CN107564618B - 一种含有石墨烯的防水电缆 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种含有石墨烯的防水电缆，包括缆芯，缆芯包括由内向外设置的至少一个导电层，每个导电层包括周向排布的多个导电体，每个导电层中的导电体互相绞合，导电体的外部静电喷涂有阻水粉，导电层外绕包半导电阻水带；缆芯的外部挤包石墨烯半导体耐水树内屏蔽，石墨烯半导体耐水树内屏蔽的外部挤包交联聚乙烯绝缘层，交联聚乙烯绝缘层的外部挤包石墨烯半导体耐水树外屏蔽。高压电缆半导电屏蔽料中增加了石墨烯，大幅降低半导电屏蔽层的体积电阻率，提高了屏蔽层对电场的均化效果，减少了电缆运行中可能出现的局部放电现象，实现了高压电缆抗水树、阻水、防水的全阻水，延长了交联聚乙烯绝缘高压电缆的绝缘使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种含有石墨烯的防水电缆，适用于电力工程的技术领域。
背景技术
电力电缆是在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品。常用于城市地下电网、发电站的引出线路、工矿企业的内部供电及过江、过海的水下输电线路。
目前，中压交联聚乙烯绝缘电缆的绝缘线芯的内、外半导电屏蔽层使用的是添加导电炭黑的复合高分子材料，如聚乙烯等，内、外半导电屏蔽层使用导电炭黑作为导电填料添加在高分子材料中，来提高材料的导电率。但是由于导电炭黑的导电率有限，需要大量添加，使得这种添加了大量炭黑的复合材料韧性降低，在制作成包覆在导体表面的半导电层后容易开裂，材料表面也不光滑、挤出困难，外屏蔽剥离后绝缘表面有炭黑残留，影响电缆接头的可靠性。长时间运行，电缆容易发生击穿及局部放电偏大等质量问题，进而影响交联电缆的使用寿命。
石墨烯具有导电性极强的优良特性，是能隙为零的半导体，电子的运动速度能达到光速的1/300，远超其他金属导体或半导体的运动速度。常温下其载流子迁移率最高，它的电阻率比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。正是因为石墨烯具有导电性优异等特点，添加了石墨烯在半导电材料后，大大降低炭黑的使用量，解决了材料本身韧性低和表明不平滑的问题。
虽然现有技术中有公开用石墨烯作为制作电缆的材料，例如中国专利201410487326.1公开的一种改性石墨烯电缆料，中国专利201310082435.0公开的一种制备石墨烯电线电缆的方法，其用经过热处理的石墨烯复合膜进行剪裁、卷曲制成石墨烯电线芯线，但是上述技术虽然应用了石墨烯作为电缆料，但是并没有通过结构层的设置以提高电缆整体的性能。
发明内容
本发明是针对传统的防水电缆存在的不足，通过静电涂敷超细阻水粉和新型半导电带，保证电缆导体的阻水性能，通过采用石墨烯半导体耐水树屏蔽料，降低了电缆内、外半导电屏蔽层的体积电阻率和阻水性能，通过铜丝屏蔽均分绕包和高密度聚乙烯护套同步生产，实现了电缆的全阻水，同时提高了电缆的使用寿命。
根据本申请的含有石墨烯的防水电缆，包括缆芯，缆芯包括由内向外设置的至少一个导电层，每个导电层包括周向排布的多个导电体，每个导电层中的导电体互相绞合，导电体的外部静电喷涂有阻水粉，所述导电层外绕包半导电阻水带；缆芯的外部挤包石墨烯半导体耐水树内屏蔽，所述石墨烯半导体耐水树内屏蔽的外部挤包交联聚乙烯绝缘层，所述交联聚乙烯绝缘层的外部挤包石墨烯半导体耐水树外屏蔽。
优选地，所述石墨烯半导体耐水树外屏蔽的外部绕包铜丝屏蔽层，所述铜丝屏蔽层的外部挤包高密度聚乙烯护套。
优选地，所述缆芯包括由内向外设置的四个导电层，第一导电层由围绕中心导电体的外部均匀分布的6个导电体形成，第二导电层设有围绕第一导电层均匀分布的12个导电体，第三导电层设有围绕第二导电层均匀分布的18个导电体，第四导电层设有围绕第三导电层均匀分布的24个导电体。
优选地，石墨烯半导体耐水树屏蔽料由以下组分构成：乙烯-醋酸乙烯共聚物80～90份，丁腈橡胶10～15份，导电填料75～85份，石墨烯8～10份，邻苯二甲酸二辛酯8～12份，癸二酸二辛酯3～7份，硫化剂2～2.5份，助剂10～15份。
