КАБЕЛЬ, УСТОЙЧИВЫЙ К УДАРАМ Российский патент 2007 года по МПК H01B7/18 

Настоящее изобретение относится к кабелю, в частности к электрическому кабелю для передачи или распределения электроэнергии на среднем или высоком напряжении.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к электрическому кабелю, в котором сочетаются высокая устойчивость к ударам и компактность конструкции, в котором имеется экструдированный изолирующий слой, изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего термопластичный полимер, и заданное количество диэлектрической жидкости.

В данном описании термин "среднее напряжение" используют для обозначения напряжений в диапазоне типично от примерно 10 кВ до примерно 60 кВ, а термин "высокое напряжение" относится к напряжению выше 60 кВ (в данной области техники также иногда используется термин "очень высокое напряжение" для определения напряжений, превышающих примерно 150 кВ или 220 кВ, вплоть до 500 кВ или выше); термин "низкое напряжение" относится к напряжению ниже 10 кВ, обычно - выше 100 В.

Кроме того, в данном описании термин "класс напряжений" обозначает определенное значение напряжения (например 10, 20, 30 кВ и т.д.), входящее в соответствующий диапазон напряжений (например низкое, среднее или высокое напряжение, или НН, СН, ВН).

Упомянутый кабель может быть использован для передачи или распределения либо постоянного тока (DC), либо переменного тока (AC).

Предшествующий уровень техники

Кабели для передачи или распределения энергии на среднем или высоком напряжении обычно имеют металлический проводник, который окружен, соответственно, первым внутренним полупроводящим слоем, изолирующим слоем и внешним полупроводящим слоем. Далее в данном описании упомянутая заданная последовательность элементов будет обозначена термином "сердечник".

В положении, радиально внешнем по отношению к упомянутому сердечнику, кабель снабжен металлической оболочкой (или экраном), обычно - из алюминия, свинца или меди, которая расположена радиально снаружи от упомянутого сердечника, причем такая металлическая оболочка обычно состоит из непрерывной трубки или из металлической ленты, сформованной с приданием ей трубчатой формы и сваренной или запаянной для обеспечения герметичности. Упомянутая металлическая оболочка выполняет две основных функции: с одной стороны, она обеспечивает герметичность кабеля по отношению к внешней среде, образуя барьер для проникновения воды в радиальном направлении, а с другой стороны, она выполняет электрическую функцию, создавая внутри кабеля, в результате непосредственного контакта между этой металлической оболочкой и внешним полупроводящим слоем упомянутого сердечника, однородное электрическое поле радиального типа, одновременно устраняя внешнее электрическое поле упомянутого кабеля. Дополнительная функция состоит в том, чтобы выдерживать токи короткого замыкания.

В конфигурации однополярного типа упомянутый кабель имеет, наконец, полимерную наружную оболочку в положении, радиально внешнем по отношению к вышеуказанной металлической оболочке.

Кроме того, кабели для передачи или распределения энергии обычно снабжены одним или более слоев для защиты упомянутых кабелей от случайных ударов, которые могут воздействовать на их внешнюю поверхность.

Случайные удары на кабель могут происходить, например, во время его транспортировки или на этапе укладки кабеля в траншею, выкопанную в земле. Упомянутые случайные удары могут вызвать ряд конструктивных повреждений кабеля, включая деформацию изолирующего слоя и отслоение изолирующего слоя от полупроводящих слоев, т.е. повреждения, которые могут вызвать изменения градиента электрического напряжения в изолирующем слое с последующим ухудшением изолирующей способности упомянутого слоя.

В кабелях, которые в настоящее время доступны на рынке, например в тех, которые используют для передачи или распределения электроэнергии на низком или среднем напряжении, обычно предусматривают металлическую броню, способную выдерживать упомянутые удары, для защиты упомянутых кабелей от возможных повреждений, вызванных случайными ударами. Обычно упомянутую броню выполняют в виде полос или проволок (предпочтительно - выполненных из стали) или, в качестве альтернативы, в виде металлических защитных оболочек (предпочтительно - выполненных из свинца или алюминия). Пример такой структуры кабеля описан в патенте США 5153381.

В Европейском патенте EP 981821 раскрыт кабель, который снабжен слоем вспененного полимерного материала для придания упомянутому кабелю высокой устойчивости к случайным ударам, причем упомянутый слой вспененного полимерного материала, предпочтительно, наложен радиально снаружи от сердечника кабеля. Это предложенное техническое решение позволяет исключить использование традиционной металлической брони, что снижает массу кабеля, а также упрощает процесс его производства.

В Европейском патенте EP 981821 не раскрыта конкретная конструкция сердечника кабеля. На практике элементы, входящие в состав сердечника кабеля, выбирают и подбирают по размеру в соответствии с известными стандартами (например, Стандартом IEC 60502-2, который указан далее в данном описании).

Кроме того, кабели для передачи или распределения энергии обычно снабжены одним или более слоев, которые обеспечивают барьерный эффект для препятствования проникновению воды в направлении внутрь (то есть, к сердечнику) кабеля.

Поступление воды внутрь кабеля является особенно нежелательным, поскольку в отсутствие соответствующих решений, предназначенных для закупоривания воды, если последняя проникла в кабель, то она имеет возможность свободно протекать внутри кабеля. Это особенно вредит целостности кабеля, поскольку внутри него могут возникнуть проблемы с коррозией, а также проблемы ускоренного старения с ухудшением электрических свойств изолирующего слоя.

Например, известно явление "водного триинга", которое, в основном, состоит в формировании микроскопических каналов с разветвленной структурой ("деревьев") в результате комбинированного воздействия электрического поля, генерируемого приложенным напряжением, и влаги, которая проникла внутрь упомянутого изолирующего слоя. Например, явление "водного триинга" описано в Европейских патентах EP 750319 и EP 814485.

Таким образом, это означает, что в случае проникновения воды внутрь кабеля последний необходимо заменять. Более того, если вода достигает соединений, выводов или любого другого оборудования, электрически соединенного с одним концом кабеля, то вода не только не мешает последнему выполнять свою функцию, но также повреждает упомянутое оборудование, в большинстве случаев приводя к повреждению, которое является необратимым и существенным в смысле экономических затрат.

Проникновение воды внутрь кабеля может происходить по множеству причин, в частности, когда упомянутый кабель представляет собой часть подземной установки. Такое проникновение может происходить, например, путем простой диффузии воды через полимерную внешнюю оболочку кабеля или в результате истирания, случайного удара или повреждения грызунами, т.е. факторов, которые могут привести к надрезам или даже к разрывам внешней оболочки кабеля и, поэтому, к созданию предпочтительного пути для проникновения воды внутрь кабеля.

Известно множество решений, направленных на устранение указанных проблем. Например, в Международной заявке на патент WO 99/33070 описано использование слоя вспененного полимерного материала, расположенного в непосредственном контакте с сердечником кабеля в положении непосредственно под металлическим экраном кабеля и обладающего заданными полупроводящими свойствами с целью гарантирования необходимой электрической неразрывности между проводящим элементом и металлическим экраном.

Техническая проблема, с которой столкнулись в WO 99/33070, состояла в том, что покровные слои кабеля постоянно подвергаются механическому расширению и сжатию под действием многочисленных тепловых циклов, которые претерпевает кабель во время его нормального использования. Эти тепловые циклы, вызванные ежедневными изменениями силы проводимого электрического тока, которые связаны с соответствующими колебаниями температуры внутри самого кабеля, приводят к развитию радиальных механических напряжений внутри кабеля, которые влияют на каждый из указанных слоев и, поэтому, также и на его металлический экран. Это означает, тем самым, что последний может претерпевать соответствующие механические деформации с образованием пустот между экраном и внешним полупроводящим слоем и возможным генерированием неоднородности электрического поля, или даже приводящие, с течением времени, к разрыву самого экрана. Эта проблема была решена путем вставки под металлическим экраном слоя вспененного полимерного материала, способного упруго и однородно вдоль кабеля поглощать указанные выше радиальные силы расширения/сжатия, для предотвращения тем самым возможного повреждения металлического экрана. Кроме того, в WO 99/33070 раскрыто, что внутрь указанного вспененного полимерного материала, расположенного под металлическим экраном, внедрен водонабухающий порошковый материал, который позволяет блокировать влагу и/или небольшие количества воды, которая может проникать внутрь кабеля даже под упомянутым металлическим экраном.

Как более подробно описано ниже в данном описании, в одинаковых условиях электрического напряжения, приложенного к кабелю, его поперечного сечения и изолирующего материала изолирующего слоя указанного кабеля уменьшение толщины изолирующего слоя кабеля приводит к увеличению градиента электрического напряжения (электрического градиента) в указанном изолирующем слое.

Поэтому обычно изолирующий слой некоторого данного кабеля конструируют, то есть его размеры выбирают, таким образом, чтобы он выдерживал условия электрического градиента, предписанные для категории использования указанного данного кабеля.

Обычно, даже несмотря на то, что кабель конструируют с обеспечением большей толщины изолирующего слоя, чем требуется с учетом соответствующего фактора безопасности, случайный удар, воздействующий на внешнюю поверхность кабеля, может привести к остаточной деформации изолирующего слоя и снизить, и даже заметно снизить, его толщину в соответствующей области удара, в результате чего в этом месте может произойти электрический пробой при подаче в кабель энергии.

Фактически, обычно те материалы, которые в типичном случае используют для изготовления изолирующего слоя кабеля и внешней оболочки, упруго восстанавливают после удара только часть своего исходного размера и формы. Поэтому после удара, даже если последний произошел до подачи энергии в кабель, толщина изолирующего слоя, противостоящая электрическому градиенту, неизбежно будет уменьшена.

Кроме того, когда металлическая оболочка присутствует в положении, радиально внешнем по отношению к изолирующему слою кабеля, материал упомянутой оболочки получает в результате удара остаточную деформацию, что дополнительно ограничивает упругое восстановление после деформации, так что упругое восстановление исходной формы и размера изолирующего слоя ограничено.

Следовательно, деформация или, по меньшей мере, существенная ее часть, вызванная случайным ударом, сохраняется после удара, даже если причина самого удара была устранена, и эта деформация приводит к уменьшению толщины изолирующего слоя, которая изменяется от ее исходного значения до некоторого уменьшенного значения. Поэтому, при подаче в кабель энергии реальная толщина изолирующего слоя, который "несет" градиент (Г) электрического напряжения, в области удара будет иметь упомянутое уменьшенное значение, а не исходное значение.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, заявитель обнаружил, что использование вспененной защиты специальной конструкции может позволить не только заменять другие типы защиты, но также позволяет использовать меньший размер изолирующего слоя, получая, таким образом, более компактный кабель без снижения его надежности.

Заявитель осознал, что, благодаря снабжению кабеля защитным элементом, содержащим подходящий вспененный полимерный слой для придания кабелю заданной устойчивости к случайным ударам, обеспечивается возможность сделать конструкцию кабеля более компактной, чем у обычного кабеля.

