DE69511619T2

DE69511619T2 - Hochspannungskabel

Info

Publication number: DE69511619T2
Application number: DE69511619T
Authority: DE
Inventors: Claudio Bosisio; Giulio Tuci
Original assignee: Pirelli Cavi e Sistemi SpA
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: IT1269822B; NZ272194A; AU708509B2; ITMI941044A1; EP0684614A1; CA2149974C; ES2138139T3; CN1126357A; FI118870B; FI952502A; CA2149974A1; DK0684614T3; JPH07320559A; KR950034298A; ITMI941044A0; CN1082230C; AU2019995A; BR9502140A; EP0684614B1; US5850055A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrokabel für hohe und sehr hohe Spannungen, wobei die Leiter von einer geschichteten, mit einer Isolierflüssigkeit getränkten Isolierung umgeben sind und die Isolierung aus einem Laminat aus Papier/Polypropylen/Papier besteht.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kabel, bei dem die mittlere Schicht des erwähnten Papier/Polypropylen/Papier- Laminats aus einer bestrahlten Polypropylenfolie hergestellt ist.
Kabel für die Übertragung von hohen oder sehr hohen Spannungen mit einem verseilten Leiter, der von einer geschichteten Isolierung umhüllt ist, die aus einem mit einer Isolierflüssigkeit getränkten Papier/Polypropylen/Papier-Laminat besteht, sind schon lange bekannt. Bei diesem Kabeltyp ist der Leiter vorzugsweise ein Leiter vom Keiltyp bzw. ein Millikan-Leitertyp. Letzterer wird durch dünne Leiter gebildet, die zur Minimierung von Kriechströmen in voneinander isolierten Abschnitten gebündelt sind.
Der obige Kabeltyp hat jedoch den Nachteil, daß die Polypropylenschicht auf der Seite der Isolierflüssigkeit sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung und insbesondere in vertikaler Richtung eine starke Quellung erfährt, was zu einer Reihe von Nachteilen führt, welche die elektrischen Endeigenschaften des Kabels beeinflussen.
Es wurde eine Reihe von Versuchen unternommen, diesen Nachteil zu beseitigen:
a) durch vorgängige Tränkung der Polypropylenfolie (UK-A- 1 045 527),
b) durch Einbringen der Leiterumhüllung mit Papier/Polypropylen/Papier-Laminaten in eine feuchte Umgebung und anschließende Trocknung des umhüllten Leiters, so daß die Schrumpfung des Papiers während der Trocknung die Quellung des Polypropylens in Anwesenheit der Isolierflüssigkeit ausgleichen kann (US-A-4 571 357 und US-A-4 602 121) und
c) durch Erzeugung von Kabeln mit vermindertem Quellungsgrad.
Die vorliegende Erfindung beschreibt nun den Weg c).
Bezüglich der Quellung in der Längsrichtung beruht der Hauptnachteil darauf, daß im Gegensatz zur mittleren Polypropylenschicht das die peripheren Schichten des Laminats umgebende Papier nicht der Quellung unterworfen ist.
Auf diese Weise kommt es zu Unterschieden in den Abmessungen im Laminat zwischen der mittleren Schicht und den peripheren Schichten, wodurch in der Kontaktzone Kräfte entstehen, die dazu tendieren, ein wechselseitiges Gleiten zwischen den einzelnen Schichten des Laminats zu verursachen.
Die nachfolgende mögliche Abtrennung einer Schicht von der anderen hat, selbst wenn sie nur teilweise erfolgt, äußerst schwerwiegende Folgen für die Funktionalität des Kabels.
Während des Biegens, dem ein Kabel zwangsläufig während seiner Herstellung und seines Verlegens ausgesetzt ist, entstehen nämlich im geschichteten Laminat, das als Isolierung im Kabel dient, Gleitspannungen.
Die genannten Gleitspannungen sind im allgemeinen, solange das Laminat Geschlossenheit aufweist, nicht schädlich. Wenn es jedoch zwischen den einzelnen Laminatschichten zu wechselseitigen Bewegungen kommt, können sie Verdrehungen, Verbiegungen, Dislokationen und Brüche in den Laminatschichten bewirken, sobald diese beginnen, sich voneinander zu trennen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die US-A-3 749 812 vor, die Polypropylenfolie bei ca. 300ºC zu extrudieren und sie, bevor sie abkühlt, zwischen zwei unter Druck aufgebrachten kalten Papierbändern (bei Raumtemperatur) einzubetten. Bei Raumtemperatur und in Anwesenheit eines Tränkungsmittels halten dann die äußeren Papierschichten die mittlere Polypropylenschicht im Zustand einer elastischen Dehnung, weshalb eine solche Art von Laminat als "vorgespanntes" Laminat bekannt ist. Wenn es dann anschließend in eine entsprechende Isolierflüssigkeit gelegt wird, läßt es sich gesteuert quellen und zeigt weitgehende Freiheit von Spannungen.
Stattdessen verursacht die Quellung in vertikaler Richtung einen Zustand hohen Drucks in der geschichteten Isolierung, was dem Kabel als Ganzem hohe Steifigkeit verleiht.
