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Dokumentenidentifikation DE60104029T2 28.10.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001128395
Titel Hoch und Höchstspannungsgleichstromenergiekabel
Anmelder Nexans, Paris, FR
Erfinder Gadessaud, Robert, 91120 Palaiseau, FR;
Aladenize, Bernard, 91360 Epinay sur Orge, FR;
Tran, Patrice, 93300 Aubervilliers, FR;
Janah, Hakim, 62137 Coulogne, FR;
Mirebeau, Pierre, 91140 Villebon S/Yvette, FR;
Acroute, Daniel, 62100 Calais, FR
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60104029
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 12.02.2001
EP-Aktenzeichen 014003636
EP-Offenlegungsdatum 29.08.2001
EP date of grant 30.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.2004
IPC-Hauptklasse H01B 3/44

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hoch- und Höchstspannungsgleichstromenergiekabel.

Bei den Kabeln der vorliegenden Erfindung handelt es sich um Kabel mit 60 bis 600 kV und darüber, vorzugsweise Kabel mit 150 kV und darüber, mit einer Isolierung aus extrudiertem Polymer.

In dem Dokument JP-A-2-18811 wird ein Gleichstromenergiekabel beschrieben, das einen leitenden Kern und eine Isolierung aus extrudiertem Polymer besitzt, die den Kern umgibt. Diese Isolierung besteht aus einer Mischung aus Polyäthylen mit hoher Dichte, Polyäthylen mit geringer Dichte, Peroxyd und vorzugsweise Ruß in Form von kleinen Partikeln, mit 2% bis 20% Massenanteil Polyäthylen hoher Dichte und 0,2 bis 1,5% Massenanteil Ruß, und ist vernetzt. Sie soll die Durchschlagseigenschaften unter Gleichspannung und unter Stoßspannung, insbesondere des Kabels, gegenüber den gleichen Eigenschaften eines analogen Kabels, dessen Isolierung aber nur eine Polyäthylenart besitzt, verbessern.

Die geringe Menge an Ruß in der Isolierung dieses bekannten Kabels minimiert die Durchschlagsrisiken aufgrund von Fehlern in der Isolierung. Sie führt zu dielektrischen Verlusten in der Isolierung des Gleichstromkabels, die bei einem Nichtvorhandensein von Fehlern und unter einem schwachen elektrischen Feld kaum von Bedeutung sind, aber bei Fehlern und unter einem starken elektrischen Feld übermäßig werden und nicht mehr akzeptiert werden können.

In Dokument EP-A-0 539 905 wird ein Hochspannungsgleichstromkabel beschrieben, bei dem das Isoliermaterial aus einem thermoplastischen Gummi mit einer Elastomerphase und einer thermoplastischen Phase besteht. In einer ersten Ausführung dieses Kabels kann der thermoplastische Gummi olefinisch sein. In diesem Fall besteht die Elastomerphase aus einem Äthylen-Propylen-Gummi und die thermoplastische Phase wird zwischen Polyäthylen und Polypropylen ausgewählt. In einer zweiten Ausführung kann der thermoplastische Gummi aus Styrol hergestellt werden. In diesem Fall kann die Elastomerphase hydriert werden und zwischen Polybutadien und Polyisopren ausgewählt werden und die thermoplastische Phase aus Polystyrol bestehen. Durch die Isolierung dieses Kabels kann das Phänomen der Ansammlung von Raumladungen bei hoher Gleichspannung reduziert werden.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Hoch- und Höchstspannungsgleichstromkabel hergestellt werden, mit dem die dielektrischen Verluste in der Isolierung vermieden werden, und das bei einer erhöhten Nutzspannung und geringen Raumladungen bei hoher Gleichspannung und hoher Zuverlässigkeit des Kabels gleichzeitig gegen Durchschlag bei Gleichspannung und Impulsspannung widerstandsfähig ist.

Die Erfindung hat ein Hoch- oder Höchstspannungsgleichstromkabel zum Ziel; mit einem leitenden Kern und einer extrudierten Polymer-Isolierung aus einem Styrolmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer Mischung aus Polyäthylen und einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer, das unter den Polystyrol-Butadien und Polystyrol-Isopren ausgewählt worden ist, besteht, ein Styrol-Massenverhältnis von 11% bis 18% hat und nicht vernetzt ist.

