专利名称：将几何应力消除元件传递到高压电缆端接的方法
技术领域：
本发明涉及将应力消除元件传递到高压电缆端接的方法，更具体地涉及使用冷缩技术将几何类型的应力消除元件传递到所述端接。
背景技术：
电力电缆无处不在，并且用来跨越大电网或网络分配电能，将来自发电厂的电力传送到电力用户。电力电缆特有地由导体(典型的是铜或铝以及典型的是多绞线管)组成，并且可以由半导体和一个或多个绝缘材料层围绕。金属线可以围绕半导体成螺旋形缠绕以用作接地线，以及电缆套管围绕整个的结构以保护所述电缆。电力电缆可以构造用于传送高压(大于约50,000伏特)，中压(在约1,000伏特和约50,000伏特之间)或者低压(小于约1,000伏特)。
由于电力电缆跨越电网传输到电力用户，所以通常必需或需要周期性地端接电缆，以与电气设备形成连接。典型地，使用端接来在隔离的电缆和未屏蔽未绝缘的导体之间形成电连接。该端接器安装在绝缘电缆的端部上。
当电力电缆端接时导体通过移除预定长度的电缆套管和一些预定长度的电缆半导体而暴露。典型地，接地线围绕电缆套管收集和聚集以将半导体接地。绝缘体和半导体之间的间距提供与处于100％电势的带电导线和处于0％电势的接地半导体的爬电距离。
电缆的端接在电缆的电特性中产生突然的中断。端接还将电缆绝缘暴露到很可能包含气体、湿气和微粒的外界环境。暴露的导体还易于腐蚀。电缆的半导体层的中断增加了在半导体端部的绝缘的最大电压梯度(伏特每单位距离，例如伏特每英寸)。中断还改变了引起的电场的形状和电应力，以致于增加了绝缘击穿的风险。因此，其中端接器的一个功能是补偿当在电缆中存在中断时产生的电场和电应力的变化。端接器还用于保护所述端接的端部免于受外围环境影响。
存在两大类端接器，″湿″型和″干″型。在湿型端接器中，绝缘体典型地包含施加在半导体层的端接端部的应力消除元件。诸如油的合适的电介体材料典型地填充电缆和绝缘体内壁之间的腔。在干型端接器中，绝缘体典型地包含具有内径的应力消除元件，该元件提供在电缆绝缘上以及典型地在电缆半导体上的干涉配合。存在用于湿或干型端接器的两大类应力消除元件(1)电容型应力消除元件以及(2)几何型应力消除元件。
电容型应力消除元件可以由不可压缩的弹性体形成，以及在设计上通常是圆柱形管。电容型应力消除元件主要依靠物料选择以控制由端接电缆引起的电场和电应力。有用的材料应该是优良的绝缘体并且具有大的介电常数。例如，对于中压(例如15kV)电端接，电容应力消除元件的介电常数应该大于约12。对于高压(例如69kV)电端接，介电常数应该大于约20。尽管电容型应力消除元件(通常被通俗称为″高K管)在低压和中压应用中是有用的，但是它们在高压应用中较少有效。虽然高K管可商用于69kV端接系统，但是本领域技术人员通常理解，在高压由于电应力会导致高K管壁破裂。
几何型应力消除元件主要依靠几何设计以及材料类型以控制由端接电缆引起的电场和电应力。在一种设计中，几何应力消除元件在形状上是圆锥形的，并且包含嵌入绝缘体中的半导体电极。
冷缩技术已经用于传递电容应力消除元件。例如，高K管已经预加载到15kV、39kV和69kV端接系统的冷缩管。例如，对于69kV系统，诸如由具有约11到25的介电常数的EPDM形成的高K管的电容型应力消除元件可以是大约0.200英寸(5mm)厚。高K管的长度典型地由管的介电常数确定。如本领域技术人员将理解的，具有可商用的可以支持0.200英寸厚高K管的冷缩管。
与中低压端接器的尺寸相比，在高压电缆中用于端接电缆的各部分的尺寸可以显著地增加。对于几何型应力消除元件，尺寸上的这种增大尤其明显。由于施加于管上的压缩应力增加，通过较大的应力消除元件，变得更难以使用冷缩管将它们传递到端接。
将几何型应力消除元件现场安装到端接电缆的当前方法需要几个人的合作并且需要利用诸如轱辘(come-a-long)的专用设备。在典型的工艺中，将端接电缆润滑，并且借助于所述轱辘将几何型应力消除元件推压到润滑的端接电缆上。这种安装方法往往劳动密集，并且容易出现安装误差。
所述端接还将典型地包含多个裙部。传统地，裙部与绝缘体预模制在一起并且该组合安装在端接上。例如，采用瓷套的端接将典型地包含预定数量的预模制瓷裙部以增加从端接的顶部到底部的距离。
