CN1922698A - 抗冲击电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于预定电压等级的电缆，所述电缆用于预定电压等级，所述电缆包括：－至少一个导体；－至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中所述绝缘材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体，所述绝缘层所具有的厚度使得电缆绝缘层外表面上的电压梯度不小于1.0kV/mm；和包围所述挤出绝缘层的保护性元件，其具有选择以提供预定抗冲击能力的厚度和机械性能，所述保护性元件包括至少一个膨胀型聚合物层，所述厚度在受到至少25J能量的冲击时足以防止可检测到的绝缘层的损伤。可以结合选择绝缘层的厚度和保护性元件的厚度，以使得整个电缆的重量最小化并同时在受到至少25J能量的冲击时防止可检测到的绝缘材料的损伤。

Description

抗冲击电缆
发明背景
本发明涉及电缆，具体涉及在中压或高压下传输或分配电能的电缆。
更具体地，本发明涉及将高度抗冲击性和紧密度组合在一起设计的电缆，其中存在由非交联绝缘材料制得的挤出绝缘层，该绝缘材料包含热塑性聚合物和预定量的介电液体。
在本说明书中，术语“中压”用于指电压一般地从大约10kV至大约60kV，术语“高压”用于指电压高于60kV(在本领域内有时也用于指很高的电压，规定为电压高于大约150kV或220kV，直到500kV或更高)；术语“低压”指电压低于10kV，一般大于100V。
此外，本说明书中，术语“电压等级”是指在相应电压范围(例如，低、中或高压，或LV、MV、HV)内包括的特定的电压值(例如，10kV、20kV、30kV等)。
所述电缆可以用于直流电(DC)或交流电(AC)的传输或分配。
现有技术
在中压或高压下用于电能传输或分配用的电缆通常有一个金属导体，它外面分别包围有第一内半导体层、绝缘层和外半导体层。在说明书下文中，对所述预定的元件序列以术语“缆芯”表示。
在所述缆芯的径向外侧，对电缆提供通常是铝、铅或铜的金属护罩(或屏蔽)，其位于所述缆芯的径向外侧，金属护罩通常由连续的管子或按管状形式成形的金属带构成，它通过焊接或密封以确保密封性。所述金属护罩有两个主要功能：一方面，借助于阻挡层的介入提供电缆对外界的密封性，防止水沿径向渗入；另一方面，由于金属护罩与所述缆芯的外半导体层之间的直接接触使电缆内部产生一个径向类型均匀电场的电学作用，同时可抵消所述电缆的外电场。再一个功能在于，它能耐受短路电流。
单极类型的构造中，所述电缆在上述金属护罩的径向外侧最后还有一个聚合物护套。
此外，用于电能传输或分配的电缆通常又装配有用于防护所述电缆遭受可能发生在外表面上的意外冲击的一个或多个层。
电缆遭受意外冲击例如可能发生在运输期间，或是地面上挖掘沟槽后的电缆铺设阶段。所述意外冲击可能造成电缆的一系列结构损伤，包括绝缘层变形和绝缘层与半导体层分离，此类损伤会导致绝缘层的电压应力变动，结果使所述层的绝缘能力下降。
市场上当前可供应的电缆，例如用于低压或中压电能传输或分配的电缆，通常提供能耐受所述冲击的金属铠装以保护所述电缆免受因意外冲击可能造成的损伤。通常，所述铠装为带状或线状形式(优选由钢制成)，或者是金属护套形式(优选由铅或铝制成)。此种电缆结构的一个实例公开于美国专利5,153,381。
欧洲专利EP 981,821公开了一种电缆，它具有膨胀型聚合物材料层以赋予所述电缆对意外冲击的高抗御能力，所述膨胀型聚合物材料层优选应用于电缆缆芯的径向外侧。所提出的技术方案避免使用常规的金属铠装，由此减小了电缆重量，并且使得其生产工艺变得比较容易。
欧洲专利EP 981,821没有公开特定电缆缆芯的设计。实际上，其是根据已知标准(例如，根据本说明书在下文中提及的IEC标准60502-2)对电缆缆芯的构成元件进行选择并规定尺寸。
此外，用于电能传输或分配的电缆通常有一个或多个层以确保阻挡层效应能堵塞水向电缆内部(即，缆芯)渗入。
水侵入电缆内部是特别不希望的，因为在缺乏合适的设计方案来阻塞水的情况下，一旦有水渗入，它在电缆内部将能够自由流动。就电缆的完整性而言，这是特别有害的，因为电缆里面会发生腐蚀问题，以及伴随绝缘层电性能的劣化会出现加速老化问题。
例如，已知“水树(water treeing)”现象主要是在于形成了分支结构(“树状”)的微观通道，其原因在于所施加电压产生的电场与渗透入所述绝缘层内的湿气的联合作用。例如，“水树”现象描述于欧洲专利EP 750,319和EP 814,485。
因此，这意味着，在水渗透入电缆内部的情况下，电缆将不得不被替换。此外，一旦水到达与电缆一个末端存在电连接的接头、端子或任何其它设备时，水不仅会终止电缆实现其功能而且会损伤所述设备，在多数情况下会导致不可逆的和经济上重大的破坏。
水渗透入电缆内部可以通过多种原因发生，尤其是当所述电缆形成了地下装置的一部分时。例如，此类渗透的发生是由于水简单地扩散过电缆的聚合物护套；或是由于磨损、意外冲击或啮齿动物咬蚀，这些因素导致了电缆护套裂口或甚至断裂，因此这些因素为水侵入电缆内部提供了优选路径。
已知有很多方法用于解决所述问题。例如国际专利申请WO99/33070描述使用一种设置成与电缆缆芯直接接触的膨胀型聚合物材料层，其位置直接在电缆的金属护罩之下，它具有预定的半导体性能，目标是确保在导电元件与金属护罩之间具有必需的电连续性。
WO 99/33070面临的技术问题在于，由于电缆在其正常使用期间会经受无数次的热循环作用，所以电缆的覆盖层不断地受到机械性膨胀和收缩。所述热循环的产生是由于在每天内输送的电流强度有变动，热循环与电缆自身内部相应的温度变化相关，其造成电缆内产生径向应力而径向应力影响所述层的每一层，由此也影响到电缆的金属屏蔽。因此，这意味着金属屏蔽将遭受相关的机械变形，随之在金属屏蔽与外半导体层之间形成真空(empty)空间，并可能生成不均匀的电场，或是甚至随时间的流逝而造成金属屏蔽本身破裂。这个问题的解决是在金属屏蔽下面插入膨胀型聚合物材料层，它能够弹性地并沿着电缆均匀地吸收上述膨胀/收缩的径向力，从而防止金属屏蔽可能的损伤。此外，WO 99/33070公开了在位于金属屏蔽之下的所述膨胀型聚合物材料内嵌入水可溶胀的粉末状材料，它能够阻挡可能渗入电缆内部甚至渗入到所述金属屏蔽下面的湿气和/或少量水。
在下面的描述中可以仔细回顾一下，在电缆上施加的电压、其横截面和所述电缆绝缘层的绝缘材料相同的条件下，减小电缆绝缘层的厚度将导致贯穿所述绝缘层的电压应力(电压梯度)增加。
因此，通常要设计给定电缆的绝缘层，即，确定尺寸，以使得其耐受规定用于所述给定电缆的应用类型的电压应力的条件。
通常，即使电缆设计上给出的绝缘层厚度大于所需厚度以包括适当的安全系数，但电缆外表面上发生的意外冲击会造成绝缘层的永久变形并降低、甚至显著降低冲击区域处对应的绝缘层厚度，由此，当电缆通电时仍可能造成在该处发生电击穿。
事实上，通常应用于电缆绝缘层和护套的材料一般在受到冲击后只是部分地弹性恢复到原来的尺寸和形状。因此，在受到冲击后，即使是电缆通电之前已发生弹性恢复，耐受电压应力的绝缘层厚度也被不可避免地减小。
此外，当金属护罩的位置处于电缆绝缘层的径向外侧，在冲击作用下所述护罩的材料将永久变形，这一事实进一步限制了绝缘层变形的弹性恢复，使得绝缘层在弹性恢复其原来的形状和尺寸上受到制约。
结果，由意外冲击造成的电缆变形或者至少显著部分的电缆变形在冲击之后将保留，即使冲击本身的原因已消除，所述变形仍使绝缘层厚度减小，从原来的尺寸值改变到一个减小的值上。因此，当电缆通电时，在冲击区域内承受电压应力(Г)的实际绝缘层厚度是所述减小的值而不是初始值。
发明概述
根据本发明，本申请人观察到使用特定设计的膨胀型保护不仅可以代替其它类型的保护，而且还可以使用较小尺寸的绝缘层，从而获得更紧密的电缆而不降低其可靠性。
本申请人发现，通过对电缆提供包含膨胀型聚合物层的保护性元件可以使电缆的设计比之常规电缆的电缆设计更紧密，该膨胀型聚合物层适于赋予电缆对意外冲击的预定抗御能力。
本申请人注意到，所述保护性元件的膨胀型聚合物层相对于任何常规的保护性元件，例如上面提到的金属铠装，能更好地吸收可能发生在电缆外表面上的意外冲击，因此，可有益地减小因意外冲击而出现在电缆绝缘层上的变形。
本申请人发现，通过对电缆提供包含膨胀型聚合物层的保护性元件，可以将电缆绝缘层厚度有益地减小至与绝缘材料的电刚性(electrical rgidity)相符合的电压应力的水平。因此，根据本发明可以使电缆结构更紧密，而并不降低它在抗御电和机械作用上的性能。
