CN120413150A - 一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法，涉及电缆技术领域，包括绝缘层，其含设于导体屏蔽层与绝缘屏蔽层间的绝缘件，绝缘件设多个连通绝缘屏蔽层的限位孔，限位孔内填充相变件，其能够将绝缘层内侧热量传至外侧，且能随电缆温度在固液相间转变以填补绝缘层与绝缘屏蔽层间气隙。本发明通过在绝缘件上开设多个限位孔并在限位孔内填入低温能够发生相变的相变件，通过相变件的导热能力缩小绝缘件两侧的温差，从而避免绝缘件因两侧温差过大出现电荷聚集的问题，同时通过相变件的相变对绝缘件与绝缘屏蔽层之间出现的分离或气隙进行填补。

Description

一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，特别涉及一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法。

背景技术

全球对清洁能源需求增加，柔性直流输电技术是未来电力传输重要方向。它用于远距离电力输送、海上风电等领域，其采用直流输电，相比交流输电，有传输效率高、电能损耗低、占地小等优势，能解决电能损耗和电压稳定问题。目前中高压输电常用交联聚乙烯绝缘电缆，但其交联工艺复杂、能耗大、难回收，热稳定性不理想，限制直流电缆功率容量提升。所以，研发高电压、大容量、热稳定性高的环保型直流电缆意义重大。

申请号为2022106304433的中国专利公开了一种1.5kV直流电缆及其制备方法；包括单股或多股缆芯、护套层以及填充缆芯与护套层之间空隙的填充层；缆芯包括导体，以及从内向外依次设置在导体外的内绝缘层、电荷分散层、外绝缘层、电荷消除层以及辅消层；电荷消除层挤塑在外绝缘层外，其截面形状由若干规则的盆式锯齿沿缆芯圆周均匀分布组成，盆式锯齿的盆顶的高度与盆底的长度之比为1:1，盆顶与盆底的每个连接处为圆弧角过渡。上述发明的电荷消除层的盆式锯齿外侧面可减小外绝缘层表面电场强度法向分量，有效抑制外绝缘层的表面电荷积聚。缆芯由多层绝缘性能好的材质制成；能有效提高绝缘效果，延长电缆的使用寿命，保证电缆的长期稳定运行，实现电能的可靠传输。

类似上述现有技术，在解决聚丙烯绝缘高压直流电缆使用过程中产生的空间电荷聚集问题时，采用由若干规则的盆式锯齿状的电荷消除层，对聚集的电荷进行消除，但导体缆芯）因电阻损耗发热，导致绝缘层内侧温度显著高于外侧而绝缘材料电导率随温度升高呈指数增长，高温侧电荷迁移快，低温侧电荷滞留形成积累，仍会导致电荷聚集。

并且，由于高压直流电缆在远距离输电时，通常埋设在地下或水下，电缆线芯外部的保护层在长期受力下会形变从而导致内部多个绝缘层之间气隙增大，气隙导致绝缘层整体介电常数不均匀，介质损耗增大，长期运行中热量积累加速绝缘老化。

因此，发明一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚丙烯绝缘高压直流电缆及其生产方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种聚丙烯绝缘高压直流电缆，包括缆芯，所述缆芯外侧依次套设导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层和防护层；

所述绝缘层含设于导体屏蔽层与绝缘屏蔽层间的绝缘件，所述绝缘件设多个连通绝缘屏蔽层的限位孔，所述限位孔内填充相变件，其能够将绝缘层内侧热量传至外侧，且能随电缆温度在固液相间转变以填补绝缘层与绝缘屏蔽层间气隙。

优选地，所述限位孔远离绝缘屏蔽层的一端伸入绝缘件内且不贯穿绝缘件，以保证绝缘件与导体屏蔽层的连接强度不被破坏。

优选地，所述相变件由一种在温度升高后能够从固相变为液相且体积增大的绝缘物质组成，所述缆芯由多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合而成的绞合导体。

