СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КАБЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (DC), ИЛИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА (DC), ИЛИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МЕСТА СОЕДИНЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF INSULATED HV DIRECT CURRENT (DC) ELECTRIC CABLE OR HV DIRECT CURRENT (DC) ELECTRIC CABLE OF HV JUNCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в основном, к высоковольтному электроэнергетическому оборудованию. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу получения изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) или высоковольтного вывода постоянного тока (DC) или высоковольтного места соединения.
Описание предшествующего уровня техники и
уровень техники изобретения
Экструдированная твердая изоляция на основе полиэтилена или сшитого полиэтилена (XLPE) в течение почти 40 лет используется для изоляции кабеля для передачи и распределения переменного тока (AC).
Следовательно, возможность использования XLPE для изоляции кабеля постоянного тока (DC) исследуется в течение многих лет. Кабели с такой изоляцией обладают такими же преимуществами, что и кабель с вязкой пропиткой в том, что для трансмиссии постоянного тока (DC) не существуют ограничения по длине схемы, и они имеют возможность эксплуатироваться при более высоких температурах, тем самым предоставляя возможность повысить передаточную нагрузку.
Однако не представляется возможным использовать весь потенциал таких материалов для полноразмерных кабелей. Предполагается, что это является одной из главных причин, приводящих к увеличению и накоплению объемного заряда диэлектрика при воздействии постоянного (DC) электрического тока. Эти объемные заряды искажают распределение напряжения и продолжают существовать длительный период из-за высокого удельного сопротивления полимеров. Объемные заряды в изоляторе при воздействии сил электрического поля постоянного тока (DC) создают аккумулирование до такой степени, что образуется поляризованный образец, подобный конденсатору.
Существуют две основные модели аккумулирования объемного заряда, отличающиеся полярностью аккумулирования объемного заряда. Аккумулирование объемного заряда приводит к локальному повышению в определенных точках актуального электрического поля относительно поля, которое предполагалось бы с учетом геометрических размеров и диэлектрических характеристик изоляции. Отмеченное увеличение актуального поля относительно предлагаемого может быть в 5 или даже в 10 раз.
Таким образом, проектируемое поле для изоляции кабеля должно включать фактор безопасности, учитывающий для этого значительно более высокое поле, приводящее к использованию для изоляции кабеля более толстых и/или более дорогостоящих материалов. Нарастание аккумулирования объемного заряда является медленным процессом и, следовательно, эта проблема усугубляется, если полярность кабеля реверсируется после эксплуатации в течение длительного периода при одной и той же полярности. В результате такого реверсирования емкостное поле накладывается на поле, полученное при накоплении объемного заряда, а точка максимального напряжения движется от границы раздела и внутрь (вглубь) изоляции. Были предприняты попытки улучшить ситуацию применением добавок для снижения сопротивления изоляции без значительного воздействия на другие свойства.
Экструдированная композиция смолы для изоляции кабелей переменного тока (AC) обычно включает полиэтиленовую смолу в качестве основного полимера, дополненную различными добавками, такими как сшивающие перекисные присадки, ингибиторы преждевременной полимеризации и антиоксидант или система антиоксидантов. В случае экструдированной изоляции полупроводящие защитные экраны обычно также экструдируются и включают состав смолы, которая в дополнение к основному полимеру и электропроводящему или полупроводящему наполнителю включает, главным образом, добавку того же типа. Различные экструдированные слои в изолированном кабеле в основном часто основаны на полиэтиленовой смоле. Полиэтиленовая смола означает обычно и в данной заявке смолу на основе полиэтилена или сополимера этилена, в котором этиленовый мономер составляет главную часть массы.
Таким образом, полиэтиленовые смолы могут быть составлены из этилена и одного или более мономеров, которые обладают способностью сополимеризации с этиленом. Полиэтилен низкой плотности (LDPE) является сегодня преобладающим основным изоляционным материалом для кабелей переменного тока (AC). Для улучшения физических свойств экструдированной изоляции и ее способности противостоять разрушению и разложению под влиянием условий, преобладающих при производстве, транспортировке, укладке и использовании такого кабеля, составы на основе полиэтилена обычно включают добавки, такие как стабилизирующие добавки, например антиоксиданты, акцепторы электронов для препятствия разложению из-за окисления, радиации и т.д., смазывающие добавки, например стеариновая кислота, для улучшения обрабатываемости, добавки для улучшенной способности противостоять электрическому напряжению, например для улучшенной стойкости к водному триингу, например полиэтиленгликоль, силиконы и т.д., и сшивающие агенты, такие как перекиси, которые разлагаются при нагревании с образованием свободных радикалов и инициируют сшивку полиэтиленовой смолы, иногда используемые в комбинации с ненасыщенными соединениями, обладающими возможностью улучшить плотность сшивки, ингибиторы преждевременной сшивки.