Dank dieser Isolierung ist die Nutzspannung im stabilen Zustand besonders hoch und gleichzeitig sind die Durchlagsrisiken sehr gering, was die Zuverlässigkeit des Kabels erhöht.

Das Styrol-Massenverhältnis der Mischung liegt vorzugsweise zwischen 11,5% und 16%.

Nach einem weiteren Merkmal besitzt das Kabel eine innere Halbleiter-Abschirmung zwischen dem leitenden Kern und der Isolierung und eine äußere Halbleiter-Abschirmung um die Isolierung herum, die jeweils aus einer Polymermatrix der gleichen Art wie die Isolierung bestehen, enthält eine leitfähige Ladung und ist nicht vernetzt.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für ein Kabel gemäß der Erfindung, das in den nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft veranschaulicht wird, ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, sowie aus den Eigenschaften des Kabelisoliermaterials. Es zeigen

1 eine aufgelöste, perspektivische Ansicht eines Hoch- oder Höchstspannungsgleichstromkabels gemäß der Erfindung,

2 die Durchschlagseigenschaften bei Stoßspannung (Blitzschlag) und unter Gleichspannung in Abhängigkeit von dem Kabelisoliersystem,

3 und den zulässigen Nutzspannungsgradienten in Abhängigkeit von

4 dem Isoliersystem in Form eines Diagrammes,

5 die Raumladungsmengen in einem herkömmlichen Isoliersystem, wobei verschiedene Spannungsgradienten auf das System angewendet werden.

6 und die Raumladungsmengen in Isoliersystemen gemäß der

7 Erfindung bei den gleichen Spannungsgradienten wie in 5.

Das in 1 gezeigte Hoch- oder Höchstspannungsgleichstromenergiekabel besitzt einen mittleren, leitenden Kern 2 und nacheinander und koaxial um diesen Kern herum eine innere Halbleiter-Abschirmung 3, eine Isolierung 4, eine äußere Halbleiter-Abschirmung 5, eine Metallschutzabschirmung 6 und einen äußeren Schutzmantel 7.

Das Vorhandensein der Abschirmungen 3, 5 und 6 wird bevorzugt. Die Isolierung 4 wird gemäß der Erfindung durchgeführt. Die Halbleiter-Abschirmungen 3 und 5 werden vorzugsweise ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.

Die Schutzkonstruktion, die aus der Metallabschirmung 6 und dem Außenmantel besteht, kann auch noch weitere Schutzelemente aufweisen wie insbesondere ein nicht gezeigtes Halbleiter-Schutzband oder ein einfaches Schutzband, das sich bei Wasser aufbläht. Ein solches Schutzband wird vorzugsweise zwischen der äußeren Halbleiter-Abschirmung und der Metallabschirmung eingeschoben. Es gewährleistet selbst den Stromdurchgang zwischen der äußeren Halbleiter-Abschirmung und der Metallabschirmung oder ist mit leitenden Elementen verbunden, welche diesen Stromdurchgang gewährleisten. Die Schutzkonstruktion dieses Kabels ist als solche von einer bekannten Art und liegt außerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der Erfindung besteht die Isolierung 4 des Kabels 1 aus einer Mischung aus Polyäthylen, einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer und einem Anti-Oxydans mit einem Styrol-Massenverhältnis zwischen 11% und 18%, und ist nicht vernetzt.

Das verwendete Polyäthylen wird aus einem Polyäthylen niedriger, mittlerer bzw. hoher Dichte ausgewählt. Das hydrierte Blockcopolymer wird aus den Polystyrol-Butadien und Polystyrol-Isopren ausgewählt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um ein Tri-Blockcopolymer.

Wie von dem Antragsteller festgestellt und durch die nachfolgend beschriebenen, vergleichenden Testergebnisse nachgewiesen wurde, erhält man aufgrund des Massenverhältnisses von 11% bis 18% Styrol in dieser Mischung in einer mit dem Kabel oder einem Kabelende verbundenen Umformstation überraschenderweise eine optimalere Durchschlagsfestigkeit bei Gleichspannung und Stoßspannung aufgrund von Blitzschlag, so dass eine höhere Nutzspannung möglich wird. Gleichzeitig lässt sich die Menge der Raumladungen in der Isolierung des Kabels unter Gleichspannung minimieren, was die Durchlagsrisiken erheblich reduziert.

Dieses Styrol-Massenverhältnis in der Mischung liegt vorzugsweise zwischen 11,5% und 16%.

