专利名称：发电机、电动机和变压器用中压绕组电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高柔软的橡胶绝缘中压电缆，属于新型电工材料。本发明可作为发电机、电动机(特别是直线电动机)、变压器的绕组电缆。
背景技术：
发电机、电动机和变压器的100多年以来一直采用漆包线绕组。近年来，电动机、发电机和变压器开始用电力电缆作为绕组。这种新概念的绕组推出了高压发电机(PowerformerTM)、新型风力发电系统(WindformerTM)和新型变压器(DfyformerTM)等一系列有良好发展前景的新型电机，也使新型高速轨道交通——磁悬浮列车成为可能。
目前作为发电机、电动机和变压器绕组用的电缆多是交联聚乙烯绝缘电缆，这种电缆由导体、导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽组成。这种电缆由于采用交联聚乙烯作为绝缘，柔软性不够，电缆的弯曲直径约20倍于电缆外径，使用局限性较大，而且没有金属屏蔽和护套的保护，电缆机械强度差。
美国专利US4,785,138涉及了一种橡胶绝缘绕组电缆。该电缆结构如图1，由导体1、导体屏蔽2、绝缘3、绝缘屏蔽4和导电护套5构成。导体1是铝、铜、铝或铜合金，至少由两层构成，绞合紧压后退火，紧压率约90％，且导体节距符合公式s＝k·n·d。导体屏蔽2和绝缘屏蔽4都是以三元乙丙橡胶(EPDM)为基的混合物，其配方组分为100份聚合物、80～130份高导电炭黑、30～70份增塑剂、10份的润滑剂、2份交联剂和1份的稳定剂。绝缘3是乙丙橡胶(EPR)为基的混合物。导体屏蔽2、绝缘3、绝缘屏蔽4相互紧密接触，弯曲中不会相对移动。导电护套5是以醋酸酯含量30～70％的乙烯-醋酸酯共聚物为基的混合物，配方组分为100份聚合物、50～60份高导电炭黑、0～10份增塑剂、2份交联剂、08份防老剂。该专利认为为了防止电容电流从电缆交叉接触点处在不同相线间流过引发烧焦，绝缘屏蔽4的纵向导电率必须比导电护套5的大，其绝缘屏蔽纵向导电率为1～10mS·m(即纵向电阻率100～1000Ω/m)，护套为0.01～0.05mS·m(即20000～100000Ω/m)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种供发电机、电动机和变压器所用的中压绕组电缆。而且要具备良好的柔软性、机械强度。
本发明电缆的结构如图2，由导体6、导体屏蔽7、绝缘8、绝缘屏蔽9、导电护套10和导电涂层11构成。
导体6可以是绞合紧压圆线(横截面形状如图3)，也可以是异型紧凑导体，如瓦形(横截面形状如图4)和Z形(横截面形状如图5)。导体绞合层数至少为两层。若为绞合紧压圆线，则其导体材料选用高导电率的软态铝，导电率在61％IACS(国际退火铜标准(International Annealed Copper Standard))与63％IACS之间；若为异型导体紧凑而成(即瓦形和Z形或两种组合、圆线与两种组合)，则导体材料可为铝、铜、铜铝复合双金属、铝合金或铜合金及其它可用作导体的金属材料，如镍、银等。
导体屏蔽7和绝缘屏蔽9都是以三元乙丙橡胶(EPDM)为基的混合物，以质量份表示的配方组分是70～90份EPDM、10～30份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、2～10份润滑剂、2～4份交联剂、50～100份导电炭黑、1～3份防老剂、10～20份加工油。导体屏蔽7和绝缘屏蔽9可以采用相同的配方组分配比，也可采用不同的配比。但它们20℃体积电阻率在0.7Ω·m与1.5Ω·m之间。
绝缘8也是以三元乙丙橡胶(EPDM)为基的混合物，配方组分为50～90份EPDM、10～50份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、2～10份润滑剂、2～4份交联剂、50～100份煅烧陶土、1～3份防老剂、10～20份加工油。绝缘8的配方组分与导体屏蔽7和绝缘屏蔽9的相似，可以减少相互间的不良影响，增加电缆寿命。
