陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆及单线铜导体制造方法与流程

本发明涉及电力传输和电线电缆工业技术领域，具体涉及一种陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆设计与制造技术，以及减小导体中涡流损耗的方法。

背景技术

高压交流电缆在使用中会产生“肌肤效应”和“邻近效应”，其理论解释为：对于交变电流，导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。以圆形截面的导体为例：愈靠近导体中心处，产生的自感电动势愈大；愈靠近表面处则不受其影响，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加，趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。当工频(50hz)电流通过导线时，电流只在导体表面上很薄的一层中流过，载流等效截面减小，电阻增大，同时在导体内部产生涡流发热，造成能量损耗增大(约占载流量的10-15％左右)。该物理现象一直是电线电缆行业难以解决的技术难题，一般选择的设计理念是导体绝缘隔离的电缆结构。既有公开的专利申请号cn200131053240x、cn201410678887x、cn201410678950x、cn201410684864x、cn2014107092413、cn2014107662262、cn2014207249063等，提出的具体措施可分为七类：(1)绝缘隔水带；(2)绝缘隔水膏；(3)绝缘皱纹纸；(4)半导体屏蔽无纺布；(5)硫化橡胶；(6)绝缘粘接胶；(7)氧化单线铜导体(未说明导体氧化措施)等，普遍认为解决了降低肌肤效应便可以提高电缆的载流量，都忽视了降低高压电缆内部导体的涡流电能损耗技术问题。这些隔离导体的方法在大截面高压电缆生产中不可避免地出现如下技术问题：

1)高压电缆在生产线上很容易挤破绝缘隔离层，造成电缆成品率下降；

2)绝缘隔离层太厚，造成电缆的成型尺寸过大，不符合既有相关技术标准要求；

3)纸质与纺织类隔离层容易受潮，造成电缆内部局部击穿；

4)每束形成扇形截面导体挤压成束后包覆绝缘层，其内部无法实现绝缘隔离，产生涡流现象没有得到治理；

5)导体表面铜氧化层厚度不均，部分导体相邻面在生产中挤压破了，失去了隔离作用。

查询技术信息得知，m.takaoka等人，在1980年的ieeetransactiononpowerapparatusandsystems,(vol.pas-99,no.3may/june)发表了“developmentofflexablejointforlargecapacitysubmarineo.f.cable”论文，提出：针对500kv电缆，利用化学制剂亚氯酸钠和碱(nacio2、naoh)将成型线束表面氧化，实现降低交流输电的肌肤效应，提高电缆载流量。而且在1983年wirejournalinternationalvol.16，issue10发表的“manufacturingsegmentalconductorswithcupricoxidefilm-insulatedstrands”论文中也提到了该技术。之后又有us4325750、us4411710、us4571453、us5094703等专利申请，均公开了该类技术。在外观上看，成束导体进行表面氧化处理可以实现绝缘隔离的作用，但实际上每束线束内部未必能够形成充分绝缘隔离，因此涡流的产生必然在消耗电能。

输变电技术行业内普遍认为，提高导体(电缆)的载流量，其措施不仅仅是需要将线束表层导体绝缘降低肌肤效应，还应维持线束内导体绝缘减少涡流损耗，还应有合理的与适应生产工艺条件的电缆结构设计。目前电线电缆行业该类技术核心问题有：

1)无法避免电缆的“肌肤效应”，特别是较大直径与截面的交流高压电缆，由此产生在导体内涡流耗能也无法避免，如何降低涡流损耗。

2)电缆生产中存在提高线束密实填充系数的扇形截面成型的挤压过程。如何维持导体绝缘隔离层不被破损。

3)电缆生产中高温加热必须维持在单线导体不被软化变形的温度下。如何形成导体绝缘隔离层。

如何解决上述技术问题，实现降低高压交流电缆的电能涡流损耗，寻求合适的导体绝缘隔离措施便是本发明的需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆及单线铜导体制造方法，减小导体中涡流损耗措施。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆，包括多股扇形截面线束导体、绕包线束导体的半导体带绕包层、包覆半导体带绕包层的交联绝缘层、绕包交联绝缘层的半导体缓冲阻水带绕包层、包覆半导体缓冲阻水带绕包层的铝护套、包覆铝护套的沥青防腐层、包覆沥青防腐层的外护套层，所述线束导体包括若干单线铜导体，所述单线铜导体表面设有金属氧化物陶瓷层。

