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Dokumentenidentifikation DE69923040T2 02.03.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000978127
Titel ISOLIERTES ELEKTRISCHES KABEL
Anmelder ABB AB, Västerås, SE
Erfinder JONSSON, Jonas, S-192 58 Sollentuna, SE;
TÖRNKVIST, Christer, S-722 23 Västeras, SE
Vertreter Becker, Kurig, Straus, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69923040
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.02.1999
EP-Aktenzeichen 999080088
WO-Anmeldetag 22.02.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/SE99/00240
WO-Veröffentlichungsnummer 0099044206
WO-Veröffentlichungsdatum 02.09.1999
EP-Offenlegungsdatum 09.02.2000
EP date of grant 05.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse H01B 3/44(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H01B 7/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H01B 9/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel mit einem Isolierungs- bzw. Isolationssystem umfassend eine polymere Zusammensetzung. Die polymere Zusammensetzung ist typischerweise extrudiert und vernetzt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kabel mit einer extrudierten und vernetzten Polyethylen-, PE, Zusammensetzung, eine XLPE-Zusammensetzung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein isoliertes elektrisches Kabel mit einem Isolationssystem umfassend mehrere Schichten, so wie eine innere halbleitende Abschirmung, eine extrudierte Isolierung bzw. Isolation und eine äußere halbleitende Abschirmung.

Zumindest die extrudierte Isolation umfasst eine vernetzte polymere elektrisch isolierende Zusammensetzung mit einem System von Additiven bzw. Zusätzen, typischerweise umfassend Vernetzungsmittel, flammhemmende Mittel und Antioxidationsmittel. Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt in Systemen zur Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom verwendet und ebenso als ein isolierter Leiter in einer Hochspannungswindung in einer elektrischen Maschine oder einer anderen Anwendung, bei der die elektrisch isolierende Schicht in dem Kabel einer hohen Spannungsbelastung ausgesetzt ist.

Technischer Hintergrund

Viel der ersten elektrischen Versorgungssysteme zur Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom basierten auf DC-Technologie. Jedoch wurden diese DC-Systeme schnell von Systemen verdrängt, die Wechselstrom, AC, verwenden. Die AC-Systeme haben das erwünschte Merkmal einfacher Umwandlung zwischen Erzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungsspannungen. Die Entwicklung moderner elektrischer Versorgungssysteme in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts basierte ausschließlich auf AC-Übertragungssystemen. In den 1950ern gab es einen wachsenden Bedarf an Verfahren für die Übertragung über große Entfernungen, und es wurde klar, dass unter bestimmten Umständen in diesen Verfahren Vorteile durch die Annahme eines DC-basierten Systems erlangt werden konnten. Ein wichtiger Vorteil von DC-Betrieb ist, dass dielektrische Verluste praktisch beseitigt werden, wodurch ein deutlicher Gewinn in der Wirksamkeit und Einsparungen bei der Ausrüstung ermöglicht wurden. Der DC-Leckstrom ist von einer so geringen Größenordnung, dass er in derzeitigen Nennstromberechnungen vernachlässigt werden kann, wohingegen in AC-Kabeln dielektrische Verluste eine deutliche Verringerung des Nennstroms verursachen. Dies ist von wesentlicher Bedeutung für höhere Systemspannungen. In ähnlicher Weise ist eine hohe Kapazitanz kein Nachteil in DC-Kabeln. Ein typisches DC-Übertragungskabel schließt einen Leiter und ein Isolationssystems ein, umfassend mehrere Schichten, so wie eine innere halbleitende Abschirmung, einen Isolierungsgrundkörper und eine äußere halbleitende Abschirmung. Das Kabel ist ebenso mit einem Gehäuse, einer Verstärkung etc. ergänzt, um dem Eindringen von Wasser und jeder mechanischen Abnutzung oder Kräften während der Herstellung, Installation und Benutzung zu widerstehen.

Fast all DC-Kabelsysteme, die bisher bereitgestellt wurden, sind für Unterwasserübergänge oder die damit verbundenen Landkabel vorgesehen. Für lange Übergänge wird das Kabel des Typs mit einer masseimprägnierten festen Papierisolation gewählt, da aufgrund von Druckanforderungen keine Beschränkungen der Länge vorhanden sind. Derzeit werden Isolationssysteme mit einer festen, im Wesentlichen vollständig aus Papier bestehenden Isolation, imprägniert mit einem elektrisch isolierenden Öl verwendet. Die Anwendung von laminiertem Material so wie einem Polypropylen-Papier-Laminat wird verfolgt, um von dem Vorteil der erhöhten Impulsfestigkeit und einem verringerten Durchmesser zu profitieren.

Wie in dem Fall von AC-Übertragungskabeln sind Spannungsspitzen (transients) ein Faktor, der in Betracht gezogen werden muss, wenn die Isolationsdicke von DC-Kabeln bestimmt wird. Es ist herausgefunden worden, dass die am meisten unerwünschte (onerous) Bedingung auftritt, wenn eine Spannungsspitzen-Spannung von zu der Betriebsspannung entgegengesetzter Polarität dem System auferlegt wird, wenn das Kabel die volle Last trägt. Wenn das Kabel mit einem Oberleitungssystem verbunden ist, tritt eine solche Bedingung normalerweise als eine Folge von Blitzspannungsspitzen auf.

Eine extrudierte feste Isolation basierend auf einem Polyethylen, PE, oder einem vernetzten Polyethylen, EXLPE, ist seit fast 40 Jahren für die Isolation von AC-Übertragungs- und Verteilungskabeln verwendet worden. Daher wird die Möglichkeit der Verwendung von XLPE und PE für eine DC-Kabelisolation seit vielen Jahren geprüft. Kabel mit solchen Isolierungen hätten die gleichen Vorteile die das masseimprägnierte Kabel. Für DC-Übertragungen gibt es keine Beschränkungen der Stromkreislänge. Kabelisolationen, die auf XLPE basieren, haben ebenso ein Potenzial dafür, bei höheren Temperaturen als herkömmliche masseimprägnierte Papier-basierte Kabelisolationen betrieben zu werden. In dem Fall von XLPE, 90°C anstatt 50°C bei herkömmlichen DC-Kabeln. Daher bietet dies eine Möglichkeit, die Übertragungslast zu erhöhen. Jedoch ist es nicht möglich gewesen, das volle Potenzial dieser polymeren Materialien für normal große (full-size) Kabel zu erhalten. Es wird davon ausgegangen, dass einer der Hauptgründe die Bildung und Anhäufung von Raumladungen in dem Dielektrikum ist, wenn es einem DC-Feld ausgesetzt wird. Solche Raumladungen stören die elektrische Belastungsverteilung und bestehen über lange Zeiträume, aufgrund des hohen Widerstands der Polymere. Raumladungen in einem Isolationskörper häufen sich, wenn er den Kräften eines elektrischen DC-Feldes ausgesetzt wird, in einer solchen Weise an, dass ein polarisiertes Muster ähnlich einem Kondensator gebildet wird. Die Anhäufung der Raumladung ist häufig in zwei grundlegende Typen von Mustern aufgeteilt, die sich in der Polarität der Anhäufung der Raumladung unterscheiden. Die Anhäufung von Raumladung bewirkt eine lokale Verstärkung an bestimmten Punkten des derzeitigen elektrischen Felds in Bezug auf das Feld. Dies sollte bedacht werden, wenn die geometrischen Abmessungen und dielektrischen Eigenschaften einer Isolierung betrachtet werden. Die Verstärkung, die in dem derzeitigen Feld bemerkt wird, könnte 5 oder sogar 10 mal das angenommene Feld sein. Daher muss das Auslegungsfeld für eine Kabelisolierung einen Sicherheitsfaktor einschließen, der dieses deutlich höhere Feld berücksichtigt. Daher werden typischerweise dicke Isolierungsschichten und/oder kostenintensive Materialien in der Kabelisolierung verwendet. Die Anhäufung von Raumladungen ist, zumindest in einigen Aspekten, ein langsamer Vorgang, daher wird dieses Problem verstärkt, wenn die Polarität des Kabels umgekehrt wird, nachdem es lange Zeit bei der gleichen Polarität betrieben worden ist. Als eine Folge einer solchen Umkehrung wird dem angewendeten Feld ein kapazitives Feld überlagert. Als eine Folge wird die Spitze der Anhäufung von Raumladung in dem Profil und der Punkt der maximalen Feldbelastung von der Übergangsstelle weg und in die Isolierung hinein verschoben. Versuche sind angestellt worden, um die Situation durch die Verwendung von Additiven zu verbessern, um den Widerstand der Isolierung zu verringern, ohne andere Eigenschaften stark zu beeinträchtigen. Bis heute ist es nicht möglich gewesen, die elektrische Leistungsfähigkeit, die mit den Kabel erzielt wird, die mit imprägniertem Papier isoliert sind, zu erreichen, und es sind keine kommerziellen polymer isolierten DC-Kabel installiert worden. Jedoch ist von erfolgreichen Labortests auf einem 250 kV Kabel mit einer Maximalbelastung von 20 kV/mm unter Verwendung einer XLPE Isolierung mit mineralischem Füller berichtet worden (Y. Maekawa et al, Research and Development of DC-Cables, JiCable'91, S. 562–569). Dieser Belastungswert steht im Vergleich zu 32 kV/mm, die als ein typischer Wert für Kabel mit masseimprägniertem Papier verwendet werden.

