專利名稱：用于hvdc纜線的具有阻性場分級材料的柔性接頭及其與hvdc纜線連接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高壓直流纜線(HVDC纜線)的接頭的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了傳輸高壓(典型地在幾百千伏的范圍內(nèi))直流電(DC)，已經(jīng)開發(fā)了考慮到DC 傳輸?shù)木唧w要求的特定類型纜線。這些纜線被認為是高壓直流纜線(HVDC纜線)，它們的結(jié) 構(gòu)從內(nèi)到外實質(zhì)上包括下列元件·導(dǎo)電芯或?qū)w，其典型地包括大量獨立的銅或鋁導(dǎo)體， 該導(dǎo)體是高壓(HV)元件； 導(dǎo)體屏蔽(“半導(dǎo)體層”，通常稱為“半導(dǎo)體”)，其通常由導(dǎo)電的 聚合物層例如填充有碳顆粒的聚合物層制成，該層通常稱為“內(nèi)半導(dǎo)體”； 絕緣層，其典型 地由交聯(lián)聚合物如聚乙烯制成；·絕緣屏蔽，其通常由導(dǎo)電的聚合物層例如填充有碳顆粒 的聚合物層(“內(nèi)半導(dǎo)體”)制成，該元件被維持在地電勢，該層通常稱為“外半導(dǎo)體”; 防 護和保護層，其實質(zhì)上對高壓(HV)元件的實際絕緣沒有貢獻。在這樣的導(dǎo)體中，非常普遍的是將內(nèi)半導(dǎo)體、絕緣層和外半導(dǎo)體作為由擠壓工藝 制造的一個單一聚合物層提供，其中內(nèi)半導(dǎo)體層和外半導(dǎo)體層是通過向該聚合物層的徑向 最內(nèi)和徑向最外區(qū)域提供相應(yīng)的碳黑填充物而制成的。在交流電傳輸?shù)那闆r下，對于高壓部件周圍的電場分布，不同絕緣材料介電常數(shù) 的差別是至關(guān)重要的，而對于常用的絕緣材料來說這種介電常數(shù)的差別通常不會變化超過 1-3倍，與交流電傳輸?shù)那闆r不同，在高壓直流電傳輸?shù)那闆r下，其決定性的作用的絕緣材 料的電阻系數(shù)而不是介電常數(shù)。絕緣材料的電阻系數(shù)能變化100倍或更多倍，使得必須對 電場分布進行更仔細的分析，特別是在如下情況下對纜線的連接使得絕緣不是在纜線終 止元件處簡單地終止，而是不得不在纜線接頭內(nèi)延續(xù)?？紤]到電阻系數(shù)所表現(xiàn)出的高溫度 依賴性，電阻系數(shù)的變化尤其成問題，因此在所有溫度下對絕緣材料電阻系數(shù)進行匹配通 常是不可能的。相應(yīng)地，已經(jīng)開發(fā)了用于這樣的HVDC纜線的特定預(yù)制纜線接頭，其確保了絕緣材 料中電場分布的畸變較小以便避免場增強和隨之而來的電擊穿。另外，特別對于HVDC纜線之間的柔性連接，已知可使用基于帶的纜線接合技術(shù) (tape-based cable joining technology)。用于 HVDC 光纜(HVDC light cable)的柔性 接頭通常通過將半導(dǎo)電的和絕緣的帶在纜線周圍包裹并隨后硫化來制造。然后再安裝鉛和 聚乙烯外套護套和鎧裝。連接纜線的界面可為圓錐形。除了別的以外，一個重要的條件是界面區(qū)域內(nèi)纜線絕緣材料和接頭絕緣材料之 間的電場分布是盡可能均勻的。目前，這一點是通過使接頭絕緣和纜線絕緣的電特性盡可 能地匹配來實現(xiàn)的。特別地，決定了直流電壓下纜線接頭區(qū)域中的場分布的電阻系數(shù)比 (resistivity ratio)接近于一。這需要高質(zhì)量和受到極佳控制的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
從而本發(fā)明的一個目的是提供用于高壓直流電(HVDC)纜線的改進的纜線接頭及 其制造方法。該纜線接頭應(yīng)是柔性的，典型地其是帶繞式的(tape wound) 0本發(fā)明特別涉及在柔性纜線接頭內(nèi)連接兩根HVDC纜線的方法，其中每根HVDC纜 線由內(nèi)至外包括中心導(dǎo)體(更一般地為中心電極，典型地為一束獨立的銅或鋁導(dǎo)體)、鄰 接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層(任選的但通常存在，典型地為(碳黑)填充的聚合物層)、鄰接 的周向纜線絕緣層以及鄰接的周向纜線外半導(dǎo)體層(更一般地在被構(gòu)造成用于地電勢的 半導(dǎo)體層時為外電極層，典型地為填充的聚合物層)。纜線結(jié)構(gòu)外面可進一步包括附加層， 如防護層、機械保護層等。如上所述的這種類型纜線在HVDC傳輸領(lǐng)域是已知的。特別地，所提出的方法表征為其至少包括如下步驟a.連接兩根纜線的中心電 極；C.提供至少一個周向的和鄰接的場分級材料(field gradingmaterial)層，其將外電 極層連接到中心電極，并且鄰接地包覆著相應(yīng)纜線的纜線絕緣層(場分級材料層從而將纜 線絕緣和接頭絕緣分隔開)；d.在場分級材料層周圍提供周向接頭絕緣層；e.提供周向接 頭外電極層，其連接兩根纜線的纜線外電極層。如上所述，通常地且優(yōu)選地，該纜線結(jié)構(gòu)包括內(nèi)半導(dǎo)體層而外電極是作為外半導(dǎo) 體層給出的。在這種情況下，該方法通常包括如下步驟a.對兩根纜線的導(dǎo)體進行連接，優(yōu) 選地在纜線接頭內(nèi)進行該連接；b.