SE514062C2 - Isolerad elektrisk likströmskabel - Google Patents

Description

Él4 062 2 överföringssystemen ekonomiska för arrangemang som innebär långa di- stanser, såsom för system avsedda för överföring från avlägsna kraftverk till konsumenter men även för överföring till öar och andra system med överfö- ringsavståncl där besparingarna i överföringsutrustning överstiger kostnaden för anslutningsstationen.

En viktig fördel med DC-drift är eliminering praktiskt taget av dielektriska förluster, varigenom en betydande vinst i effektivitet och besparingar i ut- rustning erbjudes. DC-läckströmmen är av sådan liten storlek att den kan försummas vid märkströmsberäkningar, under det att dielektriska förluster orsakar en väsentlig reduktion i märkström i AC-kablar. Detta är av avse- värd betydelse för system med högre spänningar. På samma sätt är hög ka- pacitans ej en nackdel i DC-kablar.

Liksom i fallet med AC-överföringskablar är transienta spänningar en faktor som mäste vägas in vid bestämning av isolationstjockleken hos DC-kablar.

Det har framkommit att det mest besvärliga förhållandet inträffar när en transient spänning av motsatt polaritet till driftstpånningen läggs över sys- temet när kabeln är fullt belastad. Om kabeln är ansluten till ett luftled- ningssystem inträffar ett sådant förhållande vanligen som ett resultat av blixttransienter.

En typisk DC-överföringskabel inkluderar en ledare och ett isoleringssystem omfattande ett flertal skikt, såsom en inre halvledande skärm, en isola- tionskropp och en yttre halvledande skärm. Kabeln är i typiska fall kom- pletterad med hölje, armering etc., för att motstå vattenpenetrering och eventuellt mekaniskt slitage eller krafter under produktion, installation och användning. Nästan samtliga DC-kabelsystem som hittills tíllhandahållits har varit avsedda för sjökabelförbindelser eller landkabeln förbunden med dem. För långa förbindelser väljs kabeltyp med solid massairnpregnerad pappersisolering eftersom det ej finns några restriktioner avseende längd pga. tryckkrav. Den har hittills tíllhandahållits för driftsspänningar på upp till 450 kV. Hittills har en lindad kropp omfattande ett huvudsakligen helti- ä14 062 3 genom pappersband, dvs. ett band baserat på pappers- eller cellulosaflbrer, använts, men tillämpning av laminerade bandmaterial såsom larninerat po- lypropen-pappersband överväges. Den lindade kroppen är i typiska fall im- pregnerad med en elektrisk isolerolja eller massa. En kommersiellt tillgänglig isolerad elektrisk DC-kabel, såsom en överförings- eller distributionskabel utformad för drift vid högspänning, dvs. en spänning över 100 kV, tillverkas typiskt genom en process omfattande lindning eller spolning av en porös, ñbrös och/ eller laminerad fast isolering baserad på cellulosa- eller pappers- fibrer följt av impregnering med den elektriska isoleroljan. lmpregneringen, som typiskt utförs satsvis efter att isoleringen har anbringats runt ledaren, är tidskrävande och måste noggrant övervakas och regleras. För impregne- ring av en DC-kabel där flera kilometer kabel skall impregneras med en ty- piskt viskös vätska, uppvisar processen en cykeltid som sträcker sig över i dygn eller veckor eller till och med månader. Dessutom utförs denna tids- krävande impregneringsprocess enligt en noggrant utvecklad och strängt reglerad processcykel med specificerad förändring av både temperatur- och tryckförhållanden i det impregneringskårl som används och under upphett- ning, varmhållning och avkylning för säkerställande av en fullständig och jämn impregnering av den fiberbaserade isoleringen.

En transformator eller reaktor för användning i ett DC-överföringsnät, vid en kraftanläggning eller en stor konsumentinstallation såsom en industrian- låggning omfattar likaledes i typiska fall porösa, ñbrösa och/ eller laminerade isolerande kroppar anordnade runt och mellan ledare. I typiska fall används förformade kroppar, exempelvis så kallade presspan, tillverkade genom av- vattning och/ eller pressning av en uppslamning omfattande fibrema. Krop- parna impregneras med en dielektrisk vätska för erhållande av de erfordrade elektriska egenskaperna. lmpregneringen av dessa kroppar i en transforrna- tor är, ehuru ej tidskrävande, en känslig process och specifika krav ställs på vätskan, det medium som skall impregneras och de processvariabler som används för impregnering. 5"l4 062 4 En kondensator har en laminerad struktur med ett dielektrisk medium om- fattande en eller flera polymerfilmer belägna mellan två elektroder. I typiska fall används filmer av polyolefin eller termoplastisk polyester. Kondensatorn impregneras typiskt med en dielektrisk vätska. Impregnering av den lamine- rade strukturen i en kondensator är, ehuru ej tidskrävande, en känslig pro- cess och specifika krav ställs på vätskan, det medium som skall impregneras och processvariablema som används vid impregneringen.

Den aktiva delen i de impregnerade isoleringssystem som beskrivits i det fö- regående är den fasta delen, såsom cellulosafibrer, polymerñlmer eller eventuellt laminat eller band som används. Den dielektriska vätskan skyd- dar isoleringen mot upptag av fukt och fyller alla porer, hålrum eller andra mellanrum, varigenom eventuell díelektriskt svag luft i isoleringen ersätts av den dielektxiska vätskan.

