CN204178800U - 相变控温式高压电缆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种相变控温式高压电缆，涉及电力电缆技术领域。包括电缆内芯和电缆外层，电缆内芯从内到外依次为线芯、绝缘层、屏蔽层，电缆外层从内到外依次为绕包层、内护层、铠装层和外护层,在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层，所述填充层中包括复合相变材料或全部为复合相变材料，高压电缆为高压交联聚乙烯电缆。该电缆节能、环保、自动温控，通过相变材料改善高压电缆散热情况，提高电缆载流、过载能力和热稳定性，延长电缆使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及高压电缆技术领域。
背景技术
高压电缆的传输容量取决于热平衡状态下电缆内外绝缘材料的温升。对于常规结构的电缆，导体产生的热量经由内外屏蔽层、绝缘层、填充层、内护套、钢带铠装层、PVC护套，最后散发到空气中或土壤中。目前高压电缆采用的填充材料有玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯（PP）与聚乙烯混合料、棉纱、聚丙烯（PP）绳等。其主要作用是保持电缆圆整﹐减少胶料用量﹐降低成本﹐增加电缆强度。上述填充材料的热阻较高且分布不均，在一定程度上影响热量传输的效率，不利于电缆导体的散热和冷却。严重时，可引起电缆局部温升过高，甚至导致热击穿。
相变材料(PCM-Phase Change Material)是一类特殊的功能性材料，是指随着温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，其能在等温或近似等温的情况下发生相变(多数为固液相变或气液相变)，同时伴随有较大能量(一般称为相变潜热)吸收或释放，这个特点是该类材料具有广泛应用的原因和基础。相变材料的分类相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类，有机复合相变材料克服了传统相变材料在使用过程中的许多问题，具有许多优异的性能：(1)储存热能量大，温度可调控。(2)可直接成型加工，对容器要求不高甚至无需容器盛装直接作为骨架材料使用，大大减少了生产成本。(3)材料相变过程中体积变化较小，形状稳定，是一种环境友好型材料。(4)性能稳定，无过冷现象和相分离现象，使用寿命长。因此有机复合相变材料日益受到研究者的重视，被视为最有发展前途的相变材料之一。
有机复合相变材料已在包括太阳能、工业余热回收、建筑材料、空调蓄冷、电子器件、电池散热、化妆品、调温纤维等多个领域得到广泛应用。相变材料的研究正成为世界范围内的研究热点，具有各种不同性能(如不同的相变温度、不同的相变焓值，不同的形状，不同稳定性等)的PCM正在快速地被开发出来，并不断地为这些材料的应用拓展新的领域。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种相变控温式高压电缆，该电缆能自动降温，通过相变材料改善高压电缆散热情况，提高电缆载流、过载能力和热稳定性，延长电缆使用寿命。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种相变控温式高压电缆，包括电缆内芯和电缆外层，电缆内芯从内到外依次为线芯、绝缘层、屏蔽层，所述电缆外层从内到外依次为绕包层、内护层、铠装层和外护层,在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层，所述填充层中包括复合相变材料,所述高压电缆为高压交联聚乙烯电缆。
进一步的，所述复合相变材料为有机复合相变材料。
进一步的，所述有机复合相变材料为石蜡基导热增强型复合相变储能材料。
进一步的，所述填充层为圆绳状。
进一步的，所述填充层包括含空隙单元的立方体。
进一步的，所述的含空隙单元的立方体的中间为填充的复合相变材料，立方体四周为由正方形直棱柱组成的导热增强材料骨架。
进一步的，所述导热增强材料骨架为膨胀石墨材料。
一种相变控温式高压电缆，包括电缆内芯和电缆外层，电缆内芯从内到外依次为线芯、绝缘层、屏蔽层，所述电缆外层从内到外依次为绕包层、内护层、铠装层和外护层,在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层，所述填充层全部为复合相变材料,所述高压电缆为高压交联聚乙烯电缆。
进一步的，所述复合相变材料为有机复合相变材料。
进一步的，所述有机复合相变材料为石蜡基导热增强型复合相变储能材料。
进一步的，所述填充层为圆绳状。
进一步的，所述填充层包括含空隙单元的立方体。
进一步的，所述的含空隙单元的立方体的中间为填充的复合相变材料，立方体四周为由正方形直棱柱组成的导热增强材料骨架。
进一步的，所述导热增强材料骨架为膨胀石墨材料。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该电缆创新性地将导热增强型复合相变材料应用于电力电缆的散热冷却，通过革新电缆填充层的材料实现三芯电缆强导热自冷却功能，从而提高电力电缆的热稳定性能；
该电缆是基于有机复合相变材料，对高压交联聚乙烯电缆的填充材料进行优化，提出一种强导热自冷却填充材料。在增加导热性能、降低填充层热阻的同时，利用相变冷却热容量大的优点，可以有效降低高压电缆的暂态温升。从而，防止高压电缆长期循环局部过热造成的热击穿，有效延长高压电缆使用寿命。不仅如此，采用导热增强型复合相变材料，还能够大幅度提升填充层的热传导效率，结合相变冷却技术，能够有效降低三芯电缆的稳态温升，达到大幅度提升电缆载流量和电缆的过载能力；
该电缆节能环保，能够利用相变自动调控温度，能够满足电缆在不同环境下的需要。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是复合相变填充材料的微观结构示意图；