在鄰接該導(dǎo)體處提供周向接頭內(nèi)半導(dǎo)體層，其連接兩根 纜線的纜線內(nèi)半導(dǎo)體層；C.提供至少一個周向的且鄰接的場分級材料層，其連接纜線外半 導(dǎo)體層和接頭內(nèi)半導(dǎo)體層并在纜線外半導(dǎo)體層和接頭內(nèi)半導(dǎo)體層之間的區(qū)域包覆相應(yīng)纜 線的纜線絕緣層；d.在場分級材料層的周圍以及在接頭內(nèi)半導(dǎo)體層周圍的適當部位處提 供周向接頭絕緣層；e.提供周向接頭外半導(dǎo)體層，其連接兩根纜線的纜線外半導(dǎo)體層。應(yīng)當指出的是，即使在纜線結(jié)構(gòu)包括內(nèi)半導(dǎo)體層的情況下，任選地也可能不包括 上述步驟b，場分級材料層也能直接與導(dǎo)體接觸并取代內(nèi)半導(dǎo)體層的功能。應(yīng)當進一步指出 的是外半導(dǎo)體層可由附加的場分級材料層來提供。從而本發(fā)明的一個要旨在于當制造柔性纜線接頭連接時，應(yīng)注意絕緣層內(nèi)的電 場分布是盡可能均勻的。如上所指出的，目前這一點是通過使接頭絕緣和纜線絕緣的電特 性盡可能地匹配來實現(xiàn)的。特別地，決定了界面區(qū)域中的場畸變的電阻系數(shù)比被調(diào)節(jié)為接 近于一。如果電阻系數(shù)比不同于一，則場被集中在具有較高電阻系數(shù)的材料內(nèi)。由于絕緣 體的電阻系數(shù)很難控制，因此需要對生產(chǎn)工藝進行很好的控制，并且將帶限制于非常特定 的材料。即使選擇了非常特定的材料，仍然存在電阻系數(shù)對于溫度的強依賴性的問題和在 工作條件下溫度通常在很大范圍內(nèi)變化的事實。如本發(fā)明所提出的，如果將電阻系數(shù)相對較低的層(本文稱之為場分級材料，F(xiàn)GM) 置于兩個絕緣體之間，使其連接兩個電勢(地和高壓，即纜線外半導(dǎo)體層與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層 或?qū)w)，則沿該層的電勢得到很好的限定。籍此，兩個絕緣體纜線絕緣體和接頭絕緣體對于 直流電壓被電退耦。如下面的明確描述所說明的，這導(dǎo)致了均勻的電壓下降。特別地，這種場 分級材料層在很大程度上允許克服與不同材料電阻系數(shù)的溫度依賴性有關(guān)的問題。實際上，場分級材料具有比絕緣層的電阻系數(shù)低得多的電阻系數(shù)，典型地，場分級 材料的電阻系數(shù)比纜線或接頭的絕緣材料的最小電阻系數(shù)低50-1000倍。場分級材料可以 是一種其電阻系數(shù)依賴于所施加電場的材料，其中該依賴性可以是線性的或非線性的。這種類型的材料在本領(lǐng)域是已知的，例如可參見W02004/038735，其內(nèi)容作為場分級材料可能 的系統(tǒng)被明確地包括到本說明書中。所提出的發(fā)明能夠簡化嚴格的工藝條件并且使得使用更多種類的接頭絕緣帶材 料成為可能。此外，由于電壓水平的趨勢將會越來越高，從電或電熱的觀點來看，使柔性接 頭更加結(jié)實耐用或許在將來會變得不可避免。在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例中，對于步驟b、c、d和/或e的至少一個或全部，將相 應(yīng)材料的基于聚合物的帶纏繞在待接合區(qū)域周圍，或者將基于聚合物的襯套移動或纏繞到 待接合區(qū)域周圍。相應(yīng)地，典型地在步驟b中，使用由導(dǎo)電聚合物材料(例如填充有碳黑顆粒等的交 聯(lián)或可交聯(lián)聚乙烯帶材料)制成的帶來制造周向接頭內(nèi)半導(dǎo)體層。在步驟c中，使用了由上述場分級材料所制成的帶，這可以仍然是基于聚合物的 帶材料，例如填充有導(dǎo)致了場分級性質(zhì)的相應(yīng)顆粒的交聯(lián)或可交聯(lián)聚乙烯。在步驟d中，可使用基于聚合材料并從而具有高阻性的帶。有可能也同樣使用交 聯(lián)或可交聯(lián)聚乙烯帶。在步驟e中，實質(zhì)上可仍然使用上述步驟b中所使用的同樣類型的帶。通常，在步驟e之后，對接頭施加熱和/或輻射以對其進行硫化，導(dǎo)致在接頭內(nèi)形 成交聯(lián)層結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)半導(dǎo)體層、場分級材料層、絕緣層以及外半導(dǎo)體層是鄰接的并且實質(zhì) 上沒有空氣間隙等，從而導(dǎo)致最佳的絕緣和電場條件。同樣有可能在接頭區(qū)域應(yīng)用典型地 圓周徑向壓力以便使結(jié)構(gòu)緊湊，這或者是作為上述硫化的補充或者是作為其備選。根據(jù)一個進一步優(yōu)選的實施例，在步驟c中，施加單一的周向和鄰接的場分級材 料層，其在一側(cè)將第一導(dǎo)體的纜線外半導(dǎo)體層與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層連接，在另一側(cè)將第二導(dǎo) 體的纜線外半導(dǎo)體層與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層連接，從而在接頭區(qū)域中完全包覆了接頭內(nèi)半導(dǎo)體 層。