CN1346134A - 具有自密封介质的电缆和防止导线与水接触的方法 - Google Patents

Abstract

一种电缆,具有一被绝缘材料包覆的多股的芯线,并包括一种能够为电缆提供自密封性能的材料,其至少存在于多股导线的相邻边和绝缘材料之间。最好是,所述材料在温度至少低至25℃时具有流动性,在25℃时具有的100克针穿透值大于100丝米。

Description

具有自密封介质的电缆和 防止导线与水接触的方法

现在，绝缘的实心和多股绞合电缆是众所周知的。通常，多股绞合电缆包括一中心股导线，在中心股导线周围设有一保护绝缘套。

导致直埋的铝二次电缆失效的最常见的原因是，在安装过程中或安装之后造成绝缘材料上出现切口或小孔。这会导致铝的交流腐蚀，最后形成开路。当破损的导线被暴露在潮湿的土壤中时，电流会发生泄漏，进而引起铝发生局部的电化学反应，形成含水的氧化铝，最后形成导线的开路。

在美国，每年会发生成千上万这样的例子，而其维修(安装，挖掘，修理以及更换)费用是很昂贵的。基于上述的失效和随之而来的问题，人们发明了一种韧性更好的绝缘系统，并成为了工业标准。上述韧性电缆被描述为“坚固的”，其通常包括两层：内层为高分子量的聚乙烯，外层为高密度聚乙烯。如此设计，可以比过时的交联聚乙烯能够更好地抵抗机械损伤，但是，如果施加的碰撞足够大，铝导线仍然还会被暴露。

研究显示，当电流密度较高时，交流电解电流能够达到半波整流。这就是研究中为什么会发生铝金属常常快速流失的原因。在铝表面会逐步形成一种苛性碱溶液(pH10-12)，将保护性氧化薄膜溶解。

铝电缆产生失效的机理是由于含水氧化铝的形成。当氧化铝固体形成后，在小孔附近的绝缘材料发生膨胀，裂开，使得铝导线表面的更大区域能够适宜于发生电解，因而泄漏电流增大，加速了腐蚀的进程。因交流电解而产生的铝的快速流失一直持续到电缆最后形成断路为止。在铝的电解界面上形成苛性环境，将保护性氧化薄膜溶解。

上述耐用或者抗机械损伤型的绝缘材料应该能够保护电缆使之免受机械损伤。虽然它解决了这样的问题，但是它不能排除600V电缆的失效。最近已有关于其使用效果的报道，大量不同型号的600V地下配线电缆的失效率分布在每年为70至7000之间。通过断路，伴随铝导线的严重腐蚀，失效得到证实。

所有关于600V电缆失效的原因为人们所不知，但是，一些电缆用户已经假定了其中的几个原因。这些电缆似乎具有较高的初期失效率(mortality)，之后经过十年而失效。其初期失效率，通常与由于邻近施工引起的损伤，由于景观美化和种植引起的损伤，或者由于在安装前或安装期间对电缆造成的损伤有直接的关系。而多年后发生的失效则难于解释。这里，假设在电缆安装阶段，存在有雷电的损伤，制造上的缺陷，或者绝缘性能的降低。

为了更好地理解绝缘特性，人们进行了交流击穿和直流脉冲击穿的研究。对几种不同的电缆进行交流击穿研究显示，其性能具有较高的安全系数。这些电缆均有0.080英寸厚的壁。试验是在充满水的管道中进行的。所有电缆的交流击穿强度一致，都在20KV以上，远远超过其工作应力。

脉冲击穿研究是针对几个具有不同绝缘模式的600V电缆进行的。这些电缆的脉冲击穿水平接近150KV。它超过了15KV的电缆系统所需的基本脉冲电平(BIL)量，也超过了工作期间600V二次电缆的脉冲。

对新型电缆也进行了上述电性能系数的测试。它们远远超过在600V系统中运行时所需的性能，因为这些电缆是在120V接地运行的。作为在复合物和产品研制期间的试验之一，这是一个长期的绝缘强度试验，这个试验是在绝缘材料的额定运行温度时在水中进行的。对于交联聚乙烯电缆，水的温度是90℃。绝缘强度必须显示出稳定性，经过最少12周之后应在最小值之上。假如显示出非稳定性，试验必须继续无定期地进行下去。在80伏/密尔(v/mil)的条件下测量相对介电常数，且必须满足特定值。在90℃的水中测量电容的增加和泄漏系数要经过14天之久。目前的电缆中使用的绝缘复合物很容易就能满足这些要求。