图中：1、外护层；2、铠装层；3、内护层；4、线芯；5、屏蔽层；6、绝缘层；7、填充层；8、绕包层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型是基于有机复合相变材料，对高压交联聚乙烯电缆的填充材料进行优化，提出一种强导热自冷却填充材料。在增加导热性能、降低填充层热阻的同时，利用相变冷却热容量大的优点，可以有效降低高压电缆的暂态温升。从而，防止高压电缆长期循环局部过热造成的热击穿，有效延长高压电缆使用寿命。不仅如此，采用导热增强型复合相变材料，还能够大幅度提升填充层的热传导效率，结合相变冷却技术，能够有效降低三芯电缆的稳态温升，达到大幅度提升电缆载流量的目标。
本实用新型包括电缆内芯和电缆外层，所述电缆内芯从内到外依次为线芯4、绝缘层6、屏蔽层5，所述电缆外层从内到外依次为绕包层8、内护层3、铠装层2和外护层1，在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层7，所述填充层7中包括复合相变材料，或是填充层7全部为复合相变材料，所述复合相变材料为石蜡基导热增强型复合相变储能材料；所述复合相变材料优选为复合定型相变材料。
相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。
相变材料的分类相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；复合相变储热材料的应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。因此，研制复合相变储热材料已成为储热材料领域的热点研究课题。石蜡类有机物用做相变储能材料具有相变焓高、相变温度范围广、价格低等优点，但其较低的导热系数限制了吸／放能效率的提升。添加高导热物质合成复合相变材料，用以强化石蜡类有机相变材料传热能力是非常有前景的研究方向。
本实用新型所产生的有益效果在于：
（1）提升电缆载流量
XLPE即交联聚乙烯电缆的允许载流量是有导电线芯的最高允许温度、电缆周围的环境和电缆周围的热传导等因素决定的。电缆导体运行过程中会产生热量向周围散发，电缆本体的导热性能不仅影响其允许载流量，而且对绝缘材料的耐热性及老化性也起作用。绝缘材料的温度升高时会逐渐老化，失去固有的绝缘水平和机械强度。强导热自冷却填充材料采用高导热系数的导热增强型材料，可成倍提升填充材料的导热性能，同时结合相变吸热，能够有效降低正常运行时高压电缆的稳态温升，从而提高电缆系统的载流量；
（2）提高电缆过载能力
高压交联聚乙烯绝缘电缆相较于油纸绝缘等其他电缆有许多明显的优点，因而在配网系统居于统治地位。然而，就过载能力而言，交联聚乙烯电缆却略为逊色。如下表1所示：
由上表可以看出，虽然常规XLPE电缆的耐温等级有所提高，导体截面积可相应减小，但是就载流量相同的两种电缆而言，常规XLPE电缆的过载能力尚且有待提高。基于复合相变填充材料的交联聚乙烯电缆，利用相变潜热和高导热率可以有效抑制暂态温升，从而提升电缆的短时过载能力；
（3）延长电缆寿命
电缆绝缘的使用寿命（单位为年）和长期运行温度的关系可用下式表示，即
式中 t ——绝缘运行温度（℃），不超过130℃
当t=98℃时，使用寿命A=20年
当t=104℃时，使用寿命A=10年
当t=92℃时，使用寿命A=40年
即温度每升高或降低6℃，绝缘老化寿命降低一半或者提高一倍。这种规律称为“6度定则”。采用复合相变填充材料，因其超强的传热能力，可使电缆运行温度远远低于目前电缆的运行温度，且该材料可控制温度变化范围小于1℃，从而，有效延长电缆使用寿命。
对本实用新型的结构和选材进行详细描述如下：
1、本实用新型是将复合相变材料应用于高压交联聚乙烯电缆的填充层
利用复合相变材料吸收和释放能量，从而大幅度增强XLPE电缆的散热能力，进而有效提高电缆的长期运行载流量和短时过载能力。同时，有效延缓绝缘材料的热老化、防止局部过热，延长电缆的使用寿命。
2、本实用新型复合相变材料选择
该填充材料采用石蜡基导热增强型复合相变储能材料，与常规相变储能材料相比，其导热系数可以提高6倍以上，相变温度在-150～150°C可调，储能密度可达100～1000J/g以上。
相变材料采用切片石蜡，支撑材料为聚乙烯，导热增强材料为膨胀石墨。该相变材料的成分及主要热物性参数如表2所示；
3、本实用新型的结构设计
常规填充材料的结构设计对电缆圆整度起着至关重要的作用，通常采用填充绳和填充条两种。填充绳柔软，可以不同规格随意组合搭配满足不同空隙形状和面积的需要，使用方便，故被广泛应用。其主要缺点是结构松散，受压易变形，在应用中存在被压扁致使缆芯不圆整的问题。填充条较硬，抗压变形较好，具有规则形状和尺寸。其主要缺点是使电缆的弯曲度有所降低。复合相变材料作为电缆填充介质，完全可以满足电缆圆整度的要求，且可根据不同应用情况，制作成填充绳或填充条。
4、本实用新型的效果
基于复合相变填充材料的高压电缆强导热自冷却方法的应用效果
1）它属于吸收型被动冷却，与常规散热型有很大的不同。它不单依靠温差散热，因此不受外界环境温度变化的影响，使电缆设备始终稳定在需要的温度上。从而有效减小冲击电流对绝缘的破坏，提高设备的耐热冲击性能；
2）与主动冷却比较，它不用电，没有运动部件，无需动力装置，可用于振动、冲击、加速度等恶劣的力学条件下工作，可靠性很高；
3）在一定条件下，相较于水冷和风冷进行散热，可以方便地对电缆设备的导体进行冷却，不用水冷或风冷，节水节电，具有较大的经济价值；
4）它在低温条件下(如-40℃)工作，它还储存热能，有效防止外界环境过冷导致的电缆结构损坏，提高电缆设备的耐低温性能；
5）它能周期性工作，长久使用；
6）在低的平衡温度条件下，它比热沉法散热器体积可缩小2.6倍左右；重量可减轻4.5倍左右；
7）工艺较复杂。
5、 附图及附图的简要说明
如图1所示，为基于复合相变填充材料的高压交联聚乙烯电缆的典型结构，以型号YJV22-8.7/10kV-3*300的三芯XLPE电缆为例，其结构参数如下表3：
