CN103680699A - 用于电缆的硅多层绝缘体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电缆的硅多层绝缘体。电缆(1)包括：至少一个细长的电导体(2)和围绕所述电导体的多层绝缘体，所述多层绝缘体包括第一半导体层和电绝缘层(4)，所述两个层由硅橡胶基组合物制成，其特征在于，第一半导体层的半导体硅橡胶基组合物包括作为导电填料的碳粗纱。

Description

用于电缆的硅多层绝缘体
技术领域
本发明涉及一种包括由硅橡胶制成的多层绝缘体的电缆以及一种所述电缆的制造工艺。
更具体地，它通常应用于但不专有地应用于电力电缆的领域，诸如中压(尤其从5kV到45-60kV)或高压(尤其大于60kV，可高达800kV)电力电缆，不论它们到底是直流电压(DC)还是交流电压(AC)电缆。
背景技术
中压或高压电力电缆通常包括中心电导体，并且依次且同轴地绕该电导体的是：半导体内层、电绝缘(中间)层和半导体外层。这三个层可以经由本领域技术人员所熟知的技术而交联。
GB870583描述了一种用于电缆的三层交联绝缘体，包括半导体内层、电绝缘(中间)层和半导体外层。所述三个层由含乙烯基的硅树脂橡胶(silicone gum)制成。所述电缆的各半导体层由组合物制成，所述组合物包括含乙烯基的硅树脂橡胶、作为交联剂的有机过氧化物和作为导电填料的乙炔黑。
然而，该工艺并没有被优化，以在将至少5kV的电压电平施加到电缆时显著减少电绝缘层和各半导体层之间的局部放电。事实上，使用炭黑类型(例如乙炔黑)的导电填料可以涉及到在半导体层和电绝缘层之间的界面处形成气泡。在生产半导体层期间可以形成所述气泡，其中炭黑可以与硅树脂橡胶和/或交联剂反应，形成所述气泡。
发明内容
本发明的主旨是通过提出一种电缆克服现有技术的缺陷，所述电缆包括：
-至少一个细长的电导体，以及
-围绕所述电导体的多层绝缘体，所述多层绝缘体包括第一半导体层和电绝缘层，所述两个层由硅橡胶基组合物制成，
其特征在于，第一半导体层由包括作为导电填料的碳粗纱(carbonrovings)的硅橡胶基组合物制成。
在多层绝缘体的半导体层中使用碳粗纱作为导电填料有利地显著限制绝缘体各层之间存在空气和/或存在空间。
故而，本发明的多层绝缘体有利地允许降低电缆中的局部放电，同时保证良好的柔性性能。
在优选的实施方式中，第一半导体层可以围绕细长的电导体，并且所述电绝缘层可以围绕第一半导体层。
在另一优选的实施方式中，多层绝缘体可以包括由硅橡胶基组合物制成的第二半导体层，以形成三层绝缘体。
更具体地，第一半导体层可以被电绝缘层围绕，并且电绝缘层可以被第二半导体层围绕。
用于获得第二半导体层的硅橡胶基组合物可以有利地包括作为导电填料的碳粗纱。
用于获得第一半导体层、并且可选地用于获得第二半导体层的一种或多种硅橡胶基组合物包含一定量的导电填料，并且更优选地包含一定量的碳粗纱，足以使硅橡胶基组合物半导体化。
另外，硅橡胶基组合物中的导电填料的量应该可优选地允许组合物被挤出。
更具体地，应考虑，当一个层的比电导率至多为1.109Ωm(ohm·厘米)时，它为半导体。
用于获得半导体层的硅橡胶基组合物可包括至多60%重量的导(电)性填料，可优选地包括至多50%重量的导电填料，可优选地包括至多40%重量的导电填料。
在另一实施方式中，用于获得半导体层的硅橡胶基组合物可包括至少0.1%重量的导(电)性填料，可优选地包括至少10%重量的导电填料，并且甚至更优先包括至少20%重量的导电填料。
更具体地，本发明的碳粗纱是碳纤维束。
在特定实施方式中，碳粗纱可以包括具有第一长度的第一类型碳粗纱和/或具有第二长度的第二类型碳粗纱，更具体地，第一长度不同于第二长度。
在优选的实施方式中，碳粗纱包括具有第一长度的所述第一类型碳粗纱和具有第二长度的所述第二类型碳粗纱。第二长度可以是第一长度的至少十倍。
碳粗纱可以切割，以获得期望的长度。
第一类型碳粗纱的第一长度可以从50到300μm，并且更优选地可以大约为220μm。
第二类型碳粗纱的第二长度可以从1到10mm，并且更优选地可以从3到6mm。
组合物可以包括至少2%重量的第一类型碳粗纱和/或至少10%重量的第二类型碳粗纱。
