Силовой кабель с системой сшитой электрической изоляции и способ его изготовления с извлечением побочных продуктов сшивания
Силовой кабель, содержащий по меньшей мере один сердечник кабеля, включающий в себя токопроводящую жилу, систему сшитой электрической изоляции, содержащую внутренний полупроводящий слой, изолирующий слой и внешний полупроводящий слой, и частицы цеолита, размещенные между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем системы изоляции. Частицы цеолита способны эффективно извлекать и необратимо поглощать побочные продукты, образуемые реакцией сшивания, с тем, чтобы избежать накопления пространственного заряда в изолирующем материале в течение срока эксплуатации кабеля. Это позволяет исключить высокотемпературный длительный процесс дегазации сердечников силового кабеля со сшитым изолирующим слоем или по меньшей мере уменьшить температуру и/или продолжительность этого процесса с тем, чтобы увеличить производительность и уменьшить производственные затраты. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к силовому кабелю с системой сшитой электрической изоляции и к способу извлечения из него побочных продуктов сшивания.
[0002] Кабели для передачи электроэнергии, в частности, в случае кабелей для применений при среднем и высоком напряжениях, включают сердечник кабеля, обычно содержащий проводник (жилу), покрытый системой изоляции, последовательно сформированной внутренним полимерным слоем, имеющим полупроводящие свойства, промежуточным полимерным слоем, имеющим электроизоляционные свойства, и внешним полимерным слоем, имеющим полупроводящие свойства.
[0003] Кабели для передачи электроэнергии при среднем и высоком напряжениях обычно включают окружающий сердечник кабеля экранирующий слой, обычно выполненный из металла или из металла и полимерного материала. Экранирующий слой может быть выполнен в виде проволок (прядей), ленты, намотанной по спирали вокруг сердечника кабеля, или листа, обернутого вокруг сердечника кабеля в продольном направлении.
[0004] Слои такой системы изоляции обычно выполняют из сшитого полимера на основе полиолефинов, в частности, из сшитого полиэтилена (ПЭ-С) или из этилен/пропиленового эластомера (EPR), или из сополимеров этилена/пропилена/диена (EPDM), также сшитых, как раскрыто, например, в WO 98/52197. Этап сшивания, проводимый после экструзии полимерного материала на жилу, придает материалу удовлетворительные механические и электрические свойства даже при высоких температурах, как при обычном использовании, так и при перегрузке по току.
[0005] Процесс сшивания полиолефиновых материалов системы изоляции кабеля, в частности, полиэтилена (ПЭ-С), требует добавления к полимерному материалу сшивающего агента, обычно органической перекиси, и последующего нагрева до температуры, вызывающей расщепление и реагирование перекиси. Побочные продукты формируются, главным образом, при разложении органической перекиси. В присутствии непрерывного электрического поля, такие побочные продукты, заключенные внутри сшитого материала, вызывают накопление пространственного заряда, который может вызывать электрические разряды и, в итоге, пробой изоляции, особенно в силовых кабелях постоянного тока (DC). Например, дикумиловая перекись, наиболее часто применяемый сшивающий агент для изоляции кабелей, образует метан (легкий побочный продукт) и тяжелые побочные продукты, главным образом, ацетофенон и кумиловый спирт. Метан может быть выделен из сердечника кабеля непродолжительным процессом дегазации при относительно низкой температуре (около 70°С), в то время как ацетофенон и кумиловый спирт могут быть удалены только при подвергании сердечника кабеля воздействию продолжительного процесса дегазации при температуре, достаточной для того, чтобы вызвать миграцию побочных продуктов (обычно около 70°С-80°С) и последующее испарение из сердечника кабеля. Этот процесс дегазации осуществляется в течение длительного времени (обычно от 15 дней до около 2 месяцев, в зависимости от размеров кабеля) и не может осуществляться непрерывно, а только порционно в больших устройствах для дегазации, которые могут вмещать кабель заданной длины.
[0006] Соответственно, когда в силовых кабелях применяется система сшитой изоляции, необходимо учитывать значительное время дегазации и связанные с этим затраты.
[0007] В US 2010/0314022 описан процесс изготовления изолированного кабеля постоянного тока с системой электрической изоляции на основе экструдированного полимера, который включает этапы: обеспечения системы изоляции на основе полимера, содержащей композицию на основе полимера с наполнителями, предпочтительно композицию на основе полиэтилена с наполнителями; необязательно, сшивания полимерной композиции; и, наконец, подвергания системы изоляции на основе полимера процедуре термической обработки, при которой внешняя поверхность системы изоляции на основе полимера покрывается оболочкой, непроницаемой для по меньшей мере одного вещества, присутствующего в системе изоляции на основе полимера и распределенного в ней неравномерно, посредством чего выравнивания концентрации упомянутого по меньшей мере одного вещества в системе изоляции на основе полимера. Упомянутое по меньшей мере одно вещество обычно включает побочные продукты сшивания и различные добавки, которые обычно увеличивают проводимость материала. Предпочтительно, вокруг бухты кабеля постоянного тока наматывают тонкую металлическую фольгу или подобное. Альтернативно, непроницаемая оболочка может быть металлическим экраном или внешней оболочкой, или оболочкой (кожухом), расположенной с наружной стороны металлического экрана. Общий эффект такого процесса заключается в максимальном выравнивании концентрации побочных продуктов сшивания внутри изолирующего слоя, которые, тем не менее, не удаляются из сердечника кабеля.
