Способ непрерывного получения электрических кабелей

Классификация по МПК: H01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2317608
Дата публикации: 
Среда, Февраль 20, 2008
Начало действия патента: 
Четверг, Декабрь 18, 2003

Настоящее изобретение относится к способу получения электрического кабеля. В частности, данный способ включает следующие стадии: а) подачу проводника с заранее определенной скоростью подачи; b) экструдирование термопластичного изоляционного слоя в радиальном направлении с внешней стороны проводника; с) охлаждение полученного путем экструзии изоляционного слоя до температуры, не превышающей 70°С; и d) образование замкнутого по окружности металлического экрана вокруг упомянутого полученного путем экструзии изоляционного слоя. Способ по настоящему изобретению выполняют в непрерывном режиме, т.е. период времени от момента окончания стадии охлаждения до момента начала стадии образования экрана обратно пропорционален скорости подачи проводника. 18 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.


Область техники

Настоящее изобретения относится к способу получения электрических кабелей, в частности электрических кабелей, предназначенных для передачи или распределения электроэнергии при среднем или высоком напряжении.

В данном описании термин "среднее напряжение" используется для обозначения электрического напряжения, в типичном случае составляющего от приблизительно 1 кВ до приблизительно 30 кВ, а термином "высокое напряжение" обозначается электрическое напряжение, превышающее 30 кВ. Кроме того, в данной области техники для указания напряжений, превышающих приблизительно 150 кВ или 220 кВ и вплоть до 500 кВ или более, используется термин "сверхвысокое напряжение".

Кабели, к которым относится данное изобретение, могут быть использованы для передачи или распределения постоянного или переменного тока.

Уровень техники

Кабели, предназначенные для передачи или распределения электроэнергии при среднем или высоком напряжении, в общем случае содержат металлический проводник, который, в порядке следования от него, заключен в первый внутренний полупроводниковый слой, изоляционный слой и внешний полупроводниковый слой соответственно. Далее в данном описании упомянутая группа элементов будет обозначаться термином "кабельная жила".

Снаружи в радиальном положении относительно упомянутой жилы кабель содержит металлический экран (или металлическую защиту), обычно изготовленный из алюминия, свинца или меди.

Металлический экран может состоять из некоторого числа металлических проволок или лент, которыми по спирали обмотана жила, либо из цельной (сплошной по окружности) трубки, например металлического листа, согнутого в продольном направлении с получением трубчатой формы при помощи сварки или иного способа герметизации его продольных краев, например склеивания, для образования барьера на пути попадания влаги или воды в кабельную жилу.

Металлический экран в основном выполняет электрическую функцию, создавая внутри кабеля в результате непосредственного контакта между ним и внешним полупроводниковым слоем кабельной жилы однородное электрическое поле радиального типа и в то же время нейтрализуя воздействующее на кабель внешнее электрическое поле. Дополнительной функцией металлического экрана является борьба с токами короткого замыкания.

При изготовлении в виде цельной трубки металлический экран также обеспечивает герметичность, защищая от проникновения воды в радиальном направлении.

Пример металлического экрана приведен, например, в документе US Re36307.

В случае если электрический кабель относится к однополюсному типу, то он дополнительно содержит полимерную наружную оболочку, расположенную снаружи относительно упомянутого металлического экрана.

Кроме того, кабели, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии, в общем случае содержат один или более слоев, защищающих эти кабели от случайного ударного воздействия на их внешнюю поверхность.

Случайное ударное воздействие на кабель может возникать, например, во время его транспортировки или во время укладки кабеля в траншею, вырытую в земле. Такое случайное ударное воздействие может вызывать ряд структурных повреждений кабеля, включая деформацию изоляционного слоя и отставание изоляционного слоя от полупроводниковых слоев; такие повреждения могут привести к изменениям градиента электрического напряжения в изоляционном слое с последующим ухудшением его изоляционных свойств.

Известны кабели с изоляцией из сшитого полимера, способ получения таких кабелей описан, например, в документах EP1288218, EP426073, US2002/0143114 и US4469539.

Сшивание кабельной изоляции может быть выполнено с использованием силана либо с использованием пероксидов.

В первом случае кабельная жила, содержащая полученный путем экструзии изоляционный слой, окружающий проводник, выдерживается в течение относительно продолжительного периода времени (несколько часов или дней) в среде, содержащей воду (либо в виде жидкости, либо в виде пара, обеспечивающего влажность этой среды), в результате чего эта вода может путем диффузии проникать через изоляционный слой, вызывая упомянутое сшивание. При этом требуется, чтобы кабельная жила (фиксированной длины) была намотана на катушки, что само по себе делает невозможным осуществление непрерывного процесса производства.

Во втором случае сшивание обеспечивается за счет разложения пероксида при относительно высоких температуре и давлении. В процессе проходящих химических реакций возникают газообразные побочные продукты, для которых должна быть обеспечена возможность диффузии через изоляционный слой не только во время отверждения, но также и после этого отверждения. Поэтому должна быть предусмотрена стадия дегазации, имеющая такую длительность, которая достаточна для удаления из кабельной жилы упомянутых газообразных побочных продуктов перед нанесением на кабельную жилу дополнительных слоев (в особенности, если такие слои являются полностью или почти газонепроницаемыми, например, в случае образования металлического слоя, получаемого путем продольного сгибания).

Как показывает практический опыт заявителя, при отсутствии стадии дегазации, предшествующей нанесению дополнительных слоев, при определенных условиях окружающей среды (например, значительном воздействии солнечного излучения на кабельную жилу) объем упомянутых побочных продуктов может увеличиваться, вызывая нежелательную деформацию металлического экрана и/или полимерной наружной оболочки.

Кроме того, в случае отсутствия стадии дегазации газообразные побочные продукты (например, метан, ацетофенон, куминовый спирт) остаются в кабельной жиле из-за наличия нанесенных на нее дополнительных слоев и могут выйти из кабеля только с его концов. Это особенно опасно, так как некоторые из таких побочных продуктов (например, метан) являются горючими, и существует вероятность взрыва, например, во время укладки упомянутых кабелей в траншею, вырытую в земле, либо во время их соединения в этой траншее.

Более того, в случае отсутствия стадии дегазации, предшествующей нанесению дополнительных слоев, имеется вероятность возникновения пор в изоляции, что может ухудшить электрические свойства изоляционного слоя.

В документе WO 02/47092 на имя заявителя описан способ получения кабеля, содержащего термопластичную изоляцию, в котором кабель изготавливают с использованием экструзии и пропускания через неподвижный смеситель термопластичного материала, содержащего термопластичный полимер, смешанный с жидким диэлектриком, причем упомянутый термопластичный материал наносят на проводник при помощи экструзионной головки. После стадии охлаждения и сушки кабельную жилу собирают на барабан, а затем на упомянутой жиле образуют металлический экран, наматывая на нее по спирали тонкие полоски из меди или медную проволоку. Процесс изготовления кабеля завершается образованием внешней полимерной оболочки.

При осуществлении данного способа не предполагалось использовать непрерывную подачу кабельной жилы в блок образования экрана. По существу, экран относился к тому типу, который пригоден только для использования в периодическом технологическом процессе, так как он требовал использования катушек, установленных на вращающемся устройстве, что более подробно будет рассмотрено ниже.

Сущность изобретения

Заявитель обнаружил, что наличие стадии перерыва при получении кабеля, используемого, например, в целях отверждения или дегазации, является нежелательным, так как ограничивает длину каждого отрезка кабеля (при этом требуется стадия монтажа кабеля на барабаны), приводит к появлению на предприятии проблем, связанных со свободным пространством и логистикой, увеличивает время изготовления кабелей и, наконец, повышает стоимость кабельной продукции.

Поэтому заявителем предлагается способ непрерывного получения кабеля, т.е. способ, не включающий промежуточные перерывы или стадии накопления, за счет использования термопластичного изоляционного материала вместе с продольно согнутым замкнутым по окружности металлическим экраном.

При разработке способа непрерывного получения кабеля заявитель понял, что при выполнении стадии образования замкнутого по окружности металлического экрана вокруг полученного путем экструзии изоляционного слоя могут возникать сложности, если температура упомянутого слоя превышает заранее определенное пороговое значение.

В частности, заявитель обнаружил, что при использовании способа непрерывного получения кабеля максимальная температура полученного путем экструзии изоляционного слоя во время образования на нем замкнутого по окружности металлического экрана является важным параметром с точки зрения правильного функционирования готового кабеля, причем упомянутая максимальная температура должна быть ниже заранее определенного порогового значения.

На практике, в случае несоблюдения подобного условия, заявитель обнаружил, что между металлическим экраном и изоляционным слоем готового кабеля могут возникать пустоты.

