CN111684548A

CN111684548A - 电力电缆

Info

Publication number: CN111684548A
Application number: CN201980009750.6A
Authority: CN
Inventors: 赵荣银; 南基准; 赵珉祥; 孙秀真
Original assignee: LS Cable Ltd
Current assignee: LS Cable and Systems Ltd
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN111684548B; KR102558902B1; EP3745427A4; KR20190090486A; JP2021512456A; US11763963B2; US20200350095A1; WO2019147027A1; EP3745427A1

Abstract

本发明涉及一种电力电缆，尤其涉及一种超高压电力电缆。具体而言，本发明涉及一种电力电缆，所述电力电缆具有由绝缘材料构成的绝缘层，所述绝缘材料环保并且耐热性和机械强度优异，同时与这些物理性质具有权衡关系(trade‑off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、耐寒性、铺设性和作业性等优异，尤其是，通过基于所述绝缘材料特性精确调节绝缘层厚度来进一步提高电缆的寿命、基于柔韧性和铺设性的作业性等。

Description

电力电缆

技术领域

本发明涉及一种电力电缆，尤其涉及一种45kV以上且600kV以下的超高压电力电缆。具体而言，本发明涉及一种电力电缆，所述电力电缆具有由绝缘材料构成的绝缘层，所述绝缘材料环保并且耐热性和机械强度优异，同时与这些物理性质具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、耐寒性、铺设性和作业性等优异，尤其是，通过基于所述绝缘材料特性精确调节绝缘层厚度来进一步提高电缆的寿命、基于柔韧性和铺设性的作业性等。

背景技术

一般的电力电缆可以包括导体和包围所述导体的绝缘层，尤其是，在高电压电力电缆或超高电压电力电缆的情况下，在所述导体和所述绝缘层之间还可以包括内部半导电层、包围所述绝缘层的外部半导电层以及包围所述外部半导电层的护套层等。

近年来，随着不断增加的电力需求，需要开发出大容量电缆，为此，目前需要用于制造机械特性和电特性优异的绝缘层的绝缘材料。

以往，作为构成所述绝缘材料的基材树脂，通常使用对聚乙烯、乙烯-丙烯弹性共聚物(EPR)、乙烯-丙烯-二烯共聚物(EPDM)等聚烯烃系高分子进行交联的树脂。这是因为，这种以往的交联树脂甚至在高温下也能保持优异的柔韧性和令人满意的电强度和机械强度等。

但是，用作构成绝缘材料的基材树脂的所述交联聚乙烯(XLPE)等是交联形态，因此，如果包括由所述交联聚乙烯等树脂制造的绝缘层的电缆等达到使用寿命，则不能再生利用构成所述绝缘层的树脂而只能通过焚烧来废弃，因此并不环保。

另外，在使用聚氯乙烯(PVC)作为护套层的材料的情况下，难以从构成所述绝缘材料的交联聚乙烯(XLPE)等中分离聚氯乙烯，从而具有在焚烧时产生有毒的氯化物等而不环保的缺点。

另一方面，对于非交联形态的高密度聚乙烯(HDPE)或低密度聚乙烯(LDPE)而言，如果包含由此制造的绝缘层的电缆等达到使用寿命，则能够再生利用构成所述绝缘层的树脂等，因此环保，但是与交联形态的聚乙烯(XLPE)相比，具有耐热性差从而因低运行温度而其用途非常受限的缺点。

另一方面，高分子本身的熔点为160℃以上，即使不交联也具有优异的耐热性，因此可以考虑将环保的聚丙烯树脂用作基材树脂。然而，对于所述聚丙烯树脂而言，由于其高刚性(rigidity)带来的柔韧性、弯曲性(flexibility)等不充分，在包含由此制造的绝缘层的电缆的铺设作业时，存在作业性下降且其用途受限的问题。

因此，目前迫切需求一种电力电缆，所述电力电缆不仅环保且制造费用低廉，而且能够同时满足耐热性和机械强度以及与这些具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、耐寒性、铺设性和作业性等。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的目的在于，提供一种环保的电力电缆。

