CN106489181A

CN106489181A - 输电电缆

Info

Publication number: CN106489181A
Application number: CN201480079801.XA
Authority: CN
Inventors: C-H.霍; C.格豪
Original assignee: ABB HV Cables Switzerland GmbH
Current assignee: ABB HV Cables Switzerland GmbH
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2017-03-08
Also published as: EP3161835A1; KR20170003974A; WO2016000735A1; US20180158573A1; JP2017525084A; KR101754052B1

Abstract

本发明涉及一种高压或中压输电电缆(1;1’)，所述输电电缆(1;1’)包括金属导体(2;2’)和绝缘系统(10)，所述绝缘系统(10)包括包含第一复合材料的电绝缘层(6;6’)和包含第二复合材料的半导电层(4;4’;8;8’)。绝缘层(6;6’)和半导电层(4;4’;8;8’)布置成包围导体(2;2’)。绝缘层(6;6’)中的第一复合材料包含聚合物基质和第一无机导电填料颗粒，其中第一无机导电填料颗粒的量为基于第一复合材料总重量0.1至10%重量，其中第一无机导电填料颗粒不同于炭黑。本发明还涉及制造电缆的方法。

Description

输电电缆

技术领域

本发明涉及高压或中压输电电缆领域，所述输电电缆包括导体和绝缘系统，所述绝缘系统包括电绝缘层和半导电层。本发明还涉及制造这种电缆的方法。

发明背景

高压或中压输电电缆用于将电力从一个地点传输到另一个地点，经常埋在地下或置于海底。电缆可以为高压或中压直流(HVDC, MVDC)电缆或高压或中压交流(HVAC, MVAC)电缆。此类电缆包括由绝缘层包围的金属导体。除非电缆适当绝缘，否则显著漏电流会以电缆径向从导体流到周围地面或水。这种漏电流造成显著电力损失和电绝缘发热。由于随着提高温度电阻减小，绝缘热可进一步增加漏电流。因此，为了避免电力损失和可能的热失控，应保持漏电流尽可能小。

为了减小漏电流，广泛使用布置低DC电导率绝缘材料包围输电电缆导体的电绝缘系统。在输电电缆的绝缘系统中用不同聚合材料作为绝缘层，如聚乙烯、聚丙烯或热塑性弹性体、聚氨酯和交联聚乙烯(XLPE)或乙烯-丙烯-二烯M级橡胶(EPDM)。尤其在中压和高压输电电缆中，广泛使用XLPE和使用LDPE作为基础树脂。

然而，各聚合物基质具有其内在的电和热机械性质限制，限制总体产品性能。一直需要改善聚合物绝缘。例如，期望提高额定电压或额定电流及可靠性。也期望改善空间电荷性质或改善输电电缆的电性能。

在现有技术中已有很多尝试改善绝缘系统。例如，为了改善绝缘性质，已将具有绝缘性质的无机填料引入绝缘系统。WO2012/150285为显示用水滑石作为绝缘填料的现有技术文献。各JP4368718A、JP7021850A、JP 10269852A、JP11086634A、JP 11232942A、JP2006291022A、JP2010280838A、WO2011/122742、WO2011/092533和US 2012000694分别显示用氧化镁作为绝缘填料。另外，EP1033724, KR20100096392显示用粘土作为绝缘填料。

现已公开一些成果和专利，其中炭黑作为导电填料用于绝缘应用的聚合复合材料。JP2013026048公开用炭黑作为填料。一篇名为“Effect of conductive inorganicfiller on space charge characteristics in XLPE as a HVDC insulating material(在作为HVDC绝缘材料的XLPE中导电无机填料对空间电荷性质的影响), 8^thInternational Conference on Insulated Power Cables, Jicable*11-19-23 2011年6月”的公开论文讨论对电荷性质的影响，然而未说明填料类型，该论文来自限定使用炭黑的申请(JP2013026048)的发明人。US20100122833和WO2011093211公开用炭黑作为填料。另外，论文“D. van der Born, I. A. Tsekmes, T. J. Person, S. J. Sutton, P. H. F.Morshuis, J. J. Smit, Evaluation of space charge accumulation processes insmall size polymeric cable models(小型聚合电缆模型中空间电荷积累过程的评估),Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP), 2012, pp.669-672.”也显示使用炭黑。然而，炭黑有很多缺点，例如，相对较低热阻、相对较低机械磨损和化学耐性(例如，氧化)。

