專利名稱：高壓dc線纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓DC線纜，該線纜至少具有由絕緣層包圍的內(nèi)導(dǎo)體，該絕緣層被配置成承受在導(dǎo)體與線纜的周圍環(huán)境之間的電壓。
背景技術(shù)：
“高壓”意味著至少10kV、但是經(jīng)常高得多(比如數(shù)百kV)的電壓電平。這一電壓必須由所述絕緣層承受，因為線纜的導(dǎo)體處于高壓電勢而線纜的外圍必須處于地電勢，并且所述絕緣層為此通常由半傳導(dǎo)薄屏蔽層包圍。這引起對絕緣層的電介質(zhì)應(yīng)力，必須在尺度上設(shè)定該絕緣層用于可靠地承受這一應(yīng)力。另外，當通過高壓直流(HVDC)傳輸電功率時，在增加電壓時損耗減少，從而正是出于該原因而希望增加所述電壓。為了闡明但是不以任何方式限制本發(fā)明，在圖1中非常示意性地圖示了將這一類線纜用于HVDC傳輸。圖中所示用于傳輸電功率的電廠具有用于HVDC的直流電壓網(wǎng)絡(luò)1，該網(wǎng)絡(luò)具有用于互連兩個電站4、5的兩個所述線纜2、3，這些電站被配置成在直流電壓網(wǎng)絡(luò)1 與交變電壓網(wǎng)絡(luò)6、7(這里具有三相并且連接到相應(yīng)電站)之間傳輸電功率。線纜之一 2 既定為處于直流電壓網(wǎng)絡(luò)的直流電壓一半的正電勢，而另一線纜3處于直流電壓一半的負電勢。因而這一電廠具有雙極直流電壓網(wǎng)絡(luò)，但是也可設(shè)想返程電流流過地電極的單極網(wǎng)絡(luò)。需要傳輸比如今在HVDC傳輸中可能傳輸?shù)墓β矢嗟墓β剩侨晕撮_發(fā)功率高于800MW的線纜。如果做到這一點而不增加如今已經(jīng)嚴峻并且接近輸送限制的線纜尺度，則必須通過導(dǎo)電率更高的導(dǎo)體來增加電流或者通過對所述絕緣層的更高應(yīng)力來增加電壓。導(dǎo)體的導(dǎo)電率受不能改進的銅和鋁這樣的導(dǎo)體材料限制，而其它導(dǎo)體在可預(yù)見的將來內(nèi)不可用或者用于構(gòu)成任何實際選項的成本太高(超導(dǎo)體)。因此增加這樣的傳輸中的功率的其它方式是通過改進絕緣材料，這看來是明顯增加功率的最有前途的方式并且也由于減少通過增加電壓來獲得的損耗減少而有利。有主體浸漬線纜(通常由油浸漬的紙形成的厚絕緣層)和擠壓線纜(在聚合物基材上的絕緣層)這已知兩類HVDC線纜。這些線纜可接受的平均電場對于主體浸漬線纜而言約為30kV每毫米而對于擠壓線纜而言約為20kV每毫米?？梢酝ㄟ^用塑料膜替換一些或者所有紙來改進主體浸漬線纜，但是這將使浸漬更困難。另外，擠壓線纜仍具有通過利用改進的材料來具有增加的場的可能更多潛力，其中一個目標在于將電介質(zhì)應(yīng)力倍增至40kV 每毫米。附圖2示出了具有內(nèi)導(dǎo)體8的已知擠壓線纜，該內(nèi)導(dǎo)體由具有電勢均衡性質(zhì)的薄半導(dǎo)體層9、聚合物基材的厚絕緣層10(諸如在其外側(cè)為交聯(lián)聚乙烯)和也被均衡電勢的外部薄半導(dǎo)體屏蔽層11包圍。也通過EP 0 868 002已知這樣的線纜。US 6 509 527公開了使用線纜絕緣層從而使得有可能增加對這一類線纜的電介質(zhì)應(yīng)力。上述兩種用于生產(chǎn)DC線纜的技術(shù)具有在線纜的40年壽命期間不應(yīng)出現(xiàn)電介質(zhì)故障這樣的設(shè)計標準。這提出對設(shè)計可靠性的很嚴格要求并且電壓應(yīng)力必須比如果接受更頻繁失效則會有的應(yīng)力低得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高壓DC線纜，該線纜具有可接受的電介質(zhì)應(yīng)力增加的所述絕緣層并且借此實現(xiàn)增加所述電壓電平而相對于這樣的已知線纜未增加線纜的尺度。這一目的根據(jù)本發(fā)明通過提供這樣的線纜來實現(xiàn)，在所述線纜中，所述絕緣層由在彼此上面的多個疊加的絕緣材料膜狀層形成，各膜狀層具有隔離金屬區(qū)域，并且這樣的膜狀層的連續(xù)的所述金屬區(qū)域如在線纜的徑向方向上所見至少部分彼此重疊以便在線纜的所述絕緣層中產(chǎn)生大量小電容器。這樣構(gòu)造的所述絕緣層使得有可能接收對所述絕緣層的至少50kV每毫米(比如 50-150kV每毫米并且適當為100-150kV/毫米或者可能甚至更高)的電介質(zhì)應(yīng)力。