[0008] JP 64-024308 относится к силовому кабелю постоянного тока, снабженному буферным слоем для пространственного заряда, помещенным между внутренним полупроводящим слоем и изолирующим слоем или между внешним полупроводящим слоем и изолирующим слоем, причем буферный слой для пространственного заряда сформирован сополимером этилена с ароматическим мономером, например, стиролом, в количестве от 0,01 до 2 мол.% на 1 моль этилена. Из-за резонансного эффекта бензольного кольца ароматического мономера энергия окружающих электронов поглощается и формирование пространственного заряда предотвращается, и, кроме того, можно улучшить диэлектрическую прочность основного полимера.
[0009] JP 02-253513 относится к кабелю с изоляцией из сшитого полиэтилена, который должен предотвращать окислительное разложение, вызванное контактом с кислородом, и должен обеспечить непрерывную работу при высоких температурах. В качестве побочного продукта органической перекиси, кумиловый спирт подвергается разложению с образованием α-метилстирола и воды. Разложение кумилового спирта ускоряется в присутствие кислорода. Влага, которая формируется в процессе вышеописанного разложения, может вызвать появление полостей и триингов в форме галстука-бабочки с последующим разрушением изолирующего материала. Для предотвращения таких недостатков, на центральной части и на внешнем полупроводящем слое жилы размещают пластиковый материал, содержащий поглотитель кислорода. В качестве поглотителя кислорода может применяться восстановитель, такой как имеющийся в продаже продукт, известный как Ageless производства Mitsubishi Gas Chemical Co., который образован оксидом железа/хлоридом калия.
[0010] В патентной заявке PCT/IB2013/059562 раскрывается силовой кабель, содержащий по меньшей мере один сердечник кабеля, содержащий электрический проводник (токопроводящую жилу), слой сшитой электрической изоляции, и частицы цеолита, размещенные в сердечнике кабеля. Предполагая финальной целью содержание кумилового спирта, равное 0,32 мас.%, частицы цеолита присутствуют в количестве от 70 г/м до 1000 г/м для толщины изоляции 25 мм и от 27 г/м до 450 г/м для толщины изоляции 15 мм, причем единицы измерения выражены в виде количества частиц цеолита (в граммах) на длину кабеля (в метрах). Частицы цеолита диспергированы в заполняющем материале или на поверхности оплетки или ленты.
[0011] В соответствии с тем же документом, частицы цеолита могут быть размещены внутри полостей между нитями жилы в контакте с полупроводящим слоем, предпочтительно внешним полупроводящим слоем, и/или в полупроводящем слое, предпочтительно во внутреннем полупроводящем слое.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Заявитель обратился к проблеме исключения продолжительного процесса дегазации при высокой температуре сердечников силовых кабелей со слоем сшитой изоляции или по меньшей мере к уменьшению температуры и/или длительности этого процесса для увеличения производительности и уменьшения производственных затрат. Вышеуказанная цель должна быть достигнута без увеличения сложности процесса изготовления кабеля и, конечно же, без каких-либо негативных эффектов для эксплуатационных свойств кабеля даже спустя много лет после установки.
[0013] В частности, заявитель обратился к проблеме использования меньшего количества цеолита для достижения желаемого сокращения побочных продуктов сшивания из системы сшитой изоляции. Фактически, имеющиеся в продаже оплетки или ленты могут вмещать ограниченное количество цеолита, следовательно, на единице длины кабеля для обеспечения кабеля необходимым количеством цеолита должна быть размещена оплетка или лента существенной длины, особенно в случае систем сшитой изоляции, имеющих значительную толщину. Даже без учета экономических соображений, применение оплетки или ленты такой большой длины может увеличить размер кабеля и изменить его геометрию.
[0014] В рамках настоящего изобретения был разработан сердечник кабеля с частицами цеолита, размещенными между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем, где частицы цеолита способны эффективно извлекать и необратимо поглощать побочные продукты, образуемые реакцией сшивания, с тем, чтобы избежать накопления пространственного заряда в изолирующем материале в процессе срока эксплуатации кабеля.
