專利名稱：直流電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有包含聚乙烯組合物(PE)絕緣系統(tǒng)的直流電纜(DC電纜)。聚乙烯組合物是擠壓的交聯(lián)PE組合物(XLPE組合物)。本發(fā)明特別涉及用于輸配電力的絕緣直流電纜。該絕緣系統(tǒng)包括許多層，例如內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、擠壓絕緣層和外半導(dǎo)電屏蔽層。
至少擠壓絕緣包含以交聯(lián)聚乙烯為基礎(chǔ)的電絕緣組合物，該組合物通常具有包含交聯(lián)劑，防焦劑和抗氧劑的添加劑體系。
背景技術(shù)：
雖然許多輸配電的一級(jí)供電系統(tǒng)曾以DC技術(shù)為基礎(chǔ)，但是這些DC系統(tǒng)很快被采用交流電(AC)的系統(tǒng)所替代。AC系統(tǒng)具有在發(fā)電電壓、輸電電壓和配電電壓之間易于轉(zhuǎn)換的理想特性。在本世紀(jì)前五十年，現(xiàn)代供電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)僅僅以AC輸電系統(tǒng)為基礎(chǔ)。然而，到20世紀(jì)50年代對(duì)長(zhǎng)距離輸送系統(tǒng)的需求日益增多，清楚表明在某些情況下，采用DC系統(tǒng)會(huì)更有益。已經(jīng)顯現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)包括減少了通常遇到的與AC系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)的問(wèn)題；設(shè)備利用率更高，因?yàn)橄到y(tǒng)的功率因素總是統(tǒng)一的；以及在較高工作電壓下，對(duì)給定的絕緣厚度或偏差的應(yīng)用能力。針對(duì)這些非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，必須權(quán)衡將AC轉(zhuǎn)換為DC和將DC再轉(zhuǎn)換到AC的終端設(shè)備的高成本。然而，對(duì)于給定傳輸功率來(lái)說(shuō)，終端設(shè)備成本不變，所以對(duì)于長(zhǎng)距離電路來(lái)說(shuō)，認(rèn)為DC輸電系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)的。因此，對(duì)于長(zhǎng)距離輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即，當(dāng)輸電距離通常超過(guò)下述長(zhǎng)度時(shí)，DC技術(shù)是經(jīng)濟(jì)的，所述長(zhǎng)度即輸電設(shè)備節(jié)約成本超過(guò)終端設(shè)備成本時(shí)的長(zhǎng)度。
DC操作的重要好處是，介電損耗有效減少，因此在設(shè)備效率和節(jié)能方面提供了顯著效益。DC電流漏電量極小，在額定電流計(jì)算時(shí)甚至可以忽略這一漏電量，而在AC電纜中介電損失使額定電流大大減小。這對(duì)較高的電壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)重要的。同樣，在DC電纜中高電容也不是一種負(fù)擔(dān)。典型的DC傳輸電纜包括導(dǎo)線和絕緣系統(tǒng)，后者包括許多層，如內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、絕緣基體和外半導(dǎo)體屏蔽層。電纜還配有套管、增強(qiáng)材料等，以承受水的滲透和任何機(jī)械磨損或者在生產(chǎn)安裝及使用期間外力的作用。
迄今幾乎所有的這類DC電纜系統(tǒng)均已用于海底跨接電纜或與此相關(guān)的地面電纜。對(duì)于長(zhǎng)距離跨接來(lái)說(shuō)，可以選擇經(jīng)整體浸漬的隔離紙絕緣型電纜，因?yàn)樵趬毫ο虏皇荛L(zhǎng)度限制。它已用于450kV的工作電壓。迄今，用電絕緣油浸漬的所有紙質(zhì)絕緣體基本上已經(jīng)得到應(yīng)用，但是諸如聚丙烯紙層合物的層狀材料的應(yīng)用正在被說(shuō)明用于電壓高達(dá)500kV的場(chǎng)所以利于提高脈沖強(qiáng)度并減少直徑。
就AC輸送電纜而論，在決定DC電纜絕緣厚度時(shí)，瞬態(tài)電壓是必須考慮的一個(gè)因素。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜全負(fù)荷工作時(shí)，當(dāng)與工作電壓極性相反的瞬態(tài)電壓強(qiáng)加于系統(tǒng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最麻煩的情況。如果該電纜與架空線路相連，這種情況的發(fā)生通常會(huì)產(chǎn)生閃光瞬變的結(jié)果。
