电力电缆的制作方法

本发明涉及电力电缆领域。特别地，本发明涉及一种电力电缆，该电力电缆特别适合于以直流电流(dc)或以交流电流(ac)在高电压(hv)或超高电压(ehv)下运送电流。

背景技术：

用来输送或分配电能的电缆(特别是用于中电压、高电压和超高电压的电缆)典型地包括至少一个电缆芯。每一个电缆芯通常由至少一个导体形成，该至少一个导体由导电金属制成，顺序地由绝缘系统包围，该绝缘系统包括内部半导电层、绝缘层和外部半导电层。如果该电缆用于高或超高电压应用，则电缆芯典型地由屏蔽层包围，该屏蔽层可以由金属或金属和聚合物材料制成。屏蔽层可以呈围绕电缆芯螺旋缠绕的线材(编织物)、带的形式，或者呈围绕至少一个电缆芯缠绕并且具有彼此重叠且焊接或胶合的纵向边缘的金属片材(任选地包覆有聚合物)的形式。

内部半导电层、绝缘层和外部半导电层典型地为聚合物层。

如例如在wo98/52197中公开的，这种聚合物层典型地由基于聚烯烃的交联聚合物(特别是交联聚乙烯(xlpe))或弹性体乙烯/丙烯(epr)或乙烯/丙烯/二烯烃(epdm)交联共聚物制成。在挤出和交联之后，电缆(卷绕在卷轴或卷筒上)必须经受去气步骤，在该去气步骤期间，交联反应产生的并且被俘获在电缆层内的挥发性化学物质被释放。去气时段典型地是长的(达到50天或更长，取决于绝缘系统的厚度)并且代表电缆的制造过程中的等待时段，该等待时段增加生产时间和成本。这个制造步骤对于高电压直流电流(hvdc)电缆是特别关键的，因为可能留在绝缘层中的交联副产物可能引起故障(由于空间电荷积累)。

作为交联聚合物的替代物，电缆的绝缘系统或其一部分可以由热塑性材料(即，在电缆的制造过程期间不交联并且因此不需要去气步骤的材料)制成。在这方面，包括基于与电介质流体均质混合的聚丙烯基体的绝缘系统的至少一层(特别是绝缘层)的电缆(在下面也称为“热塑性电缆”)是已知的并且例如在wo02/03398、wo02/27731、wo04/066318、wo07/048422和wo08/058572中被公开。可用于这种类型的电缆的聚丙烯基体包括聚丙烯均聚物或共聚物或两者，特征在于相对低的结晶度以便为电缆提供合适的柔性，同时在电缆操作和过载温度下保持机械性质和热压阻力。电缆包覆层(特别地绝缘层)的性能也受与聚丙烯基体均质混合的电介质流体的存在影响。

特别地，wo02/03398涉及一种用来输送或分配高电压电能的电缆，其中热塑性材料包括丙烯均聚物或丙烯的共聚物，该丙烯均聚物或丙烯的共聚物具有从30到100j/g的熔融焓，可选地与低结晶度聚合物机械混合，该低结晶度聚合物通常具有小于30j/g的熔融焓。电介质强度测试显示具有56.7j/g的熔融焓的丙烯均聚物的性能略微好于具有32j/g的熔融焓的多相丙烯共聚物。

wo07/048422涉及一种用来输送或分配高电压电能的电缆，其中该热塑性聚合物材料包括按重量至少75％的具有低于25j/g的熔融焓的丙烯共聚物；和按重量等于或小于25％的量的具有高于25j/g的熔融焓的丙烯均聚物或丙烯共聚物；并且覆盖层具有等于或低于40j/g的熔融焓。该测试显示热压阻力可以以减小熔融焓为代价而减小。

日益增长的能量需求需要实现被设计用来支持越来越高的电压和功率水平的电缆。用于超高电压(ehv)的电缆将适合于在大于150kv、高达500kv或更大的电压下输送电流。在这种应用中，电缆绝缘层特别地受到挑战并且将由没有形态缺陷的清洁材料制成以便有效地承受电应力。