Dieser Nachteil ist besonders bei Kabeln vom Millikantyp ausgeprägt, bei denen die niedrige mechanische Steifigkeit des Leiters, der aus dünnen und damit hochflexiblen Drähten gebildet wird, dazu führt, daß dann für die Isolierung während des Biegens eine entsprechende Unterlage fehlt, was ihre Regelmäßigkeit gefährdet und zu lokalen Schäden in der Isolierung führt.
Gemäß der Patentschrift US-A-3 775 549 wird die Quellung mit Hilfe eines Laminats vermindert, das aus einer doppelt ausgerichteten Polypropylenfolie besteht, die an das Papier mit Hilfe eines Haftmittels angeheftet ist, das aus einem in geschmolzenem Zustand extrudierten Polyolefin besteht, das seinerseits Polypropylen oder ein Polypropylen-Copolymer sein kann.
Das Verfahren der Herstellung eines solchen Laminats ist jedoch äußerst kompliziert und kostspielig, da es eine Reihe von Stufen umfaßt. Zuerst ist es nämlich erforderlich, eine Polypropylenfolie zu extrudieren, die dann sowohl in Richtung der Anlage als auch quer dazu ausgerichtet werden muß. Schließlich wird dann die Folie mit Hilfe einer geschmolzenen Schicht von Polypropylen oder eines seiner Polymere verbunden.
Das Patent-Abstract der JP-A-54 137081 beschreibt die Herstellung eines Papier/Polypropylen/Papier-Laminats für Starkstromkabel. Dabei wird eine Verbindung mit zwei oder mehreren reaktionsfähigen Doppelbindungen an das Polypropylen addiert, wonach das Laminat zur Vernetzung der Folie bestrahlt wird.
Die US-A-4 994 632 beschreibt ein Papier/Polypropylen/Papier-Laminat zur Verwendung in Stromkabeln, das eine verbesserte Haftung zwischen der Polypropylenfolie und den Papierbändern besitzt.
Es besteht daher nach wie vor ein starker Bedarf an einem Papier/Polypropylen/Papier-Laminat, das mit einer Isolierflüssigkeit getränkt werden kann, ohne daß es jedoch zu einer spürbaren Quellung kommt, und das ferner auf einfache Weise und bei hoher Konstanz seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften hergestellt werden kann.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß diese Aufgaben mit einem Papier/Polypropylen/Papier-Laminat gelöst werden können, bei dem die mittlere Schicht des Laminats eine Polypropylenfolie ist, die mit energiereicher ionisierender Strahlung bestrahlt wurde.
Warum das bestrahlte Polypropylen die genannten Eigenschaf ten zeigt, konnte bisher nicht ermittelt werden. Man nimmt jedoch an, daß diese Eigenschaft mit dem höheren Kristallinitätsgrad zusammenhängt, da mit chemischen Nucleierungsmitteln versetzte Polypropylene eine höhere Tendenz zur Kristallisation haben und in Anwesenheit von Isolierungsflüssigkeiten weniger quellen. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß dies nicht ausreicht, da einige ihrer elektrischen Eigenschaften wie insbesondere der Verlustfaktor beeinträchtigt werden.
In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "hohe und sehr hohe Spannungen" Spannungen von 200 kV und darüber.
Der Ausdruck "Isolierflüssigkeit" bedeutet eine Flüssigkeit und vorzugsweise eine ölige Flüssigkeit mit sehr niedriger Viskosität (in der Größenordnung von 5 bis 15 cSt) und einem spezifischen Widerstand von wenigstens 1016 Ohm/cm, wie z. B. Mineralöle, Alkylnaphthaline und Alkylbenzole. Typische Beispiele für Isolierflüssigkeiten, wie sie in der EP-A- 0 001 494 beschrieben werden sind Decylbenzol, Dodecylbenzol, Benzyltoluol, Dibenzyltoluol, 1-Methylnaphthalin, Monoisopropyldiphenyl, 1-Phenyl-1-(3,4-dimethyl-phenyl)- ethan, 1,2-Diphenylethan und ihre Gemische.
Der Ausdruck "Laminat" bedeutet einen flachen Stoff mit einer Dicke von im allgemeinen 70 bis 300 um und vorzugsweise von 70 bis 200 um. Dieser wird durch Überschichtung von wenigstens zwei Schichten aus ein und demselben oder aus unterschiedlichem Material mit den üblichen Techniken so hergestellt, daß sie ein Ganzes bilden. Es werden dreischichtige Laminate bevorzugt, da sie unter mechanischer Belastung eine höhere Symmetrie zeigen und dadurch ein Reibungsverhalten ähnlich dem von Papierbändern gewährleisten. Im Falle eines Papier/Polypropylen/Papier-Laminats besteht das Papier vorwiegend oder zur Gänze aus Cellulose. Jede Papierschicht besteht vorzugsweise aus einem einzigen Blatt mit einer Ma ximaldicke von 80 um und vorzugsweise 20 bis 50 um. Das Papier ist ein Papier von geringer Dichte, deren Maximum gewöhnlich bei 0,85 g/cm³ liegt. Gewöhnlich bewegt sich die Luftundurchlässigkeit in einem Bereich von 10 · 10&sup6; bis 30 · 10&sup6; Emanueli-Einheiten [G. Trogu, "Comparison between the modified Emanueli Porosimeter and other paper air resistance testers" Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI), Bd. 44, Nr. 10, Oktober 1961, SS. 176- 182A]. Ein bevorzugtes Papier ist ein 10 bis 50 um dickes Cellulosepapier für elektrische Zwecke mit einer Dichte von 0,65 bis 0,75 g/cm³ und einer Luftundurchlässigkeit von 10 bis 30 · 10&sup6; Emanueli-Einheiten. Gewöhnlich macht die Dicke der Polypropylenfolie 35 bis 70% und vorzugsweise 50 bis 65% der Gesamtdicke des Laminats aus.