本发明的导电填料可以仅只是碳粗纱，或者是碳粗纱与其它类型导电填料的混合物，所述其它类型导电填料可优选地选自：炭黑、导电碳和金属颗粒或者它们混合物之一。
导电炭黑可以从ASTM D-1765-76中列出的任何炭黑、炉黑、乙炔黑、热裂法炭黑、lamb黑和科琴黑或者它们混合物之一中选择。
区别于导电炭黑的导电碳包括：碳纳米管、富勒烯、石墨烯、石墨和膨胀石墨小片(graphite platelets)中的至少一个。这样的导电碳平均颗粒大小通常可以具有纳米尺度的比例。
导电性金属颗粒包括细粒、粉末、纤维、小片等。这些金属颗粒通常具有如通过X射线加宽测量的0.1至100微米的平均颗粒大小，更通常为0.3至30微米。金属颗粒可具有任何期望的颗粒形状，但是如所知的，形状选择可能取决于金属填充产品的预期最终用途。可以使用球形形状、小片、棱柱形状、晶须等。
金属可以用作导电填料，单独地或与一个或多个其它这样金属混合或作为细粉末合金，金属包括铝、铟、锡、铅、铋以及周期表II-B至VII-B族元素，其包括诸如锌、镉、钪、钛、锆、钒、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂等。对于方便和相对便宜而言特别满意的是：铝、锌、铁、镍、锡、铅和银。铜虽然具有导电性，但其金属形式对一些橡胶复合配方会是不良的。
在优选的实施方式中，第一半导体层和电绝缘层是共同挤出的层。
共同挤出的多层绝缘体有利地允许优化电缆中局部放电的减少，同时保证良好的柔性性能。
术语“共同挤出的层”指的是，多层绝缘体各层的挤出可同时发生，更具体地使用同一挤压头(即仅有一个挤压机头)。
当电缆为所述三层绝缘体时，第一半导体层、电绝缘层和第二半导体层可以是共同挤出的层。
本发明中使用的硅橡胶(即硅树脂橡胶)为弹性体(橡胶类材料)由含有硅连同碳、氢和氧的硅酮聚合物构成。硅橡胶常常命名为聚硅氧烷，并且更具体地为聚有机硅氧烷。
更具体地，硅橡胶的主干包括硅-氧-硅单元。
硅橡胶基组合物在组合物中每100份重量的聚合物(即聚合物基质)可包括超过50.0份重量的硅橡胶，在所述组合物中每100份重量的聚合物可优选地包括至少70份重量的硅橡胶，并且在所述组合物中每100份重量的聚合物特别可优选地包括至少90份重量的硅橡胶。
按照特别有利的方式，硅橡胶基组合物包括纯粹由硅橡胶或硅橡胶混合物构成的聚合物基质。人们因此如此探讨硅橡胶基质。
本发明的一种或多种硅橡胶基组合物可以是可交联(即，可硫化)的硅橡胶基组合物。
在本发明的特定实施方式中，多层绝缘体的至少一个层、更优选地多层绝缘体的至少两个层、并且更优选地多层绝缘体的各层(即第一半导体层和电绝缘层，或者第一半导体层、电绝缘层和第二半导体层)是交联层(即，硫化层)。
在这方面，本发明的硅橡胶基组合物可通过本领域熟知的工艺进行交联，以例如使用过氧化物、硫系统、金属氧化物等等来交联硅橡胶。
根据过氧化物交联，硅橡胶基组合物还可以包括有机过氧化物，并且更具体地在组合物中每100份重量的聚合物不超过2.00份重量的有机过氧化物。
本领域技术人员熟知的其它添加剂和/或填料也可添加至本发明的硅橡胶基组合物，诸如击穿阻燃剂(breakdown retardants)；诸如润滑剂或蜡等加工助剂；增容剂；成色剂；UV稳定剂；和/或非导电填料。
在一个特定实施方式中，当多层绝缘体是三层绝缘体时，多层绝缘体如此设计使得电绝缘层直接与第一半导体层物理接触，并且第二半导体层直接与电绝缘层物理接触。
在根据本发明的优选实施方式中，多层绝缘体被金属屏蔽罩围绕。
所述金属屏蔽罩绕着并沿着多层绝缘体布置。
该金属屏蔽罩可以是：
-“丝网”屏蔽罩，由围绕第二半导体层的铜或铝导体的组件构成，
-“条带”屏蔽罩，由围绕第二半导体层螺旋铺设的一个或多个导电金属条构成，或
-“密封”屏蔽罩，诸如围绕第二半导体层的金属管。该后一类型的屏蔽罩尤其可以形成对湿气的屏蔽，湿气在径向方向上具有渗入电缆的倾向。
与共同挤出的多层绝缘体相结合，本发明的金属屏蔽罩有利地以更加显著的方式允许降低电缆中的局部放电。
例如在相关网络短路的情况下，金属屏蔽罩也可用来使电缆接地，并可因此传输故障电流。
最后，鉴于金属屏蔽罩，电缆可以到处放置，例如放置在金属地面上，从而使电缆易于安装和使用。
