СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЖИДКОСТЬ И СМЕСЬ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
POWER CABLE EMBEDDING DIELECTRIC FLUID AND MIXTURE OF THERMOPLASTIC POLYMERS

Уровень техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к силовому кабелю. В частности, изобретение относится к кабелю для передачи или распределения электрической энергии среднего или высокого напряжения, в котором присутствует экструдированное защитное покрытие на основе термопластичного полимерного материала в смеси с диэлектрической жидкостью, что одновременно позволяет, в частности, использовать высокие рабочие температуры и обеспечивает кабель с повышенной гибкостью.
Указанный кабель можно использовать для передачи или распределения как постоянного тока (DC), так и переменного тока (AC).
В настоящее время для электрических или телекоммуникационных кабелей повсеместно приняты требования о высокой экологической безопасности продуктов, изготовленных из материалов, которые не только не наносят никакого вреда окружающей среде в ходе их изготовления или использования, но и которые можно легко перерабатывать по окончании срока службы.
Однако применение экологически чистых материалов определяется необходимостью ограничения стоимости и в то же время, для практического применения, сохранения производительности, равной или превышающей таковую для стандартных материалов.
В случае кабелей для передачи энергии среднего и высокого напряжения различные изоляционные слои вокруг проводника, как правило, состоят из сшитого полимера на основе полиолефина, в частности, сшитого полиэтилена (XLPE) или эластомерных сополимеров этилен/пропилен (EPR) или этилен/пропилен/диен (EPDM), также сшитых. Сшивание, осуществляемое после нанесения полимерного материала методом экструзии на проводник, придает материалу удовлетворительные механические и электрические свойства как во время длительного использования, так и при перегрузке по току даже в случае высоких температур.
Однако хорошо известно, что сшитые материалы нельзя перерабатывать, поэтому отходы производства и изоляционный материал кабелей по окончании их срока службы можно уничтожить только при помощи сжигания.
Описание предшествующего уровня техники
Заявки WO 02/03398 и WO 02/27731, обе поданные на имя Заявителя, раскрывают кабели, включающие в себя по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере одно экструдированное защитное покрытие на основе термопластичного полимерного материала в смеси с диэлектрической жидкостью, где указанный термопластичный материал включает в себя гомополимер пропилена или сополимер пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, отличного от пропилена, указанный гополимер или сополимер имеет температуру плавления, превышающую или равную 140°C, и энтальпию плавления от 30 Дж/г до 100 Дж/г. Альтернативно, в качестве основного термопластичного материала, как было указано ранее, можно использовать гомополимер или сополимер пропилена в механической смеси с низкокристалличным полимером, в общем случае с энтальпией плавления, меньшей, чем 30 Дж/г, который, главным образом, увеличивает гибкость материала. Количество низкокристалличного полимера составляет в общем случае меньше 70% от массы и, предпочтительно, от 20 до 60% от общей массы термопластичного материала.
WO 04/066318, поданная на имя Заявителя, относится к кабелю, включающему в себя по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере одно экструдированное защитное покрытие на основе термопластичного полимерного материала в смеси с диэлектрической жидкостью, где указанный термопластичный полимерный материал выбран из:
(a) по меньшей мере одного гомополимера пропилена или по меньшей мере одного сополимера пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, отличного от пропилена, где указанный гополимер или сополимер имеет температуру плавления, превышающую или равную 130°C, и энтальпию плавления от 20 Дж/г до 100 Дж/г;
(b) механической смеси, включающей в себя по меньшей мере один гомополимер или сополимер пропилена (a) и по меньшей мере один эластомерный сополимер этилена (c) с по меньшей мере одним алифатическим α-олефином и, необязательно, полиеном. Эластомерный сополимер этилена (c) имеет энтальпию плавления, меньшую чем 30 Дж/г. Количество указанного эластомерного сополимера (c) составляет в общем случае меньше 70% от массы, предпочтительно, от 20% от массы до 60% от общей массы основного термопластичного материала.
US 6562907, на имя Sumitomo Chemical Co. Ltd., относится к композиции смолы, состоящей в основном из 70 весовых частей олефинового полимера и 30 весовых частей одной полипропиленовой смолы, выбранной из группы, состоящей из следующих полимеров (A) и (B), где (A) представляет собой пропилен-этиленовый сополимер, обладающий энтальпией плавления кристалла в 87±5 Дж/г, измеренной в соответствии с JIS K7122 при помощи дифференциального сканирующего калориметра (ДСК), и (B) представляет собой пропилен-этиленовый сополимер, обладающий энтальпией плавления кристалла в 60±5 Дж/г, измеренной в соответствии с JIS K7122 при помощи дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). К термопластичной смоле можно добавить смягчители на основе минерального масла, такие как нафтеновое масло или парафиновое минеральное масло. Смолу можно применять в таких областях, как изготовление электрических проводов, например, пластиковых кабелей, изоляционных и защитных материалов для проводов.
