用於hvdc纜線的具有阻性場分級材料的柔性接頭及其與hvdc纜線連接的方法

2023-07-19 23:35:16

專利名稱：用於hvdc纜線的具有阻性場分級材料的柔性接頭及其與hvdc纜線連接的方法
技術領域：
本發明涉及用於高壓直流纜線(HVDC纜線)的接頭的領域。
背景技術：
為了傳輸高壓(典型地在幾百千伏的範圍內)直流電(DC)，已經開發了考慮到DC 傳輸的具體要求的特定類型纜線。這些纜線被認為是高壓直流纜線(HVDC纜線)，它們的結 構從內到外實質上包括下列元件·導電芯或導體，其典型地包括大量獨立的銅或鋁導體， 該導體是高壓(HV)元件； 導體屏蔽(「半導體層」，通常稱為「半導體」)，其通常由導電的 聚合物層例如填充有碳顆粒的聚合物層製成，該層通常稱為「內半導體」； 絕緣層，其典型 地由交聯聚合物如聚乙烯製成；·絕緣屏蔽，其通常由導電的聚合物層例如填充有碳顆粒 的聚合物層(「內半導體」)製成，該元件被維持在地電勢，該層通常稱為「外半導體」; 防 護和保護層，其實質上對高壓(HV)元件的實際絕緣沒有貢獻。在這樣的導體中，非常普遍的是將內半導體、絕緣層和外半導體作為由擠壓工藝 製造的一個單一聚合物層提供，其中內半導體層和外半導體層是通過向該聚合物層的徑向 最內和徑向最外區域提供相應的碳黑填充物而製成的。在交流電傳輸的情況下，對於高壓部件周圍的電場分布，不同絕緣材料介電常數 的差別是至關重要的，而對於常用的絕緣材料來說這種介電常數的差別通常不會變化超過 1-3倍，與交流電傳輸的情況不同，在高壓直流電傳輸的情況下，其決定性的作用的絕緣材 料的電阻係數而不是介電常數。絕緣材料的電阻係數能變化100倍或更多倍，使得必須對 電場分布進行更仔細的分析，特別是在如下情況下對纜線的連接使得絕緣不是在纜線終 止元件處簡單地終止，而是不得不在纜線接頭內延續。考慮到電阻係數所表現出的高溫度 依賴性，電阻係數的變化尤其成問題，因此在所有溫度下對絕緣材料電阻係數進行匹配通 常是不可能的。相應地，已經開發了用於這樣的HVDC纜線的特定預製纜線接頭，其確保了絕緣材 料中電場分布的畸變較小以便避免場增強和隨之而來的電擊穿。另外，特別對於HVDC纜線之間的柔性連接，已知可使用基於帶的纜線接合技術 (tape-based cable joining technology)。用於 HVDC 光纜(HVDC light cable)的柔性 接頭通常通過將半導電的和絕緣的帶在纜線周圍包裹並隨後硫化來製造。然後再安裝鉛和 聚乙烯外套護套和鎧裝。連接纜線的界面可為圓錐形。除了別的以外，一個重要的條件是界面區域內纜線絕緣材料和接頭絕緣材料之 間的電場分布是儘可能均勻的。目前，這一點是通過使接頭絕緣和纜線絕緣的電特性盡可 能地匹配來實現的。特別地，決定了直流電壓下纜線接頭區域中的場分布的電阻係數比 (resistivity ratio)接近於一。這需要高質量和受到極佳控制的工藝。

發明內容
從而本發明的一個目的是提供用於高壓直流電(HVDC)纜線的改進的纜線接頭及 其製造方法。該纜線接頭應是柔性的，典型地其是帶繞式的(tape wound) 0本發明特別涉及在柔性纜線接頭內連接兩根HVDC纜線的方法，其中每根HVDC纜 線由內至外包括中心導體(更一般地為中心電極，典型地為一束獨立的銅或鋁導體)、鄰 接的周向纜線內半導體層(任選的但通常存在，典型地為(碳黑)填充的聚合物層)、鄰接 的周向纜線絕緣層以及鄰接的周向纜線外半導體層(更一般地在被構造成用於地電勢的 半導體層時為外電極層，典型地為填充的聚合物層)。纜線結構外面可進一步包括附加層， 如防護層、機械保護層等。如上所述的這種類型纜線在HVDC傳輸領域是已知的。特別地，所提出的方法表徵為其至少包括如下步驟a.連接兩根纜線的中心電 極；C.提供至少一個周向的和鄰接的場分級材料(field gradingmaterial)層，其將外電 極層連接到中心電極，並且鄰接地包覆著相應纜線的纜線絕緣層(場分級材料層從而將纜 線絕緣和接頭絕緣分隔開)；d.在場分級材料層周圍提供周向接頭絕緣層；e.提供周向接 頭外電極層，其連接兩根纜線的纜線外電極層。如上所述，通常地且優選地，該纜線結構包括內半導體層而外電極是作為外半導 體層給出的。在這種情況下，該方法通常包括如下步驟a.