專利名稱：具有含擠塑聚乙烯組合物的絕緣體系的直流電纜以及此種電纜的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣直流電纜，即這樣一種直流(DC)電纜，它包括帶電(電流或電壓)體，即導(dǎo)體，以及配置在導(dǎo)體周圍的絕緣體系，其中該絕緣體系包含擠塑并交聯(lián)的聚乙烯組合物。
本發(fā)明尤其涉及一種用于傳輸和分配電力的絕緣直流電纜。其擠塑絕緣體系包含多個(gè)層，例如內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、絕緣層和外半導(dǎo)電屏蔽層。至少該擠塑絕緣層包含以交聯(lián)聚乙烯為基礎(chǔ)的電氣絕緣組合物，后者包含諸如交聯(lián)劑、防焦燒劑和抗氧劑之類添加劑體系。
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，這些技術(shù)迅速被使用交流電(即AC)的系統(tǒng)代替。AC系統(tǒng)具有所希望的特征，即在發(fā)電電壓、輸電電壓和配電電壓之間容易進(jìn)行變換。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輸電系統(tǒng)的。到了1950年代，遠(yuǎn)距離輸電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(huì)有好處?？梢灶A(yù)見的優(yōu)點(diǎn)包括減少了與AC系統(tǒng)穩(wěn)定性相聯(lián)系而出現(xiàn)的問題、更有效地利用設(shè)備，因?yàn)轶w系的功率因數(shù)永遠(yuǎn)是1，以及在較高操作電壓下能夠使用給定絕緣厚度和間隙。作為這些非常重要優(yōu)點(diǎn)的對立面，不得不權(quán)衡將AC轉(zhuǎn)化為DC用的，以及DC再變回到AC的終端設(shè)備的高成本。不過，對于給定的輸送功率，終端成本是固定的。因此，對于涉及遠(yuǎn)距離的方案，DC輸送系統(tǒng)就變得經(jīng)濟(jì)了。譬如，DC-技術(shù)對于打算遠(yuǎn)距離輸電的系統(tǒng)，例如就典型而言，當(dāng)輸電距離超過一定長度，以致在輸電設(shè)備上的節(jié)省超過終端廠成本的情況下，就變得合算了。
DC操作的一個(gè)重大好處是實(shí)際上消除了介電損耗，因此在效率上有巨大收益，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(jì)算中可以忽略不計(jì)，而在AC電纜中介電損耗卻引起額定電流的明顯下降。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(fù)擔(dān)。典型直流傳輸電纜包括導(dǎo)體和絕緣體系，后者包含許多層，例如內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、絕緣本體層和外半導(dǎo)電屏蔽層。電纜還可設(shè)計(jì)成包括外套和加強(qiáng)部分等，以抵御水的滲透以及在制造、安裝和使用期間可能受到的任何機(jī)械磨損或力。
迄今，幾乎所有供應(yīng)的直流電纜體系都是用于海底鋪設(shè)或者與之相聯(lián)系的陸地敷設(shè)。遠(yuǎn)距離鋪設(shè)選擇整體-浸漬緊密紙絕緣類型的電纜，因?yàn)椴淮嬖谝蚣訅阂髮﹂L度造成限制。此種類型一向是供450kV操作電壓使用的。盡管目前基本上全都采用電氣絕緣油浸漬的紙絕緣體，然而層合材料，例如聚丙烯紙層合物用于最高達(dá)500kV電壓的用途則正在探索之中，以期獲得脈沖強(qiáng)度提高和直徑縮小的優(yōu)點(diǎn)。
如同在AC輸送電纜的情況一樣，當(dāng)確定DC電纜的絕緣厚度時(shí)，瞬變電壓也是一個(gè)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變電壓時(shí)，當(dāng)電纜處于全負(fù)荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最麻煩的情況。如果該電纜與架空線路系統(tǒng)相連接，便會(huì)由于雷電瞬變過程(沖擊波)而發(fā)生此種麻煩情況。
