CN105706186A

CN105706186A - 制造电力电缆的工艺和相关的电力电缆

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Publication number: CN105706186A
Application number: CN201380080830.3A
Authority: CN
Inventors: G·佩里格; P·里伯伊
Original assignee: Prysmian SpA
Current assignee: Prysmian SpA
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: BR112016010042B1; WO2015067323A1; CN105706186B; US20160276066A1; AU2013404756A1; AU2013404756B2; US9892824B2; EP3069354A1; NO3069354T3; EP3069354B1

Abstract

一种用于制造电力电缆(100)的方法(200)被提供。该方法包括提供至少一根绝缘导线(105)以及围绕该绝缘导线(105)布置防水层(140)。所述布置防水层(140)包括：提供(202)有两个相对边缘(306)的箔(300、300’)；围绕该绝缘导线(105)包裹(204)该箔(300、300’)，直到箔(300、300’)的边缘(306)彼此重叠为止；用粘合剂(330)把箔(300、300’)的重叠的边缘(306)相互粘牢(204)，以形成相应的箔缝(235)；借助热喷涂工艺，把金属涂层(354)沉积(206)在箔缝(235)处的箔(300、300’)上。

Description

制造电力电缆的工艺和相关的电力电缆

技术领域

本发明一般涉及用于电力传输和分配的电力电缆领域，尤其涉及用于地下和海底用途的电缆领域。

背景技术

在低电压(直到1kV)，特别是在中电压(MV)和高电压(HV)范围(分别为，对MV是从1kV到35kV，而对HV是高于35kV)中，用于电力传输的电力电缆通常包括一根或多根绝缘导线(一根绝缘导线用于单相电力传输，三根绝缘导线用于3相电力传输；有单根绝缘导线的电缆亦称“单芯”电缆，而有多于一根绝缘导线的电缆亦称“多芯”电缆)。“绝缘导线”的意思是，至少被聚合物绝缘层包围的电导线。内部的和/或外部的半导体层能够被分别围绕该导线及绝缘层放置。诸如金属线或金属带的铠装能够被提供来包围每一个芯，以便提供对拉伸应力的抵抗力。聚合物护套通常作为最外面的层被提供。

当电力电缆必须安装在潮湿或潜在的潮湿环境中，诸如在地下或水下时，它的绝缘导线应当被保护，以避免湿气渗透，这种湿气渗透可以导致电击穿。为此目的，该电缆装备有防水层，该防水层能够围绕每一绝缘导线和/或绝缘导线束被提供，用于防止或至少降低可能产生电击穿的水树(watertree)的出现。

不同类型的防水层是已知的。例如，Springer-VerlagBerlinHeidelberg2009年出版的T.Worzyk的《SubmarinePowerCables,PowerSystems》的30-33页公开了铝、铅、铜和其他金属能够被用作各种形状的防水护套。由与PE共聚物层预先叠层的薄铝箔组成的叠层铝护套能够在外侧有聚合物层的电缆芯周围被形成。叠层带的边缘重叠地粘结在一起。极小量的湿气可以通过粘结缝扩散进电缆中。

US4,221,926公开有金属防护条类型的防水电缆，该金属防护条由包裹在电缆芯周围的纵向缝形成。尤其是，该电缆是由坚硬金属组成的外侧防护条形成，以便为电缆提供结构强度。该外侧防护条一般按圆柱形配置包裹在芯周围，一个纵向边缘与另一个纵向边缘重叠，从而形成防护条缝。防护条缝用带条覆盖，该带条通常是叠层结构，由铝箔、牛皮纸和聚酯膜构成，或者替代地由聚烯烃，诸如纺丝粘合的高密度聚乙烯纤维材料或双轴取向聚丙烯膜构成。

尤其适合于地下电缆(“埋藏”型和“室内(invault)”型二者)的简单、廉价且通用的防水层实施方案利用了金属箔或多层箔。多层箔是许多层的箔，至少包括第一层诸如铝或铜的金属材料，以及第二层诸如聚乙烯的聚合物材料。例如，US3,575,748公开了一种用于电力电缆的电缆外壳，该电缆外壳由围绕电缆芯沿纵向折叠的带形成。在该带中有金属箔叠层，在它的上、下两个表面上有塑料涂层。

按照已知的解决方案，通过围绕电缆的芯包裹金属或多层箔直到使其相对的边缘相互重叠为止，制作金属和多层防水层。包裹的箔通过在其重叠的边缘之间提供的粘合剂，例如包括聚合物粘性树脂的粘合剂，围绕该芯被粘牢。