Der Ausdruck "Polypropylen" bedeutet einen Stoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus (a) Homopolymeren von Polypropylen, (b) statistischen Copolymeren von Propylen und einem Olefin, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ethylen, 1- Olefinen mit 4 bis 10 C-Atomen und Dienen mit 4 bis 10 C- Atomen, jedoch unter der Bedingung, daß dann, wenn das Olefin Ethylen ist, sein maximaler polymerisierter Anteil ca. 5 und vorzugsweise 4 Gew.-% beträgt, wenn das Olefin ein 1- Olefin mit 4 bis 10 C-Atomen ist, sein maximaler polymerisierter Anteil ca. 20 und vorzugsweise 16 Gew.-% beträgt, und wenn das Olefin ein Dien mit 4 bis 10 C-Atomen ist, sein maximaler polymerisierter Anteil ca. S und vorzugsweise 4 Gew.-% beträgt, und (c) statistischen Terpolymeren von Propylen und Olefinen, ausgewählt aus der Gruppe, die Ethylen und 1-Olefine mit 4 bis 8 C-Atomen umfaßt, jedoch unter der Bedingung, daß dann, wenn eines der Olefine Ethylen ist, sein maximaler polymerisierter Anteil ca. 5 und vorzugsweise 4 Gew.-% beträgt, und sein maximaler polymerisierter Anteil an 1-Olefinen mit 4 bis 8 C-Atomen ca. 20 und vorzugsweise 16 Gew.-% beträgt. Die 1-Olefine mit 4 bis 10 C-Atomen umfassen unverzweigte oder verzweigte 1-Olefine mit 4 bis 10 C-Atomen, wie z. B. 1-Butylen, Isobutylen, 1-Penten, 3- Methyl-1-butylen, 1-Hexen, 3,4-Dimethyl-1-butylen, 1-Hepten, 3-Methyl-1-hexen u. a.
Typische Beispiele für Diene mit 4 bis 10 C-Atomen sind: 1,3-Butadien, 1,4-Pentadien, Isopren, 1,5-Hexadien, 2,3-Methyl-1,3-hexadien u. a.
Der Ausdruck "bestrahltes Polypropylen" bedeutet ein mit energiereicher ionisierender Strahlung bestrahltes Polypropylen. Ein geeigneter Typ von bestrahltem Polypropylen ist das in der US-A-4 916 198 beschriebene. Danach wird das bestrahlte Polypropylen durch (1) Bestrahlung eines unverzweigten Polypropylens (a) in einem Medium, in dem eine Konzentration an aktivem Sauerstoff erzeugt und unter ca. 15 Vol.-% des Mediums gehalten wird, (b) mit energiereicher ionisierender Strahlung in einer Menge von ca. 1 bis ca. 1 · 10&sup4; Megarad/min während einer Zeitdauer, die ausreicht, um eine erhebliche Zahl an Spaltungen in der Kette des unverzweigten Polypropylens zu erzeugen, jedoch für deren Gelbildung ungenügend ist, (2) durch Halten des bestrahlten Stoffes in diesem Medium während einer Zeitdauer, die für die Bildung einer erheblichen Menge an langen Kettenverzweigungen ausreicht, und (3) durch Behandlung des bestrahlten Stoffes in diesem Medium, um praktisch sämtliche freien Radikale in diesem bestrahlten Stoff zu inaktivieren, hergestellt.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung eines Elektrokabels für hohe und sehr hohe Spannungen gemäß Anspruch 1.
Vorzugsweise quillt infolge einer Wärmebehandlung durch Infrarotstrahlung bei 145ºC während mindestens 15 Sekunden bei vernachlässigbarer Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit oder durch Erwärmen im Vakuum in einem Druckgefäß während einer entsprechenden Zeitdauer das erfindungsgemäße Papier/Polypropylen/Papier-Laminat, dessen mittlere Schicht aus einer Folie aus bestrahltem Polypropylen besteht, um weniger als 5% nach Eintauchen in Decylbenzol bei 100ºC unter asymptotischen Bedingungen (nach wenigstens 3 Tagen).
Ein typisches Beispiel für bestrahltes Polypropylen ist ProfaxTM PF 611 (Himont), gekennzeichnet durch einen Schmelzindex, ermittelt nach ASTM D1238, von 40 dg/min. einer Dichte, ermittelt nach ASTM D792A-2, von 0,902 g/cm³ und einen Vicat 95-Erweichungspunkt von 150ºC.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Papier/Polypropylen/Papier-Laminats nach Anspruch 7.
Die beigefügten Figuren illustrieren die Ausführung des erfindungsgemäßen Kabels:
- Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Kabel, wobei einzelne Teile der Reihe nach entfernt sind, um seinen Aufbau zu verdeutlichen;
- Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Laminatband mit der geschichteten Isolierung des Kabels nach Fig. 1;
- Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Änderung des Kristallinitätsgrades der Polypropylenschicht eines erfindungsgemäßen Laminats (L1) im Vergleich mit der Polypropylenschicht eines bekannten Laminats (L2) in Abhängigkeit von der Temperaturänderung illustriert.
