СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ, ИМЕЮЩИЙ УСТОЙЧИВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ
POWER CABLE WITH STABLE INSULANCE

Уровень техники изобретения
Данное изобретение относится к силовому кабелю. В частности, данное изобретение относится к кабелю, предназначенному для передачи и распределения электроэнергии, главным образом электроэнергии среднего или высокого напряжения, при этом вышеупомянутый кабель имеет по меньшей мере один термопластичный электроизоляционный слой.
Кабели для передачи электроэнергии, как правило, включают по меньшей мере одну жилу кабеля. Жила кабеля обычно образована по меньшей мере одним проводником, последовательно покрытым внутренним полимерным слоем, обладающим полупроводниковыми свойствами, промежуточным полимерным слоем, имеющим электроизоляционные свойства, наружным полимерным слоем, обладающим полупроводниковыми свойствами. Кабели для передачи электроэнергии среднего и высокого напряжения, как правило, включают в себя по меньшей мере одну кабельную жилу, окруженную по меньшей мере одним экранирующим слоем, как правило, изготовленным из металла, или материала, состоящего из металла и полимера. Экранирующий слой может быть изготовлен в виде проволок (оплетки из проволок), спирально намотанных вокруг кабельной жилы ленты или листа, продольно окружающего кабельную жилу. Полимерные слои, окружающие по меньшей мере одну жилу, обычно изготавливаются из сшитого полимера на основе полиолефина, в частности, из сшитого полиэтилена (XLPE), или эластомерного сополимера этилена и пропилена (EPR), или этилен-пропилен-диеновых (EPDM) сополимеров, также сшитых, как раскрыто, например, в WO 98/52197.
Чтобы решить вопросы, связанные с требованиями к материалам, которые не должны причинять ущерб окружающей среде как в процессе изготовления, так и в ходе эксплуатации, и которые должны подлежать вторичной переработке в конце срока службы кабеля, недавно разработанные силовые кабели имеют кабельную жилу, изготовленную из термопластичных материалов, т.е. полимерных материалов, которые не сшиты и, таким образом, могут подлежать вторичной переработке в конце срока службы кабеля.
В связи с этим, электрические кабели, имеющие в своем составе по меньшей мере один покровный слой, например изоляционный слой, на основе полипропиленовой матрицы с тщательно примешанным жидким диэлектриком, известны и раскрыты в WO 02/03398, WO 02/27731, WO 04/066317, WO 04/066318, WO 07/048422 и WO 08/058572. Полипропиленовая матрица, подходящая для данного класса кабелей, состоит из полипропиленового гомополимера или сополимера, или же из того и другого, отличается относительно низкой кристалличностью, такой чтобы придать кабелю надлежащую гибкость, но не ухудшить механические свойства и термобаростойкость при температурах рабочего и перегрузочного режимов эксплуатации кабеля. Присутствие жидкого диэлектрика, тщательно смешанного с вышеуказанной полипропиленовой матрицей, также благоприятно влияет на эффективность кабельной оболочки, в особенности изоляционного слоя кабеля. Жидкий диэлектрик не должен влиять на упомянутые механические свойства и термобаростойкость и должен быть тщательно и равномерно примешан к полимерной матрице.
Все более строгие долгосрочные рабочие характеристики кабеля, в особенности рассчитанного на применение в области среднего и высокого напряжения, все в большей степени востребованы международными стандартами, как из соображений безопасности, так и по экономическим причинам.
Одним из основных процессов, вероятно ускоряющим старение кабеля и сокращающим срок его службы, является так называемое «образование водных дендритов», возникающее в результате проникновения влаги в слои кабеля, главным образом в полупроводниковые и изоляционные слои. Проникновение влаги и последующее образование водных дендритов часто облегчается наличием пустот, дефектов (даже микродефектов) и загрязняющих примесей, присутствующих в слоях.
В области силовых кабелей, имеющих в качестве изоляционного слоя составы из сшитых полиолефинов, таких как сшитый полиэтилен (XLPE), или сшитые эластомерные этилен-пропиленовые (EPR) или этилен-пропилен-диеновые (EPDM) сополимеры, известно, что для того, чтобы предотвратить образование водных дендритов и его пагубные последствия, в материал, образующий изоляционный слой, добавляют небольшие количества добавок, обычно известных как «добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов», которые должны быть способны предотвращать рост водных дендритов и способствовать сохранению электрической прочности диэлектрика и, как следствие, продолжительному сроку службы кабеля.
