專利名稱：電絕緣直流電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣電氣設(shè)備，諸如包含導(dǎo)體和絕緣體系的直流電纜(DC電纜)、變壓器或電容器。本發(fā)明尤其涉及一種用于輸送和配送電能的電絕緣DC電纜。該絕緣體系包含浸漬了介電流體的多孔、纖維狀和/或?qū)訝畹慕^緣體。
背景技術(shù)：
早期用于輸送和分配電力的供電系統(tǒng)中有許多是基于直流技術(shù)的。然而，這些直流技術(shù)迅速地被使用交流電的系統(tǒng)(即AC)代替。AC系統(tǒng)具有所希望的特征，即在發(fā)電電壓、輸送電壓和配送電壓之間容易進行變壓。在20世紀(jì)前半葉，現(xiàn)代供電系統(tǒng)的發(fā)展都是基于AC輸送系統(tǒng)的。到1950年代，遠距離輸送方案有了日益增長的需求，很明顯在某些情況下采用基于直流的系統(tǒng)可能會有好處?？梢灶A(yù)見的優(yōu)點包括減少了所遇到的與AC系統(tǒng)穩(wěn)定性相聯(lián)系的問題、更有效地利用設(shè)備，因為體系的功率因數(shù)永遠是1，以及在較高的操作電壓下能夠使用給定的絕緣厚度或間隙。與這些明顯優(yōu)點相對的是，不得不權(quán)衡將AC轉(zhuǎn)化為DC用的，以及DC再變回AC的終端設(shè)備的成本。不過，對于給定的輸送功率，終端的成本是固定的，因此對于涉及遠距離的方案，如對于預(yù)定從遠處的電站給消費者輸送電能的系統(tǒng)，包括向海島輸送，以及其它的遠距離輸送的方案，在輸送設(shè)備的節(jié)省超過終端廠成本的情況下，DC輸送系統(tǒng)是經(jīng)濟的。
DC操作的一個重大好處是有效地消除了介電損耗，因此在效率上有巨大的收益，在設(shè)備上可以節(jié)約。DC泄漏電流非常小，以致在額定電流計算中可以忽略不計，而在AC電纜中介電損耗引起額定電流明顯的下降。對于較高的系統(tǒng)電壓這是十分重要的。與此類似，在DC電纜中，高電容不是負擔(dān)。
如同在AC輸送電纜的情況下，當(dāng)確定DC電纜的絕緣厚度時，瞬態(tài)電壓是一個要考慮的因素。發(fā)現(xiàn)當(dāng)在系統(tǒng)上加上與操作電壓極性相反的瞬態(tài)電壓時，當(dāng)電纜載上全負荷時，會出現(xiàn)最麻煩的情況。如果該電纜與架空線路系統(tǒng)相連，這樣的情況一般是作為照明瞬態(tài)的結(jié)果而發(fā)生。
典型的DC輸送電纜包括一個導(dǎo)體和一個含有多層的絕緣體系，比如半導(dǎo)體內(nèi)屏蔽層、絕緣體和半導(dǎo)體外屏蔽層。電纜還補充以外套、加強件等，以在生產(chǎn)、安裝和使用時能夠經(jīng)受水的滲入和任何機械摩擦或機械力。至今所供應(yīng)的幾乎所有DC電纜系統(tǒng)都是供海底跨越電纜，或者與之相連的陸上電纜。對于長跨距，選擇整體浸漬固態(tài)紙絕緣型電纜，因為沒有因須要加壓而在長度上產(chǎn)生的限制。至今已供應(yīng)了操作電壓直至450kV的電纜。迄今為止，除了認(rèn)為應(yīng)使用層合帶材料如層合的聚丙烯紙帶的情況，使用的是包含近于全紙帶，即基于紙或纖維素纖維帶材的纏繞體。此纏繞體一般用電絕緣油或絕緣體浸漬。商品電絕緣DC電纜，如用于在高壓即100kV以上電壓操作的輸送或配電電纜一般是用如下方法制造的，即纏繞或旋轉(zhuǎn)一種基于纖維素或紙質(zhì)纖維的多孔、纖維狀和/或?qū)訝畹墓腆w絕緣體，然后用電絕緣油浸漬。浸漬一般在絕緣層被纏到導(dǎo)體上以后間歇地進行，是很費時間的，須要仔細地監(jiān)視和控制。為了浸漬DC電纜，要用通常黏度的流體浸漬幾千米長的電纜，該方法的工藝周期要延長到幾天，甚至幾周或幾個月。此外，要按照仔細開發(fā)并嚴(yán)格控制的工藝周期進行此費時的浸漬，浸漬罐中在加熱、保持和冷卻過程中的溫度和壓力條件的變化都要專門規(guī)定，以確保對纖維基絕緣體完全和均勻的浸漬。
在發(fā)電站或在大型用電裝置如工廠中用于DC輸電網(wǎng)絡(luò)的變壓器或電抗器一般也包含多孔的、纖維狀的和/或?qū)雍系陌趯?dǎo)體周圍和放在導(dǎo)體之間的絕緣體。一般使用的預(yù)成型絕緣體，如所謂層壓板，是通過將含有纖維的漿液脫水和層壓而得到的。該絕緣體浸漬了介電流體以賦予所需的介電性能。浸漬變壓器中的這類絕緣體雖然并不費時，但也是一種敏感的工藝，對要浸漬的流體、介質(zhì)和浸漬使用的工藝參數(shù)都有專門的要求。
電容器呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，在兩層電極之間是包括一層或幾層聚合薄膜的介電介質(zhì)。一般使用聚烯烴或熱塑性聚酯薄膜。電容器一般用介電流體浸漬。電容器層合結(jié)構(gòu)的浸漬雖然并不費時間，卻是一種敏感的工藝，對要浸漬的流體、介質(zhì)和浸漬使用的工藝參數(shù)都有專門的要求。