US2007/0194085公开了一种低温接合方法，该方法可与多种材料兼容，并导致接合结构之间的融合，不降低接合结构的基础材料的机械性质。该方法包括的步骤是：使第一结构与第二结构接触；以及把金属粘合材料的粒子以一定速度引向第一结构与第二结构之间的界面，以便使金属粘合材料的粒子在第一结构与第二结构之间形成分子融合。

发明内容

申请人的经验是，用于粘牢金属或多层箔的重叠边缘的现有技术的解决方案不是十分满意，因为这些方法从制造的观点看是复杂的，和/或不能确保可靠并长久防止湿气的扩散。

尤其是，如果采用了由具有被聚合物粘性树脂粘牢的重叠的纵向边缘(此后称“边缘”)的包裹的金属或多层箔形成的防水层，则湿气可以通过粘性树脂，并且在这种情形中，通过与粘性树脂相邻的该多层箔的聚合物部分扩散，并且到达电缆的内层，直到绝缘层。

申请人考虑到，如果提供了覆盖粘性树脂和包裹的箔的重叠边缘(此后，全都称为“箔缝”)的水密涂层，就能够用包裹的金属或多层箔制作水密防水层。这样的水密涂层应当能均匀地粘接到不同的基底材料(即金属、粘性树脂、并在此情形中，箔的聚合物材料)，并能提供无孔层。而且，这种水密涂层应当能经受电缆所承受的机械应力。

申请人发现，施加通过热喷涂沉积的金属粒子(铜或铝)的薄层在重叠区域上能有效地导致有大体上零孔隙并有足够机械强度，以致可承受应变和压缩应力而没有破裂和/或从基底脱离的水密涂层。热喷涂技术的使用，意想不到地允许金属粒子均匀和稳定地粘接到箔缝处存在的不同材料上。

本发明的一方面提供一种电力电缆，该电力电缆包括：至少一根绝缘导线；包围该绝缘导线的防水层，该防水层是被包裹的箔，该被包裹的箔有重叠的并通过粘合剂粘牢的边缘，该重叠的边缘和粘合剂形成箔缝；和箔缝上的热喷涂的金属涂层。

本发明的另一方面提供一种用于制造电力电缆的工艺，该方法包括：

-提供至少一根绝缘导线；

-围绕该至少一根绝缘导线布置防水层，所述布置防水层包括：

-提供有两个相对边缘的箔；

-围绕绝缘导线包裹该箔，直到箔的边缘彼此重叠为止；

-用粘合剂把箔的重叠的边缘彼此粘牢，以便形成相应的箔缝；

-通过热喷涂工艺，把金属涂层沉积在箔缝处的箔上。

按照本发明的实施例，该箔选自金属或多层箔。

在本说明书和权利要求书中,“多层(polylaminate)”的意思是包括至少一个聚合物层(第一层)和至少一个金属层(第二层)的叠层(laminate)。

在按照本发明的一些实施例的工艺和电缆中，以金属层沿径向在聚合物层之内的方式，围绕电缆导线包裹多层箔。多层箔的这种配置，当需要用有助于控制电场应力的基本屏蔽(underlyingscreen)维护金属层的电连续性时，尤其适用于高电压电缆。按照本发明的其他实施例，以聚合物层沿径向在金属层之内的方式，围绕电缆导线包裹多层箔。这样的配置给出更好的保护，抗水渗入。

按照本发明的金属箔和多层中的金属层，能够用从铝或铜或它们的复合物中选出的金属制成。

在本说明书和权利要求书中，所谓“防水层”是指能阻碍水和湿气前进的层。

术语“热喷涂”描述一类工艺，这些工艺使用热能或动能，以便获得和/或以高速把金属粒子推向要被涂敷的表面(在这种情形中，是箔缝处的防水层表面，正如例如HandbookofThermalSprayTechnology,pages3-13,2004ASMInternational中描述的)。

适合于本发明方法的热喷涂工艺优选地是冷喷涂工艺。冷喷涂工艺允许沉积满意的金属涂层而不损害被喷涂部分，尤其是聚合物材料中的那些喷涂部分。冷喷涂工艺不要求任何先前的抛光处理。

用粘合剂把重叠边缘相互粘牢优选地包括在重叠的边缘之间沉积聚合物粘性树脂层。

本发明的电缆能够是单芯电缆或包含多根绝缘导线的多芯电缆。在后一情形中，每一绝缘导线能够被相关的防水层包围，或者多根绝缘导线能够被单个防水层包裹，或者二者并用。优选地，围绕该多根绝缘导线中的全部绝缘导线提供箔。

