NO841706L - Elektriske isolasjoner - Google Patents

Description

Elektriske isolasjoner.

Oppfinnelsen angår elektriske isolasjoner på polyolefin-basis, særlig ved kabler og ledninger, for midlere og høye spenninger fra ca. 10 kV og oppover, og med en tilsetning til å sinke såkalt "vanntre"-dannelse.

I elektrisk påkjente polyolefinisolasjoner kan der avspille seg prosesser som betegnes som "electrochemical treeing" (ECT) eller "water treeing". Disse prosesser, som særlig er av betydning når det gjelder driftssikkerheten av kunststoffisolerte kabler for midlere og høyere spenninger, fører til dannelse av tre-lignende strukturer, såkalte ECT-strukturer.

ECT-strukturer som efter egnet fargning er særlig kontrastrikt og detaljert synlige, kan fremtre optisk i mange forskjellige former. I prinsippet sondrer man mellom to former: "vented trees", som strekker seg inn i isolasjonen fra dens overflate, og

"bow-tie trees", som oppstår i det indre av isolasjonen. Mekanismen når det gjelder ECT-dannelse, har hittil ikke vært klarlagt. Men i allminnelighet antar man at der for dannelsen av ECT-strukturer behøves et elektrisk felt og tilstedeværelsen av en polar væske, særlig vann. ECT-strukturene blir derfor også betegnet som "vanntrær". Initieringsstedene for vanntrærne finnes alltid å være til-stede hvor der. forekommer forstyrrelser som forurensninger, aggregerte tilblandinger, hulrom, spalter, riss eller grense-flater, selv om der hver gang bare er en del av disse som fører til dannelsen av vanntrær. Fra de steder hvor der forekommer forstyrrelser som ikke lar seg unngå fullstendig ved isolasjoner fremstilt i stor teknisk målestokk, strekker de tre-lignende strukturer seg i retningen for det elektriske felt.

Da ECT-strukturer representerer lokale endringer i isolasjonsmaterialet, kan de bevirke skade på isolasjonen, særlig når det gjelder elektrisk gjennomslagsfasthet.

Derfor har der allerede vært foretatt tallrike forsøk på å forhindre vekst av vanntrær, eller i det minste å sinke den.

Ett av tiltakene til å forhindre dannelsen av vanntrær består i å forsyne isolasjonslaget med en metallisk om-hylling resp. ommantling, f.eks. av bly eller aluminium. Kabler med et slikt vannavskjermende skikt er imidlertid ikke bare kostbare, men også tyngre og derfor også mer tungvinte å håndtere enn kabler uten metallhylster.

Av disse grunner har det allerede vært forsøkt å forebygge dannelsen av ECT-strukturer ved å føye additiver til isolasjonslaget (eller tilgrensende lag). Blant de mange forbindelser som har vært anvendt til formålet, kan f.eks. nevnes: blystearat (DE-OS 24 25 760 resp. GB-PS 1.473.867), natriumklorid og -sulfat eller andre sterke elektrolytter (DE-AS 25 37 283 resp. US-PS 4.042.776), stabile salter som danner hydrater, som kalsium- og magnesiumklorid, og basiske anhydrider (DE-OS 28 17 804

resp. GB-PS 1.584.501), silikagel og fosforpentoksyd (DE-OS 27 54 336), organosilaner (US-PS 4.144.202,

4.212.756 og 4.263.158 samt DE-OS 28 05 875), blyoksyder og basiske blyforbindelser (DE-OS 25 23 844 og 28 06 752) , organiske isocyanater (US-PS 4.282.333), på polymer-materialet påførte silanforbindelser (DE-OS 29 35 224), - samt metallkomplekser av diketoner, salicylsyre eller schiffske baser (EP - Al - 27 300).

På den annen side har det i motstrid til forslagene om å tilsette saltaktige forbindelser resp. elektrolytter, imidlertid også vært foreslått å holde isolasjonens innhold av finfordelte vannoppløselige og/eller hygroskopiske salter under en verdi av 10 ppm, og fortrinnsvis under IO<-4>ppm (DE-OS 29 11 756).

