CN102712179B - 具有浸渍层状绝缘体的高压直流电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压直流(DC)电缆，包含：至少一个电导体，至少一个半导体层，由至少一个纸-聚丙烯层压材料的缠绕物制成的至少一个层状绝缘体，所述层状绝缘体用至少一种电绝缘流体浸渍，电绝缘流体的运动粘度在60°C时至少为1,000cSt，其中层压材料包括不透气性至少为100,000葛尔莱秒-1的至少一层纸。在用高粘度绝缘流体浸渍期间，这种高度不透气的纸层(多个纸层)能够显著减小聚丙烯层(多层聚丙烯)的膨胀，因此直到用于整个层状绝缘体的浸渍过程结束，都可防止层离。

Description

具有浸渍层状绝缘体的高压直流电缆
技术领域
本发明涉及具有浸渍层状绝缘体的高压直流(DC)电缆。尤其是，本发明涉及一种具有由用电绝缘流体浸渍的纸-聚丙烯层压材料(laminate)制成的层状绝缘体的高压DC电缆，所述电缆适于陆地设施，或者优选地，适于水下设施。
背景技术
出于本说明书和所附权利要求的目的，术语“高压”意味着至少35kV的电压。出于本说明书和所附权利要求的目的，术语“特高压(veryhigh voltage)”意味着至少200kV的电压，优选为至少300kV的电压。
具有浸渍层状绝缘体的电缆是已知的，其中通过缠绕薄带使电导体电绝缘，薄带由纸，或优选地，由多层纸-聚烯烃(通常为聚丙烯)层压材料制成。然后利用具有高电阻系数和预定粘度的流体彻底浸渍层状绝缘体，彻底浸渍的重要性将在下面讨论。
正例如由US6,207,261报告的那样，DC(直流)和AC(交流)浸渍的电力电缆的实例包括：
自容式充油(OF)电缆，其用具有相对低粘度的绝缘油浸渍，绝缘油从设置在电缆线的一端或两端的油供给装置供应，从而通过绝缘油将绝缘层保持在正压力下；
通过将电缆芯(电缆导线/多个电缆导线和绝缘体的组装件)插入之前安装的钢管中，给钢管抽真空，和用比用于OF电缆的绝缘油具有略微更高粘度的绝缘油来填充钢管，来运用高压管式OF(POF)电缆；
用比用于POF电缆的绝缘油具有更高粘度的绝缘油对整体(mass)浸渍(或固体)电缆进行浸渍，用金属套覆盖整体浸渍(或固体)电缆；
正如从例如US4,782,194或WO99/33068可知的那样，高压直流(HVDC)整体浸渍电缆主要用于长距离电力输送，主要是沿着水下线路。除了由直流输送(例如具有稳定减少的电介质损失)提供的优点之外，HVDC电缆不因在整体浸渍型HVAC(高压交流)电缆中遇到的流体运移(fluid migration)而蒙受损害。浸过油的HVAC电缆通常是上述的OF或POF类型。
GB2,196,781公开了已知用于浸渍DC电缆的分层绝缘体的合成物(composition)，该合成物在室温(20℃)时具有1000至50000厘斯(cSt)的粘度。
用流体浸渍纸-聚丙烯层压材料的步骤是关键的。特别是，半成品叠层(laminated)电缆芯被浸入流体中并且留下坚持一段时间，这段时间通常持续大约30天，以使流体甚至渗入到层压材料的径向最内层中。流体充分和彻底的渗透对于避免电性能的显著降低是至关重要的。在浸渍期间，层压材料膨胀到一定程度，该现象主要是由于聚丙烯层的膨胀导致的。这种膨胀可能造成层离(delamination)。一层从另一层上可能的分开，即使是部分分开，也会给电缆的功能带来极其严重的后果。已经对改善纸和聚丙烯之间的粘合，以获得对膨胀具有改善的阻力的层压材料做出了努力。象纸密度和渗透性这样的特征、聚丙烯结晶度、制造层压材料过程中的专门处理被考虑到。
高粘度流体的使用，正如一般为整体浸渍电缆采用的，使浸渍过程甚至更加关键，正如下面解释的那样。
