CN1124868A - 一种改进了介电强度的电力电缆 - Google Patents

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Abstract

一种改进了介电强度的电力电缆，它包括一电气线芯的用以绝缘线芯的第一聚合物介电层，第一聚合物介电层是由绝缘聚合物基质和在所述聚合物基质中包含一定重量浓度的至少一种导电聚合物来构成，使得第一层的最后电气导电率对于DC为小于10-14S/cm，对于AC为小于10-10S/cm。

Description

一种改进了介电强度的电力电缆
本发明涉及用于DC或AC的高压电力电缆，特别是涉及一种改进了介电强度的电力电缆。
该电力电缆包括聚合物绝缘，其最好是挤出的。通常，绝缘是由外半导电屏蔽层覆盖，并且其覆盖内半导电屏蔽层，而其本身又覆盖电缆的导电线芯。聚合物绝缘具有高的固有介电强度，其在电缆上所获得的实际介电强度小于其固有介电强度，这种差异实质上是由于杂质或空隙的存在，它们是将绝缘施加在电缆上之前和/或过程中包含或形成在其中的，由此会导致绝缘中电场的局部集中，
从而会通过电缆的绝缘引起可能的电气故障。
文献JP-A-218811描述了一种带有聚合物绝缘的电力电缆，其中包含有0.2％-1.5％重量的碳黑，其改进就是将绝缘直接施加到电缆的导电线芯上，其所包含的少量碳黑可通过改善电场分布的均匀性来减小由于线芯的不圆整和绝缘内部杂质或空隙而可能出现的电气故障，并由此提高电缆的可靠性。这使绝缘具有轻微的导电性，即其导电率较小但不为零。
该导电率是常数，它直接涉及绝缘中所包含碳黑的固有电气导电率，其典型地为10S/cm-100S/cm，其促使泄漏电流通过绝缘，并增加其介电损耗，这样降低了按改进的方式制成的绝缘固有介电强度，并且由此会降低其在电缆上的实际介电强度，而与是否不规整或内部空隙是否存在无关。
本发明的目的就是提供一种电力电缆，其中聚合物绝缘具有较高的个电强度，并且其可适应任何杂质或空隙，但只是局部地。
本发明提供一种改进了介电强度的DC电力电缆，该电缆包括导电线芯和用以绝缘所述线芯的第一聚合物介电层，电缆的特征在于所述第一介电层是由一绝缘聚合物基质构成，其在所述聚合物基质中至包含一定浓度重量的至少一种导电聚合物，使得所述第一介电层的最后电气导电率小于10-14S/cm。
本发明还提供一种改进了介电强度的AC电力电缆，该电缆包括导电线芯和用以绝缘所述线芯的第一聚合物介电层，电缆的特征在于所述第一介电层是由一绝缘聚合物基质构成，其在所述聚合物基质中至少包含一定浓度重量的至少一种导电聚合物，使得所述第一介电层的最后电气导电率小于10-10S/cm。
本发明的特征和优点将参照附图进行下列描述，在附图中：
图1是本发明电力电缆的截面图；和
图2是图1电缆的一种不同实施例的截面图。
按最初的说明，人们将会看到，这里所给出的电气导电率数值都是室温数值。
图1所示电缆包括由导电扭绞线制成的导电线芯1，并且它完全等价于由单根导体制成的线芯，它由内半导电屏蔽导2绕包，而内屏蔽层本身由绝缘介电层3绕包，接着再绕包外半导电屏蔽层4。护套5绕包外半导电屏蔽层4并用以保护电缆，特别是，它可由铅或铅合金制成，它可以是绝缘的，在这种情况下，其最好与金属接地屏蔽联接用以直接地放在绝缘下面。
按照本发明，在该电缆中，绝缘介电层3可由绝缘聚合物基质构成，其中至少包含一定浓度重量的一种导电聚合物，使得介电层3的最后电气导电率对于DC为小于10-14S/cm，对于AC为小于10-10/Scm。