Количество различных добавок велико и возможные их комбинации существенным образом не ограничиваются. При выборе добавки или комбинации или группы добавок цель состоит в том, чтобы одно или более свойств были улучшены, в то время как другие должны быть сохранены или, если возможно, также улучшены. Однако в действительности за этим всегда следует невозможность предугадать все возможные стороны эффекта изменения в системе добавок. В других случаях улучшения, которые искали, являются такими достоинствами, что некоторые небольшие отрицательные свойства должны быть приемлемыми, хотя всегда целью является минимизировать такие негативные влияния.
Несмотря на то, что некоторые недостатки при использовании составов XLPE известны в течение длительного времени, его преимущества (например, способность предотвращать преждевременную полимеризацию, т.е. преждевременную сшивку) перевешивают эти отрицательные стороны. Более того, хорошо известно, что такой вид XLPE композиции проявляет устойчивую тенденцию к образованию объемных зарядов под воздействием электрического поля постоянного тока, делая этот вид композиции непригодным для использования в системах изоляции для кабелей постоянного тока. Однако также хорошо известно, что продолжительное обезгаживание, т.е. воздействие на сшитую изоляцию кабеля высокой температуры в течение длительного периода времени, должно привести к снижению тенденции аккумулирования объемного заряда под действием напряжения постоянного тока. Обычно предполагают, что термическая обработка удаляет из изоляции продукты декомпозиции пероксида, такие как ацетофенон и кумиловый спирт, посредством чего аккумуляция объемного заряда снижается. Обезгаживание является групповым способом, занимающим много времени, сравнимым с импрегнированием бумажной изоляции и таким образом дорогостоящим. Следовательно, он является выигрышным, если отсутствует необходимость в обезгаживании. Большинство известных сшитых полиэтиленовых композиций, используемых для экструдированной изоляции кабелей переменного (AC) тока, обнаруживают тенденцию к аккумулированию объемного заряда, что представляет их непригодными для использования в системах изоляции кабелей постоянного тока (DC).
Краткое описание изобретения
Таким образом, желательно разработать способ изготовления изолированного кабеля постоянного тока с экструдированной системой электрической изоляции на основе полимера, пригодного для использования в качестве кабеля передачи и распределения в сетях и изоляции для передачи и распределения электроэнергии постоянного тока. Способ нанесения и впоследствии способ обработки экструдированной системы изоляции предпочтительно должен проводиться таким образом, чтобы не нужно было очень длительного времени, затраченного на групповую обработку (например, термическую обработку) кабеля, чтобы гарантировать стабильные и согласующиеся диэлектрические свойства и высокую и согласующуюся электрическую прочность изоляции кабеля. Полученная изоляция кабеля должна проявлять в дальнейшем низкую склонность к аккумулированию объемного заряда, высокую электрическую прочность DC, высокую импульсную прочность и высокое сопротивление изоляции. Принятие такого способа предоставит как технические, так и экономические выгоды по сравнению со способами предыдущего уровня техники, так, например, производственное время и стоимость производства могут быть уменьшены и предоставлена возможность практически непрерывного или, по меньшей мере, частично непрерывного способа нанесения и обработки системы кабельной изоляции. В дальнейшем способ должен гарантировать, что надежность, низкие требования к содержанию и техническому обслуживанию и длительный срок службы традиционного кабеля постоянного тока, включающего изоляцию на импрегнированной бумажной основе, должны быть сохранены или улучшены.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа получения изолированного электрического высоковольтного кабеля, как указывается выше. Также задача настоящего изобретения состоит в получении высоковольтного концевого вывода постоянного тока (DC) или высоковольтного места соединения постоянного тока (DC), обладающих аналогичными свойствами.
Эта задача наряду с другими решается, в соответствии с настоящим изобретением, посредством способов, заявленных в приложенной формуле изобретения.
В соответствии с одним из аспектов изобретения предлагается способ получения изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) или высоковольтного концевого вывода постоянного тока (DC) или высоковольтного места соединения. Способ включает стадии получения системы изоляции на полимерной основе, включающей перемешанную полимерную композицию, предпочтительно смешанную полиэтиленовую композицию, возможно сшивания полимерной композиции и, наконец, термической обработки системы изоляции на полимерной основе пока наружная поверхность системы изоляции на полимерной основе покрывается покрытием, непроницаемым для, по меньшей мере, одного вещества, находящегося в системе изоляции на полимерной основе в неоднородном распределении, тем самым выравнивая концентрацию, по меньшей мере, одного вещества в системе изоляции на полимерной основе. По меньшей мере, одно вещество включает обычно продукты сшивки полимера и добавки различной природы, как обсуждалось выше, вещества которых обычно повышают электропроводность.
