CN1302463A - 常温收缩型橡胶单元 - Google Patents
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Abstract
在安装到电缆接续部上时,将形成为与电缆绝缘体(3a)的接触面的表面压力大于0.67kgf/cm2的橡胶单元(1)于先于工厂中在扩径保持件(2)上作扩径支承,于现场除去保持件(2)将橡胶单元(1)安装到超高压电力电缆(3)上。通过使橡胶单元单元(1)的初始嵌合面压大于上述值,即令使用30年也能确保大于约0.4kgf/cm2的嵌合表面压力,能确保所需的电气性能与防水性能。由于可在现场除去保持件(2)来安装到电缆(3)的接续部上,就便于现场施工和能避免在有夹杂物裹入情形下进行接续作业的风险。
Description
本发明涉及交联聚乙烯绝缘电力电缆等的电缆接续部绝缘等用的常温收缩型橡胶单元。
高压CV电缆用中间接续部适用挤压塑模型、预制型、带卷塑模型与带卷型等种种结构。除此之外,近年来由于橡胶模技术的显著进步,已开发了施工性优越的单件式橡胶块型接头(RBJ),它的适用范围正急速扩大。当前橡胶块型接头的主要产品是乙丙橡胶(EPR)制的。
应用上述橡胶块接头来接续例如66KV以上的高压电力电缆(以下可根据需要简化为电缆)时,采用的是在现场将橡胶单元安装到接续部分中形成接续部的现场施工方式。
但在上述先有技术的方式中,由于是在现场施工,施工中需要颇长的时间,还需要有确保用于施工的作业空间。
此外,在现场进行施工时,对于有可能进入橡胶单元内夹杂物不能进行充分的管理,存在着将夹杂物原样卷入而进行接续作业中的风险。
为了能容易地在现场施工,已知有这样的方法:预先于现场由扩径保持件对橡胶单元扩径,而在现场从已扩径的橡胶单元除去扩径保持部件,再将橡胶单元安装于电缆接续部中。
但是先前使用的这种橡胶单元是适用于电压等级低的电缆的,能用于66KV以上的高压电力电缆的并未实用化。
本发明考虑到了上述问题,其目的在于提供在现场施工容易且能适用于66KV以上的高压电力电缆接续部的常温收缩型橡胶单元。
近年来,在高耐热性、低应力松弛(永久性伸长小)、低硬度等许多方面都比EPR优越的硅橡胶(SiR)其机械特性已有了显著提高。
硅橡胶在长期间内存在有撕裂力低的问题,但随着近年来技术的进步,已开发出具有高撕裂力的硅橡胶。为此,本发明人等将注意力集中于这种硅橡胶的应用可能性,探讨了高压电力电缆用工厂扩径方式的常温收缩型橡胶单元的适用性。
结果,硅橡胶在其温度特性、弹性率、永久伸长特性的物理特性方面都比前述的EPR优越,特别是在永久伸长性方面,已知在适用于工厂扩径方式的常温收缩型橡胶单元方面具有优越的特性。此外,硅橡胶在硫化前为液体状,这从成形性方面说,也远比EPR优越。
另一方面,若根据试验,作为橡胶单元的绝缘部分的嵌合表面压力能确保0.4kgf/cm2以上时,则能确保在高压电力电缆中所必须的绝缘性能。此外,当嵌合表面压力有0.4kgf/cm2时,也能确保防水性能。
一般,在把橡胶单元安装到电缆上后,橡胶单元和电缆间的嵌合表面压力随时间而减小。采用硅橡胶时根据试验结果计算,在最严苛使用条件下(设定导体温度为90℃,连续使用),经30年后嵌合表面压力将降低40%,可知将降低到初始嵌合表面压力的60%。这样,为使30年后的表面压力在0.4kgf/cm2以上,就要确保初始嵌合表面压力大于0.67kgf/cm2。
若采用上述的硅橡胶就能确保上述初始嵌合表面压力为0.67kgf/cm2,而且经30年之后也能确保上述约0.4kgf/cm2的嵌合表面压力。
根据以上所述,本发明将按以下所述解决前述问题。
(1)在安装到电缆接续部上时,将为使与电缆绝缘体的接触面的表面压力在0.67kgf/cm2以上而形成的橡胶单元,预先于工厂中支承于扩径保持部件上,于现场除去扩径保持件,将橡胶单元安装于高压电力电缆之上。
(2)把上述橡胶单元用与电缆绝缘体的接触面的表面压力下降率在使用30年之内在40%以下的硅橡胶来形成。
