Изделие для регулирования электрического напряжения

Изобретение относится к изделию для регулирования электрического напряжения, предназначенному для использования при сращивании и концевой заделке силовых кабелей. Листовое изделие содержит, по меньшей мере, один слой из эластомерного материала для заполнения пустот, обладающего функциональностью регулирования электрического напряжения, предпочтительно содержащий 20-70 мас.% эластомерных проводящих или полупроводящих наполнителей), и, по меньшей мере, один вспомогательный слой из эластомерного материала, предпочтительно с 45-65 мас.% наполнителей для требования увеличения прикладываемого усилия для получения в нем заданной деформации, когда оно приближается к точке его разрушения, в котором толщина и композиция соответствующих слоев выбраны так, чтобы изделие поддавалось растяжению во время нанесения его на участки кабеля, а увеличивающееся усилие, требуемое для растяжения вспомогательного слоя, препятствовало чрезмерному удлинению слоя для заполнения пустот. Эластомерный полимер может быть выбран из группы, содержащей каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, нитрильные каучуки, бутилкаучуки, полиизобутилен, аморфный полипропилен, термопластичные эластомеры и их смеси. Техническим результатом является получение изделия для регулирования электрического напряжения, более пригодно для средних и высоких напряжений. 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

 

Настоящее изобретение относится к изделию для регулирования электрического напряжения, предназначенному для использования при сращивании и концевой заделке силовых кабелей среднего-высокого напряжения (до 42 кВ).

При сращивании и концевой заделке силового кабеля низкого-среднего напряжения обычным является обеспечение материала для заполнения пустот, который может представлять собой ленту, наматываемую вручную вокруг области, где заканчивается экран кабеля после того, как он был подрезан для обнажения нижележащих изоляции и проводящей жилы кабеля. Слои других материалов, как правило, в трубчатой конфигурации, наносят поверх ленты, наматываемой вручную, для осуществления необходимых функций выравнивания напряжения и электроизолирования в конечном соединении или концевой заделке. Материал для заполнения пустот заполняет пустоты, которые в противном случае приводили бы к возникновению дуговых разрядов при приложении к кабелю электрической мощности в процессе эксплуатации, и, кроме того, этот материал может также увеличивать эффект выравнивания напряжения для дополнительного уменьшения опасности пробоя изоляции при перенапряжении в области края подрезанного экрана.

Хорошо самоамальгамирующаяся лента для заполнения пустот, получаемая из полимера эпихлоргидрина, предназначенная для использования при приложении низкого-среднего напряжения, выпускается на промышленной основе под торговым названием Raychem S1189, но эта лента чрезмерно растягивается в процессе ручного обертывания и менее удовлетворительно работает при средних-высоких напряжениях, особенно в тех случаях, если требуется, чтобы сращивание или концевая заделка кабеля соответствовала техническим требованиям CENELEC HD 629.Sl:1996 для силовых кабелей 36 кВ и 42 кВ и IEEE 48-1996 для силовых кабелей 45 кВ.

Задачей настоящего изобретения является получение изделия для регулирования электрического напряжения, которое более пригодно для средних-высоких напряжений и которое лучше соответствует вышеуказанным техническим требованиям.

Настоящее изобретение обеспечивает получение листового изделия для регулирования электрического напряжения, содержащее (а) по меньшей мере, один слой для заполнения пустот, полученный из эластомерного материала, обладающий заслуживающей внимания функциональностью регулирования электрического напряжения, и (b) по меньшей мере, один вспомогательный (поддерживающий) слой из полимерного материала, выбранного и/или разработанного с учетом требования увеличения прикладываемого напряжения для получения в нем заданного увеличения деформации, при приближении к точке разрушения, в котором толщина и композиция соответствующих слоев выбраны так, чтобы изделие поддавалось растяжению во время нанесения его на участки кабеля (предпочтительно обертыванием, особенно обертыванием, вручную), а увеличивающееся усилие, требуемое для растяжения вспомогательного слоя, препятствовало чрезмерному удлинению слоя для заполнения пустот.

