用於製造電纜的連續方法

2023-12-07 19:14:41

專利名稱：用於製造電纜的連續方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造電纜，特別是用於在中電壓或高電壓下電力輸送或者電力分配的電纜的方法。
在本說明書中，術語「中電壓」用來指通常約為1kV-約60kV的電壓，術語「高電壓」是指高於60kV的電壓(在現有技術中有時還使用「極高電壓」來定義大於約150kV或220kV，至多為500kV或更多的電壓)。
所述電纜可以用於直流電(DC)或交流電(AC)的輸送或分配。
用於在中電壓或高電壓下電力輸送或電力分配的電纜通常含有分別被第一內半導電層、絕緣層和外半導電層所包圍的金屬導線。在本說明書的以下內容中，所述元件的組將用術語「芯」來表示。
在所述芯的徑向外側位置，電纜帶有通常為鋁、鉛或銅的金屬屏蔽(或屏障)。
金屬屏蔽可以由許多在芯的周圍螺旋形纏繞的金屬線或金屬帶，或者由環形連續的管例如根據管狀成型並且焊接或者密封以確保密封性的金屬帶所組成。
金屬屏蔽通過由於在金屬屏蔽與芯的外半導電層之間的直接接觸而在電纜的內部產生均勻的輻射式電場，同時消除電纜的外電場而執行電功能。另一個作用是抵擋短路電流。
當以環形連續的管狀製造時，金屬屏蔽還提供了對徑向的水滲透的密封性。
金屬屏蔽的例子描述於US Re36307中。
在單極式結構中，所述電纜還包括在上述金屬屏蔽徑向外側位置的聚合物外殼。
此外，用於電力輸送或電力分配的電纜通常帶有用來保護所述電纜免於遭受在它們的外表面上可能發生的偶然性衝擊的一個或多個層。
對電纜的偶然性衝擊可能例如在其運輸期間或者在土壤中所挖掘的溝槽內鋪設電纜的步驟期間發生。所述的偶然性衝擊可能造成對電纜的一系列結構破壞，包括絕緣層的形變和絕緣層從半導電層上脫離，這些破壞可能造成絕緣層的電壓應力變化並且因此所述層的絕緣能力降低。
交聯的絕緣電纜是公知的，並且它們的製造方法描述於例如EP1288218、EP426073、US2002/0143114和US4469539中。
電纜絕緣層的交聯可以通過採用所謂的矽烷交聯或者通過採用過氧化物來進行。
在第一種情況下，將包含有環繞導線的擠出的絕緣層的電纜芯保持在含水的環境(液態水或者水蒸氣，例如環境溼度)中相對長的時間(幾小時或者幾天)，以使得水可以擴散通過絕緣層以引起交聯發生。這需要電纜芯被盤繞在具有固定長度的線軸上，這樣的事實必然阻止了連續方法的進行。
在第二種情況下，通過過氧化物在相對高的溫度和壓力下分解而造成交聯。所發生的化學反應產生了氣態副產品，必須允許這些副產品不僅在固化時間期間而且在固化之後擴散通過絕緣層。因此，必須在將電纜芯儲存一段時間期間提供脫氣步驟，以足以在將另外的層施加到電纜芯上(特別是在這些層是氣密性或者基本氣密性的情況下，例如在施加縱向摺疊的金屬層的情況下)之前除去這些氣態副產品。
在申請人的實踐經驗中，在另外的層施加之前沒有脫氣步驟則可能發生這樣的情況在特定的環境條件下(例如電纜芯顯著的日光照射)，所述的副產品膨脹由此造成所不希望的金屬屏蔽和/或聚合物外殼的形變。
此外，在不提供脫氣步驟的情況下，由於被施加到電纜芯上的另外層的存在，氣態副產品(例如甲烷、苯乙酮、枯茗醇)保持被收集於電纜芯中並且只能從其末端離開電纜。這是特別危險的，因為一些所述的副產品(例如甲烷)是易燃的，因此可能例如在土壤中所挖掘的溝槽內鋪設或連接所述電纜期間發生爆炸。
此外，在另外的層施加之前沒有脫氣步驟則可能發生這樣的情況會發現絕緣層中的孔隙，它們能使得絕緣層的電性能退化。
一種製造含有熱塑性絕緣層的電纜的方法描述於以本申請人名義的WO02/47092中，其中通過將包括有與介電液體混合的熱塑性聚合物的熱塑性材料擠出並且通過靜態混合機而製造電纜，這些熱塑性材料藉助於擠壓頭而被施加到導線周圍。在冷卻和乾燥步驟之後，將電纜芯儲存在捲軸上，然後通過將薄的銅帶或銅線螺旋形地放置在電纜芯上來施加金屬屏蔽。然後用外聚合物殼使電纜完備。沒有構思將帶有擠出的絕緣層的電纜芯連續提供給屏蔽施加單元。事實上，該屏蔽僅屬於適合非連續施加方法的一類，因為正如下面所進一步解釋的那樣其需要使用被安置在旋轉裝置上的線軸。
本申請人已經認識到例如出於固化或脫氣的目的而使得在電纜製造期間存在其餘的階段是不希望的，因為這限制了每一電纜段的長度(需要儲存在電纜捲軸上)、將空間和後勤問題引入工廠、延長了電纜製造時間，並且最終增加了電纜製造的成本。
根據本發明的一個方面，本申請人認為可以通過連續方法以特別便利的方式，即在沒有中間的其餘階段或儲存階段的情況下通過將熱塑性絕緣材料與縱向摺疊的環形連續的金屬屏蔽結合使用來製造電纜。
在第一方面中，本發明涉及一種製造電纜的連續方法，所述方法包括以下階段-在預定的供送速度下送入導線；-在導線的徑向外側擠出熱塑性絕緣層；-將擠出的絕緣層冷卻；-在所述擠出的絕緣層的周圍形成環形閉合的金屬屏蔽；特徵在於發生於冷卻階段末尾與屏蔽形成階段開始之間的時間與導線的供送速度成反比。
