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Imprägniermischungen für elektrische Gleichstromkabel vom festen Typus
Es ist bekannt, dass in dem Dielektrikum von elektrischen Gleichstromkabeln der Spannungsgradient auch von dem spezifischen elektrischen Widerstand des das Dielektrikum selbst bildenden Materials ab- hängt.
Daraus folgt, dass Verlan errungen des Widerstandes im Dielektrikum im allgemeinen erhebliche Ver- schiebungen bzw. Verzerrungen in der Verteilung des genannten Spannungsgradienten hervorrufen können. Da der Widerstand des Materials in hohem Masse von der Viskosität abhängt, die ihrerseits eine Funktion der Temperatur ist, ergibt sich weiters, dass im Verlaufe von Erhitzungs- oder Abkühlungsperioden die Verteilung des Spannungsgradienten im Vergleich zu den Bedingungen, unter welchen das Dielektrikum stabilisiert wurde, einer weitgehenden Beeinflussung in thermischer Hinsicht unterliegen kann.
Auf Grund von Versuchen hat sich gezeigt, dass im Verlaufe der Kühlphase in den Dielektrikas infolge der raschen Veränderungen der elektrischen Parameter der Isolierungen auch eine beträchtliche Unausgeglichenheit in der Verteilung der elektrischen Ladungen im Innern der Dielektrikas selbst auftreten kann.
Diese Ladungen, die allgemein als"Raumladungen"bezeichnet werden, um sie von jenen Ladungen zu unterscheiden, die auf Elektroden lokalisiert sind, geben zu einer solchen Verteilung der elektrischen Gradienten Anlass, die neben der ungleichmässigen Beanspruchung des Isoliermaterials sowohl vom elektrischen als auch vom thermischen Gesichtspunkt aus, zu Durchschlägen (Perforationen) des Dielektrikums schon bei solchen Spannungen führen kann, die merklich niedriger als jene sind, die man bei einem thermisch stabilisierten Dielektrikum anlegen muss, um dieselbe Wirkung hervorzurufen.
Bei den ausgeführten Versuchen wurde tatsächlich festgestellt, dass die Perforationen des Dielektrikums in Gleichstromkabeln unter sonst gleichen Bedingungen häufig in jenen Phasen stattfinden, in welchen die Temperatur plötzlichen Veränderungen ausgesetzt ist und insbesondere in den Kühlphasen. Die zur Hervorrufung von Perforationen notwendigen Zeiten sind von derselben Grössenordnung wie die für Temperaturänderungen erforderlichen Zeiten.
Die vorstehend angegebenen Erscheinungen haben allgemeine Bedeutung für sämtliche Isoliermaterialien und sind besonders bemerkenswert in dem Falle, wenn das Dielektrikum aus Papier besteht und mit viskosen Flüssigkeiten oder mit halbfesten Materialien imprägniert ist, z. B. mit dicken Ölen, Vaseline, Mischungen von dicken Ölen mit Natur- oder Kunstharzen, Kohlenwasserstoffpolymeren usw. So ist beispielsweise in der österr. Patentschrift Nr. 184226 eine Imprägniermasse beschrieben, die aus einem Isolieröl und einem synthetischen Kohlenwasserstoffwachs, also einem nichtelastomeren Material, mit oder ohne Zusatz von Polyisobutylen und bzw. oder Polyäthylen besteht. Durch die österr.
Patentschrift Nr. 156456 ist ein Tränkungs- und Vergussmittel unter anderem fur Kabel bekanntgeworden, welches aus einem weitgehend depolymerisierten hydrierten, also ein niedriges Molekulargewicht aufweisenden Kaut- schuk-Kohlenwasserstoffim Gemisch mit Paraffinöl oder Paraffin zusammengesetzt ist. Nach der deutschen Patentschrift Nr. 973637 ist als Tränkmasse für ein papierisoliertes elektrisches Massekabel eine Lösung oder Suspension von festen Äthylenpolymeren, also wieder ein nichtelastomeres Material, in einem Mine-
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ralöl vorgeschlagen worden. Sämtliche in den vorstehend angeführten Patentschriften genannten Imprägniermassen weisen die bereits eingehend beschriebenen nachteiligen Erscheinungen auf.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl Änderungen der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur für die vorgenannten Imprägniersubstanzen besonders relevant sind, als auch darauf, dass diese Substanzen aus grossen Molekülen aufgebaut sind, die nicht genügend beweglich sind, um die Wiederverteilung bzw. Zerstreuung von Raumladungen im Innern des Dielektrikums zu erleichtern.
