CN101911213A - 用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或接头的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或者接头的方法，包括以下步骤：提供(21)包括复合聚合物合成物(12)的基于聚合物的绝缘系统；并且随后在通过对非均匀分布的、存在于基于聚合物的绝缘系统中的物质不可渗透的覆盖层来覆盖(24)基于聚合物的绝缘系统的外表面的同时，使基于聚合物的绝缘系统暴露于(25)热处理过程，由此均衡该物质在基于聚合物的绝缘系统中的浓度。

Description

用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或接头的方法

技术领域

本发明主要地涉及高压电力设备。具体而言，本发明涉及一种用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或者接头的方法。

背景技术

基于聚乙烯或者交联聚乙烯(XLPE)的挤压固体绝缘物用于交流输电和配电线缆绝缘已经有几乎40年。

因此，研究将XLPE用于直流线缆绝缘的可能性已经有多年。具有这样的绝缘物的线缆具有与总体浸渍线缆相同的优点，其原因在于，对于直流输电而言对电路长度无约束并且它们也具有在更高温度操作的潜能、因此赋予增加输电负载的可能性。

然而一直不可能针对全尺寸线缆获得这些材料的完全潜能。主要原因之一被认为在于，在受到直流场时电介质中形成和积累空间电荷。这样的空间电荷由于聚合物的高电阻率而导致应力分布的畸变并且长时间持续。在绝缘体中的空间电荷在受到直流电场的力时确实以形成与电容器类似的极化图案这样的方式积累。

存在有空间电荷积累的极性不同的两种基本类型的空间电荷积累图案。空间电荷积累造成在实际电场的某些点相对于在考虑绝缘物的几何尺度和介电特性时就预期的场而言的局部增加。在实际场中表现的增加可能为预期场的5倍或者甚至10倍。

因此，用于线缆绝缘物的设计场必须包括如下安全因子，该安全因子考虑到这一明显更高的场造成在线缆绝缘物中使用更厚和/或更贵的材料。空间电荷积累的建立是缓慢的过程，因此这一问题在线缆在相同极性长时间操作之后使其极性反向时削弱。容性电场由于该反向而叠加于因空间电荷积累而产生的场上，并且最大场应力点从分界面移到绝缘物中。已经尝试通过使用添加物来改善该情形，以减少绝缘物电阻而不严重地影响其它性质。

用于交流线缆绝缘物的挤压树脂合成物通常包括由各种添加物(比如过氧化交联剂、硫化阻剂和抗氧化剂或者抗氧化剂系统)补充的作为基础聚合物的聚乙烯树脂。在挤压绝缘物的情况下，半导电屏蔽件也通常被挤压并且包括如下树脂合成物，该树脂合成物除了基本聚合物和导电或者半导电填充物之外，还包括实质上相同类型的添加物。在绝缘线缆中的各种挤压层一般常常基于聚乙烯树脂。聚乙烯树脂一般意味着并且在本申请中为基于聚乙烯或者乙烯共聚物的树脂，其中乙烯单体构成该物质的主要部分。

因此，聚乙烯树脂可以由乙烯和可与乙烯共聚的一种或者多种单体组成。低密度聚乙烯(LDPE)如今为用于交流线缆的主流绝缘基础材料。为了改进挤压绝缘物的物理性质及其在生产、装运、铺设和使用这样的线缆时主导条件的影响之下耐受降解和分解的能力，基于聚乙烯的合成物通常包括添加物，比如：稳定添加物，例如抗氧化剂、电子清除剂，用于抵抗由于氧化、辐射等所致的分解；润滑添加物，例如硬脂酸，用于增加可加工性；用于增加耐受电应力能力(例如增加的抗水树性)的添加物，例如聚乙二醇、硅酮等；和交联剂，比如在加热时分解成自由基并且启动聚乙烯树脂的交联、有时与能够增强交联密度的不饱和化合物组合使用的过氧化剂，用于避免过早交联的硫化阻剂。

