CH635700A5 - Heavy-current cable, and a method for its production - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Starkstromkabel gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruches. The present invention relates to a power cable according to the preamble of the first claim.
Es ist ein bekanntes Problem, dass insbesondere bei Starkstromkabel für höhere Spannungen in der Isolation sogenannte Wasserbäumchen oder elektrochemische Bäumchen entste65 It is a well-known problem that so-called water trees or electrochemical trees develop, especially with high-voltage cables for higher voltages in the insulation65
hen, welche die elektrischen Eigenschaften der Isolation beeinflussen. Es wird angenommen, dass Verunreinigungen und Lunker das Wachstum der Bäumchen anregen, welche zu einem Zusammenbruch der Isolation führen können. In der Vergangenheit wurden verschiedene Gegenmassnahmen vorgeschlagen, um die Bildung solcher Wasserbäumchen zu eliminieren oder mindestens zu vermindern. hen that affect the electrical properties of the insulation. It is believed that contaminants and cavities stimulate the growth of the saplings, which can lead to breakdown of the insulation. Various countermeasures have been proposed in the past to eliminate or at least reduce the formation of such water trees.
Das Problem der Elimination oder Reduktion der Bildung von Lunkern und Bäumchen in Polymer-Kabelisolationen wurde meistens in Zusammenhang mit Vernetzungsprozessen näher betrachtet. Solche Prozesse bestehen darin, dass der isolierte Leiter durch eine Zone hoher Temperatur und hohen Druckes und daraufhin durch eine Kühlzone geführt wird, welch letztere auch unter Druck stehen kann. Es hat sich gezeigt, dass, wenn eine Polymer-Isolation einer feuchten und heissen Atmosphäre, wie sie in einem Dampfvernetzungszylinder vorkommt, ausgesetzt wird, eine grosse Anzahl von Lunkern in der Kabelisolation auftreten. The problem of eliminating or reducing the formation of cavities and saplings in polymer cable insulation was mostly considered in connection with crosslinking processes. Such processes consist of the insulated conductor being passed through a zone of high temperature and pressure and then through a cooling zone, the latter of which can also be under pressure. It has been shown that when a polymer insulation is exposed to a humid and hot atmosphere, such as occurs in a steam cross-linking cylinder, a large number of voids occur in the cable insulation.
Während die Anstrengungen zur Lösung des Problems der Verunreinigungen meistens dahingehen, dass das Rohmaterial verbessert wird, wird das Problem der Lunker während der Kabelherstellung angegangen. Verschiedene Verfahren wurden vorgeschlagen, bei welchen das übliche Verfahren der Erwärmung mit Dampf durch eine Erwärmung mit inertem Gas, durch Verwendung einer langen Düse und Ausnützung der dabei entstehenden Reibungswärme, oder durch Erhitzen mit Silikonöl ersetzt wird. Die Verfahren zur Erwärmung wurden verschiedentlich verändert. Weitere Verfahren befassen sich mit den üblichen Wasserkühlsystemen, um Wasser und Feuchtigkeit auch in dieser Stufe aufzuschalten. Trotzdem garantiert keiner der bekannten Prozesse eine lunkerfreie Isolation im Endprodukt. While efforts to solve the contaminant problem mostly go to improving the raw material, the blow hole problem is addressed during cable manufacturing. Various methods have been proposed in which the usual method of heating with steam is replaced by heating with inert gas, by using a long nozzle and utilizing the resulting frictional heat, or by heating with silicone oil. The methods of heating have been changed several times. Other processes deal with the usual water cooling systems in order to switch on water and moisture also in this stage. Nevertheless, none of the known processes guarantee void-free insulation in the end product.
Dies wird teilweise durch den Umstand verursacht, dass Wassermoleküle im Rohmaterial vorhanden sind, teilweise aber auch durch den Umstand, dass eine geringe Anzahl von Wassermolekülen üblicherweise während des Vernetzungsvor-ganges durch chemische Reaktion innerhalb der Polymer-Isola-tion entstehen, und teilweise durch die Tatsache, dass Wassermoleküle höchstwahrscheinlich in die Isolation eindringen, wenn das Kabel nicht in einer vollständig trockenen Umgebung installiert ist. This is partly due to the fact that water molecules are present in the raw material, but also partly due to the fact that a small number of water molecules usually arise during the crosslinking process through chemical reaction within the polymer insulation, and partly due to the The fact that water molecules will most likely enter the insulation if the cable is not installed in a completely dry environment.
Die Lösung des Problems der Verhinderung oder mindestens Reduktion des Eintrittes von Wasser in ein installiertes Kabel ist im «Stand der Technik» ausführlich beschrieben, indem wasserdichte Metallabschirmungen um den Kabelkern angebracht werden. In einem Artikel «Kabelisolierungen aus Kunststoff» von Prof. Dr. G. Wanser und Dr. Ing. F. Wiznero-wics in «Kunststoffe 67» (1977) 5, Seite 275-279, wird dies erwähnt als mögliche Lösung für die Verhinderung des Eindringens von Wasser in das Kabel. Solche Schirme können aus extrudiertem Blei oder Aluminium sein, können aber auch Stahl- oder andere Metallbänder sein, welche um den Kabelkern gewickelt und verschweisst werden. The solution to the problem of preventing or at least reducing the entry of water into an installed cable is described in detail in the “prior art” by applying waterproof metal shields around the cable core. In an article «Plastic cable insulation» by Prof. Dr. G. Wanser and Dr. F. Wiznero-wics in “Kunststoffe 67” (1977) 5, pages 275-279, this is mentioned as a possible solution for preventing water from entering the cable. Such shields can be made of extruded lead or aluminum, but can also be steel or other metal strips, which are wound around the cable core and welded.
