CN112189241B - 带有耐疲劳防水屏障的高压电力电缆 - Google Patents

Abstract

电力电缆(105；205)包括被绝缘的导体(110，210)；包围每个被绝缘的导体(110，210)以具有焊接线(141，241)的管形式的铜防水屏障(140；240)；以及包围每个铜防水屏障(140；240)的聚合物护套(150；250)。铜防水屏障(140；240)具有厚度并且聚合物护套(150；250)具有厚度，使得铜防水屏障(140；240)的厚度与聚合物护套(150；250)的厚度之间的比率最多为0.15。

Description

带有耐疲劳防水屏障的高压电力电缆

技术领域

本公开一般而言涉及电力电缆，特别地(但是不限于)涉及高压(HV)电力电缆，甚至更特别地(但不限于)涉及用于水下或地下部署的高压电力电缆。

背景技术

电力电缆，特别是高压电力电缆，通常包括一个或多个被绝缘的导体(用于单相电力传输的一个被绝缘的导体，用于三相电力传输的三个被绝缘的导体)。具有一个被绝缘的导体的电缆也称为“单芯”电缆，而具有一个以上被绝缘的导体的电缆也称为“多芯”电缆；例如，具有三个被绝缘的导体的电缆称为“3芯”电缆。“被绝缘的导体”是指由绝缘系统包围的电导体，该绝缘系统包括：包围导体的内部半导电层、包围内部半导电层的绝缘层，以及包围绝缘层的外部半导电层。可以设有金属屏蔽罩(metal screen)以共同包围每个被绝缘的导体或所有被绝缘的导体。可以提供例如金属线或金属带的护甲(armour)以包围每个被绝缘的导体或多个被绝缘的导体，从而提供抗拉应力。

当电力电缆要被安装在潮湿或潜在潮湿的环境中(例如，地下或水下)时，应保护电缆的(一个或多个)被绝缘的导体免受可能导致电击穿的潮湿或渗水。为此，用于水下或地下部署的电力电缆通常包括防潮/防水屏障，其可以设在每个被绝缘的导体周围和/或被绝缘的导体束周围，以防止或至少减少水进入和/或沿着电缆蔓延。

为简洁起见在下文中称为“防水屏障”的防潮/防水屏障在电缆的生产、安装和使用期间还可以具有抗机械应力的功能。

防水屏障通常由金属制成，特别是可以由铝、铅或铜制成。铜被认为是优选的，其比铅更轻并且更不易腐蚀。

防水屏障可以是具有折叠的和胶合的边缘或焊接的边缘的纵向折叠片的形式。与挤压铅制防水屏障相比，纵向折叠片形式的铜或铝防水屏障减少了电缆的重量和直径、提高了电缆的抗拉并实现了更长的输送长度，这进而可以减少链接中的接头数量。所有这些都对降低使用电力电缆的系统的成本具有重大影响。

形成防水屏障的金属片可以具有光滑或波纹状的表面，这取决于例如电缆的预期用途。特别地，电力电缆可以部署为铺设在例如固定点之间的海床等表面上的静止电缆，或者也可以部署为动态电缆，其至少一部分垂直淹没，从而有可能暴露于海水的运动，例如海流/洋流和/或风引起的运动。在动态电缆的情况下，与具有光滑表面的防水屏障相比，具有波纹表面的防水屏障确保电缆具有足够的柔性。

防水屏障通常被聚合的、可选地半导电的(取决于应用)护套覆盖。护套保护防水屏障，并且如果是半导电的，那么还可以提供电压均衡。

US 9,058,917涉及一种海底电力电缆，该海底电力电缆包括被绝缘体包围的电导体，所述绝缘体被金属防潮屏障包围，半导电粘合剂层包围所述金属防潮层并且半导电聚合物外套包围所述半导电粘合剂层。金属防潮屏障由铜形成。金属防潮屏障的设计是焊接管。在实施例中，使用厚度为0.8mm的铜管，并且半导电聚乙烯材料的外套的厚度为5mm。

US 4,256,921涉及用于电力传输和分配的地下电缆。该电缆包括常规的聚烯烃绝缘电缆芯，该电缆芯被复合外套包围。该复合外套包括金属防潮屏障，该金属防潮屏障夹在外套的内部和外部之间。防潮屏障可以由厚度足以满足耐疲劳性要求的铜片形成。粘合剂塑料材料层施加到该金属片的至少一侧。(一个或多个)粘合剂层可以由炭黑颗粒组成。内部和/或外部可以由半导体制成。

