DE69221814T2 - Elektrisches Kabel - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel zur Verwendung insbesondere bei hohen Gleichspannungen (typisch mehr als 60 kV).
• Gleichstrom-Hochspannungs-Kabel werden derzeit immer häufiger verwendet, da sie wesentlich bessere Eigenschaften besitzen als die Wechselstrom-Hochspannungs-Kabel. Diese Kabel bestehen im allgemeinen aus einer leitenden Seele, die umgeben ist
• - ggf. von einem ersten halbleitenden Schirm,
• - von einer Isolierhülle,
• - ggf. von einem zweiten halbleitenden Schirm,
• - von einem Metallschirm,
• - und von einer äußeren Schutzhülle aus Kunststoff.
• Zur Herstellung der Isolierhülle können mehrere Materialien in Betracht gezogen werden.
• Zunächst könnte man an die Verwendung eines für Wechselstrom-Hochspannungs-Kabel verwendeten Materials denken, d.h.beispielweise chemisch vernetztes Polyäthylen (nachfolgend PRC genannt), das sehr gute thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften hat. Die chemische Vernetzung des Polyäthylens wird durch Hinzufügung von organischen Peroxiden zum Polyäthylen erhalten, die sich bei hoher Temperatur zersetzen und freie Radikale bilden, die zwischen sich die linearen Polyäthylenketten vernetzen. Das Zerfallen oder Zersetzen dieser organischen Peroxide führt auch zur Bildung von Nebenprodukten. Es hat sich herausgestellt, daß diese Nebenprodukte bei Gleichstrom einen schädlichen Einfluß haben. Unter der Wirkung einer Gleichstromspannung sind nämlich diese Nebenprodukte der Grund für die Bildung von starken Ladungen, die in der Nähe der übergänge zwischen den halbleitenden Schirmen und der Isolierhülle (oder auch zwischen der Isolierhülle und der leitenden Seele einerseits und der Isolierhülle und dem Metallschirm andererseits, wenn das Kabel keine halbleitenden Schirme aufweist) wandern, wo sie lokale Verstärkungen des elektrischen Felds verursachen. Die Intensität des elektrischen Felds kann so in der Nähe der übergänge zwei- bis dreimal so hoch werden wie die Nennintensität des elektrischen Felds, so daß die Durchschlagspannung der Isolierhülle sehr rasch erreicht werden kann, insbesondere wenn ein Impuls großer Amplitude (z.B. aufgrund eines Blitzes) die Gleichstromspannung überlagert. Man stellt dann nach einer gewissen Zeit eine Durchlöcherung dieser Isolierhülle und somit eine Beschädigung des Kabels fest. Die Verwendung von PRC als Kabelisolierung für Gleichstrom-Hochspannung ist also nicht wünschenswert.
• Man könnte auch daran denken, durch Strahlung vernetztes Polyäthylen zu verwenden. Die Dicke der Isolierhülle, die notwendig ist für die Hochspannungs-/ Gleichstromanwendungen (einer Größenordnung von 2 cm), macht die Vernetzung durch Strahlung schwierig und ergibt in der Praxis eine schlechte Qualität.
• Eine andere Art von Material wurde kürzlich zur Isolierung von Kabeln für Gleichstrom-Hochspannung vorgeschlagen. Es handelt sich um Materialien auf der Basis von PRC, die Mineralpartikel enthalten und deren Eigenschaften z.B. in einem Aufsatz mit dem Titel "Research and development of DC XLPE cables" beschrieben sind, der in JI CABLE 87 erschienen ist. Diese Materialien würden die schädliche Wirkung der Anhäufung von Raumladungen an den übergängen vermeiden. Um zu diesem Ergebnis zu kommen, ist es jedoch laut dem erwähnten Aufsatz notwendig, daß die Reinheit der in das PRC eingeführten Mineralpartikel genauestens überwacht wird, damit nicht gleichzeitig verschiedene Unreinheiten in das PRC gelangen. Selbst das Vorhandensein einer sehr kleinen Menge von Unreinheiten reicht aus, die Akkumulierung von Raumladungen hervorzurufen, da die Unreinheiten sich unter der Wirkung des elektrischen Felds zersetzen können, um Raumladungen zu bilden. In der Praxis ist es aber schwierig und langwierig, sehr stark gereinigte Mineralpartikel in das PRC einzuführen. Die Verwendung von Mineralpartikel enthaltendem PRC ist also kaum denkbar.
• Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Kabel herzustellen, bei dem das die Isolierhülle bildende Material es ermöglicht, das Phänomen der Anhäufung von Raumladungen bei einer hohen Gleichspannung zu reduzieren.
• Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Kabel vor, das koaxial von innen nach außen angeordnet aufweist:
• - eine leitende Seele,
• - eine Hülle aus Isoliermaterial,
• - einen Metallschirm,
• - eine äußere Schutzhülle,
• und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Isoliermaterial aus einem thermoplastischen Kautschuk besteht, der eine Elastomerphase und eine thermoplastische Phase aufweist.
• Aufgrund der Verwendung einer solchen Isolierung wird die Anhäufung von Raumladungen an den übergängen zwischen der Isolierhülle und der leitenden Seele einerseits und zwischen der Isolierhülle und der Metallschirm andererseits in Gegenwart einer hohen Gleichstromspannung in Bezug auf die Kabel gemäß dem Stand der Technik verringert.
• Gemäß einer ersten Möglichkeit kann der thermoplastische Kautschuk von Olefin-Typ sein. In diesem Fall kann die thermoplastische Phase ausgewählt werden aus Polyäthylen und Polypropylen und die Elastomerphase aus einem Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen.
• Gemäß einer zweiten Möglichkeit kann der thermoplastische Kautschuk vom Styrol-Typ sein. In diesem Fall kann die Elastomerphase, ggf. hydrogeniert, aus Polybutadien und Polyisopren ausgewählt werden und die thermoplastische Phase aus Polystyrol bestehen.
• Schließlich kann ein erster halbleitender Schirm zwischen die leitende Seele und die Hülle aus Isoliermaterial eingefügt sein, und ein zweiter halbleitender Schirm kann zwischen die Hülle aus Isoliermaterial und den Metallschirm eingefügt sein.
• Die Isolierhülle kann extrudiert werden.
• Das erfindungsgemäße Kabel kann bei hohen Gleichspannungen verwendet werden.
• Weitere Merkmale und Vorteile werden nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden erfindungsgemäßen Kabels und der einzigen Figur näher erläutert, die in Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßes Kabel für Gleichspannung und insbesondere für hohe Gleichspannung zeigt.
• In dieser Figur enthält ein Kabel 1 für hohe Gleichspannung:
• - eine leitende Seele 2 aus Kupfer oder Aluminium,
• - einen ersten halbleitenden Schirm 3,
• - eine Isolierhülle 4, die erfindungsgemäß aus einem thermoplastischen Kautschuk besteht,
• - einen zweiten halbleitenden Schirm 5,
• - einen metallischen Schutzschirm 6,
• - eine äußere Schutzhülle 7 aus Kunststoff.
• Die beiden thermoplastischen Kautschukmaterialien (CT) bestehen aus zwei miteinander nicht kompatiblen Phasen, nämlich einer sogenannten thermoplastischen Phase (Phase T) und einer sogenannten Elastomerphase (Phase E). Nachfolgend werden als nicht beschränkend zu verstehendes Beispiel zwei CT-Familien angegeben, die für die Anwendung der Erfindung in Frage kommen, nämlich die Olefin-CTs und die Styrol-CTs.
• Bei den Olefin-CTs kann die Phase T ausgehend von Polypropylen oder Polyäthylen hoher oder geringer Dichte präpariert werden, während die Phase E im allgemeinen aus einem Äthylen-Propylen-Kautschuk besteht. Der Anteil von Polyäthylen im CT liegt in diesem Fall vorzugsweise, aber nicht unbedingt, zwischen 10 und 25%. Um das CT mit der gewünschten Struktur zu erhalten, führt man eine dynamische Vernetzung der Phase E in Gegenwart der Phase T durch, d.h. daß man die Phase E vernetzt, indem das Ganze stark durchgeknetet wird, was die Fraktionierung der Phase E und ihre Verteilung in Form von Aggregaten in der Phase T ermöglicht.