美国专利No.5,850,055涉及用于高压和特高压的电缆，其中导体被用绝缘流体浸渍的层状绝缘体包围，所述绝缘体由纸/聚丙烯/纸层压材料构成，其中中央层由辐射聚丙烯膜，即用高能离子辐射进行辐射的聚丙烯膜形成。绝缘流体是这样一种油，即，这种油具有非常低的粘度，5-15厘沱(centistokes)的级别，并且电阻系数至少为1016欧姆/厘米，诸如矿物油，烷基萘和烷基苯。纸具有低密度，通常最大密度为0.85克/立方厘米，优选是从0.65至0.75克/立方厘米。通常，纸具有从10×106到30×106伊曼纽里单位(对应于(葛尔莱单元×455)/纸厚度(毫米))范围内的不透气性(impermeability to air)。
通过上述专利公开的电缆用不适于整体浸渍电缆的低粘度油浸渍。
US6,207,261涉及一种电绝缘的叠层纸，包含一片或两片绝缘牛皮纸和一层通过熔化挤出而一体化的聚烯烃树脂的塑料膜，这层塑料膜已经被砑光或者超级砑光，因此其总厚度是从30至200微米，并且塑料膜层的比例是从40％至90％。包含密度为0.70-0.72克/立方厘米并且不透气性为2,500-3,000秒/100毫升的纸的层压材料的实例与包含密度为1.09-1.13克/立方厘米并且不透气性至少为100,000秒/100毫升(对应于100,000葛尔莱秒-1)的纸的层压材料进行比较。层压材料在100℃的温度下在OF电缆中使用的烷基苯油(一种低粘度绝缘油)中经受老化测试24小时。老化之后，对纸层和聚丙烯层之间的粘合强度进行测量：在浸入烷基苯油期间或之后，使用高密度和高不透气性纸的比较试样显示出非常低的粘合强度并且经受层的完全剥离(peel)。
发明内容
发明人已经面临提高具有浸渍层状绝缘体的高压和特高压(此后共同称为“高压”，除非另有指示)直流电缆的性能和可靠性的问题，其中通过使用高粘度绝缘流体(运动粘度在60℃时至少为1,000cSt)执行浸渍。在DC电缆中使用具有这种高粘度的绝缘流体是适当的，而且使用具有这种高粘度的绝缘流体减少了由于操作期间DC电缆经受的热循环(thermal cycle)而导致的绝缘流体在浸渍层压材料内的运移。绝缘流体不受控的运移可能造成层状绝缘体中的微腔，随之会冒放电和因此导致的绝缘击穿的风险。
如上所述，整体浸渍电缆的击穿的一个主要原因是当层压材料与绝缘流体相接触时层压材料的膨胀，特别是比纸层更加倾向于吸收绝缘流体中含有的碳氢化合物的聚丙烯层的膨胀。聚丙烯膨胀可能最终造成层离：相邻层之间分开，即使部分分开时，也可能造成会危害电缆功能的严重损害。
申请人已经观察到应该小心控制以避免层离的关键步骤是用绝缘流体浸渍层状绝缘体的步骤。因为后者的高粘度，这种浸渍步骤是非常长和麻烦的，因为它需要将绝缘电缆完全浸入充满绝缘流体的容器中，绝缘流体逐渐渗透层压材料层，直到实现完全浸渍。一般在超过100℃的温度下用数天或者甚至是数星期的时间(通常是从20至40天)执行这种过程。
特别是，申请人已经认识到浸渍过程的关键阶段大约对应于其自身过程的前十天，在这十天当中，绝缘流体最先接触到的层状绝缘体的外层，经受显著的膨胀，这种膨胀可能妨碍径向内部层压材料层的浸渍。因此，浸渍过程应该被延长到使最内部的层压材料层能够被绝缘流体彻底浸渍。高温时这个延长的时间可能造成外部层压材料绝缘带的电性能和机械性能的变坏和过度膨胀。
申请人已经发现通过仅仅在浸渍过程的较早步骤中提供具有受控的(减小的)膨胀的聚丙烯/纸层压材料，有可能改善特别是用于如上所述的直流应用的高压电缆的性能和可靠性。为了获得上述结果，聚丙烯层与不透气性至少为100,000葛尔莱秒-1的至少一层纸结合。已经发现这种高度不透气性(请注意测量为葛尔莱秒-1的值越高，纸的不透气性越高)与在用高粘度绝缘流体浸渍期间纸可显著减少聚丙烯层(多层聚丙烯)的膨胀的能力相关。特别是，在120℃的温度下，在60℃时运动粘度至少为1,000cSt的绝缘流体中浸入层压材料240小时的时间之后，可实现不高于1％，优选不高于0.2％的膨胀。这种层压材料将膨胀度维持在所提及的可接收限制范围内的能力避免了层离，直到用于整个层状绝缘体的浸渍过程结束。不增加浸渍步骤的持续时间而获得这种结果。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种高压直流(DC)电缆，包含：
