CN102257578A - 高压dc线缆 - Google Patents
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Abstract
一种高压DC线缆，具有由绝缘层(10)包围的至少一个内导体(8)，绝缘层(10)被配置成承受在导体与线缆的周围环境之间的电压。绝缘层由绝缘材料的多个叠加的膜状层(12)形成，各膜状层(12)具有在其上面的隔离金属区域(13)。这样的膜状层的连续的金属区域如在线缆的径向方向上所见至少部分彼此重叠以便在线缆的所述绝缘层中产生大量小电容器。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压DC线缆，该线缆至少具有由绝缘层包围的内导体，该绝缘层被配置成承受在导体与线缆的周围环境之间的电压。
背景技术
“高压”意味着至少10kV、但是经常高得多(比如数百kV)的电压电平。这一电压必须由所述绝缘层承受，因为线缆的导体处于高压电势而线缆的外围必须处于地电势，并且所述绝缘层为此通常由半传导薄屏蔽层包围。这引起对绝缘层的电介质应力，必须在尺度上设定该绝缘层用于可靠地承受这一应力。
另外，当通过高压直流(HVDC)传输电功率时，在增加电压时损耗减少，从而正是出于该原因而希望增加所述电压。
为了阐明但是不以任何方式限制本发明，在图1中非常示意性地图示了将这一类线缆用于HVDC传输。图中所示用于传输电功率的电厂具有用于HVDC的直流电压网络1，该网络具有用于互连两个电站4、5的两个所述线缆2、3，这些电站被配置成在直流电压网络1与交变电压网络6、7(这里具有三相并且连接到相应电站)之间传输电功率。线缆之一2既定为处于直流电压网络的直流电压一半的正电势，而另一线缆3处于直流电压一半的负电势。因而这一电厂具有双极直流电压网络，但是也可设想返程电流流过地电极的单极网络。
需要传输比如今在HVDC传输中可能传输的功率更多的功率，但是仍未开发功率高于800MW的线缆。如果做到这一点而不增加如今已经严峻并且接近输送限制的线缆尺度，则必须通过导电率更高的导体来增加电流或者通过对所述绝缘层的更高应力来增加电压。导体的导电率受不能改进的铜和铝这样的导体材料限制，而其它导体在可预见的将来内不可用或者用于构成任何实际选项的成本太高(超导体)。因此增加这样的传输中的功率的其它方式是通过改进绝缘材料，这看来是明显增加功率的最有前途的方式并且也由于减少通过增加电压来获得的损耗减少而有利。
有主体浸渍线缆(通常由油浸渍的纸形成的厚绝缘层)和挤压线缆(在聚合物基材上的绝缘层)这已知两类HVDC线缆。这些线缆可接受的平均电场对于主体浸渍线缆而言约为30kV每毫米而对于挤压线缆而言约为20kV每毫米。可以通过用塑料膜替换一些或者所有纸来改进主体浸渍线缆，但是这将使浸渍更困难。另外，挤压线缆仍具有通过利用改进的材料来具有增加的场的可能更多潜力，其中一个目标在于将电介质应力倍增至40kV每毫米。附图2示出了具有内导体8的已知挤压线缆，该内导体由具有电势均衡性质的薄半导体层9、聚合物基材的厚绝缘层10(诸如在其外侧为交联聚乙烯)和也被均衡电势的外部薄半导体屏蔽层11包围。也通过EP 0 868002已知这样的线缆。
US 6 509 527公开了使用线缆绝缘层从而使得有可能增加对这一类线缆的电介质应力。
上述两种用于生产DC线缆的技术具有在线缆的40年寿命期间不应出现电介质故障这样的设计标准。这提出对设计可靠性的很严格要求并且电压应力必须比如果接受更频繁失效则会有的应力低得多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压DC线缆，该线缆具有可接受的电介质应力增加的所述绝缘层并且借此实现增加所述电压电平而相对于这样的已知线缆未增加线缆的尺度。
这一目的根据本发明通过提供这样的线缆来实现，在所述线缆中，所述绝缘层由在彼此上面的多个叠加的绝缘材料膜状层形成，各膜状层具有隔离金属区域，并且这样的膜状层的连续的所述金属区域如在线缆的径向方向上所见至少部分彼此重叠以便在线缆的所述绝缘层中产生大量小电容器。
