NO813151L - Elektrisk kabel. - Google Patents

Abstract

Elektrisk kabel for anvendelse fra 15 kV. og oppover, omfattende minst en ekstrudert halvledende skjerm i form av et lag som inneholder metallpartikler dispergert i en polymer matrise. Matrisen binder seg både til partiklene og til isolasjonen, og der i det minste det polymere materiale i matrisen (normalt også. i isolasjonen) er kryssbundet med teknikk som inne-. bærer podning av silansidekjeder i polymeren og deretter kryssbinding av disse ved hydrolytisk kondensasjon ("Sioplas-E" prosessen). Andelen av dispergerte ledende partikler er tilstrekkelig til å gi en motstand i lengderetningen på ikke mer enn 5000 ohm-cm. Motstanden i metallet i partiklene overskrider ikke 15 ganger motstanden i kobber, og partiklenes hardhet er ikke mer enn 100 Brinell. Partiklene har en gjennomsnitlig lengde på minst 1 mm (normalt mer enn tykkelsen av skjermlaget) og et lengde/breddeforhold på minst 10:1, og er hovedsakelig rettet inn i kablens lengderetning. Ved å velge partiklene på denne måten oppnås ledningsevne i et materiale som fremdeles er ekstruderbart,og anvendelse av metallpartikler i stedet for ledende sot opphever de alvorlige forringende virkninger på kryssbindings-prosessen på grunn av fuktighet som bæres av den reak-tive overflate av soten.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår elektriske kabler

med polymerisolasjon for anvendelse ved middels høye spen-ninger, f.eks. fra 10 kV til omtrent 150 kV. Ved slike spen-ninger er det fare for gjennomslag ved at lokale utladninger finner sted ved den indre eller ytre overflate av isolasjonen, og det er praksis å redusere risiko for dette ved å forsyne en eller begge av disse flater med et tynt lag av elektrisk ledende materiale som vil binde seg bedre til isolasjons-materiale enn en metallisk leder. Dette lag*.:har i alminnelig-het en motstand som er meget høyere enn for et metall og blir av den grunn betegnet som en "halvleder" skjerm (selv om det ikke har noen forbindelse med "halvledermaterialer" som benyttes i elektroniske anordninger).

I de fleste moderne utførelsesformer for denne type kabel blir halvlederskjermen eller hver av halvlederskjermene laget av partikler av en "ledende" kvalitet av sot som er dispergert i en hensiktsmessig valgt polymer. Alvorlige problemer oppstår imidlertid fra tid til annen på grunn av den høye adsorpsjonsevne sot har, noe som på den ene side har tilbøye-lighet til å innføre fuktighet i skjermblandingen og på den annen side har tilbøyelighet til å trekke ut tilsetnings-stoffer fra den polymere fase, noe som kan virke skadelig inn på nærvær av tilsetningsstoffene ved skilleflaten mellom karbon/polymer eller skadelig på grunn av tapet av tilsetnings-stoffer fra den polymere fase,eller av begge årsaker. Disse problemer har vist seg å være særlig akutte når polymer-materialet skal kryssbindes med en teknikk som innebærer poding av silansidekjeder til polymeren og deretter kryssbinding av disse ved hydrolyttisk kondensasjon enten ved den originale totrinnsprosess ("Sioplas-E") som beskrevet i britisk patent nr. 1.286.460 eller de alternative forbedrede ettrinnsprosesser som er beskrevet i de britiske patenter nr. 1.526.398 og 1.534.299. I dette tilfellet vil fuktighet være overordentlig forringende fordi den fører til for tidlig kryssbinding og silanreagensene er meget utsatt for adsorp-sjon med dermed følgende vanskeligheter når det gjelder kon-troll med den endelige grad av kryssbinding, og alvoret ved dette problem har vært slik at anvendelse av denne kryss-bindingsteknikk i kabler med halvlederskjermer er blitt sterkt hemmet.

Anvendelse av en metallskjerm er ikke et akseptabelt alternativ fordi den ikke kan holdes i tilstrekkelig intim kontakt med isolasjonen.

Halvledende blandinger kan også fremstilles ved å innføre fine metallpartikler i en polymermatrise og blandinger av denne art er foreslått for visse skjermformål, f.eks.

i US patent nr. 3.576.387, men slike blandinger har dårlige flyteegenskaper og er så sterkt slipende at de ikke kan ekstru-deres eller påføres ved noen annen teknikk som kan anvendes til skjerming av lange lengder av kabler.

I den senere tid er det beskrevet f.eks. i Polymer Engineering and Science, bind 19, sidene 1188 til 1192, skjermer på polymer basis inneholdende forholdsvis store metallpartikler med høyt lengde/høydeforhold.

Disse skjermer var imidlertid beregnet for elektro-magnetisk skjerming av instrumenter og ble fremstilt ved sprøytestøping, med partiklene tilfeldig orientert,og av den grunn var både de elektriske og de mekaniske krav forskjellige fra de som gjelder en ekstrudert eléktrostatisk skjerm i kabel-industrien.