Известны различные классы добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов. Например, в US 4370517 добиваются замедления образования дендритов в изоляции электрооборудования, такого как кабели и т.д., путем введения в изоляцию, окружающую токопроводящую жилу определенного содержания сложноэфирной группы. Можно использовать различные источники сложноэфирных групп. А именно, в полиолефин можно вводить соли или сложные эфиры жирных кислот. В качестве жирной кислоты можно использовать стеариновую кислоту, себациновую кислоту, или адипиновую кислоту, хотя обычный специалист в данной области заметит, что подходящей является любая жирная кислота и предпочтительно та, которая содержит от 6 до 31 атома углерода, при этом существенным моментом является наличие сложноэфирной группы самой по себе в полиолефиновом составе. Примерами подходящих солей жирных кислот являются стеарат кадмия, стеарат свинца, стеарат цинка и стеарат лития. Подходящими сложными эфирами являются эфиры вышеуказанных жирных кислот и полиолов или гликолей. Предпочтительные полиолы содержат от 5 до 6 атомов углерода. Гликоль, например полиэтиленгликоль, может содержать от 2 до 46 атомов углерода. Конкретные примеры сложных эфиров включают в себя дистеарат полиэтиленгликоля, полипропиленовый эфир адипиновой кислоты, полипропиленовый эфир себациновой кислоты, моноглицерид стеариновой кислоты, триолеат сорбита, тристеарат сорбита, полиоксиэтиленсорбиттристеарат и т.д.
Кроме того, согласно тому же US 4370517, сложноэфирная группа может быть включена прямо в полимерную цепь полиолефина за счет использования сополимера, главным образом на основе полиолефина, содержащего в качестве сомономера мономер, содержащий сложноэфирную группу, например, сополимера этилена и винилацетата (далее EVA), сополимера этилена и этилакрилата (далее EEA), сополимера этилена и метилакрилата (далее EMA), сополимера этилена и метилметакрилата, а также смесей каждого из них.
US 4305849 относится к полиолефиновым составам, значительно менее подверженным повреждениям, встречающимся в виде древовидных пустот, при их использовании в качестве электроизоляции для высоковольтных силовых кабелей, которые эксплуатируются под водой. В частности, этот документ указывает на полиолефиновый состав для электроизоляции, который включает в себя полиолефин, или сшитый полиолефин, а также небольшое количество высокомолекулярного полиэтиленгликоля. Высокомолекулярный полиэтиленгликоль, который является отличительным признаком данного изобретения, выбирали из группы с молекулярным весом в промежутке от 1000 до 20000.
EP 0814485 относится к улучшенному электроизоляционному составу, который поддерживает высокую электрическую прочность в течение долгого времени путем максимального ограничения образования водных дендритов. Улучшенная устойчивость к образованию водных дендритов может быть получена за счет использования добавок, в которых гидрофильная часть состоит из полярных фрагментов, предпочтительно линейных эпоксидных фрагментов и более предпочтительно из этиленоксидного фрагмента. В предпочтительном варианте изобретения смешивающаяся часть состоит из алифатических, ароматических фрагментов, или фрагментов с низкой полярностью; предпочтительно из стерически затрудненных эпоксидных фрагментов и более предпочтительно смешивающаяся часть является пропиленоксидом. Наиболее предпочтительно, чтобы добавка являлась блок-сополимером этиленоксида и пропиленоксида.
WO 2010/072396 относится к способу получения полимерной смеси путем смешивания концентрата, который содержит по меньшей мере одну добавку для придания устойчивости к образованию водных дендритов, и полиолефина, а также к использованию вышеуказанной смеси для изготовления изделия, предпочтительно кабеля. Указанный концентрат содержит предпочтительно одну или несколько добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов, выбранных из группы, включающей в себя, среди прочих, полиэтиленгликоль(и), эфир(ы) жирных кислот, содержащий(е) амидную группу, этоксилированныую(ые) или пропоксилированную(ые) жирную(ые) кислоту(ы).
Несмотря на упоминание множества полимерных материалов, подходящих для изоляционных и полупроводниковых слоев, ни один из документов, относящихся к известному уровню техники, не касается проблемы препятствия росту водных дендритов и повышения долговечности электрического кабеля, имеющего слой, главным образом изоляционный слой, на основе полипропиленового состава, содержащего жидкий диэлектрик.
Присутствие жидкого диэлектрика, даже если он тщательно смешан с полипропиленовой матрицей, может представлять собой слабое место для изоляционного слоя с точки зрения образования водных дендритов, особенно для кабелей, предназначенных для передачи электрического тока среднего и высокого напряжения.
Сущность изобретения
С целью повышения долгосрочного сопротивления изоляции электрического кабеля среднего и высокого напряжения с изоляционным слоем на основе термопластичного материала на основе полипропилена с добавлением жидкого диэлектрика, Заявитель провел испытания, используя для вышеуказанного изоляционного слоя различные вещества, известные в качестве добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов для XLPE или EPR полимерной основы. Результаты оказались неудовлетворительными либо с точки зрения электрических характеристик, либо с точки зрения изготовления, как это будет изложено в примерах описания.
Чтобы решить вышеуказанную проблему, Заявитель рассмотрел возможность дополнения электроизоляционного слоя добавкой, действующей в качестве добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов, не оказывая при этом влияния на другие свойства изоляционного материала и, в частности, не оказывая отрицательного воздействия на тонкое сочетание свойств, достигнутое путем совмещения термопластичного полимера с жидким диэлектриком.
Заявитель обнаружил, что добавление неионогенного поверхностно-активного вещества, выбранного из группы этоксилированных жирных кислот и их амидных производных, обеспечивает кабель с изоляционным слоем на основе полипропилена с добавкой жидкого диэлектрика с удивительной долгосрочной устойчивостью изоляционного материала. Выбранную группу неионогенных поверхностно-активных веществ можно смешать со смесью, состоящей из полипропилена и жидкого диэлектрика, и экструдировать без особых затруднений с удовлетворительным результатом с точки зрения промышленного производства.