In der japanischen Patentveröffentlichung JP-A-1024307 ist ein DC-Kabel mit Raumladung verringernden Schichten zwischen einer inneren halbleitenden Schicht und einer Isolationsschicht und/oder zwischen der Isolationsschicht und einer äußeren halbleitenden Schicht versehen, um die Anhäufung von Raumladungen zu verhindern. Die Raumladung verringernden Schichten werden durch Copolymerisation mit einem aromatischen Monomer gebildet.

In der japanischen Patentveröffentlichung JP-A-8306243 ist ein isoliertes DC-Kabel mit Ladung fangenden Schichten auf der Innenseite und der Außenseite der vernetzten Polyolefin-Isolationsschicht versehen, um die Anhäufung von Raumladungen zu verhindern, die in der isolierenden Schicht gebildet werden. Die Ladung fangende Schicht ist aus einem mit Polyamid modifiziertem Polyolefin hergestellt.

Ein anderer Aspekt, der für extrudierte polymere Isolationen zu berücksichtigen ist, ist die Ladungseinleitung an jeder Grenzfläche zwischen der isolierenden Schicht in einem Isolationssystem und einer leitenden oder halbleitenden Schicht oder einem Körper, die in Kontakt mit der isolierenden Schicht angeordnet sind. Die Gefahr von Ladungseinleitung wird drastisch verringert, wenn die elektrischen Eigenschaften des leitenden Körpers oder der halbleitenden Abschirmung in Kontakt mit der isolierenden Schicht inhomogen sind. Früher wurde davon ausgegangen, dass eine Ladungseinleitung in einer isolierenden XLPE-Zusammensetzung unter AC-Bedingungen leicht auftreten kann, wenn die Belastung höher als 15–20 kV/mm ist. Siehe z.B. B Rånby, D. Mary, C. Laurent und C. Mayoux, IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. 2, 107 (1995), oder T. Mizuno, Y. S. Liu, W. Shionoya, K. Yasuoka, S. Ishii, H. Miyata und A. Yokoyama, IEEE Trans. Diel. Electr. Insul. 4, 433 (1997). Bei höheren Belastungen, z.B. den Belastungen, von denen angenommen wird, dass sie in der Grenzfläche zwischen der isolierenden Schicht und einer halbleitenden Abschirmung innerhalb eines Kabels für Hochspannungs-Gleichstromübertragung von elektrischem Strom, etwa 100 kV/mm, auftreten, ist die Gefahr von Ladungseinleitung hoch. Da Ladungseinleitung die Gefahr mit sich bringt, dass eine Alterung des polymeren Materials in der isolierenden Schicht verstärkt wird, stellt es ebenso die erwartete Lebensdauer des Kabels in Frage.

Eine extrudierte Harzzusammensetzung für die Isolierung von AC-Kabeln umfasst typischerweise ein Polyethylenharz als Basispolymer, vervollständigt mit verschiedenen Additiven so wie einem Peroxid als Vernetzungsmittel, einem flammhemmenden Mittel und einem Antioxidationsmittel oder einem System von Antioxidationsmitteln. In dem Fall einer extrudierten Isolierung werden die halbleitenden Abschirmungen normalerweise ebenso extrudiert und umfassend eine Harzzusammensetzung, die zusätzlich zu dem Grundpolymer und einem elektrisch leitenden oder halbleitenden Füller im Wesentlichen die gleichen Arten von Additiven aufweisen. Die verschiedenen extrudierten Schichten in einem isolierten Kabel basieren allgemein häufig auf einem Polyethylenharz. Polyethylenharz bedeutet allgemein und in dieser Anmeldung ein Harz, das auf einem Polyethylen oder einem Copolymer von Ethylen basiert, wobei das Ethylen-Monomer einen Hauptteil der Masse bildet. Daher können Polyethylenharze aus Ethylen und einem oder mehreren Monomeren zusammengesetzt sein, die mit Ethylen copolymerisiert sind. LDPE, Polyethylen mit niedriger Dichte, ist heute das vorherrschende Isolierungsgrundmaterial für AC-Kabel. Um die physikalischen Eigenschaften der extrudierten Isolierung und ihre Fähigkeit zu verbessern, einer Schädigung und Auflösung bzw. Zersetzung unter dem Einfluss der Bedingungen zu widerstehen, die während der Herstellung, dem Transport, der Lagerung und Verwendung eines solchen Kabels vorherrschen, weist die auf Polyethylen basierende Zusammensetzung typischerweise Additive auf wie:

  • – stabilisierende Additive, z.B. Antioxidationsmittel, Elektronenabsorber, um der Auflösung aufgrund von Oxidation, Strahlung etc. entgegen zu wirken;
  • – schmierenden Additive, z.B. Stearinsäure, um die Verarbeitbarkeit zu erhöhen;
  • – Additive für eine vergrößerte Fähigkeit, elektrischer Belastung zu widerstehen, so wie größere Wasserwiderstandsfähigkeit (water tree resistance), Beispiele von solchen Additiven sind Polyethylenglykol, Silikone etc.; und
  • – Vernetzungsmittel, so wie Peroxide und Silane, die auf eine folgende Behandlung so wie Erhitzen oder dem Aussetzen einer Strahlung, z.B. Röntgenstrahlen, Infrarot, Ultraviolett, sich in freie Radikale auflösen und eine Vernetzung des Polyethylenharzes einleiten, manchmal verwendet in Verbindung mit
  • – ungesättigten Zusammensetzungen mit der Fähigkeit, die Vernetzungsdichte zu erhöhen;
  • – flammhemmenden bzw. eine Anvulkanisation verzögernden Mitteln, um vorzeitiges Vernetzen zu verhindern.