另外，本发明的目的还在于，提供一种具有绝缘层的电力电缆，所述绝缘层能够同时满足耐热性和机械强度以及与这些具有权衡关系(trade-off)的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、耐寒性、铺设性和作业性等。

并且，本发明的目的在于，提供一种电力电缆，通过基于绝缘材料特性精确调节绝缘层厚度来进一步提高电缆的寿命、基于柔韧性和铺设性的作业性等。

解决问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明提供一种电力电缆，包括导体和包围所述导体的绝缘层，所述电力电缆的特征在于，

所述绝缘层由包含异相聚丙烯树脂的绝缘组合物形成，按照标准ASTM D790在常温下对由所述绝缘组合物形成的绝缘试样测定的弯曲模量为50至1200MPa，并且按照下述数学式1求出的二甲苯不溶性为10％以下，

[数学式1]

二甲苯不溶性＝(在二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量/溶出前的绝缘试样的质量)×100，

在所述数学式1中，在所述二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是将0.3g的绝缘试样浸泡于二甲苯溶剂之后，在150℃以上的温度煮沸6小时，接着冷却至常温之后取出绝缘试样，再次在150℃的烘箱中进行干燥直至溶剂完全干燥之后所测定的绝缘试样的质量。

在所述电缆中，绝缘层的厚度为按照下述数学式2求出的t_min的5.5至84.0倍，

[数学式2]

t_min＝2.5Uo/对绝缘试样的绝缘击穿电场，

在所述数学式2中，Uo是按照标准IEC 60840的电压测试的标准电压，所述对绝缘试样的绝缘击穿电场是在将电极接触到多个所述绝缘试样中的每个绝缘试样的两端之后施加电压，在对多个所述绝缘试样的绝缘击穿概率为63.2％时施加的电压所对应的电场(kV/mm)。

在此，提供一种电力电缆，其特征在于，所述异相聚丙烯树脂在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物。

另外，提供一种电力电缆，其特征在于，所述结晶相聚丙烯基质包含丙烯均聚物或丙烯共聚物，或者所述结晶相聚丙烯基质同时包含所述丙烯均聚物和所述丙烯共聚物。

此外，提供一种电力电缆，其特征在于，所述橡胶相丙烯共聚物包含选自由乙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚炔以及1-辛烯等C_4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体。

发明效果

本发明的电力电缆由于采用非交联丙烯聚合物作为绝缘层材料，因此表现出，环保并且耐热性和机械强度优异，同时能够同时满足与这些具有权衡关系的柔韧性、弯曲性、耐冲击性、耐寒性、铺设性和作业性等的优异效果。

另外，本发明的电力电缆表现出，通过基于绝缘材料特性的绝缘层厚度精密控制来进一步提高电缆的寿命、基于柔韧性和铺设性的作业性等的优异效果。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的电力电缆的一实施例的横截面结构的图。

图2是示意性地示出图1所示的电力电缆的纵截面结构的图。

具体实施方式

以下，对本发明的优选实施例进行详细说明。但是，本发明不限于在此说明的实施例，并且还可以以其他方式实施。相反，在此介绍的实施例是为了能够使公开的内容彻底和完整，并且是为了向本技术领域的技术人员充分传递本发明的思想而提供的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。

图1和图2是分别示出本发明的电力电缆的一实施例的横截面结构和纵截面结构的图。

如图1和图2所示，本发明的电力电缆可以包括：导体10，由铜、铝等导电性物质构成；绝缘层30，由绝缘性高分子等构成；内部半导电层20，包围所述导体10，去除所述导体10和所述绝缘层30之间的空气层，起到缓解局部电场集中等的作用；外部半导电层40，起到电缆的屏蔽作用和使绝缘层30形成均匀的电场；以及护套层50，用于保护电缆，等。