В связи с вышеизложенным, данное изобретение относится к кабелю, включающему в себя по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один электроизоляционный слой, окружающий упомянутый электрический проводник, причем этот по меньшей мере один электроизоляционный слой содержит:
(a) термопластичный полимерный материал, выбранный из:
- по меньшей мере одного сополимера (i) пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, отличного от пропилена, причем указанный сополимер имеет температуру плавления, большую или равную 130°С, и энтальпию плавления от 20 Дж/г до 90 Дж/г;
- смеси по меньшей мере одного сополимера (i) с по меньшей мере одним сополимером (ii) этилена с по меньшей мере одним α-олефином, причем указанный сополимер (ii) имеет энтальпию плавления от 0 Дж/г до 70 Дж/г;
- смеси по меньшей мере одного гомополимера пропилена с по меньшей мере одним сополимером (i) или сополимером (ii);
при этом по меньшей мере один из сополимеров (i) и (ii) является гетерофазным сополимером;
(b) по меньшей мере один жидкий диэлектрик, тщательно смешанный с термопластичным полимерным материалом;
(с) по меньшей мере одну добавку для придания устойчивости к образованию водных дендритов, выбранную из этоксилированных жирных кислот и их амидных производных.
В контексте данного описания и последующей формулы изобретения, кроме тех случаев, когда указано иное, все числа, отражающие величины, количества, процентные значения и так далее, следует воспринимать как модифицированные во всех случаях термином «приблизительно». Также все интервалы включают в себя любое сочетание раскрытых точек максимума и минимума и включают в себя любые промежуточные интервалы в них, которые могут быть перечислены или не перечислены в данном документе.
В данном описании и в последующей формуле изобретения под «жилой» подразумевается электропроводящий элемент, обычно изготовляемый из металлического материала, более предпочтительно алюминия, меди, или их сплавов либо в виде стержня, либо в виде скрученного пучка проволоки, или проводящий элемент, как указано выше, покрытый слоем полупроводника.
В контексте данного изобретения термин «среднее напряжение», как правило, подразумевает напряжение в интервале от 1 кВ до 35 кВ, тогда как «высокое напряжение» подразумевает напряжения выше 35 кВ.
Под «электроизоляционным слоем» подразумевается покровный слой, изготовленный из материала, имеющего изоляционные свойства, т.е. имеющего диэлектрическую прочность (электрическая прочность диэлектрика), составляющую по меньшей мере 5 кВ/мм, предпочтительно выше 10 кВ/мм.
Под «полупроводниковым слоем» подразумевается покровный слой, изготовленный из материала, имеющего полупроводниковые свойства, такого как полимерная матрица с добавкой, например, технического углерода, чтобы получить значение удельного объемного электрического сопротивления при комнатной температуре, составляющее менее 500 Ом·м, предпочтительно менее 20 Ом·м. Как правило, количество технического углерода может меняться в интервале от 1 до 50% по весу, предпочтительно в интервале от 3 до 30% по весу по отношению к весу полимера.
Под «гетерофазным сополимером» подразумевается сополимер, в котором домены эластомера, например, этилен-пропиленового эластомера (EPR), диспергированы в матрице из гомополимера или сополимера пропилена.
Предпочтительно, термопластичный материал (a) имеет показатель текучести расплава (MFI), измеренный при 230°С при нагрузке 21,6 Н в соответствии со стандартом ASTM D1238-00, составляющий от 0,05 дг/мин до 10,0 дг/мин, более предпочтительно от 0,4 дг/мин до 5,0 дг/мин.
2
2
10
Олефиновый сомономер в сополимере (i) может быть этиленом или α-олефином, имеющим формулу CH=CH-R, где R является линейным или разветвленным C-C алкилом, выбранным, например, из: 1-бутена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-децена, 1-додецена, или их смесей. Особенно предпочтительными являются сополимеры пропилена и этилена.
Олефиновый сомономер в сополимере (i) предпочтительно присутствует в количестве, равном или ниже чем 15 мол.%, более предпочтительно равном или ниже чем 10 мол.%.
2
Олефиновый сомономер в сополимере (ii) может представлять собой олефин, имеющий формулу CH=CHR, где R представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу, содержащую от 1 до 12 атомов углерода. Предпочтительно вышеуказанный олефин выбирают из пропилена, 1-бутена, изобутилена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-додецена, или их смесей. Пропилен, 1-гексен и 1-октен являются особенно предпочтительными.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления сополимер (i) или сополимер (ii) является статистическим сополимером. Под «статистическим сополимером» подразумевается сополимер, сомономеры в котором случайно распределены вдоль полимерной цепи.
Преимущественно, в сополимере (i) или сополимере (ii) или и в том, и в другом, в случае, когда он является гетерофазным, эластомерная фаза присутствует в количестве, равном или большем чем 45 вес.% по отношению к суммарному весу сополимера.