特別地，通過將具有重疊的邊緣或邊緣-粘合的邊緣的金屬片縱向摺疊而形成在擠出的絕緣層的周圍的環形閉合的金屬屏蔽。
優選地，根據本發明的方法的形成金屬屏蔽的階段包括將金屬片的邊緣重疊的步驟。作為選擇，所述的形成階段包括將所述金屬片的邊緣粘合的步驟。
優選地，本方法包括以金屬杆的形式供送導線的階段。
此外，本發明的方法優選包括在金屬屏蔽的周圍施加衝擊保護元件的階段。優選地，通過擠出來施加所述的衝擊保護元件。優選地，所述衝擊保護元件包括非膨脹聚合物層和膨脹聚合物層。優選地，膨脹聚合物層位於非膨脹聚合物層的徑向外側。優選地，通過共擠出來施加非膨脹聚合物層和膨脹聚合物層。
本發明的方法通常還包括在金屬屏蔽的周圍施加外殼的階段。優選地，通過擠出來施加外殼。
優選地，在閉合的金屬屏蔽與外殼之間施加衝擊保護元件。
優選地，絕緣層的熱塑性聚合物材料包括預定數量的介電液體。
此外，本申請人發現通過本發明的連續方法獲得的電纜令人驚奇地提供了對可能發生在電纜上的偶然性衝擊有高的機械抗性。
特別地，本申請人發現通過將環形閉合的金屬屏蔽與包括至少一個膨脹聚合物層的衝擊保護元件組合—後者位於金屬屏蔽的徑向外側而有利地賦予給電纜高的衝擊保護。
此外，本申請人注意到在由於對電纜相應的衝擊而出現屏蔽形變的情況下，環形閉合的金屬屏蔽的存在特別有利，因為屏蔽連續並且平穩地形變，由此避免了在絕緣層中任何的電場局部增加。
此外，本申請人發現藉助於連續的製造方法可以有利地獲得帶有熱塑性絕緣層、環形閉合的金屬屏蔽和包括至少一個膨脹聚合物層的衝擊保護元件的電纜。
另外，本申請人發現通過在相對於金屬屏蔽的徑向內側位置提供給電纜另外的膨脹聚合物層可以有利地提高對偶然性衝擊的機械抗性。
優選地，所述另外的膨脹聚合物層是阻水層。
在第二方面中，本發明涉及一種電纜，其包括-導線；-在導線徑向外側的熱塑性絕緣層；-在所述絕緣層周圍的至少一個膨脹聚合物層；-在所述絕緣層周圍環形閉合的金屬屏蔽，和-在金屬屏蔽的徑向外側位置的衝擊保護元件，所述的衝擊保護元件包括在所述金屬屏蔽周圍的至少一個非膨脹聚合物層和在所述非膨脹聚合物層徑向外側的至少一個膨脹聚合物層。
將在下面的詳細描述中參照附圖來解釋另外的細節，其中-

圖1是根據本發明第一實施方案的電纜的透視圖；-圖2是根據本發明第二實施方案的電纜的透視圖；-圖3用圖解表示用於根據本發明的方法製造電纜的裝置；-圖4用圖解表示用於根據本發明的方法製造電纜的選擇性裝置；-圖5是根據本發明製得的電纜受衝擊損壞的橫截面圖，和-圖6是帶有由金屬絲製成的屏蔽的常規電纜受衝擊損壞的橫截面圖。
圖1，2表示根據本發明的方法製造的通常被設計用於中電壓或高電壓範圍內的電纜1的部分橫截面透視圖。
電纜1包括導線2；內半導電層3；絕緣層4；外半導電層5；金屬屏蔽6和保護元件20。
優選地，導線2是金屬杆。優選地，導線由銅或鋁製成。
作為選擇，導線2包括至少兩根優選為銅或鋁的金屬線，根據常規技術將其絞合在一起。
測量導線2的橫截面積與將在選定的電壓下輸送的電力的關係。
根據本發明的電纜優選的橫截面積為16mm2-1,600mm2。
在本描述中，術語「絕緣材料」用來表示絕緣剛性至少為5kV/mm，優選大於10kV/mm的材料。對於中-高電壓(即大於約1kV的電壓)電力輸送的電纜而言，絕緣材料的絕緣剛性優選大於40kV/mm。
通常，電力輸送電纜的絕緣層的介電常數(K)大於2。
內半導電層3和外半導電層5通常通過擠出而獲得。
半導電層3，5的基礎聚合物材料用導電性炭黑例如導電性爐黑或者乙炔黑作添加劑，以將半導電性能賦予給這些聚合物材料，這些材料適宜地選自在本說明書的以下部分中關於膨脹聚合物層所提及的那些。特別地，炭黑的表面積通常大於20m2/g，通常為40-500m2/g。可以有利地使用表面積至少為900m2/g的高導電性炭黑，例如在商業上公知的在商標為KetjenblackEC(Akzo Chemie NV)下的爐炭黑。將被加入聚合物基質中的炭黑的量可以變化，這取決於所使用的聚合物和炭黑的種類、想要獲得的膨脹度、膨脹劑等。因此炭黑的量必須使得賦予給膨脹材料足夠的半導電性能，特別地使得實現膨脹材料在室溫下的體積電阻率值小於500Ω·m，優選小於20Ω·m。通常，相對於聚合物的重量，炭黑的量可以為1-50wt％，優選為3-30wt％。
在本發明的優選實施方案中，內半導電層和外半導電層3，5包括非交聯的聚合物材料，更優選為聚丙烯材料。
優選地，絕緣層4由熱塑性材料製成，該熱塑性材料包括含有預定數量的介電液體的熱塑性聚合物材料。
