NO159826B

NO159826B - Elektrisk undervannskabel for likestroem.

Info

Publication number: NO159826B
Application number: NO820096A
Authority: NO
Inventors: Elio Occhini; Gianmario Lanfranconi; Piero Metra
Original assignee: Societae Cavi Pirelli S P A
Priority date: 1981-01-14
Filing date: 1982-01-13
Publication date: 1988-10-31
Also published as: SE8200070L; DK9882A; BR8200149A; AU547235B2; FR2498000A1; HK22085A; US4417093A; NO820096L; AU7851581A; IT8119115A0; GR82307B; GB2091030A; DK156342B; SE452217B; FI71441B; CA1177922A; JPH0261083B2; FR2498000B1; GB2091030B; ES509157A0

Description

Oppfinnelsen angår en elektrisk undervannskabel for likestrøm.og høye spenninger, omfattende minst én leder, en indre, halvledende skjerm, en lagdelt isolasjon som er..dannet . av lag av isolerende bånd av cellulosepapir og impregnert med en isolasjonsmasse, en ytre, halvledende skjerm rundt den lagdelte isolasjon, og en metallisk mantel.

Slik det er kjent for fagfolk, oppstår en kritisk situasjon i en høyspenningskabel ved dannelsen av hulrom eller bobler i isolasjonen under kabelens drift som følge av varmesyklusene under avkjølingsfasen.

De kjente undervannskabler som har sine isolerende band impregnert med et flytende dielektrikum med lav viskositet, såsom oljefylte kabler, er de som gir den beste sikkerhet mot dannelse av bobler. Når temperaturen økes, blir det flyteride dielektrikum eller den flytende olje som det vanligvis benevnes, i virkeligheten utvidet i passende beholde-re, fortrinnsvis ved et variabelt trykk, som etter behov er anordnet ved den ene eller begge ytterender av kabelen.

I avkjølingsfasen blir tilbaketrekkingen kompensert ved

hjelp av den flytende olje som på nytt strømmer inn i kabe-

len fra beholderen.

Dette er grunnen til at det i isolasjonen i oljefylte kabler ikke kan dannes noen bobler. Kort sagt er de oljefylte kabler uavhengige av eventuelle variasjoner i temperatur eller med andre ord termisk stabile.

Da videre den flytende olje som normalt benyttes,

har en spesifikk vekt som ligger meget nær den spesifikke vekt for vann, er trykket inne i de oljefylte kabler til-nærmet lik trykket fra de omgivelser i hvilke kabelen er innført. Dette faktum tillater at de oljefylte kabler praktisk talt ikke har noen begrensninger når det gjelder utlegningsdybde.

Slik som ovenfor angitt, trekker oljen seg til-

bake under avkjølingstilstander og må forskyve seg fra

kabelens ytre klemmer til sentrum av forbindelsen. På grunn av den hydrauliske motstand som påtreffes, og delvis som følge av oljens viskositet, opptrer betydelige trykkfall over hele kabelens utstrekning. Det er forståelig at disse trykkfall vil stå i forhold til selve lengden av den oljefylte kabel. For å hindre at det under avkjølingsfasen,

i tilfelle av meget lange kabler, finner sted noen inntryk-king i kabelen, er det derfor nødvendig å øke matetrykket for den flytende olje. Imidlertid kan det nevnte trykk åpenbart ikke økes ubegrenset, og det følger av dette at de oljefylte kabler har visse begrensninger når det dreier seg om meget lange avstander.

For store avstander har det vært foreslått å benytte kabler med papirbånd som er forimpregnert med en isolasjonsmasse som er ikke-migrerende i en trykkgassatmos-fære. Spesielt er disse kabler kjent i teknikken som kabler av GLOVER-typen. Disse omfatter i praksis papir som er forimpregnert med isolasjonsmasse som ligger i en atmosfære av trykkgass, f.eks. med et trykk på 14 - 15 atm.

Kablene i trykkgass er ikke egnet for store dybder. En kabel av denne type kan i realiteten ikke legges med driftsspenningstrykk da den i et sådant tilfelle ikke ville være fleksibel. Når dessuten det ytre vanntrykk overstiger det indre gasstrykk, kan kabelen eventuelt bryte sammen.

