將幾何應力消除元件傳遞到高壓電纜端接的方法

專利名稱：將幾何應力消除元件傳遞到高壓電纜端接的方法
技術領域：
本發明涉及將應力消除元件傳遞到高壓電纜端接的方法，更具體地涉及使用冷縮技術將幾何類型的應力消除元件傳遞到所述端接。
背景技術：
電力電纜無處不在，并且用來跨越大電網或網絡分配電能，將來自發電廠的電力傳送到電力用戶。電力電纜特有地由導體(典型的是銅或鋁以及典型的是多絞線管)組成，并且可以由半導體和一個或多個絕緣材料層圍繞。金屬線可以圍繞半導體成螺旋形纏繞以用作接地線，以及電纜套管圍繞整個的結構以保護所述電纜。電力電纜可以構造用于傳送高壓(大于約50,000伏特)，中壓(在約1,000伏特和約50,000伏特之間)或者低壓(小于約1,000伏特)。
由于電力電纜跨越電網傳輸到電力用戶，所以通常必需或需要周期性地端接電纜，以與電氣設備形成連接。典型地，使用端接來在隔離的電纜和未屏蔽未絕緣的導體之間形成電連接。該端接器安裝在絕緣電纜的端部上。
當電力電纜端接時導體通過移除預定長度的電纜套管和一些預定長度的電纜半導體而暴露。典型地，接地線圍繞電纜套管收集和聚集以將半導體接地。絕緣體和半導體之間的間距提供與處于100％電勢的帶電導線和處于0％電勢的接地半導體的爬電距離。
電纜的端接在電纜的電特性中產生突然的中斷。端接還將電纜絕緣暴露到很可能包含氣體、濕氣和微粒的外界環境。暴露的導體還易于腐蝕。電纜的半導體層的中斷增加了在半導體端部的絕緣的最大電壓梯度(伏特每單位距離，例如伏特每英寸)。中斷還改變了引起的電場的形狀和電應力，以致于增加了絕緣擊穿的風險。因此，其中端接器的一個功能是補償當在電纜中存在中斷時產生的電場和電應力的變化。端接器還用于保護所述端接的端部免于受外圍環境影響。
存在兩大類端接器，″濕″型和″干″型。在濕型端接器中，絕緣體典型地包含施加在半導體層的端接端部的應力消除元件。諸如油的合適的電介體材料典型地填充電纜和絕緣體內壁之間的腔。在干型端接器中，絕緣體典型地包含具有內徑的應力消除元件，該元件提供在電纜絕緣上以及典型地在電纜半導體上的干涉配合。存在用于濕或干型端接器的兩大類應力消除元件(1)電容型應力消除元件以及(2)幾何型應力消除元件。
電容型應力消除元件可以由不可壓縮的彈性體形成，以及在設計上通常是圓柱形管。電容型應力消除元件主要依靠物料選擇以控制由端接電纜引起的電場和電應力。有用的材料應該是優良的絕緣體并且具有大的介電常數。例如，對于中壓(例如15kV)電端接，電容應力消除元件的介電常數應該大于約12。對于高壓(例如69kV)電端接，介電常數應該大于約20。盡管電容型應力消除元件(通常被通俗稱為″高K管)在低壓和中壓應用中是有用的，但是它們在高壓應用中較少有效。雖然高K管可商用于69kV端接系統，但是本領域技術人員通常理解，在高壓由于電應力會導致高K管壁破裂。
幾何型應力消除元件主要依靠幾何設計以及材料類型以控制由端接電纜引起的電場和電應力。在一種設計中，幾何應力消除元件在形狀上是圓錐形的，并且包含嵌入絕緣體中的半導體電極。
冷縮技術已經用于傳遞電容應力消除元件。例如，高K管已經預加載到15kV、39kV和69kV端接系統的冷縮管。例如，對于69kV系統，諸如由具有約11到25的介電常數的EPDM形成的高K管的電容型應力消除元件可以是大約0.200英寸(5mm)厚。高K管的長度典型地由管的介電常數確定。如本領域技術人員將理解的，具有可商用的可以支持0.200英寸厚高K管的冷縮管。
與中低壓端接器的尺寸相比，在高壓電纜中用于端接電纜的各部分的尺寸可以顯著地增加。對于幾何型應力消除元件，尺寸上的這種增大尤其明顯。由于施加于管上的壓縮應力增加，通過較大的應力消除元件，變得更難以使用冷縮管將它們傳遞到端接。
將幾何型應力消除元件現場安裝到端接電纜的當前方法需要幾個人的合作并且需要利用諸如轱轆(come-a-long)的專用設備。在典型的工藝中，將端接電纜潤滑，并且借助于所述轱轆將幾何型應力消除元件推壓到潤滑的端接電纜上。這種安裝方法往往勞動密集，并且容易出現安裝誤差。