尽管有几种尝试改进绝缘材料，但仍需要改善输电电缆的电性质和改善输电电缆的可靠性。

发明概述

因此，本发明的一个目的是提供带有具有改善的绝缘性质的电绝缘层并且适合高压或中压电缆应用的输电电缆。

本发明的另一个目的是提供不需要改变聚合物基质的绝缘层。

本发明的另一个目的是提供简单且成本有效的改进和改性的绝缘材料。

本发明的另一个目的是提供可靠电力传输。

本发明另一个目的是提供一种具有改善空间电荷性质的输电电缆，尤其是HVDC或MVDC电缆，即，具有低电荷积累，和/或在积累的情况下存在纯号电荷，和如果发生积累，有快速电荷衰减。

上述目的通过一种高压或中压输电电缆达到，所述输电电缆包括金属导体和绝缘系统，所述绝缘系统包括包含第一复合材料的电绝缘层和包含第二复合材料的半导电层。电绝缘层优选由第一复合材料组成，半导电层优选由第二复合材料组成。绝缘层和半导电层布置成包围导体。绝缘层和半导电层优选径向和同心布置包围导体。优选电缆包括至少两个半导电层。绝缘层中的第一复合材料包含聚合物基质和第一无机导电填料颗粒，其中第一无机导电填料颗粒的量为0.1至10%重量，其中第一无机导电填料颗粒不同于炭黑。

第一无机导电填料颗粒可包括金属氧化物矿物、氧化铝、二氧化硅、硅酸盐或铝硅酸盐中至少一种的颗粒。颗粒用导电层涂覆。通过用导电层涂覆颗粒，可为颗粒提供所需导电和其它性质。导电层可包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、SiC、B₄C、WC、W₂C、TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr₃C₂、Mo₂C、Sn_xSb_yO_z中的至少一种或铝或贵金属的金属层。导电层适合基于Sn_xSb_yO_z，例如SnSbO_2.。

根据本发明的一个变型，第一无机导电填料颗粒不含碳或基本不含碳。已发现这种颗粒特别适合用导电层涂覆，该导电层可包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、Sn_xSb_yO_z(例如，SnSbO₂)中的至少一种或铝或贵金属的金属层。

颗粒也可以为纯金属，例如铝，例如粉末形式。此类颗粒或粉末相对容易制备，并且可给予绝缘层所需的电性质。

第一无机导电填料颗粒可具有小片状形状。此类填料颗粒进一步提高绝缘材料的介电强度。

第一导电填料颗粒的最大尺寸，在本文中称为颗粒尺寸，可以为0.1至100µm，按SEM(扫描电子显微镜)图像中可见的颗粒的最大尺寸测量。特定尺寸有助于阻止绝缘材料中的导电路径。尤其是，特定尺寸以及颗粒的特定小片状形状还尤其有助于阻止在绝缘材料中形成导电路径。

第一复合材料中第一导电填料颗粒的量基于第一复合材料总重量在0.25%重量至5%重量的范围内，更优选在0.5%重量至4%重量的范围内，最优选0.5%重量至2.0%重量的范围内。已发现，相对低浓度进一步改善空间电荷性质，而不建立导电路径，同时很好保持或甚至提高机械性能。

第一和/或第二复合材料中的聚合物基质可以为聚烯烃基质(例如，聚乙烯基质、聚丙烯基质)、共聚物基质(例如，乙烯-丙烯或乙烯-丁二烯等)或不同聚合物的混合物。聚合物基质可为或可不为交联聚合物基质。通过交联聚烯烃基质，使其在较高温度更抗软化和形状损失，例如，高于90℃，尤其在聚合物基质为低密度聚乙烯(LDPE)的情况下。可用交联剂可以为任何已知交联剂，例如，过氧化物或偶氮化合物。

第一复合材料可进一步包含至少一种选自稳定剂(例如，抗氧化剂)、成核剂、无机填料、交联剂、交联促进剂(例如，2,4,6-氰脲酸三烯丙酯)、防焦剂和阻燃剂的添加剂。稳定剂，特别是抗氧化剂，防止氧化的不利影响。可用添加剂改善电缆中第一和/或第二复合材料的某些性质。可在第二复合材料中使用相同添加剂。

