抗御冲击的紧凑型电缆制造技术

本发明专利技术涉及在预定电压等级下使用的电缆，所述电缆包含有：导体；围绕所述导体的绝缘层，所述绝缘层的厚度选择成当电缆工作于所述预定电压等级中包含的标称电压上时，绝缘层能提供出预定的电场应力；包围所述绝缘层的保护单元，其厚度和机械性能选择成能给出预定的冲击抗御能力，又，所述保护单元包含有至少一个膨化型聚合物层。绝缘层厚度和保护单元厚度选择成它们组合一起能在受到５０Ｊ能量的冲击后防止出现可检测到的绝缘层损伤的同时，又使电缆的总重量最小。本发明专利技术还涉及一种设计电缆的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电缆，具体涉及在中压或高压下传输或分配电能的电力电缆。更具体地，本专利技术涉及将高度耐冲击和紧凑性组合在一起设计的电力电缆。在本说明书中，术语“中压”用于指电压值典型地从大约10kV至大约60kV，术语“高压”用于指电压高于60kV(在
内有时也用于指很高的电压，规定为电压高于大约150kV或220kV，甚至为500kV或更高)；术语“低压”指电压低于10kV，典型地大于100V。此外，本描述中，术语“电压等级”是指在相应电压范围(例如，低、中、高压或即LV、MV、HV)内特定的电压值(例如，10kV、20kV、30kV等)。在中压或高压下供电能传输或分配用的电缆通常有一根金属导线，它外面分别包围有第一内半导电层、绝缘层和外半导电层。下面，本说明书对所述预定的序列单元以术语“缆芯”表示。在所述缆芯的径向外周上，对电缆提供一个外罩(或屏蔽)，一般地是用铝、铅或铜加于所述缆芯的径向外周上，金属外罩通常由连贯的管子或金属带构成，按管状形式成形，它通过焊接或包封以确保气密性。所述金属外罩有两个主要功能一方面，借用于阻挡层的介入提供出电缆对外界的气密性，防止水沿径向透入；另一方面，由于金属外罩与所述缆芯外半导电层之间的直接接触使电缆内部产生一个径向均匀电场的电学作用，此时可抵消所述缆芯的外电场。再一个功能在于，它能抗御短路电流。单极性类型的配置中，所述电缆在上述金属外罩的径向外周上最后还有一个聚合物护套。此外，用于功率传输或分配的电缆通常又附加一个或多个薄层，以防护所述电缆外表面遭受可能发生的意外冲击。电缆遭受意外冲击例如可能发生在运输期间，或是地面上挖掘沟槽后的电缆铺设阶段。所述意外冲击可能造成电缆的一系列结构损伤，包括绝缘层变形和绝缘层与半导电层分离等，此类损伤会导致绝缘层的电场应力变动，结果使所述层的绝缘能力下降。市场上当前可供应的电缆，例如用于低压或中压功率传输或分配的电缆，通常具有能抗卸所述冲击的金属铠装以保护所述电缆免受因意外冲击可能造成的损伤。一般地，所述铠装为带状或线状形式(可取地由铜制成)，或者是金属护套形式(可取地由铅或铝制成)。此种电缆结构的一个例子说明于美国专利US Patent 5,153,381中。以本申请人名义提出的欧洲专利European Patent(EP)No981,821中公开了一种电缆，具有一个膨化聚合材料层以赋与所述电缆对意外冲击的高抗御能力，所述膨化型聚合材料层可取地配置于电缆缆芯的径向外周上。所提出的技术方案能避免使用传统的金属铠装，由此减小了电缆重量，产使得生产工艺较容易。European Patent(EP)No981,821没有公开特定电缆缆芯的设计。实际上，是根据已知标准(例如，按照本说明书在下文中将说明的IEC标准60502-2)选择电缆缆芯的构成单元和尺寸规定。按照本专利技术，本申请人注意到，应用特定设计的膨化型材料保护不仅能替代其他类型的保护，而且能采用较小的绝缘层尺寸，由此可得到较紧凑的电缆而不降低其可靠性。并且，用于功率传输或分配的电缆通常有一个或多个层以确保阻挡层效应能堵塞水向电缆内部(也即缆芯)透入。水侵入电缆内部是特别不希望的，如果缺乏合适的设计方案阻塞透水而一旦有水透入时，它在电缆内部将自由流动。就电缆的完整性而言那样是特别有害的，电缆里面会引起腐蚀问题，又在绝缘层电性能的下降上会出现加速老化问题(尤其是绝缘层由交联的聚乙烯构成时)。例如，已知的“水气树形化”现象是由分支结构(“树状”)的微观通道组织形成的，原因在于所施加电压产生的电场与渗透入所述绝缘层内的湿气的联合作用。