Die Anzahl verschiedener Additive ist groß und die möglichen Kombinationen davon sind im Wesentlichen unbegrenzt. Beim Auswählen eines Additives oder einer Kombination oder Gruppe von Additiven ist es das Ziel, dass eine oder mehrere Eigenschaften verbessert werden sollen, während andere beibehalten oder wenn möglich ebenfalls verbessert werden sollen. Jedoch ist es in der Realität nahezu unmöglich, alle möglichen Nebeneffekte einer Änderung in dem System von Additiven vorherzusagen. In anderen Fällen sind die nachgesuchten Verbesserungen von solcher Güte (dignity), dass einige geringfügige negative Effekte akzeptiert werden müssen, obwohl es immer ein Ziel ist, solche negativen Effekte zu minimieren.

Eine typische Zusammensetzung, die auf Polyethylenharz basiert, die als eine extrudierte, vernetzte Isolierung in einem AC-Kabel verwendet werden soll, umfasst:

97,1–98,9 Gewichtsprozent eines Polyethylens mit niedriger Dichte (922 kg/m3) einer Schmelzflussrate von 0,4–2,5 g/10 min. mit einem System von Additiven wie vorstehend beschrieben.

Diese Additive können umfassen:

0,1–0,5 Gewichtsprozent eines Antioxidationsmittels so wie, aber nicht beschränkt auf SANTONOX R® (Flexsys Co) mit der chemischen Bezeichnung 4,4'-thio-bis(6-tert-butyl-m-cresol); und

1,0–2,4 Gewichtsprozent eines Vernetzungsmittels so wie, aber nicht beschränkt auf DICUP R® (Hercules Chem) mit der chemischen Bezeichnung Dicumyl-Peroxid.

Es ist wohlbekannt, dass diese Art von XLPE-Zusammensetzung eine starke Neigung dazu zeigt, Raumladungen unter elektrischen DC-Feldern zu zeigen, was sie daher in Isolationssystemen für DC-Kabel nicht verwendbar macht. Jedoch ist ebenso bekannt, dass erweitertes Entgasen, d.h. dass die vernetzte Kabelisolation bei erhöhter Temperatur für längere Zeitdauern einem Vakuum ausgesetzt wird, zu einer etwas verringerten Neigung zur Anhäufung von Raumladungen unter DC-Spannungsbelastung führt. Es wird allgemein angenommen, dass die Vakuumbehandlung die Peroxid-Zersetzungsprodukte, so wie Acetophenone und Cumylalkohol, aus der Isolierung entfernt, wobei die Anhäufung von Raumladung verringert wird. Das Entgasen ist ein zeitaufwendiger Verarbeitungsvorgang, verglichen mit der Imprägnierung von Papierisolierungen und daher ebenso kostenintensiv. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Notwendigkeit des Entgasens beseitigt wird. Die meisten bekannten vernetzten Polyethylenzusammensetzungen, die als extrudierte Isolierungen in AC-Kabel verwendet werden, zeigen eine Neigung zu Anhäufung von Raumladung, welche sie für die Verwendung in einem Isolationssystem für DC-Kabel unbrauchbar macht.

Es ist bekannt, niedrige Mengen eines Additives umfassend Carbonylgruppen zu einem LDPE hinzuzufügen, mit dem zweifachen Ziel, die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen und die Anhäufung von Raumladung zu verringern. Ein solches Hinzufügen von Carbonyl wird entweder durch Oxidieren von Polyethylen oder durch eine Copolymerisation von Kohlenmonoxid mit Ethylen erreicht. Weiter wurde festgestellt, J. Jonsson und C. Törnkvist, Proc. Nord-IS, 217 (1996), dass ein Hinzufügen von Carbonylgruppen bis zu einem Gehalt von 0,4–1,0 Gewichtsprozent zu Polyethylen die Ladungseinleitung verringern könnte. Ein plausibler Grund, der dafür angegeben wurde, ist, dass die Carbonylgruppen als Fangstellen für Raumladungen wirken, wodurch die Mobilität von irgendwelchen Raumladungen und ebenso jede Entwicklung eines polarisierten Musters innerhalb der Isolierung als eine Folge der Anhäufung von Raumladung beschränkt wird, wenn die Isolierung einem DC-Feld ausgesetzt ist. Jedoch ist ebenso eine Neigung zum Ablösen (detrapping) und dadurch einer erhöhten Anhäufung von Raumladung bei erhöhten Temperaturen bemerkt worden, z.B. Temperaturen oberhalb von etwa 40°C. Auch Additive in der Form organischer Säuren und Anhydride haben ähnliche Effekte gezeigt. Weitere molare Modifikationen des Polyethylens durch die Einführung polarer Einheiten in das Polymer sind vorgeschlagen worden, um eine höhere DC-Durchbruchs- bzw. Ausfallfestigkeit zu erhalten. Zum Beispiel berichtet die japanische Patentveröffentlichung JP-A-210610, dass ein Anhydrid so wie Maleinsäureanhydrid, MAH, für diesen Zweck auf das Polyethylen gepfropft worden ist. Das resultierende vernetzte Isolierungsmaterial zeigt eine Erhöhung in der Anhäufung von Raumladung, die der erhöhten Polarität der vernetzten Polymerkettenstruktur zuzuschreiben ist, und es wurde geschlossen, dass die aufgepfropften MAH-Gruppen, die innerhalb der vernetzten Struktur fest sind, als Fangstellen für irgendwelche Raumladung wirken. In JP-A-210610 wurde berichtet, dass vernetztes Polyethylen mit Zusätzen von MAH auf Niveaus entsprechend etwa 0,02 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent zu einer vernetzten Zusammensetzung führten, die für die Verwendung als Isolierung in einem DC-Kabel mit einer verringerten Anhäufung von Raumladung geeignet ist. Andere Zusätze, die für solche polaren Modifikationen der vernetzten Struktur verwendet werden und mit einer Verringerung in der Anhäufung von Raumladung zusammenhängen, sind Ionomere, Acrylmetallsalze, Carboxylsäure und Acetate.