本发明在高压电力电缆的接续作业中是将橡胶单元预先在工厂中在扩径保持件上作扩径支承,而在现场除去扩径保持件而安装到高压电力电缆的接续部分上,因而易在现场施工,还能避免进行将夹杂物原样地裹入的接续作业的风险。特别是,由于使橡胶单元的初始嵌合表面压力在0.67kgf/cm2以上,即使经过30年使用,也能确保约0.4kgf/cm2的嵌合表面压力,可以确保必要的绝缘性能与防水性能。
图1示明本发明的实施例的橡胶单元(坯管)的结构。
图2示明将图1的橡胶单元于扩径保持件上作扩径支承的状态。
图3示明将图1的橡胶单元安装于电缆接续部上的状态。
图4A与4B示明为研究硅橡胶的耐电压特性采用的凹槽所在位置图。
图5示明本发明的实施例的硅橡胶的AC破坏试验结果。
图6示明本发明的实施例的硅橡胶的Imp破坏试验结果。
图7示明本发明的实施例的硅橡胶的寿命验证试验(V-t试验)。
图8是电缆绝缘体表面与橡胶单元内表面的界面中表面压力设计的概念图。
图1示明本发明的实施例的高压电力电缆用常温收缩型橡胶单元1(坯管)的结构。橡胶单元1大致呈圆筒形,由内部半导电层1a、绝缘层1b与外部半导电层1c构成。橡胶单元1是以硅橡胶为主体的弹性部件形成,半导电层1a、1c掺混有碳等而赋予其半导电性。
橡胶单元1的内径经形成为比所安装的电缆外形要小,将橡胶单元安装到电缆时的嵌合表面压力通过将橡胶单元1扩径产生的弹性来保证。
图2示明由扩径保持件对橡胶单元1进行扩径支承的状态。图中的标号2是扩径保持件,橡胶单元1预先于工厂中如此图所示于扩径保持件2上受到扩径支承,在图2所示状态下运送到施工现场。
扩径保持件2的内径经形成为比所安装的电缆外径大,在将电缆插入到扩径保持件2内之时,扩径保持件2可沿电缆之上移动。
在将电缆插入扩径保持件2内将橡胶单元1定位到电缆接续部上时,为使扩径保持件2容易从橡胶单元1拔出,扩径保持件2例如由摩擦系数小的材料构成,或于扩径保持件2的表面上涂布润滑材料,或于扩径保持件2与橡胶单元1之间设置摩擦系数低的材料,或者也可将扩径保持件2折散而除去。
图3示明将橡胶单元1安装到电缆接续部上的状态。此图中的标号3指电缆、3a指电缆绝缘体、3b指电缆心线,4表示导体接续管。
为了将橡胶单元1如图3所示安装到电缆连续部上时,如图2所示,在将电缆插入支承于扩径保持件2上的橡胶单元1内后,由导体接续管4将所接续的2根电缆的电缆心线3b接续而形成接续部。然后将支承于扩径保持件2上的橡胶单元1定位到此缆接续部上,取下扩径保持件2。于是,橡胶单元1的直径缩小而安装到缆接续部上。
下面将适用于本实施例的高压电力电缆用常温收缩型橡胶单元的硅橡胶的物理参数与既有EPR的综合比较,示明于表1中。
表1 绝缘性硅橡胶的物理参数
项目 | 硅橡胶 | EP橡胶 |
拉长率断裂强度硬度(JIS-A)撕裂强度(JIS-A)永久拉长(100%拉伸) | 790%10MPa3421.5N/mm2.60% | 750%9.3MPa6011.8N/mm32.4% |
如上表所示,本实施例中所用的硅橡胶与EP橡胶相比硬度虽低,但撕裂强度与永久拉长特性均优越,特别是永久拉长特性在作100%拉伸时,只能返回到32.4%,与此相反,本实施例所用的硅橡胶则能返回到2.6%,显示出有极为优良的永久拉伸特性。
本实施例中所用的硅橡胶由于具有上述的永久拉长特性,因而即使是将上述硅橡胶形成的橡胶单元预先于工厂中进行扩径保管,也能在现场安装到电缆上时使橡胶单元的直径基本恢复到扩径前的状态。因此,即使是用于工场扩径方式的橡胶单元,也能确保必要的初始嵌合表面压力。
对本实施例中所用的硅橡胶作考察,看其是否具备有适用于高压电力电缆橡胶单元所需的耐电压特性。
为了考察硅橡胶的耐电压特性,采用了图4A所示结构的凹槽。图4B是图4A中4B部分的放大图。在图4A与4B中,标号11为高压侧电极,12为环氧树脂、13为本实施例所用的硅橡胶,硅橡胶13如图4B所示上面与下面分别接合有半导电橡胶13a和13b,绝缘体部分的厚度为150~200μm。
将上述硅橡胶13如图4A与4B所示置于油中,硅橡胶13的下面与接地电极14接触,在高压电极11与接地电极14之间施加AC电压、脉冲(Imp)电压,考察硅橡胶的电气特性。试验条件如下。
