Verfahren zur Herstellung einer Isolierung für Hoch- und Höchstspannungskabel und Anlage zur Durchführung dieses Ver- fahrens

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigungstechnik für elektrische Kabel und ist bei der Herstellung von Hoch- und Hόchstspannungskabeln anzuwenden, deren Isolierung aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus vernetztem Polyäthylen besteht.

Auf dem Gebiet der Übertragung großer elektrischer Leistungen mittels in Erde verlegter Kabel hat sich mit der zu Ende ge- henden Entwicklung von Kabeln mit ölgetränkter Papieriso¬ lierung die Entwicklung zunehmend dem Einsatz von extrudier- baren Kunststoffen wie Polyäthylen, vernetzem Polyäthylen und Äthylen-Propylen-Copolymeren zugewandt. Kabel mit einer Iso¬ lierung aus vernetztem Polyäthylen sind inzwischen in den Spannungsebenen 110 kV, 220 kV und 380/400 kV zum Einsatz ge¬ kommen. Die Entwicklung auf dem Gebiet des Isoliermaterials zielt dabei darauf ab, bei einer Beanspruchungsdauer von 40 Jahren eine möglichst hohe Wechselspannungsfestigkeit zu er¬ reichen, um mit möglichst geringer Wanddicke der Isolierung arbeiten zu können; beispielsweise sind etwa 20 kV/mm bei 220 kV erreichbar, was zu einer Isolierdicke von 24 mm führt. Voraussetzung für derartige elektrische Werte ist eine mög¬ lichst große Reinheit des Isoliermaterials, d.h. eine Begren¬ zung cer Größe von Fremdkörpern auf höchstens 50 um und ein Feuchc _b ehalt der Isolierung von max. etwa 10 bis 30 ppm. Der niedrig Feuchtegehalt kann durch eine "trockene" Vernetzung gewährleistet werden, für deren Durchführung ein elektrisch geheiztes Rohr verwendet wird, dessen Innendurchmesser prak¬ tisch dem Außendurchmesser der Kabelader entspricht. Dem Ver- netzungsrohr unmittelbar vorgesc altet ist eine Extrusions- einrichtung, die aus einem Spritzkopf mit je einem Extruder

für das Isoliermaterial und das Material der inneren und der äußeren Leitschicht besteht. Der Extrusionseinrichtung ist eine Einrichtung zur Zuführung des zu isolierenden elektri¬ schen Leiters vorgeschaltet ist. - Die Begrenzung der Größe von Fremdkörpern im Isoliermaterial wird zum einen durch ein Lieferzertifikat des Compoundherstellers und zum anderen durch Maßnahmen bei der Verarbeitung des gelieferten Polymer¬ granulats gewährleistet. Zu diesen Maßnahmen gehören der Ein¬ satz eines Windsichters und eines Magnetscheiders zur Aus- Scheidung gegebenenfalls im Transportsystem vorhandener mi¬ kroskopischer Fremdstoffpartikel und der Einsatz eines Siebpaketes vor dem Spritzkopf des Extruders. Dies bedeutet, daß der eigentlichen Förderstrecke für das Polymergranulat von dem das Polymergranulat enthaltenden Gebinde des Zuliefe- rers über Windsichter und Magnetscheider und eine oder mehre¬ re Rohrstrecken bis zum Einfülltrichter des Extruders beson¬ dere Beachtung gewidmet wird. Die Wirksamkeit der hierbei er¬ griffenen Maßnahmen hängt dabei auch von der Ausgestaltung der zur Reinhaltung des Polymergranulats eingesetzten Vor- richtungen ab (Zeitschrift "etz", 1980,Heft 25, Seiten 1374; Zeitschrift "Brown Boveri Technik", 10-86, Seiten 598 bis 602; Zeitschrift "Elektrizitätswirtschaft", 1991, Heft 11, Seiten 589 bis 598; Zeitschrift "Kunststoffe", 1992, Heft 12, Seite 1318. Zeitschrift "etz", 1994, Heft 22/23, Seite 1312) .

