (ºC):
Cuello de | Tornillo | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Collar | Cabeza |
aporte | ||||||
20 | flotante | 190 | 200 | 210 | 200 | 200 |
El agente de expansión se añadió durante la
extrusión a través de la tolva de la extrusionadora. La velocidad
de línea fue de 2,9 m/minuto, con una velocidad de tornillo de 56
rpm. El grosor de la capa expandida después de la extrusión y
enfriamiento fue de 0,65 mm.
El cable obtenido de esta forma se envolvió a
continuación con una lámina lacada de aluminio (grosor: 0,2 mm)
utilizando un adhesivo para unir los bordes superpuestos.
Eventualmente, se aplicó una cubierta externa realizada con PVC por
medio de extrusión.
Dos tramos de 3 m del cable final se sometieron a
una prueba de penetración de agua bajo ciclos térmicos según la
especificación NF C 33-323 de marzo de 1998.
Después de quitar una zona central (longitud: 50 mm) de los
revestimientos externos para alcanzar la capa semiconductora
externa (4), las muestras de cable se sumergieron en agua y se
mantuvieron a temperatura ambiente durante 24 horas, a continuación
de sometieron a 10 ciclos térmicos de 8 horas cada uno (4 horas de
calentamiento hasta 100ºC por medio de la circulación de corriente
eléctrica a lo largo del conductor, a continuación 4 horas de
enfriamiento). Al final de la prueba, el agua penetró a través del
corte 20 cm por un lado y 25 cm por el otro lado, por tanto
ampliamente dentro de los requerimientos de la especificación (no
aparecerá agua procedente de los extremos de la muestra de
cable).
Ejemplo | 1 | 2 | 4 |
Elvax® 470 | 100 | - - | - - |
Elvax® 265 | - - | 100 | - - |
Profax® PF 814 | - - | - - | 20 |
Santoprene® RC8001 | - - | - - | 80 |
Ketjenblack® EC 300 | 20 | 20 | 10 |
Irganox® 1010 | 0,5 | 0,5 | 0,2 |
Irganox® PS802 | - - | - - | 0,4 |
Waterlock® J550 | 40 | 40 | 25 |
Hydrocerol® CF70 | 2 | 2 | 2 |
d_{0} (g/cm^{3}) | 1,15 | 1,15 | 1,012 |
d_{e} (g/cm^{3}) | 0,95 | 0,95 | 0,86 |
Grado de expansión (%) | 21 | 21 | 17,7 |
Resistividad volumétrica (\Omega\cdotm) | < 15 | < 15 | 2 |
Elvax® 470 (Du Pont): copolímero de acetato de etileno/vinilo (EVA) (18% VA, índice de fusión 0,7); | |||
Elvax® 265 (Du Pont): copolímero EVA (28% VA, índice de fusión 3,0); | |||
Profax® PF 814 (Montell): homopolímero de propileno isotactico (MFI = 3g/10' - ASTM D 1238); | |||
Santoprene® RC8001 (Monsanto): elastómero termoplástico (89% en peso de EPR curado, 11% en peso de | |||
polipropileno); | |||
Ketjenblack® EC 300 (Akzo Chemie): negro de carbón de horno de alta conductividad; | |||
Waterlock® J550 (Grain Processing Co.): ácido poliacrílico entrecruzado (parcialmente salificado) (más de | |||
50% en peso de partículas con diámetro entre 10 y 45 \mum); | |||
Hydrocerol® CF70 (Boeheringer Ingelheim): agente de expansión de ácido carboxílico/bicarbonato de sodio; | |||
Irganox® 1010: pentaeritrilo-tetra[3-(3,5-di-ter-butilo-4-hidroxifenilo)propinato] (Ciba-Geigy); | |||
Irganox® PS802 FL: distearilo tiodipropionato (DSTDP) (Ciba-Geigy). |
Claims (29)
1. Cable eléctrico que comprende un conductor,
por lo menos una capa aislante, un blindaje metálico exterior y una
capa de material polimérico expandido situado debajo de dicho
blindaje metálico, caracterizado por el hecho de que la capa
del material polimérico expandido es semiconductora y comprende un
material hinchable por agua.
2. Cable según la reivindicación 1, en el que la
capa expandida presenta un grado de expansión predeterminado para
asegurar la absorción elástica de las fuerzas radiales de expansión
y contracción térmica del cable y mantener las propiedades
semiconductoras.
3. Cable según la reivindicación 2, en el que el
grado de expansión de la capa expandida es entre 5% y 500%.
4. Cable según la reivindicación 3, en el que el
grado de expansión de la capa expandida es entre 10% y 200%.
