NO142976B - Isolasjonslag for elektriske kabler. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en elektrisk kabel med

et uimpregnert isolasjonslag i form av påviklet bånd av en biaksial strukket kunststoff-folie av en polymer med en tykkelse mindre enn 50 ^um, og en strekkfasthet større enn 50 N/mm<2>.

For tiden fremstilles den elektriske isolering

av kabler etter en av to metoder. Ifølge den ene metode eks-truderes en isolerende syntetisk polymer på lederen. Imidler-tid har ekstrudering av polymeren den ulempe at polymerens dielektriske og visko-elastiske egenskaper reduseres, slik at anvendelsen av denne type isolering er begrenset av sannsyn-ligheten for altfor tidlig dielektrisk svikt hos isoleringen. Følgelig brukes denne metode bare for lavspentkabler. Ifølge den annen metode vikles et bånd rundt lederen, og dette bånd lages av papir som er impregnert med et flytende dielektrikum og kan kombineres med et polymerbånd. Ofte vikles båndet på lederen i nærvær av en dielektrisk olje eller gass under trykk slik at oljen eller gassen blir fanget i viklingene av båndet for å øke isoleringseffekten av det viklede bånd. Den resulterende isolerte kabel må så gjøres ugjennomtrengelig, og dette gjøres idag ved å utstyre den med en kabelarmering av bly.

På grunn av restriksjoner ved bruk av ekstrudert polymer som isolering, isoleres idag undervannskabler med bånd som beskrevet ovenfor, hvorved båndet vikles på lederen i en atmosfære av olje eller gass under trykk. Men på grunn av den innfangede olje eller gass er der viktige begrensninger med hensyn til den dybde til hvilken en slik kabel kan senkes samt lengden av en slik kabel. Generelt er en slik kabel pas-sende for dybder mindre enn 500 m, og isoleringens kvalitet er slik at spenningen ikke må overstige 250 til 300 kV, mens den maksimale belastningskapasitet hos kabelen er 300 MW.

Oppfinnelsen angår således et uimpregnert isolasjonslag av den art som er angitt i innledningen til det etter-følgende hovedkrav og oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av kravenes karakteristikk.

Bare regelmessigheten av de kjeder, hvorav de stereoregulære isotaktiske polymere består, er istand til å

gi disse produkter de karakteristiske fysikalsk-kjemiske trekk slik at etter strekking (foretatt under de betingelser som er

angitt i oppfinnelsen) kan man oppnå den tilstrebede film som på sin side er den eneste som gjør det mulig å oppnå det kvasimassive isolasjonslag.

Isoleringen ifølge oppfinnelsen er kvasimassiv

i den forstand at den er kompakt mens den er fremkommet ved omvikling med et bånd og at båndene hvorav den består, ikke glir i forhold til hverandre når man vikler den av fra sin trommel, på samme måte som andre båndviklede isoleringer gjør.

Denne kvasimassive egenskap ved isoleringen gjør at isoleringslaget ifølge oppfinnelsen har mekaniske egenskaper som er særegne for ekstruderte isoleringer og har sam-tidig en elektrisk oppførsel av samme art (men i en høyere grad) som for de klassiske båndviklede isoleringer.

Isolasjonslaget ifølge oppfinnelsen behøver ingen impregnering med dielektrisk olje. Lagets elektriske styrke skriver seg på den ene side fra de egenskaper som er knyttet til selve filmen, og på den annen side fra tilstedeværelsen av et flertall vel definerte grenseflater.

Isoleringen ifølge foreliggende ansøkning nødven-diggjør ikke noen som helst tilføyelse av olje, idet overfla-ten av ansøkningens film tvert imot er meget glatt, hvilket i høy grad bidrar til å gi det oppnådde lag karakteren av kompakthet, særlig ved å bevirke at der mellom makromolekylene i de suksessive lag av film oppstår adhesive krefter, særlig av typen Van der Walls-krefter.

Laget ifølge oppfinnelsen kan trekke seg sammen termisk slik at det blir mulig å øke dets kompakthet.

For å forsterke båndets klebende egenskaper bør filmen av hvilket det er laget fortrinnsvis ha en konstant tykkelse og jevne overflateforhold. Fortrinnsvis har filmen en tykkelse mellom 10 og 50 mikron, og ennu fordelaktigere mellom 10 og 2 5 mikron.

På grunn av en strekkfasthet høyere enn 5 deka-Newton/mm 2 og en høy elastisitetsmodul mellom 175 og

450 deka-Newton/mm 2 hos båndet, kan det vikles kompakt på legemet slik at det resulterende lag av isolering er bindende. I tillegg glir ikke lagene av bånd i forhold til hverandre når legemet deformeres longitudinelt som f.eks. når legemet er en kabel, og kabelen vikles på en trommel.