Ausgehend von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbe¬ griffes des Patentanspruches 1 und von einer Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 2 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verarbeitung von hochrei- nem Polymergranulat so auszugestalten, daß die hergestellte Isolierung eine gleichwertige Reinheit wie das angelieferte Polymergranulat aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Polymermaterial auf dem gesamten Förderweg vom Vor¬ ratsraum für das angelieferte Gebinde bis zur Ausformung als

Kabelisolierung mittels einer auf Luftreinheit kontrollierten Umgebung gegen den Zutritt von Verunreinigungen abgeschirmt wird, daß das Polymergranulat im Bereich der Förderstrecke im wesentlichen vertikal von oben nach unten gefördert und dabei dosiert in die Förderstrecke eingegeben wird, in der das Po¬ lymergranulat zunächst durch den Windsichter und danach durch den Magnetscheider geführt wird, und daß das Polymergranulat dem Einfülltrichter des Extruders außermittig zugeführt wird, um bei einem Wechsel der ExtrüderSchnecke die Förderstrecke für das Polymergranulat im Bereich der Auslaßöffnung des Ein- fülltrichters absperren und eine zweite Förderstrecke für die Zuführung von Reinigungsgranulat eröffnen zu können. - Zur Durchführung dieser Maßnahmen ist eine Extrusionsanlage ge¬ eignet, bei der zunächst der gesamte Förderweg und der Extru- der in einem Reinraum der Klasse 100 000 angeordnet sind, - wobei der Eintrittsbereich der eigentlichen Förderstrecke und der Extrusionsbereich zusätzlich als Reinraum bzw. Reinzone der Klasse 1 000 ausgebildet sein können - , bei der weiter¬ hin der Eintrittsbereich der eigentlichen Förderstrecke, der Windsichter, der Magnetscheider und die Rohrstrecke oberhalb des Einfülltrichters des Extruders turmartig übereinander an¬ geordnet sind, wobei zwischen der Eintrittsöffnung der För¬ derstrecke und dem Windsichter ein Zwischenbehälter und eine dem Zwischenbehälter nachgeordnete Dosiereinrichtung angeord- net sind, der Magnetscheider mehrere nebeneinander angeord¬ nete, vertikal ausgerichtete Scheideelemente aufweist, die jeweils aus einem schachtartigen Gehäuseteil bestehen, in dem wenigstens drei Magnetstäbe mit Abstand übereinander angeord¬ net sind, und der Einfülltrichter einen außermittig angeord- neten Zuführstutzen für das Polymergranulat, ein mittig ange¬ ordnetes, axial verschiebbares Einfüllrohr für Reinigungsgra¬ nulat und einen mittig angeordneten, axial verschiebbaren Verschlußstopfen zum Verschließen der Austrittsöffnung des Einfülltrichters aufweist. An die Reinzone für den Extrusi- onsbereich kann sich ein Reinrav ^" der Klasse 100 000 an-

schließen, in dem sich Reinigungseinrichtungen für Schnecke und Spritzkopf des Extruders befinden.

Die gemäß der Erfindung vorgesehenen Maßnahmen gewährleisten - eine wirksame Abschottung des Verarbeitungsweges für das Polymergranulat gegen Verunreinigungen von außen,

- einen möglichst kurzen Förderweg für das Polymergranulat in Verbindung mit möglichst wenig Reibungsflächen und damit möglichst wenig Abrieb an der Wandung des Förderweges, - ein rieselndes Durchlaufen des Förderweges und damit so¬ wohl im Bereich des Windsichters als auch im Bereich des Magnetscheiders einen wirksamen Zugriff zu Fremdkörpern im Polymergranulat und

- eine gegenseitige Abschottung der beiden Förderwege für das Polymergranulat und das Reinigungsgranulat auch bei einem Wechsel von einem Förderweg zum anderen.