优选地，所述石墨烯半导体耐水树内屏蔽、所述交联聚乙烯绝缘层和所述石墨烯半导体耐水树外屏蔽采用干法交联三层共挤技术制成。干法交联三层共挤技术采用三层共挤连续硫化半悬链式干法交联生产线，用于三层共挤绝缘挤出的交联管按照生产线的上下游分为8段管道，挤出温度分别为：第1段温度400～410℃、第2段温度400～410℃、第3段温度380～390℃、第4段温度360～370℃、第5段温度340～350℃、第6段温度310～320℃、第7段温度280～290℃、第8段温度280～290℃。
优选地，所述阻水粉为超细阻水粉，粒径为100-150目，含有丙烯酸钠50～60份、氯化聚乙烯橡胶单体40～50份、交联剂0.5～1.0份、催化剂0.7～1.5份、去离子水250～300份。所述交联剂选自二丙烯酸乙二醇酯、三丙二醇二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸丁二醇酯中的任一种，所述催化剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾中的任一种。
根据本申请的含有石墨烯的防水电缆，具有以下技术优势：
1)高压电缆半导电屏蔽料中增加了石墨烯，大幅降低半导电屏蔽层的体积电阻率，提高了屏蔽层对电场的均化效果，减少了电缆运行中可能出现的局部放电现象，并且提高了电缆的使用寿命。
2)利用石墨烯良好的导电性、导热性和高比表面积，解决了石墨烯最佳添加比例的关键技术难题。
3)采用新型导体和屏蔽阻水技术，实现了高压电缆抗水树、阻水、防水的全阻水，延长了交联聚乙烯绝缘高压电缆的绝缘使用寿命。
附图说明
图1显示了根据本申请的含有石墨烯的防水电缆的截面剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，根据本申请的含有石墨烯的防水电缆包括缆芯，缆芯包括由内向外设置的至少一个导电层，每个导电层包括周向排布的多个导电体1，例如可以是铜导体或铝导体。每个导电层中的导电体1互相绞合，导电体1的外部静电喷涂有阻水粉2，阻水粉均匀吸附于绞合导体的缝隙表面，阻水粉遇水膨胀，可以起到很好的纵向阻水作用，涂覆有阻水粉的导体绞合形成的导电层外绕包半导电阻水带3。半导电阻水带3同样遇水膨胀，进一步保证了每层绞合导体缝隙的径向和纵向阻水，同时半导电阻水带3可以起到导电的作用，每层绞合导体之间相互导通，保证了电缆导体的电性能不受影响。
如图1所示，其中的缆芯包括由内向外设置的四个导电层，第一导电层由围绕中心导电体的外部均匀分布的6个导电体形成，第二导电层设有围绕第一导电层均匀分布的12个导电体，第三导电层设有围绕第二导电层均匀分布的18个导电体，第四导电层设有围绕第三导电层均匀分布的24个导电体。
缆芯的外部挤包石墨烯半导体耐水树内屏蔽4，石墨烯半导体耐水树内屏蔽4的外部挤包交联聚乙烯绝缘层5，交联聚乙烯绝缘层5的外部挤包石墨烯半导体耐水树外屏蔽6。更优选地，石墨烯半导体耐水树外屏蔽6的外部绕包铜丝屏蔽层7，铜丝屏蔽层7的外部挤包高密度聚乙烯护套8。
上述石墨烯半导体耐水树屏蔽为半导体屏蔽材料。传统的内外半导电屏蔽料选取导电炭黑作为导电材料。为了更低的体积电阻率，通常需要加入超过半数以上的导电炭黑。导电炭黑结构高、容易团聚，加入导电炭黑过多，制成的半导电屏蔽料不容易分散且流性较差。而石墨烯具有更好的纯度及热稳定性，容易分散表面积较大，对材料的流性影响较小。随着石墨烯的加入，屏蔽料的体积电阻率下降明显。
如图1所示，缆芯的直径与防水电缆的直径的比值可以是1:10-1:1.1，优选地为1:2；石墨烯半导体耐水树内屏蔽4与交联聚乙烯绝缘层5的厚度比值可以为0.1-1。更优选地，石墨烯半导体耐水树内屏蔽4与石墨烯半导体耐水树外屏蔽6的厚度比值可以为1，铜丝的直径与导电体的直径之比为0.25。
