ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ С ПОЛУПРОВОДЯЩИМ ВЕРХНИМ СЛОЕМ, ОТЛИЧИМЫМ ОТ ОБОЛОЧКИ
ELECTRICAL CABLE WITH SEMICONDUCTING UPPER LAYER DIFFERENT FROM SHEATH

Область техники
Настоящее изобретение касается электрического кабеля, такого как средневольтный или высоковольтный кабель для передачи или распределения электрической энергии. Более конкретно, настоящее изобретение касается силового электрического кабеля, имеющего экструдированный внешний полупроводящий слой, визуально или физически отличимый от нижележащей защитной оболочки.
Уровень техники
Структура силовых электрических кабелей может меняться соответственно напряжениям, используемым в их предполагаемых применениях. В общем, силовые электрические кабели могут быть классифицированы как низковольтные, средневольтные или высоковольтные. Обычно "низковольтный" означает напряжение до 5 кВ, "средневольтный" означает напряжение от 5 кВ до 46 кВ и "высоковольтный" означает напряжение больше чем 46 кВ.
Средневольтные и высоковольтные силовые кабели включают в себя четыре основных элемента. Изнутри наружу эти силовые кабели включают в себя, по меньшей мере, электропроводящий элемент, электроизолирующий слой, металлический экранирующий или оболочечный слой и оболочку. Дополнительные слои также могут присутствовать. Один пример представляет собой полупроводящий экран проводника между проводящим элементом и электроизолирующим слоем. Другим примером является полупроводящий экран изоляции между электроизолирующим слоем и металлическим экранирующим или оболочечным слоем.
В настоящем описании и формуле изобретения выражение "изолированная сердцевина кабеля" означает внутренность силового электрического кабеля под оболочкой, содержащую, по меньшей мере, один проводящий элемент, по меньшей мере, один изолирующий слой и металлический экранирующий или оболочечный слой.
Толщина каждого из слоев изолированной сердцевины кабеля определяется величиной напряжения и размером проводника и задается промышленными стандартами, такими как стандарты, опубликованные Ассоциацией инжениринга изолированных кабелей (ICEA), Ассоциацией осветительных компаний Эдисона (AEIC) и Underwriters Laboratories (UL). Критерии качества электрических кабелей устанавливаются и определяются согласно стандартам AEIC и ICEA.
Выражение "проводящий элемент" может означать проводник электрического типа или смешанного электрического/оптического типа. Проводник электрического типа может быть сделан из меди, алюминия или алюминиевого сплава. Также проводник электрического типа может быть сплошным или скрученным металлом, причем скручивание добавляет гибкости кабелю. Если проводник скрученный, проводник электрического типа для средневольтных кабелей и часто для высоковольтных кабелей часто включает в себя скрученное уплотнение, чтобы заполнить его пустоты, что помогает предотвращать миграцию воды вдоль проводника. Проводник смешанного электрического/оптического типа может содержать смешанные силовые/телекоммуникационные кабели, которые включают в себя оптоволоконный элемент в добавление к электропроводящему элементу для целей телекоммуникации.
Внутренний полупроводящий слой обычно окружает электрический проводник. Внутренний полупроводящий слой чаще всего является полупроводящим слоем сшитого полимера, нанесенным путем экструзии вокруг проводящего элемента.
Находящийся в положении, радиально внешнем к внутреннему полупроводящему слою, электроизолирующий слой обычно делают из термопластического или термореактивного материала. Примеры включают сшитый полиэтилен (СРЭ), этилен-пропиленовый каучук (ЭПК) или поливинилхлорид (ПВХ). Изолирующий слой может включать в себя добавки, чтобы увеличить срок службы изоляции. Например, замедляющие триинг добавки часто добавляют к СРЭ, чтобы подавить рост водного триинга (water tree) в изолирующем слое.
Промежуточный полупроводящий слой, сделанный, например, из полупроводящего полимера, может экструдироваться поверх изолирующего слоя. Промежуточный полупроводящий слой обычно адгезионно наносится на изолирующий слой с помощью экструзии или, особенно для определенных высоковольтных кабелей, может присоединяться к изолирующему слою другими средствами.
Металлический экран, лежащий поверх изолирующего экрана, может содержать металлический экранирующий или оболочечный слой. Обычно металлический экранирующий или оболочечный слой делают из алюминия, стали, свинца или меди. Обычно металлический экранирующий или оболочечный слой представляет собой непрерывный трубчатый компонент или металлический лист, согнутый так, чтобы он сам с собой стыковался, и сваренный или герметизированный с образованием трубчатого компонента. Более конкретно, металлический экран может быть образован, например, в виде продольно наложенной гофрированной медной ленты с перекрывающимися стыками или сваренными стыками, спирально наложенной проволоки (т.е. дренирующей проволоки или концентрической нейтральной проволоки) или плоского медной полосы. Преимущественно, промежуточный полупроводящий слой находится в электрическом контакте с металлическим экраном.
Для целей настоящего изобретения выражение "униполярный кабель" означает кабель, обеспеченный изолированной сердцевиной кабеля, имеющей единственный проводящий элемент, как определено выше, тогда как выражение "многополярный кабель" означает кабель, обеспеченный, по меньшей мере, одной парой проводящих элементов. Более детально, когда многополярный кабель имеет число проводящих элементов, равное двум, данный кабель технически определяется как "биполярный кабель", если есть три проводящих элемента, кабель известен как "трехполярный кабель" и так далее.
В случае многополярного кабеля для передачи или распределения энергии при среднем напряжении проводящие элементы кабеля, каждый из которых окружен полупроводящим и изолирующим слоями и металлическим экраном, обсуждаемыми выше, обычно объединяются вместе, например, путем спирального скручивания с заданным шагом. Скручивание приводит к образованию множества промежуточных зон, которые заполняют заполняющим материалом. Заполняющий материал служит для придания многополярному кабелю круглого сечения. Заполняющий материал может быть обычного типа, например, полимерным материалом, нанесенным путем экструзии, или может быть вспененным полимерным материалом.