这样构造的所述绝缘层使得有可能接收对所述绝缘层的至少50kV每毫米(比如50-150kV每毫米并且适当为100-150kV/毫米或者可能甚至更高)的电介质应力。对这一点的说明源于DC电容器技术的性质，并且本发明基于这一技术可以用于改进DC线缆这样的理解。在使用部分由很薄金属层覆盖以形成电极的塑料膜之时制造DC电容器。这一设计接受故障，因为故障保持于很小体积内。这归因于电极的屏蔽效应加之故障能量也从金属层熔断开并且在故障周围产生绝缘区域这一事实。这意味着可以接受数以千计的故障而不影响电容器本身的功能。用于DC电容器的设计值通常为200kV每毫米。本发明的构思在于将这一技术用于生产一种具有绝缘层的线缆，与这样的已知线缆对照，该线缆接受单个故障从而使得有可能明显增加对其上绝缘层的电介质应力而在其整个寿命期间无碍于线缆的恰当功能。通过使用所述金属区域，在所述膜状层中的故障不会如在未金属化的膜状层中的故障那样在周围环境中引起强场。原因在于线缆由大量小电容器形成，尽管在一个膜状层中有故障，这些小电容器仍将保持电压稳定。仅就故障区域本身而言，它是DC线缆还是DC电容器并无不同。因此，金属区域将展开电场使得局部故障不会经过下一膜状层传播。
因此，本发明使得有可能增加电压并且借此增加经过某一厚度的DC线缆传输的电功率，但是也将有可能并且在一些应用中关注使用于某一电功率的DC线缆比以前可能的DC线缆更薄。
根据本发明的一个实施例，所述绝缘层的叠加的所述膜状层的数目＞100或者＞500或者＞1000、比如200-10000。因而如在本发明的另一实施例中那样，所述膜状层必须很薄、比如0.5-100μm或者1-20μm或者1-10μm，使得将经过所述绝缘层的厚度形成大量小电容器并且尽管在其一个或者一些膜状层中出现故障仍然获得其操作的高可靠性。
根据本发明的另一实施例，各所述金属区域具有≤200nm、≤100nm、1nm-50nm或者1-10个原子层的厚度。因而金属区域的厚度相对于膜状层的厚度可忽略不计，使得尽管存在所述金属区域而膜状层仍可彼此紧靠布置并且绝缘层的厚度将基本上完全由绝缘材料形成。因此事实上极有可能的是金属区域具有仅少数原子层的厚度。
根据本发明的另一实施例，所述金属区域的厚度≤相应所述膜状层的厚度的1/5、1/10或者1/50。根据所选膜状层的厚度，在膜状层的厚度与金属区域的厚度之间的这些比例或者甚至更大差异是可能的。
根据本发明的另一实施例，各所述金属区域具有≤10cm2或者1mm2-5cm2的面积。这些是这样的隔离金属区域的适当面积，其中1cm2将是其通常的适当面积。
根据本发明的另一实施例，所述金属区域在相应所述膜状层上形成岛状物而在相邻的这样的岛状物之间的距离与这样的岛状物的宽度基本上相同或者更小、比如为所述宽度的0.1-1倍。这些是分隔相邻所述金属区域的适当距离用于在所述绝缘层中获得适当大量所述小电容器以便允许其上的作为目的的更高电介质应力。
根据本发明的另一实施例，两个连续膜状层的所述金属区域如在线缆的径向方向上所见相互错位。通过布置具有这样的错位的所述金属区域来充分消除在出现故障时经过线缆的厚度传播短路的风险。
根据本发明的另一实施例，所述绝缘层由塑料膜网形成其具有围绕所述线缆的导体在多个叠加层中缠绕的隔离的金属化区域，这是一种实现根据本发明的线缆的适当方式。
根据本发明的另一实施例，所述塑料膜网缠绕得没有相对于线缆的纵向方向布置于彼此旁边的膜圈的重叠。通过这样无重叠的圈并且边缘到边缘的距离有严密容差的精确缠绕，可以消除所述缠绕绝缘物中的有电场聚集风险的任何楔状物。
根据本发明的另一实施例，所述膜网缠绕得具有相对于线缆的纵向方向的膜网的连续圈的部分重叠，并且在重叠的膜部分的边缘产生的空穴由凝胶状绝缘材料填充。通过这样做可以省略所述精确缠绕并且可以解决在连接到气穴的楔状物中的强场问题。
根据本发明的另一实施例，所述膜网缠绕得具有相对于线缆的纵向方向的膜网的连续圈的部分重叠，并且缠绕的膜网的横向外边缘有斜面并且如在线缆的纵向方向上所见的连续膜圈在彼此紧靠之时重叠。这是另一避免精确缠绕要求以便避免空穴问题的方式。
本发明也涉及一种用于生产高压DC线缆的方法，其特征在于以下步骤：在导体周围在多个叠加层中在彼此上面缠绕具有隔离金属区域的绝缘材料膜状网使得这样的膜状层的连续的所述金属区域如在线缆的径向方向上所见至少部分彼此重叠以便在线缆的所述绝缘层中产生大量小电容器。可以借助这一方法获得一种允许高电介质应力的DC线缆。