För att säkerställa ett gott impregneringsresultat är en vätska med låg visko- sitet önskvärd. Vätskan skall även företrädesvis vara viskös vid driftförhål- landen för den elektriska anordníngen för undvikande av migrering av väts- kan i den porösa isoleringen, och i synnerhet bort från den porösa isolering- en. Darcy's lag (1) används ofta för att beskriva flödet av en vätska genom ett poröst medium eller kapillärmedium. (1): V=JLAÉ p.L I denna lag är v den så kallade Darcy-hastigheten för vätskan, definierad som volymflödet dividerat med provarean, k är perrneabiliteten hos det porö- sa mediet, AP är tryckskillnaden över provet, p är den dynamiska viskosite- ten för vätskan och L är tjockleken hos provet. Flödeshastigheten för en vätska i ett poröst medium är väsentligen omvänt proportionell mot viskosi- teten. En vätska som uppvisar låg viskositet eller en mycket temperaturbe- roende viskositet vid drifttemperatur kommer således att ha en tendens att migrera under inverkan av temperaturfluktuationer som normalt förekom- .514 062 5 mer i en elektrisk anordning under drift och även till följd av eventuell tem- peraturgradient som byggs upp över en ledarisolering vid drift och kan re- sultera i att ofyllda hålrum bildas i isoleringen. Eftersom temperaturfluktua- tioner och temperaturgradienter förekommer i en högspännings-DC-kabel, måste även eventuella problem förknippade med migrering av den dielektris- ka vätskan noga beaktas. Ofyllda hålrum eller andra ofyllda mellanrum eller porer i en isolering som används under ett elektriskt högspänt likströmsfält utgör ställen där rymdladdningar tenderar ackumuleras, varigenom man riskerar initiering av dielektrisk nedbrytning genom urladdningar som för- sämrar isoleringen och slutligen kan leda till dess kollaps. Den ideala iso- lermaterialet bör uppvisa en låg viskositet under impregnering och vara mycket visköst under driftförhållanden.

Konventionella dielektriska oljor använda för impregnering av en porös, fibrös eller laminerad ledarisolering i en DC-kabel uppvisar en viskositet som minskar väsentligen exponentiellt allteftersom temperaturen ökar. Impregne- ringstemperaturen måste därför vara väsentligt högre än drifttemperaturen för erhållande av den erforderliga minskningen i viskositet pga. det låga temperaturberoendet hos viskositeten. Som en jämförelse är temperaturbe- roendet hos viskositeten vid temperaturer som råder under driftsbetingelser hög. Små variationer i impregnerings- eller driftförhållanden kan ha skadlig effekt på prestandan hos den dielektriska vätskan och ledarisoleríngen. Oljor väljes därför så att de är tillräckligt viskösa vid förväntade drifttemperaturer för att väsentligen fullständigt stanna kvar i isoleringen även under de tem- peratiirfluktuationer som sker i den elektriska anordningen under drift, och även så att denna retention är opåverkad av den temperaturgradient som normalt byggs upp över en ledarísolering för en elektrisk anordning omfat- tande ledare vid högspänning. Detta resulterar typiskt i en hög impregne- ringstemperatur för säkerställande av att isoleringen kommer att bli väsent- ligen fullständigt ímpregnerad. En hög impregneringstemperatur är emeller- tid ofördelaktig eftersom den riskerar påverka isoleringsmaterialet, ytegen- skapema hos ledaren och främja kemiska reaktioner inom och mellan mate- rial som ingår i anordningen vars isolering håller på att impregneras. Även 51.14 062 6 energiförbrukningen under framställning och de totala produktionskostna- dema påverkas negativt av en hög impregneringstemperatiir. En annan as- pekt att beakta är den termiska utvidgningen och krympningen av isolering- en som medför att kylningshastigheten under kylningen måste vara reglerad och långsam, vilket kräver ytterligare tid och medför komplexitet till en re- dan tidskrävande och komplex process. Andra typer av oljeimpregnerade kablar utnyttjar en lågviskositetsolja. Dessa kablar omfattar emellertid tan- kar eller reservoarer längs kabeln eller i förbindelse med kabeln för säker- ställande av att kabelisoleringen förblir fullständigt impregnerad vid cyklisk värmepåverkan vid drift. Med dessa kablar fyllda med lågviskositetsolja före- ligger risk för oljeläckage från en skadad kabel. Därför föredrages en olja med en mycket temperaturberoende viskositet och med en hög viskositet vid drifttemperatur.

För att ge ett lämpligt ökat temperaturberoende i viskositeten hos en kon- ventionell mineralolja är det känt att tillsätta och upplösa en polymer, t.ex. polyisobuten, i oljan. Detta kan endast åstadkommas för höggradigt aroma- tiska oljor. Sådana oljor uppvisar emellertid sämre elektriska egenskaper i jämförelse med mer nafteniska oljor. De senare är oljetyper lämpliga för an- vändning som en elektrisk isolerolja. En mer aromatisk olja måste i typiska fall behandlas med blekjord för att uppvisa godtagbara elektriska egenska- per. Detta är kostsamt och det finns en risk att lerpartiklar med liten storlek kvarstår i oljan om ej en noggrann filtrerings- eller separationsbearbetning utförs efter denna behandling. Alternativt kan en olja som beskrivits i US-A- 3 668 128 omfattande tillsatser av från 1 upp till 50 vikt-% av en alkenpo- lymer med en molekylvikt i intervallet 100-900, härledd från en alken med 3, 4 eller 5 kolatomer, t.ex. polybuten väljes för dess låga viskositet vid låga temperaturer. Denna olja uppvisar en låg viskositet vid låga temperaturer, god oxidationsbeständighet och även god beständighet mot gasutveckling, dvs. bildning av vätgas som kan ske, särskilt när en olja med låg aromatisk halt, såsom oljan föreslagen i US-A-S 668 128, utsätts för elektriska fält.