Патент США № 5281757, включенный в данное описание посредством ссылки, описывает пример изолированной сердцевины кабеля для электрического силового кабеля. В патенте '757 электрический силовой кабель имеет витой проводник, полупроводящий регулирующий напряжения слой вокруг проводника, слой изоляции вокруг регулирующего напряжения слоя, полупроводящий экранирующий изоляцию слой вокруг слоя изоляции и неперфорированную металлическую ленту с перекрывающимися краевыми частями вокруг экранирующего слоя. Данная лента свободно движется относительно оболочки и экранирующего слоя с расширением и сжатием элементов кабеля при изменениях температуры. Перекрывающиеся краевые части ленты связаны вместе адгезивом, который позволяет краевым частям двигаться друг относительно друга при таких изменениях температуры без образования проходов для текучей среды между краевыми частями.
Электрические силовые кабели могут включать в себя защитную оболочку, находящуюся радиально снаружи от изолированной сердцевины кабеля. Оболочка обычно представляет собой полимерный материал, нанесенный экструзией.
Любой дефект и/или повреждение защитной оболочки кабеля вызывает разрыв в полимерном слое, который может приводить к проблемам, которые снижают, даже радикально, способность кабеля к переносу и распределению энергии, а также срок службы кабеля. Например, наличие разреза в оболочке кабеля представляет удобный путь для поступления воды или влаги внутрь (то есть в сердцевину) кабеля.
Поступление воды в кабель особенно нежелательно, так как в отсутствие подходящих решений, обеспечивающих прекращение протечки, как только вода проникает, она способна свободно распространяться внутри кабеля. Это особенно вызывает повреждения с точки зрения целостности кабеля, так как внутри кабеля могут возникать проблемы коррозии (действующей, например, на бронирование, если присутствует, или металлический экран), а также проблемы преждевременного старения с ухудшением электрических свойств изолирующего слоя. Это явление преждевременного старения хорошо известно под названием "водный триинг" и проявляется путем образования микротрещин разветвленной формы ("деревьев") из-за объединенного действия электрического поля, генерируемого прохождением тока в проводнике, и влаги, которая проникает в изолирующий слой.
Методы тестирования, используемые для определения структурной целостности защитной оболочки электрического кабеля, называются тестами целостности оболочки. Эти тесты включают в себя установку электропроводящего или полупроводящего слоя в положение, радиально внешнее к оболочке.
Один тест целостности оболочки известен как тест выдерживания прямого тока (ПТ) и может выполняться согласно способам, известным в технике, таким как ICEA (Insulated Cable Engineers Association, Inc.) Standard S-108-720 2004 для силовых кабелей с экструдированной изоляцией класса от 46 до 345 кВ (Section E5.2). В этом тесте полупроводящее покрытие, такое как слой графита в жидкой или твердой форме, наносится на оболочку и служит в качестве первого электрода. Вторым электродом выступает металлический компонент, расположенный в радиально внутреннем положении относительно тестируемой оболочки, такой как металлический экран или оболочка. Напряжение ПТ от приблизительно 150 В/мил (6 кВ/мм) и максимально до 24 кВ подается между металлическим экраном и полупроводящим слоем, чтобы проверить целостность диэлектрика внешней оболочки.
В отсутствие дефектов и/или повреждений оболочка способна выдерживать данное напряжение, приложенное между электродами. То есть в отсутствие дефектов и/или повреждений оболочки напряжение, измеряемое согласно действующему стандарту на конце кабеля, который противоположен концу, на котором подают напряжение ПТ между первым и вторым электродами, будет, по существу, неизменным по сравнению с приложенным напряжением. Этот результат будет иметь место, так как электрический ток будет способен спокойно проходить в полупроводящем покрытии и в металлическом компоненте непосредственно под оболочкой от одного конца кабеля к другому, кроме небольшого снижения напряжения из-за сопротивления оболочки.
Если, однако, оболочка имеет дефект и/или повреждение такое, чтобы создать электропроводящий путь в толще оболочки между электродами в данном тесте, будут существовать условия короткого замыкания и будет возникать ток перегрузки. Установление состояния тока перегрузки позволяет, таким образом, специалисту в данной области техники доказать присутствие повреждения или дефекта в защитной оболочке кабеля.
Обычно тест выдерживания ПТ оболочки выполняют непосредственно на производящей фабрике после процесса изготовления кабеля. Иногда тест выдерживания ПТ также повторяют, когда кабель установлен, чтобы проверить на наличие каких-либо повреждений, полученных во внешней оболочке из-за операций укладки кабеля. Повторение тестирования, когда кабель установлен, желательно, особенно в случае подземной установки, когда электрический кабель размещают прямо в земле без помощи содержащих его трубопроводов.
Графит традиционно используется для внешнего полупроводящего слоя, так как он может быть легко удален на одном конце кабеля, как требуется для выполнения теста выдерживания ПТ. Однако после того, как кабель был зарыт, графит может вызывать проблемы во время обслуживающего тестирования, так как графит пачкается, и он может стираться во время установки.
Вместо нанесения графита вокруг оболочки тонкий слой полупроводящего полимерного материала альтернативно может быть экструдирован поверх оболочки. Обсуждение различных полупроводящих материалов может быть найдено, например, в разделе уровня техники патента США № 7208682, который включен в данные описание посредством ссылки для этой цели. Обычно оболочку и внешний полупроводящий слой совместно экструдируют, что связывает их вместе. В результате полупроводящий слой не коробится из-за сил трения или боковой нагрузки во время установки.
