专利名称：具有低热阻系数的组合物和铺设输送电能的地下电缆的方法
技术领域：
本发明涉及通过地下电缆连接的用于输送电能的系统。
特别地，本发明涉及铺设电缆的方法和具有低热阻系数的用于铺设输送电能的地下电缆的电缆沟填充物。
更特别地，本发明涉及要设置在电缆或该系统的部分(如设在地下的系统连接点)周围的区域的惰性填充物的应用。
电流在电缆内的流动产生热量。若设置在电缆周围的填充物具有高的热阻系数而不能达到满意的散热，这导致电缆的温度升高。
电缆的温度升高超过电缆所容许的限度导致电缆的过早老化，电缆可能随之失效。
因此，安装输送电能的系统要求采用具有低热阻系数的填充物，它使电缆不会达到高的温度并能够承受较高的电流负荷。
通常，在实际铺设地下电缆时，在土壤里挖出一条沟，在沟底准备一层通常由砂组成的填充物床层。采用带有振动板的机械设备将该材料床层压紧。然后将电缆铺设在该床层上面。铺设完电缆后，在它们的上面再设置一层同样的填充物，对这层同样进行机械压紧。电缆沟的填充通过采用惰性石料(quarried material)完成。除非在一些罕见的场合，如原始地面特别适合散热要求，或在所说的原始土壤必须复原的场合(如对农用土壤)，石料通常在现场或附近获得。
以往，采用惰性填充材料(砂)作为电缆周围填充物的做法具体用于防止原始地面里存在的尖利石头引起对电缆包衣的损害。由此，认识到所说的材料的传热的重要性，因此，注意力转移到寻找更为合适的填充物，另外考虑到填充物的稳定性、流态化和保湿性。
K.Mochlinski的论文″Assessment of the influence of soilthermal resistivity on the ratings of distribution cables″，Proc.IEE，Vol.123，No.1，January 1976，描述了不同类型地面的热行为。特别地，这一论文公开了，含有大量具有粉砂粒径的物质的砂要求高于现场实际所能提供的高水分百分数以最优压紧，因此限制了它的应用。
美国专利4,177,078公开了采用包括土壤、含有粘土混合物的稳定剂以及分散剂的组合物。
美国专利3,719,511公开了采用包括与水泥填充物如卜特兰水泥(Portland cement)混合的砂、砾石和大大小小的石头并含有润滑剂如燃料油的组合物。
美国专利4,482,271和4,925,493公开了采用包括土壤和蜡的组合物。
美国专利4,050,261、4,062,195和4,050,258公开了采用包括卜特兰水泥、集料(aggregates)以及来自煤燃烧的煤灰(飞灰)的组合物。
美国专利4,361,661公开了采用包括砂和含有无机细颗粒填充物的有机粘合剂的组合物。
F.Donazzi，E.Occhini和A.Seppi的论文″Soil thermal andhydrological characteristics in designing underground cables″，Proc.IEE，Vol.126，No.6，June 1979，描述了采用所选择的具有优化粒度分布(这提供高密度因而提供小的有孔度)的砂。
根据本发明，本申请人已发明了一种用作电缆沟填充物的组合物，它具有高的热导率、高的保湿度和高的热稳定性。
本发明的第一个方面涉及铺设设置在沟内的电缆的方法，它包括以下步骤--移除原始土壤以准备所说的沟；--在所说的沟内设置第一层第一组合物；--在所说的第一层上面设置所说的电缆；--在所说的电缆上面设置第二层所说的第一组合物；--在所说的第二层上面设置由第二组合物形成的第三层以填充所说的沟；其特征在于所说的第一组合物包括60-90％重量的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
特别地，所说的第一层、第二层和第三层的至少一层被机械压紧。
优选地，所说的第一和第二层的干态密度大于1.6g/cm3。
