Патент на изобретение №2399105

(54) СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ

(57) Реферат:

Силовой кабель содержит, по меньшей мере, один электрический проводник и, по меньшей мере, один экструдированный покровный слой, включающий термопластичный полимерный материал с добавкой жидкого диэлектрика, в котором указанный жидкий диэлектрик содержит соединение формулы (I) Х-А-Х; в которой А представляет собой моноциклический ароматический фрагмент или, по меньшей мере, частично ароматический конденсированный полициклический фрагмент; а также, по меньшей мере, один фрагмент из X и X, который является метальным или алифатическим фрагментом; в обоих случаях этот фрагмент может быть замещен и/или прерывается одной или несколькими группами, выбранными из кетогруппы, алкоксигруппы, алкилтиогруппы, меркаптогруппы, гидроксиалкила, гидроксила, где другая является водородом. Предложенное соединение имеет отношение числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода, равное 0,6 или более. Улучшение эксплуатационных параметров кабеля с предложенным экструдированным покровным слоем является техническим результатом изобретения. 20 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Данное изобретение относится к силовому кабелю. В частности, данное изобретение относится к кабелю для передачи или распределения электрической энергии среднего или высокого напряжения, в котором имеется экструдированный покровный слой на основе термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, что обеспечивает возможность, в частности, использования при высоких рабочих температурах наряду с обеспечением требуемых термомеханических свойств кабеля.

Указанный кабель может быть использован для передачи или распределения как постоянного тока (DC), так и переменного тока (AC).

Использование материалов, совместимых с окружающей средой при их изготовлении или использовании, которые могут быть повторно использованы по окончании их срока службы, обусловливается потребностью в снижении затрат наряду с предоставлением для наиболее широко используемых видов применения таких же или улучшенных эксплуатационных параметров по сравнению с подобными обычными материалами.

В случае кабелей для передачи электрической энергии среднего и высокого напряжения различные покрытия, окружающие проводник, обычно основаны на сшитом полимере на основе полиолефина, в частности на сшитом полиэтилене (XLPE), или на эластомерных сополимерах этилен/пропилен (EPR) или этилен/пропилен/диен (EPDM), также сшитых. Сшивание, выполняемое после стадии экструзии полимерного материала поверх проводника, обеспечивает удовлетворительные механические и электрические свойства материалу даже при высоких температурах как во время непрерывного использования, так и при перегрузке по току.

Однако сшитые материалы, как правило, не могут быть использованы повторно, так что производственные отходы и материал покрытия кабелей в конце срока их службы могут быть ликвидированы лишь посредством сжигания.

Для использования в кабелях среднего и высокого напряжения рассматривался термопластичный полиэтилен (LDPE или HDPE), однако такой полимерный материал обладает слишком низкой рабочей температурой (обычно примерно 70°C).

Рассматривались термопластичные материалы на основе полипропилена. В частности, чтобы достигнуть желаемых эксплуатационных качеств, особенно в отношении диэлектрической прочности и технологичности, рассматривались полипропиленовые материалы с добавкой жидкого диэлектрика.

В соответствии, например, с WO 02/03398, добавление жидкого диэлектрика к изолирующему материалу должно обусловить значительное улучшение его электрических свойств (в частности, диэлектрической прочности) без изменения характеристик материала (термомеханических свойств, гибкости) и без проступания жидкого диэлектрика. В частности, результирующий кабель должен обеспечивать в основном постоянные эксплуатационные параметры с течением времени и, соответственно, высокую надежность даже при высоких рабочих температурах (по меньшей мере 90°C и выше).

WO 02/03398 того же самого заявителя относится к кабелю, содержащему по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один покровный слой, сформованный экструзией, на основе термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, при этом жидкий диэлектрик содержит по меньшей мере один алкиларильный углеводород, имеющий по меньшей мере два неконденсированных ароматических кольца и отношение числа атомов углерода арильной группы к общему числу атомов углерода, равное 0,6 или более, предпочтительно равное 0,7 или более. Примеры таких соединений имеют молекулярную массу более 200 г/моль.

WO 02/27731 того же самого заявителя относится к кабелю, содержащему по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один покровный слой, сформованный экструзией, на основе термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, при этом жидкий диэлектрик содержит по меньшей мере один дифениловый эфир, не замещенный или замещенный по меньшей мере одним линейным или разветвленным алифатическим, ароматическим или смешанным алифатическим и ароматическим C₁-C₃₀, предпочтительно C₁-C₂₄, углеводородным радикалом.