第二复合材料可包含第一复合材料和第二无机导电填料颗粒，使得第一和第二无机导电填料颗粒的总量为基于第二复合材料总重量17至35%重量。第二无机导电填料颗粒可包括第一导电填料颗粒、炭黑或其组合。通过增加第二复合材料中导电颗粒的总量，使得含量高于逾渗阈值，即，在材料中形成导电路径，得到半导电材料。由于第一复合材料包含导电填料颗粒，填料颗粒的总含量可在电缆绝缘系统中减小。

电缆优选为具有50kV或更高额定电压的输电电缆，因此适合用作高压输电电缆。优选电缆为高压直流(HVDC)电缆。

本发明的另一个方面涉及制造以上限定输电电缆的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供第一复合材料；

ii)提供第二复合材料；

iii)提供金属导体；

iv) 挤出第二复合材料作为绝缘系统中的第一半导电层；

v) 挤出第一复合材料作为绝缘系统中的第一绝缘层；并且任选

vi) 挤出第二复合材料作为绝缘系统中的第二半导电层。

本发明的其它特征和优点将更详细地在以下本发明的详述中说明。

附图简述

以下进一步关于附图说明本发明，其中：

图1示意显示从船只到地面或到海底铺设的高压或中压输电电缆；

图2为本发明的高压直流输电电缆的侧视图；

图3为本发明的高压直流输电电缆的横截面图；

图4为本发明的高压交流输电电缆的横截面图；

图5为本发明的制造输电电缆的方法的步骤的流程图；

图6a为本发明的经涂覆云母颗粒的SEM图像；

图6b为具有所示测量线的本发明的经涂覆云母颗粒的SEM图像；

图7a和7b显示LDPE的空间电荷测定的示意图。图7a显示充电图表，图7b显示电荷衰减图表。

图8a和8b显示包含1%重量无机导电填料颗粒(Minatec)的LDPE的空间电荷测定的示意图。图8a显示充电图表，图8b显示电荷衰减图表。

发明详述

输电电缆用于将电力从一个地点传输到另一个地点，经常埋在地下或置于海底。关于这一点，输电电缆指适用于在发电厂和变电站之间大量传输电能的电缆。图1示意显示从海面200上漂浮的船只100到海底300铺设的高压或中压输电电缆1。船只包括有数个电缆存储装置30、40和50和输送装置20。电缆可埋在海底，或者可随意置于海床。在陆地电缆的情况下，电缆可埋在地下。

本发明的输电电缆可以为高压直流(HVDC)电缆、高压交流(HVAC)电缆、超高压(EHV)电缆和中压电缆。

输电电缆包含导体，导体通常主要由金属组成，例如铜或铝。导体由电绝缘系统包围，该系统包括半导电层(优选两个半导电层)和绝缘层，其中绝缘层位于半导电之间。通常导体具有大致圆形横截面，尽管可设想替代形状。具有绝缘和半导电层的包围电绝缘系统可具有外周形状对应于导体外周形状的横截面，通常为大致圆形外周，并且绝缘系统可径向和同心包围导体。

绝缘系统可直接附着到导体并与其直接接触。然而，本发明的电缆不限于这种设计，可在导体和电绝缘系统之间提供其它中间组分。还应了解，导体和绝缘系统可由其它材料或材料层包围。其它材料和层可具有不同作用，例如，使不同电缆部分保持在一起，给予电缆机械强度，并保护电缆免受物理和化学侵蚀(例如，腐蚀)。此类材料和层为本领域的技术人员所熟悉。例如，这些其它材料可包括铠装，例如钢丝。

图2为本发明的高压直流(HVDC)输电电缆1的侧视图，图3显示其横截面。电缆1包含导体2、径向最内且最接近导体2的第一半导电层4、径向包围第一半导电层2的第一绝缘层6和距离导体径向最外的第二半导电层8。第一半导电层4、第一绝缘层6和第二半导电层8一起形成输电电缆1的绝缘系统10(只显示于图2)。在绝缘系统中可有多于一个绝缘层，并且可有多于一个半导电层，例如1-4个绝缘层和1-4个半导电层。图2和3中的输电电缆1由外护套12包围。

然而，应了解，输电电缆结构不限于这种设计，可在导体和绝缘层和/或半导电层之间提供中间组分。这些其它部分可具有不同作用，例如，使不同电缆部分保持在一起，给予电缆机械强度，并保护电缆免受物理和化学侵蚀(例如，腐蚀)，这些为本领域的技术人员所熟悉。