本发明的第二个方面涉及铺设设置在沟内的电缆的方法，它包括以下步骤--移除原始土壤以准备所说的沟；--在所说的沟内设置第一层第一组合物；--在所说的第一层上面设置所说的电缆；--在所说的电缆上面设置第二层所说的第一组合物；--在所说的第二层上面设置由第二组合物形成的第三层以填充所说的沟；其特征在于所说的第一组合物包括碎砂、粉砂、水泥和水，并具有小于或等于0.8K*m/W的热阻。
本发明的第三个方面涉及一种具有低热阻系数的组合物，它包括60-90％重量的具有预定粒度的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
优选地，本发明涉及一种组合物，它包括70-80％重量的具有预定粒度的碎砂；8-12％重量的粉砂；4-8％重量的水泥；8-12％重量的水。
更优选地，本发明涉及一种组合物，它包括
75％重量的具有预定粒度的碎砂；10％重量的粉砂；5％重量的水泥；10％重量的水。
这种组合物的特征在于所说的砂是硅砂。
优选地，碎砂的粒度范围在0.063mm到3.15mm。
优选地，粉砂的粒度范围在0.002mm到0.063mm。
在一个优选实施方案中，惰性碎砂和粉砂的混合物的粒度分布范围从Yu＝-0.0649*x6+1.5817*x5-14.403*x4+63.887*x3-148.32*x2+177.94*x+5.1358到Y1＝-1.9512*x4+13.836*x3-34.44*x2+63.498*x+1.2669在此，Yu表示尺寸以mm计为x的材料的重量百分比的上限，Y1表示尺寸以mm为x的材料的重量百分比的下限。
该组合物所能达到的热阻小于或等于0.8K*m/W。
优选采用普索兰型(Pozzolan type)水泥。
本发明的第四个方面涉及一种通过设置在沟内的电缆输送电能的系统，所说的沟包括--一层第一组合物；--所说的电缆埋置在所说的第一层内；--设置在所说的第一层上面的一层第二组合物；其特征在于所说的第一组合物包括60-90％重量的具有预定粒度的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
参考附图，由以下的描述可获得进一步的细节。其中，
图1表示根据本发明的材料的聚集图(aggregation diagram)；图2表示所考虑的四种砂的粒度的变化，以及根据本发明的砂的粒度变化的上限和下限。
图3表示与水泥和水混合的样品的热阻系数对时间的测量结果。
图4a和4b表示测试设备的示意图。
图5表示测试设备的沟的示意图。
图6表示测试年份里所考察的填充物的测定的热阻系数变化以及年度降雨量的变化。
根据本发明，已发现具有低热阻系数的填充物的组合物包括60-90％重量的具有预定粒度的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
优选包括70-80％重量的具有预定粒度的碎砂；8-12％重量的粉砂；4-8％重量的水泥；8-12％重量的水。
更优选地包括75％重量的具有预定粒度的碎砂；10％重量的粉砂；5％重量的水泥；10％重量的水。
上述各成分的重量百分比可在上述范围内变化，例如，根据铺设时所遇到的当地条件变化，同时保持它们的优势。例如，对于电缆铺设在埋置于组合物内的管道里的情形，水泥的百分比可接近上限，此时不需要为回收电缆而将填充物打碎。
例如，采用低百分比(低于4％)的粉砂不能达到所期望的结果，而高百分比(高于15％)阻碍了满意的压紧。
由于砂的费用低和良好的热导率，它组成填充物的主要成分。因带有尖角的尖利颗粒(它们提供良好的固有压缩性)的存在，由于压缩性的特定特性，所以优选硅石组合物的碎砂。此外，进一步的机械压紧使得能够达到至少1.8g/cm3的干态密度。
代替硅砂，填充物可以由含有不同材料(石灰石、石英、长石等)的砂制造，在自然界得到或人工制造。
为了本发明的目的，术语“碎砂”表示(惰性物质的)材料的级分，粒度范围在0.063mm到3.15mm之间。