本申请人发现，通过对电缆提供包含膨胀型聚合物层的保护性元件，膨胀型聚合物层的厚度能够与绝缘层的厚度有利地相关联，以使得电缆总体重量最小化，同时，从电学观点看又保证绝缘层的安全功能，并且对可能发生的任何意外冲击能提供给电缆合适的机械保护。尤其是，为了将电缆绝缘层在受到冲击时的变形最小化，可以选择所述膨胀型聚合物层的厚度，使得可以将降低的绝缘层厚度提供给所述电缆。
此外，申请人意识到生产以下电缆的难题：该电缆不仅更紧密，而且也特别经济，并且不损害其耐受与其预期应用相关的应力(机械型和电型两种)的能力。
考虑到这些，申请人发现通过结合由非交联的绝缘材料，尤其是包含热塑性聚合物和预定量介电液体的非交联绝缘材料制成的绝缘层、降低的绝缘层厚度和包含至少一个膨胀型聚合物层的挤出保护性元件，能够通过连续工艺生产电缆，其在保持或提高电缆的抗冲击能力或抗机械应力的同时，而没有任何中间阶段或其余脱机，并且没有损害所述绝缘层在预定工作条件下工作的能力。事实上，获得的电缆能够在至少90℃和更高的高温下工作，尤其是在高至110℃下连续使用，并且在电流过载的情况下高至140℃。
相对于由交联绝缘材料生产电缆所需的不连续工艺来讲，使用连续工艺的可能性使得可以较快的方式生产电缆。例如，使用连续工艺，可以约60m/分钟的线速度生产采用非交联绝缘材料的电缆；而比较起来，使用不连续工艺可以约10m/分钟-15m/分钟的线速度生产采用交联绝缘材料的相似尺寸的电缆。
此外，降低绝缘层厚度可以获得更紧密的电缆；例如，导体横截面为50mm2的20kV等级电压的电缆，其通常的总直径为约34mm，在本发明电缆的情况下，相同类型的电缆具有的总直径为约25mm至约31mm。
所以，连续工艺、降低的绝缘层厚度和挤出保护性元件的结合，能够明显降低生产成本。
此外，由于绝缘材料是非交联的，所以它可以在使用寿命结束后重复利用。
本发明的第一个方面涉及用于预定电压等级的电缆，所述电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中所述绝缘材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体，所述绝缘层所具有的厚度使得电缆绝缘层外表面上的电压梯度不小于1.0kV/mm；和
-包围所述挤出绝缘层的保护性元件，其具有选择以提供预定抗冲击能力的厚度和机械性能，所述保护性元件包括至少一个膨胀型聚合物层，所述厚度在受到至少25J能量的冲击时足以防止可检测到的绝缘层的损伤。
本申请人发现，绝缘层厚度的确定可借助于选择为了电缆的预定应用而考虑的最严格的电参数限制，而不需要再附加额外的厚度来顾及因冲击造成的绝缘层变形。
例如，电缆设计中一般考虑的重要电参数限制是导体表面(或是挤出于导体表面上的内半导体层的外表面)上的最大电压梯度，以及在接头处的电压梯度，即，电缆绝缘层外表面上的电压梯度。
优选，绝缘层厚度比IEC标准60502-2给出的相应绝缘层厚度小至少20％。更优选，绝缘层厚度的减小程度在20％至40％的范围内。甚至更优选，绝缘层厚度比所述IEC标准给出的相应绝缘层厚度小大约60％。
优选，选择所述绝缘层的厚度，使得当电缆在所述预定电压等级包括的标称电压下工作时，绝缘层内的电压应力值在2.5kV/mm至18kV/mm之间变化。
优选，当所述预定电压等级为10kV时，所述绝缘层厚度不大于2.5mm；当所述预定电压等级为20kV时，所述绝缘层厚度不大于4mm；当所述预定电压等级为30kV时，所述绝缘层厚度不大于5.5mm。
根据一个优选实施方案，绝缘材料的热塑性聚合物可以选自：聚烯烃、不同烯烃的共聚物、烯烃与烯键式不饱和酯的共聚物、聚酯、聚醋酸酯、纤维素聚合物、聚碳酸酯、聚砜、酚树脂、尿素树脂、聚酮、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚胺、或其混合物。合适的聚合物实例有：聚乙烯(PE)，特别是低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、线性低密度PE(LLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯/乙烯基酯共聚物，例如乙烯/醋酸乙烯基酯(EVA)；乙烯/丙烯酸酯共聚物，特别是乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)和乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)；乙烯/α-烯烃热塑性共聚物；聚苯乙烯；丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物，特别是聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚酰胺；芳族聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；或其共聚物或混合物。
尤其是在中压和高压领域，为了获得适当的电性能，所述热塑性聚合物可以选自聚烯烃复合物。
优选，所述热塑性聚合物可以选自：
(a)至少一种丙烯均聚物或至少一种丙烯与至少一种烯属共聚单体的共聚物，其中该共聚单体选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃，其中所述均聚物或共聚物的熔点大于或等于130℃且熔融焓为20J/g-100J/g；
(b)包含至少一种丙烯均聚物或共聚物(a)的机械混合物；和
(c)至少一种乙烯与至少一种脂族α-烯烃和任选的多烯的弹性体共聚物。
根据一个优选实施方案，可用于本发明的丙烯均聚物或共聚物(a)的熔点在140℃-170℃。
优选，丙烯均聚物或共聚物(a)的熔融焓为30J/g-85J/g。
所述熔融焓(ΔHm)可以由示差扫描量热(DSC)分析测定。
优选，丙烯均聚物或共聚物(a)的挠曲模量，根据ASTM标准D790测定，在室温下为30MPa-1400MPa，更优选为60MPa-1000MPa。
优选，丙烯均聚物或共聚物(a)的熔体流动指数(MFI)，根据ASTM标准D1238/L，在230℃以21.6N的载荷测定，为0.05dg/分钟-10.0dg/分钟，更优选为0.4dg/分钟-5.0dg/分钟。
如果使用丙烯与至少一种烯属共聚单体的共聚物(a)，则所述至少一种烯属共聚单体的含量优选地小于或等于15mol％，更优选地小于或等于10mol％。该烯属共聚单体是，特别是乙烯或结构式为CH2＝CH-R的α-烯烃，其中R是直链或支链的C2-C10烷基，选自例如1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二碳烯或其混合物。尤其优选丙烯/乙烯共聚物。
优选地，所述丙烯均聚物或共聚物(a)选自：
(a1)丙烯均聚物或丙烯与至少一种选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃的烯属共聚单体的共聚物，其挠曲模量通常为30MPa-900MPa，并优选50MPa-400MPa；
(a2)多相共聚物，其包含基于丙烯的热塑性相和基于与α-烯烃(优选与丙烯)共聚的乙烯的弹性体相，其中弹性体相的量优选相对于多相共聚物总重量为至少45wt％。
特别优选的所述(a1)类是丙烯均聚物或丙烯与至少一种烯属共聚单体的共聚物，其中所述共聚单体选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃，所述均聚物或共聚物具有：
-140℃-170℃的熔点；
-30J/g-80J/g的熔融焓；
-可溶于沸腾二乙醚中的级分的量为小于或等于12wt％，优选地1wt％-10wt％，其具有小于或等于4J/g，优选地小于或等于2J/g的熔融焓；
-可溶于沸腾正庚烷中的级分的量为15wt％-60wt％，优选地20wt％-50wt％，其具有10J/g-40J/g，优选地15J/g-30J/g的熔融焓；和
-不溶于沸腾正庚烷中的级分的量为40wt％-85wt％，优选地50wt％-80wt％，其具有大于或等于45J/g，优选地50J/g-95J/g的熔融焓。
此外，国际专利申请WO 01/37289中给出了有关这些材料和它们在电缆覆盖层中应用的详细内容。
(a2)类的多相共聚物是由以下物质的序列(sequential)共聚合所获得的：i)丙烯，可能包含少量的至少一种烯属共聚单体，该共聚单体选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃；和然后是：ii)乙烯与α-烯烃(特别是丙烯)的混合物，并可能含少量的二烯。