Если говорить более подробно, так как коэффициент теплового расширения/сжатия пластика превышает соответствующий коэффициент для металла, то при образовании замкнутого по окружности металлического экрана поверх изоляционного слоя, если максимальная температура этого слоя (который получен путем экструзии на предыдущей стадии способа непрерывного получения) превышает заранее определенное пороговое значение, по мере охлаждения кабеля изоляционный слой сжимается в большей степени, чем металлический экран. Кроме того, из-за трубчатой формы, получаемой при продольном сгибании металлического листа, изменение геометрических размеров металлического экрана не соответствует уровню тепловой усадки и сжатия изоляционного слоя.

Следовательно, так как результирующая усадка изоляционного слоя превышает усадку металлического экрана, между ними могут возникать пустоты. Наличие пустот внутри кабеля является особенно опасным, так как они могут привести к возникновению частичных электрических разрядов во время эксплуатации кабеля и, следовательно, к его пробою.

Кроме того, наличие пустот на границе между изоляционным слоем и металлическим экраном отрицательно влияет не только на электрические характеристики кабеля, но также и на его механические характеристики, так как из-за коробления металлического экрана в условиях значительного или последовательного изгибающего воздействия на кабель, например во время наматывания готового кабеля на накопительный барабан или на средство для хранения, могут возникать изгибы.

Возникновения изгибов, остающихся в металлическом экране, необходимо избегать, так как это отрицательно влияет на характеристики механического сопротивления этого экрана, например, стойкость к усталостному разрушению металлического экрана при наличии изгибов существенно снижается.

Кроме того, так как полимерный слой в общем случае наносят поверх металлического экрана путем экструзии, возникновение изгибов в металлическом экране может привести к появлению участков локального отставания полимерного слоя от упомянутого экрана. Эта особенность отрицательно влияет на срок службы кабеля, так как в кабель может проникать вода, которая достигает упомянутых участков локального отставания, вызывая таким образом коррозию металлического экрана.

Более того, заявитель обнаружил, что температура изоляционного слоя дополнительно влияет на температуру металлического экрана, полученного путем сгибания поверх изоляционного слоя. Если говорить более подробно, заявитель обнаружил, что при превышении максимальной температурой изоляционного слоя заранее определенного порогового значения температура металлического экрана существенно повышается и при наматывании готового кабеля на накопительный барабан из-за коробления металлического экрана в этом экране могут возникнуть изгибы.

Необходимо подчеркнуть, что при использовании обычных способов получения кабеля, которые не являются непрерывными, как в случае настоящего изобретения, упомянутые недостатки не возникают, так как металлический экран образуется поверх изоляционного слоя, когда последний находится в холодном состоянии, так как кабельная жила изготавливается на первой стадии технологического процесса и впоследствии хранится на накопительном барабане.

Заявитель обнаружил, что перед выполнением стадии образования замкнутого по окружности металлического экрана на полученном путем экструзии изоляционном слое этот слой должен быть охлажден до температуры, не превышающей 70°С.

Другими словами, чтобы упомянутые выше недостатки не появлялись, как выяснил заявитель, нет необходимости охлаждать полученный путем экструзии изоляционный слой до температуры окружающей среды, составляющей 20-25°С (т.е. до температуры, которая типична для периодического процесса, в соответствии с которым кабельная жила изготавливается и впоследствии хранится на накопительном барабане), так как охлаждение упомянутого слоя до температуры не выше 70°С гарантирует получение готового кабеля с хорошими электрическими/механическими свойствами.

Кроме того, заявитель обнаружил, что при использовании способа непрерывного получения кабеля охлаждение полученного путем экструзии изоляционного слоя до температуры, не превышающей 70°С, позволяет оптимизировать конструкцию установки. В действительности, как упомянуто выше, поскольку отсутствует необходимость в значительном охлаждении полученного путем экструзии изоляционного слоя, участок охлаждения может быть создан ограниченной длины и отсутствует необходимость создавать его сложным, например, за счет увеличения числа проходов кабельной жилы по соответствующим охлаждающим желобам.

Более того, заявитель обнаружил, что перед образованием металлического экрана желательно полученный путем экструзии изоляционный слой не должен находиться в холодном состоянии. На практике, если упомянутый слой находится в холодном состоянии, когда поверх него наносится металлический экран, а затем поверх металлического экрана наносится полимерная оболочка, т.е. защитный элемент, то материал этой полимерной оболочки, расположенный ближе к упомянутому экрану и, следовательно, к изоляционному слою, охлаждается значительно быстрее по сравнению с остальной частью этой полимерной оболочки.

Вследствие такого быстрого охлаждения слой полимерной оболочки, расположенный ближе к изоляционному слою, затвердевает, т.е. становится жестким, в то время как остальная часть этой оболочки по-прежнему остается мягкой. Эта особенность чрезвычайно невыгодна по той причине, что наличие упомянутого жесткого слоя препятствует необходимому сжатию полимерной оболочки на металлическом экране и в результате не может быть достигнут необходимый плотный контакт между металлическим экраном, полимерной оболочкой и изоляционным слоем.

С другой стороны, в случае охлаждения полученного путем экструзии изоляционного слоя до температуры, не превышающей 70°С, в соответствии с настоящим изобретением, не происходит быстрого охлаждения полимерной оболочки, образуемой на металлическом экране, и предотвращается возникновение жесткого слоя в упомянутой оболочке. В результате полимерная оболочка подходящим образом сжимается вокруг металлического экрана и, следовательно, может быть достигнут плотный контакт между металлическим экраном, полимерной оболочкой и изоляционным слоем.

В предпочтительном случае полученный путем экструзии изоляционный слой должен быть охлажден до температуры в диапазоне от приблизительно 30°С до приблизительно 70°С.

В более предпочтительном случае полученный путем экструзии изоляционный слой должен быть охлажден до температуры в диапазоне от приблизительно 40°С до приблизительно 60°С.

Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к способу непрерывного получения электрического кабеля, и этот способ содержит следующие стадии:

- подачу проводника с заранее определенной скоростью подачи;

- экструдирование термопластичного изоляционного слоя в радиальном направлении с внешней стороны проводника;

- охлаждение полученного путем экструзии изоляционного слоя до температуры, не превышающей 70°С;

- образование замкнутого по окружности металлического экрана вокруг упомянутого полученного путем экструзии изоляционного слоя.

В частности, упомянутый замкнутый по окружности металлический экран вокруг изоляционного слоя, полученного путем экструзии, создают при помощи продольного сгибания металлического листа, либо путем наложения его краев внахлест, либо путем их скрепления.

В предпочтительном случае упомянутая стадия образования металлического экрана согласно способу, предлагаемому настоящим изобретением, содержит стадию наложения внахлест краев металлического листа. В качестве альтернативы упомянутая стадия образования металлического экрана содержит стадию скрепления краев упомянутого листа, например, при помощи сварки.

В предпочтительном случае способ содержит стадию подачи упомянутого проводника в виде металлического стержня.

В общем случае способ, предлагаемый настоящим изобретением, дополнительно включает стадию образования наружной оболочки вокруг металлического экрана. В предпочтительном случае наружную оболочку образуют путем экструзии.

Кроме того, в предпочтительном случае способ, предлагаемый настоящим изобретением, включает стадию нанесения вокруг упомянутого металлического экрана ударозащитного элемента. В предпочтительном случае ударозашитный элемент создают путем экструзии. В предпочтительном случае ударозащитный элемент содержит полимерный слой, не увеличенный в объеме, и полимерный слой, увеличенный в объеме. В предпочтительном случае полимерный слой, увеличенный в объеме, является внешним относительно полимерного слоя, не увеличенного в объеме. В предпочтительном случае полимерный слой, не увеличенный в объеме, и полимерный слой, увеличенный в объеме, наносят путем совместной экструзии.

В предпочтительном случае ударозащитный элемент создают между замкнутым по окружности металлическим экраном и наружной оболочкой.

В предпочтительном случае термопластичный полимерный материал изоляционного слоя содержит жидкий диэлектрик.

Кроме того, заявитель обнаружил, что кабель, изготовленный с использованием способа непрерывного получения, предлагаемого настоящим изобретением, неожиданно приобрел высокое механическое сопротивление к случайным ударным воздействиям.

В частности, заявитель обнаружил, что высокую степень защиты от ударного воздействия кабель приобрел в результате удачного сочетания замкнутого по окружности металлического экрана с ударозащитным элементом, который содержит, по меньшей мере, один полимерный слой, увеличенный в объеме, причем этот слой располагается поверх упомянутого металлического экрана.

Кроме того, заявитель заметил, что при возникновении деформации экрана, обусловленной соответствующим ударным воздействием на кабель, наличие замкнутого по окружности металлического экрана является особенно выгодным, так как этот экран деформируется непрерывно и плавно, таким образом предотвращая любое локальное увеличение электрического поля в изоляционном слое.

Более того, заявитель обнаружил, что кабель, снабженный термопластичным изоляционным слоем, замкнутым по окружности металлическим экраном и ударозащитным элементом, который содержит, по меньшей мере, один полимерный слой, увеличенный в объеме, может быть успешно изготовлен при помощи способа непрерывного получения.

Далее, заявитель обнаружил, что механическое сопротивление случайному ударному воздействию может быть успешным образом увеличено за счет снабжения кабеля дополнительным полимерным слоем, увеличенным в объеме, который располагается внутри металлического экрана.