Особенно предпочтительными гетерофазными сополимерами (i) или (ii) являются те, в которых эластомерная фаза состоит из эластомерного сополимера этилена и пропилена, имеющего в своем составе от 15 вес.% до 50 вес.% этилена и от 50 вес.% до 85 вес.% пропилена по отношению к весу эластомерной фазы.
Предпочтительными сополимерами (ii) являются гетерофазные сополимеры пропилена, в частности:
(ii-a) сополимеры, имеющие следующий мономерный состав: 35 мол.% - 90 мол.% этилена; 10 мол.% - 65 мол.% алифатического α-олефина, предпочтительно пропилена; 0 мол.% - 10 мол.% полиена, предпочтительно диена, более предпочтительно 1,4-гексадиена, или 5-этилен-2-норборнена (EPR и EPDM каучуки относятся к этой группе);
(ii-b) сополимеры, имеющие следующий мономерный состав: 75 мол.% - 97 мол.%, предпочтительно 90 мол.% - 95 мол.% этилена; 3 мол.% - 25 мол.%, предпочтительно 5 мол.% - 10 мол.% алифатического α-олефина; 0 мол.% - 5 мол.%, предпочтительно 0 мол.% - 2 мол.% полиена, предпочтительно диена (например, сомономеры этилена и 1-октена).
Гетерофазные сополимеры можно получать путем последовательной сополимеризации: 1) пропилена, по возможности содержащего небольшие количества по меньшей мере одного олефинового сомономера, выбранного из этилена и α-олефина, отличного от пропилена; и затем: 2) смеси этилена с α-олефином, в частности пропиленом, в некоторых случаях с небольшими количествами полиена.
Термин «полиен», как правило, подразумевает под собой сопряженные или несопряженные диены, триены или тетраены. Если присутствует диеновый сомономер, то данный сомономер содержит от 4 до 20 атомов углерода и предпочтительно выбирается из: линейных сопряженных или несопряженных диолефинов, таких как, например, 1,3-бутадиен, 1,4-гексадиен, 1,6-октадиен, и т.п.; моноциклических или полициклических диенов, таких как, например, 1,4-циклогексадиен, 5-этилиден-2-норборнен, 5-метилен-2-норборнен, винилнорборнен, или их смесей. Если присутствует триеновый или тетраеновый сомономер, то данный сомономер, как правило, содержит от 9 до 30 атомов углерода и предпочтительно выбирается из триенов, или тетраенов, содержащих винильную группу в молекуле, или 5-норборнен-2-иловую группу в молекуле. Конкретные примеры триеновых и тетраеновых сомономеров, подходящих для использования в данном изобретении, представляют собой: 6,10-диметил-1,5,9-ундекатриен, 6,9-диметил-1,5,8-декатриен, 6,8,9-триметил-1,6,8-декатриен, 6,10,14-триметил-1,5,9,13-пентадекатетраен, или их смеси. Предпочтительно полиен является диеном.
Предпочтительно сополимер (i), сополимер (ii) или и тот и другой имеют температуру плавления от 140°С до 180°С.
Предпочтительно, сополимер (i) имеет энтальпию плавления от 25 Дж/г до 80 Дж/г.
Предпочтительно, сополимер (ii) имеет энтальпию плавления от 10 Дж/г до 30 Дж/г.
Преимущественно, в том случае, когда термопластичный материал изоляционного слоя состоит из смеси сополимера (i) и сополимера (ii), последний имеет энтальпию плавления меньшую, чем энтальпия плавления первого.
Преимущественно, в том случае, когда термопластичный материал изоляционного слоя состоит из смеси сополимера (i) и сополимера (ii), соотношение между сополимером (i) и сополимером (ii) составляет от 1:9 до 8:2, предпочтительно от 2:8 до 7:3.
Преимущественно, в том случае, когда термопластичный материал изоляционного слоя состоит из смеси пропиленового гомополимера и по меньшей мере одного из сополимеров (i) и (ii), соотношение между пропиленовым гомополимером и сополимером (i) или сополимером (ii) или одновременно и тем и другим составляет от 0,5:9,5 до 5:5, предпочтительно от 1:9 до 3:7.
Что касается жидкого диэлектрика (b), то необходима хорошая смешиваемость между жидким диэлектриком и материалом полимерной основы, чтобы получить микроскопически однородную дисперсию жидкого диэлектрика в материале полимерной основы. Жидкий диэлектрик, подходящий для изготовления покровного слоя кабеля, относящегося к данному изобретению, не должен содержать никаких полярных соединений, или содержать их только в ограниченных количествах, чтобы избежать значительного увеличения диэлектрических потерь.
Предпочтительно концентрация по весу вышеуказанного по меньшей мере одного жидкого диэлектрика в вышеуказанном термопластичном полимерном материале ниже концентрации насыщения вышеуказанного жидкого диэлектрика в вышеуказанном термопластичном полимерном материале. Концентрацию насыщения жидкого диэлектрика в термопластичном полимерном материале можно установить с помощью способа абсорбции жидкости на гантелеобразных образцах, как описано, например, в WO 04/066317.
За счет использования жидкого диэлектрика в установленных выше количествах сохраняются термомеханические свойства изоляционного слоя и предотвращается проступание жидкого диэлектрика из термопластичного полимерного материала.