基于聚乙烯，即PE，和交聯(lián)聚乙烯，即XLPE，的擠塑緊密絕緣已在交流輸、配電纜絕緣中使用了差不多40年了。因此，多年來一直在研究XLPE和PE用于DC電纜絕緣的可能。帶有此種絕緣的電纜具有與整體浸漬電纜相同的優(yōu)點(diǎn)，即，用于直流輸電時(shí)對回路長度沒有限制，而且它們還具有工作在更高溫度下的潛力。在XLPE的情況下，可工作在90℃，而不是傳統(tǒng)整體浸漬DC電纜的50℃，從而提供了提高輸電負(fù)荷的可能。然而，迄今尚未在真實(shí)尺寸電纜上真正發(fā)揮出此種材料的全部潛力。據(jù)信主要原因之一在于，當(dāng)受到直流電場作用時(shí)介(電)質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生空間電荷。此種空間電荷使應(yīng)力分布發(fā)生扭曲并由于聚合物電阻高而持續(xù)很長時(shí)間。絕緣體內(nèi)的空間電荷，在DC電場作用下將積聚，從而類似于電容器那樣形成一種極化格局?？臻g電荷積聚格局(圖形)有2種基本類型，區(qū)別在于空間電荷積聚的極性與上述(DC電場)極性的關(guān)系上?？臻g電荷積聚導(dǎo)致實(shí)際電場在某些點(diǎn)處，相對于當(dāng)考慮絕緣體的幾何尺寸和介電特性時(shí)預(yù)測出的電場而言存在局部增加。在實(shí)際電場中觀察到的此種增加可能相當(dāng)于預(yù)測電場的5，甚至10倍。因此，電纜絕緣的設(shè)計(jì)電場必須包括考慮到大大高出的電場因素而采取的安全系數(shù)，從而導(dǎo)致在電纜絕緣中采用更厚和/或更昂貴的材料?？臻g電荷積聚的形成是一個(gè)緩慢過程，因此，當(dāng)電纜長時(shí)間操作在同一極性下形成的極性被顛倒過來時(shí)，這一問題將變得更加嚴(yán)重。顛倒的結(jié)果是，在由空間電荷積聚形成的電場上又疊加上一個(gè)電容場，最大場應(yīng)力點(diǎn)將從界面遷移到絕緣內(nèi)部。為改善這一情況的努力一直采取利用添加劑來降低絕緣電阻，同時(shí)又不嚴(yán)重影響其他性能的辦法。迄今，尚無法使所達(dá)到的電氣性能與浸漬紙絕緣電纜相媲美，并且也沒有在商業(yè)規(guī)模上鋪設(shè)任何聚合物絕緣直流電纜。然而據(jù)報(bào)道，采用XLPE并充填礦物填料已成功地在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中制成最大應(yīng)力等于20kV/mm的250kV電纜(Y.Maekawa等人，“DC XLPE電纜研究與開發(fā)”，JiCable′91，pp.562～569)。這一應(yīng)力值仍與整體浸漬紙電纜所采用的典型值32kV/mm形成鮮明對照。
典型交流電纜絕緣用的擠塑樹脂組合物包含聚乙烯樹脂作為基礎(chǔ)樹脂，配以各種各樣添加劑，如過氧化物交聯(lián)劑、防焦燒劑和抗氧劑或抗氧劑體系。在擠塑絕緣的情況下，通常還擠出一個(gè)半導(dǎo)電屏蔽層，它包含的樹脂組合物除了包含基礎(chǔ)聚合物以及導(dǎo)電或半導(dǎo)電填料之外，還包含基本上相同類型的添加劑。一般絕緣電纜中的各種擠塑層通?；诰垡蚁渲＞垡蚁渲?，一般而且在本申請中也是指，一種基于聚乙烯或者乙烯共聚物的樹脂，其中乙烯單體占到物料的絕大部分。譬如，聚乙烯樹脂可由乙烯與1種或多種可與乙烯共聚的單體構(gòu)成。LDPE，即低密度聚乙烯，是目前用于交流電纜的主要絕緣基礎(chǔ)材料。為改善擠塑絕緣的物理性能及其在制造、運(yùn)輸、鋪設(shè)以及使用此種電纜期間主導(dǎo)條件影響下的耐降解和耐分解能力，基于聚乙烯的組合物通常包含例如下列添加劑-穩(wěn)定化添加劑，例如抗氧劑、電子清除劑以抵消因氧化、輻照等造成的分解作用；-潤滑添加劑，例如硬脂酸，以改善加工性；-提高耐受電應(yīng)力能力的添加劑，例如提高耐水樹(water treeresistance)能力的，如聚乙二醇、硅氧烷等；以及-諸如過氧化物的交聯(lián)劑，它在遇熱后分解為自由基并引發(fā)聚乙烯樹脂的交聯(lián)反應(yīng)，有時(shí)還配合以-能提高交聯(lián)密度的不飽和化合物；-防焦燒劑，以避免過早交聯(lián)。
添加劑種類繁多而且它們的可能組合實(shí)際上是無窮的。在選擇一種添加劑或者添加劑組合或一組添加劑時(shí)，目標(biāo)應(yīng)是1種或多種性能將得到改善，同時(shí)其他性能將保持，或者可能的話也得到改善。然而，實(shí)際上，要預(yù)測添加劑體系的某一改變所引起的全部可能的副作用幾乎不可能。在另一些情況下，所追求的改善是如此重要，以致不得不接受其帶來的某些微小負(fù)面影響，盡管總是盡可能減少此種負(fù)面影響。
交流電纜中用作擠塑交聯(lián)絕緣的典型聚乙烯基樹脂組合物包含100重量份低密度聚乙烯(922kg/m3)，其熔流速率(MFR2)等于0.4～2.5g/10分鐘；0.1～0.5 phr(每100份樹脂的份數(shù))抗氧劑，例如SANTONOXR(Flexsys Co.)，其化學(xué)名稱為4，4′-硫代-雙(6-叔丁基-間甲酚)或者其他抗氧劑或抗氧劑組合；1.0～2.5phr交聯(lián)劑DICUP R(Hercules Chem)，其化學(xué)名稱為過氧化二枯基。