對兩根纜線的導體進行連接，優 選地在纜線接頭內進行該連接；b.在鄰接該導體處提供周向接頭內半導體層，其連接兩根 纜線的纜線內半導體層；C.提供至少一個周向的且鄰接的場分級材料層，其連接纜線外半 導體層和接頭內半導體層並在纜線外半導體層和接頭內半導體層之間的區域包覆相應纜 線的纜線絕緣層；d.在場分級材料層的周圍以及在接頭內半導體層周圍的適當部位處提 供周向接頭絕緣層；e.提供周向接頭外半導體層，其連接兩根纜線的纜線外半導體層。應當指出的是，即使在纜線結構包括內半導體層的情況下，任選地也可能不包括 上述步驟b，場分級材料層也能直接與導體接觸並取代內半導體層的功能。應當進一步指出 的是外半導體層可由附加的場分級材料層來提供。從而本發明的一個要旨在於當製造柔性纜線接頭連接時，應注意絕緣層內的電 場分布是儘可能均勻的。如上所指出的，目前這一點是通過使接頭絕緣和纜線絕緣的電特 性儘可能地匹配來實現的。特別地，決定了界面區域中的場畸變的電阻係數比被調節為接 近於一。如果電阻係數比不同於一，則場被集中在具有較高電阻係數的材料內。由於絕緣 體的電阻係數很難控制，因此需要對生產工藝進行很好的控制，並且將帶限制於非常特定 的材料。即使選擇了非常特定的材料，仍然存在電阻係數對於溫度的強依賴性的問題和在 工作條件下溫度通常在很大範圍內變化的事實。如本發明所提出的，如果將電阻係數相對較低的層(本文稱之為場分級材料，FGM) 置於兩個絕緣體之間，使其連接兩個電勢(地和高壓，即纜線外半導體層與接頭內半導體層 或導體)，則沿該層的電勢得到很好的限定。籍此，兩個絕緣體纜線絕緣體和接頭絕緣體對於 直流電壓被電退耦。如下面的明確描述所說明的，這導致了均勻的電壓下降。特別地，這種場 分級材料層在很大程度上允許克服與不同材料電阻係數的溫度依賴性有關的問題。實際上，場分級材料具有比絕緣層的電阻係數低得多的電阻係數，典型地，場分級 材料的電阻係數比纜線或接頭的絕緣材料的最小電阻係數低50-1000倍。場分級材料可以 是一種其電阻係數依賴於所施加電場的材料，其中該依賴性可以是線性的或非線性的。這種類型的材料在本領域是已知的，例如可參見W02004/038735，其內容作為場分級材料可能 的系統被明確地包括到本說明書中。所提出的發明能夠簡化嚴格的工藝條件並且使得使用更多種類的接頭絕緣帶材 料成為可能。此外，由於電壓水平的趨勢將會越來越高，從電或電熱的觀點來看，使柔性接 頭更加結實耐用或許在將來會變得不可避免。在本發明的第一優選實施例中，對於步驟b、c、d和/或e的至少一個或全部，將相 應材料的基於聚合物的帶纏繞在待接合區域周圍，或者將基於聚合物的襯套移動或纏繞到 待接合區域周圍。相應地，典型地在步驟b中，使用由導電聚合物材料(例如填充有碳黑顆粒等的交 聯或可交聯聚乙烯帶材料)製成的帶來製造周向接頭內半導體層。在步驟c中，使用了由上述場分級材料所製成的帶，這可以仍然是基於聚合物的 帶材料，例如填充有導致了場分級性質的相應顆粒的交聯或可交聯聚乙烯。在步驟d中，可使用基於聚合材料並從而具有高阻性的帶。有可能也同樣使用交 聯或可交聯聚乙烯帶。在步驟e中，實質上可仍然使用上述步驟b中所使用的同樣類型的帶。通常，在步驟e之後，對接頭施加熱和/或輻射以對其進行硫化，導致在接頭內形 成交聯層結構，其中內半導體層、場分級材料層、絕緣層以及外半導體層是鄰接的並且實質 上沒有空氣間隙等，從而導致最佳的絕緣和電場條件。同樣有可能在接頭區域應用典型地 圓周徑向壓力以便使結構緊湊，這或者是作為上述硫化的補充或者是作為其備選。根據一個進一步優選的實施例，在步驟c中，施加單一的周向和鄰接的場分級材 料層，其在一側將第一導體的纜線外半導體層與接頭內半導體層連接，在另一側將第二導 體的纜線外半導體層與接頭內半導體層連接，從而在接頭區域中完全包覆了接頭內半導體 層。如上所述，場分級材料層必須連接接頭區域中的內半導體層(或更一般地，內電極)和 外半導體層(或更一般地，外電極)。從而相應地，可為兩根待連接纜線的每一根提供兩個 獨立且分離的場分級材料層襯套，然而也可能具有一個單一的場分級材料層襯套，其相應 地經由接頭內半導體層來連接纜線的兩個外半導體層(在這種情況下，甚至可能省去接頭 的內半導體層)。一個進一步的優選實施例的特徵在於步驟c中由場分級材料層所包覆的纜線絕 緣層部分被成形為圓錐，該圓錐朝向各個纜線的各個末端會聚。