特别优选的所述(a2)类是以下多相共聚物：其中弹性体相由乙烯和丙烯的弹性体共聚物组成，其包含占弹性体相重量的15-50wt％的乙烯和50-85wt％的丙烯。在本申请人拥有的国际专利申请WO00/41187中给出了有关这些材料和它们在电缆覆盖层中应用的更多详细内容。
(a1)类产品例如可以Basell的商标名MoplenRP 210G或Borealis的商标名BorsoftSA 233 CF商购。
(a2)类产品例如可以Basell的商标名Hifax CA 10 A、MoplenEP 310 G或Adflex Q200F商购。
根据一个优选实施方案，乙烯的弹性体共聚物(c)的熔融焓小于30J/g。所述弹性体共聚物(c)的量通常低于热塑性类材料总重量的70wt％，优选地为20-60wt％。
对于乙烯的弹性体共聚物(c)，术语“脂族α-烯烃”通常是指结构式为CH2＝CH-R的烯烃，其中R代表直链或支链的含1-12个碳原子的烷基。优选地，该脂族α-烯烃选自丙烯、1-丁烯、异丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-十二碳烯或其混合物。特别优选丙烯、1-丁烯、1-己烯和1-辛烯。
对于乙烯的弹性体共聚物(c)来说，术语“多烯”通常是指共轭或非共轭的二烯、三烯或四烯。当存在二烯共聚单体时，此共聚单体通常含有4-20个碳原子且优选地选自：直链的共轭或非共轭的二烯烃，例如1，3-丁二烯、1，4-己二烯、1，6-辛二烯等；单环或多环二烯例如1，4-环己二烯、5-亚乙基-2-降冰片烯、5-亚甲基-2-降冰片烯、乙烯基降冰片烯或其混合物。当存在三烯或四烯共聚单体时，此共聚单体通常含有9-30个碳原子，且优先选自在分子中含有乙烯基或分子中含有5-降冰片烯-2-基的三烯或四烯。可用于本发明的三烯或四烯共聚单体的具体实例包括：6，10-二甲基-1，5，9-十一碳三烯、5，9-二甲基-1，4，8-癸三烯、6，9-二甲基-1，5，8-癸三烯、6，8，9-三甲基-1，6，8-癸三烯、6，10，14-三甲基-1，5，9，13-十五碳四烯或其混合物。优选地，该多烯是二烯。
特别优选的乙烯的弹性体共聚物(c)是：
(c1)具有以下单体组成的共聚物：35mol％-90mol％的乙烯；10mol％-65mol％的脂族α-烯烃，优选丙烯；0mol％-10mol％的多烯，优选二烯，更优选1，4-己二烯或5-亚乙基-2-降冰片烯(例如：EPR和EPDM橡胶，比如产品Dutral(Enichem)或Nordel(Dow-DuPont)；
(c2)具有以下单体组成的共聚物：75mol％-97mol％，优选90mol％-95mol％的乙烯；3mol％-25mol％，优选5mol％-10mol％的脂族α-烯烃；0mol％-5mol％，优选0mol％-2mol％的多烯，优选二烯(例如：乙烯/1-辛烯共聚物，比如DuPont-Dow Elastomers的产品Engage)。
根据一个优选实施方案，绝缘材料的介电液体可以选自：矿物油，例如环烷油、芳烃油例如烷基苯(例如二苄基甲苯、十二烷基苯、二(辛基苄基)甲苯)、石蜡油、聚芳烃油，所述矿物油任选地含有至少一种选自氧、氮或疏的杂原子；液体石蜡；植物油，例如豆油、亚麻子油、蓖麻油；低聚的芳族聚烯烃；链烷烃蜡，例如聚乙烯错、聚丙烯蜡；合成油，例如硅油、脂族酯(例如季戊四醇的四酯、癸二酸的酯、邻苯二甲酸的酯)、烯烃低聚物(例如任选地氢化的聚丁烯或聚异丁烯)；或其混合物。特别优选芳烃油(尤其是烷基苯)、石蜡油和环烷油。
适于实施本发明的介电液体具有良好的耐热性、相当大的气体吸收容量(特别是氢吸收容量)、和对局部放电的高抗性，所以改进了绝缘材料的介电强度。此外，所述介电液体即使在高温和高电压梯度下也不会不利地影响绝缘材料的介电损耗。
优选，本发明的介电液体对热塑性聚合物的重量比通常在1∶99-25∶75之间，更优选在2∶98-20∶80之间，甚至更优选在3∶97-10∶90之间。
根据本发明可以使用并且目前可商购的所述介电液体的实例为Elf Atochem的产品Jarylec Exp3或Sunoco的产品Sunpar2280。
在制备本发明的电缆绝缘层时，可以向上述公开的绝缘材料中添加其它常用组分，例如抗氧化剂、加工助剂、水树抑制剂或其混合物。
适于此目的的常用抗氧化剂是例如二硬脂基-或二月桂基的硫代丙酸酯和季戊四醇基-四-[3-(3，5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯]或其混合物。
可添加到绝缘材料中的加工助剂包括例如，硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸或其混合物。
如上所述，所述绝缘材料在环境温度和在热条件下都显示出确实优良的机械特性，而且显示出改进的电性能。特别是，所述绝缘材料使得可以达到高的工作温度，该温度比得上或甚至超过采用由交联绝缘材料构成的绝缘层的电缆达到的工作温度。
本发明的绝缘材料可以通过使用本领域中已知的方法将热塑性聚合物、介电液体和任何其它可能存在的添加剂混合在一起来制备。混合可以在例如采用切向转子(Banbury)型或互穿转子型的密炼机，或优选在蜗杆捏合机(Buss)型或同转或者反转的双螺杆型连续混合机中进行。
或者，本发明的介电液体可以在挤出步骤过程中通过按例如国际专利申请WO 02/47092中所公开的直接注入挤出机料筒中而添加到热塑性聚合物中。
由于它们的高工作温度和低介电损耗，在相同的电压下，本发明的电缆可以传送至少等于或甚至大于由采用XLPE覆盖的常规电缆所传输的电能。
优选，所述导体是实心棒。
优选，电缆还包括围绕所述绝缘层的电屏蔽，所述电屏蔽包括成形为管状的金属片。
根据本发明的一个优选实施方案，所述保护性元件的位置位于所述绝缘层的径向外侧。
优选，所述保护性元件的膨胀型聚合物层的膨胀度在20％至200％之间，更优选的是在25％至130％之间。
优选，所述保护性元件的膨胀型聚合物层的厚度在1mm至5mm之间。
本发明的再一个方面，上述保护性元件还包括至少一个非膨胀型聚合物层，其与所述膨胀型聚合物层相连接。
当电缆上发生冲击时，本申请人发现，膨胀型聚合物层的吸收(即，清除)作用通过膨胀型聚合物层与至少一个非膨胀型聚合物层的结合而有利地增强。
所以，根据本发明的一个优选实施方案，所述保护性元件还包含第一非膨胀型聚合物层，其位置位于所述膨胀型聚合物层的径向外侧。
根据再一个实施方案，本发明的保护性元件还包含第二非膨胀型聚合物层，其位置位于所述膨胀型聚合物层的径向内侧。
优选，所述至少一个非膨胀型聚合物层由热塑性材料制成。
更优选，所述至少一个非膨胀型聚合物层由聚烯烃聚合物制成。
优选，所述至少一个非膨胀型聚合物层的厚度在0.2mm至1mm的范围内。
在再一个方面，本申请人发现，由于在电缆上出现冲击，如果本发明的保护性元件与再一个膨胀型聚合物层相结合，其中该再一个膨胀型聚合物层提供在电缆的保护性元件的径向内侧位置上，则电缆绝缘层的变形将有利地减小。
此外，本申请人发现，通过提供再一个膨胀型聚合物层与所述保护性元件相结合，可增高所述保护性元件的吸收(清除)性能。
如上面所述，一旦绝缘层厚度选定之后，保护性元件的所述膨胀型聚合物层与所述再一个膨胀型聚合物层的结合，能够以减小的电缆总尺寸获得基本上相同的冲击保护能力。
根据本发明的一个优选实施方案，所述再一个膨胀型聚合物层的位置位于所述保护性元件的径向内侧。
优选，所述再一个膨胀型聚合物层的位置位于所述绝缘层的径向外侧。
优选，所述再一个膨胀型聚合物层是一种阻水层，它包括水可溶胀的材料。
优选，所述再一个膨胀型聚合物层是半导体。
优选，根据本发明的电缆用于中压或高压范围的电压等级。
本发明的再一个方面，申请人发现，通过对电缆提供包含至少一个膨胀型聚合物层的保护性元件，所述保护性元件厚度的减小对应于导体横截面面积的增大。
因此，本发明进一步涉及一种用于预定电压等级的电缆，所述电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和
-包围所述绝缘层的保护性元件，其包含至少一个膨胀型聚合物层；
其特征在于，导体横截面面积大于或等于50mm2时该保护性元件厚度值小于7.5mm，和导体横截面面积小于50mm2时该保护性元件厚度值大于8.5mm。
优选，在所述预定电压等级高于60kV的情况下，当受到至少70J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