Die für die Ausgestaltung eines "sauberen" Förderweges bevor¬ zugt vorgesehenen Maßnahmen, wie sie auch in den Patent- ansprüchen 4 bis 6 aufgeführt sind, werden anhand eines in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispieles einer Extrusionsanlage erläutert, die zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignet ist. Dabei zeigen

Figuren 1 und 2 eine schematische Darstellung der Gesamtan- läge in einem Grundriß und einer Seitenan¬ sicht, Figur 3 eine Prinzipdarstellung des Förderweges, Figur 4 den Eintrittsbereich der eigentlichen För¬ derstrecke, Figuren 5 und 6 eine schematische Darstellung des Magnet- scheiders, Figur 7 den Zuführungstrichter am Extruder und Figur 8 den Bereich der Austrittsöffnung des Zufüh¬ rungstrichters.

Figur 1 zeigt den Grundriß einer Anlage, mit der zur späteren Herstellung eines Hochspannungskabels auf einen elektrischen Leiter eine hochspannungsfeste Kunststoffisolierung aufge¬ bracht wird. Hierzu wird ein elektrischer Leiter 1 mit Hilfe eines Abzuges 3 von einer Kabeltrommel 2 abgezogen und über eine Vorrichtung 4 zum Aufheizen des Leiters einem Spritzkopf 5 zugeführt. Bei diesem Spritzkopf handelt es sich um einen sogenannten Drei-fach Spritzkopf, über den gleichzeitig eine innere Leitschicht, die eigentliche Isolierung und eine äuße- re Leitschicht auf den Leiter aufgebracht werden. Hierzu sind dem Spritzkopf 5 zwei Extruder 6 und 7 zum Aufbringen der Leitschichten und ein Extruder 8 zum Aufbringen der Isolier¬ schicht zugeordnet. Im Anschluß an den Spritzkopf 5 ist eine horizontale Vernetzungsstrecke 9 in Form eines beheizten Ver- netzungsrohres angeordnet.

Der Extrusionsbereich 10 und daran angrenzende Bereiche sind gegenüber der Umgebung mit Hilfe von Wänden 11 und entspre¬ chenden Decken hermetisch abgeschlossen, um innerhalb des so begrenzten Raumes mit Hilfe einer Belüftungsanlage (Erzeugung eines leichten Überdruckes) und entsprechender Filter eine Luftreinheit der Klasse 100 000 (maximal 700 freischwebende Makroteilchen mit Teilchengröße 5 um und maximal 100 000 freischwebende Makroteilchen mit einer Teilchengroße 0,5 um in 1 Kubikfuß (ca. 28 1) Luftvolumen) gewährleisten zu kön¬ nen. Zu dem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Bereich gehört gemäß Figur 2 auch ein turmartiger Raum 13, der verti¬ kal oberhalb des Extruders 8 angeordnet ist. - Innerhalb des durch die Wände 11 begrenzten Raumes sind noch zwei besondere Bereiche geschaffen, in denen eine Luftreinheit der Klasse

1000 (max. 7 Teilchen/5μm; max 1 000 Teilchen/0,5 um in 1 Ku¬ bikfuß (ca. 28 1) Luftvolumen) gewährleistet ist. Dies ist zum einen der Raum 15, dessen Funktion weiter unten anhand der Figur 4 erläutert wird, und der in unmittelbarer Umgebung des Spritzkopfes befindliche Extrusionsbereich 10. Während der Raum 15 gegenüber dem übrigen Innenraum abgeschottet ist,

wird im Extrusionsbereich 10 eine Reinzone durch Anwendung eines gleichgerichteten LuftStromes (laminare Strömung) ge¬ währleistet.

Der durch die Wände 11 begrenzte Reinraum umfaßt außer dem Extrusionsbereich weiterhin einen Vorratsraum 12, in dem das von einem Kunststoffhersteller angelieferte Polymergranulat für die Herstellung der Kabelisolierung in Form von Gebinden 20 abgestellt wird. Diese Gebinde werden nach ihrer Reinigung durch eine dicht verschließbare Wand hindurch auf eine Platt¬ form 82 gestellt und von dort - gemäß Figur 2 - mittels einer Krananlage 21 auf die obere Ebene des turmartigen Raumes 13 transportiert.