本申请的石墨烯半导体耐水树屏蔽料可以由以下组分构成：乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVM)80～90份，丁腈橡胶10～15份，导电填料75～85份，石墨烯8～10份，邻苯二甲酸二辛酯(DOP)8～12份，癸二酸二辛酯(DOS)3～7份，硫化剂2～2.5份，助剂10～15份。优选地，可以由EVM500 86～88份，丁腈橡胶B6240 10～12份，导电填料80～85份，石墨烯N008-100N8～10份，DOP 8～10份，DOS 5～7份，DCP(过氧化二异丙苯)2～2.5份，助剂10～12份。更优选地，石墨烯半导体耐水树屏蔽料可以由以下组分构成：EVM500 86份，丁腈橡胶B6240 12份，导电填料82份，石墨烯N008-100N 10份，DOP 10份，DOS 6份，DCP(过氧化二异丙苯)2份，助剂12份。
通过反复实验验证，加入8～10份石墨烯时效果最好。继续增加用量，效果不明显。随着石墨烯的加入，半导电屏蔽料的物理性能提高明显。石墨烯的加入对体系的硬度、密度无明显变化。通过大量的实验验证，加入石墨烯的半导电屏蔽料，导电性能更加优异，不仅减少了一半的炭黑用量，而且电阻率下降一个数量级以上。GB/T12706标准要求的半导电屏蔽体积电阻率达到不大于1.0x105Ω·cm，半导电料加入石墨烯后体积电阻率不大于1.0x104Ω·cm，热稳定性比现行的国际标准要高出数倍。并且，剥离性能优异，解决了材料本身韧性低和表面不平滑的问题，同时提高了屏蔽层对电场的均化效果，减少了电缆运行中可能出现的局部放电现象，提高了电缆的使用寿命。
本申请的缆芯采用自主研制的导体阻水技术，采用超细阻水粉的静电喷涂技术，实现了电缆导体高水压下的纵向阻水和直流电阻直接测试。其中，石墨烯半导体耐水树内屏蔽4、交联聚乙烯绝缘层5和石墨烯半导体耐水树外屏蔽6采用先进的干法交联三层共挤技术，保证了绝缘的耐水树性能。铜丝屏蔽采用嵌入高密度聚乙烯护套的方式，保证了电缆的屏蔽和防水效果。
具体地，干法交联三层共挤技术采用三层共挤连续硫化半悬链式干法交联生产线，充分保证了导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽的紧密结合，石墨烯半导体耐水树内屏蔽、交联聚乙烯绝缘层、石墨烯半导体耐水树外屏蔽挤出采用全自动电脑控制，配备大功率稳压电源。硫化方式为干法化学交联，加热方式为电辐射加热。用于三层共挤绝缘挤出的交联管按照生产线的上下游分为8段管道，挤出温度分别为：第1段温度400～410℃、第2段温度400～410℃、第3段温度380～390℃、第4段温度360～370℃、第5段温度340～350℃、第6段温度310～320℃、第7段温度280～290℃、第8段温度280～290℃。生产线的速度2～5M/min、保护气体的压力为0.8～1.1Mpa。
上述三层共挤技术生产线由放线架、储线器、上牵引(主牵引)、挤出机、硫化管道(交联管)、冷却管、下牵引、张力轮、辅助牵引、收线架、氮气系统等构成。阻水导体的绞合通过放线架、储线器、上牵引，通过挤出机Φ65+Φ150+Φ90挤出。Φ65、Φ150、Φ90挤出机共用一个挤出机机头，可分别设有4-8台挤出机主机，即分为4-8个区，每一台主机的长度为2-3米。Φ65挤出石墨烯半导体耐水树内屏蔽，Φ150挤出交联聚乙烯绝缘层，Φ90挤出石墨烯半导体耐水树外屏蔽。
Φ65、Φ150、Φ90挤出机的挤出温度单独控制。例如，Φ65挤出机温度设定为1区70～80℃，2区80～90℃，3区90～100℃，4区100～110℃。Φ150挤出机温度设定为1区105～110℃，2区115～120℃，3区115～120℃，4区115～120℃，5区115～120℃，6区115～120℃。Φ90挤出机温度设定为1区70～80℃，2区75～85℃，3区80～85℃，4区85～90℃。挤出成型的绝缘线芯通过硫化管道进行交联，通过下牵引，收线架等完成三层共挤绝缘挤出。