运用下述的两种方法，在生产期间，均可以在电缆的绝缘层中发现制造缺陷。在挤压工序中，电缆通过一个火花试验器，并将28KV的直流电或者17KV的交流电施加到绝缘材料的表面。诸如因绝缘材料中的小孔引起的制造缺陷都会导致产生放电，被火花试验器检测到。有许多制造商使用这种方法。另一种被经常采用的方法是全电缆盘水浸没试验。在这个试验中，当电缆在水中浸没1小时或6小时之后，再依据电缆是多股编织的还是单导线的，分别将21KV的直流电或者7KV的交流电施加到电缆上。这些试验中采用的实际电压值根据电缆的壁厚而定。上述的壁厚值是0.080英寸。

上述试验显示，电性能是稳定的，且远远超过用于600V电缆绝缘所需的性能。这不能用来对经过多年运行之后发生的电缆突然失效作解释。电缆的突然失效可以通过对失效机理的更好理解来解释。有交流泄漏电流存在的铝腐蚀是两种不同机理复合的结果。铝通过一相对较薄的氧化铝保护层而提供大量的腐蚀保护，形成一渗透性更好的氧化物保护膜。然而，在这些保护膜上存在许多裂缝或裂纹，在这些裂缝或裂纹上便开始发生腐蚀反应。与水接触的金属上便形成一个阳极(阳离子移向溶液)与一个阴极间的回路，离子移动每秒60次。

在泄漏电流的阳极半周期中，铝离子通过裂缝离开金属表面，与包围电缆的水中的氢氧离子(OH^-)结合。这一反应导致金属表面形成凹陷和氢氧化铝的生成，在被腐蚀的电缆上形成白色的粉末。另一重要的反应也发生了。氢氧离子在半周期期间到达金属表面，其pH值升高，导致氧化物保护层发生腐蚀性的损伤，进而使更多的铝被暴露出来。

在阴极半周期，发生了另一反应。氢离子移向铝表面。氢离子不是中和阴极氢氧离子的浓度，而是与氢氧离子结合形成氢气，从电缆上释放。氢的消耗影响到阴极氢氧离子的进一步聚积，进而损伤表面氧化膜。在这一半周期中，没有点蚀产生，因为有铝离子到达了金属。在上述反应中，阴极溶液便形成了，氢释放了，铝点蚀产生了，并形成了氢氧化铝。

维持腐蚀反应，需要一临界电流密度。在电流密度之下，腐蚀是很轻微的，或者几乎察觉不到。一旦电流密度足够高，便很迅速地发生反应。所需的电流密度是1mA/in²(毫安/英寸²)。受损的600V电缆的电流密度因电压、泄漏强度和被暴露金属的面积而不同。各种影响因素包括土壤的湿度、土壤的化学性质和电缆的受损程度，等等。

目前，市场上最坚硬的电缆不总是能够满足加工、安装和运行中苛刻条件的要求。带有暴露点的铝最终会受损。这就需要寻求一种经济的解决办法来阻止腐蚀的形成。

人们已经作出许多尝试来阻止湿气进入电缆，通过在导线的各股之间和在导线与绝缘的实心之间加入密封剂。参见美国专利US3,943,271和US4,130,450。然而，在电缆的上述孔隙中纯粹地填加密封剂，仍然不能令人完全满意。阻止湿气到达导线的一些尝试，诸如，使用水膨胀材料，仍不能满足技术和/或经济方面的需求。例如，使用中有可能在密封材料上形成孔隙，或者如果电缆被突然刺破也会形成孔隙。任何这样的空隙或孔隙都会使湿气进入电缆，因而导致导线的腐蚀，而在电缆中使用的传统密封材料不能消除如此的孔隙。

先有技术中，针对密实的或压实的多股导线的形式，有人试图将在多股导线的孔隙中的湿气或水的流动减少到最低程度。多股导线本身被放射状地压实以减小导线的直径，用单根导线本身的金属来填充导线间的孔隙。这种方法的缺点是，即使单根导线发生了变形，而且一些孔隙也被填充了，但是，仍然存在因湿气进入电缆并与导线接触而导致电缆绝缘损伤的可能性。

另一种尝试是，制止湿气在孔隙中流动，包括用一种夹杂物来填充电缆的孔隙，这种夹杂物能够阻止在导线中湿气或者水的流动。这种物质典型地包括某些类型的胶质料和聚乙烯填料。稍微升高温度，该混合物会变成流动的和粘稠的，可以将其施加到正在形成的导线上。用于形成导线的单根金属线被送入一个挤压模具，一湿气阻挡化合物(moisture blocking compound)被模压在每根金属线的周围，当金属线组股形成导线时，孔隙中被填充胶质类材料。经过冷却，填料变得很稳定，不再流出多股导线的孔隙。一旦填充化合物被施加到导线的孔隙中，它们就被确定在适当的位置上了。在导线形成过程中，当施加上述填充物时遇到的问题出现了，这就是需要对被填充到孔隙中的填料进行精确测量。如果施加到导线中的填料过多，则外层绝缘材料不能很好地结合。如果施加的填料太少，则孔隙没有被填满，于是，湿气就能进入导线。