然而眾所周知，交流電纜體系中用作擠塑絕緣的所有交聯(lián)聚乙烯組合物在直流電應(yīng)力作用下都顯示強(qiáng)烈的空間電荷積聚傾向，因而使它們不適合用于直流電纜的絕緣體系中。還知道，長時(shí)間脫氣，即令交聯(lián)后的電纜長時(shí)間暴露于高溫、高真空環(huán)境中，將使得其在直流電應(yīng)力作用下的空間電荷積聚傾向在一定程度上減輕。普遍認(rèn)為，真空處理從絕緣中清除掉過氧化物分解產(chǎn)物，例如“乙酰苯”和“枯醇”，從而使空間電荷積聚減少。脫氣如同紙絕緣的浸漬幾乎一樣費(fèi)時(shí)，故同樣成本高昂。因此，倘若能夠省略對脫氣的需要，那將是有利的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種絕緣的直流電纜，它具有適合在直流輸電和配電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施中作為輸配電電纜的電氣絕緣體系。該電纜將包含一種緊密擠塑導(dǎo)體絕緣層，其施加和加工均不需要對電纜進(jìn)行任何諸如浸漬或脫氣，即真空處理之類的冗長、費(fèi)時(shí)的間歇處理。借此，可實(shí)現(xiàn)電纜生產(chǎn)時(shí)間的縮短以及因而生產(chǎn)成本的降低，從而提供一種基本上連續(xù)或至少半連續(xù)生產(chǎn)電纜絕緣體系的可能。再者，包含以整體浸漬紙為基礎(chǔ)的絕緣的傳統(tǒng)直流電纜的原有可靠性、低維護(hù)要求以及長工作壽命，仍將得以保持甚至改善。就是說，本發(fā)明的電纜將具有穩(wěn)定并一致的介電性能，以及高而一致的電氣強(qiáng)度。該電纜絕緣將顯示低的空間電荷積聚傾向、高直流破壞(擊穿)強(qiáng)度、高脈沖強(qiáng)度和高絕緣電阻。浸漬紙或纖維素基的帶材換成擠塑聚合物絕緣，作為額外的優(yōu)點(diǎn)是，將提供一種提高電氣強(qiáng)度，從而允許加大操作電壓的可能，于是使得電纜更輕便，更牢靠。
另一個(gè)目的是提供一種電纜，它包含擠塑、交聯(lián)、主要為聚乙烯的絕緣，在承受直流電應(yīng)力期間絕緣內(nèi)的空間電荷積聚低或者沒有，從而消除或至少大大減少與空間電荷積聚相聯(lián)系的問題。本發(fā)明還將提供在確定電纜絕緣尺寸所采用的設(shè)計(jì)值方面降低安全系數(shù)的能力。
另一個(gè)目的是提供一種本發(fā)明此種絕緣直流電纜的絕緣制造方法。按本發(fā)明這一方面施加并加工導(dǎo)體絕緣的方法，將基本上不涉及需要對整個(gè)長度或者很長一段電纜芯實(shí)施冗長的間歇處理。該方法還顯示按照連續(xù)或半連續(xù)方式用于生產(chǎn)長度很長的直流電纜的潛在可能。
發(fā)明概述現(xiàn)已驚奇地發(fā)現(xiàn)，有關(guān)在直流電場影響下空間電荷積聚方面的出色效果可通過在電纜用XLPE組合物中結(jié)合進(jìn)一種特殊甘油脂肪酸酯添加劑，任選地配合以另一些添加劑，來實(shí)現(xiàn)。
因此，本發(fā)明提供一種直流電力電纜，它包含導(dǎo)體和配置在導(dǎo)體周圍、包含至少3層的擠塑、交聯(lián)、緊密絕緣體系，其特征在于，該擠塑絕緣體系包含主要為聚乙烯的化合物，其中加入的添加劑包括交聯(lián)劑、防焦燒劑、抗氧劑以及含通式(I)甘油脂肪酸酯的添加劑R1O(C3H5(OR2)O)nR3(I)其中n≥1，優(yōu)選的是，由于市場供應(yīng)的原因，n＝1～20，更優(yōu)選n＝3～8，R1、R2和R3，可相同或不同，代表氫或者8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基，條件是，在該分子中，有至少2個(gè)游離羥基基團(tuán)和至少1個(gè)8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基。在R2和R3都代表氫并且R1＝R，即羧酸殘基的情況下，該通式將采取其簡單形式(II)RO(CH2CH(OH)CH2O)nH(II)混煉后的聚乙烯基絕緣在典型情況下被擠出并加熱到某一高溫，并維持一段足以使絕緣交聯(lián)的時(shí)間。溫度和時(shí)間應(yīng)控制得使交聯(lián)過程達(dá)到最佳。
電纜絕緣體系可利用基本上連續(xù)的方法施加到導(dǎo)體上，不需要諸如真空處理之類冗長的間歇處理。含浸漬紙絕緣的傳統(tǒng)直流電纜所具備的低空間電荷積聚和高直流破壞強(qiáng)度均得以保持或改善。本發(fā)明直流電纜的絕緣性能表現(xiàn)出普遍長期穩(wěn)定性，致使電纜的工作壽命得以維持或延長。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)如上所述直流電纜的方法。在其最一般的形式中，包含導(dǎo)體和擠塑、交聯(lián)、以聚乙烯為基礎(chǔ)的導(dǎo)體絕緣的絕緣直流電纜的生產(chǎn)方法包括下列步驟-敷設(shè)或以其他方式成形一種任何要求形狀和構(gòu)造的導(dǎo)體；-混煉一種以聚乙烯為基礎(chǔ)并包含交聯(lián)劑、防焦燒劑、抗氧劑和空間電荷降低劑之類添加劑的樹脂組合物；-擠出該混煉后以聚乙烯為基礎(chǔ)的樹脂組合物，從而形成分布在直流電纜中導(dǎo)體周圍的導(dǎo)體絕緣(優(yōu)選的是，該包含絕緣層并輔以2個(gè)半導(dǎo)電屏蔽層的三層絕緣體系采用真正三重?cái)D出法施加上去)；-使擠出的絕緣發(fā)生交聯(lián)；-其中按照本發(fā)明，混煉時(shí)在聚乙烯樹脂中加入含通式(I)甘油脂肪酸酯的空間電荷降低劑；R1O(C3H5(OR2)O)nR3(I)其中n≥1，R1、R2和R3，可相同或不同，代表氫或者8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基，條件是，在該分子中，有至少2個(gè)游離羥基基團(tuán)和至少1個(gè)8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基。
