DE2948718A1 - Durch schaumstoff feuchtigkeitsgeschuetztes elektrisches kunststoffisoliertes energiekabel - Google Patents

Description

• Durch Schaumstoff feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches kunststoffiso-
• viertes Energiekab21 Cie vorliegende Erfindung betrifft ein gen Feuchtigkeit geschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel, insbesondere für Hochspannung, mit einer die Isolierung und eine darüber befindliche äußere Leitschicht umgebenden geschlossenen metallischen Hülle, die über abstandhaltende Elemente mit der äußeren Leitschicht in elektrischem Kontakt steht. Der zwischein der geschlossenen Hülle und der Leitschicht von den abstandhaltenden Elementen freie Raum ist mit einem Schaum gefüllt.
• Elektrische Energie'abel, die für Mittel- oder Hochspannungsbetrieb ausgelegt sind, weisen in der Regel einen metallischen Schirm in ihrem Schichtenaufbau auf, der auf der über der Kunststoffisolierung angeurdneten äußeren Leitschicht angebracht ist und z. B. aus aufgelegten Drähten oder i4etallbändern, vorzugsweise aus Kupfer, besteht. Dieser metallische Schirm, der an sich aus elektrischen Gründen vorgesehen ist, kann aber auch, wie bereits bekannnt (DOS 15 40 430), gleichzeitig zur feuchtigkeitsdichten Hülle für die darunter befindliche Isolierung versendet werden. Hierbei besteht die metallische Hülle aus einem längseinlaufenden, um die Kunststoffisolierung des Leiters herumgefalteten Metallband, vorzugsweise aus Kupfer, dessen Kanten überlappen und im Bereich der Uberlappungsstelle miteinander verlötet sind.
• Schwierigkeiten ergeben sich bei dieser bekannten Konstruktion jedoch dadurch, daß sich bei Belastung des Kabels die Isolierung wesentlich stärker als die im Schichtenaufbau vorgesehene Metallage ausdehnt, so daß, wenn die Dehnbarkeit der an sich dichten metallischen Hülle ihre Grenzen erreicht, zumindest mit einem Aufplatzen der Schweiß- oder Lötstelle gerechnet werden muß. Das gilt verständlicherweise insbesondere bei solchen Kabeln, die aufgrund ihres Einsatzes für den Hochspannungsbetrieb verhältnismäßig große Isolierlsanddicken von z. B. 18 m und mehr aufweisen. Hinzu kommt, daß durch das längseinlaufend aufgebrachte metallband die geforderte Biegbarkeit solcher Kunststoffkabel beeinträchtigt wird, was sich insbesondere beim Auf- und Abtronieln sowie bei der Verlegung störend bemerkbar macht.
• Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, daß bei Beschädigungen der äußeren metallischen Hülle eindringende Feuchtigkeit auch unterhalb des Metallbandes sich in Kabel längsrichtung ausbreiten kann und im Laufe der Zeit zumindest Anlaß zu Schäden in der Isolierung gibt.
• Zur Lösung des Problems hat man bereits vorgesehen (DOS 28 1' 579), unterhalb der geschlossenen Hülle eine zur Seele abstandhaltende Wendel in Form eines Metallbandes anzuordnen, dessen Dicke dem Ausdehnungsverhalten des für die Isolierung verwendeten Kunststoffes bei Temperaturerhöhung angepaßt ist. Werden hierbei zur Längsabdichtung in dem Raum zwischen äußerer Leitschicht und metallischer Metallhülle stark quellende oder aufschäumende Materialien in flüssiger Form vers/endet, dann bestehtlr?itunter Gefahr, daß die wendel durch die flüssigen Komponenten untensandert wird, was teilweise zur Trennung der elektrischen Verbindung zwischen Leitschicht und Hülle führen kann.