Während und nach der Inbetriebsetzung eines mit Metall abgeschirmten Kabels besteht immer das Risiko, dass die Abschirmung mechanisch beschädigt wird, so dass Wasser oder Feuchtigkeit durch die Abschirmung durchdringen kann. Es wurden verschiedene Gegenmassnahmen vorgeschlagen, um einen Längsfluss des Wassers im Kabel zu verhindern, d.h. jenen Zustand zu verhindern, bei welchem der Kabelkern nicht nur am Beschädigungspunkt dem Wasser oder der Feuchtigkeit ausgesetzt wird, sondern auch über eine beträchtliche Länge auf beiden Seiten der Beschädigung. Für diesen Zweck wurden sogenannte Wasserstopps in regelmässigen Intervallen längs des Kabels angeordnet, und es gab auch Vorschläge, welche eine komplette Füllung aller Hohlräume des Kabels mit einem wasserabstossenden Compound vorsahen. Um solche Compound-Füllungen so wirksam als möglich zu machen, kön During and after commissioning a cable shielded with metal, there is always a risk that the shield will be mechanically damaged so that water or moisture can penetrate through the shield. Various countermeasures have been proposed to prevent longitudinal water flow in the cable, i.e. to prevent the condition in which the cable core is exposed not only to water or moisture at the point of damage, but also over a considerable length on both sides of the damage. For this purpose, so-called water stops were arranged along the cable at regular intervals, and there were also proposals which provided for all the cavities in the cable to be completely filled with a water-repellent compound. In order to make such compound fillings as effective as possible,
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nen die Metallabschirmungen gewellt oder mit anderen geeigneten Formen versehen sein. Solche Gegenmassnahmen wurden z.B. im US Patent Nr. 3 943 271 beschrieben. Am Schluss kann noch die Kabelinstallation in dichten Rohren erwähnt werden. the metal shields are corrugated or have other suitable shapes. Such countermeasures have been e.g. in U.S. Patent No. 3,943,271. Finally, the cable installation in tight pipes can be mentioned.
Aus dem oben erwähnten Artikel in «Kunststoffe 67» kann entnommen werden, dass der zerstörerische Effekt von Feuchtigkeit in extrudierten Isolationen erst 1974 entdeckt wurde und dass die Bezeichnung «Wasserbäumchen» in dieser Zeit kreiert wurde. Ein anderer Typ von Bäumchenbildung wurde jedoch schon bereits früher im Zusammenhang mit der Installation von Starkstromkabeln mit Kupferleitern in Umgebungen mit hohem Wasserstoffsulfidgehalt festgestellt. Dies wurde in der DT-AS Nr. 2 049 105 im Jahre 1969 beschrieben. Es wurde zu jener Zeit bereits beschrieben, dass ein starkes elektrisches Feld, welches als Bäumchen bezeichnet wurde, entstehen kann, und diese Bäumchen wurden Sulfidbäumchen genannt, um sie von den bekannten elektrischen Bäumchen zu unterscheiden. From the above-mentioned article in "Kunststoffe 67" it can be seen that the destructive effect of moisture in extruded insulation was only discovered in 1974 and that the term "water tree" was created during this time. Another type of sapling has previously been identified in connection with the installation of power cables with copper conductors in environments with high hydrogen sulfide content. This was described in DT-AS No. 2,049,105 in 1969. It was already described at that time that a strong electric field, called a sapling, could arise, and these saplings were called sulfide saplings to distinguish them from the known electrical saplings.
Im letztgenannten Patent wurde insbesondere beschrieben, wie Wasserstoffsulfid, welches auf dem Meeresboden vorhanden ist, in die polymere Kabelisolation zum Kupferleiter vordringt, wo dann Kupfersulfide erzeugt werden. Diese Sulfide bewirken die Bildung von Sulfidbäumchenkristallen in der Isolation, wodurch die Isolation zerstört wird. The last-mentioned patent particularly described how hydrogen sulfide, which is present on the sea floor, penetrates into the polymer cable insulation to the copper conductor, where copper sulfides are then produced. These sulfides cause sulfide tree crystals to form in the isolation, thereby destroying the isolation.
Während die Bildung von Sulfidbäumchen davon abhängig ist, dass ein Kupferleiter vorhanden ist und die Umgebung mit Wasserstoffsulfid angereichert ist, werden Wasserbäumchen unabhängig vom Leitermaterial und dem Wasserstoffsulfidgehalt der Umgebung erzeugt. Aus dem vorgenannten Artikel in «Kunststoffe 67» ist jedoch bekannt, dass das Wachstum der Wasserbäumchen durch Salzlösungen angeregt wird. Beide Arten von Bäumchenbildung (Sulfid- und Wasserbäumchen) können natürlich überwunden werden, wenn ein wasserdichter Metallschirm verwendet wird. While the formation of sulfide trees depends on the presence of a copper conductor and the environment being enriched with hydrogen sulfide, water trees are generated regardless of the conductor material and the hydrogen sulfide content of the environment. However, it is known from the aforementioned article in “Kunststoffe 67” that the growth of the water trees is stimulated by salt solutions. Both types of tree formation (sulfide and water trees) can of course be overcome if a waterproof metal screen is used.
