TWI853667B

TWI853667B - 具有改善的水樹性質的用於離岸風力發電的海底電纜

Info

Publication number: TWI853667B
Application number: TW112129443A
Authority: TW
Inventors: 鄭賢貞; 南基準; 金京洙; 梁藝瑟
Original assignee: 南韓商Ls電線有限公司
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2024-08-21

Abstract

本發明涉及具有改善的水樹性質的用於離岸風力發電的海底電纜。特別係用於離岸風力發電的海底電纜，所述海底電纜能有效地抑制絕緣層中由濕氣擴散滲透至電纜的核心導致的水樹的形成，從而改善介電強度並因此確保長的壽命。

Description

具有改善的水樹性質的用於離岸風力發電的海底電纜

長期以來，海底電纜被安裝以實現島嶼地區的電力傳輸及洲際通訊鏈接，藉由在海上安裝風力發電機而獲得的離岸風力發電在風力條件、場地安全、噪聲問題等方面比陸上風力發電更具優勢，因此離岸風力發電廠的建造不斷增加，因此，人們對用於離岸風力發電用的海底電纜的興趣正在增加。

離岸風力發電場中的用於離岸風力發電的海底電纜將設於海上的風力機或離岸變電站連接至登陸部且各分段固定地鋪設於海床下或與海床間隔並連接於海上的風力機或離岸變電站。

用於離岸風力發電的海底電纜鋪設於海底環境且因此必須確保其防水層(water-barrier)性能以抑制濕氣滲透及擴散至海底電纜中，鋪設於固定有用於離岸風力發電的海底電纜的海床的區域的用於離岸風力發電的海底電纜被稱為用於離岸風力發電的輸出海底電纜，且用於離岸風力發電的輸出海底電纜可具有鉛護套層以抑制濕氣的滲透。

然而，由於海底電纜必須確保其移動或彎曲，所以與海床間隔並連接於海上的風力機或離岸變電站的用於離岸風力發電的海底電纜在使用鉛護套層上有難度，所述鉛護套層會干擾由海流或海浪導致的海底電纜的移動或彎曲，且上述用於離岸風力發電的海底電纜稱為用於離岸風力發電的陣列間海底電纜。

用於離岸風力發電的陣列間海底電纜可分為乾式用於離岸風力發電的海底電纜，用於離岸風力發電的半濕式海底電纜及用於離岸風力發電的濕式海底電纜。用於離岸風力發電的乾式海底電纜具有鉛護套層，用於離岸風力發電的半濕式海底電纜具有護套層，且用於離岸風力發電的濕式海底電纜不具有任何護套層。沒有鉛護套層使得濕氣能滲透至用於離岸風力發電的海底電纜中，且滲透的濕氣會擴散至核心的絕緣層中並因此形成水樹，從而降低介電強度並因此使用於離岸風力發電的海底電纜的壽命變短。傳統的用於離岸風力發電的海底電纜使用由金屬線形成的屏蔽層代替鉛護套層以抑制溼氣的滲透及擴散，但還是難以抑制濕氣滲透至核心的絕緣層中。

因此，迫切需要能有效地抑制絕緣層中由濕氣擴散滲透至電纜的核心導致的水樹的形成，從而改善介電強度並因此確保長的壽命的用於離岸風力發電的海底電纜。

本發明係鑑於上述問題而完成，本發明的目的係提供一種用於離岸風力發電的海底電纜，所述海底電纜能有效地抑制絕緣層中由濕氣擴散滲透至電纜的核心導致的水樹的形成，從而改善介電強度並因此確保長的壽命。

根據本發明的一態樣，提供一種用於離岸風力發電的海底電纜，包含至少一核心，至少一核心包含導體及絕緣層，絕緣層用以圍繞導體，其中絕緣層中的水樹尺寸等於或小於850微米(μm)，水樹尺寸根據標準ASTM D6097測量所獲得。