Das in Fig. 1 dargestellte Kabel ist ein erfindungsgemäßes einpoliges Kabel mit Öl als Isolierflüssigkeit.
Das Kabel umfaßt einen elektrischen Leiter 1, der aus einer Vielzahl von Leitern 2, wie z. B. aus Kupfer, hergestellt ist und einen Hohlraum 3 aufweist, welcher den Hohlraum für die Isolierflüssigkeit des Kabels, vorzugsweise Dodecylbenzol, bildet.
Die Leiter 2 haben die Form von Kupferkeilen oder bestehen im Falle von Millikankabeln aus einem Bündel von Kupferdrähten.
Den Leiter 1 umgibt die Halbleiterschicht 4, die ihrerseits z. B. aus einzelnen Halbleiterbändern, wie z. B. aus mit halbleitendem Lampenruß beschicktem Cellulosepapier, besteht.
Die Halbleiterschicht 4 wird ihrerseits von einer geschichteten Isolierung 5 umgeben, die aus einzelnen Bändern 6 eines Papier/Polypropylen/Papier-Laminats gebildet ist, dessen mittlere Schicht aus einer Folie aus bestrahltem Polypropylen besteht.
Die geschichtete Isolierung 5 wird von einer Halbleiterschicht 7 umgeben, die in ihrem Aufbau mit der oben beschriebenen Halbleiterschicht 4 identisch ist.
Sämtliche Teile des oben beschriebenen Kabels werden dann von einem Metallmantel 8 umgeben, der z. B. aus Blei hergestellt ist, wobei jeder Hohlraum im Mantel mit der Isolierflüssigkeit des Kabels gefüllt ist, mit der insbesondere die geschichtete Isolierung 5 getränkt ist.
Die geschichtete Isolierung 5 besteht ihrerseits aus den einzelnen Bändern 6 eines Papier/Polypropylen/Papier-Laminats, dessen mittlere Schicht aus einer Folie aus bestrahltem Polypropylen besteht.
Fig. 2 zeigt, daß das Laminat eine mittlere Schicht 9 aus bestrahltem Polypropylen umfaßt, deren obere und untere Fläche 10 bzw. die Schichten 11 aus Papier und insbesondere aus Cellulosepapier gespannt sind.
Die geschichtete Isolierung 5 umfaßt je nach der erwarteten elektrischen Spannung 100 bis 300 Wicklungen des Laminats 6.
Vor dem Wickeln wird das Laminat 6 vorzugsweise bei einer relativen Feuchtigkeit (RF) von 10 bis 80% vorbehandelt.
Während des Wickelns liegt die RF des Laminats in einem Bereich von vorzugsweise 10 bis 80% und insbesondere von 10 bis 60%.
Nach dem Wickeln wird das Kabel in einem Vakuum (Druck ca. 0,002 bis 0,01 Millibar und T ca. 135ºC) getrocknet und dann in einem Behälter mit einer Isolierflüssigkeit, z. B. Dodecylbenzol, getränkt.
Die Tränkung erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis ca. 100ºC während gewöhnlich 1 bis 2 Tagen.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, daß die Tränkung auch bei einer Temperatur von über 90ºC durchgeführt werden kann, da das bestrahlte Polypropylen weniger quellfähig ist als nichtbestrahltes Polypropylen. Es ist möglich, die Tränkung bei Temperaturen im Bereich der maximalen Betriebstemperatur der Kabel (ca. 90ºC) durchzuführen, ohne daß dies zu zu starker Quellung führt. Diese steigt nämlich mit zunehmender Temperatur an und im Falle von nichtbestrahltem Polypropylen ist die Quellung insgesamt unakzeptabel, wenn 90ºC überschritten werden. So muß nach der Trocknung bei 135ºC und vor der Tränkung das Kabel einige Tage lang "abgekühlt" werden, was die Kosten ansteigen läßt.
Wird die Tränkung jedoch andererseits bei Temperaturen im Bereich der Betriebstemperatur durchgeführt, wird der erwähnte Nachteil dadurch beseitigt, daß man das erfindungsgemäße Kabel nach dem Trocknen unmittelbar dem Tränkungsbehälter zuführt bzw. in jedem Fall das umhüllte Kabel nur während einer weit kürzeren Zeitdauer abkühlt.
Es muß darauf hingewiesen werden, daß dann, wenn das Wickeln bei sehr hoher RF durchgeführt wird, wie z. B. bei 95%, das Papier an Dicke zunimmt, und zwar aufgrund der Aufnahme der Feuchtigkeit, die danach während der Stufe der Trocknung des gewickelten Kabels wieder abgegeben wird, so daß letzteres locker bleibt.
Dies kann man sich zunutze machen, um die Quellung des Propylens auszugleichen, das bei einer Temperatur im Bereich der Betriebstemperatur des Kabels getränkt wurde, so daß man auf diese Weise schließlich ein Kabel erhält, das keinen zu starken inneren Druck aufweist, was sonst für das Bedienungspersonal und die verwendete Ausrüstung nicht akzeptabel wäre.
Nach der Tränkung wird das Kabel von einem wasserdichten Mantel 8 wie z. B. aus Aluminium- oder Bleiwellblech umgeben und darüber kommt ein äußerer Kunststoffmantel (nicht dargestellt) wie z. B. aus Polyethylen von hoher, mittlerer oder niedriger Dichte und vorzugsweise von schwarzer Farbe, das außerdem UV-Strahlen-beständig ist.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Illustrierung der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch auf irgendeine Weise einzuschränken.