In der oben erwähnten DT-OS 2 049 105 wurde vorgeschlagen, das Problem der Sulfidbäumchen dadurch zu bewältigen, dass eine Lage von wasserunlöslichen Salzen direkt auf den Kupferleiter oder ausserhalb der Isolation angeordnet wurde. Der Zweck dieser Salzschichten besteht darin, eine Sulfidsperre zu erzeugen, damit mögliche wasserlösliche Sulfide der Umgebung mit der Salzschicht zusammenwirken und eine Schicht von wasserunlöslichen Sulfiden bilden. Eine solche Sulfidsperre bewirkt jedoch weder eine Verhinderung noch eine Reduktion des Eindringens von Wasser in die Isolation, so dass Wasserbäumchen weiterhin entstehen können. In the above-mentioned DT-OS 2 049 105 it was proposed to overcome the problem of the sulfide trees by arranging a layer of water-insoluble salts directly on the copper conductor or outside the insulation. The purpose of these salt layers is to create a sulfide barrier so that possible water-soluble sulfides in the environment interact with the salt layer and form a layer of water-insoluble sulfides. However, such a sulfide barrier neither prevents nor reduces the penetration of water into the insulation, so that water trees can continue to arise.
In DT-OS Nr. 2 537 283 ist eine Lösung des Wasserbäumchenproblems beschrieben. In diesem Patent wird ausgesagt, dass der Grund für die Entstehung von Wasserbäumchen der folgende ist: In der Kunststoffisolation sind kleine Lunker vorhanden, welche Wasser aus der Umgebung aufnehmen, und wenn das chemische Potential des Wassers durch ein elektrisches Feld reduziert wird, werden die kleinen wassergefüllten Lunker grösser und bilden Wasserbäumchen. Um das elektrische Feld und dadurch die Bäumchenbildung zu reduzieren, wird in das Isoliermaterial ein Elektrolyt gemischt. Es ist wichtig, dass der Elektrolyt so gleichmässig als möglich im Isoliermaterial verteilt ist, und es wird ein Mischungsverhältnis von 10~7:1 Gew.-% des Isoliermaterials erwähnt. Diese Lösung muss als eher risikobehaftet angesehen werden, da die Zugabe von elektrolytischem Material zur Isolation das Wachstum von Wasserbäumchen höchstwahrscheinlich anregt. DT-OS No. 2 537 283 describes a solution to the water tree problem. This patent states that the reason for the emergence of water trees is as follows: Small cavities are present in the plastic insulation, which absorb water from the environment, and when the chemical potential of the water is reduced by an electric field, the small ones become water-filled blowholes larger and form water trees. In order to reduce the electric field and thereby the tree formation, an electrolyte is mixed into the insulating material. It is important that the electrolyte is distributed as evenly as possible in the insulating material, and a mixing ratio of 10 ~ 7: 1% by weight of the insulating material is mentioned. This solution must be seen as rather risky, since the addition of electrolytic material for insulation most likely stimulates the growth of water trees.
Wie bereits erwähnt, wurden verschiedene Varianten der Vernetzung angegeben, um die Bildung von Lunkern im Isoliermaterial zu reduzieren. Das übliche Dampfvernetzen gefolgt von einer Wasserkühlung stellt jedoch einen billigen und einfachen Prozess dar und bildet den Gegenstand eines Artikels «The new crosslinking method of crosslinked Polyethylene cables with ultrasonic wave» in «Fujikura Technical Review» As already mentioned, various types of cross-linking were specified in order to reduce the formation of voids in the insulating material. The usual steam networking followed by water cooling is a cheap and simple process and is the subject of an article "The new crosslinking method of crosslinked Polyethylene cables with ultrasonic wave" in "Fujikura Technical Review"
(1974), Seite 40-57. In diesem Artikel wird ausgesagt, dass der Vernetzungsprozess beschleunigt werden soll, um die Zeit zu vermindern, während welcher das Isoliermaterial der Feuchtigkeit ausgesetzt wird, und zwar durch Verwendung von Ultraschallenergie während des Prozesses, und dass das Isoliermaterial während des Vernetzungs- und Kühlprozesses durch eine feuchtigkeitsabsorbierende Schicht geschützt wird. (1974), pages 40-57. This article states that the crosslinking process should be accelerated to reduce the time that the insulating material is exposed to moisture by using ultrasound energy during the process, and that the insulating material during the crosslinking and cooling process by moisture-absorbing layer is protected.