Указанный жидкий диэлектрик имеет отношение числа атомов углерода арильной группы к общему числу атомов углерода, равное 0,4 или более, предпочтительно равное 0,7 или более.

WO 04/066318 того же самого заявителя относится к кабелю, содержащему по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один покровный слой, сформованный экструзией, на основе термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, при этом жидкий диэлектрик имеет следующие параметры:

– количество полярных соединений равно 2,5 мас.% или меньше от общей массы жидкого диэлектрика;

– температура плавления или температура застывания ниже 80°C;

– отношение числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода менее 0,6, когда жидкий диэлектрик ароматический.

Заявителем теперь найден класс химических соединений, способных обеспечить полимерный материал для покровного слоя силового кабеля с требуемыми электрическими и термомеханическими свойствами.

В соответствии с первым аспектом данное изобретение относится к силовому кабелю, содержащему по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один экструдированный покровный слой, включающий термопластичный полимерный материал с добавкой жидкого диэлектрика, в котором указанный жидкий диэлектрик содержит соединение формулы (I):

X-A-X’ (I),

в которой A представляет собой моноциклический ароматический фрагмент или по меньшей мере частично ароматический конденсированный полициклический фрагмент; и

по меньшей мере один фрагмент из X и X’ является метильным или алифатическим фрагментом, в обоих случаях этот фрагмент, возможно, замещен и/или прерывается одной или несколькими группами из кетогруппы, алкоксигруппы, алкилтиогруппы, меркаптогруппы, гидроксиалкила, гидроксила; другой при этом является водородом;

указанное соединение имеет отношение числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода, равное 0,6 или более.

Для целей данного описания и последующей формулы изобретения, за исключением случаев, когда указано иное, все числовые значения, выражающие количества, величины, процентные содержания и т.д., должны пониматься как модифицированные во всех случаях словом «примерно». Кроме того, все интервалы включают любую комбинацию указанных максимального и минимального значений и включают любые содержащиеся в их пределах промежуточные интервалы, которые могут быть перечислены в этом документе или же могут быть не перечислены.

В данном описании и формуле изобретения термин «в смеси с» означает, что термопластичный полимерный материал и жидкий диэлектрик смешаны, чтобы обеспечить в основном гомогенную дисперсию жидкого диэлектрика в полимерной матрице (однофазной). Если не указано иное, то количество в мас.% относится к массе такого однофазного материала.

В данном описании и последующей формуле изобретения термин «проводник» означает проводящий элемент как таковой, с удлиненным профилем и предпочтительно из металлического материала, в форме стержня или нескольких жил, более предпочтительно из алюминия или меди, или проводящий элемент, предварительно покрытый полупроводящим слоем.

В данном описании и формуле изобретения термин «слой» означает слой на основе полимера, окружающий проводник, например электроизоляционный слой, полупроводящий слой, оболочку, защитный слой, при этом указанный защитный слой, возможно, является вспененным, водонепроницаемый слой или слой, выполняющий комбинированные функции, например защитный слой, содержащий проводящий наполнитель.

Для целей данного изобретения термин «среднее напряжение» обычно означает напряжение между 1 и 35 кВ, в то время как «высокое напряжение» означает напряжение выше 35 кВ.

«Электроизоляционный слой» означает слой, изготовленный из материала, обладающего изоляционными свойствами, а именно обладающего диэлектрической прочностью по меньшей мере 5 кВ/мм, предпочтительно более 10 кВ/мм.

«Полупроводящий слой» означает слой из материала, обладающего полупроводящими свойствами, а именно объемным удельным электросопротивлением при комнатной температуре менее 500 ·м, предпочтительно менее 20 ·м. Например, данный материал может быть полимерной матрицей с добавлением углеродной сажи. Обычно количество углеродной сажи может находиться в интервале от 1 до 50 мас.%, предпочтительно от 3 до 30 мас.%, по отношению к массе полимера.

Концентрация насыщения жидкого диэлектрика в термопластичном полимерном материале может быть определена способом абсорбции жидкости на гантелеобразных образцах; дополнительные детали, относящиеся к данному методу, будут описаны в примерах, представленных ниже в данном документе.

