CN101902024B - 用于hvdc缆线的具有阻性场分级材料的柔性接头及其与hvdc缆线连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于HVDC缆线的具有阻性场分级材料的柔性接头及其与HVDC缆线连接的方法，其中每根缆线从内到外包括中心导体、邻接的周向缆线内半导体层、邻接的周向缆线绝缘层和邻接的周向缆线外半导体层。在柔性缆线接头内连接两高压直流缆线的方法包括：a在缆线接头内连接两缆线的导体；b在邻接导体处提供周向接头内半导体层以连接两缆线的缆线内半导体层；c提供至少一邻接的周向场分级材料层以连接缆线外半导体层和接头内半导体层并包覆相应缆线的缆线绝缘层；d在场分级材料层及接头内半导体层周围适当部位提供周向接头绝缘层；e提供周向接头外半导体层以连接两缆线的缆线外半导体层。此外还公开了用该方法制造的接头和该方法的用途。

Description

用于HVDC缆线的具有阻性场分级材料的柔性接头及其与HVDC缆线连接的方法

技术领域

本发明涉及用于高压直流缆线(HVDC缆线)的接头的领域。 

背景技术

为了传输高压(典型地在几百千伏的范围内)直流电(DC)，已经开发了考虑到DC传输的具体要求的特定类型缆线。这些缆线被认为是高压直流缆线(HVDC缆线)，它们的结构从内到外实质上包括下列元件：●导电芯或导体，其典型地包括大量独立的铜或铝导体，该导体是高压(HV)元件；●导体屏蔽(“半导体层”，通常称为“半导体”)，其通常由导电的聚合物层例如填充有碳颗粒的聚合物层制成，该层通常称为“内半导体”；●绝缘层，其典型地由交联聚合物如聚乙烯制成；●绝缘屏蔽，其通常由导电的聚合物层例如填充有碳颗粒的聚合物层(“内半导体”)制成，该元件被维持在地电势，该层通常称为“外半导体”；●防护和保护层，其实质上对高压(HV)元件的实际绝缘没有贡献。 

在这样的导体中，非常普遍的是将内半导体、绝缘层和外半导体作为由挤压工艺制造的一个单一聚合物层提供，其中内半导体层和外半导体层是通过向该聚合物层的径向最内和径向最外区域提供相应的碳黑填充物而制成的。 

在交流电传输的情况下，对于高压部件周围的电场分布，不同绝缘材料介电常数的差别是至关重要的，而对于常用的绝缘材料来说这种介电常数的差别通常不会变化超过1-3倍，与交流电传输的情况不同，在高压直流电传输的情况下，其决定性的作用的绝缘材 料的电阻系数而不是介电常数。绝缘材料的电阻系数能变化100倍或更多倍，使得必须对电场分布进行更仔细的分析，特别是在如下情况下：对缆线的连接使得绝缘不是在缆线终止元件处简单地终止，而是不得不在缆线接头内延续。考虑到电阻系数所表现出的高温度依赖性，电阻系数的变化尤其成问题，因此在所有温度下对绝缘材料电阻系数进行匹配通常是不可能的。 

相应地，已经开发了用于这样的HVDC缆线的特定预制缆线接头，其确保了绝缘材料中电场分布的畸变较小以便避免场增强和随之而来的电击穿。 

另外，特别对于HVDC缆线之间的柔性连接，已知可使用基于带的缆线接合技术(tape-based cable joining technology)。用于HVDC光缆(HVDC light cable)的柔性接头通常通过将半导电的和绝缘的带在缆线周围包裹并随后硫化来制造。然后再安装铅和聚乙烯外套护套和铠装。连接缆线的界面可为圆锥形。 

除了别的以外，一个重要的条件是：界面区域内缆线绝缘材料和接头绝缘材料之间的电场分布是尽可能均匀的。目前，这一点是通过使接头绝缘和缆线绝缘的电特性尽可能地匹配来实现的。特别地，决定了直流电压下缆线接头区域中的场分布的电阻系数比(resistivity ratio)接近于一。这需要高质量和受到极佳控制的工艺。 