上述施加湿气阻挡化合物的方法存在的缺点是，对于形成导线的每根金属线，均需要一个挤压头和挤压泵用来施加填料。上述被施加的填料要经过一挤压头，对填料的体积要进行调节，这一问题每次变得复杂，在导线制造系统中，需要一个额外的挤压泵和挤压头。现有技术中，人们试图制造一种满意的湿气阻挡导线，这是基于将湿气阻挡材料应用在导线上的方法，但是没有解决由加工和绝缘损伤所带来的问题。

将湿气阻挡材料应用在同心导线的孔隙中的方法，在工业上是众所周知的。这可以参见美国专利文献3,607,487、3,889,455、4,105,485、4,129,466、4,435,613、4,563,540和4,273,597。

美国专利4,273,597公开了一种用粉末填充多股导线孔隙的方法。将各股线通过一个液态化的粉末层，孔隙便被粉末所填充，这就完成了。多股导线接着从粉末层的另一端被拉出来，则一种绝缘层被施加到导线上，该绝缘层可以防止粉末间形成导线孔隙。

美国专利4,563,540公开了一种导线，在单根导线间注满一种防水材料，这些单根导线组成了多股导线的芯部。然后，用不同的保护材料层包覆该被充填的芯部，该保护材料层能够阻止湿气进入多股导线。

美国专利4,435,613公开了一种导线，由许多层绝缘层包覆导线的芯部(或导体部分)而形成，导线被聚乙烯绝缘层所填充。聚乙烯层则被另一橡胶和塑料及环氧化合物所包覆，因而生产出具有防水结构的导线。

美国专利4,129,466涉及一种将填充介质施加到多股导线的应用方法。该方法包括一个腔室，用于形成多股导线的单根金属线从中通过。在腔室中，将填充介质施加到这些金属线上。在施加填充介质之后，导线通过冷藏室，填充介质被冷却，在孔隙中被固化。这一方法要求包含填充介质和多股导线的腔室既能加热又能施压。应用在腔室中的热量减少了填充介质的粘性，而加压又能确保将填充介质施加到多股导线的孔隙中去。

美国专利4,105,485公开了一种实施上述US4,129,466方法专利的装置。

美国专利3,889,455公开了一种在一高温充填箱中向多股导线的孔隙中填充的方法和装置。单股金属线通过装有填充料的充填箱，填充料被加热以降低粘稠度。在充填箱中，单股线被组股并被封闭，成品导线从充填箱的另一端被拉出，并通过一冷却装置。当在一升温的湿气阻挡池的表面之下组股形成导线时，其缺点便显现出来了。实际上，既没有光学的也没有机械的通道能够到达导线的制造工序之中。

美国专利3,607,487公开了一种方法，单股金属线被送进一充填箱，充填箱通过一个泵和喷射装置来提供加热的填充物。多股导线通过充填箱的另一端被拉出，被一擦拭模具擦净，被一型芯助卷机卷绕，之后被一包扎机包扎。然后，被包扎、卷绕的芯线经过一冷却装置被施加填充料。重复上述过程，又通过另一充填箱，另一冷却装置，另一包扎装置，另一充填箱，另一挤压装置，另一冷却槽，最后从生产线的终端被拉出，此时，产品已具有多层湿气阻挡化合物来保护芯线。该方法的缺点是，需要一条复杂的生产线，以在多个不同的工位施加湿气阻挡材料，而在每一工位都需要小心翼翼地监测和控制以获得合格的导线结构。

根据上面介绍的方法和装置可以容易地看出，湿气阻挡导线是公知的，而且，不得不承认其存在的主要问题是，在加工和安放电缆过程中消除湿气与导线接触。

本发明涉及绝缘的实心和多股电缆的改进。

根据本发明的一个方案，在制造自密封电缆的过程中，在导线和绝缘材料之间存在一种材料，该材料能够为电缆提供小孔、裂缝和空隙的自密封性能。在导线和绝缘材料之间也可以存在一种附加的水阻挡材料。最好是，两种材料均存在电缆中。这样，不仅孔隙被材料填充了，而且材料也流进了绝缘材料中形成的小孔、裂缝和空隙，从而，阻止了湿气的流动，加上附加防水层，更增加了安全性。当使用诸如聚合物片或薄膜等附加防水层时，再将自密封材料施加到位于防水层和绝缘层之间的这种防水层上，这种情形下，自密封材料是不与导线接触的。