Другим преимуществом совместной экструзии этих двух слоев является то, что полупроводящий слой может содействовать устойчивости кабеля к солнечному свету. Хотя на полупроводящий слой поверх внешней оболочки кабеля, в общем, не надеются для устойчивости к солнечному свету, в зависимости от его толщины полупроводящий слой может придавать кабелю большую устойчивость к солнечному свету. Промышленные стандарты, например ICEA S-108-720-2004 (Section 7.3), обеспечивают экструдированный полупроводящий слой поверх оболочки толщиной до 20% от общей толщины стенки полупроводящего слоя и оболочки. Таким образом, достаточно толстый полупроводящий слой будет способен придавать кабелю устойчивость к солнечному свету.
Хотя внешняя оболочка электрического силового кабеля обычно черная, известно изготовление оболочки нечерного цвета для особых применений. В этих ситуациях, которые более дороги для изготовления, покупатели требуют оболочки разного цвета, чтобы идентифицировать один кабель от другого. Когда используют цветные оболочки, полупроводящий слой не наносят поверх оболочки, так как это устраняет цель цветной оболочки.
WO 03/046592, который включен в данное описание посредством ссылки, касается модифицированного электрического кабеля, в котором полупроводящий полимерный слой находится в положении, радиально внешнем к внешней защитной полимерной оболочке, которая покрывает кабель. В частности, кабель содержит полупроводящий полимерный слой в положении, радиально внешнем к защитному полимерному слою. Толщина полупроводящего полимерного слоя предпочтительно составляет от 0,05 мм до 3 мм и более предпочтительно от 0,2 мм до 0,8 мм. В примерах внешняя защитная оболочка сделана из MDPE толщиной 1,8 мм и нанесена на полученный кабель экструзией; полупроводящий полимерный слой наносят на внешнюю защитную оболочку экструзией с толщиной 1 мм. Описанный полупроводящий полимерный слой может быть из вспененного материала.
Известны другие кабели с полупроводящими оболочками. Например, патент США № 5144098 описывает электрический кабель с проводящей оболочкой, который обеспечивает непрерывный электрический контакт от дренирующего провода через экран, свернутый из покрытой металлом ленты, полупроводящий адгезивный слой, нанесенный на данную ленту на стороне, обратной от металлического покрытия, и полупроводящую внешнюю оболочку. Полупроводящая внешняя оболочка сделана из проводящего, наполненного углеродом, полимерного материала, такого как термопластический фторполимер.
Патент США № 4986372 описывает электрический кабель, который может включать в себя возможную внешнюю оболочку, которая является, по существу, цилиндрической, и может быть образована из изолирующего непроводящего материала или полупроводящего материала, например, полиэтилена низкой плотности, линейного полиэтилена низкой плотности, полупроводящего полиэтилена или поливинилхлорида.
Как упоминается выше, слой полупроводящего материала, сделанный из графита или экструдированного полимерного материала, должен быть удален на одном конце кабеля в начале теста выдерживания ПТ. Кроме того, полупроводящий слой должен быть избавлен от соединений и сращиваний.
Заявитель обнаружил, что обычные подходы к совместной экструзии полупроводящего полимерного слоя и полимерной оболочки могут приводить к проблемам при удалении слоя полупроводящего материала для выполнения теста выдерживания ПТ. В частности, заявитель наблюдал, что оболочка и внешний полупроводящий слой теряют признаки, делающие их достаточно различимыми друг от друга для работника в данной области.
Соэкструдированные оболочка и внешний полупроводящий слой оба обычно являются черными. Как обсуждалось выше, оболочка может иметь другой цвет кроме черного в особых случаях, чтобы помогать отличать один кабель от другого, но не тогда, когда кабель содержит внешний полупроводящий слой. Оболочку также делают черной, чтобы способствовать устойчивости к солнечному свету. Полупроводящий слой может быть черного цвета от проводящего наполнителя, которым часто является сажа. Заявитель обнаружил, что из-за похожести оболочки и внешнего полупроводящего слоя работнику трудно визуально различать данные два слоя друг от друга.
Патент США № 6717058 описывает многожильный кабель с секцией витой пары и параллельной секцией, обернутые прозрачной пластиковой оболочкой с образованием, в общем, равномерно круглого кабеля. Прозрачная оболочка позволяет идентифицировать плоскую секцию, так что оболочка может быть удалена в этом месте и проводники в плоской секции готовы для прикрепления к разъему. Кабель патента '058 относится к коммуникационным кабелям, имеющим витые пары, а не к электрическим силовым кабелям, традиционно имеющим черную оболочку, для которой требуются устойчивость к солнечному свету или тесты целостности оболочки.
Соответственно, заявитель обнаружил, что в отсутствие достаточно различимых визуальных признаков между оболочкой и внешним полупроводящим слоем электрического силового кабеля работник может повредить нижележащую оболочку, когда пытается удалить часть полупроводящего слоя для выполнения теста, подобного тесту выдерживания ПТ. Повреждение оболочки необходимо предотвращать, так как, как обсуждалось выше, дефект и/или повреждение оболочки может вызывать разрыв, что может снижать способность кабеля к передаче и распределению энергии и срок службы кабеля.
Для целей настоящего описания и формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающие количества, проценты и так далее, следует понимать как модифицированные во всех случаях словом "приблизительно". Также все интервалы включают в себя любую комбинацию из описанных максимальной и минимальной точек и включают в себя любые промежуточные интервалы в них, которые могут быть или не быть особо перечислены здесь.
Сущность изобретения
Электрические силовые кабели должны подвергаться тестам на целостность оболочки кабеля без риска дополнительного повреждения оболочки при подготовке кабеля для тестов целостности. Заявитель обнаружил, что электрический силовой кабель с полупроводящим слоем, экструдированным вокруг внешней стороны кабеля, в котором полупроводящий слой визуально отличим от полимерного слоя, находящегося непосредственно под ним, по цвету и, альтернативно, также по текстуре, может уменьшать опасность непреднамеренного повреждения оболочки под полупроводящим слоем.