优选地，所述导体屏蔽层由一种半导电材料挤包而成，所述导体屏蔽层紧密包裹在缆芯的外侧，对缆芯绞合缝隙进行填充并形成内半导电层。

优选地，所述绝缘件采用纳米改性聚丙烯复合材料组成。

优选地，所述绝缘屏蔽层由一种半导电材料挤包而成，其能将电缆绝缘表面电荷均匀分散开来，降低绝缘表面电场强度。

优选地，防护层包括依次套设在绝缘屏蔽层外侧的半导电阻水带、铝塑复合带、护套、电磁屏蔽层和铠装层，所述半导体阻水带、铝塑复合带和护套共同组成综合防水层。

优选地，所述电磁屏蔽层包括铜丝和铜带屏蔽层，多个所述铜丝缠绕在护套外侧，所述铜带屏蔽层包裹在铜丝的外侧。

本发明还提供了一种聚丙烯绝缘高压直流电缆的生产方法，该方法用于制造上述的高压直流电缆，包括以下步骤：

S1、制备缆芯，将多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合得到缆芯；

S2、将S1得到的缆芯外依次挤包导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层；

S3、在所述绝缘屏蔽层外依次绕包所述半导电阻水带、纵包所述铝塑复合带、挤包所述护套，形成综合防水层；

S4、在所述综合防水层外侧依次套设电磁屏蔽层和铠装层。

优选地，在S2中，在将绝缘层固定在缆芯外侧之前，先将多个相变件填充在限位孔内，随后在缆芯的外侧依次挤包导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层。

本发明的技术效果和优点：

1.本发明通过在绝缘件上开设多个限位孔并在限位孔内填入低温能够发生相变的相变件，一方面在电缆铺设安装时，通过柔性的相变件，为该电缆的绝缘层提供缓冲，从而避免该电缆绝缘层之间出现分离或气隙，影响使用的问题；另一方面，通过相变件的导热能力缩小绝缘件两侧的温差，从而避免绝缘件因两侧温差过大出现电荷聚集的问题，同时通过相变件的相变对绝缘件与绝缘屏蔽层之间出现的分离或气隙进行填补。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明绝缘层结构示意图。

图3为本发明电缆局部结构剖视图。

图4为本发明电缆局部另一状态结构剖视图。

图5为本发明图4中A处机构结构示意图。

图中：1、缆芯；2、导体屏蔽层；3、绝缘层；31、绝缘件；32、限位孔；33、相变件；4、绝缘屏蔽层；5、半导电阻水带；6、铝塑复合带；7、护套；8、电磁屏蔽层；9、铠装层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为克服现有的聚乙烯电缆产品无法在高温、高场强下稳定运行要求的问题，以及聚乙烯材料难以回收再利用的问题。

图1至图5所示，在本发明的第一实施例中提供了一种聚丙烯绝缘高压直流电缆，包括缆芯1，缆芯1外侧依次套设导体屏蔽层2、绝缘层3、绝缘屏蔽层4和防护层。

在本实施中，缆芯1由多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合而成的绞合导体。

在本实施中，导体屏蔽层2由一种半导电材料挤包而成，导体屏蔽层2紧密包裹在缆芯1的外侧，对缆芯1绞合缝隙进行填充并形成内半导电层，其能够有效防止因导体表面不光滑或线芯绞合产生的气隙导致的电场集中，进而降低电缆绝缘的耐压水平，影响电缆的使用寿命。

在本实施例中，绝缘层3主体采用纳米改性聚丙烯复合材料，保留聚丙烯击穿场强、体积电阻率等绝缘性能优良的特点，同时提高聚丙烯的刚性和模量低、易老化的不足。

在本实施例中，绝缘屏蔽层4由一种半导电材料挤包而成的，其能将电缆绝缘表面电荷均匀分散开来，降低绝缘表面电场强度，减少局部放电风险。

在本实施例中，防护层包括依次套设在绝缘屏蔽层4外侧的半导电阻水带5、铝塑复合带6、护套7、电磁屏蔽层8和铠装层9，半导电阻水带5、铝塑复合带6和护套7共同组成综合防水层。

在本实施例中，半导电阻水带5具体是一种绕包阻水型半导电带构成，铝塑复合带6采用纵包的方式缠绕在电缆上，导电阻水带5能够防止内部的绝缘受到损伤；而铝塑复合带6与高密度聚乙烯构成的护套7粘结在一起，从而提高该电缆的纵向阻水效果。