发明内容

从而本发明的一个目的是提供用于高压直流电(HVDC)缆线的改进的缆线接头及其制造方法。该缆线接头应是柔性的，典型地其是带绕式的(tape wound)。 

本发明特别涉及在柔性缆线接头内连接两根HVDC缆线的方法，其中每根HVDC缆线由内至外包括：中心导体(更一般地为中心电极，典型地为一束独立的铜或铝导体)、邻接的周向缆线内半导体层(任选的但通常存在，典型地为(碳黑)填充的聚合物层)、邻接的周向缆线绝缘层以及邻接的周向缆线外半导体层(更一般地在被构造成用于地电势的半导体层时为外电极层，典型地为填充的聚合物层)。缆线结构外面可进一步包括附加层，如防护层、机械保护层等。如上所述的这种类型缆线在HVDC传输领域是已知的。 

特别地，所提出的方法表征为其至少包括如下步骤：a.连接两根缆线的中心电极；c.提供至少一个周向的和邻接的场分级材料(field gradingmaterial)层，其将外电极层连接到中心电极，并且邻接地包覆着相应缆线的缆线绝缘层(场分级材料层从而将缆线绝缘和接头绝缘分隔开)；d.在场分级材料层周围提供周向接头绝缘层；e.提供周向接头外电极层，其连接两根缆线的缆线外电极层。 

如上所述，通常地且优选地，该缆线结构包括内半导体层而外电极是作为外半导体层给出的。在这种情况下，该方法通常包括如下步骤：a.对两根缆线的导体进行连接，优选地在缆线接头内进行该连接；b.在邻接该导体处提供周向接头内半导体层，其连接两根缆线的缆线内半导体层；c.提供至少一个周向的且邻接的场分级材料层，其连接缆线外半导体层和接头内半导体层并在缆线外半导体层和接头内半导体层之间的区域包覆相应缆线的缆线绝缘层；d.在场分级材料层的周围以及在接头内半导体层周围的适当部位处提供周向接头绝缘层；e.提供周向接头外半导体层，其连接两根缆线的缆线外半导体层。 

应当指出的是，即使在缆线结构包括内半导体层的情况下，任选地也可能不包括上述步骤b，场分级材料层也能直接与导体接触并取代内半导体层的功能。应当进一步指出的是外半导体层可由附加的场分级材料层来提供。 

从而本发明的一个要旨在于：当制造柔性缆线接头连接时，应注意绝缘层内的电场分布是尽可能均匀的。如上所指出的，目前这一点是通过使接头绝缘和缆线绝缘的电特性尽可能地匹配来实现的。特别地，决定了界面区域中的场畸变的电阻系数比被调节为接近于一。如果电阻系数比不同于一，则场被集中在具有较高电阻系数的材料内。由于绝缘体的电阻系数很难控制，因此需要对生产工艺进行很好的控制，并且将带限制于非常特定的材料。即使选择了非常特定的材料，仍然存在电阻系数对于温度的强依赖性的问题和在工作条件下 温度通常在很大范围内变化的事实。 

如本发明所提出的，如果将电阻系数相对较低的层(本文称之为场分级材料，FGM)置于两个绝缘体之间，使其连接两个电势(地和高压，即缆线外半导体层与接头内半导体层或导体)，则沿该层的电势得到很好的限定。籍此，两个绝缘体缆线绝缘体和接头绝缘体对于直流电压被电退耦。如下面的明确描述所说明的，这导致了均匀的电压下降。特别地，这种场分级材料层在很大程度上允许克服与不同材料电阻系数的温度依赖性有关的问题。 

实际上，场分级材料具有比绝缘层的电阻系数低得多的电阻系数，典型地，场分级材料的电阻系数比缆线或接头的绝缘材料的最小电阻系数低50-1000倍。场分级材料可以是一种其电阻系数依赖于所施加电场的材料，其中该依赖性可以是线性的或非线性的。这种类型的材料在本领域是已知的，例如可参见WO2004/038735，其内容作为场分级材料可能的系统被明确地包括到本说明书中。 

所提出的发明能够简化严格的工艺条件并且使得使用更多种类的接头绝缘带材料成为可能。此外，由于电压水平的趋势将会越来越高，从电或电热的观点来看，使柔性接头更加结实耐用或许在将来会变得不可避免。 

在本发明的第一优选实施例中，对于步骤b、c、d和/或e的至少一个或全部，将相应材料的基于聚合物的带缠绕在待接合区域周围，或者将基于聚合物的衬套移动或缠绕到待接合区域周围。 