BEISPIEL 1

Herstellung des erfindungsgemäßen Laminats (L1)

Stoffe:
- bestrahltes Polypropylen ProfaxTM PF 611 (Himont),
- 30 um dickes nichtkalandriertes Cellulosepapier mit einer Dichte von 0,65 bis 0,73 g/cm³ und einer Luft- undurchlässigkeit von 10 bis 30.106 Emanueli-Einheiten.

Ausrüstung:

Die Ausrüstung besteht aus einem Flachspritzkopfextruder und zwei Papiervorschubstraßen auf den beiden Seiten des Extruders.
Jede Papierzuführungsstraße ist mit einer Trocknungseinrichtung (z. B. erwärmte Zylinder) und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Wölbungswirkung ausgestattet (US-PS Nr. 4 994 632).
Die Vorrichtung besteht gewöhnlich aus zwei Elektroden, durch die bei einer Frequenz von 10 kHz ein Wechselstrom von 18 kV geschickt wird.
Außerdem ist die Ausrüstung noch mit einer Kühlwalze und einer gummierten Druckwalze ausgestattet, die vor der Kühlwalze angeordnet ist.
Die Kühlwalze wird mit Hilfe der innen strömenden Kühlflüssigkeit, gewöhnlich Wasser, bei einer Temperatur von ca. 15ºC gekühlt.

Verfahren:

Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß man eine Schicht geschmolzenes bestrahltes Polypropylen zwischen zwei Papierschichten einschließt.
Das bei ca. 250 bis 310ºC extrudierte bestrahlte Polypropylen bewegt sich auf die Kühlwalze zu, die einige Zentimeter unterhalb des Extrudierkopfes angeordnet ist.
Bevor die geschmolzene Schicht aus bestrahltem Polypropylen auf die Kühlwalze gelangt, wird sie zwischen zwei Papierschichten bei Raumtemperatur eingeschlossen.
Infolge der Behandlung ragt eine erhebliche Zahl an Cellulosefibrillen über die Oberfläche der Papierschichten hinaus und dringt in die geschmolzene Masse ein, wodurch das Papier an der Folie des bestrahlten Polypropylens befestigt wird.
Das Laminat bewegt sich dann weiter abwärts auf die Kühlwalze zu und passiert den Spalt zwischen Kühl- und Druckwalze. Der von dieser ausgeübte Druck vollendet das Eindringen und die Fixierung des Papiers im bestrahlten Polypropylen.
Schließlich wird das auf diese Weise erhaltene Laminat (L1) zur Wickelwalze weiterbefördert.
Das Laminat weist eine Dicke von 125 um auf und die Papierschichten sind zu ca. 10% ihrer Dicke in die mittlere, 75 um dicke Schicht aus bestrahltem Polypropylen eingebettet.

BEISPIEL 2

Vergleichslaminat (L2)

Ein zweites Laminat wurde auf ähnliche Weise hergestellt, nur daß anstelle von ProfaxTM PF 611 ein nichtbestrahltes und isotaktisches Homopolymer von Polypropylen verwendet wurde (H30S von HIMONT).