至少一个电导体，
至少一个半导体层，
至少一个层状绝缘体，其由至少一个纸-聚丙烯层压材料的缠绕物制成，所述层状绝缘体用至少一种电绝缘流体浸渍，
其中所述至少一种电绝缘流体的运动粘度在60℃时至少为1,000cSt；
其中所述层压材料包括不透气性至少为100,000葛尔莱秒-1的至少一层纸。
本发明的详细说明
出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有指示，否则要将表达量、数量、百分数等的所有数量理解为可通过术语“大约”在所有实例中进行更改。同样，所有范围都包括所公开的最大点和最小点的任何组合，并且包括其中的任何中间范围，这些中间范围可能或可能没有在本文中专门列举。
在一个优选实施例中，根据本发明的电缆包含布置在导体和层状绝缘体之间的内半导体层，和布置在绝缘层和外金属罩之间的外半导体层。
根据一个优选实施例，通过中央聚丙烯层被夹在两层纸之间构成至少一个纸-聚丙烯层压材料。
优选地是，至少一层纸的不透气性等于或高于100,000葛尔莱秒-1。更优选地是，至少一层纸的不透气性是从100,000至150,000葛尔莱秒-1。可以根据例如IEC554-2(1977)的已知技术确定不透气性。
优选地是，至少一层纸由牛皮纸制成。
根据一个优选实施例，至少一层纸的密度为至少0.9克/立方厘米。更优选地是，所述密度不高于1.4克/立方厘米。有利地是，至少一层纸的密度是从0.9至1.2克/立方厘米。
至于聚丙烯，这可以选自：
(a)热塑性丙烯均聚物；
(b)热塑性丙烯共聚物(copolymers of propylene)，具有至少一个共聚单体，该共聚单体选自：乙烯，具有4至10个碳原子的α-烯烃。
共聚物(b)中的优选共聚单体是乙烯。优选地是，共聚物(b)中的总量乙烯是从0.5至10重量百分比(wt％)，更优选地是从0.5至5wt％。根据ASTM D1238-04C，在230℃/2.16千克时测量，丙烯均聚物或共聚物优选具有的熔融指数(MFI)值至少为5克/10分钟，更优选地是从7至50克/10分钟。
根据标准ASTM D3417-83，通过差示扫描量热法(DSC)测量，丙烯均聚物或共聚物具有的熔化焓(melting enthalpy)值优选为至少100焦耳/克。优选地是，丙烯均聚物或共聚物的熔化焓值等于或低于135焦耳/克，更优选地是，熔化焓是从105至110焦耳/克。
当在90℃时浸入T2015绝缘流体168小时之后，丙烯均聚物或共聚物优选具有不高于10％的测量为百分比重量增加的膨胀值。T2015是高粘度绝缘流体，由ChemPharm(UK)Ltd.售卖，基于添加有大约2％重量的高分子量聚异丁烯作为粘度增加剂的矿物油。
至于适于本发明的电绝缘流体，根据ASTM D445-09(2000)，它的粘度一般在60℃时至少为1,000cSt，优选在60℃时从1,100至1,200cSt。这种流体的电阻系数一般大于1×1014欧姆米。这类流体一般包含环烷基油或石蜡基油或合成烃油(例如聚异丁烯)或者它们的混合物，可选地添加有至少一种粘度增加添加剂，使该添加剂的量能够获得所需粘度，通常是重量的0.5％至10％，优选是重量的1％至5％。粘度增加添加剂可以例如选自：高分子量聚烯烃，例如聚异丁烯；聚合松香树脂(polymerized colophonic resin)；微晶蜡；具有细分形式(subdivided form)的合成橡胶，例如丁苯橡胶或异戊二烯橡胶；或它们的混合物。
