本发明总体上涉及电缆领域，即用于电力传输，特别是交流(ac)电传输的缆线，更具体地涉及基本上旨在被部署在水中的水下电力传输缆线。
背景技术：
电力是现代生活中必不可少的部分。电力传输是电能从发电厂到位于接近需求中心的变电站的批量传送。传输线大多使用高电压三相交流电(ac)。电力以高电压(110kv或以上)传输来减小在长距离传输中损失的能量。电力通常通过高架电力线路被传输。地下电力传输具有显著更高的成本和更大的操作上的限制，只是有时在城市地区和敏感地点被使用。最近，水下电力缆线提供了向小岛屿或海洋生产平台提供功率而不需要它们自己电力生产的可能性。在另一方面，水下电力缆线还提供了将海上产生的电力(风、潮汐、洋流……)带上岸到大陆的可能性。
这些电力缆线通常是钢丝铠装缆线。钢丝铠装缆线10的典型构造由图1示出。导体12通常由纯铜绞线制成。诸如由交联聚乙烯(xlpe)制成的绝缘体14具有良好的耐水性和优良的绝缘特性。在缆线中的绝缘体14确保导体和其它金属物质不会与彼此接触。诸如由聚氯乙烯(pvc)制成的垫层16被用来在缆线的内层和外层之间提供保护边界。诸如由钢丝制成的铠装18提供机械保护，特别是提供对外部冲击的保护。此外，铠装丝18可以缓解在安装期间的张力，并且因此防止铜导体的伸长。诸如由黑色pvc制成的合适的护套19将缆线的所有部件保持在一起，并且提供对外部应力的附加保护。
在使用中，水下缆线通常安装在水中，通常埋在水底地面或海床下方，但其一部分可能放置在不同的环境中；例如，这种情况是指水下链路的岸端、中间岛屿的交叉口、毗连的陆地部分、运河的边缘、从深海到港口的过渡以及类似的情况。相对于海上或岸上主路线的情况，与这些环境相关的通常是较差的热工性能和/或较高的温度。
电流额定值(即，缆线可连续或者根据给定负载而安全承载的电流量)是电力缆线的重要参数。如果长时间超过电流额定值，由产生的热量引起的温度升高可能会损坏导体绝缘并导致缆线的电特性或机械特性持续恶化。因此，电力缆线的配置(例如芯的尺寸)由电流额定值确定。缆线的电流额定值取决于缆线芯尺寸、电力分配电路的操作系统参数、用于所有缆线部件的绝缘和材料的类型以及周围环境的安装条件和热工性能。
在ac电力缆线中，由在导体中流通的电流产生的磁场在铁磁材料中或者在具有高磁导率的材料中(例如在用作铠装丝的碳钢中)引起磁损耗。磁损耗导致(或转移为)材料中的热量。这种感应热量增加到由于电流传输而由导体产生的热量，可能会限制电力缆线的总体电流承载能力，特别是当电力缆线部署在具有低或不足的散热能力的环境中时。
已经研究了解决方案以避免电缆由于缆线铠装中的损失所产生的热量而导致的电力输送能力降低。
一种建议是通过增加缆线的尺寸，特别是处于散热不足的状态的那些缆线区段的尺寸。然而，这种解决方案并不理想，因为它意味着更重且更昂贵的缆线。具有由不同尺寸的不同区段制成的缆线的缺点是缆线连续性受损，这对缆线机械阻力是有害的，并且它需要缆线区段之间的特殊过渡接头并且在铺设操作期间需要小心处理。另外，电力传输缆线的这些过渡接头还可能产生附加的电损失。
美国专利申请公开号20120024565公开了解决该问题的另一种解决方案。它公开了一种电力传输缆线,该电力传输缆线包括一个第一区段和一个第二区段，第一区段设置有由第一金属材料制成的缆线铠装，第二区段设置有由第二金属材料制成的缆线铠装。第二金属材料基本上没有铁磁性。第一区段和第二区段彼此纵向邻接，并且防腐蚀保护对应地设置在与第一区段中的铠装元件和第二区段中的铠装元件之间的接触点。防腐蚀保护包括在第一区段中的铠装元件和第二区段中的铠装元件之间插入的锌棒或锌条。根据该建议的解决方案，附加的锌棒或锌条应该附接在将第一区段与第二区段连接的附加护套或带中，并且因此电力缆线的生产变得复杂且昂贵。