優選地，熱塑性聚合物材料選自聚烯烴、不同烯烴的共聚物、烯烴與烯屬不飽和酯的共聚物、聚酯、聚乙酸酯、纖維素聚合物、聚碳酸酯、聚碸、酚樹脂、脲樹脂、聚酮、聚丙烯酸酯、聚醯胺、聚胺，和其混合物。合適的聚合物的例子是聚乙烯(PE)、特別是低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、線型低密度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/乙酸乙烯酯(EVA)；乙烯/丙烯酸酯共聚物，特別是乙烯/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-烯烴熱塑性共聚物；聚苯乙烯；丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)樹脂；滷代聚合物，特別是聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚醯胺；芳族聚酯例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；和其共聚物或其機械混合物。
優選地，介電液體可以選自礦物油例如環烷油、芳烴油、石蠟油、聚芳烴油，所述的礦物油任選地含有至少一個選自氧、氮或硫的雜原子，液體石蠟；植物油例如大豆油、亞麻子油、蓖麻油；低聚的芳族聚烯烴；鏈烷烴蠟例如聚乙烯蠟、聚丙烯蠟；合成油例如矽油、烷基苯(例如二苄基甲苯、十二烷基苯、二(辛基苄基)甲苯)、脂族酯(例如季戊四醇的四酯、癸二酸酯、鄰苯二甲酸酯)、烯烴低聚物(例如任選地氫化的聚丁烯或聚異丁烯)；或其混合物。特別優選芳烴油、石蠟油和環烷油。
在示於圖1和2中的優選實施方案中，金屬屏蔽6由優選為鋁或銅的連續的金屬片製成，其被成形為管狀。
在帶有重疊邊緣的外半導電層5的周圍將形成金屬屏蔽6的金屬片縱向摺疊。
適宜地將一種密封粘合材料置於重疊的邊緣之間以使得金屬屏蔽防水。作為選擇，可以將金屬片邊緣焊接。
如圖1和2中所示，金屬屏蔽6被優選由非交聯的聚合物材料例如聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)製成的外殼23所包圍；可以選擇該外殼的厚度以提供對機械應力和衝擊有一定程度的抗性的電纜，然而不要過分地提高電纜直徑和剛度。這樣的解決方法例如對於旨在用於其中預期有限的衝擊或者另外提供了保護的受保護區域中的電纜是便利的。
根據圖1中所示的優選實施方案，當需要增強的衝擊保護時，這特別的便利，電纜1帶有位於所述金屬屏蔽6的徑向外側位置的保護元件20。根據所述的實施方案，保護元件20包括非膨脹聚合物層21(徑向內側位置)和膨脹聚合物層22(徑向外側位置)。根據圖1的實施方案，非膨脹聚合物層21與金屬屏蔽6接觸，膨脹聚合物層22處於非膨脹聚合物層21與聚合物外殼23之間。
非膨脹聚合物層21的厚度為0.5mm-5mm。
膨脹聚合物層22的厚度為0.5mm-6mm。
優選地，膨脹聚合物層22的厚度為非膨脹聚合物層21的厚度的1-2倍。
保護元件20通過至少部分地吸收衝擊能而具有提供給電纜免於外部衝擊的增強保護的作用。
適用於膨脹聚合物層22中的可膨脹聚合物材料可以選自以下物質聚烯烴、不同烯烴的共聚物、烯烴與烯屬不飽和酯的共聚物、聚酯、聚碳酸酯、聚碸、酚樹脂、脲樹脂和其混合物。合適的聚合物的例子是聚乙烯(PE)，特別是低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、線型低密度PE(LLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)；聚丙烯(PP)；彈性體乙烯/丙烯共聚物(EPR)或乙烯/丙烯/二烯烴三聚物(EPDM)；天然橡膠；丁基橡膠；乙烯/乙烯酯共聚物例如乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)；乙烯/丙烯酸酯共聚物，特別是乙烯/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-烯烴熱塑性共聚物；聚苯乙烯；丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)樹脂；滷代聚合物，特別是聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚醯胺；芳族聚酯例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)；和其共聚物或其機械混合物。