Таким образом, было установлено, что предпочтительно отделять функции заполнения пор/выравнивания напряжения от функций опоры/ограничения растяжения посредством отдельных слоев в изделии, соответствующем настоящему изобретению. Ни один слой для заполнения пустот и ни один вспомогательный слой не оказался способным соответствовать техническим требованиям стандарта на проведение испытаний при средних-высоких электрических напряжениях, особенно в отношении сохранения низких значений частичного разряда в течение стадии нагружения. Слоистое изделие, соответствующее настоящему изобретению, однозначно удовлетворяет требованиям стандарта на проведение испытаний и удобно для нанесения вручную или иными средствами. Исходная эластичность изделия обеспечивает возможность его плотного обертывания вокруг конструкции кабеля, о котором идет речь, предпочтительно с менее чем 80%, более предпочтительно менее чем 75%, а особенно менее чем 70% или минимальным мгновенным упругим восстановлением; а его последующее пропорциональное увеличение в приложении усилия, требуемого для дополнительного увеличения его деформации или степени растяжения, обеспечивает возможность приложения давления при обертывании для побуждения материала, предназначенного для заполнения пустот, заполнять промежутки или пустоты, предотвращая в то же самое время чрезмерное растяжение слоев для заполнения пустот до той степени, которая уменьшит их практическую эффективность. Самоограничивающаяся эластичность, называемая в этой заявке "приданием рабочей жесткости", обеспечиваемая вспомогательным слоем (вспомогательными слоями), как представляется, обеспечивается, главным образом, вследствие постепенно увеличивающегося выравнивания цепей полимера в полимерном вспомогательном слое с увеличением деформации. Полимер (полимеры) вспомогательного слоя могут быть выбраны и разработаны в соответствии с проявлением такого придания рабочей жесткости, предпочтительно для достижения момента "блокирования", где дополнительное растягивание или деформация по существу прекращается при приложении натяжения, которое ниже, чем требуется для разрушения растянутого вспомогательного слоя. Изделие, соответствующее настоящему изобретению, предпочтительно создано таким, чтобы его первоначальная способность растягиваться вручную, предпочтительно при исходном приложении усилия менее 1 МПа при температуре 23°С, достигала деформации (растяжения), по меньшей мере, 300%; а предпочтительно изделие создано с учетом требования, по меньшей мере, удваивания первоначально прикладываемого усилия, предпочтительно до уровня более 1,5 МПа, для придания рабочей жесткости и по существу прекращения растягивания при натяжении, приближающегося, но находящегося ниже деформации разрушения при растяжении, предпочтительно до деформации выше 800-1200%.

Предпочтительное изделие, соответствующее настоящему изобретению, имеет три или более указанных слоев, чередующихся друг с другом, а более предпочтительно, чтобы один указанный вспомогательный слой был расположен между двумя указанными слоями для заполнения пустот. Пригодные полимеры для соответствующих слоев могут быть выбраны просто методом проб и ошибок, но может оказаться предпочтительным, чтобы один или каждый слой для заполнения пустот содержал 30-80 мас.% эластомерного полимера, выбранного из группы, содержащей EPDM (каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера), полибутадиен, нитрильные каучуки, бутилкаучуки, полиизобутилен, аморфный полипропилен, термопластичные эластомеры и их смеси, 70-20 мас.% электропроводящих или полупроводящих наполнителей для придания слою способности выравнивать напряжение, и до 10 мас.% веществ для повышения клейкости, антиоксидантов и других добавок до полных 100 мас.% всей композиции слоя для заполнения пустот.

Изделие, соответствующее настоящему изобретению, разработано таким, чтобы один или каждый слой для заполнения пустот имел толщину, находящуюся в диапазоне 0,25-5 мм, предпочтительно - 0,5-3 мм, а более предпочтительно - 0,75-1,5 мм, и/или так, чтобы один или каждый вспомогательный слой имел толщину, находящуюся в диапазоне 0,1-4 мм, предпочтительно - 0,3-2,5 мм, а более предпочтительно - 0,5-1,5 мм. Предпочтительной формой изделия является лист, лента, пленка или накладка, особенно удлиненная лента для обертывания вручную вокруг обрезанной области экрана силового кабеля, подлежащего сращиванию или концевой заделке.

