CN106030723A - 高压电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高压电缆。尤其是，本发明涉及用于地下电力线中的电力传输或分配的高压交流(HVAC)电缆，具有通过减小绝缘层密度所得到的减小的电容量。

Description

高压电缆
技术领域
本发明涉及高压电缆。
尤其是，本发明涉及用于地下输电线中的电力传输和分配的高压交流电缆。
背景技术
架空输电线是传统用于电力传输和分配以沿长距离传输高压交流(HVAC)电能的结构。架空输电线中的电缆基本上由悬挂在杆塔的一个或多个金属导体(通常三个或四个)组成。在架空输电线中，导体的绝缘由空气提供。
在本说明书中，术语“高压”是指大于30kV的电压。
HVAC电能还可以通过地下输电线传输。
出于以下几个原因，地下输电线可以作为架空输电线的有吸引力的替代品，例如，景观美学、减轻电磁场对周围区域的辐射、减小被风暴、强风、冰、风雪、落树等造成损坏的风险。
不像架空输电线，在地下输电线中，空气不提供绝缘，以及，因此，金属导体必须另外被绝缘。
通常，用于地下输电线的HVAC电缆具有包围的金属电导体(通常为铝或铜)-从径向最内层到径向最外层-具有内半导体层、绝缘层和外半导体层。这些层通常由聚合物材料制成。由于存在绝缘层，用于地下输电线的电缆被称为“绝缘电缆”。
由于存在所述绝缘层，HVAC绝缘电缆具有比用于架空线路的由周围空气提供绝缘的电缆更高的电容量。
正如Gagari D.，电子与计算机工程国际期刊(IJECE)2012年8月第2卷第4期第447-451页，在电力传输线路中的更高电容量促进，所谓的“费伦提效应”(Ferranti effect)，即，在交流电力传输线中，接收端电压大于发送端电压。这一效应更被断言为输电线越长则施加电压越高，并且为所不希望的暂时过负荷所取代。
例如，如报道所说，在2009年东京电力公司的“关于使用EHV电缆作为替代架空电线的技术报道”中，即使通过在电缆的每个末端都补偿电容量，电缆中心某处的电压可以变得不能接受的高，将会永久老化除其他方面(otherthings)外还有电缆的绝缘。补偿电缆的电容量采用将电缆芯材连接到地的大线圈或电抗器(reactor)的形式。例如，大约160km长的400kV的HVAC地下输电线，需要24个电抗器以全部补偿电缆的电容量。
申请人面临为电力传输和分配提供低电容量HVAC绝缘电缆的问题。
已知的是，低容量绝缘电缆可以通过增加绝缘厚度而获得。但是，该解决方案具有几个缺点，例如缺少灵活度、增加电缆重量、减小可以被运输的电缆长度，由此需要更多的接点，而整体上增加了制造和配置的成本。
还已知的是，可以通过降低用于形成绝缘层的聚合物材料的介质常数(或电气介电常数εr)获得低容量绝缘电缆。
聚合物材料的介电常数(εr)已知与其极性和密度直接成正比。
关于极性，特殊的聚合物例如氟化的聚合物具有极性，以及由此，介电常数低于通常被用作HVAC绝缘层基础材料的聚烯烃聚合物。然而，这种特殊的聚合物比聚烯烃聚合物昂贵的多，从经济角度看其使用不具有优势。
关于密度，可通过使聚合材料膨胀使其减小。然而，膨胀不可避免地会在绝缘层产生空隙和微空隙，这正是部分放电现象的起因。
由此，例如，“The Propagation of Partial Discharge Pulses in a HighVoltage Cable”，ZZ.Liu等，1999，AUPEC/EECON会议，9月26-29；达尔文，澳大利亚，北领地，澳大利亚，第287-292页，在高压电缆中的局部放电(PD)活动由各种缺陷导致，例如空隙。在制造、安装或操作过程中，在固体绝缘中形成充满气体的空腔或空隙。当空隙中的电应力超过空隙内气体的击穿强度时，会发生局部放电。局部放电(PDs)将逐渐退化和侵蚀介电材料，最终导致击穿。
