CN1009684B - 直流电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电缆，它包括用一种非迁移性组合物浸渍过的多层绝缘层。这种组合物的“滴点”温度比电缆在运行中可能达到的最高温度还高，并且在浸渍的溶液中含有电负性气体。

Description

本发明涉及一种直流电缆，该电缆中导体的多层绝缘是由绝缘带圈绕多层而制成的，该多层绝缘是用一种组合物（composition）浸渍过的。

上述类型的常规电缆，如公知的完全浸渍电缆或具有完全浸渍绝缘材料的电缆，由于在导体的浸渍绝缘材料中存在着缺少组合物的微孔，所以易于遭受击穿的危险。这种微孔是在电缆制造过程中产生的，并在电缆作业期间在其大小和位置方面还不断地变化着。

用组合物浸渍的电缆的绝缘材料中的微孔起源于电缆制造的过程中，因为高粘度的组合物即使持续在比较高的温度下，也会使多层绝缘层难于受到完整浸渍;同时也是在多层绝缘层受浸渍后以及围绕该绝缘层施加金属护套时，在绝缘层冷却期间该组合物受到热收缩的结果。

当电缆投入运行时，受到加热和冷却的热力循环，造成电缆中绝缘的组合物产生了径向迁移运动的后果。

特别是在热力循环加热的期间，浸渍多层绝缘的组合物的粘度下降，并且经受热力膨胀比电缆的其它成份经受的热力膨胀还大，结果该组合物体积的增大导致该微孔的数目和大小都相对地减少。

在热力循环前冷却期间，由于该组合物的收缩，致使微孔再产生，而且改变了它们的位置和大小。

众所周知，在用组合物浸渍绝缘材料的电缆中，这些微孔是有害的，尤其是当它们在相当低的压力下含有气体时会导致危险的后果。

事实上，在这些条件下，在电力的作用下，这些微孔变成放电的部位，结果使低压气体产生可能的离子化，导致绝缘击穿并由此而使电缆损坏。

为了克服这个缺点，现有规定指出，应在压力下给直流电缆充气，将电缆护套的内部与容有所述带压力气体的贮气容器相沟通，以保证在任何环境条件下这些微孔都充满着所述气体。

通称为“气压绝缘”电缆的这些电缆，未能对消除击穿危险这个问题取得令人满意的解决，其原因如下：

为了在压力下用气体填充这些微孔，不管电缆使用在什么条件下，该气体都需要施加高压。具体说，在电缆内部需要有不低于14巴的气压。除结构上相当复杂外，这涉及到在护套中存在应力，气压越高应力越大，以致由于护套的开裂而使电缆损坏。再者，对于容有气压的全浸渍绝缘的电缆而言，其最大允许长度与该气压成反比，而且实际上不管所述长度如何通常限制到不许超过5～10KM，以遏制该气体沿电缆流动期间的压力损失，防止在护套开裂的情况下潮气透入电缆中。

为了增大上述最大允许长度，曾制造出具有多层绝缘的电缆，例如在“电线和电缆的历史”一书中所叙述的（英国，伦敦Peter    Peregrinus公司1983年出版），它由预先用组合物浸渍过的绝缘材料带绕制而成，对其内气体施有压力，使气体能沿该电缆结构中的一条导管流动。但即使采用这种方法，也仍不能实现最大长度超过50KM的电缆，因为该电缆在使用一定时间以后，由于该组合物形成的堵塞，以致封闭了为沿电缆纵向流通气体所设置的导管。

上述缺点极大地限制了用组合物浸渍电缆的应用范围，特别是 用于情况十分复杂的海底范围，它不能用于长度超过50KM的连续延长的电缆工程。

本发明旨在于提供用组合物充分浸渍绝缘材料的直流电缆，它能满意地解决击穿危险所造成的问题，而在电缆长度方面不受任何限制，并且没有上述结构上的复杂问题。

为此，本发明的目标为一种用组合物充分浸渍的直流电缆，它至少包括一根被覆有半导电屏蔽层的导体，一种用溶液中含有电负气体的组合物浸渍过的，由绝缘材料带子卷绕多层形成的多层绝缘层，一层包着绝缘层的半导电屏蔽层和一层金属护套层。其特征在于，所述的组合物是一非迁移性组合物，它具有的滴点温度至少比电缆运行中能达到的最高允许温度高5℃，还在于在低于使用中的电缆的滴点温度时，相对于该组合物而言，溶于该组合物中的电负气体所呈现的扩散系数在3×10^-5和3×10^-6平方厘米/秒的范围内。