根據本發明的另一態樣，提供一種海底電纜，其中絕緣層的交聯程度等於或大於77%，且絕緣層的結晶度等於或大於35%。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中絕緣層包含交聯聚乙烯(XLPE)。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中絕緣層的崩潰電壓(BDV)等於或大於80千伏/公釐(kV/mm)。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中至少一核心包含導體、內半導體層、絕緣層、外半導體層、電線屏蔽層及核心套，內半導體層用以圍繞導體，絕緣層用以圍繞內半導體層，外半導體層用以圍繞絕緣層，電線屏蔽層用以圍繞外半導體層，且該核心套用以圍繞電線屏蔽層。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中至少一核心更包含內防水帶層、外防水帶層及金屬護套層，外半導體層及電線屏蔽層之間設有內防水帶層且內防水帶層用以圍該外半導體層，外防水帶層用以圍繞電線屏蔽層，且金屬護套層用以圍繞外防水帶層。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中外防水帶層包含選自由含有超吸水性聚合物(SAP)的粉末、膠帶、塗層及薄膜組成的群組之至少一者。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，包含多個核心，其中核心中的中心設有多個填充件且填充件在核心外的區域。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中填充件包含由聚丙烯形成的紗線。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中：設有一綁帶層用以修整核心及填充件以形成圓截面；並且綁帶層外設有鎧裝墊層，鎧裝墊層包含聚丙烯紗線及瀝青的混合物。

根據本發明的其他態樣，提供一種海底電纜，其中：鎧裝墊層外設有金屬鎧裝層；並且金屬鎧裝層外設有耐蝕層，耐蝕層包含聚丙烯紗線及瀝青的混合物。

1000:海底電纜

100:光單元

110:光纖

120:管

130:護套

300,300a,300b,300c:核心

310:導體

320:內半導體層

330:絕緣層

340:外半導體層

350:內防水帶層

360:電線屏蔽層

361:屏蔽電線

370:外防水帶層

380:金屬護套層

390:核心套

400:填充件

500:綁帶層

600:鎧裝墊層

700:金屬鎧裝層

710:鎧裝電線

800:耐蝕層

本發明的上述及其他目的、特徵及其他優點將由以下結合圖式的詳細描述更加清楚地理解，其中：圖1為繪示根據本發明的一實施例的用於離岸風力發電的海底電纜的結構的剖面圖；並且圖2繪示於圖1中的用於離岸風力發電的海底電纜的一核心的縱切面圖。

在下文中，將參考圖式詳細描述本發明的各種實施例，本發明的實施例繪示於圖式中並於下方描述。雖然將結合示例性實施例描述本發明，但應理解這些描述並不旨在將本發明限制於示例性實施例。相反，本發明旨在覆蓋示例性實施例及包含於申請專利範圍所界定的本發明的精神及範圍中的各種方案、修改、均等物及其他實施例。並且向本領域通常知識者充分傳達本發明的範圍。整個說明書中，相同的標號表示相同的元件。

圖1為繪示根據本發明的一實施例的用於離岸風力發電的海底電纜的結構的剖面圖，且圖2繪示於圖1中的用於離岸風力發電的海底電纜的一核心的縱切面圖。

根據本發明之用於離岸風力發電的海底電纜1000可為三相交流電源電纜，其中有三個核心(核心300a、核心300b及核心300c)以三角形的形式設置，如圖1中所示。為了設置核心300a、核心300b及核心300c以形成圓截面，由纖維形成的填充件400可設於核心300a、核心300b及核心300c中的中心且位於核心300a、核心300b及核心300c外的區域。至少一具有多個光纖的光單元100可容納於填充件400中。

於此，光單元100可包含至少一光纖110及用以容納至少一光纖110的管120。各光單元100包含安裝的指定數量的光纖110，所述光纖110與填充物一起位於管120中，且管120可使用具有鋼性的材料，例如不銹鋼。光單元100可進一步包含用以圍繞管120的護套130。