• Bei den Styrol-CTs, d.h. bei den sequenzierten Copolymeren auf der Basis von Styrol oder Block-Copolymeren, besteht die Phase T z.B. aus einem nicht-kristallinen Polystyrol und die Phase E aus Polybutadien oder nicht vernetztem Polyisopren. Bei der Synthese des CT pfropft sich z.B. das Polystyrol auf das Polybutadien am Ende der Kette dieses letzteren auf und gruppiert sich in "Bereichen" geringer Abmessungen (Durchmesser der Größenordnung von 30 nm), während die Kautschukmatrix (oder Phase E) durchgehend bleibt. Das Material besteht so aus einer Folge von steifen Segmenten in einer durchgehenden Kautschukphase.
• Die CT besitzen also allgemein eine verteilte organische Phase in einer durchgehenden organischen Phase. Diese Verteilung von Aggregaten erzeugt viele übergänge innerhalb der Isolierhülle. Daher akkumulieren sich die Raumladungen nicht mehr nur an den übergängen zwischen halbleitenden Schirmen und Isolierhülle, sondern verteilen sich auch auf die vielen inneren übergänge der Isolierhülle. Nun findet man keine großen Anhäufungen von Raumladungen mehr an den übergängen zwischen halbleitenden Schirmen und der Isolierhülle, und die in der Hülle verteilten Raumladungen erzeugen unter Wirkung einer Betriebs-Gleichspannung nur eine geringe Verstärkungen des lokalen elektrischen Felds.
• Die Isolierung der Kabel für hohe Gleichspannung mittels CT läst alle Probleme, die sich bei den verschiedenen möglichen Materialien gemäß dem Stand der Technik ergaben.
• Wie oben beschrieben ergeben die CT bessere Ergebnisse als die PRC in Bezug auf die Anhäufung von Raumladungen. Außerdem sind sie viel einfacher zu verwenden. Mit den PRC findet nämlich die chemische Vernetzung während der Herstellung des Kabels und direkt nach dem Extrudieren der Isolierhülle statt. Dies erfolgt unter Druck und bei einer sehr hohen Temperatur (etwa 200ºC) und die Abkühlung erfolgt ebenfalls unter Druck. Das Herstellungsverfahren ist also sehr schwerfällig. Dagegen werden die CT vor der Herstellung synthetisiert, und ihre Verwendung erfolgt durch Erhitzen und Extrudieren um das Kabel herum, wie bei jedem anderen thermoplastischen Material. Sie verlieren also bei der Erwärmung für das Extrudieren nicht ihren thermoplastischen Charakter.
• Da die Bildung von organischen Aggregaten eine den CT innewohnende Eigenschaft ist, ist außerdem die Gefahr des Vorhandenseins äußere Unreinheiten gering im Verhältnis zur Einführung von Mineralpartikeln in PRC. Außerdem ist die Anwendung der CT einfacher als die eines PRC mit Mineralpartikeln.
• Im Labor durchgeführte Tests haben gezeigt, daß unter den gleichen Versuchsbedingungen die PRC und die CT ein völlige unterschiedliches Verhalten haben. So sind bei den CT die lokalen Verstärkungen des elektrischen Felds aufgrund der Akkumulierung von Raumladungen wesentlich geringer: Nach eine Stunde lang angelegter Gleichspannung bei 20ºC beträgt die Feldverstärkung in der Nähe der übergänge etwa 110% für PRC in Bezug auf den Wert des angelegten Felds, während sie bei den CT unter 20% liegt.
• Es wurden auch Tests der Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude durchgeführt. Die Beständigkeit der getesteten Materialien gegenüber Impulsen hoher Amplitude wird entweder durch direktes Anlegen eines Impulses mit bis zum Durchschlag der Isolierung steigender Spannung oder durch Anlegen dieses Impulses steigender Spannung nach einem vorherigen Anlegen einer Gleichspannung gleich einem Drittel der gewünschten Durchschlagspannung während einer Stunde bestimmt. Vo sei die Durchschlagspannung ohne vorher angelegte Gleichspannung und Vp ist die Durchschlagspannung mit Gleichspannung. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten zeigt in etwa die Beständigkeit gegen Impulse hoher Amplitude, die einer Betriebsgleichspannung der getesteten Materialien überlagert wird: Bei den PRC ist das Verhältnis Vp/Vo gleich 0,7; bei den CT ist das Verhältnis Vp/Vo gleich 1.