Заявитель отметил, что силовые кабели с защитным покрытием в соответствии с предшествующим уровнем техники демонстрируют хорошие термомеханические свойства, но обладают относительно низкой гибкостью, помимо прочего, из-за жесткости полимерного материала для защитного покрытия (защитных покрытий) кабелей. Гибкость особенно важна в ходе операций прокладки кабелей или установки оборудования, связанного с ними. Данная характеристика связана с кристалличностью материала, поскольку при увеличении доли аморфной полимерной фракции материал становится более мягким и более гибким. Однако модуль упругости полиолефинового материала уменьшается с ростом температуры, поэтому уменьшение кристалличности также сопровождается ухудшением механических свойств при высоких температурах. Это может представлять собой проблему в тяжелых рабочих условиях, таких как перегрузка. Таким образом, ожидалось, что значений энтальпии плавления, меньших, чем минимальные значения, известные из предыдущего уровня техники, будет недостаточно для обеспечения подходящих необходимых термо- и баростойкости.
Сущность изобретения
В настоящее время Заявитель обнаружил, что можно улучшить гибкость кабеля, не ухудшая его термомеханические характеристики, изготавливая кабель с по меньшей мере одним защитным покрытием, включающим в себя в качестве основного материала полимерной основы первый термопластичный сополимер, обладающий низкой кристалличностью (выражающейся в энтальпии плавления), и в качестве второстепенного полимерного материала второй термопластичный полимер или сополимер, обладающий кристалличностью, превышающей таковую для первого сополимера, и температурой плавления, превышающей 130°C.
Образующееся защитное покрытие приводит к получению кабеля с превосходной гибкостью, не ухудшая термомеханические характеристики и электрические характеристики, что делает его особенно пригодным для применения при изготовлении силового кабеля, например, в качестве электроизолирующего слоя кабеля среднего или высокого напряжения при высокой рабочей температуре от по меньшей мере 90°C и выше, в частности при рабочей температуре вплоть до 110°C для постоянного использования и вплоть до по меньшей мере 130°C в случае перегрузки по току.
В соответствии с первым аспектом данное изобретение относится к силовому кабелю, включающему в себя по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере одно экструдированное защитное покрытие, включающее термопластичный полимерный материал в смеси с диэлектрической жидкостью, где указанный термопластичный полимерный материал включает в себя:
(a) по меньшей мере 75%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух α-олефиновых сомономеров, причем указанный сополимер имеет энтальпию плавления, меньшую чем 25 Дж/г; и
(b) количество, равное или меньшее чем 25%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного гомополимера пропилена или сополимера пропилена с по меньшей мере одним α-олефином, причем указанный по меньшей мере один гомополимер пропилена или сополимер пропилена имеет энтальпию плавления, превышающую 25 Дж/г, и температуру плавления, превышающую 130°C;
и где
- указанное защитное покрытие имеет энтальпию плавления, равную или меньшую 40 Дж/г, и
- массовое содержание указанной диэлектрической жидкости в указанном термопластичном полимерном материале ниже, чем концентрация насыщения указанной диэлектрической жидкости в указанном термопластичном полимерном материале.
Для целей данного описания и следующей за ним формулы изобретения, за исключением тех случаев, где указано обратное, все числа, выражающие дозы, количества, процентные содержания и т.д., должны пониматься как дополненные во все случаях термином «приблизительно». Дополнительно, все диапазоны включают любую комбинацию раскрытых максимального и минимального значений и включают любые промежуточные диапазоны, которые могут быть, а могут и не быть указаны отдельно.
В данном описании и формуле изобретения термин «в смеси» означает, что термопластичный полимерный материал и диэлектрическую жидкость смешивают вместе для получения по существу гомогенного распределения жидкости в полимерной матрице (одна фаза).
В данном описании и последующей формуле изобретения под «проводником» понимают проводящий элемент как таковой, вытянутой формы и выполненный, предпочтительно, из металлического материала в форме стержня либо многожильного кабеля, более предпочтительно из алюминия или меди, или проводящий элемент такого типа, как указано выше, покрытый полупроводящим слоем.
В данном описании и формуле изобретения под «защитным покрытием» понимают полимерное покрытие проводника, например, электроизолирующий слой, полупроводящий слой, оплетку, защитный слой, причем указанный защитный слой, необязательно, вспенен, водозащитный слой или слой, выполняющий несколько функций, например, защитный слой с проводящим наполнителем.
Под «электроизолирующим слоем» понимают защитное покрытие, выполненное из материала, обладающего изолирующими свойствами, а именно обладающего диэлектрической прочностью в по меньшей мере 5 кВ/мм, предпочтительно превышающей 10 кВ/мм.
Под «полупроводящим слоем» понимают защитное покрытие, выполненное из материала, обладающего полупроводниковыми свойствами, такого как полимерная матрица, заполненная, например, углеродной сажей. Например, к полимерной матрице добавляют количество углеродной сажи, необходимое для достижения значения объемного сопротивления, меньшего чем 500 Ом·м, предпочтительно, меньшего чем 20 Ом·м, при комнатной температуре. Как правило, количество углеродной сажи может изменяться в диапазоне от 1 до 50% от массы, предпочтительно от 3 до 30% от массы полимера.