Согласно одному варианту осуществления электрический кабель включает в себя изолированную сердцевину, оболочку, окружающую данную изолированную сердцевину, имеющую, по меньшей мере, внешний полимерный слой и полупроводящий слой вокруг внешней стороны кабеля в контакте с внешним полимерным слоем оболочки. Полупроводящий слой отличается по цвету от внешнего полимерного слоя оболочки.
Изолированная сердцевина кабеля может включать в себя металлический проводник, внутренний полупроводящий экран, окружающий данный проводник, слой экструдированной изоляции вокруг внутреннего полупроводящего экрана, промежуточный полупроводящий экран вокруг экструдированной изоляции и металлический экран, окружающий данный промежуточный полупроводящий экран. В одном варианте осуществления изолированная сердцевина представляет собой многополярный кабель, содержащий больше чем один проводник.
Оболочку предпочтительно делают из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), полиэтилена средней плотности (ПЭСП), полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), поливинилхлорида (ПВХ) или бездымного безгалогенового (БДБГ) материала. В одном аспекте оболочка является монослойной с внешним полимерным слоем, являющимся ее единственным слоем. Альтернативно, оболочка может иметь два или больше полимерных слоя, один из которых является самым внутренним полимерным слоем, а другой - самым внешним полимерным слоем.
В одном варианте осуществления электрического кабеля полупроводящий слой может быть черного цвета, тогда как самый внешний полимерный слой оболочки имеет цвет иной, чем черный. Предпочтительно, самый внешний полимерный слой имеет естественный цвет полимерного материала без добавления каких-либо красителей, а полупроводящий слой является полимером, наполненным сажей. Полимер полупроводящего слоя может быть, например, полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), линейным полиэтиленом низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтиленом средней плотности (ПЭСП) или этиленвинилацетатом (ЭВА). Полупроводящий слой предпочтительно имеет толщину до 20% от общей толщины полупроводящего слоя и оболочки. Это может вызывать улучшение устойчивости кабеля к солнечному свету.
В другом варианте осуществления полупроводящий слой имеет цвет иной, чем черный, а самый внешний полимерный слой оболочки является черным. Полупроводящий слой может представлять собой, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы проводящих полимеров, состоящей, по существу, из полианилина, полипиррола и полиацетилена. Предпочтительно, полупроводящий слой включает в себя УФ добавки, чтобы улучшить устойчивость к солнечному свету.
Полупроводящий слой или внешний полимерный слой также могут быть сделаны из вспененного материала, образованного при расширении во время экструзии. Слой вспененного материала имеет текстуру поверхности, более шершавую, чем примыкающий невспененный слой, делая самый внешний полимерный слой оболочки и внешний полупроводящий слой различимыми друг от друга по цвету и/или текстуре.
Следует понимать, что и предшествующее общее описание, и последующее подробное описание являются только примерными и поясняющими и не ограничивают заявленное изобретение.
Сопровождающие чертежи, как суммируется ниже, которые включены и составляют часть данного описания, изображают варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов данного изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе электрического кабеля, имеющего двухслойную оболочку, совместимую с определенными описанными вариантами осуществления.
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе электрического кабеля, имеющего трехслойную оболочку, совместимую с определенными описанными вариантами осуществления.
Описание вариантов осуществления
Теперь будет представлена подробная информация о типичных вариантах осуществления данного изобретения, примеры которых показаны на сопровождающих чертежах. Настоящее описание, однако, может быть реализовано в многочисленных различных формах и не должно рассматриваться как ограничение изложенных здесь вариантов осуществления. На чертежах, где возможно, одинаковые численные обозначения относятся к одинаковым элементам.
Согласно фиг.1 электрический кабель 110 имеет внутри себя изолированную сердцевину кабеля, содержащую проводник 12, экструдированный внутренний полупроводящий слой 14, окружающий проводник 12, экструдированный слой электрической изоляции 16, окружающий внутренний полупроводящий слой 14, экструдированный промежуточный полупроводящий слой 18 поверх слоя электрической изоляции 16 и металлический экран 20 поверх промежуточного полупроводящего слоя 18. Дополнительные компоненты, такие как набухающие в воде проводящие или не проводящие ленты, разрывной шнур и подобные, могут быть включены в изолированную сердцевину кабеля, как известно в данной области техники. Возможная, набухающая в воде лента может быть способна действовать как барьер для проникновения воды в изолированную сердцевину кабеля.
Хотя на фиг.1 показан униполярный кабель, электрический кабель 110 альтернативно может быть многополярным кабелем, таким как биполярный или трехполярный кабель. Для простоты последующее описание фиг.1 касается униполярной структуры кабеля 110, и специалистам в данной области техники будет понятно, что такое описание равным образом применимо к многополярному кабелю, если желательно.
Проводник 12 может быть проводником электрического типа или смешанного электрического/оптического типа. Проводник электрического типа может быть сделан из меди, алюминия или алюминиевого сплава. Хотя на фиг.1 показан один элемент, проводник 12 может быть сплошным или скрученным, причем скручивание добавляет кабелю 110 гибкости. В случае скручивания проводник электрического типа часто включает в себя скрученное уплотнение, заполняющее его промежутки, что помогает предотвращать миграцию воды вдоль проводника. Смешанный проводник электрического/оптического типа может содержать смешанные силовые/телекоммуникационные кабели, которые включают в себя одно или несколько оптических волокон, как часть проводящего элемента 12.