相应地，典型地在步骤b中，使用由导电聚合物材料(例如填充有碳黑颗粒等的交联或可交联聚乙烯带材料)制成的带来制造周向接头内半导体层。 

在步骤c中，使用了由上述场分级材料所制成的带，这可以仍然是基于聚合物的带材料，例如填充有导致了场分级性质的相应颗粒的交联或可交联聚乙烯。 

在步骤d中，可使用基于聚合材料并从而具有高阻性的带。有可能也同样使用交联或可交联聚乙烯带。 

在步骤e中，实质上可仍然使用上述步骤b中所使用的同样类型的带。 

通常，在步骤e之后，对接头施加热和/或辐射以对其进行 硫化，导致在接头内形成交联层结构，其中内半导体层、场分级材料层、绝缘层以及外半导体层是邻接的并且实质上没有空气间隙等，从而导致最佳的绝缘和电场条件。同样有可能在接头区域应用典型地圆周径向压力以便使结构紧凑，这或者是作为上述硫化的补充或者是作为其备选。 

根据一个进一步优选的实施例，在步骤c中，施加单一的周向和邻接的场分级材料层，其在一侧将第一导体的缆线外半导体层与接头内半导体层连接，在另一侧将第二导体的缆线外半导体层与接头内半导体层连接，从而在接头区域中完全包覆了接头内半导体层。如上所述，场分级材料层必须连接接头区域中的内半导体层(或更一般地，内电极)和外半导体层(或更一般地，外电极)。从而相应地，可为两根待连接缆线的每一根提供两个独立且分离的场分级材料层衬套，然而也可能具有一个单一的场分级材料层衬套，其相应地经由接头内半导体层来连接缆线的两个外半导体层(在这种情况下，甚至可能省去接头的内半导体层)。 

一个进一步的优选实施例的特征在于：步骤c中由场分级材料层所包覆的缆线绝缘层部分被成形为圆锥，该圆锥朝向各个缆线的各个末端会聚。从而相应地，在接头区域设置了两个圆锥(每根缆线均设置一个)，其在接头区域内指向彼此。使每根缆线的绝缘部件形成这种圆锥形结构具有如下优点：当在形成柔性接头的步骤中缠绕带材料时不会有突然的几何台阶，而这种突然的几何台阶在没有对带层进行正确定位时能够导致出现问题，并且可能导致有些位置出现放电。相对于导体轴线的轴向与这个圆锥的平面(在轴向位置处)之间的角α优选在5°-45°的范围内，最优选地是在10°-20°的范围内。 

典型地，在步骤a之前，通过在末端区域进行剥皮操作以使每根缆线为本发明方法的实施作好准备。

这优选被实现为：在步骤a之前，使每根缆线都被制备成：恰好在缆线的末端区域中，导体在周向上是完全裸露的(因而暴露出导体材料，即大量的铜或铝导体)。该导体优选暴露出至少2-30cm的轴向长度，最优选地暴露出10-25cm的长度。 

任选地，在进一步远离缆线末端的邻接区域，使缆线内半导体层裸露出来，即使得缆线内半导体层的外表面沿径向暴露。优选 地，这个暴露缆线内半导体层的外表面的区域延伸了0-10cm的轴向长度，最优选地延伸0.5-5cm的长度。 

在又进一步远离每根缆线末端处设置有进一步的邻接区域，在该区域缆线绝缘层被成形为实质上的圆锥形，该圆锥形如上所述朝向缆线的末端会聚。在上述步骤c中，在该圆锥形区域内，场分级材料以邻接的方式包覆该圆锥形部件。典型地，对于径向厚度D在0.5-4cm范围内的绝缘层，该圆锥形部分沿轴向延伸Z＝D/tan(α)的长度。 

任选地，在另一个后续区域，使缆线绝缘层在周向上裸露出来，即使得该绝缘层沿径向完全暴露。这个区域优选地延伸了0-10cm的轴向长度，更优选地延伸0.5-5cm的长度。 