所述导体10、绝缘层30、半导电层20、40以及护套层50等的规格可以因电缆的用途、传输电压等的不同而不同，构成所述绝缘层30、所述半导电层20、40以及所述护套层50的材料可以相同或不同。

从提高电力电缆的柔韧性、弯曲性、铺设性和作业性等方面来看，所述导体10可以由多个裸线绞合而成的绞线构成，尤其是可以包括通过多个裸线沿所述导体10的圆周方向排列而形成的多个导体层。

本发明的电力电缆的绝缘层30可以由包含非交联热塑性树脂的绝缘组合物形成，所述非交联热塑性树脂包含聚丙烯共聚物，例如包含两种以上的相、具体而言包含结晶相和橡胶相树脂的异相聚丙烯共聚物，具体而言在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物的异相聚丙烯树脂。

在此，所述结晶相聚丙烯基质可以包括丙烯均聚物和/或丙烯共聚物，优选可以包括丙烯均聚物，更优选可以仅包括丙烯均聚物。所述丙烯均聚物是指，以单体总重量为基准，99重量％以上，优选为99.5重量％以上的丙烯的聚合而形成的聚丙烯。

所述结晶相聚丙烯基质可以在常规的立体异构齐格勒-纳塔催化剂、茂金属催化剂、限制几何催化剂、其他有机金属或配位催化剂的条件下聚合，优选可以在齐格勒-纳塔催化剂或茂金属催化剂的条件下聚合。在此，所述茂金属是环戊二烯和过渡金属以夹层结构结合的新的有机金属化合物、即双(环戊二烯基)金属的总称，最简单的结构的通式为M(C₅H₅)₂(其中，M为Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Ru、Zr、Hf等)。在所述茂金属催化剂条件下聚合的聚丙烯的催化剂残留量低至约200至700ppm，因此能够抑制或者最小化因所述催化剂残留量导致的包含所述聚丙烯的绝缘组合物的电特性的降低。

另一方面，在所述结晶相聚丙烯基质内分散的橡胶相丙烯共聚物实质上为无定形。所述橡胶相丙烯共聚物可以包含选自由乙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚炔、1-辛烯等C_4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体。

所述橡胶相丙烯共聚物可以是单体丙烯-乙烯橡胶(PER)或丙烯-乙烯-二烯橡胶(EPDM)。

在本发明中，所述橡胶相丙烯共聚物的粒子尺寸可以是微米级或纳米级。所述橡胶相丙烯共聚物的所述粒子尺寸能够确保所述橡胶相丙烯共聚物在所述结晶相聚丙烯基质中的均匀分散，并且能够改善包含所述橡胶相丙烯共聚物的绝缘层的冲击强度。并且，所述粒子尺寸能够减小由所述粒子引起的龟裂的风险因素，同时能够提高阻止已形成的龟裂或裂纹的可能性。

尽管所述异相聚丙烯树脂是非交联形态，但是因其自身的高熔点而发挥充分的耐热性，因此不仅能够提供改善了连续使用温度的电力电缆，而且由于是非交联形态，因此显示出能够再生利用等的优异的环保效果。相反，以往的交联形态的树脂难以再生利用，从而不仅不环保，而且如果在形成绝缘层30时过早发生交联结合或焦烧(scorch)，则可能会引起长期的挤出性能下降，例如不能发挥均匀的生产能力等。

在本发明中，形成所述绝缘层30的绝缘组合物还可以包含成核剂(nucleatingagent)。所述成核剂可以是山梨醇系成核剂。即，所述成核剂作为山梨醇系成核剂，例如，可以是1,3:2,4-双(3,4-二甲基二苄基)山梨醇(1,3:2,4-Bis(3,4-dimethyldibenzylidene)Sorbitol)、双(对甲基二苄基)山梨醇(Bis(p-methyldibenzylidene)Sorbitol)、取代的二苄基山梨醇(Substituted Dibenzylidene Sorbitol)、这些的混合物。