• Abhilfe schafft hier ein anderer Vorschlag, nach dem als Abstandshalter eine Wendel aus einen gummielastischen Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10 4fL 1¢ cm 1 dient. Eine solche Wendel stützt, wenn man den gesamten Querschnitt betrachtet, die Seele jeweils nur an einer Stelle des Umfangs ab, während für den restlichen Bereich eine freie Bewegung der Isolierung möglich ist, ohne daß es zu einem Anpressen der Isolierung gegen die geschlossene Hülle und damit zu erhöhten Drücken, insbesondere im Bereich der Nahtstelle, kornsrit. Damit ist jederzeit auch z. B. bei kurzzeitig auftretenden erhöhten Kurzschlußtemperaturen ein ausreichendes Atmen der Isolierung ohne Beschädigung der fellchtigkeitsdichten Hülle gewährleistet. Der gummielastische Charakter dieser Wendel sichert bereits bei der Herstellung einen dichten Kontakt mit der äußeren Leitschicht, verhindert ein Unterwandern durch isolierende Dichtmittel und hält die elektrische Verbindung zwischen Leitschicht und metallischer Hülle auch bei im Betrieb auftretenden 'tJärmespielen der Isolierung aufrecht. Die Funktionsfähigkeit des Kabels bleibt erhalten.
• Schwierigkeiten ergeben sich bei all den genannten Konstruktionen aber noch dadurch, daß der in Längsrichtung abzudichtende Raum zwischen äußerer Leitschicht und metallischer Hülle nur sehr eng ist und daher die hierfür bereits vorgeschlagene Schaumfüllung wenig Entfaltungsmöglichkeiten bietet.
• Auf der anderen Seite wird von dem einsetzbaren Schaum wegen der Flexioilität der Kabel ebenfalls eine Flexibilität verlangt, er soll ferner thermisch stabil sein, auf der z. B. extrudierten Leitschicht haften und durch überwiegend geschlossene Poren für eine Längsabdichtung sorgen. Diese Forderungen erfüllen bisher genannte Schäume nicht oder nicht in ausreichendem Maße.
• Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein feuchtigteitsgeschütztes elektrisches Energiekabel zu schaffen, daß einmal trotz der im Betrieb auftretenden Wärmespiele der Isolierung seine feuchtigkeitsdichte Abschirmung beibehält, das darüber hinaus aber auch so ausgebildet ist, daß durch einen äußeren Schaden der Abschirmung eingedrungene Feuchtigkeit in ihrer Wirkung auf einen zumindest eng begrenzten Bereich beschränkt bleibt.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Abdichtung ein halbhartes, überwiegend geschlossenporiges, bei freier Schäumung schrumpfendes Polyurethan-Schaumsystem in auf 100 - 300 kg/m3, vorzugsweise 150 - 250 ky/m3, verdichteter Form verwendet ist. Ein solcher Schaum ist in für den Kabel betrieb notwendigem Maße temperaturbeständig, er haftet gut auf der äußeren Leitschicht auf der einen und der Innenfläche der metallischen Hülle auf der anderen Seite, so daß längsgerichtete, gegebenenfalls wasserführende Kanäle vermieden sind. Die Flexibilität des aufgeschäumten Werkstoffes ist so groB, daß der Schaum beim Auf- und Abtrommeln des Kabels nicht bricht und thermisch bedingte Längenänderungen des Kabels ohne weiteres aufnimmt.
• Ein hierfür besonders geeigneter Schaum ergibt sich dann, wenn in Durchführung der Erfindung als Komponente A ein Reaktionsprodukt auf Basis Äthylenoxid und/oder Propylenoxid mit Verbindungen, die mindestens zwei oder drei aktive Wasserstoffatome enthalten, verwendet wird, beispielsweise Trimethylolpropan, Glycerin, Äthylendiamin u. a. Wird, wie weiterhin vorgesehen, als Komponente B ein Diphenylmethandiisocyanat eingesetzt, dann liefert ein solcher Schaum bei entsprechender Aktivierung eine lange Topfzeit, die notwendig ist, nach dem Verschweißen der HiiUeundgegebereffalls anschließender Wellung der metallischen Hülle erst den Schäumvorgang einzuleiten, und die für die Erfindung geforderte Steigfähigkeit, die ausreicht, für ein vollständiges Ausschäumen des engen Hohl raumes zwischen Seele und Hülle des Energiekabels zu sorgen.