“水气树形化”现象比如说明于以本申请人名字提出的欧洲专利EP 750,319和EP-814,485内。所以，这意味着，水透入电缆内部时将占据有它在电缆内的位置。并且，一旦水气到达与电缆一个端头上存在电连接的接合处、端点或任何其他设备上时，水气不仅会阻碍电缆实现其功能而且会损伤所述设备，极多情况下会导致在经济方面不可逆的、重大的损失。水透入电缆内部可以通过多种原因发生，尤其是所述电缆为地下装置的一部分时。例如，此类渗透的发生是由于水气简单地漫越过电缆的聚合物护套，或是由于擦伤、意外冲击或啮齿动物咬蚀等导致电缆誓护套裂口甚至破损，这一些对水的侵入电缆内部提供了便捷路径。为解决所述问题，已知有很多方法。例如，可以应用粉状或胶状的憎水性和遇水胀大型的复合物，根据所考虑的电缆类型将复合物放置于电缆内部各种位置处。例如，所述复合物可以放置于金属外罩内的径向位置上，更准确地说放置于电缆缆芯与其金属外罩之间，或是放置于该处的径向外侧，通常使之直接位于聚合物护套的底下，或者在上述两个位置上同时放置。遇水胀大型复合物与水接触时具有体积扩展的特性，由此介入一个阻挡水气自由流通的物理层，可阻止它在纵向和径向上蔓延。以本申请人名字的文件WO 99/33070中，描述了一种安排成与电缆缆芯直接接触的特定膨化型聚合物材料层，其位置直接在电缆金属外罩的底下，它具有预定的半导电性能，目标是确保在导电单元与金属外罩之间具有必需的电连通性。WO 99/33070面临的技术问题在于，电缆在正常使用期间会经受无数次的热循环作用，因而不断地导致机械性的扩张和收缩。所述热循环的产生是由于在每天内输送的电流强度有变动，随之在电缆本身内部发生相应的温度变化，造成电缆内产生径向应力而影响所述诸覆盖层的每一层，由此也影响到电缆的金属外罩。所以，这意味着金属外罩将遭受相关的机械变形，随之在金属外罩与外半导电层之间形成空白的空间，可能生成不均匀的电场，或是甚至随时间的流逝而造成金属外罩本身破损。这个问题的解决是在金属外罩下面插入一个膨化型聚合物材料层，它具有弹性并沿电缆均匀分布能吸收上述径向的膨胀/收缩力，从而防止金属外罩可能的损伤。此外，文件WO 99/33070中公开了在金属外罩底下的所述膨化型聚合物材料内混入进遇水胀大的粉状材料，它能够阻挡湿气和/或小量的水透入电缆内部甚至透入到所述金属外罩的下面。对于下面的描述可以先仔细回顾一下，若电缆上施加同样的电压值，此时在电缆横截面上所述电缆绝缘层的绝缘材料内，当电缆绝缘层厚度减小时将导致横跨在所述绝缘层内的电场应力(电位梯度)增加。所以，要设计好给定电缆的绝缘层，也即确定好尺寸，以使得对于所述给定电缆的应用类型规定出其抗卸电场应力的条件。通常，即使电缆设计上给出的绝缘层厚度大于所需厚度以包括有适当的安全系数，但因电缆外表面上发生的意外冲击会造成绝缘层的永久变形，它降低甚至显著降低冲击区域处对应的绝缘层厚度，由此，当电缆通电时仍可能造成在该处发生电击穿。事实上，通常应用于电缆绝缘层和护套的典型弹性材料在受到冲击变形后只是部分地回复到原来的尺寸和形状。所以，在受到冲击后即使是电缆通电之前已发生弹性恢复，其抗御电场应力的绝缘层厚度也被不可避免地减小。此外，由于金属外罩的位置处于电缆绝缘层的径向外周上，在冲击作用下所述外罩的材料将永久变形，这一点进一步限制了弹性材料变形的弹性恢复，因而绝缘层在恢复其原来的形状和尺寸上受到弹性的制约。结果，由意外冲击造成的电缆变形或者至少一大部分变形在冲击之后将保留，即使冲击本身的原因已除击后该所述变形仍使绝缘层厚度减小，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于预定电压等级的电缆（１），所述电缆包括：－导体（２）；－围绕所述导体（２）的绝缘层（４）；以及－包围住所述绝缘层（４）的保护单元（２０），其厚度和机械性能选择得能提供预定的冲击抗御能力，所述保护单元（２０）包 含有至少一个膨化型聚合物层（２２），其特征在于：－所述绝缘层的厚度使得电缆绝缘层外表面上给出不小于１．０ｋＶ／ｍｍ的电位梯度；以及－所述保护单元厚度可使电缆受到至少２５Ｊ能量的冲击后足以防止有可检测到的绝缘层损伤。