[0015] Хотя и без привязки к какой-либо теории, заявитель полагает, что область кабеля между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем является очень критичной областью для дегазации побочных продуктов сшивания и что помещение частиц цеолита в такую область позволяет использовать их поглощающие свойства более эффективно, так что, как было обнаружено, для достижения требуемого эффекта поглощения побочных продуктов достаточно существенно меньшего количества частиц цеолита, чем ожидалось.
[0016] Таким образом, в соответствии с первым аспектом, настоящее изобретение относится к силовому кабелю, содержащему по меньшей мере один сердечник кабеля, включающий в себя токопроводящую жилу, систему сшитой электрической изоляции, содержащую внутренний полупроводящий слой, изолирующий слой и внешний полупроводящий слой, и частицы цеолита, размещенные между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем системы изоляции.
[0017] В соответствии со вторым аспектом, настоящее изобретение относится к способу извлечения побочных продуктов сшивания из системы сшитой электрической изоляции сердечника силового кабеля, включающему следующие последовательные этапы:
изготовление сердечника силового кабеля, содержащего токопроводящую жилу, систему сшитой электрической изоляции, содержащую побочные продукты сшивания, и частицы цеолита, размещенные между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем;
нагрев сердечника силового кабеля до температуры, вызывающей миграцию побочных продуктов сшивания из системы сшитой электрической изоляции к частицам цеолита, посредством чего частицы цеолита поглощают побочные продукты сшивания; и
последующее размещение металлического экрана вокруг сердечника силового кабеля.
[0018] Этап нагрева способа по изобретению вызывает практически необратимое поглощение по меньшей мере одной фракции побочных продуктов сшивания частицами цеолита, в то время как другая фракция диффундирует за пределы сердечника кабеля.
[0019] В частности, частицы цеолита практически необратимо поглощают некоторые побочные продукты сшивания на этапе нагрева. На этапе нагрева фракция побочных продуктов сшивания, которые являются газообразными при температуре окружающей среды, такие как метан, или которые имеют низкую температуру кипения, отводятся путем их диффундирования из сердечника кабеля. Предпочтительно этап нагрева осуществляют при температуре от 70°С до 80°С в течение времени от 7 до 15 дней.
[0020] Наличие частиц цеолита между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем позволяет использовать количество цеолита меньшее, чем ожидаемое, при этом избегая продолжения процесса дегазации в течение длительного времени (обычно от 15 до 30 дней) для удаления побочных продуктов с высокой температурой кипения, таких как кумиловый спирт и ацетофенон.
[0021] Предпочтительно, количество частиц цеолита, размещенных между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем кабеля по изобретению, составляет менее 0,01 г/см3, более предпочтительно не более 0,008 г/см3 относительно объема системы сшитой изоляции. Преимущественно, количество частиц цеолита в кабеле по изобретению составляет по меньшей мере 0,003 г/см3 относительно объема системы сшитой изоляции, предпочтительно по меньшей мере 0,004 г/см3.
[0022] Для целей настоящего описания и последующей формулы изобретения, за исключением случаев, где указано иное, все числа, выражающие значения, количества, проценты и т.п., следует понимать как изменяемые во всех случаях термином «около». Кроме того, все диапазоны включают любую комбинацию раскрытых точек максимума и минимума и включают любые промежуточные диапазоны в них, что может быть конкретно перечислено или не перечислено здесь.
[0023] Для целей данного изобретения термин «среднее напряжение» обычно означает напряжение между 1 кВ и 35 кВ, в то врем как термин «высокое напряжение» означает напряжения более 35 кВ.
[0024] Под «электрически изолирующим слоем» подразумевается покрывающий слой, выполненный из материала, имеющего изоляционные свойства, а именно, имеющего диэлектрическую прочность (прочность диэлектрика на пробой) по меньшей мере 5 кВ/мм, предпочтительно по меньшей мере 10 кВ/мм.
[0025] Под «системой сшитой изоляции» подразумевается система изоляции, выполненная из сшитого полимера.
[0026] Для целей настоящего описания и последующей формулы изобретения под «необратимым поглощением» и ему подобными терминами подразумевается отсутствие, после поглощения частицами цеолита, существенного высвобождения побочных продуктов после заключения кабеля внутрь герметичной оболочки, такой, например, как металлический экран.
[0027] Под «сердечником» или «сердечником кабеля» подразумевается участок кабеля, содержащий токопроводящую жилу, внутренний полупроводящий слой, окружающий жилу во внутреннем радиальном положении относительно изолирующего слоя, изолирующий слой, окружающий упомянутый внутренний полупроводящий слой, и внешний полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой.
[0028] Для целей настоящего описания и последующей формулы изобретения термин «в сердечнике кабеля» обозначает любую позицию внутри или в непосредственном контакте с по меньшей мере одним из компонентов сердечника кабеля.
[0029] Кабель по изобретению может иметь один, два или три сердечника кабеля.
[0030] Частицы цеолита размещены между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем, преимущественно в контакте с внутренним полупроводящим слоем.