在前面敘述的浸漬絕緣體系的有效部分是固態(tài)部件，如使用的纖維素纖維、聚合物薄膜或任何層壓體或帶材。介電流體保護絕緣體避免吸收濕氣，充滿所有的孔隙或其它間隙，借此用介電流體替代了在絕緣體中所含的任何絕緣性能差的空氣。
為了保證良好的浸漬結(jié)果，希望使用表現(xiàn)出低黏度的流體。但是也優(yōu)選使用在電氣設(shè)備操作條件下是粘稠的流體，以避免流體在多孔絕緣體中的遷移，尤其是避免流體從多孔絕緣體中向外遷移。通常用Darcy定律(1)來描述流體通過多孔或毛細管介質(zhì)的流動。(1)ν=kΔPμL]]>在此定律中，υ是所謂的流體的Darcy速度，其定義是體積流量除以試樣的面積；k是多孔介質(zhì)的滲透率；Δp是通過試樣的壓差；μ是流體的動力學(xué)黏度；L是試樣的厚度。因此，流體在多孔介質(zhì)中的流動速度將基本反比于黏度，在操作溫度下表現(xiàn)出低黏度或具有高的溫度依賴性的黏度的流體在溫度波動的影響下傾向于遷移，在操作過程中的電氣設(shè)備中這種溫度波動是自然要發(fā)生的，同時也由于在操作過程中經(jīng)導(dǎo)體絕緣產(chǎn)生的溫度梯度。這樣的遷移會導(dǎo)致在絕緣體中形成未填充的空隙。因為溫度波動和溫度梯度在高電壓DC電纜中將會表現(xiàn)出來，所以與介電流體遷移有關(guān)的任何問題也必須予以考慮。未填充的空隙或其它未填充的間隙或孔洞在高電壓直流電場下的絕緣操作中將構(gòu)成空間電荷傾向于集聚的位置，因而會有通過放電引發(fā)介電擊穿的危險，這就使絕緣性能下降，最終會導(dǎo)致絕緣體的擊穿。因此希望理想的介電質(zhì)在浸漬時應(yīng)表現(xiàn)出低黏度，而在操作條件下卻表現(xiàn)出高黏度。
用于浸漬DC電纜中的多孔、纖維狀或?qū)訝畹膶?dǎo)體絕緣體的常規(guī)介電油表現(xiàn)出的黏度隨著溫度升高基本呈指數(shù)下降。因此，浸漬溫度必須明顯高于操作溫度，以得到由于黏度的溫度依存性小而造成的所需黏度降。比較起來，在操作時經(jīng)常出現(xiàn)的溫度下，黏度的溫度依存性又太高。因此浸漬條件或操作條件的很小變化都會對介電流體和導(dǎo)體的絕緣性能產(chǎn)生不利影響。因此一般如此選擇介電油，使它們在預(yù)期的操作溫度下有足夠的黏度，在操作時在電氣設(shè)備中發(fā)生的溫度波動下也能基本完滿地保留在絕緣體中，再則，介電油的這種保留不受溫度梯度的影響，而這種溫度梯度通常是為了使包含導(dǎo)體的電氣設(shè)備在高電壓下的導(dǎo)體絕緣性而建立起來的。通常這會導(dǎo)致高的浸漬溫度以保證絕緣體基本上被充分浸漬。然而，這樣高的浸漬溫度是不利的，因為這要冒影響絕緣材料、導(dǎo)體的表面性能和促進在電氣設(shè)備中存在的任何材料之中和之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的風(fēng)險。高浸漬溫度將對生產(chǎn)中的能耗和總生產(chǎn)成本產(chǎn)生負面影響。要考慮的另一方面是絕緣體的熱膨脹和收縮，這意味著在冷卻時的冷卻速度必須受到控制，而且要慢，在已經(jīng)很費時和復(fù)雜工藝上又要增加時間和復(fù)雜性。其它類型的油浸電纜使用了低黏度的油。然而這些電纜在沿著電纜上或與電纜相連都有儲槽，以保證在經(jīng)受操作的熱循環(huán)時電纜的絕緣體被充分浸漬。這樣的電纜填充低黏度的油就會有油從損壞的電纜中溢出的風(fēng)險。因此，優(yōu)選表現(xiàn)出高的黏度溫度依存性和在操作溫度下具有高黏度的油。
為了給通常的礦物油適當(dāng)增大黏溫依賴性，已知要在油中添加和溶解聚合物，比如聚異丁烯。這可能只在高芳香油中實現(xiàn)。然而，與更具脂環(huán)性能的油相比，這樣的油表現(xiàn)出的電性能更差。而脂環(huán)油是更適合于作為電絕緣油使用的。芳香油必須用漂白土處理以表現(xiàn)出可接受的電性能。這樣的處理是昂貴的，而且如果在處理后沒有進行仔細過濾或分離加工，就有小顆粒黏土留在油中的風(fēng)險。另外，可以選擇在美國專利US-A-3,668,128中公開的添加了1～50％(重量)分子量100～900源于3、4或5個碳原子鏈烯的烯烴聚合物如聚丁烯的油，因為其在低溫下的黏度低。這種油在低溫下表現(xiàn)出低黏度，良好的耐氧化性和良好的耐氣化性，即曝露在電場下可以發(fā)生的產(chǎn)生氫氣的性能，特別是使用如在US-A-3,668,128中所推薦的低芳含量油時?？墒?，按照US-A-3,668,128中所公開的油，雖然比傳統(tǒng)的浸漬纖維或?qū)雍辖^緣體的電絕緣油有許多優(yōu)點，仍然有由于溫度波動和/或在操作時建立的溫度梯度引起的油遷移的風(fēng)險，因為在高溫操作時低黏度的油一般不會被保留。