В соответствии с первым вариантом осуществления экструдированное защитное покрытие на основе указанного термопластичного полимерного материала в смеси с указанной диэлектрической жидкостью представляет собой электроизолирующий слой.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления экструдированное защитное покрытие на основе указанного термопластичного полимерного материала в смеси с указанной диэлектрической жидкостью представляет собой полупроводящий слой.
m
Энтальпию плавления (ΔH) можно определять при помощи метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Предпочтительно, сополимер (a) присутствует в количестве от 80% от массы до 95% от общей массы термопластичного полимерного материала. Большее количество сополимера (a) в термопластичном материале для кабеля по данному изобретению может привести к нежелательному уменьшению термо- и баростойкости.
Предпочтительно, сополимер (a) имеет энтальпию плавления от 15 Дж/г до 10 Дж/г. Энтальпия плавления сополимера (a) также может быть ниже 10 Дж/г, например, 0 Дж/г.
Сополимер (a) может поставляться в форме либо гранул, либо брикетов. Когда энтальпия плавления сополимера (a), например, ниже 10 Дж/г, сополимер в общем случае поставляется в форме брикетов. Сополимер (a) в гранулированной форме предпочтителен в соответствии с данным изобретением ввиду легкости его обработки.
Преимущественно, модуль упругости при изгибе сополимера (a) составляет от 80 МПа до 10 МПа, более предпочтительно от 40 МПа до 20 МПа. Модуль упругости при изгибе сополимера (a) также может быть ниже 10 МПа, например 1 МПа.
2
1
10
По меньшей мере два α-олефиновых сомономера по меньшей мере одного сополимера (a) могут быть выбраны из этилена или α-олефина формулы CH=CH-R, где R представляет собой линейную или разветвленную C-C-алкильную группу, который выбран, например, из пропилена, 1-бутена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-децена, 1-додецена, предпочтительно этилена, пропилена, бутена и октена.
Наиболее предпочтительны пропилен-этиленовые сополимеры.
Предпочтительно, по меньшей мере один из по меньшей мере двух α-олефиновых сомономеров представляет собой пропилен.
Сополимер (a) для кабеля по данному изобретению может быть статистическим сополимером или гетерофазным сополимером.
Под «статистическим сополимером» здесь понимается сополимер, в котором мономеры распределены по полимерной цепи в случайном порядке.
Под «гетерофазным сополимером» здесь понимается сополимер, в котором эластомерные домены, например, этилен-пропиленового эластомера (EPR), образованы и распределены по гомополимерной или сополимерной матрице.
Предпочтительно, сополимер (a) выбран из:
1
(a) статистического сополимера пропилена с по меньшей мере одним сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, отличного от пропилена;
2
(a) гетерофазного сополимера, включающего в себя термопластичную фазу на основе пропилена и эластомерную фазу на основе этилена, сополимеризованного с α-олефином, предпочтительно, пропиленом, в котором эластомерная фаза предпочтительно присутствует в количестве, равном по меньшей мере 45% от общей массы гетерофазного сополимера.
1
Особенно предпочтителен из указанного класса (a) сополимер пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, отличного от пропилена, причем указанный сополимер обладает:
- температурой плавления от 130°C до 170°C; и
- энтальпией плавления, меньшей чем 20 Дж/г.
2
Например, гетерофазные сополимеры класса (a) получают последовательной сополимеризацией: i) пропилена, возможно содержащего небольшие количества по меньшей мере одного олефинового сомономера, выбранного из этилена и α-олефина, отличного от пропилена; а затем: ii) смеси этилена с α-олефином, в частности, пропиленом и, возможно, незначительным количеством диена.
2
Особенно предпочтителен из указанного класса (a) гетерофазный сополимер, в котором эластомерная фаза состоит из эластомерного сополимера этилена и пропилена, включающего в себя от 15% до 50% этилена и от 50% до 85% пропилена относительно массы эластомерной фазы.
1
Примеры коммерчески доступных продуктов класса (a) представляет собой Vistalon™ 404, Vistalon™ 606, Vistalon™ 805 (Exxon Chemicals).
2

Примеры коммерчески доступных продуктов класса (a) представляет собой Softell  CA02A; Hifax  CA07A; Hifax  CA10A (все поставляются Basell).
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления энтальпия плавления гомополимера пропилена или сополимера пропилена с по меньшей мере одним α-олефином (b) превышает 30 Дж/г, более предпочтительно, составляет от 50 до 80 Дж/г. Количество указанного гомополимера пропилена или сополимера пропилена (b) предпочтительно составляет от 5% от массы до 25% от общей массы основного термопластичного материала.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, сополимер (b) имеет температуру плавления от 140°C до 170°C.
Преимущественно, модуль упругости при изгибе гомополимера или сополимера (b) равен или превышает 100 МПа, более предпочтительно составляет от 200 МПа до 1500 МПа.