各种添加物的数目庞大，并且它们的可能组合实质上无限。当选择一种添加物或者多种添加物的组合或者一组添加物时，目的在于应当改进一种或者多种性质同时又应当维持或者如果可能则也改进其它性质。然而，在现实中总是几乎不可能预测添加物系统中的改变的所有可能副作用。在其它情况下，寻求的改进如此重要以至于必须接受一些次要的负面性，尽管目的总是使这样的负效果最小化。

虽然已知使用XLPE合成物的一些缺点由来已久，但是它的优点(例如它能够防止过早硫化，即过早交联)已经超过这些弊端。另外，公知的是，这一类XLPE合成物表现出在直流电场之下形成空间电荷的强趋势，因此使得它不可用于直流线缆绝缘系统中。然而，也已知延长的脱气(即让交联线缆绝缘物长时间暴露于高温)将造成在直流电压应力之下空间电荷积累的趋势减少。一般认为热处理从绝缘物中去除过氧化分解产物，如乙酰苯和枯基醇，由此减少空间电荷积累。脱气是与纸绝缘物的浸渍相当的耗时批工艺并且因此成本高。因此如果无需脱气则是有利的。作为交流线缆中的挤压绝缘物使用的多数已知交联聚乙烯合成物表现出空间电荷积累的趋势，这致使它们不适合于在用于直流线缆的绝缘系统中使用。

发明内容

因此，希望提供一种用于利用挤压的基于聚合物的电绝缘系统来生产绝缘直流线缆的工艺，该绝缘直流线缆适合于在用于电力直流输电和配电的电网和设备中作为输电和配电线缆来使用。应当优选地以无需对线缆进行任何长时间的耗时批处理(例如热处理)的方式进行用于施加和加工随后挤压的绝缘系统的工艺，以保证线缆绝缘物的稳定且一致的介电性质以及高而一致的电强度。所得线缆绝缘物还应当表现小趋势的空间电荷积累、高直流击穿强度、高冲激强度和高绝缘物电阻。采用这样的工艺将赋予较现有技术方法而言的技术和经济进步，因为可以减少生产时间和生产成本，并且提供用于施加和加工线缆绝缘系统的实质上连续或者至少半连续工艺的可能性。另外，该工艺应当保证应维持或者改进包括基于浸渍纸的绝缘物的常规直流线缆的可靠性、低维护要求和长工作寿命。

本发明的目的在于提供一种如前文中具体说明的用于提供电绝缘高压直流线缆的方法。本发明的目的也在于提供一种具有类似相似的高压直流端接或者接头。

根据本发明通过如所附专利权利要求书所述的方法来达到这一目的以及其它目的。

根据本发明的一个方面，提供一种用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或者接头的方法。该方法包括以下步骤：提供包括复合聚合物合成物(优选为复合聚乙烯合成物)的基于聚合物的绝缘系统；可选地交联聚合物合成物；并且最终在使基于聚合物的绝缘系统的外表面由对非均匀分布的、存在于基于聚合物的绝缘系统中的至少一种物质不可渗透的覆盖层覆盖的同时使基于聚合物的绝缘系统暴露于热处理过程，由此均衡至少一种物质在基于聚合物的绝缘系统中的浓度。所述至少一种物质通常包括如上文讨论的不同类型的交联产物和添加物，这些物质通常增加导电率。

通过提供这样的方法，可以增加至少一种物质在基于聚合物的绝缘系统的界面(即内表面和外表面)的浓度并因此增加该处的导电率，以由此减少在这些界面的电场和空间电荷。

在一个实施例中，在用于从基于聚合物的绝缘系统去除例如甲烷的热处理之后，进行上述热处理过程。由于这一较早的热处理，所以浓度分布线从抛物线形状改变成朝着基于聚合物的绝缘系统的外表面单调递减的浓度分布线。因此，优选地进行对不可渗透覆盖层的较后的热处理，以增加至少一种物质在与基于聚合物的绝缘系统的外表面相邻处的浓度。

在一个实施例中，该方法用于生产电绝缘高压直流线缆，并且提供基于聚合物的绝缘系统的步骤包括在导体周围挤压基于聚合物的绝缘系统。

对至少一种物质不可渗透的覆盖层可以是如下覆盖层，该覆盖层缠绕于已经卷绕在滚筒上或在器皿中的挤压直流线缆的卷周围。取而代之，在用铅片、金属叠层和/或外部覆盖层或者护层来覆盖挤压直流线缆之后，进行较后的热处理，只要这该层对于存在于挤压绝缘系统中的至少一种物质不可渗透。