如上提到，本发明的输电电缆也可以例如为AC输电电缆类型。这种电缆包括三个导体，各导体由包含绝缘层和半导电层的单独介电绝缘系统包围。HVAC输电电缆也可包含布置围绕和包围上述电缆其余部分的其它材料和层。这些其它材料和层可具有不同作用，例如，使不同电缆部分保持在一起，如上所述，给予电缆机械强度，并保护免受物理和化学侵蚀(例如，腐蚀)，这些为本领域的技术人员所熟悉。

图4显示包含三个导体2’的高压交流输电电缆1’的横截面。为了在图中清楚，附图标记只关于一个包括绝缘系统的导体显示，但在此实例中，其它导体也包括相同绝缘系统。各导体2’由相应的第一半导电层4’和第一绝缘层6’及第二半导电层8’径向包围。图3中的输电电缆1’由外护套12’包围。

由于输电需求增加，需要更有效和安全的输电。因此，需要改善输电电缆的电性质和改进输电电缆的可靠性。如上提到，这一目的通过本发明的高压或中压输电电缆达到，所述输电电缆包括金属导体和绝缘系统，所述绝缘系统包括包含第一复合材料的电绝缘层和包含第二复合材料的半导电层。根据本发明，绝缘层中的第一复合材料包含聚合物基质和第一无机导电填料颗粒，其中第一无机导电填料颗粒的量相对低，为基于第一复合材料总重量0.1至10%重量。第一无机导电填料颗粒不同于炭黑。炭黑是作为炭黑或炭黑基材料（例如，改性炭黑）的材料。炭黑为通过天然气或石油不完全燃烧产生的黑色的细分散无定形碳形式。

本发明输电电缆中的第一复合材料显示与纯聚合物比较，由于特定填料改善的电性能。由于相对低热阻、相对低机械磨损和低化学耐性(例如，防炭黑氧化)，炭黑在本发明的第一复合材料中不合乎需要。

复合材料是指包含两种单独材料组分的材料，例如，聚合物基质和填料(例如，填料颗粒)。

绝缘层是指阻电材料层。绝缘材料的电导率可以为例如在20℃约1*10^-8至约1*10^-20 S/m，一般1*10^-9至1*10^-16。例如，Al₂O₃的电导率为10^-10至10^-12 S/m。

半导电层是指具有低于导体的电导率但不是绝缘体的材料层。半导电材料的电导率可通常在20℃大于10^-5 S/m，例如达到约10或10² S/m。一般电导率在20℃小于10³ S/m。

电导率是指输电的性质。导电材料的电导率从半导电材料的上限开始，即，在20℃约10³。例如，炭黑的电导率为约1000S/m。基本没有上限，但在实际溶液中，上限为在20℃为约10⁸ S/m。

聚合物基质是指能够承载和/或包围另一种材料(例如，填料颗粒)的聚合物质。

第一无机导电填料颗粒

第一无机导电填料颗粒可包括金属氧化物矿物、氧化铝、二氧化硅、硅酸盐或铝硅酸盐中至少一种的颗粒。第一无机导电填料颗粒用导电层涂覆，以给予颗粒导电性。这些颗粒的无机性质使它们与有机添加剂和炭黑相比更抗热机械或化学应力。金属氧化物矿物可以为例如MgO。颗粒优选基于氧化铝或硅酸盐，例如云母。云母具有形成能够分层成薄片的层的结晶结构。这些片为化学惰性，介电，绝缘，重量轻，且为片状。云母在暴露于电、光、水分和极端温度时稳定，因此，适合在本发明中用作填料颗粒。

第一导电填料颗粒的导电层包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、SiC、B₄C、WC、W₂C、TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr₃C₂、Mo₂C、Sn_xSb_yO_z(例如，SnSbO₂)中的至少一种或铝或贵金属的金属层。优选第一无机导电填料颗粒包括用上述导电层涂覆的无机绝缘颗粒(例如氧化铝或二氧化硅)或由其组成。

根据一个实施方案，无机导电填料颗粒不含碳或基本不含碳。基本不含碳是指不含化学结合碳但可包含很少量或残余碳的材料。该量很小，优选小于10000ppm。导电层或基本不含碳的颗粒可包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、Sn_xSb_yO_z(例如，SnSbO₂)中的至少一种或铝或贵金属的金属层。