[0031] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, частицы цеолита находятся между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем и внутри или в контакте с внешним полупроводящим слоем, в частности, на стороне внешнего полупроводящего слоя, обращенной от изолирующего слоя. Таким образом, эффект от частиц цеолита действует с обеих сторон системы электрической изоляции, и, таким образом, выделение и поглощение побочных продуктов сшивания более эффективно.
[0032] Частицы цеолита по изобретению могут быть распределены в или на материале, помещенном в сердечник кабеля.
[0033] В соответствии с вариантом осуществления, частицы цеолита распределены на поверхности оплетки или ленты. Общеизвестно, что оплетки для силовых кабелей обычно размещают между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем и, необязательно, в контакте с внешним полупроводящим слоем для обеспечения, например, водоотталкивающих свойств. Оплетки (составляющие оплетки пряди) обычно выполняют из полимерных нитей, например, сложнополиэфирных нитей, на которые посредством адгезионного материала, обычно поливинилового спирта (ПВС) или акриловой смолы, могут быть нанесены частицы гигроскопического материала, например, соли полиакрилата. Такие оплетки могут быть модифицированы в соответствии с настоящим изобретением путем нанесения на полимерные нити частиц цеолита, необязательно в смеси с гигроскопическими частицами. В частности, полимерные нити могут быть увлажнены раствором адгезионного материала, и затем частицы цеолита рассыпаются по ним и остаются заключенными в растворе и, после высушивания, в адгезионном материале.
[0034] Подобная технология может быть использована для предоставления лент, включающих частицы цеолита. Ленты, обычно применяемые в силовых кабелях, могут быть непроводящими в случае, когда они размещаются на экране кабеля, или они могут быть полупроводящими, когда они размещаются в контакте с полупроводящим слоем. На ленты, обычно выполненные из нетканого полотна или полимерных нитей, частицы могут быть нанесены посредством адгезионного материала, как указано выше. Такие ленты могут использоваться для настоящего изобретения при нанесении частиц цеолита на нетканое полотно.
[0035] В соответствии с вышеописанными предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что частицы цеолита могут быть размещены в непосредственной близости от системы сшитой изоляции посредством элементов кабеля, которые уже являются обычными компонентами силовых кабелей, таких как оплетки и ленты или буферные заполняющие материалы, тем самым позволяя избежать добавление в кабель дополнительного компонента, который не был бы необходимым для традиционного кабеля. Это существенно снижает затраты на изготовление кабеля и экономит время. Вышеуказанное преимущество не исключает возможности снабжения силового кабеля частицами цеолита с помощью одного или более дополнительных компонентов, намеренно помещенных в кабель для обеспечения извлечения и поглощения побочных продуктов сшивания.
[0036] Несущая частицы цеолита лента по изобретению может быть наложена путем наматывания с перекрыванием, например, около 50%. Могут быть наложены дополнительно намотанные слои ленты. Лента может быть также в форме фольги, обернутой в продольном направлении вокруг оси кабеля с наложенными краями.
[0037] Что касается частиц цеолита, подходящих для настоящего изобретения, они могут быть выбраны из широкого диапазона алюмосиликатов естественного и синтетического происхождения, имеющих микропористую структуру. Они действуют в качестве молекулярных сит за счет их способности выборочно сортировать молекулы, главным образом, на основе процесса исключения размера. Они также широко применяются в качестве катализаторов, особенно в нефтехимической промышленности.
[0038] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, частицы цеолита, подходящие для настоящего изобретения, имеют компенсирующий заряд катион, выбираемый из группы, состоящей из катиона аммония (NH4+) и катиона водорода (гидрона) (H+). Термин «катион водорода» включает любой катион водорода независимо от его изотропного состава и, в частности, протон (1H+) и дейтрон (2H+). Особенно предпочтительным является протон (1H+).
[0039] Хотя и без привязки к какой-либо теории, заявитель полагает, что частицы цеолита с одним из вышеуказанных компенсирующих заряд катионов особенно эффективны в качестве необратимых поглотителей побочных продуктов сшивания, таких как ацетофенон и кумиловый спирт, поскольку эти молекулы, попадая в микропористую структуру цеолита, похоже, вступают в реакции олигомеризации (в частности, реакции димеризации или также три- или тетрамеризации), превращающие их в более массивные молекулы. В результате ставшие теперь массивными побочные продукты сшивания становятся необратимо запертыми внутри структуры цеолита и не могут мигрировать обратно наружу, даже после длительного подвергания воздействию достаточно высоких температур, таких, которые достигаются в процессе использования силового кабеля. Даже в отсутствие реакций олигомеризации побочные продукты главным образом остаются в частицах цеолита, поскольку их растворимость в сшитом полимере ниже растворимости в частицах цеолита.