Внутренний полупроводящий слой 14, окружающий проводник 12, может содержать любой материал, известный специалистам в данной области техники для полупроводящих экранов, и обычно экструдируется поверх проводника 12. Предпочтительно, слой 14 является термопластическим или термореактивным соединением на основе полиэтиленовых соединений, таких как этилен/бутилакрилат (ЭБА), этилен/этилакрилат (ЭЭА), этилен/метилакрилат (ЭМА) и этилен/винилацетат (ЭВА). Кроме того, слой 14 может содержать термопластические и термореактивные (сшитые) материалы с "двойной перколяцией", как описано в патентах США №6569937, 6417265 и 6284832 (термореактивные материалы) и в патентах США №6277303 и 6297219 (термопластические материалы), каждый из которых включен посредством ссылки на его содержание в отношении двойной перколяции.
Слой 16 электрической изоляции окружает внутренний полупроводящий слой 14. Слой 16 электрической изоляции обычно наносится путем экструзии и обеспечивает электрическую изоляцию между проводником 12 и ближайшим электрическим заземлением, предотвращая, таким образом, электрический дефект. Слой 16 электрической изоляции может быть сшитой или не сшитой полимерной композицией со свойствами электрической изоляции, которая известна в данной области техники и может быть выбрана, например, из: полиолефинов (гомополимеров и сополимеров различных олефинов), сополимеров олефина/этиленово ненасыщенного сложного эфира, сложных полиэфиров, простых полиэфиров, сополимеров простых и сложных полиэфиров и их смесей. Примерами таких полимеров являются: полиэтилен (ПЭ), такой как линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП); полипропилен (ПП); термопластические сополимеры пропилена/этилена; этилен-пропиленовые каучуки (ЭПК) или этилен-пропилен-диеновые каучуки (ЭПДК); природные каучуки; бутилкаучуки; сополимеры этилена/винилацетата (ЭВА); сополимеры этилена/метилакрилата (ЭМА); сополимеры этилена/этилакрилата (ЭЭА); сополимеры этилена/бутилакрилата (ЭБА); сополимеры этилена/α-олефина и подобные. Типичная толщина слоя 16 электрической изоляции составляет от 3 до 30 мм.
Промежуточный полупроводящий слой 18, который обычно наносят экструзией, окружает слой 16 электрической изоляции и может содержать любой материал, известный специалистам в данной области техники для полупроводящих экранов. В частности, композиция слоя 18 может быть выбрана среди таких же вариантов материалов, как для внутреннего полупроводящего слоя 14, описанных выше.
Металлический экран 20 формируется вокруг промежуточного полупроводящего слоя 18 и может представлять собой медные концентрические нейтральные провода, алюминиевую, стальную, свинцовую или медную или покрытую алюминием ленту или оба варианта. Металлический экран 20 может быть лентой, которая продольно сложена или спирально скручена, образуя по окружности и продольно непрерывный слой, как хорошо известно в технике. Металлический экран 20 может быть непрерывным трубчатым компонентом или металлическим листом, сложенным так, чтобы он стыковался сам с собой, и сваренным или герметизированным с образованием трубчатого компонента. Таким образом, металлический экран имеет несколько функций. Во-первых, он гарантирует непроницаемость кабеля от утечек для любого проникновения воды в радиальном направлении. И, во-вторых, экран создает равномерное электрическое поле радиального типа внутри кабеля. Кроме того, экран может выдерживать любые токи короткого замыкания, которые могут возникать.
Согласно нескольким описанным вариантам осуществления электрический кабель 110 на фиг.1 дополнительно включает в себя внешнюю обшивку, окружающую изолированную сердцевину кабеля и имеющую множество полимерных слоев. Данные полимерные слои могут быть экструдированы поверх металлического экрана 20 и, предпочтительно, экструдированы, по существу, одновременно (т.е. соэкструдированы) поверх экрана 20.
Как изображено на фиг.1, внешняя обшивка, во-первых, включает в себя оболочку 22, образованную вокруг изолированной сердцевины. Оболочка 22 предпочтительно представляет собой полимерный материал и может быть образована путем экструзии под давлением. Оболочка 22 служит для защиты кабеля от окружающей среды, термических и механических опасных факторов и, по существу, инкапсулирует изолированную сердцевину кабеля. Во время экструзии оболочка 22 течет поверх изолированной сердцевины кабеля. Толщина оболочки может зависеть от таких факторов, как класс кабеля и размер проводника, и установлена в промышленных инструкциях, хорошо известных специалистам в данной области техники. В качестве общего руководства толщина оболочки 22 может быть в интервале 70-180 мил (1,78-4,57 мм). Данная толщина оболочки 22 дает инкапсулирующую обшивку, которая стабилизирует изолированную сердцевину кабеля и поддерживает равномерное расположение нейтрали для распределения тока.
Оболочка 22 может быть сделана из одного или нескольких из множества материалов, хорошо известных и используемых в технике для электрических силовых кабелей. Например, оболочка 22 может представлять собой полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен средней плотности (ПЭСП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), поливинилхлорид (ПВХ) или бездымный безгалгеновый (БДБГ) материал.
Согласно фиг.1 внешний полупроводящий слой 24, также нанесенный путем экструзии, окружает оболочку 22 и контактирует с ней. Полупроводящий слой 24 включает в себя проводящий материал, описанный ниже, что позволяет использовать его для проведения теста выдерживания ПТ на оболочке 22.
Согласно одному варианту осуществления внешний полупроводящий слой 24, окружающий оболочку 22, может отличаться от оболочки 22 по цвету. В случае, когда оболочка 22 имеет обычный черный цвет, внешний полупроводящий слой 24, окружающий оболочку 22, имеет иной цвет, чем черный. Например, полупроводящий слой 24 может включать в себя такой проводящий материал, как полианилин, который дает нечерный цвет при экструзии. Полианилин, в зависимости от его проводимости, может быть зеленым, белым, прозрачным, синим или фиолетовым на вид. Другими примерами возможных проводящих материалов для полупроводящего слоя 24, которые дают нечерный экструдированный полимер, являются полипиррол и полиацетилен.
