CN104395969A - 电力电缆或电力脐带中的热耗散 - Google Patents
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Abstract
一种电力电缆或电力脐带，包括：用于传输大量电力/电能的多根电缆；以刚性细长聚合物元件形式存在的填充材料；所述多根电缆以及刚性细长聚合物元件通过铺设操作被集合到绞合束中；环绕所述电缆以及所述填充材料的保护鞘；其中，所述填充材料由聚合材料制成，该聚合材料被加入成分，所加入的成分使所述填充材料转变为具有大幅提高的热传导和热耗散。
Description
技术领域
本发明涉及一种特别设计的电力电缆或电力脐带，以便在这样的电力电缆或电力脐带中获得大量的热耗散，电力电缆和电力脐带在下文中统称为“电力脐带”。
背景技术
对于由于周围隔热、滞热空气、软泥或沙子中的沟埋电缆，来自流送管或其他处理活动而产生热量的电缆、升管、束、管道/电缆束、所有具有嵌入式电力电缆的纵向产品，热耗散或冷却是必需的。众所周知，水可以被用作冷却剂，但是如果由于特殊应用或情况而需要或者必要时，可以使用如防冻冷媒之类的其它流体。水可为特别处理或清洁过的工艺用水。然而，该应用额外提供装置以用于获得增大的热耗散并且因此提供单独使用或者与该流体冷却一同使用的改善冷却。该冷却流体可由进给设备注入或流通，或可以由于例如温差和/或重力而自然流动。因为冷却液体可与本发明结合使用，所以包含对此的描述和参考。
冷却效果也可借助于基于作为热传递设备的密封金属管道或管子的热管来实现。
下文中描述了必须冷却的示例。需要对经受高于电缆内材料所能承受的温度的电缆进行冷却。通过在所限定的通道内的结构中注入冷却流体，温度下降。在通常情况下，温度会下降大约25℃。在温度接近90℃时，冷却电缆是极其重要的。所使用的电缆绝缘材料通常是PEX，即交联PE(Poly Ethylene，聚乙烯)。该材料的设计极限温度是90℃。如果电缆过热，从设计极限降低5度、10度或15度的温度会至少使电缆使用寿命加倍。
当提到电力脐带，有时仅被称为电力电缆，如DEH电缆(Direct ElectricHeating，直接电加热)和升管设计，在绝大多数情况下由动态电力电缆从上层电源处向DEH电缆供电，并且在海下将DEH电缆连接到电力电缆。经验说明，有关电缆温度条件的最坏情况发生在升管位于海平面以上的区域。升管可位于钢管内，这会增加电缆内的热量。“传统设计”要求大的导体横截面(1600mm2)以便将电缆温度保持在电缆绝缘XLPE的90℃的极限以下。为了提供三个具有传统设计的管道截面，需要六个电缆导体。另一替代性技术方案是向这些截面提供一个四芯以及一个两芯的升管电缆。最高温度出现在具有四芯的升管中。对于给定的电流1430A进行了计算，这对于加热U值为2.5Wm2K的管道是必需的。图1中示出了该配置的温度图。如图所示，超过了90℃的温度极限。
如之前在作为参考包含在本申请中的PCT/NO2013/050033中所提到的，为了冷却升管内部，一个可能的技术方案是通过使用水或者另一类型的冷却剂来降低温度。图2示出了使用水冷却的技术方案，该方案在接近脐带中心的两个直径为16mm的管道中提供20℃的水。通过这种水冷却设置，最高温度降到70℃，这远低于90℃的电缆极限。
发明内容
更详细地，本发明涉及一种电力电缆，或电力脐带，包括：多根电缆，其用于传输大量的电力/电能；填充材料，其以刚性细长聚合物元件形式存在并至少局部围绕所述多根电缆并且位于所述多根电缆之间，所述多根电缆以及刚性细长聚合物元件通过铺设操作被集合到绞合束中；保护鞘，其环绕电缆以及所述填充材料；以及可选地，至少一个在电力电缆/电力脐带的横截面的预定位置上的承载元件。
所述多根电缆、刚性细长聚合物元件以及至少一个承载元件以连续螺旋状方式进行铺设或通过在所述电力电缆/电力脐带的全部或部分的纵向延伸中进行连续地方向交变而被交替地铺设以形成束。
根据本发明，提供了引言所述类型的配置，这种配置区别在于每个刚性细长聚合物元件由所述聚合材料制成，该聚合材料被加入至少一种成分，所加入的所述至少一种成分使所述填充材料转变为具有大幅提高的热传导和热耗散。
在本发明的一些实施例中，所述聚合材料会被限制为塑料材料。
基础聚合填充材料可为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)以及丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)中的一个。也可以想象为这些填充材料的组合。
在一实施例中，基础聚合填充材料例如是聚氯乙烯(PVC)并且加入的成分例如是范围在3-15wt％内的氮化硼。在此实施例中，氮化硼成分也可在1-40wt％的范围内。然而，也可以是其他填充材料的组合以及其他种类的加入成分。
在另一实施例中，加入的成分是范围在1-40wt％内的氮化铝。