优选无机导电填料颗粒基于氧化铝或硅酸盐，例如云母，优选用Sn_xSb_yO_z涂覆，优选SnSbO₂。

第一复合材料中第一导电填料颗粒的浓度选择为相对低，为基于第一复合材料总重量0.1%重量至10%重量，优选0.25%重量至5%重量，更优选0.5%重量至4%重量，最优选0.5%重量至2.0%重量，以免达到逾渗阈值和建立导电路径。如果达到逾渗阈值，就会在材料中形成导电路径，并且不会电绝缘。因此，对于交流(AC)或直流(DC)，通过加入第一导电填料造成的复合材料电导率提高应优选小于涉及纯聚合物电导率值的两个十进位。

在绝缘层中使用这种导电填料，即，在没有逾渗出现时，有利于减少空间电荷积累，因为它们捕集电荷，也有利于加速空间电荷衰减（在已出现时）。此特征提供大的绝缘改善，尤其在DC电缆中有利。另一个优点是，与超净绝缘相比，第一复合材料容忍导电杂质，因为导电填料被引入并充分分散于基质。

导电填料颗粒的尺寸可为0.1至100μm。尺寸是指颗粒的最大尺寸，按SEM(扫描电子显微镜)图像中可见颗粒的最大尺寸测量。优选导电无机填料具有小片状形状。小片状是指颗粒的长度和宽度尺寸大于颗粒的厚度尺寸。小片状填料颗粒可进一步提高绝缘材料的介电强度。

聚合物基质

第一复合材料中的聚合物基质包括可挤出(即，热塑性)聚合物。可通过熔融挤出处理的任何聚合物基质适用并可在本发明中用作聚合物基质。聚合物基质优选为聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯或热塑性弹性体或其混合物、聚氨酯或交联聚乙烯(XLPE)或乙烯-丙烯-二烯M级橡胶(EPDM)。尤其在中压输电电缆中广泛使用XLPE并在高压(AC和DC)中用LDPE作为基础树脂。

额外LDPE交联的主要目的是改善尺寸，并因此改善热机械稳定性，同时保持其柔性。LDPE具有约115℃的相当低的熔点，而对于XLPE，高于110℃不发生熔融，因此没有大的软化和形状损失。例如，AC电缆工作具有90℃额定最大导体温度和250℃额定短路。可用交联剂可以为任何已知交联剂，例如，过氧化物或偶氮化合物。两个主要化学交联途径，如工业上适用的，包括过氧化二枯基(DCP)用于HV和MV电缆，或硅烷交联剂用于MV电缆。

优选聚合物基质包括交联聚乙烯或乙烯-丙烯基聚合物。如上提到，这些材料使绝缘层相对热稳定，同时得到有效绝缘性质。

添加剂

第一复合材料可进一步包含至少一种选自稳定剂(例如，抗氧化剂)、成核剂、无机填料、交联剂、交联促进剂(例如，2,4,6-氰脲酸三烯丙酯)、防焦剂和阻燃剂的添加剂。稳定剂，特别是抗氧化剂，防止氧化的不利影响。可用添加剂改善电缆中第一和/或第二复合材料的某些性质。可在第二复合材料中使用相同添加剂。添加剂可以基于第一或第二复合材料总重量约0-25%重量的量加入。通常，基于第一或第二复合材料总重量，添加剂浓度保持低于约3%重量，但例如在中压电缆中阻燃剂可以较高浓度使用。

无机添加剂的实例为二氧化硅和三水合铝(Al₂O₃.3H₂O)、玻璃粉、短玻璃纤维、金属氧化物(如氧化硅)(例如，Aerosil、石英、细石英粉)、金属氢氧化物、金属氮化物、金属碳化物、天然和合成硅酸盐或其混合物。三水合铝或氧化硅(例如，Aerosil、石英、细石英粉)特别优选作为无机添加剂。此外，聚合物组合物内此类填料的平均颗粒尺寸分布和存在量对应于通常在高压电绝缘体中应用的平均颗粒尺寸分布和量。