(1)AC破坏试验
起始电压: 6KV/10分
阶跃电压: 1KV/10分
测定温度: 室温、90℃、105℃
测定试样数:在各温度下,试样数n=5
具体地说,在上述各测定温度下,设定起始电压为6KV施加AC电压,按每隔10分钟加1KV电压的阶梯状递增,考察硅橡胶绝缘破坏的AC破坏应力(KV/mm)与温度的相关性。
(2)脉冲(Imp)破坏试验
起始电压: +或-,14KV/3次
阶跃电压: +或-,14KV/3次
测定温度: 室温,90℃
测定试样数:各温度下,试样数n=5
具体地说,在上述各测定温度下,以起始电压为+或-14KV,按+或-1KV升/降电压,同时对各电压施加3次脉冲电压,考察硅橡胶绝缘破坏的Imp破坏应力(KV/mm)。
图5与6分别示明上述各试验结果。图5表明上述(1)的破坏试验结果,图6表明上述(2)的破坏试验的结果,横轴表示温度(℃)、纵轴分别表示AC破坏应力(KV/mm)和Imp破坏应力(KV/mm)。图5与6中绘出了以图中纵条带所示范围内的破坏试样的AC破坏应力。此外,图6中的圆圈表示将正电压施加到此高压侧电极11上时的破坏应力,而黑三角形则表示将负电压施加到高压侧电极11上时的破坏应力。
如图5所示,在AC破坏试验中于直到105℃的范围内,基本上未见硅橡胶的AC破坏应力与温度的相关性。
再如图6所示,在Imp破坏试验中,也基本未见Imp破坏应力因极性产生的不同。不过在AC破坏试验中未见的温度相关性不论是正负极性情形也都能确认。但是温度系数(即以图6中室温下破坏应力的平均值为A而90℃下破坏应力的平均值为B时的A/B)都小于1.1。
下面进行上述的硅橡胶的寿命验证试验。
寿命验证试验(V-t试验)采用前述图4A与4B所示结构的试验装置,改变加电时间(分)来求硅橡胶破坏的加电应力(KV/mm)。
图7表明上述试验结果,图中的横轴表示时间(分),纵轴表示加电应力(KV/mm),黑圆表示试样的破坏时间(分),绘明了加电应力,而圆圈表示未破坏的试样。此外,图中的实线表示的是寿命指数n=17的直线。
一般,有关电气绝缘材料寿命已知可通过以下式(1)整理。设V为所加电压、t为加电时间、n即上述寿命指数,是表示试样长期加电特性的参数,一般,若n大于15则可以说是耐长期使用:
Vn·t=常数 (1)
由图7可知,本实施例中所用的硅橡胶的寿命指数n大于15,可知具有长效特性。
根据以上试验,得以确认本实施例所用的硅橡胶作为高压用CV电缆的附属件材料具有充分的耐电压特性和长效特性。
下面探讨采用上述硅橡胶的高压电力电缆用常温收缩型橡胶单元和电缆接触面的表面压力与破坏应力的关系。
作为上述结构的橡胶单元各部位中的应力是相对于前述图3中所示以下的各部位而言。
(1)内导体电极平坦部应力:τ1
(2)内导体电极前端部应力:τ2
(3)界面平行层应力 :τ3
(4)界面上升层应力 :τ4。
在考虑上述这些部位中的应力平衡时虽可通过电场分析确定橡胶单元的最适形状,但这些部位之内最关键部分则是上述(2)中的τ2和(4)中的τ4。
在此就上述τ2、τ4应用界面模型试样考察了相对于嵌合表面压力的破坏应力。结果可知,在使用硅橡胶的橡胶单元时,若使嵌合表面压力在0.4kgf/cm2以上,则能求得所需的充分耐压特性。
然后就本实施例所用的硅橡胶形成的橡胶单元考察电缆安装时嵌合表面压力的下降率。结果,嵌合表面压力在历经6个月后也未发现其下降。进而在设定的最严格使用条件(导体温度90℃,30年间连续使用)下估算经过30年时的表面压力,可知设表面压力下降率相对于初始表面压力在40%以下时,嵌合表面压力将为初始表面压力的60%以上。
图8是电缆绝缘体表面与橡胶单元内表面的界面上表面压力设计的概念图。如图所示,在由扩径件使橡胶单元扩径的状态下保存2年后,表面压力降低约40%。当把上述扩径状态下保管的橡胶单元安装到电缆上后,随着时间的流逝,电缆绝缘体表面与橡胶单元内表面的界面表面压力将会降低,设想使用约30年后,则仍如上所述,此表面压力降低约40%,而相对于电缆安装时的初始嵌合表面压力约为60%。