在再一实施例中，加入的成分是范围在1-3wt％内的碳纳米管道，该管道可单独或与任意其他成分一起使用。
在又一实施例中，加入的成分是范围在0.3-3wt％内的石墨烯，该石墨烯可单独或与任意其他成分一起使用。
此外，在另一实施例中，设置了至少一个纵向延伸通道以用于通过所述电力电缆/电力脐带对冷却剂进行迫流传输，以便对所述电缆和所述电缆的绝缘材料从大约90℃的临界温度值进行额外冷却。
在另一实施例中，所述通道进一步通道包括在所述电力电缆/电力脐带中横向和/或纵向延伸的间隙、细缝或任意开口，所述通道、间隙以及细缝使得能够淹没所述电力电缆/电力脐带的内部构件，所述淹没使热量能够从所述电缆传递到用于疏散所述热量的冷却剂。
在另一实施例中，所述至少一个纵向延伸的通道在舰船上被终接到脐带悬挂点处，所述脐带悬挂点包括与用于在压力下传递所述冷却剂的所述一个或更多个通道连接的冷却剂管。
此外，至少一个纵向延伸的通道可被设置有排水孔，所述排水孔贯穿所述外鞘并且与所述通道连通，这反过来将冷却剂流通至海里。
优选地，冷却剂是纯水，特别是处理过的水或清洁过的工艺用水。
电力电缆/电力脐带的冷却长度可变化并且能够延伸至一定长度，例如50-200米，关于热量聚集的一个关键长度是从脐带悬挂点到所述海面的露天区域。
在一实施例中，所述电力电缆，或电力脐带可在横截面上包括至少一个流体管，该流体管由金属和/或塑料材料制成。
在一实施例中，所述填充材料以及加入的成分在电力电缆或电力脐带生产期间被不断地混合在一起。在这种实施例中，不需要预先混合该填充材料和成分。此外，在生产中，根据所讨论的脐带的要求，各个成分的重量百分比(wt％)可任意调整。
附图说明
本发明的其它且进一步的目的、特征和优点将从以下对本发明的优选实施例的说明中得到体现，以下说明结合附图并以说明为目的给出，在附图中：
图1示出了具有三个电力导体的电力电缆的典型横截面视图；
图2示出了具有三个电力导体的电力电缆的另一典型横截面视图；
图3示出了只有一个电力导体的电力电缆的变型的典型横截面视图。
具体实施方式
首先参照示出了电力电缆1的图1，电力电缆1又被本领域技术人员称为电力脐带。电力电缆1具有三个横截面很大的电力导体芯2，电力导体芯2被设计为传输大量电力。电力导体芯2通常由铜制成，但是也可以使用铝或其它导电材料。
横截面上的其他元件除光导体5之外可以是承载元件3以及配重元件4。最后存在一束填充元件6、7和8。填充元件通常为刚性细长聚合物元件，又被称为通道元件，该通道元件至少局部围绕电力导体2、承载元件3、权重元件4以及光导体5并在其之间。在所示版本中存在三个内通道元件6、三个中间通道元件7以及六个外通道元件8。六个外通道元件8中每三个是一种类型，每种类型具有不同的横截面但被设计为沿纵向边缘彼此适合。
由该聚合材料制成的这些刚性细长填充元件中的每个元件被加入至少一种成分，所加入的至少一种成分使该填充材料转变为具有大幅提高的热传导和热耗散。该基础聚合填充材料通常可以是聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)以及丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)之一。加入的成分可以是范围在1-40wt％内的氮化硼。另一加入的成分可以是范围在1-40wt％内的氮化铝。另一加入的成分可以是范围在1-3wt％内的碳纳米管道。
仅作为示例，电力电缆1可为具有三个大尺寸导体2的DEH电缆，每个大尺寸导体2的横截面面积是1600mm2，外径是72.5mm以及容量是6/10kV。
通道元件6、7、8可在其轮廓中设置有冷却流体通道。
全部这些元件通过铺设操作按照本身已知的方式被集合到绞合束中。保护鞘10环绕上述所列元件的整个束。
在此参照示出了一个更简单的电力电缆1’的图2。电力电缆1’仍具有三个横截面很大的电力导体芯2’，该电导体芯2’被设计为传输大量电力。所述三个电导体芯2’依旧通常由铜制成，但是也可以使用铝或其它导电材料。
横截面上的其他元件是一个或更多个光导体5’。此外，存在一束填充元件6’和8’。填充元件通常是刚性细长聚合物元件，也被称为通道元件。在所示版本中，存在三个内通道元件6’以及三个外通道元件8’。
在此参照示出了另一更简单的电力电缆1”的图3。电力电缆1”仅有一个横截面较大的电力导体芯2”，该电导体芯2”被设计为传输大量电力。单个电导体芯2”依旧通常由铜制成，但是也可以使用铝或其它导电材料。
横截面上的其他元件是一个或更多个光导体5”。此外，存在三个沿圆周延伸的填充元件和8”。填充元件通常是刚性细长聚合物元件，也被称为通道元件。
温度挑战以及电缆设计