【技术特征摘要】
EP 2002-6-28 PCT/EP02/07167;EP 2002-9-2 02019536.81.一种用于预定电压等级的电缆(1)，所述电缆包括-导体(2)；-围绕所述导体(2)的绝缘层(4)；以及-包围住所述绝缘层(4)的保护单元(20)，其厚度和机械性能选择得能提供预定的冲击抗御能力，所述保护单元(20)包含有至少一个膨化型聚合物层(22)，其特征在于-所述绝缘层的厚度使得电缆绝缘层外表面上给出不小于1.0kV/mm的电位梯度；以及-所述保护单元厚度可使电缆受到至少25J能量的冲击后足以防止有可检测到的绝缘层损伤。2.权利要求1的电缆(1)，其中，所述预定电压等级不高于10kV。3.权利要求1的电缆(1)，其中，所述电位梯度不小于2.5kV/mm，所述冲击至少50J能量。4.权利要求3的电缆(1)，其中，所述预定电压等级在10kV至60kV之间。5.权利要求1的电缆(1)，其中，所述电位梯度不小于2.5kV/mm，所述冲击至少75J能量。6.权利要求5的电缆(1)，其中，所述预定电压等级高于60kV。7.权利要求1的电缆(1)，其中，所述绝缘层厚度比之IEC标准60502-2对于相应电压等级给出的绝缘层厚度至少小20％。8.权利要求1的电缆(1)，其中，所述预定电压等级为10kV，所述绝缘层厚度不高于2.5mm。9.权利要求1的电缆(1)，其中，所述预定电压等级为20kV，所述绝缘层厚度不高于4mm。10.权利要求1的电缆(1)，其中，所述预定电压等级为30kV，所述绝缘层厚度不高于5.5mm。11.权利要求1的电缆(1)，其中，所述导体为实心条。12.权利要求1的电缆(1)，还包括一个围绕所述绝缘层(4)的电外罩(6)，所述电外罩包括金属薄片构成的管形外罩。13.权利要求1的电缆(1)，其中，所述绝缘层厚度的选择上，使得当电缆工作于与所述预定电压等级范围相对应的标称电压下时，绝缘层内的电场应力处在2.5至18kV/mm的数值之间。14.权利要求1的电缆(1)，其中，所述保护单元(20)处于所述绝缘层(4)的径向外周位置上。15.权利要求1的电缆(1)，其中，所述膨化型聚合物层(22)的膨化度在0.35至0.7之间。16.权利要求15的电缆(1)，其中，所述膨化度在0.4至0.6之间。17.权利要求1的电缆(1)，其中，所述膨化型聚合物层(22)的厚度在1至5mm之间。18.权利要求1的电缆(1)，其中，所述膨化型聚合物层(22)的可膨化聚合物材料选择自基于乙烯和/或丙烯的聚烯烃聚合物或共聚物。19.权利要求18的电缆(1)，其中，所述可膨化聚合物材料选择自a)乙烯与烯键式不饱和酯的共聚物，其中，不饱和酯的数量占重量的5％至80％，b)乙烯与至少一种C3-C12α-烯烃和可选的二烯相聚合的弹性共聚物，有下面的组合单元35％-90％克分子的乙烯，10％-65％克分子的α-烯烃，0％-10％克分子的二烯；c)乙烯与至少一种C4-C12α-烯烃和可选的二烯的共聚物，密度在0.86至0.90g/cm3之间；d)改型的聚丙烯与乙烯/C3-C12α-烯烃的共聚物，其中，聚丙烯与乙烯/C3-C12α-烯烃共聚物之间的重量比在90/10与30/70之间。20.权利要求1的电缆(1)，其中，所述保护单元(20)还包括至少一个与所述膨化型聚合物层(22)接合的非膨化型聚合物层(21，23) 。21.权利要求20的电缆(1)，其中，所述至少一个非膨化型聚合物层(21，23)的厚度范围为0.2至1mm。22.权利要求20的电缆(1)，其中，所述至少一个非膨化型聚合物层(21，23)由聚烯烃材料构成。23.权利要求20的电缆(1)，其中，所述保护单元(20)包括第一非膨化型聚合物层(23)，位于所述膨化型聚合物层(22)的径向外周上。24.权利要求20的电缆(1)，其中，所述保护单元(...

【专利技术属性】
技术研发人员：瑟奇奥贝利，法布里奇奥多纳兹，埃博托巴尔吉，西泽比斯勒瑞，卡洛玛林，
申请(专利权)人：皮雷利C有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]