[0040] Другой эффект реакций олигомеризации побочных продуктов сшивания внутри частиц цеолита по изобретению может заключаться в улучшении поглощения побочных продуктов сшивания цеолитом. Хотя и без привязки к какой-либо теории, заявитель предположил, что побочные продукты после олигомеризации смещаются из реакционноспособных центров цеолита, оставляя эти центры свободными для реакции с дополнительно поступающими молекулами побочных продуктов, и это увеличивает количество поглощенных побочных продуктов заданным количеством частиц цеолита.
[0041] Предпочтительно, частицы цеолита имеют мольное отношение SiO2/Al2O3, равное или меньшее 20, более предпочтительно равное или меньшее 15.
[0042] Предпочтительно, частицы цеолита имеют максимальный диаметр сферы, которая может переноситься вдоль по меньшей мере одного (предпочтительно, всех трех) направления оси ячейки (здесь и далее также называемый «диаметром сферы»), равный или больший 3 Å. Как хорошо известно в области цеолитов, этот диаметр сферы предоставляет количественную информацию о размере каналов, присутствующих в структуре цеолита, которые могут проходить в одном измерении, двух измерениях или трех измерениях (так называемая «степень многомерности», которая может быть равна 1, 2 или 3). Предпочтительно, частицы цеолита по изобретению имеют степень многомерности, равную 2, более предпочтительно равную 3.
[0043] Предпочтительно, частицы цеолита имеют содержание натрия в пересчете на Na2O, равное или меньшее 0,3% по массе.
[0044] Частицы цеолита, имеющие компенсирующий заряд катион, выбираются из группы, состоящей из катиона аммония (NH4+) и катиона водорода (H+), мольное отношения SiO2/Al2O3, диаметр сферы и содержание натрия в предпочтительных диапазонах в соответствии с настоящим изобретением, способны поглощать большее количество побочных продуктов сшивания с высокой температурой кипения по сравнению с другими частицами цеолита, у которых отсутствует по меньшей мере один из указанных признаков в соответствии с изобретением.
[0045] Больше подробностей о номенклатуре параметрах цеолитов можно найти, например, в IUPAC Recommendations 2001, Pure Appl. Chem., Vol. 73, No. 2, pp. 381-394, 2001, или на веб-сайте Международной ассоциации по цеолитам (IZA) (http:/www.iza-structure.org/).
[0046] Размещение частиц цеолита между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем позволяет использовать меньшее количество частиц цеолита, чем ожидалось. Это количество может меняться и может зависеть от количества побочных продуктов, подлежащих удалению, толщины изолирующего слоя, температуры дегазации и желаемого конечного содержания побочных продуктов.
[0047] Что касается слоя сшитой электрической изоляции (сшитого электроизолирующего слоя), он предпочтительно включает по меньшей мере один полиолефин, более предпочтительно по меньшей мере один гомополимер этилена или сополимер этилена с по меньшей мере одним альфа-олефином C3-C12, имеющий плотность от 0,910 г/см3 до 0,970 г/см3, более предпочтительно от 0,915 г/см3 до 0,940 г/см3.
[0048] Предпочтительно, гомополимер этилена или сополимер этилена имеет температуру плавления (Tп) более 100°С и/или энтальпию плавления (ΔHп) более 50 Дж/г.
[0049] Предпочтительно, гомополимер этилена или сополимер этилена выбирается из: полиэтилена средней плотности (ПЭСП), имеющего плотность от 0,926 г/см3 до 0,970 г/см3; полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), имеющих плотность от 0,910 г/см3 до 0,926 г/см3; полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), имеющего плотность от 0,940 г/см3 до 0,970 г/см3. В варианте осуществления изобретения сшитый электроизолирующий слой включает НЭНП.
[0050] Предпочтительно, полиолефин, формирующий сшитый электроизолирующий слой, сшивается реакцией с по меньшей мере одной органической перекисью. Предпочтительно, органическая перекись имеет формулу R1-O-O-R2, где R1 и R2, одинаковые или отличные друг от друга, являются линейными или, предпочтительно, разветвленными алкилами С1-С18, арилами C6-C12, алкиларилами или арилалкилами C7-C24. В предпочтительном варианте осуществления органическая перекись выбирается из: дикумиловой перикиси, трет-бутилкумиловой перикиси, 2,5-диметил-2,5-ди(трет-бутилперокси)гексана, ди-трет-бутиловой перекиси или их смесей.
[0051] Предпочтительно, органическая перекись добавляется в полиолефин в количестве от 0,05% до 8% по массе, более предпочтительно от 0,1% до 5% по массе.
[0052] Сшитый электроизолирующий слой может дополнительно включать эффективное количество одной или более добавок, выбранных из: антиоксидантов, термостабилизаторов, вспомогательных технологических веществ, замедлителей вулканизации, неорганических заполнителей.