为了改善预期用于hv电力输送的热塑性电缆的电性能，包括添加剂已经被提出。wo2013/017916教导将成核剂添加到基于与电介质流体均质混合的热塑性聚合物材料的电绝缘层可以显著减小形成这种形态缺陷的危险。

技术实现要素：

本申请人在递增的电压下对各种热塑性电缆执行测试并且面对一些绝缘系统的故障。

本申请人惊讶地发现，包括基于与电介质流体均质混合的聚丙烯基体的绝缘系统的至少一层的电缆在大于150kv的电压下的电性能与聚丙烯基体的非晶性有关。在不希望束缚于理论的情况下，本申请人观察到具有突出的非晶成分的聚丙烯基体有利地影响包括与电介质流体均质混合的这种基体的绝缘系统在高电压下的电性能。

因此，本发明涉及一种具有绝缘系统的电力电缆，该绝缘系统包括由热塑性材料制成的至少一层，该热塑性材料基于与电介质流体混合的聚丙烯基体，该热塑性材料具有从15j/g到50j/g的熔融焓并且该聚丙烯基体由选自以下的材料制成：具有从15j/g到50j/g的熔融焓的异相乙烯丙烯共聚物(a)；或异相乙烯丙烯共聚物(a)与具有大于50j/g的熔融焓的丙烯均聚物或乙烯丙烯共聚物(b)的均质混合物。

本发明的电缆特别适合于在高电压或超高电压下进行电流输送。

在本说明书和权利要求中，高电压意指从30kv到150kv的电压，而超高电压意指大于150kv的电压。

本发明的电缆的绝缘系统包括内部半导电层、绝缘层和外部半导电层。这些层的至少一个由根据本发明的热塑性材料制成，优选地是绝缘层。更优选地，绝缘系统的所有三个层由根据本发明的热塑性材料制成。

在本说明书和权利要求中，“熔融焓”意指用来熔融(分解)晶格所需的热能(表达为j/g)。它如例如在iso11357-1:1997中公开的通过积分由熔融峰和熔融峰之前和之后的基线限定的区域通过dsc(差示扫描量热法)被计算。

在本说明书中，“非晶性”意指聚合物中的非晶态弹性体相或区域相对于晶体含量的量。聚合物非晶性通过量化与聚合物熔融关联的热而通过dsc被确定。通过将观察到的熔解热标准化到同一聚合物的100％晶体样品的熔解热，而将这种热报告为百分比结晶度(http://www.tainstruments.co.jp/application/pdf/thermal_library/applications_biefs/ta123.pdf)。

非晶成分的量可以由热塑性材料的熔融焓表达，该热塑性材料的熔融焓主要由聚丙烯(pp)基体的熔融焓确定。低的熔融焓(即，分解晶格所需的较少能量)指示较高量的非晶成分，并且反之亦然。

如下面将示出的，当在交流电流(ac)中在大于150kv的电压和10kv/mm的电梯度下被测试时，由具有大于50j/g的熔融焓的热塑性材料制成的绝缘系统层具有显著的局部放电现象。另一方面，由具有低于15j/g的熔融焓的热塑性材料制成的绝缘系统层具有差的机械和热机械性质。

优选地，该热塑性材料具有从20j/g到45j/g的熔融焓。

在本说明书和权利要求中，“异相共聚物”意指其中弹性体域散布在聚合物基体中的共聚物。优选地，本发明的异相共聚物具有作为散布在丙烯共聚物基体中的弹性体域的乙烯丙烯弹性体(epr)。

有利地，该异相乙烯丙烯共聚物(a)包括弹性体相，该弹性体相的量占该共聚物的总重量的45wt％到85wt％。

优选地，该异相乙烯丙烯共聚物(a)具有从20j/g到45j/g的熔融焓。

优选地，该丙烯均聚物或该乙烯丙烯共聚物(b)具有大于60j/g的熔融焓。

该乙烯丙烯共聚物(b)可以是异相的或随机的，后者是优选的。

在本说明书和权利要求中，“随机共聚物”意指其中共聚单体沿聚合物链随机分布的共聚物。

优选地，根据iso1133-99，热塑性材料在2.16kg/230℃的情况下具有从0.4g/10m到5g/10m的熔融指数。

优选地，该热塑性材料具有根据astmd790-10测量的从80mpa到400mpa的弯曲模量。

有利地，该热塑性材料具有大于140℃的熔融峰。在ehv应用的情况中，这个熔融峰优选地大于150℃。该熔融峰可以如例如在iso11357-1:1997中公开地被计算。