較早的還沒有公布的國際專利申請PCT/SE97/01095公開了用凝膠介電流體例如一種油浸漬的DC電纜。此介電流體含有凝膠聚合物基添加劑，這種添加劑賦予流體在低溫下的凝膠態(tài)和在高溫下的基本是牛頓型易流動態(tài)之間可逆的轉(zhuǎn)變。在有限的溫度范圍內(nèi)發(fā)生此黏度的明顯轉(zhuǎn)變。將流體和凝膠聚合物添加劑進行配合，以使易流動牛頓型流體的高溫黏度、凝膠的低溫黏度和轉(zhuǎn)變的溫度范圍最佳化，以適應(yīng)在浸漬和操作兩方面的性能需要。這樣的含有與適當(dāng)?shù)木酆衔锵嗥ヅ涞慕殡娏黧w的電纜展現(xiàn)出降低浸漬所需時間有很大的潛力，但在浸漬過程中仍須要嚴(yán)格控制溫度的周期。凝膠聚合物添加劑和介電流體要匹配或優(yōu)化，以便最佳地滿足在電纜浸漬和使用時一般是矛盾的要求。現(xiàn)今強烈要求降低浸漬溫度，而同時增大DC電纜中的電流密度，即提高DC電纜的操作溫度。這意味著要進一步減小浸漬溫度和操作溫度之間的間隙。因此，將特定的需求即使與最合理的系統(tǒng)相匹配將是很困難的。必須記住，不僅要用流體充滿基本所有的孔洞和間隙，而且在溫度波動在操作設(shè)備造成的溫度梯度下流體還要保持在此絕緣體中。例如在歐洲專利說明書EP-A1-0,231,402中也討論了含有油和聚合物添加劑的適當(dāng)凝膠體系，但是為了別的目的，該專利公開了具有慢形成和熱可逆凝膠化性能的凝膠化合物打算用作灌封劑，以保證對在具有固體絕緣體如擠塑的聚合物基絕緣體的電纜中的任何間隙有良好的密封和阻隔作用。此慢形成熱可逆凝膠化合物含有與脂環(huán)或石蠟油混合的聚合物，也考慮了進一步使用了共聚單體和/或嵌段共聚物與油的混合物的實施方案作為包囊劑，因為它有疏水的性能，而且可以在低于灌封劑本身的最高使用溫度的溫度下將其注入到間隙中。用于同樣目的，即用作灌封劑阻隔水進入由固態(tài)聚合物絕緣體、固態(tài)半導(dǎo)體屏蔽層和金屬導(dǎo)體組成的電纜的間隙和沿間隙展開的類似凝膠化合物，在歐洲專利說明書EP-A1-0,058,022和EP-A1-0,586,158中是已知的。
因此，人們渴望提供一種具有電絕緣體系的絕緣電氣設(shè)備，如DC電纜、變壓器或電容器，該電絕緣體系包含多孔、纖維狀和/或?qū)訝畹?、用介電流體絕緣的部件。在DC電纜的情況下，這種電纜應(yīng)適合于作為電網(wǎng)中的輸電和配電電纜使用并作為電能的DC輸送和配送的裝置使用。即使在接近浸漬溫度的高操作溫度下操作和/或在操作期間絕緣體遭受高壓直流電場的作用并伴隨有溫度波動和/或在絕緣體內(nèi)建立起來的明顯的溫度梯度這樣一些條件下，該絕緣體系也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的介電性能。浸漬所用的介電流體一般是油，它應(yīng)具有高的粘度指數(shù)，以便在浸漬過程中具有足夠低的粘度，即該粘度被認(rèn)為是合適的，且從技術(shù)上和經(jīng)濟上看都應(yīng)有利于浸漬工藝；而且在浸漬之后，這種油應(yīng)具有高的粘度和彈性，即這種粘度能確保在操作期間在設(shè)備運行的整個溫度范圍內(nèi)將使所說的油基本上保留在多孔、纖維狀和/或?qū)訝畹慕^緣體內(nèi)。因此，在其絕緣體系中的該設(shè)備將包含一種在浸漬之前和浸漬期間都具有足夠低粘度的油，從而確保所說的油具有穩(wěn)定的流動性質(zhì)和在此范圍內(nèi)的流動行為，而在浸漬之后的粘度變化是明顯的，即這種粘度變化的數(shù)量級在數(shù)百帕·秒或更大。浸漬有這種高粘度指數(shù)油的絕緣設(shè)備如DC電纜將對絕緣體系浸漬的批處理時間的顯著節(jié)省提供了機會，因而對于顯著縮短生產(chǎn)時間并由此降低生產(chǎn)成本提供了潛力。包含浸漬了的紙基絕緣體的常規(guī)電氣設(shè)備如DC電纜的可靠性、低的維護要求和長的工作壽命等優(yōu)點將得以保持或改善。也就是說，該絕緣體系將具有穩(wěn)定的和始終如一的介電性能以及高的和始終如一的電性強度，而且還有一個額外的優(yōu)點，那就是容許提高電流強度并因而容許提高操作電壓，改善電纜的可操縱性和耐久性。
發(fā)明簡述根據(jù)本發(fā)明，其目的在于提供一種包含導(dǎo)體和多孔、纖維狀和/或?qū)訝畈⒔n有一種油的電絕緣體系的絕緣電氣設(shè)備，其中獲得了上文中所討論的期望特征。對于按照權(quán)利要求1的前序部分的一種絕緣電氣設(shè)備而言，這是按照權(quán)利要求1的特征部分的特征來實現(xiàn)的。按照本發(fā)明的設(shè)備的進一步發(fā)展，由追加的權(quán)利要求2～21的特征來表征。