Oljan enligt beskrivningen i US-A-3 668 128 löper emellertid, även om den erbjuder en stor fördel jämfört med den traditionella elektriska isoleringsol- 514 062 7 jan för impregnering av ñbrösa eller laminerade isoleringar, risken för olje- migrering orsakad av temperaturfluktuationer och/ eller temperaturgradi- entbildning under drift, eftersom lågviskosítetsoljan i typiska fall ej stannar kvar under drift vid förhöjda temperaturer.

Den tidigare ännu ej publicerade internationella patentansökningen PCT/ SE97/ 01095 beskriver en DC-kabel impregnerad med en gelande die- lektrisk vätska, såsom en olja. Den dielektriska vätskan omfattar ett gelande polymertrillsatsmedel som ger vätskan en terrnoreversibel övergång mellan ett gelat tillstånd vid låga temperaturer och ett väsentligen newtonskt lätt- flytande tillstånd vid höga temperaturer. Denna väsentliga övergång i visko- sitet sker över ett begränsat temperaturintervall. Vätskan och det gelande polymertillsatsmedlet måste anpassas för optimering av högtemperaturvis- kositeten hos den lättflytande newtonska vätskan, lågtemperaturviskositeten hos gelet och övergångstemperaturintervallet för att passa de önskade egen- skaperna både under impregnering och drift. En sådan kabel omfattande en dielektrisk vätska matchad med en lämplig polymer uppvisar en väsentlig potential för minskning av den tid som erfordras för impregnering, men er- fordrar fortfarande en strängt reglerad temperaturcykel under impregnering.

Det gelande polymertillsatsmedlet och den dielektriska vätskan anpassas eller optimeras för att på bästa sätt uppfylla de typiskt i konflikt stående kraven på kabeln under impregnering och användning. Det finns inom tek- niken en stark önskan att reducera impregneringstemperaturema och sam- tidigt öka strömtätheterna i DC-kablarna, och därmed drifttemperaturema i DC-kabeln. Således finns en önskan att ytterligare reducera klyftan mellan impregneringstemperaturen och drifttemperaturen. Följaktligen kommer det att vara svårare att anpassa de specifika kraven även med sofistikerade gel- ningssystem. Man måste komma ihåg att ej endast skall väsentligen alla hål- rum och mellanrum i kabelisoleringen fyllas av vätskan, utan vätskan skall även hållas kvar i denna isolering när temperaturen fluktuerar och tempe- raturgradienter byggs upp under drift i anordningen. Lämpliga gelningssys- tem, omfattande oljor med tillsatser av polymerer, men för andra syften har även diskuterats i publicerade europapatentskriften EP-Al-O 231 402, som 514 062 8 beskriver en gelbildande förening med långsam bildning och termoreversíbla gelningsegenskaper avsedd att användas som ett inkapslingsmedel för sä- kerställande av en god försegling och blockering av eventuella hålrum i en kabel omfattande en helt igenom solid isolering, såsom en isolering baserad på extruderad polymer. Den termoreversibla gelande förening som långsamt bildas omfattar en sammanblandning av en polymer i en naftenisk eller pa- raffinisk olja, och även utföringsformer som utnyttjar ytterligare samman- blandningar av en samrnonomer och/ eller en segmentsampolymer i en olja anses vara lämpliga som inkapslíngsmedel tack vare deras hydrofoba natur och det faktum att de kan pumpas in i mellanrummen vid en temperatur under maximidrifttemperaturen för inkapslingsmedlet självt. Liknande gel- bildande föreningar för samma ändamål, dvs. användning som inkapslings- medel för att hindra vatten att komma in och sprida sig längs mellanrum och invändiga ytor i en kabel omfattande fasta polymerisoleringar, fasta halvledande skärmar och metalliska ledare, är även kända genom de publi- cerade europeiska patentskriftema EP-Al-O 058 022 och EP-Al-O 586 158.