Отношение числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода может быть определено в соответствии со стандартом ASTM D3238-95(2000)e1.

Под диэлектрической постоянной в данном документе подразумевается отношение количества электрической энергии, накопленной при приложении потенциала к материалу, по сравнению с диэлектрической проницаемостью вакуума. Она измеряется в соответствии с IEC 247.

Температура плавления может быть определена известными методами, такими как, например, дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC).

Температура застывания может быть определена в соответствии со стандартом ASTM D97-02.

Энтальпия плавления (H_m) может быть определена дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC).

В соответствии с первым вариантом осуществления слой, сформованный экструзией, на основе указанного термопластичного полимерного материала с добавкой указанного жидкого диэлектрика является электроизоляционным слоем.

В соответствии с другим вариантом осуществления слой, сформованный экструзией, на основе указанного термопластичного полимерного материала с добавкой указанного жидкого диэлектрика является полупроводящим слоем.

Возможность использования полимерной композиции одного и того же типа для изолирующего слоя и для полупроводящего слоя особенно выгодна при производстве кабелей для среднего или высокого напряжения, поскольку при этом обеспечивается очень высокая адгезия между соседними слоями и, соответственно, улучшенные электрические параметры, особенно на поверхности раздела между изолирующим слоем и внутренним полупроводящим слоем, где выше напряженность электрического поля и, следовательно, выше риск частичного разряда.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения соединение жидкого диэлектрика имеет формулу (I), в которой A представляет собой моноциклический ароматический фрагмент или полностью ароматический конденсированный полициклический фрагмент. Предпочтительно, A представляет собой конденсированный бициклический фрагмент.

Ароматический моноциклический фрагмент или по меньшей мере частично ароматический полициклический фрагмент в соответствии с данным изобретением может являться циклопентаноидом или циклогексаноидом или же содержать циклопентаноид или циклогексаноид.

Под циклопентаноидом в данном документе понимается фрагмент, ключевой структурный элемент которого состоит из пяти атомов, расположенных в виде кольца.

Под циклогексаноидом в данном документе понимается фрагмент, ключевой структурный элемент которого состоит из шести атомов, расположенных в виде кольца.

Моноциклические или полициклические фрагменты в соответствии с данным изобретением могут быть образованы атомами углерода, возможно, замещенными одним гетероатомом, выбранным из кислорода, серы или азота. Предпочтительно все атомы в цикле являются атомами углерода.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения соединение жидкого диэлектрика имеет формулу (I), в которой по меньшей мере один фрагмент из X и X’ является метильным или алифатическим фрагментом.

Число алифатических атомов углерода соотносится с числом атомов углерода ароматического фрагмента таким образом, чтобы удовлетворить требование об отношении числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода, равном 0,6 или более. Например, когда A является моноциклическим ароматическим фрагментом, число алифатических атомов углерода, соответствующих X+X’, может варьироваться от 2 до 4. Когда A является бициклическим фрагментом, число алифатических атомов углерода, соответствующих X+X’, может варьироваться от 2 до 6. Когда A является трициклическим фрагментом, число алифатических атомов углерода, соответствующих X, может варьироваться от 2 до 9.

Предпочтительно X+X’ представляет собой C₂-C₉ алифатический фрагмент, более предпочтительно C₂-C₆ алкильную цепь, линейную или разветвленную.

Использование жидкого диэлектрика способствует увеличению электрической прочности покровного слоя. Например, найдено, что использование жидкого диэлектрика, как описано ниже, обеспечивает увеличение электрической прочности изолирующего слоя на основе полипропилена от примерно 30 кВ/мм при отсутствии жидкого диэлектрика до более 50 кВ/мм, а также могут быть достигнуты величины более 80 кВ/мм.

Предпочтительно подходящий диэлектрик имеет электрическую прочность по меньшей мере 3 кВ/мм, более предпочтительно более 9 кВ/мм.

Подходящий жидкий диэлектрик является совместимым с термопластичным полимерным материалом. Термин «совместимый» означает, что химический состав жидкости и термопластичного полимерного материала обеспечивает образование микроскопически гомогенной дисперсии жидкого диэлектрика в полимерном материале при смешивании жидкого диэлектрика с полимером аналогично пластификатору.

