直流电力电缆的制作方法

本发明涉及一种直流电力电缆。具体而言，本发明涉及一种直流电力电缆，能够同时防止因空间电荷(spacecharge)积累而导致的直流绝缘强度的降低和脉冲破坏强度的降低，能够降低制造费用而不会使绝缘层等的挤出性降低。
背景技术：
：通常，在需要大容量和长距离输电的大型电力系统中，从减少电力损失、建设用地问题和增加输电容量等方面来看，需要提高输电电压的高压输电。输电方式大体可以分为交流输电方式和直流输电方式，其中，直流输电方式是指以直流方式传输电能。具体而言，在所述直流输电方式中，首先将输电侧的交流电力变更为适当的电压并通过整流装置来转换为直流，然后当通过输电线路传输到受电侧时，在受电侧通过逆变装置再次将直流电力转换为交流电力。尤其，所述直流传输方式不仅具有有利于长距离输送大容量电力和异步电力系统可以互连的优点，而且在长距离输电中，直流与交流相比电力损失少、稳定性高，因此其现状为被较多使用。然而，在利用高压直流输电电缆来进行输电的情况下，存在当电缆绝缘体的温度上升或者当执行负极性脉冲或极性反转时出现所述绝缘体的绝缘特性明显退化的现象的问题，认为这是因为绝缘体内一端的电荷被捕获或没有放电而积累寿命长的空间电荷(spacecharge)。所述空间电荷可能会使高压直流输电电缆绝缘体内的电场畸变，从而在低于最初设计的绝缘击穿电压的电压下引起绝缘击穿。因此，其现状为迫切地需要一种直流电力电缆，能够同时防止因空间电荷(spacecharge)积累而导致的直流绝缘强度的降低和脉冲破坏强度的降低，能够降低制造费用而不会使绝缘层等的挤出性降低。技术实现要素：发明所要解决的问题本发明的目的在于，提供一种直流电力电缆，能够同时防止因空间电荷(spacecharge)积累而导致的直流绝缘强度的降低和脉冲破坏强度的降低。并且，本发明的目的在于，提供一种直流电力电缆，能够降低制造费用而不会使绝缘层等的挤出性降低。解决问题的技术方案为了解决所述问题，本发明提供一种直流电力电缆，其特征在于，包括：导体；内部半导电层，包覆所述导体；绝缘层，包覆所述内部半导电层；外部半导电层，包覆所述绝缘层；以及外皮，包覆所述外部半导电层，所述内部半导电层或所述外部半导电层由半导电组合物形成，所述半导电组合物包含：烯烃和极性单体的共聚物树脂，作为基体树脂；以及导电粒子，分散在所述树脂内，以所述共聚物树脂的总重量为基准，所述极性单体的含量为18重量％以下，由以下数学式1定义的所述绝缘层的电场畸变度(fieldenhancementfactor；fef)为100％至150％。[数学式1]fef＝(在试样增加最大的电场/施加到试样的电场)×100在所述数学式1中，所述试样为包括绝缘膜和半导电膜的试样，所述绝缘膜的厚度为120μm并由形成所述绝缘层的绝缘组合物形成，所述半导电膜分别粘附在所述绝缘膜的顶面和底面，所述半导电膜的厚度分别为50μm并由所述半导电组合物形成，所述施加到试样的电场为在所述绝缘膜施加1小时的50kv/mm直流电场，所述在试样增加最大的电场为在所述绝缘膜施加直流电场的1小时内增加的电场值中的最大值。在此，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述半导电组合物还包含交联剂，以所述基体树脂100重量份为基准，所述交联剂的含量为0.1重量份至5重量份。并且，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述极性单体的含量为1重量％至12重量％。此外，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述极性单体包含丙烯酸酯单体。