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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung ist auf eine Isolierung und eine Halbleiterabschirmung
für Stromkabel
gerichtet. Genauer ist diese Erfindung auf eine Isolierung und eine
Halbleiterabschirmung für
Hochspannungs-Gleichstrom-Stromkabel gerichtet.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Gleichstrom
(DC)-Stromübertragung
besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber einer Wechselstrom (AC)-Stromübertragung.
Bei einer DC-Übertragung
ist die Länge
nicht begrenzt, sie ermöglicht
Langstrecken-Unterwasserkabel (> 50
km), besitzt eine gute Konnektivität zwischen unterschiedlichen
Netzwerken/Quellen (wie beispielsweise Windmühlen), weist niedrigere Betriebskosten
auf, da nur ein geringer Leitungsverlust und kein Stromverlust auftritt,
sie weist eine überlegene
Stromqualität
und Flusskontrolle der Verlässlichkeit/Stabilität des Systems
auf und sie weist höhere
Spannungsnenngrößen auf.
Kabel, die mit einer Öl/Papier-Isolierung
isoliert sind, wurden seit 1954 erfolgreich für Hochspannungs-Gleichstrom
(HVDC)-Anwendungen eingesetzt. Mit quervernetztem Polyethylen isolierte
Kabel können
für HVDC-Anwendungen
verschiedene Vorteile gegenüber
Kabeln, die mit Öl/Papier
isoliert sind, aufweisen. Die Vorteile von quervernetztem Polyethylen
beinhalten niedrigere Herstellungskosten, niedrigere Betriebskosten,
eine einfachere Handhabung für die
Versorgungsbetriebe, höhere
Temperaturnenngrößen (wie
beispielsweise 90°C
gegenüber
60 °C bis
70 °C) für die Versorgungsbetriebe
und Umweltfreundlichkeit, da keine Ölleckage auftritt.
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Polymere
dielektrische Isolierungsmaterialien, insbesondere Polyethylen ohne
Modifikation können
jedoch nicht für
HVDC-Anwendungen eingesetzt werden. Diese Materialien weisen eine
lokale Raumladungsaufladung auf, durch die lokale Felder bei Überspannungen
oder Blitzstößen signifikant
verstärkt
werden können,
sie weisen Ladungsneutralisierungen während der Umpolung auf, welche
die lokale DC-Durchschlagsfestigkeit verringern können, und
sie weisen Belastungsumkehrungen aufgrund von temperaturabhängiger Leitfähigkeit
auf, welche die Verstärkung
des lokalen Felds umkehren können.
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Eine
bekannte Vorgehensweise zur Entwicklung von polymeren HVDC-Kabelisolierungsprodukten
bestand darin, geringe und gut verteilte Raumladungsfangstellen
bereitzustellen. Raumladung kann durch physikalische Fangstellen,
die zwischen kristallinen Bereichen und amorphen Grenzen ausgebildet
sind oder durch chemische Fangstellen aufgrund von chemischen Strukturen
von Substanzen eingefangen werden. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch eine Kabelisolierung, die aus einem Gemisch hergestellt ist,
das ein Ethylen-Copolymer wie beispielsweise ein Ethylen-Alpha-Olefin-Copolymer
mit geringer Kristallinität
beinhaltet, um physikalische Raumladungsfangstellen zu vermindern.
Die Erfindung verwendet wenigstens ein polares Polymermodifiziermittel
in einer effektiven Menge, um die lokale Leitfähigkeit zu erhöhen, um
Raumladung schnell zu streuen, wenn die räumliche Belastung erhöht ist und
wenigstens einen Ionenfänger,
um die Raumladung zu stabilisieren oder zu neutralisieren, um eine
Zusammensetzung bereitzustellen, die eine wirkungsvolle Hochspannungs-DC-Kabelisolierung
darstellt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Halbleiterabschirmung,
die aus einem Gemisch hergestellt ist, das ein Ethylen-Copolymer,
einen Ruß mit
einer geringen Menge ionischer Spezies, ein polares Polymermodifiziermittel
und einen Ionenfänger
beinhaltet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist gerichtet auf (1) ein Gleichstromkabel, das eine Isolierung
beinhaltet, die gegenüber Durchschlag
und Beschädigung
beständig
ist, wenn sie Hochspannungsgleichstrom ausgesetzt ist, (2) eine Isolierungszusammensetzung,
die gegenüber
Beschädigung
und Durchschlag beständig
ist, wenn sie einem Hochspannungsgleichstrom ausgesetzt ist und
(3) ein Verfahren zur Verringerung des Beschädigung einer solchen Isolierung.