为了本发明的目的，术语“粉砂”表示(惰性物质的)材料的级分，粒度范围在0.002mm到0.063mm之间。
根据本发明，含有粉砂和碎砂的惰性物质优选具有处于下表1所示数值之间的粒度分布(也如图2所示)，并由以下的粒度曲线表示上限曲线YuYu＝-0.0649*x6+1.5817*x5-14.403*x4+63.887*x3-148.32*x2+177.94*x+5.1358下限曲线Y1Y1＝-1.9512*x4+13.836*x3-34.44*x2+63.498*x+1.2669在此，Yu和Y1分别表示材料的重量百分比的上限和下限，x表示材料的尺寸，单位为mm。
该粒度基于实验室测试并取决于具有高压缩性和保湿性的必要性。参考上述引用的F.Donazzi等的论文，可得到更详细的描述。
表1
表1表示对于相应筛子(筛)的筛孔尺寸，所有筛下材料的较小尺寸部分直至与该筛子的筛孔尺寸相等的尺寸的颗粒的百分比。因此，百分比表示尺寸在两个连续筛子的筛孔尺寸之间的所有级分的砂的累积值。
形成粉砂的材料可得自与形成砂的主要级分的材料不同的材料，当砂含粉砂百分比低时向砂中加入形成粉砂的材料。粉砂在混合物中的作用是降低混合物的孔隙率，使填充物有良好的压缩性并防止水的扩散。粉砂的粒度为不干扰加到混合物中的水泥的粘合作用，因此能够使填充物具有良好的粘合作用。结果发现，对于具有低于天然土壤的湿含量的临界温含量(低于该值会发生干化)的材料，相当显著地延长保湿时间，从而阻止了湿分迁移现象及随之而来的电缆热不稳定性的发生，即使在长期的干燥天气下也如此。当采用基于粘土、膨润土或灰的填充物时，得不到这种特性。
对此，一个原因是含粘土的组合物若失水则易于显著开裂。这种特点与可能的浸滤--下雨天气里在畅水土内所有小尺寸颗粒共有的一种特征--一起，被认为是消极的。
灰分作为填充物的流化剂用于促进材料的填充和自压缩；另一方面，它们由于低的导热能力而受到负评价。
水泥的作用是固结时通过在各种颗粒之间产生机械交联形成热结合。但其用量为如果要求维修时，要使电缆能不受损伤地回收。特别是对于电缆铺设在管道内的场合，换句话说，在不必毁坏填充物就能回收电缆的场合，添加的水泥的百分比可增加，由此使填充物更密实而更适合其目的。
水的作用是使水泥能够固结并润滑混合物，提高铺设时的压缩性；如此一来，所得的混合物具有良好的固有密度，它可通过机械压缩而得到提高。
本申请人认为混合物中的水泥开始时促进砂粒的滑动性。由于土壤与硅石组合物的挤压，砂粒带有锐边。这种滑动导致砂粒高度压缩。其后，水泥作为粘合剂，在颗粒的锐边之间形成机械交联。在这种结构内，混合物中含有的水被封闭在颗粒之间的空隙内，大部分水被所含有的粉砂吸收。因此，粉砂起到重要的作用，完善了组合物的保水能力。粉砂所起的作用也可通过采用粘土来实现，粘土也具有吸收大量水的能力。但与粉砂不同，在水存在下粘土显著膨胀，阻碍了水泥在材料中形成合适的热交联。这导致材料的热阻增加。图1表示根据本发明的材料的聚集图，其中水泥所形成的“热交联”以黑色表示，砂粒以白色表示，粉砂和水以斑纹白色表示。
在实验室里对按这种方法配制的材料进行了研究，开始时无水泥以确定其优化粒度特征。
实验室测试所用的填充混合物由不同类型的含粉砂的砂制造，即a)采用Brembate(BG)″Nuova Demi″采石场的砂制造的混合物，具有非理想粒度，干态密度为1.6g/cm3。
b)采用Brembate(BG)″Nuova Demi″采石场的砂制造的混合物，具有理想粒度，干态密度为1.8g/cm3。
c)采用Brescia的″San Polo″采石场的砂制造的混合物，具有接近或超出优化粒度的下限的粒度，干态密度为1.8g/cm3。
d)采用Brescia的″San Polo″采石场的砂制造的混合物，与细砂混合并具有接近或超出理想粒度的上限的粒度，干态密度为1.6g/cm3。
上述砂a、b、c、d的粒度与砂的优选粒度的下限(Inf)和上限(Sup)一起示于图2。水平轴表示颗粒的大小，单位mm；竖直轴表示颗粒的重量百分比(％)。