在此，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述共聚物树脂包含选自由乙烯乙酸乙烯酯(eva)、乙烯丙烯酸甲酯(ema)、乙烯甲基丙烯酸甲酯(emma)、乙烯丙烯酸乙酯(eea)、乙烯甲基丙烯酸乙酯(eema)、乙烯丙烯酸(异)丙酯(epa)、乙烯甲基丙烯酸(异)丙酯(epma)、乙烯丙烯酸丁酯(eba)以及乙烯甲基丙烯酸丁酯(ebma)构成的组中的一种以上。另外，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述交联剂的含量为0.1重量份至1.5重量份。此外，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述交联剂为过氧化物系交联剂。在此，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述过氧化物系交联剂包含选自由过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷以及二叔丁基过氧化物构成的组中的一种以上。另外，提供一种直流电力电缆，其特征在于，以所述基体树脂100重量份为基准，所述导电粒子的含量为45重量份至70重量份。并且，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述绝缘层由绝缘组合物形成，所述绝缘组合物包含聚烯烃树脂作为基体树脂。在此，提供一种直流电力电缆，其特征在于，所述绝缘层由交联聚乙烯(xlpe)树脂形成。发明效果本发明所涉及的直流电力电缆精确地控制半导电层的基体树脂和交联度，从而表现出能够同时防止绝缘层内部的空间电荷积累以及因该空间电荷积累而导致的直流绝缘强度的降低和脉冲破坏强度的降低的优异效果。并且，本发明表现出如下所述的优异效果：通过包括绝缘层来减少了抑制空间电荷积累的无机粒子的添加量，从而抑制因所述无机粒子引起的绝缘层等的挤出性降低，并且，能够通过抑制所述绝缘层的厚度增加来降低电缆的制造费用。附图说明图1示意性地示出了与本发明所涉及的电力电缆的实施例相关的断面结构。图2示意性地示出了与本发明所涉及的电力电缆的另一实施例相关的断面结构。图3示出了实施例中的ft-ir评价结果。图4示出了实施例中的pea评价结果。具体实施方式以下，对本发明的优选实施例进行详细说明。然而，本发明不限于在此说明的实施例，而是可以以其他方式具体实现。相反，在此介绍的实施例是，为了使公开的内容透彻和完整，并且为了可以将本发明的思想充分传递给本发明所属
技术领域：
的普通技术人员而提供的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。图1示意性地示出了与本发明所涉及的直流电力电缆的实施例相关的断面结构。如图1所示，本发明所涉及的直流电力电缆100可以包括：中心导体10；内部半导电层12，包覆所述导体10；绝缘层14，包覆所述内部半导电层12；外部半导电层16，包覆所述绝缘层14；屏蔽层18，包覆所述外部半导电层16，由金属护套或中性线构成以用于电屏蔽和短路电流的回流路径；以及外皮20，包覆所述屏蔽层18；等。图2示意性地示出了与本发明所涉及的直流电力电缆的另一实施例相关的断面结构，并且示意性地示出了海底电缆的断面结构。如图2所示，在本发明所涉及的直流电力电缆200中，导体10、内部半导电层12、绝缘层14以及外部半导电层16与前述图1的实施例相似，因此省略重复的说明。如果外部的诸如水的杂质浸入则绝缘层14的绝缘性能会降低，因此为了防止绝缘层14的绝缘性能的降低，在所述外部半导电层16的外部设置由铅(lead)构成的金属护套(metalsheath)、即所谓“铅护套”30。