WO 2017/036506涉及包括包围绝缘系统的防潮屏障的高压电力传输电缆。防潮屏障包括第一层和第二层。第一层是与绝缘系统直接接触的挤压塑料材料层。第二层是与第一层接触的金属材料层，诸如铜。第一层包含疏脂聚合物并且是半导电的。第二层可以是波纹状或非波纹状的焊接金属层。

发明内容

申请人已观察到，已知的电力电缆具有防水屏障，其不能确保足够的抗疲劳性和抗弯曲性。

申请人已观察到，对于静态和动态高压电力电缆，都需要改善防水屏障的疲劳强度，特别是以具有焊接边缘的折叠箔的形式制成的铜。特别地，在以焊接管形式的防水屏障的情况下，寻求改善抗弯曲性以避免焊接损伤。

申请人已解决设计电力电缆的问题，特别是用于高压电力传输并且甚至更特别地用于水下或地下部署的电力电缆，其具有更耐疲劳和弯曲的防水屏障。

申请人已经发现，包围防水屏障的护套不能为防水屏障提供适当的机械保护，相反，护套会损坏防水屏障，这会起皱，尤其是在电缆弯曲时。

申请人已经在电力电缆的设计中找到一种解决方案，该解决方案确保防水屏障具有期望的抗疲劳性和抗弯曲性，从而防止电缆中潮湿/水渗透。

根据本公开，提供了一种电力电缆，其包括包围每个被绝缘的导体的焊接管形式的铜制防水屏障和包围防水屏障的聚合物的、可选地半导电的护套，其中铜屏障的厚度相对于护套的厚度减小。特别地，铜屏障厚度与护套厚度之间的比率等于或小于0.15。

铜防水屏障厚度的这种减小使得护套能够更好地保护金属层，金属层进而维持其防水屏障特性以及抗疲劳和抗弯曲性。

本公开涉及一种电力电缆，其包括被绝缘的导体；包围每个被绝缘的导体的以具有焊接线的管形式的铜防水屏障；以及包围每个铜防水屏障的聚合物护套。防水屏障具有厚度并且聚合物护套具有厚度，使得铜防水屏障的厚度与聚合物护套的厚度之间的比率最多为0.15。

在本公开的电缆的实施例中，铜防水屏障的厚度和聚合物护套的厚度使得防水屏障的厚度与聚合物护套的厚度之间的比率最多为0.12。

铜防水屏障的厚度可以在0.2mm至1.0mm的范围内。

聚合物护套的厚度可以在3mm至7mm的范围内，例如在4mm至6mm的范围内。

在本发明的电缆的实施例中，粘合剂层被插入在铜防水屏障和护套之间并与之直接接触。

在本公开的电缆的实施例中，粘合剂层和聚合物护套是半导电层。

在本公开的电缆的另一个实施例中，垫层(cushion layer)可以设在径向内部位置并与铜防水屏障直接接触。

在本公开的电缆的实施例中，垫层由吸湿和半导电材料制成。

在本公开的电缆的实施例中，垫层包括至少一个铜层。

在本说明书和权利要求书中，“高压”是指约30KV至300KV或更高的电压。

为了本说明书和所附权利要求的目的，除非另有说明，否则在所有情况下，表示量、数量、百分比等的所有数字应理解为由术语“约”修饰。而且，所有范围包括所公开的最大和最小点的任何组合，并且包括其中的任何中间范围，在本文中可能或可能没有具体列举。

为了本说明书和所附权利要求书的目的，词语“一”或“一个”应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非显然另有所指。这样做仅仅是为了方便并给出本发明的一般意义。