Erfaringen har vist at med en kabel som har et indre gasstrykk, kan dybder på over 250 meter ikke over-skrides .

I en kabel av GLOVER-typen kan det dessuten dannes bobler i mellomrommene eller de dielektriske spalter under kabelens fremstilling. Når båndene som er impregnert i isolasjonsmasse, vikles og strekkes stramt over kabelen, presser de ut isolasjonsmassen som ved fremstrømming bare delvis fyller mellomrommene mellom båndene, slik, at små hulrom etterlates på innsiden.

Dette faktum har ingen betydning for vekselstrøm hvor fordelingen av spenningsgradienten finner sted som en funksjon av isolasjonens dielektrisitetskonstant.

er kjent for fagfolk, fordeles på basis av reslstiviteten (den spesifikke motstand), ville bobler i spaltene eller mellomrommene mellom vindingene av isolasjonsbånd represen-tere en betydelig fare for elektrisk utladning.

Da boblenes resistivitet er praktisk talt uende-lig, blir det på disse i virkeligheten lokalisert en spenningsgradient som er meget høy i forhold til den gradient som kan lokaliseres på hver side av boblen dersom dan skulle bli fylt av isolasjonsmasse.

Kabler som kan virke godt for lange avstander og også for store dybder, er de kabler som er fullstendig impregnert med isolasjonsmasse og er blybelagt, hva enten de har et tverrsnitt med sirkulær eller elliptisk omkrets.

Som fagfolk vet, har disse kabler ikke noen vesent-lig lengdebevegelse, men bare bevegelse i radial retning. Under varme-syklusen får man i virkeligheten vekselvis termiske utvidel-ser og kontraksjoner av isolasjonsmassen. Under oppvarmin-gen og den radiale utvidelse av isolasjonsmassen får man en økning i det indre trykk i jevnbyrdighet med det ytre trykk. Med henblikk på den termiske kontraksjon blir det indre

trykk under den etterfølgende avkjølingsfase redusert til man på visse steder oppnår et absolutt vakuum. I overensstemmelse med disse steder kan det i isolasjonsmassen dannes hulrom, som, i det minste i begynnelsen under et kraftig vakuum, i likestrømskabler (hva angår det som er angitt foran) kan forårsake elektrisk perforering _^v isolasjonen.

Likestrømskabler som er fullstendig impregnert

med en isolasjonsmasse, ble inntil for noen få tiår siden benyttet for spenninger under 200 kV og vanligvis rundt ca.

100 kV. Slik det er kjent for fagfolk, er imidlertid driftsspenningene for likestrømskabler nå blitt gradvis øket, mens den verdi som er knyttet til uttrykket "høye spenninger", på liknende måte har rriennomgåf_ en gradv* *- f^ranriri~i.

Med "høye spenninger" menes det idag spenninger som har verdier som er i det minste over 200 kV.

Ved den nevnte økning av drirtsspenninyene som sjonen til de økede påkjenninger, ved hjelp av en økning av isolasjonstykkelsen og ved å benytte isolasjonsmasser som har forbedrede isolasjonsegenskaper.

På tross av dette er de perforeringer som opptrer under varmesyklusene, ikke blitt unngått. I stedet har man ved prøving funnet for eksempel at mens det i en prøve av en likestrømskabel som var isolert med cellulosepapir som var impregnert med en isolasjonsmasse og hadde en tykkelse på 9 mm, inntraff elektriske utladninger som følge av en på-trykt prøvespenning på ca. 400 kV, inntraff det i en likestrømskabel som var isolert med det samme impregnerte, papir, men hadde en tykkelse på 18 mm, ikke perforeringer som følge av elektriske utladninger ved påtrykning av en prøvespenning på 800 kV, hvilke derimot inntraff allerede ved ca. 600 kV.

Det nevnte fenomen kan korreleres med dannelsen

av hulrom som blir verifisert i større utstrekning og med mer alvorlige virkninger avhengig av størrelsen av det impliserte isolasjonsmassekvantum, hvilket faktum øker muligheten for at perforeringer finner sted som en konse-kvens av dette.