С помощью такого способа концентрация, по меньшей мере, одного вещества и, таким образом, электропроводность на границе раздела, т.е. внутренней и наружной поверхностей, системы изоляции на полимерной основе может быть повышена, уменьшая посредством этого напряженность электрического поля и объемный заряд на этих границах раздела.
В одном варианте воплощения вышеупомянутая процедура термической обработки выполняется после термической обработки для удаления, например, метана из системы изоляции на полимерной основе. В результате этой предварительной термической обработки концентрационный профиль изменяется от параболической формы к монотонно убывающему концентрационному профилю по направлению к наружной поверхности системы изоляции на полимерной основе. Таким образом, задержанная термическая обработка с непроницаемым покрытием предпочтительно выполняется для повышения концентрации, по меньшей мере, одного вещества, граничащего с наружной поверхностью системы изоляции на основе полимера.
В одном варианте воплощения способ существует для производства изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC), а стадия получения системы изоляции на полимерной основе включает экструзию системы изоляции на полимерной основе вокруг проводника.
Непроницаемое покрытие для, по меньшей мере, одного вещества может быть покрытием, изготовленным обволакиванием вокруг рулона экструдированного кабеля постоянного тока (DC) наподобие накрученного на барабан или в резервуаре. В качестве альтернативы проводится более поздняя термическая обработка последовательно с покрытием экструдированного кабеля постоянного тока (DC) свинцовым листом, металлическим слоистым материалом и/или наружным покрытием или защитным слоем при условии, что этот слой является непроницаемым для, по меньшей мере, одного вещества, присутствующего в экструдированной системе изоляции.
В дальнейшем характеристики изобретения и его преимущества будут очевидны из следующего детального описания вариантов воплощения изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является блок-схемой способа изготовления изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
Фиг.2 иллюстрирует схематически вид в разрезе высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) в изготовленном состоянии в соответствии с блок-схемой на фиг.1.
Фиг.3a-c представляют диаграммы концентрации, напряженности электрического поля и объемного заряда как функции расстояния по радиусу внутри системы изоляции на полимерной основе высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) на фиг.2 перед процессом термической обработки для удаления метана из системы изоляции на полимерной основе.
Фиг.4a-c представляют диаграммы концентрации, напряженности электрического поля и объемного заряда как функции расстояния по радиусу внутри системы изоляции на полимерной основе высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) на фиг.2 после процесса термической обработки для удаления метана из системы изоляции на полимерной основе.
Подробное описание вариантов воплощения
Способ изготовления изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения будет теперь описан со ссылкой на фиг.1 и 2. Последняя фигура показывает в разрезе вид изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC). Кабель постоянного тока (DC) включает от центра и с внешней стороны витой проводник 10 в виде системы тонких проводов, первый экструдированный полупроводящий экран 11, расположенный вокруг и с наружной стороны проводника 10, экструдированную изоляцию 12 проводника на полиэтиленовой основе с экструдированным сшитым составом, как будет описано в дальнейшем, второй экструдированный полупроводящий экран 13, расположенный с наружной стороны изоляции 12 проводника, металлический экран 14 и наружное покрытие или облицовку 15, размещенную с наружной стороны металлического экрана 14.
Кабель постоянного тока (DC) может быть дополнен различными путями, если это будет признано соответствующим, различными функциональными слоями или другими конструктивными особенностями. Он может быть, например, дополнен элементами жесткости в виде металлической проволоки с наружной стороны наружного экструдированного экрана 13, герметизирующим компаундом или набухающим в воде порошком, введенным на границу раздела металл/полимер, или системой, полученной, например, ламинированием полиэтилена устойчивым к коррозии металлом и продольным уплотнением водой, выполненным с помощью набухающего в воде материала, например ленты или порошка, под облицовкой 15. Проводник может не быть витым, но может быть любой требуемой формы и строения, таким как витой проводник в виде системы тонких проводников, одножильный проводник или секционированный проводник.
В соответствии со способом изготовления изолированного электрического высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) система изоляции на полимерной основе на стадии 21 является экструдированной вокруг проводника 10, где система изоляции на полимерной основе включает полупроводящий защитный экран 11, изоляцию 12 проводника на основе полиэтилена и второй полупроводящий защитный экран 13. В альтернативном варианте воплощения изоляция проводника на полиэтиленовой основе заменяется изоляцией проводника на другой полимерной основе.