此外，本发明的电缆可包括外保护套，当所述外保护套存在时它围绕多层绝缘体，或者可替代地更具体地围绕所述金属屏蔽罩。常规上，该外保护套可由诸如HDPE、MDPE或LLDPE等合适的热塑性材料制成；或者可替代地，由火焰传播阻燃材料或火传播阻止材料制成。特别是，如果后者材料不含有卤素，则该套指的是HFFR类型(卤素防火阻燃)。
其它层(诸如存在湿气时膨胀的层)可添加于多层绝缘体和金属屏蔽罩(当它存在时)之间，和/或添加于金属屏蔽罩和外套(当两者存在时)之间，这些层使电缆纵向和/或横向密封于水。本发明电缆的电导体也可包括在存在湿气时膨胀的材料，以获得“密封芯部”。
更具体地，本发明的电缆可以为支持至少5kV电压电平的电力电缆。它可以是直流电压(DC)或交流电压(AC)电缆。
更优选地，所述电缆对中压电缆可以支持从5kV到45-60kV的电压电平，或者对高压电缆可以支持大于60kV的电压电平，它可高达800kV。
本发明的另一目的是一种用于制造如本发明中描述的电缆的工艺，其特征在于，所述工艺包括共同挤出根据本发明的多层绝缘体各层(即第一半导体层和电绝缘层，或者第一半导体层、电绝缘层和第二半导体层)的步骤。
更具体地，可以同时挤出多层绝缘体的各层。
更优选地，同时挤出可以利用同一挤压头来完成。
为了共同挤出旨在分别形成本发明电缆中多层绝缘体的不同各层的组合物，每种组合物使用一个挤压机将所述组合物挤出，以便流动，直到所述组合物聚集在其中的相同挤压头共同被挤出。
附图说明
本发明的其它特征和优点将按照非限制性示例的说明而显现，所述示例参考根据本发明的附图给出，其中：
-图1以透视和横截面的方式示出了根据本发明的电缆的示意图，以及
-图2示出了用于共同挤出多层绝缘体以形成根据本发明的电缆的挤压头。
具体实施方式
为清楚起见，只有对理解本发明必不可少的元件才被示意性地描绘出来，并且没有按比例绘制。
本发明的电缆可以包括细长的中心导电元件，所述细长的中心导电元件尤其由铜或铝制成，由被挤压出的半导体层围绕，所述被挤压出的半导体层由被挤压出的电绝缘层围绕，从而获得了两层绝缘体。
半导体层可以由RADO公司标号为硅酮橡胶2270H的商业化硅橡胶组合物制成，其中已经混合有碳粗纱。混合物可以利用辊或混合器来完成。然后，混合有碳粗纱的所述硅橡胶组合物使用挤压机绕细长的中心导电元件被挤出。
在第一示例(示例1)中，所述碳粗纱具有200μm的长度，并被Suter-Kunststoffe公司商业化，其标号为“760.0001SCS碳-Kurzschnitt”。所述硅橡胶组合物包括大约10%重量的所述碳粗纱。
在第二示例(示例2)中，所述碳粗纱具有6mm的长度，并由Suter-Kunststoffe公司商业化，其标号为“211.6100SCS碳-Kurzschnitt”。所述硅橡胶组合物包括大约4%重量的所述碳粗纱。
在第三示例(示例3)中，所述碳粗纱包含50%重量的示例1中的碳粗纱和50%重量的示例2中的碳粗纱。所述硅橡胶组合物整体上包括大约20%重量的碳粗纱(即示例1中的碳粗纱和示例2中的碳粗纱)。
电绝缘层可以由RADO公司标号为硅酮橡胶2270H的商业化硅橡胶组合物制成。所述硅橡胶组合物使用挤压机绕半导体层被挤出。
这两种组合物(根据示例1、2或3，比较用于得到半导体层的硅橡胶组合物和用于得到电绝缘层的硅橡胶组合物)可以使用挤压头共同被挤出。在所述挤压机头中，所述两种组合物经过同一挤压头末端。
在所述挤压头末端中，所述两种组合物绕细长的中心导电元件同时施加，以绕所述细长的中心导电元件分别形成共同挤出的层。
故而，在半导体层和电绝缘层的界面之间基本没有气泡，使得所述两层绝缘体有利地允许降低电缆中的局部放电，同时保证良好的柔性性能。
为了更好地理解共同挤出工艺，此后图2将详细示出用于三层绝缘体的共同挤出工艺。
图1图示了本发明电缆的具体实施方式。
图1描绘了电力电缆1，其包括尤其由铜或铝制成的细长的中心导电元件2。依次且同轴地绕该导电元件2，电力电缆1还包括：已知为“内半导体层”的第一被挤压出的半导体层3、被挤压出的电绝缘层4、已知为“外半导体层”的第二被挤压出的半导体层5、金属屏蔽罩6以及外保护套7。