Die Erfindung ist außerdem
auf eine Halbleiterabschirmung mit einer ähnlichen Beständigkeit gegenüber Durchschlag
und Beschädigung
gerichtet.
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Die
Zusammensetzung der Kabelisolierung beinhaltet wenigstens ein quervernetztes,
unpolares Harz mit niedriger Kristallinität mit einer Dichte von weniger
als 0,900 g/cm3, das keine Tendenz aufweist,
Ladung einzufangen oder Ladungsfangstellen zu erzeugen, für eine Temperaturnenngröße der Kabelisolierung
von wenigsten 90 °C.
In einem anderen Aspekt ist das Harz nicht quervernetzt oder es
ist zu in einem geringen Grad quervernetzt (im Folgenden als nicht
quervernetztes Polymer bezeichnet), der zur Bereitstellung einer Kabelisolierung
mit einer Temperaturnenngröße von 75 °C oder mehr
effektiv ist. In beiden Aspekten beinhaltet die Kabelisolierung
außerdem
(1) wenigstens ein polares Polymermodifiziermittel, welches Ladung
bei großen Feldstärken schnell
abführt
oder streut, (2) wenigstens einen Ionenfänger, der Raumladungen stabilisiert
oder neutralisiert und (3) ggf. wenigstens ein Hitzestabilisierungsmittel,
das die interne Ladungserzeugung während der thermischen Degradation
der Isolierung beim Betrieb minimiert.
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Das
quervernetzte unpolare niederkristalline Harz, das polare Polymermodifiziermittel,
Ionenfänger und
Hitzestabilisierungsmittel liegen in Mengen vor, die wirkungsvoll
sind, um eine Temperaturnenngröße von 90 °C oder mehr,
eine Ladungsdichte von weniger als 2 Coulomb/mm3,
gemessen durch ein gepulstes elektroakustisches (PEA)-Verfahren,
nach 24 h, wobei entweder positive oder negative 20 kV/mm angelegt
werden, zu erreichen. Für
die Kabelisolierung, die eine Temperaturnenngröße von nicht mehr als 75 °C aufweist, sind
die Menge und das Ausmaß der
Quervernetzung eines solchen Harzes, die Mengen an polarem Polymermodifiziermittel,
Ionenfänger
und Hitzestabilisierungsmittel jeweils effektiv, um eine Temperaturnenngröße von 75 °C oder mehr,
eine Ladungsdichte von weniger als 2 Coulomb/mm3,
gemessen durch ein gepulstes elektroakustisches (PEA)-Verfahren
nach 24 h, wobei entweder positive oder negative 20 kV/mm angelegt
werden, zu erzielen.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Hochspannungs-Gleichstrom-Kabelisolierungszusammensetzung,
die eine Temperaturnenngröße von 90 °C oder mehr
aufweist, umfassend ein Gemisch aus oder hergestellt aus einem Gemisch
aus:
- (a) wenigstens einem Ethylen/alpha-Olefin
Copolymer, das eine Dichte von weniger als 0,900 g/cm3,
einen Schmelzindex von 0,5 bis 10 g/10min, eine Kristallinität von weniger
als 10% und einen Katalysatorrückstand
von weniger als 1000 ppm aufweist;
- (b) 0,1 bis 15 Gew.-% wenigstens eines polaren Polymer-Modifiziermittels,
das wenigstens einen polaren Bestandteil aufweist, um einer mit
dem Gemisch hergestellten Isolierung eine erhöhte Feldleitfähigkeit
und erhöhten
Raumladungsverlust bei großen
Feldstärken
zu verleihen, im Vergleich zu einer Isolierung, die mit einem Gemisch
hergestellt ist, das kein polares Polymer-Modifiziermittel beinhaltet; und
- (c) 0,05 bis 0,5 Gew.-% wenigstens eines Ionenfängers, der
wenigstens einen chelatisierenden Bestandteil aufweist, um die Ionenbeweglichkeit
im Vergleich zu einer Isolierung, die mit einem Gemisch hergestellt
ist, das keinen Ionenfänger
beinhaltet, zu verringern,
worin die Kombination des Ethylen/alpha-Olefin
Copolymers, des polaren Polymer-Modifiziermittels und des Ionenfängers der
Kabelisolierung eine Ladungsdichte von weniger als 2 Coulomb/mm3 verleiht, gemessen durch ein gepulstes
elektroakustisches Verfahren, nach 24 Stunden, entweder mit positiven
oder negativen 20 kV/mm.