[0053] Что касается полупроводящих слоев, они формируются сшитым полимерным материалом, предпочтительно тем же самым сшитым полеолефином, используемым для электроизолирующего слоя, и по меньшей мере одним проводящим заполнителем, предпочтительно, заполнителем-углеродной сажей. Проводящий заполнитель обычно распределяется внутри сшитого полимерного материала в таком количестве, чтобы предоставить материалу полупроводящие свойства, а именно, чтобы получить значение удельного объемного электрического сопротивления при комнатной температуре менее 500 Ом·м, предпочтительно менее 20 Ом·м. Обычно количество углеродной сажи может составлять в диапазоне от 1 до 50% по массе, предпочтительно от 3 до 30% по массе относительно веса полимера.
[0054] Изготовление силового кабеля в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлено в соответствии с известными технологиями, в частности, путем экструзии электроизолирующего слоя и упомянутого по меньшей мере одного полупроводящего слоя поверх токопроводящей жилы.
[0055] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, токопроводящая жила образована множеством скрученных электропроводящих нитей (многожильный проводник).
[0056] Частицы цеолита могут быть также нанесена на по меньшей мере одну оплетку, помещенную в пределах скрученных электропроводящих нитей.
[0057] В соответствии с вариантом осуществления, лента, содержащая частицы цеолита, также наматывается на внешний полупроводящий слой, расположенный поверх электроизолирующего слоя. Далее сердечник кабеля, свободный от металлического экрана, нагревается до температуры с тем, чтобы вызвать миграцию побочных продуктов сшивания из сшитого электроизолирующего слоя к частицам цеолита, посредством чего частицы цеолита поглощают побочные продукты сшивания. После этого вокруг сердечника силового кабеля помещается металлический экран в соответствии с хорошо известными технологиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0058] Дополнительные характеристики будут очевидны из подробного описания, приведенного здесь далее со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
[0059] Фигура 1 представляет собой поперечное сечение силового кабеля по первому варианту осуществления, особенно подходящего для среднего или высокого напряжения, в соответствии с настоящим изобретением.
[0060] Фигура 2 представляет собой поперечное сечение силового кабеля по второму варианту осуществления, особенно подходящего для среднего или высокого напряжения, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0061] На Фигуре 1 схематически представлено поперечное сечение предпочтительного варианта осуществления кабеля (1) в соответствии с настоящим изобретением, который содержит токопроводящую жилу (2), систему сшитой электрической изоляции, состоящую из внутреннего полупроводящего слоя (3), электрически изолирующего слоя (4) и внешнего полупроводящего слоя (5), металлического экрана (6) и оболочки (7). Токопроводящую жилу (2), внутренний полупроводящий слой (3), электрически изолирующий слой (4) и внешний полупроводящий слой (5) составляют сердечник кабеля (1). Кабель (1) в частности предназначен для передачи тока при среднем и высоком напряжениях.
[0062] Жила (2) состоит из металлических нитей (проволок) (2а), предпочтительно медных или алюминиевых, или из обеих, скрученных вместе с использованием традиционных способов. Электрически изолирующий слой (4), полупроводящие слои (3) и (5) выполнены путем экструзии и сшивания полимерных материалов в соответствии с известными технологиями. Вокруг внешнего полупроводящего слоя (5) обычно расположен слой (6) металлического экрана, выполненный из электрически проводящих проволок или полосок, намотанных по спирали вокруг сердечника кабеля, или из электрически проводящей ленты, обернутой в продольном направлении вокруг сердечника кабеля и перекрывающий (предпочтительно приклеенный) нижерасположенный слой. Электрически проводящий материал упомянутых проволок, полосок или лент является обычно либо медью, либо алюминием, либо обоими. Экранирующий слой (6) может быть покрыт оболочкой (7), обычно выполненной из полиолефина, обычно полиэтилена, в частности, полиэтилена высокой плотности.
[0063] В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, лента (8), в которой распределены частицы цеолита, намотана вокруг жилы (2), и на ней экструзией образован внутренний полупроводящий слой (3).
[0064] Частицы цеолита могут быть распределены в заполняющем материале, предпочтительно буферном заполняющем материале, который размещен между нитями (2а) токопроводящей жилы (2) для того, чтобы избежать распространения воды или влаги, которые могут проникать внутрь жилы (2) кабеля, в частности, когда кабель (1) предназначен для установки в очень влажных окружающих средах или под водой.
[0065] Заполняющий материал предпочтительно является полимерным заполняющим материалом, который может быть предоставлен в сердечник кабеля непрерывным процессом нанесения, в частности, экструзией или пултрузией. Заполняющий материал может включать полимерный материал и, преимущественно, гигроскопический материал, например, соединение на основе сополимера этилена, например, сополимер винилацетата/этилена, заполненный влагопоглощающим порошком, например, порошком полиакрилата натрия.