Der turmartige Raum 13 ist gemäß Figur 2 in mehrere vertikal ubereinanderliegende Bereiche eingeteilt, nämlich den Be¬ schickungsbereich 14, den Eintrittsbereich 15 für die eigent¬ liche Förderstrecke, den Reinigungsbereich 16 und den Bereich 17, in dem das Polymergranulat aus dem Reinigungsbereich dem Extruder 8 zugeführt wird. Dieser turmartige Bereich, der die eigentliche Förderstrecke für das Polymergranulat darstellt, ist in Figur 3 schematisch hervorgehoben. Gemäß Figur 3 ist das mit dem Hebezeug nach oben beförderte Gebinde 20 mit ei¬ nem Bodenauslaß versehen. An den Auslaßbereich 22 schließt ein Zwischenbehälter 23 an, in den das Gebinde 20 laufend entleert wird. Am Bodenauslaß des Zwischenbehälters 23 befin¬ det sich eine Dosiervorrichtung 24, die aus einem handelsüb¬ lichen Vibrationsförderer (z.B. der Fa. AEG, DE; Stand der Technik z.B. DD 257.737/EP 0 278 725) besteht. Mittels dieser Dosiervorrichtung wird das Polymergranulat einem handelsüb¬ lichen Windsichter (z.B. Fa. Alpine AG, Augsburg, DE; Stand der Technik: US 1,861,248/DE 26 08 721, Fig. 1/DE-U 80 08 484) zugeführt, in dem das Polymergranulat entgegen einem Luftstrom nach unten fällt. Anschließend durchrieselt das Po- lymergranulat einen Magnetscheider 26 und wird vom Ausgang

des Magnetscheiders über ein flexibles Rohr 27 dem Einfüll¬ trichter des Extruders 8 zugeführt.

Figur 4 zeigt den sensiblen Eintrittsbereich der eigentlichen Förderstrecke. Das Gebinde 20, bei dem es sich um einen Papp¬ behälter mit einem innenliegenden Foliensack handelt, ist auf einer Palette 30 angeordnet, die ihrerseits in einen tassen¬ artigen Untersatz 31 gestellt ist. Gebinde 20 und Tasse 31 sind in eine Schlauchfolie 84 eingehüllt. Palette 30 und Tas- se 31 sind mit einem mittigen Durchlaß 32 versehen, der einen Zugang zu einem gefalteten Schlauchteil des Foliensackes 29 ermöglicht. - Die Tasse 31 steht auf einem Zwischenboden 33, der mit einer verschließbaren Öffnung 34 versehen ist. Unter¬ halb dieser Öffnung 34 ist ein Trichter 35 angeordnet, auf den das Ende deε gefalteten Schlauchteiles des Foliensackes 29 aufgesetzt werden kann. Der Trichter 35 führt zu einem Ku¬ gelventil 36, das den Zugang zum Zwischenbehälter 23 dar¬ stellt. Im Bereich des Trichters 35 ist eine Absaugung ange¬ ordnet, um bei nicht angeschlossenem Foliensack 29 eine Abla- gerung von Verunreinigungen im Bereich des Trichters zu ver¬ hindern. - Bei leergelaufenem Gebinde 20 wird zunächst das Ventil 36 geschlossen, bevor das schlauchförmige Teil des Fo¬ liensackes 29 vom Trichter 35 gelöst wird.