5. Cable según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el que el grosor de la capa expandida es por lo
menos 0,1 mm.
6. Cable según la reivindicación 5, en el que el
grosor de la capa expandida se encuentra entre 0,2 y 2 mm.
7. Cable según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, que comprende también una capa semiconductora compacta
situada entre el revestimiento aislante y la capa expandida.
8. Cable según la reivindicación 7, en el que la
capa semiconductora compacta presenta un grosor comprendido entre
0,1 y 1 mm.
9. Cable según la reivindicación 8, en el que la
capa semiconductora compacta presenta un grosor comprendido entre
0,2 y 0,5 mm.
10. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por
agua es en forma de polvo.
11. Cable según la reivindicación 10, en el que
el material hinchable por agua es en forma de polvo con un diámetro
de partícula no mayor que 250 \mum y un diámetro de partícula
medio comprendido entre 10 y 100 \mum.
12. Cable según la reivindicación 11 donde, en el
material hinchable por agua, la cantidad de partículas con un
diámetro entre 10 y 50 \mum es por lo menos 50% en peso respecto
al peso total del polvo.
13. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por
agua es un homopolímero o copolímero con grupos hidrófilos a lo
largo de la cadena de polímero.
14. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el material hinchable por
agua se encuentra presente en una cantidad entre 5 y 120 phr.
15. Cable según la reivindicación 14, en el que
el material hinchable por agua se encuentra presente en una
cantidad entre 15 y 80 phr.
16. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el material polimérico que
constituye la capa expandida es un polímero expandido seleccionado
entre:
polioleofinas, copolímeros de diferentes
oleofinas, copolímeros de una oleofina con un éster insaturado en
etileno, poliésteres, policarbonatos, polisulfonas, resinas
fenólicas, resinas de urea, y mezclas de los mismos.
17. Cable según la reivindicación 16, en el que
el material polimérico es un polímero de oleofina o copolímero
basado en etileno y/o propileno.
18. Cable según la reivindicación 17, en el que
el material polimérico se selecciona entre:
(a) copolímeros de etileno con un éster
insaturado en etileno, en los cuales la cantidad de éster
insaturado se encuentra entre 5 y 80% en peso;
(b) copolímeros elastómeros de etileno con por lo
menos una alfa-oleofina
C_{3}-C_{12}, y opcionalmente un dieno, con la
siguiente composición: 35-90% molar de etileno,
10-65% molar de alfa-oleofina,
0-10% molar de dieno;
(c) copolímeros de etileno con por lo menos una
alfa-oleofina C_{4}-C_{12}, y
opcionalmente un dieno, con una densidad entre 0,86 y 0,90
g/cm^{3};
(d) polipropileno modificado con copolímeros de
etileno/C_{3}-C_{12}
alfa-oleofina, donde la relación de peso entre el
polipropileno y el copolímero de
etileno/C_{3}-C_{12}
alfa-oleofina se encuentra entre 90/10 y 10/90.
19. Cable según la reivindicación 18, en el que
el material polimérico es un elastómero termoplástico que comprende
una matriz continua de un polímero termoplástico y partículas finas
de un polímero elastómero curado dispersas en el interior del
polímero termoplástico.
20. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida presenta
un valor de resistividad volumétrica a temperatura ambiente del
material expandido menor que 500 \Omega\cdotm.
21. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida comprende
una cantidad predeterminada de negro de carbón conductor
eléctrico.
22. Cable según la reivindicación 21, en el que
el negro de carbón conductor eléctrico presenta un área de
superficie de por lo menos 20 m^{2}/g.
23. Cable según la reivindicación 22, en el que
el negro de carbón presenta un área de superficie de por lo menos
900 m^{2}/g.
24. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 23, en el que el negro de carbón se encuentra
presente en cantidades entre 5 y 80% en peso.
25. Cable según la reivindicación 24, en el que
el negro de carbón se encuentra presente en cantidades entre 10 y
70% en peso.
26. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la capa expandida se obtiene
por medio de extrusión.
27. Cable según la reivindicación 26, en el que
la expansión de la capa se obtiene durante la extrusión por medio
de la adición de un agente de expansión.
28. Cable según la reivindicación 26, en el que
la expansión de la capa se obtiene durante la extrusión por medio
de la inyección de un gas a alta presión.
29. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el diámetro de la capa
expandida, en ausencia de fuerzas aplicadas, es mayor que el
diámetro interior del blindaje metálico, de forma que se obtiene un
grado predeterminado de compresión previa de la capa expandida
después de aplicar el blindaje metálico.
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