优选，在所述预定电压等级不高于60kV的情况下，当受到至少50J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
优选，在所述预定电压等级低于10kV的情况下，当受到至少25J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
如果考虑一族(组)适用于相同电压等级(例如：10kV，20kV，30kV等)的电缆，本申请人发现，当电缆导体横截面面积增加时，电缆保护性元件的厚度可以有利地减小，同时保持基本上相同的冲击保护能力。这意味着，较小导体横截面面积的电缆能够装配有保护性元件，该保护性元件厚度大于具有较大导体横截面面积的电缆的保护性元件厚度。
因此，本发明还涉及一组选择用于预定电压等级并具有不同的导体横截面面积的电缆，每一电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和
-包围所述绝缘层的保护性元件，其包含至少一个膨胀型聚合物层；
其中，选择所述保护性元件的厚度使其与导体横截面面积成反比关系。
优选，所述保护性元件还包括至少一个非膨胀型聚合物层，其与所述膨胀型聚合物层相连接。
优选，每一电缆在所述保护性元件的径向内侧位置上包含再一个膨胀型聚合物层。
根据再一个方面，本发明还涉及一种设计电缆的方法，其中电缆包括至少一个导体；至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和围绕所述绝缘层的保护性元件，所述保护性元件包括至少一个膨胀型聚合物层，所述设计方法包含以下步骤：
-选择导体横截面面积；
-根据多个预定的电参数限制条件之一，确定所述绝缘层的厚度，该厚度与在预定电压等级中在所述选择的导体横截面面积上的安全操作相适应；
-从根据所述多个预定的电参数限制条件确定的那些绝缘层厚度中选择最大的绝缘层厚度；
-确定所述保护性元件的厚度，以使得当电缆上发生能量至少为50J的冲击时，所述绝缘层没有可检测到的损伤；和
-对于所述预定电压等级和选择的导体横截面面积，在电缆的设计中使用所述选择的绝缘层和所述确定的保护性元件厚度。
根据本发明，电缆绝缘层低于或等于0.1mm的变形(即，损伤)可看作是不能检测到的。因此，可以认为，在变形低于0.1mm的情况下电缆绝缘层为未受损的。
在电缆保护性元件由所述膨胀型聚合物层组成的情况下，确定所述保护性元件厚度的步骤在于确定所述膨胀型聚合物层的厚度。
在电缆保护性元件进一步包含与所述膨胀型聚合物层相结合的非膨胀型聚合物层的情况下，确定所述保护性元件厚度的步骤包含确定所述非膨胀型聚合物层厚度的步骤。
优选，确定所述非膨胀型聚合物层厚度的步骤包含以下步骤：它使所述非膨胀型聚合物层的厚度与导体横截面面积成反比。
本发明不仅可有利地应用于传输或分配电能的电缆，而且可应用于包括光纤芯的电力/电信混合型电缆。因此，在这一意义上，本说明书的其余部分以及权利要求书内，其中术语“导电元件”意味着金属类型或混合的电/光类型的导体。
附图简述
进一步的内容在下面参照附图的详细描述中示明，其中：
-图1是根据本发明的电缆的透视图；
-图2是对比电缆受冲击后损伤的横截面图；
-图3是存在由冲击造成的保护性元件变形的根据本发明电缆的横截面图；
-图4表示为常规电缆受冲击时能防止绝缘层损伤所设计的护套厚度与导体横截面面积之间的关系曲线；
-图5表示根据本发明为电缆受冲击时能防止绝缘层损伤所设计的电缆保护性元件厚度与导体横截面面积之间的关系曲线；和
-图6表示根据本发明为配置两个膨胀型聚合物层的电缆受冲击时能防止绝缘层损伤所设计的保护性元件厚度与导体横截面面积之间的关系曲线。
优选实施方案的详细描述
图1表示根据本发明典型地设计用于中压或高压范围的电缆1的透视图(部分为横截面)。
此处所描述类型的电能传输电缆通常在标称频率为50Hz或60Hz下工作。
电缆1包括：导体2；内半导体层3；绝缘层4；外半导体层5；金属护罩6；和保护性元件20。
优选，导体2为金属棒，优选由铜或铝制成。或者，导体2包含至少两个、优选铜或铝的金属线，它们根据常规技术绞合在一起。
导体2横截面面积的确定与在选定的电压下待传送的电能有关。根据本发明，电缆优选的横截面面积范围为16mm2至1000mm2。
本说明书中，术语“绝缘材料”用来指介电刚性(dielectricrigidity)至少为5kV/mm、优选大于10kV/mm的材料。对于中-高电压的电能传输电缆，绝缘材料具有大于40kV/mm的介电刚性。
一般地，电能传输电缆的绝缘层的介电常数(K)大于2。
绝缘层4由根据本发明的非交联的绝缘材料制成。
位于绝缘层4径向内侧的内半导体层3和位于绝缘层4径向外侧的外半导体层5两者都是非膨胀型，它们可根据已知技术获得，特别是借助于挤出工艺，基础聚合物材料和炭黑(炭黑用于使所述层变为半导体的)可以从本描述的下面的说明中选择。
本发明的一个优选实施方案中，内、外半导体层3和5包括非交联类聚合物材料，更优选聚丙烯复合物。
在本发明的一个更优选实施方案中，内、外半导体层3和5由非交联的材料制成，该材料包含热塑性聚合物和预定量的介电液体，所述热塑性聚合物和所述介电液体选自上述公开的那些。
在本发明的一个仍然更优选实施方案中，内、外半导体层3和5由非交联的材料制成，该材料包含与绝缘层4的非交联绝缘材料相同的热塑性聚合物和相同的介电液体。
图1所示的优选实施方案中，金属护罩6由成形为管状的连续金属片构成，优选铝或者铜。某些场合下，也可以使用铅。
形成金属护罩6的金属片纵向卷绕于外半导体层5上，它们具有重叠的边。方便地，在重叠的边之间置入密封和粘合材料以使得金属护罩不透水。或者，可以将金属片的边焊接在一起。
或者，金属护罩6由围绕所述外半导体层5的螺旋缠绕的金属线或者金属条制成。
优选，在金属护罩上覆盖一个护套(图1中未示出)，其由非交联的聚合物如聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)制成。
根据图1中所示的优选实施方案，在所述金属护罩6的径向外侧对电缆1提供保护性元件20。根据所述实施方案，保护性元件20包括膨胀型聚合物层22，它夹在两个非膨胀型聚合物层之间，它们分别是外(第一)非膨胀型聚合物层23和内(第二)非膨胀型聚合物层21。保护性元件20的作用是借助于至少部分地吸收发生于电缆上的冲击，保护电缆抗御所述任何的外来冲击。
根据欧洲专利EP 981,821，膨胀型聚合物层22可以包括任何类型的可膨胀聚合物，其可以选自例如：聚烯烃、不同烯烃的共聚物、烯烃与烯键式不饱和酯的共聚物、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、酚树脂、尿素树脂、或其混合物。合适的聚合物实例是：聚乙烯(PE)，特别是低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、线性低密度PE(LLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)；聚丙烯(PP)；弹性体的乙烯/丙烯共聚物(EPR)或乙烯/丙烯/二烯三元共聚物(EPDM)；天然橡胶；丁基橡胶；乙烯/乙烯基酯共聚物，例如乙烯/醋酸乙烯基酯(EVA)；乙烯/丙烯酸酯共聚物，特别是乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)和乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)；乙烯/α-烯烃热塑性共聚物；聚苯乙烯；丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物，特别是聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚酰胺；芳族聚酯，如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；和其共聚物或混合物。
优选，所述可膨胀聚合物可以选自基于乙烯和/或丙烯的聚烯烃聚合物或共聚物。更优选，所述可膨胀聚合物可以选自：
(d)乙烯与烯键式不饱和酯的共聚物，例如醋酸乙烯基酯或醋酸丁酯，其中不饱和酯的量通常在5wt％至80wt％之间，优选10wt％至50wt％之间；
(e)乙烯与至少一种C3-C12α-烯烃和任选的二烯的弹性体共聚物，优选为乙烯/丙烯(EPR)或乙烯/丙烯/二烯(EPDM)共聚物，其通常具有下列组成：35mol％-90mol％的乙烯，10mol％-65mol％的α-烯烃，0mol％-10mol％的二烯(例如：1，4-己二烯或5-亚乙基-2-降冰片烯)；