基于聚乙烯(PE)或者交聯(lián)聚乙烯(XLPE)的擠壓成型固體絕緣材料在AC輸配絕緣電纜中應(yīng)用幾乎有40年的歷史。所以多年來(lái)一直研究在DC電纜絕緣中使用XLPE和PE的可能性。具有這種絕緣材料的電纜具有與整體浸漬電纜相同的優(yōu)點(diǎn)，即，對(duì)于DC傳輸來(lái)說(shuō)，對(duì)線路長(zhǎng)度沒(méi)有限制，它們還有在較高溫度下工作的潛力。對(duì)于XLPE來(lái)說(shuō)，可使傳統(tǒng)的DC電纜工作溫度從50℃上升為90℃。由此提供了增加輸電負(fù)荷的可能性。然而，對(duì)于所有尺寸的電纜說(shuō)，還不能充分發(fā)揮這些材料的潛力。認(rèn)為其主要原因之一是，不置于DC電場(chǎng)之中時(shí)，會(huì)在電介質(zhì)中產(chǎn)生并積累空間電荷。這些空間電荷使電應(yīng)力分布畸變，并由于聚合物的高電阻率使之長(zhǎng)期持續(xù)。當(dāng)絕緣體內(nèi)的空間電荷經(jīng)受DC電場(chǎng)力的時(shí)候，這些空間電荷以形成類似于電容器的極化模型的方式進(jìn)行積累。有兩種基本類型的空間電荷積累模型，其區(qū)別在于空間電荷積累的極性?？臻g電荷積累導(dǎo)致實(shí)際電場(chǎng)中某些點(diǎn)局部電場(chǎng)的增加，在考慮絕緣材料的幾何尺寸和介電特性的同時(shí)就應(yīng)該預(yù)期到這一點(diǎn)。在實(shí)際電場(chǎng)中觀察到的局部電場(chǎng)增加量也許是所預(yù)計(jì)電場(chǎng)的5倍甚至10部。因此，電纜絕緣的設(shè)計(jì)電場(chǎng)必須包括，考慮到這種相當(dāng)高的電場(chǎng)的安全系數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致在電纜絕緣中使用較厚的和／或更昂貴的材料?？臻g電荷的積累是一個(gè)緩慢過(guò)程，所以，當(dāng)電纜以相同極性長(zhǎng)期工作之后，電纜的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，此時(shí)，該問(wèn)題就暴露出來(lái)了。反轉(zhuǎn)的結(jié)果使電容電場(chǎng)與空間電荷積累所產(chǎn)生的電場(chǎng)疊加在一起，極大電場(chǎng)應(yīng)力點(diǎn)從界面運(yùn)動(dòng)到絕緣體內(nèi)部。力圖通過(guò)使用添加劑降低絕緣電阻來(lái)改善這種情況而不過(guò)份影響其它性能。迄今，它尚不能與采用浸漬紙絕緣電纜獲得的電性能相比，也沒(méi)有安裝于商品化聚合物的絕緣DC電纜。然而，對(duì)于250kV電纜，成功的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)已經(jīng)見(jiàn)諸于報(bào)導(dǎo)，采用具有礦物填料的XLPE絕緣材料，其最大應(yīng)力為20kV／mm(Y．Maekawa等，DC XLPE電纜的研究與開(kāi)發(fā)，JiCable′91，第562～569頁(yè))。該應(yīng)力值與用作整體浸漬的紙質(zhì)電纜的典型值32kV／mm相匹敵。
一種用于AC電纜絕緣材料的擠壓樹(shù)脂組合物，一般包含作為基體聚合物的聚乙烯樹(shù)脂，其中還含有各種添加劑，例如過(guò)氧化物交聯(lián)劑、防焦劑和抗氧劑或抗氧劑體系。對(duì)于擠壓絕緣材料來(lái)說(shuō)，其半導(dǎo)電屏蔽層一般也是擠壓成形的，并包括一種樹(shù)脂組合物，該樹(shù)脂組合物除了基體聚合物和導(dǎo)電或半導(dǎo)電填料之外還基本上包含同類添加劑。絕緣電纜中的各個(gè)擠壓層。一般常常以聚乙烯樹(shù)脂為基礎(chǔ)。一般所說(shuō)的及在本申請(qǐng)中的聚乙烯樹(shù)脂是指以聚乙烯或以乙烯共聚物為基礎(chǔ)的樹(shù)脂，乙烯共聚物中乙烯單體構(gòu)成了聚合物的大部分。這樣的聚乙烯樹(shù)脂可以由乙烯和一種或多種可與乙烯共聚的單體組成。LDPE低密度聚乙烯是目前AC電纜中主要的絕緣基礎(chǔ)材料。為了改善擠壓絕緣材料的物理性能，及其在這類電纜的生產(chǎn)、運(yùn)輸、敷設(shè)和應(yīng)用中承受降解和分解的能力，以聚乙烯為基礎(chǔ)的組合物一般含有的添加劑，如下-穩(wěn)定添加劑，如抗氧劑，阻止因氧化、輻射等發(fā)生分解的電子捕捉劑；-潤(rùn)滑添加劑，如硬脂酸，以增加可加工性；-增加耐電應(yīng)力能力的添加劑，如一種拒水劑，如聚乙二醇、聚硅氧烷等；和-交聯(lián)劑如過(guò)氧化物，其受熱分解為自由基，引發(fā)聚乙烯樹(shù)脂進(jìn)行交聯(lián)，有時(shí)還與下述人物組合使用-具有提高交聯(lián)密度能力的不飽和化合物；-避免過(guò)早交聯(lián)的防焦劑。