当本发明的电缆的热塑性材料由共聚物(a)与均聚物或共聚物(b)的均质混合物制成时，两种聚合物成分之间的比率取决于它们的比熔融焓和将获得的热塑性材料的熔融焓。

有利地，本发明的电缆的热塑性材料包括从1wt％到10wt％的电介质流体，优选地从3wt％到7wt％的电介质流体。

电介质流体能影响热塑性材料的熔融焓，但程度较小。以上面指示的量的电介质流体的添加可以增加热塑性材料的熔融焓(基本上从0到10j/g)。

用于本发明的电缆的合适电介质流体例如在wo02/03398、wo02/27731、wo04/066318和wo08/058572中被描述。

有利地，电介质流体具有预定的粘度以便防止液体在绝缘层内的快速扩散并且因此防止其向外迁移，以及使电介质流体能够被容易地供给且混合到热塑性聚合物材料中。通常，本发明的电介质流体在40℃具有从10cst到800cst，优选地从20cst到500cst(根据astm标准d445-03被测量)的粘度。

合适电介质流体的例子是单环的或多环的(浓缩的或没有浓缩的)芳香油及其混合物，其中芳香剂或基团可以由至少一个烷基c1-c20取代。当两个或更多个环状基团存在时，这种基团可以通过烯基c1-c5被链接。

例如，电介质流体包括具有结构式(i)的至少一个烷基芳基烃：

其中：

相等的或不同的r1、r2、r3和r4是氢或甲基；

相等的或不同的n1和n2是0、1或2，条件是总和n1+n2小于或等于3。

在另一例子中，电介质流体包括具有以下结构式(ii)的至少一个二苯醚：

其中r5和r6是相等的或不同的并且代表氢、被至少一个烷基取代或未取代的苯基、或被至少一个苯基取代或未取代的烷基。烷基意指线性的或分支的c1-c24，优选地c1-c20烃基。

根据本发明的电介质流体可以具有大于或等于0.3的芳香碳原子的数量对碳原子的总数量的比率(下面也称为car/ctot)。更优选地，car/ctot小于1。芳香碳原子的数量预期是为芳香环的一部分的碳原子的数量。芳香碳原子的数量相对于碳原子的总数量的比率可以根据astm标准d3238-95(2000)e1被确定。

为了本描述和所附权利要求的目的，表述“一”或“一个”用于描述本发明的元件和成分。这样做仅仅是为了方便并且给出本发明的一般含义。本说明书和权利要求应当被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非它明显地具有另外含义。

为了本说明书和所附权利要求的目的，除了另外指示的情况外，表达总量、数量、百分比等等的所有附图标记要被理解为在所有情况下由术语“大约”修饰。而且，所有范围包括公开的最大和最小点的组合，并且包括其中的任何中间范围，该中间范围可以是或不是在这里被具体列举的中间范围。

附图说明

根据下面参考附图给出的详细描述，进一步的特性将是明了的，其中：

图1是根据本发明的电缆的透视图。

具体实施方式

图1示出适合于输送高电压或超高电压电流的根据本发明的电缆(10)。电缆(10)是单芯电缆，该单芯电缆包括导体(11)，该导体顺序地由内层半导电层(12)、绝缘层(13)和外部半导电层(14)包围，这三个层构成绝缘系统。

外部半导电层(14)被金属屏蔽(15)包围，而该金属屏蔽被金属防水层(17)包围。在金属屏蔽(15)和金属防水层(17)之间，插入具有缓冲性质和/或吸水性质(优选地)的半导电带(16)。