Кроме того, заявитель обнаружил, что упомянутый дополнительный полимерный слой, увеличенный в объеме, располагающийся внутри металлического экрана, благоприятно влияет на расширение/сжатие этого экрана (при изготовлении кабеля, а также во время циклических изменений температуры при его использовании). Фактически упомянутый увеличенный в объеме слой работает как упругая прокладка и улучшает сцепление между металлическим экраном и кабельной жилой.

В предпочтительном случае упомянутый дополнительный полимерный слой, увеличенный в объеме, представляет собой водозадерживающий слой.

Краткое описание чертежей

Дополнительные подробности настоящего изобретения будут рассмотрены в приведенном ниже описании со ссылкой на приложенные чертежи, из которых:

- фиг. 1 представляет собой общий вид электрического кабеля, который может быть изготовлен при помощи способа, предлагаемого настоящим изобретением;

- фиг. 2 представляет собой общий вид еще одного электрического кабеля, который может быть изготовлен при помощи способа, предлагаемого настоящим изобретением;

- на фиг. 3 схематично показана установка для получения кабелей, соответствующая способу, предлагаемому настоящим изобретением;

- на фиг. 4 схематично показана еще одна установка для получения кабелей, соответствующая способу, предлагаемому настоящим изобретением;

- фиг. 5 - 7 представляют собой примерные температурные кривые для способа, предлагаемого настоящим изобретением;

- фиг. 8 представляет собой поперечное сечение обычного электрического кабеля, снабженного экраном, состоящим из проволок, который поврежден в результате удара;

- фиг. 9 представляет собой поперечное сечение электрического кабеля, поврежденного в результате удара и изготовленного в соответствии со способом, предлагаемым настоящим изобретением;

- фиг. 10 представляет собой фотоснимок металлического экрана кабеля, изготовленного с использованием способа, предлагаемого настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

На фиг.1 и 2 изображен общий вид с поэлементным сечением электрического кабеля 1, в типичном случае предназначенного для использования в диапазоне средних или высоких напряжений, который изготовлен с использованием способа, соответствующего настоящему изобретению.

Кабель 1 содержит проводник 2, внутренний полупроводниковый слой 3, изоляционный слой 4, внешний полупроводниковый слой 5, металлический экран 6 и защитный элемент 20.

В предпочтительном случае проводник 2 представляет собой металлический стержень. В предпочтительном случае упомянутый проводник изготовлен из меди или алюминия.

В ином случае проводник 2 содержит, по меньшей мере, две металлические проволоки, предпочтительно из меди или алюминия, которые скручены вместе в соответствии с обычно используемыми технологиями.

Площадь поперечного сечения проводника 2 является функцией от передаваемой электрической мощности при выбранном напряжении. В предпочтительном случае величина поперечного сечения кабелей, соответствующих настоящему изобретению, находится в диапазоне от 16 мм2 до 1600 мм2.

В данном описании термин "изоляционный материал" используется для указания материала, имеющего электрическую прочность, составляющую, по меньшей мере, 5 кВ/мм и предпочтительно превышающую 10 кВ/мм. Для кабелей, передающих электроэнергию при среднем и высоком напряжениях (т.е. при напряжениях, превышающих приблизительно 1 кВ), в предпочтительном случае изоляционный материал имеет электрическую прочность, превышающую 40 кВ/мм.

В типичном случае изоляционный слой кабелей, предназначенных для передачи электроэнергии, имеет диэлектрическую проницаемость, превышающую 2.

Внутренний полупроводниковый слой 3 и внешний полупроводниковый слой 5 в общем случае получают путем экструзии.

К основным полимерным материалам полупроводниковых слоев 3 и 5, которые удачно можно выбрать из упомянутых ниже применительно к полимерному слою, увеличенному в объеме, добавляется электропроводная углеродная сажа, например электропроводная печная сажа или ацетиленовая сажа, с целью придания полимерному материалу полупроводниковых свойств. В общем случае площадь поверхности углеродной сажи превышает 20 м2/г, обычно находясь в диапазоне 40-500 м2/г. В предпочтительном случае можно использовать углеродную сажу, обладающую высокой электропроводностью и имеющую площадь поверхности, по меньшей мере, 900 м2/г, например, печную углеродную сажу, известную на рынке под торговой маркой Ketjenblack® EC (компания Akzo Chemie NV). Количество углеродной сажи, добавляемой в полимерную матрицу, может меняться в зависимости от типа используемых полимера и углеродной сажи, степени увеличения объема, которую предполагается обеспечить, порообразователя и т.д. В результате количество углеродной сажи должно быть таким, чтобы придать увеличенному в объеме материалу удовлетворительные полупроводниковые свойства, в частности, чтобы получить у этого материала объемное удельное сопротивление, составляющее при комнатной температуре менее 500 Ом·м, предпочтительно менее 20 Ом·м. В типичном случае количество углеродной сажи может находиться в диапазоне от 1 до 50% по весу, предпочтительно от 3 до 30% по весу, исходя из веса полимера.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения внутренний 3 и внешний 5 полупроводниковые слои содержат несшитый полимерный материал, в более предпочтительном случае - полипропилен.

В предпочтительном случае изоляционный слой 4 состоит из термопластичного материала, представляющего собой термопластичный полимер, содержащий заранее определенное количество жидкого диэлектрика.

В предпочтительном случае термопластичный полимер выбирают из группы, содержащей полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефина с этиленненасыщенным сложным эфиром, сложные полиэфиры, полиацетаты, полимеры целлюлозы, поликарбонаты, полисульфоны, фенольные смолы, карбамидные смолы, поликетоны, полиакрилаты, полиамиды, полиамины и их смеси. Примерами подходящих полимеров являются: полиэтилен (PE), в частности полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен средней плотности (MDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE), полиэтилен сверхнизкой плотности (ULDPE); полипропилен (РР); сополимеры этилена с виниловым эфиром, например сополимер этилена и винилацетата (EVA); сополимеры этилена и акрилата, в частности сополимер этилена и метилакрилата (ЕМА), сополимер этилена и этилакрилата (ЕЕА) и сополимер этилена и бутилакрилата (ЕВА); термопластичные сополимеры этилена и альфа-олефина; полистирол; акрилонитрилбутадиенстирольные смолы (ABS); галогенированные полимеры, в частности поливинилхлорид (PVC); полиуретан (PUR); полиамиды; ароматические полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (PET) или полибутилентерефталат (PBT); а также их сополимеры и механические смеси.

В предпочтительном случае жидкий диэлектрик можно выбирать из группы, содержащей минеральные масла, такие как, например, нафтеновые масла, ароматические масла, парафиновые масла, полиароматические масла (при этом упомянутые минеральные масла могут содержать, по меньшей мере, один гетероатом, выбираемый из группы, содержащей кислород, азот или серу); жидкие парафины; растительные масла, такие как, например, соевое масло, льняное масло, касторовое масло; олигомерные ароматические полиолефины; парафиновые воски, такие как, например, полиэтиленовые воски, полипропиленовые воски; синтетические масла, такие как, например, силиконовые масла, алкилбензолы (такие как, например, дибензилтолуол, додецилбензол, ди(октилбензил)толуол), сложные эфиры алифатического ряда (такие как, например, тетраэфиры пентаэритрита, эфиры себациновой кислоты, эфиры фталевой кислоты), олефиновые олигомеры (такие как, например, возможно гидрированные полибутилены или полиизобутилены); или их смеси. Особенно предпочтительными являются ароматические, парафиновые и нафтеновые масла.

В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, показанных на фиг. 1 и 2, металлический экран 6 изготовлен из непрерывного металлического листа, предпочтительно алюминиевого или медного, которому придана форма трубки.

Металлический лист, образующий металлический экран 6, сгибают в продольном направлении вокруг внешнего полупроводникового слоя 5 с нахлестом краев.

Желательно, чтобы между наложенными внахлест краями находился уплотняющий или связующий материал для придания металлическому экрану водонепроницаемости. В качестве альтернативы, края металлического листа могут быть сварены.

Как показано на фиг. 1 и 2, металлический экран 6 окружен наружной оболочкой 23, предпочтительно изготовленной из несшитого полимерного материала, например поливинилхлорида (PVC) или полиэтилена (РЕ); толщина подобной наружной оболочки может выбираться таким образом, чтобы кабель приобрел определенный уровень сопротивления к механическим напряжениям и ударному воздействию, но без чрезмерного увеличения диаметра и жесткости этого кабеля. Такое решение подходит, например, для кабелей, используемых в защищенных зонах, где предполагается ограниченный уровень ударного воздействия либо защита обеспечивается иным образом.