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Das
Gemisch umfasst ggf. wenigstens ein Hitzestabilisierungsmittel in
einer wirkungsvollen Menge, um thermisch bedingte Degradation und
daraus resultierende interne Ladungserzeugung zu verhindern.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Hochspannungs-Gleichstromkabel
bereit, umfassend:
- (a) einen elektrischen Leiter;
und
- (b) Kabelisolierung, umfassend ein Gemisch aus oder hergestellt
aus einem Gemisch aus:
(i) wenigstens einem Ethylen/alpha-Olefin,
das eine Dichte von weniger als 0,900 g/cm3,
einen Schmelzindex von 0,5 bis 10 g/10min, eine Kristallinität von weniger
als 10% und einen Katalysatorrückstand
von weniger als 1000 ppm aufweist;
(ii) 0,1 bis 15 Gew.-% wenigstens
eines polaren Polymer-Modifiziermittels,
das wenigstens einen polaren Bestandteil aufweist, um einer mit
dem Gemisch hergestellten Isolierung eine erhöhte Feldleitfähigkeit
und erhöhten
Raumladungsverlust bei großen
Feldstärken
zu verleihen, im Vergleich zu einer Isolierung, die mit einem Gemisch
hergestellt ist, das kein polares Polymer-Modifizierungsmittel enthält; und
(iii)
0,05 bis 0,5 Gew.-% wenigstens eines Ionenfängers, der wenigstens einen
chelatisierenden Bestandteil aufweist, um die Ionenbeweglichkeit
im Vergleich zu einer Isolierung, die mit einem Gemisch hergestellt
ist, das keinen Ionenfänger
beinhaltet, zu verringern,
worin die Kombination des Ethylen-Copolymers,
des polaren Polymer-Modifiziermittels
und des Ionenfängers
der Kabelisolierung eine Ladungsdichte von weniger als 2 Coulomb/mm3 verleiht, gemessen durch ein gepulstes
elektroakustisches Verfahren, nach 24 Stunden, wobei entweder positive
oder negative 20 kV/mm angelegt werden.
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In
noch einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen
einer Kabelisolierung mit einer Ladungsdichte von weniger als 2
Coulomb/mm3, gemessen durch ein gepulstes
elektroakustisches Verfahren, nach 24 Stunden, wobei entweder positive
oder negative 20 kV/mm angelegt werden, wobei das Verfahren umfasst:
Mischen von
- (i) wenigstens einem Ethylen/alpha-Olefin
Copolymer, das eine Dichte von weniger als 0,900 g/cm3,
einen Schmelzindex von 0,5 bis 10 g/10min, eine Kristallinität von weniger
als 10% und einen Katalysatorrückstand
von weniger als 1000 ppm aufweist;
- (ii) 0,1 bis 15 Gew.-% wenigstens eines polaren Polymer-Modifiziermittels,
das wenigstens einen polaren Bestandteil aufweist, und
- (iii) 0,05 bis 0,5 Gew.-% wenigstens eines Ionenfängers, der
wenigstens einen chelatisierenden Bestandteil aufweist,
worin
die Kombination des Ethylen/alpha-Olefin Copolymers, des polaren
Polymer-Modifiziermittels und des Ionenfängers der Kabelisolierung eine
Ladungsdichte von weniger als 2 Coulomb/mm3 verleiht,
gemessen durch ein gepulstes elektroakustisches Verfahren, nach
24 Stunden, wobei entweder positive oder negative 20 kV/mm angelegt
werden.