关于金属氧化物、金属氢氧化物、金属氮化物或金属碳化物的适合金属的实例为铝、铋、钴、铁、镁、钛、锌或其混合物。

可有利地向发明性第一或第二复合材料加入较少量的一种或多种无机氧化物或盐，例如CoO、TiO₂、Sb₂O₃、ZnO、Fe₂O₃、CaCO₃或其混合物。

优选上述金属氢氧化物，具体地讲，镁和铝氢氧化物，以具有可以为0.1至100µm尺寸的颗粒形式使用，优选0.5至10µm。在氢氧化物的情况下，这些可有利地以涂覆颗粒形式使用。通常用含8至24个碳原子的饱和或不饱和脂肪酸及其金属盐作为涂料，例如油酸、棕榈酸、硬脂酸、异硬脂酸、月桂酸、镁或锌硬脂酸盐或油酸盐等。

第二复合材料

在本发明的输电电缆的半导电层中使用的第二复合材料优选包含第一复合材料和第二无机导电填料颗粒，使得第一和第二无机导电填料颗粒的总量为17至35%重量。由于第一复合材料包含导电填料颗粒，填料颗粒的总含量可在本发明的电缆的绝缘系统中减小。在制造电缆中，绝缘层的第一复合材料经常作为基础材料用于半导电层的第二复合材料。根据本发明，第一复合材料已包含0.1-10%重量导电填料颗粒。因此，为了使第二复合材料导电，需要比其中第一复合材料包含绝缘填料颗粒的现有技术解决方法更少加入其它导电填料颗粒，例如小到7%重量。

第二复合材料可包含可交联LDPE配料，并且可包含其它添加剂，例如一级和二级抗氧化剂、防焦剂、分散剂或其它无机填料。

在HV和MV电缆中应用的半导电层可包含与第一复合材料中相同或不同的聚合物基质和导电无机填料。然后，通过加入具有高于逾渗阈值的含量的导电填料，例如炭黑，调节电性质，例如电导率。以此方式，将导电颗粒的浓度调节到足以使材料半导电。第二无机导电填料颗粒可包含第一导电填料颗粒，即，第二无机导电填料颗粒可以为与第一导电填料颗粒相同的类型，或者，第二无机导电填料颗粒可以为炭黑或其组合。第二填料颗粒也可以为粉末形式的金属，例如铝。

制造

输电电缆可用任何已知技术制造。第一复合材料和/或第二复合材料可作为预混合复合材料制备。为了制备聚合物和填料及其它添加剂的预混合复合材料，可应用任何混合技术，例如，熔融混合(捏合或挤出)或溶液混合。在可交联PE的特殊情况下，可使交联剂(例如，DCP)扩散进入预混合PE填料复合材料。扩散可通过气相在加热和压力时或通过液相施用适合溶剂进行。当然，可使用其它交联方法。

然后，为了得到具有目标绝缘材料的最终电缆，可将预混合混合物用于标准电缆挤出过程，例如，连续硫化(CV)线。

在一种供选方法中，可在电缆挤出过程期间将填料和可能的添加剂直接送入LDPE或XLPE。

制造方法一般包括以下步骤，并在图5中图示说明：

i)提供第一复合材料；

ii)提供第二复合材料；

iii)提供金属导体；

iv) 挤出第二复合材料作为绝缘系统中的第一半导电层；

vi) 挤出第二复合材料作为绝缘系统中的第二半导电层。

实施例

材料

在实施例中使用以下材料：

• 低密度聚乙烯(LDPE)：Lupolen 3020H - 纯净级，无添加剂

• 导电填料：Minatec SCM E08 - 云母小片(< 100µm)，具有基于Sn_xSb_yO_z的导电涂层

图6a和6b显示在复合绝缘材料中使用的导电填料颗粒的SEM图像。从SEM图像可以测定，颗粒可在二维面具有25.61µm的最大尺寸，这小于100µm。应注意到，颗粒位于三维面，而SEM图像是二维的，在测定和实际颗粒尺寸之间可能出现一些变化。

方法

为了制备本发明的第一复合材料，用双螺杆挤出机HAAKE Rheomex OS PTW24在180-190℃熔融混合LDPE与Minatec填料。使用不同量，即，0%重量，0.5%重量，1%重量，和2%重量。

