用於提供電絕緣高壓直流線纜或者高壓直流端接或接頭的方法

2023-10-20 01:56:57

專利名稱：用於提供電絕緣高壓直流線纜或者高壓直流端接或接頭的方法
技術領域：
本發明主要地涉及高壓電力設備。具體而言，本發明涉及一種用於提供電絕緣高 壓直流線纜或者高壓直流端接或者接頭的方法。
背景技術：
基於聚乙烯或者交聯聚乙烯(XLPE)的擠壓固體絕緣物用於交流輸電和配電線纜 絕緣已經有幾乎40年。因此，研究將XLPE用於直流線纜絕緣的可能性已經有多年。具有這樣的絕緣物的 線纜具有與總體浸漬線纜相同的優點，其原因在於，對於直流輸電而言對電路長度無約束 並且它們也具有在更高溫度操作的潛能、因此賦予增加輸電負載的可能性。然而一直不可能針對全尺寸線纜獲得這些材料的完全潛能。主要原因之一被認為 在於，在受到直流場時電介質中形成和積累空間電荷。這樣的空間電荷由於聚合物的高電 阻率而導致應力分布的畸變並且長時間持續。在絕緣體中的空間電荷在受到直流電場的力 時確實以形成與電容器類似的極化圖案這樣的方式積累。存在有空間電荷積累的極性不同的兩種基本類型的空間電荷積累圖案。空間電荷 積累造成在實際電場的某些點相對於在考慮絕緣物的幾何尺度和介電特性時就預期的場 而言的局部增加。在實際場中表現的增加可能為預期場的5倍或者甚至10倍。因此，用於線纜絕緣物的設計場必須包括如下安全因子，該安全因子考慮到這一 明顯更高的場造成在線纜絕緣物中使用更厚和/或更貴的材料。空間電荷積累的建立是緩 慢的過程，因此這一問題在線纜在相同極性長時間操作之後使其極性反向時削弱。容性電 場由於該反向而疊加於因空間電荷積累而產生的場上，並且最大場應力點從分界面移到絕 緣物中。已經嘗試通過使用添加物來改善該情形，以減少絕緣物電阻而不嚴重地影響其它 性質。用於交流線纜絕緣物的擠壓樹脂合成物通常包括由各種添加物(比如過氧化交 聯劑、硫化阻劑和抗氧化劑或者抗氧化劑系統)補充的作為基礎聚合物的聚乙烯樹脂。在 擠壓絕緣物的情況下，半導電屏蔽件也通常被擠壓並且包括如下樹脂合成物，該樹脂合成 物除了基本聚合物和導電或者半導電填充物之外，還包括實質上相同類型的添加物。在絕 緣線纜中的各種擠壓層一般常常基於聚乙烯樹脂。聚乙烯樹脂一般意味著並且在本申請中 為基於聚乙烯或者乙烯共聚物的樹脂，其中乙烯單體構成該物質的主要部分。因此，聚乙烯樹脂可以由乙烯和可與乙烯共聚的一種或者多種單體組成。低密度 聚乙烯(LDPE)如今為用於交流線纜的主流絕緣基礎材料。為了改進擠壓絕緣物的物理性 質及其在生產、裝運、鋪設和使用這樣的線纜時主導條件的影響之下耐受降解和分解的能 力，基於聚乙烯的合成物通常包括添加物，比如穩定添加物，例如抗氧化劑、電子清除劑， 用於抵抗由於氧化、輻射等所致的分解；潤滑添加物，例如硬脂酸，用於增加可加工性；用 於增加耐受電應力能力(例如增加的抗水樹性)的添加物，例如聚乙二醇、矽酮等；和交聯
4劑，比如在加熱時分解成自由基並且啟動聚乙烯樹脂的交聯、有時與能夠增強交聯密度的 不飽和化合物組合使用的過氧化劑，用於避免過早交聯的硫化阻劑。各種添加物的數目龐大，並且它們的可能組合實質上無限。當選擇一種添加物或 者多種添加物的組合或者一組添加物時，目的在於應當改進一種或者多種性質同時又應當 維持或者如果可能則也改進其它性質。然而，在現實中總是幾乎不可能預測添加物系統中 的改變的所有可能副作用。在其它情況下，尋求的改進如此重要以至於必須接受一些次要 的負面性，儘管目的總是使這樣的負效果最小化。雖然已知使用XLPE合成物的一些缺點由來已久，但是它的優點(例如它能夠防止 過早硫化，即過早交聯)已經超過這些弊端。另外，公知的是，這一類XLPE合成物表現出在 直流電場之下形成空間電荷的強趨勢，因此使得它不可用於直流線纜絕緣系統中。然而，也 已知延長的脫氣(即讓交聯線纜絕緣物長時間暴露於高溫)將造成在直流電壓應力之下空 間電荷積累的趨勢減少。一般認為熱處理從絕緣物中去除過氧化分解產物，如乙醯苯和枯 基醇，由此減少空間電荷積累。脫氣是與紙絕緣物的浸漬相當的耗時批工藝並且因此成本 高。因此如果無需脫氣則是有利的。作為交流線纜中的擠壓絕緣物使用的多數已知交聯聚 乙烯合成物表現出空間電荷積累的趨勢，這致使它們不適合於在用於直流線纜的絕緣系統 中使用。