技术实现要素：
本发明的主要目的是克服现有技术的问题。
本发明的另一个目的是提供一种在不同区段处具有不同热量生成能力的电力缆线，并且该电力缆线可以以低成本生产。
本发明的另一个目的是生产由不同丝制成的复合丝作为用于电力缆线的铠装结构。这种复合丝具有足够的拉伸强度来满足铠装电力缆线的要求。
本发明的另一个目的是生产具有比包括具有不同的热量生成的区段的已知缆线更可靠的腐蚀性能的铠装电力传输缆线。
根据本发明的第一方面，提供了一种电力传输缆线，包括：至少第一部分，被设置有具有第一拉伸强度的多条第一铠装丝，上述多条第一铠装丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第一金属保护涂层的第一金属材料制成，上述第一金属材料具有第一磁导率μ1；至少第二部分，被设置有具有第二拉伸强度的多条第二铠装丝，上述多条第二铠装丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第二金属保护涂层的第二金属材料制成，上述第二金属材料具有第二磁导率μ2，并且μ2≠μ1，上述第一铠装丝的每条第一铠装丝在接合部分处被纵向接合到上述多条第二铠装丝中的一条，上述接合部分具有第三拉伸强度，其中第三拉伸强度至少大于第一拉伸强度和第二拉伸强度中较低的拉伸强度的80％。
根据本发明的电力传输缆线可以是三相水下电力传输缆线。因此，电力缆线包括高压、中压以及低压缆线。现在用在中电压到高电压(例如，对于海上风电场的现场成缆)的普通电压水平是对于现场成缆的33kv以及对于出口缆线的150kv。这可以分别向66kv和220kv演变。如果绝缘技术允许建造的话，高压电力缆线还可以延伸到280kv、310kv或380kv。另一方面，根据本发明的电力缆线可以传输具有不同频率的电力。例如，它可以传输标准的ac电力传输频率，欧洲为50hz，北美和南美为60hz。而且，电力缆线也可以应用于使用17hz的传输系统，例如，德国铁路或其他频率。
第一铠装丝的第一金属材料的磁导率μ1不同于第二金属材料的磁导率μ2。例如，如果μ1<μ2，则指示当第一铠装丝和第二铠装丝装备相同ac缆线时，第一铠装丝的磁损耗小于第二铠装丝的磁损耗。因此，第一铠装丝产生较少的磁损耗或热量，并且更希望用于散热不足的区域。第一铠装丝中的一条与第二铠装丝中的一条纵向接合。多条第一铠装丝和多条第二铠装丝单独地且纵向地连接以形成多条复合丝。由这种复合丝铠装的电力缆线在不同部分处具有不同的热量生成。换言之，这种电力缆线在不同散热的环境中几乎可以保持恒定的温度：通过在不利的散热环境下用第一铠装丝铠装该区段，并且在有利散热环境下用第二铠装丝铠装该区段。因此，不需要改变其他配置来获得在传输中贯穿电力缆线的相同或相似的电流额定值。
第一铠装丝和第二铠装丝单独地接合。因此，在生产中可将接合的铠装丝或复合丝作为连续丝。连续丝通常意味着由相同材料制成的均匀丝，并且没有像连接装置那样的中断。与美国专利申请公开号20120024565中公开的过程相反，根据本发明的电力缆线的生产过程，特别是成缆和聚束过程将不会由于接头而中断。这避免了与引入分离的接头护套或带和如锌棒的附加的防腐蚀元件相关的复杂性。另一方面，由于厚保护涂层，根据本发明的铠装丝被很好地保护免受腐蚀。
重要的是，根据本发明制造的复合丝或接头部分具有足够的高拉伸强度，从而满足铠装电力缆线的要求。
作为示例，第一金属材料可以是碳钢，并且第二金属材料可以选自奥氏体钢、铜、青铜、黄铜、复合材料和合金。优选地，奥氏体钢是非磁性的奥氏体不锈钢。
