CN107074656A - 一种材料及相关的布置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种材料和相关的布置、系统和方法。一种用于电力传输系统电缆的电缆包绕材料，包括以下的混合物：含有碳的添加剂、沙子和水泥，其中所述材料包含按重量计大约60‑80％的含有碳的添加剂、大约5‑10％的水泥，剩余物为沙子。

Description

一种材料及相关的布置、系统和方法
技术领域
本发明的实施方案涉及电缆包绕材料、混合电缆包绕材料的方法、使用电缆包绕材料敷设电缆的方法，及敷设于电缆包绕材料中的电缆。
背景技术
地下电力传输电缆正在变得越来越流行。可基于美观因素使用地下电缆，但当存在某些空间限制、极大可能性的恶劣天气条件(例如非常寒冷的温度和/或强风)、具有由架空电缆导致的电磁干扰问题，或需要保护传输系统安全性时也可使用地下电缆。
这样的电缆可以是输电网的高压电传输中使用的高压电传输电缆。
应理解，将电力传输电缆布置于地下为其带来了许多架空电力传输电缆不会遇到的问题。
例如，架空电力传输电缆在连接至铁塔或其他支撑结构的电缆导体间具有相对大的空气间距。所述空气起到电绝缘体的作用(因此在许多应用中单独的绝缘材料是非必需的)，并起到将热量从电缆带走的作用。
然而，由于地下电缆可能被安装于是相对好的电导体的潮湿土地材料中，它们需要额外的电绝缘材料。在地下电缆周围提供的电绝缘材料也阻止热量从电缆传送走。此外，电缆未被空气包绕，因此来自于电缆的热量在任何情况下都更慢地从所述地下电缆传送走。
由地下电力传输电缆产生的热量是严重的问题，这在设计地下电缆系统时必须解决。例如，系统设计可要求特定的电缆距离，否则还可能需要更大直径的电缆。
为了使设计参数得到确定，需要确定热量从电缆传送走的速率，从而可确定正确的设计。为了提供受控的热传导速率，电缆通常会包绕已知导热/耐热性能的材料。所述材料通常被称为电缆包绕材料，其可由沙子和水泥的混合物形成。
传统的电缆包绕材料提供预先确定的导热性(从而提供预先确定的热阻率或“TR”)。电缆包绕材料的热阻率越高，热量从电缆传导至周围土地的速率越慢，则必须要更大的电缆直径以减小电阻，从而减小使用时产生的热量。
更低的热阻率可允许电缆使用的各导体的截面更小。这意味着电缆需要更少的原料、更低的运输成本和更简单的电缆敷设。
因此，对改进与现有技术相关的一种或多种问题存在需求。
发明内容
因此，本发明提供一种用于电力传输系统电缆的电缆包绕材料，包括以下的混合物：含有碳的添加剂、沙子和水泥；其中所述材料包括按重量计大约60-80％的含有碳的添加剂、大约5-10％的水泥，剩余物为沙子。
另一方面，提供了一种混合如上所述的电缆包绕材料的方法，所述方法包括：提供含有碳的添加剂；提供水泥；提供沙子；并将含有碳的添加剂、沙子和水泥混合以形成所述电缆包绕材料。
另一方面可提供一种敷设电缆的方法，包括：将电缆至少部分包绕于如上所述的电缆包绕材料中。
另一方面可提供一种电缆的布置，包括：至少部分被如上所述的电缆包绕材料包绕的电缆。
另一方面提供包含如上所述的电缆布置的电力传输系统。
本发明的另一方面提供用于电力传输系统电缆的电缆包绕材料，包括含有碳族元素的添加剂和水泥的混合物。
所述碳族元素可以是碳。
所述材料可包含按重量计25％-90％的含有碳的添加剂和至少10％的水泥。
所述材料可包含按重量计56％-90％的含有碳的添加剂和至少10％的水泥。
所述混合物可进一步包括沙子。
所述材料可包含按重量计大约60％-80％的添加剂、大约5-10％的水泥，剩余物为沙子。
所述材料可包含按重量计大约67％的添加剂、大约7％的水泥和大约26％的沙子。
所述材料可包含按重量计大约27％的含有碳的添加剂材料、约7％的水泥和约66％的沙子。
所述材料可包含按重量计大约47％的含有碳的添加剂材料、约7％的水泥和约46％的沙子。
所述添加剂可包含按重量计大于大约90％的碳。
所述添加剂包含按重量计约96％的碳。
所述碳族元素可以是硅。
所述硅可以是基本上纯净的硅。
所述硅可以以碳化硅提供。
所述混合物可进一步包括沙子。
所述材料可包含按重量计大约25-80％的含有硅的添加剂、大约5-10％的水泥，剩余物为沙子。
所述材料可包含按重量计大约60-80％的含有硅的添加剂、大约5-10％的水泥，剩余物为沙子。
所述材料可包含按重量计大约67％的含有硅的添加剂、大约7％的水泥和大约26％的沙子。