發明內容
因此，希望提供一種用於利用擠壓的基於聚合物的電絕緣系統來生產絕緣直流線 纜的工藝，該絕緣直流線纜適合於在用於電力直流輸電和配電的電網和設備中作為輸電和 配電線纜來使用。應當優選地以無需對線纜進行任何長時間的耗時批處理(例如熱處理) 的方式進行用於施加和加工隨後擠壓的絕緣系統的工藝，以保證線纜絕緣物的穩定且一致 的介電性質以及高而一致的電強度。所得線纜絕緣物還應當表現小趨勢的空間電荷積累、 高直流擊穿強度、高衝激強度和高絕緣物電阻。採用這樣的工藝將賦予較現有技術方法而 言的技術和經濟進步，因為可以減少生產時間和生產成本，並且提供用於施加和加工線纜 絕緣系統的實質上連續或者至少半連續工藝的可能性。另外，該工藝應當保證應維持或者 改進包括基於浸漬紙的絕緣物的常規直流線纜的可靠性、低維護要求和長工作壽命。本發明的目的在於提供一種如前文中具體說明的用於提供電絕緣高壓直流線纜 的方法。本發明的目的也在於提供一種具有類似相似的高壓直流端接或者接頭。根據本發明通過如所附專利權利要求書所述的方法來達到這一目的以及其它目 的。根據本發明的一個方面，提供一種用於提供電絕緣高壓直流線纜或者高壓直流端 接或者接頭的方法。該方法包括以下步驟提供包括複合聚合物合成物(優選為複合聚乙 烯合成物)的基於聚合物的絕緣系統；可選地交聯聚合物合成物；並且最終在使基於聚合 物的絕緣系統的外表面由對非均勻分布的、存在於基於聚合物的絕緣系統中的至少一種物 質不可滲透的覆蓋層覆蓋的同時使基於聚合物的絕緣系統暴露於熱處理過程，由此均衡至 少一種物質在基於聚合物的絕緣系統中的濃度。所述至少一種物質通常包括如上文討論的 不同類型的交聯產物和添加物，這些物質通常增加導電率。通過提供這樣的方法，可以增加至少一種物質在基於聚合物的絕緣系統的界面
5(即內表面和外表面)的濃度並因此增加該處的導電率，以由此減少在這些界面的電場和 空間電荷。在一個實施例中，在用於從基於聚合物的絕緣系統去除例如甲烷的熱處理之後， 進行上述熱處理過程。由於這一較早的熱處理，所以濃度分布線從拋物線形狀改變成朝著 基於聚合物的絕緣系統的外表面單調遞減的濃度分布線。因此，優選地進行對不可滲透覆 蓋層的較後的熱處理，以增加至少一種物質在與基於聚合物的絕緣系統的外表面相鄰處的 濃度。在一個實施例中，該方法用於生產電絕緣高壓直流線纜，並且提供基於聚合物的 絕緣系統的步驟包括在導體周圍擠壓基於聚合物的絕緣系統。對至少一種物質不可滲透的覆蓋層可以是如下覆蓋層，該覆蓋層纏繞於已經卷繞 在滾筒上或在器皿中的擠壓直流線纜的卷周圍。取而代之，在用鉛片、金屬疊層和/或外部 覆蓋層或者護層來覆蓋擠壓直流線纜之後，進行較後的熱處理，只要這該層對於存在於擠 壓絕緣系統中的至少一種物質不可滲透。根據本發明實施例的下述具體實施方式
，將清楚本發明的更多特徵及其優點。


圖1是根據本發明的實施例的用於生產電絕緣高壓直流線纜的方法的流程圖。圖2以透視圖示意地圖示了根據圖1的流程圖製造的高壓直流線纜。圖3a至圖3c是在用於從圖2的高壓直流線纜的基於聚合物的絕緣系統去除甲烷 的熱處理工藝之前，在基於聚合物的絕緣系統內作為徑向距離的函數的濃度、電場和空間 電荷的圖示。圖4a_圖4c是在用於從圖2的高壓直流線纜的基於聚合物的絕緣系統去除甲烷 的熱處理工藝之後，在基於聚合物的絕緣系統內作為徑向距離的函數的濃度、電場和空間 電荷的圖示。