Oppfinnerne har gjort den overraskende oppfinnelse

at tilstrekkelig av visse metallpartikler kan innføres i silanpodede kryssbindende blandinger som forblir ekstruder-bare ved vanlig teknikk til å skape konduktans i den ekstru-derte skjerm.

Kablen i henhold til oppfinnelsen omfatter minst en metalleder som er innesluttet i isolasjon av polymerisk materiale med en tilstrekkelig radiell tykkelse til å tåle en likespenning på minst 15 kV, og et ekstrudert halvledende skjermende lag som helt dekker minst innsiden eller utsiden av isolasjonen, og omfatter ledende partikler som-er dispergert i en matrise av polymert materiale som binder seg både til partiklene og til isolasjonen, der det polymere materiale i matrisen i det minste er kryssbundet med den teknikk som innebærer podning av silansidekjeder til polymeret, og deretter kryssbinding av disse ved hydrolytisk kondensasjon med andelen av dispergerte ledende partikler tilstrekkelig høy til å gi en motstand (målt i kablens lengderetning) på ikke mer enn 5000 ohm/cm, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved det faktum at de ledende partikler er av et metall med en motstand som ikke overstiger femten ganger motstanden for glødet kobber og med en hardhet som ikke er større enn 100 Brinell, samt med en gjennomsnitlig lengde på minst 1 mm og en lengde/ breddeforhold på minst 10:1, med hovedorientering på langs av kablen.

Med lengde/breddeforholdet for partikkelen menes forholdet mellom dens lengde og dens korteste dimensjon på

tvers av lengden. Når man f.eks. har en sylindrisk fiber (en foretrukken utførelsesform), er forholdet lengde/diameter, og når det gjelder et flak er forholdet lengde/tykkelse. Både

r-

fiber og flak er kommersielt tilgjengelige (f.eks. fra Transmet Corporation of Columbus, Ohio, USA). De blir for størstedelen fremstilt ved "smelteékstråksjon " og " smeltet rekk" teknikker som er utviklet av Batelle Laboratories Inc. (også i Columbus, Ohio), men fibre kan også fremstilles ved kutting av fine tråder.

Det finnes ingen klart definert øvre grense for partiklenes lengde, men fordelaktige partikkellengder synes å være opp til 20 mm, og spesielt fordelaktig opp til 6 mm.

Det skal påpekes at lengdene av. partiklene er mange ganger større enn lengdene av ledende karbonpartikler (med stør-relsesorden på mikrometere), og vil nesten alltid overstige tykkelsen av skjermlaget. Ekstruderingsprosessen retter inn partiklene i slik utstrekning at det ikke er noen særlig risiko for at de vil strekke seg gjennom hele lagets tykkelse.

Partiklene er fortrinnsvis av aluminium eller en

tynn aluminiumlegering med motstander i forhold til kobber i området 1,6 til 2.0 ganger og hardhet i området 15 til 40 Brinell. Andre metaller som kan benyttes innbefatter bly

(12,5 og 5), sink (3,5 og 50), kobber (1 og 50) og under for-utsetning av at man vurderer omkostningene, tinn (6,6 og 10),

nikkel (4,1 og 100) og sølv (0,95 og 60). Sammensatte partikler, såsom fortinnet eller forniklet kobber og forsølvet aluminium kan benyttes, og dette gjelder også blandinger av partikler av forskjellige materialer (og/eller sammensetninger).

Andelen av partiklene i forhold til matrisen som kreves vil variere med materialets former og størrelser for partiklene, med graden av orientering som fremkommer ved ekstruderingen (noe som kan økes ved å anvende en langstrakt ekstrusjonsdyse, fortrinnsvis med en passasje som avtar i tverrsnitt mot utløpet), og i en viss utstrekning egenskapene ved matrisepolymeren.I noen tilfelle vil det være behov for mindre enn 10 volum-%.

Vanlige polymerer som anvendes til kabelfremstilling (og sammenliknbare blandinger) som er egnet for kryssbinding med silaner kan benyttes i matrisen. Når kabelisolasjonen er av polyetylen (som i de fleste tilfelle vil være kryssbundet ved den samme silanpodeteknikk), er det fordelaktig å velge matrisepolymeren fra: (1) alken homopolymerer, såsom polyetylen og poly-propylen, (2) alken kopolymerer, såsom etylenpropylengummi innbe-fattende terpolymerer av "EPDM" typen) og (3) polare kopolymerer av etylen med umettede estere f.eks. vinylacetat, etylakrylat eller butylakrylat).

De polare kopolymerer er spesielt å foretrekke fordi de har sterk binding til metallflater og binder til isolasjonen tilstrekkelig, men ikke for sterkt til at avisolering blir vanskelig.

Det antas at foreneligheten (kompatibiliteten) mellom metallpartiklene og matrisen forbedres ved nærvær av silanreagensene, men hvis det er ønskelig kan partiklene behandles med en spesiell adhesjonsforbedrer, såsom en funksjonell organosilan eller et organotitanat.