所述端接還將典型地包含多個裙部。傳統地，裙部與絕緣體預模制在一起并且該組合安裝在端接上。例如，采用瓷套的端接將典型地包含預定數量的預模制瓷裙部以增加從端接的頂部到底部的距離。
因此，存在改進幾何型應力元件到端接高壓電纜的安裝工藝的需要。并且，還存在舍棄預定數量的裙部的需要，以在安裝所需數量的裙部時給用戶更多的靈活性，這些裙部是實現指定電壓等級的脈動性能所要求的。

發明內容
在一個方面，本發明涉及一種將幾何型應力消除元件傳遞到電纜的方法。該電纜包括由電纜絕緣、電纜半導體、接地導線和電纜套管的至少一個同軸層圍繞的導體。該方法包括下列步驟(1)端接該電纜；(2)使該端接電纜成錐形，該成錐形步驟包括移除電纜套管的一部分，收集接地導線，移除電纜半導體的一部分以致于電纜絕緣的一部分暴露并且從該半導體突出，以及電纜半導體的一部分暴露并且從該電纜套管突出；(3)提供預加載到具有孔的冷縮管上的幾何型應力消除元件，該應力消除元件包括嵌入絕緣體的半導體電極；(4)將端接電纜的錐形端置入冷縮管的孔內；以及(5)移除該冷縮管以致于應力消除元件設置在電纜半導體的一部分和電纜絕緣的一部分之上。該電纜是可用于提供高壓的等級。
在另一方面，本發明涉及包括設置在預拉伸管上的裙部的模塊化裙部系統，該組合預加載在冷縮管上。
在又一個方面，本發明涉及一種使用戶控制用于高壓電纜端接的裙部的數量的方法。該電纜端接包括具有暴露的電纜絕緣的端接電纜。該方法包括下列步驟(1)提供包括設置在預拉伸管上的裙部的模塊化裙部系統，該組合預加載在冷縮管上；以及(2)通過移除冷縮管將該模塊化裙部系統傳遞到暴露的電纜絕緣，以使該裙部和預拉伸管收縮到電纜上。
本發明的一個優點是，在應力錐的情況下，允許不利用轱轆而將幾何型應力消除元件傳遞到端接高壓電纜。本發明的傳遞方法比當前的現場安裝方法的勞動密集度更小。因為應力錐預加載到冷縮芯上，所以不需要轱轆來安裝應力錐。
本發明的另一個優點是，因為本發明的傳遞方法僅需要移除冷縮管的工作，所以它可以將幾何型應力消除元件的安裝誤差最小化。
本發明的又一優點是，通過利用模塊化裙部系統和經冷縮技術將模塊化裙部系統傳遞到端接電纜而提供了方便。


本發明可以參考下列附圖更好地描述，其中
圖1是用于干型端接器的預加載到冷縮管上的示例性幾何應力錐的示意性截面圖；圖2是用于濕型或干型端接器的預加載到冷縮管上的另一示例性幾何應力錐的示意性截面圖；圖3是一平面圖，具有在插入冷縮管內的電纜的橫截面的部分，該冷縮管支撐作為端接器的一部分的幾何應力錐；以及圖4是示例性的用于高壓電纜的模塊化的兩個裙部系統的示意性截面圖，其中該裙部已經預加載到冷縮管上。
這些附圖是理想化的，不是按比例描繪的，并且僅用于說明性的目的。在下面詳細說明中使用的關于尺寸的所有數值由詞“約”修飾。
具體實施例方式
在下面示例性實施例的詳細說明中，參考形成其一部分的附圖，并且其中是以可實施本發明的示例性具體實施例的方式示出。應該理解，也可以使用其他的實施例并且可以進行結構上的或邏輯上的改變，而不脫離本發明的范圍。因此，下列的詳細說明不是限制性的，并且本發明的范圍由所附的權利要求限定。
現在參考附圖，尤其是參考圖1，幾何型應力消除元件50已經預加載到冷縮管70上，在這種情況下該應力消除元件是應力錐。該應力消除元件可以機械地伸展并且加載到冷縮管上。這種具體的應力消除元件可用于干型端接器。應力消除元件50具有第一絕緣體52，半導體電極54和第二絕緣體56。該應力消除元件可利用諸如模制的傳統方法形成。在一個實施例中，圖1的應力錐具有500毫米(mm)的長度。當從其中心線計算時，該應力錐的最大厚度是70mm。第一和第二絕緣體的最小介電常數是2。第一和第二絕緣體的最大量介電常數是6。半導體電極的體積電阻率是10000歐姆-厘米。這種具體應力錐具有4千克(kg)的質量。