Например, соединение жидкого диэлектрика выбирается из н-пентилнафталина, изопентилнафталина, н-бутилнафталина, изобутилнафталина, трет-бутилнафталина, н-пропилнафталина, изопропилнафталина, диэтилнафталина, триметилнафталина, метил-н-бутилнафталина, метил-трет-бутилнафталина, н-бутоксинафталина, диэтоксинафталина, нафтилэтилкетона, нафтилбутилкетона.

Эти соединения могут быть даже твердотельными в чистом виде при комнатной температуре, однако они используются в жидком состоянии вследствие смешивания разных изомеров.

Преимущественно соединение жидкого диэлектрика имеет молекулярную массу 200 г/моль или менее.

Преимущественно жидкий диэлектрик имеет диэлектрическую постоянную, которая при 25°C равна 3,5 или менее, более предпочтительно менее 3 (при измерении в соответствии с IEC 247).

Преимущественно температура кипения жидкого диэлектрика должна быть выше той температуры, которая может быть достигнута кабелем во время функционирования и перегрузки по току. Предпочтительно температура кипения жидкого диэлектрика выше 130°C, более предпочтительно выше 250°C.

Предпочтительно жидкий диэлектрик смешивают с термопластичным полимерным материалом в количестве ниже концентрации насыщения жидкого диэлектрика в термопластичном полимерном материале. Указанные количества, указанные далее, не ухудшают термомеханические свойства покровного слоя и предотвращают проступание указанного жидкого диэлектрика из термопластичного полимерного материала.

Массовое отношение жидкого диэлектрика и термопластичного полимерного материала по данному изобретению обычно находится в интервале от 1:99 до 25:75, предпочтительно от 5:95 до 15:85.

Заявителем наблюдалось, что содержание жидкого диэлектрика выше определенной величины не обеспечивает существенного увеличения диэлектрической прочности, придаваемой полимерному материалу. В ряде случаев найдено, что сравнительно высокое содержание жидкого диэлектрика создает помехи также и на стадии изготовления или же ухудшает термомеханические свойства кабеля.

В данном документе указано, что использование жидкого диэлектрика со сравнительно низкой температурой плавления или низкой температурой застывания (например, температура плавления или температура застывания не превышает 80°C) упрощает обращение с жидким диэлектриком, который может быть расплавлен без необходимости в дополнительных и сложных стадиях обработки (например, стадии плавления жидкого диэлектрика) и/или в дополнительном оборудовании для смешивания жидкого диэлектрика с полимерным материалом.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления жидкий диэлектрик имеет температуру плавления или температуру застывания от -130 до +80°C.

Преимущественно жидкий диэлектрик имеет заданную вязкость, чтобы предотвратить быструю диффузию жидкости внутри изолирующего слоя и соответственно его миграцию наружу, а также чтобы обеспечить возможность простым образом подачу жидкого диэлектрика и его смешивание с термопластичным полимерным материалом. Предпочтительно жидкий диэлектрик по данному изобретению имеет вязкость при 40°C от 5 до 500 сСт, предпочтительно от 10 до 300 сСт (при измерении в соответствии со стандартом ASTM D445-03).

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения термопластичный полимерный материал для кабеля по данному изобретению выбирается из:

(a) по меньшей мере одного пропиленового гомополимера или по меньшей мере одного сополимера пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и -олефина, иного, чем пропилен, указанный гомополимер или сополимер имеет температуру плавления, равную 130°C или выше, и энтальпию плавления от 20 до 100 Дж/г;

(b) механической смеси, содержащей по меньшей мере один пропиленовый гомополимер или сополимер (a);

(c) по меньшей мере одного эластомерного сополимера этилена с по меньшей мере одним алифатическим -олефином и, возможно, полиеном;

(d) материала, содержащего по меньшей мере 75 мас.%, по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух -олефиновых сомономеров, при этом указанный сополимер имеет энтальпию плавления менее 25 Дж/г (d₁); и 25 мас.% или менее, по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, гомополимера или сополимера (a) или по меньшей мере одного пропиленового гомополимера или сополимера пропилена с по меньшей мере одним -олефином, при этом указанный по меньшей мере один пропиленовый гомополимер или пропиленовый сополимер имеет энтальпию плавления более 25 Дж/г и температуру плавления выше 130°C (d₂).

Полимерный материал (d) является предпочтительным для данного изобретения.