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Die
Hochspannungs-Gleichstromkabel-Halbeiterabschirmungszusammensetzung
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gemisch aus oder ist hergestellt
aus einem Gemisch aus:
- (a) wenigstens einem
Ethylen/alpha-Olefin Copolymer, das eine Dichte von weniger als
0,900 g/cm3, einen Schmelzindex von 0,5
bis 10 g/10min, eine Kristallinität von weniger als 10% und einen
Katalysatorrückstand
von weniger als 1000 ppm aufweist;
- (b) einem Ruß mit
einer geringen Menge ionischer Spezies;
- (c) 0,1 bis 15 Gew.-% wenigstens eines polaren Polymer-Modifiziermittels,
das wenigstens einen polaren Bestandteil aufweist, um einer mit
dem Gemisch hergestellten Halbleiterabschirmung eine erhöhte Feldleitfähigkeit
und erhöhten
Raumladungsverlust bei großen
Feldstärken
zu verleihen, im Vergleich zu einer Halbleiterabschirmung, die mit
einem Gemisch hergestellt ist, das kein polares Polymer-Modifiziermittel enthält; und
- (d) 0,05 bis 0,5 Gew.-% wenigstens eines Ionenfängers, der
wenigstens einen chelatisierenden Bestandteil aufweist, um die Ionenbeweglichkeit
im Vergleich zu einer Halbleiterabschirmung, die mit einem Gemisch hergestellt
ist, das keinen Ionenfänger
beinhaltet, zu verringern.
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Ggf.
kann die Zusammensetzung wenigstens ein Hitzestabilisierungsmittel
beinhalten. Das Harz kann quervernetzt oder nicht quervernetzt sein.
Das polare Polymermodifiziermittel führt Ladung bei großen Feldstärken schnell
ab oder streut diese. Der Ionenfänger
stabilisiert oder neutralisiert Raumladungen. Das optionale Hitzestabilisierungsmittel
minimiert die interne Ladungserzeugung während der thermischen Degradation der
Isolierung im Betrieb. Das resultierende Kabel sollte eine Temperaturnenngröße von (a)
90 °C oder
mehr oder (b) 75 °C
oder mehr erreichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 beschreibt
PEA-Raumladungsmessungen nach 24 h bei +20 kV/mm.
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2 beschreibt
PEA-Raumladungsmessungen nach 24 h bei –20 kV/mm.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Copolymer, das in der Erfindung verwendet wird, ist ein Ethylen/Alpha-Olefin-Interpolymer
wie beispielsweise ein Ethylen/Propylen-Copolymer. Das Harz weist
eine geringe Kristallinität
auf und eine Dichte von weniger als 0,90 g/cm3.
In einer sehr wichtigen Ausführungsform
ist das in der Erfindung verwendete Harz ein C2-C6-Alpha-Olefin-Copolymer. Geringe Kristallinität bedeutet
eine Kristallinität
von weniger als 20%, wie mittels eines differenziellen Scanning-Kalorimeters
bestimmt. Die Alpha-Olefin-Harze, die in der Erfindung verwendet
werden können,
beinhalten ein Ethylen-Hexen-Copolymer, das mit einem Single-Site-Katalysator (SSC)
hergestellt wurde, ein Ethylen-Buten-Copolymer, das mit einem Ziegler-Natta
(Z/N)-Katalysator hergestellt wurde und ein Ethylen-Okten-Copolymer,
das mit einem SSC-Katalysator hergestellt wurde. Das unpolare Ethylen-Copolymer
kann einige polare Bestandteile aufweisen, solche polaren Bestandteile
sollten jedoch nicht in einer solchen Menge vorliegen, dass das
Harz kristallin wird und seine amorphen Eigenschaften verliert.