根据本发明，上述多条第一铠装丝中的至少一条通过对焊接头而被纵向接合到上述多条第二铠装丝中的一条，该对焊接头包括电阻对接焊接接头、闪光对焊接头和钨惰性气体(tig)焊接接头。优选地，上述多条第一铠装丝的直径与上述多条第二铠装丝的直径相同。因此，所形成的复合丝看起来像或可以看作具有相同直径的连续丝，并且它们很容易作为铠装层被连接在一起。
作为示例，第一金属保护涂层和第二金属保护涂层选自锌、铝、锌合金或铝合金。锌铝涂层具有比锌更好的整体耐腐蚀性。与锌相比，锌铝涂层更耐高温。仍与锌相比，暴露在高温下时锌铝合金没有剥落。锌铝涂层可以具有范围从2％重量至23％重量的铝含量，例如范围从2％重量至12％重量，或者例如范围从5％重量至10％重量。优选的组合物处于共析位置：约5％重量的铝。锌合金涂层可进一步具有诸如小于锌合金的0.1％重量的量的诸如镧或铈的润湿剂。涂层的其余部分是锌和不可避免的杂质。另一种优选的组合物含有约10％重量的铝。与具有约5％重量的铝的共析组合物相比，这种增加量的铝提供了更好的防腐蚀保护。诸如硅和镁的其他元素可以添加到锌铝涂层中。更优选地，为了优化耐腐蚀性，特别优良的合金包含2％重量至10％重量的铝和0.2％重量至3.0％重量的镁，其余为锌。
优选地，第一金属保护涂层和第二金属保护涂层的厚度在200g/m2至600g/m2的范围内。更优选地，上述第一金属保护涂层和第二金属保护涂层是热浸锌和/或锌合金涂层。电镀镍、锌或锌合金的中间层可以存在于第一金属材料和热浸锌和/或锌合金涂层之间，以及存在于第二金属材料和热浸锌和/或锌合金涂层之间。备选地，表面活化后的丝可以在填充有加热还原气体或氩气、氮气和/或氢气的气体混合物的管的保护下转移到镀锌浴中。这些可能的预处理目的是阻止活性表面免受空气或氧气污染，并且因此避免活化表面上出现氧化物。因此，这些预处理有助于金属材料的表面与后来形成的保护层或耐腐蚀涂层形成良好的粘合。
为了使接头部分完全不受腐蚀环境的影响，接头部分优选涂装有包含与第一金属保护涂层或第二金属保护涂层相同元素的化合物。涂装可以从接头部分沿第一铠装丝和第二铠装丝延伸小于20cm的长度，例如，在10cm或5cm内。
根据本发明的第二方面，提供一种丝组件或复合丝，该丝组件或复合丝至少包括第一部分和第二部分，该第一部分设置有具有第一拉伸强度的第一丝，上述第一丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第一金属保护涂层的第一金属材料制成，上述第一金属材料具有第一磁导率μ1；该第二部分设置有具有第二拉伸强度的第二丝，上述第二丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第二金属保护涂层的第二金属材料制成，上述第二金属材料具有第二磁导率μ2，并且μ2≠μ1，上述第一丝和上述第二丝在接合部分处彼此纵向接合，上述接合部分具有第三拉伸强度，其中第三拉伸强度至少大于第一拉伸强度和第二拉伸强度中较低的拉伸强度的80％。
多条复合丝可以围绕电力缆线的至少一部分缠绕。优选地，电力缆线至少具有由上述复合丝制成的环形铠装层。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于生产电力传输缆线的方法，包括以下步骤：
(a)提供具有两端和第一拉伸强度的第一铠装丝，上述第一铠装丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第一金属保护涂层的第一金属材料制成，上述第一金属材料具有第一磁导率μ1，
(b)提供具有两端和第二拉伸强度的第二铠装丝，上述第二铠装丝由涂覆有厚度大于100g/m2的第二金属保护涂层的第二金属材料制成，上述第二金属材料具有第二磁导率μ2，并且μ2≠μ1，