-并且其中混煉后的以聚乙烯為基礎(chǔ)的樹脂組合物被擠出，并在高溫和加壓下進(jìn)行交聯(lián)并保持一段足以使絕緣發(fā)生交聯(lián)的時(shí)間。
有關(guān)本發(fā)明的其他顯著特征和優(yōu)點(diǎn)在研讀了下面的說明以及所附權(quán)利要求之后自然變得清楚。
發(fā)明詳述為使用擠塑聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯(XLPE)作為直流電纜的絕緣，有幾個(gè)因素必須考慮。最重要的事情是在直流電應(yīng)力作用下的空間電荷積聚。本發(fā)明使操作狀態(tài)下直流電纜中通常出現(xiàn)的空間電荷積聚顯著降低，是通過在聚乙烯或可交聯(lián)聚乙烯化合物中加入少量通式(I)結(jié)構(gòu)的添加劑實(shí)現(xiàn)的。通式(I)的化合物是一種單-或多甘油醚，其中至少1個(gè)羥基與8～24個(gè)碳原子的羧酸生成了酯。優(yōu)選的是，通式(I)結(jié)構(gòu)的化合物是一種單醚，就是說，它每分子包含一個(gè)8～24個(gè)碳原子羧酸殘基。再有，該成酯羧酸優(yōu)選與甘油化合物的伯羥基基團(tuán)生成酯。通式(I)的化合物可包括1～20，優(yōu)選1～15，最優(yōu)選3～8個(gè)甘油單元，即，通式(I)中的n等于1～20，優(yōu)選1～15，最優(yōu)選3～8。
當(dāng)通式(I)中R1、R2和R3不代表氫時(shí)，它們代表8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基。這些羧酸可以是飽和或不飽和的，支化或非支化的。作為此種羧酸的非限定性例*子+-是，月桂酸、肉豆寇酸、棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸和二十二烷酸。當(dāng)羧酸殘基是不飽和的時(shí)，該不飽和鍵可用來將通式(I)結(jié)構(gòu)的化合物鍵合到組合物的乙烯聚合物上，并從而有效地防止結(jié)構(gòu)式(I)的化合物從組合物中遷移出去。
在通式(I)中，R1、R2和R3可代表相同羧酸殘基，例如硬脂酰，或者不同羧酸殘基，例如硬脂酰和油酰。
為防止遷移和滲出，結(jié)構(gòu)式(I)的化合物應(yīng)與包含它的組合物相容，尤其是與組合物中的以乙烯為基礎(chǔ)的樹脂相容。
結(jié)構(gòu)式(I)的化合物是已知的化合物或者可采用已知方法制備。譬如，一種對應(yīng)于n＝3的通式(I)的化合物由ICI(英國)作為商品名Atmer184(或185)市售供應(yīng)，還有一種，其n平均等于8，每分子含有一個(gè)脂肪酸殘基，可由ICI按商品名SCS 2064獲得。另一些可用通式(II)描述的已知市售化合物是TST 221(n＝6，R＝亞油酸殘基(不飽和C18酸))、TST 215(n＝6，R＝硬脂酸(飽和C18酸))和TST 216(n＝6，R＝二十二烷酸(不飽和C22酸))，全部由Danisco(丹麥)供應(yīng)。
通式(I)的化合物在本發(fā)明組合物中的加入量為能抑制直流應(yīng)力作用下空間電荷積聚效應(yīng)的有效數(shù)量。一般而言，這是指，通式(I)的化合物的加入量為組合物重量的約0.05～2wt％，優(yōu)選0.1～1wt％。
除了通式(I)的化合物之外，本發(fā)明用于直流電纜的化合物組合物還可包括傳統(tǒng)添加劑，例如抗氧劑，以抵消因氧化、輻照等造成的分解；潤滑添加劑，例如硬脂酸；交聯(lián)添加劑，例如遇熱分解并引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)的過氧化物；以及其他添加劑，例如防焦燒劑和相容劑。添加劑的總量，包括本發(fā)明組合物中通式(I)的化合物在內(nèi)，應(yīng)不超過組合物重量的約10wt％。
除了通式(I)的化合物以及上面提到的其他傳統(tǒng)及任選添加劑之外，本發(fā)明組合物包含占大多數(shù)的上面所指出的乙烯聚合物。乙烯聚合物的選擇和組成取決于該組合物究竟準(zhǔn)備作為電纜的絕緣層抑或作為電纜的內(nèi)或外半導(dǎo)電層。