所述材料可包含按重量计约27％的含有硅的添加剂、约7％的水泥和约66％的沙子。
所述材料可包含按重量计约47％的含有硅的添加剂、约7％的水泥和约46％的沙子。
所述水泥可以是硅酸盐水泥(Portland cement)。
所述添加剂可含有晶态或无定形的、或两者皆有的碳族元素或关键成分或组分。
所述添加剂可含有不同尺寸颗粒形式的碳族元素或关键成分或组分。
本发明的另一方面提供一种混合电缆包绕材料的方法，包括：提供添加剂；提供水泥；并将含有碳的添加剂与水泥根据预设配方混合以形成所述电缆包绕材料。
另一方面提供一种敷设电缆的方法，包括：将电缆至少部分包绕于电缆包绕材料中。
所述方法可进一步包括混合电缆包绕材料。
所述方法可进一步包括：提供电缆，其中所述电缆用于电力传输系统中高压电力传输。
另一方面提供一种电缆布置，包括：至少部分被电缆包绕材料包绕的电缆。
所述电缆可被用于电力传输系统中的高压电传输。
另一方面提供包含电缆布置的电力传输系统。
所述电力传输系统可进一步包括至少一种电缆封端化合物、和/或塞止接头、和/或流体冷却系统。
附图说明
参考附图，仅示例性地描述本发明的实施方案，其中：
图1示出了包括根据本发明实施方案的电缆包绕材料的沟道的截面。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及电缆包绕材料1。可将所述电缆包绕材料1用于包绕电缆2以传输电力。
电缆2可适用于高压电传输。例如，电缆2可适用于传输电压大于33kV或大于50kV的电力。在一些实施方案中，电缆2可适用于传输33kV、50kV、66kV、115kV、132kV、230kV、275kV、400kV或500kV的电力。在一些实施方案中，可配置电缆2用于传输例如33-500kV、50-500kV、66-500kV、115-500kV、137-500kV、230-500kV、275-500kV和400-500kV范围内任意值的电力。
可根据敷设方法将电缆2敷设于土地中，以形成部分电力传输系统。
可以多种不同方式敷设电缆2。本发明的实施方案至少与电缆敷设方法是相关的，其中所述电缆2被用于将热量从电缆2传导走的材料包绕。
在一些实施方案中，可通过挖掘沟道3敷设电缆2。沟道3可至少部分由电缆包绕材料1填充。而后可将电缆2敷设于至少部分由电缆包绕材料1支撑的沟道3中。在一些实施方案中，将所述电缆2支撑于临时的支撑结构上，位于一表面上方，之后所述电缆2和所述表面之间的体积由电缆包绕材料1填充。然后可(通过在沟道3中放置更多的电缆包绕材料1)将电缆2用电缆包绕材料1覆盖。
沟道3可至少部分由其他回填材料4装填，可将保护板材料7(例如，混凝土)埋于(例如，所述其他回填材料4中)电缆2和地面5之间以为电缆2提供保护。如果适当，可在地面上用合适的表面覆盖物6(例如柏油碎石、沥青混凝土、草皮等)最终覆盖沟道3。
这样的方法和布置直接将电缆2敷设于土地中。应理解，可使用这样的方法敷设多根这样的电缆2。
其他敷设电缆2的方法(和敷设的电缆2的布置)也是可能的。例如，可使用管道承载一根或多根电缆2。
在一些实施方案中，可将一根或多根电缆2敷设于表面槽(surface trough)中，所述表面槽可为混凝土沟道的形式，一根或每一根电缆2被敷设于其中并由电缆包绕材料1包绕。所述表面槽可包含盖子或覆盖物，所述盖子或覆盖物可包括混凝土盖或混凝土覆盖物。
应理解，对于电力传输，将会存在多根这样的电缆2，甚至在每个待传输电力阶段(phase of electricity)都有多根这样的电缆2。将多根这样的电缆2敷设于土地中，形成部分电力传输系统，从而形成电缆布置。
可将多根电缆2成组敷设，将第一组电缆2彼此靠近地敷设，将第二组电缆2离第一组电缆2预定的距离敷设(所述预定的距离分别大于形成第一组或第二组电缆2的单个电缆间的距离)。可将第一组电缆2或第二组电缆2，例如，敷设于各自的沟道中(例如敷设于小于2m宽或1.5m宽的沟道中)。也可相对于第三组电缆2敷设第一组和第二组电缆2，第三组电缆2和所述第一及第二组的间距大于第一组电缆2相对于第二组电缆2的距离。
电缆2布置的间距可至少部分由电缆2和电缆包绕材料1的热特性决定。
可按如上所述的将电缆2(一根或多根)敷设为地下电缆2(或敷设为地下电缆2的布置)。然而，电缆2(一根或多根)可穿过电力传输系统的一个或多个其他要素(features)。例如，电缆2可穿过接合间(joint bay)、塞止接头和其他接头。在这样的要素中，电缆2(一根或多根)可不由电缆包绕材料1包绕。电力传输系统可包含至少一种电缆封端化合物，在所述电缆封端化合物中的电缆2(一根或多根)被置于地面以上，并连接至所述电力传输系统(可以是架空传输系统)的某些其他部分。