因此，存在改进几何型应力元件到端接高压电缆的安装工艺的需要。并且，还存在舍弃预定数量的裙部的需要，以在安装所需数量的裙部时给用户更多的灵活性，这些裙部是实现指定电压等级的脉动性能所要求的。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种将几何型应力消除元件传递到电缆的方法。该电缆包括由电缆绝缘、电缆半导体、接地导线和电缆套管的至少一个同轴层围绕的导体。该方法包括下列步骤(1)端接该电缆；(2)使该端接电缆成锥形，该成锥形步骤包括移除电缆套管的一部分，收集接地导线，移除电缆半导体的一部分以致于电缆绝缘的一部分暴露并且从该半导体突出，以及电缆半导体的一部分暴露并且从该电缆套管突出；(3)提供预加载到具有孔的冷缩管上的几何型应力消除元件，该应力消除元件包括嵌入绝缘体的半导体电极；(4)将端接电缆的锥形端置入冷缩管的孔内；以及(5)移除该冷缩管以致于应力消除元件设置在电缆半导体的一部分和电缆绝缘的一部分之上。该电缆是可用于提供高压的等级。
在另一方面，本发明涉及包括设置在预拉伸管上的裙部的模块化裙部系统，该组合预加载在冷缩管上。
在又一个方面，本发明涉及一种使用户控制用于高压电缆端接的裙部的数量的方法。该电缆端接包括具有暴露的电缆绝缘的端接电缆。该方法包括下列步骤(1)提供包括设置在预拉伸管上的裙部的模块化裙部系统，该组合预加载在冷缩管上；以及(2)通过移除冷缩管将该模块化裙部系统传递到暴露的电缆绝缘，以使该裙部和预拉伸管收缩到电缆上。
本发明的一个优点是，在应力锥的情况下，允许不利用轱辘而将几何型应力消除元件传递到端接高压电缆。本发明的传递方法比当前的现场安装方法的劳动密集度更小。因为应力锥预加载到冷缩芯上，所以不需要轱辘来安装应力锥。
本发明的另一个优点是，因为本发明的传递方法仅需要移除冷缩管的工作，所以它可以将几何型应力消除元件的安装误差最小化。
本发明的又一优点是，通过利用模块化裙部系统和经冷缩技术将模块化裙部系统传递到端接电缆而提供了方便。
本发明可以参考下列附图更好地描述，其中
图1是用于干型端接器的预加载到冷缩管上的示例性几何应力锥的示意性截面图；图2是用于湿型或干型端接器的预加载到冷缩管上的另一示例性几何应力锥的示意性截面图；图3是一平面图，具有在插入冷缩管内的电缆的横截面的部分，该冷缩管支撑作为端接器的一部分的几何应力锥；以及图4是示例性的用于高压电缆的模块化的两个裙部系统的示意性截面图，其中该裙部已经预加载到冷缩管上。
这些附图是理想化的，不是按比例描绘的，并且仅用于说明性的目的。在下面详细说明中使用的关于尺寸的所有数值由词“约”修饰。
具体实施例方式
在下面示例性实施例的详细说明中，参考形成其一部分的附图，并且其中是以可实施本发明的示例性具体实施例的方式示出。应该理解，也可以使用其他的实施例并且可以进行结构上的或逻辑上的改变，而不脱离本发明的范围。因此，下列的详细说明不是限制性的，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。
现在参考附图，尤其是参考图1，几何型应力消除元件50已经预加载到冷缩管70上，在这种情况下该应力消除元件是应力锥。该应力消除元件可以机械地伸展并且加载到冷缩管上。这种具体的应力消除元件可用于干型端接器。应力消除元件50具有第一绝缘体52，半导体电极54和第二绝缘体56。该应力消除元件可利用诸如模制的传统方法形成。在一个实施例中，图1的应力锥具有500毫米(mm)的长度。当从其中心线计算时，该应力锥的最大厚度是70mm。第一和第二绝缘体的最小介电常数是2。第一和第二绝缘体的最大量介电常数是6。半导体电极的体积电阻率是10000欧姆-厘米。这种具体应力锥具有4千克(kg)的质量。