本發(fā)明電纜的絕緣層的組合物，例如可包含約0.05～約2wt％通式(I)化合物以及其他傳統(tǒng)和任選的添加劑；0～約4wt％過氧化物交聯(lián)劑；而組合物的其余部分則基本上由乙烯聚合物構(gòu)成。此種乙烯聚合物優(yōu)選是LDPE，即，乙烯均聚物或者乙烯與1種或多種3～8個(gè)碳原子的α-烯烴如1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯及1-辛烯的共聚物。該1種或多種α-烯烴組分的含量可相當(dāng)于乙烯單體重量的約1％～約40wt％。也可使用乙烯與少量，即，最高5wt％1種或多種極性組分如醋酸乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯或二甲氨基-丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)的共聚物。
類似地，電纜的半導(dǎo)電層的組合物可包含，相當(dāng)于乙烯聚合物重量的約0.05％～約2wt％通式(I)的化合物以及其他傳統(tǒng)和任選的添加劑；約30～80wt％乙烯聚合物；數(shù)量足以使組合物變?yōu)榘雽?dǎo)電的炭黑，優(yōu)選約15～45wt％炭黑；0～約30wt％丙烯腈-丁二烯共聚物；以及0～約4wt％過氧化物交聯(lián)劑。就此而論，該乙烯聚合物是被描述為適合作為絕緣層的組合物的乙烯共聚物或諸如EVA(乙烯-醋酸乙烯)、EMA(乙烯-丙烯酸甲酯)、EEA(乙烯-丙烯酸乙酯)或EBA(乙烯-丙烯酸丁酯)之類的乙烯共聚物。
本發(fā)明直流電纜，由于帶有包含交聯(lián)聚乙烯組合物、XLPE和結(jié)構(gòu)式(I)添加劑的擠塑交聯(lián)絕緣體系，將顯示相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如-空間電荷積聚明顯降低，以及由此，直流破壞強(qiáng)度的提高。
按照下面實(shí)施例中的電纜，本發(fā)明還提供擠塑電纜絕緣體系的優(yōu)良性能和穩(wěn)定性，即便在擠出、交聯(lián)或其他高溫條件處理中曾經(jīng)采用了高溫。
本發(fā)明直流電纜提供允許采用基本連續(xù)方法生產(chǎn)的能力，不需要任何諸如浸漬或脫氣之類費(fèi)時(shí)的間歇步驟，從而提供大大降低生產(chǎn)時(shí)間，以及從而降低生產(chǎn)成本的可能，而不存在損害電纜技術(shù)性能之虞。
為進(jìn)一步幫助理解本發(fā)明，下面將提供一些非限定性說明例子。在這些實(shí)施例中，所有組成均以每100重量份樹脂的份數(shù)為單位表示，除非另行指出。
附圖簡述下面將參考附圖和實(shí)施例，更詳細(xì)地描述本發(fā)明。

圖1表示按本發(fā)明一種實(shí)施方案的高壓直流電力傳輸用電纜的斷面圖。圖2表示試驗(yàn)板的構(gòu)造。圖3～14表示從先有技術(shù)絕緣交流電纜中所用XLPE組合物和本發(fā)明組合物的試驗(yàn)板獲得的空間電荷測量記錄。
優(yōu)選實(shí)施方案、實(shí)施例描述圖1所示本發(fā)明一種實(shí)施方案的直流電纜從中心向外包含-標(biāo)準(zhǔn)多根金屬絲導(dǎo)體10；-第1擠塑半導(dǎo)電屏蔽層11，配置在導(dǎo)體10周圍外側(cè)以及導(dǎo)體絕緣12的內(nèi)側(cè)；-擠塑導(dǎo)體絕緣12，包含擠塑、交聯(lián)組合物；-第2擠塑半導(dǎo)電屏蔽層13，配置在導(dǎo)體絕緣12的外側(cè)；-金屬屏蔽層14；以及-外包覆層或外鞘15，配置在金屬屏蔽層14外面。
認(rèn)為恰當(dāng)?shù)脑?，在該直流電纜中還可以各種各樣的方式補(bǔ)充進(jìn)各種各樣的功能層或其他特征。譬如，它可補(bǔ)充以在擠塑屏蔽層13外側(cè)的金屬絲形式增強(qiáng)劑、引入到金屬/聚合物界面內(nèi)的密封化合物或水溶脹粉末或防潮體系，這可通過例如耐腐蝕金屬聚乙烯層合物來達(dá)到，以及縱向防水，通過水溶脹材料，例如在外鞘15下面的帶材和粉末來達(dá)到。導(dǎo)體不一定要求是線狀，而可以是任何要求的形狀和構(gòu)造，例如是一種線狀多根絲導(dǎo)體、實(shí)心導(dǎo)體或者扇形斷面導(dǎo)體。
圖2所述測定空間電荷分布所使用的試驗(yàn)板20包含2個(gè)由炭黑充填乙烯共聚物組成的半導(dǎo)電電極21以及其組成如表1所示的絕緣體22。
圖3、5、7、9、11和13顯示處于“電壓接通”模式、采用任意單位表示的空間電荷分布值隨著與接地電極之間距離而變化的情況。類似地，圖4、6、8、10、12和14顯示處于“電壓關(guān)斷”模式、采用任意單位表示的空間電荷分布值隨著與接地電極之間距離而變化的情況(注意，“電壓接通”與“電壓關(guān)斷”模式(的圖中)所采用的比例不同)。
為有助于理解本發(fā)明，下面將給出一些非限定性說明例子。在下面的實(shí)施例中，用各種不同組合物制作了試驗(yàn)板并通過記錄空間電荷分布曲線來測定其空間電荷積聚情況。這些曲線是采用脈沖電聲(PEA)技術(shù)記錄到的。PEA技術(shù)在本領(lǐng)域是熟知的，由Takada等人在《IEEE Trans.Elec.Insul.》卷EI-22(第4期)，pp.497～501(1987)中做了描述。下面實(shí)施例中所示空間電荷曲線，或者是“電壓接通”的，即，在直流電壓施加了3小時(shí)后記錄到的在電應(yīng)力作用下空間電荷曲線，或者是“電壓關(guān)斷”狀態(tài)的，即，電極全部接地以后(接地前，直流電壓已施加了3小時(shí))立即記錄到的空間電荷曲線。