In Bezug auf die Tests, die von der Antragstellerin durchgeführt wurden, und deren Ergebnisse genannt werden, wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen, verwendeten Proben aus einer Mischung aus Polyäthylen geringer Dichte und einem hydrierten Tri-Blockcopolymer aus Polystyrol-Butadien bestehen. Das Styrol-Massenverhältnis variiert je nach den Proben. Sie haben alle die gleiche Stärke. Diese Mischung ist nicht vernetzt, so dass Nebenprodukte der Vernetzung vermieden werden, die zur Erhöhung der Dichte von Raumladungen führen.

Tabelle 1

In dieser Tabelle handelt es sich bei Vimp um das Durchschlagsverhalten unter Stoßspannung und bei Vcc um das Durchschlagsverhalten bei Gleichspannung der Proben bei 70°C und bei Vo um den zulässigen Nutzspannungsgradienten im stabilen Zustand in kV/mm gemäß dem Styrol-Massenverhältnis in den Proben.

Die Veränderungen von Vimp und Vcc in Abhängigkeit von dem Styrol-Massenverhältnis sind in 2 veranschaulicht : sie zeigen, dass die Durchschlagsfestigkeit bei Gleichspannung Vcc bei 0% Styrol relativ gering ist, anschließend bei Styrol-Massenverhältnissen bis 10% deutlich ansteigt, dann nur geringfügig fällt und bei Styrol-Massenverhältnissen von 10% bis 15% und darüber bis zu einem möglichen Grenzwert sehr hoch bleibt.

Parallel dazu ist die Durchschlagsfestigkeit bei Stoßspannung Vimp bei 0% Styrol relativ hoch und nimmt bei einem zunehmenden Styrol-Massenverhältnis bis 10% dagegen sehr rasch ab, steigt aber erneut überraschenderweise sehr stark über 10% hinaus bis zu einem möglichen Grenzwert an.

Dieser Grenzwert im Massenverhältnis liegt derzeit in der Größenordnung von 18% bis 20% Styrol in dieser Mischung. Für diesen Grenzwert konnten von der Antragstellerin nur unvollständige Tests durchgeführt werden, weil bestimmte Tests zu lange dauern und die Merkmale der Proben folglich nicht angegeben wurden.

Mit diesen beiden Durchschlagseigenschaften Vimp und Vmax kann der Gradient der Nutzspannung im stabilen Zustand bewertet werden, der durch diese Proben unterstützt werden kann, und das Dimensionsmerkmal des Isoliersystem darstellt, aus dem diese Mischung eines Gleichstromkabels besteht.

Dieser Gradient der Nutzspannung Vo ergibt sich in erster Linie aus den Durchschlagsmerkmalen Vimp und Vcc sowie aus der Tatsache, dass ein Gleichstromkabel Stößen aus Blitzschlag unterworfen sein kann, die stärker sind als die Anforderungen aus der Gleichspannung im stabilen Zustand: Derzeit sind die Stöße, die ein Gleichstromkabel aushalten muss, zugegebenermaßen ungefähr 1,4 Mal größer als die Anforderungen aus der Gleichspannung im stabilen Zustand, und zwar unter Berücksichtigung der Verbesserung der verfügbaren und verwendeten Überspannungsbegrenzungskreise wie jene mit Varistoren mit Zinkoxyd. Dieses mit r bezeichnete Verhältnis kann noch bis 1,1 abgesenkt werden, wenn man die Verbesserungen dieser Überspannungskreise, aber auch eine mögliche gesteigerte Durchschlagsfestigkeit der Isoliermaterialien selbst berücksichtigt, was hier der Fall ist und weiter unten erläutert wird.

Für jede dieser berücksichtigten Proben wird der zulässige Gradient der Nutzspannung Vo also durch den Mindestwert des Wertepaares Vimp/r, Vcc bestimmt. In Tabelle 1 ist er für r = 1,4 und r = 1,1 in Abhängigkeit von dem Styrol-Massenverhältnis angegeben und für r = 1,4 in 3 in Form eines Diagrammes und für r = 1,1 in 4 entsprechend dem Styrol-Massenverhältnis veranschaulicht.