Ниже приводится краткое описание одного иллюстративного способа выполнения экструзии. Квалифицированный специалист представляет себе, что существуют другие технологии экструзии, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
В типовом способе проводник загружается из подающего устройства через оборудование экструзии и другие устройства обработки и кондиционирования и в итоге принимается приемным устройством токоведущей жилы кабеля. Устройство, подающее проводник, и приемное устройство токоведущей жилы могут бобинами или барабанами, пригодными для дискретной длины, но могут быть любого отвечающего требованиям типа, включающего устройства для практически непрерывной обработки подаваемого проводника и изготовленного кабеля. Проводник пропускают перед первым витком через подогреватель проводника, в котором он подогревается до соответствующей температуры, перед тем как экструзией наносится система изоляции. Способ пригоден для регулярной экструзии в три канала, в которой используется экструдер с утроенной головкой. Внутренние и наружные полупроводящие слои наносятся с использованием двух отдельных экструдеров, а в дальнейшем используется третий экструдер для основной изоляции.
После операции экструзии экструдированная изоляция 12 проводника на основе полиэтилена является сшитой преимущественно на стадии 22. С этого конца изолированный кабель постоянного тока (DC) пропускается через камеру отверждения под давлением и охлаждения, параметры в которой контролируются для гарантирования требуемой степени сшивки и других структурных характеристик, что может быть выполнено контролируемым кондиционированием и охлаждением экструдированной системы изоляции. Обычно экструдированная изоляция 12 проводника на полиэтиленовой основе включает ряд добавок, среди которых пероксид дикумила и добавки. После этого кабель вытягивается через гусеничный отвод из экструдера и выше второго витка перед тем, как подать его в приемное устройство для последующей обработки.
Упомянутый выше подход предлагает возможность практически непрерывного или частично непрерывного способа нанесения и обработки экструдированной системы изоляции.
В результате этого способа, однако, появится метан в сшитой изоляции 12 проводника на полиэтиленовой основе. Любое количество метана может быть удалено при воздействии на стадии 23 на экструдированный кабель постоянного тока (DC) термической обработки, пока наружная поверхность экструдированной изоляции на полимерной основе сохраняется свободной от любого покрытия, тем самым давая возможность метану удаляться.
Затем на стадии 24 наружная поверхность экструдированной изоляции на полимерной основе покрывается покрытием, непроницаемым для одного или более веществ, присутствующих в экструдируемой системе изоляции в неравномерном распределении.
Одно или более веществ включают предпочтительно один или более остаточных или побочных продуктов сшивки и/или одну или более добавок. Остаточные продукты включают обычно продукты разложения пероксида, такие как ацетофенон и кумиловый спирт, а добавки включают обычно один или более антиоксидантов и ингибиторов преждевременной полимеризации. Однако другие добавки могут иметь равную или даже большую важность.
Экструдированный кабель постоянного тока (DC) может быть смотан на катушку или в камере, и на целый рулон экструдированного кабеля постоянного тока может быть нанесено покрытие, непроницаемое для одного или более веществ. Предпочтительно вокруг рулона кабеля постоянного тока (DC) наносится обертыванием тонкая металлическая фольга или подобное.
Альтернативно непроницаемое для одного или более веществ покрытие может быть металлическим экраном 14 или наружным покрытием или оболочкой 15, расположенной снаружи металлического экрана 14. Металлический экран может быть свинцовым листом или металлическим многослойным материалом.
Затем, после нанесения непроницаемого покрытия на экструдированный кабель постоянного тока (DC), экструдированный кабель постоянного тока (DC) подвергается, на стадии 25, воздействию процедуры термической обработки для того, чтобы выравнивать концентрацию одного или более веществ в экструдированной системе изоляции, в особенности на границе с наружной поверхностью экструдированной системы изоляции. В частности, поскольку первая термическая обработка для удаления метана обычно вызывает изменение концентрационного профиля от параболической формы до монотонно убывающего концентрационного профиля, как видно от внутренней поверхности экструдированной системы изоляции, вторая термическая обработка непроницаемым покрытием заставляет концентрацию одного или более веществ увеличиваться на границе с наружной поверхностью экструдированной системы изоляции.
Эта процедура термической обработки может быть выполнена в зависимости от специфического практического применения и в зависимости от специфических используемых сшивающих добавок. Однако температура и время обработки, которые обычно применяются для общепринятых добавок, используемых в наше время, указываются ниже.