Изделие может быть получено любыми удобными способами и с помощью любого стандартного известного оборудования, предпочтительно экструзией, по меньшей мере, некоторых слоев. Экструзия каждого слоя для заполнения пустот на поверхность вспомогательного слоя является предпочтительной, возможно, посредством соэкструзии слоев, но более предпочтительно посредством экструзии одного или каждого слоя для заполнения пустот отдельно на вспомогательный слой, предпочтительно на ранее нанесенный слой. Ингредиенты композиций материалов слоев могут быть смешаны при использовании любых имеющихся под рукой способов и оборудования, обычно уже известных.

Настоящее изобретение может быть лучше проиллюстрировано со ссылкой на следующие чертежи и композиции, приведенные в качестве примера, описывающие типовую конструкцию трехслойной структуры ленты.

Как следует из фиг.1, слой (слои) А (внешний слой (внешние слои) являются слоями для заполнения пустот, основная функция которых является как заполнение, так и устранение воздушных зазоров из важной подрезанной области экрана, вспомогательной функцией которых является обеспечение некоторого регулирования электрического напряжения для содействия гарантии того, что даже при наличии небольших пустот или загрязнений не будет иметь место электрические разряды или разрушения в области подрезания экрана. Предпочтительная толщина каждого слоя для заполнения пустот, предназначенного для выполнения обеих этих функций, составляет 0,75-1,25 мм.

Типичные материалы: Эластомерный носитель (например, EPDM (каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера), PIB (полиизобутилен), аморфный полипропилен, термопластичные эластомеры и так далее) или эластомерные смеси и пригодные выравнивающие напряжение наполнители (например, сажа, диоксид титана, карбид кремния, легированный оксид цинка и так далее) и другие добавки. Типовая композиция слоев для заполнения пустот приведена в Таблице 1

Таблица 1 Типовая композиция материала слоя А
Аморфный полипропилен (мас.%)	Полиизобутилен (мас.%)	Вещество для повышения клейкости (мас.%)	Сажа (мас.%)	Карбид кремния (мас.%)	Антиоксидант (мас.%)
7,6	29,5	4,0	28,6	29,8	0,5

Аморфный полипропилен был материалом, имеющим температуру размягчения, составляющую приблизительно 105°С, и вязкость расплава, составляющую приблизительно 3500 мПа.с при температуре 190°С.

Полиизобутилен был материалом, имеющим среднюю молекулярную массу, составляющую приблизительно 40000 единиц.

Вещество для повышения клейкости было гидрогенизированным углеводородом, имеющим температуру размягчения, составляющую приблизительно 85°С, и вязкость расплава, составляющую приблизительно 250 мПа.с при температуре 150°С.

Сажа была материалом, классифицируемым как сажа типа №990 в соответствии со стандартом D1765 Американского общества по испытанию материалов.

Карбид кремния был электротехническим карбидом кремния, имеющим размер зерна, составляющим 400 единиц.

Антиоксидант был материалом фенольного типа с температурой плавления, составляющей приблизительно 75°С.

Типовые реологические свойства иллюстрируемого материала слоя А для заполнения пустот показаны на фиг.2, где приведена зависимость комплексной вязкости в Па.с от температуры.

Материал будет предпочтительно иметь некоторые свойственные характеристики регулирования электрического напряжения и это может быть достигнуто несколькими уже известными способами, например, введением активных наполнителей, регулирующих электрическое напряжение, систем на основе сажи и так далее.