各種添加劑種類的數(shù)目很大，其可能的組合也基本沒(méi)有限制。在選擇添加劑或添加劑組合的時(shí)候，旨在在改善一種或多種性能的同時(shí)，保持其它性能，或者，如果可能的話，其它性能也得到改善。然而，實(shí)際上，總是難以預(yù)測(cè)加入添加劑時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)生變化所有可能的副作用。在其它情況下，所預(yù)計(jì)的真正有價(jià)值的改進(jìn)必須接受某些較小的負(fù)作用，但是總是以將這些負(fù)作用減至最小為目標(biāo)。
在AC電纜中用作擠壓成形的交聯(lián)絕緣材料的一種典型聚乙烯基樹(shù)脂組合物包括97．1～98．9wt％的熔體流動(dòng)速率為0．4～2．5g／10min的低密度聚乙烯(922kg／m3)，其含有如上所述的添加劑體系。
這些添加劑能夠包括0．1～0．5wt％抗氧劑，例如但不限于SANTONOXR(Flexsys公司)，其化學(xué)名稱為4，4’-硫代雙(6-叔丁基間甲酚)，和1．0～2．4wt％交聯(lián)劑，例如但不限于DICUP R(Hercules化學(xué)公司)，其化學(xué)名稱為過(guò)氧化異丙苯。
雖然長(zhǎng)期以來(lái)已知使用這些XLPE組合物存在一些缺點(diǎn)，但是其優(yōu)點(diǎn)，例如其能夠防止焦化，即防止過(guò)早交聯(lián)，已勝過(guò)這些缺點(diǎn)。另外，眾所周知這類XLPE組合物在DC電場(chǎng)中呈現(xiàn)較強(qiáng)的形成空間電荷的傾向，結(jié)果使該組合物不能應(yīng)用DC電纜的絕緣系統(tǒng)。然而，也已知延時(shí)況氣，即，將交聯(lián)電纜絕緣材料長(zhǎng)期暴露在高溫高真空下，在DC電壓應(yīng)力下會(huì)減少空間電荷積累的傾向。一般認(rèn)為真空處理脫除絕緣材料中過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物，如甲基·苯基酮和枯基醇，因此空間電荷積累減少。脫氣工藝是一種可與紙絕緣浸漬相比擬的耗時(shí)間歇工藝，因此，成本高。所以，如果不需要進(jìn)行脫氣過(guò)程，則是有利的。大多數(shù)已知的用于AC電纜擠壓絕緣材料的交聯(lián)聚乙烯組合物呈現(xiàn)空間電荷積累的趨勢(shì)，這使它們不適于應(yīng)用在DC電纜絕緣系統(tǒng)中。
已經(jīng)明白，在LDPE中加入包含羰基基團(tuán)的少量添加劑量具有兩個(gè)目的，即增加電阻率和減少空間電荷積累。這個(gè)加入羰基的步驟，或者通過(guò)使聚乙烯氧化，或者通過(guò)一氧化碳與乙烯共聚來(lái)實(shí)施。羰基基團(tuán)被認(rèn)為起到捕獲空間電荷的作用，因此當(dāng)絕緣材料置于DC-電場(chǎng)中時(shí)，任何空間電荷的流動(dòng)受到限制，空間電荷的積累，使交聯(lián)絕緣材料內(nèi)產(chǎn)生了極化模型。然而，在高溫下，如在約40℃以上的溫度下，已注意到，具有解捕獲的傾向，并因此使空間電荷的積累增加。有機(jī)酸和酐形式的添加劑也呈現(xiàn)相似的作用。另外，已經(jīng)提出，為了獲得較高的DC擊穿強(qiáng)度，通過(guò)將極性單元引入到聚合物中進(jìn)行聚乙烯的分子改性。例如日本專利出版物JP-A-210610報(bào)導(dǎo)了，為了上述目的將諸如馬來(lái)酸酐，MAH，的酐接枝到聚乙烯上。所得交聯(lián)的絕緣材料顯示，空間電荷積累減少，這歸因于交聯(lián)聚合物鏈結(jié)構(gòu)的極性增加，結(jié)論是固定在交聯(lián)結(jié)構(gòu)中的接枝MAH基本起著任何空間電荷的捕獲位置的作用。在JP-A-210610中，報(bào)導(dǎo)了加入約0．02wt％至約0．5wt％的MAH的交聯(lián)聚乙烯，使交聯(lián)組合物適于作DC電纜絕緣材料，同時(shí)伴隨著空間電荷積累減少。為了改善交聯(lián)結(jié)構(gòu)的極性及與此有關(guān)的交聯(lián)絕緣材料中空間電荷積累的減少，所使用的其他添加劑還有離聚物、丙烯酸金屬鹽、羧酸和醋酸鹽。
因此，急欲提供一種具有聚合物基電絕緣系統(tǒng)的絕緣DC-電纜，所述絕緣系統(tǒng)包含擠壓XLPE組合物，其適用于DC輸配電電網(wǎng)和設(shè)備中的輸配電電纜。這種電纜一般采用涂敷和加工擠壓的XLPE基的絕緣材料的方法來(lái)生產(chǎn)，能夠?qū)嵤┰撨^(guò)程的方式不需要任何耗費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間的間歇處理工藝，例如浸漬或脫氣，即，電纜的真空處理，以保證電纜絕緣材料穩(wěn)定且恒定的介電性能以及高而恒定的介電強(qiáng)度。該電纜絕緣材料還顯示低的空間電荷積累趨勢(shì)，高的DC擊穿強(qiáng)度、高脈沖強(qiáng)度和高絕緣電阻。由于生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本的下降，本發(fā)明會(huì)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面都比現(xiàn)有技術(shù)有所創(chuàng)新，還提供了用于電纜絕緣系統(tǒng)涂敷和加工的基本連續(xù)的或者至少半連續(xù)工藝的可能性。另外，它還將進(jìn)一步保持或改善包括以浸漬的紙為基礎(chǔ)的絕緣材料的傳統(tǒng)DC電纜的可靠性、以及維護(hù)要求低和工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。采用一種擠壓聚合物絕緣材料代替浸漬紙或纖維素基絕緣材料，除了使介電強(qiáng)度增加從而使工作電壓增加外還具有改善電纜的可處理性和耐久性的優(yōu)點(diǎn)。