电力传输系统可包含一根或多根其他的导管，其可被构造为用于传输经其通过的流体。可将这样的导管结合至泵和换热器，例如，设置为电缆2(一根或多根)的冷却系统的一部分。可将一根或多根其他导管敷设得非常靠近电缆2(一根或多根)，并可至少部分由电缆包绕材料1包绕。
从上文关于电缆敷设的讨论中将理解，电缆2至少部分被电缆包绕材料1包绕。在一些实施方案中，电缆2的长基本上由电缆包绕材料1包绕。
电缆2可由电缆包绕材料1包绕至围绕电缆2一周均为大约1m的深度。在一些实施方案中，在约75mm深的电缆包绕材料上敷设电缆2，使电缆2每侧的电缆包绕材料1大约为75mm，然后再使包绕电缆2周围的电缆包绕材料达到大约1m。
电缆2可以是适用于地下传输系统中电力传输的任何形式的电缆，在所述系统中电缆2照惯例由电缆包绕材料1包绕。概括而言，电缆2包含至少一种电导体和至少一层基本上包绕所述至少一种导体的电绝缘材料。所述电绝缘材料可沿所述至少一种导体的长度延伸，将所述至少一种导体与土地绝缘(例如当敷设于沟道中时)。
电缆2可以是，例如交联的聚乙烯挤出电缆、或充以流体的电缆、或纸聚乙烯层压电缆、或不滴流电缆(mass impregnated non-draining cable)或气体绝缘线电缆。电缆2可包含铜和/或铝导体。
根据实施方案，电缆包绕材料1是干混合材料。换言之，所述材料可以是通常干燥的颗粒形式的复合材料。可将电缆包绕材料以这种干燥形式敷设。在一些实施方案中，可向所述敷设的电缆包绕材料1中加入水。
可将电缆包绕材料1以预混合形式提供至敷设电缆2时需要使用电缆包绕材料1的地点。换言之，可向所述地点提供一个或多个电缆包绕材料1的容器，并可直接作为电缆包绕材料1使用——见上文。
在其他实施方案中，以未混合的形式向需要材料1的地点提供电缆包绕材料1的组分。可分别地并在单独的容器中提供所述组分。
因此，可根据预定配方(见下文)将电缆包绕材料的组分现场混合，以提供电缆包绕材料1。
在其他实施方案中，将电缆包绕材料提供为湿混合物——也就是湿复合材料。
在一些实施方案中，电缆包绕材料1可包括沙子、水泥和添加剂材料的混合物。
添加剂材料可以是具有关键成分或组分的材料。该关键成分或组分可以是碳或含有碳的材料。在一些实施方案中，关键成分或组分可以是硅或含有硅的材料。在一些实施方案中，关键成分或组分可以是元素周期表第14族的元素、或含有元素周期表第14族元素(也就是所谓的“碳族”元素)的材料。
在一些将电缆包绕材料提供为未混合的材料的实施方式中，将添加剂材料以未混合的形式(已准备好按照预定的配方与沙子及水泥混合)供应至所述地点。
在一些实施方案中，添加剂材料是主要由碳族(例如碳或硅)元素作为关键成分或组分形成的材料。例如，碳族元素可形成90％或更多(按重量计)的添加剂材料，或95％或更多(按重量计)的碳族元素。所述添加剂材料可以是除不可避免的杂质外，基本上是碳族元素(例如碳或硅)的材料。
碳族元素可以是晶态或无定形的。例如，所述碳族元素可以是碳，其可为煅烧石油焦或燃油级焦炭或阳极等级焦炭。所述碳可以是石墨化煅烧石油焦。所述碳可以是煅烧无烟煤。
碳族元素可以是硅。所述硅可以是基本上纯净的硅(除如上文所述的不可避免的杂质外)。可将所述硅提供为碳化硅。所述碳化硅可以是所谓的“绿色”碳化硅，或所谓的“黑色”碳化硅。所述碳化硅可包含作为杂质的铁。所述纯净硅的纯度可以是约95-99％(例如，约98-99％)。
可将所述硅提供为纯度为约85-99％(例如85％、90％或98％)的(如所讨论的)碳化硅。粒径可以是18、30、40或200目尺寸(约0.075-1.00mm，或其混合物)。
添加剂材料(特别是以碳作为关键成分或组分的材料的情况下)可包含杂质例如氟、氧化镍、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、五氧化二磷、硫酸盐、氧化钒、氧化铜和氧化铅。所述杂质可总计按重量计少于约10％(在一些实施方案中，少于5％或少于4％)的添加剂材料。
所述添加剂材料(特别是以碳作为关键成分或组分的材料的情况下)可以是碱性的，并可具有约8.5的pH。