由表3可知，采用复合相变材料的填充层，其导热系数是普通材料的6倍以上，从而可以实现热量的快速传导，同时结合相变吸热达到运行电缆自冷却的目的。
图2为复合相变填充材料及其微观结构示意图。膨胀石墨的结构和传热机理极为复杂，而填充相变材料后的定形相变的有效热导率更难以计算，目前的研究理论大多采用立体骨架式相分布模型。图2中，填充层可为含空隙单元的立方体，正方体中间为填充的相变材料，四周为由正方形直棱柱组成的导热增强材料骨架。该导热增强材料选用已有技术，即可以为膨胀石墨、纳米石墨或泡沫金属材料等。
所述复合相变材料可以采用已有技术，根据要求的相变温度选择相应的复合相变材料。
Claims (14)
1.一种相变控温式高压电缆，包括电缆内芯和电缆外层，电缆内芯从内到外依次为线芯（4）、绝缘层（6）、屏蔽层（5），所述电缆外层从内到外依次为绕包层（8）、内护层（3）、铠装层（2）和外护层（1）,其特征在于：在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层（7），所述填充层（7）中包括复合相变材料,所述高压电缆为高压交联聚乙烯电缆。
2.根据权利要求1所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述复合相变材料为有机复合相变材料。
3.根据权利要求2所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述有机复合相变材料为石蜡基导热增强型复合相变储能材料。
4.根据权利要求3所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述填充层（7）为圆绳状。
5.根据权利要求3所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述填充层（7）包括含空隙单元的立方体。
6.根据权利要求5所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述的含空隙单元的立方体的中间为填充的复合相变材料，立方体四周为由正方形直棱柱组成的导热增强材料骨架。
7.根据权利要求6所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述导热增强材料骨架为膨胀石墨材料。
8.一种相变控温式高压电缆，包括电缆内芯和电缆外层，电缆内芯从内到外依次为线芯（4）、绝缘层（6）、屏蔽层（5），所述电缆外层从内到外依次为绕包层（8）、内护层（3）、铠装层（2）和外护层（1）,其特征在于：在所述电缆内芯和电缆外层之间为填充层（7），所述填充层（7）全部为复合相变材料,所述高压电缆为高压交联聚乙烯电缆。
9.根据权利要求8所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述复合相变材料为有机复合相变材料。
10.根据权利要求9所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述有机复合相变材料为石蜡基导热增强型复合相变储能材料。
11.根据权利要求10所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述填充层（7）为圆绳状。
12.根据权利要求10所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述填充层（7）包括含空隙单元的立方体。
13.根据权利要求12所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述的含空隙单元的立方体的中间为填充的复合相变材料，立方体四周为由正方形直棱柱组成的导热增强材料骨架。
14.根据权利要求13所述的相变控温式高压电缆，其特征在于：所述导热增强材料骨架为膨胀石墨材料。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN106710710A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-05-24 | 绵阳市长信电线电缆有限公司 | 光电混合电缆及其制备方法 |
| CN108511116A (zh) * | 2018-03-08 | 2018-09-07 | 常州大学 | 一种水合物控温散热低压电缆 |
| WO2019138274A1 (en) | 2018-01-09 | 2019-07-18 | Cabelte-Cabos Eléctricos E Telefónicos S.A. | Process for impregnating thermal energy absorbing material into the structure of an electric cable, and respective electric cable |
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| CN113066615A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-02 | 福建微波通通信技术有限公司 | 一种通讯电缆生产工艺及通讯电缆 |
| DE102020132348A1 (de) | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Elektrischer Leiter |
-
2014
- 2014-06-27 CN CN201420349373.5U patent/CN204178800U/zh active Active
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