图2示出了另一个示例性几何型应力消除元件60，其也是一种应力锥，并且已经预加载到冷缩管80上。这种具体的应力消除元件可用于干型端接器或湿型端接器。应力消除元件60具有绝缘体62和半导体电极64，以及可以利用诸如模制的传统方法形成。在一个实施例中，图2的应力锥具有600mm的长度。当从其中心线计算时，该应力锥的最大厚度是45至50mm。在一个实施例中，绝缘体的最小介电常数是2。在另一个实施例中，绝缘体的最大量介电常数是6。半导体电极的体积电阻率是10000欧姆-厘米。该应力锥具有2kg的质量。
图1和2的示例性实施例在设计上是圆锥形的，并且与高K管或接头相比，由于其质量，它们在冷缩芯上强加了大量的环向应力。接头，甚至用于高压应用中的那些，通常设计成在接头的整个长度上更均匀地分配质量。接头泛指配电系统中引入的电缆连接到至少一个引出的电缆的那些部分。
在图1和2的实施例中，在冷缩管上的环向应力集中围绕应力锥最厚的部分。使用冷缩技术传递诸如图1和2的应力锥的大型元件变成非常大的技术挑战，该元件在冷缩管上施加较大且不均匀的压缩应力。
在一个实施例中，几何型应力消除元件由弹性材料形成。如在此使用的，术语″弹性体″通常意味着具有超过其原始长度伸展以及当释放时缩回至其原始长度一部分，优选地缩回至接近其原始长度的能力的热塑性或热固性聚合物。示例性合适的弹性材料包括硅橡胶，三元乙丙橡胶(即乙烯-丙烯-二烯系单体(EPDM)橡胶)，聚氨酯橡胶，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯(氯丁橡胶)，丁腈橡胶，丁基橡胶，以及聚硫橡胶。
在几何型应力消除元件中的半导体电极可以通过将炭黑增加到上述引用弹性体中而形成。增加到弹性体的炭黑的量影响其传导率。也可以采用其他的导电材料代替炭黑。在一个实施例中，半导体电极的最小体积电阻率是50欧姆-厘米。在另一个实施例中，半导体电极的最大体积电阻率是10000欧姆-厘米。本领域技术人员可以确定需要增加到该弹性体以实现所需的体积电阻率的炭黑或其他导电材料的量。
图3示出了用于已经在一端部端接的高压电缆10的示例性端接器的一部分。该图示出了在工艺中应力锥的传递。该电缆包含由同轴绝缘层14围绕的中心导线12。半导体16同轴地围绕绝缘。接地线18围绕半导体以及电缆套管21围绕接地线。端接电缆已经是锥形的，以致于部分电缆套管已经移除以暴露电缆半导体的一部分，接地线已经收集并聚集，以及半导体的一部分已经移除以暴露部分绝缘。典型地，接地线形成为连接到地线端子的接地线。如果需要，半导体材料可以应用于暴露的电缆绝缘以延伸该电缆半导体。可以在紧邻电缆半导体的区域在电缆绝缘上喷雾或喷涂该半导体材料。示例性半材料可以包含石墨。
该端接电缆位于冷缩管23的芯内。应力锥20已经预加载到冷缩管上。当预加载到冷缩管上时，应力消除元件是在伸展的状态并且在管上产生压缩应力(也被称为″环向应力″)。该应力锥包括嵌入绝缘20b的半导体电极20a。具有所附冷缩管的应力锥被设置地接近电缆绝缘和电缆半导体之上。
在将应力锥安装到端接锥形电缆期间，通过拉动连续的条23a而移除冷缩管。当拉动该条时，冷缩管逐渐地展开并且应力锥逐渐地收缩以夹紧电缆绝缘和电缆半导体的下面的外围表面。当应力消除元件安装到端接电缆上时，应力锥的半导体电极20a与电缆的半导体16接触。在一个实施例中，应力锥的半导体电极以这样的方式接触电缆半导体，即前者有效地延伸后者，使得从端接电缆引出的等势线被更好地控制从而将它们的密度最小化。
图3还示出了在锥形电缆的暴露的绝缘上的多个裙部28。裙部用作绝缘体，并且在延伸电流必须从端接器的一端到另一端部通过的距离方面它们是有效的。该裙部可以通过将它们推压到电缆绝缘上而一次一个地设置。下面结合图4描述一种替代方法，其中使用模块化的裙部系统。在一个实施例中，裙部材料由上列弹性体形成。本领域技术人员应该理解，使用的裙部的数量取决于电压等级所需的脉冲性能。
现在转向图4，示出了模块化的两裙部系统。裙部78加载到预拉伸管76，并且该组合加载到冷缩管73。在一个实施例中，使用一种机械方法来将裙部加载到预拉伸管上。虽然示出的是模块化的两裙部系统，但是可以将任意数量的裙部加载到预拉伸管。例如，其他的系统可以包括模块化的四裙部，模块化的六裙部，以及模块化的八裙部系统。也可以使用奇数的裙部。