Det är således önskvärt att åstadkomma en isolerad elektrisk anordning, så- som en DC-kabel, en transformator eller en kondensator med ett elektriskt isoleringssystem omfattande en porös, fibrös och / eller laminerad del isolerad med en dielektrisk vätska. I fråga om en DC-kabel skall denna vara lämplig för användning som en överförings- och distributionskabel i nätverk och in- stallationer för DC-överföring och distribution av elkraft. lsoleringssystemen skall uppvisa stabila dielektriska egenskaper även vid drift vid höga drift- temperaturer nära impregneringstemperaturen och/ eller under betingelser där isoleringen under drift utsätts för ett högspänt likströmsfält i kombina- tion med värmefluktuatíoner och / eller bildning av en väsentlig värmegradi- ent i isoleringen. Den dielektriska vätskan, i typiska fall olja, som används för impregnering skall uppvisa ett högt viskositetsindex så att den under impregnering har en tillräckligt låg viskositet, dvs. en viskositet som anses lämplig och tekniskt samt ekonomiskt fördelaktig för impregnering, och att den efter impregnering har en hög viskositet och elasticitet, dvs. en viskositet som säkerställer att oljan under drift kommer att väsentligen stanna kvar i ö14 062 9 den porösa, fibrösa och/ eller laminerade isoleringskroppen vid samtliga temperaturer inom det intervall av temperaturer för vilka anordningen är avsedd att användas. Anordningen skall således i sitt isoleringssystem om- fatta en olja med en tillräckligt låg viskositet före och under impregnering för säkerstållande av stabila flödesegenskaper och flödesbeteende inom dessa intervall, och som uppvisar en väsentlig förändring i viskositet vid impregne- ring, dvs. en förändring i storleksordningen hundratals Pas eller mer. En isolerad anordning, såsom en DC-kabel, impregnerad med en olja som upp- visar ett sådant högt viskositetindex kommer att ge möjlighet till en väsentlig reduktion i den mycket tidskrävande satsvisa behandlingen för impregnering av isoleringssystemet, och därigenom ge en möjlighet till en väsentlig reduk- tion i tillverkningstiden och därmed produktionskostnaderna. Tillförlitlighe- ten, kraven på litet underhåll och lång livslängd hos konventionella elektris- ka anordningar, såsom DC-kablar, omfattande en impregnerad pappersba- serad isolering skall upprätthållas eller förbättras. Isoleringssystemet skall alltså ha stabila och oföränderliga dielektriska egenskaper saint en hög och oföränderlig elektrisk hållfasthet och, som en extra fördel, möjliggöra en ök- ning av den elektriska hållfastheten och således medge en ökning av drifts- spånningar, förbättrad hanterbarhet och robusthet hos kabeln.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning är ett ändamål att tillhandahålla en isolerad elektrisk isolerad anordning omfattande en ledare och ett poröst, fibröst och / eller laminerat elektriskt isoleringssystem impregnerat med en olja, var- vid de önskvärda särdrag som diskuterats i de föregående erhålles. Detta åstadkommes för en isolerad elektrisk anordning enligt ingressen ipatent- krav l genom särdragen i den kännetecknande delen av patentkrav l. Vida- reutvecklingar av anordningen enligt föreliggande uppñnning kännetecknas av särdragen i de följande kraven 2 till 21. 514 062 10 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En DC-kabel omfattande minst en ledare och ett impregnerat isoleringssys- tem, där isoleringssystemet omfattar en fast elektriskt isolerande dielektrisk del med en porös, ñbrös och/ eller laminerad struktur impregnerad med en olja är enligt föreliggande uppfinning anordnad med en olja omfattande ett gelningstillsatsmedel som har en molekyl med en polär del, grupp eller seg- ment. Det gelade nätverket av längre och/ eller mer grenade polymermoleky- ler eller tvårbindningsbryggor i oljan, som bildas genom gelningsväxelverkan mellan en gelningstillsatsmedelsmolekyl och oljan och/ eller eventuell annan gelningstillsatsmedelsmolekyl, utmärkes av de bindningar som utvecklas i samband med den polära delen, gruppen eller segmentet i gelningstillsats- medlet. Dessa bindningar kommer att öka viskositetsindexet hos oljan så att det gelade nätverket i oljan i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning sä- kerställer flödesegenskaperna hos ett mycket visköst och elastiskt gel vid typiska drifttemperaturer för en DC-kabel och lägre temperaturer. Oljan uppvisar företrädesvis en termoreversibel övergång mellan ett mycket visköst elastiskt gelat tillstånd vid låga temperaturer, dvs. typiska drifttemperaturer för en DC-kabel och lägre temperaturer, och ett lättflytande vätsketíllstånd vid högre temperaturer, dvs. impregneringstemperaturer. Företrädesvis är de bindningar som ingår i det gelade nätverket vätebindningar. Gelningstill- satsmedlet omfattar opolära segment av linjära eller grenade kolvâtekedjor och polära delar, grupper eller segment. Denna kombination är fördelaktíg såtillvida som den ger tensidegenskaper eller en tensidkaraktär åt gelnings- tillsatsmedlet. Därigenom har gelningstillsatsmedlet förmåga att med dess polära delar växelverka med de fasta ytorna och med dess opolära delar med oljan. Av särskilt intresse är växelverkan mellan de polära delarna och ytan av den porösa, fibrösa och/ eller laminerade strukturen hos många fibrösa material, och i synnerhet cellulosabaserade material, under det att de opolä- ra delarna växelverkar med oljan. Denna växelverkan av tensidkaraktär med de fasta delarna i isoleringen respektive oljan resulterar i en förbättrad vät- ning som förkortar impregneringstiden, varigenom oljepenetreringen in till 514 062 ll hälrum och kapillärmellanrum i den porösa, fibrösa och/ eller laminerade strukturen kan ökas. Denna tensidtyp av växelverkan mellan gelningstill- satsmedelmolekyler och ytan hos den porösa, ñbrösa och /eller laminerade strukturen respektive oljan kommer även under andra omständigheter att öka oljeretentionen i den porösa, fibrösa och/ eller laminerade strukturen vid drift vid en hög temperatur, fluktuerande temperaturer och/ eller under en väsentlig temperaturgradient. Denna tensidtyp av egenskaper hos ett gel- ningstillsatsmedel som uppvisar polära och opolära delar ger även en fysika- lisk bindning av partiklarna till den gelade strukturen. Det är särskilt fördel- aktigt om dielektriskt starka partiklar med en fin partikelstorlek, t.ex. i na- nometerintervallet, kan införlivas i den gelade strukturen. Sådant införlivan- de av dielektriskt starka partiklar med en fin partikelstorlek förstärker det gelade nätverket och det totala isoleringssystemet både mekaniskt och elek- triskt.