Åpenbart har imidlertid alle disse tiltak, som dessuten tildels også motsier hverandre, ennå ikke ført til det ønskede resultat. For ekempelvis finner man. i en rapport om Cigré-konferansen, d.v.s. den Internasjonale Høyspennings-konferanse, av 1980. en anbefaling (jfr. "Kunststoffe" 71, 1981, side 448 o.f.) om ved (høyspennings-)kabler å påføre en vanntett metallskjerm for å forhindre inntrengen av fuktighet.

Oppfinnelsens oppgave er ved elektriske isolasjoner

av den innledningsvis nevnte art, d.v.s. slike på basis av fornettede og ufornettede polyolefiner, ved egnede tilsetninger å undertrykke vekst av vanntrær varig og effektivt, resp. såvidt mulig å forhindre dannelsen av dem, så det blir mulig å gi avkall på kostbare tiltak, som påføring av metallmantler.

Dette blir ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at de elektriske isolasjoner som tilsetning i homogen fordeling inneholder 0,05 til 10 vektprosent, regnet på samlet vekt,

av et stoff som er adsorpsjonsaktivt for tungmetallioner eller binder tungmetallioner under ioneutveksling og har en partikkelstørrelse opp til 50 jam, resp. en agglomerat-størrelse opp til 100 jam. Denne tilsetning kan forekomme alene eller i form av blandinger i de elektriske isolasjoner.

Med betegnelsen "homogen fordeling" forstås innen ram-men av den foreliggende patentsøknad det forhold at der ikke behøves, resp. gjøres bruk av, særskilte tiltak til å på-virke den fordeling som resulterer ved forarbeidelsen.

Fortrinnsvis inneholder de elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen som tilsetning pyrogen og/eller felt kiselsyre. Som tilsetninger kan der imidlertid fordelaktig også benyttes aluminiumoksyder og -oksydhydrater med stor aktiv overflate, og/eller aluminiumsilikater. Ved tilsetningene dreier det seg her fortrinnsvis om syntetiske produkter. Men der kan også anvendes naturlig forekommende mineraler, nemlig når de fyller strenge krav til renhet og jevnhet av partikkelstørrelsen. Mineralene skal inne-holde minst mulig gangart og minst mulig av forurensende spor. Men også generelt bør tilsetningene være så rene som mulig.

De kiselsyrer som inneholdes i de elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen, er fortrinnsvis syntetiske produkter som foreligger i høydispers, altså findelt form". Disse kiselsyrer (kjemisk sammensetning: Si02. x 1^0) ut-merker seg også ved at de ikke er krystalline, men røntgen-amorfe. Syntetiske kiselsyrer blir i allminnelighet fremstilt efter pyrogene metoder eller våte metoder. Pyrogen kiselsyre oppstår f.eks. ved hydrolyse av silisiumtetraklorid i en knallgassflamme (temperatur ca. 1000°C). Felt kiselsyre

(eller fellings-kiselsyre) fremstilles av natriumsilikat-oppløsninger ved tilsetning av syrer, som salt- eller svovel-syre. Fellingsproduktet blir da vasket, tørret og varmet opp til 300 til 800 °C, fortrinnsvis 400 til 700 °C, samt derpå nedmalt.

De aluminiumoksyder og -oksydhydrater som inneholdes i de elektriske isolasjoner, kan anvendes i form av naturlig forekommende mineraler, som AIO(OH) resp. A1203.H20. Oksydene eller oksydhydratene kan imidlertid også - efter kjente metoder - syntetiseres. Der blir da f.eks. fra aluminiumsulfatoppløsninger ved hjelp av ammoniak utfelt oksydhydrater som tørkes og derpå varmes opp til temperaturer på 400 til 750 °C, fortrinnsvis 500 til 600 °C, og så nedmalt.

Aluminiumsilikatene kan likeledes anvendes i form av (rensede) naturlige mineralprodukter som kaolinitt Al4(OH)g £si4°l(^} resp. Al203- 2 Si02.2 H,,0, montmorillonittAl2(OH)2[si40-L^| resp. Al203.4 Si02. H20 og bentonitt, et leiremineral med montmorillonitt som hovedkomponent. Aluminiumsilikatene kan imidlertid likeledes felles fra opp-løsninger efter kjente metoder. Efter tørring blir de så varmet opp til 350 til 950 °C, fortrinnsvis 450 til 700 °C, "og så nedmalt.