导体屏蔽7、绝缘8和绝缘屏蔽9采用三层同时挤出的工艺包覆在导体上，相互间紧密粘结，导体屏蔽7与导体6也要紧密接触并填满导体6表面的空隙。三层同时挤出可以防止杂质混入各层之间，还可以增加粘结力。这也就可以保证电缆在经受直径为1.5D(D为电缆外径)的弯曲时，导体6、导体屏蔽7、绝缘8和绝缘屏蔽9之间不会开裂或滑移。绝缘屏蔽9的外表面不能有超过0.25mm的突起或凹陷，以保证良好的电场均匀和屏蔽作用。
导电护套10是以氯丁橡胶(CR)为基的混合物，加入配方组分为100份橡胶、5～10份金属氧化物活性剂、1～2份促进剂、1～2份防焦剂、3～6份胺类防老剂、50～100导电填料(如导电炭黑、石墨等)。导电护套10挤出包覆在绝缘屏蔽9上。导电护套10除了机械保护、有耐环境气候老化等作用外，还有电场屏蔽、接地通道的功能。电容电流要通过导电护套10和导电涂层11流向接地端，所以导电护套20℃体积电阻率应较小，在0.1Ω·m与1Ω·m之间。
美国专利US4,785,138认为为了防止电容电流从电缆交叉接触点处在不同相线间流过引发烧焦，绝缘屏蔽的纵向导电率必须比导电护套的大。其绝缘屏蔽纵向导电率为1～10mS·m(即纵向电阻率100～1000Ω/m)，护套为0.01～0.05mS·m(即20000～100000Ω/m)。而本发明认为电容电流纵向流过绝缘屏蔽接地更容易引起焦烧，更好的办法是让电容电流径向流过导电护套和导电涂层与定子槽中的接地套管接地。这样可以形成多点接地，更为安全可靠。也即是说导电护套的纵向导电率必须大于绝缘屏蔽9的。应用实例中绝缘屏蔽纵向导电率0.48mS·m(即纵向电阻率为2075Ω/m)，导电护套为1.29mS·m(即773Ω/m)。
本发明在导电护套10外面比美国专利USP4,785,138还增加了厚度为5～50μm的导电涂层11。导电护套10中的小分子物质在电缆长期运行中会慢慢析出到电缆表面，增加电缆和接地套管间的接触电阻，致使接地不可靠，在导电护套10外面紧密附着一层致密的导电涂层11就可解决此问题。导电涂层11的另一个作用是减少电缆在压入定子槽中摩擦力。导电涂层11是氟碳涂料，具有良好的导电性和润滑性。导电涂层11交联固化后与导电护套10有很好的附着力，并可随着导电护套10的伸缩变化而变化，即具有优异的柔韧性，另外还具有较好的导电性，不会增加导电护套与接地套管间的接触电阻。导电涂层11是耐候耐腐蚀的，可以增加电缆寿命。导电涂层11的配方组分为100份含氟共聚物、10～30份异氰酸类固化剂、60～90份稀释剂、10～20份导电剂。考虑到橡胶电缆能承受的极限，导电涂层11能在常温至240℃交联固化。
图1为美国专利USP4,785,138涉及的橡胶绝缘绕组电缆的结构示意图。
图2为本发明的绕组电缆的结构示意图。
图3为导体6是绞合紧压圆线的横截面示意图。
图4为导体6是异型紧凑导体的瓦形横截面示意图。
图5为导体6是异型紧凑导体的Z形横截面示意图。
具体实施例方式
实施例1用作磁悬浮的中压长定子绕组电缆额定电压-10kV导体采用60根软铝导线分5层绞合紧压，相邻层的绞合方向相反，紧压系数为91％。并在加热炉中退火，导电率为62％IACS。
导体屏蔽和绝缘屏蔽相同，配方组分都为90份EPDM、10份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、5份润滑剂、2.5份交联剂、70份导电炭黑、1.5份防老剂、20份加工油。其20℃体积电阻率为1.0Ω·m，断裂伸长率超过400％。