(f)乙烯与至少一种C4-C12α-烯烃(优选1-己烯、1-辛烯等)和任选的二烯的共聚物，其通常具有的密度为0.86g/cm3至0.90g/cm3之间，其具有下列组成：75mol％-97mol％的乙烯，3mol％-25mol％的α-烯烃；0mol％-5mol％的二烯；
(g)采用乙烯/C3-C12α-烯烃共聚物改性的聚丙烯，其中聚丙烯和乙烯/C3-C12α-烯烃共聚物的重量比在90/10至10/90之间，优选在80/20至20/80之间。
例如，商品Elvax(Dupont)、Levapren(Bayer)和Lotryl(Elf-Atochem)属于(d)类；商品Dutral(Enichem)或Nordel(Dow-DuPont)属于(e)类；属于(f)类的商品有Engage(Dow-DuPont)或Exact(Exxon)；同时，可商购的采用乙烯/α-烯烃共聚物改性的聚丙烯(g)的商标名称有Moplen或Hifax(Basell)、或Fina-Pro(Fina)等。
在(g)类内，特别优选的是热塑性弹性体，它包含例如是聚丙烯的热塑性聚合物的连续基体，和例如是交联的EPR或EPDM的固化弹性体聚合物的微粒(通常，直径量级为1μm-10μm)，其分散在热塑性的基体内。弹性体聚合物可以在未固化状态下掺入热塑性的基体中，然后通过添加适量的交联剂在加工期间实现动力学交联。或者，弹性体聚合物可以单独固化，然后以微粒的形式分散到热塑性基体中。此种类型的热塑性弹性体例如公开于US专利4,104,210或欧洲专利申请EP324,430。优选这些热塑性弹性体，因为已经证明，在整个工作温度范围内在电缆热循环期间，对于弹性吸收径向力而言，热塑性弹性体特别地有效。
为了本发明的目的，术语“膨胀型”聚合物理解为是指这样的聚合物：其结构内“空隙”体积的百分比(也就是说，不由聚合物占据而是由气体或空气占据的空间)一般大于所述聚合物总体积的10％。
通常，膨胀型聚合物中自由空间的百分比以术语膨胀度(G)表示。在本发明中，术语“聚合物膨胀度”理解为是指由下式确定的聚合物膨胀程度：
G(膨胀度)＝(d0/de-1)×100
式中，d0指非膨胀型聚合物(也就是说，结构中基本上没有空隙体积的聚合物)的密度，de是指对膨胀型聚合物测得的表观密度。
优选，所述膨胀型聚合物层22的膨胀度选定于20％至200％的范围内，更优选的是在25％至130％的范围内。
优选，所述保护性元件20的两个非膨胀型聚合物层21和23是由聚烯烃材料制成的。
优选，第一非膨胀型聚合物层23由热塑性材料制成，优选聚烯烃，例如非交联的聚乙烯(PE)；或者也可以使用聚氯乙烯(PVC)。
在图1中所示的实施方案中，对电缆1进一步提供阻水层8，它位于外半导体层5与金属护罩6之间。
根据本发明的一个优选实施方案，阻水层8是如国际专利申请WO01/46965中所公开的膨胀型、水可溶胀的半导体层。
优选，所述阻水层8由其中嵌入或分散有水可溶胀材料的膨胀型聚合物材料制成。
优选，所述阻水层8的可膨胀聚合物选自上述提到的聚合物。
所述阻水层8的目的是对沿纵向渗透入电缆内部的水提供有效的阻挡层。
本申请人实施的测试表明，所述膨胀型聚合物层内能引入大量水可溶胀的材料，当将膨胀型聚合物层置于与湿气或水接触时，所引入的水可溶胀材料能够膨胀，由此可有效地实现阻水功能。
水可溶胀材料通常以细碎的形式存在，具体为粉末状形式。构成水可溶胀粉末的颗粒的优选直径不大于250μm，平均直径为10μm至100μm。更优选的是，直径为10μm至50μm的颗粒量相对于粉末的总重量为至少50wt％。
水可溶胀材料通常由聚合物链上具有亲水性基团的均聚物或共聚物组成，例如：交联和至少部分成盐的聚丙烯酸(例如：产品是C.F.Stockhausen GmbH的Cabloc或Grain Processing Co.的Waterlock)；淀粉或其衍生物与丙烯酰胺和丙烯酸钠共聚物的混合物(例如，Henkel AG的产品SGP Absorbent Polymer)；羧基甲基纤维素钠(例如，Hercules Inc.的产品Blanose)。
为得到有效的阻水作用，膨胀型聚合物层内包含的水可溶胀材料的量通常为5phr至120phr，优选15至80phr(phr＝相对于100重量份基础聚合物的重量份)。
另外，阻水层8的膨胀型聚合物材料可以改性成半导体的。
可以将本技术领域内已知的用于制备半导体聚合物组合物的产品用于对所述聚合物材料提供半导体特性。特别地，可以使用导电性炭黑，例如，导电性炉法炭黑或乙炔黑，或其混合物。炭黑的表面积通常大于20m2/g，一般在40m2/g至500m2/g之间。有益地，可以使用高导电性炭黑，其具有至少900m2/g的表面积，例如：商品名为KetjenblackEC(Akzo Chemie NV)的已知市售炉法炭黑。
加入到聚合物基体中的炭黑量可以随以下情况改变，这取决于所使用的聚合物和炭黑的类型、预定得到的膨胀度、和发泡剂等。因此，炭黑量必须做到使膨胀型材料有足够的半导体性能，尤其使膨胀型材料得到以下体积电阻率值：在室温下小于500Ω·m，优选小于20Ω·m。一般，相对于聚合物重量，炭黑量可以在1wt％至50wt％的范围内变化，优选3wt％至30wt％的重量。
阻水层8的膨胀度的优选范围为10％至60％。
此外，通过对电缆1提供半导体的阻水层8，由于外半导体层5的电特性部分地由所述半导体的阻水层实现，所以能够有利地减小外半导体层5的厚度。因此，所述情况能有利地促成外半导体层厚度的减小，从而促成总体电缆重量的减小。
绝缘层的电设计
通常，电缆绝缘层在尺寸上要耐受规定用于所述电缆的使用类型的电压应力。
特别地，当电缆工作时，导体2是保持为电缆的标称工作电压而金属护罩6是接地(即，处于零电压)的。
名义上，内半导体层3处于与导体相同的电压下，而外半导体层5和阻水层8处于与金属护罩6相同的电压下。
依赖于绝缘层厚度，它决定了贯穿绝缘层的电压应力，该电压应力必须与绝缘层材料的介电刚性(包括合适的安全系数)相符合。
围绕圆柱形导体的电压应力Г由下式定义：
Г＝U0/[r·ln(ri/rc)](1)
式中：
U0是相对地电压；
ri是绝缘层表面的半径；
rc是导体表面(或是内半导体层表面，如果存在)的半径。
等式(1)是指AC电压的情况。对于DC电压的情况，有不同的和更复杂的表达式供应用。
例如，在绝缘层由交联的聚乙烯(XLPE)制成的情况下，国际标准CEI IEC 60502-2(1998-11，版本1.1的18-19页)对应于20kV的电压V和35mm2至1000mm2的导体横截面面积，给出绝缘层标称厚度值为5.5mm。再一个实例，在选定电压V为10kV和导体横截面面积为16至1000mm2的情况下，根据所述标准，电缆绝缘层将必须给出3.4mm的标称厚度值。
冲击保护
根据本发明，对于例如在运输或铺设工作期间因石块、工具等碰撞电缆造成的可能冲击，保护性元件20能防止绝缘层4受到损伤。
例如，普通做法是将电缆以预定深度铺设入在地面上挖掘的沟槽内，随后将先前挖出的物质再填进沟槽。
如果挖出的物质包括石块、砖头等，则一个重量为几公斤的物体从相当高处(几十厘米，高达1米或更高处)落到电缆上不是罕见的事，因而冲击牵涉到比较高的能量。
电缆铺设工作期间其它的可能冲击源是施工机械，移动它们时在可能的误操作和过高速度等情况下会撞击电缆。
图2概略地表示冲击力F对于对比电缆的影响，其中应用同样的参考号码来标识在图1中已经描述过的对应元件。
在图2的电缆上提供有护套7，它位于金属护罩6的外面。一般地，护套7由聚合物制成，例如聚乙烯或PVC。
图2的电缆上还提供水可溶胀带9以避免任何水沿纵向渗透入电缆内部。
如图2所示，因冲击力F的作用结果，电缆局部变形。
通常，用于电缆绝缘层和护套的材料在受到冲击后只能部分地弹性恢复它们原来的大小和形状，所以在冲击后，即使在电缆通电之前弹性恢复已发生，耐受电压应力的绝缘层厚度也减小了。
然而，本申请人已发现，当电缆绝缘层的外面采用金属护罩时，因为该护罩材料受冲击后会永久变形，这进一步限制了绝缘层变形的弹性恢复，从而制约绝缘层弹性恢复到其原来的形状和大小上。
结果，在冲击之后，即使冲击本身的原因已消除，由冲击造成的变形或至少其显著部分的变形将保留下来。所述变形导致绝缘层厚度从初始值t0改变为“损伤”值td(参见图2)。
因此，当电缆通电时，承载电压应力(Г)的实际绝缘层厚度在冲击区域内不再是t0而是td。
如果数值t0的选择根据例如前面提到的标准，相对于电缆的工作电压来说t0有充分的裕量，则即使在受冲击的区域内仍足以使电缆安全地工作。