纸-丙烯层压材料一般具有的总厚度范围是从50至300微米，优选是从70至200微米。聚丙烯层一般具有的厚度范围是层压材料总厚度的从35％至75％，优选是从50％至65％。
附图说明
参考附图进一步示出本发明，其中：
图1显示根据本发明的实施例的电缆的横截面视图；
图2显示根据本发明的层压材料的横截面视图；
图3显示在用高粘度绝缘流体浸渍不同的层压材料期间，厚度随时间变化的图。
具体实施方式
参考上述附图，根据本发明的电缆1从中央到外部依次包含：导体2、内半导体层3、层状绝缘体4、外半导体层5和金属套6。
导体2一般由优选用铜或铝制成的多个单独的导体形成，例如具有通过传统方法拧到一起的导线的形式，或者优选地如图1所示，导体2是铜型材(copper shaped)或米利肯型的。
环绕导体2放置具有半导体性质的层3，层3例如通过填充有导电碳黑的纤维素纸带的缠绕物而构成。可以将环绕层状绝缘体4放置的第二半导体层5制成类似的构造。
层状绝缘体4一般通过纸-丙烯层压材料12的连续缠绕物形成，如上所示。
通常由铅或铅合金制成的金属套6包裹由上述元素形成的电缆芯，并且用绝缘流体填充套6内的所有空间，从而彻底浸渍多个电缆层，特别是层状绝缘体4。
通常环绕金属套6布置铠装结构，以便给电缆提供机械保护。这个铠装结构可以包含例如由塑料材料制成的套7，在套7上放置例如由钢带形成的金属加固部8。再向外，可以应用例如由碳钢制成的至少一个铠装部10与例如由带或纤维线制成的至少一个垫层9相结合，垫层9能够防止铠装部10损坏内层。作为最外层，通常提供由聚合体材料制成的辅助套11，提供对电缆表面的保护和均匀性。
图2显示根据本发明的层压材料12的优选实施例的横截面视图，其中用聚丙烯制成的中央层13夹在两层纸14之间。
可以根据已知技术制造层压材料，优选通过挤压涂敷(extrusioncoating)，其中通常在室温下将两层纸14摆放成与呈熔化状态的聚丙烯的膜接触，聚丙烯的温度通常为200℃至320℃，即温度比聚合体的熔化温度更高。然后，通常通过冷铸铁滚筒的装置在低温下对接触层进行砑光。
给出下面的工作实例以更好地示出本发明，但是不限制本发明。
实例1
厚度为0.025毫米、密度为0.93克/毫升并且不透气性为100,000葛尔莱秒-1的两层牛皮纸(纯松柏(conifer)纤维素)与一层Pro-faxTMPF611(Basell)结合，这层Pro-faxTM PF611(Basell)是密度为0.902克/毫升(ASTM D792)并且MFI是230℃/2.16千克时为30.0克/10分钟(ASTM D1258)的丙烯均聚物(PP)。所得的纸/PP/纸层压材料的厚度为0.100毫米，PP百分比率为重量的60％并且重量为100克/平方米。在干燥的层压材料中，PP和纸之间的剥离强度根据标准ASTM D1876-08测量并且结果是13克/15毫米。
这样获得的层压材料在135℃恒温箱中真空下干燥8小时，接着用100℃时粘度为1200cSt(H&R ChemPharm(UK)Ltd.的商业产品T2015)的绝缘流体在125℃下浸渍。在浸渍过程中，按规律的时间间隔测量厚度变化(膨胀)：结果在图3的图形中报告出。240小时后总膨胀为0.14％。经浸渍的层压材料中的PP和纸之间的剥离强度测量为25克/15毫米。
通过使用上述层压材料，用2000平方毫米横截面的铜导体和18.1毫米厚的层状绝缘体生产电缆试样。在用相同的绝缘流体T2015浸渍层状绝缘体之后，执行一些测试(基于三个重复周期的弯曲测试，和具有加载周期(loading cycle)的高压直流上至1080千伏时的电测试，以及上至1650千伏时的脉冲测试)以检查电缆功能：没发现缺点。
实例2