具體實施例方式現在將參照圖1和圖2描述根據本發明的實施例的用於生產電絕緣高壓直流線纜 的方法。圖2以局部圖示出了電絕緣高壓直流線纜。直流線纜從中心向外包括絞合多導 線導體10、設置於導體10周圍和外部的第一擠壓半導電屏蔽件11、具有下文進一步的擠壓 交聯合成物的基於聚乙烯的擠壓導體絕緣物12、設置於導體絕緣物12以外的第二擠壓半 導電屏蔽件13、金屬篩14和布置於金屬篩14外部的外部覆蓋層或者護層15。當發現適當時，還可以用各種方式向DC線纜補充各種功能層或者其它特徵。例如 可以對其補充在外部擠壓屏蔽件13外部的形式為金屬線的加固物、在金屬/聚合物的分界 面中引入的密封化合物或者遇水膨脹粉末、或者例如由抗腐蝕金屬聚乙烯疊層實現的系統 和由遇水膨脹材料(例如在護層15之下的帶或者粉末)實現的縱向水密封。導體無需絞 合，而是可以具有任何所需形狀和構造，比如絞合多導線導體、固體導體或者分段導體。根據用於生產電絕緣高壓直流線纜的方法，在步驟21中在導體10周圍擠壓基於 聚合物的絕緣系統，其中基於聚合物的絕緣系統包括半導電屏蔽件11、基於聚乙烯的導體 絕緣物12和第二半導電屏蔽件13。在一種替代實施例中，基於聚乙烯的導體絕緣物12為基於其它聚合物的導體絕緣物所取代。下文是進行擠壓的一種示例方法的簡短描述。本領域技術人員認識到存在可以與 本發明一起使用的其它擠壓技術。在示例方法中，通過擠壓器設備以及其它加工和調節設備從導體送出器 (pay-off)饋送導體並且在線纜芯收納器(take-up)上最終收納導體。導體送出器和線纜 芯收納器可以是適合於離散長度的捲軸或者滾筒，但是可以是任何適當類型，包括用於實 質上連續處置供應的導體和生產的線纜的設備。導體通過導體預熱器而經過第一輪，其中 在通過擠壓來施加絕緣系統之前將導體預熱至適當溫度。該工藝適合於其中使用三頭擠壓 器的三重擠壓。使用兩個單獨擠壓器來施加內部和外部半導電層，並且又一第三擠壓器用 於主要絕緣物。在擠壓操作之後，在步驟22中有利地交聯擠壓的基於聚乙烯的導體絕緣物12。為 此，絕緣直流線纜穿過加壓固化和冷卻室，其中控制該室中的條件以保證可以通過擠壓絕 緣系統的這一受控調節和冷卻來實現所需交聯程度和其它結構特性。通常，擠壓的基於聚 乙烯的導體絕緣物12包括多種添加物，在它們之中有二枯基過氧化物和添加物。隨後，通 過牽引履帶拖拉線纜，並且在收納線纜以供進一步加工之前經過第二個輪。上述方式賦予用於施加和加工擠壓絕緣系統的實質上連續或者半連續工藝的可 能性。然而由於該工藝而可能在交聯的基於聚乙烯的導體絕緣物12中產生甲烷。可以 在步驟23中通過在保持擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面不受任何覆蓋的同時，使 擠壓直流線纜暴露於熱處理以由此允許任何甲烷離開，來去除甲烷。接著，在步驟24中，擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面由對於非均勻分布的 存在於擠壓絕緣系統中的一種或者多種物質不可滲透的覆蓋層覆蓋。一種或者多種物質優選地包括來自交聯的一種或者多種剩餘或者副產物和/或 一種或者多種添加物。剩餘產物通常包括過氧化分解產物，比如乙醯苯和枯基乙醇，而添加 物通常包括一種或者多種抗氧化劑和硫化阻劑。然而，其它添加物可以同樣或者甚至更為 重要。擠壓直流線纜可以在滾筒上或者在器皿中捲起，並且整卷擠壓直流線纜可以由對 於一種或者多種物質不可滲透的覆蓋層覆蓋。優選地，將薄金屬箔等纏繞於DC線纜卷周 圍。取而代之，對於一種或者多種物質不可滲透的覆蓋層可以是金屬篩14或者布置 於金屬篩14外部的外部覆蓋層或者護層15。金屬篩14可以是鉛片或者金屬疊層。接著，在已經用不可滲透的覆蓋層來覆蓋擠壓直流線纜之後，在步驟25中讓擠壓 直流線纜暴露於熱處理過程以便均衡一種或者多種物質在擠壓絕緣系統中(具體在與擠 壓的絕緣系統的外表面相鄰處)的濃度。具體而言，由於用於去除甲烷的第一熱處理通常 使濃度分布線從拋物線形狀轉變成如從擠壓絕緣系統的內表面所見的單調遞減濃度分布 線，所以對不可滲透覆蓋層的第二熱處理使一種或者多種物質的濃度在與擠壓絕緣系統的 外表面相鄰處增加。根據具體應用和所用具體交聯添加物來進行這一熱處理過程。然而下文表明通常 用於如今所用常見添加物的溫度和處理時間。