Aus diesen Werten für den Gradienten der zulässigen Nutzspannung Vo entsprechend dem Styrolgehalt in der durchgeführten Mischung geht hervor, dass also ein Styrolgehalt zwischen 11% und 18% und vorzugsweise zwischen 11,5% und 16% zu einem sehr hohen und verbesserten Nutzspannungsgradienten führt.

In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass es die Durchschlagsfestigkeit ist, welche den Gradienten der Nutzspannung bei Styrol-Massenverhältnissen zwischen 11% und 18% begrenzt, doch die Erfindung profitiert genau von dieser Tatsache, dass die Durchschlagsfestigkeit Vimp bei diesen Styrol-Massenverhältnissen zwischen 11% und 18% plötzlich ausgezeichnet wird.

Die Bedeutung eines solchen Styrol-Gehaltes in der hergestellten Mischung ist von der Antragstellerin außerdem nachgewiesen worden. Es wurde nämlich festgestellt, dass sich die Menge an Raumladungen, die in den Proben bei einer Gleichsperrspannung bzw. bei einem Temperaturgradienten erzeugt und eingeschlossen wird, verringert, wenn der Styrolgehalt zunimmt.

Außerdem sinkt das maximale elektrische Feld unter nominalen Betriebsbedingungen, d. h. wenn das Kabel Gleichstrom führt, und es wird bei diesen Styrolgehalten in der Mischung schwach. Das führt dazu, dass das Kabel geringeren Anforderungen unterworfen ist.

Neben diesen Styrolgehalten sind die eingeschlossenen Raumladungen auch weniger schädlich und führen nur selten zu einem Zusammenbrechen der geschlossenen Feldlinien, was dann einen Durchschlag bei Gleichspannung sehr unwahrscheinlich macht.

Diese Merkmale reduzieren die Durchschlagsrisiken, d. h. sie erhöhen die Zuverlässigkeit und Lebenserwartung des Kabels sowie die außergewöhnlichen dielektrischen Eigenschaften der so hergestellten Isolierung erheblich.

Im Vergleich dazu werden diese dielektrischen Eigenschaften bei Styrol-Massenverhältnissen unter 10%, bei denen die Raumladungen und ihre Auswirkungen stärker sind, nicht erreicht, und verschlechtern sich im Laufe der Zeit, und sie führen zu häufigeren Durchschlägen.

Die Leistungen, die man aufgrund der Verwendung der Isolierung gemäß der vorliegenden Erfindung erhält, können durch Verwendung einer inneren und äußeren Halbleiter-Abschirmung, die aus einer Polymermatrix der gleichen An hergestellt wird wie die Isolierung, noch weiter verbessert werden.

Diese Matrix der Halbleiter-Abschirmungen besteht aus einer Mischung aus Polyäthylen, einem hydrierten Styrol-Blockcopolymer und einem Antioxydans, in das eine leitfähige Ladung integriert wird, um einen elektrischen Widerstand und die erforderlichen mechanischen und rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Sie erlaubt eine chemische und elektrische Kompatibilität zwischen dem Isoliermaterial und dem der Halbleiter-Abschirmungen an ihren Schnittstellen. Somit wird eine weitere Reduzierung der Raumladungen in der Isolierung und eine Reduzierung der elektrischen Feldstärke an den Schnittstellen erreicht, wobei die Haltbarkeit des Kabels unter Gleichspannung und Stoßspannung bei Blitzschlag verbessert wird. Die Matrix der Halbleiter-Abschirmungen ist aus den gleichen Gründen wie den oben für die Isolierung genannten Gründen nicht vernetzt.

Bei der leitfähigen Ladung handelt es sich um Ruß oder vorzugsweise Acetylenruß.

Der Styrolgehalt der Polymermatrix der Halbleiter-Abschirmungen ist wegen der leitfähigen Ladung, die in diese Matrix integriert ist, weniger kritisch als der Styrolgehalt der Isolierung. Die Matrix kann 0,1% bis 20% Styrol enthalten. Der bevorzugte Gehalt liegt bei 1% bis 10%.

Die Messungen der Raumladungen, die in den 5, 6 und 7 veranschaulicht sind, werden durch ein bekanntes elektroakustisches Pulsverfahren durchgeführt. Sie wurden an einer flachen Probe des betreffenden Isoliersystems durchgeführt, die aus einer 0,5 mm starken Isolierschicht und zwei 0,2 bis 0,3 mm starken Halbleiterschichten bestand, die zu beiden Seiten der Isolierschicht angeordnet waren, wobei ein Spannungsunterschied zwischen den Halbleiterschichten angewendet wurde.