Das mit Mischungen der vorstehend angegebenen Art imprägnierte Papier ist eines jener Materialien, die vorwiegend für die Isolierungen von Kabeln im allgemeinen und von Gleichstromkabeln im besonderen benützt werden, und stellt daher einen Fall von hervorragender Wichtigkeit dar.
Aus dem vorstehend Gesagten geht klar hervor, dass eine Verbesserung des Verhaltens im Gleichstromfeld von aus imprägnierte Papier hergestellten Dielektrikas erreicht werden könnte, wenn man als Imprägniermischung ein Material verwendet, dessen Viskosität so wenig als möglich von der Temperatur beeinfluss wird und welches wenigstens teilweise aus sehr beweglichen Molekülen besteht, die die Eignung besitzen, eine leichte und rasche Wiederverteilung von Ladungen durch Transport beliebiger Mengen von zur Entstehung neigenden nicht im Gleichgewicht befindlichen Raumladungen zu ermöglichen.
Es ist begreiflich, dass für diese Dielektrika die Verwendung von sehr dünnen Papieren, die die Neutralisation der an gegenüberliegenden Flächen lokalisierten elektrischen Ladungen erleichtern, und bzw. oder die Verwendung von sehr porösen Papieren, die die Zerstreuung dieser Ladungen beschleunigen, besonders ratsam wäre.
Zum Beleg dafür, dass die beschriebene Situation tatsächlich gegeben ist, sei noch auf die folgenden Beobachtungen hingewiesen. Die Dielektrika, die im Verlaufe der Kühlphase Perforationen stärker ausgesetzt sind, zeigen eine typische Umkehr des gerade in dieser Phase aufgenommenen Stromes, was die instabile innere Verteilung der elektrischen Ladungen veranschaulicht, wogegen bei den weniger empfindlichen Dielektrikas die erwähnte Stromumkehr fehlt oder eine stark verminderte Grösse hat und nur während ganz kurzer Zeitabschnitte vorkommt.
In Fig. 1 der angeschlossenen Zeichnung ist ein Diagramm dargestellt, welches an Hand eines Beispieles die Änderung des elektrischen Stromes i zeigt, der von dem Dielektrikum in einer Zeit t aufgenommen wird. In einem ersten Zeitabschnitt, in welchem sich das Dielektrikum auf einer Temperatur von 600C befindet, erreicht der aufgenommene Strom, der nach einem anfänglichen raschen Abfall unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung auftritt, einen Stabilisationswert il. Wenn einmal dieser Wert erreicht ist und in einem Zeitpunkt t ein rasches Abkühlen durch Absenken der Temperatur z.
B. von 600C auf 250C ausgeführt wird, so nimmt der aufgenommene Strom in einer kurzen Zeitspanne ab, wo- bei für Dielektrika, die während der Kühlphase starken Perforationen ausgesetzt sind, beobachtet wurde, dass vor Wiedererreichen des neuen, der Temperatur von 250C entsprechenden Stabilisationswertes i2 der Strom stark unter den genannten Wert absinkt oder sogar seine Richtung umkehrt, wie dies Kurve 1 in Fig. 1 zeigt.
Dies ist ein Anzeichen für die instabile Verteilung der Raumladungen innerhalb des Dielektrikums'.
Anderseits haben Dielektrika, die in der Kühlphase weniger empfindlich sind, überhaupt nicht diese Anomalie beim aufgenommenen Strom aufzuweisen, wie dies Kurve 2 in Fig. l veranschaulicht, oder sie zeigen diese Anomalie in vermindertem Masse und nur für kurze Zeitabschnitte, u. zw. entsprechend einer Kurve, die einen zwischen den Kurven 1 und 2 liegenden Verlauf hat, der aber näher an Kurve 2 liegt.