填充件400通常使用由聚丙烯製成的紗線。當藉由結合核心300a、核心300b、核心300c、至少一光單元100及紗線來形成用於離岸風力發電的海底電纜1000時，可以預定的間距結合核心300a、核心300b、核心300c、至少一光單元100及紗線以形成圓截面。提供有由纖維形成的填充件400以實現防水性能並形成圓截面，且可使用由擠製樹脂形成的介入件(未繪示)取代填充件400。在這種情況中，光單元100可具有嵌入介入件(未繪示)的結構以容納於其中。

再者，可設有用以修整核心300a、核心300b、核心300c及填充件400的綁帶層500，所述核心300a、核心300b、核心300c及填充件400結合以形成圓截面，且鎧裝墊層600可設於綁帶層500外。鎧裝墊層600可用以提供安裝面，提供鎧裝墊層600外的金屬鎧裝層700安裝於安裝面上。

於此，鎧裝墊層600可由聚丙烯(PP)紗線及瀝青的混合物形成。金屬鎧裝層700可設於鎧裝墊層600外，且鎧裝電線710可設置於金屬鎧裝層700中以使金屬鎧裝層700在嚴峻的海底環境中可起到保護用於離岸風力發電的海底電纜1000的作用。

以與鎧裝墊層600相同的方式由聚丙烯(PP)紗線及瀝青的混合物形成的耐蝕層800可設於金屬鎧裝層700外，且從而完成用於離岸風力發電的海底電纜1000的製造。

如圖1及圖2中所示，核心300可依序包含導體310、內半導體層320、絕緣層330、外半導體層340、內防水帶層350、電線屏蔽層360、外防水帶層370、金屬護套層380及核心套390。

導體310可做為電流流過的通道以傳輸電力，且可由具有優異導電性以最小化電力損失並且具有適合使用於製造電纜的強度及可撓性的材料形成，舉例來說，銅或鋁。

導體310可為藉由壓緊包含多個圓形線圈的絞纜所獲得的結實圓形導體以具有圓截面，或者可為包含中心圓形線圈及扁平線圈層的扁平導體，所述扁平線圈層包含多個扁平線圈用以圍繞中心圓形線圈並整體上形成圓截面，且扁平導體的導體佔用率大於結實圓形導體的導體佔用率，因此電纜外徑降低。

導體310不具有平滑的表面，可能會因此導致不均勻的電場並部分容易導致電暈放電。再者，當空隙形成於導體310及絕緣層330的表面之間時(後續將描述)，電場會集中於空隙上，因此絕緣性能降低。

因此，內半導體層320可設於導體310外。內半導體層320可包含基質樹脂及加入基質樹脂的導電粒子，且可因此具有半導性，所述基質樹脂例如乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯/丙烯酸甲酯共聚物(EMA)、乙烯/甲基丙烯酸甲酯共聚物(EMMA)、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、乙烯/甲基丙烯酸乙酯共聚物(EEMA)、乙烯/丙烯酸異丙酯共聚物(EPA)、乙烯/甲基丙烯酸異丙酯共聚物(EPMA)、乙烯/丙烯酸丁酯共聚物(EBA)或乙烯/甲基丙烯酸丁酯共聚物(EMBA)，所述導電粒子例如碳黑、奈米碳管、奈米碳板或石墨。

內半導體層320可防止導體310及絕緣層330之間的電場突然變化(後續將描述)，因此用以穩定絕緣性能。再者，內半導體層320可抑制在導體310的表面上的電荷之不均勻的分布以均勻化電場，且可防止導體310及絕緣層330之間形成空隙以抑制電暈放電及介電崩潰等。

再者，內半導體層320可包含基於100重量份的基質樹脂為0.1至5重量份的交聯劑。由於在內半導體層320的交聯過程中產生的交聯副產物可能會滲透至絕緣層330中且可能會做為晶核，所以必須調整內半導體層320中的交聯劑的含量。