По меньшей мере один жидкий диэлектрик, как правило, является смешивающимся с термопластичным полимерным материалом. «Смешивающийся» обозначает, что химический состав жидкости и термопластичного полимерного материала является таким, что обусловливает образование микроскопически гомогенной дисперсии жидкого диэлектрика в полимерном материале после добавления жидкости в полимер, аналогично пластификатору.
Как правило, весовое соотношение между по меньшей мере одним жидким диэлектриком (b) и термопластичным полимерным материалом (a) может составлять от 1:99 до 25:75, предпочтительно от 2:98 до 15:85.
Также следует отметить, что использование жидкого диэлектрика с относительно низкой температурой плавления или температурой застывания (например, температурой плавления или температурой застывания не выше 80°С) обеспечивает легкую обработку жидкого диэлектрика, который можно плавить при отсутствии необходимости в дополнительных и сложных стадиях изготовления (например, стадия плавления жидкого диэлектрика) и/или оборудовании для добавления жидкости в полимерный материал.
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, жидкий диэлектрик имеет температуру плавления или температуру застывания от -130°С до +80°С.
Температуру плавления можно определить с помощью известных методик, таких как, например, исследование с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC).
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, жидкий диэлектрик имеет заданную вязкость, чтобы предотвратить быструю диффузию жидкости в изоляционном слое и, следовательно, ее миграцию наружу, а также чтобы обеспечить возможность легкого введения жидкого диэлектрика и его смешивания с термопластичным полимерным материалом. Как правило, жидкий диэлектрик, относящийся к данному изобретению, имеет вязкость при 40°С, составляющую от 5 сСт до 500 сСт, предпочтительно от 10 сСт до 100 сСт (измеренную в соответствии со стандартом ASTM D445-03).
Например, жидкий диэлектрик выбирают из минеральных масел, например нафтеновых масел, ароматических масел, парафиновых масел, полиароматических масел, при этом указанные минеральные масла в некоторых случаях содержат по меньшей мере один гетероатом, выбранный из кислорода, азота, или серы; жидких парафинов; растительных масел, например соевого масла, льняного масла, касторового масла; олигомерных ароматических полиолефинов; парафиновых восков, например полиэтиленовых восков, полипропиленовых восков; синтетических масел, например силиконовых масел, алкилбензолов (например, додецилбензола, ди(октилбензил)толуола), алифатических сложных эфиров (например, сложных тетраэфиров пентаэритрита, эфиров себациновой кислоты, эфиров фталевой кислоты), олефиновых олигомеров (например, выборочно гидрированных полибутенов или полиизобутенов); или их смесей.
Минеральные масла в качестве жидкого диэлектрика могут включать в себя полярное(ые) соединение(я). Количество полярного(ых) соединения(й) преимущественно составляет до 2,3 вес.%. Такое низкое количество полярных соединений позволяет получить низкие диэлектрические потери.
Количество полярных соединений в жидком диэлектрике можно установить в соответствии со стандартом ASTM D2007-02.
Кроме того, жидкий диэлектрик может содержать по меньшей мере один алкилариловый углеводород, имеющий структурную формулу:
где:
1
2
3
4
R, R, R и R, одинаково или отлично друг от друга, представляют собой водород или метил;
1
2
n и n, одинаково или отлично друг от друга, равны нулю, 1 или 2, при условии что сумма n1+n2 меньше или равна 3.
В другом примере жидкий диэлектрик включает в себя по меньшей мере один дифениловый эфир, имеющий следующую структурную формулу:
5
6
1
24
1
20
где R и R являются одинаковыми или отличаются друг от друга и представляют собой водород, фенильную группу, незамещенную или замещенную по меньшей мере одной алкильной группой, или алкильную группу, незамещенную или замещенную по меньшей мере одним фенилом. Под алкильной группой подразумевается линейный или разветвленный С-С, предпочтительно С-С углеводородный радикал.
Жидкие диэлектрики, подходящие для использования в покровном слое кабеля, соответствующем данному изобретению, описаны, например, в WO 02/027731, WO 02/003398 или WO 04/066317, все зарегистрированы на имя Заявителя.
Добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов (c) в соответствии с данным изобретением можно выбирать из этоксилированных жирных кислот и их амидных производных.
Этоксилированные жирные кислоты, подходящие для данного изобретения, имеют, в частности, общую формулу Ia:
,
6
31
8
25
где R1 является остатком жирной кислоты C-C, предпочтительно С-С, а n является целым числом от 4 до 25.
Примерами этоксилированных жирных кислот, подходящих для данного изобретения, являются: этоксилированная стеариновая кислота, этоксилированная лауриновая кислота, этоксилированная олеиновая кислота, этоксилированная миристиновая кислота, этоксилированные жирные кислоты кокосового масла, этоксилированная пальмитиновая кислота, этоксилированная линолевая кислота, этоксилированная линоленовая кислота, этоксилированные жирные кислоты животных жиров, этоксилированная себациновая кислота, этоксилированная азелаиновая кислота, или их смеси.