(c)从上述第一铠装丝的一端去除上述第一金属保护涂层，以形成具有上述第一金属材料的第一端，
(d)从上述第二铠装丝的一端去除上述第二金属保护涂层，以具有上述第二金属材料的第二端，
(e)将上述第一端和上述第二端接合以形成复合铠装丝，使得上述第一铠装丝和第二铠装丝在接合部分处彼此纵向接合，上述接合部分具有第三拉伸强度，其中上述第三拉伸强度至少大于第一拉伸强度和第二拉伸强度的80％，
(f)用包含与上述第一金属保护涂层或第二金属保护涂层相同的元素的化合物涂装上述接合部分、上述第一端和上述第二端，
(g)将多条上述复合铠装丝成缆，以提供用于电力传输缆线的具有多条上述第一铠装丝的至少第一部分、以及用于上述电力传输缆线的具有多条上述第二铠装丝的至少第二部分。
金属保护涂层被在第一铠装丝和第二铠装丝接合之前去除。该步骤有助于接合部分的高拉伸强度。如果例如锌的保护涂层，在接合操作(例如通过焊接)期间没有被去除，锌在第一材料或第二材料的晶界处的偏析将导致拉伸强度和延展性的损失。金属保护涂层的事先去除可保证良好的机械特性。
本发明的丝组件作为用于水下缆线的铠装丝的应用大大延长了电力缆线的使用寿命，这是因为可以通过铠装不同类型的丝来调节由于电力缆线的磁损耗引起的发热。同时，根据本发明的电力缆线的生产，特别是用于铠装的电力缆线的生产仍可以遵循与用于铠装连续丝相同的过程。另外，归因于复合丝，电力缆线的尺寸不会被改变。因此，电力缆线的机械特性不会受到不利影响。此外，根据本发明的缆线生产的总成本低于其他包括具有不同发热的区段的公知电力传输缆线的生产成本。
附图说明
本发明将在与非限制性示例和附图结合考虑时参照详细描述而被更好地理解，其中：
图1示出了根据现有技术的高压电力缆线。
图2图示了具有铠装丝的三相电力缆线的截面。
图3示出了根据本发明的沿着焊接铠装丝的纵向方向形成的截面。
具体实施方式
图2表示利用本发明的钢丝铠装的三相水下电力缆线的截面。其包括紧压绞合的裸铜导体21，接着是导体屏蔽22。绝缘屏蔽23被施加以确保导体并不彼此接触。隔离的导体利用填料24通过绑扎被一起成缆，接着是铅合金护套25。由于对水下缆线严苛的环境需求，铅合金护套25经常是需要的。护套25通常被外层26所覆盖，外层26包括聚乙烯(pe)或聚氯乙烯(pvc)套。该构造通过钢丝铠装层28而被铠装。根据本发明，所使用的钢丝可以是具有粘附镀锌层的焊接钢丝以用于强腐蚀保护。诸如由pvc、交联聚乙烯(xlpe)或pvc和xlpe层的组合制成的外护套29优选地被施加在铠装层28的外侧。
图3是沿着焊接的铠装丝30的纵向方向形成的截面。在该示例中，焊接的铠装丝30包括两种类型的丝，例如根据en10257-2的低碳钢等级65的低碳丝31和例如不锈钢等级aisi302的不锈钢丝33，两种丝都涂覆有例如锌32、34的防腐蚀涂层。
例如具有6mm直径的钢丝(即低碳等级65或不锈钢等级aisi302)首先根据以下过程而被涂覆。
该钢丝被首先在30℃至80℃的脱脂浴(含磷酸)中脱脂几秒钟。在浴中提供超声波发生器以帮助脱脂。备选地，钢丝可首先在30℃至80℃的碱性脱脂浴(含naoh)中脱脂几秒钟。
接着是酸洗步骤，其中钢丝被浸入20℃至30℃的酸洗浴(含有100-500g/l硫酸)中。随后通过将钢丝在20℃至30℃的酸洗浴(含有100-500g/l硫酸)中浸渍短时间来进行另一次连续酸洗，以进一步除去钢丝的表面上的氧化物。所有酸洗步骤都可以通过电流来辅助以实现充分的活化。