En DC-kabel enligt den kända tekniken omfattar en olja, t.ex. en mineralol- ja, där viskositetsindexet ökas genom ett gelningstillsatsmedel, såsom en styrenbutadiensegmentsampolymer. Oljeviskositeten modifieras därigenom på sådant sätt att oljan kan gelas termoreversibelt. I denna olja förorsakas den termoreversibla gelningen av partiell löslighet hos segmentsampolyme- ren i oljan. Vid låga temperaturer löses endast butadiensegrnenten under det att styrensegment aggregerar och miceller bildas. Dessa miceller resulterar i en fysikalisk tvärbindning av oljan, ett gel bildas. Allteftersom temperaturen ökas reduceras micellemas stabilitet och, vid en viss temperatur (vâtskegel- övergångstemperaturen), bryts micellema och en vätskeliknande lösning bil- das. Den terrnoreversibla gelningen av oljan i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning däremot styrs av andra bindningsmekanismer, företrädesvis vä- tebindning. För att åstadkomma detta omfattar en DC-kabel enligt förelig- gande uppfinning ett gelningstillsatsmedel som inför vätebundna nätverk i oljan. Typiskt omfattar de gelningstillsatsmedel som används i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning polära segment/ grupper och opolära segment.

Denna struktur möjliggör för dem att fungera som tensider. Deras tensidka- raktär kommer, när de används som gelinducerande tillsatsmedel i impreg- 514 062-- 12 neringsmedel för isolerande kroppar, att förbättra avgasningsprocessen för impregneringsmedlet, den kommer även förbättra vätningen och åstadkom- ma fysikalisk bindning av partiklarna till det gelade nätverket. Vätningen kommer att förbättras för en isolerande kropp med en polär typ av material, åtminstone vid dess yta, eftersom gelningstillsatsmedlen, exempelvis i fråga om ett cellulosabaserat material, kommer att attraheras till gränsytan mel- lan den opolära oljan och det polära cellulosabaserade materialet, och däri- genom förbättra vätningsprocessen. Samma mekanism kommer att åstad- komma införlivande av fina partiklar med polär typ av ytegenskaper in i det gelade nätverket. Dessa fördelar med de vätebindande gelningstillsatsmedlen eller gelatorerna hjälper till att förkorta impregneringscykeln. En annan för- del med systemen som används i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning år att deras gelningskinetik möjliggör en fördröjd väsentligt långsammare gelning om så önskas. Denna fördröjning kan i vissa fall överstiga 24 tim- mar. Detta resulterar i en minskad krympning för en DC-kabel omfattande ett gelande impregneringsmedel innehållande en segmentsampolymer efter- som gelníngen kommer att ske vid en låg temperatur och medan oljan under avkylningen förblir en lättflytande vätska. Som en följd blir "efterfyllnings"- steget mindre problematiskt.

Enligt en utföringsform omfattar DC-kabeln ett impregneringsmedel baserat på en mineralolja som i typiska fall omfattar upp till 20 vikt-% av ett gel- ningstillsatsmedel, eller en gelator. Lämpliga gelatorer för användning till- sammans med ett mineraloljebaserat impregneringsmedel omfattar: - en segmentsampolymer omfattande ett polärt segment med förmåga att bilda vätebindningar, Lex. polyvinylpyridin tillsatt till en halt upp till 20 vikt- %, - en segmentsampolymer omfattande ett polärt segment med förmåga att bilda vätebindningar och ett opolärt segment lösligt i oljan tillsatt till en halt upp till 20 vikt-%, - en urea- eller diureaförening tillsatt till en halt upp till 20 vikt-%, företrä- desvis i intervallet från 1 till 20 vikt-% 51.4 062 13 - dibensylidensorbitol tillsatt till en halt upp till 20 vikt-%, företrädesvis i intervallet från l till 15 vikt-%; och/ eller - en alkyl-1,3,5-bensentrikarboxamid tillsatt till en halt upp till 20 vikt-%, företrädesvis i intervallet från 1 till 20 vikt-%, t. ex. tri-(3,7-dimetyloktyl)- 1,3,5-bensentrikarboxamid tillsatt till en halt upp till 20 vikt-°/>, företrädes- vis i intervallet från 5 till 20 vikt-%.

Enligt en annan utföringsform omfattar DC-kabeln ett impregneringsmedel baserat på. en vegetabilsk olja med en gelator omfattande föreningar såsom en urea- eller diureafórening, en cellulosaeter och/ eller etylcellulosa. I typis- ka fall tillsåtts cellulosaetern till oljan i intervallet från 2 till 10 víkt-% och etylcellulosa i intervallet från 2 till 10 vikt-%.

Enligt ytterligare en utföringsform omfattar DC-kabeln ett impregneringsme- del baserat på en silikonolja med en gelator som omfattar dibensylidensor- bitol i intervallet från 1 till 15 vikt-%.