Заявитель обнаружил, что вспененный полимерный слой упомянутого защитного элемента лучше поглощает случайные удары, которые могут воздействовать на внешнюю поверхность кабеля, по сравнению с любым традиционным защитным элементом, например указанной выше металлической броней, и, таким образом, деформация, возникающая в изолирующем слое кабеля в результате случайного удара, может быть выгодным образом уменьшена.

Заявитель осознал, что при снабжении кабеля защитным элементом, содержащим вспененный полимерный слой, возможно выгодным образом уменьшить толщину изолирующего слоя кабеля вплоть до электрического градиента, совместимого с электрической прочностью изолирующего материала. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением возможно сделать конструкцию кабеля более компактной без снижения его свойств электрической и механической прочности.

Заявитель установил, что при снабжении кабеля защитным элементом, содержащим вспененный полимерный слой, толщина последнего может быть выгодным образом скоррелирована с толщиной изолирующего слоя для сведения к минимуму общей массы кабеля, при одновременном обеспечении безопасного функционирования изолирующего слоя с электрической точки зрения, а также придании кабелю соответствующей механической защиты от каких-либо случайных ударов, которые могут произойти. В частности, толщина упомянутого вспененного полимерного слоя может быть выбрана для сведения к минимуму деформации изолирующего слоя кабеля при ударе, в результате чего можно обеспечить уменьшенную толщину изолирующего слоя в упомянутом кабеле.

Кроме того, заявитель продумал проблему производства кабеля, который не только является более компактным, но который также является особенно экономически выгодным, без ухудшения его способности противостоять напряжениям как механического, так и электрического типа, связанным с его предполагаемым использованием.

Ввиду этого заявитель установил, что при комбинировании изолирующего слоя, изготовленного из несшитого изолирующего материала, в частности из несшитого изолирующего материала, содержащего термопластичный полимер и заданное количество диэлектрической жидкости, уменьшенной толщины изолирующего слоя и экструдированного защитного элемента, содержащего по меньшей мере один вспененный полимерный слой, обеспечивается возможность производства кабеля посредством непрерывного процесса, без какой-либо промежуточной фазы или простоев, при сохранении или увеличении его способности сопротивляться ударам и механическим напряжениям и без ухудшения способности упомянутого изолирующего слоя работать в предполагаемых условиях эксплуатации. Фактически, полученный кабель способен работать при высоких температурах, составляющих по меньшей мере 90°C и выше, в частности - вплоть до 110°C при непрерывном использовании и вплоть до 140°C в случае перегрузки по току.

Возможность использования непрерывного процесса позволяет производить кабель более быстро по сравнению прерывистым процессом, который требуется для производства кабеля со сшитым изолирующим материалом. Например, посредством непрерывного процесса кабель с несшитым изолирующим материалом можно производить с линейной скоростью примерно 60 м/мин; для сравнения, кабель аналогичного размера со сшитым изолирующим материалом может быть произведен посредством прерывистого процесса с линейной скоростью примерно от 10 до 15 м/мин.

Более того, уменьшенная толщина изолирующего слоя позволяет получить более компактный кабель: например, кабель класса напряжения 20 кВ, имеющий поперечное сечение проводника 50 мм², обычно имеет общий диаметр примерно 34 мм, тогда как, в случае кабеля по настоящему изобретению, кабель такого же самого типа будет иметь общий диаметр от примерно 25 мм до примерно 31 мм.

Следовательно, комбинация непрерывного процесса с уменьшенной толщиной изолирующего слоя и с экструдированным защитным элементом может обеспечить существенное снижение затрат на производство.

Более того, поскольку изолирующий материал является несшитым, он может быть утилизирован и использован повторно по окончании срока его службы.

В своем первом аспекте настоящее изобретение относится к кабелю, предназначенному для использования в заданном классе напряжений и содержащему:

- по меньшей мере один проводник;

- по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник и изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость, причем упомянутый изолирующий слой имеет такую толщину, которая обеспечивает градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не менее 1,0 кВ/мм; и

- защитный элемент вокруг упомянутого экструдированного изолирующего слоя, имеющий толщину и механические свойства, выбранные для обеспечения заданной способности к сопротивлению ударам, причем упомянутый защитный элемент содержит по меньшей мере один вспененный полимерный слой, а упомянутая толщина достаточна для предотвращения обнаруживаемого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергией по меньшей мере 25 Дж.

Заявитель обнаружил, что толщина изолирующего слоя может быть определена путем выбора самых строгих электрических ограничений с учетом его предполагаемого использования, без необходимости добавления дополнительной толщины для учета деформации изолирующего слоя в результате ударов.

Например, при конструировании кабеля является типичным в качестве существенных электрических ограничений учитывать максимальный градиент напряжения на поверхности проводника (или на внешней поверхности внутреннего полупроводящего слоя, экструдированного на него), и градиент в месте соединений, то есть градиент на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля.

Предпочтительно, толщина изолирующего слоя является на по меньшей мере 20% меньшей, чем толщина соответствующего изолирующего слоя, предусмотренная в Стандарте IEC 60502-2. Более предпочтительно, уменьшение толщины изолирующего слоя находится в диапазоне от 20 до 40%. Еще более предпочтительно, толщина изолирующего слоя составляет на примерно 60% меньше, чем соответствующая толщина изолирующего слоя, предусмотренная в упомянутом Стандарте IEC.

Предпочтительно, толщину упомянутого изолирующего слоя выбирают таким образом, что градиент электрического напряжения внутри изолирующего слоя при работе кабеля на номинальном напряжении, попадающем в упомянутый заданный класс напряжений, находится среди значений, содержащихся между 2,5 и 18 кВ/мм.

Предпочтительно, когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 10 кВ, толщина упомянутого изолирующего слоя составляет не более 2,5 мм; когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 20 кВ, толщина упомянутого изолирующего слоя составляет не более 4 мм; когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 30 кВ, толщина упомянутого изолирующего слоя составляет не более 5,5 мм.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения, термопластичный полимер в изолирующем материале может быть выбран из: полиолефинов, сополимеров различных олефинов, сополимеров олефина с этилен-ненасыщенным сложным эфиром, сложных полиэфиров, полиацетатов, полимеров целлюлозы, поликарбонатов, полисульфонов, фенольных смол, поликарбамидных смол, поликетонов, полиакрилатов, полиамидов, полиаминов или их смесей. Примеры соответствующих полимеров представляют собой: полиэтилен (ПЭ), такой как ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП), линейный ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилен ультранизкой плотности (ПЭУНП); полипропилен (ПП); сополимеры этилена/сложного эфира винилового спирта, такие как этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеры этилена/акрилата, в частности этилен/метилакрилат (ЭМА), этилен/этилакрилат (ЭЭА) и этилен/бутилакрилат (ЭБА); термопластичные сополимеры этилена/α-олефина; полистирол; сополимеры акрилонитрила/бутадиена/стирола (АБС); галогенированные полимеры, в частности поливинилхлорид (ПВХ); полиуретан (ПУ); полиамиды; ароматические сложные полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТФ) или полибутилентерефталат (ПБТ); или их сополимеры или их смеси.

Для получения соответствующих электрических свойств, в частности, в поле среднего и высокого напряжений, упомянутый термопластичный полимер может быть выбран из полиолефиновых соединений.

Предпочтительно, упомянутый термопластичный полимер может быть выбран из:

(a) по меньшей мере одного гомополимера пропилена или по меньшей мере одного сополимера пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен, причем упомянутый гомополимер или сополимер имеет температуру плавления, превышающую или равную 130°C, и энтальпию плавления от 20 до 100 Дж/г;

(b) механической смеси, содержащей по меньшей мере один гомополимер или сополимер (a) пропилена и (c) по меньшей мере один эластомерный сополимер этилена с по меньшей мере одним алифатическим α-олефином и, необязательно, полиеном.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения, гомополимер или сополимер (a) пропилена, который можно использовать в настоящем изобретении, имеет температуру плавления от 140 до 170°C.

Предпочтительно, гомополимер или сополимер (a) пропилена имеет энтальпию плавления от 30 до 85 Дж/г.

Упомянутая энтальпия плавления (H_пл) может быть определена с помощью анализа методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

Предпочтительно, гомополимер или сополимер (a) пропилена имеет модуль упругости при изгибе, измеренный в соответствии со стандартом ASTM D790 при комнатной температуре, от 30 до 1400 МПа, а более предпочтительно - от 60 до 1000 МПа.

Предпочтительно, гомополимер или сополимер (a) пропилена имеет индекс текучести расплава (ИТР), измеренный при 230°C под нагрузкой 21,6 Н в соответствии со стандартом ASTM D1238/L, от 0,05 до 10,0 дг/мин, более предпочтительно - от 0,4 до 5,0 дг/мин.

Если используют сополимер (a) пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, последний, предпочтительно, присутствует в количестве, меньшем чем или равном 15 мол.%, а более предпочтительно - меньшем чем или равном 10 мол.%. Олефиновый сомономер, в частности, представляет собой этилен или α-олефин с формулой CH₂=CH-R, где R представляет собой линейный или разветвленный_{C2-C10 алкил, выбранный, например, из: 1-бутена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-децена, 1-додецена или их смесей. Сополимеры пропилена/этилена являются особенно предпочтительными.}

Предпочтительно, упомянутый гомополимер или сополимер (a) пропилена выбирают из:

(a₁) гомополимеров пропилена или сополимеров пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен, имеющих модуль упругости при изгибе в общем случае от 30 до 900 МПа, а предпочтительно - от 50 до 400 МПа;

(a₂) гетерофазных сополимеров, содержащих термопластичную фазу на основе пропилена и эластомерную фазу на основе этилена, сополимеризованного с α-олефином, предпочтительно - с пропиленом, при этом эластомерная фаза присутствует в количестве по меньшей мере 45 мас.% по отношению к общей массе гетерофазного сополимера.

Особенно предпочтительными из упомянутого класса (a₁) являются гомополимеры пропилена или сополимеры пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен, причем упомянутые гомополимеры или сополимеры имеют:

- температуру плавления от 140 до 170°C;

- энтальпию плавления от 30 до 80 Дж/г;

- фракцию, растворимую в кипящем диэтиловом эфире, в количестве, меньшем чем или равном 12 мас.%, предпочтительно - от 1 до 10 мас.%, имеющую энтальпию плавления, меньшую чем или равную 4 Дж/г, предпочтительно - меньшую чем или равную 2 Дж/г;

- фракцию, растворимую в кипящем н-гептане, в количестве от 15 до 60 мас.%, предпочтительно - от 20 до 50 мас.%, имеющую энтальпию плавления от 10 до 40 Дж/г, предпочтительно - от 15 до 30 Дж/г; и

- фракцию, не растворимую в кипящем н-гептане, в количестве от 40 до 85 мас.%, предпочтительно - от 50 до 80 мас.%, имеющую энтальпию плавления, большую чем или равную 45 Дж/г, предпочтительно - от 50 до 95 Дж/г.