Die weniger empfindlichen Dielektrika sind im allgemeinen durch die beiden vorgenannten Merkmale gekennzeichnet, nämlich eine geringe Änderung der Viskosität als Folge von Temperaturänderungen und eine beträchtliche Beweglichkeit der Imprägniermischung. Dies ist beispielsweise der Fall für ein Dielektrikum bei mit Öl gefüllten Kabeln bzw. bei mit Gas unter Hochdruck gefüllten Kabeln (im letztgenannten Fall wirkt offensichtlich dasselbe Gas als Mittel zum Transport der Ladungen) ; diese Kabel sind zur Verwendung bei Gleichstrom gut geeignet. Der einzige Nachteil bei Verwendung dieser beiden Kabeltypen für Gleichstrom besteht bei Unterwasserverlegung über grosse Distanzen, denn das Problem, Öl oder Gas unter Druck an den Enden der Leitung zuzuführen, ist schwierig zu lösen.
Für die Verlegung von unterseeischen Kabeln von beträchtlicher Länge ist es aus diesem Grunde notwendig, Kabel vom sogenannten"festen Typus"zu verwenden, nämlich Kabel mit einer Isolierung, die aus mit einer geeigneten Mischung imprägniertem Papier hergestellt ist, wobei diese Kabel keine Zufuhr von Flüssigkeit unter Druck an ihren Enden benötigen.
Die Erfindung zielt daher auf die Schaffung von Imprägniermischungen für feste Kabel solcher Art ab, die sich durch nur kleine Änderungen der Viskosität als Folge von Temperaturänderungen und durch eine beträchtliche Beweglichkeit auszeichnen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher eine Imprägniermischung für elektrische Gleichstromkabel vom festen Typus, welche im wesentlichen durch Auflösen von Kohlenwasserstoffpolymeren von hohem Mo- lekulargewicht und elastomerer Beschaffenheit in Mineralölen, flüssigen synthetischen Kohlenwasserstof- fen oder Gemischen derselben mit niederer Viskosität erhalten werden. Eines der Hauptmerkmale dieser
Mischungen liegt darin, dass die Änderung ihrer Viskosität mit der Temperatur praktisch dieselbe, in ih- rem Absolutwert sehr verminderte Änderung wie bei der am stärksten flüssigen Komponente der Mischung ist, womit diese Viskositätsänderung viel kleiner ist als bei den gebräuchlichen Imprägniermischungen für Kabel vom festen Typus.
Fig. 2 der Zeichnung stellt das Diagramm der Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von der Tem- peratur für zwei Imprägniermischungen A und B gemäss der Erfindung im Vergleich zu zwei gebräuchli - chen Mischungen C und D dar. Die Mischung C besteht im wesentlichen aus dickem Kabelöl und Kolo- phonium und die Mischung D aus dickem Kabelöl und andern Kohlenwasserstoffpolymeren (Polyisobu- tylenen).
Fig. 3 der Zeichnung zeigt in Abänderung der Fig. 2 das Diagramm der Änderung des Widerstandes mit der Temperatur der beiden Mischungen A und B im Vergleich mit jenen der gebräuchlichen Mischun- gen C und D.
Aus beiden Diagrammen ist zu ersehen, dass die Änderungen der Viskosität bzw. des Widerstandes mit der Temperatur bei den Mischungen A und B, die zu der Klasse von Imprägniermischungen gemäss der Erfindung gehören, viel stärker begrenzt sind.
Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Mischungen besteht darin, dass sie zu einem grossen Teil aus
Kohlenwasserstoffen von sehr niederem Molekulargewicht gebildet sind, deren Moleküle sehr beweglich sind und für die Zerstreuung der elektrischen Ladungen durch Transport geeignet sind. Die Viskosität die- ser flüssigen, einen Teil der Mischung ausmachenden Kohlenwasserstoffe übersteigt tatsächlich in keinem Fall den Wert von 100 cSt bei 20 C, wogegen der Viskositätswert der einen Anteil der gebräuchlichen Im- prägniermischungen bildenden Kohlenwasserstoffe stets höher als 2000 cSt liegt.
Bei Versuchen zur Be- stimmung der Beweglichkeit von elektrisch aufgeladenen Molekülen wurde festgestellt, dass sich die er- findungsgemässen Imprägniermischungen in dieser Hinsicht praktisch wie ihre Flüssigkeitskomponente verhalten, wodurch sie sich erheblich von den gebräuchlichen Imprägniermischungen unterscheiden.