圖2示出了另一個示例性幾何型應力消除元件60，其也是一種應力錐，并且已經預加載到冷縮管80上。這種具體的應力消除元件可用于干型端接器或濕型端接器。應力消除元件60具有絕緣體62和半導體電極64，以及可以利用諸如模制的傳統方法形成。在一個實施例中，圖2的應力錐具有600mm的長度。當從其中心線計算時，該應力錐的最大厚度是45至50mm。在一個實施例中，絕緣體的最小介電常數是2。在另一個實施例中，絕緣體的最大量介電常數是6。半導體電極的體積電阻率是10000歐姆-厘米。該應力錐具有2kg的質量。
圖1和2的示例性實施例在設計上是圓錐形的，并且與高K管或接頭相比，由于其質量，它們在冷縮芯上強加了大量的環向應力。接頭，甚至用于高壓應用中的那些，通常設計成在接頭的整個長度上更均勻地分配質量。接頭泛指配電系統中引入的電纜連接到至少一個引出的電纜的那些部分。
在圖1和2的實施例中，在冷縮管上的環向應力集中圍繞應力錐最厚的部分。使用冷縮技術傳遞諸如圖1和2的應力錐的大型元件變成非常大的技術挑戰，該元件在冷縮管上施加較大且不均勻的壓縮應力。
在一個實施例中，幾何型應力消除元件由彈性材料形成。如在此使用的，術語″彈性體″通常意味著具有超過其原始長度伸展以及當釋放時縮回至其原始長度一部分，優選地縮回至接近其原始長度的能力的熱塑性或熱固性聚合物。示例性合適的彈性材料包括硅橡膠，三元乙丙橡膠(即乙烯-丙烯-二烯系單體(EPDM)橡膠)，聚氨酯橡膠，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯(氯丁橡膠)，丁腈橡膠，丁基橡膠，以及聚硫橡膠。
在幾何型應力消除元件中的半導體電極可以通過將炭黑增加到上述引用彈性體中而形成。增加到彈性體的炭黑的量影響其傳導率。也可以采用其他的導電材料代替炭黑。在一個實施例中，半導體電極的最小體積電阻率是50歐姆-厘米。在另一個實施例中，半導體電極的最大體積電阻率是10000歐姆-厘米。本領域技術人員可以確定需要增加到該彈性體以實現所需的體積電阻率的炭黑或其他導電材料的量。
圖3示出了用于已經在一端部端接的高壓電纜10的示例性端接器的一部分。該圖示出了在工藝中應力錐的傳遞。該電纜包含由同軸絕緣層14圍繞的中心導線12。半導體16同軸地圍繞絕緣。接地線18圍繞半導體以及電纜套管21圍繞接地線。端接電纜已經是錐形的，以致于部分電纜套管已經移除以暴露電纜半導體的一部分，接地線已經收集并聚集，以及半導體的一部分已經移除以暴露部分絕緣。典型地，接地線形成為連接到地線端子的接地線。如果需要，半導體材料可以應用于暴露的電纜絕緣以延伸該電纜半導體。可以在緊鄰電纜半導體的區域在電纜絕緣上噴霧或噴涂該半導體材料。示例性半材料可以包含石墨。
該端接電纜位于冷縮管23的芯內。應力錐20已經預加載到冷縮管上。當預加載到冷縮管上時，應力消除元件是在伸展的狀態并且在管上產生壓縮應力(也被稱為″環向應力″)。該應力錐包括嵌入絕緣20b的半導體電極20a。具有所附冷縮管的應力錐被設置地接近電纜絕緣和電纜半導體之上。
在將應力錐安裝到端接錐形電纜期間，通過拉動連續的條23a而移除冷縮管。當拉動該條時，冷縮管逐漸地展開并且應力錐逐漸地收縮以夾緊電纜絕緣和電纜半導體的下面的外圍表面。當應力消除元件安裝到端接電纜上時，應力錐的半導體電極20a與電纜的半導體16接觸。在一個實施例中，應力錐的半導體電極以這樣的方式接觸電纜半導體，即前者有效地延伸后者，使得從端接電纜引出的等勢線被更好地控制從而將它們的密度最小化。
圖3還示出了在錐形電纜的暴露的絕緣上的多個裙部28。裙部用作絕緣體，并且在延伸電流必須從端接器的一端到另一端部通過的距離方面它們是有效的。該裙部可以通過將它們推壓到電纜絕緣上而一次一個地設置。下面結合圖4描述一種替代方法，其中使用模塊化的裙部系統。在一個實施例中，裙部材料由上列彈性體形成。本領域技術人員應該理解，使用的裙部的數量取決于電壓等級所需的脈沖性能。
現在轉向圖4，示出了模塊化的兩裙部系統。裙部78加載到預拉伸管76，并且該組合加載到冷縮管73。在一個實施例中，使用一種機械方法來將裙部加載到預拉伸管上。雖然示出的是模塊化的兩裙部系統，但是可以將任意數量的裙部加載到預拉伸管。例如，其他的系統可以包括模塊化的四裙部，模塊化的六裙部，以及模塊化的八裙部系統。也可以使用奇數的裙部。