优选的，所述金属氧化物陶瓷层的成分包括氧化铜、氧化镁、氧化钠、氧化钙，以及氧化镍。

优选的，所述金属氧化物陶瓷层厚度在0.20mm至0.65mm范围内。

优选的，所述金属氧化物陶瓷层与单线铜导体的电阻在数值上相差10¹¹。

本发明采用上述技术方案，使用陶瓷化处理方法在单线铜导体表面形成金属氧化物陶瓷层，利用陶瓷层与纯铜导体的电阻差作为导体线束内部涡流绝缘层，将每根单线铜导体绝缘，充分隔离了涡流在导体内部的流通，抑制了涡流损耗，从而减小了较大直径与截面的交流高压电缆的“肌肤效应”。

本发明还提供了一种陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆单线铜导体制造方法，在单线铜导体达到高压电缆产品所需的单线直径，然后加热到退火温度后，穿进陶瓷化反应管内，在反应管侧面设置了若干管接头，通过管接头以压力吹入的方式向反应管内添加纳米级粉末与浆液，纳米级粉末与浆液在反应管中进行化学反应，遇到被加热的单线铜导体表面形成金属氧化物陶瓷层，其中，纳米级粉末与浆液包括水蒸气、氧化钠、氯化钠、氢氧化钠、硫酸钙、氧化镁，以及管壁的氧化镍。

本发明采用上述技术方案，使用陶瓷化处理方法在单线铜导体表面形成金属氧化物陶瓷层，金属氧化物陶瓷层在水洗过程中不可能被去除，可以作为线束绞制过程中单线之间的固体润滑剂，实现保护内层陶瓷化绝缘的目的，因此能兼顾经铜导体表面陶瓷化绝缘处理后的金属氧化物陶瓷层不被破坏，为导体全部充分隔离的高压电缆结构的实现奠定了基础。

优选的，所述陶瓷化反应管是镍基金属管。

优选的，所述陶瓷化反应管竖向设置，所述陶瓷化反应管的上部设有单线出口整形模，起到金属氧化物陶瓷层的压圆整形作用。

优选的，所述陶瓷化反应管的下部设有使未反应的陶瓷泥浆流出的陶瓷泥浆流出口。

优选的，单线铜导体通过单线导向轮穿进陶瓷化反应管内，所述单线导向轮为导电接触导向轮，在单线铜导体的导电接触导向轮之间施加50vdc，大于2000a的大电流。

优选的，通过导电接触导向轮将单线铜导体加热到550℃～600℃退火温度范围。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为单线铜导体表面包覆金属氧化物陶瓷层的示意图；

图2为单线铜导体表面陶瓷化处理过程示意图；

图3为导体出线口的氧化物陶瓷层压实方式示意图；

图4为陶瓷泥浆流出口的陶瓷泥浆流出示意图；

图5为由圆形绞线整形为扇形线束示意图；

图6为陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆的结构示意图。

图中：1—铜导体；2—氧化铜(cuo)；3—氧化镁(mgo)；4—氧化钙(cao)；5—氧化钠(nao)；6—氧化镍(nio)；7—单线铜导体运动方向；8—陶瓷化反应管；9—导体加热电源；10—导电接触导向轮；11—单线出口整形模；12—水蒸气(air+h2o)；13—氧化钠(nao)；14—氯化钠(nacl)；15—氢氧化钠(naoh)；16—硫酸钙(生石膏caso42h2o)；17—氧化镁(mgo)；18—陶瓷泥浆流出口；19—金属氧化物陶瓷层；20—陶瓷整形模；21—氧化物陶瓷粉浆；22—半导体绕包带层；23—交联绝缘层；24—半导体缓冲阻水带层；25—铝护套；26—沥青防腐层；27—外交联绝缘层。

具体实施方式

实施例一，参考图1所示，一种单线铜导体1，所述单线铜导体1表面设有金属氧化物陶瓷层。

其中，所述金属氧化物陶瓷层的成分包括氧化铜2、氧化镁3、氧化钙4、氧化钠5、氧化镍6。通过水蒸气(air+h2o)、氧化钠(nao)、氯化钠(nacl)、氢氧化钠(naoh)、硫酸钙(生石膏caso42h2o)、氧化镁(mgo)等纳米级粉末与浆液与炽热的退火状态(550℃～600℃)的铜导体表面接触，瞬间便会形成致密的金属氧化物陶瓷层，并掺杂着氧化镁(mgo)，氧化钙(cao)，氧化钠(nao)，氧化镍(nio)等金属氧化物陶瓷粉末。