然而，使电缆在受损伤区域内也能够安全工作的需要使得制造的整个电缆的绝缘层厚度明显大于所需值。
另外，如果受冲击区域随后涉及某些附加的操作，例如在此区域内要实施接合，则即使在绝缘层厚度上已提供一定的安全裕量，某处仍然会出现电压应力增大到高于可接受水平的情况(或是电缆或是相关附件，它们工作在不同于原先设计好的直径上)。
抗冲击评估
考虑到已发现的与冲击相关的多种参数以及对于不同电缆等级的相关概率，对冲击能量进行评估。
例如，如果冲击是由物体垂落到电缆上引起的，则冲击能量取决于冲击到电缆上的物体的质量以及所述物体垂落下的高度。
因此，当电缆铺设入沟槽等之中时，在诸因素中，冲击能量取决于电缆铺设的深度，所述冲击能量随铺设深度增加。
由此，可以发现，对于不同的电缆等级，根据它们各自的铺设深度，冲击能量是不同的。
此外，对于铺设入沟槽等之中的电缆，在铺设施工期间通常包括的开挖渣石的存在影响对电缆意外冲击的概率，并且其大小有助于确定可能冲击的能量。另外要考虑到其它因素，例如电缆的单位重量以及铺设施工中使用的施工机械的大小。
考虑到以上分析，对于每一种电缆等级(例如LV、MV、HV)，已经确定具有主要发生概率的基准冲击能量；对应于这些冲击，已确定出能抗御所述冲击的具体电缆结构。
特别地，对于MV电缆，已确认50J的冲击能量是电缆使用和铺设中代表性的主要事件。
此种冲击能量可以例如通过以下方式获得：使27kg重的圆锥形物体从19cm高处垂落到电缆上。特别地，测试用物体具有90°的圆锥角，圆锥边是半径约1mm的圆形。
本说明书中，术语“冲击”旨在包括所有那些具有一定能量的动态负载，该能量能对电缆的结构产生实质性损伤。
对于低压和高压(LV和HV)应用的电缆，已分别确认冲击能量为25J和70J。
对于本发明的目的，已考虑到：如果在同一电缆位置上发生相继的4次冲击后，永久变形小于0.1mm(这是测量的精密极限)，则电缆能得到满意的保护。
如图3中所示，当本发明的电缆受到冲击时，保护性元件20(单独的或者优选与膨胀型阻水层8相结合)能够减小绝缘层4的变形。
根据本发明已发现，厚度为tp的保护性元件20与选择为“减小”值tr的绝缘层厚度相结合，所形成的电缆能满意地通过上面指明的抗冲击测试，并仍能在所选择的电压等级下保持安全工作的能力。
可以通过选择为其预定应用而考虑的最严格的电参数限制来确定绝缘层厚度，而不需要顾及因冲击造成变形而附加额外的厚度。
例如，电缆设计中作为主要电参数限制一般需要考虑的是导体表面(或是在该表面上挤出的内半导体层的外表面)上的最大电压梯度和在接头处的电压梯度(即，电缆绝缘层外表面上的电压梯度)。
将导体表面上的电压梯度与用于绝缘层材料的最大可接受电压梯度(例如，在聚烯烃复合物情况下约为18kV/mm)相比较，并将接头处的电压梯度与设想应用于电缆的接头装置的最大可接受电压梯度相比较。
例如，电缆接头可借助于以弹性(或热收缩)套管取代导体接合区域上的绝缘层来产生，其中套管以一定的长度与暴露的电缆绝缘层重叠。
在这种类型的接头可以大约2.5kV/mm的电压梯度(对于MV电缆)安全工作的情况下，这很可能成为最严格的条件，并由此可确定出耐受此种条件的绝缘层厚度。在另一条件可能变得更严格的情况下，绝缘层厚度的设计应顾及到此种条件。
然而根据本发明，不必提供额外厚度来顾及由冲击造成的绝缘层变形。
又已经发现，当保护性元件20与选择为“减小”值tr的绝缘层厚度相结合使用时，在能够抗御相同冲击能量的要求下(即便许可绝缘层有变形)，其总体电缆重量将低于没有冲击保护(即，没有包含膨胀型聚合物层的冲击保护性元件)但具有常规绝缘层厚度t0(即，图2上的电缆)的电缆的相应重量。
又已经发现，膨胀型阻水层8的存在进一步有助于抗冲击能力，可进一步使绝缘层4的变形减小。
表1表明在电压等级为20kV的电缆和铝导体横截面面积为50mm2的情况下，本发明的电缆和对比电缆(在设计上通过了上述的抗冲击测试)两者的绝缘层厚度和总体电缆重量。
表1
  电缆类型                  厚度(mm)   电缆重量(kg/m)   总直径(mm)
  护套   保护性元件   膨胀型阻水层   水可溶胀带   铝金属屏蔽   绝缘层
  第二(内)非膨胀型层   膨胀型层   第一(外)非膨胀型层
  1   -   1   1.5   4.4   -   0.15   0.3   4   0.74   30.7
  2   -   1   1.5   0.85   0.5   -   0.3   4   0.51   24.9
  3   8.25   -   -   -   -   0.2   0.3   4   0.90   33.9
详细说明：
(a)电缆1是本发明的电缆，包含由水可溶胀带制成的非膨胀型阻水层8，所述电缆还包含保护性元件20，它包括：第一非膨胀型聚合物层23；膨胀型聚合物层20；和第二非膨胀型聚合物层21；
(b)电缆2是本发明的电缆，包含膨胀型阻水层8，所述电缆还包含保护性元件20，它包括：第一非膨胀型聚合物层23；膨胀型聚合物层22；和第二非膨胀型聚合物层21；
(c)电缆3是图2中所示类型的对比电缆，包含：护套和由水可溶胀带制成的水可溶胀阻挡层。
此外，表1表明在提供有膨胀型阻水层8的情况下，保护性元件20的厚度可有利地减小(并且总体电缆重量下降)而保持相同的绝缘层厚度。
此外，表1表明对比电缆与本发明电缆相比较，在相同冲击条件下要维护其可操作性时，需要有显著的重量(即，大约0.90kg/m)。
表2包含以下实例：该实例表明在MV范围内不同的工作电压等级下，根据本发明电缆的绝缘层尺寸与使用交联的聚乙烯(XLPE)绝缘层时由上述国际标准CEI IEC 60502-2规定的相应绝缘层厚度的比较。
表2
  10kV   20kV   30kV
  本发明电缆的绝缘层厚度(mm)   2.5   4   5.5
  根据标准CEI IEC 60502-2的绝缘层厚度(mm)   3.4   5.5   8
根据表2中列出的数值，本发明的电缆所给出的绝缘层厚度，与根据所述国际标准给出的对应绝缘层厚度相比较，分别要小26％、27％和56％。
冲击保护性元件尺寸
对于不同的电缆段评估保护性元件的尺寸，以使得对不同的导体段保证不存在绝缘层变形。
为此，在存在膨胀型阻水层和存在非膨胀型阻水层两种情况下，根据各种导体横截面面积已确定出在50J冲击能量下绝缘层变型≤0.1mm所对应的保护性元件厚度。
通过保持第二非膨胀型层21和膨胀型聚合物层22的厚度恒定，而增加第一非膨胀型层23的厚度，来改变保护性元件的厚度。
对于不提供有所述保护性元件20的电缆(参见图4)，还选定非膨胀型护套7的相应厚度。
已经发现，随着导体横截面面积增大，所述保护性元件的厚度相应减小(参见图5)。
又已发现，膨胀型阻水层8的存在使得可以使用显著更薄的保护性元件20(对照图5和图6)。
图4、5、6中所示的结果分别对应有护套7的对比电缆、有保护性元件20的电缆、和兼有保护性元件20与膨胀型阻水层8的电缆。
在所述图中，护套厚度ts参照图4，保护性元件厚度tp参照图5，和保护性元件厚度tp与阻水层厚度tw之和参照图6，这些曲线是20kV电压等级下上述各种厚度与导体横截面面积S的函数。
本申请人还发现，通过增加第一非膨胀型层厚度而保持膨胀型聚合物层厚度恒定能提高对冲击的机械保护。
根据本发明的电缆可以根据已知用于沉积热塑性材料层的技术例如通过挤出制造。挤出能够有利地例如通过其中各个挤出机采用串联设置的沿着挤出生产线不同的“挤出区(block)”、或通过使用多个挤出头的共挤出法以单程进行。
通过下述实施例对本发明进行了说明，该实施例仅用于说明本发明，并不对其进行限制。
实施例1-2
组合物的制备
使用下列组分：
-丙烯多相共聚物：熔点为165℃，熔融焓为30J/g，MFI为0.8dg/分钟且挠曲模量为150MPa(Basell的商品AdflexQ 200F)；
-Sunpar2280(Sunoco的商品)：石蜡油；
-JarylecExp3(Elf Atochem的商品)：二苄基甲苯(DBT)。
制备下列组合物：
实施例1：94wt％的AdflexQ 200 F+6wt％的Sunpar2280；
实施例2：94wt％的AdflexQ 200 F+6wt％的JarylecExp3。
上述组合物制备如下：
将颗粒形式的聚合物(AdflexQ 200 F)在叶轮式混合器中，在搅拌条件下，在80℃下预热15分钟。随后，向预热的聚合物中添加6wt％的介电液体(实施例1为Sunpar2280和实施例2为JarylecExp3)。添加之后，在80℃下继续搅拌2小时直到液体被完全吸收入聚合物颗粒中。