在一個實施例中，預拉伸管由上列彈性體形成。該預拉伸管的設計通常是圓柱形的，沿著其長度具有基本均勻的壁厚度。如果在模塊化裙部系統到端接電纜的安裝期間使用潤滑劑，則該潤滑劑基本上不被電纜絕緣或預拉伸管所吸收。
模塊化的裙部圖案的優點是它允許用戶安裝所需數量的裙部到端接以實現所需的具體電壓等級的脈沖需求。因此，該模塊化的裙部減少了保持庫存絕緣體的需要，該絕緣體如前所述具有作為絕緣體的一部分模制的預定數量的裙部。例如，用戶不必分別庫存預模制的一裙部，預模制的兩裙部，預模制的三裙部等系統。通過“預模制”，意味著裙部和諸如預拉伸管的部件作為一個單元模制。利用模塊化的裙部，用戶可以靈活地擴展裙部數量以符合脈沖需求。模塊化的裙部系統的另一個優點是通過使用冷縮管容易傳遞到端接電纜。
完成端接器的安裝可能需要各種其他的步驟。例如可能需要諸如機械裝置的硬件被安裝到端接電纜上。此外，可以在安裝應力消除元件之前以及在安裝裙部或模塊化的裙部系統之前將潤滑劑應用于端接電纜。合適的潤滑劑是基本上沒有被電纜絕緣、電纜半導體或應力消除元件所吸收的一種潤滑劑。
現在轉向本發明中使用的冷縮管，它通常是圓柱形。在一個示例性實施例中，冷縮管沿著其長度螺旋形地開槽。該連續的凹槽使得冷縮管拔出成連續的帶，其通過冷縮管的孔即在管和電纜之間移除。合適的冷縮管在US專利No.3515798(Sieverd)、5670223(Sadlo等)和5925417(Sadlo等)中公開。
一種尤其有用的冷縮管在US專利No.5925417中公開，因為它能夠經受更大的壓力。圖6示出了由具有支承件50的帶30形成的冷縮管。其中記載，支承件50沿著帶30的長度縱向地延伸。支承件50優選地具有比形成帶30的其余部分的材料更大的強度和耐熱性。當為了大直徑伸展彈性的高壓目的時，在帶30中包含支承件50形成了一種管，該管在經受大直徑伸展的彈性對象的高壓力(例如，用于高壓電纜的幾何應力消除元件)時表現出對過早破裂的增大的抵抗性。支承件50可以是一種熱塑性材料，例如ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)樹脂，同時帶30的其余部分由熱塑性材料形成，例如聚烯烴樹脂。在一個實施例中，支承件50與帶30的主體共同擠壓成形。形成帶30的其他方法可以由本領域技術人員理解，并且落在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種將幾何型應力消除元件傳遞到電纜的方法，該電纜包括由電纜絕緣、電纜半導體、接地導線和電纜套管的至少一個同軸層圍繞的導體，該方法包括下列步驟端接該電纜；使該端接電纜成錐形，該成錐形步驟包括移除電纜套管的一部分，收集接地導線，以及移除電纜半導體的一部分，使得電纜絕緣的一部分暴露并且從該半導體突出，并且使得電纜半導體的一部分暴露并且從該電纜套管突出；提供預加載到具有孔的冷縮管上的幾何型應力消除元件，該應力消除元件包括嵌入絕緣體的半導體電極；將端接電纜的錐形端設置進入冷縮管的孔內；以及移除該冷縮管，使得應力消除元件設置在電纜半導體的一部分和電纜絕緣的一部分之上；其中該電纜是可用于提供高壓的等級。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在移除冷縮管的步驟之后，應力消除元件的半導體電極接觸電纜半導體。
3.根據權利要求1所述的方法，其中在使端接電纜成錐形的步驟之后，該方法還包括將半導體材料的涂層施加到緊鄰電纜半導體的暴露的電纜絕緣的一部分上的步驟。
4.根據權利要求3所述的方法，其中半導體材料的涂層通過噴霧噴涂施加。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述半導體材料包括石墨。