Другие подробности, относящиеся к этим материалам и их использованию в покровных слоях кабеля, приведены в Международной заявке на патент WO 01/37289.

Гетерофазные сополимеры класса (a₂) получают путем последовательной сополимеризации: i) пропилена, возможно содержащего незначительные количества по меньшей мере одного олефинового сомономера, выбранного из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен; и затем: ii) смеси этилена с α-олефином, в частности - пропиленом, и, возможно, с незначительными долями диена.

Особенно предпочтительными из упомянутого класса (a₂) являются гетерофазные сополимеры, в которых эластомерная фаза состоит из эластомерного сополимера этилена и пропилена, содержащего от 15 до 50 мас.% этилена и от 50 до 85 мас.% пропилена по отношению к массе эластомерной фазы. Более подробно эти материалы и их использование в покровных слоях кабелей описаны в Международной заявке на патент WO 00/41187 на имя настоящего заявителя.

Продукты класса (а₁) имеются в продаже, например, под товарным знаком Moplen® RP 210 G от компании Basell или Borsoft® SA 233 CF от компании Borealis.

Продукты класса (a₂) имеются в продаже, например, под товарным знаком Hifax® CA 10 A, Moplen® EP 310 G или Adflex® Q 200 F от компании Basell.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения, эластомерный сополимер (c) этилена имеет энтальпию плавления менее 30 Дж/г. Количество упомянутого эластомерного сополимера (c) обычно составляет менее 70 мас.%, предпочтительно - от 20 до 60 мас.%, по отношению к общей массе термопластичного основного материала.

При указании в отношении эластомерного сополимера (c) этилена, термин "алифатический α-олефин" в общем случае означает олефин формулы CH₂=CH-R, где R представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу, содержащую от 1 до 12 атомов углерода. Предпочтительно, алифатические α-олефины выбирают из пропилена, 1-бутена, изобутилена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-додецена или их смесей. Пропилен, 1-бутен, 1-гексен и 1-октен являются особенно предпочтительными.

При указании в отношении эластомерного сополимера (c) этилена, термин "полиен" в общем случае обозначает сопряженный или несопряженный диен, триен или тетраен. Когда присутствует диеновый сомономер, этот сомономер обычно содержит от 4 до 20 атомов углерода и предпочтительно выбран из: линейных сопряженных или несопряженных диолефинов, таких как, например, 1,3-бутадиен, 1,4-гексадиен, 1,6-октадиен и т.п.; моноцикличных или полицикличных диенов, таких как, например, 1,4-циклогексадиен, 5-этилиден-2-норборнен, 5-метилен-2-норборнен, винилнорборнен или их смеси. Когда присутствует триеновый или тетраеновый сомономер, такой сомономер обычно содержит от 9 до 30 атомов углерода и предпочтительно выбран из триенов или тетраенов, содержащих винильную группу в молекуле или группу 5-норборнен-2-ил в молекуле. Конкретные примеры триеновых или тетраеновых сомономеров, которые можно использовать в настоящем изобретении, представляют собой: 6,10-диметил-1,5,9-ундекатриен, 5,9-диметил-1,4,8-декатриен, 6,9-диметил-1,5,8-декатриен, 6,8,9-триметил-1,6,8-декатриен, 6,10,14-триметил-1,5,9,13-пентадекатетраен или их смеси. Предпочтительно, полиен представляет собой диен.

Особенно предпочтительные эластомерные сополимеры (c) этилена представляют собой:

(c₁) сополимеры, имеющие следующий состав мономеров: 35-90 мол.% этилена; 10-65 мол.% алифатического α-олефина, предпочтительно - пропилена; 0-10 мол.% полиена, предпочтительно - диена, более предпочтительно - 1,4-гексадиена или 5-этилен-2-норборнена [например, смолы ЭП (эластомерный сополимер этилена и пропилена) и ЭПДМ (каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера), такие как продукты Dutral® (Enichem) или Nordel® (Dow-DuPont)];

(c₂) сополимеры, имеющие следующий состав мономеров: 75-97 мол.%, предпочтительно - 90-95 мол.%, этилена; 3-25 мол.%, предпочтительно - 5-10 мол.%, алифатического α-олефина; 0-5 мол.%, предпочтительно - 0-2 мол.%, полиена, предпочтительно - диена (например, сополимеры этилена/1-октена, такие как продукты Engage® компании DuPont-Dow Elastomers).

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения, диэлектрическая жидкость изолирующего материала может быть выбрана из: минеральных масел, таких как нафтеновые масла, ароматические масла, такие как алкилбензолы (например, дибензилтолуол, додецилбензол, ди(октилбензил)толуол), парафиновые масла, полиароматические масла, причем упомянутые минеральные масла, необязательно, содержат по меньшей мере один гетероатом, выбранный из кислорода, азота или серы; жидких парафинов; растительных масел, таких как, например, соевое масло, льняное масло, касторовое масло; олигомерных ароматических полиолефинов; парафиновых восков, таких как полиэтиленовые воски, полипропиленовые воски; синтетических масел, таких как, например, силиконовые масла, алифатических сложных эфиров (таких как, например, тетраэфиры пентаэритритола, сложные эфиры себациновой кислоты, сложные эфиры фталевой кислоты), олефиновых олигомеров (таких как необязательно гидрогенизированные полибутены или полиизобутены); или их смесей. Ароматические масла (в частности, алкилбензолы), парафиновые масла, нафтеновые масла являются особенно предпочтительными.

Диэлектрическая жидкость, пригодная для реализации настоящего изобретения, имеет хорошую теплостойкость, значительную способность к поглощению газов, в частности - к поглощению водорода, и высокую устойчивость к частичным разрядам, что улучшает диэлектрическую прочность изолирующего материала. Кроме того, упомянутая диэлектрическая жидкость не оказывает отрицательного влияния на диэлектрические потери изолирующего материала даже при высоких температурах и при больших электрических градиентах.

Предпочтительно, массовое соотношение диэлектрической жидкости к термопластичному полимеру в соответствии с настоящим изобретением в общем случае составляет от 1:99 до 25:75, более предпочтительно - от 2:98 до 20:80, а еще более предпочтительно - от 3:97 до 10:90.

Примеры упомянутой диэлектрической жидкости, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением и которые в настоящее время имеются в продаже, представляют собой продукты Jarylec® Exp3 компании Elf Atochem или Sunpar® 2280 компании Sunoco.

При изготовлении изолирующего слоя кабеля в соответствии с настоящим изобретением к описанному выше изолирующему материалу могут быть добавлены другие традиционные компоненты, такие как антиоксиданты, технологические добавки, ингибиторы "водного триинга" (развития дендритных образований под действием воды) или их смеси.

Обычные антиоксиданты, пригодные для этой цели, представляют собой, например, дистеарил- или дилаурил-тиопропионат и пентаэритритил-тетракис[3-(3,5-ди-т-бутил-4-гидроксифенил)пропионат] или их смеси.

Технологические добавки, которые могут быть добавлены к изолирующему материалу, включают в себя, например, стеарат кальция, стеарат цинка, стеариновую кислоту или их смеси.

Как указано выше, упомянутый изолирующий материал действительно проявляет хорошие механические характеристики как при температуре окружающей среды, так и в условиях повышенной температуры, а также проявляет улучшенные электрические свойства. В частности, упомянутый изолирующий материал обеспечивает возможность достижения высокой рабочей температуры, сравнимой и даже превышающей эту температуру у кабелей с изолирующими слоями, состоящими из сшитых изолирующих материалов.

Изолирующий материал в соответствии с настоящим изобретением может быть приготовлен путем смешивания вместе термопластичного полимера, диэлектрической жидкости и любых других добавок, возможно присутствующих при использовании известных в данной области техники способов. Смешивание может быть выполнено, например, с помощью закрытого смесителя того типа, которые имеют тангенциальные роторы (Banbury) или взаимно проникающие роторы, или, предпочтительно, в непрерывном смесителе типа Ko-Kneader (Buss), или с использованием смесителя того типа, который снабжен двумя шнеками, вращающимися в одну строну или в противоположные стороны.

В качестве альтернативы, диэлектрическая жидкость в соответствии с настоящим изобретением может быть добавлена к термопластичному полимеру во время этапа экструзии путем непосредственной инжекции в цилиндр экструдера, как раскрыто, например, в Международной заявке на патент WO 02/47092.

Благодаря своей высокой рабочей температуре и низким диэлектрическим потерям, кабели по изобретению способны передавать, при одном и том же напряжении, мощность, по меньшей мере равную или даже еще большую, чем та, которая может быть передана с помощью традиционного кабеля с покрытием СПЭ (сшитый полиэтилен).

Предпочтительно, упомянутый проводник представляет собой сплошной стержень.

Предпочтительно, кабель дополнительно включает в себя электрическую оболочку, окружающую упомянутый изолирующий слой, причем упомянутая электрическая оболочка содержит металлический лист, которому придана форма трубки.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения, упомянутый защитный элемент размещен в положении, радиально внешнем по отношению к упомянутому изолирующему слою.

Предпочтительно, степень вспенивания вспененного полимерного слоя упомянутого защитного элемента составляет от 20 до 200%, более предпочтительно - от 25 до 130%.

Предпочтительно, толщина вспененного полимерного слоя упомянутого защитного элемента составляет от 1 до 5 мм.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения указанный выше защитный элемент дополнительно включает в себя по меньшей мере один невспененный полимерный слой, соединенный с упомянутым вспененным полимерным слоем.

Заявитель установил, что в случае удара по кабелю функция поглощения (то есть, демпфирования) вспененного полимерного слоя выгодным образом усиливается благодаря соединению последнего с по меньшей мере одним невспененным полимерным слоем.

Поэтому, в соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения, упомянутый защитный элемент дополнительно содержит первый невспененный полимерный слой в положении, радиально внешнем по отношению к упомянутому вспененному полимерному слою.

В соответствии с дополнительным вариантом воплощения, защитный элемент по настоящему изобретению дополнительно содержит второй невспененный полимерный слой в положении, радиально внутреннем по отношению к упомянутому вспененному полимерному слою.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один невспененный полимерный слой изготовлен из термопластичного материала.

Более предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один невспененный полимерный слой изготовлен из полиолефинового полимера.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один невспененный полимерный слой имеет толщину в диапазоне от 0,2 до 1 мм.

Заявитель установил, согласно дополнительному аспекту, что в результате происходящего удара по кабелю деформация изолирующего слоя кабеля выгодным образом уменьшается, если защитный элемент по настоящему изобретению скомбинирован с дополнительным вспененным полимерным слоем, предусмотренным в кабеле в положении, радиально внутреннем по отношению к этому защитному элементу.

Кроме того, заявитель установил, что при обеспечении дополнительного вспененного полимерного слоя в комбинации с упомянутым защитным элементом обеспечивается возможность увеличения свойства абсорбирования (демпфирования) упомянутого защитного элемента.