由于电荷的连续反转，局部放电现象假定认为与交流电输配中特别相关。
因此，在本领域中，对于通过形成空隙或甚至微空隙降低绝缘层的密度存在偏见，特别是在用于高压交流输电线的电缆中。
美国6,759,595涉及高压电缆的户外终端，包括用于容纳高压电缆的绝缘体、在绝缘体内提供的填充化合物。在填充化合物中可以提供充满气体的空心“微球”以补偿体积，例如在温度变化过程中。该文献指出，在绝缘介质中的空心空腔中的气体存在局部放电的更高风险。
GB 2 209 167涉及一种低介电常数的复合材料，具有通过在纤维聚四氟乙烯(PTFE)中引入微小的空心球提高的电性能。烧结混合物的成型制品。当复合材料被用作电绝缘材料时，基于复合材料的用量，从引入效果的角度来看，期望选择空心球的量约在50重量％到95重量％的范围内。
EP1 639 608公开了固体和液体形式的高压绝缘材料，特别是提供于例如用于无线电技术和计算机断层扫描的高压发生器。该高压绝缘组件是硬的和泡沫状的，并且包括聚合物基质和填料，其中所述填料由空心球形成，其中空心球由另一种材料制成，并填充有气体。空心球可以由例如玻璃制成。空心球优选地具有例如最高达到大约100微米的直径。绝缘材料中气体的比例越大，则可以进一步减少绝缘材料的介电常数。这一比例随着空心球数量和直径的增加而增加。该绝缘材料以高功率注塑成型零件的形式生产。
将空心球或颗粒掺入绝缘组件也应考虑其制造工艺。尽管通常离散的最终产品的绝缘通过制模而形成，连续的最终产品的绝缘层如电缆通过挤出制成，其剪切和压力应力可能会对某些材料具有挑战。
发明内容
申请人已经意外发现，可以通过降低用于高压交流(HVAC)输电线的电缆的绝缘层的密度而减小绝缘层的介电常数来使其电容降低，可以通过在绝缘层的聚合物中引入含空隙填充物而降低其绝缘层的密度，而不损害绝缘层的电气性能。
特别是，申请人已经发现，在高压电缆的被挤出的绝缘层中不会观测到介电损耗增加和/或局部放电现象，该高压电缆带有含空隙的颗粒，但要使这样的颗粒的大小和数量经适当地选择。
在这些情况中，包括含空隙填充物的绝缘聚合物不会对绝缘层的其他电气性能，如绝缘电阻、热稳定性、介电强度、机械强度、电阻率和耐化学性等产生负面影响。
因此，在第一个方面，本发明涉及一种包含由挤出的绝缘层环绕的金属电导体的高压交流电缆，其中所述绝缘层包含1重量％至30重量％的含空隙填充物，该含空隙填充物由分散在绝缘聚合物材料中的平均直径最高达50微米的颗粒构成
对于本说明书和所附权利要求的目的，除了在其他情况下，表达量、数量、百分比等等的所有的数字在所有情况下都是被理解为用术语“大约”来修饰。所有范围还包括公开的最大和最小点的任何组合，并包括其中的任何中间范围，其可能或可能不在这里被具体列举。
在本说明书中，术语“电缆芯”或“电缆芯线”是指包括导电体的电缆部分、围绕所述导体的绝缘层，和，任选地至少一个半导体层，例如，沿相对于绝缘层的径向内部位置围绕所述导体的内半导体层和/或围绕所述绝缘层的外半导体层。
本说明书和权利要求中的术语“含空隙填充物”是指颗粒形式的材料，在其内部包括空间的物质，例如，空心颗粒、多孔颗料或膨胀后变为海绵状结构的颗粒。
当含空隙填充物的颗粒基本不是球形时，“平均直径”是包含基本非球形颗粒的最小球的直径。
优选地，绝缘聚合物材料选自包括单烯烃的均聚物和两种或两种以上不同烯烃的共聚物的聚烯烃的组。
更优选地，聚合物绝缘材料选自包括聚乙烯(PE)，例如高密度聚乙烯(HDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、极低密度聚乙烯(VLDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯/丙烯橡胶(EPR)；乙烯/丙烯/二烯橡胶(EPDM)；乙烯/α-烯烃共聚物及其共聚物或它们的混合物。