Полученное различие цвета между черной оболочкой 22 и нечерным полупроводящим слоем 24 помогает делать эти два слоя различимыми друг от друга для полевого работника. Когда работник отрезает часть полупроводящего слоя 24, он может легко видеть границу между полупроводящим слоем 24 и другим материалом под ним. Поэтому работник может избежать нежелательного разрезания и иного повреждения оболочки 22.
Наоборот, полупроводящий слой 24 может быть сделан отличным от материала непосредственно под ним путем изготовления полупроводящего слоя 24 черного цвета и изготовления нижележащего материала иного цвета, чем черный. Например, тонкий полупроводящий слой 24, окружающий оболочку, может быть экструдирован из наполненного сажей полимера. Оболочка 22, которая предпочтительно формируется одновременно путем соэкструзии с полупроводящим слоем 24, может быть образована из нечерного полимера, такого как полимер естественного цвета. Слой оболочки 22 может быть сделан из естественного неокрашенного полиэтиленового материала, имеющего УФ добавки для устойчивости к солнечному свету, такие как DHDA-8864 NT, поставляемая Dow Chemical Company, и МЕ6053 и НЕ6068, поставляемые от Borealis AG. Изготовление нечерной оболочки противоречит обычной промышленной практике, требующей черные оболочки в приложениях, которые включают в себя внешний полупроводящий слой.
Полупроводящий слой 24 может быть полимерной композицией, которая сделана полупроводящей путем введения проводящего материала. Полимерная композиция для полупроводящего слоя может быть сделана из термопластика. Термопластик может быть сделан из, по меньшей мере, одного термопластического полимера, сшитого или не сшитого, разветвленного или линейного, такого как полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилен средней плотности (ПЭСП), этиленвинилацетат (ЭВА) или их смеси. Данные полимеры могут быть с "двойной перколяцией" термопластического или термореактивного (сшитого) материалов, как описано выше в отношении внутреннего полупроводящего слоя 14.
2
2

2

2
Проводящие материалы, которые могут быть использованы в полупроводящем слое 24, включают в себя, например, электропроводящую сажу, такую как ацетиленовая сажа или печная сажа. Если используется сажа, она обычно имеет площадь поверхности больше чем 20 м/г, например, в интервале от 40 до 500 м/г, измеренную с использованием хорошо известной методологии БЭТ теста. Также можно использовать высокопроводящую сажу с большей площадью поверхности. Примеры включают печную сажу, коммерчески известную как KETJENBLACK EC (Akzo Chemie NV), имеющую площадь поверхности, по меньшей мере, 900 м/г при БЕТ тестировании, и BLACK PEARLS 2000 (Cabot Corporation), имеющую площадь поверхности 1500 м/г при БЕТ тестировании.
Количество сажи, добавляемой в полимерную матрицу полупроводящего слоя 24, может меняться как функция типа полимера и используемой сажи. Обычно количество сажи может составлять от 5 до 80%, например, в интервале от 10 до 70 масс.% относительно массы полимера.
Полупроводящий слой 24 также может придавать кабелю 110 устойчивость к солнечному свету. Например, УФ добавки могут быть включены в полимер для слоя 24. Альтернативно или дополнительно, толщина полупроводящего слоя 24 может составлять предпочтительно до 20% от всей толщины оболочки (т.е. общей толщины слоев 24 и 22), чтобы придавать устойчивость к солнечному свету согласно стандарту ICEA S-108-720-2004. Предпочтительно, полупроводящий слой 24 имеет толщину, по меньшей мере, 10 мил (0,254 мм), чтобы способствовать устойчивости к солнечному свету. В приложениях без необходимости увеличения устойчивости к солнечному свету полупроводящий слой 24 должен иметь достаточную толщину, чтобы только покрывать внешнюю поверхность оболочки 22 и обеспечивать функцию проводимости, требуемую для теста выдерживания ПТ.
Если полупроводящий слой 24 черный, а нижележащая оболочка 22 нечерная, полевой работник будет способен легче различать данные два материала по сравнению со случаем, когда оба они имеют обычный черный цвет. Следовательно, можно предотвратить непреднамеренное повреждение оболочки 22 при подготовке тестов целостности оболочки.
Кроме того, полупроводящий слой 24 или альтернативно оболочка 22 могут быть сделаны отличными по текстуре от соседних слоев путем изготовления в виде вспененного полимерного слоя. Выражение "вспененный полимерный слой" в данном контексте означает слой полимерного материала, в котором обеспечен заданный процент "свободного" пространства, то есть пространства, занятого не полимерным материалом, а вместо этого газом или воздухом. В этом процессе вспененный материал экструдируют для слоев 22 и 24, что дает материал, имеющий большее ощущение шероховатости на ощупь из-за его ячеистой структуры от вспенивания, чем компактный полимерный слой. Выражение "компактный полимерный слой" в данном контексте означает слой невспененного полимерного материала, то есть материала с нулевой степенью расширения.
Вспененный полупроводящий полимерный слой получают из вспениваемого полимера, возможно подвергнутого сшиванию после вспенивания. Вспениваемый полимер может быть выбран из группы, содержащей: полиолефины, различные олефиновые сополимеры, сополимеры олефина/ненасыщенного сложного эфира, сложные полиэфиры, поликарбонаты, полисульфоны, фенольные смолы, мочевиновые смолы и их смеси. Примерами подходящих полимеров являются: полиэтилен (ПЭ), в частности, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен средней плотности (ПЭСП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП); полипропилен(ПП); эластомерные сополимеры этилена/пропилена (ЭПМ) или терполимеры этилена/пропилена/диена (ЭПДМ); природный каучук; бутилкаучук; сополимеры этилена/винилового эфира, например, сополимеры этилена/винилацетата (ЭВА); сополимеры этилена/акрилата, в частности, сополимеры этилена/метилакрилата (ЭМА), этилена/этилакрилата (ЭЭА), этилена/бутилакрилата (ЭБА); термопластические сополимеры этилена/α-олефина; полистиролы; акрилонитрилбутадиенстироловые (АБС) смолы; галогенированные полимеры, такие как поливинилхлорид (ПВХ); полиуретан (ПУР); полиамиды; ароматические полиэфиры, например полиэтилентерефталат (ПЭТ) или полибутилентерефталат (ПБТ); и их сополимеры или механические смеси.