DC-kabeln enligt föreliggande uppfinning omfattar typiskt, från mitten och utåt; en ledare av vilken som helst önskad form och konstitution, såsom en kab- lad mångtrådig ledare, en solid ledare eller en sektionsledare; en första halvledande skärm anbríngad runt och på utsidan av ledaren och inuti ledarisoleringen; en lindad och impregnerad isolering enligt föreliggande uppfinning med en dielektrisk elektriskt isolerande fast del med en porös och /eller laminerad struktur såsom beskrivits í det föregående impregnerad med en olja; en andra halvledande skärm anbringad på utsidan av ledarisoleringen; och 514 062? 14 en yttre skyddande mantel. De två halvledande skärmarna är även typiskt lindad och impregnerad isolering enligt föreliggande uppfinning, med en di- elektrisk elektriskt isolerande del som har en porös och/ eller laminerad struktur såsom beskrivits i det föregående impregnerad med en olja. Kabeln kan när så är lämpligt kompletteras med armering och en förseglande före- ning eller ett vattensvällande pulver för fyllning av eventuella hålrum i och runt ledaren, andra metall/ polymer-gränsytor kan förseglas för förhindrande av vatten från att spridas längs sådana gränsytor.

Enligt en utföringsform förbehandlas den lindade kabelisoleringen med ge- latorn före impregnering. Den lindade isoleringen kan blötläggas i eller spra- yas med en lösning omfattande en gelator, torkas och därefter impregneras, men lindas företrädesvis av band som redan är förbehandlade med gelnings- tillsatsmedel. Banden kan ha förbehandlats redan vid bandframställníngen, men behandlingen kan naturligtvis även ha utförts i ett speciellt behand- lingsmoment eller i samband med lindningen. Detsamma gäller för vilken som helst typ av band, såsom ett homogent pappersband, ett homogent po- lymerband eller ett laminerat band av papper och polymerfilmer eller olika polymera filmer eller nät, banor eller nät. Pappersband kan ha belagts ge- nom sprayning eller nedsänkning eller på annat sätt kontakt av pappret med en lösning omfattande gelningstillsatsmedlet. Gelningstillsatsmedlet kan ha satts till polymerfilmer, band eller liknande genom sprayning eller extrude- ring av gelningstillsatsmedlet på polymeren. En beläggning omfattande gel- ningstillsatsmedlet kan även ha samextruderats med polymerbandet eller - ñlmen. För en DC-kabel omfattande en sådan förbehandlad isolering skulle denna utföringsforrn således säkerställa att oljan bibehåller sina lättflytande väsentligen newtonska egenskaper under den huvudsakliga tiden av fyll- ningsfasen av impregneringssteget och att gelningstillsatsmedlet därefter när detta bringas i kontakt med oljan och åtminstone delvis upplöses i oljan, ger oljan egenskaperna hos ett mycket visköst, elastiskt gel. Övergången från lättflytande dielektrisk vätska till ett mycket visköst gel kan beroende på kombinationen av gelningstillsatsmedel och dielektrisk vätska vara ögon- blicklig, långsam eller till och med fördröjd. Med ögonblicklig övergång me- 514 062 15 nas att övergången initíeras direkt när gelningstillsatsmedlet bringas i kon- takt med och löses av den dielektriska vätskan och att övergångskinetiken är sådan att övergången är snabb. Den långsamma övergången initieras även typiskt direkt vid kontakt mellan vätska och gelningstillsatsmedel men över- gången bromsas av kinetiken för upplösning och /eller övergång. En fördröjd övergång med upp till 24 timmar kan typiskt åstadkommas med hjälp av gelningssystemen, gelatorn och anpassad olja, som används i DC-kablarna enligt föreliggande uppfinning.

Enligt ytterligare en utföríngsforrn är det gelande tillsatsmedlet ojämnt för- delat inom isoleringen så att en viskositetsgradient föreligger i kabeln efter impregnering och gelning, varvid viskositeten företrädesvis ökar inåt mot le- daren. Genom fördelning av gelningstillsatsmedlet på detta sätt inom isole- ringen kan flera viktiga aspekter förbättras; en mer fullständig fyllning före start av gelning säkerställes även för ett ge- lande system som gelar nästan omedelbart; en självläkande förmåga åstadkommes, dvs. en skadad del av isoleringen kan återimpregneras med vätska från andra delar; en gelad vätska som bibehåller sitt mycket viskösa, elastiska gelade tillstånd även när temperaturen runt ledaren ökar pga. höga belastningar erhålles.

Enligt en utföringsfonn av DC-kabeln enligt föreliggande uppfmning har ka- beln ett isoleringssystem som omfattar en tensid eller blandning av tensider, för att ytterligare förbättra vätningen under impregneringen. Tensiden kan antingen tillsättas till den fasta delen av isoleringen före impregnering genom en förbehandling eller den kan ingå i oljan.

För att säkerställa långvarig stabilitet för de förbättrade elektriska och me- kaniska egenskaperna ingår ett gasabsorberande tillsatsmedel i isolerings- 1514 062 f 16 systemet. Ett lämpligt gasabsorberande tillsatsmedel är en polyisobuten med låg molekylvikt med en molekylvikt lägre än 1000 g/ mol.

En DC-kabel enligt föreliggande uppfinning tillförsäkras långvarigt stabila och oföränderliga dielektriska egenskaper och en hög och oföränderlig elek- trisk hållfasthet lika bra som eller bättre än hos en konventionell DC-kabel omfattande sådan impregnerad porös, fibrös och /eller laminerad kropp.