在此第一阶段之后，将获得的材料在实验室双螺杆BrabenderPlasticorder PL2000内于180℃进行捏合以完成均质化。得到的材料以颗粒形式离开双螺杆挤出机。
介电损耗的测定
用上述获得的颗粒材料制成0.5mm厚的板。将所述板预热15分钟，在195℃模塑。
通过测量不同温度下的损耗角正切值(tanδ)(根据ASTM标准D150)，将以该方式获得的板用于介电损耗测量。测量20℃下的tanδ×10-4(50Hz下，G＝1kV/mm)和90℃下的tanδ×10-4(50Hz下，G＝1kV/mm)：所得结果在表3中给出。
表3
  实施例   G(kV/mm)   tanδ(20℃)   tanδ(90℃)
  1   1   3.7×10-4   5.7×10-4
  2   1   2.0×10-4   4.0×10-4
以上报道的数据显示：使用介电液体没有负面影响绝缘材料的介电损耗。
实施例3
电缆制造
生产根据本发明的电缆和对比电缆，所述电缆的绝缘层组成和半导体层组成描述于下表4。
表4
  根据本发明的电缆   对比电缆
  内和外半导体层   绝缘层   内和外半导体层   绝缘层
  重量％   重量％   重量％   重量％
  AdflexQ 200 F   60.4   93.4   66.4   99.4
  Ensaco250 G   33   -   33   -
  Sunpar2280   6   6   -   -
  IrganoxPS 802   0.4   0.4   0.4   0.4
  Irganox1010   0.2   0.2   0.2   0.2
Ensaco250 G：炉法炭黑(Erachem Europe的商品)；
IrganoxPS 802(抗氧化剂)：硫代二丙酸二硬脂基酯(CibaSpecialty Chemicals的商品)；
Irganox1010(抗氧化剂)：季戊四醇基-四-(3-(3，5-二叔丁基-4-羟苯基)丙酸酯)(Ciba Specialty Chemicals的商品)。
电缆缆芯(在其上沉积膨胀型层)由以下组成：铝导体(横截面为150mm2)、约0.5mm厚的内半导体层、约4.5mm厚的绝缘层和约0.5mm厚的外半导体层，所述层通过下述方式获得。
使用通往单个挤出头的三个挤出机，共挤出上述记载的三个层来制备电缆。
将用于内半导体层的材料(以上述表4记载的量)，即，在Banbury型密炼机中预先混合的AdflexQ 200 F、Sunpar2280、炭黑和抗氧化剂，进料入直径为45mm且L/D比为25的挤出机的挤出机进料斗内。
将用于绝缘层的材料(以上述表4记载的量)通过直径为80mm且L/D比为25的挤出机进行混合。因此，将AdflexQ 200 F直接进料入挤出机进料斗。接着，将预先与抗氧化剂在玻璃容器中混合的Sunpar2280在高压下注入挤出机。在挤出过程中在距挤出机螺杆开端约20D处利用在同一横截面内彼此呈120°的三个注入点进行注射。在70℃下以250巴的压力下注入介电液体。
将用于外半导体层的材料(以上述表4记载的量)，即，在Banbury型密炼机中预先混合的AdflexQ 200 F、Sunpar2280、炭黑和抗氧化剂，进料入直径为45mm且L/D比为25的挤出机的挤出机进料斗内。
将混合的材料共挤出在所述铝导体上。
使离开挤出头的电缆缆芯通过冷水从而将其冷却到环境温度。
使用直径为60mm且L/D比为20的挤出机，将厚度约为0.7mm和膨胀度为28％的膨胀型阻水半导体层挤出到上述公开的电缆缆芯上。用于所述膨胀型层的材料如下：
Santoprene201/121-68 W228：热塑性橡胶(Advanced ElastomerSystem的商品)(用量＝50phr)；
ProfaxPF 814：具有高度支化结构的全同立构丙烯均聚物(Montell的商品)(用量＝50phr)；
WaterlockJ550：交联的聚丙烯酸(部分成盐)(直径在10和45μm之间的颗粒大于50wt％)(Grain Processing Co.)(用量＝40phr)；
HydrocerolBIH 40：羧酸+碳酸氢钠发泡剂(BoeheringerIngelheim的商品)(用量＝2phr)；
Ensaco250 G：炉法炭黑(Erachem Europe的商品)(用量＝50phr)。
除去发泡剂之外，将所述材料在Banbury型密炼机内进行预先混合，然后将其与发泡剂一起进料入挤出机进料斗内。
将离开挤出头的电缆在进入铝成形装置之前在空气中冷却到60℃。
然后，将这样获得的电缆使用厚度约为0.3mm的涂漆的铝屏蔽包裹，使用粘合剂粘结重叠边。
随后，使用另一个直径为150mm且L/D比为25的挤出机，将厚度约为1.5mm的聚乙烯护套挤出到上述铝屏蔽上。
将离开所述另一个挤出机的挤出头的电缆在冷却管中(距离挤出头500mm)在水中冷却到80℃。
使用直径为120mm且L/D比为25的挤出机，将另一个厚度约为2mm且膨胀度为100％的膨胀型层沉积到上述公开的电缆上。用于上述膨胀型层的材料如下：
Hifax SD 817：采用乙烯/丙烯共聚物改性的丙烯(Basell的商品)(用量＝100phr)；
HydrocerolBIH 40：羧酸+碳酸氢钠发泡剂(BoeheringerIngelheim的商品)(用量＝1.2phr)；
将所述材料进料入挤出机进料斗。
在距离挤出头约500mm的地方提供冷却管(包含冷水)以使挤出材料停止膨胀，并将其冷却到80℃。
随后，使用另一个直径为160mm且L/D比为25的挤出机，将厚度为约1.5mm的聚乙烯护套挤出到所述另一个膨胀型层上。
将离开所述另一个挤出机的挤出头的电缆在冷却管中(距离挤出头500mm)在水中冷却到50℃。
在相似条件下，使用表4所示的材料，不加入介电液体，制造对比电缆。
介电强度
在环境温度下使用交流电对如上所述制造的两种电缆的三个试样(每个长20米)进行介电强度测定。由100kV开始，以每10分钟增加10kV的梯度向电缆上施加电压，直到电缆击穿。所考虑的击穿梯度是导体上的击穿梯度。
表5总结了该电测试的结果：其中的数据代表由三个不同测定所获得的平均值。
表5
  根据本发明的电缆   对比电缆
  (kV/mm)   (kV/mm)
  AC击穿   59   29
以上公开的数据清楚地表明本发明电缆发生击穿的电压梯度高于对比电缆发生击穿的电压梯度。

Claims (44)

1、一种用于预定电压等级的电缆，所述电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中所述绝缘材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体，所述绝缘层所具有的厚度使得电缆绝缘层外表面上的电压梯度不小于1.0kV/mm；和
-包围所述挤出绝缘层的保护性元件，其具有选择以提供预定抗冲击能力的厚度和机械性能，所述保护性元件包括至少一个膨胀型聚合物层，所述厚度在受到至少25J能量的冲击时足以防止可检测到的绝缘层的损伤。
2、根据权利要求1的电缆，其中所述挤出绝缘层厚度比I EC标准60502-2对于相应电压等级给出的绝缘层厚度小至少20％。
3、根据权利要求1的电缆，其中所述预定电压等级为10kV，并且所述挤出绝缘层的厚度不大于2.5mm。
4、根据权利要求1的电缆，其中所述预定电压等级为20kV，并且所述挤出绝缘层的厚度不大于4mm。
5、根据权利要求1的电缆，其中所述预定电压等级为30kV，并且所述挤出绝缘层的厚度不大于5.5mm。
6、根据权利要求1的电缆，其中所述热塑性聚合物材料选自：聚烯烃、不同烯烃的共聚物、烯烃与烯键式不饱和酯的共聚物、聚酯、聚醋酸酯、纤维素聚合物、聚碳酸酯、聚砜、酚树脂、尿素树脂、聚酮、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚胺、或其混合物。