Dersom en fullstendig impregnert undervannskabel legges på en tilstrekkelig dybde (på over 120 m), kan det ytre trykk på grunn av. vannet bli overført gjennom plast-mantelen til isolasjonen og således hindre ovennevnte feno-mener. For dybder på mindre enn 120 m er imidlertid med-virkningen av det ytre trykk utilstrekkelig, og eventuelle gode resultater for høyspennings-likestrømskabler som er fullstendig impregnert og har en betydelig lengde, er helt avhengige av tilfellet.

Fra US-patentskrift nr. 3 586 752 er det kjent en kabel med en lagdelt papirisolasjon som er impregnert med en olje, nærmere bestemt en hydroraffinert isolasjonsolje. Ifølge dette patentskrift må en nedbrytning av kabelisolasjonens dielektriske egenskaper forventes når det i denne er til stede basisk nitrogen som, da det er et ioniserbart stoff, er et polart stoff. For å oppnå en stabil kabelisolasjon og en lang driftslevetid for en sådan kabel, blir det basiske nitrogen, dvs. det polare stoff, fjernet fra oljen ved at denne bringes i kontakt med et surt absorpsjonsmiddel.

Formålet med oppfinnelsen er å konstruere kabler for likestrøm og høye spenninger som er særlig, men ikke ute-lukkende, egnet for å benyttes for lange undervannsstrekninger, og som gir den beste sikkerhet ved bruk, også der hvor de ikke bistås av trykket fra det middel som utgjør omgivelsene.

Ovennevnte formål oppnås med en kabel av den inn-ledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjenne-tegnet ved at isolasjonsmassen, ved at den inneholder minst ett stoff som er forsynt med polare grupper, har en spesifikk motstand som i kabelens driftstemperaturområde er minst 100 ganger lavere enn den spesifikke motstand til de impregnerte cellulosepapirbånd.

Man har overraskende funnet at det er mulig å unngå den fare som er representert ved eventuelle hulrom eller bobler som er innleiret i isolasjonsmassen, dersom isolasjonsmassen ved de aktuelle driftstemperaturer oppviser en tilstrekkelig lav spesifikk motstand som opprettholdes konstant gjennom hele driftsperioden. En sådan isolasjonsmasse, som altså er mindre isolerende enn de som vanligvis benyttes, er i stand til elektrisk å avskjerme eller kortslutte eventuelle hulrom eller bobler som er inneholdt i massen.

Det er blitt vist eksperimentelt at det for å oppnå en effektiv skjermvirkning er nødvendig at isolasjonsmassen har en spesifikk motstand med den ovenfor angitte verdi. I praksis vil den spesifikke motstand fortrinnsvis, men ikke nød-vendigvis, være ca. 100 ganger lavere enn den spesifikke motstand til de impregnerte cellulosepapirbånd.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et ikke-begrensende utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk riss av en fullstendig impregnert kabellengde for likestrøm, fig. 2 viser skjematisk en lengde av en likestrømskabel sem er trykksatt med gass, fig. 3 er et diagram som viser den indre spesifikke motstand for visse isolasjonsmasser i forhold til den spesifikke motstand for papir, og fig. 4 er et diagram som viser utladningsintensitet i en isolasjonsmasse ifølge oppfinnelsen i forhold til den elektriske ut-ladninsgsintensitet for en isolasjonsmasse som er kjent i teknikken.

Den på fig. 1 viste kabel for likestrøm omfatter minst én leder 10 på hvilken det er anbrakt en indre, halvledende skjerm 11 som er dannet for eksempel ved påvikling av et halvledende bånd. På den halvledende skjerm 11 er det anordnet et dielektrikum bestående i det minste av ett eller flere lag,av et isolerende papirbånd 12 av cellulose som er viklet i skruelinjeform og impregnert ned,isolasjonsmasse.