Dieser Umstand zeigt, dass in den Imprägniermischungen gemäss der Erfindung die Beweglichkeit der flüssigen Komponente von der darin gelösten Polymerkomponente nicht merklich beeinflusst wird. In diesen Mischungen ist die flüssige Komponente aus Mineralölen oder aus flüssigen synthetischen Kohlenwasserstoffen oder aus Gemischen dieser beiden Produkte aufgebaut, die eine Viskosität bei 200C im Bereiche von 10 bis 100 cSt sowie einen Flammpunkt im offenen Tiegel (Marcusson) von nicht weniger als 1100C haben ; ausserdem besitzen sie elektrische Eigenschaften, die den Anforderungen für Imprägniermischungen von elektrischen Kabeln entsprechen.
Die Polymerkomponente der erfindungsgemässen Mischungen ist aus Polymeren von Kohlenwasserstoffen oder deren Gemischen mit überwiegend elastomerer Beschaffenheit und einem Molekulargewicht in einem Bereiche zwischen 15000 und 250000 gebildet. Es ist nicht wesentlich, dass dieses Polymer bzw.
Polymergemisch aus gesättigten Produkten besteht, doch wird dieser Zustand bevorzugt.
Das Produkt, das bei der Auflösung der Polymerkomponente in der flüssigen Komponente entsteht, hat eine Viskosität bei 500C in einem Bereiche von 600 bis 3000 cSt und elektrische Eigenschaften, die den Anforderungen für die üblichen Imprägniermischungen von mit Papier isolierten Kabeln entsprechen.
Die Herstellung von Imprägniermischungen gemäss der Erfindung ist sehr leicht und kann durch Mischen der Bestandteile in einem geschlossenen, mit Rührer versehenem Kocher ausgeführt werden, u. zw. bei einer Temperatur im Bereiche von 800 bis 1200C während einer Zeit, die zur Erzielung einer vollständigen Lösung notwendig ist. Das Auflösen wird vorzugsweise unter der Atmosphäre eines inerten Gases, wie Stickstoff, Kohlendioxyd usw. ausgeführt, um Oxydationen zu vermeiden.
Ausführungsbeispiele :
Die Zusammensetzungen der Mischungen A und B, auf die sich die Diagramme der Fig. 2 und 3 beziehen, werden nachstehend als Beispiele der Imprägniermischungen gemäss der Erfindung für Kabel vom festen Typus angegeben.
Mischung A
EMI3.1
<tb>
<tb> Dodecylbenzol
<tb> mit <SEP> einer <SEP> Viskosität <SEP> von <SEP> 12 <SEP> cSt <SEP> bei <SEP> 200C
<tb> und <SEP> einem <SEP> Flammpunkt <SEP> in <SEP> offener <SEP> Schale <SEP> von <SEP> 1350C <SEP> 96%
<tb> Polyisobutylen <SEP> vom <SEP> Molekulargewicht <SEP> 100000 <SEP> 4%
<tb> 100%
<tb>
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Mischung B
EMI4.1
<tb>
<tb> Flüssiges <SEP> Kabelöl
<tb> mit <SEP> einer <SEP> Viskosität <SEP> bei <SEP> 20 C <SEP> von <SEP> 25 <SEP> cSt
<tb> und <SEP> einem <SEP> Flammpunkt <SEP> in <SEP> offener <SEP> Schale <SEP> von <SEP> 1500C <SEP> 98, <SEP> 50/0
<tb> Polyisobutylen <SEP> vom <SEP> Molekulargewicht <SEP> 200000 <SEP> 1, <SEP> 5%
<tb> 100, <SEP> 0%
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Imprägniermischungen für elektrische Gleichstromkabel vom festen Typus, mit einer Viskosität bei 500C in einem Bereiche von 600 bis 3000 cSt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Polymerkomponente aus Polymeren von, vorzugsweise gesättigten, Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen mit überwiegend elastomerer Beschaffenheit und einem sehr hohen Molekulargewicht in einem Bereiche zwischen 15000 und 250000 enthalten, welche Komponente in einer flüssigen Komponente gelöst ist, die aus Mineralölen, flüssigen synthetischen Kohlenwasserstoffen oder Gemischen derselben besteht sowie eine niedrige Viskosität bei 20 C, nämlich zwischen 10 und 100 cSt und einen Flammpunkt in offener Schale (Marcusson) von mindestens 110 C besitzt.