Ved hjelp av tilsetningene ifølge oppfinnelsen er det mulig dels å undertrykke ECT-dannelsen i elektriske isolasjonsmaterialer, og dels - takket være disse forbindelser -

å utvide tilbudet når det gjelder virksomme tilsetninger. Dette tilbud bestod hittil i barbitursyre, resp. 2-thiobarbi-tursyre og derivater herav (DE-OS 32 02 828) såvel som i vannoppløselige alkali- eller jordalkali-fosfater og hydro-lyserbare fosforsyreestre (DE-OS 32 02 896).

Fra det allerede nevnte DE-OS 27 54 336 er der kjent en høyspenningskabel med en lederisolasjon av kunststoff, særlig en polyolefin, hvor der i kunststoffisolasjonen foreligger et diffusjonsfall innenfra og utover. Ved dette tiltak skal det oppnås at dannelsen og veksten av vanntrær i den ekstruderte lederisolasjon blir forhindret mest mulig pålitelig. Til å frembringe et diffusjonsfall i lederisolasjonen blir der i den forbindelse gitt anvisning på en rekke muligheter, som å omgi lederisolasjonen med et lag av vannabsorberende teriale eller av et materiale med høy tapsfaktor, å bringe inn et vannabsorberende stoff i isolasjonen med innenfra og utover tiltagende konsentrasjon (som slike stoffer nevnes silikagel og fosforpentoksyd), få varme opp lederen eller kjernen omkring isolasjonen, samt å lede inn en tørr qass-strøm mellom lederisolasjon ■ • og yttermantel. Det anbefales i den forbindelse som hensiktsmessig å anvende flere av disse tiltak samtidig. Når det gjelder konsentrasjon og partikkel-størrelse av silikagel og fosforpentoksyd, er der ikke sagt noe uttrykkelig. Forøvrig bringer anvendelsen av slike vannabsorberende stoffer heller ingen varig løsning av problemet.

Alle de nevnte forholdsregler er imidlertid meget kostbare. Dette gjelder også for frembringelsen av et konsentra-sjonsfall i isolasjonslaget. Det var derfor mer enn over-raskende og kunde ikke forutses at det - også når det gjelder å oppnå stor effektivitet - er tilstrekkelig for å forhindre ECT-dannelse f.eks. å anvende pyrogen eller felt . kiselsyre som tilsetning og fordele denne tilsetning homogent i isolasjonsmaterialet. Dette gjelder også med hensyn til det - likeledes allerede nevnte - DE-OS.28 05 875. Ut fra dette skrift er det ved høyspenningskabler kjent til ekstruderte, feltbegrensende skikt som inneholder lededyktig sot, særlig til de ytre ledende skikt, for å forhindre ECT-dannelse å sette alkoksysilaner og adsorpsjonsaktive fyllstoffer i form av overflateaktivt sot, findispers felt . kiselsyre og/eller syntetiske kiselsyrer. Den vesentlige tilsetning i den forbindelse er imidlertid alkoksysilanet, som blir hydrolysert av det vann som trenger inn i kabelen, altså tjener til" kjemisk binding av det inntrengende vann. Målet for de nevnte tiltak er nemlig å senke fuktighetsinnholdet i isolasjonen.

I motsetning til dette går man ved den foreliggende oppfinnelse ut fra den forestilling at metallioner som forekommer i isolasjonen, fremmer ECT-prosessen, samtidig som det skadelige innhold av metallioner er jevnt fordelt i isolasjonen. Disse metallioner blir bundet ved hjelp av de tilsetninger som oppfinnelsen gir anvisning på, og fuktighet som finnes i isolasjonen, blir da ikke lenger istand til å bevirke dannelse av

ECT.

6

Foruten ved kabler og ledninger kan de elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen også anvendes i muffer og armaturer. Som grunnlag ved disse isolasjonsmaterialer tjener polyolefiner, nærmere bestemt fornettede eller ufornettede materialer. Spesielt finner polyeten (PE)

og fornettet polyeten (VPE) anvendelse i isolasjonene ifølge'oppfinnelsen. Dessuten kan der imidlertid også anvendes eten-copolymere, som eten-propylen-copolymere (EPR), eten-vinylacetat-copolymere (EVA) og eten-alkylakrylat-copolymere (f.eks. eten-etylakrylat- og -butylakrylat-copolymere), resp. eten-propylen-dien-terpolymere og kjemiske blandinger (blends) av disse eten-copolymere og -terpolymere med polyolefiner, særlig polyeten og polypropylen. De nevnte polymere resp. polymerblandinger kan, som allerede nevnt, finne anvendelse både i fornettet og ufornettet form. Fornetting skjer da fortrinnsvis peroksydisk eller ved

hjelp av energirike stråler. Isolasjonsmaterialene kan eventuelt også være forsynt med oksydasjonsstabilatorer.