從而相應地，在接頭區域設 置了兩個圓錐(每根纜線均設置一個)，其在接頭區域內指向彼此。使每根纜線的絕緣部 件形成這種圓錐形結構具有如下優點當在形成柔性接頭的步驟中纏繞帶材料時不會有突 然的幾何臺階，而這種突然的幾何臺階在沒有對帶層進行正確定位時能夠導致出現問題， 並且可能導致有些位置出現放電。相對於導體軸線的軸向與這個圓錐的平面(在軸向位置 處)之間的角α優選在5° -45°的範圍內，最優選地是在10° -20°的範圍內。典型地，在步驟a之前，通過在末端區域進行剝皮操作以使每根纜線為本發明方 法的實施作好準備。這優選被實現為在步驟a之前，使每根纜線都被製備成恰好在纜線的末端區域 中，導體在周向上是完全裸露的(因而暴露出導體材料，即大量的銅或鋁導體)。該導體優 選暴露出至少2-30cm的軸向長度，最優選地暴露出10-25cm的長度。
任選地，在進一步遠離纜線末端的鄰接區域，使纜線內半導體層裸露出來，即使得 纜線內半導體層的外表面沿徑向暴露。優選地，這個暴露纜線內半導體層的外表面的區域 延伸了 O-IOcm的軸向長度，最優選地延伸0. 5-5cm的長度。在又進一步遠離每根纜線末端處設置有進一步的鄰接區域，在該區域纜線絕緣層 被成形為實質上的圓錐形，該圓錐形如上所述朝向纜線的末端會聚。在上述步驟c中，在該 圓錐形區域內，場分級材料以鄰接的方式包覆該圓錐形部件。典型地，對於徑向厚度D在 0. 5-4cm範圍內的絕緣層，該圓錐形部分沿軸向延伸Z = D/tan(a)的長度。任選地，在另一個後續區域，使纜線絕緣層在周向上裸露出來，即使得該絕緣層沿 徑向完全暴露。這個區域優選地延伸了 O-IOcm的軸向長度，更優選地延伸0. 5-5cm的長 度。此外，任選地，在又一個的後續區域，除了其他原因之外，為了允許在上述步驟c 中與場分級材料層接觸而使纜線外半導體層裸露出來，即使其沿徑向暴露。如上所述，步驟c中所使用的場分級材料可以是基於聚合物的阻性場分級材 料，例如是帶的形式。場分級材料一般指該材料能夠降低局部的電場增強，使得任何地 方的電場都不超過擊穿強度從而消除電擊穿的危險。對於限定和可能的材料，例如請 參見 A. Roberts 的 Stress grading for high voltage motor and generator coils， IEEEElectrical Insulation Magazine, Vol 11，No 4，1995，p. 26 或者 Qi 等人的 Engineering with non-linear dielectrics，IEEE Electrical InsulationMagazine,Vol 20,No 6, 2004,p. 27。根據一個優選實施例，這種場分級材料是由提供有填充物的聚合基體 (polymeric matrix)製成的，其中該填充物包括半導體材料顆粒的場分級有效量，該半導 體材料的能量帶隙大於OeV而小於5eV，優選地為ZnO或SiC，其中，該顆粒優選地具有小於 或等於IOOnm的至少一個尺寸，更優選地具有在2-80nm之間，更加優選地在5-50nm之間、 最優選地在5-30nm之間的至少一個尺寸。場分級材料可以是線性或非線性阻性材料。其可通過如下方式來放置在用於接 頭內半導體層的半導體帶被纏繞之後纏繞硫化的場分級材料帶(例如包含SiC或ZnO填充 物的聚合物等)，或者在對纜線進行連接之前安裝特定形狀的硫化管，等等。由於地和高壓 之間的連接很重要，也可能存在其他不同的拓撲結構，正如下面的進一步描述中所更詳細 示出的。根據本發明的進一步實施例，在步驟a中，使用了襯套或夾子(優選地金屬襯套或 夾子)，纜線導體的每個末端被移動並由有效接合(positive engagement)和/或形封閉 (form closure)和/或粘合力封閉來固定於該襯套或夾子之內。可通過機械連接(如夾連 接(clamping)、螺栓連接、螺母和螺栓連接、螺釘連接等)和/或通過提供粘合劑來實現固 定。同樣可能的方式是使用焊接技術並在兩個中心電極之間製造導體焊接部。所提出的方法的進一步優選實施例的特徵在於一根或每根纜線的纜線內半導體 層、纜線絕緣層和纜線外半導體層是由一個單一的擠壓聚合物材料製成的。