Амидные производные этоксилированных жирных кислот, подходящие для данного изобретения, имеют, в частности, общую формулу Ib:
,
6
31
8
25
где R1 является остатком жирной кислоты C-C, предпочтительно С-С, а n является целым числом от 4 до 25.
Амидными производными этоксилированных жирных кислот, подходящими для данного изобретения, являются: этоксилированный этаноламид стеариновой кислоты, этоксилированный амид лауриновой кислоты, этоксилированный амид олеиновой кислоты, этоксилированный амид миристиловой кислоты, этоксилированные этаноламиды жирных кислот кокосового масла, этоксилированный амид элаидиновой кислоты, этоксилированный амид себациновой кислоты, этоксилированный амид азелаиновой кислоты, или их смеси.
Следует отметить, что добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов (с), соответствующие формулам (Ia) и (Ib), обычно являются смесями продуктов, имеющих различные остатки жирных кислот R1 и/или различные значения n.
Предпочтительно, вышеуказанная по меньшей мере одна добавка для придания устойчивости к образованию водных дендритов присутствует в электроизоляционном слое в количестве от 0,05 до 2% по весу, более предпочтительно от 0,1 до 1% по весу по отношению к суммарному весу изоляционного слоя.
В термопластичный полимерный материал, соответствующий данному изобретению, также могут быть добавлены другие компоненты, такие как антиоксиданты, вещества для улучшения технологических свойств, добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов, или их смеси.
Обычными антиоксидантами, соответствующими цели данного изобретения, являются, например, дистеарил- или дилаурилтиопропионат и пентаэритритил-тетракис[3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)-пропионат], или их смеси.
Вещества для улучшения технологических свойств, которые можно добавлять в полимерный состав, включают в себя, например, стеарат кальция, стеарат цинка, стеариновую кислоту, или их смеси.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, кабель, соответствующий данному изобретению, также включает в себя по меньшей мере один полупроводниковый слой. Полупроводниковый слой предпочтительно состоит из полупроводникового материала, включающего в себя компоненты (a) и (b), как раскрыто выше, и в некоторых случаях по меньшей мере одной добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов (c), соответствующей данному изобретению, по меньшей мере одного токопроводящего наполнителя (d), предпочтительно наполнителя из технического углерода.
По меньшей мере один токопроводящий наполнитель, как правило, диспергирован в термопластичном полимерном материале в таком количестве, чтобы придать материалу полупроводниковые свойства, а именно чтобы получить значение удельного объемного электрического сопротивления, составляющее при комнатной температуре менее 500 Ом·м, предпочтительно менее 20 Ом·м. Как правило, количество технического углерода может изменяться в интервале от 1 до 50% по весу, предпочтительно в интервале от 3 до 30% по весу по отношению к весу полимера.
Применение одинакового состава полимерной основы как для изоляционного слоя, так и для полупроводникового слоя является выгодным при изготовлении кабелей для среднего и высокого напряжения, поскольку это обеспечивает отличную адгезию между соседними слоями и, следовательно, хорошие электрические свойства, особенно на поверхности между изоляционным слоем и внутренним полупроводниковым слоем, где электрическое поле и, следовательно, вероятность возникновения частичных разрядов являются более высокими.
Полимерные составы для кабеля согласно данному изобретению можно изготавливать путем смешивания термопластичного полимерного материала, жидкого диэлектрика, добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов и любой другой добавки с применением известных в данной области способов. Смешивание можно проводить, например, с помощью закрытого смесителя, относящегося к типу с тангенциальными роторами (Бенбери) или с взаимопроникающими роторами; в смесителе непрерывного действия типа Ko-Kneader (Buss), двухшнекового типа с вращением шнеков в одну и ту же сторону или с вращением шнеков в противоположные стороны; или в одношнековом экструдере.
Согласно предпочтительному варианту осуществления жидкий диэлектрик можно добавлять в термопластичный полимерный материал на стадии экструзии путем прямого введения в цилиндр экструдера, как раскрыто, например, в международной заявке на патент WO 02/47092, зарегистрированной на имя Заявителя.
Несмотря на то что данное описание главным образом сосредоточено на кабелях для передачи или распределения электроэнергии среднего и высокого напряжения, полимерный состав, относящийся к данному изобретению, можно использовать для покрытия электрических устройств, в целом, и кабелей различного типа, в частности, например, кабелей низкого напряжения (т.е. кабелей, находящихся под напряжением ниже 1 кВ), телекоммуникационных кабелей, или комбинированных кабелей энергетического и телекоммуникационного назначения, или вспомогательных частей, используемых в электролиниях, таких как зажимы, муфты, разъемы и т.п.
Краткое описание чертежей
Другие особенности будут понятны из приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемый чертеж, в котором:
Фигура 1 является перспективным видом силового кабеля, особенно подходящего для среднего или высокого напряжения, соответствующего данному изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На Фигуре 1 кабель (1) включает в себя жилу (2), внутренний слой с полупроводниковыми свойствами (3), промежуточный слой с изоляционными свойствами (4), внешний слой с полупроводниковыми свойствами (5), металлический экранирующий слой (6) и оболочку (7).
Жила кабеля (2), как правило, состоит из металлических проволок, предпочтительно из меди или алюминия, или их сплавов, скрученных с применением стандартных способов, или из монолитного алюминиевого или медного стержня.