Matrisepolymeren kan naturligvis være satt sammen

med andre passende bestanddeler, såsom kryssbindingsadditiver, stabilisatorer, antioksydanter og kobberinhibitorer, sot (ledende eller forsterkende) kan benyttes i små mengder og

kan i noen tilfelle anvendes for å øke den radielle ledningsevne for skjermlaget. Større mengder av sot er imidlertid uønsket.

Eksempler.

En rekke 33 kV kraftkabler fremstilles ved å anvende den generelle fremgangsmåte og isolasjonsblandingen i eksempel 1 i britisk patent nr. 1.526.398. Begge flater av isolasjonen ble belagt med et tynt halvledénde skjermlag.

Eksempel 1.

Skjermlagene har følgende innhold (som vektdeler):

Disse bestanddeler ble målt direkte i skjermekstrud-eren, blandet og podet i denne og ekstrudert gjennom koniske langstrakte dyser med en nedtrekningsteknikk, der diameteren for hver dyseåpning var omtrent 1,5 ganger den endelige diameter av skjermlaget. Tykkelsen på hvert skjermlag var omtrent 1 mm.

Denne sammensetning hadde en volummotstand på omtrent 100 ohm-cm, og i varmherdetesten som er spesifisert i IEC 502 ved 200°C hadde materialet en forlengelse på omtrent 100%.

Eksempel 2.

Dette eksempel tilsvarer eksempel 1 bortsett fra at aluminiumlegeringsfibrene er dispergert på forhånd i ti deler av polyetylenet i en Banbury-blander. Dette resulterer i en mer ensartet dispersjon, men noen fibre blir deformert i blandeprosessen og den gjennomsnitlige ledningsevne er litt lavere.

Eksempel 3.

100 aluminiumtråder med en nominell diameter på

0,025 mm (fremstilt ved den teknikk som er beskrevet i britisk patent nr. 1394.058) blir formet til et bunt og blir tynt belagt med polyetylen. Den belagte bunn blir deretter kappet opp i 8 mm lengder, slik at man får fibre med et lengde/breddeforhold på omtrent 320 i kompakte granulater med minimum av innesluttet luft, og granulatene er lette å blande med granu-lert polyetylen. De blir blandet med slike polyetylengranu-later i forhold som gir 15 vektdeler av aluminium til 100 vektdeler polyetylen. De samme podemidler, antioksyderende midler og katalysatorer måles ut i ekstruderen som tidligere, og den påfølgende fremgangsmåte er den samme.

Eksempel 4.

180 kobbertråder med en nominell diameter på

0,0075 mm blir buntet sammen og bunten kappet opp uten be-legning, i tilfeldige lengder mellom 3 og 18 mm slik at man får lengde/breddeforhold liggende i området 400 til 2400. Disse fibre blir tromlet inntil man får en tilfredsstillende jevn blanding. 10 vektdeler av denne blanding erstatter 20 deler av aluminiumsfibrene i sammensetningen i eksempel 1.

Teknikkene i eksemplene 3 og 4 gjør det mulig å anvende meget fine trukne tråder som er uegnet for sine opp-rinnelige formål (f.eks. fordi de ved brekkasje ikke tilfreds-stiller kundenes krav om sammenhengende lengde).

Eksempel 5.

Trekk under den sammensetning som omfatter, målt

som vektdeler:

Claims (8)

1. Elektrisk kabel, omfattende minst en metallisk leder som er innesluttet i isolasjon av et polymert materiale med tilstrekkelig radiell tykkelse til å tåle minst 15 kV likespenning, og et ekstrudert halvledende skjermlag som helt dekker minst innside eller utside av isolasjonen, og omfatter ledende partikler som er dispergert i en matrise av polymert materiale som binder seg både til partiklene og til isolasjonen, hvilket polymere materiale i matrisen minst er kryssbundet med den teknikk som innebærer podning av silansidekjeder til polymerer, og deretter kryssbinding av disse ved hydrolytisk kondensasjon, der andelen av dispergerte ledende partikler er tilstrekkelig høy til å gi en motstand (målt i kablens lengderetning) på ikke mer enn 5000 ohm/cm, karakterisert ved at de ledende partikler er av et metall med en motstand som ikke overskrider 15 ganger motstanden for glødet kobber og har en hardhet som ikke er mer enn 100 Brinell, samt en gjennomsnitlig lengde på minst 1 mm, og et lengde/breddeforhold på minst 10:1 og en overveiende orientering på langs av kablen.

2. Kabel som angitt i krav 1, karakterisert v e d at partiklene er fibre.

3. Kabel som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at partiklene har en lengde på mellom 1 og 20 mm.

4. Kabel som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at partiklene har en lengde på mellom 1 og 6 mm.

5. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at partiklene er av aluminium eller en aluminiumlegering.

6. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at partiklene er fremstilt ved "smelteekstråksjon" eller "smeltetrekketeknikk".

7. Kabel som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at partiklene er av oppkuttet tynn tråd.

8. Kabel som angitt i et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at metallpartiklene er behandlet med et adhesjonsøkende middel, såsom en funksjonell organosilan eller et organotitanat..