Как указано выше, после того как толщина изолирующего слоя была выбрана, совместное присутствие упомянутого вспененного полимерного слоя защитного элемента и упомянутого дополнительного вспененного полимерного слоя позволяет получить по существу одинаковую защиту от ударов при уменьшенном общем размере кабеля.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения изобретения, упомянутый дополнительный вспененный полимерный слой находится в положении, радиально внутреннем по отношению к упомянутому защитному элементу.

Предпочтительно, упомянутый дополнительный вспененный полимерный слой находится в положении, радиально внешнем по отношению к упомянутому изолирующему слою.

Предпочтительно, упомянутый дополнительный вспененный полимерный слой представляет собой слой, препятствующий проникновению воды, и включает в себя водонабухающий материал.

Предпочтительно, упомянутый дополнительный вспененный полимерный слой является полупроводящим.

Предпочтительно, кабель согласно настоящему изобретению используют для классов напряжения в диапазонах среднего или высокого напряжений.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, заявитель установил, что при снабжении кабеля защитным элементом, содержащим по меньшей мере один вспененный полимерный слой, толщина упомянутого защитного элемента уменьшается в соответствии с увеличением площади поперечного сечения проводника.

Поэтому настоящее изобретение также относится к кабелю, предназначенному для использования в заданном классе напряжений, содержащему:

- по меньшей мере один проводник;

- по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник и изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость; и

- защитный элемент вокруг упомянутого изолирующего слоя, содержащий по меньшей мере один вспененный полимерный слой;

отличающемуся тем, что толщина защитного элемента имеет значение, меньшее чем 7,5 мм, для площади поперечного сечения проводника, большей чем или равной 50 мм², и значение, большее чем 8,5 мм, для площади поперечного сечения проводника, меньшей чем 50 мм².

Предпочтительно, в случае, когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс выше 60 кВ, упомянутый изолирующий слой не повреждается обнаруживаемым образом при ударе с энергией по меньшей мере 70 Дж.

Предпочтительно, в случае, когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс не выше 60 кВ, упомянутый изолирующий слой не повреждается обнаруживаемым образом при ударе с энергией по меньшей мере 50 Дж.

Предпочтительно, в случае, когда упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс ниже 10 кВ, упомянутый изолирующий слой не повреждается обнаруживаемым образом при ударе с энергией по меньшей мере 25 Дж.

Если рассматривать семейство (группу) кабелей, пригодных для одного класса напряжения (например, 10, 20, 30 кВ и т.д.), то заявитель установил, что с увеличением площади поперечного сечения проводника кабеля толщина защитного элемента кабеля может быть выгодным образом уменьшена при сохранении по существу одинаковой защиты от удара. Это означает, что кабель с меньшей площадью поперечного сечения проводника может быть снабжен защитным элементом, который толще, чем у кабеля, имеющего большую площадь поперечного сечения проводника.

Поэтому настоящее изобретение дополнительно относится к группе кабелей, выбранных для заданного класса напряжения и имеющих разные площади поперечного сечения проводника, причем каждый из этих кабелей содержит:

- по меньшей мере один проводник;

- по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник и изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость; и

- защитный элемент вокруг упомянутого изолирующего слоя, содержащий по меньшей мере один вспененный полимерный слой;

при этом толщина упомянутого защитного элемента выбрана в обратной зависимости от площади поперечного сечения проводника.

Предпочтительно, упомянутый защитный элемент дополнительно включает в себя по меньшей мере один невспененный полимерный слой, соединенный с упомянутым вспененным полимерным слоем.

Предпочтительно, каждый кабель содержит дополнительный вспененный полимерный слой в положении, радиально внутреннем по отношению к упомянутому защитному элементу.

В соответствии с дополнительным аспектом, настоящее изобретение дополнительно относится к способу конструирования кабеля, содержащего по меньшей мере один проводник, по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник и изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость, и защитный элемент, окружающий упомянутый изолирующий слой, причем упомянутый защитный элемент включает в себя по меньшей мере один вспененный полимерный слой, причем способ содержит этапы:

- выбора площади поперечного сечения проводника;

- определения толщины упомянутого изолирующего слоя, совместимой с безопасной работой в заданном классе напряжений при упомянутой выбранной площади поперечного сечения проводника, в соответствии с одним из ряда заданных электрических предельных условий;

- выбора максимальной толщины изолирующего слоя среди тех, которые определены с учетом упомянутого ряда заданных электрических предельных условий;

- определения толщины упомянутого защитного элемента так, чтобы упомянутый изолирующий слой не повреждался обнаруживаемым образом при воздействии на кабель удара с энергией по меньшей мере 50 Дж; и

- использования упомянутого выбранного изолирующего слоя и упомянутой заданной толщины защитного элемента в конструкции кабеля для упомянутого заданного класса напряжений и выбранной площади поперечного сечения проводника.

В соответствии с настоящим изобретением, деформация (т.е. повреждение) изолирующего слоя кабеля, меньшая или равная 0,1 мм, считается необнаруживаемой. Поэтому предполагают, что изолирующий слой кабеля остается неповрежденным в случае, когда происходит деформация, меньшая чем 0,1 мм.

В случае, когда защитный элемент кабеля состоит из упомянутого вспененного полимерного слоя, этап определения толщины упомянутого защитного элемента состоит в определении толщины упомянутого вспененного полимерного слоя.

В случае, когда защитный элемент кабеля дополнительно содержит невспененный полимерный слой, связанный с упомянутым вспененным полимерным слоем, этап определения толщины упомянутого защитного элемента содержит этап определения толщины упомянутого невспененного полимерного слоя.

Предпочтительно, этап определения толщины упомянутого невспененного полимерного слоя содержит этап корреляции в обратной зависимости толщины упомянутого невспененного полимерного слоя с площадью поперечного сечения проводника.

Настоящее изобретение выгодным образом применимо не только к электрическим кабелям, предназначенным для транспортировки или распределения электроэнергии, но также и к кабелям смешанного типа для электропитания/телекоммуникаций, которые включают в себя сердцевину из оптического волокна. В этом смысле, поэтому, в приведенных ниже остальной части данного описания и формуле изобретения термин "проводящий элемент" означает проводник металлического типа или смешанного электрического/оптического типа.

Краткое описание чертежей

Дополнительные подробности будут проиллюстрированы в нижеследующем подробном описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- на фиг.1 показан вид в перспективе электрического кабеля согласно настоящему изобретению;

- на фиг.2 показан вид в поперечном сечении сравнительного электрического кабеля, поврежденного в результате удара;

- на фиг.3 показан вид в поперечном сечении электрического кабеля согласно настоящему изобретению при наличии деформации защитного элемента, вызванной ударом;

- на фиг.4 показан график, представляющий зависимость между толщиной наружной оболочки и площадью поперечного сечения проводника в соответствии с конструкцией, предназначенной для предотвращения повреждения при ударе изолирующего слоя в традиционном кабеле;

- на фиг.5 показан график, представляющий зависимость между толщиной защитного элемента кабеля и площадью поперечного сечения проводника в соответствии с конструкцией, предназначенной для предотвращения повреждения при ударе изолирующего слоя в кабеле в соответствии с настоящим изобретением;

- на фиг.6 показан график, представляющий зависимость между толщиной защитного элемента и площадью поперечного сечения проводника в соответствии с конструкцией, предназначенной для предотвращения повреждения при ударе изолирующего слоя в кабеле, снабженном двумя вспененными полимерными слоями согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

На фиг.1 показан вид в перспективе, частично с разрезом, электрического кабеля 1 согласно изобретению, который имеет конструкцию, типичную для использования в диапазоне среднего или высокого напряжений.

Кабель для передачи электроэнергии (силовой кабель) такого типа, как описан здесь, обычно работает на номинальных частотах 50 или 60 Гц.

Кабель 1 содержит: проводник 2; внутренний полупроводящий слой 3; изолирующий слой 4; внешний полупроводящий слой 5; металлическую оболочку 6 и защитный элемент 20.

Предпочтительно, проводник 2 представляет собой металлический стержень, предпочтительно - изготовленный из меди или алюминия. В качестве альтернативы, проводник 2 содержит по меньшей мере два металлических провода, предпочтительно - из меди или алюминия, которые скручены вместе в соответствии с обычными технологиями.

Площадь поперечного сечения проводника 2 определяют в зависимости от передаваемой мощности при выбранном напряжении.

Предпочтительные значения площади поперечного сечения для кабелей согласно настоящему изобретению находятся в диапазоне от 16 до 1000 мм².

В данном описании термин "изолирующий материал" используют для обозначения материала, имеющего диэлектрическую прочность по меньшей мере 5 кВ/мм, предпочтительно - большую чем 10 кВ/мм. В случае кабелей для передачи электроэнергии среднего-высокого напряжения изолирующий материал имеет диэлектрическую прочность, большую чем 40 кВ/мм.

Как правило, изолирующий слой кабелей для передачи электроэнергии имеет диэлектрическую проницаемость (K) больше 2.

Изолирующий слой 4 изготовлен из несшитого изолирующего материала согласно настоящему изобретению.

Внутренний полупроводящий слой 3, который находится в положении, радиально внутреннем по отношению к изолирующему слою 4, и внешний полупроводящий слой 5, который находится в положении, радиально внешнем по отношению к изолирующему слою 4, оба - невспененные, получены в соответствии с известными технологиями, в частности путем экструзии базового полимерного материала и углеродной сажи (последнюю используют для придания упомянутым слоям полупроводящих свойств) выбранных из материалов, упомянутых ниже в данном описании.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения внутренний и внешний полупроводящие слои 3, 5 содержат несшитый базовый полимерный материал, более предпочтительно - соединение полипропилена.

В более предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения внутренние и внешние полупроводящие слои 3, 5 изготовлены из несшитого материала, содержащего термопластичный полимер и заданное количество диэлектрической жидкости, причем упомянутый термопластичный полимер и упомянутую диэлектрическую жидкость выбирают из раскрытых выше.

В еще более предпочтительном варианте воплощения внутренние и внешние полупроводящие слои 3, 5 изготовлены из несшитого материала, содержащего тот же самый термопластичный полимер и ту же самую диэлектрическую жидкость, что и несшитый изолирующий материал изолирующего слоя 4.

В предпочтительном варианте воплощения, показанном на фиг.1, металлическая оболочка 6 изготовлена из непрерывного металлического листа, предпочтительно - из алюминия или, альтернативно, меди, с приданием ему формы трубки. В некоторых случаях также может быть использован свинец.

Металлический лист, образующий металлическую оболочку 6, согнут продольно вокруг внешнего полупроводящего слоя 5 с перекрывающимися кромками. Обычно между этими перекрывающимися кромками проложен герметизирующий и связующий материал с тем, чтобы сделать металлическую оболочку водонепроницаемой. В качестве альтернативы, кромки этого металлического листа могут быть сварены.