Преимущественно, гомополимер или сополимер (b) представляет собой гетерогенный сополимер, полученный последовательной сополимеризацией: (i) пропилена, необязательно содержащего по меньшей мере один α-олефиновый сомономер, отличный от пропилена; а затем (ii) смеси пропилена с α-олефином, в частности, этиленом, и, необязательно, диеном. Сополимеризацию, как правило, проводят в присутствии катализаторов Циглера-Натта на основе галогенсодержащих соединений титана, нанесенных на хлорид магния. Подробности, касающиеся приготовления данных сополимеров, приведены, например, в EP-A-0400333, EP-A-0373660 и US-A-5286564.
2
Термин «α-олефин» относится к этилену или олефину формулы CH=CH-R', где R' представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу, содержащую от 2 до 10 атомов углерода. Указанный α-олефин может быть выбран, например, из 1-бутена, 1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-додецена и т.п.
Преимущественно, термопластичная фаза гетерогенного сополимера включает в себя гомополимер пропилена или кристаллический сополимер пропилена с олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефинов, отличных от пропилена. Предпочтительно, олефиновый сомономер представляет собой этилен. Количество олефинового сомономера предпочтительно меньше 10 молярных процентов по отношению к общему числу молей термопластичной фазы.
В качестве сомономера необязательно присутствует диен. Указанный диен, в общем случае, содержит от 4 до 20 атомов углерода и, предпочтительно, выбран из линейных (не)сопряженных диолефинов, например, 1,3-бутадиена, 1,4-гексадиена, 1,6-октадиена и т.п.; моноциклических или полициклических диенов, например, 1,4-циклогексадиена, 5-этилиден-2-норборнена, 5-метилен-2-норборнена и т.п.
Преимущественно, указанный однофазный термопластичный гомополимер или сополимер пропилена обладает микроскопической гомогенной структурой и может быть получен гомополимеризацией пропилена или сополимеризацией пропилена с этиленом или α-олефином, отличным от пропилена, в присутствии катализатора Циглера-Натта с низкой стереоспецифичностью. В частности, катализатор преимущественно включает в себя:
2
a) твердый катализатор, включающий в себя тетрагалогенид титана (например, тетрахлорид титана), нанесенный на MgCl, необязательно смешанный с тригалогенидом алюминия (например, трихлоридом алюминия);
1
9
b) сокатализатор, включающий в себя триалкилалюминий, где алкильные группы представляет собой C-C группы (например, триэтилалюминий или триизобутилалюминий);
c) основание Льюиса в количестве, в общем случае не превышающем 10 молярных процентов от общего количества молей триалкилалюминия.
Прибавление основания Льюиса в заранее определенном количестве позволяет контролировать стереорегулярность полученного полимера. Основание Льюиса в общем случае выбирают из сложных эфиров ароматических кислот и алкоксисиланов, например, этилбензоата, метил-п-толуата, диизобутилфталата, дифенилдиметоксисилана или их смесей. Сокатализатор прибавляют в большом избытке по отношении к твердому катализатору. Молярное соотношение галогенида титана к триалкилалюминию в общем случае составляет от 50:1 до 600:1.
Диэлектрическая жидкость, пригодная для применения в защитном покрытии для кабелей по данному изобретению, преимущественно обладает различными особенностями.
Обнаружено, что применение диэлектрической жидкости способствует увеличению прочности на пробой (электрической прочности) защитного покрытия. Например, обнаружено, что применение диэлектрической жидкости, как будет описано в дальнейшем, позволяет увеличивать прочность на пробой изолирующего слоя на основе полипропилена от приблизительно 30 кВ/мм при отсутствии диэлектрической жидкости вплоть до более чем 50 кВ/мм, также достигались значения, превышающие 80 кВ/мм.
Предпочтительно, подходящий диэлектрик обладает прочностью на пробой, равной, по меньшей мере, 3 кВ/мм, более предпочтительно, превышающей 9 кВ/мм.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления диэлектрическая постоянная диэлектрической жидкости при 25°C меньше или равна 3,5, более предпочтительно, меньше 3 (измерено в соответствии с IEC 247).
Другие выгодные особенности диэлектрической жидкости, пригодной для использования в рамках данного изобретения, представляют собой теплостойкость, способность к газопоглощению, в частности поглощению водорода, и устойчивость к частичному разряду.
Преимущественно, температура кипения диэлектрической жидкости должна быть выше температуры, до которой может нагреться кабель в процессе эксплуатации и при перегрузке по току. Предпочтительно, температура кипения диэлектрической жидкости выше 130°C, более предпочтительно, выше 250°C.
Подходящая диэлектрическая жидкость совместима с термопластичным полимерным материалом. «Совместимость» означает, что химический состав жидкости и термопластичного полимерного материала таков, что приводит к гомогенному на микроскопическом уровне распределению диэлектрической жидкости в полимерном материале после смешивания жидкости и полимера, аналогично пластификатору.
Предпочтительно, диэлектрическую жидкость смешивают с термопластичным полимерным материалом в количествах, меньших, чем концентрация насыщения диэлектрической жидкости в термопластичном полимерном материале. Обнаружено, что указанные количества, подробно описанные в дальнейшем, не ухудшают термомеханические характеристики защитного покрытия и предотвращают выход указанной диэлектрической жидкости на поверхность термопластичного полимерного материала.