Andelen av tilsetningene ligger, som allerede påpekt, mellom 0,05 og 10 vektprosent, regnet på den samlede vekt av isolasjonen. Fordelaktig ligger andelen av tilsetningene mellom 0,1 og 4 vektprosent, fortrinnsvis 0,5 til 2 vektprosent. Tilsetningenes konsentrasjon er begrenset oppad ved at den elektriske tapsfaktor ikke skal stige påtagelig. Forøvrig må spesifikasjonene ifølge IEC-publikasjon 502 (utgave 1978) være oppfylt.

Tilsetningene tilføres isolasjonsmaterialet. Ved kabler og ledninger kan de - foruten de egentlige isolasjons-lag - imidlertid også tilsettes de feltbegrensende skikt, d.v.s. det indre og/eller ytre ledeskikt.

Ide elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen utgjør tilsetningenes partikkelstørrelse opp til 50 yum, resp. agglomeratstørrelsen opp til 100 pm. Ved agglomerater forstås i denne forbindelse løse sammenleiringer av partikler som - f. eks. ved =skjærk:ref ter - kan deles opp i større eller mindre grad. Fordelaktig utgjør partikkelstørrelsen opp til 20 yum.

Tilsetningene kan også innarbeides i polyolefinene sammen med såkalte flegmatiseringsmidler, og isåfall fore—

trekkes en pasta av tilsetningen og et flegmatiserings-middel. Som flegmatiseringsmidler egner seg særlig paraffiner , paraffinalkoholer og estre, hvorav hydro-karboner, d.v.s. u-polare forbindelser, foretrekkes på

grunn av opprettholdelsen av de elektriske egenskaper.

Oppfinnelsen vil bli ytterligere belyst ved ut-førelseseksmpler.

Til påvisning av minskningen av vanntre-dannelsen

ble der ut fra høy-rent,.ustabilisert termoplastisk polyeten med lav tetthet (LOPE) fremstilt 3 mm tykke plater - med og uten tilsetning. For fremstilling av isolasjoner i samsvar med oppfinnelsen ble der i den forbindelse i en del av platematerialet før pressningen homogent inn-blandet pyrogene kiselsyrer med forskjellig aktiv overflate, som er å få i handelen under navnet Aerosil*^, i konsentrasjoner på 0,5 og 1 vektprosent. De plateformede prøvestykker ble så belastet elektrisk med 10 kV/50Hz, hvorunder begge overflatene befant seg i direkte kontakt med en 3 %'s natriumkloridoppløsning oppvarmet til 70 °C. Varigheten av belastningen utgjorde 130 timer.

Forsøksresultatene viser at de plateformede prøve-stykker med pyrogen kiselsyre - under samme forsøksbetingel-ser - sammenholdt med prøvestykkene uten kiselsyretilsetning inneholder mindre, resp. slett ingen ECT-strukturer. Videre fant man også en anseelig forskjell i størrelsen av ECT-strukturene. For mens lengdeutstrekningen av ECT-strukturene i det elektriske felts retning utgjør opp til 1500 ^im i prøvestykkene uten kiselsyretilsetning, har de kiselsyre-holdige prøvestykker ECT-strukturer under 500 pm.

I detalj fant man f.eks. følgende:

De ovenfor oppførte pyrogene kiselsyrer viser - i den angitte rekkefølge - en tiltagende spesifik overflate, målt efter EET-metoden (Aerosil 130 : 130 1 25 m<2>/g ....... Aerosil 380 : 380 i 30 m<2>/g). Av dette fremgår det at tilsetningene ved de elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen fortrinnsvis har stor spesifik overflate.

Tilsvarende resultater som ved pyrogen kiselsyre fås også ved tilsetning av felt kiselsyre (hydrofil, BET-overflate : 170 m<2>/g). For mens plateformede prøvestykker uten tilsetning som allerede nevnt, inneholder tallrike ECT-strukturer med en lengde opp til 1500 ^um, har prøvestykker med tilsetning av felt kiselsyre (andel: 0,5 til 1 vektprosent) meget få ECT-strukturer med en lengde ^ Z- 100yum.