優選地，形成膨脹聚合物層22的聚合物材料是基於乙烯和/或丙烯的聚烯烴聚合物或共聚物，並且特別選自以下物質(a)乙烯與烯屬不飽和酯例如乙酸乙烯酯或乙酸丁酯的共聚物，其中不飽和酯的量通常為5wt％-80wt％，優選為10wt％-50wt％；(b)乙烯與至少一種C3-C12α-烯烴和任選地二烯烴的彈性體共聚物，優選乙烯/丙烯(PER)或乙烯/丙烯/二烯烴(EPDM)共聚物，其通常具有以下組成35-90mol％乙烯、10-65mol％α-烯烴、0-10mol％二烯烴(例如1，4-己二烯或5-亞乙基-2-降冰片烯)；(c)乙烯與至少一種C4-C12α-烯烴，優選1-己烯、1-辛烯等和任選地二烯烴的共聚物，其通常密度為0.86g/cm3-0.90g/cm3並且具有以下組成75-97mol％乙烯；3-25mol％α-烯烴；0-5mol％二烯烴；(d)用乙烯/C3-C12α-烯烴共聚物改性的聚丙烯，其中聚丙烯與乙烯/C3-C12α-烯烴共聚物的重量比為90/10-10/90，優選為80/20-20/80。
例如，商購產品Elvax(DuPont)、Levapren(Bayer)和Lotryl(Elf-Atochem)屬於(a)類，產品Dutral(Enichem)或Nordel(Dow-DuPont)屬於(b)類，屬於(c)類的產品是Engage(Dow-DuPont)或Exact(Exxon)，而用乙烯/α-烯烴共聚物改性的聚丙烯(d)可在商品名Moplen或Hifax(Basell)，或者還有Fina-Pro(Fina)等下商購獲得。
在(d)類中，特別優選的是包含連續的熱塑性聚合物基質例如聚丙烯和分散於熱塑性基質中的固化彈性體聚合物例如交聯的EPR或EPDM的細顆粒(通常直徑為1μm-10μm數量級)的熱塑性彈性體。
可以將彈性體聚合物以未固化的狀態結合到熱塑性基質中，然後在加工期間通過加入合適數量的交聯劑而動態交聯。
作為選擇，可以單獨將彈性體聚合物固化並且然後以顆粒形式分散到熱塑性基質中。
這類熱塑性彈性體描述於例如美國專利4,104,210或歐洲專利申請EP324,430中。這些熱塑性彈性體由於它們被證實在整個工作溫度範圍內在電纜熱循環期間特別有效於彈性地吸收徑向力而是優選的。
出於本說明書的目的，術語「膨脹」聚合物被理解為是指在其結構中，「空隙」體積(即是指沒有被聚合物而是被氣體或空氣佔據的空間)的百分比通常大於所述聚合物總體積的10％的聚合物。
一般而言，膨脹聚合物中自由空間的百分比根據膨脹度(G)來表示。在本說明書中，術語「聚合物的膨脹度」被理解為是指以如下方式確定的聚合物的膨脹度G(膨脹度)＝(d0/de-1)其中d0表示未膨脹的聚合物(即是指具有基本不含空隙體積的結構的聚合物)的密度，de表示測量的膨脹聚合物的表觀密度。
優選地，膨脹聚合物層22的膨脹度被選擇為處於0.35-0.7的範圍內，更優選為0.4-0.6。
優選地，非膨脹聚合物層21和外殼23由聚烯烴材料，通常是聚氯乙烯或聚乙烯製成。
如圖1和2中所示，電纜1還帶有位於外半導電層5與金屬屏蔽6之間的阻水層8。
優選地，阻水層8是膨脹的、可水溶脹的半導電層。
膨脹的、可水溶脹的半導電層的例子描述於以本申請人名義的國際專利申請WO 01/46965中。
優選地，阻水層8的可膨脹聚合物選自上面所提及的用於膨脹層22的聚合物材料。
優選地，阻水層8的厚度為0.2mm-1.5mm。
所述的阻水層8旨在提供給電纜內部對縱向的水滲透的有效阻隔。
該可水溶脹材料通常是以細分的形式，特別是以粉末的形式。組成該可水溶脹粉末的顆粒優選具有不大於250μm的直徑和10μm-100μm的平均直徑。更優選地，相對於粉末的總重量，直徑為10μm-50μm的顆粒的量至少為50wt％。
該可水溶脹材料通常由沿著聚合物鏈具有親水性基團的均聚物或共聚物組成，例如交聯的和至少部分鹽化的聚丙烯酸(例如得自於C.F.Stockhausen GmbH的產品Cabloc或得自於Grain Processing Co.的Waterlock)；與丙烯醯胺和丙烯酸鈉之間的共聚物混合的澱粉或其衍生物(例如得自於Henkel AG的產品SGP Absorbent Polymer)；羧甲基纖維素鈉(例如得自於Hercules Inc.的產品Blanose)。
包括在膨脹聚合物層中的可水溶脹材料的數量通常為5phr-120phr，優選為15phr-80phr(phr＝相對於100重量份基礎聚合物的重量份)。
另外，通過加入在上面參照半導電層3，5所提及的合適的導電性炭黑將阻水層8的膨脹聚合物材料改性成半導電的。
此外，通過向圖1的電纜提供具有半導電性能並且包括有可水溶脹材料的膨脹聚合物材料(即半導電的阻水層8)而形成了一個層該層由於電纜在使用期間經歷的熱循環而能夠彈性地並且均勻地吸收膨脹和收縮的徑向力，同時確保了在電纜與金屬屏蔽之間必要的電力連續性。
此外，分散於膨脹層中的可水溶脹材料的存在能夠有效地阻隔溼氣和/或水分，由此避免了使用可水溶脹的帶或者可自由水溶脹的粉末。
另外，通過向圖1的電纜提供半導電的阻水層8可以有利地降低外半導電層5的厚度，因為外半導電層5的電性能部分是由所述的阻水半導電層來實施。因此，所述的方面有利地幫助了降低外半導電層厚度和因此總的電纜重量。
製造方法和裝置如圖3中所示，用於製造根據本發明的電纜的裝置包括導線供送單元201、用於獲得絕緣層4以及半導電層3和5的第一擠出部分202、冷卻部分203、金屬屏蔽施加部分204、用於施加保護元件20的第二擠出部分214、外殼擠出部分205、另一個冷卻部分206和卷繞部分207。