外部护套(18)是最外层。

导体(11)通常由金属导线制成，该金属导线优选地为通过常规方法绞合在一起的铜或铝，或者为实心铝或铜棒。根据如前面限定的本发明，绝缘层(13)、内部半导体层(12)和外部半导电层(14)中的至少一个由热塑性材料制成。

金属屏蔽(15)通常由螺旋状缠绕的导电电线或带制成，而金属防水层(17)通常由铝或铜制成，优选地呈围绕金属屏蔽(15)纵向缠绕的薄片的形式。

外部护套(18)通常由热塑性聚乙烯制成，例如高密度聚乙烯(hdpe)或中等密度聚乙烯(mdpe)。有利地，外部护套(18)可以由具有低烟无卤性质的材料制成。

图1示出根据本发明的电缆的仅仅一个实施例。根据特别技术需要和应用要求可以对这个实施例作出合适的修改而不偏离本发明的范围。

根据本发明的热塑性材料的一层或多层可以根据已知方法，例如通过挤出被制造。该挤出有利地在单个过程中被执行，例如通过其中各个挤出机串联布置的串联方法或者借助多个挤出头通过共挤出被执行。

具有图1的电缆(10)的设计的三个样品电缆被制造。该样品电缆为500m长，具有由铜绞合线制成的一个导体和1000mm²的导体横截面积。该屏蔽由铝带制成，该铝带被夹在两个吸水膨胀的带之间。整体被呈纵向折叠的薄片形式的铝防水层包围。所有样品电缆的外部护套由hdpe制成。

三个样品电缆具有如表1中阐明的由热塑性材料制成的绝缘层和大约17mm的厚度。所有三个样品电缆具有由包含二苄基甲苯(6wt％)和导电炭黑(30wt％)的混合物hpp/rpp70:30制成的内部半导电层和外部半导电层。

表1

*对比物

hpp：具有23j/g的熔融焓和大约70wt％的弹性体相的异相乙烯丙烯共聚物；

rpp：具有78j/g的熔融焓的随机乙烯丙烯共聚物；

二苄基甲苯：car/ctot＝0.86

环烷油：3wt％芳香碳原子、41wt％环烷碳原子、56wt％石蜡碳原子和0.1wt％极性化合物；car/ctot<0.04。

该三个样品电缆在交流电流(ac)下以递增的电压和电梯度被测试。特别地，根据本发明的样品电缆s1和s2成功地通过高达260kv(21kv/mm)的工频电压测试，显示在这个电压下低于2pc的局部放电水平。当以422kv(34.2kv/mm)被测试时，样品电缆s1和s2还没有被击穿。

对比样品电缆s3在相同的测试条件下显示递增的局部放电水平(在130kv和10kv/mm下在5分钟之后60pc；在200kv和16.2kv/mm下在5分钟之后45pc)，然后在260kv(21kv/mm)在2分钟之后击穿。

根据本发明的另一样品电缆s1在直流电流(dc)下被测试。50m的样品经受500kv(30kv/mm)、550kv(33kv/mm)和600kv(36kv/mm)的电压，每一个电压持续五个循环。导体温度为70-75℃。击穿和飞弧都没有发生。没有热不稳定或在长期测试期间可导致电或热降解的任何其它现象的证据。

而且，对比电缆s3的另一例子在dc下被测试。60m的样品在上面公开的相同条件下经受多个电压。导体温度为70-75℃。在从500kv爬升(100kv/10min)到550kv期间(近似在530kv)，被测试的样品击穿。

通过sem显微镜检查的形态调查在样品电缆s3的绝缘层上被执行。结果指示观察到的聚丙烯基体中(并且不在电介质流体中)的基体成分之间的粘结力的缺乏。特别地，结合力的缺乏涉及弹性非晶相(主要由异相共聚物(a)提供)和晶相(主要由随机共聚物(b)提供)，并且导致微腔和微裂纹。

类似的sem显微镜检查在根据本发明的样品电缆s1的绝缘材料上被执行并且基本上没有检测到该绝缘材料的非晶相和晶相之间的微裂缝。

根据本发明的绝缘系统的至少一层由热塑性材料制成的电缆被显示在超高电压下高效地工作。