如上所述，場分級材料層必須連接接頭區(qū)域中的內(nèi)半導(dǎo)體層(或更一般地，內(nèi)電極)和 外半導(dǎo)體層(或更一般地，外電極)。從而相應(yīng)地，可為兩根待連接纜線的每一根提供兩個 獨立且分離的場分級材料層襯套，然而也可能具有一個單一的場分級材料層襯套，其相應(yīng) 地經(jīng)由接頭內(nèi)半導(dǎo)體層來連接纜線的兩個外半導(dǎo)體層(在這種情況下，甚至可能省去接頭 的內(nèi)半導(dǎo)體層)。一個進一步的優(yōu)選實施例的特征在于步驟c中由場分級材料層所包覆的纜線絕 緣層部分被成形為圓錐，該圓錐朝向各個纜線的各個末端會聚。從而相應(yīng)地，在接頭區(qū)域設(shè) 置了兩個圓錐(每根纜線均設(shè)置一個)，其在接頭區(qū)域內(nèi)指向彼此。使每根纜線的絕緣部 件形成這種圓錐形結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點當在形成柔性接頭的步驟中纏繞帶材料時不會有突 然的幾何臺階，而這種突然的幾何臺階在沒有對帶層進行正確定位時能夠?qū)е鲁霈F(xiàn)問題， 并且可能導(dǎo)致有些位置出現(xiàn)放電。相對于導(dǎo)體軸線的軸向與這個圓錐的平面(在軸向位置 處)之間的角α優(yōu)選在5° -45°的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地是在10° -20°的范圍內(nèi)。典型地，在步驟a之前，通過在末端區(qū)域進行剝皮操作以使每根纜線為本發(fā)明方 法的實施作好準備。這優(yōu)選被實現(xiàn)為在步驟a之前，使每根纜線都被制備成恰好在纜線的末端區(qū)域 中，導(dǎo)體在周向上是完全裸露的(因而暴露出導(dǎo)體材料，即大量的銅或鋁導(dǎo)體)。該導(dǎo)體優(yōu) 選暴露出至少2-30cm的軸向長度，最優(yōu)選地暴露出10-25cm的長度。
任選地，在進一步遠離纜線末端的鄰接區(qū)域，使纜線內(nèi)半導(dǎo)體層裸露出來，即使得 纜線內(nèi)半導(dǎo)體層的外表面沿徑向暴露。優(yōu)選地，這個暴露纜線內(nèi)半導(dǎo)體層的外表面的區(qū)域 延伸了 O-IOcm的軸向長度，最優(yōu)選地延伸0. 5-5cm的長度。在又進一步遠離每根纜線末端處設(shè)置有進一步的鄰接區(qū)域，在該區(qū)域纜線絕緣層 被成形為實質(zhì)上的圓錐形，該圓錐形如上所述朝向纜線的末端會聚。在上述步驟c中，在該 圓錐形區(qū)域內(nèi)，場分級材料以鄰接的方式包覆該圓錐形部件。典型地，對于徑向厚度D在 0. 5-4cm范圍內(nèi)的絕緣層，該圓錐形部分沿軸向延伸Z = D/tan(a)的長度。任選地，在另一個后續(xù)區(qū)域，使纜線絕緣層在周向上裸露出來，即使得該絕緣層沿 徑向完全暴露。這個區(qū)域優(yōu)選地延伸了 O-IOcm的軸向長度，更優(yōu)選地延伸0. 5-5cm的長 度。此外，任選地，在又一個的后續(xù)區(qū)域，除了其他原因之外，為了允許在上述步驟c 中與場分級材料層接觸而使纜線外半導(dǎo)體層裸露出來，即使其沿徑向暴露。如上所述，步驟c中所使用的場分級材料可以是基于聚合物的阻性場分級材 料，例如是帶的形式。場分級材料一般指該材料能夠降低局部的電場增強，使得任何地 方的電場都不超過擊穿強度從而消除電擊穿的危險。對于限定和可能的材料，例如請 參見 A. Roberts 的 Stress grading for high voltage motor and generator coils， IEEEElectrical Insulation Magazine, Vol 11，No 4，1995，p. 26 或者 Qi 等人的 Engineering with non-linear dielectrics，IEEE Electrical InsulationMagazine,Vol 20,No 6, 2004,p. 27。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，這種場分級材料是由提供有填充物的聚合基體 (polymeric matrix)制成的，其中該填充物包括半導(dǎo)體材料顆粒的場分級有效量，該半導(dǎo) 體材料的能量帶隙大于OeV而小于5eV，優(yōu)選地為ZnO或SiC，其中，該顆粒優(yōu)選地具有小于 或等于IOOnm的至少一個尺寸，更優(yōu)選地具有在2-80nm之間，更加優(yōu)選地在5-50nm之間、 最優(yōu)選地在5-30nm之間的至少一個尺寸。場分級材料可以是線性或非線性阻性材料。其可通過如下方式來放置在用于接 頭內(nèi)半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體帶被纏繞之后纏繞硫化的場分級材料帶(例如包含SiC或ZnO填充 物的聚合物等)，或者在對纜線進行連接之前安裝特定形狀的硫化管，等等。由于地和高壓 之間的連接很重要，也可能存在其他不同的拓撲結(jié)構(gòu)，正如下面的進一步描述中所更詳細 示出的。根據(jù)本發(fā)明的進一步實施例，在步驟a中，使用了襯套或夾子(優(yōu)選地金屬襯套或 夾子)，纜線導(dǎo)體的每個末端被移動并由有效接合(positive engagement)和/或形封閉 (form closure)和/或粘合力封閉來固定于該襯套或夾子之內(nèi)。