为了制备第一复合材料的可交联级制备颗粒，用1.3phr(份数/百份树脂) DCP(过氧化二枯基)在以下步骤处理制备的颗粒：

1. 在真空烘箱中在70℃干燥纯粒料24h。

2. 在压热器中将DCP加到与粒料一起。

3. 人工摇动10min，并放入75℃封闭压热器经历20h。

4. 在真空中干燥粒料过夜。

将来自可交联LDPE复合材料的板样品在180℃或200℃和200bar在热压机中加压。在XLPE(交联聚乙烯)板的情况，不应用脱气。

使用Bauer DTA 100设备，利用2kV/s的电压上升，用Nytro 10XN油对45x45x1 mm³样品测定AC介电强度(60Hz)。将样品放入样品池中具有12.5mm直径的黄铜球形电极间。

使用PEANUTS脉冲电声系统(5-Lab)，施加恒DC电压到样品和400Hz/600V信号两者(测定空间电荷)并利用PVDF传感器，对0.15mm厚样品进行室温空间电荷测定。

在70℃和20kV/mm对1mm厚板测定DC电导率，在24和100小时后取值。

通过在对二甲苯中索格利特萃取14小时，并用1g样品(从板切制)测定，测定反映交联密度的凝胶含量。

根据ISO 527-2在张力检验中测定机械性质。

结果

电性质

介电强度和DC电导率

表1. LDPE和包含LDPE和Minatec的复合材料的测定介电强度和DC电导率。

表2. XLPE和包含XLPE和Minatec的复合材料的测定介电强度和DC电导率。

观察和结论

可从结果看到，包含最高2%重量Minatec导电填料，对LDPE和XLPE二者得到类似介电强度。然而，在使用填料时对分散有显著改善，例如，在介电强度结果中，由此可以看到，Minatec填料在复合材料中具有稳定作用。

从结果也可看到，在XLPE的情况下，引入Minatec(1%重量)，实现DC电导率显著减小。

空间电荷

图7a和7b显示LDPE的空间电荷测定的图表。图7a显示充电图表，图7b显示电荷衰减图表。

图8a和8b显示包含1%重量Minatec的LDPE的空间电荷测定的图表。图8a显示充电图表，图8b显示电荷衰减图表。

在图7a、7b、8a和8b中，电极位于约0微米距离和约200微米距离，因此，电荷密度相应减小或增加。例如，可在图7a中看到，以0距离接近第一电极的绝缘材料中的电荷密度为负，因此，有纯号电荷。类似地，以200接近第二电极的绝缘材料中的电荷密度为正，因此，有纯号电荷。

观察和结论

可从测定推断有显著纯号电荷积累，尤其在显示LDPE空间电荷测定的图7a中在接近电极位置的阳极，并且在纯LDPE情况下充电时。另外，可从显示电荷衰减的图7b推断有大的电荷储存，这在1小时后持续，并且穿过显著距离进入本体。

也可从图8a看到，在LDPE+1%重量Minatec的情况下，在充电时纯号电荷积累减小。也可从图8b看到，与纯LDPE比较，有少得多穿透入样品。因此，通过加入导电Minatec，明显抑制电荷穿透入本体。

机械性质：

也研究复合材料的机械性质。

杨氏模量是材料硬度的量度，等于每单位横截面面积施加的负荷:每单位长度的长度增加的比率。

屈服应力是金属或其它材料终止表现弹性的应力水平。应力除以应变不再是常数，将此发生所在的点称为屈服点。屈服应变是由应力引起的变形的量度。断裂应力是在断裂点应力的量度，断裂应变是在断裂变形的量度。

	LDPE	LDPE + 0.5 %重量 Minatec	LDPE + 1 %重量 Minatec	LDPE + 2 %重量 Minatec
					杨氏模量[MPa]	157 ± 26	221 ± 18	263 ± 14	268 ± 47
屈服应力[MPa]	13.0 ± 0.6	14.3 ± 0.5	14.7 ± 0.2	14.5 ± 0.6
					屈服应变[%]	12.3 ± 0.5	11.3 ± 0.4	9.9 ± 0.7	10.5 ± 0.3
断裂应力[MPa]	10.5 ± 0.7	11.4 ± 0.6	11.7 ± 1.1	11.5 ± 0.6
					断裂应变[%]	248 ± 57	227 ± 45	132 ± 44	64 ± 11