Det er fordelaktig at båndet er biaksialt orientert og kan krympe ved oppvarmning. Hvis det er ønskelig å

øke komprimeringen av det isolerende skikt, kan dette bånd oppvarmes under eller etter at det legges på det strømførende legeme slik at det krympes på legemet og dermed øker komprimeringen av skiktet. Den temperatur til hvilken båndet oppvarmes er under mykningspunktet hos materialet i båndet, og fortrinnsvis mellom 5 og 40°C under mykningspunktet.

Fra NP 135 689 er det kjent en kabelisolasjon av isotaktisk, biaksialt orientert polypropylenfilm, men materialet er impregnert med en dielektrisk klorert difenyl i materialets porer, i motsetning til oppfinnelsen som ikke be-høver noen impregnering for oppnåelsen av sine ønskede egenskaper .

Videre er det fra SE-utl.skrift 360 501 kjent en fremgangsmåte og anordning for påvikling av et tøyelig isola-sjonsbånd i form av en tynn film. Ved oppfinnelsen derimot har tøyningsforlengelsen ingen som helst betydning for resultatet.

Der hvor den film av hvilken båndet er laget, er biaksielt orientert, lages det fortrinnsvis på konvensjonell måte ved en prosess som inkluderer flat aksiell strekking av filmen, og filmen strekkes eventuelt aksielt ved en temperatur mellom krympningspuriktet og smeltepunktet, og ihvertfall mellom T og T-100°C hvor T er smeltepunktet til den polymer som brukes, og hvor forholdet mellom den ikke strukne lengde av filmen og den strukne lengde er mellom 3 og 7.

Under viklingsprosedyren kan det ikke unngås at luft, en dielektrisk gass, fanges mellom lagene av bånd i de meget små spiralhulrom som eksisterer mellom håndlagene ved båndets sidekanter. I den radielle retning av isolasjonslaget er disse hulrom begrenset til båndets tykkelse. Inklusjon av en dielektrisk gass i det isolerende skikt er uunngåelig, men den er ikke nødvendig for de dielektriske egenskaper hos isoleringen som båndet gir. Dog kan håndlagets isolerende egenskaper ytterligere forsterkes ved tilsiktet introduksjon av en dielektrisk gass ved sidekantene av hvert lag av bånd under eller etter vikleprosessen. En slik gass kan være hvilken som helst - eller en blanding av de følgende:

Luft, N0, SFC.

Båndet kan lages av en egnet homopolymer,

copolymer eller terpolymer.

Filmen kan lages av en stereoregulær homopolymer

av isotaktisk karakter og med den generelle formel (-CH2-CHR)n.

R kan eksempelvis være noen av de følgende:

Eksempler på andre homopolymerer som kan benyttes til filmen er: Poly-(4,4'-difenylenpropanoarbonat) i gruppen

polycarbpnater Poly-(ethylenterefthalat) i gruppen polyestere Poly-(hexamethylenadipamid) i gruppen polyamideiJ Poly-(oxyfenylen) i gruppen poly(arylenoxyder) Polysulfoner

Polyvinylidenhalider

Polyvinylhalider

Poly(methylmethacrylat)

Poly-(tetrafluorethylen)

Poly-(monoklortrifluorethylen)

Poly-(vinylenklorid)

6, 6.6, 6.10, 10 og 11 polyamider.

Foretrukne copolymerer og terpolymerer for filmen syntetiseres fra monomerene til de ovenfor nevnte homopolymerer. Et eksempel på en terpolymer som kan benyttes til filmen er fluorert ethylenpropylen-terpolymer.

Alle de forannevnte polymerer har en vektgjennom-snittlig molekylvekt mellom 200,000 og 700,000, og eventuelt mellom 350,000 og 500,000 og en polymolekylærindeks på mellom 2 og 10.

Krystallinitetsprosenten er mellom 40 og 90%, og eventuelt mellom 50 og 80%.

Den viktige vektgjennomsnittlige molekylvekt til polymerene og den derav følgende sterke kohesjon hos moleky-lene og fravær av betydelige hulrom betyr at polymerene kan danne filmer, og at disse filmer kan strekkes uten å slites av, og at filmene kan betegnes som "ugjennomtrengelige", dvs. feilfrie filmer uten noe vakuum eller porer.

Den viktige grad av krystallinsk orden hos disse polymerer betyr at filmer som dannes av dem vil ha høy strekkfasthet, elastisitet og dielektrisk stivhet.

I en foretrukken utførelse lages båndet av biaksielt orientert film av isotaktisk polypropylen karakterisert ved følgende:

Denne film har en høy dielektrisk styrke for likestrøm som er større enn 630 kV/mm, og den har en lav dielektrisitetskonstant på 2, 2 og en lav tapsfaktor i størrel--4

sesordenen 2 x 10

Filmbåndet vikles på det legeme som skal isoleres under strekk, som ligger innenfor grensene for båndets elastisitet. Eksempelvis kan et bånd som er laget av en film med tykkelse på 25 mikron og en bredde på 2 0 mm vikles under et strekk av 500 g. Strekket skal fortrinnsvis ikke være mindre enn 0,4 daN/mm^. Overlappingsgraden mellom to påfølg gende lag av båndet varieres avhengig av det isoleringsnivå man behøver, dvs. av den maksimale spenning og strømstyrke som skal bæres av legemet.