本发明也涉及一种根据本发明的线缆的用途，该用途是用于以流过其的高压直流电流的形式传输电功率、比如500-1500MW、800-1500MW或者800-1200MW。将根据本发明的线缆用于传输这样的高功率将是有利的，因为它无需线缆的任何扩大尺度。这也适用于一种将根据本发明的线缆用于传输电功率的用途，其中所述电压为10kV-1500kV、100kV-1500kV、400kV-1500kV或者800kV-1500kV。所述电功率然后有利地由在所述线缆中流动的500A-7kA、1kA-7kA或者2kA-5kA的电流传输。
根据下文描述将显现本发明的更多优点以及有利特征。
附图说明
参照附图，下文是对作为例子引用的本发明实施例的描述。
在附图中：
图1是图示了根据本发明的线缆可以使用于其中的电厂的示意框图，
图2是示出了高压DC线缆的一般构造的简化横截面，
图3是根据本发明的DC线缆的绝缘层的部分的简化截面图，
图4是示出了在所述绝缘层中出现局部故障的与图3对应的视图，
图5是根据本发明的DC线缆在径向方向上的简化视图，该视图示出了其绝缘层的两个叠加膜状层的部分，
图6是线缆的与图3对应的视图，其中根据图5缠绕其绝缘层的膜状层，
图7是图示了当重叠缠绕所述绝缘层中的膜状层时如何产生空穴的简化视图，
图8是图示了所述膜状层的精确缠绕的与图7对应的视图，
图9和图10是图示了图7中所示空穴可以如何由凝胶状材料填充的视图，并且
图11是图示了一种在重叠缠绕所述膜状层时避免由空气填充的空穴的替代方式的与图7对应的视图。
具体实施方式
在图3中示出了根据本发明一个实施例的DC线缆的绝缘层10的小块区域。绝缘层由缠绕于彼此上面的大量(比如200-10000层)金属化塑料膜层12形成。塑料膜由具有适当绝缘性质的材料(比如交联聚乙烯)制成并且这里具有10-10μm数量级的厚度。金属化由隔离的金属区域13实现，这些金属区域具有相对于塑料膜的厚度可忽略不计的厚度，并且这些金属区域的厚度在图中已经非常夸大以便使得有可能将它们一览无余。因此，这些金属区域的厚度可以如少数原子层那样小。这些金属区域通常具有1cm2数量级的面积，并且其间距离等于或者少于这些区域的宽度。这些区域可以具有如在与膜表面垂直的方向上所见的任何形状并且在这一实施例(参见图5)中为矩形。由于塑料膜层12与金属区域13的厚度关系，连续塑料膜层将彼此紧靠。
大量小电容器以这一方式形成于绝缘层内。这意味着绝缘层以内的电场将基本上均匀分布于绝缘层以内。
图4示出了如果在绝缘层中的部位14上出现故障则将发生的情况。绝缘层的设计将故障保持于很小体积内，并且故障能量将在故障部位14从金属层熔断开从而在讨论的金属区域中产生孔，使得绝缘区域将产生于故障周围。这意味着事实上可以在线缆的受限长度如一米内接受多个故障而不影响线缆绝缘层的良好功能。
图5图示了优选如何叠加两个塑料膜层12、12’使得其金属区域13、13’如在线缆的径向方向上所见相互错位。通过这样做来消除由于故障所致穿过线缆隔离的每个短路风险。
图6示出了根据图5设计的线缆的部分横截面，在该横截面中也表明内导体8。
虽然以这一方式设计的DC线缆的绝缘层具有与DC电容器类似的功能，但是有一些不同。一个不同在于电容器充电电流必须移入和移出电容器，在线缆中并非这样的情况，从而使线缆设计就这一点而言更容易。然而另一不同在于电容器让所有塑料膜或者箔堆叠在一起，这使电容器更容易，因为未出现终止问题。
图7示出了在可能宽度近似为20mm而厚度为5μm的塑料膜网在叠加层12、12’和12”中缠绕得具有相对于线缆的纵向方向布置于彼此旁边的重叠膜圈时发生的情况。这可能造成在形成重叠区中的楔状物16中的气穴15。
一种解决产生这样的空穴的问题的方式将是使用很薄的塑料膜，这些塑料膜使空穴薄到使得对其的承受(widthstand)根据帕邢定律将是充分的。计算已经表明比5μm更薄的塑料膜将足以达到200kV每毫米的电压强度。
然而也有解决这样的空穴问题的其它方式，在图8中示出了其中一种方式，并且该方式由塑料膜网17、17’、17”、18、18’的无重叠并且边缘到边缘的距离有严密容差的精确缠绕构成。
图9和图10示出了另一允许在如图7中所示缠绕过程期间产生重叠的替代方式。空穴在这一情况下在使用与在喷墨打印机中使用的技术相同的技术在缠绕过程期间由凝胶状(相应为半液体)绝缘材料19填充，其中“喷墨”来自示意表示的喷嘴20。该构思在于凝胶体积应当大于空穴以避免产生新空穴的风险。