附图说明

通过阅读本公开的实施例的以下详细描述，根据本公开的解决方案的这些和其它特征以及优点将更加清楚，这些详细描述仅作为参考附图提供的非限制性示例，其中：

图1以透视图示意性地示出了根据本公开的实施例的单芯电力电缆；

图2以透视图示意性地示出了根据本公开的实施例的3芯电力电缆。

具体实施方式

图1以透视图示意性地示出了根据本公开的实施例的单芯电力电缆105。

电缆105从其中心轴线A朝周边径向连续地包括被绝缘的导体110(其包括电导体115)、内部半导电层120、绝缘层125和外部半导电层130。

可以在被绝缘的导体110周围设有垫层135。垫层135可以由吸湿和半导电材料制成。垫层135可以是若干层的夹心结构(sandwich)，如稍后将更详细描述的。

被绝缘的导体110被铜防水屏障140包围。在本实施例中，存在垫层135。当存在垫层135时，防水屏障140与垫层135直接接触。

垫层135可以是一层或多层吸湿的半导电带层的形式，其螺旋地或纵向地缠绕在被绝缘的导体110周围，有或没有重叠。每个所述带可以具有约1.0mm至约2.0mm的厚度。另外，垫层135可以包括一个或多个铜层，例如，以层压形状或作为螺旋布置的单线或多线，和/或螺旋布置的聚丙烯的单线或多线。一个或多个吸湿性半导电带和可选的一个或多个铜层可以径向交替。

包括一个或多个吸湿性半导电带和可选的一个或多个铜层的垫层135在被绝缘的导体110和防水屏障140之间提供缓冲作用。垫层135充当阻水系统，用于防止纵向水渗透，并充当铜防水屏障140下方的机械减震器，其能够吸收冲击力并防止下面的层，特别是被绝缘的导体110的半导电外屏蔽罩130不受损坏。垫层135的一个或多个铜层可以改善铜防水屏障140与被绝缘的导体110的半导电外屏蔽罩130之间的电接触。以这种方式，可以防止可能的局部放电。

垫层135的厚度允许被绝缘的导体110由于热循环而径向热膨胀，而不会在铜防水屏障140上，特别是沿着铜片边缘之间的焊接线施加潜在的损坏性应力。

铜防水屏障140可以是纵向折叠的铜片的形式，具有在片边缘接触的焊接线141。铜片可以具有光滑或波纹状的表面，这也取决于电缆的应用(静态或动态电缆，如前所述)。铜防水屏障140还可以用作电缆105的屏蔽罩。

根据本公开的用于防水屏障140的铜可以是电导率为至少85％IACS(国际退火铜标准)，例如至少为95％IACS的铜。用于防水屏障的合适的铜应该是高纯度的铜，其铜含量大于90％，并且氧含量低，例如最多为50ppm，例如低于15ppm。

在铜防水屏障140的周围，设有粘合剂层145，并且电缆105由护套150保护。在本实施例中，粘合剂层145和护套150不是半导电的。

粘合剂层145可以具有在约0.1mm至约0.3mm的范围内的厚度。该层增强了防水屏障140和护套150之间的紧密结合，同时提供了合适的剥离强度值。剥离强度值提供护套150与铜防水屏障140的粘附性的指示，并且可以通过如标准IEC 60840Annex G(2004)所规定的剥离试验来测量。本标准规定最小剥离强度测试值不得小于0.5N/mm。

申请人已经发现，厚度大于约0.3mm的粘合剂层145可以由于其模量不同于护套150的模量而引起铜防水屏障140和护套150之间的相对移动。这可能导致铜防水屏障140起皱，尤其是在电缆弯曲时。

在实施例中，护套150可以具有3至7mm的厚度，例如4至6mm的厚度。铜防水屏障140可以具有选自约0.2mm和约1.0mm的范围内的厚度，这也取决于护套150的厚度，从而实现防水屏障铜140的厚度和护套150的厚度之间的比例小于或等于0.15，优选地小于或等于0.12。

护套150可以是电力电缆105的最外层。在替代实施例中，护套150可以被护甲、被插入在护套150和护甲之间的可选的保护层以及被包围护甲的包皮(serving)包围，如将结合图2的电缆更好地解释。

现在将描述用于制造电力电缆105的合适工艺。

从图1所示的可选地被垫层135包围(从本质上来说，没有描述直到形成被绝缘的导体110和可选的垫层135的制造工艺步骤)的被绝缘的导体110开始，使例如宽度为280mm并且厚度为0.5mm的铜箔或铜片穿过一组矫直辊以矫直并向条带施加适当的张力。

然后使用居中单元和边缘狭缝将铜片居中，以实现边缘和宽度的尽可能精确的对齐。

然后，使用包括例如成形辊或模具的连续套件的成形工具，将铜片自身折叠以形成包围被绝缘的导体110和垫层135的纵向开口的管。

使用焊接单元，例如钨极惰性气体(TIG)焊接单元，通过焊接封闭纵向开口的管。可以使用保护气体(shielding gas)(诸如，氩气或氦气或它们的混合物)从管子的内部和外部一齐进行焊接，以避免焊缝的氧化。