表1所示組合物全部按傳統(tǒng)方式通過各組分在擠塑機(jī)中進(jìn)行混煉而制成。試驗(yàn)板按兩步法制造。第1步，由擠出的帶料在130℃下進(jìn)行壓機(jī)模塑30分鐘，制成直徑210mm、厚度2mm的圓形板作為絕緣體。第2步，在圓形絕緣板的每一面的中心安裝(共)2個(gè)半導(dǎo)電電極，隨后除非另行指出，組件一律在電動(dòng)壓機(jī)中在180℃加熱15分鐘。之所以要設(shè)置一個(gè)高溫周期，是為了達(dá)到完全交聯(lián)。隨后，試驗(yàn)板在壓力下冷卻至環(huán)境溫度。壓機(jī)模塑期間，采用Mylar薄膜作為背襯。半導(dǎo)電電極由Borealis(瑞典)供應(yīng)的市售產(chǎn)品LE 0500制成。該摻混料包含乙烯-丙烯酸丁酯共聚物和乙炔黑。這些電極的尺寸為，厚1mm，直徑50mm。圖2顯示出試驗(yàn)板的構(gòu)造和尺寸。
試驗(yàn)板的空間電荷曲線是由一種PEA分析裝置在50℃下進(jìn)行記錄的。一個(gè)電極接地，另一個(gè)則維持在+40kV電壓，即，板內(nèi)電場強(qiáng)度維持在20kV/mm。在空間電荷曲線圖3～14中，單位體積的電荷被表示為試驗(yàn)板厚度的函數(shù)，就是說，接地電極處函數(shù)值為零，x指出朝向高電壓(+40kV)電極方向離開接地電極的距離。在“電壓接通”模式中，電壓施加3小時(shí)后，記錄空間電荷曲線。在“電壓關(guān)斷”模式中，空間電荷曲線是在高電壓電極一旦接地之后(即，經(jīng)過在+40kV下保持3小時(shí)后)立即記錄下的。該空間電荷曲線是按單位體積絕緣體內(nèi)采用任意電荷單位給出的。“電壓關(guān)斷”期間所采用的放大倍數(shù)高于“電壓接通”期間的。然而，對所有試樣來說，2種模式的任何一種所采用的比例都是可比的。
例子1、2和3是對比例。這些例子中的絕緣材料的組成對應(yīng)于瑞典專利申請?zhí)?704825-0(1997-12-22)中公開的發(fā)明。
例12mm厚組合物A(參見表1)的聚乙烯試驗(yàn)板，備有2個(gè)半導(dǎo)電電極并在180℃進(jìn)行了15分鐘交聯(lián)，在PEA分析裝置中、50℃下接受試驗(yàn)。試驗(yàn)板插在2個(gè)平直電極之間，并接受40kV電壓的直流電場作用。就是說，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極維持在+40kV的電位。在接受直流電應(yīng)力作用3小時(shí)后的所謂“電壓接通”模式下，記錄到圖3所示空間電荷曲線。單位體積電荷，以任意單位被表示為試驗(yàn)板厚度的函數(shù)，就是說，接地電極處為零，x指出朝向+40kV電極的方向離開接地電極的距離。
圖4顯示在3小時(shí)高電壓起電的終點(diǎn)，在緊接著高電壓電極接地以后的所謂“電壓關(guān)斷”模式下的空間電荷曲線。此時(shí)，單位體積空間電荷，以任意單位(不同于“電壓接通”模式時(shí)的)被表示為試驗(yàn)板厚度的函數(shù)，即，接地電極處為零，x指出朝向原來高電壓電極方向離開接地電極的距離。
例2為了試驗(yàn)從絕緣體系中趕出所有揮發(fā)分的效果，與例1相同種類并在180℃交聯(lián)過15分鐘的試驗(yàn)板，在高真空、80℃條件下處理72小時(shí)。經(jīng)此處理之后，記錄空間電荷曲線。圖5表示“電壓接通”模式，圖6表示“電壓關(guān)斷”模式。
例3為了試驗(yàn)交聯(lián)條件的影響，與例1相同種類的試驗(yàn)板在250℃交聯(lián)了30分鐘。試驗(yàn)板在PEA分析裝置中進(jìn)行試驗(yàn)。圖7給出“電壓接通”模式，圖8給出“電壓關(guān)斷”模式。
例42mm厚組合物B(參見表1)的聚乙烯試驗(yàn)板，備有2個(gè)半導(dǎo)電電極并在180℃進(jìn)行了15分鐘交聯(lián)，在PEA分析裝置中、50℃下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)板插在2個(gè)平直電極之間，并接受40kV電壓的直流電場作用。就是說，一個(gè)電極接地，另一個(gè)電極維持在+40kV的電位。在直流電應(yīng)力作用3小時(shí)后的所謂“電壓接通”模式下，記錄到圖9所示空間電荷曲線。單位體積電荷，以任意單位被表示為試驗(yàn)板厚度的函數(shù)，就是說，接地電極處為零，x指出沿著朝向+40kV電極的方向離開接地電極的距離。
圖10顯示出在3小時(shí)高電壓起電的終點(diǎn)，在緊接著高電壓電極接地以后的所謂“電壓關(guān)斷”模式下的空間電荷曲線。此時(shí)，單位體積空間電荷，以任意單位(不同于“電壓接通”模式時(shí)的)被表示為試驗(yàn)板厚度的函數(shù)，即，接地電極處為零，x指出朝向原來高電壓電極方向離開接地電極的距離。