在一个实施例中，预拉伸管由上列弹性体形成。该预拉伸管的设计通常是圆柱形的，沿着其长度具有基本均匀的壁厚度。如果在模块化裙部系统到端接电缆的安装期间使用润滑剂，则该润滑剂基本上不被电缆绝缘或预拉伸管所吸收。
模块化的裙部图案的优点是它允许用户安装所需数量的裙部到端接以实现所需的具体电压等级的脉冲需求。因此，该模块化的裙部减少了保持库存绝缘体的需要，该绝缘体如前所述具有作为绝缘体的一部分模制的预定数量的裙部。例如，用户不必分别库存预模制的一裙部，预模制的两裙部，预模制的三裙部等系统。通过“预模制”，意味着裙部和诸如预拉伸管的部件作为一个单元模制。利用模块化的裙部，用户可以灵活地扩展裙部数量以符合脉冲需求。模块化的裙部系统的另一个优点是通过使用冷缩管容易传递到端接电缆。
完成端接器的安装可能需要各种其他的步骤。例如可能需要诸如机械装置的硬件被安装到端接电缆上。此外，可以在安装应力消除元件之前以及在安装裙部或模块化的裙部系统之前将润滑剂应用于端接电缆。合适的润滑剂是基本上没有被电缆绝缘、电缆半导体或应力消除元件所吸收的一种润滑剂。
现在转向本发明中使用的冷缩管，它通常是圆柱形。在一个示例性实施例中，冷缩管沿着其长度螺旋形地开槽。该连续的凹槽使得冷缩管拔出成连续的带，其通过冷缩管的孔即在管和电缆之间移除。合适的冷缩管在US专利No.3515798(Sieverd)、5670223(Sadlo等)和5925417(Sadlo等)中公开。
一种尤其有用的冷缩管在US专利No.5925417中公开，因为它能够经受更大的压力。图6示出了由具有支承件50的带30形成的冷缩管。其中记载，支承件50沿着带30的长度纵向地延伸。支承件50优选地具有比形成带30的其余部分的材料更大的强度和耐热性。当为了大直径伸展弹性的高压目的时，在带30中包含支承件50形成了一种管，该管在经受大直径伸展的弹性对象的高压力(例如，用于高压电缆的几何应力消除元件)时表现出对过早破裂的增大的抵抗性。支承件50可以是一种热塑性材料，例如ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)树脂，同时带30的其余部分由热塑性材料形成，例如聚烯烃树脂。在一个实施例中，支承件50与带30的主体共同挤压成形。形成带30的其他方法可以由本领域技术人员理解，并且落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种将几何型应力消除元件传递到电缆的方法，该电缆包括由电缆绝缘、电缆半导体、接地导线和电缆套管的至少一个同轴层围绕的导体，该方法包括下列步骤端接该电缆；使该端接电缆成锥形，该成锥形步骤包括移除电缆套管的一部分，收集接地导线，以及移除电缆半导体的一部分，使得电缆绝缘的一部分暴露并且从该半导体突出，并且使得电缆半导体的一部分暴露并且从该电缆套管突出；提供预加载到具有孔的冷缩管上的几何型应力消除元件，该应力消除元件包括嵌入绝缘体的半导体电极；将端接电缆的锥形端设置进入冷缩管的孔内；以及移除该冷缩管，使得应力消除元件设置在电缆半导体的一部分和电缆绝缘的一部分之上；其中该电缆是可用于提供高压的等级。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在移除冷缩管的步骤之后，应力消除元件的半导体电极接触电缆半导体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在使端接电缆成锥形的步骤之后，该方法还包括将半导体材料的涂层施加到紧邻电缆半导体的暴露的电缆绝缘的一部分上的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中半导体材料的涂层通过喷雾喷涂施加。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述半导体材料包括石墨。