本领域普通技术人员会联想到：陶瓷材料必然会烧结成块的整体结构，其实不然，陶瓷材料可以是粉末状的混合物，而部分金属氧化物会与金属牢固结合形成绝缘层。在这其中氧化铜便会以纳米级的结构贴敷在单线铜导体表面，在其外面贴敷着其他金属氧化物，这些金属氧化物在水洗过程中不可能被去除，可以作为线束绞制过程中单线之间的润滑粉，实现保护内层陶瓷化绝缘的目的。

利用该种氧化物陶瓷绝缘铜导体生产的高压交流电缆可以实现：降低电缆使用过程中10％的涡流电能损耗，降低电缆“肌肤效应”提高了传输电能效率，维持电缆生产中单线绝缘层不被破坏，降低了生产成本。

所述金属氧化物陶瓷层厚度在0.20mm至0.65mm范围内，具备与铜导体良好的结合和随导体变形的抗变形(模具挤压)塑性，以及与铜导体电阻在数值上相差10¹¹的电阻。单线表面陶瓷化绝缘的厚度要求是高压电缆结构设计的要求，太厚会增大高压电缆的外径，太薄会影响绝缘效果。

单线导体表面存在一层金属氧化物陶瓷层，利用陶瓷层与纯铜导体的电阻差10¹¹作为导体线束内部涡流绝缘层。这是一个普通的物理现象，然而在电线电缆技术行业很多单线表面绝缘层生产技术，是否能够适应高压交联电缆的生产工艺、设计结构要求、工程应用所约束的技术要求等确实是件难事。不是单线在成束过程中绝缘层破裂，就是太厚影响了电缆结构，再就是受潮影响了绝缘效果。因此，单线铜导体的制造方法对于避免金属氧化物陶瓷层破裂脱落、以及避免厚度过大非常重要。

实施例二，参考图2至图4所示，鉴于单线铜导体的制造方法对表面金属氧化物陶瓷层性能的重要影响，本发明提供了一种陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆单线铜导体制造方法，在单线铜导体达到高压电缆产品所需的单线直径后并加热后，按照单线铜导体运动方向7，穿进陶瓷化反应管8内，在反应管侧面设置了若干管接头，通过管接头以压力吹入的方式向反应管内添加纳米级粉末与浆液，在陶瓷化反应管8内这些材料遇到炽热的铜导体表面会同时发生氧化与还原的化学反应。有些是急剧的技术氧化过程，掺杂着金属氧化物的夹杂，有的是缓解反应速度维持铜导体表面不被侵蚀，最终形成金属氧化物陶瓷层19。

其中，纳米级粉末与浆液包括水蒸气(air+h2o)12、氧化钠(nao)13、氯化钠(nacl)14、氢氧化钠(naoh)15、硫酸钙(生石膏caso42h2o)16、氧化镁(mgo)17。

其中，所述陶瓷化反应管8是镍基金属管。由于采用镍基金属管，所以金属氧化物陶瓷层会包含有少量的氧化镍。

所述陶瓷化反应管8竖向设置，所述陶瓷化反应管的上部设有单线出口整形模11。所述陶瓷化反应管的下部设有陶瓷泥浆流出口18。单线出口整形模11中镶嵌着陶瓷整形模20，去除多余陶瓷粉末，起到压圆整金属氧化物陶瓷层的作用。陶瓷泥浆流出口可以使氧化物陶瓷粉浆21流出，这些氧化物陶瓷粉浆21可以循环使用，在空气压力下再次吹入陶瓷化反应管8内参与化学反应。

上述的陶瓷化反应装置融合在铜拉丝机的连续退火装置内，单线铜导体通过单线导向轮穿进陶瓷化反应管内，适应收线速度，约20m/s。

在本实施例中，单线导向轮为导电接触导向轮10，导电接触导向轮10连接导体加热电源9，通过导体加热电源9在单线的导电接触导向轮10之间施加50vdc，约2000～2500a大电流，电流施加的大小视导体温度而定。其加热在550℃～600℃退火温度范围。在该退火温度下单线铜导体会呈现“软”状态，但还不会失去基本抗拉强度，因此配上合适的收线张力完全能够适应铜拉丝机设备的工况。