Изоляционный слой (4) можно изготовить путем экструзии состава, соответствующего данному изобретению, вокруг жилы (2).
Полупроводниковые слои (3) и (5) также изготавливают путем экструзии полимерных материалов, как правило, на основе полиолефинов, предпочтительно состава, соответствующего данному изобретению, которому придали полупроводниковые свойства путем добавления по меньшей мере одного токопроводящего наполнителя, обычно технического углерода.
Вокруг внешнего полупроводникового слоя (5) обычно устанавливается металлический экранирующий слой, изготовленный из электропроводящих проволок или полосок, спирально намотанных вокруг жилы кабеля, или электропроводящей ленты, окружающей в продольном направлении жилу кабеля и наложенной внахлестку (предпочтительно приклеенной) на нижележащий слой. Электропроводящий материал указанных проволок, полосок или ленты обычно является медью, или алюминием, или их сплавами.
Экранирующий слой (6) может быть покрыт оболочкой (7), как правило, изготовленной из полиолефина, обычно полиэтилена.
Кабель может быть также снабжен защитной конструкцией (не показано на Фигуре 1), основное назначение которой заключается в механической защите кабеля от ударов и сдавливаний. Данная защитная конструкция может являться, например, металлическим упрочняющим покровом, или слоем вспененного полимера, как описано в WO 98/52197, зарегистрированным на имя Заявителя.
Кабель, соответствующий данному изобретению, может быть изготовлен в соответствии с известными способами, например, путем экструзии различных слоев вокруг центральной жилы. Экструзию двух и более слоев предпочтительно осуществляют за один проход, например, с помощью каскадного способа, в котором отдельные экструдеры расположены последовательно, или путем совместной экструзии с помощью многоручьевой экструзионной головки. Экранирующий слой затем наносят вокруг изготовленной таким образом кабельной жилы. В конце наносят оболочку, соответствующую данному изобретению, обычно с помощью дополнительной стадии экструзии.
Кабель, относящийся к данному изобретению, предпочтительно используют для передачи электроэнергии переменного тока (AC).
На фигуре 1 показан только один вариант осуществления кабеля согласно данному изобретению. Данный вариант осуществления можно изменять надлежащим образом в соответствии с конкретными техническими требованиями и основными эксплуатационными характеристиками, не выходя за пределы объема изобретения.
Следующие примеры предоставлены для дальнейшего пояснения изобретения.
Примеры 1-4
Следующие составы были приготовлены с использованием количеств, указанных в таблице 1 (выраженных в виде % по весу по отношению к суммарному весу состава).
Во всех примерах полипропиленовый материал подавали непосредственно в загрузочный бункер экструдера. Затем жидкий диэлектрик, предварительно смешанный с антиоксидантами и добавкой для придания устойчивости к образованию водных дендритов (при наличии таковых), вводили при повышенном давлении в экструдер. Применяли экструдер, имеющий диаметр 80 мм и соотношение L/D (длины к диаметру), равное 25. Введение осуществляли в процессе экструзии на расстоянии приблизительно 20 D (диаметров) от начала экструзионного шнека с помощью трех точек ввода на одном поперечном сечении на расстоянии 120° друг от друга. Жидкий диэлектрик вводили при температуре, составляющей 70°С, и давлении, равном 250 бар.
Таблица 1
Примеры
1*
2
3
4
Adflex<sup>TM </sup>Q200F
89,7
89,2
89,2
89,45
Nyflex<sup>TM</sup> 800
10
10
10
10
Neopal<sup>TM </sup>CO 5
-
0,5
-
-
Sinerex<sup>TM</sup> AS
-
-
0,5
0,25
антиоксидант
0,3
0,3
0,3
0,3
(*) сравнительный
TM
Adflex Q200F: гетерофазный сополимер пропилена, имеющий температуру плавления, равную 165°С, энтальпию плавления 30 Дж/г и модуль упругости при изгибе 150 МПа (Lyondell Basell, Лайонделл Базел);
TM
Nyflex 800: нафтеновое масло, CAS № 64742-53-6 (Nynas AB);
TM
NeopalCO 5: этоксилированные моноэтаноламиды жирных кислот кокосового масла, CAS 68425-44-5; этиленоксидный EO остаток: 5 (Industria Chimica Panzeri);
TM
Sinerex AS: этоксилированная стеариновая кислота, CAS 9004-99-3, этиленоксидный EO остаток: 5-20 (Industria Chimica Olimpia Tensioattivi);
антиоксидант: 4,6-бис(октилтиометил)-о-крезол.
Электрическую прочность диэлектрика (DS) полученного полимерного состава измеряли на испытательных образцах изоляционного материала, имеющих геометрическую форму, предложенную EFI (Норвежский исследовательский институт энергоснабжения) в публикации «The EFI Test method for Accelerated Growth of Water Trees» (Метод определения ускоренного роста водных дендритов EFI) (Международная конференция IEEE по электроизоляционным материалам, Торонто, Канада, Июнь 3-6 1990). Согласно данному методу кабель имитируется с помощью испытательных образцов гладкой формы из изоляционного материала, состоящих из основы, покрытой с обеих сторон покрытием из полупроводникового материала. Испытательные образцы гладкой формы были изготовлены путем формования дисков из изоляционного материала при 160-170°С из пластины толщиной 10 мм, полученной путем сдавливания каждой смеси, относящейся к примерам, при приблизительно 190°С.