Daher ist es wünschenswert, ein isoliertes Kabel bereitzustellen, mit einem auf einem Polymer basierenden elektrischen Isolationssystem, umfassend eine extrudierte XLPE-Zusammensetzung, geeignet für die Verwendung als ein Übertragungs- und Verteilungskabel in Netzwerken und Installationen für die Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom. Das Kabel soll typischerweise mit einem Vorgang bzw. Prozess für die Anwendung und Verarbeitung der extrudierten XLPE-basierenden Isolation hergestellt werden, die in einer Weise ausgeführt werden kann, so dass keine Notwendigkeit für irgendeine lange, zeitaufwendige Stapel-(batch)-Behandlung so wie Imprägnierung oder Entgasung besteht, d.h. eine Vakuumbehandlung des Kabels, um stabile und konsistente dielektrische Eigenschaften und eine hohe und konsistente elektrische Festigkeit der Kabelisolierung sicherzustellen. Die Kabelisolierung soll weiter eine niedrige Neigung zur Anhäufung von Raumladung, eine hohe DC-Durchbruchsfestigkeit, eine hohe Impulsfestigkeit, einen hohen Isolierungswiderstand und eine starke Fähigkeit zeigen, einer Ladungseinleitung zu widerstehen. Dies würde sowohl technische als auch ökonomische Vorteile gegenüber den Verfahren des Stands der Technik bieten, da die Herstellungszeit und Herstellungskosten verringert werden können und die Möglichkeit für einen im Wesentlichen kontinuierlichen oder zumindest teil-kontinuierlichen Vorgang für die Anwendung bzw. die Aufbringung und die Verarbeitung der Kabelisolierung bereitgestellt wird. Weiterhin sollen die Zuverlässigkeit, die niedrigen Wartungsanforderungen und die lange Lebensdauer eines herkömmlichen Kabels, z.B. eines Übertragungskabels umfassend eine masseimprägnierte Papier-basierte Isolierung, erhalten oder verbessert werden. Das Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung soll als einen zusätzlichen Vorteil eine Erhöhung in der elektrischen Festigkeit eröffnen und daher eine Erhöhung in den Betriebsspannungen, eine verbesserte Handhabbarkeit und Robustheit des Kabels ermöglichen.

Insbesondere ist es wünschenswert, ein isoliertes elektrisches Kabel bereitzustellen, bei dem die extrudierte und vernetzte PE-Zusammensetzung, die in dem Isolationssystem enthalten ist, eine dreidimensionale vernetzte Struktur mit einer Fähigkeit aufweist, die Mobilität von Ladungen innerhalb der Isolierungsschicht des Kabels zu beschränken und dadurch die Neigung zur Anhäufung von Raumladung zu verringern, was die Fähigkeit erhöht, einer Ladungseinleitung zu widerstehen und Mittel bereitstellt, um irgendein sich bildendes Raumladungsprofil oder -Muster innerhalb der Isolierungsschicht zu steuern. Das Beschränken der Mobilität von Ladungen wäre daher in den meisten isolierten Leitern, die bei hohen Spannungen arbeiten, von großem Wert. Die Verringerung in der Mobilität von irgendwelchen Ladungen, die mit einem Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht würde, stellt als einen zusätzlichen ökonomischen Vorteil eine Fähigkeit bereit, die Sicherheitsfaktoren in den Auslegungswerten zu verringern, die für die Bemessung bzw. Dimensionierung der Kabelisolierung verwendet werden. Insbesondere ist ein solches Kabel wünschenswert für die Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom. Ein solches Kabel wäre attraktiv, um als ein Übertragungskabel und als eine Leiterwindung in einer elektrischen Hochspannungsvorrichtung verwendet zu werden, so wie einem Generator, einem Transformator, einem Reaktor oder einem Motor oder irgendeiner anderen Kabelanwendung, bei der die Isolierung einer hohen Spannungsbelastung ausgesetzt sein wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes elektrisches Kabel bereitzustellen, dass die Anforderungen erfüllt, wie sie in dem Vorhergehenden angegeben worden sind. Dies wird gemäß der Erfindung durch ein Kabel erreicht, wie es in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist, das ein auf einem Polymer basierendes System, umfassend eine extrudierte vernetzte, auf Polyethylen basierende Zusammensetzung aufweist, die um einen Leiter angeordnet ist, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. Weitere Fortbildungen des erfundenen Kabels werden durch die Merkmale der zusätzlichen Ansprüche 2 bis 15 gekennzeichnet. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die besonders vorteilhaften Verwendungen des Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung anzugeben, wie sie in den Ansprüchen 16 und 17 definiert werden.

Beschreibung der Erfindung

Um auf einem Polymer basierende Kabelisolationssysteme zu verwenden, die mindestens eine auf einem Polymer basierende Isolierungsschicht und eine oder mehrere halbleitende Schichten aufweisen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Ein wichtiger Aspekt ist die Beschränkung der Mobilität von Ladungen, da eine erfolgreiche Beschränkung von Ladungen:

  • – die Neigung zur Anhäufung von Raumladungen innerhalb der polymeren Isolierungsschicht verringern wird, wenn sie einer hohen Spannungsbelastung ausgesetzt ist, und insbesondere einer hohen DC-Spannungsbelastung;
  • – die Fähigkeit der Isolierungsschicht erhöhen wird, einer Ladungseinleitung zu widerstehen;
  • – und Mittel bereitstellen wird, um jedes sich bildende Raumladungsprofil oder -Muster in dem Isolationssystem zu steuern.

Die vorliegende Erfindung erreicht eine deutliche Verringerung in der Mobilität von Ladungen und dadurch die nachgesuchte Verringerung in der Anhäufung von Raumladungen, eine erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen, und das ebenfalls nachgesuchte Werkzeug, um jedes sich bildende Raumladungsprofil oder -Muster zu steuern, das in der Isolierungsschicht auftritt, durch die Implementierung eines polar angereicherten Oberflächenbereichs in der Isolierungsschicht. Der polar angereicherte Oberflächenbereich umfasst einen angemessen angehobenen Gehalt einer geeigneten polaren Substanz. Die polaren Gruppen wirken als Fangstellen für Ladungen, wodurch die Mobilität von irgendwelchen Ladungen beschränkt wird. Dadurch wird die Anhäufung von Raumladungen in der vernetzten Isolierungsschicht deutlich verringert, wenn die Isolierung einem elektrischen DC-Feld ausgesetzt wird. Weiter erhöht/erhöhen der/die polar angereicherten Oberflächenbereiche) ebenso die Fähigkeit der Isolierung, einer Ladungseinleitung zu widerstehen. Polare Gruppen innerhalb des/der angereicherten Oberflächenbereichs/bereiche, die als Fangstellen für irgendwelche Raumladungen wirken, stellen ebenso Mittel bereit, um jedes sich bildende Raumladungsprofil oder -Muster zu steuern, um nachteilige polarisierte Muster oder Profile zu vermeiden, die sich in der Isolierungsschicht bilden. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft in Kabeln mit einem Isolationssystem, bei dem das Isolationssystem eine extrudierte, vernetzte, auf Polyethylen basierende Zusammensetzung, eine XLPE-Zusammensetzung aufweist. Typischerweise umfasst ein solches Isolationssystem eine oder mehrere halbleitende Schichten, die den Oberflächen der Isolierungsschicht benachbart angeordnet sind. Bevorzugt umfasst ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung:

  • – eine erste innere halbleitende Abschirmung, die auf und um den Leiter herum angeordnet ist; und
  • – eine Isolierungsschicht, die auf und um die erste innere halbleitende Abschirmung angeordnet ist;
wobei die Isolierungsschicht einen ersten, inneren, polar angereicherten Oberflächenbereich umfasst, der in der Isolierungsschicht an der inneren Grenzfläche zwischen der inneren halbleitenden Abschirmung und der Isolierungsschicht angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Isolationssystem weiter eine zweite, äußere halbleitende Abschirmung, die auf und um die Isolierungsschicht herum angeordnet ist, wobei ein zweiter, äußerer, polar angereicherter Oberflächenbereich in der Isolierungsschicht an der äußeren Grenzfläche zwischen der äußeren halbleitenden Abschirmung und der Isolierungsschicht angeordnet ist.