此外，任选地，在又一个的后续区域，除了其他原因之外，为了允许在上述步骤c中与场分级材料层接触而使缆线外半导体层裸露出来，即使其沿径向暴露。 

如上所述，步骤c中所使用的场分级材料可以是基于聚合物的阻性场分级材料，例如是带的形式。场分级材料一般指该材料能够降低局部的电场增强，使得任何地方的电场都不超过击穿强度从而消除电击穿的危险。对于限定和可能的材料，例如请参见A.Roberts的Stress grading for high voltage motor and generator coils，IEEEElectrical Insulation Magazine，Vol 11，No 4，1995，p.26或者Qi等人的Engineering with non-linear dielectrics，IEEE Electrical InsulationMagazine，Vol 20，No 6，2004，p.27。根据一个优选实施例，这种场分级材料是由提供有填充物的聚合基体(polymeric matrix)制成的，其中该填充物包括半导体材料颗粒的场分级有效量，该半导体材料的能量带隙大于0eV而小于5eV，优选地为ZnO或SiC，其中，该颗粒优选地具有小于或等于100nm的至少一个尺寸，更优选地具有在2-80nm之间，更加优选地在5-50nm之间、最优选地在5-30nm之间的至少一个尺寸。 

场分级材料可以是线性或非线性阻性材料。其可通过如下方式来放置：在用于接头内半导体层的半导体带被缠绕之后缠绕硫化的场分级材料带(例如包含SiC或ZnO填充物的聚合物等)，或者在对缆线进行连接之前安装特定形状的硫化管，等等。由于地和高压之 间的连接很重要，也可能存在其他不同的拓扑结构，正如下面的进一步描述中所更详细示出的。 

根据本发明的进一步实施例，在步骤a中，使用了衬套或夹子(优选地金属衬套或夹子)，缆线导体的每个末端被移动并由有效接合(positive engagement)和/或形封闭(form closure)和/或粘合力封闭来固定于该衬套或夹子之内。可通过机械连接(如夹连接(clamping)、螺栓连接、螺母和螺栓连接、螺钉连接等)和/或通过提供粘合剂来实现固定。同样可能的方式是使用焊接技术并在两个中心电极之间制造导体焊接部。 

所提出的方法的进一步优选实施例的特征在于一根或每根缆线的缆线内半导体层、缆线绝缘层和缆线外半导体层是由一个单一的挤压聚合物材料制成的。该聚合物材料优选地为交联材料，例如交联聚乙烯材料。典型地，该聚合物材料的最内区域设置有导电填充物以形成内半导体层，缆线绝缘层是高阻性的，而该聚合物材料的最外区域设置有导电填充物以形成外半导体层。内半导体层和外半导体层的填充物可由碳黑颗粒来提供。优选地，内半导体层的厚度(沿径向)在0.5-2mm的范围内，缆线绝缘层的厚度D(沿径向)在5-40mm的范围内，并且外半导体层的厚度(沿径向)在0.5-3mm的范围内。 

此外，本发明涉及连接两根HVDC缆线的柔性缆线接头，其中每根HVDC缆线从内至外至少包括中心导体、邻接的周向缆线内半导体层、邻接的周向缆线绝缘层以及邻接的周向缆线外半导体层，这些层在如上所述的方法中可获得，或者获得自如上所述的方法。 

根据这种柔性缆线接头的第一优选实施例，HVDC缆线在外半导体层的外面包括下列层中的至少一个：阻水带层、铅合金护套层、聚乙烯外套层、抗拉铠装层，优选地包括镀锌钢线(galvanised steelwires)、外包覆层、铝层叠层、金属屏蔽层，优选地包括铜线。 

优选地，接头区域的外直径大于具有所有周向层的缆线外直径的程度小于15％。更优选地，接头区域的外直径大于缆线外直径的程度不超过10％或不超过5％，或者具有实质上与缆线外直径相同的外直径，所以该接头对照于预制的硬缆线接头(stiff cable joints)，是非常纤细的并且在接头区域中并不提供胀形区(bulging area)。 

根据进一步的优选实施例，这样的缆线接头是带绕式的并 且是柔性的指带有接头的缆线部分可能的曲率半径介于缆线直径的5-20倍，优选地介于8-15倍。这允许良好地缆线操作而不发生任何问题，例如将具有这样的柔性缆线接头的缆线缠绕在滚筒(roll)或缆线绞轮(cable sheave)上，这在使用预制接头时是不可能的。 

本发明此外还涉及如上所述的连接两根(不是必需地但可能地是相同的)HVDC缆线的方法的用途，该HVDC缆线从内至外至少包括中心导体、邻接的周向缆线内半导体层、邻接的周向缆线绝缘层以及邻接的周向缆线外半导体层，并且任选地在外半导体层的外面包括下列层中的至少一个：阻水带层、铅合金护套层、聚乙烯外套层、抗拉铠装层，优选地包括镀锌钢线、外包覆层、铝层叠层、金属屏蔽层，优选包括铜线。这特别地导致形成了如上所述的柔性缆线接头。 