• Die derzeit im Handel erhältlichen CT werden als Isolierung bei Kabeln für Wechselstrom-Niederspannung verwendet. Die CT haben aufgrund ihrer molekularen Ausbildung nämlich die Eigenschaft, sich bei den Temperaturen, denen sie bei der Herstellung von Kabeln unterworfen werden, wie Kunststoffmaterialien zu verhalten, und bei den üblichen Verwendungstemperaturen wie gummiartige Materialien. Sie werden somit wegen ihrer einfachen Anwendung und ihren interessanten mechanischen und thermischen Eigenschaften auf dem Gebiet der Wechselstrom-Niederspannungen eingesetzt.
• Außerdem ist es bekannt, daß die Beständigkeit eines Materials gegen Impulse hoher Amplitude mit seiner Kristallisierung ansteigt. Der Aufsatz mit dem Titel "The effect of morphology on the impulse breakdown in XLPE cable insulation", der in IEEE Vol. E117 No 5 von Oktober 1982, Seite 386 erschienen ist, zeigt in dieser Hinsicht eine Kurve, die den Widerstand gegen Impulse hoher Amplitude in Abhängigkeit von der Kristallisierung angibt. Die CT sind jedoch sehr wenig kristallin und haben somit eine mäßige Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude. Daher wurden sie bisher nicht als Isoliermaterial für Hochspannungs-Gleichstrom- Kabel verwendet.
• Im Gegensatz zur bisherigen Ansicht wurde also festgestellt, daß die thermoplastischen Kautschukmaterialien, auch wenn ihre Beständigkeit gegenüber Impulsen hoher Amplitude schlechter als die der PRC ist, sehr viel besser geeignet sind als diese letzteren, wenn sie Impulsen hoher Amplitude ausgesetzt werden, die einer Gleichstrom-Betriebsspannung überlagert werden. Die CT kännen daher als Isolierung für Kabel für Hochspannungs-Gleichstrom verwendet werden.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebene Ausführungsform beschränkt: Die angegebenen Zahlenwerte sind nur beispielhaft, und jedes Mittel kann durch ein gleichwertiges Mittel ersetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

1. Elektrisches Kabel, das koaxial von innen nach außen angeordnet aufweist:

- eine leitende Seele (2),

- eine Hülle aus Isoliermaterial (4),

- einen Metallschirm (6),

- eine äußere Schutzhülle (7),

dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial aus einem thermoplastischen Kautschuk besteht, der eine Elastomerphase und eine thermoplastische Phase aufweist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kautschuk von Olefin-Typ ist.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Phase ausgewählt wird aus Polyäthylen und Polypropylen.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerphase aus einem Äthylen-Propylen- Kautschuk besteht.

5. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kautschuk vom Styrol-Typ ist.

6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerphase hydrogeniert wird.

7. Kabel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerphase aus Polybutadien und Polyisopren ausgewählt wird.

8. Kabel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Phase aus Styrol besteht.

9. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster halbleitender Schirm (3) zwischen die leitende Seele (2) und die Hülle aus Isoliermaterial (4) eingefügt ist und daß ein zweiter halbleitender Schirm (5) zwischen die Hülle aus Isoliermaterial (4) und den Metallschirm (6) eingefügt ist.

10. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierhülle extrudiert wird.

11. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es bei hoher Gleichspannung verwendet wird.