CN1122285C - 电缆绝缘结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的内容是关于一种电缆绝缘结构，它至少包括第一层即与电缆芯线同轴并相接触的半导体层；它外面包着第二层—电绝缘层；第二层外面包着第三层—半导体层，其特征在于：上述半导体层专门由某种基质组成，该基质含有其组成分子量高于1000的非极性聚合物和导电物质电荷。
Description
本发明所涉及的是中压、高压及超高压直流或交流电缆的一种绝缘结构。
通常，这些电缆都是由导电电缆芯线以及与其同轴的外包绝缘结构构成。这一绝缘结构一般至少包括三层结构：第一层是与电缆芯线相接触的半导体层；第二层是包在第一层外面的电绝缘层；第三层是包在第二层外面的半导体层。其它一些外包层是用来保护电缆的。
一般来说，绝缘层都是以高密度或低密度聚乙烯，或交联聚乙烯，或带亚甲基主链的乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)为主要成分的。
半导体层通常都由一种极化基质构成，最常见的是乙烯及烷基丙烯酸盐共聚物，要装填碳黑。其装填量是根据所用碳黑的性质而变化的。对于乙炔碳黑或炉法碳黑来说装填量比率通常在28％至40％之间。
这类电缆的绝缘(介电)强度同半导体层与绝缘层之间的界面质量非常有关。半导体层与绝缘层之间的界面哪怕有丝毫的粗糙不平都会导致电场的增强，以至于绝缘层发生击穿而遭到破坏。
为了在挤压过程中得到尽可能平滑的界面，目前作为商品的高压电缆的半导体层的基质通常是以一种高软化指数或高熔体指数(melt index)约为17的聚合物为主要成分，(高熔体指数表示存在低分子量，通常按照ASTM D1238标准或NFT51-O16标准进行测量)，聚合物具有很宽的分子量分布。然而人们发现在半导体层附近绝缘层中有空间电荷出现，空间电荷的累积会引起绝缘层绝缘性能的破坏，直至引发绝缘层的击穿。
半导体层的某些生产者使用以乙烯共聚物为主要成分的基质(EPR：乙烯-丙烯热塑性高弹体，或EPDM：亚甲基主链的乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)，往其中加入润滑油或增塑剂，以便容易得到较好的半导体表面态。然而，这些润滑油或增塑剂扩散到绝缘层中并且在电场非常强的半导体层与绝缘层的界面处形成一个绝缘性能非常差的区域。
本发明的目的旨在研究出一种用于输送直流电或交流电的中压、高压或超高压电缆的绝缘结构，它的绝缘性能比目前人们所知的任何一种绝缘结构在运行过程中的绝缘性能都更加稳定。
本发明所介绍的这种电缆绝缘结构至少由三层结构组成：第一层是与电缆芯线相接触并同轴的半导体层；第二层是包在第一层外面的电绝缘层；第三层是包在第二层外面的半导体层。半导体层专门由含有非极性聚合物的基质组成，该聚合物组分的分子量大于1000，还含有导电物料(电荷)。
基质组分的分子量最好能超过5000。
如果半导体层含有低分子量的化合物或添加剂，象润滑油或增塑剂等，这些化合物会在绝缘层内发生迁移，这种现象的结果是形成了空间电荷，这将会引起电场的增强，从而有可能导致以后的击穿。电场的增强与形成的电荷量有关，但同时也取决于电荷的迁移率：相同数量的电荷，均匀分布时并不会象集中分布那样地引起电场的加强。这种迁移现象会在使用电缆或电缆的输电过程中自行产生。
本发明所采用的半导体层组成成分中只包含有高分子量化合物成分，这可以避免电荷在绝缘层内的迁移及由此而引起的界面附近空间电荷的积累。
根据第一种实施方案，基质是从下列物质中选择的：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和它们的共聚物，掺混聚合物(从聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及它们的共聚物中选取)，化合物的混合物(从聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯，它们的共聚物中选择)以及上面提到的掺混共聚物。
根据本发明的第二种实施方案，基质物是从聚烯烃热塑性高弹体及其混合物中选取出来的。
构成基质的聚合物的选择决定了其与绝缘层界面的质量以及制得的半导体层的机械特性，而无需使用添加剂。
本发明的优越性在于使绝缘结构的绝缘性能得以稳定，同时还解决了低分子量组成成分的迁移问题。这样就使得不同分层之间的界面质量无可挑剔。所装填的炭黑要求尽可能地纯净。人们可以使用炉法碳黑或使用一种“KETJEN”碳黑，但最好选用更为纯净的乙炔炭黑。
在某些情况下，基质中另外还包含有交联剂。当物料挤出成形后，人们可对其进行交联处理以便改进其热变形性能。对于输送交流电的电缆来说这种热变形性能的要求是特别严格的。
本发明的其它特点及其优越性将在以下的对实施方案的描述中展现出来。这些实施方案是典型的而并非唯一的，同时附有参照附图。图中有：
图1表示的是冲击波实验装置总的方框示意图。
图2是描述供冲击波试验用的绝缘结构样品顶视图。
图3所描述的是图2中样品的剖面图。
冲击波试验将借助于图1中描述的装置进行。这一测试可以计算出绝缘结构中电场的增强。
用于冲击波试验的绝缘结构的样品1是以图2中的顶视图表示的，而在图3中是以剖面图表示的。在20mm直径A的圆形表面上，可以看到一些叠层：
-第一层为半导体层2，厚度B为0.5mm。
-第二层为电绝缘层3，厚度C为0.8mm。
-第三层为半导体层4，厚度与层2相同。