在从属权利要求中概述了本发明进一步的实施例。 

附图说明

附图中示出了本发明的优选实施例，其中： 

图1是用于HVDC缆线的预制缆线接头的轴向剖切； 

图2示出了预制缆线接头的从缆线到缆线接头的过渡区域中的电场分布； 

图3是柔性接头的简略图，其中倾斜的线表示接头绝缘和缆线绝缘之间的分界面； 

图4、图5根据本发明的柔性接头的细节剖切，其中，在图4中示出了利用夹子来连接中心电极的情况，而在图5中示出了由连接焊接部来连接中心电极的情况； 

图6示出了柔性接头中直流电势的分布，其中，a)给出了没有场分级材料层并且假设缆线和接头绝缘层的电阻系数相等的情况，b)给出了没有场分级材料层并且假设接头绝缘层的电阻系数是更高的10倍的情况，c)给出了没有场分级材料层并且假设缆线绝缘层的电阻系数是更高的10倍的情况，d)示出了缆线和接头绝缘层的电阻系数不同并且具有线性阻性场分级材料层的情况； 

图7、图8，图8示出了对于图6所示情形a)-d)的沿图7所示直线11的直流电场，其中图8中的曲线a)对应于图6的情况a)、图8中的曲线b)对应于图6的情况b)、图8中的曲线c)对 应于图6的情况c)并且图8中的曲线d)对应于图6的情况d)，以及 

图9、图10示出了场分级材料拓扑结构的两种可能情况：图9表示全部通过，图10表示在两个部件中。附图标记列表1  缆线内半导体2  接头内半导体3  缆线绝缘，聚合物层4  接头绝缘，聚合物层5  缆线外半导体，外电极层6  接头外半导体或导电橡胶，接头外电极层7  缆线绝缘3和接头绝缘4之间的分界面9  接头10 场分级材料层，FGM11 表示电场的线12 缆线导体(中心电极)13 连接衬套14 预制缆线接头的内表面15 预制缆线接头16 预制接头内的场分级材料元件18 预制缆线接头15的外导电橡胶部件19 预制缆线接头15的内导电橡胶部件20 预制缆线接头15的绝缘部件21 高压直流缆线22 预制缆线接头15的外壳23 接合之前导体被完全剥开的区域24 接合之前缆线内半导体层裸露的区域25 接合之前缆线绝缘层被以圆锥形方式成形并且根据本发明将要放置场分级材料的区域26 接合之前缆线绝缘层周向裸露的区域27 接合之前缆线外半导体层裸露的区域28 圆锥 30  导体夹子31  缆线/接头外套32  导体焊接部FGM 场分级材料α  轴向和圆锥表面之间的角 

具体实施方式

参见附图，附图的目的在于对本发明当前优选实施例进行说明而不在于对其进行限制，图1示出了以硬的方式用于连接高压直流缆线的预制缆线接头的轴向剖切。 

在这个方面，应当指出的是，主要存在两种不同类型的用于HVDC缆线领域的连接元件，它们中的一种是所谓的预制或预模制缆线接头，该接头正如其名称所表示的是特别适于待连接缆线的预制的分离单元。预制或预模制缆线接头安置或安装在缆线所安装的位置，也就是说，如果要将缆线缠绕在缆线绞轮(圆柱滚筒)上，那么它们由于其刚性而不能被使用。另外，还有所谓的柔性或带绕式或带模制缆线接头(也被称为柔性硫化接头或柔性工厂接头(flexiblefactory joint))，其中没有预制的分离接头单元，而是通过正常地连接中心导体并且随后在周围施加几个带绕层以形成实际接头来制造这种接头。这些柔性接头也能够用于将要卷绕在缆线绞轮上的缆线。 

，在这个根据图1的预制缆线接头的特定情形中，两根这样的HVDC缆线21和21’在这样的刚性预制缆线接头15中被接合。为此，实际的中心导体12(由该中心导体12形成了缆线的中心电极)暴露在导体21、21’的各末端区域内，两个暴露的或裸露的导体部分借助于金属连接衬套13而接合在一起，在该金属连接衬套13内导体部分从两侧被移动并随后被夹住，从而导致两个导体之间强的机械和电连接。 