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, показанному на фиг. 1, который особенно подходит в том случае, когда требуется повышенный уровень защиты от ударного воздействия, кабель 1 снабжен защитным элементом 20, который расположен снаружи металлического экрана 6. В соответствии с этим вариантом защитный элемент 20 содержит не увеличенный в объеме полимерный слой 21 (расположенный ближе к оси кабеля) и увеличенный в объеме полимерный слой 22 (расположенный дальше от оси кабеля). Согласно варианту, показанному на фиг. 1, не увеличенный в объеме полимерный слой 21 контактирует с металлическим экраном 6, а увеличенный в объеме полимерный слой 22 находится между не увеличенным в объеме полимерным слоем 21 и полимерной наружной оболочкой 23.

Толщина не увеличенного в объеме полимерного слоя 21 находится в диапазоне от 0,5 мм до 5 мм.

Толщина увеличенного в объеме полимерного слоя 22 находится в диапазоне от 0,5 мм до 6 мм.

В предпочтительном случае толщина увеличенного в объеме полимерного слоя 22 составляет от одной до двух толщин не увеличенного в объеме полимерного слоя 21.

Защитный элемент 20 обеспечивает повышенный уровень защиты кабеля от внешнего ударного воздействия за счет, по меньшей мере, частичного поглощения энергии удара.

Увеличиваемый в объеме полимерный материал, который подходит для использования в увеличенном в объеме полимерном слое 22, может выбираться из группы, содержащей полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефина с этиленненасыщенным сложным эфиром, сложные полиэфиры, поликарбонаты, полисульфоны, фенольные смолы, карбамидные смолы и их смеси. Примерами подходящих полимеров являются полиэтилен (PE), в частности полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен средней плотности (MDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE), полиэтилен сверхнизкой плотности (ULDPE); полипропилен (РР); эластомерные сополимеры этилена и пропилена (EPR) или тройные сополимеры этилена, пропилена и диена (EPDM); натуральный каучук; бутилкаучук; сополимеры этилена с виниловым эфиром, например сополимер этилена и винилацетата (EVA); сополимеры этилена и акрилата, в частности сополимер этилена и метилакрилата (ЕМА), сополимер этилена и этилакрилата (ЕЕА) и сополимер этилена и бутилакрилата (ЕВА); термопластичные сополимеры этилена и альфа-олефина; полистирол; акрилонитрилбутадиенстирольные смолы (ABS); галогенированные полимеры, в частности поливинилхлорид (PVC); полиуретан (PUR); полиамиды; ароматические полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат (PET) или полибутилентерефталат (PBT); а также их сополимеры и механические смеси.

В предпочтительном случае полимерный материал, образующий увеличенный в объеме полимерный слой 22, представляет собой полимер полиолефина или сополимер на основе этилена и/или пропилена и, в частности, выбирается из следующего:

(а) сополимеры этилена с этиленненасыщенным сложным эфиром, например винилацетатом или бутилацетатом, в которых количество ненасыщенного сложного эфира в общем случае составляет от 5 до 80% по весу, в предпочтительном случае от 10 до 50% по весу;

(b) эластомерные сополимеры этилена с, по меньшей мере, одним С312 альфа-олефином и, возможно, диеном, в предпочтительном случае сополимеры этилена и пропилена (EPR) или сополимеры этилена, пропилена и диена (EPDM), в общем случае имеющие следующий состав: 35-90 молярных процентов этилена, 10-65 молярных процентов альфа-олефина и 0-10 молярных процентов диена (например, 1,4-гексадиен или 5-этилиден-2-норборнен);

(с) сополимеры этилена с, по меньшей мере, одним С412 альфа-олефином, предпочтительно 1-гексеном, 1-октеном и т.п., и, возможно, с диеном, которые в общем случае имеют плотность от 0,86 до 0,90 г/см3 и следующий состав: 75-97 молярных процентов этилена, 3-25 молярных процентов альфа-олефина и 0-5 молярных процентов диена;

(d) полипропилен, модифицированный сополимерами этилена и С312 альфа-олефина, в которых весовое соотношение между полипропиленом и сополимером этилена и С312 альфа-олефина находится в диапазоне от 90/10 до 10/90, предпочтительно от 80/20 до 20/80.

Например, промышленные продукты Elvax® (компания DuPont), Levapren® (компания Bayer) и Lotryl® (компания Elf-Atochem) относятся к классу (а), продукты Dutral® (компания Enichem) или Nordel® (компания Dow-DuPont) относятся к классу (b); продуктами, относящимися к классу (с), являются Engage® (компания Dow-DuPont) или Exact® (компания Exxon), в то время как относящийся к классу (d) полипропилен, модифицированный сополимерами этилена и альфа-олефина, представлен на рынке под торговыми марками Moplen® или Hifax® (компания Basell), либо также Fina-Pro® (компания Fina) и т.п.

В классе (d) особенно предпочтительными являются термопластичные эластомеры, содержащие непрерывную матрицу из термопластичного полимера, например полипропилена, и мелкие частицы (обычно имеющие диаметр порядка 1-10 мкм) отвержденного эластомерного полимера, например сшитого сополимера этилена и пропилена (EPR) или тройного сополимера этилена, пропилена и диена (EPDM), который распределен в термопластичной матрице.

Эластомерный полимер может быть включен в термопластичную матрицу в неотвержденном состоянии с последующим его динамичным сшиванием во время соответствующей обработки путем добавления необходимого количества агента сшивания.

В ином случае эластомерный полимер может быть отвержден отдельно с последующим его распределением в термопластичной матрице в виде мелких частиц.

Термопластичные эластомеры этого типа описаны, например, в патенте США № 4104210 или в заявке на Европейский патент ЕР-А 0324430. Эти термопластичные эластомеры являются предпочтительными, так как доказано, что они особенно эффективны с точки зрения упругой реакции на радиальные силы, возникающие во время циклических изменений температуры кабеля во всем диапазоне рабочих температур. В данном описании под термином "увеличенный в объеме" полимер понимается полимер, в структуре которого процент "незаполненного" объема (иначе говоря, пространства, занятого не полимером, а газом или воздухом) в типичном случае превышает 10% от общего объема упомянутого полимера.

В общем случае процент свободного пространства в полимере, увеличенном в объеме, выражается степенью увеличения объема (G). В данном описании под термином "степень увеличения объема полимера" понимается увеличение объема полимера, определяемое следующим образом:

G(степень увеличения объема)=(d0/dе-1)·100

где d0 обозначает плотность не увеличенного в объеме полимера (иначе говоря, полимера со структурой, по существу, свободной от незаполненного объема) и dе обозначает условную плотность, измеренную для увеличенного в объеме полимера.

В предпочтительном случае степень увеличения объема для увеличенного в объеме полимерного слоя 22 выбирается в диапазоне от 20 до 200%, более предпочтительно от 25 до 130%.

В предпочтительном случае не увеличенный в объеме полимерный слой 21 и наружная оболочка 23 состоят из полиолефиновых материалов, обычно поливинилхлорида или полиэтилена.

Как показано на фиг. 1 и 2, кабель 1 дополнительно снабжен водозадерживающим слоем 8, расположенным между внешним полупроводниковым слоем 5 и металлическим экраном 6.

В предпочтительном случае водозадерживающий слой 8 представляет собой увеличенный в объеме, разбухающий от воды, полупроводниковый слой.

Пример увеличенного в объеме, разбухающего от воды, полупроводникового слоя приведен в международной заявке на патент WO 01/46965, зарегистрированной на имя заявителя.

В предпочтительном случае увеличиваемый в объеме полимер для водозадерживающего слоя 8 выбирают из полимерных материалов, упомянутых выше и предназначенных для использования в увеличенном в объеме слое 22.

В предпочтительном случае толщина водозадерживающего слоя 8 находится в диапазоне от 0,2 до 1,5 мм.

Назначением упомянутого водозадерживающего слоя 8 является обеспечение эффективного барьера на пути продольного проникновения воды внутрь кабеля.

Разбухающий от воды материал в общем случае находится в измельченном виде, в частности в виде порошка. Частицы разбухающего от воды порошка предпочтительно имеют диаметр, не превышающий 250 мкм, и средний диаметр в диапазоне от 10 до 100 мкм. В более предпочтительном случае количество частиц, имеющих диаметр от 10 до 50 мкм, составляет, по меньшей мере, 50% от общего веса порошка.

Разбухающий от воды материал в общем случае состоит из гомополимера или сополимера, имеющего гидрофильные группы вдоль полимерной цепочки, например: сшитая и, по меньшей мере, частично образовавшая соль полиакриловая кислота (например, продукты Cabloc® от компании C.F.Stockhausen GmbH или Waterlock® от компании Grain Processing Co.); крахмал или его производные, смешанные с сополимерами акриламида и акрилата натрия (например, продукты SGP Absorbent Polymer® от компании Henkel AG); натрийкарбоксиметилцеллюлоза (например, продукты Blanose® от компании Hercules Inc.).

Количество разбухающего от воды материала, включаемого в увеличенный в объеме полимерный слой, в общем случае составляет от 5 до 120 частей на сто весовых частей базового полимера, предпочтительно от 15 до 80 частей.