在优选实施方案中，该绝缘层包含5重量％至25重量％的含空隙填充物，更优选为10重量％至20重量％，最优选14重量％至18重量％。
在优选实施方案中，含空隙填充物的颗粒具有最高达到40微米的平均直径，更优选地是最高达到30微米，最优选为最高达到20微米。
在优选实施方案中，含空隙填充物的颗粒具有至少1微米的平均直径，更优选地至少10微米。
有利地，含空隙填充物的颗粒具有从15到20微米的平均直径。
申请人指出，根据本发明，重要的是更控制要分散在绝缘层中的含空隙填充物的颗粒的平均直径。特别是，申请人指出，当颗粒的平均直径大于50微米时，在绝缘层中可能发生局部放电的现象。当平均直径小于1微米时，在绝缘层的挤出工艺中粒子可能破坏；此外，对细小颗粒的使用可能产生制造厂的管理和污染问题。
含空隙填充物的颗粒可以是空心的颗粒，如空心球。适用于本发明的空心球可以充满空气，但优选是充满惰性气体，如N2和/或CO2。可替换地，含空隙填充物的颗粒可以是多孔性颗粒，如二氧化硅气凝胶颗粒；或在绝缘制造温度下可膨胀和膨胀后能发展形成海绵状结构的颗粒，例如含有发泡剂的聚合物颗粒。
在本说明书和权利要求中，“绝缘制造温度”是指挤出绝缘聚合物材料的温度。
含空隙填充物的颗粒可以由无机或有机材料制成。优选地，适用于本发明的颗粒的无机材料是玻璃或硅气凝胶。虽然没有束缚到任何理论来解释本发明，但申请人认为，由于玻璃颗粒的介电常数(通常εr＝3.7)高于绝缘层的绝缘聚合物材料的介电常数，特别是聚烯烃(εr＝2.2-2.4)，玻璃空心球表面或多孔二氧化硅气凝胶颗粒的表面的电应力减小，因此，该绝缘层的电性能不受损害。
有利的是，适用于本发明的颗粒的有机材料是介电常数低于绝缘聚合物材料的聚合物，如聚丙烯(εr＝1.5-2.2)、聚甲基丙烯酸甲酯(ε＝2.6)、聚-4-甲基-戊烯(εr≌2.12)或氟化的聚合物。含空隙填充物的有机颗粒可以是空心球、多孔或可膨胀颗粒的形式。在后者的情况下，颗粒优选地由含有合适的处理剂的聚-4-甲基戊烯制成，特别是超临界状态的(supercritical)二氧化碳。
当含空隙填充物的颗粒是空心颗粒时，其优选具有最高达0.5微米的壁厚，更优选最高达到0.40微米。在优选实施方案中，空心颗粒具有至少0.10微米的壁厚，更优选至少0.20微米。具有从0.20微米至0.50微米壁厚的颗粒适用于绝缘制造过程中承受的挤出压力而不损坏。
本发明的HVAC电缆可以是多芯电缆，例如，三芯电缆或单芯电缆。
附图说明
通过与附图一起由实例的方式而不具有限制意义来阅读下面的详细描述，本发明将得到更好的理解，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施方案的HVAC电缆的透视图；
图2示出了根据本发明的第二实施方案的HVAC电缆的横截面视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的HVAC电缆的第一实施方案。
根据这一实施方案，电缆1包括构成电缆芯的金属导体11、内半导体层12、绝缘层13和外半导体层14。电缆芯由金属屏蔽15和外护套16围绕。
金属导体11可由铜、铝或其复合材料制成。金属导体11可以是棒状的形式，或者也可以由传统技术绞合在一起的成股金属制成。
金属导体11的横截面面积由与所选电压下传送的电力有关而确定。例如，根据本发明的用于HVAC电缆的横截面面积范围是从30到3000平方毫米。
根据本发明的绝缘层13优选由聚烯烃聚合物材料制成，例如聚乙烯均聚物或共聚物或聚丙烯共聚物。如果是聚乙烯，聚合物材料被有利地交联。在聚丙烯共聚物的情况下，绝缘层优选是基于与介质流体紧密混合的聚丙烯基质，如WO 02/03398、WO 02/27731、WO 04/066318、WO 07/048422和WO 08/058572所公开的。