[0066] На Фигуре 2 схематически отображено поперечное сечение другого предпочтительного варианта осуществления кабеля (1) в соответствии с настоящим изобретением, который включает те же элементы, что описаны на Фигуре 1, с добавлением ленты (8'), намотанной на внешний полупроводящий слой (5), в которой распределены частицы цеолита. В дополнительном варианте осуществления частицы цеолита могут быть также распределены в заполняющем материале, размещенном в пустотах (2b) между металлическими нитями (2а), формирующими токопроводящую жилу (2).
[0067] Фигуры 1 и 2 изображают только два варианта осуществления настоящего изобретения. Для этих вариантов осуществления могут быть выполнены подходящие модификации в соответствии с конкретными техническими потребностями и требованиями области применения, не выходя за рамки изобретения.
[0068] Следующие примеры приведены для дополнительного пояснения изобретения.
ПРИМЕРЫ 1-3
[0069] Осуществляли несколько экспериментов для оценки способности лент с частицами цеолита поглощать побочные продукты, образуемые в процессе реакции сшивания полиэтилена с кумиловой перекисью и, в частности, кумилового спирта, одного из основных из этих побочных продуктов.
[0070] Лента содержала частицы цеолита. Частицами цеолита были CBV 600 (цеолит Y-типа, имеющий: компенсирующий заряд катион = H+; удельную площадь поверхности = 660 м2/г; отношение SiO2/Al2O3 = 5,2; % Na2O = 0,2; степень многомерности = 3; максимальный диаметр сферы переноса = 7,35 Å).
[0071] Ленту размещали между жилой и внутренним полупроводящим слоем и, необязательно, также вокруг внешнего полупроводящего слоя кабелей, имеющих площадь сечения жилы 1800 мм2, где внутренний полупроводящий слой имел внутренний диаметр около 51 мм, а внешний полупроводящий слой имел внешний диаметр около 97 мм.
[0072] Количество частиц цеолита, размещенных между жилой и внутренним полупроводящим слоем (SCI), составляло всего 0,0059 г/см3. Составляя сумму количества частиц цеолита в ленте, размещенной между жилой и внутренним полупроводящим слоем (SCI), а также в ленте вокруг внешнего полупроводящего слоя (SCE), количество частиц цеолита в кабеле составляло около 0,011 г/см3 (0,0059 г/см3 между жилой и внутренним полупроводящим слоем +0,0059 г/см3 вокруг внешнего полупроводящего слоя). Один из экспериментальных кабелей не содержал частиц цеолита.
[0073] Концентрации побочных продуктов сшивания измеряли с помощью колонки для газовой хроматографии для материала системы сшитой изоляции.
[0074] Эксперименты осуществляли на кабелях, поддерживаемых при температуре 70°С. Результаты приведены в Таблице 1.
Таблица 1
| Пример | Расположение ленты с цеолитом | Концентрация побочных продуктов сшивания (%) | ||
| День 0 | День 26 | День 45 | ||
| 1 (*) | (Нет) | 0,76 | - | 0,28 |
| 2 | SCI | 0,79 | 0,40 | - |
| 3 | SCI+/SCE | 0,78 | 0,37 | - |
Таблица 2
| Пример | Расположение ленты с цеолитом | Концентрация кумилового спирта (%) | ||
| День 0 | День 26 | День 45 | ||
| 1 (*) | (Нет) | 0,47 | - | 0,20 |
| 2 | SCI | 0,50 | 0,23 | - |
| 3 | SCI+SCE | 0,48 | 0,21 | - |
[0075] Пример, отмеченный звездочкой (*) является сравнительным.
[0076] SCI=лента с цеолитом, размещенная между жилой и внутренним полупроводящим слоем (количество цеолита 0,0059 г/см3).
[0077] SCI+SCE=лента с цеолитом, размещенная между жилой и внутренним полупроводящим слоем и вокруг внешнего полупроводящего слоя (количество цеолита 0,011 г/см3).
[0078] Из данных, приведенных в Таблице 1, очевидно, что в Примере 2 и 3 в соответствии с изобретением цеолиты способны уменьшать концентрацию побочных продуктов сшивания и, в частности, концентрацию кумилового спирта за существенно более короткий промежуток времени по сравнению с известной процедурой дегазации даже при использовании в уменьшенном количестве. Дополнительное присутствие частиц цеолита во внешнем полупроводящем слое (кабель по Примеру 3) улучшает уменьшение концентрации побочных продуктов сшивания, но этот эффект по-видимому менее значительный по сравнению с эффектом от присутствия частиц цеолита, размещенных между жилой и внутренним полупроводящим слоем.
ПРИМЕР 4
[0079] Систему изоляции кабеля, аналогичную системе по Примеру 1, анализировали после нахождения около 20 дней после изготовления при 70°С и обнаружили, что общее содержание побочных продуктов сшивания уменьшилось от 1,3% до 0,37% (обнаружили, что содержание кумилового спирта уменьшилось от 0,82% до 0,22%). После около одного года (нахождения при комнатной температуре) осуществили другой анализ и обнаружили, что содержание побочных продуктов сшивания дополнительно уменьшилось по существу до 0%.
