用于高电压集肤效应追踪加热的屏蔽的导线的制作方法

本申请要求2016年5月10日以相同的标题提交的并且通过引用完全并入这里的美国临时专利申请no.62/334346的优先权权益。

背景技术：

本发明的领域是高电压加热电缆。更具体地，本发明涉及用于集肤效应热追踪系统部件的导线设计。

在石油和天然气工业中，管路必须在许多英里的距离上被加热。集肤效应电热追踪系统理想地适合于达到12英里(20千米)每电路的长传递管路。该系统被设计用于该特别应用。这个系统的应用包括材料传递管路、融雪和除冰、储罐基部加热、海底传递管路和预制的预绝缘管路。在集肤效应加热系统中，在热连接到要被热追踪的管道的铁磁热管的内表面上产生热。电绝缘的耐热的导体被安装在热管内并且在远端部连接到该管。交流电流(ac)穿过绝缘导体并且通过热管返回。

由于电荷差形成在该管的表面和绝缘导体的表面之间并且超过空气的击穿电场(3×10⁶v/m)，集肤效应加热系统的铁磁热管倾向于电晕效应。对于需要较高电压电位来驱动电流(这也导致较多电荷积累在该两个表面之间)的较长管路，这个效应变成重要问题。积聚的静电可能损坏或过早地老化绝缘装置和其它部件，并且在超过大约5kv的电压下可以在电弧放电事件中放电。

在传统的集肤效应加热系统中，加热电缆的芯导体位于绝缘层内。除了绝缘护套接触热管的内表面的点外，加热电缆被空气包围。局部放电由绝缘装置的表面和接地的热管的内表面之间的电荷差引起，该热管沿相反方向输送返回ac；由于集肤效应，热管的内表面相对于热管的其余具有最高电荷密度。长时间的局部放电会腐蚀固体绝缘装置并且最终在接触点导致绝缘装置的击穿。长时间的局部放电也倾向于在热管中的缺陷(空穴、瑕疵、污染物)处始。它也可以引起电晕效应(当电压应力超过临界值时由绝缘系统上的瞬态气体电离引起的局部放电)；在室温下在空气中的开始发生在3×10⁶v/m或大约3×10⁶v/m。

希望的是，加热大约36英里的管路，并且运用大于5kv并且达到10kv或者甚至20kv的电压以便达到希望的长度。因此，将希望使用一种装置来消除局部放电的危险。

技术实现要素：

本发明通过提供一种加热电缆克服前述缺点，该加热电缆能够经受至少5kv的连续施加的电压。加热电缆包括芯导体和包围芯导体的电绝缘层。加热电缆还包括包围电绝缘层的外部暴露的半导电层。半导电层与铁磁热管的内径物理且电接触。

在一个方面中，本公开提供一种集肤效应加热系统，该集肤效应加热系统包括：铁磁热管，该铁磁热管将热施加到输送管道；和加热电缆，该加热电缆被布置在热管的内部中，并且与热管协作以产生热，并且通过集肤效应与电源一起完成电路。加热电缆包括：导体；包围导体的内部半导电层；包围内部半导电层的电绝缘层；和外部半导电层，该外部半导电层包围电绝缘层并且具有接触热管的内表面的外表面。

外部半导电层具有一电阻率，由此，当交流电流在超过5kv的电压下被施加到导体时：发生在该外部半导电层的外表面上的局部放电不超过20纳库伦；并且仅仅返回电流的微小部分被转移到该外部半导电层使得该微小部分通过该热管的损失不影响该热管的热输出，该返回电流与该导体的交流电流沿相反的方向在该热管的内表面上流动。外部半导电层的电阻率可以在10^-1和10⁵ohm-cm之间(包括10^-1和10⁵ohm-cm)，或者更特别地在5和50ohm-cm之间(包括5和50ohm-cm)。外部半导电层可以是挤出层，该挤出层被挤出到电绝缘层上。或者，外部半导电层可以是围绕电绝缘层缠绕的半导电性带。

在另一方面中，本公开提供用于集肤效应加热系统的加热电缆。加热电缆包括：芯导体；包围芯导体的电绝缘层；和包围电绝缘层的外部半导电层，该外部半导电层接触铁磁热管的内表面使得加热电缆与热管和施加交流电流到芯导体的电源一起形成电路，该电路引起热管的集肤效应加热。当在超过5kv的电压下该交流电流被连续地施加到该芯导体时，该外部半导电层减小该加热电缆的局部放电。

