一种多层复合绝缘交直流高压同轴电力电缆

1.本实用新型属于高压电缆领域，涉及一种多层复合绝缘交直流高压同轴电力电缆。


背景技术：

2.电力电缆是电网中重要的连接装置，是传输、分配电能的电力网络的重要组成部分，主要用于城市地下输电、发电侧电力引出、工矿企业设备供电、跨江水下输电、海上石油平台供电等，有不同的运行电压等级。随着国家经济水平和特高压技术的发展，对输变电设备的要求越来越高，对高压交直流电力电缆的要求越来越高。
3.传统交直流电力电缆的结构包括线芯导体、内半导电层、电介质绝缘层、外半导电层、屏蔽层和由护套、铠装等组成的保护层。线芯导体是电力电缆输送电能的主要部分，一般由铜或铝制成。内半导电层包覆于线芯导体外，用于消除导体表面的毛刺、尖峰等造成的电场畸变，改善电场分布。目前高压电缆绝缘层电介质通常采用交联聚乙烯、油浸绝缘纸等材料，将线芯导体与低电位的外界环境相隔离，确保电能传输和电缆运行的稳定性、安全性。外半导电层包覆在绝缘层外，其材料和作用与内半导电层相同。外半导电层外有一层屏蔽层，屏蔽层一般采用铜皮材料，包裹外半导电层，是一个改善电场分布的结构。其与金属护套等电位，避免绝缘层与护套之间发生局部放电，同时减少外界电磁场对电缆线路的影响，也避免电缆线路向外辐射电磁波影响外界设备工作。电缆最外面的保护层具有较高机械强度，用于保护电缆内部材料和结构不受外力损伤，并阻止杂质、水分侵入电缆。
4.根据工程需要，电力电缆出现了许多种结构，包括单芯电缆、多芯电缆、同轴电缆等，不同的电缆结构均根据敷设环境和电力传输的使用场景进行设计。虽然内部结构各式各样，但总体上看总是包含线芯导体、半导电层、主绝缘层、屏蔽层、护套、铠装等基本结构。
5.目前国内交直流高压电缆大多数使用交联聚乙烯作为主绝缘材料，采用挤出成型工艺制造，即属于挤包绝缘电缆。
6.但传统结构电缆存在几个主要问题：
7.第一，随着电力电缆的电压等级不断提升，其绝缘层厚度不断增加，造成绝缘层中气体与交联副产物在真空脱气过程中难以充分析出。即使延长脱气时间，绝缘层内侧的气体和交联副产物仍无法充分析出，存在残留，绝缘层内、外侧脱气水平差距较大，影响电缆整体的局部放电、老化和击穿性能；第二，高压电力电缆运行过程中，绝缘层电介质会发生电-热联合老化，材料逐渐劣化，最终出现局部放电、电树枝等现象，进而引发电缆绝缘层贯通性击穿。另外，对于高压直流电缆，在运行时导体线芯向绝缘层中持续注入空间电荷，绝缘层中逐渐积聚起大量空间电荷，空间电荷会使绝缘层中电场畸变，局部场强增大，加速绝缘材料老化与击穿。如何抑制空间电荷积聚、抑制局部放电和电树枝生长、延长电缆使用寿命一直是相关领域热点问题；第三，在实际高压电力电缆的局部放电检测中，往往难以获取有用的局部放电信息，其中一个主要原因是，从出现局部放电到电树枝生长造成贯通性击穿，这之间的时间往往较短，监测到局部放电之后一般来不及进行告警，电缆便会发生击
穿。即使较为细致的例行巡检也难以准确覆盖电树枝发展的窗口期。