铜导体单线经过水洗后，在拉丝机收线前已经被烘干。实际上该工艺过程是铜拉丝机上连续退火后的快速冷却，单线经过水槽冷却后不会影响陶瓷化绝缘层的贴敷性能，将多余的碱性物质去除。

实施例二，参考图6所示，陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆，包括多股扇形截面线束导体、绕包线束导体的半导体带绕包层22、包覆半导体带绕包层的交联绝缘层23、绕包交联绝缘层的半导体缓冲阻水带绕包层24、包覆半导体缓冲阻水带绕包层的铝护套25、包覆铝护套的沥青防腐层26、包覆沥青防腐层的外护套层27。

上述的陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆截面在1000-2500mm²，

如图5所示，经陶瓷化绝缘处理的单线铜导体1绞制成圆形绞线过程中可适当控制绞线机的张力与压轮压力，维持陶瓷绝缘层不被破坏。随后经过多道整形模(或压轮)形成扇形截面绞线，在此过程中整形模的道数应适当增加，以减小变形压力对单线铜导体表面陶瓷化绝缘层的破坏。随后进入成缆机绞制出交联高压电缆所需的导体结构，在这过程中可能会有局部大陶瓷化绝缘层破裂，但不影响电缆导体整体的分体绝缘隔离的效果。

按照普通的交联高压电缆的生产工艺，使用陶瓷化绝缘分隔导体没有受约束的技术难点，收线在导体外表面绕包上半导体带，然后进行交联层的生产工艺过程，形成交联绝缘层。其后是半导体缓冲阻水带绕包，便直接送入comform挤铝机中形成直管铝护套。这样的直管铝护套在平衡电缆的局部电容参数上有卓越的效果，可以避免高压电缆的局部放电破坏。随后涂上沥青防腐层，再外层形成外护套层，由此生产出陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆。整个生产线为连续的，尽在铜导体生产环节中独立进行。

除了单线导体表面的陶瓷化绝缘处理外，其余结构均为电线电缆技术行业惯用的技术手段，由此维持着本发明的技术基础。

表1：普通导体表面与经表面陶瓷化处理导体相同截面电缆的实验结果

如表1所列，本发明所公开的陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆与相同截面与规格的普通高压电缆的实验结果表明：在相同的实验条件下其温升会有8％左右的降低，换算的载流量会有8％左右的提高。这就意味这本发明所提出的技术内容确实可以降低高压电缆中涡流损耗的电能，这是一个呈亿万级节省电能传输过程中电能损耗经济效益的举措。

本发明还提供了上述陶瓷化绝缘分隔导体高压电缆的降低导体中涡流损耗方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，使用中性，或碱性润滑液在单线铜导体达到高压电缆产品所需的单线直径后，通过单线导轮穿进所述特殊的陶瓷化设备反应管内，在单线两端张紧轮之间施加50vdc2000a左右的大电流加热单线。电流的大小视单线导体的退火温度而定；

步骤2，向反应管内以1.2bar的压力吹入水蒸气(air+h2o)、氧化钠(nao)、氯化钠(nacl)、氢氧化钠(naoh)、硫酸钙(生石膏caso42h2o)、氧化镁(mgo)等纳米级粉末与浆液。凡是呈固体状的材料均经过预先碾磨，形成1200目以上尺寸的粉末；

步骤3，经反应管内单线表面陶瓷化绝缘处理后，经导向轮进入水洗槽，洗后的单线铜导体表面呈黑色无光泽状态，直接进入收线机。此时应适当控制收线张力，不得使已经“退火”软化的单线铜导体变形，破会表面陶瓷化绝缘层；

步骤4，使用陶瓷化绝缘处理的单线铜导体进行线束绞制，在绞线机的成型模具上做适当调整，维持单线较小变形，特别是由圆形至扇形的形状过度方式中对线束的压力适当；

步骤5，将扇形线束进行电缆结构的绞制，形成高压电缆结构要求的导体部分，随后进行交联高压电缆的通用生产工艺，制造出陶瓷化绝缘分隔导体电缆。

上述工艺生产成本低，工艺容易掌握。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。