PRÜFUNG DER LAMINATE

Die Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Laminate (L1 und L2) wurden mit denen der nachfolgenden handelsüblichen Papier/Polypropylen/Papier-Laminate verglichen:
L3: CPC-B125 von Sumitomo electric Industries Ltd.;
Gesamtdicke: 125 um.
Die mittlere Schicht besteht aus einer ca. 75 um dicken Folie aus einem nichtbestrahlten Homopolymer von Polypropylen mit einem Gewichtsprozentanteil an Polypropylen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Laminats, von ca. 60%.
L4: Handelsübliches Laminat mit einer Gesamtdicke von 125 um, 60 Gew.-% Polypropylen, von BICC;
Gesamtdicke: 125 um
Die mittlere Schicht besteht aus einer ca. 75 um dicken Folie aus einem nichtbestrahlten Homopolymer von Polypropylen.
A) QUELLUNG
Vier Proben, bestehend aus Bündeln aus 15 mm breiten und 100 mm langen Streifen mit einer Gesamtdicke von ca. 0,8 mm wurden jeweils aus den Laminaten L1, L2, L3 und L4 hergestellt.
Die Laminate L1 und L2 wurden vorgängig während 16 Stunden bei 135ºC erwärmt.
Die Dicke jeder Probe wurde mit Hilfe eines Dickenmessers gemessen, der einen Druck von 0,2 kg/cm² ausübt.
Die Proben wurden dann bei unterschiedlichen Temperaturen in Dodecylbenzol eingetaucht. Nach 30 Tagen wurden sie dann wieder aus der Flüssigkeit entfernt und zwischen zwei Filterpapierschichten getrocknet. Anschließend wurde ihre Dicke mit dem erwähnten Dickenmesser gemessen.
Die Dickenzunahme (Quellung) ist in Prozenten ausgedrückt. TABELLE 1
(*) nach 1 Tag, (**) nach 6 Tagen.
Im Falle des Laminats L4 wurde die Prüfung nach 6 Tagen abgebrochen, da die Papierschichten sich inzwischen von der Polypropylenschicht gelöst hatten, was die Geschlossenheit des Laminats gefährdete.
B) VERLUSTFAKTOR
Die Laminate L1 und L2 wurden vorgängig während 16 Stunden bei 135ºC erwärmt.
Der Verlustfaktor wurde gemäß ASTM D 150-92 ermittelt, wenn man von den nachfolgend beschriebenen Varianten absieht.
Aus L1 wurden vier runde Proben mit einem Durchmesser von 17 mm erhalten.
Danach wurde aus den 4 Proben von L1 durch Übereinanderschichten von Laminatscheiben eine ca. 0,5 mm dicke Packung (P1) erhalten.
Die Packung (P1) wurde dann unter die Elektroden einer Prüfzelle üblichen Typs gelegt und in einem Ofen während 24 Stunden bei 135ºC im Vakuum (ca. 0,01 Millibar) getrocknet.
Am Ende der Trocknung wurde der Ofen geöffnet und die Zelle auf ca. 100ºC abkühlen gelassen.
In der Zwischenzeit wurde gasfreies Dodecylbenzol (4 Stunden, 60ºC, 0,01 Millibar) hergestellt (600 ml).
P1 wurde in einem Vakuum (0,01 Millibar) getränkt und es wurde die Zelle bei 100ºC 24 Stunden gehalten.
Der Ofen wurde dann geöffnet und die Zelle auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Es wurde wieder Atmosphärendruck in der Zelle hergestellt und man begann mit der Messung des tan δ-Werts (bei 20 kV/mm) zuerst bei Raumtemperatur und dann bei 50ºC, 80ºC, 100ºC und 120ºC, wobei man darauf achtete, daß die Zelle während wenigstens 2 Stunden bei Ablesetemperatur blieb.
Auf ähnliche Weise wurde auch der tan δ-Wert von L2, L3 und L4 ermittelt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefaßt. TABELLE 2
C) KRISTALLINITÄT
Es wurden eine Probe von L1 und eine Probe von L2 verwendet. Die mittlere Polypropylenfolie wurde mechanisch von den beiden äußeren Papierschichten abgetrennt, wobei man gegebenen falls die Ablösung durch Benetzen mit Wasser begünstigte.
Aus der Polypropylenfolle L1 wurden 4 Proben hergestellt.
Die erste der Proben wurde dann auf 130ºC erwärmt, die zweite auf 140ºC, die dritte auf 150ºC und die vierte auf 160ºC.
In ähnlicher Weise wurden aus der Polypropylenfolie L2 fünf Proben erhalten.
Die erste der Proben wurde dann auf 120ºC erwärmt, die zweite auf 130ºC, die dritte auf 140ºC, die vierte auf 150ºC und die fünfte auf 160ºC.
Die Kristallinität der neun Proben wurde mit Hilfe eines PHILIPS-Diffraktometers, Modell P. W. 1050 P. W. 1732 unter Anordnung der Proben auf einem Streifen aus amorpher Kieselerde ermittelt.
Die verwendete Methode beruht auf der Hypothese einer Anordnung des Doppelphasentyps des Materials, wobei die kristallinen Bereiche in einer amorphen Grundmasse verteilt sind.
Das Röntgenbeugungsdiagramm des Stoffes (Beugungsstärke in Beziehung zum Bragg 28-Winkel) kann somit so interpretiert werden, daß es durch einen Beitrag des dem amorphen Anteil zuzuschreibenden diffusen Typs und durch winkelig angeordnete Beiträge, d. h. durch die dem kristallinen Anteil zuzuschreibenden Beugungspeaks zustandekommt.
Da die von jeder Phase erzeugte Beugungsstärke (quantitativ und getrennt bewertbar auf der Basis der Fläche des Beugungsdiagramms) der entsprechenden Durchschnittsfraktion der zu prüfenden Probe proportional ist, wird der Kristallinitätsgrad xc als Verhältnis zwischen der der kristallinen Phase zuzuschreibenden Stärke Ic und der Gesamtstärke (Summe der der kristallinen Phase Ic und der amorphen Phase Ia ent sprechenden Stärken) berechnet: xc = Ic/(Ic + Ia)].
Die Wellenlänge der Strahlung betrug 1,54 Å.
Die erzielten Ergebnisse sind im Diagramm in Fig. 3 dargestellt.