Слой В (средний слой) на вышеупомянутой фиг.1 является вспомогательным слоем, основная функция которого заключается в том, чтобы он действовал как физическая опора (носитель) для обеспечения возможности более мягкому материалу в слое (слоях) А быть нанесенным равномерно и без разрушения, и вспомогательная функция которого заключается в том, чтобы он обеспечивал физический "момент блокирования" в течение растяжения ленты так, чтобы она не могла быть чрезмерно растянута. Это должно препятствовать слою (слоям) А быть растянутыми до толщины, которая слишком мала, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к рабочим характеристикам.

Типовые материалы: Эластомерный носитель (например, EPDM (каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера), бутилкаучук (изобутиленизопреновый каучук) термопластичные эластомеры, жидкие эластомеры и так далее) или эластомерные смеси, и пригодные наполнители/добавки (например, сажа, диоксид титана и, возможно, выравнивающие напряжение наполнители, например, сажа, диоксид титана, карбид кремния, легированный оксид цинка и так далее, хотя выравнивание напряжения не является существенной функцией вспомогательного слоя). Типовая композиция вспомогательного слоя приведена в Таблице 2.

Таблица 2 Типовая композиция материала слоя В
Высокомолекулярный бутилкаучук (мас.%)	Низкомолекулярный бутилкаучук (мас.%)	Сажа (мас.%)	Диоксид титана (мас.%)	Антиоксидант (мас.%)
39,5	5	10	45	0,5

Высокомолекулярный полиизобутиленовый бутилкаучук был материалом, имеющим среднюю молекулярную массу, составляющую приблизительно 2,11×10⁶.

Низкомолекулярный полиизобутиленовый бутилкаучук был материалом, имеющим среднюю молекулярную массу, составляющую приблизительно 40000.

Сажа была материалом, классифицируемым как сажа типа №990 в соответствии со стандартом D1765 Американского общества по испытанию материалов.

Диоксид титана был промышленным пигментом высокой чистоты.

Антиоксидант был материалом фенольного типа с температурой плавления, составляющей приблизительно 75°С.

Типовые рабочие характеристики вспомогательного слоя иллюстрируются на фиг.3, которая приведена ниже и представляет схематический график зависимости напряжения от деформации, где область А является областью исходной податливости (эластичности) слоя при увеличении прикладываемого усилия, область В представляет область относительно простого растяжения при более или менее постоянном усилии, область С представляет область "придания рабочей жесткости" материалу, когда усилие увеличивается, а область D является точкой конечного разрушения при прикладываемом усилии, предпочтительно более высоком, чем, вероятно, прикладывается в течение ручного обертывания и растягивания.

Деформативность материала слоя В, как схематически иллюстрируется на фиг.3, имеет четыре отдельные области:

Точка А: Это точка, в которой материал начинает переходить в состояние текучести и это может рассматриваться как начальное противодействие вытягивания вручную. Идеально при довольно низком усилии (усилие, как правило, составляет 0,3-0,8 МПа при температуре 23°С).

Область В: Это область, где толщина и ширина ленты уменьшается, когда материал вытягивается. Материал начинает приобретать рабочую жесткость к концу этой области, когда цепи полимера начинают выравниваться с удлинением.

Область С: Это область, где эффективный модуль материала резко увеличивается вследствие эффекта придания рабочей жесткости. В этой области кривой деформативности большая часть полимерных цепей выравнивается, а модуль увеличивается как результат увеличенных связей между цепями.

Точка D: Эта точка является точкой разрушения при растяжении для этого материала, где он достигает своего конечного напряжения при растяжении. Это значение должно быть высоким, так как это (условие) создает физическое "блокирование" в материале, которое помогает монтажнику предотвратить чрезмерное растяжение или разрушение ленты. Типовые значения пригодного материала составляют 1,8-2,8 МПа.