Полимерный материал (d) обеспечивает формирование слоя термопластичного полимерного материала с энтальпией плавления 40 Дж/г или менее. Предпочтительно указанная энтальпия плавления равна 35 Дж/г или менее и более предпочтительно составляет от 30 до 5 Дж/г.

Преимущественно слой сформирован из материала с индексом текучести расплава (MFI), измеренным при 230°C при нагрузке 21,6 Н в соответствии со стандартом ASTM D1238-00, в интервале от 0,05 до 10,0 дг/мин, более предпочтительно от 0,4 до 5,0 дг/мин.

Предпочтительно сополимер (d₁) присутствует в количестве от 80 до 95 мас.% по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала.

Предпочтительно сополимер (d₁) обладает энтальпией плавления от 15 до 10 Дж/г. Энтальпия плавления сополимера (d₁) может быть также менее 10 Дж/г, например 0 Дж/г.

Преимущественно сополимер (d₁) имеет модуль изгиба от 80 до 10 МПа, более предпочтительно от 40 до 20 МПа. Модуль изгиба сополимера (a) может также быть меньше 10 МПа, например 1 МПа.

По меньшей мере два -олефиновых сомономера по меньшей мере одного сополимера (d₁) могут быть выбраны из этилена или -олефина формулы CH₂=CH-R, где R представляет собой линейный или разветвленный C₁-C₁₀ алкил, выбранный, например, из пропилена, 1-бутена, 1-пентена, 4-метил-1-пентена, 1-гексена, 1-октена, 1-децена, 1-додецена, предпочтительно из этилена, пропилена, бутена и октена.

Сополимеры пропилен/этилен являются особенно предпочтительными.

Предпочтительно по меньшей мере одним из по меньшей мере двух -олефиновых сомономеров является пропилен.

Сополимер (d₁) для кабеля по данному изобретению может быть статистическим сополимером или гетерофазным сополимером.

Термин «статистический сополимер» в данном документе означает сополимер, в котором мономеры распределены вдоль полимерной цепи случайным образом.

Термин «гетерофазный сополимер» в данном документе означает сополимер, в котором сформированы эластомерные домены, например, из эластомерного сополимера этилена и пропилена (EPR), которые диспергированы в гомополимерной или сополимерной матрице.

Предпочтительно сополимер (d₁) выбран из:

(d_1a) статистического сополимера пропилена с по меньшей мере одним сомономером, выбранным из этилена и -олефина, иного, чем пропилен;

(d_1b) гетерофазного сополимера, содержащего термопластичную фазу на основе пропилена и эластомерную фазу на основе этилена, сополимеризованного с -олефином, предпочтительно с пропиленом, в котором эластомерная фаза предпочтительно присутствует в количестве по меньшей мере 45 мас.% по отношению к общей массе гетерофазного сополимера.

Особенно предпочтительным сополимером указанного класса (d_1a) является сополимер пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и -олефина, иного, чем пропилен.

Гетерофазные сополимеры класса (d_1b) могут быть, например, получены последовательной сополимеризацией: i) пропилена, который может содержать незначительное количество по меньшей мере одного олефинового сомономера, выбранного из этилена и -олефина, иного, чем пропилен; и, кроме того: ii) смеси этилена с -олефином, в частности пропиленом, и, возможно, с незначительным количеством диена.

Примерами коммерчески доступных продуктов класса (d_1a) являются Vistalon 404, Vistalon 606, Vistalon 805 (Exxon Chemicals).

Примерами коммерчески доступных продуктов класса (d_1b) являются Softell^® CA02A, Hifax^® CA07A, Hifax^® CA10A (все от компании Basell).

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления пропиленовый гомополимер или сополимер пропилена с по меньшей мере одним -олефином (d₂) имеет энтальпию плавления выше 30 Дж/г, более предпочтительно от 50 до 80 Дж/г.

В (d) количество указанного пропиленового гомополимера или пропиленового сополимера (d₂) предпочтительно составляет от 5 до 20 мас.% по отношению к общей массе термопластичного основного материала.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления (d₂) имеет температуру плавления от 140 до 170°C.