适用于本发明的玻璃空心球由例如明尼苏达州圣保罗的3M公司销售。
内半导体层12和外半导体层14也用适合的聚合物材料制成。根据优选的实施方案，用于内半导体层12和/或外半导体层14的聚合物材料与添加导电填充物例如炭黑的绝缘层13的聚合物材料类似，炭黑例如是导电炉黑或乙炔黑，从而赋予聚合物材料半导体性能，特别是在室温下小于500Ωm的体积电阻率值，优选小于20Ωm。通常情况下，相对于聚合物的重量，炭黑的量可以在1重量％至50重量％之间的范围，优选在25重量％至40重量％之间。
用于内半导体层12和/或外半导体层14的聚合物材料可以与绝缘层13相同或与其化学相容。
因为确保相邻层之间的良好的粘合性，并由此，具有良好的电气性能，绝缘层13和半导体层12和/或14中至少一个使用相同的聚合物材料是特别有利的。当绝缘层13和半导体层12和/或14是由相同的聚合物材料制成时，由于在所述两层之间的界面处电场以及局部放电的风险很高，因此这种优点更加明显。
如图1所示，金属屏蔽15是以螺旋缠绕外半导体层14的金属线的形式制成，例如铜线。
根据替代的实施方案，金属屏蔽是由围绕外半导体层的连续金属管或片制成，优选是铝或铜。在该实施方案中，金属屏蔽使用粘合材料被焊接或密封，以便使其不透水。
外护套16优选是由聚合物材料制成，如聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)。
根据本发明的电缆，可以通过本领域技术人员所熟知的工艺来制造。
特别是，绝缘层可以通过(a)混合具有从1重量％至30重量％的由颗粒制成的含空隙填充物的聚合物绝缘材料，所述颗粒具有最高达50微米的平均直径，(b)将所产生的聚合物组合物挤压到由内半导体层覆盖的金属导体上，以及，任选地，(c)交联所述聚合物组合物来生产。
在步骤(a)中，当聚合物材料是包含在Ko-Kneader式(Buss)或同向或反向旋转双螺杆式连续混炼机中的熔体物料形式时，或在单螺杆挤出机中时，将含空隙填充物添加到聚合物材料中。通过包括至少一台挤出机的挤出头将所得到的含空隙填充物和绝缘聚合物材料的机械混合物挤出(步骤(b))到覆盖有内半导体层的金属导体上。有利的是，所述挤出头包括用于共挤出绝缘层和半导体层的三台挤出机(三头挤出)。共挤出在共挤出层中提供了改进的粘合，从而导致更好的电缆性能。
交联步骤(c)，如果有的话，可以在进行挤出步骤后，通过使覆盖有所述聚合物组合物的层的金属导体穿过硫化管来立即进行。
可以将其他常规添加剂添加到绝缘层的聚合物组合物中，如抗氧化剂、热稳定剂、加工助剂、润滑剂、防焦剂、电压稳定剂添加剂及其混合物。
根据本发明的HVAC电缆也可以通过添加其他保护覆盖层(外壳)实现，在附图中未示出。
图2示出了根据本发明的HVAC电缆的另一个实施方案。根据该实施方案，电缆2包括三个电缆芯，每个包括金属导体21、内半导体层22、绝缘层23和外半导体层24。每个电缆芯由金属屏蔽25围绕。三个电缆芯成股并被嵌入到填充物(或层面)30中，又再由外护套26所围绕。
在图2所示的实施方案中，HVAC电缆2还包括三个接地导体29，每个包括金属导体27和绝缘层28。
金属导体21和27、内半导体层22、绝缘层23和28、外半导体层24、金属屏蔽层25和外护套26可以用已经对有关图1的电缆1公开的材料制成，用于类似电缆层。
以下将更详细地通过实例的方式解释本发明，其不用于限制本发明。
实施例1
用在下面的表1中记载的量制备下述组合物。
作为样品B，低密度聚乙烯(LDPE)根据下述表1中的量与空心玻璃微球在开炼机中在170℃的温度下配混。聚合物材料在该混炼机中熔融，随后玻璃微球在20分钟内被逐步加入，并连续混合。此后收集该材料和研磨。