可通過機械連接(如夾連 接(clamping)、螺栓連接、螺母和螺栓連接、螺釘連接等)和/或通過提供粘合劑來實現(xiàn)固 定。同樣可能的方式是使用焊接技術(shù)并在兩個中心電極之間制造導(dǎo)體焊接部。所提出的方法的進一步優(yōu)選實施例的特征在于一根或每根纜線的纜線內(nèi)半導(dǎo)體 層、纜線絕緣層和纜線外半導(dǎo)體層是由一個單一的擠壓聚合物材料制成的。該聚合物材料 優(yōu)選地為交聯(lián)材料，例如交聯(lián)聚乙烯材料。典型地，該聚合物材料的最內(nèi)區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)電填 充物以形成內(nèi)半導(dǎo)體層，纜線絕緣層是高阻性的，而該聚合物材料的最外區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)電 填充物以形成外半導(dǎo)體層。內(nèi)半導(dǎo)體層和外半導(dǎo)體層的填充物可由碳黑顆粒來提供。優(yōu)選 地，內(nèi)半導(dǎo)體層的厚度(沿徑向)在0. 5-2mm的范圍 ，纜線絕緣層的厚度D(沿徑向)在5-40mm的范圍內(nèi)，并且外半導(dǎo)體層的厚度(沿徑向)在0. 5_3mm的范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明涉及連接兩根HVDC纜線的柔性纜線接頭，其中每根HVDC纜線從內(nèi)至 外至少包括中心導(dǎo)體、鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層、鄰接的周向纜線絕緣層以及鄰接的周 向纜線外半導(dǎo)體層，這些層在如上所述的方法中可獲得，或者獲得自如上所述的方法。根據(jù)這種柔性纜線接頭的第一優(yōu)選實施例，HVDC纜線在外半導(dǎo)體層的外面包括下 列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗拉鎧裝層，優(yōu)選地包括鍍鋅 鋼線(galvanised steelwires)、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優(yōu)選地包括銅線。優(yōu)選地，接頭區(qū)域的外直徑大于具有所有周向?qū)拥睦|線外直徑的程度小于15%。 更優(yōu)選地，接頭區(qū)域的外直徑大于纜線外直徑的程度不超過10%或不超過5%，或者具有 實質(zhì)上與纜線外直徑相同的外直徑，所以該接頭對照于預(yù)制的硬纜線接頭(stiff cable joints)，是非常纖細的并且在接頭區(qū)域中并不提供脹形區(qū)(bulging area) 0根據(jù)進一步的優(yōu)選實施例，這樣的纜線接頭是帶繞式的并且是柔性的指帶有接 頭的纜線部分可能的曲率半徑介于纜線直徑的5-20倍，優(yōu)選地介于8-15倍。這允許良好 地纜線操作而不發(fā)生任何問題，例如將具有這樣的柔性纜線接頭的纜線纏繞在滾筒(roll) 或纜線絞輪(cable sheave)上，這在使用預(yù)制接頭時是不可能的。本發(fā)明此外還涉及如上所述的連接兩根(不是必需地但可能地是相同的)HVDC纜 線的方法的用途，該HVDC纜線從內(nèi)至外至少包括中心導(dǎo)體、鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層、 鄰接的周向纜線絕緣層以及鄰接的周向纜線外半導(dǎo)體層，并且任選地在外半導(dǎo)體層的外面 包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗拉鎧裝層，優(yōu)選地包 括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優(yōu)選包括銅線。這特別地導(dǎo)致形成了如上所 述的柔性纜線接頭。在從屬權(quán)利要求中概述了本發(fā)明進一步的實施例。


附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1是用于HVDC纜線的預(yù)制纜線接頭的軸向剖切；圖2示出了預(yù)制纜線接頭的從纜線到纜線接頭的過渡區(qū)域中的電場分布；圖3是柔性接頭的簡略圖，其中傾斜的線表示接頭絕緣和纜線絕緣之間的分界圖4、圖5根據(jù)本發(fā)明的柔性接頭的細節(jié)剖切，其中，在圖4中示出了利用夾子來連 接中心電極的情況，而在圖5中示出了由連接焊接部來連接中心電極的情況；圖6示出了柔性接頭中直流電勢的分布，其中，a)給出了沒有場分級材料層并且 假設(shè)纜線和接頭絕緣層的電阻系數(shù)相等的情況，b)給出了沒有場分級材料層并且假設(shè)接頭 絕緣層的電阻系數(shù)是更高的10倍的情況，c)給出了沒有場分級材料層并且假設(shè)纜線絕緣 層的電阻系數(shù)是更高的10倍的情況，d)示出了纜線和接頭絕緣層的電阻系數(shù)不同并且具 有線性阻性場分級材料層的情況；圖7、圖8，圖8示出了對于圖6所示情形a)_d)的沿圖7所示直線11的直流電 場，其中圖8中的曲線a)對應(yīng)于圖6的情況a)、圖8中的曲線b)對應(yīng)于圖6的情況b)、圖 8中的曲線c)對應(yīng)于圖6的情況c)并且圖8中的曲線d)對應(yīng)于圖6的情況d)，以及