В дополнение к этому увеличенный в объеме полимерный материал водозадерживающего слоя 8 модифицируют таким образом, чтобы он приобрел полупроводниковые свойства, добавляя подходящую электропроводную углеродную сажу, которая указана выше для полупроводниковых слоев 3, 5.

Кроме того, при включении в состав кабеля, показанного на фиг. 1, увеличенного в объеме полимерного материала, имеющего полупроводниковые свойства и содержащего разбухающий от воды материал (т.е. полупроводниковый водозадерживающий слой 8), получают слой, способный упруго и равномерно реагировать на радиальные силы, возникающие при расширении и сжатии из-за циклических изменений температуры кабеля при его использовании, в то же время гарантируя необходимую неразрывность электрической цепи между кабелем и металлическим экраном.

Более того, наличие разбухающего от воды материала, распределенного в увеличенном в объеме слое, обеспечивает эффективное задерживание влаги и/или воды, делая ненужным использование разбухающих от воды лент или несвязанных разбухающих от воды порошков.

Кроме того, при включении в состав кабеля, показанного на фиг. 1, полупроводникового водозадерживающего слоя 8 толщину внешнего полупроводникового слоя 5 можно выгодным образом уменьшить, так как электрические функции внешнего полупроводникового слоя 5 частично выполняются упомянутым полупроводниковым водозадерживающим слоем. Таким образом, упомянутая особенность успешно способствует уменьшению толщины внешнего полупроводникового слоя и, следовательно, снижению общего веса кабеля.

Технологический процесс и установка для производства

Как показано на фиг. 3, установка для получения кабелей, соответствующая настоящему изобретению, содержит блок 201 подачи проводника, первый участок 202 экструзии, предназначенный для образования изоляционного слоя 4 и полупроводниковых слоев 3 и 5, участок 203 охлаждения, участок 204 образования металлического экрана, второй участок 214 экструзии, предназначенный для образования защитного элемента 20, участок 205 образования наружной оболочки с использованием экструзии, участок 206 окончательного охлаждения и участок 207 наматывания.

Желательно, чтобы блок 201 подачи проводника содержал устройство для прокатки металлического стержня с получением требуемого диаметра, подходящего для использования этого стержня в кабеле в качестве проводника (при условии проведения необходимой обработки поверхности).

В случае если для изготовления в непрерывном режиме готового кабеля определенной длины, как это требуется в конкретной сфере применения (или с учетом иных требований потребителя), необходимо соединять между собой части металлического стержня, то блок 201 подачи проводника предпочтительно содержит устройство для сварки и термической обработки этого проводника, а также участки накопления, способные обеспечить достаточное время для проведения операции сварки, не влияя на непрерывную подачу с постоянной скоростью упомянутого проводника.

Первый участок 202 экструзии содержит первый экструдер 110, способный наносить путем экструзии изоляционный слой 4 на проводник 2, подаваемый блоком 201 подачи проводника; первому экструдеру 110 предшествует (в направлении перемещения проводника 2) второй экструдер 210, способный наносить путем экструзии внутренний полупроводниковый слой 3 на внешнюю поверхность проводника 2 (и ниже изоляционного слоя 4), после первого экструдера 110 расположен третий экструдер 310, способный наносить путем экструзии внешний полупроводниковый слой 5 поверх изоляционного слоя 4 для получения кабельной жилы 2а.

Первый, второй и третий экструдеры могут быть установлены последовательно, причем каждый снабжен своей собственной экструзионной головкой, либо в предпочтительном случае они все присоединены к общей тройной экструзионной головке 150 для обеспечения совместной экструзии упомянутых трех слоев.

Пример подходящей конструкции экструдера 110 описан в документе WO 02/47092 на имя заявителя.

Желательно, чтобы конструкция второго и третьего экструдеров была аналогична конструкции первого экструдера 110 (если при нанесении конкретных материалов не требуется, чтобы они отличались).

Участок 203 охлаждения, через который проходит кабельная жила 2а, может состоять из удлиненного открытого короба, по которому подается охлаждающая жидкость. Предпочтительным вариантом такой охлаждающей жидкости является вода. Длина подобного участка охлаждения, а также природа, температура и скорость потока охлаждающей жидкости выбираются таким образом, чтобы обеспечить результирующую температуру, подходящую для выполнения последующих стадий данного способа.

Желательно, чтобы перед входом на следующий участок была установлена сушильная камера 208; такая камера эффективна с точки зрения удаления остатков охлаждающей жидкости, например влаги или капель воды, в особенности, если упомянутые остатки могут оказать неблагоприятное воздействие на характеристики кабеля в целом.

Участок 204 образования металлического экрана содержит устройство 209 подачи металлического листа, способное подавать металлический лист 60 в блок 210 образования экрана.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения блок 210 образования экрана содержит оправку (не показана), при помощи которой металлический лист 60 сгибают в продольном направлении с получением трубки, чтобы заключить в эту трубку кабельную жилу 2а, проходящую через упомянутый блок, и получить замкнутый по окружности металлический экран 6.

С целью получения замкнутого по окружности металлического экрана 6 в область нахлеста краев листа 60 может быть нанесено вещество, способное обеспечить герметичность и скрепление.

Использование металлического экрана, полученного при сгибании в продольном направлении, является особенно удобным, так как оно способствует изготовлению кабеля с использованием непрерывного процесса, не требуя применения сложных устройств, обеспечивающих вращение катушки, которые потребовались бы в случае металлического экрана, изготавливаемого путем спирального наматывания нескольких проволок (или лент).

Если это желательно с точки зрения конкретной конструкции кабеля, выше блока 210 образования экрана устанавливается дополнительный экструдер 211, снабженный экструзионной головкой 212, вместе с камерой 213 охлаждения для образования вокруг кабельной жилы 2а увеличенного в объеме полупроводникового слоя 8 под металлическим экраном 6.

В предпочтительном случае камера 213 представляет собой камеру охлаждения с принудительной подачей воздуха.

Если не требуется дополнительной защиты от ударного воздействия, изготовление кабеля завершают путем его подачи через участок 205 образования наружной оболочки с использованием экструзии, который содержит экструдер 220 для образования наружной оболочки и соответствующую экструзионную головку 221.

Ниже участка 206 окончательного охлаждения данная установка содержит участок 207 наматывания, на котором готовый кабель собирают на катушку 222.

В предпочтительном случае участок 207 наматывания содержит участок 223 накопления, который позволяет заменять заполненную катушку пустой, не прерывая процесс получения кабеля.

В случае если необходим повышенный уровень защиты от ударного воздействия, ниже блока 210 образования экрана устанавливают дополнительный участок 214 экструзии.

В варианте, показанном на фиг. 3, участок 214 экструзии содержит три экструдера 215, 216 и 217, оборудованные общей тройной экструзионной головкой 218.

Если говорить более подробно, участок 214 экструзии предназначен для образования защитного элемента 20, содержащего увеличенный в объеме полимерный слой 22 и не увеличенный в объеме полимерный слой 21. Не увеличенный в объеме полимерный слой 21 наносят при помощи экструдера 216, в то время как увеличенный в объеме полимерный слой 22 наносят при помощи экструдера 217.

Кроме того, участок 214 экструзии содержит дополнительный экструдер 215, который установлен для образования праймера (подслоя), предназначенного для улучшения сцепления между металлическим экраном 6 и защитным элементом 20 (т.е. не увеличенным в объеме полимерным слоем 21).

Желательно, чтобы ниже дополнительного участка 214 экструзии располагался участок 219 охлаждения.

На фиг. 4 изображена установка, похожая на установку, показанную на фиг. 3, в которой экструдеры 215, 216, 217 отделены друг от друга и имеют три отдельные независимые экструзионные головки 215а, 216а, 217а.

Ниже экструдеров 215 и 216 соответственно установлены отдельные охлаждающие желоба или коробы 219а и 219b, в то время как ниже экструдера 217 расположен охлаждающий желоб 219.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения (не показан) праймер и не увеличенный в объеме полимерный слой 21 образуются одновременно путем совместной экструзии, а затем осуществляется образование путем экструзии увеличенного в объеме полимерного слоя 22.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения (не показан) праймер и не увеличенный в объеме полимерный слой 21 образуются одновременно путем совместной экструзии, а затем осуществляется одновременное образование путем совместной экструзии увеличенного в объеме полимерного слоя 22 и наружной оболочки 23. В ином случае праймер и не увеличенный в объеме полимерный слой 21 образуются отдельно с применением двух отдельных экструзионных головок 215а и 216а, в то время как увеличенный в объеме полимерный слой 22 и наружная оболочка 23 образуются одновременно путем совместной экструзии.

На фиг. 3 и 4 производственная установка имеет U-образную форму с целью уменьшения длины предприятия. Как показано на этих чертежах, направление перемещения кабеля изменяется на обратное в конце участка 203 охлаждения при помощи любого подходящего устройства, известного в данной области техники, например при помощи роликов.

В ином случае производственная установка расположена вдоль одной прямой и изменения направления подачи кабеля на обратное не происходит.