技术实现要素：

8.目前交直流高压同轴电缆均为单层绝缘结构，即电缆的主绝缘均为单层单一绝缘材料。为解决现有电缆中存在的上述问题，本实用新型提出一种多层复合绝缘结构电缆。此多层复合绝缘结构，在主绝缘层中增加一层功能半导电层，利用半导体比绝缘体略高的导电性能，实现了许多传统单层绝缘电缆无法具有的功能。
9.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的。
10.一种多层复合绝缘交直流高压同轴电力电缆，包括导体线芯和由内到外依次包覆导体线芯的内半导电层、绝缘层、外半导电层、屏蔽层和保护层，在内半导电层和外半导电层之间设有复合绝缘层，复合绝缘层由内、外绝缘层夹一个功能半导电薄层构成。
11.作为优选，内、外电缆绝缘层中间夹一薄层半导电层。
12.作为优选，功能半导电层的厚度小于内、外绝缘层的厚度。
13.作为优选，内、外绝缘层的厚度小于同电压等级其他型号电缆绝缘层的厚度。
14.作为优选，功能半导电层采用挤包、绕包或喷涂的方式加工成型。
15.作为优选，功能半导电层的外表面为光滑面或粗糙面。
16.作为优选，功能半导电层采用掺加了炭黑、石墨烯或炭纳米管的聚乙烯、乙丙橡胶或硅橡胶制备而成。
17.作为优选，内、外绝缘层采用聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶或硅橡胶。
18.作为优选，内、外电缆绝缘层中加入一薄层功能半导电层。
19.与传统单层绝缘结构电力电缆相比，本实用新型结构可实现以下有益效果：
20.1、功能半导电层位于内、外绝缘层之间，可作为电缆内、外绝缘部分的均压层、电树枝发展阻挡层和空间电荷复合层，改善电缆绝缘部分的电场分布，提高内、外绝缘层的电气性能，利于电缆绝缘中水分的扩散。
21.2、还可通过该电缆接头处或电缆终端处的功能半导电层采集局部放电信号，对绝缘层内局部放电情况进行监测，作为电缆绝缘状态监测、告警用。
附图说明
22.此处的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：
23.图1为本实用新型多层复合绝缘交直流高压同轴电力电缆的结构示意图。
24.其中，1、导体线芯，2、内半导电层，3、内绝缘层，4、功能半导电层，5、外绝缘层，6、外半导电层，7、屏蔽层，8、保护层。
具体实施方式
25.下面将结合附图以及具体实施例详细说明本实用新型。本实用新型的示意性实施例以及说明用来提供对本实用新型的进一步理解，但并不作为对本实用新型的不当限定。
26.如图1所示，一种多层复合绝缘交直流高压同轴电力电缆，包括导体线芯1、内半导电层2、内绝缘层3、功能半导电层4、外绝缘层5、外半导电层6、屏蔽层7和保护层8，内半导电
层2、内绝缘层3、功能半导电层4、外绝缘层5、外半导电层6、屏蔽层7和保护层8由内至外依次包覆在导体线芯1外。本结构在内半导电层2和外半导电层6之间设置由内绝缘层3、外绝缘层5夹一个功能半导电层4构成的复合绝缘层。
27.其中，内半导电层2包覆住导体线芯1，内绝缘层3包覆住内半导电层2，功能半导电层4包覆住内绝缘层3，外绝缘层3包覆住功能半导电层4，外半导电层6包覆住外绝缘层5，随后是屏蔽层7和由外护层、铠装层等组成的电缆保护层8。
28.本实用新型在内、外电缆绝缘层中间夹一薄层半导电层，功能半导电层的厚度小于内、外绝缘层的厚度。内、外绝缘层的厚度小于同电压等级其他型号电缆绝缘层的厚度。
29.其中，内绝缘层3和外绝缘层5使用聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、乙丙橡胶或硅橡胶作为绝缘材料，通过先后两次挤出工艺加工成形，内绝缘层以导体线芯和内半导电层为中心挤出成形，随后用功能半导电层包覆内绝缘层，再将外绝缘层在功能半导电层上挤出成形。并在每次挤出后进行真空脱气，以去除各层中气体杂质与交联副产物。
30.功能半导电层4位于内、外绝缘层之间，功能半导电层采用挤包、绕包或喷涂的方式加工成型。利用其与内导芯的同轴结构作为电缆内、外绝缘部分的均压层和电树枝阻挡层，改善电缆绝缘部分的电场分布，提高内、外绝缘层的电气性能，利于电缆绝缘中水分的扩散。
31.通过该电缆接头处或电缆终端处的功能半导电层采集局部放电信号，对绝缘层内局部放电情况进行监测，作为电缆绝缘状态监测、告警用。
32.功能半导电层电导率、介电常数等参数，厚度与材料，导体线芯直径，内外绝缘层厚度，根据不同电压等级与运行环境进行选择，得到满足性能要求并节约材料的最优匹配。