Концентрацию насыщения диэлектрической жидкости в термопластичном полимерном материале можно определить при помощи метода абсорбции жидкости на образцах-восьмерках, как описано, например, в WO 04/066317.
Весовое отношение диэлектрической жидкости к термопластичному полимерному материалу по данному изобретению в общем случае составляет от 1:99 до 25:75, предпочтительно от 2:98 до 20:80.
Стоит также отметить, что применение диэлектрической жидкости с относительно низкой температурой плавления или низкой температурой текучести (например, температура кипения или температура текучести не превышает 80°C) упрощает обращение с диэлектрической жидкостью, которую можно расплавить без дополнительных и сложных стадий производственного процесса (например, стадии плавления диэлектрической жидкости) и/или устройств для смешивания жидкости с полимерным материалом.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления температура плавления или температура текучести диэлектрической жидкости составляет от -130°C до+80°C.
Температуру плавления можно определить при помощи известных способов, таких как, например, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК).
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления диэлектрическая жидкость обладает заранее определенной вязкостью для предотвращения быстрой диффузии жидкости в изолирующий слой и, следовательно, ее выхода за его пределы, а также для обеспечения легкого введения диэлектрической жидкости в термопластичный полимерный материал и смешивания с ним. В общем случае, диэлектрическая жидкость по данному изобретению при 40°C обладает вязкостью от 10 сСт до 800 сСт, предпочтительно от 20 сСт до 500 сСт (измерено в соответствии со стандартом Американского общества специалистов по испытаниям материалов (ASTM) D445-03).
Например, диэлектрическая жидкость выбрана из минеральных масел, например, нафтеновых масел, ароматических масел, парафиновых масел, полиароматических масел, причем указанные минеральные масла необязательно содержат по меньшей мере один гетероатом, выбранный из кислорода, азота или серы; жидких предельных углеводородов; 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, тетраэфиров пентаэритрита, эфиров себациновой кислоты, эфиров фталевой кислоты), олефиновых олигомеров (например, необязательно гидрированных полибутенов или полиизобутенов); или их смесей. Особенно предпочтительны парафиновые масла и нафтеновые масла.
Минеральные масла в качестве диэлектрической жидкости могут включать в себя полярное соединение(я). Количество полярного соединения(ий) преимущественно составляет вплоть до 2,3% по массе. Такое низкое содержание полярных соединений позволяет обеспечить низкие диэлектрические потери.
Количество полярных соединений в диэлектрической жидкости можно определить в соответствии со стандартом ASTM D2007-02.
В качестве альтернативы диэлектрическая жидкость может включать в себя по меньшей мере один алкиларилуглеводород структурной формулы:
где R1, R2, R3, R4, одинаковые или различные, представляют собой водород или метильную группу;
n1 и n2, одинаковые или различные, представляют собой 0, 1 или 2 при условии, что сумма n1+n2 меньше или равна 3.
В качестве другой альтернативы диэлектрическая жидкость включает в себя по меньшей мере один дифениловый эфир со следующей структурной формулой:
1
24
1
20
где R5 и R6 одинаковы или различны и представляют собой водород, фенильную группу, незамещенную или замещенную по меньшей мере одной алкильной группой, или алкильную группу, незамещенную или замещенную по меньшей мере одной фенильной группой. Под алкильной группой понимается линейный или разветвленный C-C, предпочтительно C-C, углеводородный радикал.
Диэлектрическая жидкость, пригодная для применения в защитном покрытии для кабеля по данному изобретению, описана, например, в WO 02/027731, WO 02/003398 или WO 04/066317, все поданные на имя Заявителя.
Предпочтительно, защитное покрытие для силового кабеля по данному изобретению обладает энтальпией плавления, равной или меньшей 35 Дж/г, и, более предпочтительно, составляющей от 30 до 5 Дж/г.
Преимущественно, защитное покрытие имеет индекс текучести расплава (ИТР), измеренный при 230°C с нагрузкой в 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.
Термопластичный полимерный материал, который вместе с диэлектрической жидкостью образует защитное покрытие для кабеля по данному изобретению и который включает в себя
(a) по меньшей мере 75%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух α-олефиновых сомономеров, причем указанный сополимер имеет энтальпию плавления, меньшую чем 25 Дж/г; и
(b) количество, равное или меньшее чем 25%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного гомополимера пропилена или сополимера пропилена с по меньшей мере одним алифатическим α-олефином, причем указанный по меньшей мере один гомополимер пропилена или сополимер пропилена имеет энтальпию плавления, превышающую 25 Дж/г, и температуру плавления, превышающую 130°C;
имеет энтальпию плавления, в значительной степени равную или меньшую 40 Дж/г.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления кабель по данному изобретению имеет по меньшей мере одно экструдированное защитное покрытие с электроизолирующими свойствами, полученное из термопластичного полимерного материала в смеси с диэлектрической жидкостью, как описано выше.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления кабель по данному изобретению имеет по меньшей мере одно экструдированное защитное покрытие с полупроводниковыми свойствами, полученное из термопластичного полимерного материала в смеси с диэлектрической жидкостью, как описано выше. Для получения полупроводящего слоя к полимерному материалу в общем случае добавляют проводящий наполнитель. Для обеспечения подходящего распределения проводящего наполнителя в термопластичном полимерном материале последний предпочтительно выбран из гомополимеров или сополимеров пропилена, включающих в себя по меньшей мере 40% аморфной фазы относительно общей массы полимера.