Daher kann das unpolare Harz ein Ethylen/Styrol-Copolymer, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
oder ein Ethylen/Ethylacrylat-Copolymer
in geringen Mengen enthalten. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die
ein quervernetztes Harz einschließt, kann das Harz unter Verwendung
eines Peroxids, durch Bestrahlung oder Feuchtigkeitshärtung quervernetzt
sein.
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Polare
Polymermodifiziermittel sind polymere Materialien, die wenigstens
einen polaren Bestandteil aufweisen. Diese polaren Bestandteile
können
ein Teil der Polymerstruktur sein, als Seitengruppen, wobei diese
Gruppen Reste von Maleinsäureanhydrid,
Vinylacetat und Vinylacrylat sein können, wobei solche Bestandteile
in das Polymer beispielsweise durch Pfropfen aufgenommen wurden
oder wobei sie ein Teil der monomeren Vorläufer des Polymers waren. Polare
Bestandteile können
auch Hydroxylgruppen, Styrolgruppen und Carboxylgruppen einschließen. Das
polare Polymermodifiziermittel kann Polyethylenglykol (wobei der
polare Bestandteil eine Hydroxylgruppe ist), Ethylenethylacrylat
(wobei der polare Bestandteil ein Rest von Vinylacrylat ist), Ethylen-Styrol-Copolymer
(wobei der polare Bestandteil eine Styrolgruppe ist) oder ein Polyester mit
einer Säurezahl
(wobei der polare Bestandteil eine Carbonsäuregruppe ist) sein. Die polaren
Polymermodifiziermittel können
Maleinsäureanhydrid-gepfropfte
Ethylen/Alpha-Olefin-Copolymere mit sehr geringer Dichte sein, die
eine Dichte von weniger als etwa 0,900 g/cm3 aufweisen,
wie oben beschrieben, mit etwa 0,3% Maleinsäureanhydrid, Polycaprolactonharze
(mit einer Carbonsäuregruppe
in der Hauptkette mit einer Diolgruppe am Ende) und Gemische davon.
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Ionenfänger sind
Verbindungen, die chelatisierende Gruppen aufweisen, wie beispielsweise
Hydroxyl und Carboxyl. Ionenfänger
können
1,2-Bis(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamoyl)hydrazin,
Poly[[6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-s-triazin-2,4-diyl]
[2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidyl)imino]hexamethylen [(2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidyl)imino],
N,N'-Bis(O-hydroxybenzal)oxalyldihydrid,
Barbitursäure,
tertiäre Phosphorsäureester
eines Thiobisphenols und N,N'-Diphenyloxamid
und Gemische davon beinhalten.
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Antioxidanzien
können
ebenfalls in die Isolierungs- oder Halbleiterabschirmungszusammensetzungen eingefügt werden.
Antioxidanzien, die verwendet werden können, beinhalten: 1,3,5-Tris(4-tert-butyl-3-hydroxy-2,6-dimethylbenzyl)-1,3,5-triazin-2,4,6-(1H,
3H, 5H)-trion, kommerziell erhältlich
als Cyanox 1790; und Distearylthiodipropionat (DSTDP).
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Für Halbleiterabschirmungszusammensetzungen
sollte der Ruß eine
geringe Menge ionischer Spezies enthalten, vorzugsweise weniger
als 200 ppm. Weiter bevorzugt ist die Menge an ionischen Spezies
kleiner als 100 ppm. Die Menge an ionischen Spezies eines Rußes kann
durch induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie oder das in J. Tanaka, "Interfacial Aging
Phenomena in Power Cable Insulation systems", Institute of Material Science, University
of Connecticut, Progress Report Nr. 8 und 9, 13. September 1988,
beschriebene Verfahren bestimmt werden.
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Für eine quervernetzte
Isolierungszusammensetzung mit einer Temperaturnenngröße von 90 °C sollte die
Dehnung und Verformung bei einer Temperatur von 150 °C gemäß ICEA T-28-562-Testverfahren
nicht mehr als 175% bzw. 10% betragen. Das alternative Referenzverfahren
ist der Lösungsmittelextraktionstest
gemäß ASTM D2765.