對這一點的說明源于DC電容器技術(shù)的性質(zhì)，并且本發(fā)明基于這一技術(shù)可以用于改進DC線纜這樣的理解。在使用部分由很薄金屬層覆蓋以形成電極的塑料膜之時制造DC電容器。這一設(shè)計接受故障，因為故障保持于很小體積內(nèi)。這歸因于電極的屏蔽效應(yīng)加之故障能量也從金屬層熔斷開并且在故障周圍產(chǎn)生絕緣區(qū)域這一事實。這意味著可以接受數(shù)以千計的故障而不影響電容器本身的功能。用于DC電容器的設(shè)計值通常為200kV每毫米。本發(fā)明的構(gòu)思在于將這一技術(shù)用于生產(chǎn)一種具有絕緣層的線纜，與這樣的已知線纜對照，該線纜接受單個故障從而使得有可能明顯增加對其上絕緣層的電介質(zhì)應(yīng)力而在其整個壽命期間無礙于線纜的恰當功能。通過使用所述金屬區(qū)域，在所述膜狀層中的故障不會如在未金屬化的膜狀層中的故障那樣在周圍環(huán)境中引起強場。原因在于線纜由大量小電容器形成，盡管在一個膜狀層中有故障，這些小電容器仍將保持電壓穩(wěn)定。僅就故障區(qū)域本身而言，它是DC線纜還是DC電容器并無不同。因此，金屬區(qū)域?qū)⒄归_電場使得局部故障不會經(jīng)過下一膜狀層傳播。因此，本發(fā)明使得有可能增加電壓并且借此增加經(jīng)過某一厚度的DC線纜傳輸?shù)碾姽β?，但是也將有可能并且在一些?yīng)用中關(guān)注使用于某一電功率的DC線纜比以前可能的DC線纜更薄。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述絕緣層的疊加的所述膜狀層的數(shù)目> 100或者> 500或者> 1000、比如200-10000。因而如在本發(fā)明的另一實施例中那樣，所述膜狀層必須很薄、比如0. 5-100 μ m或者1-20 μ m或者1_10 μ m,使得將經(jīng)過所述絕緣層的厚度形成大量小電容器并且盡管在其一個或者一些膜狀層中出現(xiàn)故障仍然獲得其操作的高可靠性。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，各所述金屬區(qū)域具有彡200nm、彡lOOnm、lnm-50nm或者1-10個原子層的厚度。因而金屬區(qū)域的厚度相對于膜狀層的厚度可忽略不計，使得盡管存在所述金屬區(qū)域而膜狀層仍可彼此緊靠布置并且絕緣層的厚度將基本上完全由絕緣材料形成。因此事實上極有可能的是金屬區(qū)域具有僅少數(shù)原子層的厚度。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述金屬區(qū)域的厚度《相應(yīng)所述膜狀層的厚度的1/5、 1/10或者1/50。根據(jù)所選膜狀層的厚度，在膜狀層的厚度與金屬區(qū)域的厚度之間的這些比例或者甚至更大差異是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，各所述金屬區(qū)域具有< IOcm2或者lmm2-5cm2的面積。 這些是這樣的隔離金屬區(qū)域的適當面積，其中Icm2將是其通常的適當面積。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述金屬區(qū)域在相應(yīng)所述膜狀層上形成島狀物而在相鄰的這樣的島狀物之間的距離與這樣的島狀物的寬度基本上相同或者更小、比如為所述寬度的0. 1-1倍。這些是分隔相鄰所述金屬區(qū)域的適當距離用于在所述絕緣層中獲得適當大量所述小電容器以便允許其上的作為目的的更高電介質(zhì)應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，兩個連續(xù)膜狀層的所述金屬區(qū)域如在線纜的徑向方向上所見相互錯位。通過布置具有這樣的錯位的所述金屬區(qū)域來充分消除在出現(xiàn)故障時經(jīng)過線纜的厚度傳播短路的風(fēng)險。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述絕緣層由塑料膜網(wǎng)形成其具有圍繞所述線纜的導(dǎo)體在多個疊加層中纏繞的隔離的金屬化區(qū)域，這是一種實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的線纜的適當方式。