在本实施例中，电磁屏蔽层8包括铜丝和铜带屏蔽层，多个铜丝缠绕在护套7外侧，铜带屏蔽层包裹在铜丝的外侧既能隔绝电缆外部的干扰，同时还能起到故障电流的能力，提高电缆的安全性，同时也能承受拉力和压力，对电缆线芯起到保护作用。

然而，在实际使用时技术人员发现，虽然通过改性聚丙烯代替传统的聚乙烯作为电缆的主绝缘材料，能够克服现有电缆无法在高温、高场强下稳定运行要求的问题，以及聚乙烯材料难以回收再利用的问题，但由于该电缆为高压直流电缆，在使用过程中，缆芯1因电阻损耗发热，且由于聚丙烯的隔热特性，导致绝缘层3内侧温度显著高于外侧而聚丙烯的电导率随温度升高呈指数增长，高温侧电荷迁移快，低温侧电荷滞留形成积累，仍会导致电荷聚集；并且，由于高压直流电缆在远距离输电时，通常埋设在地下或水下，电缆线芯外部的保护层在长期受力下会形变从而导致内部多个绝缘层之间气隙增大，气隙导致绝缘层3整体介电常数不均匀，介质损耗增大，长期运行中热量积累加速绝缘老化。

因此为解决上述问题，在本发明的另一实施例中，该装置还包括：绝缘层3含设于导体屏蔽层2与绝缘屏蔽层4间的绝缘件31，绝缘件31设多个连通绝缘屏蔽层4的限位孔32，限位孔32内填充相变件33，其能够将绝缘层3内侧热量传至外侧，且能随电缆温度在固液相间转变以填补绝缘层3与绝缘屏蔽层4间气隙。

需要说明的是，相变件33的材质可以是类似石蜡等能够低温状态下由固相转变为液相且由固相变为液相时体积增大的绝缘材料。

在本实施中，限位孔32远离绝缘屏蔽层4的一端伸入绝缘件31内且不贯穿绝缘件31，以保证绝缘件31与导体屏蔽层2的连接强度不被破坏，相变件33由一种在温度升高后能够从固相变为液相且体积增大的绝缘物质组成。

为便于说明，此处以石蜡或改性石蜡作为相变件33的主要构成材料为例进行举例说明，在使用时，当在缆芯1外侧依次安装导体屏蔽层2、绝缘层3和绝缘屏蔽层4时，此时由于缆芯1未处于输电状态，因此缆芯1的温度与环境温度相同，在此温度下相变件33保持固相状态，而由于相变件33的硬度低于绝缘件31的硬度，因此在电缆安装铺设过程中，若需要对电缆进行弯曲或拖拽，此部分的相变件33能够顺应拖拽力或弯曲力为绝缘层3提供柔性缓冲，从而避免绝缘层3与导体屏蔽层2或绝缘屏蔽层4分离产生气隙的问题。

而当该电缆完成组装后，投入使用时，此时缆芯1处于输电状态，缆芯1因电阻损耗发热，并将热量通过导体屏蔽层2向绝缘层3方向传递，在此状态下由于相变件33设置在绝缘件31内，且石蜡的导热能力高于聚丙烯的导热能力，因此相变件33能够将靠近缆芯1一侧的绝缘件31的热量进行吸收，并向远离缆芯1的一侧进行传递，一方面提高了该装置的散热效果，另一方面通过石蜡的热传递改善绝缘件31两侧的温差，从而避免绝缘件31两侧温差过大，导致电场畸形引发电荷聚集的问题。

如图4所示，而在相变件33吸热的过程中，由于相变件33由类似石蜡的材质组成，其相变温度较低，因此相变件33在吸热过程中，能够由固相变为液相且体积增大，此时，若绝缘屏蔽层4与绝缘件31之间仍处于紧密贴合状态不存在气隙或气隙过小，则会使液态的相变件33被压缩，而若此时绝缘屏蔽层4与绝缘件31之间存在气隙或产生分离，则液态的相变件33能够向气隙较大处或分离处进行移动，从而保证绝缘屏蔽层4与绝缘件31的贴合度，有效避免了绝缘件31整体介电常数不均匀，介质损耗增大，长期运行中热量积累加速绝缘件31老化的问题。