Polare Substanzen, die für die Verwendung in dem polar angereicherten Bereich in einem Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung als geeignet gefunden worden sind, sind Carbonylgruppen. Die Carbonylgruppen werden in den polar angereicherten Bereich durch das Oxidieren von Polyethylen oder durch Copolymerisation von Kohlenmonoxid mit Ethylen innerhalb des polar angereicherten Bereichs eingefügt. Bevorzugte Gehalte von Carbonylgruppen sind als 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent gefunden worden. Am meisten bevorzugt sind Gehalte von Carbonylgruppen von 0,4 bis 1,0 Gewichtsprozent. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassend isolierende Schichten, zu denen Additive in der Form von organischen Säuren oder Anhydriden hinzugefügt worden sind. Von diesen Additiven ist herausgefunden worden, dass sie ähnliche Effekte auf die Anhäufung von Raumladungen, die Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen und die Möglichkeit haben, jedes sich bildende Raumladungsmuster zu steuern, um die Bildung von irgendwelchen polarisierten Raumladungsprofilen zu verhindern, wie in dem Vorhergehenden erläutert.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Isolierungsschicht polare Einheiten, die in die Polymerkette eingefügt sind. Auch von diesen polaren Einheiten ist herausgefunden worden, dass sie als Fangstellen für Raumladungen wirken, wodurch auch in diesem Fall die Mobilität von irgendwelchen Raumladungen beschränkt wird, und die Anhäufung von Raumladungen innerhalb der vernetzten Isolierungsschicht wesentlich verringert wird. Die polaren Einheiten wirken als Fangstellen für irgendwelche Raumladungen, wodurch die Anhäufung von Raumladungen verringert wird, die Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen, erhöht wird, und auch Mittel bereitgestellt werden, um das sich bildende Muster von Raumladungen zu steuern, um die Bildung von irgendeinem polarisierten Muster innerhalb der Isolierungsschicht zu verhindern. Ein Kabel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine auf XLPE basierende Isolierungsschicht, worin zu diesem Zweck Maleinsäureanhydrid, MAH, auf das Polyethylen innerhalb des polar angereicherten Oberflächenbereichs aufgepfropft worden ist. Die sich ergebende vernetzte Isolierungsschicht zeigt eine verringerte Neigung zur Anhäufung von Raumladung und eine erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen. Diese beiden Effekte sind der erhöhten Polarität der vernetzten Polymerkettenstruktur innerhalb des polar angereicherten Oberflächenbereichs zugeschrieben. Die polaren Einheiten innerhalb der Polymerkettenstruktur bieten auch ein Werkzeug zum Steuern von irgendwelchen sich bildenden Ladungsmustern innerhalb der Isolierungsschicht, was wertvoll ist, um irgendein polarisiertes Muster oder Profil zu vermeiden. Von vernetztem Polyethylen mit Zusätzen von MAH in einem Maß von etwa 0,01 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent ist herausgefunden worden, dass es zu einer vernetzten Zusammensetzung führt, die für die Verwendung in dem polar angereicherten Bereich der Isolierungsschicht in einem DC-Kabel geeignet ist, um die erwünschte Verringerung in der Anhäufung von Raumladung, die erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen und die Möglichkeit, irgendein sich bildendes Profil einer Anhäufung von Raumladung zu steuern, zu erreichen. Andere Zusätze, von denen angenommen wird, dass sie für die Verwendung dieser Art polarer Modifikation der vernetzten Struktur geeignet sind, und daher, um die erwünschte Verringerung in der Anhäufung von Raumladung, die erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen und die Möglichkeit zu erreichen, irgendein sich bildendes Profil der Anhäufung von Raumladung in der vernetzten Isolierung zu steuern, sind Ionomere, Acrylmetallsalze, Carboxylsäure und Acetate.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine XLPE-Isolierungsschicht einen polar angereicherten Oberflächenbereich, worin ein Copolymer mit der allgemeinen Formel CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2 oder CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H in die Polymerkette eingefügt worden ist. In dieser allgemeinen Formel ist n gleich 2 oder 3, m ist gleich einer Zahl zwischen 1 und 20, R ist H oder CH3 und X ist O oder NH. Bevorzugt ist m gleich 1, 5, 6 oder 9. Die polaren Co-Monomere wurden in diesem Fall in die Polyethylenkette eingefügt und bildeten entweder einen Abschnitt in dem Kettenrückgrat während der Polymerisation oder eine anhängende (pending) Seitengruppe in einem Aufpfropf-Vorgang. Typischerweise ist eine Menge an polarem Monomer, die 0,1 Gewichtsprozent des gesamten Polymers in dem polar angereicherten Oberflächenbereich der Isolierungsschicht überschreitet, als ausreichend befunden worden. Bevorzugt sollte eine Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent des polaren Co-Monomers verwendet werden. Am meisten ist ein Gehalt des polaren Monomers bevorzugt, der von 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent reicht. Ein bevorzugtes Monomer gemäß dieser Ausführungsform basiert auf einem Metacrylamid und hat die allgemeine Formel CH2=C(CH3)-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2, wobei n gleich 2 oder 3 ist. Das Co-Monomer mit n = 3 und als Dimethylamino-Propylmetacryl-Amid (DMAPMA) bezeichnet, ist als am ehesten geeignet befunden worden. Andere polare Co-Monomere, die für das Einfügen in die Polymerkette in dem/den polar angereicherten Oberflächenbereichen) der Isolierungsschicht eines Kabels gemäß der Erfindung als geeignet befunden wurden, sind:

  • – Co-Monomere basierend auf Acrylamid, mit der allgemeinen Formel CH2=CH-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2, wobei n gleich 2 oder 3 ist;
  • – Co-Monomere basierend auf Metacrylester mit der allgemeinen Formel CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2)n-n(CH3)2, wobei n gleich 2 oder 3 ist;
  • – Co-Monomere basierend auf Acrylester, mit der allgemeinen Formel CH2=CH-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2, wobei n gleich 2 oder 3 ist;
  • – Co-Monomere basierend auf Metacrylsäure und oligomerischem Ethylenglykol, mit der allgemeinen Formel CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2-CH2O-)mH, wobei m gleich einer Zahl zwischen 1 und 20 ist, bevorzugt ist m gleich 1, 5, 6 oder 9; und
  • – Co-Monomere basierend auf Acrylsäure und oligomerischem Ethylenglykol, mit der allgemeinen Formel CH2=CH-CO-O-(CH2-CH2O-)mH, wobei m gleich einer Zahl zwischen 1 und 20 ist, bevorzugt ist m gleich 1, 5, 6 oder 9.

Ein isoliertes elektrisches Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einem Vorgang hergestellt werden, der typischerweise die folgenden Schritte umfasst, nicht zwangsläufig in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge:

  • – Zusammensetzen oder anderweitig Herstellen einer Zusammensetzung in einer Weise, so dass ihr ein geeigneter Gehalt an polaren Gruppen oder polaren Einheiten für die gewünschte polar angereicherte Zusammensetzung verliehen wird.
  • – Extrudieren der zusammengesetzten Polyethylen-Zusammensetzung mit einem erhöhten Gehalt an polaren Einheiten oder polaren Gruppen, als ein Oberflächenbereich in einer Isolierungsschicht eines auf einem Polymer basierenden Isolationssystems, um einen Leiter herum angeordnet und eine Isolierungsschicht und mindestens eine halbleitende Schicht umfassend; und
  • – Nachfolgendes Vernetzen der polar angereicherten PE-Zusammensetzung zu einer polar angereicherten XLPE-Zusammensetzung, als eine Oberfläche der Isolierungsschicht enthalten.