依照导电聚合物类型，它可氯含较小的量，在本发明电缆中的层3表现出电气导电率和介电常数二者大体上存在故障时在局部都会有所增加，并且按照各位置上故障的作用会从一个位置变化到另一个位置上。
因此，所说的介电层3依照其出现的各种故障可以是局部自适应的，由此，其可用于均化整个电缆长度上贯穿的电场分布，从而减少由于故障引起的击穿危险。
举个例子，导电聚合物可以是非掺杂、去掺杂或自掺杂聚合物。
非掺杂导电聚合物是一种聚合物，它的合成不需要添加掺杂剂，如由苯胺和苯醌经缩聚反应获得的聚苯胺，或聚乙炔，其中聚合是借助于齐格勒-那塔型催化剂来开始的。
自掺杂导电聚合物是通过在合成过程中接合掺杂剂而获得的聚合物，如聚苯胺在环上接合砜基团。
去掺杂导电聚合物是一种合物，其在合成过程中掺杂，如采用盐酸来处理聚苯胺，然后就去掺杂，即通过适当方法去除所述酸。
为了获得本发明固有导电率，在使用自掺杂聚合物时，对于DC使用和AC使用二者来说，在介电层3中它的重量浓度不大于约2％重量。当使用非掺杂或去掺杂聚合物时，对于DC使用和AC使用二者来说，在介电层3中它的浓度重量最好不大于约5％重量。
在文献EP-A-0507676中描述了内和外半导电屏蔽层2和4之一或每个的优点，它是通过绝缘聚合物基质和至少一种导电聚合物构成，其中导电聚合物选自非掺杂聚合物和已掺杂然后去掺杂聚合物，其在聚合物基质中含有5％-70％浓度重量，并最好为20％-30％，以便获得具有不大于1S/cm导电率的半导电屏蔽层。
在变型中可获得相同的优点，半导电屏蔽层中的一个或每个可由绝缘聚合物基质和至少一种自掺杂导电聚合物，其特别描述在文献EP-A-0512926中，其中包含在聚合物基质中的导电聚合物的浓度大于5％重量，并最好处于10％-40％重量范围内。
所给出的浓度和导电率是适用于DC和AC的半导电屏蔽层。
介电层3的聚合物基质包括半导电屏蔽2和4的类似物，至少一种热塑性聚合物，其选自丙烯酸，苯乙烯，乙烯和纤维素树脂，聚烯烃，氟聚合物，聚醚，聚酰胺，聚碳酸酯，聚氨酯，硅氧烷，其共聚物，以及均聚物的混合物和均聚物与共聚物的混合物。
特别是，热塑性聚合物可选自聚丙烯(PP)，聚乙烯(PE)，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，乙烯-丙烯二烯系共聚物(EPDM)，聚偏二氟乙烯(PVOF)，乙烯丙烯酸丁酯(EBA)，其均可以是单一的或是以混合物的形式。
在变型中，聚合物基质包括至少一种热固性聚合物，其选自聚酯，环氧树脂和酚醛树脂。
也可用于半导电屏蔽层2和4中的非掺杂或掺杂以及去掺杂聚合物或介电层3的聚合物，其可选自下列组中，包括：聚苯胺，聚硫苯，聚鹿蹄草烯，聚乙炔，聚对亚苯基，聚烷基硫苯，其衍生物，和其混合物。
这些非掺杂和去掺杂聚合物不含离子基团。它们固有的电气导电率在使用DC测量时是很低的，大约10-10S/cm～10-9S/cm。含有不超过5％非掺杂或去掺杂聚合物的介层3的导电率对于DC使用低电场时为约10-14S/cm或更低，而对于AC使用低电场时为约10-10S/cm，即在无任何缺陷时，或存在极小缺陷时，否则都将会降低该层的高介电强度。在高电场下存在缺陷其局部会达到约10-9S/cm，而那只会局部地降低介电强度，并且只有这样来调整缺陷，才可允许高电场分布在这些位置上，才可避免其所导致的击穿危险。