In DT-OS Nr. 2 519 574 wird gesagt, dass das feuchtigkeitsabsorbierende Agens Calziumoxyd (CaO) sehr wirksam,sei. Obwohl in diesem Patent verschiedene feuchtigkeitsabsorbierende Agenzien erwähnt sind, ist dieses doch hauptsächlich auf CaO, MgO, CaS04(.2H20) und Si02-Gel konzentriert. Alle diese Agenzien haben eine sehr geringe Löslichkeit in Wasser, und die relative Feuchtigkeit einer gesättigten Lösung ist nahezu 100%. Das bedeutet, dass, wenn eine CaO oder eine diese Agenzien enthaltende Schicht gesättigt ist, die Schicht und deren Umgebung eine relative Feuchtigkeit von 100% aufweisen. Der Hauptzweck der in dieser Schrift beschriebenen Erfindung besteht darin, ein Eindringen von Dampf in die Isolation während des Dampfvernetzvorganges zu verhindern, so dass keine Mikrolunker in der Isolation gebildet werden. Die Erfindung stützt sich ab auf die Theorie, dass, wenn die Bildung von Mikrolunkern in der Isolation während des Vernetzungsprozesses vermieden wird, im fertigen Kabel keine Wasserbäumchen entstehen, selbst wenn dieses in feuchter oder nasser Umgebung installiert wird. Die Erfindung schreibt daher vor, dass die CaO-Schicht vor dem Dampfvernetzen aufgebracht wird und dass die Schicht keine Wirkung mehr hat, wenn der Vernetzungsprozess abgeschlossen ist, weil das aktive Agens mit Dampf gesättigt ist und keine feuchtigkeitsabsorbierende Fähigkeit mehr hat. Die Dicke der feuchtigkeitsabsorbierenden Schicht soll daher nach dieser Patentanmeldung auf die Zeit abgestimmt werden, während welcher das Kabel in der Vernetzungsstufe ist, d.h. je länger die Kabelisolation im Dampfvernetzungszylinder verweilt, um so dicker muss die Schicht sein. Dies daher, um sicherzustellen, dass die Schicht wirksam ist, solange der Dampfvernetzungsprozess dauert. Es werden aber auch Versuche mit einem Kabel erwähnt, welches ausserhalb der Kabelisolation (und zwischen dem Leiter und der Kabelisolation) mit einer kombinierten Halbleiter/CaO-Schicht versehen ist, bei welchen die Isolation keine Wasserbäumchen zeigte, nachdem das Kabel 30 Tage in Wasser getaucht war. Diese Prüfzeit muss jedoch als viel zu kurz betrachtet werden, um beweisen zu können, dass das Verfahren einen wirksamen Langzeitschutz des Kabels ergibt, wenn dieses in feuchter Umgebung installiert ist. Weiter muss CaO als für einen Langzeitschutz ungeeignet betrachtet werden, wegen der bereits erwähnten hohen relativen Feuchtigkeit. Es wird sogar gesagt, dass die äussere feuchtigkeitsabsorbierende Schicht nach dem Vernetzen der Isolation entfernt werden könne, und dass, falls die Schicht verbleibt, diese mit einer Abdeckung versehen werden soll, vermutlich einer wasserdichten Abdeckung. DT-OS No. 2,519,574 states that the moisture absorbing agent calcium oxide (CaO) is very effective. Although various moisture absorbing agents are mentioned in this patent, it is mainly concentrated on CaO, MgO, CaS04 (.2H20) and Si02 gel. All of these agents have very low solubility in water and the relative humidity of a saturated solution is close to 100%. This means that when a CaO or a layer containing these agents is saturated, the layer and its surroundings have a relative humidity of 100%. The main purpose of the invention described in this document is to prevent steam from entering the insulation during the steam crosslinking process so that no micro voids are formed in the insulation. The invention is based on the theory that if the formation of micro-voids in the insulation is avoided during the crosslinking process, no water trees develop in the finished cable, even if this is installed in a damp or wet environment. The invention therefore prescribes that the CaO layer is applied before the steam crosslinking and that the layer has no effect when the crosslinking process is complete because the active agent is saturated with steam and no longer has a moisture-absorbing ability. According to this patent application, the thickness of the moisture-absorbing layer should therefore be matched to the time during which the cable is in the crosslinking stage, i.e. The longer the cable insulation remains in the steam cross-linking cylinder, the thicker the layer has to be. This is to ensure that the layer is effective as long as the steam crosslinking process lasts. However, tests are also mentioned with a cable which is provided outside the cable insulation (and between the conductor and the cable insulation) with a combined semiconductor / CaO layer, in which the insulation showed no water trees after the cable had been immersed in water for 30 days was. However, this test time must be considered far too short to prove that the method provides effective long-term protection for the cable when installed in a humid environment. CaO must also be considered unsuitable for long-term protection because of the high relative humidity already mentioned. It is even said that the outer moisture-absorbing layer can be removed after the insulation has been crosslinked, and that if the layer remains, it should be covered, probably a waterproof cover.
Im Gegensatz zu dem, was in der erwähnten DT-OS Nr.2 519 574 vorgeschlagen wurde, bezweckt die vorliegende Erfindung die Erzeugung eines Kabels, welches unabhängig ist von feuchtigkeitsdichten Schirmen, welches jedoch die Kabelisolation gegen die Bildung von Wasserbäumchen während der ganzen Lebensdauer des Kabel, d.h. während mindestens 30 Jahren schützt. Contrary to what was proposed in the mentioned DT-OS No. 2,519,574, the present invention aims to produce a cable which is independent of moisture-proof screens, but which protects the cable against the formation of water trees during the entire life of the Cable, ie protects for at least 30 years.
Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Starkstromkabel zu erhalten, welches nicht anfällig ist für die Bildung von Wasserbäumchen in der Isolation und welches die vorerwähnten Nachteile bekannter Kabel nicht aufweist. The main purpose of the present invention is to obtain a power cable which is not susceptible to the formation of water trees in the insulation and which does not have the aforementioned disadvantages of known cables.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 11 genannten Merkmale. In abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Kabels und des Verfahrens zur Herstellung dieses Kabels angegeben. This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claims 1 and 11. In dependent claims, advantageous developments of the cable and the method for producing this cable are specified.