發(fā)明詳述一種包含至少一種導(dǎo)體和一種浸漬了的絕緣體系的DC電纜，其中所說的絕緣體系包含一種浸漬有一種油的具有多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的固態(tài)電絕緣介電部件，該DC電纜是按照本發(fā)明配備有一種包含凝膠化添加劑的油的，而該凝膠化添加劑是一種具有極性部分、基團或鏈段的分子。通過凝膠化添加劑分子與油和/或任何其它的凝膠化添加劑分子之間的凝膠化相互作用從而在油中生成的較長的和/或較多支化的聚合物分子凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或交聯(lián)橋鍵的特征是，這些化學(xué)鍵的擴展都與凝膠化添加劑的極性部分、基團或鏈段相關(guān)。這些化學(xué)鍵會提高油的粘度指數(shù)，從而使按照本發(fā)明的DC電纜的油中的凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠確保在DC電纜通常的操作溫度和更低的溫度下的高粘度流動性和凝膠的彈性。所說的油優(yōu)選具有在低溫即DC電纜通常的操作溫度和更低的溫度下的高粘彈凝膠態(tài)與在較高溫度即浸漬溫度下的易流動液態(tài)之間熱可逆的轉(zhuǎn)變性能。最好，包含在凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵是氫鍵。所說的凝膠化添加劑包含線型或支化烴鏈的非極性鏈段和極性部分、基團或鏈段。這種結(jié)構(gòu)的組合是有利的，因為它能賦予凝膠化添加劑以表面活性劑性質(zhì)或表面活性劑特性。因此該凝膠化添加劑既能以其極性部分與固態(tài)表面相互作用又能以其非極性部分與油相互作用。特別有意義的是極性部分與許多纖維質(zhì)材料尤其是纖維素基質(zhì)材料的多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的表面之間的相互作用，以及非極性部分與油之間的相互作用。表面活性劑特性分別與絕緣體固態(tài)部分及油的相互作用導(dǎo)致縮短浸漬時間的潤濕作用得以改善。由此可以增強油對多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)中的孔隙和毛細管間隙的滲透作用。凝膠化添加劑分子和多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)與油之間的這類各自的表面相互作用，在其它情況下也會增強油在高溫、波動的溫度和/或顯著的溫度梯度下操作時在多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)中的貯留性能。包含極性和非極性部分的凝膠化添加劑的這類表面活性劑型的性質(zhì)還提供了顆粒物鍵合到凝膠化結(jié)構(gòu)上去的物理鍵合力。特別有利的是，這種物理鍵合力可以使微細粒徑例如納米數(shù)量級的強介電性顆粒料摻混到凝膠化結(jié)構(gòu)中去微細粒徑的強介電性顆粒料的摻入，從力學(xué)上和電學(xué)上都使凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和整個絕緣體系得到增強。
先有技術(shù)的DC電纜包含一種油例如礦物油，其中粘度指數(shù)因凝膠化添加劑如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的加入而提高。因此，油的粘度通過這樣一種途徑得以改性，即油是能夠受到熱可逆凝膠化的。在這種油中，熱可逆凝膠化是由于嵌段共聚物在油中的部分可溶性所引起的。在低溫下，僅是丁二烯鏈段才溶解，而苯乙烯鏈段則聚集并形成膠束。這些膠束引起油的物理交聯(lián)，從而形成凝膠。隨著溫度的上升，膠束的穩(wěn)定性下降，而在某種溫度(液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變溫度)下膠束則崩解并形成液態(tài)溶液。相比之下，按照本發(fā)明的DC電纜中的油的熱可逆凝膠化是受到別的成鍵機理控制的，尤其是氫鍵。為了做到這一點，按照本發(fā)明的DC電纜包含一種能向油中引入氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠化添加劑。一般而言，按照本發(fā)明的DC電纜中所用的凝膠化添加劑包含極性鏈段/基團的非極性鏈段。這種結(jié)構(gòu)也能使這類添加劑起著表面活性劑的作用。當(dāng)這種表面活性劑用作絕緣體浸漬劑的凝膠誘導(dǎo)添加劑時，其特性將會加速浸漬劑的脫氣過程，同時還會增強潤濕作用，并為顆粒物鍵合到凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中提供了物理鍵合力。對于含極性類材料的絕緣體來說潤濕作用將會得到增強，至少在其表面上應(yīng)是如此；例如對于纖維素基質(zhì)的材料來說，凝膠化添加劑將被吸引到非極性油與極性纖維素基質(zhì)材料之間的表面上，從而增強了潤濕過程。同樣的機理將適用于使具有極性型表面性質(zhì)的細顆粒料摻混到凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去。氫鍵凝膠化添加劑或凝膠體的這些優(yōu)點有助于縮短浸漬工藝的時間。按照本發(fā)明的DC電纜中所用的該體系的另一優(yōu)點在于，其凝膠化動力學(xué)為延遲的相當(dāng)緩慢的凝膠化過程提供了余地，如果這樣做是有必要的話；這種延遲在某些情況下可超過24小時。對于包含含有嵌段共聚物的凝膠化浸漬劑的DC電纜而言，當(dāng)在低溫下出現(xiàn)凝膠化時這種延遲會導(dǎo)致收縮率的下降，然而在冷卻過程中油卻仍呈易流動的液態(tài)。因此，“后填充”步驟就比較容易。