In Folgenden wird das geeignete Verarbeiten eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung beispielhaft erläutert werden. Um die polaren Gruppen in dem polar angereicherten Oberflächenbereich zu erreichen, kann eine polymere Zusammensetzung, z.B. Polyethylen, oxidiert werden, um eine polar angereicherte polymere Zusammensetzung umfassend Carbonylgruppen zu bilden, geeignet für die Verwendung in Oberflächenbereichen der Isolierungsschicht in einem Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung. Alternativ können die Carbonylgruppen stattdessen durch eine Copolymerisation von Kohlenmonoxid und Ethylen eingefügt werden. Eine Zusammensetzung, die in dem/den polar angereicherten Oberflächenbereich(en) verwendet werden soll, kann auch in einem Zusammensetzungsschritt hergestellt werden, bei dem ein polares Monomer zu dem Ethylen zugefügt wird, vor oder während der Polymerisationsreaktion. Auf diese Weise wird das Co-Monomer in das Rückgrat des Polymers eingebaut werden und in der Polyethylenkette integriert werden. Das polare Monomer wird typischerweise in einem Maß von 0,05 bis 5 Gewichtsprozent des fertigen Polymers zu dem Polymer zugefügt und bevorzugt in einem Maß von 0,3 bis 1,5 Gewichtsprozent des fertigen Polymers. Alternativ werden das Ethylen und das polare Monomer in einer ähnlichen Weise copolymerisiert, aber die Menge an Co-Monomer ist jetzt deutlich höher, z.B. 5–40 Gewichtsprozent, und bevorzugt 25–35 Gewichtsprozent des fertigen Polymers. Ein solches Copolymer mit einem hohen Gehalt an polarem Monomer wird nachfolgend durch Zusammensetzen des Copolymers mit geradem Ethylen verdünnt, bis der durchschnittliche polare Monomergehalt der gleiche ist, wie vorher beschrieben. Noch eine andere geeignete Weise zum Herstellen einer Zusammensetzung für die Verwendung in dem/den polar angereicherten Oberflächenbereichen) eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung ist, ein polares Monomer auf ein Homopolyer von Ethylen aufzupfropfen. Der Aufpfropfvorgang kann entweder in einem separaten Schritt nach dem Polymerisationsvorgang ausgeführt werden, oder er kann während der Extrusion und/oder dem Vernetzen der auf Polyethylen basierenden Kabelisolierung ausgeführt werden.

Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem extrudierten, vernetzten Isolationssystem, so wie einem Isolationssystem umfassend eine extrudierte, vernetzte, auf Polyethylen basierende Zusammensetzung, eine XLPE-Zusammensetzung, mit einem polar angereichertem Oberflächenbereich, der in die Isolierungsschicht eingefügt wurde, zeigt beträchtliche Vorteile so wie

  • – eine wesentlich verringerte Neigung zur Anhäufung von Raumladung;
  • – eine wesentliche vergrößerte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen;
  • – ein Werkzeug zur Steuerung von irgendeinem sich bildenden Raumladungsmuster oder -Profil; und
  • – eine erhöhte DC-Durchbruchsfestigkeit.

Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung bietet daher eine gute Leistung und Stabilität des extrudierten Kabelisolationssystems, auch wenn hohe Temperaturen während der Extrusion, dem Vernetzen oder einem anderen Behandeln mit hoher Temperatur eingesetzt wurden.

Es ist wie immer vorteilhaft, wenn der Gehalt von irgendeinem nicht reagierten Peroxid-Vernetzungsmittel oder irgendeinem Produkt oder Abbau-Produkt in einer extrudierten XLPE-Zusammensetzung minimiert werden kann, um jede Neigung zu Raumladung weiter zu verringern. Daher sollte der Peroxid-Gehalt einer PE-Zusammensetzung, die extrudiert und zu einem Isolationssystem für ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung vernetzt werden soll, weniger als 5% und bevorzugt weniger als 2% betragen. Die deutliche Beseitigung oder wesentliche Verringerung von überschüssigen Peroxid-Rückständen in der Isolierung des Kabels ist vorteilhaft in Anbetracht der Kosten von Peroxid-Vernetzungsmittel und noch wichtiger in Anbetracht der Tatsache, dass das Peroxid-Vernetzungsmittel auf einen Abbau hin wahrscheinlich ungewünschte Nebenprodukte, so wie Methan, Cumylalkohol oder Acetophenone bilden wird, was eine Quelle von Raumladungen ist.

Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet angepasst, um die speziellen Anforderungen für die Verwendung für die Übertragung oder Verteilung von elektrischem Strom zu erfüllen, so wie ein Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungskabel oder anderes Kabel, bei dem die Isolierungsschicht einer hohen Spannungsbelastung ausgesetzt ist, ohne auf zeitaufwendige Stapelbehandlungen zurückgreifen zu müssen. Alle die vorteilhaften Eigenschaften und Verbesserungen gegenüber Kabeln des Stands der Technik mit einem Isolationssystem, das eine extrudierte XLPE-Zusammensetzung aufweist, werden für ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung ohne die vielen Nachteile erreicht, die mit einigen Kabeln des Stands der Technik verbunden sind. Die wesentlich verringerte Neigung zu Anhäufung von Raumladung, und die erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen, stellen sicher, dass die hohe Durchbruchsfestigkeit eines herkömmlichen DC-Kabels, das eine imprägnierte Papierisolierung umfasst, erhalten oder verbessert werden. Die Möglichkeit, irgendein sich bildendes Raumladungsprofil zu steuern, stellt Mittel bereit, um irgendein unerwünschtes Raumladungsmuster in der Isolierungsschicht der Kabelisolierung zu verhindern. Weiter zeigen die Isolierungseigenschaften eines Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung eine allgemein lange Stabilität, so dass die Lebensdauer des Kabels erhalten oder erhöht wird. Dies wird insbesondere durch die Implementierung eines/von polar angereicherten Oberflächenbereichs/en in der Isolierungsschicht erreicht. Es wird weiter durch die gesteuerte Verarbeitung der polymeren Zusammensetzungen verbessert, die in dem Isolationssystem verwendet werden sollen, vor und während der Extrusion und dem Vernetzen, wobei Prozessvariablen so wie Temperaturen, Drücke, Verarbeitungsdauern, Atmosphärenzusammensetzung genau gesteuert werden.

Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung bietet als einen Zusatzvorteil die Möglichkeit, durch einen im Wesentlichen kontinuierlichen Vorgang hergestellt zu werden, ohne irgendeinen zeitaufwendigen Stapelschritt so wie Imprägnieren oder Entgasen, wodurch eine wesentliche Verringerung in der Herstellungsdauer und daher der Herstellungskosten ermöglicht wird, ohne die technische Leistungsfähigkeit des Kabel zu gefährden.

Ein Kabel wie in dem Vorstehenden definiert, ist insbesondere vorteilhaft für den Betrieb unter den bestimmten Bedingungen, die in Hochspannungsübertragungs- oder Verteilungskabeln vorherrschen, die in einer Netzwerk- bzw. Leitungsnetz-Installation oder für die Übertragung oder Verteilung von elektrischem Strom verwendet werden, aufgrund der verbesserten thermischen Eigenschaften, kombiniert mit erhaltenen oder verbesserten elektrischen Eigenschaften. Dies ist insbesondere wichtig aufgrund der langen Lebensdauer, für die solche Installationen ausgelegt sind, und für den beschränkten Zugang für Wartung von solchen Installationen, die an abgelegenen Orten oder sogar unterseeisch installiert sind. Ein weiterer Vorteil für ein Hochspannungskabel, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist, dass die Herstellungszeit wesentlich verringert werden kann durch die Annahme eines im Wesentlichen kontinuierlichen Vorgangs frei von Betriebsschritten, die eine Stapelbehandlung von vollständigen Kabellängen oder Teillängen erfordern, und verglichen mit herkömmlichen Kabeln Kostenvorteile bieten.

Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung ist ebenso vorteilhaft für die Verwendung in einem isolierten Leiter in einer Hochspannungswindung einer elektrischen Maschine so wie einem Generator, einem Transformator, einem Reaktor oder einem Motor, da die verringerte Neigung zur Anhäufung von Raumladung und insbesondere die erhöhte Fähigkeit, einer Ladungseinleitung zu widerstehen, eine Möglichkeit eröffnen, die Feldbelastung zu erhöhen, d.h. die Spannungsbelastung, ohne irgendwelche schädlichen Effekte an den Übergängen zwischen der Isolierungsschicht und den halbleitenden Schichten zu riskieren, aufgrund von unkontrollierter Anhäufung von Raumladung oder Ladungseinleitung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung soll genauer beschrieben werden, während auf die Zeichnung und Beispiele Bezug genommen wird.

1 zeigt ein Kabel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das für die Hochspannungsübertragung von elektrischem Strom geeignet ist;

2 zeigt ein Kabel gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das als ein isolierter Leiter für eine Hochspannungswindung in einer elektrischen Maschine verwendet werden soll.

3a, 3b, 3c und 3d zeigen Aufzeichnungen von Raumladung von vergleichenden Tests auf Platten mit XLPE-Zusammensetzung, wie sie in isolierten AC-Kabeln des Stands der Technik verwendet werden, und für Zusammensetzungen, die für polar angereicherte Zusammensetzungen geeignet sind, die in isolierten Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden sollen.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, Beispiele

Das Hochspannungsübertragungskabel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 gezeigt ist, umfasst von der Mitte und nach außen:

  • – einen strang- bzw. seilförmigen Leiter 10 mit mehreren Drähten;
  • – eine erste extrudierte innere halbleitende Abschirmung 11, die um den und außerhalb des Leiters 10 und innerhalb einer Leiterisolierung 12 angeordnet ist;
  • – eine extrudierte Leiterisolierung 12 mit einer extrudierten, vernetzten Zusammensetzung wie im Vorhergehenden beschrieben, umfassend einen ersten polar angereicherten Oberflächenbereich 120, dem Übergang zwischen der Isolierungsschicht 12 und der inneren halbleitenden Abschirmung 11 benachbart, und einem zweiten polar angereicherten Oberflächenbereich 125, dem Übergang zwischen der Isolierungsschicht 12 und der äußeren halbleitenden Abschirmung 13 benachbart;
  • – eine zweite extrudierte halbleitende Abschirmung 13, die außerhalb der Leiterisolierung 12 angeordnet ist;
  • – eine metallische Schirmung 14; und
  • – eine äußere Abdeckung oder Ummantelung 15, die außerhalb der metallischen Schirmung 14 angeordnet ist.

Sowohl die halbleitenden Abschirmungen 11, 13 als auch die Isolierungsschicht 12, die die zwei polar angereicherten Oberflächenbereiche 120, 125 umfassen, sind typischerweise extrudiert und vernetzt, und basieren ebenfalls typischerweise auf Polyethylen. Ein Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn dies als notwendig erachtet wird, weiterhin auf vielfältige Weisen mit verschiedenen funktionalen Schichten oder anderen Eigenschaften ergänzt werden. Es kann zum Beispiel mit einer Verstärkung in Form von metallischen Drähten außerhalb der äußeren extrudierten Abschirmung 13 ergänzt werden, einer abdichtenden Komponente oder eines wasserquellenden Pulvers, das in metallischen/polymeren Grenzflächen eingefügt wird, oder einem System von Radial, z.B. erreicht durch ein korrosionsresistentes Metallpolyethylenlaminat und eine longitudinale Wasserabdichtung, erreicht durch wasserquellendes Material, z.B. Band oder Pulver unterhalb der Ummantelung 15. Der Leiter kann von jeder gewünschten Form und Ausbildung sein, so wie ein strangförmiger Leiter mit mehreren Drähten oder ein segmentierter Leiter.

Das isolierte Kabel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt ist, ist dazu vorgesehen, in einer Hochspannungswindung in einer elektrischen Maschine verwendet zu werden, und umfasst von der Mitte und nach außen:

  • – einen strangförmigen Leiter 20 mit mehreren Drähten;
  • – eine erste innere halbleitende Abschirmung 21, die um den und außerhalb des Leiters 20 angeordnet ist;
  • – eine Leiterisolierung 22 mit einer Zusammensetzung wie im Vorhergehenden beschrieben, umfassend einen ersten polar angereicherten Oberflächenbereich 220 benachbart der Grenzfläche zwischen der Isolierungsschicht 22 und der inneren halbleitenden Abschirmung 21, und einen zweiten polar angereicherten Oberflächenbereich 225 benachbart der Grenzfläche zwischen der Isolierungsschicht 22 und der äußeren halbleitenden Abschirmung 23;
  • – eine zweite halbleitende Abschirmung 23, die außerhalb der Leiterisolierung 22 angeordnet ist.

Sowohl die halbleitenden Abschirmungen 21, 23 als auch die Isolierungsschicht 22, welche die zwei polar angereicherten Bereiche 220, 225 umfassen, sind typischerweise extrudiert und vernetzt und basieren ebenfalls typischerweise auf Polyethylen. Das Kabel umfasst typischerweise keine weitere Verstärkung, noch umfasst es irgendeine äußere Abdeckung oder Ummantelung, da die äußere halbleitende Abschirmung in Kontakt mit der Rille oder einem ähnlichen Gegenstand angeordnet werden soll, in dem die Windung angeordnet ist. Der Leiter kann von jeder gewünschten Form und Ausbildung sein, so wie ein Leiter mit mehreren Drähten oder ein segmentierter Leiter.

Beispiel 1 Vergleichende Tests für XLPE-Zusammensetzungen, die in den polar angereicherten XLPE-Bereichen in der Isolierungsschicht des Isolationssystems in einem Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden sollen.

Testplatten mit XLPE-Zusammensetzungen, wie sie in isolierten AC-Kabeln des Stands der Technik verwendet werden, und für Zusammensetzungen, die in den polar angereicherten Bereichen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden sollen, für die Verwendung in isolierten Hochspannungskabeln oder isolierten Leitern für eine Hochspannungswindung in einer elektrischen Maschine wurden hergestellt, bearbeitet und einer Überprüfung der Neigung zur Anhäufung von Raumladung unterzogen, indem Raumladungsprofile unter Verwendung der Pulsed ElectroAcoustic (PEA) Technik aufgezeichnet wurden. Die PEA Technik ist im Stand der Technik wohlbekannt und wird beschrieben von Takada et al in IEEE Trans. Electrc. Insul. Vol. EI-22 8No. 4), Seiten 497–501 (1987).