該聚合物材料 優選地為交聯材料，例如交聯聚乙烯材料。典型地，該聚合物材料的最內區域設置有導電填 充物以形成內半導體層，纜線絕緣層是高阻性的，而該聚合物材料的最外區域設置有導電 填充物以形成外半導體層。內半導體層和外半導體層的填充物可由碳黑顆粒來提供。優選 地，內半導體層的厚度(沿徑向)在0. 5-2mm的範圍 ，纜線絕緣層的厚度D(沿徑向)在5-40mm的範圍內，並且外半導體層的厚度(沿徑向)在0. 5_3mm的範圍內。此外，本發明涉及連接兩根HVDC纜線的柔性纜線接頭，其中每根HVDC纜線從內至 外至少包括中心導體、鄰接的周向纜線內半導體層、鄰接的周向纜線絕緣層以及鄰接的周 向纜線外半導體層，這些層在如上所述的方法中可獲得，或者獲得自如上所述的方法。根據這種柔性纜線接頭的第一優選實施例，HVDC纜線在外半導體層的外面包括下 列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗拉鎧裝層，優選地包括鍍鋅 鋼線(galvanised steelwires)、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優選地包括銅線。優選地，接頭區域的外直徑大於具有所有周向層的纜線外直徑的程度小於15%。 更優選地，接頭區域的外直徑大於纜線外直徑的程度不超過10%或不超過5%，或者具有 實質上與纜線外直徑相同的外直徑，所以該接頭對照於預製的硬纜線接頭(stiff cable joints)，是非常纖細的並且在接頭區域中並不提供脹形區(bulging area) 0根據進一步的優選實施例，這樣的纜線接頭是帶繞式的並且是柔性的指帶有接 頭的纜線部分可能的曲率半徑介於纜線直徑的5-20倍，優選地介於8-15倍。這允許良好 地纜線操作而不發生任何問題，例如將具有這樣的柔性纜線接頭的纜線纏繞在滾筒(roll) 或纜線絞輪(cable sheave)上，這在使用預製接頭時是不可能的。本發明此外還涉及如上所述的連接兩根(不是必需地但可能地是相同的)HVDC纜 線的方法的用途，該HVDC纜線從內至外至少包括中心導體、鄰接的周向纜線內半導體層、 鄰接的周向纜線絕緣層以及鄰接的周向纜線外半導體層，並且任選地在外半導體層的外面 包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗拉鎧裝層，優選地包 括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優選包括銅線。這特別地導致形成了如上所 述的柔性纜線接頭。在從屬權利要求中概述了本發明進一步的實施例。


附圖中示出了本發明的優選實施例，其中圖1是用於HVDC纜線的預製纜線接頭的軸向剖切；圖2示出了預製纜線接頭的從纜線到纜線接頭的過渡區域中的電場分布；圖3是柔性接頭的簡略圖，其中傾斜的線表示接頭絕緣和纜線絕緣之間的分界圖4、圖5根據本發明的柔性接頭的細節剖切，其中，在圖4中示出了利用夾子來連 接中心電極的情況，而在圖5中示出了由連接焊接部來連接中心電極的情況；圖6示出了柔性接頭中直流電勢的分布，其中，a)給出了沒有場分級材料層並且 假設纜線和接頭絕緣層的電阻係數相等的情況，b)給出了沒有場分級材料層並且假設接頭 絕緣層的電阻係數是更高的10倍的情況，c)給出了沒有場分級材料層並且假設纜線絕緣 層的電阻係數是更高的10倍的情況，d)示出了纜線和接頭絕緣層的電阻係數不同並且具 有線性阻性場分級材料層的情況；圖7、圖8，圖8示出了對於圖6所示情形a)_d)的沿圖7所示直線11的直流電 場，其中圖8中的曲線a)對應於圖6的情況a)、圖8中的曲線b)對應於圖6的情況b)、圖 8中的曲線c)對應於圖6的情況c)並且圖8中的曲線d)對應於圖6的情況d)，以及