预制或预模制缆线接头包括外壳22内围绕连接衬套的区域中的绝缘部件20，以及连接衬套和该绝缘部件20之间的内导电橡胶部件19。在绝缘部件20的外面设置有外导电橡胶部件18。 

从电的观点来看，图2表示了与根据图1的这样刚性缆线接头的情形相关的条件。图2呈现了图1的两个对称的半个部件中的 一个的局部视图，其包括了绝缘材料中的电场线。正如人们所能够看到的，在中心区域设置有连接衬套13(在图2中被表示为正视图)，导体12(在图2中被表示为正视图)被机械固定在该连接衬套13中。此外，人们能够看出缆线的导体12的周围被缆线绝缘层3所围绕。此外在缆线绝缘层3和导体12之间还设置有缆线内半导体层1。在缆线绝缘层3的外面设置有缆线外半导体层5。 

刚性缆线接头部件由线14之上的所有物件所给出。从而相应地，刚性缆线接头包括在连接衬套的区域之内的内导电橡胶部件19和进一步径向向外的绝缘部件20。轴向邻接于内导电橡胶部件19设置有场分级材料部分16。该场分级材料层或部分16连接了内导电橡胶部件19和缆线的外半导体层5，并在轴向完成该连接。在所有这些物件的径向外侧设置有刚性缆线接头的外导电橡胶部件18。 

正如人们从电等势线所能推断的(该电等势线也已被示出)，缆线绝缘部件3的来自右侧的实质为轴向的场借助于场分级材料元件16而实质上均匀地转向为径向，然后在邻接于场分级材料元件16的绝缘部件20的成圆锥形变宽的部分内被平滑地重定向为轴向。 

本发明现在特别涉及柔性缆线接头。 

在这些情况下，柔性缆线接头以如下方式生产：首先去除两根缆线在其末端部件中的绝缘，然后通过在接合区域缠绕相应的带来生产实际接头。这应借助于图3来进行说明，图3再次示出了根据本发明的这样柔性缆线接头的仅仅一半的轴向剖切。 

作为制造这样的柔性缆线接头的准备工作，实际的缆线(来自图3的右侧)恰好在末端区域23被剥皮，使得实际的导体12暴露出来。然后接着是区域24，在该处缆线内半导体层1沿径向被暴露出来，接着是区域25，在该处缆线绝缘层3被成形为圆锥28，该圆锥28的顶点指向缆线端部。轴向相对于导体轴线和这个圆锥28的平面(在轴向位置处)之间的角α优选地位于5°-45°的范围内，优选地位于10°-20°的范围内。紧接这个圆锥形部分25的是区域26，在该处缆线绝缘层3被周向地暴露出来，然后接着是又进一步的区域27，在该处缆线外半导体层5被径向地暴露出来。缆线外半导体层5可被更一般地描述为外电极层5。然后，在借助于连接元件(图3中未示 出，例如为上文所述的衬套)将导体12连接起来后，将这根准备好的缆线与相应的对称缆线(将其想象为处于左侧)接合，因为如图3所示首先是通过缠绕相应的带材料(典型地为聚乙烯带)来制造内接头半导体层2，因而其方式使得连接了两根缆线的缆线内半导体层1(如上面进一步指出的，也可省去该层，其功能可由场分级材料层取代)。在传统方式中，其次在进一步的步骤中接着使用一种不同类型的带材料(即非填充的带材料)通过在如图3所示区域内缠绕带材料来制造接头绝缘层4，并且特别地包覆绝缘层的倾斜或圆锥形部分25中的分界面7。再次，使用与用于层2的带材料(例如碳黑填充带)相同或相似的带材料来制造接头外半导体层6，并且以这样的方式来连接两根缆线的缆线外半导体层5。接头外半导体层6可被更一般地描述为接头外电极层6。在这些操作之后，通过施加热或通过辐射而使整个接头硫化，从而形成坚固的单元并将所有的层2、4和6与层1、3和5的材料熔合在一起。 

如果层3和4的两种材料具有相等的电阻系数，则这样的缆线接头会导致如图6a)所示的电场分布。这实质上应是理想情况，其无论如何是无法达到的，因为在缆线的挤压绝缘层3和硫化带绝缘层4的电阻系数之间总是存在差别。 

