Composiciones de aislamiento resistentes a la arborescencia.

Una composición de aislamiento para un cable eléctrico que comprende:

a) un polímero básico que comprende poliolefina; y

b) un aditivo que comprende una mezcla extensiva de:

(i) al menos un antioxidante de amina, y

(ii) al menos un fotoestabilizador de amina con impedimento, y

(iii) polietilenglicol.

Composiciones de aislamiento resistentes a la arborescencia Reivindicación de prioridad

Esta solicitud reivindica prioridad de las solicitudes de patente provisional de EE.UU. nº 60/953.309, presentada el 6 de agosto de 2007, y 60/018.625, presentada el 2 de enero de 2008.

Campo de la invención La invención se refiere a composiciones de aislamiento para cables de alimentación eléctrica que tienen un polímero básico de poliolefina y un aditivo que comprende cera de bajo peso molecular o polietilenglicol (PEG) y que opcionalmente comprenden adicionalmente uno o más fotoestabilizadores de amina con impedimento, antioxidantes de amina y otras mezclas extensivas de antioxidantes. La invención se refiere también a una composición de aislamiento que comprende una α-olefina C2-C8 en combinación con un homopolímero de polietileno junto con, opcionalmente, uno o más fotoestabilizadores de amina con impedimento y un antioxidante de cresol líquido.

Antecedentes de la invención Los cables de alimentación típicos tienen generalmente uno o más conductores en un núcleo que está rodeado por varias capas que pueden incluir: una primera capa semiconductora polimérica de blindaje, una capa aislante polimérica, una segunda capa semiconductora polimérica de blindaje, un blindaje de cinta metálica y una vaina polimérica.

Los materiales poliméricos se han utilizado en el pasado como materiales eléctricos aislantes y semiconductores de blindaje para cables de alimentación. En servicios o productos que requieran el funcionamiento a largo plazo de un cable eléctrico, dichos materiales poliméricos, además de tener propiedades dieléctricas adecuadas, deben ser duraderos. Por ejemplo, el aislamiento polimérico utilizado en alambres de construcción, alambres de alimentación de motores eléctricos o máquinas o cables de transmisión de energía subterráneos, debe ser duradero por necesidades y aspectos prácticos de seguridad y económicos.

Un tipo importante de fallo que puede experimentar el aislamiento polimérico de cable de alimentación es el fenómeno conocido como arborescencia. La arborescencia evoluciona generalmente a través de una sección dieléctrica bajo estrés eléctrico de modo que, si es visible, su ruta se parece a un árbol. La arborescencia puede ocurrir y evolucionar lentamente por descarga parcial periódica. Puede ocurrir también lentamente en presencia de humedad sin descarga parcial, o puede ocurrir rápidamente como resultado de una sobretensión. Las arborescencias pueden formarse en sitios de alto estrés eléctrico tales como contaminantes o vacíos en el cuerpo de la interfase de aislamiento-pantalla semiconductora. En dieléctricos orgánicos sólidos, la arborescencia es el mecanismo más probable de fallo eléctrico que no ocurre catastróficamente, sino que más bien parece ser el resultado de un proceso más prolongado. En el pasado, se ha conseguido alargar la vida útil del aislamiento polimérico modificando los materiales poliméricos mediante mezclado intensivo, injerto o copolimerización de moléculas basadas en silano u otros aditivos de modo que las arborescencias se inicien solo a tensiones mayores de las habituales o crezcan más lentamente una vez iniciadas.

Hay dos clases de arborescencia conocidas como arborescencia eléctrica y arborescencia higroscópica. La arborescencia eléctrica es el resultado de descargas eléctricas internas que descomponen el dieléctrico. Las sobretensiones altas pueden producir arborescencias eléctricas. El daño resultante de la aplicación de altas tensiones de corriente alterna a las interfases de electrodo/aislamiento, que pueden contener imperfecciones, es comercialmente significativo. En este caso, pueden existir gradientes de estrés localizado muy altos y, con suficiente tiempo, pueden conducir al inicio y crecimiento de arborescencias. Es un ejemplo de esto un cable o conector de alimentación de alta tensión con una interfase rugosa entre el conductor o blindaje de conductor y el aislante primario. El mecanismo de fallo implica la degradación real de la estructura modular del material dieléctrico, quizás por bombardeo electrónico. En el pasado, gran parte de la materia se ha referido a la inhibición de arborescencias eléctricas.

En contraposición con la arborescencia eléctrica, que es el resultado de descargas eléctricas internas que descomponen el dieléctrico, la arborescencia higroscópica es el deterioro de un material dieléctrico sólido que se expone simultáneamente a líquido o vapor y a un campo eléctrico. Los cables de alimentación enterrados son especialmente vulnerables a la arborescencia higroscópica. Las arborescencias higroscópicas se inician en sitios de alto estrés eléctrico tales como interfases rugosas, puntos conductores sobresalientes, vacíos o contaminantes embebidos, pero a tensiones menores que las requeridas para las arborescencias eléctricas. En contraposición con las arborescencias eléctricas, las arborescencias higroscópicas tienen las siguientes características distintivas: (a) la presencia de agua es esencial para su crecimiento; (b) no se detectan normalmente descargas parciales durante su crecimiento; (c) pueden crecer durante años antes de alcanzar un tamaño que pueda contribuir a su degradación; (d) aunque de crecimiento lento, se inician y crecen en campos eléctricos mucho menores que los requeridos para el desarrollo de arborescencias eléctricas.