根据本发明实施例的下述具体实施方式，将清楚本发明的更多特征及其优点。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于生产电绝缘高压直流线缆的方法的流程图。

图2以透视图示意地图示了根据图1的流程图制造的高压直流线缆。

图3a至图3c是在用于从图2的高压直流线缆的基于聚合物的绝缘系统去除甲烷的热处理工艺之前，在基于聚合物的绝缘系统内作为径向距离的函数的浓度、电场和空间电荷的图示。

图4a-图4c是在用于从图2的高压直流线缆的基于聚合物的绝缘系统去除甲烷的热处理工艺之后，在基于聚合物的绝缘系统内作为径向距离的函数的浓度、电场和空间电荷的图示。

具体实施方式

现在将参照图1和图2描述根据本发明的实施例的用于生产电绝缘高压直流线缆的方法。图2以局部图示出了电绝缘高压直流线缆。直流线缆从中心向外包括：绞合多导线导体10、设置于导体10周围和外部的第一挤压半导电屏蔽件11、具有下文进一步的挤压交联合成物的基于聚乙烯的挤压导体绝缘物12、设置于导体绝缘物12以外的第二挤压半导电屏蔽件13、金属筛14和布置于金属筛14外部的外部覆盖层或者护层15。

当发现适当时，还可以用各种方式向DC线缆补充各种功能层或者其它特征。例如可以对其补充在外部挤压屏蔽件13外部的形式为金属线的加固物、在金属/聚合物的分界面中引入的密封化合物或者遇水膨胀粉末、或者例如由抗腐蚀金属聚乙烯叠层实现的系统和由遇水膨胀材料(例如在护层15之下的带或者粉末)实现的纵向水密封。导体无需绞合，而是可以具有任何所需形状和构造，比如绞合多导线导体、固体导体或者分段导体。

根据用于生产电绝缘高压直流线缆的方法，在步骤21中在导体10周围挤压基于聚合物的绝缘系统，其中基于聚合物的绝缘系统包括半导电屏蔽件11、基于聚乙烯的导体绝缘物12和第二半导电屏蔽件13。在一种替代实施例中，基于聚乙烯的导体绝缘物12为基于其它聚合物的导体绝缘物所取代。

下文是进行挤压的一种示例方法的简短描述。本领域技术人员认识到存在可以与本发明一起使用的其它挤压技术。

在示例方法中，通过挤压器设备以及其它加工和调节设备从导体送出器(pay-off)馈送导体并且在线缆芯收纳器(take-up)上最终收纳导体。导体送出器和线缆芯收纳器可以是适合于离散长度的卷轴或者滚筒，但是可以是任何适当类型，包括用于实质上连续处置供应的导体和生产的线缆的设备。导体通过导体预热器而经过第一轮，其中在通过挤压来施加绝缘系统之前将导体预热至适当温度。该工艺适合于其中使用三头挤压器的三重挤压。使用两个单独挤压器来施加内部和外部半导电层，并且又一第三挤压器用于主要绝缘物。

在挤压操作之后，在步骤22中有利地交联挤压的基于聚乙烯的导体绝缘物12。为此，绝缘直流线缆穿过加压固化和冷却室，其中控制该室中的条件以保证可以通过挤压绝缘系统的这一受控调节和冷却来实现所需交联程度和其它结构特性。通常，挤压的基于聚乙烯的导体绝缘物12包括多种添加物，在它们之中有二枯基过氧化物和添加物。随后，通过牵引履带拖拉线缆，并且在收纳线缆以供进一步加工之前经过第二个轮。

上述方式赋予用于施加和加工挤压绝缘系统的实质上连续或者半连续工艺的可能性。

然而由于该工艺而可能在交联的基于聚乙烯的导体绝缘物12中产生甲烷。可以在步骤23中通过在保持挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面不受任何覆盖的同时，使挤压直流线缆暴露于热处理以由此允许任何甲烷离开，来去除甲烷。