特別想望的是，提供一種下述的絕緣DC電纜，其中在絕緣系統(tǒng)中含有擠壓的和交聯(lián)的PE組合物，它包含三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有捕獲空間電荷的位置，因此限制了任何空間電荷的流動(dòng)和在擠壓絕緣材料中極化。空間電荷的發(fā)展。這種在絕緣材料中空間電荷積累減小的趨勢(shì)，作為一種額外的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，提供了降低電纜絕緣材料設(shè)計(jì)尺寸安全因子的可能性。尤其想望這類電纜能夠在輸配電的電網(wǎng)或設(shè)備中的特定條件下進(jìn)行工作。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的提供一種能滿足上述特定的要求的絕緣DC電纜。按照本發(fā)明，這一目的可以通過(guò)如權(quán)利要求1的前序部分中所定義的、具有聚合物基絕緣系統(tǒng)的DC電纜來(lái)達(dá)到了，所述絕緣系統(tǒng)包含包覆在導(dǎo)體外的擠壓交聯(lián)的聚乙烯組合物，其特征可按照權(quán)利要求1的特征部分，通過(guò)進(jìn)一步限制來(lái)表征。其它權(quán)利要求2～12中的特征可進(jìn)一步表征本發(fā)明DC電纜開(kāi)發(fā)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種按照上文規(guī)定的絕緣DC電纜的制造方法。按照本發(fā)明，借且于在權(quán)利要求13前序部分中所定義的制備含聚合物基絕緣系統(tǒng)的絕緣DC電纜的方法達(dá)到了這個(gè)目的，所述絕緣系統(tǒng)包含包覆在導(dǎo)體外的擠壓交聯(lián)的聚乙烯組合物，其特征可按照權(quán)利要求13的特征部分，通過(guò)進(jìn)一步限制來(lái)表征。通過(guò)權(quán)利要求14～20中的特征可進(jìn)一步表征本發(fā)明方法的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。
發(fā)明詳述為了使擠壓聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯(XLPE)用作DC電纜的絕緣材料，必須考慮幾個(gè)因素。最重要的問(wèn)題是在DC電壓應(yīng)力下的空間電荷積累。本發(fā)明通過(guò)將少量極性共聚單體加入到聚乙烯鏈中，實(shí)現(xiàn)了通常在工作DC電纜中出現(xiàn)的空間電荷積累的顯著下降。其中極性共聚單體的通式為CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2或CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H式中n等于2或3，m等于數(shù)字1～20，R是H或CH3，X是O或NH。優(yōu)選m等于1，5，6或9。
完成這一過(guò)程的方式為在聚合期間加入上述極性共聚單體，在主鏈中形成鏈段；或者在接枝過(guò)程中引入側(cè)基。在絕緣化合物中的極性單體用量為所有聚合物的0．1wt％以上，優(yōu)選為0．1～5wt％，和最優(yōu)選0．5～1．5wt％。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以甲基丙烯酰胺為基礎(chǔ)，其通式為CH2=C(CH3)-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2式中n等于2或3。
在n等于3的情況下，單體稱作二甲氨基-丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)。
按照本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以丙烯酰胺為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2式中，n等于2或3。
按照本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以甲基丙烯酸酯為基礎(chǔ)，其通式為CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2式中n等于2或3。