Процедура термической обработки выполняется предпочтительно при температуре между 50 и 120°C, а наиболее предпочтительно между 70 и 90°C и в течение времени, которое тем короче, чем выше температура, предпочтительно между 24 и 72 часами, если температура составляет 80°C.
Окончательно металлический экран 14 и наружное покрытие или оболочка 15 предусматриваются, если они уже не предусмотрены в виде непроницаемого покрытия.
Фиг.3a-c являются диаграммами концентрации, напряженности электрического поля и объемного заряда как функции расстояния по радиусу внутри экструдированной системы изоляции высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) на фиг.2 перед технологическим процессом термической обработки для удаления метана из экструдированной системы изоляции, вычисленными с помощью упрощенной модели. Левая сторона диаграммы соответствует расположению у внутренней поверхности экструдированной системы изоляции, а правая сторона соответствует расположению у наружной поверхности экструдированной системы изоляции. Как можно видеть, концентрационный профиль имеет параболическую форму (фиг.3а). Монотонное убывание напряженности электрического поля могло быть получено, если напряженность электрического поля не находилась в зависимости от концентрационного профиля одного или более веществ (фиг.3b). Однако если напряженность электрического поля зависит от одного или более веществ, профиль электрического поля с высоким уровнем напряженности электрического поля у внутренней и наружной поверхностей экструдированной системы изоляции получается там из-за более высокого удельного электрического сопротивления (фиг.3b). Объемный заряд обладает распределением, которое повышается по направлению к наружной поверхности экструдированной системы изоляции (фиг.3с).
Фиг.4a-c являются диаграммами концентрации, напряженности электрического поля и объемного заряда как функции расстояния по радиусу внутри экструдированной системы изоляции высоковольтного кабеля постоянного тока (DC) на фиг.2 после технологического процесса термической обработки для удаления метана из экструдированной системы изоляции, вычисленными с помощью упрощенной модели. Левая сторона диаграммы, как и до того, соответствует расположению у внутренней поверхности экструдированной системы изоляции, а правая сторона соответствует расположению у наружной поверхности экструдированной системы изоляции. Здесь концентрационный профиль монотонно убывает по направлению к наружной поверхности экструдированной системы изоляции (фиг.4а). Как и на предыдущих диаграммах, монотонно убывающая напряженность электрического поля могла быть получена, если напряженность электрического поля не находилась в зависимости от концентрационного профиля одного или более веществ (фиг.4b). Однако если напряженность электрического поля зависит от одного или более веществ, получается распределение напряженности электрического поля, которое увеличивается по направлению к наружной поверхности экструдированной системы изоляции (фиг.4b). Объемный заряд обладает распределением, которое несущественно увеличивается по направлению к наружной поверхности экструдированной системы изоляции (фиг.4с).
Диаграммы на фиг.3 и 4 формируют предположение, что температурное распределение является однородным и что зависимостью напряженности электрического поля от удельной электропроводности можно пренебречь. На самом деле могут присутствовать температурный градиент и процессы, такие как инжекция заряда у границы раздела и диссоциация внутри изоляционного материала, и оказывать влияние на распределение напряженности электрического поля.
Однако совершенно ясно, что настоящее изобретение наряду со снижением значительного градиента при сшивке продуктов, соседствующих с внутренней и наружной поверхностями экструдированной экструзией системы изоляции, и меньшим концентрированием на среднем значении концентрации сшитых продуктов совершенствует напряженность электрического поля и распределения объемного заряда внутри экструдированной системы изоляции. Другими словами, показано, что регулирование концентрационными профилями должно иметь наименьшую важность для управления напряженностью электрического поля и распределением объемного электрического заряда.
Следует принять во внимание, что настоящее изобретение применимо в равной степени к высоковольтным выводам постоянного тока (DC) и/или к высоковольтным местам соединения, которые не обязательно должны быть экструдированы.
Выводы и/или места соединения могут быть получены экструдированием в пресс-форме системы изоляции на полимерной основе.
В одном варианте воплощения изобретения система изоляции на полимерной основе предварительно формуется и подвергается термической обработке в соответствии с настоящим изобретением. В качестве таковых формованные выводы и/или места соединений могут быть поставлены и проданы. В процессе установки вокруг проводника предусмотрены формованные выводы и/или места соединения.
В альтернативном варианте воплощения формованная система изоляции на полимерной основе формуется предпочтительно посредством формования экструзией или прессованием ленты вокруг проводника перед стадией термической обработки системы изоляции на полимерной основе.