圖9、圖10示出了場分級材料拓撲結(jié)構(gòu)的兩種可能情況圖9表示全部通過，圖10 表示在兩個部件中。附圖標記列表1纜線內(nèi)半導(dǎo)體2接頭內(nèi)半導(dǎo)體3纜線絕緣，聚合 物層4接頭絕緣，聚合物層5纜線外半導(dǎo)體，外電極層6接頭外半導(dǎo)體或?qū)щ娤鹉z，接 頭外電極層7纜線絕緣3和接頭絕緣4之間的分界面9接頭10場分級材料層，F(xiàn)GMll 表示電場的線12纜線導(dǎo)體(中心電極)13連接襯套14預(yù)制纜線接頭的內(nèi)表面15預(yù)制 纜線接頭16預(yù)制接頭內(nèi)的場分級材料元件18預(yù)制纜線接頭15的外導(dǎo)電橡膠部件19預(yù) 制纜線接頭15的內(nèi)導(dǎo)電橡膠部件20預(yù)制纜線接頭15的絕緣部件21高壓直流纜線22預(yù) 制纜線接頭15的外殼23接合之前導(dǎo)體被完全剝開的區(qū)域24接合之前纜線內(nèi)半導(dǎo)體層裸 露的區(qū)域25接合之前纜線絕緣層被以圓錐形方式成形并且根據(jù)本發(fā)明將要放置場分級材 料的區(qū)域26接合之前纜線絕緣層周向裸露的區(qū)域27接合之前纜線外半導(dǎo)體層裸露的區(qū) 域28圓錐30導(dǎo)體夾子31纜線/接頭外套32導(dǎo)體焊接部FGM場分級材料α 軸向 和圓錐表面之間的角
具體實施例方式參見附圖，附圖的目的在于對本發(fā)明當前優(yōu)選實施例進行說明而不在于對其進行 限制，圖1示出了以硬的方式用于連接高壓直流纜線的預(yù)制纜線接頭的軸向剖切。在這個方面，應(yīng)當指出的是，主要存在兩種不同類型的用于HVDC纜線領(lǐng)域的連接 元件，它們中的一種是所謂的預(yù)制或預(yù)模制纜線接頭，該接頭正如其名稱所表示的是特別 適于待連接纜線的預(yù)制的分離單元。預(yù)制或預(yù)模制纜線接頭安置或安裝在纜線所安裝的位 置，也就是說，如果要將纜線纏繞在纜線絞輪(圓柱滾筒)上，那么它們由于其剛性而不能 被使用。另外，還有所謂的柔性或帶繞式或帶模制纜線接頭(也被稱為柔性硫化接頭或柔 性工廠接頭(flexiblefactory joint))，其中沒有預(yù)制的分離接頭單元，而是通過正常地 連接中心導(dǎo)體并且隨后在周圍施加幾個帶繞層以形成實際接頭來制造這種接頭。這些柔性 接頭也能夠用于將要卷繞在纜線絞輪上的纜線。，在這個根據(jù)圖1的預(yù)制纜線接頭的特定情形中，兩根這樣的HVDC纜線21和21’ 在這樣的剛性預(yù)制纜線接頭15中被接合。為此，實際的中心導(dǎo)體12 (由該中心導(dǎo)體12形 成了纜線的中心電極)暴露在導(dǎo)體21、21’的各末端區(qū)域內(nèi)，兩個暴露的或裸露的導(dǎo)體部分 借助于金屬連接襯套13而接合在一起，在該金屬連接襯套13內(nèi)導(dǎo)體部分從兩側(cè)被移動并 隨后被夾住，從而導(dǎo)致兩個導(dǎo)體之間強的機械和電連接。預(yù)制或預(yù)模制纜線接頭包括外殼22內(nèi)圍繞連接襯套的區(qū)域中的絕緣部件20，以 及連接襯套和該絕緣部件20之間的內(nèi)導(dǎo)電橡膠部件19。在絕緣部件20的外面設(shè)置有外導(dǎo) 電橡膠部件18。從電的觀點來看，圖2表示了與根據(jù)圖1的這樣剛性纜線接頭的情形相關(guān)的條件。 圖2呈現(xiàn)了圖1的兩個對稱的半個部件中的一個的局部視圖，其包括了絕緣材料中的電場 線。正如人們所能夠看到的，在中心區(qū)域設(shè)置有連接襯套13 (在圖2中被表示為正視圖)， 導(dǎo)體12 (在圖2中被表示為正視圖)被機械固定在該連接襯套13中。此外，人們能夠看出 纜線的導(dǎo)體12的周圍被纜線絕緣層3所圍繞。此外在纜線絕緣層3和導(dǎo)體12之間還設(shè)置 有纜線內(nèi)半導(dǎo)體層1。在纜線絕緣層3的外面設(shè)置有纜線外半導(dǎo)體層5。剛性纜線接頭部件由線14之上的所有物件所給出。從而相應(yīng)地，剛性纜線接頭包
9括在連接襯套的區(qū)域之內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)電橡膠部件19和進一步徑向向外的絕緣部件20。軸向鄰 接于內(nèi)導(dǎo)電橡膠部件19設(shè)置有場分級材料部分16。該場分級材料層或部分16連接了內(nèi)導(dǎo) 電橡膠部件19和纜線的外半導(dǎo)體層5，并在軸向完成該連接。在所有這些物件的徑向外側(cè) 設(shè)置有剛性纜線接頭的外導(dǎo)電橡膠部件18。正如人們從電等勢線所能推斷的(該電等勢線也已被示出)，纜線絕緣部件3的 來自右側(cè)的實質(zhì)為軸向的場借助于場分級材料元件16而實質(zhì)上均勻地轉(zhuǎn)向為徑向，然后 在鄰接于場分級材料元件16的絕緣部件20的成圓錐形變寬的部分內(nèi)被平滑地重定向為軸向。本發(fā)明現(xiàn)在特別涉及柔性纜線接頭。在這些情況下，柔性纜線接頭以如下方式生產(chǎn)首先去除兩根纜線在其末端部件 中的絕緣，然后通過在接合區(qū)域纏繞相應(yīng)的帶來生產(chǎn)實際接頭。