在本实施例中,考虑上述表面压力的变化,适当地选定橡胶单元1的紧缩嵌合率[(电缆安装时橡胶单元的内径-坯管状态的橡胶单元1的内径)/(电缆安装时的橡胶单元的内径)],同时适当地选定橡胶单元1的材料,使得电缆绝缘体3a与橡胶单元1的绝缘层1b之间的初始嵌合表面压力(在电缆安装时的)大于0.67kgf/cm2。这样,按以上所述,即使经30年之后,也能确保0.4kgf/cm2以上的表面压力,得以确保绝缘性能以及防水性能。
下面说明将本发明应用于110KV的高压电力电缆的接续部情形的具体例子。
适合应用本发明的电缆的绝缘体外径为59mm,而坯管状态的橡胶单元的内径则为41.3mm外径为154.0mm。紧缩嵌合的直径差为17.7mm(=59-41.3),紧缩嵌合率为30%。橡胶单元的材料是以前所述的硅橡胶,其泊松比为0.48而纵弹性系数为6.5。上述橡胶单元安装到电缆接续部上的外径则为159.7mm。
在把上述橡胶单元安装到电缆上之后,由埋设于橡胶单元内部的表面压力传感器测定了初始嵌合表面压力,结果,电缆绝缘体与橡胶单元绝缘层之间的嵌合表面压力为1.70Kg/cm2。
然后考察在扩径状态下保存了两年后的表面压力的变化。
结果是,在把橡胶单元保持于扩径保持件的状态下经2年保存后,安装于电缆上时上述A部分的嵌合表面压力为0.93kgf/cm2。
另一方面,如上所述,经30年后的嵌合表面压力的降低率约在40%之下而初始嵌合表面压力则在60%以上。从而当初始嵌合表面压力为0.93kgf/cm2时,30年后的表面压力大于0.56kgf/cm2,确知能充分保证在上述的0.44kgf/cm2之上。
从以上所述可以确知,若让橡胶单元取上述结构,即使是于扩径状态下保存2年后安装于电缆之上,也能确保必要的嵌合表面压力。
另外再考察嵌合表面压力为0.4kgf/cm2时的电气性能。
试验中将内径为φ28.1mm橡胶单元安装到以下3种电缆之上,进行AC破坏试验与脉冲电压破坏试验。
(1)电缆绝缘外径:φ31mm(22KV电缆,200sq)
嵌合表面压力:0.4kgf/cm2
(2)电缆绝缘外径:φ33mm(22KV电缆,250sq)
嵌合表面压力:0.69kgf/cm2
(3)电缆绝缘外径:φ40mm(66KV电缆,400sq)
嵌合表面压力:1.7kgf/cm2。
结果可以确认,根据各个破坏值求得的电应力是可以满足确保所希望电气性能的设计应力,可知若嵌合表面压力为0.4kgf/cm2,则能充分保证电的绝缘性能。此外,为保持电缆与橡胶单元之间的气密性,需要有0.4kgf/cm2的嵌合表面压力,因此,当嵌合表面压力减小时,譬如在防水性能方面也可能发生问题。
由以上所述,本发明是把为使初始嵌合表面压力达到0.67kgf/cm2以上而形成的橡胶单元预先在工厂中于扩径保持件上作扩径支承,而到现场除去此扩径保持件再安装到高压电力电缆接续部之上,因此即使使用到约30年,也能确保约0.4kgf/cm2的嵌合表面压力,而得以保证高压电力电缆必须的电气性能与防水性能。此外,根据本发明,使在现场的施工变得容易,也能避免在将夹杂物裹入的情形下进行接续作业的风险性。
Claims (3)
1.常温收缩型橡胶单元,它是应用于预先在工厂中于扩径保持件上作扩径支承的高压电力电缆之上,其特征在于,此橡胶分单元经形成为在把它安装到电缆接续部上时,与电缆绝缘体的接触面的表面压力大于0.67kgf/cm2。
2.权利要求1所述的常温收缩型橡胶单元,其特征在于,此橡胶单元是由使与上述电缆绝缘体的接触面的表面压力降低率经30年使用在40%以下的硅橡胶形成。
3.权利要求1所述的常温收缩型橡胶单元,其特征在于,此橡胶单元是由与使用30年后的上述电缆绝缘体的接触面的表面压力在0.4kgf/cm2以上的硅橡胶形成。
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Granted publication date: 20031231 |
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