В качестве альтернативы, металлическая оболочка 6 изготовлена из спирально намотанных металлических проволок или полос, расположенных вокруг упомянутого внешнего полупроводящего слоя 5.

Предпочтительно, эта металлическая оболочка покрыта внешней оболочкой (не показана на фиг.1), изготовленной из несшитого полимера, например, поливинилхлорида (ПВХ) или полиэтилена (ПЭ).

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, показанным на фиг.1, в положении, радиально внешнем по отношению к упомянутой металлической оболочке 6, кабель 1 снабжен защитным элементом 20. В соответствии с упомянутым вариантом воплощения, защитный элемент 20 содержит вспененный полимерный слой 22, который введен между двумя невспененными полимерными слоями, т.е. внешним (первым) невспененным полимерным слоем 23 и внутренним (вторым) невспененным полимерным слоем 21 соответственно. Защитный элемент 20 выполняет функцию защиты кабеля от любых внешних ударов, воздействующих на кабель, в результате по меньшей мере частичного поглощения упомянутого удара.

В соответствии с европейским патентом EP 981821, вспененный полимерный слой 22 может содержать вспененный полимер любого типа, который может быть выбран, например, из: полиолефинов, сополимеров различных олефинов, сополимеров олефина с этилен-ненасыщенным сложным эфиром, сложных полиэфиров, поликарбонатов, полисульфонов, фенольных смол, поликарбамидных смол или их смесей. Примеры подходящих полимеров представляют собой: полиэтилен (ПЭ), в частности - ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП), линейный ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилен ультранизкой плотности (ПЭУНП); полипропилен (ПП); эластомерные сополимеры этилена/пропилена (ЭП-каучук) или терполимеры этилена/пропилена/диена (ЭПД); натуральный каучук; бутилкаучук; сополимеры этилена/сложного эфира винилового спирта, такие как этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеры этилена/акрилата, в частности - этилен/метилакрилат (ЭМА), этилен/этилакрилат (ЭЭА) и этилен/бутилакрилат (ЭБА); термопластичные сополимеры этилена/α-олефина; полистирол; сополимеры акрилонитрила/бутадиена/стирола (АБС); галогенированные полимеры, в частности - поливинилхлорид (ПВХ); полиуретан (ПУ); полиамиды; ароматические сложные полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТФ) или полибутилентерефталат (ПБТ); и их сополимеры или их смеси.

Предпочтительно, упомянутый вспениваемый полимер может быть выбран из полиолефиновых полимеров или сополимеров на основе этилена и/или пропилена. Более предпочтительно, упомянутый вспениваемый полимер может быть выбран из:

(d) сополимеров этилена с этилен-ненасыщенным сложным эфиром, например, винилацетатом или бутилацетатом, в которых количество ненасыщенного сложного эфира обычно составляет от 5% по массе до 80% по массе, предпочтительно - от 10% по массе до 50% по массе;

(e) эластомерных сополимеров этилена с по меньшей мере одним C₃-C₁₂ α-олефином и, необязательно, диеном, предпочтительно - сополимера этилена/пропилена (ЭП-каучука) или сополимеров этилена/пропилена/диена (ЭПД), обычно имеющих следующий состав: 35-90% мол. этилена, 10-65% мол. α-олефина, 0-10% мол. диена (например, 1,4-гексадиена или 5-этилиден-2-норборнена);

(f) сополимеров этилена с по меньшей мере одним C₄-C₁₂ α-олефином, предпочтительно - 1-гексеном, 1-октеном и т.п., и, необязательно, диеном, обычно имеющих плотность от 0,86 до 0,90 г/см³ и следующий состав: 75-97% по молям этилена; 3-25% по молям α-олефина; 0-5% по молям диена;

(g) полипропилена, модифицированного сополимерами этилена/C₃-C₁₂ α-олефина, при этом массовое соотношение между полипропиленом и_{сополимером этилена/C3-C12 α-олефина составляет от 90/10 до 10/90, предпочтительно - от 80/20 до 20/80.}

Например, в класс (d) входят коммерческие продукты Elvax® (DuPont), Levapren® (Bayer) и Lotryl (Elf-Atochem), в класс (e) входят продукты Dutral® (Enichem) или Nordel® (Dow-DuPont), продукты, принадлежащие классу (f), представляют собой Engage® (Dow-DuPont) или Exact® (Exxon), в то время как полипропилен, модифицированный сополимерами этилена/альфа-олефина, класса (g) имеется в продаже под торговыми наименованиями Moplen® или Hifax® (Basell), или также Fina-Pro® (Fina) и т.п.

В пределах класса (g) особенно предпочтительными являются термопластичные эластомеры, содержащие непрерывную матрицу из термопластичного полимера, например - полипропилена, и мелкодисперсные частицы (обычно имеющие диаметр порядка 1-10 мкм) отвержденного эластомерного полимера, например - сшитого ЭП-каучука или ЭПД-сополимера, диспергированные в этой термопластичной матрице. Эластомерный полимер может быть внедрен в термопластичную матрицу в неотвержденном состоянии и затем динамически сшит во время обработки путем добавления подходящего количества сшивающего агента. В качестве альтернативы, эластомерный полимер может быть отвержден отдельно и затем диспергирован в термопластичной матрице в виде мелкодисперсных частиц. Термопластичные эластомеры этого типа описаны, например, в патенте США 4104210 или в заявке на европейский патент EP 324430. Эти термопластичные эластомеры являются предпочтительными, поскольку они доказали свою особую эффективность при упругом поглощении радиальных усилий во время тепловых циклов кабеля во всем диапазоне рабочих температур.

Для целей данного описания термин "вспененный" полимер следует понимать как обозначающий полимер, в структуре которого процент объема "пустот" (то есть пространства, не занятого полимером, но занятого газом или воздухом) обычно составляет более 10% от общего объема упомянутого полимера.

Обычно процент свободного пространства во вспененном полимере выражают в единицах степени (G) вспенивания. В данном описании термин "степень вспенивания полимера" следует понимать как обозначающий вспенивание полимера, определенное следующим образом:

G (степень вспенивания)=(d₀/d_e-1)·100

где_{d0 обозначает плотность невспененного полимера (то есть полимера со структурой, которая по существу не имеет никакого объема пустот), а de обозначает объемую плотность, измеренную для вспененного полимера.}

Предпочтительно, степень вспенивания упомянутого вспененного полимерного слоя 22 выбирают в диапазоне от 20 до 200%, более предпочтительно - от 25 до 130%.

Предпочтительно, два невспененных полимерных слоя 21, 23 упомянутого защитного элемента 20 изготовлены из полиолефиновых материалов.

Предпочтительно, первый невспененный полимерный слой 23 изготовлен из термопластичного материала, предпочтительно - полиолефина, такого как несшитый полиэтилен (ПЭ); в качестве альтернативы, может быть использован поливинилхлорид (ПВХ).

В варианте воплощения, показанном на фиг.1, кабель 1 дополнительно снабжен препятствующим проникновению воды слоем 8, расположенным между внешним полупроводящим слоем 5 и металлической оболочкой 6.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения изобретения, препятствующий проникновению воды слой 8 представляет собой вспененный водонабухающий полупроводящий слой, как описано в Международной заявке на патент WO 01/46965.

Предпочтительно, упомянутый препятствующий проникновению воды слой 8 изготовлен из вспененного полимерного материала, в который внедрен или в котором диспергирован водонабухающий материал.

Предпочтительно, вспениваемый полимер упомянутого препятствующего проникновению воды слоя 8 выбирают из полимеров, упомянутых выше.

Упомянутый препятствующий проникновению воды слой 8 предназначен для обеспечения эффективного барьера для продольного проникновения воды внутрь кабеля.

Как показано по результатам проведенных заявителем испытаний, в упомянутый вспененный полимерный слой можно внедрять большие количества водонабухающего материала, и при этом внедренный водонабухающий материал способен расширяться, когда вспененный полимерный слой помещают в контакт с влагой или водой, таким образом эффективно выполняя свою функцию препятствования проникновению воды.

Водонабухающий материал обычно находится в разделенном (разукрупненном) виде, в частности - в виде порошка. Частицы, составляющие этот водонабухающий порошок, предпочтительно имеют диаметр не более 250 мкм и средний диаметр от 10 до 100 мкм. Более предпочтительно, количество частиц, имеющих диаметр от 10 до 50 мкм, составляет по меньшей мере 50% по массе по отношению к общей массе порошка.

Водонабухающий материал обычно состоит из гомополимера или сополимера, имеющего гидрофильные группы вдоль полимерной цепи, например: сшитая и, по меньшей мере частично, переведенная в соль полиакриловая кислота (например, продукты Cabloc® компании C. F. Stockhausen GmbH или Waterlock® компании Grain Processing Co.); крахмал или его производные, смешанные с сополимерами акриламида и акрилата натрия (например, продукт SGP Absorbent Polymer® компании Henkel AG); карбоксиметилцеллюлоза натрия (например, продукты Blanose® компании Hercules Inc).

Для получения эффективного действия по препятствованию проникновению воды количество водонабухающего материала, который должен быть включен в состав вспененного полимерного слоя, обычно составляет от 5 до 120 phr, предпочтительно - от 15 до 80 phr (phr=массовых частей по отношению к 100 массовым частям базового полимера (от англ. Parts per Hundred of Rubber)).

Кроме того, вспененный полимерный материал препятствующего проникновению воды слоя 8 может быть модифицирован для придания ему полупроводящих свойств.

Для придания полупроводящих свойств упомянутому полимерному материалу могут быть использованы продукты, известные в данной области для приготовления полупроводящих полимерных составов. В частности, можно использовать электропроводную углеродную сажу, например электропроводную печную сажу или ацетиленовую сажу, или их смеси. Площадь поверхности углеродной сажи в общем случае составляет больше 20 м²/г, обычно - от 40 до 500 м²/г.Выгодным образом можно использовать высокопроводящую углеродную сажу, имеющую площадь поверхности по меньшей мере 900 м²/г, такую как, например, печная углеродная сажа, известная и имеющаяся в продаже под торговым наименованием Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV).

Количество углеродной сажи, добавляемой к полимерной матрице, может изменяться в зависимости от типа используемых полимера и углеродной сажи, степени вспенивания, которую предполагается получить, вспенивающего агента и т.д. Количество углеродной сажи, таким образом, должно быть достаточным для придания вспененному материалу достаточных полупроводящих свойств, в частности - таких, чтобы получить значение объемного удельного сопротивления вспененного материала при комнатной температуре менее 500 Ом·м, предпочтительно - менее 20 Ом·м. В типичном случае количество углеродной сажи может составлять в диапазоне от 1% по массе до 50% по массе, предпочтительно - от 3% по массе до 30% по массе по отношению к массе полимера.

Предпочтительный диапазон степени вспенивания препятствующего проникновению воды слоя 8 составляет от 10 до 60%.