接着，在步骤24中，挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面由对于非均匀分布的存在于挤压绝缘系统中的一种或者多种物质不可渗透的覆盖层覆盖。

一种或者多种物质优选地包括来自交联的一种或者多种剩余或者副产物和/或一种或者多种添加物。剩余产物通常包括过氧化分解产物，比如乙酰苯和枯基乙醇，而添加物通常包括一种或者多种抗氧化剂和硫化阻剂。然而，其它添加物可以同样或者甚至更为重要。

挤压直流线缆可以在滚筒上或者在器皿中卷起，并且整卷挤压直流线缆可以由对于一种或者多种物质不可渗透的覆盖层覆盖。优选地，将薄金属箔等缠绕于DC线缆卷周围。

取而代之，对于一种或者多种物质不可渗透的覆盖层可以是金属筛14或者布置于金属筛14外部的外部覆盖层或者护层15。金属筛14可以是铅片或者金属叠层。

接着，在已经用不可渗透的覆盖层来覆盖挤压直流线缆之后，在步骤25中让挤压直流线缆暴露于热处理过程以便均衡一种或者多种物质在挤压绝缘系统中(具体在与挤压的绝缘系统的外表面相邻处)的浓度。具体而言，由于用于去除甲烷的第一热处理通常使浓度分布线从抛物线形状转变成如从挤压绝缘系统的内表面所见的单调递减浓度分布线，所以对不可渗透覆盖层的第二热处理使一种或者多种物质的浓度在与挤压绝缘系统的外表面相邻处增加。

根据具体应用和所用具体交联添加物来进行这一热处理过程。然而下文表明通常用于如今所用常见添加物的温度和处理时间。

热处理过程优选地在50℃与120℃之间并且更优选地在70℃与90℃之间的温度持续进行一段时间，温度越高该时间越短，在温度为80℃时优选地在24与72小时之间。

最后，如果尚未作为不可渗透覆盖层来提供，则提供金属筛14和外覆覆盖层或者护层15。

图3a-图3c是如通过简化模型计算的、在用于从图2的高压直流线缆的挤压绝缘系统去除甲烷的热处理工艺之前、在挤压绝缘系统内作为径向距离的函数的浓度、电场和空间电荷的图示。图的左手侧对应于在挤压绝缘系统的内表面上的位置，而右手侧对应于在挤压绝缘系统的外表面上的位置。可见，浓度分布线具有抛物线形状(图3a)。如果电场不依赖于一种或者多种物质的浓度分布线，则将获得单调递减电场(图3b)。然而，如果电场依赖于一种或者多种物质，则由于在挤压绝缘系统的内表面和外表面上的电阻率更高而获得在内表面和外表面有高电场电平的电场分布线(图3b)。空间电荷具有朝着挤压绝缘系统的外表面增加的分布(图3c)。

图4a-图4c是通过简化模型计算的、在用于从图2的高压直流线缆的基于聚合物的绝缘系统去除甲烷的热处理工艺之后、在挤压绝缘系统内作为径向距离的函数的浓度、电场和空间电荷的图示。图的左手侧如前对应于在挤压绝缘系统的内表面上的位置，而右手侧对应于在挤压绝缘系统的外表面上的位置。这里，浓度分布线朝着挤压绝缘系统的外表面单调递减(图4a)。同前，如果电场未依赖于一种或者多种物质的浓度分布线则将获得单调递减电场(图4b)。然而，如果电场依赖于一种或者多种物质，则获得朝着挤压绝缘系统的外表面增加的电场分布(图4b)。空间电荷具有朝着挤压绝缘系统的外表面略微增加的分布(图4c)。

在假设温度分布均匀并且忽略导电率对电场的依赖性的情况下，生成图3和图4的图。在实际情形中，温度梯度和工艺(比如在界面注入电荷和在绝缘材料内解离)可能存在并且影响电场分布。

然而很清楚的是，本发明尽管去除与挤压绝缘系统的内表面和外表面相邻的交联产物中的大梯度而较少关注交联产物的平均浓度，但是仍然改进挤压绝缘系统内的电场和空间电荷分布。换而言之，表明了控制浓度分布线对于控制电场和空间电荷分布而言最为重要。