本发明的目的、优点将通过结合附图和下面的详述而得到进一步说明。

图1是本发明所述电缆的一剖面透视图，示出了其中的多股导线，绝缘层和具有自密封效果的填充料；

图2是图1所示电缆的一个实施例的侧视图；

图3是图2所示电缆的侧视图，其在绝缘层上具有一破损处，该破损处被填充料所密封。

虽然本发明的原理可以适用于不同型号的电缆，但是，本发明将以一公知的电缆结构进行说明，诸如600V电缆，其至少包括：

(1)由具有良好传导性的金属形成的多股线组成的芯线，所述金属诸如铜，铝，铜合金或铝合金；以及

(2)包覆多股导线的绝缘层，而导线已经被挤压过。

如图1所示，电缆11包括由铜或铝或其合金形成的多股金属线组成的导线12。一层能提供自密封效果的材料10包覆在导线12周围，并且层10将导线12和绝缘保护层13之间的任何空隙填充，而该绝缘保护层13包覆在材料层10和导线12的周围。绝缘保护层13为公知的材料，最好是一经过挤压的聚合材料。

优选的材料层10包括一种在至少低至25℃的温度下能够容易被泵抽吸的聚合物。最好是，该聚合物为一低分子量的聚合物，比如是低分子量的异构体。具有或者没有上述聚合物但具有如此特征的其它材料，或者材料的混合物，也可以用于本发明。人们发现了一种特别适合的聚合物，这就是聚异丁烯。

本发明优选的聚合物具有很小的肖氏A硬度或者肖氏硬度是无关紧要的。一项测定聚合物是否具有合意的性能的试验是针穿透试验，是与美国材料实验协会(ASTM)的含沥青材料的D5穿透相结合的。在25℃时，100克针穿透值(needle penetration value)应该大于约100丝米(tenths of amillimeter)。

为本发明的电缆提供自密封效果的材料具有如下的性能：

(a)材料基本不能溶于水；

(b)材料为介电体，例如，它是非导体或者不是半导体；

(c)材料使电缆能够自密封，例如，它在周围环境温度下能够流入绝缘材料的空隙和/或裂缝中，阻止导线和湿气的接触，以免引起电缆故障；

(d)材料不能吸收湿气，或者接触湿气后不能膨胀。

在本发明的优选实施例中，用于填充导线和绝缘材料间孔隙的材料是低分子量异构体的化合物或者是一异构体的低分子量共聚物。最好是，该材料为聚异丁烯。在电缆的导线和绝缘材料之间很少或者不存在空气则更有利。

本发明所述的材料可以有选择性地包含填充料，但是，基本上不含任何溶剂或者油。

如图1所示的电缆11，在绝缘保护层13周围即使再没有其它的层也是可以使用的。

在下述的本发明另一实施例中，导线和绝缘材料层可以与如图1所示的相同。

图2所示的电缆14是图1所示电缆11的一个侧视图。

图3是图1所示电缆11的一个端面视图，表示出了材料10的自密封效果，该材料10流进了绝缘材料13的一个破损处，因而阻止了湿气的进入和与导线12的接触。

可以理解的是，上述实施例中，在导线和绝缘保护层之间也可以包含附加的保护材料层，它包括一附加的聚合物片或薄膜的防水层；而且，绝缘保护层13紧紧包裹其内的材料层或者进入金属线和保护材料之间的孔隙，这些都不是必要的要求，例如，绝缘保护层的内部尺寸实质上是与被拉伸的材料层的外部尺寸相适应的，以便被拉伸材料层的压缩，于是，包含绝缘层的材料层的凹陷就可以消除。

本发明的电缆具有特殊的优点，不仅表现为，在电缆的制造过程中，材料能够填充导线和绝缘材料之间的孔隙，而且表现为，当电缆投入使用后，材料能够流入任何切口或小孔中，这些切口或小孔是在电缆加工和安放过程中或者使用中因损伤而形成的。在电缆加工和安放过程中施加到导线和绝缘材料上的压力，如弯曲，拉伸，盘卷和拆卷，挖掘和安放设备造成的冲击，能够在绝缘材料上和在绝缘材料和导线之间形成切口或小孔。当电缆被投入使用后，因邻近设施，导航台所有者(homer owners)，或者雷击造成的损伤，也可能形成这些切口或小孔。由下述实施例可知，本发明所述的电缆即使在绝缘材料被损伤或被刺破而露出导线后，仍然能够提供满意的服务。