从而实际上，在电阻系数上总是会存在差别，而图6b)和c)表示了这样的差别的结果，其中在b)中示出了绝缘层4具有比缆线的绝缘层3的电阻系数高10倍的电阻系数的情况，而在c)中示出了缆线的绝缘层具有比接头的绝缘层4的电阻系数高10倍的电阻系数的情况。相应的电场线的畸变是不可接受的，尤其是如果将要施加更高的电压。 

如果在这种接头的上述制造过程中，在施加层4之前，在图3所示的分界面7上以直接或间接地连接缆线外半导体层5与接头内半导体层2的方式来生产场分级材料层10(参见图4、5、9和10)，则能够减轻这些问题并且能够得到如图6d)所示的相当均匀的电势分布，在图6d)中两个部分4和3的电阻系数亦有10倍的差别。 

图4和图5更详细地示出了根据本发明的带绕式接头的两个不同实施例。在两个实施例中，内半导体层1均通过场分级材料层10而与接头外半导体层6电连接。场分级材料层10位于缆线轴向上 缆线绝缘层3和接头绝缘层4之间。因此，缆线绝缘层3的分界面7被场分级材料层10连续地包覆。场分级材料层10由内半导体层1连接至中心电极12，并且由接头外半导体层6连接至缆线的外半导体层5。 

在图4中示出了柔性缆线接头，其中使用连接器夹子30作为连接元件来连接两个中心电极12。使用与图3所用同样的附图标记来表示该柔性接头的其他结构元件。在这个情形中被特别指出的是外围的缆线/接头外套层31，其也可包括进一步的防护层等。在图5中示出了在柔性接头的情形中接合中心导体12的更为普遍使用的方式，也就是借助于导体焊接部32。 

实际上，如图8所示，其给出了沿图7中线11的电场，人们能看出在根据图6的理想情况a)下，人们得到了均匀且平滑的电场分布而没有突变。然而在完全的对照下，根据图6的现实世界的情况b)和c)，人们在两种材料3和4之间的分界面上得到了显著的台阶，导致发生击穿等问题。正如人们能从代表了图6所示情况即情况d)的线d)所示的相应分布中看出的，由于场分级材料层的高导电性，人们得到了场分级材料10的区域内较小的电场(在半径约为20mm至21mm处的下陷)，然而人们却失去了材料3和材料4的部分之间的总体平滑特性(也就是说，没有显著的场增强)。 

图9和图10中附图标记10所表示的场分级材料层可如图10所示单独地实施在每根缆线上，即场分级材料层10的两个分离的周向和邻接部分用于每根缆线，并且在中心区域，实质上在连接两个缆线导体12的连接元件32周围，没有场分级材料层而只有接头内半导体层2。然而，也可能如图9所示使用一个单一的场分级材料层衬套，即在某个步骤中将场分级材料层10带缠绕到在中心区域经由接头内半导体层间接地连接两个缆线外半导体层5的接头区域整个长度的周围。连接元件32由导体焊接部形成。然而，上述的其他方法也是可能的，例如图4所示的导体夹子30或者图2所示的连接衬套13。 

Claims (16)

1.一种在缆线接头内连接两根高压直流缆线(21)的方法，其中每根高压直流缆线从内到外至少包括中心电极(12)、周向缆线绝缘层(3)和外电极层(5)，所述方法包括如下步骤：

a.连接两根高压直流缆线(21)的中心电极(12)；

c.提供至少一个周向的和邻接的场分级材料层(10)，其将外电极层(5)与中心电极(12)连接，并且邻接地包覆相应高压直流缆线(21)的缆线绝缘层(3)；

d.在所述周向的和邻接的场分级材料层(10)周围提供周向接头绝缘层(4)；

e.提供周向接头外电极层(6)，其连接两根高压直流缆线(21)的缆线外电极层(5)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压直流缆线中的每一根都从内到外至少包括作尔中心导体(12)的所述中心电极、邻接的周向缆线内半导体层(1)、邻接的所述周向缆线绝缘层(3)，和作为邻接的周向缆线外半导体层(5)的所述外电极层，所述方法包括：

a.对所述两根高压直流缆线(21)的中心导体(12)在缆线接头内进行连接；

b.在邻接所述中心导体(12)处提供周向接头内半导体层(2)，其所述连接两根高压直流缆线(21)的缆线内半导体层(1)；

c.提供至少一个周向的且邻接的场分级材料层(10)，其将缆线外半导体层(5)与接头内半导体层(2)连接，并且邻接地包覆相应高压直流缆线(21)的缆线绝缘层(3)；