Непрерывный технологический процесс

С использованием описанной выше установки можно изготавливать кабель в ходе непрерывного процесса.

В данном описании под "непрерывным процессом" подразумевается процесс, в котором время, требующееся для изготовления кабеля заданной длины, обратно пропорционально скорости перемещения кабеля вдоль технологической линии, в результате чего между подачей проводника и наматыванием готового кабеля отсутствуют стадии промежуточных перерывов.

Согласно настоящему изобретению проводник подается из блока 201 подачи непрерывно.

Блок 201 подачи устроен таким образом, чтобы обеспечить непрерывную подачу упомянутого проводника.

Желательно, чтобы проводник состоял из одного металлического стержня (в типичном случае алюминиевого или медного). В этом случае непрерывная подача этого проводника становится возможной при соединении имеющегося отрезка металлического стержня (в типичном случае установленного на катушке или тому подобном) со следующим отрезком металлического стержня.

Такое соединение может быть выполнено, например, при помощи сварки концов упомянутых стержней.

Согласно способу непрерывного получения, предлагаемому настоящим изобретением, максимальная длина изготовленного кабеля, например длина укладываемой линии (между двумя промежуточными станциями), максимальный размер используемой транспортной катушки (с соответствующими ограничениями при транспортировке), максимальная установочная длина и т.п., определяются требованиями потребителя или установщика, а не имеющейся длиной исходного материала или полуфабриката либо возможностями оборудования, в этом случае можно устанавливать электрические линии с минимальным числом стыков между отрезками кабеля, чтобы увеличить надежность линии, так как известно, что кабельные стыки являются местами нарушения целостности цепи, в которых могут возникнуть электрические проблемы во время использования упомянутой линии.

В случае если желательно применить скрученный проводник, то для скручивания требуются вращающиеся установки, и проводник желательно подготавливать вне технологической линии с получением необходимой длины, и возникают трудности при выполнении операции сращивания. В этом случае длина изготовленных кабелей определяется имеющейся длиной скрученного проводника (которая может заранее определяться на основе требований потребителя) и/или емкостью транспортных катушек, при этом технологический процесс остается по-прежнему непрерывным от подачи проводника до окончания изготовления.

Образование путем экструзии изоляционного слоя 4 полупроводниковых слоев 3 и 5, наружной оболочки 23, защитного элемента 20 (если таковой имеется) и водозадерживающего слоя 8 (если таковой имеется) может осуществляться непрерывно, так как различные материалы и соединения, которые должны быть подвергнуты экструзии, подаются на вход соответствующих экструдеров непрерывно. Так как не требуется использовать стадию сшивания, благодаря использованию термопластичных несшитых материалов, в частности для изоляционного слоя, то нет необходимости в прерывании процесса. На самом деле, обычные процессы получения кабелей со сшитой изоляцией содержат стадию "перерыва", на которой изолированный проводник выдерживается вне технологической линии в течение определенного периода времени (нескольких часов или даже дней), чтобы обеспечить: а) прохождение реакции сшивания, в случае, если используется сшивание с применением силана, или b) выход газов, возникающих как побочные продукты реакций сшивания в случае сшивания с применением пероксидов.

Стадия перерыва в случае а) может осуществляться путем установки кабеля (намотанного на опорный барабан) в печь или путем его погружения в воду при температуре приблизительно 80°С, чтобы повысить скорость реакции сшивания.

Стадия перерыва в случае b), т.е. стадия дегазации, может осуществляться путем установки кабеля (намотанного на опорный барабан) в печь, чтобы снизить время дегазации.

Эту стадию "перерыва" в типичном случае выполняют, устанавливая полуфабрикат на катушки по окончании образования соответствующих слоев путем экструзии. После этого прошедший сшивание полуфабрикат подают на другую независимую технологическую линию, где изготовление кабеля завершается.

Согласно способу, предлагаемому настоящим изобретением, металлический экран 6 образуют путем продольного сгибания металлического листа, который желательно сматывать с катушки, которая установлена на неподвижное устройство и которая одновременно может свободно вращаться вокруг своей оси, позволяя сматывать с нее упомянутый лист. Таким образом, при использовании способа, предлагаемого настоящим изобретением, металлический лист может подаваться непрерывно, так как задний конец листа, располагающегося на используемой катушке, можно без проблем соединить (например, при помощи сварки) с передним концом листа, который установлен на новой катушке.

В общем случае дополнительно размещается подходящее устройство накопления листов. Это было бы невозможно в случае использования экрана спирального типа (образованного из намотанных по спирали проволок или лент), так как в подобном случае катушки с проволокой или лентой необходимо устанавливать на вращающемся устройстве, которое поворачивается вокруг кабеля, и замена пустых катушек на новые потребует перерыва в подаче кабеля.

Однако существует возможность снабдить кабель металлическим экраном, изготовленным из проволоки или лент, при сохранении непрерывности производственного процесса, а именно при помощи устройства, с использованием которого упомянутые проволоки/ленты размещаются на кабеле при попеременном выполнении операций S и Z скручивания. В этом случае отсутствуют ограничения на вращение вокруг кабеля барабанов, на которые установлена упомянутая проволока/ленты.

Однако использование металлического экрана, полученного продольным сгибанием, оказалось особенно удобным при одновременном использовании термопластичных изоляционных и полупроводниковых слоев.

В сущности, как упомянуто выше, в случае использования сшитого материала после завершения реакции сшивания необходимо, чтобы был обеспечен определенный период времени, позволяющий выйти газообразным побочным продуктам. Обычно это достигается за счет выдерживания полуфабриката (т.е. кабельной жилы) в течение определенного периода времени после прохождения реакции сшивания. В случае использования не замкнутого по окружности металлического экрана (как в случае проволок или лент, спирально намотанных вокруг кабельной жилы), выход газов может происходить также за счет диффузии через металлический экран (например, через проволоки или области наложения лент) и через образованные путем экструзии слои, расположенные снаружи металлического экрана.

Однако в случае использования металлического экрана, полученного продольным сгибанием, этот экран проходит по всему периметру кабельной жилы, образуя, по существу, непроницаемую оболочку, которая фактически препятствует последующему удалению газообразных побочных продуктов. Поэтому при использовании металлического экрана, полученного продольным сгибанием, в комбинации со сшитыми изоляционными слоями дегазация этого материала должна быть практически полностью завершена до образования упомянутого металлического экрана.

С другой стороны, использование в кабеле изоляционного слоя из термопластичных несшитых материалов, которые не выделяют газообразных побочных продуктов сшивания (и, соответственно, не требуют выполнения стадии дегазации), в комбинации с подвергнутым продольному сгибанию металлическим листом в качестве металлического экрана для кабеля, позволяет обеспечить непрерывность процесса получения кабеля, так как отсутствует необходимость в стадии "перерыва", выполняемой вне технологической линии.

В предпочтительном случае производительность технологической линии для способа, соответствующего настоящему изобретению, составляет приблизительно 60 м/мин, более предпочтительно приблизительно 80-100 м/мин, в то время как при использовании традиционного периодического технологического процесса производительность линии находится на уровне приблизительно 10-15 м/мин.

В целях более подробного описания настоящего изобретения ниже приведены иллюстративные примеры.

Пример 1

В приведенном ниже примере подробно описаны основные стадии способа непрерывного получения кабеля с площадью поперечного сечения 150 мм2 для напряжения 20 кВ, который показан на фиг. 1. Производительность технологической линии составляла 60 м/мин.

А) Изготовление кабельной жилы с использованием экструзии

Изоляционный слой кабеля был изготовлен путем непосредственной подачи в бункер экструдера 110 гетерофазного сополимера пропилена, имеющего температуру плавления 165°С, энтальпию плавления 30 Дж/г, индекс текучести расплава (MFI, Melt Flow Index) 0,8 г/10 мин и модуль упругости при изгибе 150 МПа (Adflex® Q 200 F, промышленный продукт компании Basell).

Затем в экструдер было загружено под высоким давлением трансформаторное масло Jarylec® Exp3 (промышленный продукт компании Elf Atochem - дибензилтолуол), предварительно смешанное с антиоксидантами.

Экструдер 110 имел диаметр 80 мм и отношение длины шнека к диаметру цилиндра (L/D, Length/Diameter), равное 25. Загрузка трансформаторного масла во время экструзии выполнялась на расстоянии приблизительно 20 диаметров от начала шнека экструдера 110 в трех зонах загрузки, расположенных в одном и том же поперечном сечении экструдера под углом 120° друг к другу. Трансформаторное масло загружалось при температуре 70°С и давлении 250 бар.

Для образования внутреннего и внешнего полупроводниковых слоев использовались соответствующие экструдеры.

Алюминиевый проводник 2, имеющий форму стержня (с поперечным сечением 150 мм2), подавался через тройную экструзионную головку 150.

Кабельная жила 2а, выходящая из экструзионной головки 150, охлаждалась путем ее подачи через участок 203 охлаждения в форме желоба, в котором циркулировала холодная вода.