Кроме того, благодаря снабжению кабеля 1 препятствующим проникновению воды полупроводящим слоем 8, толщина внешнего полупроводящего слоя 5 может быть выгодным образом уменьшена, поскольку электрические свойства внешнего полупроводящего слоя 5 частично обеспечиваются упомянутым препятствующим проникновению воды полупроводящим слоем. Поэтому упомянутый аспект выгодным образом способствует уменьшению толщины внешнего полупроводящего слоя и, таким образом, общей массы кабеля.

Электрическая конструкция изолирующего слоя

Обычно изолирующий слой кабеля выбирают по размеру так, чтобы он мог противостоять тем условиям градиента электрического напряжения, которые предписаны для данной категории использования упомянутого кабеля.

В частности, когда кабель находится в эксплуатации, проводник 2 поддерживают при номинальном рабочем напряжении кабеля, а оболочку 6 соединяют с "землей" (то есть она находится под 0-м напряжением).

Номинально, внутренний полупроводящий слой 3 находится под тем же самым напряжением, что и проводник, а внешний полупроводящий слой 5 и препятствующий проникновению воды слой 8 находятся под тем же самым напряжением, что и металлическая оболочка 6.

В зависимости от толщины изолирующего слоя, это определяет градиент электрического напряжения на изолирующем слое, который должен быть совместимым с диэлектрической прочностью материала изолирующего слоя (включая соответствующий коэффициент безопасности).

Градиент Г электрического напряжения вокруг цилиндрического проводника определяется следующей формулой:

(1)

где U₀ представляет собой напряжение между фазой и землей;

r_i представляет радиус поверхности изолирующего слоя;

r_c представляет радиус поверхности проводника (или поверхности внутреннего полупроводящего слоя, если он присутствует).

Уравнение (1) относится к режиму переменного напряжения. Для режима постоянного напряжения используют другое и более сложное выражение.

Например, Международный стандарт CEI IEC 60502-2 (Издание 1.1 - 1998-11 - страницы 18-19) в случае изолирующего слоя, изготовленного из сшитого полиэтилена (СПЭ), предусматривает номинальное значение толщины изолирующего слоя 5,5 мм в соответствии с напряжением V, равным 20 кВ, и с площадью поперечного сечения проводника от 35 до 1000 мм². В качестве дополнительного примера, в том случае, когда выбирают напряжение V, равное 10 кВ, и площадь поперечного сечения проводника в диапазоне от 16 до 1000 мм², в соответствии с упомянутым стандартом изолирующий слой кабеля должен быть выполнен с номинальным значением толщины 3,4 мм.

Защита от ударов

В соответствии с настоящим изобретением, защитный элемент 20 предотвращает повреждение изолирующего слоя 4 в результате возможных ударов, например, камнями, инструментами или тому подобным во время операций транспортировки или укладки этого кабеля.

Например, обычно на практике кабель укладывают в вырытую в земле траншею с заданной глубиной, и после этого траншею заполняют удаленным ранее материалом.

В случае, когда этот удаленный материал содержит в себе камни, кирпичи или тому подобное, очень часто куски массой в несколько килограмм падают на кабель с существенной высоты (от несколько десятков сантиметров вплоть до одного метра или более), так что такой удар имеет относительно высокую энергию.

Другие возможные источники ударов во время операций укладки представляют собой работающие механизмы, которые могут ударить по кабелю в случае возможных ошибок, при излишней скорости их движения и т.д.

Влияние удара F на сравнительный кабель схематично представлено на фиг.2, где для обозначения соответствующих элементов, уже описанных со ссылкой на фиг.1, использованы те же ссылочные номера позиций.

Кабель по фиг.2 снабжен внешней оболочкой 7, расположенной снаружи металлической оболочки 6. Обычно внешняя оболочка 7 изготовлена из полимерного материала, такого как полиэтилен или ПВХ.

Кабель по фиг.2 дополнительно снабжен водонабухающей лентой 9 для предотвращения любого продольного проникновения воды внутрь кабеля.

Как показано на фиг.2, вследствие удара F кабель локально деформируется.

Обычно материалы, используемые для изолирующего слоя и внешней оболочки кабеля, упруго восстанавливают после удара только часть своего исходного размера и формы, в результате чего после удара, даже если этот удар имел место до подачи энергии в кабель, толщина изолирующего слоя, противостоящая градиенту электрического напряжения, уменьшается.

Однако заявитель обнаружил, что, когда металлическую оболочку используют снаружи изолирующего слоя кабеля, материал такой оболочки получает в результате удара остаточную деформацию, что ограничивает упругое восстановление после деформации, в результате чего ограничивается возможность упругого восстановления исходной формы и размера изолирующего слоя.

Вследствие этого, вызванная ударом деформация или, по меньшей мере, существенная ее часть сохраняется после удара, даже если причина самого удара была устранена. Упомянутая деформация приводит к тому, что толщина изолирующего слоя изменяется с исходного значения t₀ на "поврежденное" значение t_d (см. фиг.2).

В соответствии с этим, при подаче энергии в кабель реальная толщина изолирующего слоя, которая "несет на себе" градиент (Г) электрического напряжения в области удара, теперь составляет не t₀, а t_d.

В случае, когда величину t₀ выбирают с достаточным запасом, например в соответствии с требованиями упомянутого выше стандарта, по отношению к рабочему напряжению кабеля, она может быть все еще достаточной для обеспечения безопасной работы кабеля также и в подверженной удару зоне.

Однако необходимость обеспечить безопасную работу также и в поврежденной области заставляет изготовлять кабель с существенно большей толщиной изолирующего слоя, чем это реально необходимо.

Кроме того, если в области удара после этого будут выполняться некоторые дополнительные операции, например, если в этой области будет выполнено соединение, могут возникнуть условия, когда градиент электрического напряжения превысит допустимый уровень (либо для кабеля, либо для соответствующей оснастки, которая может работать с диаметром, отличающимся от того диаметра, для которого она была сконструирована), даже если при выборе значения толщины изолирующего слоя был предусмотрен определенный запас безопасности.

Оценка устойчивости к ударам

Энергию удара оценивали с учетом различных параметров, которые были расценены имеющими отношение к удару, и с учетом соответствующей им вероятности для различных классов кабелей.

Например, в случае, когда удар происходит в результате падения какого-либо объекта на кабель, энергия удара зависит как от массы объекта, падающего на кабель, так и от высоты, с которой падает упомянутый объект.

В соответствии с этим, когда кабель уложен в траншею или тому подобное, энергия удара зависит, помимо прочих факторов, от глубины, на которую этот кабель укладывают, причем упомянутая энергия удара увеличивается с увеличением глубины.

В соответствии с этим, было определено, что энергия удара отличается для различных классов кабелей в соответствии с соответствующими им глубинами укладки.

Кроме того, для кабелей, уложенных в траншею или тому подобное, наличие кусков грунта в траншее, которые обычно присутствуют при выполнении операции укладки, влияет на вероятность случайного удара по кабелю, и их размер вносит свой вклад в определение энергии возможного удара. Также учитывали другие факторы, такие как погонная масса кабеля и размер рабочих механизмов, используемых при выполнении операции укладки.

С учетом приведенного выше анализа, для каждого класса кабелей (например, НН, СН, ВН) были выявлены контрольные энергии ударов, имеющих существенную вероятность возникновения; и в соответствии с этими ударами была определена конкретная структура кабеля, способная выдерживать такие удары.

В частности, для кабеля СН в качестве представительного значения с существенной вероятностью происхождения такого события при использовании и укладке кабеля была идентифицирована энергия удара в 50 Дж.

Такая энергия удара может быть получена, например, при падении на кабель тела конической формы массой 27 кг с высоты 19 см. В частности, использовавшееся при испытаниях тело имело угол конусности 90°, а его кромка была закруглены с радиусом примерно 1 мм.

В данном описании термин "удар" предназначен охватывать все те динамические нагрузки с определенной энергии, способной нанести существенные повреждения структуре кабелей.

В случае кабелей, предназначенных для применения с низким напряжением и высоким напряжением (НН, ВН), были идентифицированы энергии удара соответственно в 25 и 70 Дж.

Для целей настоящего изобретения предполагается, что кабель удовлетворительно защищен, если после 4 последовательных ударов в одном и том же положении возникала остаточная деформация, меньшая чем 0,1 мм (значение, составляющее предел точности измерений).

При воздействии удара на кабель в соответствии с настоящим изобретением, как показано на фиг.3, показало, что защитный элемент 20, либо в отдельности, либо, что предпочтительно, в комбинации с препятствующим проникновению воды слоем 8, способен уменьшать деформацию изолирующего слоя 4.

В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что защитный элемент 20, имеющий толщину t_p, в комбинации с толщиной изолирующего слоя, выбранной с "уменьшенным" значением t_r, позволяет получить кабель, который может удовлетворительно пройти указанное выше испытание на устойчивость к ударам, сохраняя при этом способность к безопасной работе в выбранном классе напряжений.

Толщина изолирующего слоя может быть определена путем выбора наиболее жесткого электрического ограничения, принимаемого во внимание с учетом его предполагаемого использования, но без необходимости в добавлении дополнительной толщины для учета деформаций в результате ударов.

Например, при конструировании кабеля является типичным рассматривать в качестве существенных электрических ограничений максимальный градиент на поверхности проводника (или на внешней поверхности экструдированного на него внутреннего полупроводящего слоя) и градиент в местах соединения, то есть градиент на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля.

Градиент на поверхности проводника сравнивают с максимальным допустимым градиентом для материала, использованного для изготовления изолирующего слоя (например, примерно 18 кВ/мм в случае полиолефиновых соединений), а градиент в местах соединения сравнивают с максимальным допустимым градиентом устройства соединения, которое предусмотрено для использования с этим кабелем.

Например, соединение кабеля может быть выполнено путем замены изолирующего слоя в области соединения проводника эластичной (или термоусадочной) муфтой, которая покрывает определенную длину изолирующего слоя открытого кабеля.

В случае, когда соединения такого типа могут безопасно работать с градиентом примерно 2,5 кВ/мм (для кабеля СН), что, вероятно, представляет собой наиболее жесткое (предельное) условие, толщину изолирующего слоя определяют так, чтобы она могла выдержать такое условие. В случае, когда более жестким может оказаться другое условие, именно такое условие необходимо учитывать при расчете толщины изолирующего слоя.

Однако, в соответствии с настоящим изобретением, нет необходимости в предусматривании какой-либо дополнительной толщины для учета вызванной ударами деформации изолирующего слоя.

Также было установлено, что в случае, когда защитный элемент 20 используют в комбинации с толщиной изолирующего слоя, выбранной с "уменьшенным" значением t_r, получают меньшую общую массу кабеля, чем соответствующая масса кабеля без защиты от ударов (то есть без ударозащитного элемента, содержащего вспененный полимерный слой) и с традиционной толщиной t₀ изолирующего слоя (то есть кабеля по фиг.2), способного противостоять удару той же энергии (даже если допустить возникновение деформации изолирующего слоя).

Также было установлено, что присутствие препятствующего проникновению воды вспененного слоя 8 вносит дополнительный вклад в устойчивость к ударам, что позволяет еще в большей степени снизить деформацию изолирующего слоя 4.