6.根據權利要求1所述的方法，其中在端接該電纜步驟之后，所述方法還包括將至少一個裙部安裝到電纜絕緣上的步驟。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述裙部和預拉伸管的至少一個由從下列組中選擇出來的聚合物材料形成硅橡膠，三元乙丙橡膠，聚氨酯橡膠，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡膠，丁基橡膠，聚硫橡膠，以及它們的組合物。
8.根據權利要求1所述的方法，其中在將端接電纜的錐形端置入冷縮管的孔內的步驟之前，該方法還包括將潤滑劑施加到電纜半導體的至少一部分和電纜絕緣的至少一部分上的步驟。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述潤滑劑基本上沒有被電纜絕緣、電纜半導體或幾何應力消除元件所吸收。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述幾何應力消除元件的絕緣體由從下列組中選擇出來的聚合物材料形成硅橡膠，三元乙丙橡膠，聚氨酯橡膠，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡膠，丁基橡膠，聚硫橡膠，以及它們的組合物。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述幾何應力消除元件的半導體電極由包括炭黑的聚合物材料形成，該聚合物材料從下列組中選擇硅橡膠，三元乙丙橡膠，聚氨酯橡膠，苯乙烯-丁二烯共聚物，聚氯丁烯，丁腈橡膠，丁基橡膠，聚硫橡膠，以及它們的組合物。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述應力消除元件的絕緣體的介電常數大于約2。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述應力消除元件的絕緣體的介電常數小于約6。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述應力消除元件的半導體電極具有大于約50歐姆-厘米的最小體積電阻率。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述應力消除元件的半導體電極具有小于約10000歐姆-厘米的最大體積電阻率。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述冷縮管包括沿著其長度縱向延伸的支承件。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述支承件與冷縮管共同擠壓成形。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述支承件是由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物形成的聚合體。
19.根據權利要求1所述的方法，其用于濕型或干型端接。
全文摘要
提供一種將幾何型應力消除元件(50)傳遞到端接電纜(10)的方法。該電纜(10)包括由絕緣體(14)、半導體(16)、接地導線(18)和電纜套管(21)的至少一個同軸層圍繞的導體(12)。首先，使該端接電纜成錐形以暴露導體(12)的一部分以致于突出超過絕緣體(14)，該絕緣體突出超過半導體(16)，該半導體突出超過志線(18)。幾何應力錐(50)預加載到冷縮管(70)上。該端接的錐形電纜插入冷縮管(70)內。該冷縮管(70)被移除，并且幾何型應力錐(50)坍塌到錐形電纜上。該電纜(10)是可用于提供高壓的等級。
文檔編號H02G15/18GK101040413SQ200580035260
公開日2007年9月19日 申請日期2005年9月16日 優先權日2004年10月14日
發明者涅戈·K·恩古彥, 托德·H·理查森, 威廉·L·泰勒, 張鳴 申請人:3M創新有限公司