圖9、圖10示出了場分級材料拓撲結構的兩種可能情況圖9表示全部通過，圖10 表示在兩個部件中。附圖標記列表1纜線內半導體2接頭內半導體3纜線絕緣，聚合 物層4接頭絕緣，聚合物層5纜線外半導體，外電極層6接頭外半導體或導電橡膠，接 頭外電極層7纜線絕緣3和接頭絕緣4之間的分界面9接頭10場分級材料層，FGMll 表示電場的線12纜線導體(中心電極)13連接襯套14預製纜線接頭的內表面15預製 纜線接頭16預製接頭內的場分級材料元件18預製纜線接頭15的外導電橡膠部件19預 制纜線接頭15的內導電橡膠部件20預製纜線接頭15的絕緣部件21高壓直流纜線22預 制纜線接頭15的外殼23接合之前導體被完全剝開的區域24接合之前纜線內半導體層裸 露的區域25接合之前纜線絕緣層被以圓錐形方式成形並且根據本發明將要放置場分級材 料的區域26接合之前纜線絕緣層周向裸露的區域27接合之前纜線外半導體層裸露的區 域28圓錐30導體夾子31纜線/接頭外套32導體焊接部FGM場分級材料α 軸向 和圓錐表面之間的角
具體實施例方式參見附圖，附圖的目的在於對本發明當前優選實施例進行說明而不在於對其進行 限制，圖1示出了以硬的方式用於連接高壓直流纜線的預製纜線接頭的軸向剖切。在這個方面，應當指出的是，主要存在兩種不同類型的用於HVDC纜線領域的連接 元件，它們中的一種是所謂的預製或預模製纜線接頭，該接頭正如其名稱所表示的是特別 適於待連接纜線的預製的分離單元。預製或預模製纜線接頭安置或安裝在纜線所安裝的位 置，也就是說，如果要將纜線纏繞在纜線絞輪(圓柱滾筒)上，那麼它們由於其剛性而不能 被使用。另外，還有所謂的柔性或帶繞式或帶模製纜線接頭(也被稱為柔性硫化接頭或柔 性工廠接頭(flexiblefactory joint))，其中沒有預製的分離接頭單元，而是通過正常地 連接中心導體並且隨後在周圍施加幾個帶繞層以形成實際接頭來製造這種接頭。這些柔性 接頭也能夠用於將要卷繞在纜線絞輪上的纜線。，在這個根據圖1的預製纜線接頭的特定情形中，兩根這樣的HVDC纜線21和21』 在這樣的剛性預製纜線接頭15中被接合。為此，實際的中心導體12 (由該中心導體12形 成了纜線的中心電極)暴露在導體21、21』的各末端區域內，兩個暴露的或裸露的導體部分 藉助於金屬連接襯套13而接合在一起，在該金屬連接襯套13內導體部分從兩側被移動並 隨後被夾住，從而導致兩個導體之間強的機械和電連接。預製或預模製纜線接頭包括外殼22內圍繞連接襯套的區域中的絕緣部件20，以 及連接襯套和該絕緣部件20之間的內導電橡膠部件19。在絕緣部件20的外面設置有外導 電橡膠部件18。從電的觀點來看，圖2表示了與根據圖1的這樣剛性纜線接頭的情形相關的條件。 圖2呈現了圖1的兩個對稱的半個部件中的一個的局部視圖，其包括了絕緣材料中的電場 線。正如人們所能夠看到的，在中心區域設置有連接襯套13 (在圖2中被表示為正視圖)， 導體12 (在圖2中被表示為正視圖)被機械固定在該連接襯套13中。此外，人們能夠看出 纜線的導體12的周圍被纜線絕緣層3所圍繞。此外在纜線絕緣層3和導體12之間還設置 有纜線內半導體層1。在纜線絕緣層3的外面設置有纜線外半導體層5。剛性纜線接頭部件由線14之上的所有物件所給出。從而相應地，剛性纜線接頭包
9括在連接襯套的區域之內的內導電橡膠部件19和進一步徑向向外的絕緣部件20。軸向鄰 接於內導電橡膠部件19設置有場分級材料部分16。該場分級材料層或部分16連接了內導 電橡膠部件19和纜線的外半導體層5，並在軸向完成該連接。在所有這些物件的徑向外側 設置有剛性纜線接頭的外導電橡膠部件18。正如人們從電等勢線所能推斷的(該電等勢線也已被示出)，纜線絕緣部件3的 來自右側的實質為軸向的場藉助於場分級材料元件16而實質上均勻地轉向為徑向，然後 在鄰接於場分級材料元件16的絕緣部件20的成圓錐形變寬的部分內被平滑地重定向為軸向。本發明現在特別涉及柔性纜線接頭。在這些情況下，柔性纜線接頭以如下方式生產首先去除兩根纜線在其末端部件 中的絕緣，然後通過在接合區域纏繞相應的帶來生產實際接頭。這應藉助於圖3來進行說 明，圖3再次示出了根據本發明的這樣柔性纜線接頭的僅僅一半的軸向剖切。作為製造這樣的柔性纜線接頭的準備工作，實際的纜線(來自圖3的右側)恰好 在末端區域23被剝皮，使得實際的導體12暴露出來。然後接著是區域24，在該處纜線內半 導體層1沿徑向被暴露出來，接著是區域25，在該處纜線絕緣層3被成形為圓錐28，該圓錐 28的頂點指向纜線端部。軸向相對於導體軸線和這個圓錐28的平面(在軸向位置處)之 間的角α優選地位於5° -45°的範圍內，優選地位於10° -20°的範圍內。緊接這個圓 錐形部分25的是區域26，在該處纜線絕緣層3被周向地暴露出來，然後接著是又進一步的 區域27，在該處纜線外半導體層5被徑向地暴露出來。