第一半导体层和第二半导体层可以从如上所述(见示例1、2或3)的硅橡胶半导体组合物之一获得。
电绝缘层可以由RADO公司标号为硅酮橡胶2270H的商业化组合物制成。
三个层3、4和5可以是根据本发明的共同挤出的层。
优选存在金属屏蔽罩6。
优选存在保护性外套7，但不是必不可少的。
图1中各层3、4和5的共同挤出工艺在图2中图示。
图2示出了共同挤出工艺：
-第一硅橡胶半导体组合物30，为混合有如前所述的碳粗纱的硅橡胶组合物；
-硅橡胶电绝缘体组合物40，为如前所述的组合物(如此比较硅酮橡胶2270H组合物)；以及
-第二硅橡胶半导体组合物50，与第一硅橡胶半导体组合物相同。
所述三种组合物30、40和50分别从三个不同的挤压机(未描绘)流向挤压头10内。
三个不同的挤压机可以是本领域熟知的挤压机。
挤压机头10由ITAL公司标号为TECA/35商业化，用于三层挤出。
在所述挤压机头10中，所述三种组合物30、40和50经过同一挤压头末端20。
在所述挤压头末端20中，绕细长的中心导电元件2同时施加组合物30、40和50，以绕所述细长的中心导电元件分别形成共同挤出的各层3、4和5。
故而，在层3和4的界面之间并且在层4和5的界面之间基本没有气泡，使得所述三层绝缘体有利地允许降低电缆中的局部放电，同时保证良好的柔性性能。

Claims (14)

1.电缆(1)，包括：
-至少一个细长的电导体(2)，以及
-围绕所述电导体的多层绝缘体，所述多层绝缘体包括第一半导体层和电绝缘层(4)，所述两个层由硅橡胶基组合物制成，
其特征在于，第一半导体层从包括作为导电填料的碳粗纱的硅橡胶基组合物中获得。
2.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，第一半导体层围绕细长的电导体，并且所述电绝缘层围绕第一半导体层。
3.根据权利要求1或2所述的电缆，其特征在于，多层绝缘体还包括由硅橡胶基组合物制成的第二半导体层，以形成三层绝缘体。
4.根据权利要求3所述的电缆，其特征在于，第一半导体层(3)被电绝缘层(4)围绕，并且电绝缘层(4)被第二半导体层(5)围绕。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电缆，其特征在于，碳粗纱包括具有第一长度的第一类型碳粗纱和/或具有第二长度的第二类型碳粗纱。
6.根据权利要求5所述的电缆，其特征在于，第二长度是第一长度的至少十倍。
7.根据权利要求5或6所述的电缆，其特征在于，第一长度从50到300μm，并且更优选地大约为220μm。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的电缆，其特征在于，第二长度从1到10mm，并且更优选地从3到6mm。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的电缆，其特征在于，组合物包括至少2%重量的第一类型碳粗纱和/或至少10%重量的第二类型碳粗纱。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电缆，其特征在于，第一半导体层和电绝缘层是共同挤出的层。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的电缆，其特征在于，第一半导体层(3)、电绝缘层(4)和第二半导体层(5)是共同挤出的层。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电缆，其特征在于，所述多层绝缘体的各层中的至少一个层是交联层，并且更优选地所述多层绝缘体的各层均是交联层。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电缆，其特征在于，多层绝缘体被金属屏蔽罩(6)围绕。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电缆，其特征在于，电缆是支持至少5kV电压电平的电力电缆。
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