Die quervernetzte Isolierungszusammensetzung wird im Allgemeinen
nach 20 h Trocknungszeit nicht mehr als 30% extrahierbare Bestandteile
aufweisen. Eine Isolierung mit einer Temperaturnenngröße von 75 °C erfordert
im Allgemeinen eine prozentuale zurückbleibende Zugfestigkeit und
Bruchdehnung von nicht weniger als 70% nach 7 Tagen Wärmealterung
bei 113 °C
in einem Umluftofen gemäß UL-1581-Standard.
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Beispiele 1–7
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Die
Beispiele 1, 2, 3, 4 und 6 veranschaulichen die Erfindung. Die Beispiele
5 und 7 sind Vergleichsbeispiele.
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In
jedem der Beispiele zeichnete sich das Ethylengrundpolymer dadurch
aus, dass es eine geringe Kristallinität und einen niedrigen Schmelzindex
aufweist und ein Polyethylen mit sehr geringer Dichte ist: (a) Exact
4033TM- Ethylen/Hexen-Copolymer;
(b) DGH-8480TM-Ethylen/Buten-Copolymer oder
(c) Engage 8003TM-Ethylen/Okten-Copolymer.
Wenn in Tabelle 1 nicht anders angegeben, so enthielt die beispielhafte
Zusammensetzung Exact 4033TM-Ethylen/Hexen-Copolymer
als Grundpolymer.
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Exact
4033TM-Ethylen/Hexen-Copolymer mit einer
Dichte von 0,880 g/cm3 und einem Schmelzindex von
0,8 g/10 min ist ein Single-Site-katalysiertes Polyethylen, das
von Exxon Chemical Co. erhältlich
ist. DGH-8480TM-Ethylen/Buten-Copolymer mit einer Dichte
von 0,884 g/cm3 und einem Schmelzindex von
0,8 g/10 min ist von The Dow Chemical Company erhältlich.
Engage 8003TM-Ethylen/Okten-Copolymer mit
einer Dichte von 0,885 g/cm3 und einem Schmelzindex
von 1,0 g/10 min ist ein Single-Site-katalysiertes Polyethylen, erhältlich von
DuPont Dow Elastomers LLC.
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Alle
der beispielhaften Zusammensetzungen enthielten außerdem 0,25
Gew.% Chimassorb 944 Poly[[6-[1,1,3,3-tetramethyl-butyl)amino]-s-triazin-2,4-diyl]
[2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]hexamethylen[(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino]]
als Ionenfänger,
0,14 Gew.% Cyanox 1790 1,3,5-Tris(4-tert-butyl-3-hydroxy-2,6-dimethylbenzyl)-1,3,5-triazin-2,4,6-(1H,
3H, 5H)-trion als primäres
Antioxidans und 0,23 Gew.% DSTDP als sekundäres Antioxidans. Chimassorb
994 ist von Ciba Specialty Chemical Corporation erhältlich.
Cyanox 1790 ist von Cytec Corporation erhältlich. DSTDP ist von Great
Lakes Corporation erhältlich.
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Außerdem wurde
jede Zusammensetzung mit Bis(1-methyl-1-phenylethyl)peroxid gehärtet, welches von
Hercules Corporation erhältlich
ist.
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Verschiedene
weitere Bestandteile wurden in der beispielhaften Zusammensetzung
verwendet. DEFA-1373TM-Ethylen/Buten-Copolymer
mit sehr geringer Dichte mit 0,3 Gew.% Maleinsäureanhydrid-Pfropfung ist von
The Dow Chemical Company erhältlich
und zeichnet sich als polares Polymermodifiziermittel aus. DEFA-1373
weist eine Dichte von 0,903 g/cm3 und einen
Schmelzindex von 2,0 g/10 min auf. Tone Polymer P-767TM Polylactonharz
weist eine Dichte von 1,145 g/cm3, einen
Schmelzindex von 30,0 g/10 min und einen Schmelzpunkt von 60 °C auf. P-767
Polylactonharz ist von The Dow Chemical Company erhältlich und
zeichnet sich als polares Polymermodifiziermittel aus. Zinkoxid,
welches als Hitzestabilisierungsmittel/Phononableiter zugefügt wurde,
ist als Kadox 911 P von Zinc Corporation of America erhältlich.