BEISPIEL 3

Vergleichskabel (C2)

Eine ausreichende Menge an Wicklungen L2 wurde in einem Ofen bei ca. 135ºC und in einem Vakuum (ca. 0,01 Millibar) während 16 Stunden erwärmt.
Die Wicklungen wurden dann zu Rollen von Bändern mit einer Breite, die für die Aufwicklung eines Kabels geeignet ist, das einen Leiter mit einem Querschnitt von ca. 2500 mm² besitzt, zerschnitten.
Die Bänderrollen wurden dann bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 10% während 4 Tagen gehalten.
Nach dieser Behandlung wurden die Rollen zum Aufwickeln eines Kabels vom Millikan-Typ mit einem Querschnitt von ca. 2500 mm² verwendet.
Die Wicklung mit L2 umfaßte 180 Schichten und ihre Gesamtdicke betrug 19,9 mm.
Das auf diese Weise gewickelte Kabel wurde dann in ein Druckgefäß bei 135ºC in einem Vakuum (ca. 0,01 Millibar) für 4 Tage gegeben.
Anschließend ließ man es auf 50ºC abkühlen und hielt es bei dieser Temperatur in Dodecylbenzol 3 Tage lang eingetaucht.
Schließlich wurde es mit einem Mantel aus Aluminiumwellblech und darüber mit einem Polyethylenmantel umgeben.

BEISPIEL 4

Erfindungsgemäßes Kabel (C1)

Es wurde ähnlich wie das in Beispiel 3 beschriebene hergestellt, mit folgenden Abweichungen:
- Anstelle von L2 wurde L1 verwendet;
- anstelle einer Erwärmung in einem Ofen bei 135ºC im Vakuum (ca. 0,01 Millibar) während 16 Stunden wurde L1 15 Sekunden lang mit Infrarotstrahlung erwärmt;
- die Tränkung des Kabels mit Dodecylbenzol erfolgte bei 90ºC anstatt bei 50ºC.
Die IR-Erwärmung des Laminats erfolgte auf der Stufe der erneuten Aufwicklung des Bandes auf die Spule vor dem Aufwickeln.
BEMERKUNG: Die Erwärmung des Laminats kann auch nach anderen Methoden, je nach den spezifischen Parametern der Ausrüstung und des Verfahrens zur Herstellung des Kabels oder der Herstellung des Laminats, erfolgen.
Eine derartige Behandlung erfolgt mit dem Ziel der Vermeidung bzw. Beschränkung des Auftretens von Schrumpfungen des Laminatbandes im gewickelten Kabel, wozu es auf den nachfolgenden Stufen der Kabelherstellung und insbesondere während der Trocknung des Kabels kommen kann, was seine Parameter verändern kann.
Es versteht sich, daß derartige Behandlungen mit strukturellen Veränderungen im Polymermaterial des Laminats, wie z. B. Kristallisation usw., verbunden sein können, wobei das Ausmaß dieser Veränderungen von der Temperatur, bei der die Wärmebehandlung erfolgt, wobei die Werte, bei denen es zur Schädigung der Papierschichten kommt, d. h. 140 bis 150ºC, nicht überschritten werden dürfen, und von der Art des verwendeten Polymers abhängt.
Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist davon auszugehen, daß die Wärmebehandlung in einem Ofen bei 135 bis 140ºC während 10 bis 20 St. und die IR-Behandlung bei ca. 135ºC während 10 bis 20 s gleichwertige Ergebnisse erzielen lassen. Ein Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet ist, was die spezifischen Parameter der verwendeten Wickelanlage betrifft, in der Lage, die am besten geeignete Art der Behandlung festzustellen, um zu den erwünschten Eigenschaften zu gelangen.
Die Wärmebehandlung kann beispielhaft an der Laminaterzeugungsstraße unterhalb der Verbindung zwischen Papier, Polypropylen und Papier vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die IR-Behandlung vorzuziehen ist.
Die Wärmebehandlung kann aber auch an den Spulen des fertiggestellten Laminats, und zwar vorzugsweise bevor dieses in Streifen zerschnitten wird, durchgeführt werden. Eine derartige Behandlung kann in einem Druckgefäß im Vakuum oder "Ofen" bei 135 bis 140ºC solange durchgeführt werden, d. h. während mehrerer Stunden, bis die ganze Spule die erwünschte Temperatur erreicht hat, oder durch Abwickeln des Laminats, das man dann unterhalb einer Anordnung von IR-Lampen einige Sekunden lang durchführt, da sich die Wärmeübergänge im Laminat in diesem Fall innerhalb einer vernachlässigbaren Zeitdauer abspielen.