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述塑料膜網(wǎng)纏繞得沒有相對于線纜的縱向方向布置于彼此旁邊的膜圈的重疊。通過這樣無重疊的圈并且邊緣到邊緣的距離有嚴密容差的精確纏繞，可以消除所述纏繞絕緣物中的有電場聚集風(fēng)險的任何楔狀物。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述膜網(wǎng)纏繞得具有相對于線纜的縱向方向的膜網(wǎng)的連續(xù)圈的部分重疊，并且在重疊的膜部分的邊緣產(chǎn)生的空穴由凝膠狀絕緣材料填充。通過這樣做可以省略所述精確纏繞并且可以解決在連接到氣穴的楔狀物中的強場問題。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述膜網(wǎng)纏繞得具有相對于線纜的縱向方向的膜網(wǎng)的連續(xù)圈的部分重疊，并且纏繞的膜網(wǎng)的橫向外邊緣有斜面并且如在線纜的縱向方向上所見的連續(xù)膜圈在彼此緊靠之時重疊。這是另一避免精確纏繞要求以便避免空穴問題的方式。本發(fā)明也涉及一種用于生產(chǎn)高壓DC線纜的方法，其特征在于以下步驟在導(dǎo)體周圍在多個疊加層中在彼此上面纏繞具有隔離金屬區(qū)域的絕緣材料膜狀網(wǎng)使得這樣的膜狀層的連續(xù)的所述金屬區(qū)域如在線纜的徑向方向上所見至少部分彼此重疊以便在線纜的所述絕緣層中產(chǎn)生大量小電容器。可以借助這一方法獲得一種允許高電介質(zhì)應(yīng)力的DC線纜。本發(fā)明也涉及一種根據(jù)本發(fā)明的線纜的用途，該用途是用于以流過其的高壓直流電流的形式傳輸電功率、比如500-1500MW、800-1500MW或者800-1200MW。將根據(jù)本發(fā)明的線纜用于傳輸這樣的高功率將是有利的，因為它無需線纜的任何擴大尺度。這也適用于一種將根據(jù)本發(fā)明的線纜用于傳輸電功率的用途，其中所述電壓為10kV-1500kV、 100kV-1500kV、400kV-1500kV或者800kV_1500kV。所述電功率然后有利地由在所述線纜中流動的500A-7kA、lkA-7kA或者2kA_5kA的電流傳輸。根據(jù)下文描述將顯現(xiàn)本發(fā)明的更多優(yōu)點以及有利特征。


參照附圖，下文是對作為例子引用的本發(fā)明實施例的描述。在附圖中圖1是圖示了根據(jù)本發(fā)明的線纜可以使用于其中的電廠的示意框圖，圖2是示出了高壓DC線纜的一般構(gòu)造的簡化橫截面，圖3是根據(jù)本發(fā)明的DC線纜的絕緣層的部分的簡化截面圖，
圖4是示出了在所述絕緣層中出現(xiàn)局部故障的與圖3對應(yīng)的視圖，圖5是根據(jù)本發(fā)明的DC線纜在徑向方向上的簡化視圖，該視圖示出了其絕緣層的兩個疊加膜狀層的部分，圖6是線纜的與圖3對應(yīng)的視圖，其中根據(jù)圖5纏繞其絕緣層的膜狀層，圖7是圖示了當重疊纏繞所述絕緣層中的膜狀層時如何產(chǎn)生空穴的簡化視圖，圖8是圖示了所述膜狀層的精確纏繞的與圖7對應(yīng)的視圖，圖9和圖10是圖示了圖7中所示空穴可以如何由凝膠狀材料填充的視圖，并且圖11是圖示了一種在重疊纏繞所述膜狀層時避免由空氣填充的空穴的替代方式的與圖7對應(yīng)的視圖。
具體實施例方式在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的DC線纜的絕緣層10的小塊區(qū)域。絕緣層由纏繞于彼此上面的大量(比如200-10000層)金屬化塑料膜層12形成。塑料膜由具有適當絕緣性質(zhì)的材料(比如交聯(lián)聚乙烯)制成并且這里具有10-10 μ m數(shù)量級的厚度。金屬化由隔離的金屬區(qū)域13實現(xiàn)，這些金屬區(qū)域具有相對于塑料膜的厚度可忽略不計的厚度， 并且這些金屬區(qū)域的厚度在圖中已經(jīng)非?？浯笠员闶沟糜锌赡軐⑺鼈円挥[無余。因此，這些金屬區(qū)域的厚度可以如少數(shù)原子層那樣小。這些金屬區(qū)域通常具有Icm2數(shù)量級的面積， 并且其間距離等于或者少于這些區(qū)域的寬度。這些區(qū)域可以具有如在與膜表面垂直的方向上所見的任何形狀并且在這一實施例(參見圖5)中為矩形。