Полученная в результате кабельная жила 2а имела внутренний полупроводниковый слой толщиной приблизительно 0,2 мм, изоляционный слой толщиной приблизительно 4,5 мм и внешний полупроводниковый слой толщиной приблизительно 0,2 мм.

В) Образование в кабеле увеличенного в объеме полупроводникового водозадерживающего слоя

При помощи экструдера 211, имеющего диаметр 60 мм и отношение длины шнека к диаметру цилиндра, равное 20, на кабельную жилу 2а был нанесен увеличенный в объеме полупроводниковый водозадерживающий слой 8, имеющий толщину приблизительно 0,5 мм и степень увеличения объема 20%.

Материал для упомянутого увеличенного в объеме слоя 8 указан ниже в табл. 1. Увеличение в объеме этого материала было проведено химическим путем при добавлении приблизительно 2% порообразователя Hydrocerol® CF 70 (карбоновая кислота + бикарбонат натрия) в бункер экструдера.




Таблица 1
Соединения Количество, частей на 100 частей полимера
Elvax® 470 100
Ketjenblack® EC 300 20
Irganox® 1010 0,5
Waterloock® J 550 40
Hydrocerol® CF 70 2

где

- Elvax® 470: сополимер этилена и винилацетата (EVA) (промышленный продукт компании DuPont);

- Ketjenblack® EC 300: печная углеродная сажа, обладающая высокой электропроводностью (промышленный продукт компании Akzo Chemie);

- Irganox® 1010: пентаэритрил-тетракис [3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат] (промышленный продукт компании Ciba Specialty Chemicals);

- Waterloock® J 550: измельченная сшитая полиакриловая кислота (частично образовавшая соль) (промышленный продукт компании Grain Processing);

- Hydrocerol® CF 70: порообразователь, карбоновая кислота/бикарбонат натрия (промышленный продукт компании Boeheringer Ingelheim).

Ниже экструзионной головки 212 экструдера 211 обеспечивалось охлаждение при помощи камеры 213 охлаждения за счет принудительной подачи воздуха.

С) Образование в кабеле металлического экрана

Кабельная жила 2а, снабженная увеличенным в объеме полупроводниковым слоем 8, затем покрывалась (при помощи блока 210 образования экрана) продольно согнутым лакированным алюминиевым листом толщиной приблизительно 0,2 мм с использованием клея для скрепления его перекрывающихся краев. Клей наносился при помощи экструдера 215.

D) Образование в кабеле защитного элемента

Затем на алюминиевый экран при помощи экструдера 215, имеющего диаметр 120 мм и отношение длины шнека к диаметру цилиндра, равное 25, наносился внутренний полимерный слой 21, состоящий из полиэтилена, толщиной приблизительно 1,0 мм.

В соответствии с конструкцией производственной установки, показанной на фиг. 3, одновременно с не увеличенным в объеме внутренним полимерным слоем 21 в процессе совместной экструзии наносился увеличенный в объеме полимерный слой 22, имеющий толщину приблизительно 1,5 мм и степень увеличения объема 70%.

Увеличенный в объеме полимерный слой 22 наносился при помощи экструдера 217, который имел диаметр 120 мм и отношение длины шнека к диаметру цилиндра, равное 25.

Материал для увеличенного в объеме полимерного слоя 22 указан ниже в табл. 2.




Таблица 2
Соединения Количество частей на 100 частей полимера
Hifax® SD 817 100
Hydrocerol® BiH40 1,2

где:

- Hifax® SD 817: пропилен, модифицированный сополимером этилена и пропилена, выпускаемый компанией Basell;

- Hydrocerol® BiH40: порообразователь, карбоновая кислота + бикарбонат натрия, выпускаемый компанией Boeheringer Ingelheim.

Увеличение в объеме полимерного материала было выполнено химическим путем при добавлении порообразователя (Hydrocerol® BiH40) в бункер экструдера. На расположенном на расстоянии приблизительно 500 мм от экструзионной головки 218 участке 219 охлаждения, имеющем форму трубы или желоба, в котором циркулировала холодная вода, увеличение в объеме прекращалось и нанесенный путем экструзии материал охлаждался перед образованием с использованием экструзии наружной оболочки 23.

Е) Образование в кабеле наружной оболочки с использованием экструзии

Затем с использованием экструдера 220, имеющего диаметр 120 мм и отношение длины шнека к диаметру цилиндра, равное 25, создавалась наружная оболочка 23, состоящая из полиэтилена, толщиной приблизительно 1,0 мм.

Выходящий из экструзионной головки 221 кабель подвергался окончательному охлаждению на участке 206 охлаждения, на котором циркулировала холодная вода.

Охлаждение готового кабеля может осуществляться с использованием многопроходного охлаждающего желоба, который выгодным образом уменьшает длину участка охлаждения.

Температурные кривые непрерывного технологического процесса

На фиг. 5 приведены температурные кривые для составляющих элементов кабеля, имеющего поперечное сечение 150 мм2 и рассчитанного на напряжение 20 кВ (показан на фиг. 1), которые изготовлены при помощи способа непрерывного получения, соответствующего настоящему изобретению. Производительность технологической линии составляла 60 м/мин.

А именно, на фиг. 5 абсцисса представляет собой длину (м) производственной установки, а ордината - температуру (°С). Кривые, приведенные на фиг. 5, иллюстрируют, как изменяется температура каждого составляющего элемента кабеля по длине производственной установки.

Если говорить более подробно, кривая "а" указывает изменение температуры окружающей среды; кривая "b" указывает изменение температуры проводника 2; кривая "с" указывает изменение температуры элемента кабеля, содержащего внутренний полупроводниковый слой 3, изоляционный слой 4 и внешний полупроводниковый слой 5; кривая "d" указывает изменение температуры водозадерживающего слоя 8; кривая "е" указывает изменение температуры металлического экрана 6; кривая "f" указывает изменение температуры элемента кабеля, содержащего праймер и не увеличенный в объеме полимерный слой 21; кривая "g" указывает изменение температуры увеличенного в объеме полимерного слоя 22; кривая "h" указывает изменение температуры наружной оболочки 23.

Как показано на фиг. 5, металлический экран был образован на кабеле, когда температура изоляционного слоя составляла приблизительно 40°С.

Сопротивление ударному воздействию и нагрузке

При оказании механического воздействия на кабель, например ударного воздействия на внешнюю поверхность кабеля или значительной локальной нагрузки, способного вызвать деформацию кабеля, оказалось, что даже если деформация затрагивает также и изоляцию, например, из-за превышения энергией удара допустимого значения, которое способен выдержать ударозащитный слой, либо в случае выбора защитного элемента относительно небольшой толщины, кривая деформации металлического экрана представляет собой непрерывную плавную линию, что позволяет избежать локальных увеличений напряженности электрического поля.

В общем случае материалы, используемые для изоляционного слоя и наружной оболочки, после ударного воздействия с помощью упругости только частично восстанавливают свои первоначальные размер и форму, в результате чего после ударного воздействия, даже если оно имело место до подачи напряжения на кабель, толщина изоляционного слоя, выбираемая, исходя из определенной напряженности электрического поля, уменьшается.

Однако заявитель обнаружил, что при использовании металлического экрана, расположенного над изоляционным слоем кабеля, материал такого экрана устойчиво деформируется в результате ударного воздействия, дополнительно ограничивая упругое восстановление после деформации, что ограничивает упругое восстановление изоляционным слоем своих первоначальных формы и размера.

Следовательно, деформация, вызванная ударным воздействием, или, по меньшей мере, ее существенная часть, остается после упомянутого воздействия даже после устранения его причины.

Упомянутая деформация приводит к тому, что толщина изоляционного слоя изменяется с первоначального значения t0 до "поврежденного" значения td (см. фиг. 8).

Поэтому при подаче напряжения на кабель реальная толщина изоляционного слоя, которая воспринимает градиент электрического напряжения (Г) в зоне удара, более не равна t0, а составляет td.

В дополнение к этому, когда удар воздействует на кабель, имеющий металлический экран "прерывистого" типа, например, изготовленный из спирально намотанных проволок или лент, либо при отсутствии ударозащитного слоя (как показано на фиг. 8), либо даже при наличии такого слоя (компактного или увеличенного в объеме типа), неравномерное сопротивление проволочной конструкции металлического экрана вызывает значительную деформацию проволоки, находящейся ближе к зоне удара, и передачу этой деформации в нижележащие слои в виде "локальной" деформации, при минимальном участии соседних зон.

В изоляционном слое это приводит к возникновению "пиков", что приводит к изменению формы эквипотенциальных линий электрического поля в зоне удара, имеющих при отсутствии воздействия форму окружности, как показано на фиг. 8, где исходные эквипотенциальные линии в форме окружности изображены штрих-пунктирными линиями, а линии с измененной формой изображены сплошными линиями.