Detta är särskilt viktigt med avseende på den långa livslängd som sådana installationer i typiska fall är utformade för, och den begränsade tillgången för underhåll på sådana installationer. Det speciella valet och anpassningen av gelningstillsatsmedel, gelatorer, och oljor, impregneringsmedel, säker- ställer isoleringssystemets långvariga stabila egenskaper även när detta an- vänds vid förhöjda temperaturer, vid stora termiska fluktuationer och/ eller under värmegradienter. Detta möjliggör en förmåga att medge en ökning i dríftbelastning både med hänsyn till ökade spänningar och strömtätheter.

En ytterligare fördel med en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning är att den tack vare tensidkaraktären hos de gelatorer som används i DC-kablarna enligt föreliggande uppfinning, möjliggör en reduktion i framställningstiden genom förbättrad vätning, vilket erbjuder en möjlig förkortad impregnerings- cykel. Dessutom ger tensidkaraktären hos gelningstillsatsmedlet som an- vänds i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning en fysikalisk bindning till polära ytor, såsom ytorna av den porösa, fibrösa isoleringen och även till fina dielektriskt starka partiklar som därigenom kan införlivas i den gelade strukturen. Sådant införlivande av dielektriskt starka partiklar förstärker isoleringen både mekaniskt och elektriskt. Även temperaturkänsligheten under tillverkningen kan väsentligt reduceras genom ett lämpligt val och an- passning av oljan och gelningstillsatsmedlet, vilket möjliggör en fördröjd gel- ning, varigenom efterfyllningsstegets känslighet minskas.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Föreliggande uppfinning kommer att beskrivas i närmre detalj med hänvis- ning till ritningen och exemplen. Figur 1 visar en tvärsnittsvy över en typisk 514 062 17 DC-kabel för överföring av elkraft omfattande en lindad och impregnerad isolering enligt föreliggande uppfinning.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER OCH EXEMPEL DC-kabeln i den utföringsform enligt föreliggande uppfinning som visas i fi- gur 1 omfattar från mitten och utåt; en kablad mångtrådig ledare 10; en första halvledande skärm 1 1 belägen runt och på utsidan av ledaren lO och inuti en ledarisolering 12; en lindad och impregnerad ledarisolering 12 omfattande ett gelningstillsats- medel som beskrivits i det föregående; en andra halvledande skärm 13 belägen på utsidan av ledarisolering 12; en metallisk skärm 14; och en skyddande mantel 15 anordnad på utsidan av den metalliska skärmen 14.

Kabeln är vidare försedd med en armering i form av metallträdar, företrädes- vis av rostfritt stål, på utsidan av den yttre extruderade skärmen 13, en för- seglande förening eller ett vattensvällande pulver är infört i mellanrummen i och runt ledaren 10. Den enligt föreliggande uppfinning framställda kabeln är lämplig även för användning i ett bipolärt system, antingen omfattande två kablar med separat avskärrnning eller två isolerade kablar innefattade i samma skyddande mantel. 514 062 18 I det följande presenteras simulerad produktprovning av några gelningsimp- regneringsmedelssystem för användning i DC-kablar enligt föreliggande uppfinning.

Exempel 1 70 g tri(3,7-dimetyloktyl)-l,3,5-bensentrikarboxamid sattes till 1 liter av en naftenisk mineralolja. Blandningen upphettades till 100°C under kväveat- mosfâr, NZ, och fick sedan svalna. En gelande komposition med en vätska- gelövergångstemperatur mellan 50 och 60°C bildades därefter.

Exempel 2 12 g Lbensyl-S-oktylkarbamid sattes till 1 liter av en naftenisk mineralolja.

Blandningen upphettades till l20°C under Ng och fick sedan svalna. En ge- lande komposition med en vätske-gelövergàngstemperatur på 80°C bildades.

Exempel 3 18 g dibensylidensorbitol sattes till 1 liter naftenisk mineralolja. Blandning- en upphettades till l80°C under Ng och fick sedan svalna. En gelande kom- position med en vâtske-gelövergångstemperatur på 100°C bildades.

Dessa blandningar eller gelande kompositioner uppvisar en utveckling av ett stabilt nätverk och en hög vätske-gelövergångstemperatun i intervallet från 50°C för systemet i exempel 1 till 100°C för systemet i exempel 3. Resultaten av dessa försök har visat att med dessa gelatorer tillsatta till en olja som an- vänds för impregnering av en ledarisolering i en DC-kabel enligt föreliggande uppfinning kan snabbare impregneringshastigheter och lägre impregne- ringstemperaturer utnyttjas jämfört med konventionellt använda gelning- simpregneringsmedel. Ett block av sammanbuntat papper impregnerat med impregneringsmedlen som beskrivits i exemplen i denna ansökan uppför sig dessutom som en elastisk kropp vid temperaturer under övergångstempe- 514 062 19 raturen och oljan stannar vid dessa temperaturer helt och hållet kvar i den porösa, ñbrösa isoleringen och mellan pappersskikten. Upprepning av detta sista test med avseende på oljeretention för en konventionellt använd iso- lerolja uppvisar ett långsamt flöde av olja ut från det sammanbuntade pap- persblocket. Således reduceras risken fór att hålrum skall uppträda under drift avsevärt och de elektriska egenskaperna för ledarisoleringen i en an- ordning enligt uppfinningen förbättras. De i det föregående nämnda förbätt- ringarna resulterar sannolikt i en kabel omfattande en lindad pappersisole- ring impregnerad med det dielektriska system som beskrivits i det föregåen- de där väsentligen samtliga hålrum i isoleringen är fyllda med det dielektris- ka impregneringsmedlet, dvs. isoleringen är väsentligen fullständigt impreg- nerad. En sådan kabel uppvisar sannolikt efter användning vid förhöjda temperaturer och höga elektriska, väsentligen statiska fält, ett litet antal oß/llda hålrum och är således mindre känslig för dielektrisk nedbrytning.