Las aplicaciones de aislamiento eléctrico se dividen generalmente en aislamiento de baja tensión (menos de 1 kV) , aislamiento de media tensión (en el intervalo de 1 kV a 69 kV) y aislamiento de alta tensión (por encima de 69 kV) . En aplicaciones de baja tensión, por ejemplo cables eléctricos y aplicaciones de la industria automovilística, la arborescencia no es generalmente un problema dominante. Para aplicaciones de media tensión, la arborescencia eléctrica no es generalmente un problema dominante y es mucho menos común que la arborescencia higroscópica, que es frecuentemente un problema. Los aislantes poliméricos más comunes están hechos de homopolímeros de polietileno o elastómeros de etileno-propileno, conocidos de otro modo como caucho de etileno-propileno (EPR) o terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM) .

El polietileno se usa generalmente puro (sin cargas) como material de aislamiento eléctrico. Los polietilenos tienen muy buenas propiedades dieléctricas, especialmente constantes dieléctricas y factores de potencia. La constante dieléctrica del polietileno está en el intervalo de aproximadamente 2, 2 a 2, 3. El factor de potencia, que es una función de la energía eléctrica disipada y perdida y debería ser lo más bajo posible, es de aproximadamente 0, 0002 a temperatura ambiente, un valor muy deseable. Las propiedades mecánicas de los polímeros de polietileno son también adecuadas para utilización en muchas aplicaciones como aislamiento de media tensión, aunque tienden a la deformación a altas temperaturas. Sin embargo, los homopolímeros de polietileno tienen mucha tendencia a la arborescencia higroscópica, especialmente hacia el extremo superior del intervalo de media tensión.

Ha habido intentos de preparar polímeros basados en polietileno que tuvieran estabilidad eléctrica a largo plazo. Por ejemplo, cuando se usa peróxido de dicumilo como agente reticulante para polietileno, el residuo de peróxido funciona como inhibidor de la arborescencia durante cierto tiempo después del endurecimiento. Sin embargo, estos residuos se pierden eventualmente a la mayoría de temperaturas a las que se usa un cable de alimentación eléctrica. La patente de EE.UU. nº 4.144.202, expedida el 13 de marzo de 1979 a Ashcraft et al., da a conocer la incorporación a polietilenos de al menos un organosilano que contiene epóxido como inhibidor de la arborescencia. Sin embargo, sigue existiendo la necesidad de un aislante polimérico que tenga una resistencia a la arborescencia mejorada frente a dichos polietilenos que contienen silano.

Al contrario que el polietileno, que puede utilizarse puro, el otro aislante común de media tensión, EPR, contiene típicamente un alto nivel de carga para resistir la arborescencia. Cuando se utiliza como aislante de media tensión, el EPR contendrá generalmente de aproximadamente 20 a aproximadamente 50% en peso de carga, lo más probablemente arcilla calcinada, y está preferiblemente reticulado con peróxidos. La presencia de la carga da al EPR una alta resistencia frente a la propagación de arborescencias. El EPR tiene también propiedades mecánicas que son superiores a las del polietileno a temperaturas elevadas. El EPR es también mucho más flexible que el polietileno, lo que puede ser una ventaja para espacios estrechos o de difícil instalación.... [Seguir leyendo]

1. Una composición de aislamiento para un cable eléctrico que comprende: a) un polímero básico que comprende poliolefina; y b) un aditivo que comprende una mezcla extensiva de:

(i) al menos un antioxidante de amina, y

(ii) al menos un fotoestabilizador de amina con impedimento, y

(iii) polietilenglicol.

2. La composición de aislamiento según la reivindicación 1, en la que dicho polímero básico comprende polietileno de baja densidad.

3. La composición de aislamiento según la reivindicación 1, en la que dicho aditivo es de aproximadamente 0, 5 a aproximadamente 10, 0% en peso de dicha composición.

4. La composición de aislamiento según la reivindicación 1 en un cable eléctrico, en la que dicho cable tiene un tiempo hasta fallo característico en un ensayo de alambre cuadrado de al menos aproximadamente 850 horas.

5. El compuesto de aislamiento según la reivindicación 1 en el que dicho aditivo comprende adicionalmente un 15 antioxidante fenólico que contiene azufre.

6. Un proceso para preparar un cable eléctrico que tiene una composición de aislamiento, que comprende: a) un polímero básico que comprende poliolefina; y b) un aditivo que comprende una mezcla extensiva de:

(i) al menos un antioxidante de amina, y 20 (ii) al menos un fotoestabilizador de amina con impedimento, y

(iii) polietilenglicol

comprendiendo el proceso:

formar una mezcla madre del aditivo y una primera cantidad de la poliolefina; añadir la mezcla madre a una segunda cantidad de la poliolefina en un extrusor preparador de cable y añadir peróxido al extrusor preparador de cable a una 25 temperatura menor que la temperatura de descomposición del peróxido.

7. El proceso para preparar un cable eléctrico de la reivindicación 6, en el que la primera cantidad de poliolefina es de aproximadamente un 10% de la cantidad total de poliolefina usada en la preparación del cable.