В соответствии с еще одним аспектом данное изобретение относится к полимерной композиции, включающей в себя термопластичный полимерный материал в смеси с диэлектрической жидкостью, где указанный термопластичный полимерный материал включает в себя
(a) по меньшей мере 75%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух α-олефиновых сомономеров, причем указанный сополимер имеет энтальпию плавления, меньшую чем 25 Дж/г; и
(b) количество, равное или меньшее чем 25%, относительно общей массы термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного гомополимера пропилена или сополимера пропилена с по меньшей мере одним алифатическим α-олефином, причем указанный по меньшей мере один гомополимер пропилена или сополимер пропилена имеет энтальпию плавления, превышающую 25 Дж/г, и температуру плавления, превышающую 130°C;
- указанное защитное покрытие имеет энтальпию плавления, равную или меньшую 40 Дж/г, и
- массовое содержание (концентрация) указанной диэлектрической жидкости в указанном термопластичном полимерном материале ниже, чем концентрация насыщения указанной диэлектрической жидкости в указанном термопластичном полимерном материале.
В соответствии с еще одним аспектом данное изобретение относится к применению полимерной композиции, как указано выше, в качестве основного полимерного материала для изготовления защитного покрытия кабеля с электроизолирующими свойствами или для изготовления защитного покрытия кабеля с полупроводниковыми свойствами.
При получении защитного покрытия для кабеля по данному изобретению к вышеуказанной полимерной композиции можно добавить другие стандартные компоненты, такие как антиоксиданты, вещества для улучшения технологических свойств, замедлители водно-древовидной деградации или их смеси.
Стандартные антиоксиданты, пригодные для этих целей, представляют собой, например, дистеарил- или дилаурилтиопропионат и пентаэритритил-тетракис[3-(3,5-ди-т-бутил-4-гидроксифенил)пропионат] или их смеси.
Вещества для улучшения технологических свойств, которые можно добавлять к полимерной композиции, включают, например, стеарат кальция, стеарат цинка, стеариновую кислоту или их смеси.
Полимерные материалы, как указано выше, можно преимущественно использовать для получения изолирующего слоя, особенно в случае кабелей среднего или высокого напряжения. Термо- и баростойкость, приобретенные за счет нанесения изолирующего слоя, такого как слой по данному изобретению, позволяют силовым кабелям среднего или высокого напряжения, в состав которых он входит, работать при 90°C или более высокой температуре без ухудшения производительности и обеспечивают превосходную гибкость по сравнению с известными силовыми кабелями на основе термопластичного полипропилена.
Если защитное покрытие по данному изобретению представляет собой полупроводниковый слой, проводящий наполнитель, в частности, углеродная сажа, в общем случае распределен по основному полимерному материалу в количестве, достаточном для придания материалу полупроводниковых характеристик (т.е. достаточном для достижения сопротивления, меньшего чем 5 Ом·м при комнатной температуре). Данное количество в общем случае лежит в диапазоне от 5% до 80% и, предпочтительно, от 10% до 50% от общей массы смеси.
Применение той же самой основной полимерной композиции как для изолирующего слоя, так и полупроводящих слоев особенно выгодно при изготовлении кабелей среднего или высокого напряжения, в которых она обеспечивает отличное слипание между соседними слоями и, следовательно, хорошие электрические характеристики, в частности, на границе между изолирующим слоем и внутренним полупроводящим слоем, где электрическое поле и, следовательно, риск частичного разряда выше.
Полимерную композицию для защитного покрытия кабеля по данному изобретению можно приготовить путем смешивания вместе термопластичного полимерного материала, диэлектрической жидкости и любых других возможно присутствующих добавок при использовании способов, известных в данной области техники. Смешивание можно проводить, например, при помощи внутреннего смесителя с роторами тангенциального типа (Banbury) или с взаимопроникающими роторами; в смесителе непрерывного действия типа Ko-Kneader (Buss), в двухчервячном смесителе с винтами одинакового или противоположного вращения; или в одночервячном экструдере.
Термопластичный полимерный материал может быть заранее изготовлен в реакторе полимеризации или введением компонентов (a) и (b) вместе с диэлектрической жидкостью в смесительный аппарат для полимерной композиции, пример чего был приведен выше.
В качестве альтернативы, диэлектрическую жидкость по данному изобретению можно добавлять к термопластичному полимерному материалу в процессе экструзии при помощи прямого впрыскивания в цилиндр экструдера, как раскрыто, например, в международной заявке на патент WO 02/47092, поданной на имя Заявителя.
