电力电缆及其制造方法和用途与流程

1.本技术涉及电力电缆、电力电缆的制造方法和电力电缆在海底应用中的用途。
2.背景
3.在过去的几十年里，海底高压(hv)电力电缆的意外故障有所增加。在大多数情况下，此类故障似乎是由于使用交联聚乙烯(pex)(一种高度复杂的材料)而引起的。pex最初是作为hv电缆制造材料引入的，以应对陆上电缆设计要求的变化(适应高达90缆的导体工作温度，而不是高达70℃的导体工作温度)。在通常寒冷的海底海洋环境中，这一温度要求似乎无关紧要，在这种环境中，环境温度几乎不会超过0℃以上几度。
4.从材料的角度来看，非交联聚合物(例如乙烯、聚乙烯和乙烯丙烯橡胶)没有理由不能用于工作电压高达66千伏的hv电缆(尤其是当导体电场应力保持在较低水平时)。然而，为了将hv电缆中的电场应力降低到可接受的水平，导体的外径必须增加，这又将外部电缆铠装的成本增加到过高的水平，并带来严重的重量缺点，同时进一步降低了hv电缆的操作便利性。
5.发明概述
6.本发明涉及一种电力电缆，其包括放置在所述电力电缆中心的受拉构件；第一绝缘层，受拉构件嵌入第一绝缘层中；和外保护皮(sheath)；其中所述电力电缆还包括嵌入在第一绝缘层中的一个或更多个第一铝导体。
7.本发明还涉及一种用于制造本发明的电力电缆的方法，该方法包括在一个单一步骤中将第一聚合物绝缘层挤压到受拉构件和一个或更多个导体上的步骤。
8.最后，本发明涉及本发明的电力电缆在中压到高压海底应用中的用途，例如海上风车电缆基础设施或海底泵的驱动。
9.本发明利用铝基导体，与传统的铜基导体相比，铝基导体需要增加的导体直径。此外，本发明用放置在电力电缆中心的内部受拉构件代替了传统的外部铠装。通过利用内部受拉构件，导体的外径进一步增加，因为它现在径向延伸以容纳受拉构件。与传统的电力电缆相比，采用这种设置，电场应力显著减小，并且可以安全地省略昂贵的外部铠装。此外，由于电场应力减小，绝缘厚度可以减小，并且实心的(solid)、非交联的乙烯、聚乙烯或乙烯丙烯橡胶材料可以用作绝缘体，从而代替pex并解决上述问题。
10.提供内部受拉构件并省略传统外部铠装的另一个优点是减小了总电缆直径、总电缆重量和电缆弯曲刚度。当浸入水中时，根据本发明的电力电缆的低比重以及其减小的刚度允许在安装电力电缆时(例如在履带式(caterpillar)安装期间)具有低夹紧力和改进的操控性。因此，根据本发明的电力电缆比传统电缆更柔韧，并且因此更容易捆扎。
11.最后，省略传统的外部铠装导致成本显著降低，因为外部铠装通常占电力电缆总材料成本的40％。
12.根据本发明的电力电缆的另一个优点是：铝导体使得半导体绝缘变得不必要，从而减少了形成电力电缆所需的构件的数量，以及减小了电力电缆本身的总直径。
13.最后，与传统的电力电缆相比，实心的绝缘材料使得电力电缆具有不同寻常的抗
压性。实心的设计以及随之而来的没有任何空隙(例如pex泡沫中存在的空隙)，确保了根据本发明的电力电缆是所谓的超干设计。超干设计意味着真正的干式结构，其中在电缆使用寿命期内的任一点，都没有存在于电缆材料中的空隙被水填满的潜在风险。
14.附图
15.图1是根据本发明的第一实施例的电力电缆的示意性横截面。
16.图2是根据本发明的第二实施例的电力电缆的示意性横截面。
17.图3是根据本发明的第三实施例的电力电缆的示意性横截面。
18.图4a和图4b示出了两种多芯电力电缆配置。
19.详细描述
20.图1是根据本发明的第一实施例的电力电缆的示意性横截面。电力电缆包括放置在所述电力电缆中心的受拉构件1、围绕受拉构件1的第一绝缘层3，并且由外皮9保护其不受环境影响。嵌入第一绝缘层3中的是一个或更多个(优选三个)第一铝导体4。每个第一铝导体可以具有圆形横截面，其中每个导体的直径相同。可以根据电力电缆的期望应用来选择导体直径。
21.此外，电力电缆可以包括围绕受拉构件1的第一半导电外屏蔽物(screen)2和围绕绝缘层3的第二半导电外屏蔽物5。电力电缆可以可选地包括第一金属屏蔽物6和/或第二金属屏蔽物7，其中第一金属屏蔽物和/或第二金属屏蔽物可以具有各种功能(例如便于故障搜索)。第一金属屏蔽物和/或第二金属屏蔽物由半导电的条带包裹物(tape wrapping)8包裹。
22.对于具有圆形横截面和两个或更多个第一铝导体4的电力电缆，导体优选地以周向等距的方式进行布置。这在图1中示出了具有三个导体的实施例。在中压(高达1kv)到高压(1kv以上)应用中，通常需要三相或更多相；电力电缆包括相应数量的导体。
23.表1提供了根据第一实施例的示例性电力电缆的典型机械特性。
24.表1
25.[0026][0027]