图1中的装置包括一个“YAg”(钇铝石榴石)激光器10，其光束射到对应样品1的靶子11上，样品1中的每个半导体层均形成正极(+)和负极(-)。该光束被(-)极2表面吸收，使这一表面热解，热解中所发散出的气体产生压力(冲击)波穿过样品。这种压力波调制电极上的图象信号电荷并提供样品中体电荷密度的指示。
光电二极管12可使探测器13与激光器10同步。电路由一个装有电阻器15的高压电源14供电。记录下的数据被转换，为了使用计算机16(信息处理机)进行处理并在运行过程中随着时间的变化而在一个图形记录器17上反映出来。激光器10将光波发射到靶(目标)11上，引起空间电荷的出现及改变电场分布，该电场可通过探测器13测量出来。
实施例1
根据现有技术制作出与图2所介绍的样品相类似的绝缘结构的样品，它包括：
第一层即半导体层，它由以乙烯-烷基丙烯酸盐共聚物为主要成分的极性基质构成，其“熔体指数”值为8，而且其酯的含量为20％，所装填的乙炔碳黑填料与基质的重量比为66份碳黑比100份基质物质。
第二层的电绝缘层，它由烯烃类热塑性高弹体构成。
第三层为半导体层其结构组成与第一层相同。
这一样品借助于图1中的装置进行冲击波试验。结果是在负极2附近出现了大比例范围的负电荷。电场的增强超过20％，而且在电压中断后几个小时电荷仍陷留在基质物中。
实施例2
根据现有技术制备与图2所介绍的样品相类似的绝缘结构样品，它包括：
第一层即半导体层，它由以乙烯-烷基丙烯酸盐共聚物为主要成分的极化基质物构成，其共聚物”熔体指数”值为8，其酯的含量为20％，所装填的乙炔炭黑与基质物的重量比为66份炭黑比100份基质物。
第二层的电绝缘层由化学交联聚乙烯(PRC)构成。
第三层为半导体层其结构组成与第一层相同。
这一样品借助于图1中的装置进行冲击波试验。结果是在负极2附近出现了大量的负电荷，并在中断电压后的几小时中仍陷留在绝缘层基质中。电场的增强超过20％。
实施例3
制作与图2所介绍的样品相类似的本发明绝缘结构的样品，它包括：
第一层为半导体层，它由非极性的基质组成，往其中加入乙炔碳黑，重量比为66份炭黑比100份基质物；基质物中含有20％的聚乙烯(PE)，其“熔体指数”值为2，其分子量在103-107之间，并以1.1×106为中心；另外80％为乙烯-丙烯共聚物，其中含有重量约为50％的“MOONEY”粘度(根据NFT43005标准测量的)约为40，分子量为103107之间，(以1.2×105为中心)的乙烯。
第二层为电绝缘层，由化学交联聚乙烯(PRC)构成。
第三层为半导体层其构成与第一层相同。
这一样品借助于图1中的装置进行冲击波试验测试。电场的增强在10％以内，在电压中断后，绝缘基质中不再有陷留电荷存在。
实施例4
制作出与图2所介绍的样品相类似的本发明绝缘结构样品，它包括：
第一层为半导体层，它由非极化的基质组成，往其中加入乙炔碳黑，其重量比为66份炭黑比100份基质；基质中含有20％的聚乙烯(PE)，其“熔体指数”值为2，其分子量以1.1×106为中心；另外的80％为乙烯-丙烯共聚物，其中含有重量约为50％的乙烯，其“MOONEY”粘度(根据NFT43005标准)约为40，其分子量在103-107之间，并以1.2×105为中心。
第二层为电绝缘层，由烯烃类热塑性高弹体构成。
第三层为半导体层，其构成与第一层相同。
这一样品借助于图1中的装置进行冲击波试验。其电场增强在10％以内，电压中断后，绝缘材质中不再有陷留电荷存在。
实施例5 比较例
制备与实施例4中描述相类似的样品，但要往半导体层基质中加入重量为基质物5％的石蜡油。
这一样品借助于图1中的装置进行冲击波试验测试。这种情况下电场增强为140％。
当然，本发明并不局限于以上所描述的几种实施方案，而是在不偏离本发明意图的情况下可以有许多可被技术人员所接受的实施变型。特别是，人们可以在适于本发明的范围内采用一切行之有效的方法替代上述描写中的方案。
Claims (8)
1.电缆绝缘结构，它至少包括半导体第一层，该层与电缆芯线同轴并互相接触，半导体第一层外面包围着电绝缘第二层，电绝缘第二层外面包的是半导体第三层，其特征在于：上述各半导体层都专门由一种基质组成，该基质物只含有其组成分子量高于1000的非极性聚合物和导电物料。
2.根据权利要求1所述的绝缘结构，其中上述基质物的组成成分的分子量高于5000。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电缆绝缘结构，其中所述基质是从以下物质中选择的：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及它们的共聚物，从聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯，及其共聚物中选取的掺混共聚物及上述各化合物的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的绝缘结构，所述基质物是从聚烯烃热塑性高弹体及其混合物中选取的。
5.根据权利要求1或2所述的绝缘结构，其中所说的装填物料是乙炔炭黑。
6.根据权利要求3所述的绝缘结构，其中所说的装填物料是乙炔炭黑。
7.根据权利要求4所述的绝缘结构，其中所说的装填物料是乙炔炭黑。
8.根据权利要求1所述的绝缘结构，所述基质物中另外还有交联剂。
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