• Als für die Erfindung besonders geeignete Schäume kornmen in Frau: Beispiel I Komponente A, ein Gemisch aus Polyol: Reaktionsprodukt aus Athylenoxid mit Trimethylol propan Treibmittel: Wasser Katalysatoren: tertiäre Amine, wie Dimethyläthanolamin, Triäthylamin, Triäthylendiamin oder Diazobicyclooktan Schaumstabi 1 isatoren: Polysiloxane Komponente B: Diphenylmethan-diisocyanat Beispiel II Komponente A, ein Gemisch aus Polyol: Reaktionsprodukt aus Äthylenoxid mit Glycerin und Propylenoxid mit Trimethylolpropan oder Äthylendiamin Treibmittel: Wasser in Verbindung mit niedrig siedenden Flüssigkeiten, z. B. llonofluortrichlormethan Katalysatoren: tertiäre Amine in Verbindung mit primären Metallsalzen, wie Dibutylzinndilaurat, Zinn-dioktoat Schaumstabilisatoren: Polysiloxane Komponente B: Diphenylmethandiisocyanat Die in den Beispielen angeführten sind sogenannte halbharte Schäurrse, sie erreichen, in offener Form geschäumt, ein Raumgewicht von 60 kg/m3, bei überwiegend offenporigem Charakter. Wird dagegen, wie nach der Erfindung vorgesehen, dieser Schaum im Spalt zwischen äußerer Leitschicht und Mantel auf das Drei- oder Vierfache seines freigeschäumten Raumes verdichtet, dann steigt der Anteil geschlossener Zellen auf über 50 % an, wobei trotz dieses nunmehr relativ hohen Paumgewichtes von z. B. 150 - 250 kg/m3 die geforderte Flexibilität erreicht wird.
• Die Erfindung sei anhand des in der Fic. als Ausführungsbeispiel dargestellten einadrigen Hochspannungskabels näher erläutert.
• Der aus einer Vielzahl von miteinander verseilten Einzeldrähten bestehende Leiter 1 ist von der inneren Leitschicht 2 überdeckt, die für einen Ausgleich der durch die Ei zeldrähte gebildeten Unregelmäßigkeiten der Oberfläche sorgt. Diese innere Leitschicht 2 ist z. B. aufextrudiert, sie kann aus einem durch Ruß gleitfähig gemachten Polyäthylen oder eines seiner Copolymere bestehen und vernetzbar sein. Über der inneren Leitschicht 2 befindet sich die Isolierung 3, z. B. aus einem vernetzbaren oder thermoplastischen Polyäthylen, dessen Wandstärke entsprechend der zu übertragenden Spannuny ausgewählt ist. liit 4 ist die die Isolierung überdeckende äußere Leitschicht bezeichnet, die vorteilhaft ebenfalls aus einem durch Ruß oder Graphit leitfähigen thermoplastischen Werkstoff besteht. Über die ser Leitschicht 4, die gegebenenfalls noch eine Polsterschicht z. B. aus einem leitfähigen Gewebeband und zusätzliche Schirmdrähte beinhalten kann, befindet sich beispielsweise die elastische Wendel 5, z. B. aus EPU in einer Dicke von z. B. 4 mm, die wendelförmig aufgebracht ist und als Abstandshalterung für den hierzu konzentrischen Wellmantel 6 dient. Die Wendel kann selbstverständlich auch aus einem anderen Material hergestellt sein, so kann sie auch aus Metall bestehen.
• Der Wellmantel 6 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Parallelwellung auf, diese Wellung kann aber auch einen wendelförmigen Verlauf haben. Der zwischen dem Weilmantel 6 und dem Band 5 gebildete Raum 7 dient zur Aufnahme des schäumenden Materials, das für eine Abschottung in Längsrichtung sorgt. Selbstverständlich können auch diesen Materialien spannungsstabilisierende Zusätze beigegeben werden, die im Laufe des Betriebes insbesondere bei Temperaturerhöhung aufgrund der zu übertragenden Energie in die darunter befindliche Isolierung eindiffundieren. Die geschlossene metallische Mii:le ist umgeben von dem mechanisch widerstandsfähigen Kunststoffmantel 8 als äußerer Schutz.
• Besteht, wie im Ausführungsbeipiel angegeben, die Wendel 5 aus einem gutiimielastischen Material, dann ist für eine weitgehend freie radiale Gewegung der bei Tenperaturerhöhung sich ausdehnenden Isolierung gesorgt, so daß auch bei kurzfristig auftretenden erhöhten Temperaturen, z. B. im Kurzschlußfall, nicht ein Aufplatzen der an sich feuchtigkeitsdichte und auch gasdichten Hülle befürchtet werden muß.