金属涂层可以有从0.1mm到0.5mm的厚度。有利地，金属涂层的宽度能够是不但覆盖箔缝，而且覆盖与该箔缝相邻的箔表面。金属涂层的宽度能够高达20mm或30mm。更宽的宽度不会对电缆性能有害，只是可能增加电缆成本。当箔是金属箔时，金属涂层的宽度能够高达10mm。

金属涂层材料能够从电缆制造中惯用的那些材料，例如铜、铝或锡中选出。

沉积金属涂层的步骤优选地提供喷涂包括金属粒子的射流在包围箔缝的箔部分上。

射流中的金属粒子优选地被加速到100到1500m/s的速度。

按照本发明的电缆可以是海底电缆。沉积的金属涂层适合于承受这种配置下的压力和应力。

按照本发明的电缆可以是地下电缆。

为了本说明书和所附权利要求书的目的，除非另外指出，所有表示数量、量、百分比如此等等的数字，在以术语“约”表明的所有例子中，都应当被理解为可以修改的。此外，所有范围包含被公开的最大和最小点的任何组合并且包含其中的任何中间范围，这些范围在本文中可能或不可能被特别列举。

附图说明

本发明的这些和其它特征和优点，通过结合附图阅读下面本发明的一些示例性和非限制性实施例的描述，将变得显而易见，附图中：

图1A和1B是按照本发明实施例的电力电缆的示意剖面视图；

图2是按照本发明实施例的示出了用于制作图1A和1B的电缆的方法的操作的流程图；

图3A-3B示出在用于制作图1A的电缆的图2方法的步骤期间，电缆的一部分；

图3C是图3B的电缆的特定部分的剖面视图；

图3D示出在用于制作图1A的电缆的图2方法的另一步骤期间，电缆的一部分；

图3E是图3D的电缆的特定部分的剖面视图。

具体实施方式

参考附图，图1A和1B是电力电缆100，尤其是在MV或HV范围中用于电力传输的电缆的剖面视图。

电缆100包括三根绞合绝缘导线105。每一绝缘导线105包括电力导线110，即一般是由铜、铝或二者制成的棒条形式的或绞合线形式的。电力导线110按顺序被内部半导体层、绝缘层、以及围绕该绝缘层的外部半导体层包围；这三层被整体画出并作为芯层115被示出。绝缘层可以由聚合物材料(例如，聚乙烯或聚丙烯)，被包裹的纸或纸/聚丙烯叠层制成。半导体层通常由类似于绝缘层所采用的聚合物材料制成，填充以诸如碳黑的导电性填充物。围绕每一绝缘导线105的外部半导体层，提供例如包括单个层的铜线或铜编织物的金属屏蔽120。填充物135包围绝缘导线105，形成有大体上圆形径向剖面的结构。在本实施例中，填充物135被箔制成的防水层140包围。

此外，在沿径向在防水层140之外的位置中，电缆100包括连续的涂敷层145，涂敷层145例如包括至少一种聚酰胺或其共聚物，被外护套150例如聚乙烯护套包围。如果除包围每一芯的铠装之外或代替包围每一芯的铠装，提供包围防水层的铠装层，则类似的考虑适用；在此情形下，优选地在防水层与所述铠装层之间提供衬垫层。

在图1A所示本发明的实施例中，防水层140的箔是多层箔300，而在图1B所示本发明的实施例中，防水层140的箔300’是金属箔。

在图1A的情形中，箔300是两层的多层箔，有诸如铝或铜的金属材料的第一层320，以及诸如聚乙烯的聚合物材料的第二层325。在多层箔有不同结构，例如包含多于一层的金属材料和/或多于一层的聚合物材料的情形下，类似的考虑适用。按照本发明的一实施例，第一层320可以有从0.15到1mm的厚度，而第二层325可以有从3到10mm的厚度。

在图1B的情形中，防水层140是由例如铜或铝的金属制成的箔300’。按照本发明的实施例，箔300’有0.01mm到1mm的厚度。

如将要在下面的描述，防水层140是通过围绕绝缘导线105包裹箔300、300’，直到箔的边缘彼此重叠为止而形成的，由此防水层140在箔300、300’重叠的边缘上，展现大体上平行于电缆100纵轴伸延的箔缝235。在重叠的边缘之间提供聚合物粘性树脂330的层。该层330，以包裹在绝缘导线105周围的金属或多层箔300、300’的形式，粘牢防水层140。