例5為了試驗(yàn)從絕緣體系中趕出所有揮發(fā)分的效果，與例4相同種類并在180℃交聯(lián)過15分鐘的試驗(yàn)板，在高真空、80℃條件下處理72小時(shí)。經(jīng)此處理之后，記錄空間電荷曲線。圖11給出“電壓接通”模式，圖12給出“電壓關(guān)斷”模式。
例6
為了試驗(yàn)交聯(lián)條件的影響，與例4相同種類的試驗(yàn)板在250℃交聯(lián)30分鐘。試驗(yàn)板在PEA分析裝置中進(jìn)行試驗(yàn)。圖13給出“電壓接通”模式，圖14給出“電壓關(guān)斷”模式。
從例1、2和3的空間電荷曲線與例4、5和6的空間電荷曲線的比較可以清楚地看出，通式(I)的化合物是一種極其有效的空間電荷降低劑。從表2清楚地看出，在類似條件下，當(dāng)在絕緣組合物中加入通式(I)的化合物時(shí)，所積聚的空間電荷降低了50％以上。
為了展示通式(I)化合物的空間電荷積聚抑制效應(yīng)的牢靠性，進(jìn)行了下面的例7、8和9。
例7為了檢驗(yàn)通式(I)化合物的最終濃度依賴性，2mm厚組合物C(參見表1)的聚乙烯試驗(yàn)板，備有2個(gè)半導(dǎo)電電極并在180℃進(jìn)行了15分鐘交聯(lián)，在PEA分析裝置中、50℃下進(jìn)行試驗(yàn)?！半妷航油ā蹦Ｊ胶汀半妷宏P(guān)斷”模式的空間電荷曲線分別與圖9和10相同。
例8為了檢驗(yàn)抗氧劑體系對通式(I)化合物的空間電荷降低能力的影響，分別制作了3種，即組合物D、E和F(參見表1)的試驗(yàn)板，并按例1所述進(jìn)行試驗(yàn)。所有這3種試驗(yàn)板均顯示出，不論“電壓接通”模式抑或“電壓關(guān)斷”模式，分別與圖9和10相同的空間電荷曲線。
例9為了考察其他添加劑對通式(I)化合物的空間電荷降低能力的影響，分別制作了3種不同的，即組合物G、H和I(參見表1)的試驗(yàn)板，并按例1所述進(jìn)行試驗(yàn)。所有這3種試驗(yàn)板均顯示出，不論“電壓接通”模式抑或“電壓關(guān)斷”模式，分別與圖9和10相同的空間電荷曲線。
從例7、8和9的結(jié)果可清楚地看出，加入的通式(I)化合物，在非常寬的交聯(lián)聚乙烯組成范圍上能起到有效的空間電荷降低劑作用。
表1XLPE絕緣摻混料的組成

*LDPE，低密度聚乙烯，即，高壓自由基聚合制備的聚乙烯(密度＝0.922g/cm3)。
**Irganox 1035，硫代二甘醇的3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸二酯，汽巴嘉基公司。
***Irganox PS 802，雙十八烷基-硫代二丙酸酯，汽巴嘉基公司。
****ICI，英國*****2，4-二苯基-4-甲基-戊烯-1，Nofmer MSD，Nippon Oil andFats(日本油脂公司)。
表1(續(xù))XLPE絕緣摻混料的組成

*LDPE，低密度聚乙烯，即，高壓自由基聚合制備的聚乙烯(密度＝0.922g/cm3)。
**Irganox 1035，硫代二甘醇的3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸二酯，汽巴嘉基公司。
***Irganox PS 802，雙十八烷基-硫代二丙酸酯，汽巴嘉基公司。
****ICI，英國*****2，4-二苯基-4-甲基-戊烯-1，Nofmer MSD，Nippon Oil andFats(日本油脂公司)。
表1(續(xù))XLPE絕緣摻混料的組成

*LDPE，低密度聚乙烯，即，高壓自由基聚合制備的聚乙烯(密度＝0.922g/cm3)。
**Irganox 1035，硫代二甘醇的3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸二酯，汽巴嘉基公司。
***Irganox PS 802，雙十八烷基-硫代二丙酸酯，汽巴嘉基公司。
****ICI，英國*****2，4-二苯基-4-甲基-戊烯-1，Nofmer MSD，Nippon Oil andFats(日本油脂公司)。
表2“電壓關(guān)斷”模式(20kV/mm下直流起電3小時(shí)以后)中積聚的空間電荷的相對大小

權(quán)利要求
1.一種絕緣的直流電纜，它包含導(dǎo)體和配置在導(dǎo)體周圍、包含至少3層擠塑、交聯(lián)、以聚乙烯、XLPE為基礎(chǔ)的組合物的聚合物基絕緣體系，其特征在于，該擠塑絕緣體系除了包含聚乙烯為基礎(chǔ)的化合物之外還包括一種通式(I)甘油脂肪酸酯的添加劑R1O(C3H5(OR2)O)nR3(I)其中n≥1，R1、R2和R3，可相同或不同，代表氫或者8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基，條件是，在該分子中有至少2個(gè)游離羥基基團(tuán)和至少1個(gè)8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基。