该外部半导电层可以具有一电阻率，该电阻率将该外部半导电层的外表面处的局部放电限制在20纳库伦或以下；该外部半导电层还可以阻止在该热管的内表面上流动的电流的大部分流入该外部半导电层。当在10kv的电压下该交流电流被连续地施加到该芯导体时，该外部半导电层可以减小该加热电缆的局部放电；该外部半导电层可以具有一电阻率，在该电压被施加到该芯导体时，该电阻率将该外部半导电层的外表面处的局部放电限制到至多10纳库伦。

该外部半导电层可以具有10^-1和10⁵ohm-cm之间的电阻率(包括10^-1和10⁵ohm-cm)。外部半导电层可以通过挤出过程被固定到电绝缘层，或者外部半导电层可以是围绕电绝缘层缠绕的一段半导电性带。加热电缆还可以包括位于该芯导体和该电绝缘层之间的内部半导电层。电绝缘层可以是第一绝缘材料，并且外部半导电层可以是第一绝缘材料和第一导电材料的组合或合成。

本发明的前述和其它方面和优点将从以下描述出现。在该描述中，参考形成描述的一部分的附图，并且在该附图中通过说明的方式示出本发明的优选实施例。然而，这种实施例不一定代表本发明的全范围，并且因此参考权利要求并且在这里用来解释本发明的范围。

附图说明

专利或申请文件包含彩色的至少一个附图。具有彩图的这个专利或专利申请公开的副本将在请求且支付必要费用的情况下由专利局提供。以下附图被提供：

图1是根据本公开的各种实施例的加热电缆的透视图；

图2a是剖视前视图并且图2b是剖视侧视图，示出根据本公开的各种实施例的图1的加热电缆在热管内的布置；

图3示出根据本公开的各种实施例的加热电缆，该加热电缆被示出为布置在热管中并且布置在输送管上作为集肤效应热追踪系统的一部分；并且

图4是根据本公开的加热电缆的各种实施例的电局部放电对操作电压的图。

具体实施方式

现在参考图，图1示出根据各种实施例的加热电缆100。示出的加热电缆100被示出为每一层被随后剥去以清楚地示出根据至少一个实施例的其构造。加热电缆100在其芯部包括导体102。导体102可以为任何合适的导电材料，该合适的导电材料包括镀锡铜、镀镍铜、铝、钢、金、铂、银和其它。导体102可以为实心导线或者可以为绞合线。导体102被封装在不导电的电绝缘层104内。电绝缘层104可以为任何合适材料，该任何合适材料包括硅树脂、pfa、edpm、xple和其它。在一些实施例中，导体102的外周完全地物理接触电绝缘层104。在其它实施例中，导体102被封装在内部半导电层106中或者直接电接触内部半导电层106。在这些实施例中，内部半导电层106被封装在电绝缘层104内。

外部半导电层108包围电绝缘层104。外部半导电层108可以是任何合适的半导电材料、半导电材料的组合、或电绝缘材料与导电材料的半导电组合。在一些实施例中，外部半导电层108可以具有与绝缘层相同的基础材料(例如，硅树脂，pfa等等)，但可以混合、掺杂或另外装载有炭黑或另一导电材料以使得该层108是半导电的。特别地，并且如这里进一步描述的，外部半导电层108的组成可以被选择使得接触被加热的热管的内表面的外部半导电层108减少或消除电晕局部放电而不干涉加热电缆100和实现集肤效应加热的热管之间的电关系。因此，包括外部半导电层108的材料的电阻率可以足够低以减少或消除加热电缆100的外表面处的电晕。具体地，电阻率可以足够低以防止电晕放电，即使在其中加热电缆100不连续地接触协作的热管的沿加热电缆100的长度的部位。

此外，外部半导电层108的电阻率可以足够高使得与导体102中的交流电流沿相反方向沿协作的热管(例如，图2的热管200)的内表面流动的返回交流电流基本上不流入外部半导电层108。特别地，被理解到，返回集肤效应电流的热管的传输可以贡献集肤效应追踪加热系统中的热能的超过一半(典型地大约70％)(加热电缆贡献其余热能)；外部半导电层108可以具有最多仅允许返回电流的微小部分流入或流过外部半导电层108的电阻率，使得热管的集肤效应加热不被破坏。例如，外部半导电层108可以从热管的内表面转移少于大约1％的返回电流。