按照一個實施方案，所說的DC電纜包含一種基于礦物油的浸漬劑，該礦物油一般包含高達20wt％的凝膠化添加劑或凝膠體。與基于礦物油的浸漬劑一起使用的合適凝膠體包括-一種包含能形成氫鍵的極性嵌段的嵌段共聚物，例如聚乙烯基吡啶，其添加量可達20wt％；-一種包含能形成氫鍵的極性嵌段和可溶于油的非極性嵌段的嵌段共聚物，其添加量可達20wt％；-一種脲或二脲化合物，其加入量可達20wt％，優(yōu)選的加入量為1～20wt％；-二亞芐基山梨糖醇，其加入量可達20wt％，優(yōu)選的加入量為1～15wt％；和/或-烷基-1,3,5-苯三酰胺，其加入量可達20wt％，優(yōu)選的加入量為1～20wt％，例如三(3,7-二甲基辛基)-1,3,5-苯三酰胺，其加入量可達20wt％，優(yōu)選的加入量為5～20wt％。
按照另一實施方案，所說的DC電纜包含一種基于植物油的浸漬劑連同一種含有諸如脲或二脲化合物、纖維素醚和/或乙基纖維素一類化合物的凝膠體。一般而言，向油中加入的纖維素醚的量為2～10wt％，乙基纖維素的加入量為2～10wt％。
按照再一種實施方案，所說的DC電纜包含一種基于有機硅油的浸漬劑連同一種含有二亞芐基山梨糖醇的凝膠體，其加入量為1～15wt％。
按照本發(fā)明的DC電纜從中心到外層一般包含-任意所需形狀和構(gòu)造的一種導(dǎo)體，例如一種索狀的多股線導(dǎo)體，一種實心導(dǎo)體或一種分節(jié)段導(dǎo)體；-在導(dǎo)體外圍和導(dǎo)體絕緣層內(nèi)部包裹著的第一半導(dǎo)體屏蔽層；-用如上所述的浸漬有油的具有多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的介電電絕緣固態(tài)部件纏繞并浸漬的按照本發(fā)明的絕緣層；-分布于導(dǎo)體絕緣層外部的第二半導(dǎo)體屏蔽層；以及-一層外部保護殼。此外，該兩層半導(dǎo)體屏蔽層一般是用如上所述的浸漬有油的具有多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的介電電絕緣固態(tài)部件纏繞并浸漬的按照本發(fā)明的絕緣體。如果認(rèn)為合適的話，該電纜可補充加固層和一種用于填充導(dǎo)體內(nèi)部和外圍中任何縫隙的密封性化合物或水溶脹粉，其它的金屬/聚合物界面可加以密封以防水從這種界面處擴展開來。
按照一種實施方案，纏繞的電纜絕緣體在浸漬之前是用凝膠體預(yù)處理的。纏繞的絕緣體是用一種含凝膠體的溶液浸涂或噴涂的，干燥之后再進行浸漬，但最好是用事先已經(jīng)用凝膠化添加劑預(yù)處理過的帶子進行纏繞。這種帶子是在帶子生產(chǎn)線上已經(jīng)預(yù)處理過的，不過，這種處理當(dāng)然也可在特殊的處理操作步驟中或與纏繞操作聯(lián)合起來完成。對于任何種類的帶子，諸如全紙帶、全聚合物帶或紙與聚合物膜或不同的聚合物膜或篩網(wǎng)、網(wǎng)膜或編織網(wǎng)的夾層帶，都可采用同樣的處理方法。紙帶可采用噴涂或浸漬或其它方法使之涂上含有凝膠化添加劑的溶液。凝膠化添加劑可以通過噴涂法加入到聚合物膜或帶子上，同樣也可采用噴涂或擠出法將凝膠化添加劑涂到聚合物上。含有凝膠化添加劑的涂料也可與聚合物帶或膜一起共同擠出。因此，對于包含這種預(yù)處理絕緣體的DC電纜來說，本實施方案將能確保在浸漬步驟的填充階段的主要時間內(nèi)使油保持易流動的、基本上牛頓型的性質(zhì)，同時確保此后當(dāng)凝膠化添加劑與油接觸且至少部分被油所溶解時，該添加劑能賦予油以高粘彈凝膠的性能。從易流動的介電流體向高粘性凝膠的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于凝膠化添加劑與介電流體的組合，這個轉(zhuǎn)變可以是瞬時的、緩慢的、甚至是延遲的。所謂瞬時轉(zhuǎn)變指的是隨著凝膠化添加劑與介電流體接觸并被介電流體所溶解。這種轉(zhuǎn)變立即開始，轉(zhuǎn)變動力學(xué)使轉(zhuǎn)變迅速發(fā)生。緩慢轉(zhuǎn)變一般也是在流體與凝膠化添加劑接觸以后直接開始的，但溶解和/或轉(zhuǎn)變動力學(xué)使這種轉(zhuǎn)變減慢下來。可長達24小時的延遲轉(zhuǎn)變一般是由按照本發(fā)明的DC電纜中所用的凝膠化體系、凝膠體和相匹配的油來實現(xiàn)的。