而且，在所述铅护套30的外部设置有：护套32，由诸如聚乙烯(polyethylene)等树脂构成；以及垫层34，以使不与水直接接触。在所述垫层34可以设置有铁丝外套40。所述铁丝外套40设置在所述电缆的外周，发挥提高机械强度的作用，使得从海底的外部环境中保护电缆。作为电缆外套，在所述铁丝外套40的外周、即电缆的外周设置有铠装42。铠装42设置在电缆的外周，发挥保护电缆200的内部结构的作用。尤其，在海底电缆的情况下，铠装42具有能够忍受诸如海水等海底环境的耐候性和机械强度优异的性质。例如，所述铠装42可以由聚丙烯纱线(polypropyleneyarn)等构成。所述中心导体10可以通过由铜、铝构成、优选由铜构成的单线或多股导线绞合的绞线来构成，包括所述中心导体10的直径、构成绞线的导线的直径等的规格可以根据包括它们的直流电力电缆的传输电压、用途等的不同而不同，并且可以由普通技术人员适当地进行选择。例如，在本发明所涉及的直流电力电缆用于诸如海底电缆的要求铺设性、挠性等的用途的情况下，所述中心导体10优选由柔韧性比单线更优异的绞线构成。所述内部半导电层12配置在所述中心导体10和所述绝缘层14之间，以消除引起所述中心导体10和所述绝缘层14的层间翘起的空气层，并且执行缓解局部电场集中等的功能。另外，所述外部半导电层16执行向所述绝缘层14施加均匀的电场的功能和缓解局部电场集中以及从外部保护电缆绝缘层的功能。通常，所述内部半导电层12和外部半导电层16是通过半导电组合物的挤出来形成，所述半导电组合物在基体树脂中分散有碳黑、碳纳米管、碳纳米板、石墨等的导电粒子，还添加有交联剂、抗氧化剂、防焦剂等。在此，为了所述半导电层12、16和所述绝缘层14的层间粘附力，所述基体树脂优选使用与形成所述绝缘层14的绝缘组合物的基体树脂相似系列的烯烃树脂，更优选的是，考虑到与所述导电粒子的兼容性，使用烯烃和极性单体，例如，优选使用乙烯乙酸乙烯酯(eva)、乙烯丙烯酸甲酯(ema)、乙烯甲基丙烯酸甲酯(emma)、乙烯丙烯酸乙酯(eea)、乙烯甲基丙烯酸乙酯(eema)、乙烯丙烯酸(异)丙酯(epa)、乙烯甲基丙烯酸(异)丙酯(epma)、乙烯丙烯酸丁酯(eba)、乙烯甲基丙烯酸丁酯(ebma)等。并且，根据包含在所述半导电层12、16的基体树脂的交联方式，所述交联剂可以是硅烷系交联剂，或者过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、二叔丁基过氧化物等有机过氧化物系交联剂。本发明人们通过实验确认如下内容，从而完成了本发明：作为包含在形成所述内部半导电层12和所述外部半导电层16的半导电组合物中的基体树脂，烯烃和极性单体的共聚物树脂和/或极性单体通过所述半导电层12和所述绝缘层14的界面向所述绝缘层14内部移动，从而进一步增加所述绝缘层14的空间电荷积累，并且，在所述半导电层12、16交联时生成的交联副产物通过所述半导电层12和所述绝缘层14的界面向所述绝缘层14内部移动，由此在所述绝缘层14内部积累异号电荷(heterocharge)以增加电场的畸变，从而导致了降低所述绝缘层14的绝缘击穿电压的问题。尤其，在本发明所涉及的直流电力电缆中，由以下数学式1定义的所述绝缘层14的电场畸变度(fieldenhancementfactor；fef)可以是100％至150％。[数学式1]fef＝(增加最大的电场/施加的电场)×100在此，本发明人们通过实验确认了在所述绝缘层14的电场畸变度(fef)超过150％的情况下，在所述绝缘层14内空间电荷积累过多，以使电场较大畸变，从而完成了本发明。