Более высокая совместимость была также обнаружена между диэлектрической жидкостью и термопластичным полимерным материалом по данному изобретению, чем в случае похожих смесей того же самого полимерного материала с другими диэлектрическими жидкостями, известными в данной области техники. Данная более высокая совместимость приводит, помимо прочего, к меньшему выходу диэлектрической жидкости на поверхность. За счет высокой рабочей температуры и их низких диэлектрических потерь кабели по данному изобретению могут переносить в случае того же самого напряжения мощность, по меньшей мере равную или даже превышающую переносимую при помощи стандартного кабеля с покрытием XLPE.
Для целей данного изобретения термин «среднее напряжение» в общем случае означает напряжение от 1 кВ до 35 кВ, тогда как «высокое напряжение» означает напряжения, превышающие 35 кВ.
Хотя данное описание, главным образом, направлено на изготовление кабелей для передачи или распределения энергии среднего или высокого напряжения, полимерную композицию по данному изобретению можно использовать для покрытия электрических устройств в общем, и в частности кабелей различного типа, например низковольтных кабелей (т.е. кабелей, переносящих напряжение, меньшее 1 кВ), телекоммуникационных кабелей или объединенных силовых/телекоммуникационных кабелей, или вспомогательного оборудования, используемого в электрических цепях, таких как точки подключения, спайки, соединительные разъемы или т.п.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики станут очевидными из детального описания, представленного ниже, с отсылкой на сопутствующий чертеж, где дано перспективное изображение электрического кабеля, особенно подходящего для среднего или высокого напряжения в соответствии с данным изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На чертеже кабель (1) включает в себя проводник (2), внутренний слой с полупроводниковыми свойствами (3), промежуточный слой с изолирующими свойствами (4), внешний слой с полупроводниковыми свойствами (5), металлический экран (6) и внешнюю оплетку (7).
Проводник (2) в общем случае состоит из металлических проводов, предпочтительно из меди или алюминия, переплетенных вместе при помощи стандартных способов, или из сплошного алюминиевого или медного стержня. По меньшей мере одно защитное покрытие, выбранное из изолирующего слоя (4) и полупроводящих слоев (3) и (5), включает в себя композицию по данному изобретению, как определено ранее. Вокруг внешнего полупроводящего слоя (5) обычно располагается экран (6) в общем случае из электропроводящих проводов или полос, намотанных спиралью. Данный экран затем покрыт оплеткой (7) из термопластичного материала, такого как, например, несшитый полиэтилен (ПЭ).
Кабель также может быть снабжен защитной структурой (не показано), основная роль которой заключается в механической защите кабеля от ударов или сдавливания. Данная защитная структура может быть, например, металлической окантовкой или слоем вспененного полимера, как описано в WO 98/52197, поданном на имя Заявителя.
На чертеже изображен только один вариант использования кабеля в соответствии с данным изобретением. В данный вариант осуществления могут быть внесены подходящие модификации в соответствии с определенными техническими нуждами и требованиями применения, не выходя за рамки объема изобретения.
Защитный слой или слои из термопластичного материала для кабеля в соответствии с данным изобретением можно изготовить в соответствии с известными способами, например, при помощи экструзии. Экструзию преимущественно проводят в одну стадию, например, при помощи тандемного способа, в котором отдельные экструдеры расположены последовательно, или при помощи соэкструзии с использованием многосекционной головки экструдера.
Следующие примеры иллюстрируют данное изобретение, но не ограничивают его.
Примеры 1-8
Были изготовлены кабели, оснащенные защитным покрытием в соответствии с данным изобретением и контрольным защитным покрытием.
Защитные покрытия в соответствии с данным изобретением имели состав, представленный в Таблице 1.
Таблица 1.
Пример
1
2
3
4
5
6
Softell CA 02 A
80
85
90
80
90
80
Moplen RP 310D
20
15
10
-
-
Moplen RP 210G
-
-
-
20
10
Borsoft SA 233 CF
-
-
-
-
20
Количество, указанное в Таблице 1, выражено в массовых процентах относительно общей массы термопластичного полимерного материала.

- Softell CA 02 A: гетерофазный сополимер EPR, температура плавления 143°C, энтальпия плавления 12,4 Дж/г, ИТР 0,6 дг/мин и модуль упругости при изгибе 20 МПа (коммерческий продукт Basell);

- Moplen RP 210G: пропилен-этиленовый статистический сополимер, температура плавления 146°C, энтальпия плавления 65,1 Дж/г, ИТР 1,8 дг/мин и модуль упругости при изгибе 800 МПа (коммерческий продукт Basell);

- Moplen EP 310 D: гетерофазный сополимер пропилена EPR, температура плавления 165°C, энтальпия плавления 71,8 Дж/г, ИТР 0,8 дг/мин и модуль упругости при изгибе 1050 МПа (коммерческий продукт Basell);

- Borsoft SA 233 CF: статистический пропилен-этиленовый сополимер с гетерофазным сополимером EPR, температура плавления 142°C, энтальпия плавления 65 Дж/г, ИТР 0,8 дг/мин и модуль упругости при изгибе 400 МПа (коммерческий продукт Borealis).