33.功能半导电层位于内、外绝缘层之间，采用掺加了炭黑、石墨烯或碳纳米管的聚乙烯、乙丙橡胶或硅橡胶制备而成，利用其比绝缘材料更高的电导率，作为绝缘层中正负电荷的复合层，引导正负电荷复合，降低绝缘层中电荷浓度；利用其比绝缘材料更高的电导率，作为绝缘层中电树枝发展的阻挡、引导层，阻止电树枝沿径向生长，引导其横向生长，延长从电树枝出现到绝缘层贯通性击穿的时间；利用功能半导电层与内导芯的同轴结构作为电缆内、外绝缘的均压层，改善电缆绝缘的整体电场分布，减小电场畸变；并有利于电缆绝缘中水分的扩散。
34.由于每次真空脱气均只针对内外绝缘层，使绝缘层中气体杂质与交联副产物析出更充分，残余杂质更少，可提高电缆绝缘的性能。
35.功能半导电层可以作为绝缘层中发生局部放电时信号的传播层。功能半导电层能阻挡电树枝沿径向生长，引导其沿功能半导电层与内绝缘层的界面横向生长。由于电树枝横向生长，电树枝中局部放电量将会增加。利用局部放电检测装置通过功能半导电层收集放电信号，检出电缆绝缘故障的概率大大提升，起到电缆绝缘状态监测、告警作用。
36.在局部放电发生以及电树枝生长过程中，局部放电点或电树枝通道内部，均伴随着剧烈的空间电荷运动、积聚行为。如果能引导空间电荷的运动，对其运动路径加以阻碍或引导，则可对局部放电以及电树枝现象进行有效改善或控制。半导体具有比绝缘体更高的电导率，意味着电荷可在其中更自由的运动。
37.功能半导电层由掺加了炭黑、石墨烯或碳纳米管的聚乙烯、乙丙橡胶或硅橡胶材料制造，当出现局部放电或电树枝时，半导电层可对相关空间电荷的运动路径加以阻碍或
引导，对局部放电与电树枝生长进行有效控制与引导。
38.另外，对于高压直流电缆：如果在电缆绝缘层中存在一层结构，可以引导正、负电荷发生复合，则可有效降低绝缘层中电荷浓度，改善电荷积聚现象。相比于绝缘体，电荷可以更自由地在半导体中运动。同时半导体电导率远低于导体，可以应用于电缆绝缘层这个场合。
39.本实用新型在电缆绝缘层中加入一薄层半导电层，薄层功能半导电层的厚度不大于内、外绝缘层的厚度。导体线芯与屏蔽层分别向绝缘层中注入正、负(或负、正)空间电荷，正、负(或负、正)电荷分别向着对侧运动，当其运动到绝缘层中部的半导电层时，由于此层电导率更高，从而正、负电荷易于发生复合，即此层提供了正、负电荷复合的场所，有效降低了绝缘层中电荷的浓度。
40.对于高压直流电缆，其运行过程中，绝缘层中正、负(或负、正)电荷分别向着对侧运动，当其运动到绝缘层中部的功能半导电层时，由于此层电导率更高，从而正、负电荷易于发生复合，即此层提供了正、负电荷复合的场所，有效降低了绝缘层中电荷的浓度。
41.在电缆接头处，功能半导电层可与应力锥等结构相连，并经引出线与局部放电检测装置连接。绝缘层中出现电树枝后，受功能半导电层引导而沿内绝缘层与功能半导电层的界面横向生长，横向生长的电树枝中局部放电量将明显增加，局部放电信号沿功能半导电层传播至电缆接头处的局部放电检测器，被检测器检测到，从而对电缆绝缘状态进行监测、告警，预测电缆可能发生击穿。并且极大延长电树枝出现至绝缘层贯通性击穿的时间，使通过局部放电检出电缆故障的概率大大提升。
42.本实用新型绝缘结构电缆的生产制造过程如下：
43.第一步，以导体线芯为中心，内半导电层、内绝缘层采用挤包的方式加工成型，功能半导电层采用挤包、绕包或喷涂的方式加工成型；
44.第二步，将该成形的电缆半成品置于真空室脱气，使内绝缘层和功能半导电层中的交联副产物充分析出。由于此时内绝缘层厚度小于同电压等级其他型号电缆绝缘层的厚度，所以可以使用更短的脱气时间；
45.第三步，清理功能半导电层表面污秽，并通过打磨、抛光等控制其表面粗糙度，使得功能半导电层的外表面为光滑面或粗糙面，方便其与外绝缘层的融合；
46.第四步，以上述电缆半成品为中心，在其外侧将外绝缘层和外半导电层挤出成型，并置于真空室第二次脱气，使外绝缘层和外半导电层中的交联副产物充分析出。由于外绝缘层厚度只有传统电缆绝缘层厚度的一半，所以可以使用更短的脱气时间；
47.第五步，根据不同种电缆的需求和功能，在上一步电缆半成品外侧绕包金属屏蔽层、缓冲层、鞘层或其他结构。
48.上述技术方案还可根据实际需要做进一步改动，如半导电层采用喷涂等其他方式制造，以及调控半导电层的电导率、介电常数等参数，使其与主绝缘材料的参数匹配，以适用于不同电压等级、不同电缆尺寸、不同运行环境(如温度)。
49.本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围之内。