                        实施例1

有两例600V电缆，其绝缘层具有引起导线暴露的缺陷。其中一例电缆，在导线的表面包覆有一层聚异丁烯聚合物层。另一例电缆没有聚异丁烯层。两例电缆被放入盛有自来水的1公升玻璃烧杯中。每例电缆被通以110V接地的交流电。没有聚异丁烯层的电缆经过一整夜便表现出严重的腐蚀。而具有聚异丁烯层的电缆通电并被淹没在玻璃烧杯的自来水中，经过4周仍元腐蚀。

虽然，以上已经对本发明的优选实施例进行了描述和说明，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的原理的条件下进行不同的修改和变化。

                       实施例2

有7例约12英寸长的600V电缆，其导线均被包覆了聚异丁烯层。在每例电缆的中间均具有一使导线暴露的缺陷。有3例未经处理过(即没有聚异丁烯层)的电缆也同样被损伤而使导线暴露。每例电缆被放入实验用的矩形土槽中，并横向穿过土槽的长边，然后填满土。每例电缆被通以110V至地的交流电。定期地向土槽中浇水以确保导致交流腐蚀发生的条件存在。对泄漏电流进行测量，以监测聚异丁烯层对防止腐蚀发生所产生的影响。对每例电缆传递20安培交流电的能力进行定期测试。经过2个月，所有未经处理的电缆的电流泄漏都不断增大，表现出逐步腐蚀。在此期间，未经处理的几例电缆传递电流的能力快速恶化。2个月结束时，未经处理的电缆#1例则不能传递大于0.5安培的交流电。未经处理的电缆#2例则仅能传递12.2安培的电流，而未经处理的电缆#3例则只能传递9.6安培的电流。经过2个月的测试，从上述未经处理的电缆所不断增加的泄漏电流，其范围低至0.32毫安(mA)，高至353毫安。与此相比，经过处理的电缆的泄漏电流无一超过47.6毫安。在2个月测试阶段结束时，当上例电缆的泄漏电流刚刚达到47.6毫安时，聚异丁烯明显地封闭了电缆的缺陷，并表现出泄漏电流下降至0.37毫安。另一例经处理的电缆表现出同样的结果，然而，大多数的泄漏电流均未超过0.5毫安。另外，在2个月测试阶段末期，所有经处理的电缆能持续传递20安培的电流。

Claims (25)

1.一种电缆，包括一导线，一包覆所述导线的绝缘层，以及一位于导线和绝缘层之间的能为电缆提供自密封性能的材料层。

2.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述材料为一介电体。

3.根据权利要求2所述的电缆，其特征在于，所述材料在约25℃时具有流动性。

4.根据权利要求3所述的电缆，其特征在于，所述材料在25℃时具有的100克针穿透值大于100丝米。

5.根据权利要求4所述的电缆，其特征在于，所述材料为一聚合物。

6.根据权利要求5所述的电缆，其特征在于，所述材料为一异构体。

7.根据权利要求6所述的电缆，其特征在于，所述材料为聚异丁烯。

8.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述导线由多根金属线拧股而成。

9.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，在安放电缆之前，在安放电缆期间，或在电缆投入使用之后，在所述绝缘层内及在绝缘层与导线之间所形成的孔隙中，包含有上述能够为电缆提供自密封性能的材料。

10.一种制造绝缘电缆的方法，能够减轻绝缘层中的孔隙、小孔或裂缝带来的影响，所述孔隙、小孔或裂缝是在安放电缆之前，在安放电缆期间，或在电缆投入使用之后形成于绝缘层中的，该方法包括以下步骤：

(a)制成一导线；

(b)在所述导线的周围包覆一能提供自密封性能的材料层；

(c)在导线周围包覆一层绝缘层。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述导线由多根金属线拧股而成。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料为一介电体。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述材料在约25℃时具有流动性。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述材料在25℃时具有的100克针穿透值大于100丝米。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述材料为一聚合物。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述材料为一异构体。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述材料为聚异丁烯。

18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在安放电缆之前形成于绝缘层的孔隙、小孔或裂缝中。

19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在安放电缆之前形成于导线和绝缘层之间的空隙中。

20.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在安放电缆期间形成于导线和绝缘层之间的空隙中。

21.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在安放电缆期间形成于绝缘层的孔隙、小孔或裂缝中。

22.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在电缆投入使用之后形成于绝缘层的孔隙、小孔或裂缝中。

23.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料能够流入在电缆投入使用之后形成于导线和绝缘层之间的空隙中。

24.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中包覆自密封材料之前，在导线上包覆一层防水材料层。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述防水层为一聚合物片。

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