Versuche haben gezeigt, dass, wenn die relative Feuchtig5 Experiments have shown that when the relative humidity5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
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60 60
65 65
635 700 635 700
keit in der Isolation unter einem gewissen Grenzwert liegt, insulation is below a certain limit,
keine Wasserbäumchen zu wachsen beginnen, selbst wenn Lunker und Verschmutzungen in der Isolation vorhanden sind. no water trees start to grow, even if there are voids and dirt in the insulation.
Diese Grenze scheint bei ungefähr 70% relativer Feuchtigkeit zu liegen, was der Feuchtigkeit in Luft oberhalb Wasser ent- 5 spricht, welches mit NaCl gesättigt ist. This limit appears to be around 70% relative humidity, which corresponds to the humidity in air above water which is saturated with NaCl.
Einer der Vorteile von Starkstromkabeln mit einer Schicht gemäss den Merkmalen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Bildung von Wasserbäumchen in der Isolation stark reduziert wird, selbst wenn die Isolation Lunker und Ver- io unreinigungen enthält. Die Erfindung verzichtet auf unnötige Gegenmassnahmen zur Reduktion von Lunkern und Verunreinigungen, gibt aber wesentliche Fortschritte an zur Erzeugung von besseren und sichereren Starkstromkabeln. One of the advantages of power cables with a layer in accordance with the features of the present invention is that the formation of water trees in the insulation is greatly reduced, even if the insulation contains voids and contaminants. The invention dispenses with unnecessary countermeasures to reduce blowholes and contamination, but indicates significant advances in the production of better and safer power cables.
Weiter ist es bei Verwendung der vorliegenden Erfindung 15 nicht notwendig, die Kabel mit teuren wasserdichten Metallabschirmungen zu versehen. Furthermore, when using the present invention 15, it is not necessary to provide the cables with expensive waterproof metal shields.
Um den gewünschten Effekt zu erreichen, sollte das die Feuchtigkeit reduzierende Material eine gleichmässige Verteilung aufweisen, d.h. die ganze Oberfläche des Kabels soll damit 20 bedeckt sein. In order to achieve the desired effect, the moisture reducing material should have an even distribution, i.e. the entire surface of the cable should be covered with 20.
Die wasserlöslichen Materialien sind auf einer äusseren und von der äusseren halbleitenden Schicht des Kabels getrennten Schicht aufgebracht und bilden keine wasserdichte Sperre. Der Zweck dieser Materialien besteht darin, die relative Feuchtig- 25 keit der Isolation auf einen bestimmten Prozentwert zu beschränken. Die relative Feuchtigkeit der Isolation wird beim Vorhandensein von Wasser auf einen Wert reduziert, welcher typisch ist für das verwendete Material, d.h. die relative Feuchtigkeit ist die gleiche wie in einer Atmosphäre oberhalb einer 30 gesättigten Lösung des verwendeten Materials in Wasser. The water-soluble materials are applied to an outer layer separated from the outer semiconducting layer of the cable and do not form a watertight barrier. The purpose of these materials is to limit the relative humidity of the insulation to a certain percentage. The relative humidity of the insulation is reduced in the presence of water to a value which is typical of the material used, i.e. the relative humidity is the same as in an atmosphere above a saturated solution of the material used in water.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: The invention will now be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments. The drawing shows:
Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemässen Kabels; und 35 1 shows a cross section of a cable according to the invention; and 35
Fig. 2 schematisch eine Anlage zur Herstellung des Kabels gemäss Fig. 1. 2 schematically shows a system for producing the cable according to FIG. 1.
Es gibt verschiedene bekannte Materialien, welche für die Erläuterung dieser Erfindung verwendet werden können und welche die Fähigkeit zur Reduktion der relativen Feuchtigkeit 40 aufweisen. Die folgenden können genannt werden: There are various known materials that can be used to illustrate this invention and that have the ability to reduce relative humidity 40. The following can be mentioned:
1. Nichtflüchtige Materialien, welche, wenn sie in Wasser gelöst werden, den Dampfdruck oberhalb der Lösung relativ zu jenem reduzieren, welcher für reines Wasser bei der gleichen 1. Non-volatile materials which, when dissolved in water, reduce the vapor pressure above the solution relative to that for pure water at the same
Temperatur vorhanden wäre. Wasserlösliche Salze sind ein 45 Beispiel für geeignete Materialien. Temperature would be present. Water-soluble salts are an example of suitable materials.
2. Salzbildende stabile Hydrate, wie z.B. CaCh + 2H2O = CaCb • 2H2O MgCh und Mg(C104>2. 2. Salt-forming stable hydrates, e.g. CaCh + 2H2O = CaCb • 2H2O MgCh and Mg (C104> 2.
3. Saure und basische Anhydride, wie z.B. P2O5 + 3H2O = 2H3PO4 H2S2O7 (=H2S04 + SO3) + H2O — 2H2SO4. 50 3. Acidic and basic anhydrides, e.g. P2O5 + 3H2O = 2H3PO4 H2S2O7 (= H2S04 + SO3) + H2O - 2H2SO4. 50
4. Materialien, welche für physikalische Adsorption geeignet sind, wie z.B. Silikagel und sogenannte Molekularsiebe, welche an der Oberfläche Wasser adsorbieren. 4. Materials suitable for physical adsorption, such as Silica gel and so-called molecular sieves, which adsorb water on the surface.