水泥可以是硅酸盐水泥或另一种水硬水泥。沙子可以是电缆沙(满足BS 882规定的级别F，和/或95％的沙子(按重量计)通过5mm筛)。
可将添加剂材料提供为粉末或粒料。在一些实施方案中，所述添加剂材料包含不同形式的碳族元素(一种或多种)的混合物，可以是不同颗粒大小(或可以基本上是相同的颗粒大小)的混合物。
添加剂材料可以为细粉的形式，或可以等同于中粒砂或粗砂的级别。
以碳化硅作为关键成分或组分的添加剂材料可以是F10至F220中任意的级别，或这些级别的混合物(例如F24、F36、F180)。在一些实施方案中，以碳化硅作为关键成分或组分的添加剂材料可以具有F46至F360的级别，或这些级别的混合物。在一些实施方案中，以碳化硅作为关键成分或组分的添加剂材料可以具有F240至F1200的级别，或这些级别的混合物。
在一些实施方案中，预定配方包括传统电缆包绕材料配方(沙子和水泥的混合物)，其中所述配方中沙子的比例已被减少，添加剂材料被包括于所述配方中。在一些实施方案中，这样的传统配方中的沙子部分被相应的添加剂材料部分(按重量计)替换。
在一些实施方案中，电缆包绕材料可包含56-90％的添加剂材料，剩余物为沙子和水泥。在一些实施方案中，沙子被从电缆包绕材料中排除。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约25-80％的添加剂材料，剩余物为沙子和水泥。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约60-80％的添加剂材料，剩余物为沙子和水泥。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计25-80％(或60-80％)的添加剂材料、约5-10％(优选约7％)的水泥，剩余物为沙子。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约67％的添加剂材料、约7％的水泥和约26％的沙子。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约75％的添加剂材料、约6％的水泥和约19％的沙子。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约66.67％的添加剂材料、约6.67％的水泥和约26.67％的沙子。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约27％的添加剂材料(例如26.67％)、约7％的水泥(例如6.67％)和约66％的沙子(例如66.67％)。在一些实施方案中，电缆包绕材料1包含按重量计约47％的添加剂材料(例如46.67％)、约7％的水泥(例如6.67％)和约46％的沙子(例如46.67％)。
在一些实施方案中，所述关键成分或组分是碳，电缆包绕材料1包括按重量计约67％的添加剂材料(例如约66.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约26％的沙子(例如约26.67％)。在一些实施方案中，所述关键成分或组分是碳，电缆包绕材料1包括按重量计约75％的添加剂材料、约6％的水泥和约19％的沙子。在一些实施方案中，所述关键成分或组分是碳，电缆包绕材料1包括按重量计约27％的添加剂材料(例如约26.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约66％的沙子(例如约66.67％)。在一些实施方案中，所述关键成分或组分是碳，电缆包绕材料1包括按重量计约47％的添加剂材料(例如约46.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约46％的沙子(例如约46.67％)。
在一些实施方案中，所述关键成分或组分是硅(可将其提供为基本上纯净的硅或碳化硅)，电缆包绕材料1包括约67％的添加剂材料(例如约66.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约26％的沙子(例如约26.67％)。在一些实施方案中，所述关键成分或组分是硅，电缆包绕材料1包括按重量计约27％的添加剂材料(例如约26.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约66％的沙子(例如约66.67％)。在一些实施方案中，关键成分或组分是硅，电缆包绕材料1包括按重量计约47％的添加剂材料(例如约46.67％)、约7％的水泥(例如约6.67％)和约46％的沙子(例如约46.67％)。