Hvis det er ønskelig å komprimere håndlagene ytterligere i tillegg til at man vikler båndet på legemet under strekk, kan båndet oppvarmes under eller etter pålegnin-gen på legemet for å krympe det. I det tilfelle man har et bånd av isotaktisk polypropylen, varmes båndet til en temperatur mellom 100 og 135°C, hvilket er under polypropylenets mykningstemperatur. Denne oppvarmning av polypropylenfilmen har den ytterligere fordel at den øker den krystallinske orden hos materialet.

Som eksempel kan oppgis at en undervannskabel for meget høy spenning ved bruk av likestrøm består av: en ledende kjerne av et elektrisk ledende metall, slik som aluminium eller en aluminiumlegering, aluminium med støtte av stål eller kobber; et vannfritt, halvledende lag av polyethylen eller en ekstrudert ethylenpolypropylencopolymer eller annet materiale; et elektrisk isolerende lag av bånd som ovenfor beskrevet, hvor båndet består av en isotaktisk polypropylenfilm,

et halvledende lag lignende det som dekker kjernen, skjerming, og

anti-korrosiv beskyttelse.

Således har man oppnådd en elektrisk isolering

og en metode til å isolere elektrisk, hvorved et syntetisk isolerende lag gis til en elektrisk kabelleder, hvilket lag fremstilles av en polymer i form av en film slik at den bibe-holder de dielektriske og visco-elastiske egenskaper til ut-gangspolymeren. Det isolerende lag består av et flertall på hverandre lagte båndlag som danner et flertall polymer-polymer kontaktlag som forhindrer utvikling av strømmer. Disse elektriske karakteristika er forbundet med de mekaniske karakteristika til båndet selv og til dem som følger av den kompakte og dermed sammenholdende natur hos det isolerende lag som kan oppnås på grunn av filmbåndets elastisitet. Det isolerende lag behøver ikke å avhenge av innbefattelse av en dielektrisk gass eller olje for å gi tilstrekkelig isolering, og er mer pålitelig enn en ekstrudert isolering eller en konvensjonell isolering av viklet bånd. Det isolerende lags tykkelse kan varieres for å variere graden av isolering som gis, og den varieres avhengig av den nominelle driftsspenning på det strøm-førende legeme. Den isolering som oppnås med det ovenfor be-skrevne isolerende lag kan være tilstrekkelig for meget høye elektriske spenninger og belastninger som f.eks. 500 MW til 1,000 MW ved en potensiell stigning i lederen på 8 0 kV/mm.

På grunn av de utmerkede egenskaper hos det isolerende skikt kan en kabel som er utstyrt med et slikt isolerende skikt, senkes på en dybde på mer enn 500 m.

Selv om oppfinnelsen fundamentalt er blitt beskrevet i forbindelse iru^d isolering av elektrisk ledende kabler for bruk under vann, og til å føre høye spenninger, kan isoleringen på samme måte brukes for isolering av kabler fer lavere spenninger, jordkabler, telefonkabler etc, og både for vekselstrøms- og likestrømskabler.

Claims (4)

1. Elektrisk kabel med et uimpregnert isolasjonslag i form av påviklet bånd av en biaksial strukket kunststoff-folie av en polymer med en tykkelse mindre enn 50 ^am, og en strekkfasthet større enn 50 N/mm2, karakterisert ved at foliebåndet består av en stereo-ordnet, isotaktisk polymer med en vekt-gjennomsnittsmolekylærvekt på 200.000 - 700.000, en polymolekylaritetsindeks på 2 - 10 og en krystal-linitetsgrad på 40 - 90 % og har en elastisitetsmodul på 1750 - 4500 N/mm 2, og at foliebåndet er påviklet under en strekkspenning på ikke mindre enn 4 N/mm 2 og under båndets elastisitetsgrense for oppnåelse av et kompakt isolerlag hvor båndene ikke glir på hverandre under bøyning av kabelen.

2. Kabel ifølge krav 1, karakterisert ved at isolasjonslaget består av en stereoregulær, isotaktisk polymer med følgende generelle formel: hvor R har en av følgende betydninger: H, CH,, CH--CH-., og særlig av polypropylen.

3. Kabel ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at isolasjonslaget er påkrympet på legemet ved en temperatur under foliebåndets mykningspunkt.

4. Kabel ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at mellomrommene mellom håndlagene på sidekantene av det viklede foliebånd er fylt med luft, nitrogen (N2) og svovelhexafluorid (SFg) eller en kombinasjon av disse gasser.