在该第二酸洗步骤之后，钢丝被立即浸入20℃至40℃的电解浴(含有10-100g/l硫酸锌)中持续几十至几百秒。钢丝在熔剂浴中被进一步处理。熔剂浴的温度保持在50℃和90℃之间，优选70℃。之后，去除过量的熔剂。钢丝随后被浸入维持在400℃至500℃的温度的镀锌浴中。
备选地，在第二酸洗过程之后，钢丝在流水漂洗浴中漂洗。在该示例中，在去除过量的水之后，丝在充满加热的还原气体或氩气、氮气和/或氢气的气体混合物的管的保护下进一步被转移到镀锌浴中。优选地，在镀锌浴之前，丝在管中被加热至400℃至900℃。
锌涂层通过镀锌工艺而被形成在不锈钢丝的表面上。在热浸镀锌粘结擦拭或喷射擦拭后，可以用木炭或磁性擦拭来控制涂层厚度。例如，镀锌涂层的厚度在从100g/m2至600g/m2的范围内，例如200g/m2、300g/m2或400g/m2。丝继而在空气中冷却，或者优选地在水的辅助下冷却。连续的、均匀的无空隙涂层被形成。
为了形成本发明的焊接丝，涂覆的低碳钢丝和涂覆的不锈钢丝两者的涂层都在丝的一个端部处被剥离，例如从端起的5mm至5cm。具有相同直径的暴露的低碳钢丝和不锈钢丝例如通过闪光对焊或通过电阻对接焊接被焊接。如图3所示的两个丝之间的焊接区36应保持薄，例如从0.5mm到1cm，并且优选地从0.5m到2mm。如图3所示，焊接丝的外表面处的焊接区被研磨并随后涂装上锌基瓷漆38。
四种类型的丝被生产、测试和比较：类型(i)低碳钢丝标准等级65，类型(ii)不锈钢丝标准等级aisi302，类型(iii)焊接丝以及类型(iv)由焊接锌涂覆的类型(i)的丝和锌涂覆的类型(ii)的丝制成的焊接丝。类型(ⅲ)的焊接丝通过闪光对焊方式制成，而类型(ⅳ)的焊接丝由电阻对焊方式制成。
在焊接之前，在类型(i)和类型(ii)的丝的预期焊接区处的锌涂层被通过机械剥离去除。在焊接之前，通过盐酸酸洗进一步处理该预期的焊接区，以避免由于杂质(例如在焊接期间或之后的锌)的熔析而可能发生的晶间腐蚀。
四种类型的丝的拉伸强度或极限强度被分别测量。拉伸强度是材料在失效或断裂前拉开或拉伸时可承受的最大应力。通过执行拉伸试验来得到拉伸强度。被测丝的两端分别夹在拉伸试验机的两个十字头上。十字头根据试样的长度进行调整，并被驱动以对试样施加张力。所有四种类型的被测丝的直径是相同的，即，约6mm。对于每个测试，两个十字头之间的丝的长度约为25cm。类型(i)和类型(ii)的丝是连续的丝，即其间没有焊接或任何连接装置。而对于类型(iii)和类型(iv)的丝，两个连续部件的焊接区大致被布置在固定电线的两个十字头的中间。在测试期间记录工程应力对应变。应力-应变曲线的最高点是拉伸强度。在表1中总结了四种类型的丝的所施加的最大力、拉伸强度、屈服强度和断裂伸长率。
如表1所示，类型(i)的丝的平均拉伸强度为约814mpa，并且类型(ii)的丝的平均拉伸强度为约672mpa，其低于类型(i)。类型(iii)的丝的平均拉伸强度为577mpa，类型(iv)的丝的平均拉伸强度为646mpa，均为类型(ii)的丝的80％以上，类型(ii)的丝的80％为672×80％＝537.6。在拉伸试验中还注意到，对于类型(iii)的丝，断点位于焊接区。而对于类型(iv)的丝，断点位于焊接区外部并且在焊接丝的类型(ii)的丝的区段。这些测试表明，焊接丝具有足够的拉伸强度来满足电力缆线的铠装丝的要求，特别是对于类型(iv)的焊接丝，其性能甚至优于没有焊接的连续丝。
另外，两种类型的焊接丝的屈服强度(rp0.2)略高于类型(ii)的丝。类型(iii)和类型(iv)的丝断裂时的平均伸长率a(％)分别为10％和24％，其远远超过铠装丝要求的6％。
表1：列出了四种类型的丝的直径mm、施加的最大力f(n)，拉伸强度rm(mpa)，屈服强度rp0.2(mpa)和断裂时的伸长率a(％)。