d.在所述周向的和邻接的场分级材料层(10)的周围以及在接头内半导体层(2)周围的适当部位处提供周向接头绝缘层(4)；

e.提供所述周向接头外电极层(6)，其连接两根高压直流缆线(21)的缆线外半导体层(5)，其中，所述周向接头外电极层(6)是周向接头外半导体层(6)或场分级材料层。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于步骤b、c、d和/或e中的至少一个或全部，将相应材料的基于聚合物的带缠绕在待接合区域的周围，和/或将基于聚合物的衬套移动到待接合区域的周围。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e之后，对接头施加热和/或辐射，和/或使其暴露在径向压力中以对其进行硫化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中，单一的周向和邻接的场分级材料层(10)在一侧将第一高压直流缆线(21)的外电极层(5)与中心电极(12)连接，并且在另一侧将第二高压直流缆线(21’)的外电极层(5)与中心电极(12)，从而在接头区域中完全包覆了所述中心电极(12)。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，缆线绝缘层(3)在步骤c中被所述周向的和邻接的场分级材料层(10)包覆的部分被成形为圆锥(28)，该圆锥(28)朝向各自的高压直流缆线(21、21’)的末端会聚，其中，相对于中心电极(12)轴线的轴向与这个圆锥(28)的平面之间的角(α)在5°-45°的范围内。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a之前，使每根高压直流缆线(21、21’)都制备成：恰好在高压直流缆线(21、21’)的末端区域(23)中，中心电极(12)在周向上是完全裸露的，在一后续区域(24)中使周向缆线内半导体层裸露出来，其中，在一后续区域(25)将缆线绝缘层(3)成形为实质上的圆锥(28)，该圆锥(28)朝向缆线的末端会聚，其中在一后续区域(26)使缆线绝缘层(3)周向地裸露出来，并且其中，在一后续区域(27)使周向缆线外半导体层(5)裸露出来。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤c中使用的场分级材料是一种基于聚合物的阻性场分级材料，这种基于聚合物的阻性场分级材料由提供有填充物的聚合基体制成，其中，填充物包括半导体材料颗粒的场分级有效量，该半导体材料的能量带隙大于0eV而小于5eV。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述填充物的半导体材料为ZnO或SiC。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a中使用了衬套或夹子，所述高压直流缆线(21、21’)的中心电极(12)的每个末端被移动并由有效接合和/或形封闭和/或粘合力封闭来固定于衬套或夹子之内，和/或其中，在步骤a中，中心电极的末端由焊接技术来连接。

11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，周向缆线内半导体层(1)、周向缆线绝缘层(3)和周向缆线外半导体层(5)是由单一的挤压聚合物材料制成的，其中，该聚合物材料的最内区域设置有半导体填充物以形成周向缆线内半导体层(1)，周向缆线绝缘层(3)没有填充物，该聚合物材料的最外区域设置有半导体填充物以形成周向缆线外半导体层(5)。

12.一种连接两根高压直流缆线(21)的缆线接头，其特征在于，每根高压直流缆线从内到外包括中心导体(12)、邻接的周向缆线内半导体层(1)、邻接的周向缆线绝缘层(3)以及邻接的周向缆线外电极层(5)，这些层是根据前述任一权利要求所述的方法中所限定的。

13.如权利要求12所述的缆线接头，其特征在于，高压直流缆线(21)在外电极层(5)的外面包括下列层中的至少一个：阻水带层、铅合金护套层、聚乙烯外套层、抗拉铠装层、铝层叠层、金属屏蔽层。

14.如权利要求12或13所述的缆线接头，其特征在于，接头区域的外直径大于具有所有周向层的缆线(21、21’)外直径小于15％。

15.如权利要求12-13中任一项所述的缆线接头，其特征在于，带有接头的缆线部分的缆线曲率半径在缆线直径的5-20倍之间。

16.权利要求1-11中任一项所述方法的用途，所述方法用于连接两根高压直流缆线，所述高压直流缆线从内到外包括中心导体(12)、邻接的周向缆线内半导体层(1)、邻接的周向缆线绝缘层(3)以及邻接的周向缆线外电极层(5)，并且在所述周向缆线外电极层(5)的外面包括下列层中的至少一个：阻水带层、铅合金护套层、聚乙烯外套层、抗拉铠装层、铝层叠层、金属屏蔽层。