熱處理過程優選地在50°C與120°C之間並且更優選地在70°C與90°C之間的溫度 持續進行一段時間，溫度越高該時間越短，在溫度為80°C時優選地在24與72小時之間。最後，如果尚未作為不可滲透覆蓋層來提供，則提供金屬篩14和外覆覆蓋層或者 護層15。圖3a_圖3c是如通過簡化模型計算的、在用於從圖2的高壓直流線纜的擠壓絕緣 系統去除甲烷的熱處理工藝之前、在擠壓絕緣系統內作為徑向距離的函數的濃度、電場和 空間電荷的圖示。圖的左手側對應於在擠壓絕緣系統的內表面上的位置，而右手側對應於 在擠壓絕緣系統的外表面上的位置。可見，濃度分布線具有拋物線形狀(圖3a)。如果電場 不依賴於一種或者多種物質的濃度分布線，則將獲得單調遞減電場(圖3b)。然而，如果電 場依賴於一種或者多種物質，則由於在擠壓絕緣系統的內表面和外表面上的電阻率更高而 獲得在內表面和外表面有高電場電平的電場分布線(圖3b)。空間電荷具有朝著擠壓絕緣 系統的外表面增加的分布(圖3c)。圖4a_圖4c是通過簡化模型計算的、在用於從圖2的高壓直流線纜的基於聚合物 的絕緣系統去除甲烷的熱處理工藝之後、在擠壓絕緣系統內作為徑向距離的函數的濃度、 電場和空間電荷的圖示。圖的左手側如前對應於在擠壓絕緣系統的內表面上的位置，而右 手側對應於在擠壓絕緣系統的外表面上的位置。這裡，濃度分布線朝著擠壓絕緣系統的外 表面單調遞減(圖4a)。同前，如果電場未依賴於一種或者多種物質的濃度分布線則將獲得 單調遞減電場(圖4b)。然而，如果電場依賴於一種或者多種物質，則獲得朝著擠壓絕緣系 統的外表面增加的電場分布(圖4b)。空間電荷具有朝著擠壓絕緣系統的外表面略微增加 的分布(圖4c)。在假設溫度分布均勻並且忽略導電率對電場的依賴性的情況下，生成圖3和圖4 的圖。在實際情形中，溫度梯度和工藝(比如在界面注入電荷和在絕緣材料內解離)可能 存在並且影響電場分布。然而很清楚的是，本發明儘管去除與擠壓絕緣系統的內表面和外表面相鄰的交聯 產物中的大梯度而較少關注交聯產物的平均濃度，但是仍然改進擠壓絕緣系統內的電場和 空間電荷分布。換而言之，表明了控制濃度分布線對於控制電場和空間電荷分布而言最為重要。應當理解，本發明同樣適用於不必擠壓的高壓直流端接和/或接頭。可以通過模製基於聚合物的絕緣系統來形成端接和/或接頭。在一個實施例中，預模製基於聚合物的絕緣系統，並且將該系統暴露於本發明的 熱處理過程。這樣，可以行銷和出售模製的端接和/或接頭。在安裝期間，在電導體周圍提 供模製的端接和/或接頭。在一個替代實施例中，在使基於聚合物的絕緣系統暴露於熱處理過程的步驟之 前，在導體周圍優選地經由擠壓模製或者帶式模製來對基於聚合物的模製絕緣系統進行模 制。
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權利要求
一種用於提供電絕緣高壓直流線纜或者高壓直流端接或者接頭的方法，包括以下步驟 提供(21)包括複合聚合物合成物(12)的基於聚合物的絕緣系統，其特徵在於，以下步驟 在通過對非均勻分布的、存在於所述基於聚合物的絕緣系統中的至少一種物質不可滲透的覆蓋層來覆蓋(24)所述基於聚合物的絕緣系統的外表面的同時，使所述基於聚合物的絕緣系統暴露於(25)熱處理過程，由此均衡所述至少一種物質在所述基於聚合物的絕緣系統中的濃度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法為用於生成電絕緣高壓直流線纜的方 法，並且所述提供(21)基於聚合物的絕緣系統的步驟包括 在導體(10)周圍擠壓所述基於聚合物的絕緣系統。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述擠壓的直流線纜在滾筒上或者在器皿中卷 起，並且所述擠壓的直流線纜的卷由對所述至少一種物質不可滲透的覆蓋層覆蓋，所述覆 蓋層優選為薄金屬箔。