絕緣層330設於內半導體層320外並將導體310與外部電性絕緣以防止電流沿導體310洩漏至外部。一般來說，絕緣層330必須具有高崩潰電壓並長時間穩定維持絕緣性能。再者，絕緣層330必須具有低介電損失且具有如耐熱性的耐熱表現。

因此，絕緣層330可使用聚烯烴樹脂，例如聚乙烯或聚丙烯樹脂，且可優選地使用聚乙烯樹脂。於此，聚乙烯樹脂可為包含交聯劑的交聯樹脂，亦即交聯聚乙烯(XLPE)，且交聯劑可包含過氧化物，例如過氧化二異丙苯基、過氧化苯甲醯基、過氧化十二醯基(lauryl peroxide)，三級丁基過氧化異丙苯基、二(三級丁基過氧基異丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(三級丁基過氧基)己烷或過氧化二(三級丁基)。再者，絕緣層330可額外地包含抗氧化劑、可擠製性增強劑、樹脂狀抑制劑及共交聯劑作為添加物。

外半導體層340可設於絕緣層330外。外半導體層340以與內半導體層320相同的方式包含絕緣材料及加入絕緣材料的導電粒子以具有半導性，所述導電粒子例如碳黑、奈米碳管、奈米碳板或石墨，且可因此抑制絕緣層330及電線屏蔽層360之間電荷不均勻的分布(後續將描述)，以穩定絕緣性能。再者，外半導體層340可使海底電纜1000的絕緣層330的表面平滑以減少電場的集中並因此防止電暈放電，可用以物理保護絕緣層330。

電線屏蔽層360設於外半導體層340外。電線屏蔽層360可接地於海底電纜1000的末端以作為電流流過的通道，在諸如接地故障或短路的事故中可保護海底電纜1000不受外界影響，且可執行屏蔽功能以防止電場放電至海底電纜1000外。

如圖2中所示，電線屏蔽層360可由諸如銅或銅包鋁的材料形成，且可藉由交叉纏繞屏蔽電線361設置，具有0.2公釐(mm)至2.0mm的直徑且藉由預設的間隔以螺旋狀彼此分離。

使得金屬膠帶以螺旋狀交叉纏繞的金屬屏蔽層(未繪示)可設於電線屏蔽層360外，可各自導電地連接於屏蔽電線361，且可因此提供分流電流的功能。

核心300可進一步包含至少一防水帶層以吸收濕氣，所述防水帶層設於外半導體層340外。防水帶層可設於至少一上述電線屏蔽層360的內部或外部。儘管圖1及圖2中所示的實施例描述內防水帶層350及外防水帶層370分別設於電線屏蔽層360內及電線屏蔽層360外，但因為濕氣主要從外界滲透，所以可以只設置外防水帶層370。

形成內防水帶層350及外防水帶層370的防水帶係以包含超吸水性聚合物(SAP)的粉末、膠帶、塗層或薄膜的形式設置，超吸水性聚合物(SAP)具有對滲透至海底電纜1000中的濕氣的高吸收率及維持膨脹狀態的優異能力，所述膨脹狀態為超吸水性聚合物(SAP)吸收濕氣，且用以防止濕氣延海底電纜1000的長邊的方向滲透。內防水帶層350及外防水帶層370可具有半導性以防止電場的快速變化。內防水帶層350及外防水帶層370可設置為0.2mm至1.4mm的厚度。

再者，金屬護套層380可進一步提供於外防水帶層370外。藉由擠出熔化的金屬於外防水帶層370的外表面來形成金屬護套層380以具有連續的外表面而沒有接合點，且可改善防水性能。電纜屏蔽使用鉛或鋁，且特別地，在用於離岸風力發電的海底電纜1000的情況中，電纜屏蔽優選使用對海水具有優異耐蝕性的鉛，且更優選使用包含其他金屬元素的鉛合金以補充機械性能。