[0080] Из этих данных мы можем сделать вывод, что частицы цеолита, размещенные в окрестностях системы изоляции силового кабеля, способны уменьшить, вплоть до полного исключения, содержание побочных продуктов сшивания не только в процессе нагрева для дегазации, но и также в процессе хранения кабеля при температуре окружающей среды.
*****
[0081] Уменьшение концентрации кумилового спирта в системе изоляции подразумевает диффузию соединения в радиальном направлении как внутрь системы изоляции (где он поглощается частицами цеолита), так и наружу из системы изоляции (где он может рассеиваться в атмосфере). Время диффузии важно, и предполагается в зависимости от толщины системы изоляции.
[0082] По последним оценкам, для толщины изоляции 25 мм было принято количество частиц цеолита по меньшей мере 70 г/м (что соответствует около 0,01 г/см3 для жилы кабеля сечением 2000 мм2) для достижения конечной цели по содержанию кумилового спирта 0,32 мас.% в системе изоляции после 25 дневного периода дегазации при 70°С, в то время как для толщины изоляции 15 мм было принято количество частиц цеолита по меньшей мере 27 г/м (что соответствует около 0,005 г/см3 для жилы кабеля сечением 1100 мм2) для достижения той же вышеуказанной конечной цели.
[0083] Эти значения рассматривались для учета различной длины пути диффузии кумилового спирта до достижения либо поглощающего материала, либо внешней атмосферы.
[0084] С удивлением было обнаружено, что даже при существенно большой толщине для достижения и превышения границ желаемой концентрации остаточного кумилового спирта достаточно относительно небольшого количества частиц цеолита, что подтверждено вышеприведенными Примерами 2 и 3.
1. Силовой кабель, содержащий по меньшей мере один сердечник кабеля, включающий в себя токопроводящую жилу, систему сшитой электрической изоляции, содержащую внутренний полупроводящий слой, изолирующий слой и внешний полупроводящий слой, и частицы цеолита, размещенные между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем, при этом частицы цеолита имеют:
(а) компенсирующий заряд катион, выбираемый из группы, состоящей из катиона аммония (NH4+) и катиона водорода (H+);
(б) мольное отношение SiO2/Al2O3, равное или меньшее 20;
(с) содержание натрия в пересчете на Na2O, равное или меньшее 0,3% по массе.
2. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита размещены в контакте с внутренним полупроводящим слоем.
3. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита дополнительно размещены во внешнем полупроводящем слое или в контакте с ним.
4. Силовой кабель по п.3, в котором частицы цеолита размещены в контакте с внешним полупроводящим слоем.
5. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита распределены на основе, включающей любую из оплетки или ленты.
6. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита присутствуют в количестве менее 0,01 г/см3.
7. Силовой кабель по п.6, в котором частицы цеолита присутствуют в количестве не более 0,008 г/см3.
8. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита имеют мольное отношение SiO2/Al2O3, равное или меньшее 15.
9. Силовой кабель по п.1, в котором частицы цеолита имеют максимальный диаметр сферы, которая может переноситься вдоль по меньшей мере одного из направлений осей ячейки, равный или больший 3 Å.
10. Способ изготовления силового кабеля по п.1 с извлечением побочных продуктов сшивания из системы сшитой электрической изоляции сердечника силового кабеля, включающий следующие последовательные этапы:
изготовление сердечника силового кабеля, включающего в себя токопроводящую жилу, систему сшитой электрической изоляции, содержащую побочные продукты сшивания и включающую в себя внутренний полупроводящий слой, изолирующий слой и внешний полупроводящий слой, и частицы цеолита, размещенные между токопроводящей жилой и внутренним полупроводящим слоем, при этом частицы цеолита имеют:
(а) компенсирующий заряд катион, выбираемый из группы, состоящей из катиона аммония (NH4+) и катиона водорода (H+);
(б) мольное отношение SiO2/Al2O3, равное или меньшее 20;
(с) содержание натрия в пересчете на Na2O, равное или меньшее 0,3% по массе;
нагрев сердечника силового кабеля до температуры, вызывающей миграцию побочных продуктов сшивания из системы сшитой электрической изоляции к частицам цеолита, вследствие чего частицы цеолита поглощают побочные продукты сшивания; и
последующее размещение металлического экрана вокруг сердечника силового кабеля.
11. Способ по п.10, в котором этап нагрева осуществляют при температуре от 70°С до 80°С в течение времени от 7 до 15 дней.
12. Способ по п.10, в котором этап нагрева вызывает необратимое поглощение по меньшей мере одной фракции побочных продуктов сшивания частицами цеолита.