Die letztgenannte Gruppe von Materialien, nämlich Silikagel und Molekularsiebe, welche eine sehr grosse Oberfläche 55 oder Porosität aufweisen, besitzen den Nachteil, dass, wenn einmal die Oberfläche mit Wasser gesättigt ist, sie keine feuchtig-keitsreduzierende Wirkung mehr haben. Diese Materialien sind daher nicht geeignet, wenn eine Langzeitwirksamkeit gewünscht wird. 60 The latter group of materials, namely silica gel and molecular sieves, which have a very large surface 55 or porosity, have the disadvantage that once the surface is saturated with water, they no longer have a moisture-reducing effect. These materials are therefore unsuitable if long-term effectiveness is desired. 60
In bezug auf die Langzeitwirksamkeit haben Versuche gezeigt, dass sich die beiden ersten Gruppen von Materialien am besten eignen. Versuche haben auch gezeigt, dass diese Materialien einen hohen Widerstand gegen Auswaschen aufweisen. 65 In terms of long-term effectiveness, tests have shown that the first two groups of materials are the most suitable. Tests have also shown that these materials have a high resistance to washing out. 65
Beispiele von Salzen, welche den gewünschten Effekt haben, sind in einem Artikel «The properties of water-salt systems in relation to humidity» von R. G. Wylie - publiziert Examples of salts that have the desired effect are published in an article "The properties of water-salt systems in relation to humidity" by R. G. Wylie
1965 in einem Buch von A. Wexler: «Humidity and Moisture», Band III im Verlag Chapman and Hall - beschrieben. Von den erwähnten Salzen sind nur jene mit einer relativen Feuchtigkeit unterhalb 70% geeignet, doch kann die Liste solcher wasserlöslicher Salze nicht als vollständig betrachtet werden. 1965 in a book by A. Wexler: "Humidity and Moisture", Volume III published by Chapman and Hall. Of the salts mentioned, only those with a relative humidity below 70% are suitable, but the list of such water-soluble salts cannot be regarded as complete.
Der Kern 1 eines elektrischen Starkstromkabels, auf welches die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, kann von konventionellem Aufbau sein, d.h. ein metallischer Leiter mit irgendeiner Konfiguration und irgendeinem Material, welcher mit einer Schicht eines halbleitenden Materials 2 belegt ist, gefolgt von einer oder mehreren Schichten einer extrudier-ten polymeren Isolation 3 der gewünschten Dicke und einer äussern Schicht aus halbleitendem Material 4. Eine Schicht 5 enthält ein Material, welches eine bekannte Fähigkeit zur Reduktion und Stabilisierung der relativen Feuchtigkeit ihrer Umgebung auf einen durch das Material bestimmten Wert aufweist, welche Schicht im folgenden als aktive Schicht bezeichnet wird. Die aktive Schicht 5 kann als vierte Schicht von polymerem Material extrudiert werden. Ferner können mehr als eine aktive Schicht vorgesehen werden, die aufeinander extrudiert oder angeordnet werden. Als Variante kann die aktive Schicht in Form eines Bandes vorgesehen werden, welches um den Kabelkern gewickelt oder gefaltet wird. Wiederum ist es möglich, zwei oder mehr Bänder zu wickeln oder zu falten oder es kann auch eine Kombination von extrudierten Schichten und gewickelten oder gefalteten Schichten vorgesehen werden. Ausserhalb der aktiven Schicht wird eine Deckschicht 6 vorzugsweise aus polymerem Material vorgesehen. The core 1 of an electric power cable to which the present invention can be applied may be of conventional construction, i.e. a metallic conductor of any configuration and material, which is coated with a layer of semiconducting material 2, followed by one or more layers of extruded polymeric insulation 3 of the desired thickness and an outer layer of semiconducting material 4. A layer 5 contains a material which has a known ability to reduce and stabilize the relative humidity of its surroundings to a value determined by the material, which layer is hereinafter referred to as the active layer. The active layer 5 can be extruded as a fourth layer of polymeric material. Furthermore, more than one active layer can be provided, which are extruded or arranged on one another. As a variant, the active layer can be provided in the form of a tape, which is wound or folded around the cable core. Again, it is possible to wrap or fold two or more tapes, or a combination of extruded layers and wound or folded layers can also be provided. Outside the active layer, a cover layer 6, preferably made of polymeric material, is provided.