厚度为0.025毫米、密度为0.93克/毫升并且不透气性为100,000葛尔莱秒-1的两层牛皮纸(纯松柏纤维素)与一层HD601CF(Borealis)结合，这层HD601CF(Borealis)是密度为0.90克/毫升(ISO1183)并且MFI是230℃/2.16千克时为8g/10分钟(ISO1133)的丙烯均聚物(PP)。所得的纸/PP/纸层压材料的厚度为0.100毫米，PP百分比率为重量的60％并且重量为100克/平方米。在干燥的层压材料中，PP和纸之间的剥离强度根据标准ASTM D1876-08测量并且结果是100克/15毫米。
这样获得的层压材料在135℃恒温箱中真空下干燥8小时，接着用100℃时粘度为1200cSt(H&R ChemPharm(UK)Ltd.的商业产品T2015)的绝缘流体在125℃下浸渍。在浸渍过程中，按规律的时间间隔测量厚度变化(膨胀)：结果在图3的图形中报告出。240小时后总膨胀为0.84％。经浸渍的层压材料中的PP和纸之间的剥离强度测量为25克/15毫米。
实例3(比较)
厚度为0.025毫米、密度为1.01克/毫升并且不透气性为40,000葛尔莱秒-1的两层牛皮纸(混合松柏/阔叶树纯纤维素)与一层Pro-faxTMPF611(Basell)结合，这层Pro-faxTM PF611(Basell)是密度为0.902克/毫升(ASTM D792)并且MFI是230℃/2.16千克时为30.0g/10分钟(ASTM D1258)的丙烯均聚物(PP)。所得的纸/PP/纸层压材料的厚度为0.100毫米，PP百分比率为重量的60％并且重量为100克/平方米。在干燥的层压材料中，PP和纸之间的剥离强度根据标准ASTM D1876-08测量并且结果是50克/15毫米。
这样获得的层压材料在135℃恒温箱中真空下干燥8小时，接着用100℃时粘度为1200cSt(H&R ChemPharm(UK)Ltd.的商业产品T2015)的绝缘流体在125℃下浸渍。在浸渍过程中，按规律的时间间隔测量厚度变化(膨胀)：结果在图3的图形中报告出。240小时后总膨胀为1.95％。经浸渍的层压材料中的PP和纸之间的剥离强度测量为30克/15毫米。
通过使用上述层压材料，用2000平方毫米横截面的铜导体和18.1毫米厚的层状绝缘体生产电缆试样。用相同的绝缘流体T2015浸渍层状绝缘体之后，发现层压材料的外缠绕物的过度膨胀妨碍了绝缘流体渗透内层压材料层，因此造成在绝缘浸渍中难以接受的一致性的缺乏。
实例4(比较)
厚度为0.025毫米、密度为0.75克/毫升并且不透气性为1,000葛尔莱秒-1的两层牛皮纸(纯松柏纤维素)与一层Pro-faxTM PF611(Basell)结合，这层Pro-faxTM PF611(Basell)是密度为0.902克/毫升(ASTM D792)并且MFI是230℃/2.16千克时为30.0g/10分钟(ASTM D1258)的丙烯均聚物(PP)。所得的纸/PP/纸层压材料的厚度为0.100毫米，PP百分比率为重量的60％并且重量为88克/平方米。在干燥的层压材料中，PP和纸之间的剥离强度根据标准ASTM D1876-08测量并且结果是50克/15毫米。
这样获得的层压材料在135℃恒温箱中真空下干燥8小时，接着用100℃时粘度为1200cSt(H&R ChemPharm(UK)Ltd.的商业产品T2015)的绝缘流体在125℃下浸渍。在浸渍过程中，按规律的时间间隔测量厚度变化(膨胀)：结果在图3的图形中报告出。240小时后总膨胀为3.5％。经浸渍的层压材料中的PP和纸之间的剥离强度测量为30克/15毫米。

Claims (26)

1.一种高压直流DC电缆，包含：
至少一个电导体，
至少一个半导体层，
至少一个层状绝缘体，其由至少一个纸-聚丙烯层压材料的缠绕物制成，所述层状绝缘体用至少一种电绝缘流体浸渍，