按照本發(fā)明的又一種實施方案，凝膠化添加劑是不均勻地分布于絕緣體內(nèi)的，于是在浸漬和凝膠化之后，電纜中就存在著一種粘度梯度，據(jù)此，這種粘度最好是向內(nèi)朝著導(dǎo)體的方向升高的。通過讓凝膠化添加劑在絕緣體內(nèi)以此種方式分布可以改善幾個重要的特征-保證在開始凝膠化之前凝膠化體系做到更完全地填充，使得該體系的凝膠化幾乎是瞬時的；-實現(xiàn)了自愈合的能力，即絕緣體損壞的部分可以由其它部分的流體重新浸漬；-由于使用的高負荷使導(dǎo)體周圍的溫度上升時，也就得到保留其高黏彈凝膠狀態(tài)的凝膠流體。
按照本發(fā)明的DC電纜的一個實施方案，該電纜具有一種包含表面活性劑或表面活性劑混合物的絕緣體系，由此在浸漬過程中進一步增強了潤濕作用。所說的表面活性劑可以在浸漬之前通過預(yù)處理而加入到絕緣體的固態(tài)部件中去，也可以使之包含到油中去。
為了保證改進的電氣和機械性能的長期穩(wěn)定性，在絕緣體系中包括了氣體吸收添加劑。適用的氣體吸收添加劑是分子量小于1000g/mol的低分子聚異丁烯。
按照本發(fā)明的DC電纜較之包含此類浸漬的多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)體的任何常見的DC電纜，在長期穩(wěn)定和始終如一的介電性能及高的和始終如一的電性強度方面確保具有與之相當(dāng)?shù)幕蚋鼉?yōu)的性能。這一點對于那些設(shè)計上要求長期使用和不經(jīng)常進行維護的電氣裝置來說特別重要。凝膠化添加劑、凝膠體及油、浸漬劑的特殊選配確保了所說的絕緣體系當(dāng)其在高溫下、在超常的溫度波動和/或在溫度梯度條件下使用時也具有長期穩(wěn)定性。這就能夠在電壓和電流密度兩者都提高的條件下提高運行負荷。按照本發(fā)明的DC電纜的另一個優(yōu)點是，由于按照本發(fā)明的DC電纜中所用的凝膠體的表面活性劑的特性，有可能通過強化潤濕作用而縮短生產(chǎn)時間，從而有可能縮短浸漬周期。再則，按照本發(fā)明的DC電纜中所用的凝膠化添加劑的表面活性劑的特性對諸如多孔、纖維狀絕緣體之類的極性表面以及強介電性的微細顆粒料都提供了物理鍵合力，因而使得這些顆粒材料能夠摻混到凝膠化的結(jié)構(gòu)中去。強介電性顆粒料的摻入會使絕緣體的機械性能和電學(xué)性能得到補強和增強。還有，通過油和凝膠化添加劑的適當(dāng)選配可以顯著降低生產(chǎn)過程中溫度的敏感性，這有利于延遲的凝膠化并因而降低了后填充步驟的敏感性。
附圖的簡要說明參照附圖和實施例將更詳細地說明本發(fā)明。

圖1顯示輸送電能的典型的DC電纜剖面，它包含一個按照本發(fā)明纏繞和浸漬的絕緣體。
優(yōu)選實施方案的敘述，實施例在圖1中所顯示的按照本發(fā)明實施方案的DC電纜從內(nèi)向外包含-絞合的多股導(dǎo)線10；-分布在導(dǎo)線10的外圍，而在導(dǎo)線絕緣體12內(nèi)部的第一層半導(dǎo)體屏蔽層11；-含有如上所述的凝膠化添加劑的纏繞和浸漬導(dǎo)體絕緣層12；-分布在導(dǎo)體絕緣層12外圍的第二層半導(dǎo)體屏蔽層13；-金屬網(wǎng)14，以及-分布在金屬網(wǎng)14外面的保護殼層15。該電纜在擠出的外屏蔽層13的外面進一步還補充有一種金屬形式，優(yōu)選是鋼絲形式的補強件，在導(dǎo)線10之中和周圍的間隙中還引進了一種密封化合物或水溶漲的粉末。
本發(fā)明的絕緣電氣設(shè)備應(yīng)用于任何含有用介電流體或介電體浸漬的固態(tài)多孔或?qū)雍霞^緣體系的適宜的DC電纜中。本發(fā)明的應(yīng)用與導(dǎo)體的形狀無關(guān)。它也可用于具有此類包含有任何適宜的功能層的絕緣體系的DC電纜，而無論這些層的結(jié)構(gòu)如何。其應(yīng)用于此類DC電纜也不管包括此電纜在內(nèi)的輸送電能的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何。
本發(fā)明的DC電纜可以是如圖1所示的單根的多股導(dǎo)線，也可以是具有兩根或多根導(dǎo)線的DC電纜。包括兩根或多根導(dǎo)線的DC電纜可以是任何已知類型兩根導(dǎo)線在扁平的電纜中并排放置的電纜，或者是在兩根導(dǎo)線的放置中，一根是中心導(dǎo)線，其周圍是第二根同軸放置的外導(dǎo)線。外導(dǎo)線一般放置為導(dǎo)電鞘、網(wǎng)或屏蔽層的形式，一般是一種不限制電纜柔軟性的金屬網(wǎng)。
本發(fā)明的DC電纜適用于在雙極或單極的直流系統(tǒng)或輸送電能的裝置中使用。雙極系統(tǒng)一般包括兩個或多個相互聯(lián)系的單根導(dǎo)線電纜，或者是至少一根多導(dǎo)線電纜。而單極裝置則具有至少一根電纜和一個適當(dāng)?shù)碾娏鞣祷赝緩降牟贾谩?br> 實施例在以下實施例中敘述了用于按照本發(fā)明的DC電纜中的某些凝膠化浸漬體系的若干臺式試驗。