  • a. Eine Polyethylenzusammensetzung wurde durch Hinzufügen von etwa 1 Gewichtsprozent von Dimethylamino-Propyhnetacrylamid, DMAPMA, zu etwa 99 Gewichtsprozent einer Polyethylenzusammensetzung niedriger Dichte vorbereitet, wobei diese PE-Zusammensetzung etwa 98 Gewichtsprozent eines Polyethylens niedriger Dichte (922 kg/m3) mit einer Schmelzflussrate von 0,8 g/10 min und etwa 2 Gewichtsprozent eines herkömmlichen Systems von Antioxidationsmittel und Peroxid-Vernetzungsmittel umfasste.

    Eine 2 mm dicke Testplatte dieses vorbereiteten Polyethylens wurde bei 130°C geformt, wonach zwei halbleitende Elektroden an die Testplatte angeformt wurden und der Aufbau in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt wurde.

    Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingesetzt wurde, und einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 3a gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d.h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.
  • b. Eine 2 mm dicke Testplatte der gleichen Polyethylenzusammensetzung umfassend DMAPMA, vorbereitet wie in dem vergleichenden Beispiel a, wurde ebenso bei 130°C geformt. Zwei halbleitende Elektroden wurden an diese Testplatte angeformt und der Aufbau wurde in einer elektrischen Presse bei 250°C für 30 Minuten vernetzt.

    Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 3b gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d.h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.
  • c. Eine 2 mm dicke Testplatte, eine herkömmliche Polyethylenzusammensetzung umfassend, wie in den Beispielen a und b verwendet, aber ohne das DMAPMA, wurde bei 130°C geformt.

    Zwei halbleitende Elektroden wurden an die Testplatte angeformt und der Aufbau wurde in einer elektrischen Presse bei 180°C für 15 Minuten vernetzt.

    Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 3c gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d.h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.
  • d. Eine 2 mm dicke Testplatte einer Polyethylenzusammensetzung wie in Beispiel c wurde bei 130°C geformt.

    Zwei halbleitende Elektroden wurden an die Testplatte angeformt und der Aufbau wurde in einer elektrischen Presse bei 250°C für 30 Minuten vernetzt.

    Die 2 mm dicke vernetzte Testplatte wurde nachfolgend bei 50°C in einer Vorrichtung für die PEA Analyse getestet, wobei die Platte zwischen zwei flachen Elektroden eingefügt wurde, einem elektrischen 40 kV Gleichspannungsfeld ausgesetzt wurde. Das heißt, eine Elektrode wurde geerdet und die andere Elektrode wurde auf einem Spannungspotenzial von +40 kV gehalten. Das in 3d gezeigte Raumladungsprofil wurde für die Testplatte aufgezeichnet, wobei willkürliche Einheiten für Raumladung/Volumen als eine Funktion der Dicke der Testplatte gezeigt sind, d.h. 0 ist die geerdete Elektrode und x gibt die Entfernung von der geerdeten Elektrode in Richtung der +40 kV Elektrode an.

Ergebnisse der vergleichenden Tests

Die Raumladungsprofile der Proben in den Beispielen 1a, 1b, 1c und 1d, aufgenommen 3 Stunden nach dem Anlegen der DC-Spannung, sind in den 3a, 3b, 3c bzw. 3d gezeigt. Es kann klar ersehen werden, dass die Anhäufung von Raumladung in dem herkömmlicherweise in AC-XLPE Kabeln verwendeten Isolierungsmaterial (siehe 3c und 3d) hoch ist und dass die Neigung zur Anhäufung von Raumladung bei den zwei Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich verringert ist, dargestellt in den vergleichenden Beispielen der 3a und 3b.


Anspruch[de]
  1. Isoliertes elektrisches Kabel mit einem auf einem Polymer basierenden Isolationssystem, umfassend eine Isolationsschicht (12, 22) und eine oder mehrere halbleitende Schichten (11, 13, 21, 23), die um einen Leiter (10, 20) angeordnet sind, wobei die Isolationsschicht eine elektrisch isolierende polymere Zusammensetzung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Zusammensetzung einen polar angereicherten Oberflächenbereich (120, 125, 220, 225) mit einem geeignet erhöhten Inhalt einer geeigneten polaren Substanz, und dass die polare Substanz polare Gruppen in der Form von Carbonyl-Gruppen aufweist.
  2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationssystem umfasst:

    – einer erste innere halbleitende Abschirmung (11, 21), die um und auf dem Leiter (10, 20) angeordnet ist; und

    – eine Isolationsschicht (12, 22), die um und auf der ersten inneren halbleitenden Abschirmung angeordnet ist,

    wobei die Isolationsschicht einen ersten inneren polar angereicherten Oberflächenbereich (120, 220) aufweist, der an dem inneren Übergang zwischen der inneren halbleitenden Abschirmung und der Isolationsschicht angeordnet ist.
  3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationssystem weiter eine zweite äußere halbleitende Abschirmung (13, 23) aufweist, die auf und um die Isolationsschicht (12, 22) angeordnet ist, und dass die Isolationsschicht einen zweiten äußeren polar angereicherten Oberflächenbereich (125, 225) aufweist, der an dem äußeren Übergang zwischen der äußeren halbleitenden Abschirmung und der Isolationsschicht angeordnet ist.
  4. Kabel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (12, 22) eine extrudierte und vernetzte, auf Polyethylen basierende XLPE-Zusammensetzung aufweist.
  5. Kabel nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkette eine polare Modifikation in der Form eines polaren Segments aufweist.
  6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die polaren Segmente als polare Seitengruppen vorliegen, die auf die Polymerkette aufgepfropft sind.
  7. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die polaren Segmente als Anteile in dem Kettenrückgrat der Polymerkette vorliegen.
  8. Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die polaren Segmente ein polares Co-Momoner aufweisen, das die allgemeine Formel: CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2 oder CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H aufweist, wobei n gleich 2 oder 3 ist, m gleich einer Zahl von 1 bis 20 ist, R H oder CH ist, und X O oder NH ist.
  9. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Co-Monomer auf einem Metacrylamid mit der allgemeinen Formel CH2=C(CH3)-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2 basiert, wobei n gleich 2 oder 3 ist.
  10. Kabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass n = 3 ist, und dass das polare Monomer Dimethylamino-propylmetacryl-amid ist (DMAPMA).
  11. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer auf Acrylamid basiert und die allgemeine Formel CH2=CH-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2 aufweist, wobei n gleich 2 oder 3 ist.
  12. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer auf Metacrylester basiert und die allgemeine Formel CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2 aufweist, wobei n gleich 2 oder 3 ist.
  13. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer auf Acrylester basiert und die allgemeine Formel CH2=CO-O-(CH2)n-N(CH3)2 aufweist, wobei n gleich 2 oder 3 ist.
  14. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer auf Metacrylsäure und oligomerischem Ethylenglykol basiert und die allgemeine Formel CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2-CH2O-)m-H aufweist, wobei m gleich einer Zahl von 1 bis 20 ist, und m bevorzugt gleich 1, 5, 6, oder 9 ist.
  15. Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Monomer auf Acrylsäure und oligomerischem Ethylenglykol basiert und die allgemeine Formel CH2=CH-CO-O-(CH2-CH2O-)m-H aufweist, wobei m gleich einer Zahl von 1 bis 20 ist, und m bevorzugt gleich 1, 5, 6, oder 9 ist.
  16. Verwendung eines Kabels gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem System oder einer Installation zur Übertragung oder Verteilung von elektrischem Strom.
  17. Verwendung eines Kabels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 als ein Leiter in einer Hochspannungswicklung in einer elektrischen Maschine.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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