作为参考，可以通过计算对于试样向绝缘膜施加50kv/mm的dc电场1小时的过程中所增加的电场值中的最大值相对于所施加的电场的比率来测定所述绝缘层14的电场畸变度(fef)，所述试样包括所述绝缘膜以及半导电膜，所述绝缘膜的厚度约为120μm并由形成所述绝缘层14的绝缘组合物形成，所述半导电膜分别粘附在所述绝缘膜的顶面和底面，所述半导电膜的厚度分别约为50μm并由形成所述半导电层12的半导电组合物形成。具体而言，在本发明所涉及的直流电力电缆中，对于形成所述半导电层12的半导电组合物而言，以其总重量为基准，烯烃和极性单体的共聚物树脂的含量约为60重量％至70重量％，以所述共聚物树脂的总重量为基准，所述极性单体的含量可以被精确地调整到1重量％至18重量％，优选为1重量％至12重量％。在此，当所述极性单体的含量超过18重量％时，所述绝缘层14的空间电荷积累被较大地加速，相反，当所述极性单体的含量小于1重量％时，所述基体树脂与所述导电粒子的兼容性降低，从而所述半导电层12、16的挤出性降低，可能无法实现半导电特性。并且，在本发明所涉及的直流电力电缆中，对于形成所述半导电层12的半导电组合物而言，以其基体树脂100重量份为基准，所述交联剂的含量可以被精确地调整为0.1重量份至5重量份，优选为0.1重量份至1.5重量份。在此，当所述交联剂的含量大于5重量份时，在包含于所述半导电组合物中的基体树脂交联时必然生成的交联副产物的含量过多，这些交联副产物通过所述半导电层12、16和所述绝缘层14之间的界面向所述绝缘层14内部移动并积累异号电荷(heterocharge)，从而增加电场的畸变，由此可能引发降低所述绝缘层14的绝缘击穿电压的问题，相反，当所述交联剂的含量小于0.1重量份时，由于交联度不足，所述半导电层12、16的机械特性、耐热性等可能不足。此外，在本发明所涉及的直流电力电缆中，形成所述内部和外部半导电层12、14的半导电组合物，以其基体树脂100重量份为基准，可以包括45重量份至70重量份的碳黑等导电粒子。当所述导电粒子的含量小于45重量份时，不能实现足够的半导电特性，相反，当所述导电粒子的含量大于70重量份时，所述内部和外部半导电层12、14的挤出性降低，从而存在表面特性降低或电缆的生产率降低的问题。所述内部和外部半导电层12、16的厚度可以根据电缆的传输电压而不同，例如，在345kv的电力电缆的情况下，所述内部半导电层12的厚度可以是1.0mm至2.5mm，所述外部半导电层16的厚度可以是1.0mm至2.5mm。例如，作为所述绝缘层14中的基体树脂，可以是聚乙烯、聚丙烯等的聚烯烃树脂，所述绝缘层14可以优选通过包含聚乙烯树脂的绝缘组合物的挤出来形成。所述聚乙烯树脂可以是超低密度聚乙烯(uldpe)、低密度聚乙烯(ldpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)、中密度聚乙烯(mdpe)、高密度聚乙烯(hdpe)或者它们的组合。并且，所述聚乙烯树脂可以是均聚物，乙烯与丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯等的α-烯烃的随机或嵌段共聚物或它们的组合。并且，形成所述绝缘层14的绝缘组合物包含交联剂，从而所述绝缘层14在挤出时或挤出之后可以通过单独的交联工序来构成交联聚烯烃(xlpo)、优选为交联聚乙烯(xlpe)。并且，所述绝缘组合物可以还包含抗氧化剂、挤出性改善剂、交联助剂等其他添加剂。包含在所述绝缘组合物中的交联剂可以与包含在所述半导电组合物中的交联剂相同，例如，根据所述聚烯烃的交联方式，可以是硅烷系交联剂，或者过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、二叔丁基过氧化物等有机过氧化物系交联剂。