7、根据权利要求6的电缆，其中所述热塑性聚合物材料选自：聚乙烯(PE)，例如低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、线性低密度PE(LLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯/乙烯基酯共聚物，例如乙烯/醋酸乙烯基酯(EVA)；乙烯/丙烯酸酯共聚物，例如乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)和乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)；乙烯/α-烯烃热塑性共聚物；聚苯乙烯；丙烯睛/丁二烯/苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物，例如聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚酰胺；芳族聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；或其共聚物或混合物。
8、根据权利要求1的电缆，其中所述热塑性聚合物材料选自：
(a)至少一种丙烯均聚物或至少一种丙烯与至少一种烯属共聚单体的共聚物，其中该共聚单体选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃，所述均聚物或共聚物的熔点大于或等于130℃且熔融焓为20J/g-100J/g；
(b)包含至少一种丙烯均聚物或共聚物(a)的机械混合物；和
(c)至少一种乙烯与至少一种脂族α-烯烃和任选的多烯的弹性体共聚物。
9、根据权利要求8的电缆，其中所述丙烯均聚物或共聚物(a)选自：
(a1)丙烯均聚物或丙烯与至少一种选自乙烯和除丙烯之外的α-烯烃的烯属共聚单体的共聚物，其挠曲模量为30MPa-900MPa；
(a2)多相共聚物，其包含基于丙烯的热塑性相和基于与α-烯烃共聚的乙烯的弹性体相，其中弹性体相的量相对于多相共聚物总重量为至少45wt％。
10、根据权利要求9的电缆，其中所述(a2)类多相共聚物为以下多相共聚物：其中弹性体相由乙烯和丙烯的弹性体共聚物组成，其包含占弹性体相重量的15-50wt％的乙烯和50-85wt％的丙烯。
11、根据权利要求8的电缆，其中所述乙烯的弹性体共聚物(c)选自：
(c1)具有以下单体组成的共聚物：35mol％-90mol％的乙烯；10mol％-65mol％的脂族α-烯烃；0mol％-10mol％的多烯；
(c2)具有以下单体组成的共聚物：75mol％-97mol％的乙烯；3mol％-25mol％的脂族α-烯烃；0mol％-5mol％的多烯。
12、根据权利要求1的电缆，其中所述介电液体选自：矿物油，例如环烷油、芳烃油例如烷基苯、石蜡油、聚芳烃油，所述矿物油任选地含有至少一种选自氧、氮或硫的杂原子；液体石蜡；植物油，例如豆油、亚麻子油、蓖麻油；低聚的芳族聚烯烃；链烷烃蜡，例如聚乙烯蜡、聚丙烯蜡；合成油，例如硅油，脂族酯例如季戊四醇的四酯、癸二酸的酯、邻苯二甲酸的酯，烯烃低聚物例如任选地氢化的聚丁烯或聚异丁烯；或其混合物。
13、根据权利要求12的电缆，其中所述介电液体选自：芳烃油、石蜡油、环烷油。
14、根据权利要求1的电缆，其中介电液体与热塑性聚合物材料的重量比在1∶99至25∶75之间。
15、根据权利要求1的电缆，其中所述导体是实心棒。
16、根据权利要求1的电缆，其进一步包括围绕所述绝缘层的电护罩，所述电护罩包含成形为管状的金属片。
17、根据权利要求1的电缆，其中所述保护性元件被置于所述绝缘层的径向外侧。
18、根据权利要求1的电缆，其中所述膨胀型聚合物层的膨胀度在20％至200％之间。
19、根据权利要求1的电缆，其中所述膨胀型聚合物层的厚度在1mm至5mm之间。
20、根据权利要求1的电缆，其中所述膨胀型聚合物层的可膨胀聚合物材料选自基于乙烯和/或丙烯的聚烯烃聚合物或共聚物。
21、根据权利要求20的电缆，其中所述可膨胀聚合物材料选自：
(d)乙烯与烯键式不饱和酯的共聚物，其中不饱和酯的量在5wt％至80wt％之间；
(e)乙烯与至少一种C3-C12α-烯烃和任选的二烯的弹性体共聚物，其具有下列组成：35mol％-90mol％的乙烯，10mol％-65mol％的α-烯烃，0mol％-10mol％的二烯；
(f)乙烯与至少一种C4-C12α-烯烃和任选的二烯的共聚物，其密度为0.86至0.90g/cm3之间；
(g)采用乙烯/C3-C12α-烯烃共聚物改性的聚丙烯，其中聚丙烯和乙烯/C3-C12α-烯烃共聚物的重量比在90/10至30/70之间。
22、根据权利要求1的电缆，其中所述保护性元件进一步包括至少一个与所述膨胀型聚合物层相连接的非膨胀型聚合物层。
23、根据权利要求28的电缆，其中所述至少一个非膨胀型聚合物层的厚度在0.2mm至1mm的范围内。
24、根据权利要求23的电缆，其中所述至少一个非膨胀型聚合物层由聚烯烃聚合物制成。
25、根据权利要求23的电缆，其中所述保护性元件包含在所述膨胀型聚合物层的径向外侧位置上的第一非膨胀型聚合物层。
26、根据权利要求23的电缆，其中所述保护性元件包含在所述膨胀型聚合物层的径向内侧位置上的第二非膨胀型聚合物层。
27、根据权利要求1的电缆，其在所述保护性元件的径向内侧位置上包含再一个膨胀型聚合物层。
28、根据权利要求27的电缆，其中所述再一个膨胀型聚合物层位于所述绝缘层的径向外侧位置。
29、根据权利要求27的电缆，其中所述再一个膨胀型聚合物层为包括水可溶胀材料的阻水层。
30、根据权利要求27的电缆，其中所述再一个膨胀型聚合物层是半导体。
31、根据权利要求1的电缆，其在所述绝缘层的径向内侧位置上包含内半导体层。
32、根据权利要求1的电缆，其在所述绝缘层的径向外侧位置上包含外半导体层。
33、根据权利要求1的电缆，其中所述预定电压等级属于中压或高压范围。
34、一种用于预定电压等级的电缆，所述电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和
-包围所述绝缘层的保护性元件，其包含至少一个膨胀型聚合物层；
其特征在于，导体横截面面积大于或等于50mm2时该保护性元件厚度值小于7.5mm，和导体横截面面积小于50mm2时该保护性元件厚度值大于8.5mm。
35、根据权利要求34的电缆，其中所述预定电压等级高于60kV，和在受到至少70J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
36、根据权利要求34的电缆，其中所述预定电压等级不高于60kV，和在受到至少50J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
37、根据权利要求34的电缆，其中所述预定电压等级低于10kV，和在受到至少25J能量的冲击时所述绝缘层没有可检测到的损伤。
38、一种电缆组，其选择用于预定电压等级并具有不同的导体横截面面积，每一电缆包括：
-至少一个导体；
-至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和
-包围所述绝缘层的保护性元件，其包含至少一个膨胀型聚合物层；其中所述保护性元件的厚度与导体横截面面积成反比关系。
39、根据权利要求38的电缆组，其中所述保护性元件进一步包括至少一个与所述至少一个膨胀型聚合物层相连接的非膨胀型聚合物层。
40、根据权利要求39的电缆组，其中每一电缆在所述保护性元件的径向内侧位置包含再一个膨胀型聚合物层。
41、一种设计电缆的方法，该电缆包括至少一个导体；至少一个围绕所述导体的挤出绝缘层，所述绝缘层由非交联的绝缘材料制成，其中该材料包含至少一种热塑性聚合物和至少一种介电液体；和围绕所述绝缘层的保护性元件，所述保护性元件包括至少一个膨胀型聚合物层，所述方法包含以下步骤：
-选择导体横截面面积；
-根据多个预定的电参数限制条件之一，确定所述绝缘层的厚度，该厚度与在预定电压等级中在所述选择的导体横截面面积上的安全操作相适应；
-从根据所述多个预定的电参数限制条件确定的那些绝缘层厚度中选择最大的绝缘层厚度；
-确定所述保护性元件的厚度，以使得当电缆上发生能量至少为50J的冲击时，所述绝缘层没有可检测到的损伤；和
-对于所述预定电压等级和选择的导体横截面面积，在电缆的设计中使用所述选择的绝缘层和所述确定的保护性元件厚度。
42、根据权利要求41的方法，其中所述确定所述保护性元件厚度的步骤包含确定所述膨胀型聚合物层厚度的步骤。
43、根据权利要求41的方法，其中所述确定所述保护性元件厚度的步骤包含以下步骤：确定所述膨胀型聚合物层的厚度和确定该至少一个与所述膨胀型聚合物层相结合的非膨胀型聚合物层的厚度，所述保护性元件包含所述至少一个非膨胀型聚合物层。
44、根据权利要求41的方法，其中确定至少一个非膨胀型聚合物层的厚度的步骤包含使所述至少一个非膨胀型聚合物层的厚度与导体横截面面积成反比关系的步骤。
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