På det isolerende bånd 12 er anbrakt en ytre halvledende skjerm 13. Denne kan f.eks. utgjøres av et viklet, halvledende bånd. Det hele er innesluttet i minst én blymantel eller blykappe 14. Den sistnevnte kan også være dekket av beskyttende lag som er kjent i teknikken, eller annet som er nødvendiggjort av spesielle omstendigheter. I det viste eksempel er blykappen 14 dekket av en antikorroderende kappe 15.

En isolasjonsmasse som er i overensstemmelse med læren ifølge oppfinnelsen, kan oppnås ved at det til hydro-karbonoljen som vanligvis benyttes for impregnering av elektriske kabler, tilsettes minst ett stoff som inneholder polare grupper, idet det med dette tilsiktes at stoffene kan inne-holde én eller flere polare grupper (for definisjon av uttrykket "stoff som inneholder polare grupper" refereres til Samuel Glasstones's "TRATTATO DI CHIMICA-FISICA" fra den amerikanske utgave, side 114 - 115, av den italienske over-settelse (1956) av Carlo Manfredi).

Et eksempel på den nevnte isolasjonsmasse inneholder: - Viskøs hydrokarbonolje i et forhold på minst 60 vektdeler for hver 100 vektdeler isolasjonsmasse. - Organiske, polare sammensetninger i hvilke polariteten er gitt ved tilstedeværelsen i isolas jonsmassen av én eller flere kar-? boksylgrupper CO-OH i en mengde på opp til 40 vektdeler for hver 100 vektdeler av isolasjonsmassen.

I tillegg til disse to komponenter kan også andre være til stede, for eksempel for å kontrollere isolasjons-massens viskositet, i et forhold på opp til 15 % idet vekten av de to foregående komponenter er satt lik 100.

En isolasjonsmasse som har gitt meget gode

resultater, omfatter spesielt følgende:

- 63 vektdeler hydrokarbonolje med en viskositetsindeks på 75 og en viskositet ved 38° C på 800 cST, - 27 vektdeler av organisk sammensetning bestående i hovedsaken av en naturharpiks med en abietinsyrebasis, - 10 vektdeler av en.mikrokrystallinsk voks som har et smeltepunkt på 103 - 107° C.

Foruten for den på fig. 1 viste kabel har den sistnevnte oppskrift vist seg å være særlig effektiv også for den kabel som er vist på fig. 2.

Den sistnevnte kabel har minst én leder 16 som er dekket av en indre skjerm 17 og som har et dielektrikum som ut-gjøres av isolerende, cellulære papirbånd 18 som er viklet i skruelinjeform. En ytre skjerm 19 dekker de isolerende bånd 18. Det hele er inneholdt i minst én metallisk mantel eller kappe 20 som f.eks. er korrugert og består av aluminium. Kappen kan være dekket av én eller flere beskyttende kapper eller over-'. : trekk 21. De isolerende bånd i kabelen på fig. 2 er av den type som er impregnert i en isolasjonsmasse ved hjelp av gass under trykk, f.eks. ved et trykk som kan nå opp til 25 atm.

På fig. 3 viser kurve a variasjonen av den indre, spesifikke motstand som funksjon av temperaturen av den sistnevnte isolasjonsmasse i forhold til variasjonen av den indre, spesifikke motstand for det papir som er impregnert med massen (kurve b).

Den nevnte isolasjonsmasse har gitt meget tilfreds-stillende resultater sammenliknet med produktet IL03 (hvit vaselin) fra firmaet WITCO (USA) som tidligere i alminnelighet ble benyttet (kurve d) og som har en spesifikk motstand som ligger nær og over den spesifikke motstand for det papir som er impregnert med dette produkt (kurve c).

Diagrammet på fig. 4 viser intensiteten av utladninger uttrykt i pieo-Coulomb (pC) ved 14 atm. som funksjon av den påtrykte spenningsgradient E uttrykt i kV/mm for bobler i prøvestykker med et dielektrikum som er impregnert med hver av de to nevnte isolasjonsmasser. Det fremgår at med en gradient som er tre ganger større enn den gradient hvor utladningene innledes i den tradisjonelle isolasjonsmasse

(kurve d), inntreffer ingen utladninger i materialet ifølge oppfinnelsen (kurve a).