在鋪設於海底環境的用於離岸風力發電的海底電纜1000的情況中，金屬護套層380可形成為封住核心300以防止由異物(例如濕氣)所導致的絕緣性能劣化。再者，在設有電線屏蔽層360、內防水帶層350及外防水帶層370的情況中，展現出一定程度的防水功能，因此可省略金屬護套層380。

核心套層390可設於金屬護套層380外。核心套層390形成核心300的最外部，且核心套層390及金屬護套層380可有改善耐蝕性及防水性能的作用且可有保護核心300不受各種環境因子及故障電流影響的作用，所述環境因子例如滲透的濕氣、機械損傷及腐蝕等，所述故障電流可能會影響海底電纜1000的電力傳輸性能。

核心套390可由諸如聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯的樹脂形成。在需要耐燃性的環境下核心套390優選使用聚氯乙烯(PVC)，且在根據本發明的用於離岸風力發電的海底電纜1000的情況中優選具有優異防水性能的聚乙烯樹脂。

當圖1及圖2中所示的用於離岸風力發電的海底電纜1000鋪設於海床下時，海底電纜1000一直曝露於水壓，且當海底電纜1000受損時，核心套390、鎧裝墊層600或填充件400可能會阻擋濕氣滲透。然而，很難持久地防止濕氣滲透至核心300中，因此需要在無法避免發生濕氣滲透的情況下能最小化濕氣擴散的方法以及核心300本身的防水功能。

上述電線屏蔽層360做為故障電流流過的通道，保護海底電纜1000不受外界影響，且具有藉由預設的間隔而彼此分離的屏蔽電線361以螺旋狀纏繞的結構以防止電場放電至外部，且可藉由屏蔽電線361的直徑及數量以及屏蔽電線361之間的間隔來決定電線屏蔽層360的性能。

然而，考慮到圖1及圖2所示的用於離岸風力發電的海底電纜1000及核心300的結構，滲透至核心300中的濕氣可能會藉由電線屏蔽層360的屏蔽電線361與內防水帶層350及外防水帶層370之間的空間而沿用於離岸風力發電的海底電纜1000的長邊的方向擴散。

因此，本發明藉由測試確認到：當根據標準ASTM D6097測量的絕緣層330中的水樹的尺寸滿足特定範圍時，優選當假設絕緣層330的交聯程度及結晶度調整至各自特定的範圍的情形下水樹的尺寸滿足特定範圍時，用於離岸風力發電的海底電纜1000的介電強度大大改善，並藉此完成本發明。

具體地，當根據標準ASTM D6097測量的絕緣層330中的水樹的尺寸調整至850μm或更小時，用於離岸風力發電的海底電纜1000的介電強度可大大改善。優選地，藉由將絕緣層330的交聯程度調整至77%或更高且將絕緣層330的結晶度調整至35%或更高來將絕緣層330中的水樹的尺寸調整至850μm或更小時，用於離岸風力發電的海底電纜1000可執行80kV/m或更高的介電強度。

於此，水樹的尺寸為絕緣層330中存在的水樹中具有最大尺寸的水樹的尺寸，且水樹的尺寸表示水樹的最長寬度的長度。

於此，可藉由調整添加至絕緣層330的交聯劑的量及交聯反應的製程條件來調整絕緣層330的交聯程度，且可藉由調整絕緣層330中的交聯副產物或其他異物的含量及擠出/冷卻製程條件來調整絕緣層330的結晶度。

藉由基於標準ASTM D2765設的方法來計算絕緣層330的交聯程度，在絕緣層330由交聯聚乙烯(XLPE)形成的情況中，絕緣層330不包含填充物，因此可由下方方程式1計算絕緣層330的交聯程度。

亦即，從絕緣層330切下寬度約2mm、長度約2mm且厚度約1mm的薄片，藉由秤重約0.3g的薄片來製備絕緣層樣品，然後精確地測量「絕緣層樣品的總重量」。此後，將絕緣層樣品插入網狀網中，將網狀網放入沸騰的二甲苯中，使用回流冷卻器回流12小時，然後在溫度80℃充分乾燥，取出剩餘的絕緣層樣品，測量「在二甲苯中回流並乾燥的絕緣層樣品的重量」，可由下方方程式1使用「絕緣層樣品的總重量」及「在二甲苯中回流並乾燥的絕緣層樣品的重量」來計算絕緣層330的交聯程度。.