为了本发明的目的，“理想粒度”表示处于表1所限定的范围内的优选粒度，因此处于图2的下曲线和上曲线之间。
所考虑的砂具有四种不同的粒度变化。混合物a)的粒度变化位于两个限度之间的中央(在颗位尺寸的低值域中)，而在颗粒尺寸高值域中则超过上限；混合物b)的粒度在两个限度曲线之间的中央，而其他两种砂c)和d)的变化则接近或超出下曲线和上曲线的限度。
干态密度可通过采用下式由(湿)填充物的密度推算δs＝(δux100)/(U％+100)
在此，δs为填充物的干态密度，δu为填充物的密度，U％为填充物的百分湿含量。
经过这种方法所选择的砂随后与优选为普索兰型的水泥及水混合，所述水泥重量百分比为5％、水重量百分比为10％。也可以采用卜特兰型水泥，但这会形成比采用普索兰水泥形成的填充物更难于破裂的填充物。
通过这种方法制造的混合物被用来制造样品(样品直径约20cm，高约30cm)，对其进行机械压缩以保持与以前相同的压缩程度。
此后进行下面的测量。
1.测量混合物的干态热阻系数。
2.测量与水混合后一天的含水混合物的热阻系数。
3.测量与水混合后三天的含水混合物的热阻系数。
4.测量与水混合后七天的含水混合物的热阻系数。
5.测量与水混合后十四天的含水混合物的热阻系数。
6.测量与水混合后二十八天的含水混合物的热阻系数。
7.测量混合后二十八天、随后在80℃下干燥三天的混合物的热阻系数。
8.测量混合后二十八天、随后在80℃下干燥三天、其后重新湿化到10％水含量的混合物的热阻系数。
9.对上述测试里发现的具有最好性能的混合物(具有配方b)混合物)进行热梯度下的水分迁移测试。
10.对上述样品(具有配方b)混合物)进行保湿测试。测定结果由下面的表和图表示。
组合物的热阻系数主要依赖于其密度、湿含量及各组分的大小和分布。热阻系数定义为在边长为1米的立方体的相对两面之间通过一瓦(一焦耳/秒)热功率时产生的温度差，单位为K*m/W。例如石英的热阻系数大约为0.1K*m/W，静水的热阻系数为1.65K*m/W，静止空气的热阻系数为40K*m/W。
第一次测试结果以及相对密度示于表2。
表2
混合物a)、b)、c)和d)的样品的热阻系数测试(测试2到8)以图的形式绘于图3，其中经过的天数以水平轴表示，热阻系数以竖直轴表示。
应注意到，在粒度的低值域内具有相同的组成、但压缩程度不同的混合物a)和b)具有稳定的热阻系数值。具有较大压缩度的混合物b)也具有低的热阻系数值。混合物c)和d)的热阻系数值不如混合物a)和b)的热阻系数值稳定。
基于这些结果，混合物b)、c)和d)被选取以便进行后续的水分迁移和保温测试(测试9和10)。
混合物a)由于具有高的热阻系数而被舍弃。
这些测量的结果示于表3。测量按以下方式进行。
对每一类型的混合物，采用两个相等尺寸、密度和湿含量的样品进行测试。
对一个样品取断面，使得能够在表3所示的各点即顶部、中部、底部和侧面的点测试湿含量。测量结果以原始测量结果形式示于表3。
第二个样品用于进行水分迁移测试，这通过采用具有加热板(顶板)和冷却板(底板)的水密立式容器来进行。该测试的要点是在2℃/厘米的热梯度下实施一周。此后，以与第一个样品相同的方式对样品取断面并测量温含量这些结果在表3中以最终测量结果表示。
表3
表3的结果表明样品b)中未发现温含量的显著变化，而其它的样品中发生了较大的水分迁移，样品c)的水分迁移显著。
通过将混合物b)的一个样品放置在水密容器内并在环境温度下保持一周而对其进行保湿(测试10)测试。测试被设计来测量重力作用对水分的影响(它被称为“排放”)。
测试表明，根据本发明的混合物b)表现出完全不存在排放。
结论是，选出混合物b)作为测试样品中最好的；它包括75％重量的具有预定粒度的碎砂；10％重量的粉砂；5％重量的水泥；10％重量的水。
这种类型的填充物已经在建于Livorno Ferraris的Pirelli工厂的1∶1比例的实验装置上进行了测试。