So führt ein Spannungsunterschied von 5, 10, ..., 30 kV zwischen den Halbleiter-Schichten zu einem mittleren Spannungsgradienten von 10, 20, ..., 60 kV/mm im Isoliersystem, wobei der lokale Spannungsgradient selbst von der Menge der Raumladungen in dem Material abhängt.

In 5 wurden mit 3' und 5' die beiden Halbleiter-Schichten und mit 4' die Isolierschicht eines herkömmlichen Isoliersystems bezeichnet. In 6 besitzt das Isoliersystem gemäß der Erfindung eine Isolierschicht 4 gemäß der Erfindung und herkömmliche Halbleiter-Schichten 3' und 5'. In 7 besitzt das bevorzugte Isoliersystem gemäß der Erfindung eine Isolierschicht 4 und eine Halbleiterschicht 3 und 5, die alle der vorliegenden Erfindung entsprechen.

In diesen drei Abbildungen wurde der angewendete Spannungsunterschied zwischen den verschiedenen Isolierschichten durch die Zeichen + und – im rechten Winkel zu den Schnittstellen zwischen den verschiedenen Schichten des Isoliersystems schematisiert. Die Zeichen + und – wurden ebenfalls zu beiden Seiten von Null angegeben, wobei die positiven und negativen Raumladungen in Coulomb/m3 gemessen wurden, ohne jedoch den entsprechenden Maßstab anzugeben, der im absoluten Wert nicht feststeht, aber für alle angegebenen Kurven analog ist.

Die Kurven von 5 zeigen, dass die Isolierschicht 4' des herkömmlichen Isoliersystems in ihrer ganzen Stärke erhebliche Raumladungen enthält. Die Menge der Raumladungen ist umso größer, je höher der Spannungsgradient ist.

Im Vergleich dazu zeigen die Kurven von 6, dass sich die Raumladungen in der Isolierschicht 4 des Isoliersystems gemäß der Erfindung in der Nähe der Schnittstellen mit den herkömmlichen Halbleiterschichten 3' und 5' befinden, und im übrigen fast nicht existent sind. Das Verhalten dieses Isoliersystems ist gegenüber dem Verhalten des herkömmlichen Systems verbessert.

Im Vergleich dazu zeigen die Kurven von 7 auch, dass sich die Raumladungen in der Isolierschicht 4 des bevorzugten Isoliersystems gemäß der Erfindung ebenfalls in der Nähe der Schnittstellen mit den Halbleiterschichten gemäß der Erfindung befinden, dass sie darüber hinaus aber deutlich geringer sind und das gleiche Vorzeichen besitzen wie jene, die in der Halbleiterschicht der Schnittstelle enthalten sind. Diese geringe Menge an Raumladungen und ihr zu beiden Seiten einer jeden Schnittstelle identisches Vorzeichen führt zu einem minimalen elektrischen Feld, für das dieses bevorzugte Isoliersystem als optimal angesehen werden kann.


Anspruch[de]
  1. Hoch- und Höchstspannungsgleichstromkabel mit einem leitenden Kern und einer extrudierten Polymer-Isolierung aus einem Styrolmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Isolierung (4) aus einer Mischung besteht, die Polyäthylen, ein hydriertes Styrol-Blockcopolymer, das unter den Polystyrol-Butadien und Polystyrol-Isopren ausgewählt worden ist, und ein Antioxidans besitzt, ein Styrol-Massenverhältnis von 11% bis 18% hat und nicht vernetzt ist.
  2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung ein Styrol-Massenverhältnis zwischen 11,5% und 16% besitzt.
  3. Kabel nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem hydrierten Styrol-Blockcopolymer um ein Tri-Blockcopolymer handelt.
  4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen der Isolierung (4) und dem leitenden Kern (2) eine innere Halbleiter-Abschirmung (3) und eine äußere Halbleiter-Abschirmung (5) besitzt, welche die Isolierung umgeben, und die jeweils eine Polymermatrix der gleichen Art wie die Isolierung besitzen, eine leitfähige Ladung enthält und nicht vernetzt ist.
  5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix ein Styrol-Massenverhältnis zwischen 0,1% und 20% besitzt.
  6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix ein Styrol-Massenverhältnis zwischen 1% und 10% besitzt.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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