[方程式1]交聯程度(%)=(在二甲苯中回流並乾燥的絕緣層樣品的重量/絕緣層樣品的總重量)×100

再者，可由下方方程式2使用絕緣層330的熔化熱△H來計算絕緣層330的結晶度，所述熔化熱係藉由示差掃瞄熱量分析儀(DSC)以10℃/min的加熱速度從-20℃至150℃的氮氣環境中測量並由從20℃至120℃的基準線計算所得。在下方方程式2中，△HPE為聚乙烯的熔化熱，亦即293.6J/g(焦耳/克)。

再者，將描述基於標準ASTM D6097的測量水樹的尺寸的方法。藉由在提高0.1%結晶紫溶液的溫度同時攪拌溫度設定70℃的加熱板上的結晶紫溶液1小時來製備色素溶液，或藉由加入6g亞甲藍及0.5g碳酸鈉(Na₂CO₃)至200ml蒸餾水中並在提高水溶液的溫度同時攪拌溫度設定70℃的加熱板上的溶液4小時來製備色素溶液，一天後，在將絕緣層樣品放入色素溶液中同時將色素溶液維持70℃，使得絕緣層樣品在70℃染色80分鐘，將絕緣層樣品從色素溶液取出，將從色素溶液取出的絕緣層樣品以蒸餾水清洗並使用乙醇擦拭，然後藉由顯微鏡測量絕緣層樣品以觀察絕緣層樣品中的水樹的尺寸。

[實施例]

製造實施例

製備具有以下表1中的交聯程度、結晶度及最大水樹尺寸的絕緣層樣品(具有150μm的厚度)及電纜樣品。

性質評估

1).崩潰電壓(BDV)評估

將根據各實施例及比較例的20個絕緣層樣品切割成5cm×5cm的尺寸，藉由上升法(ramp-up method)測量各個絕緣層樣品的崩潰電壓，所述上升法使用0.5吋的球-球電極(sphere-sphere electrode)並同時以0.5kV/s提升溫度，藉由將尺寸轉換成厚度來計算介電崩潰場強度(kV/mm)，使用韋伯分布(Weibull distribution)計算出63.2%的介電崩潰場強度。

2).長時間水樹評估測試

基於標準CIGRE TB722的測試方法B，將電纜樣品浸泡於3.5%氯化鈉(NaCl)溶液中，藉由施加由標準CIGRE TB722設定的頻率及電壓指定時間來進行老化，此後電纜樣品經受交流介電崩潰測試72小時，以確認各個電纜樣品通過或沒通過測試。

性質評估的結果示於以下表2中。

如表2中所示，可以確認到藉由將交聯程度調整至77%或更高並將結晶度調整至35%或更高而具有尺寸為850μm或更小的最大水樹的根據實施例1及實施例2的絕緣層樣品展現出高崩潰電壓及優異的以測試方法B測量的結果，但交聯程度、結晶度及最大水樹尺寸低於各自的標準的根據比較例1及比較例2的絕緣層樣品，展現數值大大降低的以測試方法B測量的結果。

從上述顯而易見的係，根據本發明的用於離岸風力發電的海底電纜能藉由精準控制核心的絕緣層的交聯程度及結晶度來將水樹的尺寸調整至特定尺寸或更小，從而能夠改善介電強度並因此確保長的壽命。

儘管為了說明性目的揭露本發明的優選實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者將意識到，在不脫離申請專利範圍揭露之本發明的範圍及精神的情況下可進行各種修改、添加及替換。