纜線外半導體層5可被更一般地描 述為外電極層5。然後，在藉助於連接元件(圖3中未示出，例如為上文所述的襯套)將導 體12連接起來後，將這根準備好的纜線與相應的對稱纜線(將其想像為處於左側)接合， 因為如圖3所示首先是通過纏繞相應的帶材料(典型地為聚乙烯帶)來製造內接頭半導體 層2，因而其方式使得連接了兩根纜線的纜線內半導體層1 (如上面進一步指出的，也可省 去該層，其功能可由場分級材料層取代)。在傳統方式中，其次在進一步的步驟中接著使用 一種不同類型的帶材料(即非填充的帶材料)通過在如圖3所示區域內纏繞帶材料來製造 接頭絕緣層4，並且特別地包覆絕緣層的傾斜或圓錐形部分25中的分界面7。再次，使用與 用於層2的帶材料(例如碳黑填充帶)相同或相似的帶材料來製造接頭外半導體層6，並且 以這樣的方式來連接兩根纜線的纜線外半導體層5。接頭外半導體層6可被更一般地描述 為接頭外電極層6。在這些操作之後，通過施加熱或通過輻射而使整個接頭硫化，從而形成 堅固的單元並將所有的層2、4和6與層1、3和5的材料熔合在一起。如果層3和4的兩種材料具有相等的電阻係數，則這樣的纜線接頭會導致如圖6a) 所示的電場分布。這實質上應是理想情況，其無論如何是無法達到的，因為在纜線的擠壓絕 緣層3和硫化帶絕緣層4的電阻係數之間總是存在差別。從而實際上，在電阻係數上總是會存在差別，而圖6b)和C)表示了這樣的差別的 結果，其中在b)中示出了絕緣層4具有比纜線的絕緣層3的電阻係數高10倍的電阻係數 的情況，而在c)中示出了纜線的絕緣層具有比接頭的絕緣層4的電阻係數高10倍的電阻 係數的情況。相應的電場線的畸變是不可接受的，尤其是如果將要施加更高的電壓。如果在這種接頭的上述製造過程中，在施加層4之前，在圖3所示的分界面7上 以直接或間接地連接纜線外半導體層5與接頭內半導體層2的方式來生產場分級材料層10(參見圖4、5、9和10)，則能夠減輕這些問題並且能夠得到如圖6d)所示的相當均勻的電 勢分布，在圖6d)中兩個部分4和3的電阻係數亦有10倍的差別。圖4和圖5更詳細地示出了根據本發明的帶繞式接頭的兩個不同實施例。在兩個 實施例中，內半導體層1均通過場分級材料層10而與接頭外半導體層6電連接。場分級材 料層10位於纜線軸向上纜線絕緣層3和接頭絕緣層4之間。因此，纜線絕緣層3的分界面 7被場分級材料層10連續地包覆。場分級材料層10由內半導體層1連接至中心電極12， 並且由接頭外半導體層6連接至纜線的外半導體層5。在圖4中示出了柔性纜線接頭，其中使用連接器夾子30作為連接元件來連接兩個 中心電極12。使用與圖3所用同樣的附圖標記來表示該柔性接頭的其他結構元件。在這個 情形中被特別指出的是外圍的纜線/接頭外套層31，其也可包括進一步的防護層等。在圖 5中示出了在柔性接頭的情形中接合中心導體12的更為普遍使用的方式，也就是藉助於導 體焊接部32。實際上，如圖8所示，其給出了沿圖7中線11的電場，人們能看出在根據圖6的理 想情況a)下，人們得到了均勻且平滑的電場分布而沒有突變。然而在完全的對照下，根據 圖6的現實世界的情況b)和c)，人們在兩種材料3和4之間的分界面上得到了顯著的臺 階，導致發生擊穿等問題。正如人們能從代表了圖6所示情況即情況d)的線d)所示的相 應分布中看出的，由於場分級材料層的高導電性，人們得到了場分級材料10的區域內較小 的電場(在半徑約為20mm至21mm處的下陷)，然而人們卻失去了材料3和材料4的部分之 間的總體平滑特性(也就是說，沒有顯著的場增強)。圖9和圖10中附圖標記10所表示的場分級材料層可如圖10所示單獨地實施在 每根纜線上，即場分級材料層10的兩個分離的周向和鄰接部分用於每根纜線，並且在中心 區域，實質上在連接兩個纜線導體12的連接元件32周圍，沒有場分級材料層而只有接頭內 半導體層2。然而，也可能如圖9所示使用一個單一的場分級材料層襯套，即在某個步驟中 將場分級材料層10帶纏繞到在中心區域經由接頭內半導體層間接地連接兩個纜線外半導 體層5的接頭區域整個長度的周圍。連接元件32由導體焊接部形成。然而，上述的其他方 法也是可能的，例如圖4所示的導體夾子30或者圖2所示的連接襯套13。
權利要求