4.根據權利要求2或者3所述的方法，其中所述擠壓的直流線纜由鉛片、金屬疊層 (14)和/或外部覆蓋層或者護層(15)覆蓋，並且隨後進行使所述直流線纜暴露於(25)所 述熱處理過程。
5.根據權利要求2-4中的任一權利要求所述的方法，其中，-在使所述擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面未由所述不可滲透覆蓋層覆蓋 (23)的同時，使所述擠壓的直流線纜暴露於熱處理，以去除在交聯之後存在於所述基於聚 合物的絕緣系統中的第二物質；以及-在去除所述第二物質之後，進行在使所述擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面由 所述覆蓋層覆蓋的同時使所述擠壓的基於聚合物的絕緣系統暴露於(25)所述熱處理過 程，以便增加所述至少一種物質在與所述擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面相鄰處的 濃度。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述第二物質為甲烷。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法為提供高壓直流端接或者接頭的方法，並且所述提供基於聚合物的絕緣系統的步驟包括 模製所述基於聚合物的絕緣系統。
8.根據權利要求7所述的方法，其中在使所述基於聚合物的絕緣系統暴露於熱處理過 程的步驟之後，在導體(10)周圍提供所述模製的基於聚合物的絕緣系統。
9.根據權利要求7所述的方法，其中在使所述基於聚合物的絕緣系統暴露於熱處理過 程的步驟之前，在導體(10)周圍優選地經由擠壓模製或者帶式模製，來對所述模製的基於 聚合物的絕緣系統進行模製。
10.根據權利要求1-9中的任一權利要求所述的方法，其中所述複合聚合物合成物為 複合聚乙烯合成物(12)。
11.根據權利要求1-10中的任一權利要求所述的方法，其中所述至少一種物質的濃度在與所述擠壓的基於聚合物的絕緣系統的外表面相鄰處均衡。
12.根據權利要求1-11中的任一權利要求所述的方法，其中在使所述基於聚合物的絕 緣系統暴露於所述熱處理過程的步驟之前，交聯(22)所述複合聚合物合成物。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述至少一種物質包括來自所述交聯的剩餘物 或者副產物，優選為過氧化分解產物。
14.根據權利要求1-13中的任一權利要求所述的方法，其中所述至少一種物質包括添 加物。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述添加物為抗氧化劑。
16.根據權利要求1-15中的任一權利要求所述的方法，其中在50°C與120°C之間，並且 最優選地在70°C與90°C之間的溫度，進行所述熱處理過程。
17.根據權利要求1-16中的任一權利要求所述的方法，其中所述熱處理過程進行的時 間取決於進行所述熱處理過程的溫度。
全文摘要
一種用於提供電絕緣高壓直流線纜或者高壓直流端接或者接頭的方法，包括以下步驟提供(21)包括複合聚合物合成物(12)的基於聚合物的絕緣系統；並且隨後在通過對非均勻分布的、存在於基於聚合物的絕緣系統中的物質不可滲透的覆蓋層來覆蓋(24)基於聚合物的絕緣系統的外表面的同時，使基於聚合物的絕緣系統暴露於(25)熱處理過程，由此均衡該物質在基於聚合物的絕緣系統中的濃度。
文檔編號H01B3/44GK101911213SQ200980101780
公開日2010年12月8日 申請日期2009年2月10日 優先權日2008年2月20日
發明者C-O·奧爾森 申請人:Abb研究有限公司