按照本發(fā)明的可供選擇的第5個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以丙烯酸酯為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2式中n等于2或3。
按照本發(fā)明的可供選擇的第6個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以甲基丙烯酸和齊聚乙二醇為基礎(chǔ)，其通式為CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2-CH2O-)mH式中m等于數(shù)字1～20，優(yōu)選m為1，5，6，或9。
按照本發(fā)明的可供選擇的第7個(gè)實(shí)施方案，極性共聚單體以丙烯酸和齊聚乙二醇為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-O-(CH2-CH2O-)mH式中m等于數(shù)字1～20，優(yōu)選m等于1，5，6或9。
制造絕緣DC電纜的方法包括下述步驟-配混PE組合物；-擠出配混的聚乙烯組合物，作為包覆在導(dǎo)體周?chē)木酆衔锘^緣系統(tǒng)的一部分；和-接著按照本發(fā)明以通常的方式使PE組合物交聯(lián)成XLPE組合物，即，將極性共聚單體引入XLPE組合物中，所用極性共聚單體在上文中已述，其通式為CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2或CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H式中n等于2或3，m等于數(shù)字1～20，R為H或CH3，和X是O或NH。優(yōu)選m等于1，5，6，或9。
按照本發(fā)明方法的第一個(gè)實(shí)施方案，將極性單體在聚合反應(yīng)之前或聚合反應(yīng)期間加入乙烯中，按照這種方法，共聚用單體插到聚合物主鏈之中并與聚乙烯鏈結(jié)合成一體。共聚單體加入量為最終聚合物的1wt％左右，一般用量為最終聚合物的0．1～5wt％，更優(yōu)選用量為最終聚合物的0．5～1．5wt％。
按照本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施方案，使乙烯和極性單體以與第一個(gè)實(shí)施方案中相同的方法進(jìn)行共聚，只是共聚單體的用量此處為5wt％以上至40wt％，優(yōu)選為最終聚合物的25～35wt％。隨后，通過(guò)將具有大量極性共聚單體的共聚物與直鏈聚乙烯配混，使所述共聚物烯釋，直至極性共聚單體平均含量近似于最終聚合物的1wt％，一般含量為0．1～5wt％，更優(yōu)選含量為最終聚合物的0．5～1．5wt％。
按照本發(fā)明方法的第三個(gè)實(shí)施方案，將極性單體接技到乙烯均聚物上。接技過(guò)程能夠在聚合過(guò)程之后以單獨(dú)步驟進(jìn)行，或者在聚乙烯基的電纜絕緣材料擠壓和／或交聯(lián)期間進(jìn)行。
聚乙烯主鏈中極性基團(tuán)的數(shù)目約為每1000個(gè)碳原子有1個(gè)極性基團(tuán)。
按照本發(fā)明的具有擠壓交聯(lián)絕緣系統(tǒng)的DC電纜具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，所述絕緣系統(tǒng)包括交聯(lián)聚乙烯組合物(XLPE)，還有引入XLPE之中的極性單體。所述優(yōu)點(diǎn)例如
-空間電荷積累趨勢(shì)顯著降低，結(jié)果極化空間電荷產(chǎn)生的趨勢(shì)也低；-DC擊穿強(qiáng)度增加。
這樣，按照本發(fā)明的電纜，在擠壓、交聯(lián)期間使用高溫的時(shí)候或者在其它高溫條件下，使擠壓電纜絕緣系統(tǒng)具有良好的和穩(wěn)定性性能。
如果能將擠壓XLPE組合物中的任何未反應(yīng)的過(guò)氧化物交聯(lián)劑或任何副產(chǎn)物或降解產(chǎn)物的含量減至最小，以便進(jìn)一步降低空間電荷的任何趨勢(shì)，那末總是有利的。因此，經(jīng)一擠壓和交聯(lián)的PE組合物的過(guò)氧化物含量應(yīng)小于5％，優(yōu)選為小于2％。由此，本發(fā)明的DC-電纜恰好可滿足用于DC電纜的具體要求，而不再要求經(jīng)過(guò)費(fèi)時(shí)的間歇處理?；境セ虼蠓冉档虳C電纜絕緣材料中的過(guò)量過(guò)氧化物殘余物是有利的，其原因在于過(guò)氧化物交聯(lián)劑的成本，更重要的在于過(guò)氧化物交聯(lián)劑因分解可能會(huì)形成令人討厭的副產(chǎn)物，如甲烷和枯醇，它們是空間電荷的來(lái)源。