测试装置包括一200m长的、1×1600mm290kV XLPE绝缘的电缆C的封闭环。
电力由12个各为26.5kVA的变压器以交流电方式提供给电缆。环中的电流由功率为40kVar的电压控制器调节。电缆的温度由热电偶和采用光学纤维的分布式温度传感器监测。
图4中给出测试设备的示意图。具体地说，图4a示意表示设备的一个断面，包括由电力供应单元A1提供电力的电缆导线C，它分为数个部分S0为连接部分，S1至S4具有不同的填充物材料。图4b示意表示包括与图4a相同单元的设备的平面图，其中，在S1部分可注意到容纳电缆C的两个管道T。S1-S4部分各约25m长，形成导线C的两个电缆间隔0.3m安放。
环埋放在深1700mm、宽800mm的沟里，填充物材料以500mm厚度设置，电缆设置在填充物的中间。填充物的尺寸优选经优化而包含60℃等温线，换句话说，包含所有温度高于或等于60℃的点。图5中提供了电缆沟的示意图。
在设备内形成具有不同铺设条件的四个依次相连的区域(S1-S4)(见图4)。
在第一区域S1中，环内的电缆C的两个分枝铺设在嵌埋在填充物内的PVC管内，所述填充物包括以下材料，各材料的重量百分比如下--碎砂68％；--粉砂10％；--水泥12％；--水10％。
在第二区域S2中，电缆C铺设在根据本发明的填充物内，该填充物包括以下材料(重量百分比)--碎砂75％；--粉砂10％；--水泥5％；--水10％。
在现场用振动板将材料压紧。
在第三个依次相连的区域S3中，电缆C铺设在含有非选择的碎砂的填充物内，所述碎砂的粒度范围限制在两个主要粒度上，重量百分比如下--50％的硅砂，粒度范围从0.1mm至0.3mm；--50％的硅砂，粒度范围从2mm至3mm。
在现场用振动板将材料压紧，以使其密度达到实验室所测量的1.6g/cm3。有意使填充物具有高的渗滤能力。
在第四区域S4中，电缆C铺设在由与作为本发明目的的第二区域S2的填充物完全相同的方式构成的填充物内，但没有水泥和机械压紧。
图6表示在测试年份内所测得的第二区域S2的填充物内热阻系数的变化，以及当地每月降雨量，以mm计。具体地说，水平轴表示时间(月)，左侧的竖直轴表示热阻系数，右侧的竖直轴表示月降雨量，mm。
测试结果表明第二区域的填充物的热阻系数随时间保持恒定，其值小于0.8而接近0.6K*m/W，这是实验室值的良好近似。然而，所观测的其它填充物表现出不规则的值，随着时间从干燥天气的上限变为潮湿天气的下限。测试年份相当干燥，这使得能够观察到填充物的上述优化热行为。具体地说，在测试年份内的气候条件变化下，热阻系数不增加，并保持在低于0.7K*m/W。
测试表明，上述填充物在内部保水的能力使之成为特别适于作为铺设输送电能的电缆的材料，由于高的散耗电缆所产生的热的能力使输送能力能够提高。
由于组合物的低热阻系数，由此组合物有可能散耗更多的因电缆电损失所产生的热量，使电缆有可能在较低的温度下操作。
另一方面，有可能提高电缆(以电流表示)的输送能力，并同时使电缆保持在可接受的温度。
此外，在填充物内部保水的能力使得这种填充物成为在困难条件下，例如在夏季的长期干燥期，铺设电缆的极有用的材料。
与具有传统填充物且电缆沟截面与填充了本发明所涉及的组合物的电缆沟相同的系统相比，以这种方式产生的包括电缆和电缆沟填充物的系统使输送电能的能力提高了15％。
权利要求
1.铺设设置在沟内的电缆的方法，包括以下步骤--移除原始土壤以准备所说的沟；--在所说的沟内设置第一层第一组合物；--在所说的第一层上面设置所说的电缆；--在所说的电缆上面设置第二层所说的第一组合物；--在所说的第二层上面设置由第二组合物形成的第三层以填充所说的沟；其特征在于所说的第一组合物包括60-90％重量的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
2.根据权利要求1的铺设电缆的方法，特征在于所说的第一层被机械压紧。