其中所述至少一种电绝缘流体的运动粘度在60℃时至少为1,000cSt；
其中所述层压材料包括不透气性至少为100,000葛尔莱秒-1的至少一层纸。
2.根据权利要求1所述的电缆，其中在120℃的温度下将所述纸-聚丙烯层压材料浸入绝缘流体240小时的时间之后，所述层压材料的膨胀不高于1％，所述绝缘流体的运动粘度在60℃时至少为1,000cSt。
3.根据权利要求1所述的电缆，包含布置在所述导体和所述层状绝缘体之间的内半导体层，和布置在所述绝缘层和外金属套之间的外半导体层。
4.根据权利要求1所述的电缆，其中所述至少一个纸-聚丙烯层压材料通过聚丙烯中央层被夹在两层纸之间构成。
5.根据权利要求1所述的电缆，其中所述至少一层纸的不透气性是从100,000至150,000葛尔莱秒-1。
6.根据权利要求1所述的电缆，其中所述至少一层纸的密度为至少0.9克/立方厘米。
7.根据权利要求6所述的电缆，其中所述至少一层纸的密度不高于1.4克/立方厘米。
8.根据权利要求6所述的电缆，其中所述至少一层纸的密度是从0.9至1.2克/立方厘米。
9.根据上述权利要求的任一项所述的电缆，其中所述聚丙烯选自：
(a)热塑性丙烯均聚物；
(b)热塑性丙烯共聚物，其具有至少一个共聚单体，所述共聚单体选自：乙烯，具有4至10个碳原子的α-烯烃。
10.根据权利要求9所述的电缆，其中，在所述热塑性共聚物(b)中，所述共聚单体是乙烯。
11.根据权利要求10所述的电缆，其中共聚物(b)中乙烯的总量是从0.5至10重量百分比。
12.根据权利要求9所述的电缆，其中根据ASTM D1238-04C在230℃/2.16千克时测量，所述丙烯均聚物或共聚物具有的熔融指数MFI的值为至少5克/10分钟。
13.根据权利要求9所述的电缆，其中根据标准ASTM D3417-83，通过差示扫描量热法DSC测量，所述丙烯均聚物或者共聚物具有的熔化焓的值为至少100焦耳/克。
14.根据权利要求13所述的电缆，其中所述丙烯均聚物或共聚物的熔化焓等于或低于135焦耳/克。
15.根据权利要求1所述的电缆，其中当聚丙烯在90℃浸入T2015绝缘流体168小时之后，所述聚丙烯具有测量为百分比重量增加的膨胀值不高于10％。
16.根据权利要求1所述的电缆，其中根据ASTM D445-09(2000)，所述至少一种电绝缘流体的粘度在60℃时至少为1,000cSt。
17.根据权利要求16所述的电缆，其中所述至少一种电绝缘流体包含环烷基油或石蜡基油或合成烃油或者它们的混合物，可选地添加有至少一种粘度增加添加剂，所述添加剂的量使得获得所需粘度。
18.根据权利要求1所述的电缆，其中所述纸-聚丙烯层压材料具有的总厚度范围是从50至300微米。
19.根据权利要求1所述的电缆，其中所述聚丙烯层具有的厚度范围是所述层压材料总厚度的从35％至75％。
20.根据权利要求2所述的电缆，所述层压材料的膨胀不高于0.2％。
21.根据权利要求10所述的电缆，其中共聚物(b)中乙烯的总量是从0.5至5重量百分比。
22.根据权利要求12所述的电缆，其中所述丙烯均聚物或共聚物具有的熔融指数MFI的值为从7至50克/10分钟。
23.根据权利要求13所述的电缆，其中所述丙烯均聚物或共聚物的熔化焓是从105至110焦耳/克。
24.根据权利要求1所述的电缆，其中根据ASTM D445-09(2000)，所述至少一种电绝缘流体的粘度在60℃时为从1100至1200cSt。
25.根据权利要求1所述的电缆，其中所述纸-聚丙烯层压材料具有的总厚度范围是从70至200微米。
26.根据权利要求1所述的电缆，其中所述聚丙烯层具有的厚度范围是所述层压材料总厚度的从50％至65％。
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