對(duì)于按照本發(fā)明生產(chǎn)的DC電纜來(lái)說(shuō)，與具有包含擠壓XLPE組合物的絕緣系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)電纜相比，得到了所有這些有利的性能和改進(jìn)，不存在與現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的電纜有關(guān)的許多缺點(diǎn)?？臻g電荷積累趨勢(shì)基本降低，使極性空間電荷發(fā)展趨勢(shì)降低，確保，維持或改善了包括浸漬紙絕緣材料的傳統(tǒng)DC電纜的高的DC擊穿強(qiáng)度。另外，按照本發(fā)明的DC電纜的絕緣性能具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，如此電纜的工作壽命得以維持或者增加。獲得這些好處尤其憑借的是下述方面的組合將極性鏈段引入XLPE中，PE組合物在擠出和交聯(lián)之前以及擠出和交聯(lián)期間控制地進(jìn)行加工，以及實(shí)施與擠出和交聯(lián)有關(guān)的定型，其中工藝變量如溫度、壓力、加工時(shí)間和大氣組成是可以調(diào)節(jié)的。
按照本發(fā)明的DC電纜提供了通過(guò)基本連續(xù)的方法進(jìn)行生產(chǎn)的能力，而不需要諸如浸漬或脫氣之類的任何耗時(shí)的間歇步驟，借此使生產(chǎn)時(shí)間顯著降低，因此生產(chǎn)成本也顯著降低，而沒(méi)有損害電纜技術(shù)性能的危險(xiǎn)。
上文限定的DC電纜在特定條件下，主要是在應(yīng)用于輸配電力的電網(wǎng)或設(shè)備的高壓輸電或配電電纜中，具有特別有利的優(yōu)勢(shì)，這是由于改善了熱性能，同時(shí)又保持或改進(jìn)了電性能。這些是特別重要的，因?yàn)檫@些設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命很長(zhǎng)，而安裝在遠(yuǎn)處或者甚至海底的這些設(shè)備的維修通道有限。按照本發(fā)明生產(chǎn)的高壓直流電纜的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)采用基本連續(xù)的工藝能夠顯著縮短生產(chǎn)時(shí)間，所述工藝不包括需要對(duì)電纜全長(zhǎng)或部分長(zhǎng)度進(jìn)行間歇處理的操作步驟；與常規(guī)電纜相比，其具有成本方面的優(yōu)勢(shì)。
附圖簡(jiǎn)述參照附圖和實(shí)例可更詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明。

圖1示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的高壓直流輸電電纜的橫截面。圖2a至2d表示測(cè)試板的空間電荷記錄曲線，用現(xiàn)有絕緣AC電纜的XLPE組合物的板與本發(fā)明組合物的板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。
優(yōu)選實(shí)施方案、實(shí)例的敘述按照本發(fā)明的實(shí)施方案的DC電纜示于圖1，自內(nèi)向外包含-多股絞合導(dǎo)線10；-第一擠壓半導(dǎo)體屏蔽層11，其位于導(dǎo)線10外周?chē)蛯?dǎo)線絕緣材料12內(nèi)側(cè)；-擠壓導(dǎo)線絕緣材料12，其采用如上文所述的擠壓交聯(lián)組合物；-第二擠壓半導(dǎo)體屏蔽層13’，其位于導(dǎo)線絕緣材料12的外側(cè)；-金屬網(wǎng)14；和-位于金屬網(wǎng)14外側(cè)外包覆層或皮層15。
DC電纜，當(dāng)認(rèn)為適合時(shí)，能夠采用各種功能或其它部分以各種方式進(jìn)一步得到補(bǔ)充。例如，在外擠出屏蔽層13的外面補(bǔ)充金屬絲形式的增強(qiáng)材料、引入金屬／聚合物界面或按下述得到的一種徑向系統(tǒng)的密封化合物或水溶脹粉末，例如，一種耐腐蝕金屬聚乙烯層合物和由諸如帶狀或粉末等水溶脹材料得到的縱向水密封材料，這些材料均位于皮層15之下。導(dǎo)線不需要絞合，但可以形成任何所要求的形狀和結(jié)構(gòu)，例如，多股金屬絲導(dǎo)線、實(shí)心導(dǎo)線或弧形導(dǎo)線。
實(shí)例1對(duì)比實(shí)驗(yàn)制備用于現(xiàn)有技術(shù)絕緣AC-電纜的XLPE組合物試驗(yàn)板以及按照本發(fā)明用于絕緣DC電纜的XLPE組合物試驗(yàn)板；所得試驗(yàn)板經(jīng)加工，并評(píng)價(jià)空間電荷積累趨勢(shì)；評(píng)價(jià)通過(guò)采用Pulsed ElectroAccoustic(PEA)技術(shù)記錄空間電荷來(lái)進(jìn)行。本領(lǐng)域眾所周知PEA技術(shù)，Takada等敘述在IEEE Trans．Electr．Insul，第EI-22(No4)卷，第497～501頁(yè)(1987)。
a．制備聚乙烯組合物，其方法為將約1wt％二甲氨丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)加入到約99wt％低密度聚乙烯組合物中，其中該P(yáng)E組合物包含約98wt％，熔體流動(dòng)速率為0．8g／10min的低密度聚乙烯(922kg／m3)，以及約2wt％的抗氧劑和過(guò)氧化物交聯(lián)劑的傳統(tǒng)體系。