所述成核剂即使在电缆的挤出工序中不进行骤冷，也能促进所述非交联热塑性树脂的固化，从而不仅能够提高电缆的生产率，而且通过将固化所述非交联热塑性树脂时生成的结晶的尺寸限制为较小，优选限制为1至10μm，从而能够提高所制造出的绝缘层的电特性，此外，通过形成多个生成所述结晶的结晶化部位来增加结晶度，从而发挥同时提高所述绝缘层的耐热性、机械强度等的优异效果。

所述成核剂的熔融温度高，因此需要在约230℃的高温下进行注塑加工和挤出加工，并且优选将两种以上的山梨醇系成核剂组合后使用。在将两种以上的互不相同的山梨醇系成核剂组合后使用的情况下，成核剂的表达性在低温下也能提高。

以所述非交联热塑性树脂100重量份为基准，可以包含0.1至0.5重量份的所述成核剂。在所述成核剂的含量小于0.1重量份的情况下，由于大结晶尺寸，例如，超过10μm的结晶尺寸和不均匀的结晶分布而使所述非交联热塑性树脂及包含所述非交联热塑性树脂的绝缘层的耐热性、电强度和机械强度可能会下降，相反，在所述成核剂的含量超过0.5重量份的情况下，由于过小的结晶尺寸，例如，小于1μm的结晶尺寸而使所述结晶和所述树脂的无定形部分之间的表面界面面积增加，从而所述非交联热塑性树脂和包含所述非交联热塑性树脂的绝缘层的交流绝缘击穿(AC dielectric breakdown；ACBD)特性、脉冲(impulse)特性等可能会下降。

在本发明中，形成所述绝缘层30的绝缘组合物还可以包括绝缘油。

所述绝缘油可以使用矿物油、合成油等。尤其是，所述绝缘油可以使用由二苄基甲苯、烷基苯、烷基二苯乙烷这样的芳香族碳氢化合物构成的芳香族系油；由链烷烃系碳氢化合物构成的链烷烃系油；由环烷烃系碳氢化合物构成的环烷烃系油；以及硅油等。

另一方面，以所述非交联热塑性树脂100重量份为基准，所述绝缘油的含量可以是1至10重量份，优选可以是1至7.5重量份，当所述绝缘油的含量超过10重量份的情况下，在导体10上形成绝缘层30的挤出过程中，会发生所述绝缘油溶出的现象，从而可能会引起电缆的加工变得困难的问题。

如前所述，所述绝缘油通过进一步改善以因高刚性(rigidity)而柔韧性(flexibility)稍差的聚丙烯树脂作为基材树脂的绝缘层30的柔韧性、弯曲性等，从而使电缆的铺设作业变得容易，同时表现出保持或改善所述聚丙烯树脂本质上具有的优异的耐热性、机械特性和电特性的优异效果。尤其是，当所述聚丙烯树脂在茂金属催化剂下聚合时，所述绝缘油表现出补充因较窄的分子量分布而有所下降的作业性的优异效果。

在本发明中，对形成所述绝缘层30的绝缘组合物而言，由所述绝缘组合物形成的绝缘试样在常温下的弯曲模量为50至1200MPa(按照标准ASTM D790测定)，优选为200至1000MPa，二甲苯不溶性(Xylene Insolubility)可以是10％以下。

在此，按照标准ASTM D790测定的弯曲模量，可以通过如下的方式进行测定，将长方体形状的绝缘试样放置于两个支撑台上，并且在所述两个支撑台之间的所述绝缘试样的中间部分施加荷重，同时测定绝缘试样表面发生破裂时的荷重或者出现5.0％的变形时施加的荷重。另外，所述绝缘试样在常温下的弯曲模量小于50MPa的情况下，所述绝缘层30的耐热性、机械特性等可能会不充分，相反，在弯曲模量超过1200MPa的情况下，所述绝缘层30的柔韧性、耐寒性、铺设性以及作业性等可能会显著下降。

另一方面，所述二甲苯不溶性(Xylene Insolubility)可以通过如下的数学式1进行计算。

[数学式1]