Der Zwischenbehälter 23 geht am unteren Ende trichterförmig in einen Anschlußstutzen 37 über, an den sich die Dosiervor¬ richtung 24 mit dem nachgeschalteten Windsichter 25 gemäß Fi¬ gur 3 anschließt,

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung den inneren Aufbau des Magnetscheiders 26. Innerhalb eines Gehäuses sind drei Scheideelemente 38 kaskadenartig nebeneinander angeordnet. Jedes Scheideelement besteht aus zwei Leitblechen 39 und 40, die zwischen sich einen Fallschacht bilden. Im Zuge jedes Fallschachtets sind drei Magnetstäbe (Ausgestaltung ähnlich DE 32 18 791 AI, Fig. 2 mit abwechselnd angeordneten Perma-

nentmagneten und Polscheiben) mit Abstand übereinander ange¬ ordnet, wobei die Leitbleche 39 und 40 im Bereich jedes Mage¬ netstabes 41 eine Durchgangskammer 42 bilden. Dadurch ist oberhalb jedes MagnetStabes ein kanalartiger Schütttrichter 43 bzw. 44 gebildet. - Durchmesser der Magnetstäbe und Breite der Fallschächte sind so aufeinander abgestimmt, daß die Ma¬ gnetstäbe bzw. die sie umgebenden Abstreifhülsen in ihrem Au¬ ßendurchmesser größer als die Spaltbreite des jeweiligen Fallεchachtes ist.

Um beim Reinigen der Magnetstäbe zu gewährleisten, daß keine Fremdkörper in den Magnetscheider eindringen können, sind ge¬ mäß Figur 6 einseitig verschlossene Hülsen 45 vorgesehen, die jeweils so über einen Magnetstab geschoben werden können, daß sich ein dichter Abschluß gegenüber dem Innenraum des Magnet¬ scheiders ergibt. Sodann kann der jeweilige Magnetstab 41' aus dem Magnetscheider herausgezogen und von den anhaftenden Partikeln gereinigt werden.

Vom Magnetscheider 6 gelangt das Polymergranulat über die flexible Rohrstrecke 27 (Figur 3) zu dem in Figur 7 darge¬ stellten Einführungstrichter 28 des Extruders 8.

Der Einführungstrichter 28 ist in die Einfüllöffnung 85 des Extruders 8 dicht eingesetzt und besteht aus dem trichterar¬ tigen Teil 46, einem Deckel 47, einem außermittig angeordne¬ ten Zuführungsstutzen 48 für das Polymergranulat, dem Ausla߬ stutzen 49 und einem mittig angeordneten, axial verschiebba¬ ren Einfüllrohr 50 für Reinigungsgranulat. Das verschiebbare Einfüllrohr 50 ist gegenüber dem Deckel 47 mit einem Falten¬ balg 52 abgedichtet. Dem Einfüllrohr 50 ist ein Hubkolbenan¬ trieb 51 zugeordnet, mit dem das Einfüllrohr 50 derart nach unten bewegt werden kann, daß sein unteres Ende in den An¬ schlußstutzen 49 hineinragt. Gemäß Figur 8 ist dabei am unte- ren Ende des Einfüllrohres 50 ein Dichtungsstück 53 vorgese¬ hen, das aus einem äußeren Verschlußstück 56 und einem inne-

ren Verschlußstück 57 besteht. Das äußere Verschlußstück 56 ist am unteren Ende des Einfüllrohres 50 befestigt, während das konzentrisch dazu angeordnete innere Verschlußstück 57 am Ende einer Hubstange 55 befestigt ist. Diese kann mittels ei- nes Antriebes 54 in Achsrichtung des Einfüllrohres bewegt werden. Auf diese Weise kann das Verschlußstück 57 bis über die Einfüllöffnung 55' des Einfüllrohres 50 hochgefahren wer¬ den, um die Zufuhr von Reinigungsgranulat durch das Ein¬ füllrohr 50 zu ermöglichen. - Die dem Innenraum des Extruders 8 zugekehrten Flächen der Verschlußstücke 56 und 57 sind an die Kontur der Innenwand des Extrüderzylinders angepaßt.

Mittels der beschriebenen Anlage ist somit gewährleistet, daß das Polymergranulat im Bereich der vom Bodenauslaß 32 am Ge- binde 21 bis zum Spritzkopf 5 des Extruders 8 reichenden För¬ derstrecke gegen den Zutritt von Fremdkörpern geschützt ist und daß das Polymergranulat, das aus hochreinen Granülen be¬ steht, von möglichen Fremdkörperanteilen gereinigt wird.