Ved de elektriske isolasjoner ifølge oppfinnelsen er det vesentlig at tilsetningene er hydrofile, som det er tilfellet ved de syntetiske kiselsyrer. For disse kiselsyrer har ved overflaten SiOH-grupper. Blir disse grupper - f.eks. ved omsetning med alkylklorsilaner - substituert, så oppstår partiellt eller fullstendig hydrofoberte produkter. Et slikt produkt er f.eks. det i handelen forekommende Aerosil R 972. Blir en slik kiselsyre anvendt som tilsetning til elektriske isolasjoner, så fås der - under de ovenfor angitte betingelser - like mange ECT-strukturer som ved prøve-stykker uten tilsetning, men lengden av ECT-strukturene er til og med større: Den utgjør opp til 2400 yum.

Tilsvarende gjelder ved hydrofobe felte kiselsyrer.

Prøvestykker med slike kiselsyrer (BET-overflate: 100 m 2/g) har da, sammenholdt med sammenligningsforsøket, til og med et øket antall av ECT-strukturer, og dertil også med større lengde ( ^ 1900 yum).

Tilsvarende resultater som ved kiselsyrer fås også ved tilsetning av aluminiumoksyder resp. -oksydhydrater, og aluminiumsilikater (konsentrasjon: 0,1 til 1 vektprosent). Således oppviser f.eks. prøvestykker med en tilsetning av kaolinitt eller metakaolinitt (BET-overflate: 70 m 2/g) få ECT-strukturer med en lengde ^ 500yim, og ved prøvestykker med en tilsetning av syntetisk ^- Al^^ (BET-overflate: 220 m<2>/g) få ECT-strukturer med en lengde :ér 300yum.

De resultater man fikk.ved plateformede prøvestykker, ble bekreftet ved undersøkelser på kabler. Således ga f.eks. en kontroll av en forsøkskabel med en tilsetning av 2 vektprosent Aerosil 300 til isolasjonen - efter en be-lastningstid på 2600 h - bare enkelte spredte ECT-strukturer med en lengde opp til 200 Jam, mens en forsøkskabel uten tilsetning hadde mange ECT-strukturer med en lengde opp til 1000^im.

Det viser seg således at ECT-dannelsen kan reduseres betraktelig ved hjelp av tilsetningene ifølge oppfinnelsen, og det allerede i små konsentrasjoner. Dette har den ytterligere fordel at isolasjonenes elektriske egenskaper ikke eller bare i uvesentlig grad blir influert.

Claims (7)

1. Elektriske isolasjoner på polyolefinbasis, særlig ved kabler og ledninger, for midlere og høye spenninger fra ca. 10 kV og oppover, med en tilsetning til å sinke vanntre-dannelse, karakterisert ved at de som tilsetning inneholder i homogen fordeling 0,05 til 10 vektprosent, regnet på samlet vekt, av et stoff som er adsorpsjonsaktivt for tungmetallioner eller binder tungmetall-ioner under ione-utveksling og har en partikkelstørrelse opp til 50 ^um, resp. en agglomeratstørrelse opp til 100 ^ira.

2. Elektriske isolasjoner som angitt i krav 1, karakterisert ved at de som tilsetning inneholder pyrogen og/eller felt kiselsyre.

3. Elektriske isolasjoner som angitt i krav 1, karakterisert ved at de som tilsetning inneholder aluminiumoksyder og -oksydhydrater med stor aktiv overflate og/eller aluminiumsilikater.

4. Elektriske isolasjoner som angitt i krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at de inneholder tilsetninger i form av syntetiske produkter.

5. Elektriske isolasjoner som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at andelen av tilsetning utgjør 0,1 til 4 vektprosent, særlig 0,5 til 2 vektprosent.

6. Elektriske isolasjoner som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at tilsetningens partikkelstørrelse utgjør opp til 20 yum.

7. Fremgangsmåte til fremstilling av elektriske isolasjoner som angitt i et av kravene 1-6, karakterisert ved at tilsetningene innarbeides i polyolefinene sammen med flegmatiseringsmidler, fortrinnsvis i form av en pasta.