在此，包含在所述绝缘组合物中的交联剂可以以所述基体树脂100重量份为基准包含0.1重量份至5重量份。所述绝缘层14可以通过精确地控制包含在与所述绝缘层14接触的所述半导电层12、16中的基体树脂的极性单体含量和交联剂含量，抑制在所述绝缘层14和所述半导电层12、16的界面的异号电荷(heterocharge)的生成并减少空间电荷的积累，从而不包含用于减少空间电荷的氧化镁等无机粒子，或者可以较大地减少所述无机粒子的含量，因而能够抑制因所述无机粒子而导致的绝缘层14的挤出性的降低和脉冲强度的降低。所述绝缘层14的厚度可以根据电力电缆的传输电压而不同，例如，在345kv的电力电缆的情况下，所述绝缘层14的厚度可以是23.0mm至31.0mm。所述铠装层20可以包含聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等，例如，优选由聚乙烯树脂构成，所述铠装层20是配置在电缆的最外周上的层，因此当考虑到机械强度时，更优选由高密度聚乙烯(hdpe)树脂构成。并且，为了实现所述直流电力电缆的颜色，所述铠装层20可以包含少量、例如2重量％至3重量％的碳黑等添加剂，例如，可以具有0.1mm至8mm的厚度。[实施例]1.试样的制造例为了pea(pulsedelectroacoustic,脉冲电声)评价，分别制造了如下图所示的绝缘薄膜和绝缘+半导电薄膜。具体而言，绝缘薄膜是通过对包含聚乙烯树脂、过氧化物交联剂以及其他添加剂的绝缘组合物在120℃加热压缩5分钟，从而制造薄膜，在180℃交联8分钟，然后冷却到120℃，再次在室温进行冷却。所制造的绝缘薄膜的厚度约为120μm。另外，绝缘+半导电薄膜是通过对包含聚乙烯树脂、过氧化物交联剂以及其他添加剂的绝缘组合物在120℃加热压缩5分钟，从而制造薄膜，通过对包含含有丙烯酸丁酯(ba)的树脂、过氧化物交联剂以及其他添加剂的半导电组合物在120℃加热压缩5分钟，从而制造半导电薄膜，将所述半导电薄膜粘附到所述绝缘薄膜的正面和背面，在120℃再次熔融5分钟，使得所述半导电薄膜和所述绝缘薄膜彼此热粘合，然后在180℃交联8分钟，然后冷却到120℃，再次在室温进行冷却。所制造的绝缘薄膜和半导电薄膜的厚度分别为约120μm和约50μm。在此，制造适用了半导电(sc-a)薄膜以及半导电(sc-b)薄膜的绝缘+半导电薄膜，以树脂的总重量为基准，所述半导电(sc-a)薄膜的丙烯酸丁酯(ba)的含量为17重量％，所述半导电(sc-b)薄膜的丙烯酸丁酯(ba)的含量为3重量％。并且，为了ft-ir(红外光谱)评价，制造了更厚的膜，将绝缘薄膜的厚度制造为20mm，将半导电薄膜的厚度制造为1mm。此外，在绝缘+半导电薄膜中，半导电膜仅粘合在绝缘膜的一个表面，并以1mm厚度的切片机(microtome)切割断面。此外，通过将所述绝缘薄膜、所述绝缘+半导电(sc-a)薄膜以及所述绝缘+半导电(sc-b)薄膜分别在真空和70℃脱气5天，还制造了去除交联副产物的膜。1.物性评价1)ft-ir评价为了判断丙烯酸酯和交联副产物是否在绝缘膜和半导电膜之间转移，在4cm-1分辨率经过64次扫描来收集4000cm-1至650cm-1的光谱数据(spectraldata)。ft-ir评价是通过具有显微镜和mct检测器的varian7000e设备来执行。评价结果如图3所示。