В качестве диэлектрической жидкости к каждой термопластичной смеси прибавляли Jarylec EXP3 (температура кипения 390°C, реализуется Arkema) в количестве, составляющем 6% от массы композиции защитного покрытия.
Контрольные защитные покрытия имеют состав, представленный в Таблице 2.
Таблица 2.
Пример
7
8
Moplen RP 210G
70
-
Hifax 7320
30
-
Adflex Q200 F
100
Количество, указанное в Таблице 2, такое же, как и в Таблице 1.

- Moplen RP 210G: пропилен-этиленовый статистический сополимер, температура плавления 146°C, энтальпия плавления 65,1 Дж/г, ИТР 1,8 дг/мин и модуль упругости при изгибе 800 МПа (коммерческий продукт Basell);

- Hifax 7320: этилен-пропиленовый гетерофазный сополимер с температурой плавления 165°C, энтальпией плавления 27,0 Дж/г, ИТР 2,5 дг/мин и модулем упругости при изгибе 200 МПа (коммерческий продукт Basell);

- Adflex Q200 F: пропиленовый гетерофазный сополимер с температурой плавления 165°C, энтальпией плавления 30 Дж/г, ИТР 0,8 дг/мин и модулем упругости при изгибе 150 МПа (коммерческий продукт Basell).
Композиции из примеров 7 и 8 содержали диэлектрическую жидкость Jarylec EXP3 в количестве, составляющем 6% от массы композиции защитного покрытия.
Полимерные композиции из Таблиц 1 и 2 использовались в качестве изолирующих слоев при изготовлении силовых кабелей в соответствии со следующим.
Каждую полимерную основу вводили непосредственно в приемное отверстие экструдера. Затем диэлектрическую жидкость, заранее смешанную с антиоксидантами, впрыскивали под высоким давлением в экструдер. Использовали экструдер с диаметром 80 мм и отношением длины червяка к диаметру цилиндра экструдера (L/D) в 25. Впрыскивание проводили в ходе экструзии на расстоянии 20 D от шнека экструдера через три точки впрыскивания, расположенных на одном и том же сечении с промежутком в 120° между ними. Диэлектрическую жидкость впрыскивали при температуре 70°C и давлении 250 бар.
Кабель, выходящий из головки экструдера, охлаждали до комнатной температуры пропусканием его через холодную воду.
2
Полученный кабель состоял из алюминиевого проводника (150 мм в поперечном сечении), внутреннего полупроводящего слоя толщиной приблизительно 0,5 мм, изолирующего слоя из одной из полимерных композиций из Таблиц 1 или 2 толщиной приблизительно 4,5 мм и внешнего полупроводящего слоя толщиной приблизительно 0,5 мм.
Измерение гибкости кабеля
Гибкость кабелей измеряли в соответствии со способом TC20/WG9 Европейского Комитета по Электротехническим Стандартам (CENELEC), который содержит всю информацию об оборудовании, приготовлении образцов и процедуре испытания. Результаты представлены в Таблице 3.
Измерение температуры плавления (T
), энтальпии плавления (ΔH) и термо- и баростойкости.
m
m
Температуру плавления (T) и энтальпию плавления (ΔH) изолирующих слоев каждого из исследованных силовых кабелей определяли при помощи дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) при использовании дифференциального сканирующего калориметра Mettler Toledo DSC 820. Температурную программу, приведенную ниже, применяли ко всем образцам, которые нужно было проанализировать:
- охлаждение от комнатной температуры до 10°C;
- нагревание от 10°C до 190°C на скорости 10°C/мин;
- поддержание температуры 190°C в течение 5 минут;
- охлаждение до 10°C на скорости 10°C/мин;
- поддержание температуры 10°C в течение 10 минут;
- нагревание до 190°C на скорости 10°C/мин.
Термо- и баростойкость каждого исследуемого силового кабеля измеряли в соответствии с правилом CEI EN 60811-3-1 Пар. 8.
Полученные результаты приведены в Таблице 3.
Таблица 3.
Пример
Модуль упругости при изгибе (кг)
Термо- и баростойкость при 120°C (%)
Температура плавления(T<sub>m</sub>) (°C)
Энтальпия плавления (<img file="00000003.tif" he="4" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />H) (Дж/г)
1
16,3
80,6
162
21,2
2
14,9
75,2
162
18,2
3
15,6
72,0
160
14,1
4
14,3
79,0
146
23,1
5
15,1
60,0
150
11,9
6
17,2
81,0
145
20,0
7
32,4
90,9
157
42,5
8
18,1
80,0
164
25,0
Результаты, представленные в Таблице 3, показывают, что защитный слой для кабеля по данному изобретению представляет кабель с повышенной гибкостью по отношению к ранее известным кабелям при сохранении термо- и баростойкости практически без изменений.
Термо- и баростойкость особенно важна для измерения производительности и надежности силового кабеля, поскольку данная характеристика указывает на способность кабеля (изолирующего слоя) выдерживать деформацию при высоких температурах, например при температуре, достигаемой в условиях перенапряжения.