一種在纜線接頭內連接兩根高壓直流纜線(21)的方法，其中每根高壓直流纜線從內到外至少包括中心電極(12)、周向纜線絕緣層(3)和外電極層(5)，所述方法包括如下步驟a.連接兩根纜線(21)的中心電極(12)；c.提供至少一個周向的和鄰接的場分級材料層(10)，其將外電極層(5)與中心電極(12)連接，並且鄰接地包覆相應纜線(21)的纜線絕緣層(3)；d.在場分級材料層(10)周圍提供周向接頭絕緣層(4)；e.提供周向接頭外電極層(6)，其連接兩根纜線(21)的纜線外電極層(5)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，每根高壓直流纜線從內到外至少包括作為 中心導體(12)的中心電極、鄰接的周向纜線內半導體層(1)、鄰接的周向纜線絕緣層(3)和 作為鄰接的周向纜線外半導體層(5)的外電極層，所述方法包括如下步驟a.對兩根纜線(21)的導體(12)在纜線接頭內進行連接；b.在鄰接導體(12)處提供周向接頭內半導體層(2)，其連接兩根纜線(21)的纜線內 半導體層⑴；c.提供至少一個周向的且鄰接的場分級材料層(10)，其將纜線外半導體層(5)與接頭 內半導體層(2)連接，並且鄰接地包覆相應纜線(21)的纜線絕緣層(3)；d.在場分級材料層(10)的周圍以及在接頭內半導體層(2)周圍的適當部位處提供周 向接頭絕緣層⑷；e.提供周向接頭外半導體層(6)或場分級材料層，其連接兩根纜線(21)的纜線外半導 體層(5)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，對於步驟b、c、d和/或e中的至少一 個或全部，將相應材料的基於聚合物的帶纏繞在待接合區域的周圍，和/或將基於聚合物 的襯套移動到待接合區域的周圍。
4.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在步驟e之後，對接頭施加熱和/或 輻射，和/或使其優選地暴露在徑向壓力中以對其進行硫化。
5.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在步驟c中，單一的周向和鄰接的場 分級材料層(10)在一側將第一導體(21)的外電極層(5)或纜線外半導體層(5)與中心電 極(12)或者與接頭內半導體層(2)連接，並且在另一側將第二導體(21』)的外電極層(5) 或纜線外半導體層(5)與中心電極(12)或者與接頭內半導體層(2)連接，從而在接頭區域 中完全包覆了中心電極和/或接頭內半導體層(2)。
6.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，纜線絕緣層(3)在步驟c中被場分級 材料層(10)包覆的部分被成形為圓錐形(28)，該圓錐形(28)朝向各自纜線(21、21』 )的 末端會聚，其中優選地，相對於導體(12)軸線的軸向與這個圓錐(28)的平面之間的角(α) 在5° -45°的範圍內，優選地在10° -20°的範圍內。
7.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在步驟a之前，使每根纜線(21、21』) 都製備成恰好在纜線(21、21』)的末端區域(23)中，內電極或導體(12)在周向上是完全 裸露的，優選地裸露至少2-30cm的長度，最優選地裸露10-25cm的長度，其中任選地，在一 後續區域(24)中，使纜線內半導體層裸露出來，優選地裸露O-IOcm的長度，最優選地裸露 0. 5-5cm的長度，其中，在一後續區域(25)，將纜線絕緣層(3)成形為實質上的圓錐形(28)，該圓錐形(28)朝向纜線的末端會聚，其中任選地，在一後續區域(26)，使纜線絕緣層(3)周 向地裸露出來，優選地裸露O-IOcm的長度，最優選地裸露0. 5-5cm的長度，並且其中，在一 後續區域(27)，使纜線外電極層(5)或外半導體層(5)裸露出來。
8.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在步驟c中使用的場分級材料是一 種基於聚合物的阻性場分級材料，這種基於聚合物的阻性場分級材料由提供有填充物的聚 合基體製成，其中，填充物優選包括半導體材料顆粒的場分級有效量，該半導體材料的能量 帶隙大於OeV而小於5eV，優選地為ZnO或SiC，其中，顆粒優選具有小於或等於IOOnm的至 少一個尺寸，更優選地具有在2-80nm之間，更更優選地在5-50nm之間，最優選地在5-30nm 之間的至少一個尺寸。