• Zur Herstellung eines in der Fig. dargestellten labels geht man zweckmäßig so vor, daß auf den Leiter 1 zunächst die innere Leitschicht 2 und dann die Isolierung 3 aufextrudiert werden. Die äußere Leitschicht 4 wird ebenfalls durch Extrusion aufgebracht, und anschließend erfolgt das AuFwickeln des elastischen Bandes 5. Schließlich wird in bekannter Weise längseinlaufend ein Kupfer- oder Stahlband 6 um die Seele rohrförmig herumgelegt, wobei vor dem Verschweißen der Bandkanten das noch in flüssiger Form vorliegende Komponentensystem eingebracht wird. Die Topfzeit ist dabei so gewählt, daß der Schäumvorgang sich erst an den Wellvorgang für das an den Kanten verschweißte Rohr anschließt. Das so vorbereitete Kabel durchläuft dann einen weiteren Extruder, mittels dem, gegebenenfalls nach Aufbringen eines zusätzlichen Korrosionsschutzes, der Außenmantel 8 aufgebracht wird.
• Wie bereits angedeutet, kommt es bei der Fertigung des in der Fig. dargestellten Kabels vor allem auch darauf an, daß der Schaum erst nach dem Verschweißen der Bandkanten und nach dem daraufhin erfolgenden Wellen der metallischen Hülle aufschäumt. Der Schaum muß also so eingestellt sein, daß er einerseits eine genügend lange Topfzeit, andererseits aber ncch ausreichende Steigfähigkeit besitzt, um den sehr engen Spalt zwischen äußerer Leitschicht 4 und Welimantel 6 auszufüllen. Diese Forderungen sind vom chemischen Mechanismus her gegenläuEig, d. h. eine lange Topfzeit erfordert eine Inhibierung der Isocyanat/Polyol-Reaktion, diese muß aber so eng dosiert sein, daß die Steigfähigkeit nicht ebenfalls zu stark beeinträchtigt wird. Dies läßt sich in Durchführung der Erfindung durch ein Schäumsystem mit folgender Charakteristik erreichen: Topfzeit (Startzeit) 35 sec.
• Miniskus (halbe Steifhöhe) 180 sec.
• Abbindezeit 280 sec.
• Steigzeit 300 sec.
• Klebfreiheit 600 sec.
• bei einem Mischungsverhältnis A : B, 2 : 1 und einem freigeschäumten Raumgewicht von etwa 60 kg/m3.
• Die Sichtprüfung bei einem fertigen Kabel ergab, daß der Hohlraum zwischen Seele und Mantel 6, z. B. aus Kupfer, rundum ausgefüllt war. Die Haftung am Metallmantel und an der extrudierten leitfähigen Schicht 4 war ausreichend, Risse im Schaum bei Biegebeanspruchungen traten nicht auf.
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Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Feuchtigkeitsgeschütztes elektrisches kunststoffisoliertes Energiekabel, insbesondere für Hochspannung, mit einer die Isolierung und eine darüber befindliche äußere leitschicht umgebenden geschlossenen metallischen Hülle, die über abstandhaltende Elemente mit der äußeren Leitschicht in elektrisciem Kontakt steht, wobei der zwischen der geschlossenen Hülle und der Leitschicht von den abstandhaltenden Elementen freie Raum mit einem Schaum gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung ein haibhartes, überwiegend geschlossenporiges, bei freier Schäumung achrumpfendes Polyurethan-Schaumsystem in auf 100 - 300 kg/m3> vorzugsweise 150 - 250 kg/m3, verdichteter Form verwendet wird.
2. 2. Energiekabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyole Reaktionsprodukte auf Basis Äthylenoxid und/oder Propylenoxid mit Verbindungen, die mindestens zwei oder drei aktive Wasserstoffatome enthalten, verwendet sind, mit einem Molekulargewicht von 3000 - 60um,
3. 3. Energiekabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungen mit aktiven Wasserstoffatomen Trimethylolpropan, Glycerin, Äthylendiamin u. a. dienen.
4. 4. Energiekabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente B ein Giphenylmethan-diisocyanat verwendet ist.
5. 5. Energiekabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel Wasser allein oder in Verbindung mit niedrig siedenden Flüssigkeiten, wie z. B. Monofluortrichlormethan, veJendet ist.
6. 6. Energiekabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an geschlossenen Zellen im Schaumsystem 50 -80 X beträgt.