Die Dicke der aktiven Schicht in bezug auf den Kabeldurchmesser kann in der gleichen Grössenordnung sein wie jene der halbleitenden Schichten. Für die Lebensdauer der aktiven Schicht ist wichtig, dass das Kabel einen hinreichenden Betrag von aktivem Material pro Oberflächeneinheit aufweisen soll. Die Menge des aktiven Materials muss daher so ausgelegt sein, dass eine gewünschte Lebensdauer unter bestimmten Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit der Umgebung, Wasserdurchlässigkeit des Decklagenmaterials) erhalten wird. Ein Gehalt von 0,01-0,1 g/cm2 wird als Beispiel betrachtet, welches gute Resultate für die Lebensdauer des Kabels ergibt. Es ist nun zu bemerken, dass, selbst wenn das aktive Material gesättigt wird, indem es der Feuchtigkeit ausgesetzt wird, die feuchtig-keitsstabilisierende und -reduzierende Wirkung so lange erhalten bleibt, als aktives Material übrigbleibt. Die relative Feuchtigkeit des Isoliermaterials wird nur graduell ansteigen auf Werte, bei welchen Wasserbäumchen wachsen, wenn das aktive Material graduell verbraucht ist. The thickness of the active layer with respect to the cable diameter can be of the same order of magnitude as that of the semiconducting layers. It is important for the life of the active layer that the cable should have a sufficient amount of active material per surface unit. The amount of active material must therefore be designed in such a way that a desired service life is obtained under certain conditions (temperature, ambient humidity, water permeability of the cover layer material). A content of 0.01-0.1 g / cm2 is considered as an example, which gives good results for the life of the cable. It should now be noted that even if the active material is saturated by exposure to moisture, the moisture stabilizing and reducing effect is retained as long as the active material remains. The relative humidity of the insulating material will only gradually increase to values at which water trees grow when the active material is gradually used up.
Fig. 2 zeigt schematisch ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Starkstromkabels. Der Kabelkern 1 wird von einem Abwickelhaspel 10 zu einem von mehreren Extrudern 11,12,13 zum Aufbringen der innern Halbleiterschicht 2, der Isolation 3 und der äussern Halbleiterschicht 4 geführt, worauf die vernetzbare(n) Schichten) in einer Vernetzungseinrichtung 14 vernetzt wird (werden). 2 schematically shows an advantageous method for producing a power cable according to the invention. The cable core 1 is led from a decoiler 10 to one of several extruders 11, 12, 13 for applying the inner semiconductor layer 2, the insulation 3 and the outer semiconductor layer 4, whereupon the crosslinkable layer (s) are crosslinked in a crosslinking device 14 ( will).
Wenn das Kabel mit der aktiven Schicht 5 versehen ist, wird es in einem Extruder 15 mit einer Deckschicht 6 versehen, worauf das Kabel auf einem Aufwickelhaspel 16 aufgewickelt wird. Wenn während des Vernetzungsprozesses Dampf verwendet wird, wird die aktive Schicht 5 z.B. in einem Extruder 17 aufgebracht, und zwar gerade nachdem das Kabel mit der Isolation 3 und den halbleitenden Schichten 2 und 4 die Vernetzungseinrichtung passiert hat. Dadurch wird sichergestellt, dass die aktive Schicht voll wirksam ist, sobald das Kabel fertiggestellt ist. Wenn im Vernetzungsprozess kein Dampf verwendet wird und eventuell auch keine Wasserkühlung, ist es möglich, die aktive Schicht 5 direkt nach dem Aufbringen der äusseren Halbleiterschicht und vor dem Vernetzungsprozess aufzubringen, wie das durch den Extruder 18 angedeutet ist. If the cable is provided with the active layer 5, it is provided with an outer layer 6 in an extruder 15, whereupon the cable is wound up on a take-up reel 16. If steam is used during the crosslinking process, the active layer 5 will e.g. applied in an extruder 17, precisely after the cable with the insulation 3 and the semiconducting layers 2 and 4 has passed the crosslinking device. This ensures that the active layer is fully effective once the cable is finished. If no steam is used in the crosslinking process and possibly also no water cooling, it is possible to apply the active layer 5 directly after the application of the outer semiconductor layer and before the crosslinking process, as is indicated by the extruder 18.
Das aktive Material kann einem Extruder in Form von fein- The active material can be an extruder in the form of fine
5 5
635 700 635 700
verteiltem Pulver oder Granulat zugeführt werden. Eine extrudierten Halbleiterschicht, 3,4 mm Isolation von mit Schicht von solchem aktivem Pulver kann auch erreicht wer- Dampf vernetztem Polyäthylen und einer extrudierten äussern den, indem man das Kabel von der Extrusion der äussern Halbleiterschicht (3fach extrudiert). Über der äussern halblei-Abdeckung oder dem Aufbringen eines Deckbandes durch tenden Schicht wurde eine Lage von gekrepptem Russpapier einen solches Pulver enthaltenden Behälter durchlaufen lässt. 