Преимущественно гомополимер или сополимер (d₂) имеет модуль изгиба, равный 100 МПа или более, более предпочтительно от 200 до 1500 МПа.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления кабель по данному изобретению имеет по меньшей мере один покровный слой с электроизоляционными свойствами, сформованный экструзией из термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, как указано выше.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления кабель по данному изобретению имеет по меньшей мере один покровный слой с полупроводящими свойствами, сформованный экструзией из термопластичного полимерного материала с добавкой жидкого диэлектрика, как указано выше. Чтобы сформировать полупроводящий слой, обычно добавляют проводящий наполнитель к полимерному материалу. Чтобы обеспечить получение подходящей дисперсии проводящего наполнителя в термопластичном полимерном материале, последний предпочтительно выбирается из пропиленовых гомополимеров или сополимеров, содержащих по меньшей мере 40 мас.% аморфной фазы по отношению к общей массе полимера.

Возможность использования полимерной композиции одного и того же типа для изолирующего слоя и для полупроводящего слоя особенно выгодна при производстве кабелей для среднего или высокого напряжения, поскольку при этом обеспечивается очень высокая адгезия между соседними слоями и, соответственно, улучшенные электрические параметры, особенно на поверхности раздела между изолирующим слоем и внутренним полупроводящим слоем, где выше напряженность электрического поля и, следовательно, выше риск частичного разряда.

При формировании покровного слоя для кабеля по данному изобретению к вышеуказанной полимерной композиции могут быть добавлены другие обычные компоненты, такие как антиоксиданты, технологические добавки, ингибиторы водного триинга, или их смеси.

Обычными антиоксидантами, подходящими для этой цели, являются, например, дистеарил- или дилаурилтиопропионат и пентаэритритилтетракис[3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)-пропионат] или их смеси.

Технологические добавки, которые могут быть добавлены к полимерной композиции, включают, например, стеарат кальция, стеарат цинка, стеариновую кислоту или их смеси.

С особым упором на кабели среднего и высокого напряжения полимерные материалы, рассмотренные в данном документе выше, могут быть преимущественно использованы для формирования изолирующего слоя. Устойчивость к термическому воздействию, обеспечиваемая формированием покровного изолирующего слоя в соответствии с данным изобретением, делает возможным функционирование содержащих их кабелей среднего напряжения и высокого напряжения при температуре 90°C или выше без ухудшения эксплуатационных параметров.

Если покровный слой по данному изобретению является полупроводящим слоем, то проводящий наполнитель, в частности углеродная сажа, обычно диспергирован в полимерном основном материале в таком количестве, чтобы предоставить материал с полупроводящими свойствами (т.е. в таком количестве, чтобы получить удельное электросопротивление менее 5 ·м при температуре окружающей среды). Это количество обычно находится в интервале от 5 до 80 мас.% и предпочтительно в интервале от 10 до 50 мас.% от общей массы смеси.

Использование той же самой основной полимерной композиции для изолирующего слоя и для полупроводящего слоя особенно выгодно при производстве кабелей для среднего или высокого напряжения, поскольку при этом обеспечивается очень высокая адгезия между соседними слоями и, соответственно, высокие электрические параметры, особенно на поверхности раздела между изолирующим слоем и внутренним полупроводящим слоем, где выше напряженность электрического поля и, следовательно, выше риск частичного разряда.

Композиция для покровного слоя силового кабеля по данному изобретению может быть приготовлена смешиванием термопластичного полимерного материала, жидкого диэлектрика и любых других добавок, которые могут присутствовать, способом, известным в данной области. Смешивание может быть выполнено, например, посредством закрытого смесителя с тангенциальными роторами типа Banbury или с взаимозацепляющимися роторами; в смесителе непрерывного действия типа Ko-Kneader (Buss) двухшнекового типа с вращением в одном направлении или с вращением в противоположных направлениях или в одношнековом экструдере.

Термопластичный полимерный материал может быть предварительно изготовлен в полимеризационном реакторе или посредством подачи термопластичного материала вместе с жидким диэлектриком в смесительный узел для образования полимерной композиции, как в качестве примера описано выше.

В качестве альтернативы жидкий диэлектрик по данному изобретению может быть добавлен к термопластичному полимерному материалу на стадии экструзии посредством прямой инжекции в цилиндр экструдера, как раскрыто, например, в международной заявке на патент WO 02/47092 того же заявителя.