實施例1將70g三(3,7-二甲基辛基)-1,3,5-苯三酰胺加入到1升的萘基礦物油中。將該混合物在氮氣保護下加熱到100℃，然后令其冷卻。于是生成一種液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變溫度為50～60℃的凝膠化組合物。
實施例2將12g1-芐基-3-辛基脲加入到1升的萘基礦物油中。在氮氣保護下將該混合物加熱至120℃，然后令其冷卻。于是生成液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變溫度為80℃的凝膠化組合物。
實施例3將18g二亞芐基山梨糖醇加入到1升的萘基礦物油中。在氮氣保護下將該混合物加熱至180℃，然后令其冷卻。于是生成液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變溫度為100℃的凝膠化組合物。
上述這些混合物或凝膠化組合物具有擴展的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高的液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變溫度，此轉(zhuǎn)變溫度的范圍為實施例1體系的50℃至實施例3體系的100℃。上述這些實施例的結(jié)果表明，采用加入油中的這些凝膠體來浸漬按照本發(fā)明的DC電纜中的導(dǎo)體絕緣體，較之采用常規(guī)的凝膠化浸漬劑可以用更快的浸漬速度和更低的浸漬溫度。再則，用上述實施例中的浸漬劑浸漬的一段紙卷在低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下的表現(xiàn)就象一種彈性物體，且在此溫度下的油完全貯留在多孔、纖維狀絕緣體中以及紙層之間。對常用的絕緣油重復(fù)做油貯留的這個最后試驗，會發(fā)現(xiàn)油從紙卷段中緩慢流出。因此，在操作中出現(xiàn)孔隙的危險性顯著降低，且按照本發(fā)明的設(shè)備中的導(dǎo)體絕緣體的電性能獲得改善。與上述有關(guān)的這類性能改善有可能獲得一種含有用上述介電體系浸漬了的纏繞紙絕緣體的電纜，其中絕緣體中的基本上所有孔隙都被介電浸漬劑所充滿，即絕緣體基本上被完全浸透。這樣一種電纜在高溫下和高電流、基本上靜電場下使用之后也可能具有極少數(shù)未填充的孔隙，因而對介電擊穿的敏感性較低。
權(quán)利要求
1．一種包含至少一種導(dǎo)體和一種浸漬了的絕緣體系的絕緣電氣設(shè)備，其中該絕緣體系包含一種具有用介電流體浸漬了的多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的固態(tài)電絕緣介電部件，該介電流體包含一種用于與一種介電油和/或任何其它凝膠化添加劑分子相互作用從而在油中形成較長鏈的和/或較多支化鏈的聚合物分子的凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)的凝膠化添加劑，這種介電流體因而表現(xiàn)出高粘性和彈性凝膠的流動性能，其特征在于，該凝膠化添加劑分子包含一種能形成氫鍵的極性部分、基團或鏈段。
2．按照權(quán)利要求1的一種絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，包含凝膠化添加劑的該介電流體表現(xiàn)出在高溫下的液體易流動態(tài)與低溫下的高粘性和彈性凝膠化態(tài)之間的熱可逆液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變的凝膠化組合物的性能；其特征還在于，與粘度顯著變化有關(guān)的液態(tài)-凝膠轉(zhuǎn)變是出現(xiàn)在一個狹窄有限的溫度范圍內(nèi)的。
3．按照權(quán)利要求1或2的一種絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含由凝膠化添加劑極性部分形成的化學(xué)鍵。
4．按照權(quán)利要求3的一種絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含由凝膠化添加劑的極性部分所形成的氫鍵。
5．按照權(quán)利要求1～4中的任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑分子包含可溶于介電流體的直鏈或支鏈烴的非極性鏈段和極性部分、基團或鏈段。
6．按照權(quán)利要求1～5中的任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于存在一種表面活性劑特性，這種特性是通過凝膠化添加劑分子的極性部分與固態(tài)極性表面相互作用以及凝膠化添加劑分子的非極性部分與介電流體相互作用實現(xiàn)的。