温度是DEHC(Direct Electric Heating Cable，直接电加热电缆)设计中最重要的参数之一。电缆的温度通过上部I管、弯曲加强筋、沿流送管的沟渠等系统中不同部件的不同操作环境而变化。高电压(HV)电缆能够承受高温以及在这些区域的海水。此类条件能够限制在电缆设计中所使用的聚合材料的电气以及机械寿命。通过选择足够大的电缆导体横截面来将电缆温度很好地保持在90℃的极限以下以延长使用寿命。
DEHC由绝缘系统(半导体绝缘屏以及绝缘材料，通常为交联聚乙烯XLPE)组成。此外，为了防止水在导体中纵向流动(例如在电缆服务故障后)，将半导体密封材料填充在绞合线之间。
因为传统电缆中的防水层由金属材料制成，这会对热效应产生负面影响，所以DEHC设计需要对传统HV电缆设计进行一些修改。因此，该DEHC具有湿式设计。
Claims (13)
1.一种电力电缆或电力脐带，包括：
多根电缆，其用于传输大量的电力/电能；
填充材料，其以刚性细长聚合物元件形式存在并至少局部围绕所述多根电缆并且位于所述多根电缆之间，所述多根电缆和所述刚性细长聚合物元件通过铺设操作被集合到绞合束中；
保护鞘，其环绕所述电缆以及所述填充材料；以及
至少一个承载元件，其在电力电缆/电力脐带的横截面的预定位置上，
所述多根电缆、所述刚性细长聚合物元件以及所述至少一个承载元件以连续螺旋状方式进行铺设或通过在所述电力电缆/电力脐带的全部或部分的纵向延伸中进行连续地方向交变而被交替地铺设以形成束，并且
其特征在于，每个刚性细长填充元件由所述聚合材料制成，所述聚合材料被加入至少一种成分，所加入的所述至少一种成分使所述填充材料转变为具有大幅提高的热传导和热耗散。
2.根据权利要求1所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述基础聚合填充材料是聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)以及丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)之一。
3.根据权利要求1或2所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述加入的成分是范围在1-40wt％内的氮化硼。
4.根据权利要求1或2所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述加入的成分是范围在1-40wt％内的氮化铝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述加入的成分是范围在1-3wt％内的碳纳米管道。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，在所述电力电缆或电力脐带的生产期间，将所述填充材料以及所述加入的成分连续混合并且添加到所述电力电缆或电力脐带中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，设置至少一个纵向延伸通道以用于通过所述电力电缆/电力脐带对冷却剂进行迫流传输，以便对所述电缆和所述电缆的绝缘材料从大约90℃的临界温度值进行额外冷却。
8.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述通道进一步包括在所述电力电缆/电力脐带中横向和/或纵向延伸的间隙、细缝或任意开口，所述通道、间隙以及细缝使得能够淹没所述电力电缆/电力脐带的内部构件，所述淹没使热量能够从所述电缆传递到用于疏散所述热量的冷却剂。
9.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述至少一个纵向延伸通道在舰船上被终接到脐带悬挂点处，所述脐带悬挂点包括与用于在压力下传递所述冷却剂的所述通道连接的冷却剂管。
10.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述至少一个纵向延伸通道被设置有排水孔，所述排水孔贯穿所述外鞘并且与所述通道连通，所述通道将所述冷却剂流通至海里。
11.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述冷却剂是水。
12.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述电力电缆/电力脐带的冷却长度延伸至50-200米，其中一个关键长度是从所述脐带悬挂点到海面的露天部分。
13.根据权利要求7所述的电力电缆或电力脐带，其特征在于，所述电力电缆/电力脐带在所述横截面上包括至少一个流体管，所述流体管由金属和/或塑料材料制成。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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