Толщина изолирующего слоя и общая масса кабеля для двух кабелей в соответствии с настоящим изобретением, а также для сравнительного кабеля (конструкция которого позволила пройти описанные выше испытания на устойчивость к ударам) представлены в Таблице 1 в случае кабелей класса напряжений 20 кВ и алюминиевого проводника с площадью поперечного сечения 50 мм².

ТАБЛИЦА 1Тип кабеляТолщина (мм)Масса кабеля (кг/м)Общий диаметр (мм) Внешняя оболочкаЗащитный элемент Препятствующий проникновению воды вспененный слойВодо-набухающие лентыАлюми-ниевый метал-лический экранИзоли-рующий слой    Второй (внутренний) невспененный слойВспененный слойПервый (внешний)
невспененный слой      1-11,54,4-0,150,340,7430,72-11,50,850,5-0,340,5124,938,25----0,20,340,9033,9

Более подробно:

(a) Кабель 1 представляет собой кабель по настоящему изобретению, содержащий препятствующий проникновению воды невспененный слой 8, изготовленный из водонабухающих лент, причем этот кабель дополнительно содержит защитный элемент 20, включающий в себя: первый невспененный полимерный слой 23; вспененный полимерный слой 22; второй невспененный полимерный слой 21;

(b) Кабель 2 представляет собой кабель по настоящему изобретению, содержащий препятствующий проникновению воды вспененный слой 8, причем этот кабель дополнительно содержит защитный элемент 20, включающий в себя: первый невспененный полимерный слой 23; вспененный полимерный слой 22; второй невспененный полимерный слой 21;

(c) Кабель 3 представляет собой сравнительный кабель такого типа, который показан на фиг.2, содержащий: внешнюю оболочку и водонабухающий, препятствующий проникновению воды слой, изготовленный из водонабухающих лент.

Кроме того, в таблице 1 показано, что в случае, когда предусмотрен препятствующий проникновению воды вспененный слой 8, толщина защитного элемента 20 выгодным образом уменьшена (а общая масса кабеля снижена) при сохранении той же толщины изолирующего слоя.

Кроме того, в таблице 1 показано, что для сравнительного кабеля потребовалась существенная масса (то есть примерно 0,90 кг/м) для поддержания его работоспособности при тех же условиях удара по сравнению с кабелями по настоящему изобретению.

В Таблице 2 приведены примеры размеров изолирующего слоя для кабелей в соответствии с настоящим изобретением для различных классов рабочих напряжений в диапазоне СН, по сравнению с соответствующей толщиной изолирующего слоя, предписанной указанным выше Международным стандартом CEI IEC 60502-2 для изолирующего слоя из сшитого полиэтилена (СПЭ).

ТАБЛИЦА 2 10 кВ20 кВ30 кВТолщина изолирующего слоя (мм) кабеля по изобретению 2,545,5Толщина изолирующего слоя (мм) согласно стандарту CEI IEC 60502-23,45,58

В соответствии со значениями, представленными в Таблице 2, толщина изолирующего слоя, предусмотренного в кабеле по настоящему изобретению, соответственно на 26, 27 и 56% меньше, чем толщина соответствующего изолирующего слоя в соответствии с упомянутым стандартом.

Размер ударозащитного элемента

Размер защитного элемента оценивали для разных сечений кабеля с целью обеспечения отсутствия деформации изолирующего слоя при разных сечениях проводника.

С этой целью толщина защитного элемента, соответствующего деформации изолирующего слоя 0,1 мм при ударе с энергией 50 Дж, была определена для различных значений площади поперечного сечения проводника как в случае присутствия препятствующего проникновению воды вспененного слоя, так и в случае присутствия препятствующего проникновению воды невспененного слоя.

Толщину защитного элемента изменяли, поддерживая постоянной толщину второго невспененного слоя 21 и вспененного полимерного слоя 22, при этом увеличивая толщину первого невспененного слоя 23.

Также выбирали соответствующую толщину невспененной внешней оболочки 7 для кабелей, не снабженных упомянутым защитным элементом 20 (см. фиг.4).

Было установлено, что толщина упомянутого защитного элемента уменьшается в соответствии с увеличением площади поперечного сечения проводника (см. фиг.5).

Также было установлено, что присутствие препятствующего проникновению воды вспененного слоя 8 позволяет использовать существенно более тонкий защитный элемент 20 (см. фиг.6 при сравнении с фиг.5).

Результаты показаны на фиг.4, 5, 6, соответственно, для сравнительного кабеля с внешней оболочкой 7, кабеля с защитным элементом 20 и кабеля как с защитным элементом 20, так и с препятствующим проникновению воды вспененным слоем 8.

На упомянутых чертежах толщина t_s внешней оболочки со ссылкой на фиг.4, толщина t_p защитного элемента со ссылкой на фиг.5 и сумма толщины t_p защитного элемента и толщины t_w препятствующего проникновению воды слоя со ссылкой на фиг.6 были отложены в виде функции площади S поперечного сечения проводника для класса напряжений 20 кВ.

Заявитель также установил, что повышение механической защиты от ударов достигается путем увеличения толщины первого невспененного слоя при поддержании постоянной толщины вспененного полимерного слоя.

Кабель в соответствии с настоящим изобретением может быть получен с использованием известных технологий нанесения слоев термопластичного материала, например, посредством экструзии. Экструзия может быть выгодным образом осуществлена за один проход, например, с помощью различных "блоков экструзии" вдоль экструзионной линии, в которой используются отдельные экструдеры, установленные последовательно, или посредством совместной экструзии многосекционной экструзионной головкой.

Далее настоящее изобретение дополнительно описано на следующих примерах, которые приведены лишь для иллюстрации и которые никоим образом не следует рассматривать как ограничивающие изобретения.

ПРИМЕРЫ 1-2

Приготовление составов

Использовали следующие компоненты:

- гетерофазный сополимер пропилена с температурой плавления 165°C, энтальпией плавления 30 Дж/г, ИТР 0,8 дг/мин и модулем упругости при изгибе 150 МПа (Adflex® Q 200 F - коммерческий продукт компании Basell);

- Sunpar® 2280 (коммерческий продукт компании Sunoco): парафиновое масло;

- Jarylec® Exp3 (коммерческий продукт компании Elf Atochem): дибензолтолуол (ДБТ).

Приготовили следующие составы:

Пример 1: 94 мас.% Adflex® Q 200 F+6 мас.% Sunpar® 2280;

Пример 2: 94 мас.% Adflex® Q 200 F+6 мас.% Jarylec® Exp3.

Приведенные выше составы приготовили следующим образом.

Полимер (Adflex® Q 200 F) в гранулированном виде предварительно нагревали при перемешивании до температуры 80°C в течение более 15 минут в турбосмесителе. После этого к предварительно нагретому полимеру добавляли диэлектрическую жидкость (Sunpar® 2280 для примера 1 и Jarylec Exp3 для примера 2) в количестве 6 мас.%. После добавления перемешивание продолжили в течение 2 часов при температуре 80°C до тех пор, пока жидкость полностью не абсорбировалась в гранулах полимера.

После этого первого этапа полученный в результате материал вымешивали в двухшнековом лабораторном экструдере Brabender Plasticorder PL2000 при температуре 180°C до полной гомогенизации. Полученный в результате материал выходил из этого двухшнекового экструдера в форме гранул.

Измерение диэлектрических потерь

Пластины толщиной 0,5 мм формировали из гранулированного материала, полученного согласно описанному выше. Пластины формовали при 195°C с предварительным нагревом в течение 15 минут.

Пластины, полученные таким образом, подвергали измерениям диэлектрических потерь путем измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tandelta) (в соответствии со стандартом ASTM D150) при разных температурах. Измеряли tandelta·10^-4 (G=1 кВ/мм при 50 Гц) при 20°C и tandelta·10^-4 (G=1 кВ/мм при 50 Гц) при 90°C: полученные результаты приведены в Таблице 3.

ТАБЛИЦА 3ПРИМЕРG (кВ/мм)tandelta (20°C)tandelta (90°C)113,7·10^-45,7·10^-4212,0·10^-44,0·10^-4

Приведенные выше данные показывают, что использование диэлектрической жидкости не оказывает отрицательного влияния на диэлектрические потери изолирующего материала.

ПРИМЕР 3

Изготовление кабеля

Изготовили кабель в соответствии с настоящим изобретением и сравнительный кабель, при этом состав изолирующего слоя и полупроводящих слоев упомянутых кабелей описан в Таблице 4, приведенной ниже.

ТАБЛИЦА 4 Кабель по изобретениюСравнительный кабель Внутренний и внешний полупроводящие слои (%) по массеИзолирующий слой (%) по массеВнутренний и внешний полупроводящие слои (%) по массеИзолирующий
слой (%) по массеAdflex® Q 200 F60,493,466,499,4Ensaco®
250 G33-33-Sunpar® 228066--Irganox®
PS 8020,40,40,40,4Irganox® 10100,20,20,20,2

Ensaco® 250 G: печная углеродная сажа (коммерческий продукт компании Erachem Europe);

Irganox® PS 802 (антиоксидант): дистеарилтиодипропионат (коммерческий продукт компании Ciba Specialty Chemicals);

Irganox® 1010 (антиоксидант): пентаэритритил-тетракис-(3-(3,5-ди-т-бутил-4-гидроксифенил)-пропионат (коммерческий продукт компании Ciba Specialty Chemicals).

Сердечник кабеля (на который должен был наноситься вспененный слой) состоял из: алюминиевого проводника (площадь поперечного сечения 150 мм²), внутреннего полупроводящего слоя толщиной примерно 0,5 мм, изолирующего слоя толщиной примерно 4,5 мм, внешнего полупроводящего слоя толщиной примерно 0,5 мм, причем упомянутые слои были получены так, как описано ниже.

Кабель получали путем совместной экструзии вышеуказанных трех слоев посредством трех экструдеров, выходящих в одну экструзионную головку.

Материалы, используемые для внутреннего полупроводящего слоя (в количествах, представленных в приведенной выше Таблице 4), а именно - Adflex® Q 200 F, Sunpar® 2280, углеродную сажу и антиоксиданты, предварительно смешанные во внутреннем смесителе типа Banbury, подавали в загрузочную воронку экструдера, причем экструдер имел диаметр 45 мм и отношение L/D (длина/диаметр), равное 25.

Материалы, использованные для изолирующего слоя (в количествах, представленных в приведенной выше Таблице 4), были составлены посредством экструдера, имеющего диаметр 80 мм и отношение L/D, равное 25. Таким образом, Adflex® Q 200 F подавали непосредственно в загрузочную воронку экструдера. После этого Sunpar® 2280, предварительно смешанный в стеклянном сосуде с антиоксидантами, инжектировали под высоким давлением в экструдер. Инжекцию выполняли во время экструзии на расстоянии примерно 20 D от начала винта экструдера с использованием трех точек инжекции с одинаковым поперечным сечением, причем каждая точка инжекции находилась под углом 120° друг от друга. Диэлектрическую жидкость инжектировали при температуре 70°C и давлении 250 бар.