便利地，導線供送單元201包括用於將金屬杆輥壓至對於電纜導線所希望的直徑(提供所需的表面拋光)的裝置。
在要求將金屬杆長度連接以製得如本申請所要求(或者其他消費者的要求)的連續的最終電纜長度的情況下，導線供送單元201便利地包括用於將導線焊接和熱處理的裝置，以及適用於對焊接操作提供有效的時間而不會影響導線本身的連續、恆定速度傳送的收集元件。
第一擠出部分202包括適用於在由導線供送單元201供送的導線2上將絕緣層4擠出的第一擠出機裝置110；沿著導線2的前進方向，該第一擠出機裝置110的前面是適用於在導線2的外表面上(並且在絕緣層4的下面)將內半導電層3擠出的第二擠出機裝置210，並且後面是適用於在絕緣層4的周圍將外半導電層5擠出以得到電纜芯2a的第三擠出機裝置310。
第一、第二和第三擠出機裝置可以依次排列，每一個帶有其自身的擠壓頭，或者優選地將它們全部連接到共有的三聯擠壓頭150上以實現所述的三個層的共擠出。
適合於擠出機裝置110的結構的例子描述在以本申請人名義的WO02/47092中。
便利地，第二和第三擠出機裝置具有與第一擠出機裝置110類似的結構(除非將要施加的特定材料需要不同的排列)。
電纜芯2a通過其中的冷卻部分203可以由延長的開口管組成，冷卻的流體被使得沿著該開口管流動。水是這種冷卻流體的優選例子。確定該冷卻部分的長度以及冷卻流體的性質、溫度和流動速率以提供適合於隨後的工藝步驟的最終溫度。
在進入隨後的部分之前便利地插入乾燥器208，所述的乾燥器有效地除去了冷卻流體的殘餘物例如溼氣或水分液滴，特別是在這些殘餘物變得不利於整個電纜性能的情況下。
金屬屏蔽施加部分204包括適用於將金屬片60供送到施加單元210的金屬片傳送裝置209。
在優選實施方案中，施加單元210包括一模子(未示出)，用以將金屬片60縱向摺疊成管狀以包圍金屬芯2a、穿過其中前進並且形成了環形閉合的金屬屏蔽6。
可以將一種合適的密封粘結劑提供在片材60的邊緣的重疊區域以形成環形閉合的金屬屏蔽6。
作為選擇，可以將一種合適的密封粘結劑提供在片材60的邊緣以形成環形閉合的金屬屏蔽6。
使用縱向摺疊的金屬屏蔽特別便利，因為其有助於使得能夠用連續的方法製得電纜而不需要使用複雜的捲軸旋轉機器，而該機器另外在多根導線(或者帶)螺旋纏繞的金屬屏蔽的情況下將是必需的。
如果為了便於特定的電纜設計，則將另一個裝有擠壓頭212的擠出機211與冷卻器213一起設置在施加單元210的上遊，以在電纜芯2a的周圍、金屬屏蔽6的下面施加膨脹的半導電層8。
優選地，冷卻器213是強制通風的冷卻器。
如果不需要額外的衝擊保護，則藉助於使電纜通過包括外殼擠出機220和其擠壓頭221的外殼擠出部分205而完成電纜。
在最後的冷卻部分206之後，裝置包括卷繞部分207，用以將成品電纜盤繞在線軸222上。
優選地，卷繞部分207包括收集部分223，其允許將完成的線軸用空的一個代替而不會中斷電纜製造工藝。
在希望有增強的衝擊保護的情況下，將另一個擠出部分214設置在施加單元210的下遊。
在示於圖3的實施方案中，該擠出部分214包括裝有共有的三聯擠壓頭218的三個擠出機215、216、217。
更詳細地，擠出部分214適用於施加包括有膨脹聚合物層22和非膨脹聚合物層21的保護元件20。該非膨脹聚合物層21由擠出機216施加，而膨脹聚合物層22由擠出機217施加。
此外，擠出部分214包括另一個擠出機215，該擠出機被提供用於施加適用於提高金屬屏蔽6與保護元件20之間(即非膨脹聚合物層21)的粘結性的底層。
冷卻部分219便利地存在於該另一個擠出部分214的下遊。
圖4表示與圖3的一種類似的裝置，根據該圖，擠出機215、216、217彼此分開並且裝有三個分離的獨立的擠壓頭215a、216a、217a。
分開的冷卻槽或管道219a和219b分別存在於擠出機215和216之後，而冷卻槽219位於擠出機217之後。
根據另一個實施方案(未示出)，通過共擠出將底層和非膨脹聚合物層21一起施加，並且接著進行膨脹聚合物層22的擠出。
根據另一個實施方案(未示出)，通過共擠出將底層和非膨脹聚合物層21一起施加，並且接著通過共擠出將膨脹聚合物層22和外殼23一起施加。作為選擇，通過採用兩個分離的擠壓頭215a、216a分別施加底層和非膨脹聚合物層21，而膨脹聚合物層22和外殼23通過共擠出一起施加。
在圖3和4中，製造裝置的布局成U形，以縮小工廠的縱向規模。在這些圖中，在冷卻部分203的末端藉助於本領域公知的任意合適的裝置例如藉助於輥子使電纜倒轉前進。
作為選擇，縱向發展製造裝置的布局並且不存在電纜供送方向的倒轉。
連續的製造方法藉助於上述裝置，可以用連續的方法製造電纜。