绝缘配方组分为90份EPDM、10份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、5份润滑剂、2.5份交联剂、60份煅烧陶土、1.5份防老剂、20份加工油。其20℃体积电阻率大于1.0×1013Ω·m，耐电压超过30MV/m，完全满足中压电缆要求。断裂伸长率同样超过400％。这样电缆在弯曲时，导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽的形变可保持一致，不会发生开裂或分层现象。
导电护套配方组分为100份橡胶、10份金属氧化物活性剂、1.5份促进剂、1份防焦剂、4份胺类防老剂、60导电炭黑。其抗张强度大于15MPa、断裂伸长率超过300％，同时还具有良好的耐磨性能，可以给电缆提供良好的机械保护。导电护套20℃体积电阻率仅为0.5Ω·m。这样一来，导电护套纵向导电率为1.29mS·m(即纵向电阻率773Ω/m)，而绝缘屏蔽为0.48mS·m(即2075Ω/m)，电容电流就可以通过导电护套径向流向定子槽中的接地套管，起到多点有效接地的作用。
导电涂层配方组分为100份氟乙烯和烃基乙烯基醚共聚物(FEVE)、19份异氰酸类固化剂、20份氨脂类稀释剂、50份苯类稀释剂、15份导电剂。导电涂层在180℃交联固化6min后，就紧密粘附在导电护套上了，电缆任意弯曲也不会导致导电涂层开裂或脱落。电缆在实际使用中也没有出现喷霜现象。增加该导电涂层后，电缆的滑动摩擦系数减小到涂覆涂层前的10％。
本发明电缆24kV局部放电仅为2.5pC(国家标准要求不超过20pC)，经过弯曲直径6D(D为电缆外径)的正负3次弯曲后局部放电也只有2.7pC，而极限情况下弯曲直径达到为1.5D时的局部放电为3.5pC。这是由于导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽的断裂伸长率相近，电缆在弯曲时，它们的形变一致，没有发生开裂或分层。即使在零下25℃下经过正负3次弯曲直径为1.5D的弯曲后，本发明电缆的导体屏蔽、绝缘和绝缘屏蔽的界面也不会开裂分层。
经过上述弯曲的电缆导体中通电流加热到(95～100)℃，保持至少2h，然后在空气中自然冷却至少3h，经过这样20次循环，共160h的试验后，局部放电仍较低，为11pC。这正是由于绝缘的配方组分与导体屏蔽和绝缘屏蔽的相似，减少相互间的不良影响，增加了电缆寿命的原因。本发明电缆经过上述试验后，在90kV的电压下40min后才被击穿，也说明其寿命长可靠性高。
本发明电缆性能完全满足IEC 60502-2《额定电压1kV(Um＝1.2kV)到30kV(Um＝36kV)的挤压绝缘电力电缆及其附件第2部分额定电缆从1kV(Um＝1.2kV)到30kV(Um＝36kV)的电缆》中相关要求以及直线电动机长定子绕组电缆的技术要求。
实施例2用作变压器的绕组电缆额定电压-10kV导体分5层绞合，里面两层为铜圆线，外面3层铝导线截面为Z形，相邻层的绞合方向相反，并在加热炉中退火。
导体屏蔽和绝缘屏蔽相同，配方组分都为70份EPDM、30份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、10份润滑剂、3份交联剂、90份导电炭黑、2份防老剂、15份加工油。
绝缘配方组分为70份EPDM、30份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、10份润滑剂、3份交联剂、80份煅烧陶土、2份防老剂、15份加工油。
导电护套配方组分为100份橡胶、10份金属氧化物活性剂、1份促进剂、2份防焦剂、6份胺类防老剂、90导电炭黑。
导电涂层配方组分为100份含氟共聚物、25份异氰酸类固化剂、30份氨脂类稀释剂、60份苯类稀释剂、20份导电剂。
实施例3用作发电机绕组的电缆额定电压-35kV导体采用软铜导线分4层绞合，外面2层铝导线截面为瓦形，相邻层的绞合方向相反，并在加热炉中退火。
导体屏蔽和绝缘屏蔽相同，配方组分都为80份EPDM、20份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、3份润滑剂、4份交联剂、60份导电炭黑、3份防老剂、10份加工油。