图2是根据本发明的第二实施例的电力电缆横截面的示意图。对应于第一实施例的特征由相同的附图标记表示。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，另外提供了第二绝缘层3’(优选地由第三半导电外屏蔽物5’围绕)。所述第二绝缘层3’围绕第一绝缘层3和(如果存在的话)第二半导电外屏蔽物5。嵌入在第二绝缘层3’中的是一个或更多个第二铝导体4’。每个第二铝导体可以具有圆形横截面，第一铝导体4的直径和第二铝导体4’的直径优选相同。
[0028]
对于具有圆形横截面和两个或更多个第二铝导体4’的电力电缆，导体优选地以周向等距的方式进行布置。这在图2中示出了具有三个导体的实施例。
[0029]
图2示出了包括三个第一铝导体4和三个第二铝导体4’的电力电缆，该电力电缆被配置成使得每个第一铝导体4的中点位于穿过电力电缆的中点和正好一个第二铝导体4’的中点的直线上。图2的配置可以替代地包括两个、四个或更多个第一铝导体和第二铝导体。这种配置允许电力电缆被用于同时操作两个中压到高压应用。例如，当电力电缆用于ac应用时，可以同时操作两个海底泵，每个海底泵都通过它自己的一组铝导体4和4'供电。可替代地，当电力电缆用作dc输出电缆时，三个第一铝导体4可以用作dc导体相，而三个第二铝导体4’可以用作接地线。后一种用途与海上风车的电力输出特别相关。
[0030]
受拉构件1包括高抗拉材料(例如钢，优选高抗拉钢)、复合材料或芳族聚酰胺(kevlar)材料。此外，受拉构件1可以是实心的(例如以杆、线或线束的形式)。可替代地，受拉构件可以是中空的(例如以管的形式)。受拉构件1可以包括位于其中心的另外的元件(例如温度传感器)。
[0031]
图3示出了根据本发明的第三实施例的电力电缆的示意性横截面。在该实施例中，受拉构件1(以线束的形式)被一个或更多个第一铝导体4(以一个或更多个线环的形式)围绕，两者都嵌入第一绝缘层3中。提供第二绝缘层5，第二绝缘层5通过第一半导电外片(sheet)2与第一绝缘层3隔开。
[0032]
根据第三实施例的一根或更多根电力电缆可以捆绑成多芯电力电缆，其变型在图4a和图4b中示出。多芯电力电缆可以包括根据第三实施例的一根或更多根电力电缆10(可选地一个或更多个配重元件11和可选地另外的功能元件12)。功能元件可以包括例如光纤电缆或信号电缆。配重元件11可以包括锌或铅。一根或更多根电力电缆10、配重元件11和功
能元件12嵌入在挤压的绝缘层13中。提供了围绕绝缘层13的外半导电屏蔽物。多芯电力电缆由围绕外半导电屏蔽物的外皮保护而不受环境影响。
[0033]
图4a和图4b示出了具有三根电力电缆10和一个另外的功能元件12的配置。在图4a中提供了两个配重元件11，在图4c中提供了大量配重元件11。
[0034]
表2提供了根据图4a的实施例的示例性电力电缆的典型机械特性；表1中列出的各种电缆质量、浸没重量、比重比率和刚度值自然可以根据存在的配重元件的数量和类型而变化。
[0035]
表2
[0036][0037][0038]
根据本发明的制造电力电缆的方法包括将第一绝缘层3挤压到受拉构件1和一个或更多个第一铝导体4上的步骤。因此，受拉构件1和一个或更多个第一铝导体4嵌入第一绝缘层3中。此外，所有的一个或更多个第二铝导体4’都嵌入第二绝缘层3中。为了制造根据第二实施例的电力电缆，在另外的方法步骤中将第二绝缘层3’挤压到一个或更多个第二铝导体4’上。第一方法步骤和第二方法步骤可以依次执行(将第二绝缘层3’挤压到已经挤压的第一绝缘层3上)或同时通过共挤压来执行。
[0039]
根据本发明的方法与传统电力电缆的制造方法相反，在传统电力电缆的制造方法中，每个导体首先被嵌入其自身的绝缘层中，在绝缘层上，期望数量的这样绝缘的导体被捆绑在一起，并且由单独的外层固定就位。因此，与传统的电力电缆制造方法相比，根据本发明的方法实现了相当大的成本节约，并且实施起来要简单得多。
[0040]
第一半导电外屏蔽物2、第二半导电外屏蔽物5和第三半导电外屏蔽物5’包括聚合物(优选聚乙烯、聚苯乙烯或聚酰胺)。
[0041]
第一绝缘层3和第二绝缘层3’包括非交联聚合物(优选乙烯、聚乙烯或乙烯丙烯橡
胶)。
[0042]
可选的第一金属屏蔽物6和第二金属屏蔽物7包括铜(优选退火铜)或铅。优选以条带或外皮的形式提供金属屏蔽物。半导电条带包裹物8包括聚酰胺(尼龙)。最后，外皮9包括高密度聚乙烯，外皮9可能已经被挤压到下面的层上，或者可以以条带的形式包裹在下面的层周围。
[0043]
尽管图1、图2和图3中的电力电缆呈现为具有圆形横截面，但是这仅仅是为了说明的目的，而决不是限制性的；可以使用其他横截面几何形状(例如椭圆形或矩形)。
[0044]
根据本发明的电力电缆还可以设置有围绕外皮的铅护套(jacket)。这种铅护套增加了重量，这对于海底应用可能是合乎需要的。此外，铅护套大大增加了电力电缆的预期使用寿命(最长可达50年)。
[0045]
前述实施例和示例决不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定。