并且通过在绝缘件31上设置多个限位孔32并在限位孔32内填充相变件33，使得绝缘件31整体呈盆式锯齿其外侧面可减小外绝缘件31表面电场强度法向分量，有效抑制外绝缘件31的表面电荷积聚，使绝缘件31表面的电场强度法向分量达到最小，尽可能地减少表面电荷积聚。

在本发明的另一实施例中，还提供了一种聚丙烯绝缘高压直流电缆的生产方法，该方法用于制造上述的高压直流电缆，包括以下步骤：

S1、制备缆芯1，将多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合得到缆芯1。

S2、将S1得到的缆芯1外依次挤包导体屏蔽层2、绝缘层3和绝缘屏蔽层4。

S3、在绝缘屏蔽层4外依次绕包半导电阻水带5、纵包铝塑复合带6、挤包护套7，形成综合防水层。

S4、在综合防水层外侧依次套设电磁屏蔽层8和铠装层9。

在本实施例中的S2中，在将绝缘层3固定在缆芯1外侧之前，先将多个相变件33填充在限位孔32内，随后在缆芯1的外侧依次挤包导体屏蔽层2、绝缘层3和绝缘屏蔽层4。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚丙烯绝缘高压直流电缆，包括缆芯，其特征在于，所述缆芯外侧依次套设导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层和防护层；

所述绝缘层含设于导体屏蔽层与绝缘屏蔽层间的绝缘件，所述绝缘件设多个连通绝缘屏蔽层的限位孔，所述限位孔内填充相变件，其能够将绝缘层内侧热量传至外侧，且能随电缆温度在固液相间转变以填补绝缘层与绝缘屏蔽层间气隙。

2.根据权利要求1所述的高压直流电缆，其特征在于，所述限位孔远离绝缘屏蔽层的一端伸入绝缘件内且不贯穿绝缘件，以保证绝缘件与导体屏蔽层的连接强度不被破坏。

3.根据权利要求2所述的高压直流电缆，其特征在于，所述相变件由一种在温度升高后能够从固相变为液相且体积增大的绝缘物质组成，所述缆芯由多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合而成的绞合导体。

4.根据权利要求3所述的高压直流电缆，其特征在于，所述导体屏蔽层由一种半导电材料挤包而成，所述导体屏蔽层紧密包裹在缆芯的外侧，对缆芯绞合缝隙进行填充并形成内半导电层。

5.根据权利要求4所述的高压直流电缆，其特征在于，所述绝缘件采用纳米改性聚丙烯复合材料。

6.根据权利要求5所述的高压直流电缆，其特征在于，所述绝缘屏蔽层由一种半导电材料挤包而成，其能将电缆绝缘表面电荷均匀分散开来，降低绝缘表面电场强度。

7.根据权利要求6所述的高压直流电缆，其特征在于，防护层包括依次套设在绝缘屏蔽层外侧的半导电阻水带、铝塑复合带、护套、电磁屏蔽层和铠装层，所述半导电阻水带、铝塑复合带和护套共同组成综合防水层。

8.根据权利要求7所述的高压直流电缆，其特征在于，所述电磁屏蔽层包括铜丝和铜带屏蔽层，多条所述铜丝缠绕在护套外侧，所述铜带屏蔽层包裹在铜丝的外侧。

9.一种聚丙烯绝缘高压直流电缆的生产方法，该方法用于制造如权利要求8的高压直流电缆，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备缆芯，将多根无氧铜单线按一定的规则，相邻层绞向相反，绞合得到缆芯；

S2、将S1得到的缆芯外依次挤包导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层；

S3、在所述绝缘屏蔽层外依次绕包所述半导电阻水带、纵包所述铝塑复合带、挤包所述护套，形成综合防水层；

S4、在所述综合防水层外侧依次套设电磁屏蔽层和铠装层。

10.根据权利要求9所述的高压直流电缆的生产方法，其特征在于，在S2中，在将绝缘层固定在缆芯外侧之前，先将多个相变件填充在限位孔内，随后在缆芯的外侧依次挤包导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层。