表3. LDPE和包含LDPE和Minatec的复合材料的测定机械性能

	XLPE	XLPE + 1 %重量 Minatec	XLPE + 2 %重量 Minatec
				杨氏模量[MPa]	176 ± 28	169 ± 18	207 ± 39
屈服应力[MPa]	9.8 ± 0.9	10.5 ± 0.4	10.9 ± 0.9
				屈服应变[%]	15.5 ± 1.0	13.6 ± 1.7	13.4. ± 0.7
断裂应力[MPa]	11.8 ± 1.8	12.1 ± 0.5	12.9 ± 1.3
				断裂应变[%]	275 ± 32	209 ± 12	61 ± 7

表4. XLPE和包含XLPE和Minatec的复合材料的测定机械性能

观察和结论

可以推断，对于LDPE和XLPE二者，通过加入Minatec填料，在机械强度(屈服和断裂应力)方面进行复合材料的机械增强。硬度(杨氏模量)略微增加。

因此，可以得出结论，与纯聚合物比较，利用本发明的填料改善电性质和机械性质二者。

本领域的技术人员应了解，本文提出的技术不限于附图中公开的实施方案和前文详述，它们只为了说明目的提供，而本发明可以多种不同方式实施，并且由以下权利要求限定。

Claims

1. 一种高压或中压输电电缆(1; 1’)，所述输电电缆(1; 1’)包括金属导体(2; 2’)和绝缘系统(10)，所述绝缘系统(10)包括包含第一复合材料的电绝缘层(6; 6’)和包含第二复合材料的半导电层(4; 4’; 8; 8’)，其中绝缘层(6; 6’)和半导电层(4; 4’; 8; 8’)布置成包围导体(2; 2’)，其特征在于绝缘层(6; 6’)中的第一复合材料包含聚合物基质和第一无机导电填料颗粒，其中第一无机导电填料颗粒的量为基于第一复合材料总重量0.1至10%重量，其中第一无机导电填料颗粒不同于炭黑。

2.权利要求1的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一无机导电填料颗粒包括金属氧化物矿物、氧化铝、二氧化硅、硅酸盐或铝硅酸盐中至少一种的颗粒，且其中第一无机导电填料颗粒用导电层涂覆。

3.权利要求2的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一无机导电填料颗粒基本不含碳。

4.权利要求3的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一导电填料颗粒的导电层包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、Sn_xSb_yO_z中的至少一种，或铝或贵金属的金属层。

5.权利要求1或2中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一导电填料颗粒的导电层包含TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO、Cu₂O、ZnO、ZnS、Ta₂O₅、Y₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、MoO₃、In₂O₃、SnO₂、La₂O₃、Ta₂O₅、WO₃、SiC、B₄C、WC、W₂C、TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr₃C₂、Mo₂C、Sn_xSb_yO_z中的至少一种，或铝或贵金属的金属层。

6.权利要求4或5的高压或中压输电电缆，其特征在于所述导电层基于Sn_xSb_yO_z。

7.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一无机导电填料颗粒具有小片状形状。

8.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于第一导电填料颗粒的最大尺寸为0.1至100µm，按SEM图像中可见的颗粒的最大尺寸测量。

9.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于第一复合材料中第一导电填料颗粒的量基于第一复合材料总重量在0.25%重量至5%重量的范围内，更优选在0.5%重量至4%重量的范围内，最优选0.5%重量至2.0%重量的范围内。

10.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述聚合物基质为聚烯烃基质。

11.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述聚合物基质为交联聚合物。

12.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第一复合材料包含至少一种选自例如抗氧化剂的稳定剂、成核剂、无机填料、交联剂、交联促进剂、防焦剂和阻燃剂的添加剂。

13. 前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述电缆(1; 1’)为具有50kV或更高额定电压的输电电缆。

14.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述电缆为高压直流(HVDC)电缆(1)。

15.前述权利要求中任一项的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第二复合材料包含第一复合材料和第二无机导电填料颗粒，使得第一和第二无机导电填料颗粒的总量为17至35%重量。

16.权利要求15的高压或中压输电电缆，其特征在于所述第二无机导电填料颗粒包含第一导电填料、炭黑或其组合。

17.一种制造权利要求1至16中任一项的输电电缆的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供所述第一复合材料；

ii)提供所述第二复合材料；

iii)提供金属导体(2; 2’)；

iv)挤出所述第二复合材料作为绝缘系统(10)中的第一半导电层(4; 4’)；

v)挤出所述第一复合材料作为绝缘系统(10)中的第一绝缘层(6; 6’)；并且任选

vi)挤出所述第二复合材料作为绝缘系统(10)中的第二半导电层(8; 8’)。