9.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在步驟a中，使用了襯套或夾子，優 選地使用了金屬襯套或夾子，纜線(21、21』 )的中心電極或導體(12)的每個末端被移動並 由有效接合和/或形封閉和/或粘合力封閉來固定於襯套或夾子之內，和/或其中，在步驟 a中，中心電極的末端由焊接技術來連接。
10.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，纜線內半導體層(1)、纜線絕緣層 (3)和纜線外半導體層(5)是由一個單一的擠壓聚合物材料製成的，優選地由交聯聚乙烯 材料製成，其中，該聚合物材料的最內區域設置有半導體填充物以形成內半導體層(1)，纜 線絕緣層(3)沒有填充物，該聚合物材料的最外區域設置有半導體填充物以形成外半導體 層(5)，其中優選地，內半導體層(1)的厚度在l_3mm的範圍內，纜線絕緣層(3)的厚度在 5-40mm的範圍內，並且外半導體層(5)的厚度在l_3mm的範圍內。
11.一種連接兩根高壓直流纜線(21)的纜線接頭，其特徵在於，每根高壓直流纜線從 內到外包括中心導體(12)、任選地優選地鄰接的周向纜線內半導 體層(1)、鄰接的周向纜 線絕緣層(3)以及鄰接的周向纜線外電極或半導體層(5)，這些層是根據前述任一權利要 求所述的方法可獲得或者獲得的。
12.如權利要求11所述的纜線接頭，其特徵在於，高壓直流纜線(21)在外電極層或半 導體層(5)的外面包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗 拉鎧裝層，優選地包括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優選地包括銅線。
13.如權利要求11或12所述的纜線接頭，其特徵在於，接頭區域的外直徑大於具有所 有周向層的纜線(21、21』)外直徑的程度小於15%，其中，接頭區域的 外直徑大於纜線(21、 21』)外直徑的程度優選地不超過10%，更優選地不超過5%，或者具有與纜線(21、21』)外 直徑實質上相同的外直徑。
14.如權利要求10-12中任一項所述的纜線接頭，其特徵在於，帶有接頭的纜線部分可 能的纜線曲率半徑在纜線直徑的5-20倍之間，優選地在8-15倍之間。
15.權利要求1-10中任一項所述方法的用途，所述方法用於連接兩根高壓直流纜線， 所述高壓直流纜線從內到外包括中心導體(12)、任選地優選鄰接的周向纜線內半導體層 (1)、鄰接的周向纜線絕緣層⑶以及鄰接的周向纜線外電極或外半導體層(5)，並且任選 地在外半導體層(5)的外面包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外 套層、抗拉鎧裝層，優選地包括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優選地包括銅 線。
全文摘要
本發明涉及用於HVDC纜線的具有阻性場分級材料的柔性接頭及其與HVDC纜線連接的方法，其中每根纜線從內到外包括中心導體、鄰接的周向纜線內半導體層、鄰接的周向纜線絕緣層和鄰接的周向纜線外半導體層。在柔性纜線接頭內連接兩高壓直流纜線的方法包括a.在纜線接頭內連接兩纜線的導體；b.在鄰接導體處提供周向接頭內半導體層以連接兩纜線的纜線內半導體層；c.提供至少一鄰接的周向場分級材料層以連接纜線外半導體層和接頭內半導體層並包覆相應纜線的纜線絕緣層；d.在場分級材料層及接頭內半導體層周圍適當部位提供周向接頭絕緣層；e.提供周向接頭外半導體層以連接兩纜線的纜線外半導體層。此外還公開了用該方法製造的接頭和該方法的用途。
文檔編號H02G15/08GK101902024SQ20091025902
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者T·克裡斯滕 申請人:Abb研究有限公司