5 mit 75% Überlappung gewickelt. Die aktive Schicht von Prüf-Als Variante kann das aktive Material in einer Lösung verteilt kabel Nr. 1 wurde erhalten, indem das fertigbewickelte Kabel sein, durch welche das Extrudergranulat vor der Extrusion durch einen Behälter mit einer gesättigten wässerigen Lösung durchläuft. Eine solche aktive Lösung kann auch in einer Isola- von CaCh gezogen wurde, welche Schicht daraufhin getrock-tionsschicht adsorbiert werden, welche über die äussere halb- net wurde, wonach ein 0,5 mm dicker Schrumpfschlauch über leitende Schicht extrudiert wird, indem man das Kabel durch io das Kabel gezogen und darauf aufgeschrumpft wurde. Beim die Lösung laufen lässt. Die aktive Schicht kann aber auch halb- Testkabel Nr. 2 wurde der Raum zwischen der trockenen leitend gemacht werden. Ein aktives aufwickelbares Band kann Bewicklung mit Russpapier und dem Schrumpfschlauch mit auch auf diese Weise hergestellt werden. Das aktive Material einer gesättigten wässerigen Lösung von CaCh gefüllt, bevor kann auch in ein aufgewickeltes Band oder in eine extrudierte der Schlauch geschrumpft wurde. Testkabel Nr. 3 war ein Schicht gesintert werden, um rasches Auswaschen zu verhin- ts Bezugskabel ähnlich dem Kabel Nr. 2 und gleich hergestellt, dern. Versuche haben gezeigt, dass die Auswaschzeit für das mit der Ausnahme, dass anstelle der CaCh-Lösung reines Was-aktive Material unter solchen Bedingungen wesentlich höher ser verwendet wurde. Alle Testkabel wurden in Wasser ist als die erwartete Lebensdauer des Kabels. Als praktische getaucht und bei Raumtemperatur geprüft. In den in Tabelle I Prüfung des Prinzips des Verwendens von wasserlöslichen gezeigten Intervallen wurden 5 mm lange Muster der Isolation Materialien gemäss vorliegender Erfindung als aktive Schicht 20 entfernt und im Mikroskop untersucht zur Zählung der Wasserwurden Langzeitversuche mit Kabeln durchgeführt. Die Test- bäumchen und zur Messung von deren Länge. Die mittlere kabel waren für eine Nennspannung von 12 kV ausgelegt mit Grösse «x» ist in (im angegeben, während «s» die Verteilung einem Aluminiumleiter von 35 mm2 Querschnitt, einer innern der Wasserbäumchen angibt. distributed powder or granules. An extruded semiconductor layer, 3.4 mm insulation of layer with such active powder can also be achieved by steam cross-linked polyethylene and an extruded outer by extruding the cable from the outer semiconductor layer (triple extruded). A layer of creped soot paper was passed through a container containing such powder over the outer half-lead cover or the application of a cover tape through a layer. 5 wrapped with 75% overlap. The active layer of test-As a variant, the active material distributed in a solution, cable no. 1 was obtained by being the fully wound cable through which the extruder granulate passes through a container with a saturated aqueous solution prior to extrusion. Such an active solution can also be drawn in an Isola from CaCh, which layer is then adsorbed drying layer, which has been halved over the outer, after which a 0.5 mm thick shrink tube is extruded over the conductive layer by the Cable was pulled through the cable and shrunk onto it. While running the solution. The active layer can also be made semi-test cable No. 2, the space between the dry conductive. An active roll-up tape can also be produced in this way by wrapping with soot paper and the shrink tube. The active material is filled with a saturated aqueous solution of CaCh before it can also be shrunk into a coiled tape or into an extruded tube. Test cable no. 3 was a layer sintered to quickly wash out reference cables similar to cable no. 2 and manufactured in the same way. Experiments have shown that the wash-out time for the, with the exception that, instead of the CaCh solution, pure water-active material was used under such conditions, much higher. All test cables were in water as the expected life of the cable. As practical dipped and tested at room temperature. In the test of the principle of using water-soluble intervals shown in Table I, 5 mm long patterns of the insulation materials according to the present invention were removed as active layer 20 and long-term experiments with cables were carried out under the microscope to count the water. The test trees and for measuring their length. The middle cables were designed for a nominal voltage of 12 kV with size «x» in (in, while «s» indicates the distribution of an aluminum conductor with a cross-section of 35 mm2, one inside the water tree.
Kabel-Tests in Wasser bei Raumtemperatur (20 °C) Spannung 20 kV Frequenz: 50 Hz Cable tests in water at room temperature (20 ° C) voltage 20 kV frequency: 50 Hz
Kabel Aktive Test Bäumchen in Isolation Bäumchenbildung von Halbleiterschichten aus Cable active test sapling in isolation sapling from semiconductor layers
(schlaufenförmig) innere Schicht äussere Schicht (Loop-shaped) inner layer outer layer
Nr. Schicht Intervall Anzahl Länge Vert. Anzahl Länge Vert. Anzahl Länge Vert. No. Shift interval number length vert. Number Length Vert. Number Length Vert.
(h) pro mm x(|im) s pro mm x(|im) s pro mm x(|im) s (h) per mm x (| im) s per mm x (| im) s per mm x (| im) s
1 1
Trockenes CaCh Dry CaCh
5312 5312
0 0
0 0
0 0
2 2nd
Gesättigtes CaCh Saturated CaCh
8602 8602
0 0
0 0
0 0
3 3rd
keine no
1921 1921
21,6 21.6
20 20th
13 13
0,8 0.8
50 50
14 14
0 0
9495 9495
15 15
50 50
0,5 0.5
160 160
0,5 0.5
260 260
Die Resultate der Tabelle I zeigen, dass die aktive Schicht ten wässerigen Lösung vorhanden ist, ein beträchtlicher Altevoll wirksam ist gegen die Bildung von Wasserbäumchen. 40 rungseinfluss besteht, kann man sehen, dass selbst ein so einfa-Wenn man noch in Betracht zieht, dass bei Kabelmuster Nr. 2 ches Ausführungsbeispiel eine beträchtliche Lebensdauer auf-wegen des Umstandes, dass CaCh nur in Form einer gesättig- weist. The results of Table I show that the active layer of the aqueous solution is present, a considerable amount is fully effective against the formation of water trees. 40 influence, it can be seen that even such a simple one-If one also takes into consideration that with cable pattern no. 2 this exemplary embodiment has a considerable lifespan because of the fact that CaCh only has a saturated form.
G G
1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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