這應(yīng)借助于圖3來進行說 明，圖3再次示出了根據(jù)本發(fā)明的這樣柔性纜線接頭的僅僅一半的軸向剖切。作為制造這樣的柔性纜線接頭的準備工作，實際的纜線(來自圖3的右側(cè))恰好 在末端區(qū)域23被剝皮，使得實際的導(dǎo)體12暴露出來。然后接著是區(qū)域24，在該處纜線內(nèi)半 導(dǎo)體層1沿徑向被暴露出來，接著是區(qū)域25，在該處纜線絕緣層3被成形為圓錐28，該圓錐 28的頂點指向纜線端部。軸向相對于導(dǎo)體軸線和這個圓錐28的平面(在軸向位置處)之 間的角α優(yōu)選地位于5° -45°的范圍內(nèi)，優(yōu)選地位于10° -20°的范圍內(nèi)。緊接這個圓 錐形部分25的是區(qū)域26，在該處纜線絕緣層3被周向地暴露出來，然后接著是又進一步的 區(qū)域27，在該處纜線外半導(dǎo)體層5被徑向地暴露出來。纜線外半導(dǎo)體層5可被更一般地描 述為外電極層5。然后，在借助于連接元件(圖3中未示出，例如為上文所述的襯套)將導(dǎo) 體12連接起來后，將這根準備好的纜線與相應(yīng)的對稱纜線(將其想象為處于左側(cè))接合， 因為如圖3所示首先是通過纏繞相應(yīng)的帶材料(典型地為聚乙烯帶)來制造內(nèi)接頭半導(dǎo)體 層2，因而其方式使得連接了兩根纜線的纜線內(nèi)半導(dǎo)體層1 (如上面進一步指出的，也可省 去該層，其功能可由場分級材料層取代)。在傳統(tǒng)方式中，其次在進一步的步驟中接著使用 一種不同類型的帶材料(即非填充的帶材料)通過在如圖3所示區(qū)域內(nèi)纏繞帶材料來制造 接頭絕緣層4，并且特別地包覆絕緣層的傾斜或圓錐形部分25中的分界面7。再次，使用與 用于層2的帶材料(例如碳黑填充帶)相同或相似的帶材料來制造接頭外半導(dǎo)體層6，并且 以這樣的方式來連接兩根纜線的纜線外半導(dǎo)體層5。接頭外半導(dǎo)體層6可被更一般地描述 為接頭外電極層6。在這些操作之后，通過施加熱或通過輻射而使整個接頭硫化，從而形成 堅固的單元并將所有的層2、4和6與層1、3和5的材料熔合在一起。如果層3和4的兩種材料具有相等的電阻系數(shù)，則這樣的纜線接頭會導(dǎo)致如圖6a) 所示的電場分布。這實質(zhì)上應(yīng)是理想情況，其無論如何是無法達到的，因為在纜線的擠壓絕 緣層3和硫化帶絕緣層4的電阻系數(shù)之間總是存在差別。從而實際上，在電阻系數(shù)上總是會存在差別，而圖6b)和C)表示了這樣的差別的 結(jié)果，其中在b)中示出了絕緣層4具有比纜線的絕緣層3的電阻系數(shù)高10倍的電阻系數(shù) 的情況，而在c)中示出了纜線的絕緣層具有比接頭的絕緣層4的電阻系數(shù)高10倍的電阻 系數(shù)的情況。相應(yīng)的電場線的畸變是不可接受的，尤其是如果將要施加更高的電壓。如果在這種接頭的上述制造過程中，在施加層4之前，在圖3所示的分界面7上 以直接或間接地連接纜線外半導(dǎo)體層5與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層2的方式來生產(chǎn)場分級材料層10(參見圖4、5、9和10)，則能夠減輕這些問題并且能夠得到如圖6d)所示的相當均勻的電 勢分布，在圖6d)中兩個部分4和3的電阻系數(shù)亦有10倍的差別。圖4和圖5更詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的帶繞式接頭的兩個不同實施例。在兩個 實施例中，內(nèi)半導(dǎo)體層1均通過場分級材料層10而與接頭外半導(dǎo)體層6電連接。場分級材 料層10位于纜線軸向上纜線絕緣層3和接頭絕緣層4之間。因此，纜線絕緣層3的分界面 7被場分級材料層10連續(xù)地包覆。場分級材料層10由內(nèi)半導(dǎo)體層1連接至中心電極12， 并且由接頭外半導(dǎo)體層6連接至纜線的外半導(dǎo)體層5。在圖4中示出了柔性纜線接頭，其中使用連接器夾子30作為連接元件來連接兩個 中心電極12。使用與圖3所用同樣的附圖標記來表示該柔性接頭的其他結(jié)構(gòu)元件。在這個 情形中被特別指出的是外圍的纜線/接頭外套層31，其也可包括進一步的防護層等。在圖 5中示出了在柔性接頭的情形中接合中心導(dǎo)體12的更為普遍使用的方式，也就是借助于導(dǎo) 體焊接部32。實際上，如圖8所示，其給出了沿圖7中線11的電場，人們能看出在根據(jù)圖6的理 想情況a)下，人們得到了均勻且平滑的電場分布而沒有突變。然而在完全的對照下，根據(jù) 圖6的現(xiàn)實世界的情況b)和c)，人們在兩種材料3和4之間的分界面上得到了顯著的臺 階，導(dǎo)致發(fā)生擊穿等問題。正如人們能從代表了圖6所示情況即情況d)的線d)所示的相 應(yīng)分布中看出的，由于場分級材料層的高導(dǎo)電性，人們得到了場分級材料10的區(qū)域內(nèi)較小 的電場(在半徑約為20mm至21mm處的下陷)，然而人們卻失去了材料3和材料4的部分之 間的總體平滑特性(也就是說，沒有顯著的場增強)。圖9和圖10中附圖標記10所表示的場分級材料層可如圖10所示單獨地實施在 每根纜線上，即場分級材料層10的兩個分離的周向和鄰接部分用于每根纜線，并且在中心 區(qū)域，實質(zhì)上在連接兩個纜線導(dǎo)體12的連接元件32周圍，沒有場分級材料層而只有接頭內(nèi) 半導(dǎo)體層2。然而，也可能如圖9所示使用一個單一的場分級材料層襯套，即在某個步驟中 將場分級材料層10帶纏繞到在中心區(qū)域經(jīng)由接頭內(nèi)半導(dǎo)體層間接地連接兩個纜線外半導(dǎo) 體層5的接頭區(qū)域整個長度的周圍。連接元件32由導(dǎo)體焊接部形成。然而，上述的其他方 法也是可能的，例如圖4所示的導(dǎo)體夾子30或者圖2所示的連接襯套13。