由于塑料膜層12與金屬區(qū)域 13的厚度關(guān)系，連續(xù)塑料膜層將彼此緊靠。大量小電容器以這一方式形成于絕緣層內(nèi)。這意味著絕緣層以內(nèi)的電場將基本上均勻分布于絕緣層以內(nèi)。圖4示出了如果在絕緣層中的部位14上出現(xiàn)故障則將發(fā)生的情況。絕緣層的設(shè)計將故障保持于很小體積內(nèi)，并且故障能量將在故障部位14從金屬層熔斷開從而在討論的金屬區(qū)域中產(chǎn)生孔，使得絕緣區(qū)域?qū)a(chǎn)生于故障周圍。這意味著事實上可以在線纜的受限長度如一米內(nèi)接受多個故障而不影響線纜絕緣層的良好功能。圖5圖示了優(yōu)選如何疊加兩個塑料膜層12、12’使得其金屬區(qū)域13、13’如在線纜的徑向方向上所見相互錯位。通過這樣做來消除由于故障所致穿過線纜隔離的每個短路風(fēng)險。圖6示出了根據(jù)圖5設(shè)計的線纜的部分橫截面，在該橫截面中也表明內(nèi)導(dǎo)體8。雖然以這一方式設(shè)計的DC線纜的絕緣層具有與DC電容器類似的功能，但是有一些不同。一個不同在于電容器充電電流必須移入和移出電容器，在線纜中并非這樣的情況， 從而使線纜設(shè)計就這一點而言更容易。然而另一不同在于電容器讓所有塑料膜或者箔堆疊在一起，這使電容器更容易，因為未出現(xiàn)終止問題。圖7示出了在可能寬度近似為20mm而厚度為5μπι的塑料膜網(wǎng)在疊加層12、12’ 和12”中纏繞得具有相對于線纜的縱向方向布置于彼此旁邊的重疊膜圈時發(fā)生的情況。這可能造成在形成重疊區(qū)中的楔狀物16中的氣穴15。一種解決產(chǎn)生這樣的空穴的問題的方式將是使用很薄的塑料膜，這些塑料膜使空穴薄到使得對其的承受(widthstand)根據(jù)帕邢定律將是充分的。計算已經(jīng)表明比5 μ m更薄的塑料膜將足以達到200kV每毫米的電壓強度。然而也有解決這樣的空穴問題的其它方式，在圖8中示出了其中一種方式，并且該方式由塑料膜網(wǎng)17、17’、17”、18、18’的無重疊并且邊緣到邊緣的距離有嚴密容差的精確纏繞構(gòu)成。圖9和圖10示出了另一允許在如圖7中所示纏繞過程期間產(chǎn)生重疊的替代方式。 空穴在這一情況下在使用與在噴墨打印機中使用的技術(shù)相同的技術(shù)在纏繞過程期間由凝膠狀(相應(yīng)為半液體)絕緣材料19填充，其中“噴墨”來自示意表示的噴嘴20。該構(gòu)思在于凝膠體積應(yīng)當大于空穴以避免產(chǎn)生新空穴的風(fēng)險。圖11示出了另一通過在纏繞之前機械地形成塑料膜網(wǎng)邊緣使得不出現(xiàn)空穴來避免空穴問題的可能性。這里通過向所述膜網(wǎng)的橫向邊緣提供斜面21 (相應(yīng)在纏繞之前機械地“銳化”這些邊緣使得膜狀層也將在重疊區(qū)中彼此緊靠)來完成。本發(fā)明當然不以任何方式限于上述實施例而是對其修改的諸多可能性將為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所清楚而不脫離如在所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.-種高壓DC線纜，具有由絕緣層(10)包圍的至少一個內(nèi)導(dǎo)體(8)，所述絕緣層(10) 被配置成承受在所述導(dǎo)體與所述線纜的周圍環(huán)境之間的電壓，其特征在于所述絕緣層由絕緣材料的多個疊加的膜狀層(1 形成，各膜狀層(12)具有在其上面的隔離金屬區(qū)域(13)，并且這樣的膜狀層的連續(xù)的所述金屬區(qū)域如在所述線纜的徑向方向上所見至少部分彼此重疊以便在所述線纜的絕緣層中產(chǎn)生大量小電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于所述絕緣層的疊加的膜狀層(12)的數(shù)目> 100 或者> 500 或者> 1000、比如 200-10000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的線纜，其特征在于各所述膜狀層(12)的厚度為 0. 5-100 μ m 或者 1-20 μ m 或者 1-10 μ m。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于各所述金屬區(qū)域C3)具有<200nm、 彡100nm、lnm-50nm或者1-10個原子層的厚度。