用于半导电屏蔽层2和4的介电层3的自掺杂聚合物或其类似物可选自掺杂聚苯胺，其具有苯环或苯和醌环，其带有接枝链，一部分由烃基构成，它具有2-8碳原子并由至少一个杂原子断开，而另一部分则由强酸作用的或其盐来构成，所述杂原子本身可选自O和S，并且强酸作用的可选自磺酸，膦酸和磷酸或其盐。
这些自掺杂聚合物的固有电气导电率按使用DC来测量平均约为10-3S/cm-10-2S/cm，也可以进行调整，即通过改变两种类型接枝侧链的分子比来使其在10-5S/cm～1S/cm范围内。介电层3的电气导电率，其是由上述聚合物基质并添加有不大于2％重量的所述自掺杂聚合物而构成的，其导电率本身是可以调整的，对于使用DC的低电场下其不大于约10-14S/cm，而对于使用AC的低电场下其不大于约10-10S/cm。访介电强度随着电场的增加而降低。相反，这种介电层的电气导电率和介电常数会随电场而显著增加，由此使其可以承受空间电荷高的局部集中而设有问题，并可分布这些电荷。
在图1的变形中，其在图中未示出，上述介电层3直接绕包在电缆芯上，并直接由护套5包覆，其带有的内和外半导电屏蔽层二者均被删除。
在图2所示的改型实施例中，与图1相同的参考数字表示了与图1相同的部分。
在图2中所示的电缆包括位于导电线芯1和介电层3之间的内介电层7，和位于介电层3和护套5之间的外介电层8。
这两个介电层7和8的每层是由至少一种上述绝缘聚合物基质的聚合物和至少一种包含在所述基质中5％-20％重量浓度的导电聚合物所构成。导电聚合物至少是上述三种类型的导电聚合物中的一种，而最好是只选自非掺杂或去掺杂聚合物，其最好是在不超过20％重量和大于5％重量的浓度下加入到介电层的聚合物基质中。
层7和8的最后电气导电率对于DC使用时为10-14S/cm-1S/cm，而对于交流AC使用时为10-10S/cm-1S/cm。
具有非掺杂或去掺杂聚合物的这些内和外介电层7和8的电气导电率在它们承受高电场时可达到每厘米几西门子。
在图2实施例的改型中，电缆包括象图1一样的两层半导电屏蔽层，内屏蔽层是由内介电层7所覆盖，外屏蔽层覆盖了外介电层8。
在另一种改型中，在图2中用虚线表示，内和外介电层7和8中的一层或两层被再分成若干分层，如7A和7B或8A和8B，每层均具有导电聚合物，其浓度保持在5％-20％重量范围内，而一个分层与另一分层是不同的。在内层7的分层中导电聚合物的浓度由与线芯接触的最内分层7A向外是连续降低的，相反，其浓度是由与介电层3接触的最内分层8A到与护套5相接触的最外分层8B贯穿整个外层8是连续增加的。
内和外介电层7和8，或它们的各分层，如果存在的话，由于它们自身内部的缺陷，也由于导电线芯的不圆整或由于护套的缺陷，在它们承受高电场时，它们会起着内和外半导电屏蔽层的作用，在低电场下它们起着介电层的作用。
对于DC使用来说，分层7A的电气导电率是处于10-9S/cm-1S/cm，分层7B是处于10-14S/cm-10-9S/cm，分层8A处于10-14S/cm-10-9S/cm和分层8B是处于10-9S/cm-1S/cm。
对于AC使用来说，分层7A的电气导电率是处于10-5S/cm-1S/cm，分层7B是处于10-10S/cm-10-5S/cm，分层8A是处于10-10S/cm～10-5S/cm和分层8B是处于10-5S/cm-1S/cm。
由本发明电力电缆所表现的主要优点和其所导致的电力电缆可靠性增加的优点主要包括下列内容：