權(quán)利要求
一種在纜線接頭內(nèi)連接兩根高壓直流纜線(21)的方法，其中每根高壓直流纜線從內(nèi)到外至少包括中心電極(12)、周向纜線絕緣層(3)和外電極層(5)，所述方法包括如下步驟a.連接兩根纜線(21)的中心電極(12)；c.提供至少一個周向的和鄰接的場分級材料層(10)，其將外電極層(5)與中心電極(12)連接，并且鄰接地包覆相應(yīng)纜線(21)的纜線絕緣層(3)；d.在場分級材料層(10)周圍提供周向接頭絕緣層(4)；e.提供周向接頭外電極層(6)，其連接兩根纜線(21)的纜線外電極層(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每根高壓直流纜線從內(nèi)到外至少包括作為 中心導(dǎo)體(12)的中心電極、鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層(1)、鄰接的周向纜線絕緣層(3)和 作為鄰接的周向纜線外半導(dǎo)體層(5)的外電極層，所述方法包括如下步驟a.對兩根纜線(21)的導(dǎo)體(12)在纜線接頭內(nèi)進行連接；b.在鄰接導(dǎo)體(12)處提供周向接頭內(nèi)半導(dǎo)體層(2)，其連接兩根纜線(21)的纜線內(nèi) 半導(dǎo)體層⑴；c.提供至少一個周向的且鄰接的場分級材料層(10)，其將纜線外半導(dǎo)體層(5)與接頭 內(nèi)半導(dǎo)體層(2)連接，并且鄰接地包覆相應(yīng)纜線(21)的纜線絕緣層(3)；d.在場分級材料層(10)的周圍以及在接頭內(nèi)半導(dǎo)體層(2)周圍的適當部位處提供周 向接頭絕緣層⑷；e.提供周向接頭外半導(dǎo)體層(6)或場分級材料層，其連接兩根纜線(21)的纜線外半導(dǎo) 體層(5)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對于步驟b、c、d和/或e中的至少一 個或全部，將相應(yīng)材料的基于聚合物的帶纏繞在待接合區(qū)域的周圍，和/或?qū)⒒诰酆衔?的襯套移動到待接合區(qū)域的周圍。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟e之后，對接頭施加熱和/或 輻射，和/或使其優(yōu)選地暴露在徑向壓力中以對其進行硫化。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟c中，單一的周向和鄰接的場 分級材料層(10)在一側(cè)將第一導(dǎo)體(21)的外電極層(5)或纜線外半導(dǎo)體層(5)與中心電 極(12)或者與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層(2)連接，并且在另一側(cè)將第二導(dǎo)體(21’)的外電極層(5) 或纜線外半導(dǎo)體層(5)與中心電極(12)或者與接頭內(nèi)半導(dǎo)體層(2)連接，從而在接頭區(qū)域 中完全包覆了中心電極和/或接頭內(nèi)半導(dǎo)體層(2)。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，纜線絕緣層(3)在步驟c中被場分級 材料層(10)包覆的部分被成形為圓錐形(28)，該圓錐形(28)朝向各自纜線(21、21’ )的 末端會聚，其中優(yōu)選地，相對于導(dǎo)體(12)軸線的軸向與這個圓錐(28)的平面之間的角(α) 在5° -45°的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在10° -20°的范圍內(nèi)。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟a之前，使每根纜線(21、21’) 都制備成恰好在纜線(21、21’)的末端區(qū)域(23)中，內(nèi)電極或?qū)w(12)在周向上是完全 裸露的，優(yōu)選地裸露至少2-30cm的長度，最優(yōu)選地裸露10-25cm的長度，其中任選地，在一 后續(xù)區(qū)域(24)中，使纜線內(nèi)半導(dǎo)體層裸露出來，優(yōu)選地裸露O-IOcm的長度，最優(yōu)選地裸露 0. 5-5cm的長度，其中，在一后續(xù)區(qū)域(25)，將纜線絕緣層(3)成形為實質(zhì)上的圓錐形(28)，該圓錐形(28)朝向纜線的末端會聚，其中任選地，在一后續(xù)區(qū)域(26)，使纜線絕緣層(3)周 向地裸露出來，優(yōu)選地裸露O-IOcm的長度，最優(yōu)選地裸露0. 5-5cm的長度，并且其中，在一 后續(xù)區(qū)域(27)，使纜線外電極層(5)或外半導(dǎo)體層(5)裸露出來。