超细阻水粉的粒径为100-150目，含有丙烯酸钠50～60份，氯化聚乙烯橡胶单体40～50份，交联剂0.5～1.0份，催化剂0.7～1.5份，去离子水250～300份。其中的交联剂选自二丙烯酸乙二醇酯、三丙二醇二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸丁二醇酯中的任一种。催化剂可以选择过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾中的任一种。优选地，超细阻水粉的粒径可以为150目，含有丙烯酸钠56份，氯化聚乙烯橡胶单体42份，三丙二醇二丙烯酸酯0.8份，过硫酸钾1.0份，去离子水275份。
上述静电喷涂技术是采用高压静电发生器将阻水粉粉末在压缩空气作用下，凭借高压电场的作用均匀地吸附于导体表面。具体方式为：每层绞合导体通过装有阻水粉的密闭容器，阻水粉在压缩空气和高压电场的作用下吸附在导体表面，阻水粉可以起到很好的纵向阻水作用；导体静电涂覆阻水粉后，每层绞合导体外绕包半导电阻水带，半导电阻水带保证了每层绞合导体缝隙的径向和纵向阻水，同时半导电阻水带可以起到导电的作用，每层绞合导体之间相互导通，保证了电缆导体的电性能不受影响，可以达到直流电阻直接测量。
在铜丝屏蔽层的外部挤包高密度聚乙烯护套时，采用铜丝屏蔽同步旋转均分装置、实现了铜丝等距均分绕包屏蔽与护套挤出的同步进行。铜丝嵌入护套式生产工艺减小了电缆外径，结构紧密，减少水分的入侵，利于施工。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (4)
1.一种含有石墨烯的防水电缆，包括缆芯，缆芯包括由内向外设置的至少一个导电层，每个导电层包括周向排布的多个导电体，每个导电层中的导电体互相绞合，其特征在于：导电体的外部静电喷涂有阻水粉，所述导电层外绕包半导电阻水带；缆芯的外部挤包石墨烯半导体耐水树内屏蔽，所述石墨烯半导体耐水树内屏蔽的外部挤包交联聚乙烯绝缘层，所述交联聚乙烯绝缘层的外部挤包石墨烯半导体耐水树外屏蔽；
所述石墨烯半导体耐水树内屏蔽和所述石墨烯半导体耐水树外屏蔽由以下组分构成：乙烯-醋酸乙烯共聚物80～90份，丁腈橡胶10～15份，导电填料75～85份，石墨烯8～10份，邻苯二甲酸二辛酯8～12份，癸二酸二辛酯3～7份，硫化剂2～2.5份，助剂10～15份；
所述石墨烯半导体耐水树内屏蔽、所述交联聚乙烯绝缘层和所述石墨烯半导体耐水树外屏蔽采用干法交联三层共挤技术制成，硫化方式为干法化学交联；干法交联三层共挤技术采用三层共挤连续硫化半悬链式干法交联生产线，用于三层共挤绝缘挤出的交联管按照生产线的上下游分为8段管道，挤出温度分别为：第1段温度400～410℃、第2段温度400～410℃、第3段温度380～390℃、第4段温度360～370℃、第5段温度340～350℃、第6段温度310～320℃、第7段温度280～290℃、第8段温度280～290℃；
所述石墨烯半导体耐水树外屏蔽的外部绕包铜丝屏蔽层，所述铜丝屏蔽层的外部挤包高密度聚乙烯护套；在所述铜丝屏蔽层的外部挤包高密度聚乙烯护套时，采用铜丝屏蔽同步旋转均分装置、实现了铜丝等距均分绕包屏蔽与护套挤出的同步进行。
2.根据权利要求1所述的防水电缆，其特征在于：所述缆芯包括由内向外设置的四个导电层，第一导电层由围绕中心导电体的外部均匀分布的6个导电体形成，第二导电层设有围绕第一导电层均匀分布的12个导电体，第三导电层设有围绕第二导电层均匀分布的18个导电体，第四导电层设有围绕第三导电层均匀分布的24个导电体。
3.根据权利要求1或2所述的防水电缆，其特征在于：所述阻水粉为超细阻水粉，粒径为100-150目，含有丙烯酸钠50～60份、氯化聚乙烯橡胶单体40～50份、交联剂0.5～1.0份、催化剂0.7～1.5份、去离子水250～300份。
4.根据权利要求3所述的防水电缆，其特征在于：所述交联剂选自二丙烯酸乙二醇酯、三丙二醇二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸丁二醇酯中的任一种，所述催化剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾中的任一种。
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