如图3所示，作为没有通过脱气来去除交联副产物的膜，在绝缘薄膜(a)、绝缘+半导电(sc-a)薄膜(c)以及绝缘+半导电(sc-b)薄膜(e)中观察到表示交联副产物中的一种的苯乙酮的1694.3cm-1的峰，相反，作为通过脱气来去除交联副产物的膜，在绝缘薄膜(b)、绝缘+半导电(sc-a)薄膜(d)以及绝缘+半导电(sc-b)薄膜(f)中没有观察到表示交联副产物中的一种的苯乙酮的1694.3cm-1的峰，从而确认交联副产物从半导电膜向绝缘膜转移。并且，在没有粘合半导电膜的绝缘薄膜(a、b)中没有观察到表示丙烯酸酯树脂的1735.6cm-1的峰，相反，在粘合有半导电膜的绝缘+半导电薄膜(c、d、e、f)中观察到表示丙烯酸酯树脂的1735.6cm-1的峰，尤其，确认到，与在半导电膜中的丙烯酸酯含量相对较低的绝缘+半导电(sc-b)薄膜相比，在半导电膜中的丙烯酸酯含量相对较高的绝缘+半导电(sc-a)薄膜中表示丙烯酸酯树脂的1735.6cm-1的峰较大，从而确认到丙烯酸酯树脂从半导电膜向绝缘膜的转移较大。2)异号电荷和空间电荷运动以及电场畸变度的评价对所述制造的绝缘薄膜、绝缘+半导电(sc-a)薄膜以及绝缘+半导电(sc-b)薄膜执行pea(pulsedelectroacoustic)评价。具体而言，对所述膜在室温施加50kv/mm的dc电场1小时，然后中断电场施加并短路1小时，对于施加dc电场的情况和短路的情况，利用labview程序来测定电荷密度。测定结果如图4所示。并且，在按时间表示电荷密度的图4的图表中，计算表示电场(electricfield)的积分值并在积分值中选择最大值，算出所述数学式1的电场畸变度(fef)。试样(a)、(c)以及(e)的按时间增加的电场测定结果和电场畸变度(fef)计算结果如以下表1所示。除了特别表示的情况以外，表示电场值的以下表1中记载的数值为kv/mm。[表1]试样(a)试样(c)试样(e)5秒10211210430秒1021181061分钟1021161062分钟1021181103分钟1041221145分钟10612211810分钟1081269615分钟10612812020分钟10612811625分钟10612812230分钟10812612640分钟10613212650分钟11013212460分钟112134124电场畸变度(％)112134126如图4所示，由于绝缘薄膜没有与半导电薄膜粘合，因而在所述半导电薄膜交联时产生的交联副产物不会向绝缘薄膜侧移动而不形成异号电荷(heterocharge)，由于半导电薄膜的丙烯酸丁酯(ba)不会向绝缘薄膜侧移动，因而确认到在施加dc电场的(a)和中断dc电场施加的(b)中的空间电荷的积累微小，由此确认到电场畸变度(fef)也小。相反，根据图4中示出的峰(peak)的数量，在绝缘+半导电薄膜中，在半导电薄膜交联时产生的交联副产物向绝缘薄膜侧移动，从而在绝缘薄膜和半导电薄膜的界面附近形成异号电荷，半导电薄膜的丙烯酸丁酯(ba)向绝缘薄膜侧移动，从而在施加dc电场的(c)(sc-a)和(e)(sc-b)以及中断dc电场的(d)(sc-a)和(f)(sc-b)中的绝缘薄膜和半导电薄膜的界面附近相对较多积累空间电荷，由此确认到电场畸变度(fef)也相对较大，尤其确认到，与丙烯酸丁酯(ba)含量相对较低的绝缘+半导电(sc-b)薄膜相比，丙烯酸丁酯(ba)含量相对较高的绝缘+半导电(sc-a)薄膜的空间电荷相对较多积累，由此确认到电场畸变度(fef)也相对更大。本说明书参照本发明的优选实施例进行了说明，但是，本发明所属
技术领域：
的普通技术人员可以在不脱离所附的权利要求书中记载的本发明的思想和
技术领域：
的范围内，对本发明进行各种修改和变更。因此，只要变形的实施方式基本上包括本发明的权利要求书范围的构成要素，就应该视为全部包括在本发明的技术范畴内。当前第1页12