金属涂层354在箔缝235处覆盖在防水层140沿径向向外的表面的部分上。金属涂层354能够有从0.1mm到0.5mm的厚度和箔缝235宽度两倍的宽度。例如，如果防水层140由包裹的金属箔形成，金属涂层354的宽度能够是10mm，或者，如果防水层140由包裹的多层箔形成，金属涂层354的宽度能够是20mm。

图2是按照本发明实施例的流程图，示出用于制作图1A的电缆100，尤其是用于制作要被围绕电缆100的填充物135布置的防水层140的工艺200的操作。

工艺200提供了按照任一种本领域已知的解决方案制造电缆100，直到当绝缘导线105可选地通过粘合带(未画出)接合，并且例如按常规方式例如用SZ扭绞机(SZ-lay-up)螺旋形地绞合在一起时的绝缘导线的绞合。然后，用填充物135填充由绝缘导线105的绞合产生的空隙区，导致包括绝缘导线105和填充物135的圆柱形电缆工件的形成。

在图3A中画出了工艺200的步骤202，并且步骤202包括提供多层箔300和把包括绝缘导线105及填充物135的电缆工件—全文以参考数字302标识—放置在所述箔300上。多层箔300包括金属材料的第一层320，以及聚合物材料的第二层325，并且呈带的形状，以两个相对边缘306大体上平行于电缆工件302的纵轴A。多层箔300包括彼此相对的两个主表面，即第一表面310和第二表面315，由边缘306和箔端限定。

在图中所示的本发明实施例中，箔300的第一表面310是第一层320的暴露的表面，而第二表面315是第二层325的暴露的表面。

每一边缘306能够具有的长度随情形不同而变化。例如，边缘306能够有直到1500-3000m的长度。当边缘306的长度短于要制作的电缆跨度的长度时，两个或更多的箔300能够被使用，并在相应端接合，以便为要生产的电缆提供连续性。

优选地，电缆工件302以其纵轴平行于边缘306，大体上被定位在箔300的第一表面310的中部。

方法200的下一步骤204提供了通过使边缘306彼此重叠，围绕电缆工件302包裹多层箔300，以及然后在重叠的边缘306之间，沉积诸如聚合物粘性树脂330层的粘合剂，以此方式把围绕电缆工件302包裹的多层箔300粘牢，如图3B中所示。这样，包围电缆工件302的防水层140被获得。

图3C是在方法200的步骤204之后，图3B的箔缝235的剖面视图。

形成层330的聚合物粘性树脂330并不阻止湿气扩散。湿气可以通过树脂层330的沿径向暴露于外的部分，有害地向电缆100的内层扩散。而且，如果第二层325的聚合物材料是充分浸水的(例如，如果电缆100被安装在水下)，湿气也可以通过多层箔300的第二层325的外部表面，在其重叠得较差的边缘306上，向电缆100的内层扩散。

为此目的，按照本发明的实施例，为了避免(或至少降低)湿气扩散，方法200提供沉积步骤206，目标是通过热喷涂工艺至少在防水层140的箔缝235上形成金属涂层。金属涂层的存在能延迟通过多层箔300的第二层325的外表面和聚合物材料的厚度的湿气侵入，从而即便在这种情形下，也使湿气扩散最小化。

图3D是按照本发明的实施例的在示例性沉积步骤206期间的防水层140的概要视图，在该沉积步骤中，冷喷涂枪装置350正在把包括金属粒子(如铜、锡或铝)的射流352喷涂在箔缝235处的防水层140表面的部分上，以便沉积金属涂层354。防水层140和电缆工件302一起在冷喷涂枪装置350下面以优选地是50mm/s到1000mm/s，例如100mm/s的速度前进。

冷喷涂枪装置350包括室360，其中提供要沉积的粉末形式的金属。在室360中，金属粒子被加速。供料器365被偶联到室360，用于供应金属粉末。供应单元370也被偶联到室360，用于提供高速作业气流，以推动金属粉末。在一些实施例中，该作业气体可以包括氦、氮、空气、或任何合适的气体。室360还偶联到喷嘴375，适合控制载有向着防水层140表面的离开室360的金属粒子的射流352的方向和速度。作业气体可以使金属粒子加速到100至1500m/s的速度。

图3E是在工艺200的步骤206之后，图3D的箔缝235的剖面视图。金属涂层354覆盖多层箔300的两个重叠边缘306二者以及从箔缝235暴露的树脂层330部分。例如，金属涂层354可以有约0.2mm的厚度(沿垂直于多层箔300表面的方向)，并可以有20mm的宽度(沿平行于多层箔300表面和垂直于箔缝235的方向)。