Andre foretrukne isolasjonsmasser er de som i tillegg til en hydrokarbonolje med en viskositet på 800 cSt. ved 38° C, også utgjøres av én av de følgende organiske syrer i mengder på opp til 10 %:

- oljesyre,

- linolsyre,

- harpiksoljesyre,

- palmitinsyre,

- stearinsyre,

- forskjellige naftensyrer

- forskjellige terpensyrer.

Andre isolasjonsmasser i overensstemmelse med oppfinnelsen kan f .eks. omfatte viskøs hydrokarbonolje til hvilken det er blitt tilsatt salter av organiske syrer som har god oppløsningsevne i! hydrokarbonene.

En isolasjonsmasse av denne type, som har vist seg å være særlig velegnet, omfatter en hydrokarbonolje med en viskositet ved 38° C på 600 cSt i et forhold på 95 vektdeler eller mer pr. 100 vektdeler isolasjonsmasse og kobbernaftenat i et forhold på opp til 0,05 vektdeler.

En ytterligere foretrukket isolasjonsmasse kan bestå av en hydrokarbonolje, f.eks. de som er angitt i de foregående eksempler, i hvilken det er sikret tilstedeværel-se av sammensetninger som inneholder polare grupper eller ledende partikler som skriver seg fra cellulosepapirbåndene, når de nevnte bånd er av en vannekstrakt med en ledningsevne på fra 50 til 200 yS.

For bestemmelse av vannekstrakten og for måling av dennes ledningsevne henvises til den metode som er beteg-net ASTM D 202-62T.

Ledningsevnen til papirets vannekstrakt kan defi-neres som et mål på elektrolyttene som er oppløselige i varmt vann og som er til stede i papiret.

Claims

1. Elektrisk undervannskabel for likestrøm og høye spenninger, omfattende minst én leder, en indre, halvledende skjerm, en lagdelt isolasjon som er dannet av lag av isolerende bånd av cellulosepapir og impregnert med en isolasjonsmasse, en ytre, halvledende skjerm rundt den lagdelte isolasjon, og en metallisk mantel, KARAKTERISERT VED at isolasjonsmassen, ved at den inneholder minst ett stoff som er forsynt med polare grupper, har en spesifikk motstand som i kabelens driftstemperaturområde er minst 100 ganger lavere enn den spesifikke motstand til de impregnerte cellulosepapirbånd.

2. Elektrisk kabel ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at isolasjonsmassen som inneholder polare grupper, er et organisk stoff.

3. Elektrisk kabel ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at det organiske, stoffs polaritet er gitt ved tilstedeværelsen av minst én karboksylgruppe CO-OH, idet stoffet er inneholdt i et forhold på opp til 40 vekt% i en isolasjonsmasse som inneholder minst 60 vekt% av en viskøs hydrokarbonolje.

4. Elektrisk kabel ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at det organiske stoff er en naturharpiks basert på abietin-syre, idet sammensetningen er inneholdt i et forhold på 27 vekt% av en hydrokarbonolje med en viskositetsindeks på 75 og en viskositet ved 38°C på 800 cSt., og 10 vekt% av en mikrokrystallinsk voks med et smeltepunkt på 103-107°C.

5. Elektrisk kabel ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at isolasjonsmassen omfatter en hydrokarbonolje med en viskositet ved 38°C på 600 cSt. i forholdet 95 vekt% eller mer og kobbernaftenat i en mengde på opp til 5 vekt%.

6. Elektrisk kabel ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at isolasjonsmassen omfatter en hydrokarbonolje med en viskositet ved 38°C på 600-800 cSt. og minst ett stoff som inneholder polare grupper, idet stoffet skriver seg fra cellulosepapirbåndene, idet de sistnevnte oppviser en vannekstrakt med en ledningsevne på 50-200 ^uS.

7. Elektrisk kabel ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at det organiske stoff er en organisk syre som er tilsatt i forhold på opp til 10 vekt% til i det minste en hydro-

8. Elektrisk kabel ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den organiske syre er oljesyre.

9. Elektrisk kabel ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at isolasjonsmassen er bistått av et gasstrykk.