二甲苯不溶性＝(在二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量/溶出前的绝缘试样的质量)×100

在所述数学式1中，在二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是将0.3g的绝缘试样浸泡于二甲苯溶剂之后，在150℃以上的温度煮沸6小时，接着冷却至常温后取出绝缘试样，再次在150℃的烘箱中进行干燥直至溶剂完全干燥之后所测定的绝缘试样的质量。

即，在二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量相当于在该绝缘试样中除去向二甲苯溶剂溶出的橡胶相聚丙烯共聚物之后剩余的结晶相聚丙烯基质、其他添加剂的总质量，因此，在所述二甲苯不溶性超过10％的情况下，即在所述绝缘试样内的结晶相部分的含量过多的情况下，所述绝缘层30的柔韧性、耐寒性、铺设性以及作业性等可能会显著下降。

在本发明中，在形成所述绝缘层30的绝缘组合物的弯曲模量和二甲苯不溶性满足如前所述的范围为前提下，所述绝缘层30的厚度能够通过a×t_min精确设计，其中，a为5.5至84.0，t_min可以通过下述数学式2来进行定义。

[数学式2]

t_min＝2.5Uo/对绝缘试样的绝缘击穿电场

在所述数学式2中，

如下述表1所示，Uo是按照标准IEC 60840的电压测试的标准电压，对绝缘试样的绝缘击穿电场是在将电极接触到从电缆的绝缘层采取的多个绝缘试样，例如20个绝缘试样中的每个试样的两端之后施加电压，并且在对多个绝缘试样的绝缘击穿概率为63.2％时施加的电压所对应的电场(kV/mm)。

[表1]

在本发明中，在电缆的绝缘层30的厚度超过如前所述的a×t_min的情况下，电缆绝缘层的厚度过厚而会使电缆的铺设性、作业性等不必要地下降，相反，在电缆的绝缘层30的厚度小于a×t_min的情况下，因电缆绝缘层的绝缘耐力不足而可能会产生因绝缘击穿引起的寿命缩短的问题。

Claims

1.一种电力电缆，包括导体和包围所述导体的绝缘层，所述电力电缆的特征在于，

所述绝缘层由包含异相聚丙烯树脂的绝缘组合物形成，

按照标准ASTM D790在常温下对由所述绝缘组合物形成的绝缘试样测定的弯曲模量为50至1200MPa，并且按照下述数学式1求出的二甲苯不溶性为10％以下，

数学式1：

在所述数学式1中，在所述二甲苯溶剂中溶出后的绝缘试样的质量是将0.3g的绝缘试样浸泡于二甲苯溶剂之后，在150℃以上的温度煮沸6小时，接着冷却至常温之后取出绝缘试样，再次在150℃的烘箱中进行干燥直至溶剂完全干燥之后所测定的绝缘试样的质量，

数学式2：

t_min＝2.5Uo/对绝缘试样的绝缘击穿电场，

在所述数学式2中，Uo是按照标准IEC 60840的电压测试的标准电压，所述对绝缘试样的绝缘击穿电场是在将电极接触到多个所述绝缘试样中的每个绝缘试样的两端之后施加电压，在对多个所述绝缘试样的绝缘击穿概率为63.2％时施加的电压所对应的电场，其中，所述电场的单位为kV/mm。

2.根据权利要求1所述的电力电缆，其特征在于，

所述异相聚丙烯树脂在结晶相聚丙烯基质内分散有橡胶相丙烯共聚物。

3.根据权利要求2所述的电力电缆，其特征在于，

所述结晶相聚丙烯基质包含丙烯均聚物或丙烯共聚物，或者所述结晶相聚丙烯基质同时包含所述丙烯均聚物和所述丙烯共聚物。

4.根据权利要求2所述的电力电缆，其特征在于，

所述橡胶相丙烯共聚物包含选自由乙烯、1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-庚炔以及1-辛烯等C_4-12α-烯烃构成的组中的一种以上的共聚单体。