Claims (23)

514 062 20 PATENTKRAV

1. Isolerad elektrisk anordning med minst en ledare och ett impregne- rat isoleringssystem, vari isoleringssystemet omfattar en fast elektriskt isole- rande dielektrisk del med en porös, fibrös och / eller laminerad struktur imp- regnerad med en dielektrisk vätska som omfattar ett gelningstillsatsmedel för växelverkan med en dielektrisk olja och /eller eventuell annan gelnings- tillsatsmedelsmolekyler för bildning av ett gelat nätverk av längre och/ eller mer grenade polymermolekyler eller tvärbindningsbryggor i oljan, som däri- genom uppvisar flödesegenskaperna hos ett mycket visköst och elastiskt gel, k ä n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedelsmolekylen omfattar en polär del, grupp eller segment med förmåga att bilda vätebindningar.

2. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n a d av att den dielektriska vätskan omfattande gelningstillsats- medlet uppvisar egenskaperna hos en gelande komposition med en termore- versibel vätske-gelövergäng mellan ett lättflytande vätsketillstånd vid höga temperaturer och ett mycket visköst, elastiskt gelat tillstånd vid låga tempe- raturer, och att vätske-gelövergången som innebär en väsentlig förändring i viskositet sker inom ett snävt begränsat intervall av temperaturer.

3. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e- t e c k n a d av att det gelade nätverket omfattar bindningar utvecklade av de polära delarna av gelningstillsatsmedlet.

4. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e- t e c k n a d av att det gelade nätverket omfattar vätebindningar bildade av de polära delarna av gelningstillsatsmedlet.

5. Isolerad elektrisk anordning enligt något av patentkraven 1 till 4, k ä n n e t e c k n a d av att gelníngstillsatsmedelsmolekylen omfattar opolä- ra segment av rakt eller grenat kolväte lösligt i den dielektriska vätskan och polära delar, grupper eller segment. 514 062 21

6. Isolerad elektrisk anordning enligt något av patentkraven 1 till 5, k ä n n e t e c k n a d av en tensidkaraktär som åstadkommes av den polära delen av gelningstillsatsmedelsmolekylen som växelverkar med fasta polära ytor, och den opolära delen av gelníngstillsatsmedelsmolekylen som växel- verkar med den dielektriska vätskan.

7. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k- n a d av tensidkaraktären hos gelningstillsatsmedlet som förbättrar vät- ningen av isoleringen och ökar oljepenetreringen in till hålrum och kapillär- mellanrum inom den porösa, fibrösa och/ eller laminerade strukturen vid impregnering.

8. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 6 eller 7, k ä n n e- t e c k n a d av tensidkaraktären hos gelningsmedlet som förbättrar oljere- tentionen inom den porösa, fibrösa och/ eller laminerade strukturen vid drift vid en hög temperatur, fluktuerande temperaturer och/ eller under en vä- sentlig temperaturgradient.

9. Isolerad elektrisk anordning enligt något av patentkraven 6, 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a d av att det gelade nätverket omfattar fina partiklar med en partíkelstorlek i nanometerintervallet införlivade i och fysikaliskt bundna till det gelade nätverket genom tensidkaraktären hos gelningstill- satsmedlet.

10. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k ä n n e t e c k n a d av att oljan är en mineralolja omfattande upp till 20 vikt-% av ett gelningstillsatsmedel.

11. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k ä n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar en urea- eller diureaförening. 5114 062 22

12. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k å n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar diben- sylidensorbitol.

13. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k å n n e t e c k n a d av att det gelande tillsatsmedlet omfattar en alkyl- l ,3,5-bensentrikarboxamíd.

14. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 13, k å n n e t e c k- n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar tri-(3,7 -dímetyloktyl)-1,8,5- bensentrikarboxainid.

15. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k å n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar en cel- lulosabaserad förening.

16. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 15, k å n n e t e c k- n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar etylcellulosa.

17. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k å n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar en segmentsampolymer omfattande ett polårt segment med förmåga att bilda våtebindningar och ett opolårt segment som år lösligt i den dielektriska vätskan.

18. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k å n n e t e c k n a d av att gelningstillsatsmedlet omfattar en segmentsampolymer på oleñniskt segment och ett segment med aromatiska ringar i sin skelettstruktur.

19. Isolerad elektrisk anordning enligt något av patentkraven l till 9, k å n n e t e c k n a d av att oljan år en silikonolja och att gelningstillsats- medlet omfattar dibensylidensorbitol. 514 062 23

20. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k ä n n e t e c k n a d av att isoleringssystemet omfattar en tensid eller blandning av tensider.

21. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 20, k å n n e t e c k- n a d av att den fasta delen i isoleringen är förbehandlat! med tensiden.

22. Isolerad elektrisk anordning enligt patentkrav 20, k å n n e t e c k- n a d av att oljan omfattar tensiden.

23. Isolerad elektrisk anordning enligt något av de föregående patent- kraven, k ä n n e t e c k n a d av att isoleringssystemet omfattar ett gasab- sorberande tillsatsmedel, såsom en lågmolekylviktspolyisobuten.