图11示出了另一通过在缠绕之前机械地形成塑料膜网边缘使得不出现空穴来避免空穴问题的可能性。这里通过向所述膜网的横向边缘提供斜面21(相应在缠绕之前机械地“锐化”这些边缘使得膜状层也将在重叠区中彼此紧靠)来完成。
本发明当然不以任何方式限于上述实施例而是对其修改的诸多可能性将为本领域普通技术人员所清楚而不脱离如在所附权利要求书中限定的本发明的范围。
Claims (16)
1.-种高压DC线缆，具有由绝缘层(10)包围的至少一个内导体(8)，所述绝缘层(10)被配置成承受在所述导体与所述线缆的周围环境之间的电压，
其特征在于所述绝缘层由绝缘材料的多个叠加的膜状层(12)形成，各膜状层(12)具有在其上面的隔离金属区域(13)，并且这样的膜状层的连续的所述金属区域如在所述线缆的径向方向上所见至少部分彼此重叠以便在所述线缆的绝缘层中产生大量小电容器。
2.根据权利要求1所述的线缆，其特征在于所述绝缘层的叠加的膜状层(12)的数目＞100或者＞500或者＞1000、比如200-10000。
3.根据权利要求1或者2所述的线缆，其特征在于各所述膜状层(12)的厚度为0.5-100μm或者1-20μm或者1-10μm。
4.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于各所述金属区域(3)具有≤200nm、≤100nm、1nm-50nm或者1-10个原子层的厚度。
5.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于所述金属区域(13)的厚度≤相应所述膜状层的厚度的1/5、1/10或者1/50。
6.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于各所述金属区域(13)具有≤10cm2或者1mm2-5cm2的面积。
7.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于所述金属区域(13)在相应所述膜状层上形成岛状物而在相邻的这样的岛状物之间的距离与这样的岛状物的宽度基本上相同或者更小、比如为所述宽度的0.1-1倍。
8.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于两个连续膜状层(12，12’)的所述金属区域(13，13’)如在所述线缆的径向方向上所见相互错位。
9.根据任一前述权利要求所述的线缆，其特征在于所述绝缘层由塑料膜(12)网形成其具有围绕所述线缆的导体(8)在多个叠加层中缠绕的隔离的金属化区域(13)。
10.根据权利要求9所述的线缆，其特征在于所述塑料膜网(17，17’，17”，18，18’)缠绕得没有相对于线缆的纵向方向布置于彼此旁边的膜圈的重叠。
11.根据权利要求9所述的线缆，其特征在于所述膜网(17)缠绕得具有相对于所述线缆的纵向方向的所述膜网的连续圈的部分重叠，并且在重叠的膜部分的边缘产生的空穴(15)由凝胶状绝缘材料(19)填充。
12.根据权利要求1-9中的任一权利要求所述的线缆，其特征在于所述膜网(17)缠绕得具有相对于线缆的纵向方向的所述膜网的连续圈的部分重叠，并且缠绕的所述膜网的横向外边缘有斜面(21)并且如在所述线缆的纵向方向上所见的连续膜圈在彼此紧靠之时重叠。
13.一种用于生产高压DC线缆的方法，
其特征在于以下步骤：在导体(8)周围在多个叠加层(12)中在其上面缠绕具有隔离金属区域(13)的绝缘材料膜状网(17)使得这样的膜状层的连续的所述金属区域如在所述线缆的径向方向上所见至少部分彼此重叠以便在所述线缆的绝缘层中产生大量小电容器。
14.一种根据权利要求1-12中的任一权利要求所述的线缆的用途，用于以流过的高压直流电流的形式传输电功率、比如500-1500MW、800-1500MW或者800-1200MW。
15.一种根据权利要求1-12中的任一权利要求所述的线缆的用途，用于传输电功率，其中所述电压为10kV-1500kV、100kV-1500kV、400kV-1500kV或者800kV-1500kV。
16.根据权利要求14或者15所述的用途，其特征在于所述电功率由在所述线缆中流动的500A-7kA、1kA-7kA或者2kA-5kA的电流传输。
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