总的来说增加了电缆的介电强度，这首先是由于电缆介电层的固有介电强度一般保持较高，其次在去除了缺陷的所有区域内最后实际介电强度保持与固有值相等，而只在局部上存有的缺陷也得到改善并随缺陷变化；
在局部可承受的最大电场增加了，在一些现有技术的电力电缆型式中一般高于通常数的约10KV/mm，而在相同类型的电缆中要达到20KV/mm～30KV/mm数值，并且其均可实施；
通过增加电缆的运行高压从而增加了电缆传输电力的可能性；和
对于所给出的电缆性能来说，可以减小绝缘介电层的厚度。
当然，本发明不限于上述的实施例。
特别是，当本发明的电缆包含半导电屏蔽层时，它们可由上述材料或可用现有电缆半导电屏蔽层的其它材料来制成。
另外，本发明的电缆可采用通常同样类型的电缆制造技术来制成。
最后，在图2所示的实施例中，在每层介电层7和8中可以提供多于两层分层的结构形式。

Claims (9)

1.一种改进了介电强度的DC电力电缆，该电缆包括一电气线芯和用以绝缘所述线芯的第一聚合物介电层，该电缆的特征在于，所述第一介电层是由绝缘聚合物基质和在所述基质中包含一定重量浓度的至少一种导电聚合物来构成，使所述第一层的最后电气导电率小于10-14S/cm。
2.一种改进了介电强度的AC电力电缆，该电缆包括一电气线芯和用以绝缘所述线芯的第一聚合物介电层，该电缆的特征在于，所述第一介电层是由绝缘聚合物基质和在所述基质中包含一定重量浓度的至少一种导电聚合物来构成，使所述第一层的最后电气导电率小于10-10S/cm。
3.按照权利要求1或2的电缆，其特征在于所述导电聚合物是一种非掺杂或去掺杂聚合物，其在所述聚合物基质中的浓度不大于约5％重量。
4.按照权利要求1或2的电缆，其特征在于所述导电聚合物是一种自掺杂聚合物，它在所述聚合物基质中的浓度不大于约2％重量。
5.按照权利要求1至4中的任一电缆，其进一步包括位于线芯和第一介电层的内半导电屏蔽层，和位于第一介电层和外护套之间的外半导电屏蔽层，其特征在于所述的每层屏蔽层均是由绝缘聚合物基质并包含一定重量浓度下的导电聚合物来构成，使得所述屏蔽层的电气导电率不大于1S/cm。
6.按照权利要求5的电缆，其特征在于所述导电聚合物是一种非掺杂或去掺杂聚合物，它在所述屏蔽层的所述聚合物基质中的浓度是处于5％-70％重量范围内。
7.按照权利要求5的电缆，其特征在于所述导电聚合物是一种自掺杂聚合物，它在所述屏蔽层的所述聚合物基质中的浓度大于5％重量。
8.按照权利要求1至7中的任一电缆，其特征在于它进一步包括一附加的第二内介电层(7)，其处于所述第一介电层(3)的下面，和一附加外第三介电层(8)，其位于所述第一介层(3)的外面，其各层是由绝缘聚合物基质并含有导电聚合物而构成，其中导电聚合物选自非掺杂聚合物，去掺杂聚合物和自掺杂聚合物，所述第二和第三介电层的电气导电率对于DC使用时为10-14S/cm-1S/cm范围内，对于AC使用时为10-10S/cm～1S/cm范围内。
9.按照权利要求8的电缆，其特征在于至少第二和第三介电层中之一是由多个分层组成，其具有相互不同的导电聚合物浓度，所述浓度是最内分层通过所述第二介电层的连续各分层向外是减小的，而由所述第三介电层的最内分层通过所述第三介电层的连续各分层向外是增加的。
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