表1
样品 A(*) B
LDPE(g) 700,00 700,00
XLD 6000(g) - 125,00
(*)比较
XLD6000：平均直径为18微米、壁厚为0.35微米、并填充有CO2+N2混合物的空心玻璃微球(由明尼苏达州圣保罗的3M公司制造)
根据CEIEN 60811-1-3(2001)所测量的样品的密度。结果在下述表2中公开。
表2
样品 A(*) B
密度(g/cm3) 0.914 0.762
(*)比较
分析表明，相比于参考样品A时，根据本发明的样品B的密度降低。
实施例2
由桥阻抗测试仪LCR HP4284A(惠普)根据不同频率下的相对介电常数(εr)测量实施例1的样品的介电常数。结果列在表3中。
表3
样品 A(*) B
50HZ下的εr 2.41 2.34
50kHZ下的εr 2.41 2.33
100kHZ下的εr 2.41 2.31
300kHZ下的εr 2.43 2.31
400kHZ下的εr 2.45 2.33
600kHZ下的εr 2.38 2.25
(*)比较
根据本发明的样品B的介电常数明显低于所有测试频率下比较样品A的频率介电常数。
实施例3
根据CIGRE II方法在电池中对实施例1的样品B进行测试，用于揭示可能发生的局部放电现象。
尽管存在空心玻璃微球相当于在绝缘层中存在微空隙，但是在一个小时内没有检测到局部放电最高达15kV/mm。

Claims (13)

1.一种高压交流电缆，包含由至少一个挤出的绝缘层包围的至少一个金属电导体，其中所述绝缘层包含1重量％至30重量％分散在绝缘聚合物材料中的颗粒制成的含空隙填充物，所述颗粒具有最高达50微米的平均直径。
2.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述聚合物材料选自聚烯烃的组，所述聚烯烃包括单烯烃的均聚物和两种或两种以上不同烯烃的共聚物。
3.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述绝缘层包含5重量％至25重量％的所述含空隙填充物。
4.根据权利要求3所述的高压交流电缆，其中所述绝缘层包含10重量％至20重量％的所述含空隙填充物。
5.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述颗粒平均直径最高达40微米。
6.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述颗粒平均直径至少为10微米。
7.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述颗粒平均直径为15微米至20微米。
8.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述颗粒选自包括空心颗粒、多孔颗粒和在绝缘制造温度下可膨胀和膨胀后能发展形成海绵结构的颗粒的组。
9.根据权利要求1所述的高压交流电缆，其中所述颗粒由无机或有机材料制成。
10.根据权利要求9所述的高压交流电缆，其中所述无机材料是玻璃或二氧化硅气凝胶。
11.根据权利要求9所述的高压交流电缆，其中所述有机材料是选自聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚-4-甲基戊烯或氟化聚合物的聚合物。
12.根据权利要求8所述的高压交流电缆，其中所述空心颗粒壁厚度最高达0.50微米。
13.根据权利要求12所述的高压交流电缆，其中所述空心颗粒壁厚度为0.20微米至0.50微米。
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