在一些实施方案中，所述电缆包绕材料的最佳含水量为约11％、干密度为1.4Mg/m3。在一些实施方案中，最佳含水量为约10-15％、干密度为约1-2Mg/m3或1-1.5Mg/m3。
一些实施方案的电缆包绕材料可具有的热阻率为约0.2-0.5Km/W(优选0.2-0.45Km/W)。
对于如用于典型工况的传统电缆包绕材料，已确定具有约1.2或更大的热阻率。
已发现具有以碳作为关键成分或组分的添加剂材料的电缆包绕材料可达到0.35-0.45Km/W(例如0.40-0.43Km/W)的热阻率。已发现，具有以硅作为关键成分或组分(不论是基本上纯净的硅或碳化硅)的添加剂材料的电缆包绕材料可实现更好的(即更低的)热阻率，对于一些实施方案其可以是0.2Km/W。
更低的热阻率意味着更高的热导率。如果可将由电缆包绕材料1包绕的电缆2产生的热量从电缆2周围区域更快地移除，则对于同样的电流和电压可使用具有截面更小的导体的电缆2。
本发明的实施方案包括电缆包绕材料1、混合电缆包绕材料1的方法、使用电缆包绕材料1敷设电缆2的方法、包含至少部分由所述电缆包绕材料包绕的电缆的电缆布置，以及包含这样的电缆布置的电力输送系统。
应理解，本文使用的“沙子”涉及聚集形式。还应理解，“水泥”是结合材料的一个实例，其在一些实施方案中可由不同的结合材料取代，这些结合材料相似或等量于本文关于水泥所述的那些。
电缆包绕材料1可由含有碳的添加剂和水泥组成(除不可避免的杂质外)。电缆包绕材料1可由含有碳的添加剂、沙子和水泥组成(除不可避免的杂质外)。所述含有碳的添加剂可由碳组成(除不可避免的杂质外)。
术语“包含”、“包括”及其变体当在本说明书和权利要求中使用时，指包括特定的特征、步骤或部件。所述术语不应解释为排除其他特征、步骤或组分的存在。
在上述说明书、所附权利要求或附图中所公开的、以其特定形式或从用于执行所公开功能的装置的方面、或从用于获得所公开的结果的方法或工艺的方面表示的特征，视情况，可单独地，或以这些特征的任意组合使用，以实现多种形式的本发明。

Claims (15)

1.一种电缆包绕材料，用于电力传输系统的电缆，包括以下的混合物：
含有碳的添加剂；
沙子；和
水泥，其中所述材料包含按重量计大约60-80％的含有碳的添加剂、大约5-10％的水泥，剩余物为沙子。
2.根据权利要求1所述的电缆包绕材料，其中所述材料包括按重量计大约67％的含有碳的添加剂、大约7％的水泥和大约26％的沙子。
3.根据权利要求1或2所述的电缆包绕材料，其中所述含有碳的添加剂包含按重量计多于大约90％的碳。
4.根据权利要求3所述的电缆包绕材料，其中所述含有碳的添加剂包含按重量计约96％的碳。
5.根据前述任一项权利要求所述的电缆包绕材料，其中所述水泥是硅酸盐水泥。
6.根据前述任一项权利要求所述的电缆包绕材料，其中所述添加剂含有晶态或无定形形式、或二者均有的碳族元素或关键成分或组分。
7.根据前述任一项权利要求所述的电缆包绕材料，其中所述添加剂含有不同尺寸颗粒形式的碳族元素或关键成分或组分。
8.一种混合根据前述任一项权利要求所述的电缆包绕材料的方法，所述方法包括：
提供所述含有碳的添加剂；
提供所述水泥；
提供所述沙子；并
将所述含有碳的添加剂、沙子和水泥混合以形成所述电缆包绕材料。
9.一种敷设电缆的方法，包括：
将电缆至少部分包绕于根据权利要求1-7中任一项所述的电缆包绕材料中。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括根据权利要求8所述的方法混合所述电缆包绕材料。
11.根据权利要求9或10的方法，进一步包括：
提供所述电缆，其中所述电缆用于在电力传输系统中输送高压电。
12.一种电缆布置，包括：
至少部分由根据权利要求1-7中任一项所述的电缆包绕材料包绕的电缆。
13.根据权利要求12所述的电缆布置，其中所述电缆用于在电力传输系统中输送高压电。
14.一种电力传输系统，包括根据权利要求12或13所述的电缆布置。
15.根据权利要求14所述的电力传输系统，进一步包括至少一种电缆封端化合物、和/或接合间、和/或塞止接头、和/或流体冷却系统。
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