Внутреннюю и наружную поверхности основы, которая имела толщину, равную приблизительно 0,40-0,45 мм, покрыли полупроводниковым покрытием. Измерение DS осуществляли путем прикладывания к этим образцам, погруженным в солевой раствор при 40°С, переменного тока с частотой 50 Гц, начиная с напряжения, равного 0 кВ, и последовательно увеличивая на 2 кВ/сек до возникновения пробоя испытательного образца. Напряженность составляла величину, равную градиенту электрического поля 12 кВ/мм. Каждое измерение повторили на 15 испытательных образцах. Значения, указанные в таблице 2, являются средней арифметической величиной отдельных измеренных значений. Было проведено четыре серии экспериментов. Предварительное отсеивание образцов необходимо для того, чтобы исключить те из них, которые являются бракованными из-за процесса формования.
Значения электрической прочности диэлектрика (DS) для испытанных образцов указаны в таблице 2.
Таблица 2
Пример
DS кВ/мм 0 дней
DS кВ/мм 12 дней
DS кВ/мм 30 дней
DS кВ/мм 60 дней
1*
95
76
-
58
2
96
99
103
98
3
97
89
106
84
4
92
104
101
113
(*) сравнительный
Даже после пребывания в течение 60 дней в соляном растворе при 40°С, образцы, содержащие добавки для придания устойчивости к образованию водных дендритов, соответствующие данному изобретению, сохраняли электрическую прочность диэлектрика практически без изменений, в то время как сравнительный образец (не содержащий каких-либо добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов) показал значительно снижение электрической прочности диэлектрика уже после 12 часов в таких же экспериментальных условиях.
Примеры 5-7
Следуя такой же методике приготовления, как для примеров 1-4, следующие сравнительные составы были приготовлены с использованием количеств, указанных в таблице 3 (выраженных в виде % по весу по отношению к суммарному весу состава).
Таблица 3
Пример
5
6
7
Adflex<sup>TM </sup>Q200F
94,0
84,0
84,0
Jarylec<sup>TM</sup> Exp3
5,7
5,7
5,7
Lotryl<sup>TM</sup> 17 BA 04
-
10
-
Lotryl<sup>TM</sup> 30 BA 02
-
-
10
антиоксидант
0,3
0,3
0,3
TM
AdflexQ200F: гетерофазный сополимер пропилена, имеющий температуру плавления, равную 165°С, энтальпию плавления 30 Дж/г и модуль упругости при изгибе 150 МПа (Lyondell Basell, Лайонделл Базел);
TM
Jarylec Exp3: дибензилтолуол (DBT) (Elf Atochem);
TM
Lotryl 17 BA 04: сополимер этилена и бутилакрилата (Arkema);
TM
Lotryl 30 BA 02: сополимер этилена и бутилакрилата (Arkema);
антиоксидант: первичный (фенольный) антиоксидант.
Электрическую прочность диэлектрика (DS) образцов кабеля (длиной 5 м), имеющих изоляционный слой на основе составов, соответствующих примерам 5-7, были измерены в условиях переменного тока. Измерение DS осуществляли путем прикладывания к этим образцам кабеля, погруженным в воду при 80°С, переменного тока с частотой 50 Гц, начиная с напряжения, равного 50 кВ, и последовательно увеличивая на 10 кВ каждые 10 минут до возникновения пробоя испытательного образца. Результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4
Примеры
DS кВ/мм 0 дней
DS кВ/мм 30 дней
DS кВ/мм 90 дней
5
78
37
25
6
75
36
39
7
67
40
34
Образцы кабеля, в которых полипропиленовый материал основы изоляции, относящийся к данному изобретению, содержал добавку для придания устойчивости к образованию водных дендритов в виде сополимера, содержащего в качестве сомономера мономер, содержащий сложноэфирную группу согласно предшествующему уровню техники, имели практически такие же диэлектрические свойства, как у образца кабеля, в котором отсутствовала такая добавка для придания устойчивости к водному дендриту.
Добавление полимеров, содержащих сложноэфирную группу, известных в качестве добавок для придания устойчивости, не дало значительных результатов для изоляционного слоя на основе смеси полипропилена с жидким диэлектриком, соответствующей данному изобретению.
Другие соединения, известные в качестве добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов, такие как PEG 20000 (раскрытый, например, в US 4305849) и блок-сополимер этиленоксида и пропиленоксида (раскрытый, например, в EP 0814485) привели к технологическим трудностям при смешивании с изоляционным материалом на основе полипропилена и жидкого диэлектрика, соответствующего данному изобретению. В частности, возникли сомнения по поводу устойчивости вышеупомянутых добавок для придания устойчивости к образованию водных дендритов, и самое главное заключалось в том, что экструдаты, содержащие данные добавки, получились испорченными термическим воздействием и неудовлетворительными с точки зрения промышленного производства.