绝缘配方组分为80份EPDM、20份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、3份润滑剂、4份交联剂、70份煅烧陶土、3份防老剂、10份加工油。
导电护套配方组分为100份橡胶、7份金属氧化物活性剂、2份促进剂、1份防焦剂、3份胺类防老剂、75导电炭黑。
导电涂层配方组分为100份含氟共聚物、15份异氰酸类固化剂、15份氨脂类稀释剂、40份苯类稀释剂、10份导电剂。
权利要求
1.一种发电机、电动机和变压器用中压绕组电缆，其特征在于由导体(6)、导体屏蔽(7)、绝缘(8)、绝缘屏蔽(9)、导电护套(10)和导电涂层(11)构成；所述的导体屏蔽(7)和绝缘屏蔽(9)，在20℃体积电阻率在0.7Ω·m与1.5Ω·m之间，以质量份表示的配方组分是70～90份三元乙丙橡胶、10～30份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、2～10份润滑剂、2～4份交联剂、50～100份导电炭黑、1～3份防老剂、10～20份加工油；所述的绝缘(8)以质量份表示的配方组分是50～90份三元乙丙橡胶、10～50份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、2～10份润滑剂、2～4份交联剂、50～100份煅烧陶土、1～3份防老剂、10～20份加工油；
2.根据权利要求1所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导体(6)横截面形状是绞合紧压圆线，导体绞合层数至少为两层，选用导体材料是软态铝，其导电率依据国际退火铜标准，在61％IACS与63％IACS之间。
3.根据权利要求1所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导体(6)横截面形状是瓦形或Z形，导体绞合层数至少为两层，导体材料是铝、铜、铜铝复合双金属、铝合金、铜合金、镍或银。
4.根据权利要求1所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导体屏蔽(7)、绝缘(8)和绝缘屏蔽(9)采用三层同时挤出的工艺包覆在导体上，相互间紧密粘结，导体屏蔽(7)与导体(6)也紧密接触并填满导体(6)表面的空隙。
5.根据权利要求1所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导电护套(10)在20℃体积电阻率在0.1Ω·m与1Ω·m之间，以质量份表示的配方组分是100份橡胶、5～10份金属氧化物活性剂、1～2份促进剂、1～2份防焦剂、3～6份胺类防老剂、50～100导电填料；
6.根据权利要求1或5所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导电护套(10)的纵向导电率大于绝缘屏蔽(9)的纵向导电率。
7.根据权利要求1所述的中压绕组电缆，其特征在于，所述的导电涂层(11)以质量份表示的配方组分是100份含氟共聚物、10～30份异氰酸类固化剂、60～90份稀释剂、10～20份导电剂。
全文摘要
本发明涉及一种高柔软的橡胶绝缘中压电缆，属于新型电工材料。本发明可作为发电机、电动机(特别是直线电动机)、变压器的绕组电缆。由导体(6)、导体屏蔽(7)、绝缘(8)、绝缘屏蔽(9)、导电护套(10)和导电涂层(11)构成。
文档编号H01B3/18GK1652261SQ200510023600
公开日2005年8月10日 申请日期2005年1月26日 优先权日2005年1月26日
发明者张秀松, 吴祥明, 刘旌平, 季世泽, 黄靖宇, 王佩龙, 毛伟杰, 曾纪刚, 田义龙 申请人:上海电缆研究所