由此制備的聚乙烯在130℃下模塑制得2mm厚的試驗(yàn)板。然后將兩個(gè)半導(dǎo)體電極模塑在試驗(yàn)板上，使該組件在180℃電氣壓機(jī)中進(jìn)行交聯(lián)15min。
隨后在PEA分析設(shè)備中，在50℃下檢驗(yàn)所得的2mm厚的交聯(lián)試片，其中試片被插入到兩個(gè)扁平電極之間，并經(jīng)受40kV電壓的直流電場(chǎng)作用。即，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極保持電壓為+40kV。記錄試片的空間電荷分布，如圖2a所示。假設(shè)任意單位空間電荷／體積與試片厚度存在函數(shù)關(guān)系，即，在接地電極處坐標(biāo)為0，x表示在向+40kV電極的方向上從接地電極計(jì)算的距離。
b．將如比較例a那樣制備的、包含DMAPMA的同樣的聚乙烯組合物的在130℃模塑得到了2mm厚的試片。將兩個(gè)半導(dǎo)體電極模塑在所得試片上，使該組件在250℃電氣壓機(jī)中進(jìn)行交聯(lián)30分鐘。
隨后在PEA分析設(shè)備中，在50℃下檢驗(yàn)所得的2mm厚的交聯(lián)試片，其中試片被插入到兩個(gè)扁平電極之間，并經(jīng)受40kV電壓的直流電場(chǎng)作用。即，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極保持電壓為+40kV。記錄試片的空間電荷分布，如圖2b所示。假設(shè)任意單位空間電荷／體積與試片厚度存在函數(shù)關(guān)系，即，在接地電極處坐標(biāo)為0，x表示在向+40kV電極的方向上從接地電極計(jì)算的距離。
c．在130℃下使包括實(shí)例a和b中所使用的組分、但不含DMAPMA的一種常規(guī)聚乙烯組合物模塑制得2mm厚的試片。
將兩個(gè)半導(dǎo)體電極模塑在試片上，使該組件在180℃電氣壓機(jī)中交聯(lián)15min。
隨后在PEA分析設(shè)備中，在50℃下檢驗(yàn)所得的2mm厚的交聯(lián)試片，其中試片被插入到兩個(gè)扁平電極之間，并經(jīng)受40kV電壓的直流電場(chǎng)作用。即，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極保持電壓為+40kV。記錄試片的空間電荷分布，如圖2c所示。假設(shè)任意單位空間電荷／體積與試片厚度存在函數(shù)關(guān)系，即，在接地電極處坐標(biāo)為0，x表示在向+40kV電極的方向上從接地電極計(jì)算的距離。
d．實(shí)例c那樣的聚乙烯組合物在130℃下模塑制得2mm厚的試片將兩個(gè)半導(dǎo)體電極膜塑在試片上，使所得組件在250℃電氣壓機(jī)中進(jìn)行交聯(lián)30min。
隨后在PEA分析設(shè)備中，在50℃下檢驗(yàn)所得的2mm厚的交聯(lián)試片，其中試片被插入到兩個(gè)扁平電極之間，并經(jīng)受40kV電壓的直流電場(chǎng)作用。即，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極保持電壓為+40kV。記錄試片的空間電荷分布，如圖2d所示。假設(shè)任意單位空間電荷／體積與試片厚度存在函數(shù)關(guān)系，即，在接地電極處坐標(biāo)為0，x表示在向+40kV電極的方向上從接地電極計(jì)算的距離。
比較各個(gè)試驗(yàn)所得的結(jié)論在施加DC電壓后，記錄3hr實(shí)例1a、1b、1c和1d樣品的空間電荷曲線，其結(jié)果分別示于圖2a、2b、2c和2d。顯而易見(jiàn)，通常在用于AC XLPE電纜的絕緣材料中有高的空間電荷積累(參見(jiàn)圖2c和2d)而對(duì)于按照本發(fā)明的、由比較實(shí)例所示的兩種組合物來(lái)說(shuō)，空間電荷積累的趨勢(shì)顯著下降，參見(jiàn)圖2a和2b。
權(quán)利要求
1．一種具有聚合物基絕緣系統(tǒng)的絕緣DC電纜，該絕緣系統(tǒng)包括以擠壓交聯(lián)聚乙烯，XLPE，為基礎(chǔ)的組合物，它包覆在導(dǎo)線周?chē)?，該絕緣DC電纜的特征在于，XLPE基組合物包括一種以極性鏈段形式存在的極性改性劑，所述極性鏈段包括具有下列通式的極性共聚單體CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2或CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H式中n等于2或3；m等于數(shù)字1～20；R是氫或CH3；和X是O或NH。
2．權(quán)利要求1的DC電纜，其特征在于該極性共聚單體為XLPE主鏈的一部分存在。
3．權(quán)利要求1的DC電纜，其特征在于該極性共聚單體作為接技到XLPE上的側(cè)基存在。