Материалы, используемые для внешнего полупроводящего слоя (в количествах, представленных в указанной выше Таблице 4), а именно - Adflex® Q 200 F, Sunpar® 2280, углеродную сажу и антиоксиданты, предварительно смешанные во внутреннем смесителе типа Banbury, подавали в загрузочную воронку экструдера, причем экструдер имел диаметр 45 мм и отношение L/D, равное 25.

Приготовленные таким образом материалы совместно экструдировали на упомянутый алюминиевый проводник.

Сердечник кабеля на выходе из экструзионной головки охлаждали до температуры окружающей среды, пропуская его через холодную воду.

Препятствующий проникновению воды полупроводящий вспененный слой с толщиной примерно 0,7 мм и со степенью вспенивания 28% экструдировали на описанный выше сердечник кабеля с использованием экструдера, имеющего диаметр 60 мм и отношение L/D, равное 20. Для упомянутого вспененного слоя использовали следующие материалы:

Santoprene® 201/121-68 W228: термопластичный каучук (коммерческий продукт компании Advanced Elastomer System) (количество=50 phr);

Profax® PF 814: гомополимер изотактического пропилена с сильно разветвленной структурой (коммерческий продукт компании Montell) (количество=50 phr);

Waterlock® J550: сшитая полиакриловая кислота (частично переведенная в соль) (более 50 мас.% частиц с диаметром от 10 до 45 мкм) (Grain Processing Co.) (количество=40 phr);

Hydrocerol® BIH 40: карбоновая кислота+вспенивающий агент бикарбонат натрия (коммерческий продукт компании Boeheringer Ingelheim) (количество=2 phr);

Ensaco® 250 G: печная углеродная сажа (коммерческий продукт компании Erachem Europe) (количество=50 phr).

Упомянутые материалы, за исключением вспенивающего агента, предварительно смешивали во внутреннем смесителе типа Banbury и после этого подавали в загрузочную воронку экструдера вместе со вспенивающим агентом.

Кабель на выходе из экструзионной головки охлаждали на воздухе до 60°C перед подачей в устройство формования алюминия.

Полученный таким образом кабель затем оборачивали экраном из лакированного алюминия толщиной примерно 0,3 мм с использованием клея для соединения перекрывающихся кромок.

После этого на упомянутый алюминиевый экран экструдировали полиэтиленовую оболочку толщиной примерно 1,5 мм, используя дополнительный экструдер с диаметром 150 мм и отношением L/D, равным 25.

Кабель на выходе из экструзионной головки упомянутого дополнительного экструдера охлаждали в воде до 80°C в охлаждающей трубке (расстояние от экструзионной головки 500 мм).

Дополнительный вспененный слой толщиной примерно 2 мм и степенью вспенивания 100% наносили на описанный выше кабель посредством экструдера с диаметром 120 мм и отношением L/D, равным 25. Для упомянутого вспененного слоя использовали следующие материалы:

Hifax SD817: пропилен, модифицированный сополимером этилена/пропилена (коммерческий продукт компании Basell) (количество=100 phr);

Hydrocerol® BIH 40: карбоновая кислота+вспенивающий агент бикарбонат натрия (коммерческий продукт компании Boeheringer Ingelheim) (количество=1,2 phr).

Упомянутые материалы подавали в загрузочную воронку экструдера.

На расстоянии примерно 500 мм от экструзионной головки установили охлаждающую трубку (содержащую холодную воду) для прекращения вспенивания и охлаждения экструдированного материала до 80°C.

Затем поверх упомянутого дополнительного вспененного слоя экструдировали полиэтиленовую оболочку толщиной примерно 1,5 мм с использованием дополнительного экструдера с диаметром 160 мм и отношением L/D, равным 25.

Кабель на выходе из экструзионной головки упомянутого дополнительного экструдера охлаждали в воде до 50°C в охлаждающей трубке (расстояние от экструзионной головки 500 мм).

При аналогичных условиях, с использованием материалов, указанных в Таблице 4, был произведен сравнительный кабель без добавления диэлектрической жидкости.

Диэлектрическая прочность

Три образца (каждый длиной 20 м) двух кабелей, произведенных согласно описанному выше, подвергали измерениям диэлектрической прочности на переменном напряжении при температуре окружающей среды. Начиная от 100 кВ, градиент, приложенный к кабелям, увеличивали на 10 кВ каждые 10 минут до тех пор, пока кабели не были пробиты. При пробое учитывали градиент на проводнике.

В Таблице 5 приведены результаты электрических испытаний: представленные данные являются усредненным значением, полученным по результатам трех различных измерений.

ТАБЛИЦА 5 Кабель по изобретению (кВ/мм)Сравнительный кабель (кВ/мм)Пробой при переменном напряжении5929

Приведенные выше данные со всей очевидностью показывают, что пробой кабеля в соответствии с настоящим изобретением происходил при более высоком градиенте, чем пробой сравнительного кабеля.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическому кабелю для передачи или распределения электроэнергии на среднем или высоком напряжении. Кабель содержит по меньшей мере один проводник и по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник, изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость, причем упомянутый изолирующий слой имеет такую толщину, чтобы обеспечить градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не менее 1,0 кВ/мм; и защитный элемент вокруг упомянутого экструдированного изолирующего слоя, имеющий толщину и механические свойства, выбранные так, чтобы они обеспечивали заданную способность устойчивости к ударам, причем упомянутый защитный элемент содержит по меньшей мере один вспененный полимерный слой, а упомянутая толщина достаточна для предотвращения обнаруживаемого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергий по меньшей мере 25 Дж. Толщину изолирующего слоя и толщину защитного элемента можно выбрать в комбинации для минимизации общей массы кабеля при одновременном предотвращении обнаруживаемого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергий по меньшей мере 25 Дж. Техническим результатом изобретения является обеспечение компактности конструкции кабеля без снижения его электрической и механической прочности. 4 н. и 40 з.п. ф-лы, 5 табл., 6 ил.

1. Кабель для использования в заданном классе напряжений, содержащий по меньшей мере один проводник; по меньшей мере один экструдированный изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник и изготовленный из несшитого изолирующего материала, содержащего по меньшей мере один термопластичный полимер и по меньшей мере одну диэлектрическую жидкость, причем упомянутый изолирующий слой имеет такую толщину, которая обеспечивает градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не менее 1,0 кВ/мм; и защитный элемент вокруг упомянутого экструдированного изолирующего слоя, имеющий толщину и механические свойства, выбранные для обеспечения заданной способности устойчивости к ударам, причем упомянутый защитный элемент содержит по меньшей мере один вспененный полимерный слой, а упомянутая толщина достаточна для предотвращения обнаруживаемого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергий по меньшей мере 25 Дж.2. Кабель по п.1, в котором упомянутый экструдированный изолирующий слой имеет на по меньшей мере 20% меньшую толщину, чем толщина изолирующего слоя, предусмотренная в стандарте IEC 60502-2 для соответствующего класса напряжений.3. Кабель по п.1, в котором упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 10 кВ, а упомянутый экструдированный изолирующий слой имеет толщину не более 2,5 мм.4. Кабель по п.1, в котором упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 20 кВ, а упомянутый экструдированный изолирующий слой имеет толщину не более 4 мм.5. Кабель по п.1, в котором упомянутый заданный класс напряжений представляет собой класс 30 кВ, а упомянутый экструдированный изолирующий слой имеет толщину не более 5,5 мм.6. Кабель по п.1, в котором упомянутый термопластичный полимерный материал выбран из полиолефинов, сополимеров различных олефинов, сополимеров олефина с этилен-ненасыщенным сложным эфиром, сложных полиэфиров, полиацетатов, полимеров целлюлозы, поликарбонатов, полисульфонов, фенольных смол, поликарбамидных смол, поликетонов, полиакрилатов, полиамидов, полиаминов или их смесей.7. Кабель по п.6, в котором упомянутый термопластичный полимерный материал выбран из: полиэтилена (ПЭ), такого как ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП), линейного ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилена ультранизкой плотности (ПЭУНП); полипропилена (ПП); сополимеров этилена/сложного эфира винилового спирта, таких как этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеров этилена/акрилата, таких как этилен/метилакрилат (ЭМА), этилен/этилакрилат (ЭЭА) и этилен/бутилакрилат (ЭБА); термопластичных сополимеров этилена/α-олефина; полистирола; сополимеров акрилонитрила/бутадиена/стирола (АБС); галогенированных полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ); полиуретана (ПУ); полиамидов; ароматических сложных полиэфиров, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТФ) или полибутилентерефталат (ПБТ); или их сополимеров или их смесей.8. Кабель по п.1, в котором упомянутый термопластичный полимерный материал выбран из

(a) по меньшей мере одного гомополимера пропилена или по меньшей мере одного сополимера пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен, причем упомянутый гомополимер или сополимер имеет температуру плавления, превышающую или равную 130°С, и энтальпию плавления от 20 до 100 Дж/г;

(b) механической смеси, содержащей по меньшей мере один гомополимер или сополимер (а) пропилена и (с) по меньшей мере один эластомерный сополимер этилена с по меньшей мере одним алифатическим α-олефином и, необязательно, полиеном.

(a₁) гомополимеров пропилена или сополимеров пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, иного, чем пропилен, имеющих модуль упругости при изгибе от 30 до 900 МПа;

(а₂) гетерофазных сополимеров, содержащих термопластичную фазу на основе пропилена и эластомерную фазу на основе этилена, сополимеризованного с α-олефином, при этом эластомерная фаза присутствует в количестве по меньшей мере 45 мас.% по отношению к общей массе гетерофазных сополимеров.

(c₁) сополимеров, имеющих следующий состав мономеров: 35-90 мол.% этилена; 10-65 мол.% алифатического α-олефина; 0-10 мол.% полиена;

(с₂) сополимеров, имеющих следующий состав мономеров: 75-97 мол.% этилена; 3-25 мол.% алифатического α-олефина; 0-5 мол.% полиена.

(d) сополимеров этилена с этилен-ненасыщенным сложным эфиром, в которых количество ненасыщенного сложного эфира составляет от 5 до 80% по массе;

(e) эластомерных сополимеров этилена с по меньшей мере одним С₃-С₁₂ α-олефином и, необязательно, диеном, имеющих следующий состав: 35-90% по молям этилена, 10-65% по молям α-олефина, 0-10% по молям диена;

(f) сополимеров этилена с по меньшей мере одним C₄-C₁₂ α-олефином и, необязательно, диеном, имеющих плотность от 0,86 до 0,90 г/см³;

(g) полипропилена, модифицированного сополимерами этилена / С₃-С₁₂ α-олефина, причем массовое соотношение между полипропиленом и сополимером этилена / C₃-C₁₂ α-олефина составляет от 90/10 до 30/70.