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于所述金屬區(qū)域(13)的厚度<相應(yīng)所述膜狀層的厚度的1/5、1/10或者1/50。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于各所述金屬區(qū)域(13)具有<IOcm2 或者lmm2-5cm2的面積。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于所述金屬區(qū)域(1 在相應(yīng)所述膜狀層上形成島狀物而在相鄰的這樣的島狀物之間的距離與這樣的島狀物的寬度基本上相同或者更小、比如為所述寬度的0. 1-1倍。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于兩個連續(xù)膜狀層(12，12’)的所述金屬區(qū)域(13，13’ )如在所述線纜的徑向方向上所見相互錯位。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于所述絕緣層由塑料膜(1 網(wǎng)形成其具有圍繞所述線纜的導(dǎo)體(8)在多個疊加層中纏繞的隔離的金屬化區(qū)域(13)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的線纜，其特征在于所述塑料膜網(wǎng)(17，17’，17”，18，18’)纏繞得沒有相對于線纜的縱向方向布置于彼此旁邊的膜圈的重疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的線纜，其特征在于所述膜網(wǎng)(17)纏繞得具有相對于所述線纜的縱向方向的所述膜網(wǎng)的連續(xù)圈的部分重疊，并且在重疊的膜部分的邊緣產(chǎn)生的空穴 (15)由凝膠狀絕緣材料(19)填充。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一權(quán)利要求所述的線纜，其特征在于所述膜網(wǎng)(17)纏繞得具有相對于線纜的縱向方向的所述膜網(wǎng)的連續(xù)圈的部分重疊，并且纏繞的所述膜網(wǎng)的橫向外邊緣有斜面并且如在所述線纜的縱向方向上所見的連續(xù)膜圈在彼此緊靠之時重疊。
13.一種用于生產(chǎn)高壓DC線纜的方法，其特征在于以下步驟在導(dǎo)體(8)周圍在多個疊加層(1 中在其上面纏繞具有隔離金屬區(qū)域(1 的絕緣材料膜狀網(wǎng)(17)使得這樣的膜狀層的連續(xù)的所述金屬區(qū)域如在所述線纜的徑向方向上所見至少部分彼此重疊以便在所述線纜的絕緣層中產(chǎn)生大量小電容器。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任一權(quán)利要求所述的線纜的用途，用于以流過的高壓直流電流的形式傳輸電功率、比如500-1500MW、800-1500MW或者800-1200MW。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任一權(quán)利要求所述的線纜的用途，用于傳輸電功率， 其中所述電壓為 10kV-1500kV、100kV-1500kV、400kV-1500kV 或者 800kV_1500kV。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或者15所述的用途，其特征在于所述電功率由在所述線纜中流動的500A-7kA、lkA-7kA或者2kA_5kA的電流傳輸。
全文摘要
一種高壓DC線纜，具有由絕緣層(10)包圍的至少一個內(nèi)導(dǎo)體(8)，絕緣層(10)被配置成承受在導(dǎo)體與線纜的周圍環(huán)境之間的電壓。絕緣層由絕緣材料的多個疊加的膜狀層(12)形成，各膜狀層(12)具有在其上面的隔離金屬區(qū)域(13)。這樣的膜狀層的連續(xù)的金屬區(qū)域如在線纜的徑向方向上所見至少部分彼此重疊以便在線纜的所述絕緣層中產(chǎn)生大量小電容器。
文檔編號H01B9/02GK102257578SQ200880132401
公開日2011年11月23日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者B·雅各布森, G·阿斯龐德 申請人:Abb技術(shù)有限公司