在本說明書中，「連續方法」是指其中製得給定的電纜長度所需的時間與電纜在管線中的前進速度成反比，以使得在導線供送與成品電纜卷繞之間沒有中間的休止階段的一種方法。
根據本發明，由供送單元201連續供送導線。
將供送單元201設置成允許連續傳送導線。
導線便利地由單個金屬杆(通常是鋁或銅)製成。在這種情況下，通過將金屬杆(通常裝載在線軸等上)的可獲得長度與金屬杆進一步的長度相連接而使得能夠連續傳送導線。
可以例如通過將杆的末端焊接而產生這種連接。
根據本發明的連續方法，所製得的電纜的最大長度由消費者或安裝者的要求例如將要鋪設的管線(在兩個中間站之間)的長度、將要使用的輸送線軸的最大尺寸(具有相關的輸送限制)、最大的可安裝長度等而確定，並不由可獲得的原料或半成品長度或者機器容量來確定。以這種方式可以安裝在電纜長度之間具有最小接點數目的電線以提高電線可靠性，因為電纜接點被公知是在電線使用期間易於產生電力問題的不連續性的點。
在需要絞合的導線的情況下，需要旋轉機器用於絞合，導線便利地以所需的長度離線製備並且接合操作困難。在這種情況下，所製得的電纜的長度由可獲得的絞合導線長度確定(其可以基於消費者的要求而預先確定)和/或由輸送線軸的容積確定，而另一方面工藝則保持了從導線供送直到結束的連續。
絕緣層4、半導電層3和5、外殼23、保護元件20(如果有的話)和阻水層8(如果有的話)的擠出可以連續進行，因為將要被擠出的各種材料和複合物被不中斷地供送到相關的擠出機入口。
由於特別是對於絕緣層而言使用了熱塑性非交聯的材料而不需要交聯步驟，因此不需要中斷工藝。
實際上，常規的交聯絕緣電纜製造方法包括一「休止」階段，在該階段中將絕緣的導線保持離線一段時間(幾小時或者甚至幾天)，以允許a)在採用矽烷交聯的情況下進行交聯反應或者b)散發出在過氧化物交聯的情況下作為交聯反應副產物而產生的氣體。
可以通過將電纜(纏繞在支承捲軸上)送入烘箱或者通過將其浸漬於溫度約為80℃的水中以提高交聯反應速度而進行情形a)的休止階段。
可以通過將電纜(纏繞在支承捲軸上)送入烘箱中以使得減少脫氣時間而進行情形b)的休止階段，即脫氣階段。
通常通過在相關層擠出的末期將半成品元件展開在線軸上而進行該「休止」階段。在這之後，將交聯的半成品元件供送到另一個獨立的管線中，在那裡完成電纜。
根據本發明的方法，金屬屏蔽6由縱向摺疊的金屬片形成，該金屬片便利地從被安置在固定裝置上的線軸展開，而是在其旋轉軸的周圍自由地旋轉以使得片材可以從線軸展開。因此在本發明的方法中，由於在使用中線軸的片材的後端可以容易地與裝載在新線軸上的片材的前端相連接(例如通過焊接)，因此可以不中斷地供送金屬片。通常另外提供合適的片材收集裝置。
在使用螺旋式屏蔽(通過螺旋纏繞的電線或帶子形成)的情況下，這將是不可能的，因為在這種情況下載有電線或帶子的線軸將被裝載在旋轉裝置中、在電纜周圍旋轉，並且用新的一個替換空的線軸將需要中斷電纜前進。
然而，通過採用一種據以將所述的電線/帶子根據選擇性進行的S和Z絞合操作施加到電纜上的裝置可以提供帶有由電線或帶子製成的金屬屏蔽的電纜同時保持製造方法連續。在這種情況下，支承所述電線/帶子的捲軸不被受限於在電纜的周圍旋轉地移動。
然而，已經發現縱向摺疊的金屬屏蔽的使用與熱塑性絕緣層和半導電層的使用相結合特別地便利。
實際上，如上所述，在使用交聯材料的情況下，在交聯反應結束之後必須提供一段時間以允許氣態副產物散發。常規地，這通過允許半成品(即電纜芯)在交聯反應發生後休止一段時間來實現。在使用環形非連續的金屬屏蔽的情況下(正如電線或帶子在電纜芯的周圍螺旋纏繞的情況)，氣體散發還可以藉助於擴散通過金屬屏蔽(例如通過電線或帶子重疊區域)並且通過位於金屬屏蔽徑向外側的擠出層而進行。
然而在使用縱向摺疊的金屬屏蔽的情況下，其在電纜芯的整個周邊的周圍環向延伸，由此形成了基本不可滲透的外殼，其顯著地阻止了氣態副產物的進一步排出。因此，當將縱向摺疊的金屬屏蔽與交聯的絕緣層結合使用時，該材料的脫氣應該在施加金屬屏蔽之前基本結束。
相反，將不會散發交聯性氣態副產物(並且因此不需要任何脫氣階段)的熱塑性非交聯材料的電纜絕緣層與縱向摺疊的金屬片結合使用作為電纜金屬屏蔽則使得電纜製造方法能夠連續，因為「休止」階段不需要離線。
為了進一步描述本發明，在下面給出說明性實施例。
實施例1以下實施例詳細描述了根據圖1連續製造150mm2、20kV電纜的方法的主要步驟。管線速度設置在60m/min。
a)電纜芯擠出通過將熔點165℃、熔融焓30J/g、MFI 0.8dg/min和撓曲模量150MPa的丙烯多相共聚物(AdflexQ 200F-Basell的商購產品)直接送入擠出機110的料鬥而獲得電纜絕緣層。
隨後在高壓下將預先與抗氧劑混合的介電油JarylecExp3(ElfAtochem的商購產品-二苄基甲苯)注入擠出機。
擠出機110的直徑為80mm，L/D比為25。
在擠出過程中在離擠出機110的螺杆起點約20D處藉助於三個在相同橫截面上彼此為120°的注射點進行介電油的注入。在70℃的溫度和250巴的壓力下注入介電油。