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在端接该电缆步骤之后，所述方法还包括将至少一个裙部安装到电缆绝缘上的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述裙部和预拉伸管的至少一个由从下列组中选择出来的聚合物材料形成硅橡胶，三元乙丙橡胶，聚氨酯橡胶，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡胶，丁基橡胶，聚硫橡胶，以及它们的组合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在将端接电缆的锥形端置入冷缩管的孔内的步骤之前，该方法还包括将润滑剂施加到电缆半导体的至少一部分和电缆绝缘的至少一部分上的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述润滑剂基本上没有被电缆绝缘、电缆半导体或几何应力消除元件所吸收。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述几何应力消除元件的绝缘体由从下列组中选择出来的聚合物材料形成硅橡胶，三元乙丙橡胶，聚氨酯橡胶，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡胶，丁基橡胶，聚硫橡胶，以及它们的组合物。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述几何应力消除元件的半导体电极由包括炭黑的聚合物材料形成，该聚合物材料从下列组中选择硅橡胶，三元乙丙橡胶，聚氨酯橡胶，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡胶，丁基橡胶，聚硫橡胶，以及它们的组合物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述应力消除元件的绝缘体的介电常数大于约2。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述应力消除元件的绝缘体的介电常数小于约6。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述应力消除元件的半导体电极具有大于约50欧姆-厘米的最小体积电阻率。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述应力消除元件的半导体电极具有小于约10000欧姆-厘米的最大体积电阻率。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷缩管包括沿着其长度纵向延伸的支承件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述支承件与冷缩管共同挤压成形。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述支承件是由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物形成的聚合体。
19.根据权利要求1所述的方法，其用于湿型或干型端接。
全文摘要
提供一种将几何型应力消除元件(50)传递到端接电缆(10)的方法。该电缆(10)包括由绝缘体(14)、半导体(16)、接地导线(18)和电缆套管(21)的至少一个同轴层围绕的导体(12)。首先，使该端接电缆成锥形以暴露导体(12)的一部分以致于突出超过绝缘体(14)，该绝缘体突出超过半导体(16)，该半导体突出超过志线(18)。几何应力锥(50)预加载到冷缩管(70)上。该端接的锥形电缆插入冷缩管(70)内。该冷缩管(70)被移除，并且几何型应力锥(50)坍塌到锥形电缆上。该电缆(10)是可用于提供高压的等级。
文档编号H02G15/18GK101040413SQ200580035260
公开日2007年9月19日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年10月14日
发明者涅戈·K·恩古彦, 托德·H·理查森, 威廉·L·泰勒, 张鸣 申请人:3M创新有限公司