在最小化或消除电晕放电和热损失的各种实施例中，外部半导电层108的体积电阻率可以在10^-1和10⁶ohm-cm之间，或在10⁰和10²ohm-cm之间，或在5和50ohm-cm之间(包括边值)。在一些实施例中，体积电阻率可能地可以是10⁹或更高，同时保持有益的。在一些实施例中，外部半导电层108可以通过标准挤出和/或共同挤出过程被施加到绝缘层104，并且可以具有大约0.5mm的最小厚度。在其它实施例中，外部半导电层108可以通过其它方法被施加，诸如将一段半导电性带围绕绝缘层104缠绕以形成外部半导电层108。合适的半导电性带可以具有大约0.1mm的最小厚度。在任何应用方法中，外部半导电层108的最大合适厚度受成本考虑、材料的可用性、应用的容易性和损坏阻力(即，在安装期间被拉过热管的损坏阻力)限制。对于诸如总体加热电缆100直径和相对于加热电缆100安装在其中的热管的内径的直径的实际考虑，外部半导电层厚度可以具有5mm和10mm之间(包括边值)的上限。

现在参考图2a-2b，根据各种实施例的安装在热管200中的加热电缆100的前视和侧视剖视图被示出。加热电缆的芯导体102可以由内部半导电层106包围，虽然在一些实施例中，内部半导电层106可以被省略。绝缘层104然后包围导体和内部半导电层106。外部半导电层108包围绝缘层104。加热电缆100可以布置在热管200的内部中(没有按比例示出)。加热电缆100可以由热管200的内部202中的空气包围，除了在外部半导电层108的外表面208与热管200的内表面210接触的点204或部分处。当导体102和热管200连接到交流(ac)电源220以形成如这里描述的电路(即，导体102连接到“热的”并且热管200连接到“中性的”)时，在没有外部半导电层108的情况下积聚在绝缘层104的表面上并且作为电晕放电(部分放电)的电荷现在可以通过半导电层108没有电晕地耗散，该半导电层物理且电地接触热管200的内表面210，有效地减小或消除电晕及其不良效果。

以这种方式的加热电缆100的屏蔽改善在5000伏以上的电压下用于管道系统中的集肤效应加热的加热电缆100的应用，其中返回交流电流由热管200输送并且集中在从内表面210到热管200中测量的“集肤深度”内(即，具有最高电荷密度)。集肤深度与热管200的磁导率的平方根成反比。在如图3中所示的典型的集肤效应加热布置中，铁磁热管300(该铁磁热管可以是图2的热管200)被放置在用于运输油、气体或其它重流体的输送管道304上。本公开的半导电屏蔽的加热电缆位于热管300内。热绝缘装置310被布置在输送管道304和热管300周围以保留热。变压器306和控制盒308在电连接盒302与热管300电通信。这些连接盒302允许加热电缆和/或热管300的各个部分或电路被修改、更换或维修而不干扰绝缘装置310。电路长度由电缆尺寸、电缆电压、温度额定值、热管尺寸和附接方法的组合确定。目前可行的是使用接近5000伏的供应电压从单个源加热到25千米(15英里)。这个电路长度部分地由电弧放电事件的危险限制。由于电荷积聚使用目前的集肤效应加热系统被消除或减轻，较高的电压可以被施加到加热电缆。因此，热管300可以被配置成在线路引线连接件302之间具有较长的距离。

现在参考图4，实验被执行用来验证根据本公开的热管内的半导电的加套的加热电缆的改善的性能(相对于如现有技术中使用的没有屏蔽半导电层的传统加热电缆的性能)。在y轴线上，以纳库伦为单位的平均局部放电的测量值被绘制在关于热管的加热电缆的操作电压上。曲线404、406、408、410示出具有传统的无屏蔽的加热电缆(用于热管的集肤效应加热)的热管经历极高水平的局部放电。因此，它们传统地被限制到5kv或更小的操作电压。根据本公开的各种实施例的使用半导电屏蔽层的加热电缆在曲线400、402中被绘制；特别地，曲线400示出热管内的平均局部放电，该热管使用被修改成包括目前的外部半导电层的曲线408的加热电缆。可以看到，即使在极高的电压下，这些加热电缆不经历20纳库伦以上的局部放电，并且甚至可以在10kv下操作而没有10纳库伦以上的局部放电。本发明的公开的实施例的另外测试已经示出在达到14kv下仅仅50-200皮库伦的局部放电。

本发明已经根据一个或更多个优选实施例被描述，并且应当理解，除了明确阐明的那些外，许多等同物、替代物、变型和改进型是可能的，并且在本发明的范围内。