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟c中使用的場分級材料是一 種基于聚合物的阻性場分級材料，這種基于聚合物的阻性場分級材料由提供有填充物的聚 合基體制成，其中，填充物優(yōu)選包括半導(dǎo)體材料顆粒的場分級有效量，該半導(dǎo)體材料的能量 帶隙大于OeV而小于5eV，優(yōu)選地為ZnO或SiC，其中，顆粒優(yōu)選具有小于或等于IOOnm的至 少一個尺寸，更優(yōu)選地具有在2-80nm之間，更更優(yōu)選地在5-50nm之間，最優(yōu)選地在5-30nm 之間的至少一個尺寸。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在步驟a中，使用了襯套或夾子，優(yōu) 選地使用了金屬襯套或夾子，纜線(21、21’ )的中心電極或?qū)w(12)的每個末端被移動并 由有效接合和/或形封閉和/或粘合力封閉來固定于襯套或夾子之內(nèi)，和/或其中，在步驟 a中，中心電極的末端由焊接技術(shù)來連接。
10.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，纜線內(nèi)半導(dǎo)體層(1)、纜線絕緣層 (3)和纜線外半導(dǎo)體層(5)是由一個單一的擠壓聚合物材料制成的，優(yōu)選地由交聯(lián)聚乙烯 材料制成，其中，該聚合物材料的最內(nèi)區(qū)域設(shè)置有半導(dǎo)體填充物以形成內(nèi)半導(dǎo)體層(1)，纜 線絕緣層(3)沒有填充物，該聚合物材料的最外區(qū)域設(shè)置有半導(dǎo)體填充物以形成外半導(dǎo)體 層(5)，其中優(yōu)選地，內(nèi)半導(dǎo)體層(1)的厚度在l_3mm的范圍內(nèi)，纜線絕緣層(3)的厚度在 5-40mm的范圍內(nèi)，并且外半導(dǎo)體層(5)的厚度在l_3mm的范圍內(nèi)。
11.一種連接兩根高壓直流纜線(21)的纜線接頭，其特征在于，每根高壓直流纜線從 內(nèi)到外包括中心導(dǎo)體(12)、任選地優(yōu)選地鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo) 體層(1)、鄰接的周向纜 線絕緣層(3)以及鄰接的周向纜線外電極或半導(dǎo)體層(5)，這些層是根據(jù)前述任一權(quán)利要 求所述的方法可獲得或者獲得的。
12.如權(quán)利要求11所述的纜線接頭，其特征在于，高壓直流纜線(21)在外電極層或半 導(dǎo)體層(5)的外面包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外套層、抗 拉鎧裝層，優(yōu)選地包括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優(yōu)選地包括銅線。
13.如權(quán)利要求11或12所述的纜線接頭，其特征在于，接頭區(qū)域的外直徑大于具有所 有周向?qū)拥睦|線(21、21’)外直徑的程度小于15%，其中，接頭區(qū)域的 外直徑大于纜線(21、 21’)外直徑的程度優(yōu)選地不超過10%，更優(yōu)選地不超過5%，或者具有與纜線(21、21’)外 直徑實質(zhì)上相同的外直徑。
14.如權(quán)利要求10-12中任一項所述的纜線接頭，其特征在于，帶有接頭的纜線部分可 能的纜線曲率半徑在纜線直徑的5-20倍之間，優(yōu)選地在8-15倍之間。
15.權(quán)利要求1-10中任一項所述方法的用途，所述方法用于連接兩根高壓直流纜線， 所述高壓直流纜線從內(nèi)到外包括中心導(dǎo)體(12)、任選地優(yōu)選鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層 (1)、鄰接的周向纜線絕緣層⑶以及鄰接的周向纜線外電極或外半導(dǎo)體層(5)，并且任選 地在外半導(dǎo)體層(5)的外面包括下列層中的至少一個阻水帶層、鉛合金護套層、聚乙烯外 套層、抗拉鎧裝層，優(yōu)選地包括鍍鋅鋼線、外包覆層、鋁層疊層、金屬屏蔽層，優(yōu)選地包括銅 線。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于HVDC纜線的具有阻性場分級材料的柔性接頭及其與HVDC纜線連接的方法，其中每根纜線從內(nèi)到外包括中心導(dǎo)體、鄰接的周向纜線內(nèi)半導(dǎo)體層、鄰接的周向纜線絕緣層和鄰接的周向纜線外半導(dǎo)體層。在柔性纜線接頭內(nèi)連接兩高壓直流纜線的方法包括a.在纜線接頭內(nèi)連接兩纜線的導(dǎo)體；b.在鄰接導(dǎo)體處提供周向接頭內(nèi)半導(dǎo)體層以連接兩纜線的纜線內(nèi)半導(dǎo)體層；c.提供至少一鄰接的周向場分級材料層以連接纜線外半導(dǎo)體層和接頭內(nèi)半導(dǎo)體層并包覆相應(yīng)纜線的纜線絕緣層；d.在場分級材料層及接頭內(nèi)半導(dǎo)體層周圍適當部位提供周向接頭絕緣層；e.提供周向接頭外半導(dǎo)體層以連接兩纜線的纜線外半導(dǎo)體層。此外還公開了用該方法制造的接頭和該方法的用途。
文檔編號H02G15/08GK101902024SQ20091025902
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者T·克里斯滕 申請人:Abb研究有限公司