1. Листовое изделие для регулирования электрического напряжения, содержащее (а), по меньшей мере, один слой эластомерного материала для заполнения пустот, обладающий функциональностью регулирования электрического напряжения, предпочтительно содержащий 20-70 мас.% эластомерных проводящих или полупроводящих наполнителей, и (b), по меньшей мере, один вспомогательный слой эластомерного материала предпочтительно с 45-65 мас.% наполнителей, выбранного и/или разработанного с учетом требования увеличения прикладываемого усилия для получения в нем заданной деформации, когда оно приближается к точке его разрушения, причем толщина и композиция соответствующих слоев выбраны так, чтобы изделие поддавалось растяжению во время нанесения его на участки кабеля, а увеличивающееся усилие, требуемое для растяжения вспомогательного слоя, препятствовало чрезмерному удлинению слоя для заполнения пустот.

2. Изделие по п.1, содержащее три или более указанных слоев для заполнения пустот и вспомогательных слоев, чередующихся друг с другом.

3. Изделие по п.2, содержащее один указанный вспомогательный слой, расположенный между двумя указанными слоями для заполнения пустот.

4. Изделие по любому из предыдущих пунктов, в котором один или каждый слой для заполнения пустот содержит 30-80 мас.% эластомерного полимера, выбранного из группы, содержащей каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM), полибутадиен, нитрильные каучуки, бутилкаучуки, полиизобутилен, аморфный полипропилен, термопластичные эластомеры и их смеси, 70-20 мас.% электропроводящих или полупроводящих наполнителей для придания слою функциональности выравнивать напряжение и до 10 мас.% веществ для повышения добавок, включая одно или более веществ для повышения клейкости и антиоксидантов до полных 100 мас.% всей композиции слоя для заполнения пустот.

5. Изделие по п.4, в котором один или каждый слой для заполнения пустот содержит 5-10 мас.% аморфного полипропилена, 25-35 мас.% полиизобутилена, 2-6 мас.% вещества для повышения клейкости или смолы, 25-35 мас.% сажи, 25-35 мас.% карбида кремния и 0,3-0,7 мас.% антиоксиданта.

6. Изделие по любому из предшествующих пунктов, в котором один или каждый вспомогательный слой содержит 35-55 мас.% эластомерного полимера, выбранного из группы, содержащей каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM), полибутадиен, нитрильный каучук, бутилкаучук, полиизобутилен, термопластичные эластомеры и их смеси, 65-45 мас.% наполнителей и до 2 мас.% антиоксидантов до полных 100 мас.% всей композиции вспомогательного слоя.

7. Изделие по п.6, в котором вспомогательный слой содержит 35-45 мас.% высокомолекулярного полиизобутиленового каучука, 3-7 мас.% низкомолекулярного полиизобутиленового каучука, 7-13 мас.% сажи, 40-50 мас.% диоксида титана и 0,3-0,7 мас.% антиоксиданта.

8. Изделие по по любому из предшествующих пунктов, которое выполнено так, чтобы первоначально поддаваться растяжению предпочтительно при первоначально прикладываемом усилии менее 1 МПа при температуре 23°С до деформации, составляющей, по меньшей мере, 300%.

9. Изделие по п.8, которое выполнено с учетом требования, по меньшей мере, двойного первоначально прикладываемого усилия предпочтительно до уровня более 1,5 МПа для придания рабочей жесткости и, по существу, прекращения вытягивания при деформации, приближающейся, но ниже деформации при разрушении при растяжении, предпочтительно при деформации, составляющей 800-1200%.

10. Изделие по любому из предшествующих пунктов, в котором один или каждый слой для заполнения пустот имеет толщину, составляющую 0,25-5 мм, предпочтительно 0,5-3 мм, а более предпочтительно 0,75-1,5 мм.

11. Изделие по любому из предшествующих пунктов, в котором один или каждый слой имеет толщину, составляющую 0,1-4 мм, предпочтительно 0,3-2,5 мм, а более предпочтительно 0,5-1,5 мм.

12. Изделие по по любому из предшествующих пунктов в форме листа, ленты, пленки или накладки.

13. Изделие по по любому из предшествующих пунктов, в котором, по меньшей мере, некоторые из слоев были получены путем экструзии.

14. Изделие по п.13, в котором один или каждый слой для заполнения пустот был экструдирован на поверхность вспомогательного слоя.