所获得的铜管是具有焊接线的纵向焊接的铜管，并形成铜防水屏障140。

履带(belt caterpillar)通过缩小模具或一套缩小尺寸的辊或包括缩小模具和缩小辊(“缩小组”)的混合方案拉动焊接的铜管，以能够减小焊接的铜管的直径。因此，通过缩小组将焊接的铜管的外径缩小例如约10mm。

在进入共挤机之前，焊接的铜管表面通过感应器或通过热风机进行加热，以增强与随后要施加的粘合剂层的粘合。所述感应器或风机将焊接的铜管加热到至少100℃。由此，焊接的铜管与随后要施加的非导电粘合剂层实现适当的粘合。然后，焊接的铜管穿过共挤机，以被(挤出的)粘合剂层145的薄膜和被聚合物护套150覆盖。

共挤机头连接到真空泵，以便确保在不使用过多压力的情况下将聚合物护套适当地结合到铜管上。

然后，电缆穿过冷却槽。在进入冷却槽内部之前，可能会有一次或几次刮流(trickle)。它们的主要功能是冷却聚合物护套。在实施例中，使用冷却槽的前几米中的热水，然后使用冷却槽的其余部分中的冷水来进行逐渐冷却。

图2以透视图示意性地示出了根据本公开的解决方案的实施例的3芯电力电缆205。

电缆205包括三个芯，每个芯包括电导体215。

每个电导体215被包括内部半导电层、绝缘层和外部半导电层的绝缘系统210包围，该绝缘系统被垫层235和被铜防水屏障240包围。

垫层235可以具有与图1的垫层135基本相同的特征。

垫层235是可选特征。当存在垫层235时，铜防水屏障240与垫层235直接接触。铜防水屏障240可以具有与图1的防水屏障140基本相同的特征，包括焊接线241。

在每个铜防水屏障240的周围，设有粘合剂层245和护套250。粘合剂层245和护套250可以是或不是半导电的，这取决于整个电力电缆线的构造。

粘合剂层245和护套250可以分别具有与图1的粘合剂层145和护套150基本相同的特征。

基床213包围三个芯。基床可以由挤出的聚合物填充物(例如，橡胶或聚丙烯的)制成、由聚合物棒或管制成，或者可以包括三个成形的(基本上为三角形的)插入物。其主要功能是获得圆柱结构。

可以提供保护系统211以包围基床。保护系统211可以包括以挤出的聚合物层或缠绕的纱层形式的一个或多个螺旋缠绕的聚酯带、一个或多个由螺旋缠绕的线(金属的或芳族聚酰胺的或二者)制成的护甲层以及一个或多个外部包皮。

Claims (9)

1.一种电力电缆(105；205)，其包括：被绝缘的导体(110，210)；包围每个被绝缘的导体(110，210)、以具有焊接线(141，241)的管形式的铜防水屏障(140；240)；以及包围每个铜防水屏障(140；240)的聚合物护套(150；250)，

其特征在于

铜防水屏障(140；240)的厚度和聚合物护套(150；250)的厚度使得铜防水屏障(140；240)的厚度和聚合物护套(150；250)的厚度之间的比率最多为0.12。

2.如权利要求1所述的电力电缆，其中铜防水屏障(140；240)的厚度在0.2mm至1.0mm的范围内。

3.如权利要求1所述的电力电缆，其中聚合物护套(150；250)的厚度在3mm至7mm的范围内。

4.如权利要求2所述的电力电缆，其中聚合物护套(150；250)的厚度在4mm至6mm的范围内。

5.如权利要求1所述的电力电缆，包括：插入在铜防水屏障(140；240)和聚合物护套(150；250)之间的粘合剂层(145；245)。

6.如权利要求5所述的电力电缆，其中粘合剂层(145；245)和聚合物护套(150；250)是半导电层。

7.如权利要求1所述的电力电缆，包括：垫层(135；235)，其相对于铜防水屏障(140；240)设在径向内部位置并与铜防水屏障(140；240)直接接触。

8.如权利要求7所述的电力电缆，其中垫层(135；235)由吸湿和半导电材料制成。

9.如权利要求7所述的电力电缆，其中垫层(135；235)包括至少一个铜层。

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