Irganox 1024 1,2-Bis(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamoyl)hydrazin,
welches als Ionenfänger
hinzugefügt
wurde, ist von Ciba Specialty Chemicals Corporation erhältlich.
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Die
Raumladungsmessungen wurden mit einem gepulsten elektroakustischen
Verfahren durchgeführt.
Die Einzelheiten dieses Verfahrens sind der Literatur zu entnehmen
und in Y. Li, M. Yasuda und T. Takad, "Pulsed Electro-acoustic Method for Measurement
of Charge Accumulation in Solid Dielectrics", IEEE Transaction EI, Bd. 1, S. 188-195,
1994, beschrieben.
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Jede
Probe wies eine Dicke von 1,6 mm bei einem Durchmesser von 135 mm
auf, angeordnet zwischen Halbleiter-Elektroden mit 0,1 mm und einem
Durchmesser von 30 mm, angeordnet zwischen Halbleiter-Elektroden
mit 0,1 mm und einem Durchmesser von 30 mm. Es wurde für 24 h 32
kV Gleichstrom (20 kV/mm) angelegt und die Raumladung wurde durch
PEA gemessen, ohne Anlegung von Spannung, wie in 1 gezeigt.
Die Probe wurde geerdet, ohne Anlegen von Spannung, für 12 h und
anschließend
wurden für 24
h –32
kV Gleichstrom (20 kV/mm) angelegt. Die Raumladung ohne Anlegen
von Spannung wurde erneut durch PEA gemessen, wie in 2 gezeigt.
Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur von etwa 20 °C durchgeführt. Die
Raumladungsmessungen wurden als Ladungsdichte (Coulomb/mm3) als Funktion der Zeit (Nanosekunden) aufgetragen.
Jeder in den 1 und 2 gezeigte
Abschnitt entspricht einem Wert von 2 Coulomb/mm3.
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Für HVDC-Kabelanwendungen
sollte die HVDC-Kabelisolierung die Raumladung während der gesamten Messzeit
so gering wie möglich
und so einheitlich wie möglich
halten. Der Wert der Raumladungsmessung sollte für eine hervorragende HVDC-Kabelisolierung
nicht mehr als 2 Coulomb/mm
3 betragen, sowohl
für positive
als auch negative Gleichstrombelastung. Tabelle
1. HVDC-Isolierung
- 1DGH-8480TM-Ethylen/Buten-Copolymer
- 2Engage 8003TM-Ethylen/Okten-Copolymer
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Wirkung von Additiven
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Vergleichsbeispiel
5, welches typische Antioxidanzien und UV-Stabilisierungsmitel enthielt, erfüllte nicht
die benötigten
Anforderungen an den Raumladungswert bei der anliegenden positiven
Gleichstrombelastung von 20 kV/mm. Die Beispiele 1 und 2 mit Irganox
1024 und zwei verschiedenen polaren Polymermodifiziermitteln erfüllten jedoch
jeweils die gewünschten
Anforderungen, sowohl bei positiven als auch bei negativen Gleichstrombelastungen.
Beispiel 2 zeigte eine geringere Raumladungsverteilung als Beispiel
1. Beispiel 3 mit einem zusätzlichen
Hitzestabilisierungsmittel, Zinkoxid, zeigte eine weitere Verbesserung
der Raumladung im Vergleich zu Beispiel 2. Beispiel 4 mit der Kombination
der Additive der Beispiele 3 und 1 zeigte ein annehmbares Raumladungsverhalten.
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Wirkung der
Harze
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Die
Beispiele 2 und 6 und Vergleichsbeispiel 7 zeigen die Wirkung verschiedener
VLDPE-Harze auf die Raumladungsverteilung. Vergleichsbeispiel 7,
hergestellt aus Okten-Comonomer, erfüllte die Raumladungsverteilungskriterien
bei den gezeigten Mengen an Polymermodifiziermitteln und Ionenfängern nicht.