相應的擠出機被用於內和外半導電層。
通過三聯的擠出機頭150供送杆狀的鋁導線2(橫截面150mm2)。
離開擠壓頭150的電纜芯2a藉助於穿過其中使得冷水流動的槽狀冷卻部分203而冷卻。
所得的電纜芯2a包含約0.5mm厚度的內半導電層、約4.5mm厚度的絕緣層和約0.5mm厚度的外半導電層。
b)電纜阻水半導電膨脹層通過直徑為60mm並且L/D比為20的擠出機211將厚度約為0.7mm並且膨脹度為0.6的阻水半導電膨脹層8施加在電纜芯2a上。
用於所述膨脹層8的材料在下表1中給出。通過將約2％的膨脹劑HydrocerolCF70(羧酸+碳酸氫鈉)加入到擠出機料鬥中而使得這些材料化學性膨脹。
表1
其中-Elvax470乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)共聚物(DuPont的商購產品)；
-KetjenblackEC 300高導電性爐炭黑(Akzo Chemie的商購產品)；-Irganox1010季戊四醇基-四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸酯](Ciba Specialty Chemicals的商購產品)；-WaterloockJ 550磨碎的交聯聚丙烯酸(部分鹽化)(GrainProcessing的商購產品)；-HydrocerolCF70羧酸/碳酸氫鈉膨脹劑(BoeheringerIngelheim的商購產品)。
在擠出機211的擠壓頭212的後面，通過強制空氣冷卻器213提供冷卻。
c)電纜金屬屏蔽施加然後藉助於施加單元210使帶有膨脹的半導電層8的電纜芯2a覆蓋上使用了粘合劑將其重疊邊緣粘合的約0.3mm厚度的縱向摺疊塗漆鋁片。
粘合劑通過擠出機215施加。
d)電纜保護元件施加隨後藉助於直徑為120mm並且L/D比為25的擠出機216將由聚乙烯製成的、約1.5mm厚度的內聚合物層21擠出在鋁屏蔽上。
根據圖3的工藝裝置，將厚度約為2mm並且膨脹度為0.55的膨脹聚合物層22與非膨脹內聚合物層21共擠出。
該膨脹聚合物層22藉助於直徑為120mm並且L/D比為25的擠出機217施加。
用於膨脹聚合物層22的材料在下表2中給出。
表2
其中-HifaxSD 817用乙烯/丙烯共聚物改性的丙烯，由Basell商業生產；-HydrocerolBiH 40羧酸+碳酸氫鈉膨脹劑，由BoeheringerIngelheim商業生產。
通過將膨脹劑(HydrocerolBiH 40)加入到擠出機料鬥中使得聚合物材料化學性膨脹。
在離擠壓頭218約500mm的距離下，以冷水流動通過其中的管道或槽的形式的冷卻部分219在擠出外非膨脹聚合物層23之前阻止了膨脹並且冷卻了擠出材料。
e)電纜外殼擠出隨後採用直徑為120mm並且L/D比為25的擠出機220將由聚乙烯製成、約1.5mm厚度的外殼23擠出。
離開擠壓頭221的電纜最終在冷水流動通過其中的冷卻部分206中冷卻。
可以通過採用多通道的冷卻槽進行成品電纜的冷卻，該冷卻槽有利地減小了冷卻部分的縱向尺寸。
衝擊和負荷抗性在被施加到電纜上、適於造成電纜本身形變的機械應力，例如被施加在電纜外表面上的衝擊或顯著的局部負荷的存在下，已經觀察到即使在此形變還涉及到絕緣的情況下，例如由於衝擊能超過了能夠被衝擊保護層所承受的容許值，或者在選擇了具有相對小的厚度的保護元件情況下，金屬屏蔽的形變模式也遵循了連續、平滑的線路，由此避免了電場的局部增加。
總的來說，用於電纜的絕緣層和外殼的材料在衝擊之後僅僅彈性地恢復了其初始尺寸和形狀的一部分，以致於在衝擊之後即使在給電纜通電之前已經發生了恢復，承受電應力的絕緣層的厚度也被降低。
然而本申請人已經觀察到，當在電纜絕緣層的外面使用金屬屏蔽時，該屏蔽的材料被衝擊永久地變形，這進一步限制了形變的彈性恢復，以致於絕緣層被受限於彈性地恢復其初始形狀和尺寸。
因此，即使已除去衝擊本身的原因，在衝擊之後還是保持了由衝擊造成的形變或者至少其明顯的部分。
所述的形變導致了絕緣層厚度從初始值t0變化到「受損」值td(參見圖5)。
因此，當給電纜通電時，在衝擊區域中支承著電壓應力(Γ)的實際絕緣層的厚度不再是t0，而是td。
另外，當相對於具有「非連續」式的例如由螺旋纏繞的線或帶子製成的金屬屏蔽的電纜進行衝擊時，或在沒有衝擊保護層(如圖5中所示)的情況下，或者甚至在衝擊保護層(緊密或膨脹類型)的存在下，該金屬屏蔽線結構的不均勻抗性也造成了離衝擊區域較近的線顯著地形變並且由於「局部」形變而將該形變傳送到在下面的層，而最小地涉及到鄰近的區域。
在絕緣層中，這導致了「尖峰」效應，其造成了衝擊區域中電場的其它情況為環形的等位線的變形，如圖5中所示，其中初始的環形等位線用虛線繪製，變形的線用實線繪製。