Изменение формы эквипотенциальных линий электрического поля вызывает увеличение их плотности в зоне удара, что означает существенное повышение градиента электрического поля в этой зоне. Это локальное увеличение упомянутого градиента может привести к возникновению электрических разрядов, вызывая повреждение кабеля (подвергнутого ударному воздействию) в ходе испытания на частичный разряд, даже в случае ударов с относительно низкой энергией.

Однако если металлический экран изготовлен из продольно согнутого металлического листа, особенно при наличии увеличенного в объеме защитного элемента, заявитель обнаружил, что локальная деформация экрана и нижележащего изоляционного слоя существенно снижается.

В действительности увеличенный в объеме защитный элемент, использующий в качестве непрерывной опоры нижележащий металлический экран, способен распределять энергию удара на относительно большую область вокруг места удара, как показано на фиг. 9.

Поэтому степень изменения формы эквипотенциальных линий электрического поля уменьшается (что также связано с увеличением упомянутой области), в результате чего плотность этих линий уменьшается по сравнению с описанным выше случаем использования намотанных по спирали проволок при той же энергии удара.

В результате локальное увеличение градиента электрического поля, вызванное ударным воздействием, снижается до минимума и способность кабеля противостоять частичному разряду при проведении испытаний существенно повышается.

Пример 2

Непрерывный технологический процесс получения кабеля, имеющего поперечное сечение 50 мм2, рассчитанного на напряжение 10 кВ и соответствующего фиг. 1, был выполнен, как описано в примере 1. Производительность технологической линии составляла 70 м/мин. Материалы, использованные для составляющих элементов кабеля, были теми же, что описаны в примере 1.

Толщина изоляционного слоя составляла приблизительно 2,5 мм, а толщина внутреннего и внешнего полупроводниковых слоев составляла приблизительно 0,2 мм.

Толщина металлического экрана составляла приблизительно 0,2 мм.

Водозадерживающий, увеличенный в объеме полупроводниковый слой имел толщину приблизительно 0,5 мм и степень увеличения объема 20%.

Толщина внутреннего полимерного слоя 21 составляла приблизительно 1,0 мм, а увеличенный в объеме полимерный слой 22 имел толщину приблизительно 1,5 мм и степень увеличения объема 70%.

Наружная оболочка 23 имела толщину приблизительно 0,5 мм.

Температурные кривые непрерывного технологического процесса

На фиг. 6 приведены температурные кривые для составляющих элементов кабеля, упомянутого выше и изготовленного с использованием способа непрерывного получения, соответствующего настоящему изобретению.

Как показано на фиг. 6, металлический экран был образован на кабеле, когда температура изоляционного слоя составляла приблизительно 30°С.

Пример 3

Непрерывный технологический процесс получения кабеля, имеющего поперечное сечение 240 мм2, рассчитанного на напряжение 30 кВ и соответствующего фиг. 1, был выполнен, как описано в примере 1. Производительность технологической линии составляла 50 м/мин. Материалы, использованные для составляющих элементов кабеля, были теми же, что описаны в примере 1.

Толщина изоляционного слоя составляла приблизительно 5,5 мм, а толщина внутреннего и внешнего полупроводниковых слоев составляла приблизительно 0,2 мм.

Толщина металлического экрана составляла приблизительно 0,2 мм.

Водозадерживающий, увеличенный в объеме полупроводниковый слой имел толщину приблизительно 0,5 мм и степень увеличения объема 20%.

Толщина внутреннего полимерного слоя 21 составляла приблизительно 1,0 мм, а увеличенный в объеме полимерный слой 22 имел толщину приблизительно 1,5 мм и степень увеличения объема 70%.

Наружная оболочка 23 имела толщину приблизительно 1,0 мм.

Температурные кривые непрерывного технологического процесса

На фиг. 7 приведены температурные кривые для составляющих элементов кабеля, упомянутого выше и изготовленного с использованием способа непрерывного получения, соответствующего настоящему изобретению.

Как показано на фиг. 7, металлический экран был образован на кабеле, когда температура изоляционного слоя составляла приблизительно 45°С.

Пример 4 (сравнительный)

Был выполнен непрерывный технологический процесс, описанный в примере 1. Единственным отличием от упомянутого процесса являлось то, что металлический экран был образован на кабеле при температуре изоляционного слоя, равной 75°С.

Образец кабеля (длиной приблизительно 1 м) был подвергнут испытанию на изгиб, чтобы смоделировать изгибающие воздействия, которым должен противостоять кабель, например, во время его монтажа на барабане или укладки в траншею.

Испытание заключалось в изгибании образца кабеля восемь раз. Каждый раз образец подвергали изгибу в одном направлении в течение 30 секунд, а затем - изгибу в противоположном направлении (под 180° относительно первого направления изгиба) в течение последующих 30 секунд.

Затем кабель был разрезан вдоль на две половины и были извлечены кабельная жила, а также водозадерживающий слой, в результате чего стал доступен для осмотра металлический экран.

На фиг. 10 приведен фотоснимок (масштаб 1:1) кабеля после его разрезания и извлечения упомянутых выше элементов.

Если говорить более подробно, на фиг. 10 показан общий вид двух половинок кабеля.

При проведении визуального анализа было замечено, что в металлическом экране кабеля возникло множество изгибов (некоторые из которых на фиг. 10 выделены квадратами), причем упомянутые изгибы были обусловлены описанными выше изгибающими воздействиями.

Формула изобретения

1. Способ непрерывного получения электрического кабеля (1), который включает следующие стадии: подачу (201) проводника (2) с заранее определенной скоростью подачи; экструдирование (202) термопластичного изоляционного слоя (4) в радиальном направлении с внешней стороны проводника (2); охлаждение (203) полученного путем экструзии изоляционного слоя (4) до температуры, не превышающей 70°С; образование (210) замкнутого по окружности металлического экрана (6) вокруг упомянутого полученного путем экструзии изоляционного слоя (4).

2. Способ по п.1, в котором упомянутый полученный путем экструзии изоляционный слой (4) охлаждают до температуры в диапазоне от около 30°С до около 70°С.

3. Способ по п.2, в котором упомянутый полученный путем экструзии изоляционный слой (4) охлаждают до температуры в диапазоне от около 40°С до около 60°С.

4. Способ по п.1, в котором стадия образования (210) включает стадию сгибания металлического листа (60) в продольном направлении вокруг упомянутого полученного путем экструзии изоляционного слоя (4).

5. Способ по п.4, в котором стадия образования (210) включает стадию наложения внахлест края упомянутого металлического листа (60) с образованием металлического экрана (6).

6. Способ по п.4, в котором стадия (210) включает стадию скрепления краев упомянутого металлического листа (60) с образованием металлического экрана (6).

7. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, на которой проводник (2) подают в виде металлического стержня.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, на которой вокруг металлического экрана (6) наносят грунтовочный слой.

9. Способ по п.8, в котором стадию нанесения грунтовочного слоя выполняют с использованием экструзии.

10. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию нанесения ударозащитного элемента (20), вокруг упомянутого замкнутого по окружности металлического экрана (6).

11. Способ по п.10, в котором стадия нанесения ударозащитного элемента (20) включает стадию нанесения не увеличенного в объеме полимерного слоя (21) вокруг упомянутого металлического экрана (6).

12. Способ по п.10, в котором стадия нанесения ударопрочного элемента (20), включает стадию нанесения увеличенного в объеме полимерного слоя (22).

13. Способ по пп.11 и 12, в котором увеличенный в объеме полимерный слой (22) наносят вокруг не увеличенного в объеме полимерного слоя (21).

14. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию нанесения наружной оболочки (23) вокруг металлического экрана (6).

15. Способ по пп.12 и 14, в котором наружную оболочку (23) наносят вокруг увеличенного в объеме полимерного слоя (22).

16. Способ по п.1, в котором стадию охлаждения (203) полученного путем экструзии изоляционного слоя (4) выполняют путем подачи проводника (2) с термопластичным изоляционным слоем (4) в продольном направлении через удлиненное охлаждающее устройство.

17. Способ по п.1, в котором термопластичный полимерный материал изоляционного слоя (4) выбирают из группы, содержащей полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефина с этиленненасыщенным сложным эфиром, сложные полиэфиры, полиацетаты, полимеры целлюлозы, поликарбонаты, полисульфоны, фенольные смолы, карбамидные смолы, поликетоны, полиакрилаты, полиамиды, полиамины и их смеси.

18. Способ по п.17, в котором упомянутый термопластичный полимерный материал выбирают из группы, содержащей полиэтилен (РЕ), полипропилен (РР), сополимер этилена и винилацетата (EVA), сополимер этилена и метилакрилата (ЕМА), сополимер этилена и этилакрилата (ЕЕА), сополимер этилена и бутилакрилата (ЕВА), термопластичные сополимеры этилена и альфа-олефина, полистирол, акрилонитрилбутадиенстирольные (ABS) смолы, поливинилхлорид (PVC), полиуретан, полиамиды, полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (РВТ), а также их сополимеры и механические смеси.

19. Способ по п.1, в котором термопластичный полимерный материал изоляционного слоя (4) содержит заранее определенное количество жидкого диэлектрика.