PRÜFUNGEN AM KABEL

C) BIEGSAMKEIT
Die Biegungssteife von C1 und C2 wurde an einem Abschnitt eines 1,8 m langen Kabels gemessen, das horizontal auf zwei Trägern in einem Abstand von 1,5 m voneinander angeordnet war.
In der Mitte zwischen den beiden Trägern war ein Meßstab angeordnet, der dazu geeignet war, den Grad der Durchbiegung des Kabels zu messen.
Die Mitte des Kabels wurde mit einer stetig zunehmenden Belastung beaufschlagt und das Ausmaß, um das das Kabel durchgebogen wurde, gemessen.
Die Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen 3 und 4 zusammengefaßt. TABELLE 3 Biegesteife von Kabel C Belastung (kN)
Es wird angenommen, daß die Werte, die den Belastungen von 0,6 kN oder darüber entsprechen, durch eine Schädigung der Struktur des Kabels verursacht sind. TABELLE 4 Biegesteife von Kabel C1 Belastung (kN)
D) INNENDRUCK ZWISCHEN DEN EINZELNEN KABELSCHICHTEN
Herstellung der Probe
Ein Abschnitt eines 1,3 m langen Leiters wurde wie das tatsächliche Kabel gewickelt, nur daß im mittleren Bereich (0,65 m von den Enden) 9 Schichten eingefügt wurden (Lange 180 mm, Breite 5 mm und Dicke 0,03 mm).
Von diesen 9 Schichten wurden 3 in der Nähe des Leiters eingefügt, 3 auf halbem Wege durch die Wicklung und 3 außen.
Methode
Die Probe wurde in einem Trockenofen bei 140ºC während 48 Stunden im Vakuum (0,01 Millibar) getrocknet und dann bis auf die gewünschte Tränkungstemperatur abgekühlt und mit der Isolierflüssigkeit getränkt.
Nach Abschluß der Tränkung wurde die Kraft gemessen, die dazu nötig war, die Schichten aus der Isolierung zu entfernen.
Prüfungen
Die Prüfungen wurden an zwei Proben der Kabel C1 und C2 durchgeführt, die nachfolgend mit P-C1 und P-C2 bezeichnet werden.
Die Tränkungstemperatur betrug 90ºC.
Die Isolierflüssigkeit war Dodecylbenzol.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt. TABELLE 5
E) VERLUSTFAKTOR
Der Verlustfaktor wurde entsprechend den Standardprüfungen unter der Bezeichnung "Test on oil-filled and gas pressure cables and their accessories", Veröffentlichung 141-1, 2.
Auflage (1976), der IEC (International Electrotechnical Commission) gemessen.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenen Tabelle 6 zusammen gefaßt. TABELLE 6 Verlustfaktor

Claims

1. Elektrokabel für hohe und sehr hohe Spannungen, das eine Vielzahl von Leitern, wenigstens eine Halbleiterschicht, eine geschichtete, mit einer Isolierflüssigkeit getränkte Isolierung und eine äußere Metallumhüllung umfaßt, wobei die Isolierung aus einem Laminat aus Papier/Polypropylen/Papier besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht des Laminats eine Folie aus bestrahltem Polypropylen ist, die energiereicher ionisierender Strahlung ausgesetzt wurde.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier/Polypropylen/Papier-Laminat infolge einer Wärmebehandlung bei 135ºC mit Infrarotstrahlen während wenigstens 15 Sekunden nach Eintauchen in Decylbenzol bei 100ºC während wenigstens 3 Tagen um weniger als 5%, bezogen auf die Gesamtdicke des Laminats, quillt.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen ProfaxTM PF 611 der Firma Himont ist.

4. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen einen Schmelzindex, ermittelt nach ASTM D1238, von 40 dg/min aufweist.

5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen eine Dichte, ermittelt nach ASTM D792A-2, von 0,902 g/cm³ aufweist.

6. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen einen Vicat 95-Erweichungspunkt von 150ºC hat.

7. Papier/Polypropylen/Papier-Laminat, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht des Laminats eine Folie aus bestrahltem Polypropylen ist, die energiereicher ionisierender Strahlung ausgesetzt wurde, mit der Maßgabe, daß das Polypropylen vor der Extrusion des Films, der Laminierung und Bestrahlung nicht mit einer organischen Verbindung mit zwei oder mehreren reaktionsfähigen Doppelbindungen gemischt wurde.

8. Laminat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier/Polypropylen/Papier-Laminat infolge der Wärmebehandlung bei 135ºC mit Infrarotstrahlen während wenigstens 15 Sekunden nach Eintauchen in Decylbenzol bei 100ºC während wenigstens 3 Tagen um weniger als 5%, bezogen auf die Gesamtdicke des Laminats, quillt.

9. Laminat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen ProfaxTM PF 611 der Fa. Himont ist.

10. Laminat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen einen Schmelzindex, ermittelt nach ASTM D1238, von 40 dg/min aufweist.

11. Laminat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen eine Dichte, ermittelt nach ASTM D792A-2, von 0,902 g/cm³ aufweist.

12. Laminat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Polypropylen einen Vicat 95-Erweichungspunkt von 150ºC hat.