電場的等位線的變形使得它們更近地進入衝擊區域，這意味著該區域中的電力梯度變得明顯更高。即使在相對低的衝擊能的情況下，電力梯度的該局部增加也易於造成放電作用的發生，這決定了(受衝擊的)電纜不能通過部分放電測試。
然而，在金屬屏蔽由縱向摺疊的金屬片製成的情況下，特別是當與膨脹的保護元件結合時，本申請人發現該屏蔽和下面的絕緣層的局部形變顯著減少。
實際上，被下面的金屬屏蔽連續支承的膨脹保護元件能夠將衝擊能分布在衝擊位置周圍相對大的區域上，如圖6中所示。
從而電場等位線的變形被降低(並且還與較大的區域有關)，以使得它們變得沒有在上述螺旋電線具有相同衝擊能的情況下接近。
因此，由衝擊所造成的局部電力梯度增加被減少到最小，並且電纜承受部分放電測試的能力被顯著提高。
權利要求
1.一種製造電纜(1)的方法，其包括以下階段-在預定的供送速度下送入(201)導線(2)；-在導線(2)的徑向外側位置擠出(202)熱塑性絕緣層(4)；-將擠出的絕緣層(4)冷卻(203)；-在所述擠出的絕緣層(4)的周圍形成(210)環形閉合的金屬屏蔽(6)；特徵在於存在於冷卻階段(203)末尾與屏蔽形成階段(210)開始之間的時間與導線(2)的供送速度成反比。
2.根據權利要求1的方法，其中形成階段(210)包括在所述擠出的絕緣層(4)的周圍縱向摺疊金屬片(60)的步驟。
3.根據權利要求2的方法，其中形成階段(210)包括將所述金屬片(60)的邊緣重疊以形成金屬屏蔽(6)的步驟。
4.根據權利要求2的方法，其中形成階段(210)包括將所述金屬片(60)的邊緣粘合以形成金屬屏蔽(6)的步驟。
5.根據權利要求1的方法，進一步包括以金屬杆的形式供送導線(2)的階段。
6.根據權利要求1的方法，進一步包括在金屬屏蔽(6)的周圍施加底漆層的階段。
7.根據權利要求6的方法，其中施加底漆層的階段通過擠出進行。
8.根據權利要求1的方法，進一步包括在所述環形閉合的金屬屏蔽(6)的周圍施加衝擊保護元件(20)的階段。
9.根據權利要求8的方法，其中施加衝擊保護元件(20)的階段包括在所述金屬屏蔽(6)的周圍施加非膨脹聚合物層(21)的階段。
10.根據權利要求8的方法，其中施加衝擊保護元件(20)的階段包括施加膨脹聚合物層(22)的階段。
11.根據權利要求9和10的方法，其中在非膨脹聚合物層(21)的周圍施加膨脹聚合物層(22)。
12.根據權利要求1的方法，進一步包括在金屬屏蔽(6)的周圍施加外殼(23)的階段。
13.根據權利要求10和12的方法，其中在膨脹聚合物層(22)的周圍施加外殼(23)。
14.根據權利要求1的方法，其中將擠出的絕緣層(4)冷卻(203)的階段通過將帶有熱塑性絕緣層(4)的導線(2)縱向供送通過延長的冷卻裝置而進行。
15.根據權利要求1的方法，其中絕緣層(4)的熱塑性聚合物材料選自聚烯烴、不同烯烴的共聚物、烯烴與烯屬不飽和酯的共聚物、聚酯、聚乙酸酯、纖維素聚合物、聚碳酸酯、聚碸、酚樹脂、脲樹脂、聚酮、聚丙烯酸酯、聚醯胺、聚胺，和其混合物。
16.根據權利要求15的方法，其中所述的熱塑性聚合物材料選自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)、乙烯/α-烯烴熱塑性共聚物、聚苯乙烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)樹脂、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，和其共聚物或其機械混合物。
17.根據權利要求1的方法，其中絕緣層(4)的熱塑性聚合物材料包括預定數量的介電液體。
18.電纜(1)，其包括-導線(2)；-在導線(2)徑向外側的熱塑性絕緣層(4)；-在所述絕緣層(4)周圍的至少一個膨脹聚合物層(8)；-在所述絕緣層(4)周圍環形閉合的金屬屏蔽(6)，和-在金屬屏蔽(6)的徑向外側位置的衝擊保護元件(20)，所述的衝擊保護元件(20)包括在所述金屬屏蔽(6)周圍的至少一個非膨脹聚合物層(21)和在所述非膨脹聚合物層(21)徑向外側的至少一個膨脹聚合物層(22)。
19.根據權利要求18的電纜(1)，其中膨脹聚合物層(22)的厚度是非膨脹聚合物層(21)的厚度的1-2倍。
全文摘要
本發明涉及一種用於製造電纜的方法。特別地，該方法包括以下階段a)在預定的供送速度下送入導線；b)在導線的徑向外側位置擠出熱塑性絕緣層；c)將擠出的絕緣層冷卻，並且在所述擠出的絕緣層的周圍形成環形閉合的金屬屏蔽。根據本發明的方法連續地進行，即存在於冷卻階段末尾與屏蔽形成階段開始之間的時間與導線的供送速度成反比。
文檔編號H01B13/26GK1820329SQ03826940
公開日2006年8月16日 申請日期2003年7月25日 優先權日2003年7月25日
發明者S·貝利, A·巴雷吉, G·德蘭納, C·謝爾扎, F·多納齊 申請人:皮雷利 & C.有限公司