本发明将从下面以无限制性实例的方式所作的详细说明，并参照附表和附图将会更好地理解。附图是以一部分切除而示出的本发明一部分电缆的透视图。

现将图中所示的电缆构造描述如下。

一层半导电屏蔽层2，例如用一半导体带子绕制多圈而成，它包围着一根导体，该导体由多股导线绞合形成，导线可为铜线。

一个多层的绝缘层3，它用绝缘的、在溶液中含电负气体的组合物浸渍过，安排它包着该半导电屏蔽层2。

为了应用本发明，现将该组合物和电负气体的特性说明如下。

该多层绝缘层3是由诸如纸、纤维素、塑料和类似材料制成的绝缘带子圈绕多匝而成，其外面再包一层半导电屏蔽层4，该层构造例如 可与半导电屏蔽层2相同。

金属护套层5例如可由铅或铝制造，置于半导电屏蔽层4上。如前所述，该多层绝缘层3是在溶液中含有电负气体的一种组合物中浸渍过。

对于本发明的电缆而言，该组合物和其内溶解的电负气体具有以下特性;

该组合物必须是非迁移性的，必须具有比电缆在使用中能达到的最高温度至少高5℃，最好至少高10℃的滴点温度。

在本说明书中所用的“非迁移性组合物”和“滴点温度”的含意如下：

“非迁移性组合物”是一种这样的组合物，即在该组合物中，作为组合物温度函数的粘度的曲线在一给定温度（即滴点温度）处（其值是根据“美国材料试验标准（ASTM）D566-76”确定的），出现突变斜率的变化。当温度高于该滴点时，该组合物呈现为粘液;而在较低温度时，该组合物实际呈现为固体。

“滴点温度”是这样的温度，即在该温度时在作为该组合物温度的函数的曲线中，出现突变斜率的变化。

溶于该组合物中的电负气体在低于该组合物的滴点温度时，相对于所述的组合物呈现出扩散系数在3×10^-5和3×10^-6平方厘米/秒之间。

本发明电缆的该化合物和电负气体的其它特性如下：

该组合物在室温（确切地说，温度范围在5℃和35℃之间）时的抗剪弹性模量G大于或等于0.8公斤/平方厘米，以保证所存在的微孔尺寸的稳定性，即使在其中含有的电负气体的压力作用 下也是稳定的。

在温度高于该组合物的滴点温度时，其内溶在每立方厘米组合物中的电负气体的溶解度为每巴压力下不低于25×10^-2标称立方厘米气体，以便在现有工厂生产具有用组合物浸渍多层绝缘的电缆的条件下，不作任何变动即能方便、快速地在该组合物中进行溶解相当大量的电负气体。

一旦上述要求得到满足，该组合物的化学结构和该气体的化学性质被实现，这就可能是人们希望的了，这可以理解为，除具有良好的介电特征以外，该组合物和气体还必须与其相接触的电缆部件的组成材料相兼容，也就是说，不许降低它们的任何电气或化学特性。

根据上述关于该组合物和气体的考虑，本领域的专业人员对每种欲制作的电缆可以确定出避免电缆在使用中有任何击穿危险所需用的材料。

例如，要制造一种直流电缆，在设计阶段计划达到的、在运行中要到达的最高温度为60℃，则可采用的电负气体是与具有以下配方的组合物相溶合的六氟化硫：

聚异丁烯    2.5%

微晶蜡    4%

矿物油    93.5%

事实上，上述组合物的滴点温度为70℃，对于上述指定组合物而言，六氟化硫扩散系数在温度低于该滴点时，即处在上述与此特性有关的数值范围内。

当温度超过上述所指定组合物的滴点温度时，六氟化硫的溶解度高于与本发明所述电缆有关的上述最低允许值。

由于该组合物和电负气体的这些特性，电缆的制作中不涉及任何问题，不需要对现有的、用于制作具有组合物浸渍绝缘材料的工厂进行任何改造。

实际上，按本发明生产电缆，首先是将敷加在导体上的多层绝缘材料按通常的方法在一个浸渍容器内（在该容器被有效地弄干和除气之后）用一种具有本发明所提出的特性的组合物进行浸渍，并使其温度高于其滴点温度，然后将具有本发明所指定特性的电负气体输入该容器内，在几巴的压力下经过一段能使该组合物足能饱和的时间即可。

在这一时间以后，将该组合物的温度降低到低于该滴点温度，并使其继续冷却直到略高于室温为止，该容器除去电负气体以后打开，覆有用含有电负气体的组合物浸渍绝缘材料的导体即被送到计划包绕该绝缘材料而施加金属护套层的装置中，在打开该容器到包绕该绝缘材料施加金属护套层的时间内，当通过该组合物的气体的扩散系数包括在这种特性所指定的数值的临界范围内时，在该浸渍上述绝缘材料的组合物中没有气体损耗。

下述的实际试验测试说明，根据本发明采用的直流电缆，事实上消除了击穿危险，不需要涉及任何复杂的构造，不存在受长度限制的缺点，而且不需要对使用中的电缆永久供气。所采用的实验测试是题为“负荷循环及反极性试验”（“Loading    Cycle    and    Polarity    Reversal    Tests”）的实验测试，这是“国际大电网会议”（CIGRE）第21届“研究委员会”（Study    Committee    No.21）21-10工作组”（Working    Group    21-10）推荐的，并公布于“电气”（“Electra”）的第72号发行物（Issue    No.72）中。