在金属涂层354形成之后，按照本领域熟练人员已知的方法，正如来自例如图1A的电缆的制造提供了用例如通过挤出工艺产生的涂敷层145和外部护套150包围防水层140。

虽然在本描述中，已经参照的用于制造电缆的工艺包括针对制作防水层的步骤，该防水层被布置在封装电缆的所有(三根)绝缘导线的填充物周围，当上述工艺被用于制造被布置在电缆的每一绝缘导线和相关金属屏蔽周围的防水层时，类似的考虑适用。混合的解决方案也可以预期，在该混合方案中，电缆对每一绝缘导线都设有防水层，并同时具有包围该填充物的公共防水层，该填充物包围电缆的所有绝缘导线。

按照本发明另一个实施例，前面图2描述的工艺200可以通过把电缆工件302定位在箔300第二层325的暴露表面上而不是在其第一层320上来实现，以便制造防水层140，其中其内层是聚合物材料的第二层325，而其外层是金属材料的第一层320。

在多层箔以金属层沿径向在聚合物层之外的方式被包裹的情形中，在箔缝上热喷涂的金属涂层通过密封暴露的聚合物表面提供金属层的连续性。

此外，按照本发明的实施例，为了制造图1B的电缆100，前述图2描述的工艺200可以通过采用金属箔300’代替多层箔300来实现。

例子

铜涂层已经被沉积—以适合有效地覆盖多层箔的箔缝的精度—达到0.2mm的沉积厚度。铜涂层的显微照相表明，沉积的层有高均匀性和非常少的孔隙(不高于0.3％)。初步弯曲试验已经完成，表明该铜层的机械强度足以承受应变和压缩应力而不破裂和/或从基底脱离。

Claims

1.一种用于制造电力电缆(100)的方法(200)，该方法包括：

-提供至少一根绝缘导线(105)；

-围绕该绝缘导线(105)布置防水层(140)，所述布置防水层(140)包括：

-提供(202)有两个相对边缘(306)的箔(300、300’)；

-围绕该绝缘导线(105)包裹(204)该箔(300、300’)，直到箔(300、300’)的边缘(306)彼此重叠为止；

-用粘合剂(330)把箔(300、300’)的重叠的边缘(306)相互粘牢(204)，以便形成相应的箔缝(235)；

-通过热喷涂工艺，把金属涂层(354)沉积(206)在箔缝(235)处的箔(300、300’)上。

2.按照权利要求1的方法(200)，其中所述沉积(206)金属涂层(354)是通过冷喷涂工艺完成的。

3.按照权利要求1或权利要求2的方法(200)，其中所述用粘合剂(330)把重叠的边缘(306)彼此粘牢(204)包括：在重叠的边缘(306)之间沉积聚合物粘性树脂(330)层。

4.按照前面权利要求中任一项的方法(200)，其中沉积(206)金属涂层(354)的步骤包括沉积从铜涂层、锡涂层或铝涂层中选出的一种涂层。

5.按照前面权利要求中任一项的方法(200)，其中沉积(206)步骤包括：在箔缝(235)处的防水层(140)的部分上喷涂包括金属粒子的射流(352)，该射流中的该金属粒子被加速到100到1500m/s的速度。

6.一种电力电缆(100)，包括：

-至少一根绝缘导线(105)；

-至少一层防水层(140)，包围该至少一根绝缘导线(105)，该防水层(140)是被包裹的箔(300、300’)，有重叠的并被粘合剂粘牢的边缘(306)，该重叠的边缘(306)和粘合剂(330)形成箔缝(235)；

-在箔缝(235)上的热喷涂的金属涂层(354)。

7.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中所述包裹的箔(300、300’)选自金属箔或包括金属层的多层箔。

8.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中金属涂层(354)是由选自铜、锡或铝的材料制成。

9.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中金属涂层(354)有从0.1mm到0.5mm的厚度。

10.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中金属涂层(354)有高达30mm的宽度。

11.按照权利要求6的电力电缆(100)，该电力电缆(100)是选自地下电缆和海底电缆。

12.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中每一绝缘导线(105)被相关的防水层(140)包围。

13.按照权利要求6的电力电缆(100)，其中多根绝缘导线(105)被单个防水层(140)包裹。

14.按照权利要求7的电力电缆(100)，其中金属箔(300’)和多层箔(300)的金属层是由选自铝或铜或其复合物的金属制成。

15.按照权利要求7的电力电缆(100)，其中以金属层沿径向在聚合物层之内的方式围绕电缆导线(105)包裹多层箔(300)。