3.根据权利要求1的铺设电缆的方法，特征在于所说的第二层被机械压紧。
4.根据权利要求1的铺设电缆的方法，特征在于所说的第三层被机械压紧。
5.根据权利要求1的铺设电缆的方法，特征在于所说的第一层和所说的第二层的干态密度大于1.6g/cm3。
6.铺设安放在沟内的电缆的方法，包括以下步骤--移除原始土壤以准备所说的沟；--在所说的沟内设置第一层第一组合物；--在所说的第一层上面设置所说的电缆；--在所说的电缆上面设置第二层所说的第一组合物；--在所说的第二层上面设置由第二组合物形成的第三层以填充所说的沟；其特征在于所说的第一组合物包括碎砂、粉砂、水泥和水，并具有小于或等于0.8K*m/W的热阻。
7.具有低热阻系数的组合物，包括60-90％重量的具有预定粒度的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
8.根据权利要求7的组合物，特征在于它包括70-80％重量的具有预定粒度的碎砂；8-12％重量的粉砂；4-8％重量的水泥；8-12％重量的水。
9.根据权利要求7的组合物，特征在于它包括75％重量的具有预定粒度的碎砂；10％重量的粉砂；5％重量的水泥；10％重量的水。
10.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的碎砂是硅砂。
11.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的碎砂的粒度范围在0.063mm到3.15mm。
12.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的粉砂的粒度范围在0.002mm到0.063mm。
13.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的热阻小于或等于0.8K*m/W。
14.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的水泥为普索兰型。
15.根据权利要求7的组合物，特征在于所说的碎砂和所说的粉砂的混合物的粒度曲线范围从Yu＝-0.0649*x6+1.5817*x5-14.403*x4+63.887*x3-148.32*x2+177.94*x+5.1358到Y1＝-1.9512*x4+13.836*x3-34.44*x2+63.498*x+1.2669在此，Yu表示尺寸以mm计为x的材料的重量百分比的上限，Y1表示尺寸以mm计为x的材料的重量百分比的下限。
16.通过设置在沟内的电缆输送电能的系统，所说的沟包括--一层第一组合物；--所说的电缆埋置在所说的第一层内；--设置在所说的第一层上面的一层第二组合物。其特征在于所说的第一组合物包括60-90％重量的具有预定粒度的碎砂；4-15％重量的粉砂；2-12％重量的水泥；4-15％重量的水。
全文摘要
本发明涉及通过地下电缆连接的用于输送电能的系统。特别地,本发明涉及铺设电缆的方法和具有低热阻的用于铺设输送电能的地下电缆的沟填充物。更特别地,本发明涉及要设置在电缆或该系统的部分(如设在地下的系统连接点)周围的区域的惰性填充物的应用。铺设设置在沟内的电缆的方法包括以下步骤:移除原始土壤以准备所说的沟;在所说的沟内设置第一层第一组合物;在所说的第一层上面设置所说的电缆;在所说的电缆上面设置第二层所说的第一组合物;在所说的第二层上面设置由第二组合物所形成的第三层以填充所说的沟;其特征在于所说的第一组合物包括:60—90%重量的碎砂;4—15%重量的粉砂;2—12%重量的水泥;4—15%重量的水。
文档编号C04B28/00GK1307548SQ99807891
公开日2001年8月8日 申请日期1999年5月26日 优先权日1998年6月5日
发明者D·卡斯利尼, F·杜纳吉, P·马伊奥利 申请人:皮雷利·卡维系统有限公司