根据所述论文中阐述的程式，在试验中每段电缆长30米，应经受30次由室温到为该电缆规定的最大运行温度之间加热和冷却的热力循环，在每隔30次循环时提升加到该电缆上的连续电压值，直到确定出电缆发生击穿时的电压为止。对以下各系列电缆进行了试验测试。

-本发明的系列电缆，设计的运行温度为60℃，其相互间的区别是用于制造该多层固态绝缘层的绝缘材料带子的特性（材料、厚度、密度、渗透性）不同。在该系列的所有电缆中，该多层绝缘材料是用上文的实例所指出的、非迁移性组合物浸渍的，该组合物用六氟化硫气体在2巴气压、120℃温度下（此温度比滴点温度（70℃）高）按照前述制造过程饱和的。此外，该系列的所有电缆都包括直径为39mm的铜绞线构成的导体，该导体被一半导体层包覆，再被厚度为18mm的多层绝缘层包住，其外然后再包一层半导体屏蔽层和一层铅护套层。

-具有充分地用一种粘性组合物浸渍过的多层绝缘材料的系列电缆，这种措辞的意思是在这种组合物中作为温度的函数的粘度的曲线不出现突变斜率的变化。所用的该粘性组合物具有一种配方，在微晶蜡的用量的上与本发明电缆不同。

其它方面，该系列电缆的构造，以及用以构成该多层绝缘的绝缘材料带子都与本发明电缆的相同。

-具有一个多层绝缘层并、充有压力气体的系列电缆，其中所述绝缘层是由带子绕成的，这与按本发明制作电缆用的材料相同，予先也用相同的组合物浸渍，含在电缆中的气体为具有压力14巴的氮气。

-与本发明电缆不同之处仅在于使浸渍绝缘材料的组合物饱合的气体为在3巴和120℃温度下的氮气的系列完全浸渍的电缆。

通过应用上述程式所进行的试验测试，可以断定，在每种电缆系列中，发生击穿的电压值的变化范围取决于用以形成多层绝缘层的绝缘材料带子的类型。

但是应该注意，对任何具体类型的、用以形成多层绝缘层的绝缘材料带而言，对于各不相同系列电缆所确定的击穿电压值的差值保持恒定。

更详地说，对上述各种不同类型电缆和那些用粘性组合物完全浸渍过的一绝缘层的电缆来说，它们的击穿电压百分差值如下表所述：

电缆类型    与具有用粘性组合物完全浸渍绝缘材

料的电缆的相比较，击穿电压的%增量

本发明的电缆    50%

由予先用与14

巴压力的氮气相溶合的

组合物浸渍过的带子所    48%

构成绝缘层的电缆

用氮饱合的组合

物完全浸渍的电缆    20%

根据上述试验的报告数据，可得出以下推论：

对于具有用粘性组合物完全浸渍绝缘材料的电缆而言，本发明电缆的击穿电压的百分比增量的数量级与具有用与14巴压力的氮气的相溶合的组合物完全浸渍的带子所构成绝缘层的电缆的百分比增量的数量级相同。

这就意味着，本发明电缆在运行期间避免击穿危险的程度就和具有相关的高压气体的绝缘材料的电缆相同，但却没有任何如常规电缆中前述的缺点。

特别是，本发明电缆不受任何长度限制，并且在护套断裂的情况下有能力延缓潮气向多层绝缘层中的渗透。

虽然本发明的一个具体实施例已予描述和说明，但应该理解，由本领域的专业人员构思的任何能变化的实施例都包括在本范围内。

Claims (4)

1、一种直流电缆，它至少包括一根用一层半导电屏蔽层包着的导体、一个用溶液中含有电负气体的组合物浸渍过的绝缘材料带多匝围绕而形成的多层绝缘层、一层包覆在所述绝缘层上的半导电屏蔽层和一层金属护套层，其特征在于，所述的组合物是一种非迁移性的化合物，它的滴点温度比该电缆在使用中可能达到的最大容许温度至少高5℃；以及溶解在该组合物中的电负气体，在温度低于该组合物的滴点时，表现的与该组合物相关的扩散系数处于3×10^-5和3×10^-6平方厘米/秒之间。

2、根据权利要求1所述的一种直流电缆，其特征在于，该组合物的滴点温度超过该电缆在使用中可能达到的最高容许温度至少10℃为好。

3、根据权利要求1所述的一种直流电缆，其特征在于，该非迁移性组合物在室温时具有的抗剪弹性模量不低于0.8公斤/平方厘米。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的一种直流电缆，其特征在于，溶解在该组合物中的电负气体在温度超过所述组合物的滴点温度时对于每立方厘米的组合物表现出溶解度不低于25×10^-2标称立方厘米气体/巴。