7．按照權(quán)利要求6的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，凝膠化添加劑的表面活性劑特性是在浸漬時強化絕緣體的潤濕作用和增強油進入多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)中的孔洞和毛細管間隙的滲透作用的。
8．按照權(quán)利要求6或7的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑的表面活性劑特性是在高溫、波動溫度下和/或在顯著溫度梯度下操作時，強化油在多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)中的貯留性能的。
9．按照權(quán)利要求6、7或8中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含通過凝膠化添加劑的表面活性劑特性摻混入并物理鍵合到凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的、納米數(shù)量級粒徑的微細顆粒料。
10．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，所說的油是一種包含高達20wt％凝膠化添加劑的礦物油。
11．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含脲或二脲化合物。
12．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含二亞芐基山梨糖醇。
13．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含烷基-1,3,5-苯三酰胺。
14．按照權(quán)利要求13的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含三(3,7-二甲基辛基)-1,3,5-苯三酰胺。
15．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含纖維素基質(zhì)化合物。
16．按照權(quán)利要求15的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含乙基纖維素。
17．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含含有能形成氫鍵的極性嵌段和可溶于介電流體的非極性嵌段的一種嵌段共聚物。
18．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該凝膠化添加劑包含一種共聚物，所述共聚物含有烯烴嵌段和在其骨架結(jié)構(gòu)上含有芳環(huán)的嵌段。
19．按照權(quán)利要求1～9中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于所說的油是一種有機硅油，且所說的凝膠化添加劑包含二亞芐基山梨糖醇。
20．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該絕緣體系包含一種表面活性劑或表面活性劑的混合物。
21．按照權(quán)利要求20的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，所說的絕緣固態(tài)部件是用所說的表面活性劑預(yù)處理過的。
22．按照權(quán)利要求20的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于所述的油包含表面活性劑。
23．按照上述權(quán)利要求中任何一項的絕緣電氣設(shè)備，其特征在于，該絕緣體系包含一種諸如低分子量聚異丁烯之類的吸收氣體的添加劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有至少一種導(dǎo)體和一種浸漬了的絕緣體系的DC電纜。該絕緣體系包含一種浸漬有一種包含凝膠化添加劑的油的多孔、纖維狀和/或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的固態(tài)電絕緣介電部件。該凝膠化添加劑分子包含極性部分、基因或鏈段,該凝膠化添加劑分子與油和/或任何其它的凝膠化添加劑分子相互作用從而在油中形成較長鏈的和/或較多支鏈的聚合物分子的凝膠化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或交聯(lián)橋結(jié)構(gòu),該油因而表現(xiàn)出高粘性和彈性凝膠的流動性能。
文檔編號H01B9/06GK1285074SQ98813758
公開日2001年2月21日 申請日期1998年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月22日
發(fā)明者A·科恩菲爾德特, J·菲利克斯, M·貝里奎斯特, P·諾德貝里, C·特恩奎斯特 申請人:Abb股份有限公司