Вспенивание может происходить химически путем использования вспенивающего агента, который может выделять газ при заданных условиях давления и температуры, или физически путем внедрения газа при высоком давлении в цилиндр экструдера.
Пены готовят путем обработки полимерного материала вспенивающим агентом, например, на основе азодикарбонамида или других, известных в технике. Возможные вспенивающие или расширяющие агенты включают в себя: азодикарбамид, пара-толуолсульфонилгидразид, смеси органических кислот (например, лимонной кислоты) с карбонатами и/или бикарбонатами (например, бикарбонатом натрия) и подобные.
Примерами газов, которые могут внедряться при высоком давлении в цилиндр экструдера, являются: азот, диоксид углерода, воздух, низкокипящие углеводороды, например пропан или бутан, галогенуглеводороды, например метиленхлорид, трихлорфторметан, 1-хлор-1,1-дифторэтан и подобные или их смеси.
В конце этапа экструзии данные материалы могут сшиваться согласно известным технологиям, например с использованием пероксидов или силанов.
В случае когда полупроводящий полимерный слой является вспененным, количество сажи, присутствующей в полимерной матрице, также может меняться как функция выбранной степени расширения и используемого вспенивающего агента.
В электрическом кабеле, изображенном на фиг.1, с внешним полупроводящим слоем 24, образованным из вспененного или расширенного полимерного черного материала, тогда как оболочка 22 образована из невспененного или компактного полимерного, нечерного материала, полупроводящий слой 24 может легче отличаться от оболочки 22 полевым работником на ощупь, а также по цвету. Аналогично, когда оболочка 22 является вспененной, а внешний полупроводящий слой 24 является невспененным, данные два слоя могут быть отличимы друг от друга на ощупь и по цвету. Работник должен быть способен удалить затем тонкий полупроводящий слой 24 без повреждения оболочки 22.
Фиг.2 изображает другой вариант осуществления электрического силового кабеля 120. Конструкция кабеля 120 подобна конструкции, изображенной для кабеля 110 на фиг.1, за исключением того, что оболочка 22 кабеля имеет, по меньшей мере, два полимерных слоя. В частности, оболочка 22 включает в себя первый непроводящий слой 22-1 и второй непроводящий слой 22-2. Непроводящий слой 22-1 представляет собой самый внешний слой оболочки 22 и находится непосредственно под внешним полупроводящим слоем 24. Непроводящие слои 22-1 и 22-2 служат в качестве двухслойной оболочки 22 для кабеля 120. Три слоя 22-2, 22-1 и 24 обшивки кабеля образуют экструзией и предпочтительно совместно экструдирут, по существу, одновременно.
Как и в кабеле 110 на фиг.1, внешний полупроводящий слой 24 в кабеле 120 на фиг.2 может быть другим и отличимым от непосредственно нижележащего слоя по цвету и текстуре. В одном варианте осуществления внешний полупроводящий слой 24 и слой оболочки 22-2 оба являются черными по цвету, тогда как промежуточный непроводящий слой 22-1 является нечерным, например естественного цвета. Непроводящий слой 22-1 может содержать такой же материал или материалы, как слой 22-2 оболочки, за исключением цвета. Аналогично, материал непроводящего слоя 22-1 должен быть совместим со слоем 22-2 оболочки и внешним полупроводящим слоем 24, так что данные три слоя связываются, когда совместно экструдируются.
Как в других вариантах осуществления, описанных выше, полевой работник будет, таким образом, способен визуально различать внешний полупроводящий слой 24 и материал, непосредственно под ним, который в данном варианте осуществления является отдельным слоем 22-1. Следовательно, работник будет способен удалить внешний полупроводящий слой 24 без повреждения слоя 22-1 оболочки. Внешний полупроводящий слой 24 дополнительно может быть сделан отличимым от непроводящего слоя 22-1 по текстуре путем использования вспененного материала для слоя 24 или 22-1, следуя описанию, приведенному выше для других вариантов осуществления.
Данный способ изготовления электрических силовых кабелей, таких как 110 и 120, может следовать технологиям экструзии и изготовления кабелей, известным специалистам в данной области техники. В частности, изолированная сердцевина кабеля может быть образована с использованием обычных процессов с материалами, слоями и толщинами, выбранными, чтобы соблюсти требования по напряжению и требования конкретного применения кабеля. В общем, способ изготовления начинается путем формирования изолированной сердцевины кабеля и продвижения данной изолированной сердцевины кабеля сквозь головку экструзии. Затем следует экструзия различных слоев оболочки, например, соэкструзия оболочки 22 и полупроводящего слоя 24 для кабеля 110 или слоев 22-2 и 22-1 оболочки и полупроводящего слоя 24 для кабеля 120.
Соэкструзия полупроводящего слоя 24 и оболочки 22, как в кабеле 110 на фиг.1, или тройная экструзия слоев 22-2, 22-1 и 24 кабеля 120 на фиг.2 может быть проделана путем использования одной головки экструзии или путем использования нескольких этапов экструзии последовательно (например, с помощью "тандемной" технологии). Соэкструзия или тройная экструзия также могут быть проделаны на той же производственной линии, предназначенной для получения изолированной сердцевины, или на отдельной производственной линии.
Если полупроводящий слой 24 или оболочку вспенивают, вспенивание полимера может происходить во время этапа экструзии, выполняемого для оболочки 22. Отверстие головки экструдера может иметь диаметр, который немного меньше, чем конечный диаметр кабеля, имеющего вспененное покрытие, который желательно получить, так что вспенивание полимера вне экструдера приводит к достижению желаемого диаметра.