4．權(quán)利要求1，2或3中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體在XLPE組合物中的存在量大于0．1wt％。
5．權(quán)利要求4中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體在XLPE組合物中的存在量為所有聚合物的0．5～1．5wt％。
6．前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于，該極性單體是以甲基丙烯酰胺為基礎(chǔ)的極性共聚單體，其通式為CH2=C(CH3)-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2式中，n等于2或3。
7．權(quán)利要求6的DC電纜，其特征在于n等于3和該極性單體是二甲氨基-丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)。
8．權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體以丙烯酰胺為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-NH-(CH2)n-N(CH3)2式中，n等于2或3。
9．權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體以甲基丙烯酸酯為基礎(chǔ)，其通式為CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2式中，n等于2或3。
10．權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體以丙烯酸酯為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-O-(CH2)n-N(CH3)2式中，n等于2或3。
11．權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體以甲基丙烯酸和齊聚乙二醇為基礎(chǔ)，其通式為CH2=C(CH3)-CO-O-(CH2-CH2O-)mH式中，m等于數(shù)字1～20，優(yōu)選n為1，5，6或9。
12．權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的DC電纜，其特征在于該極性單體以丙烯酸和齊聚乙二醇為基礎(chǔ)，其通式為CH2=CH-CO-O-(CH2-CH2O-)mH式中，m等于數(shù)字1～20，優(yōu)選n等于1，5，6或9。
13．一種制造絕緣DC電纜的方法，包括以下步驟配混PE組合物、擠壓所述配混聚乙烯組合物，作為包覆于導(dǎo)線周?chē)木酆衔锘^緣系統(tǒng)的一部分，隨后使PE組合物交聯(lián)形成XLPE組合物，其特征在于將具有以下通式的極性共聚單體引入到XLPE組合物中。CH2=CR-CO-X-(CH2)n-N(CH3)2或CH2=CR-CO-O-(CH2-CH2O)m-H式中，n等于2或3；m等于數(shù)字1～20；R是H或CH3；和X是O或NH。
14．權(quán)利要求13的方法，其特征在于將極性單體接枝到聚乙烯鏈中。
15．權(quán)利要求13或14的方法，其特征在于將極性單體在聚合反應(yīng)之前或期間加到乙烯中，和隨后在聚合反應(yīng)期間極性單體被引入到XLPE的主鏈中作為其中的一部分。
16．權(quán)利要求15的方法，其特征在于該極性共聚單體的加入量為最終聚合物的0．1～5wt％。
17．權(quán)利要求15的方法，其特征在于該極性共聚單體的加入量為最終聚合物的5～40wt％，隨后，大量的極性共聚單體通過(guò)使共聚物與直鏈聚乙烯配混而被稀釋，直至極性共聚單體的平均含量為0．1～5wt％。
18．權(quán)利要求13或14的方法，其特征在于該極性單體接枝到乙烯均聚物上。
19．權(quán)利要求18的方法，其特征在于該極性單體以單獨(dú)步驟在聚合過(guò)程之后接枝到乙烯均聚物上。
20．權(quán)利要求18的方法，其特征在于該極性單體在聚乙烯基電纜絕緣材料擠壓和／或交聯(lián)期間接枝到乙烯均聚物上。
全文摘要
一種具有聚合物基絕緣系統(tǒng)絕緣DC電纜,該絕緣系統(tǒng)包括一種以擠壓和交聯(lián)的聚乙烯(XLPE)為基礎(chǔ)為組合物,該組合物包覆于導(dǎo)線周?chē)?以及制造所述電纜的一種方法。以XLPE為基礎(chǔ)的組合物包括一種以極性鏈段形式存在的極性改性劑,所述鏈段包括具有如下通式的一種極性共聚單體:CH
文檔編號(hào)H01B9/00GK1292147SQ9980335
公開(kāi)日2001年4月18日 申請(qǐng)日期1999年2月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月25日
發(fā)明者P·卡斯滕森, A·古斯塔夫松, A·法卡斯, A·艾利松, J·O·波斯特倫, B·古斯塔夫松, U·尼爾松, A·坎普斯 申請(qǐng)人:Abb股份有限公司