2.權(quán)利要求1的直流電纜，其特征在于，在化合物(I)中，R2和R3都代表氫原子并且R1＝R，即8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基，也即，該化合物具有通式RO(CH2CH(OH)CH2O)nH(II)
3.權(quán)利要求1的直流電纜，其特征在于，n是1～20，優(yōu)選1～15，最優(yōu)選3～8。
4.權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物是單酯。
5.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，該酯是在羧酸與甘油化合物的伯羥基基團(tuán)之間生成的。
6.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物存在于絕緣和半導(dǎo)電這兩種層中。
7.權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物僅存在于絕緣層中。
8.權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物僅存在于半導(dǎo)電層中。
9.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物在聚合物組合物中的存在量，以實(shí)際組合物重量為基準(zhǔn)，至少是0.05wt％。
10.權(quán)利要求9的直流電纜，其特征在于，通式(I)的化合物在聚合物組合物中的存在量，以實(shí)際組合物重量為基準(zhǔn)，介于0.05～2wt％，優(yōu)選0.1～1wt％。
11.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，聚合物組合物包括1種或多種傳統(tǒng)添加劑，例如抗氧劑、交聯(lián)劑、潤滑添加劑、防焦燒劑和相容劑。
12.權(quán)利要求11的直流電纜，其特征在于，傳統(tǒng)添加劑，包括通式(I)化合物在內(nèi)，在實(shí)際組合物中的總量不超過實(shí)際組合物重量的約10wt％。
13.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的直流電纜，其特征在于，該聚乙烯(PE)選自乙烯均聚物、乙烯與1種或多種3～8個(gè)碳原子的α-烯烴的共聚物以及乙烯與醋酸乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和二甲氨基-丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)的共聚物。
14.一種生產(chǎn)絕緣直流電纜的方法，該方法包括下列步驟混煉一種聚乙烯(PE)組合物，將所述混煉的PE組合物擠出成為聚合物基絕緣體系的一部分而配置在導(dǎo)體周圍，隨后使PE組合物交聯(lián)成為XLPE組合物，其特征在于，在PE組合物中加入一種通式(I)的化合物R1O(C3H5(OR2)O)nR3(I)其中n≥1，R1、R2和R3，可相同或不同，代表氫或者8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基，條件是，在該分子中，有至少2個(gè)游離羥基基團(tuán)和至少1個(gè)8～24個(gè)碳原子的羧酸殘基。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于，化合物(I)的加入量，以實(shí)際組合物重量為基準(zhǔn)，至少是0.05％。
16.權(quán)利要求15的方法，其特征在于，化合物(I)的加入量，以實(shí)際組合物重量為基準(zhǔn)，介于0.05～2wt％，優(yōu)選0.1～1wt％。
17.以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，其特征在于，在組合物中還加入1種或多種其他添加劑，例如抗氧劑、潤滑添加劑、交聯(lián)劑、防焦燒劑和相容劑。
18.權(quán)利要求15～17中任何一項(xiàng)的方法，其特征在于，添加劑的總量，包括加入到每種組合物中的通式(I)化合物在內(nèi)，不超過實(shí)際組合物的10wt％。
全文摘要
一種帶有包具有含擠塑聚乙烯組合物的絕緣體系的直流(DC)電纜,以及制造此種電纜的方法。該絕緣體系包含配置在導(dǎo)體周圍的擠塑交聯(lián)聚乙烯為基礎(chǔ)的絕緣層。該擠塑絕緣體系除了包含聚乙烯為基礎(chǔ)的化合物之外還包括一種通式(Ⅰ)甘油脂肪酸酯的添加劑R
文檔編號H01B9/00GK1322362SQ9981180
公開日2001年11月14日 申請日期1999年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月6日
發(fā)明者B·古斯塔夫松, J·－O·波斯特倫, U·尼爾松, P·尼蘭德爾, P·卡斯藤森, A·法卡斯, A·古斯塔夫松, K·約翰尼松 申請人:Abb股份有限公司