Если желательно получить многополярный кабель, например трехполярного типа, способ, описанный для униполярного кабеля, может быть модифицирован подходящим образом на основании технического знания специалиста в данной области техники.
После завершения, электрические кабели 110 и 120 обычно подвергают проверке согласно обычным способам тестирования, предназначенным для определения структурного качества кабеля. Эти тесты включают в себя тест выдерживания ПТ, обсужденный выше, для нахождения любых дефектов в оболочке 22. Выполнение этого процесса тестирования (описанного в IEC Стандарте - Публикация 229. - Второе Издание. - 1982, страница 7, параграф 3.1) включает в себя приложение, с помощью генератора напряжения, заданного напряжения ПТ между полупроводящим слоем 24 и металлическим слоем 20 непосредственно под оболочкой 22. Структура оболочки кабелей 110 и 120 обеспечивает более легкую и менее деструктивную подготовку кабелей для, по меньшей мере, теста выдерживания ПТ.
Пример 1. Высоковольтный кабель, рассчитанный на 138 кВ, обеспечивали сжатой скрученной жилой из медного проводника класса В с номинальной площадью сечения 1500 КСМ. Две полупроводящие ленты, имеющие перекрывание 50%, накладывали поверх данных проводников. Дополнительный слой экрана проводника из сшитого полупроводящего материала с минимальной средней толщиной 40 мил (1,02 мм), такого как Borealis compound LE500, экструдировали поверх данных полупроводящих лент.
Сверхчистый сшитый полиэтилен, например Borealis compound LE 4201 с минимальной средней толщиной 755 мил (19,2 мм), экструдировали поверх экрана проводника в качестве изолирующего слоя. Сшитый изолирующий экран, такой как Borealis compound LE0595 с минимальным значением толщины 40 мил (1,02 мм) и максимальным значением толщины 100 мил (2,54 мм), экструдировали поверх данной изоляции. Поверх данного изолирующего экрана наносили две разбухающие в воде, полупроводящие подложечные ленты, вставленные с 50% перекрыванием. Поверх подложечных лент экструдировали оболочку из ½с свинцового сплава, имеющую максимальную среднюю толщину 120 мил (3,05 мм).
Поверх данной металлической оболочки экструдировали натуральное полиэтиленовое соединение средней плотности с номинальной толщиной 96 мил (2,22 мм). Поверх натуральной оболочки находится совместно экструдированный с натуральной оболочкой черный ПЭСП полупроводящий слой с номинальной толщиной 24 мил (0,61 мм). Данный полупроводящий слой составляет 20% от толщины всей оболочки, то есть 20% от общей толщины натуральной оболочки и полупроводящего слоя, придавая кабелю, таким образом, устойчивость к солнечному свету.
Пример 2. Высоковольтный кабель, рассчитанный на 138 кВ, согласно настоящему варианту осуществления обеспечивали округлым сегментированным скрученным и сжатым медным проводником в связующем, содержащим одну 5 мил медную ленту с вставленной полупроводящей лентой, с номинальной площадью сечения 2500 КСМ. Две полупроводящие ленты, имеющие перекрывание 50%, накладывали поверх данных проводников. Вторую пару полупроводящих лент, имеющих перекрывание 50%, накладывали поверх первой пары полупроводящих лент. Дополнительный слой экрана проводника из сшитого полупроводящего материала с минимальной толщиной 30 мил (0,76 мм), такого как Borealis compound LE500, экструдировали поверх данных полупроводящих лент.
Сверхчистый сшитый полиэтилен, например Borealis compound LE 4201 с минимальной средней толщиной 709 мил (18,0 мм), экструдировали поверх экрана проводника в качестве изолирующего слоя. Сшитый изолирующий экран, такой как Borealis compound LE0595 с минимальным значением толщины 40 мил (1,02 мм) и максимальным значением толщины 100 мил (2,54 мм), экструдировали поверх данной изоляции. Поверх данного изолирующего экрана наносили две разбухающие в воде, полупроводящие подложечные ленты, вставленные с 25% перекрыванием. Двадцать шесть #12 AWG сплошных обнаженных медных проволок накладывали поверх изолирующего экрана в виде концентрического нейтрального слоя. Поверх концентрического нейтрального слоя наносили подложечный слой, содержащий одну медную ленту, наложенную с зазором 1,0 дюйм (2,54 см), одну набухающую в воде ленту с внедренной на 50% высокопрочной полупроводящей лентой. Поверх этого подложечного слоя накладывали металлический барьер от влаги, образованный из одной 8 мил (0,20 мм) алюминиевой ленты, наложенной продольно и согнутой.
Натуральная оболочка, нанесенная поверх данного металлического барьера от влаги и соединенная с ним, содержит натуральный экструдированный линейный полиэтилен низкой плотности с минимальным значением толщины 100 мил (2,54 мм) и максимальным значением толщины 148 мил (3,76 мм). Поверх натуральной оболочки, и совместно экструдированный с натуральной оболочкой, находится полупроводящий слой оболочки из черного линейного полиэтилена низкой плотности с минимальным значением толщины 25 мил (0,64 мм) и максимальным значением толщины 37 мил (0,94 мм). Данный полупроводящий слой или оболочка составляет 20% от толщины оболочки, то есть 20% от общей толщины натуральной оболочки и полупроводящей оболочки, придавая кабелю, таким образом, устойчивость к солнечному свету.
Специалистам в данной области техники будет ясно, что различные модификации и изменения могут быть сделаны в структуре описанного здесь силового кабеля без отклонения от объема или сущности данного изобретения. Другие варианты осуществления данного изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из рассмотрения данного описания и практики описанного здесь изобретения. Предполагается, что данное описание и примеры будут рассматриваться только как типичные, а действительный объем и сущность данного изобретения указаны в формуле изобретения.