应当理解，本发明同样适用于不必挤压的高压直流端接和/或接头。

可以通过模制基于聚合物的绝缘系统来形成端接和/或接头。

在一个实施例中，预模制基于聚合物的绝缘系统，并且将该系统暴露于本发明的热处理过程。这样，可以行销和出售模制的端接和/或接头。在安装期间，在电导体周围提供模制的端接和/或接头。

在一个替代实施例中，在使基于聚合物的绝缘系统暴露于热处理过程的步骤之前，在导体周围优选地经由挤压模制或者带式模制来对基于聚合物的模制绝缘系统进行模制。

Claims (17)

1.一种用于提供电绝缘高压直流线缆或者高压直流端接或者接头的方法，包括以下步骤：

-提供(21)包括复合聚合物合成物(12)的基于聚合物的绝缘系统，其特征在于，以下步骤：

-在通过对非均匀分布的、存在于所述基于聚合物的绝缘系统中的至少一种物质不可渗透的覆盖层来覆盖(24)所述基于聚合物的绝缘系统的外表面的同时，使所述基于聚合物的绝缘系统暴露于(25)热处理过程，由此均衡所述至少一种物质在所述基于聚合物的绝缘系统中的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法为用于生成电绝缘高压直流线缆的方法，并且

所述提供(21)基于聚合物的绝缘系统的步骤包括：

在导体(10)周围挤压所述基于聚合物的绝缘系统。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述挤压的直流线缆在滚筒上或者在器皿中卷起，并且所述挤压的直流线缆的卷由对所述至少一种物质不可渗透的覆盖层覆盖，所述覆盖层优选为薄金属箔。

4.根据权利要求2或者3所述的方法，其中所述挤压的直流线缆由铅片、金属叠层(14)和/或外部覆盖层或者护层(15)覆盖，并且随后进行使所述直流线缆暴露于(25)所述热处理过程。

5.根据权利要求2-4中的任一权利要求所述的方法，其中，

-在使所述挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面未由所述不可渗透覆盖层覆盖(23)的同时，使所述挤压的直流线缆暴露于热处理，以去除在交联之后存在于所述基于聚合物的绝缘系统中的第二物质；以及

-在去除所述第二物质之后，进行在使所述挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面由所述覆盖层覆盖的同时使所述挤压的基于聚合物的绝缘系统暴露于(25)所述热处理过程，以便增加所述至少一种物质在与所述挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面相邻处的浓度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二物质为甲烷。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法为提供高压直流端接或者接头的方法，并且

所述提供基于聚合物的绝缘系统的步骤包括：

模制所述基于聚合物的绝缘系统。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在使所述基于聚合物的绝缘系统暴露于热处理过程的步骤之后，在导体(10)周围提供所述模制的基于聚合物的绝缘系统。

9.根据权利要求7所述的方法，其中在使所述基于聚合物的绝缘系统暴露于热处理过程的步骤之前，在导体(10)周围优选地经由挤压模制或者带式模制，来对所述模制的基于聚合物的绝缘系统进行模制。

10.根据权利要求1-9中的任一权利要求所述的方法，其中所述复合聚合物合成物为复合聚乙烯合成物(12)。

11.根据权利要求1-10中的任一权利要求所述的方法，其中所述至少一种物质的浓度在与所述挤压的基于聚合物的绝缘系统的外表面相邻处均衡。

12.根据权利要求1-11中的任一权利要求所述的方法，其中在使所述基于聚合物的绝缘系统暴露于所述热处理过程的步骤之前，交联(22)所述复合聚合物合成物。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一种物质包括来自所述交联的剩余物或者副产物，优选为过氧化分解产物。

14.根据权利要求1-13中的任一权利要求所述的方法，其中所述至少一种物质包括添加物。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述添加物为抗氧化剂。

16.根据权利要求1-15中的任一权利要求所述的方法，其中在50℃与120℃之间，并且最优选地在70℃与90℃之间的温度，进行所述热处理过程。

17.根据权利要求1-16中的任一权利要求所述的方法，其中所述热处理过程进行的时间取决于进行所述热处理过程的温度。

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