Также была найдена более высокая совместимость между жидким диэлектриком и термопластичным полимерным материалом по данному изобретению по сравнению со случаем аналогичных смесей того же самого полимерного материала с другими жидкими диэлектриками, известными в данной области. Эта увеличенная совместимость приводит, помимо прочего, к меньшему проступанию жидкого диэлектрика. Вследствие их высокой рабочей температуры и их низких диэлектрических потерь кабели по данному изобретению могут передавать при том же самом напряжении электрическую мощность по меньшей мере такой же или даже большей величины по сравнению с той, которая может быть передана обычным кабелем с покрытием из сшитого полиэтилена (XLPE).

Хотя это описание в основном сфокусировано на производстве кабелей для передачи или распределения электроэнергии при среднем или высоком напряжении, полимерная композиция по данному изобретению может быть использована для электротехнических устройств с покрытием в целом, в частности для кабелей разного типа, например кабелей низкого напряжения (т.е. кабелей для передачи напряжения менее 1 кВ), телекоммуникационных кабелей или комбинированных кабелей (для передачи энергии/телекоммуникационных) или вспомогательного оборудования, используемого в электрических линиях, таких как терминалы, сочленения, соединители или т.п.

Другие характеристики будут очевидны из подробного описания, представленного ниже со ссылками на сопроводительный чертеж, на котором представлен перспективный вид электрического кабеля, особенно подходящего для среднего или высокого напряжения, в соответствии с данным изобретением.

Согласно чертежу кабель (1) содержит проводник (2), внутренний слой (3) с полупроводящими свойствами, промежуточный слой (4) с изоляционными свойствами, внешний слой (5) с полупроводящими свойствами, металлический экран (6) и внешнюю оболочку (7).

Проводник (2) обычно состоит из металлических проволок предпочтительно из меди или алюминия, собранных в пучок обычными способами, или из сплошного алюминиевого или медного стержня. По меньшей мере один покровный слой, выбранный из изолирующего слоя (4) и полупроводящих слоев (3) и (5), содержит композицию по данному изобретению, рассмотренную выше в данном документе. Вокруг внешнего полупроводящего слоя (5) обычно располагается экран (6), как правило, из электропроводных проволок или лент, намотанных по спирали. Этот экран затем покрыт оболочкой (7) из термопластичного материала, такого как, например, несшитый полиэтилен (PE).

Кабель может быть также снабжен защитной структурой (не показана), основной целью которой является механическая защита кабеля от ударных воздействий или сдавливания. Этой защитной структурой может быть, например, металлическое армирование или слой вспененного полимера, как описано в WO 98/52197 того же заявителя.

Чертеж представляет вариант осуществления кабеля в соответствии с данным изобретением. Для этого варианта осуществления могут быть сделаны подходящие модификации в соответствии с конкретными техническими требованиями и эксплуатационными характеристиками без отклонения от объема данного изобретения.

Покровный слой или слои кабеля из термопластичного материала в соответствии с данным изобретением могут быть изготовлены известными методами, например экструзией. Экструзия преимущественно выполняется за один проход, например, тандемным способом, при котором отдельные экструдеры расположены последовательно, или совместной экструзией с использованием головки для многослойной экструзии.

Представленные ниже примеры иллюстрируют данное изобретение, не ограничивая его.

ПРИМЕРЫ

Кабели, снабженные изолирующим слоем в соответствии с данным изобретением или сравнительным изолирующим слоем, изготавливали из следующих компонентов:

– Adflex Q200F: пропиленовый гетерофазный сополимер с температурой плавления 165°C, энтальпией плавления 30 Дж/г, индексом текучести расплава (MFI) 0,8 дг/мин и модулем изгиба 150 МПа (коммерческий продукт компании Basell);

– Synesstic 5: алкилированный нафталин с молекулярной массой 198 г/моль, отношением C_arom/C_tot=0,67, вязкостью 29 сСт (при 40°C), температурой застывания -39°C (коммерческий продукт компании ExxonMobil Chemical);

– Synesstic 12: алкилированный нафталин с молекулярной массой 296 г/моль, отношением C_arom/C_tot=0,45, вязкостью 109 сСт (при 40°C) (коммерческий продукт компании ExxonMobil Chemical);

– Palatinol AH: диоктилфталат с молекулярной массой 391 г/моль, отношением C_arom/C_tot=0,25 (коммерческий продукт компании BASF).

Во всех примерах Adflex Q200F подавали непосредственно в бункер экструдера. Затем жидкий диэлектрик, предварительно смешанный с антиоксидантами, инжектировали при высоком давлении в экструдер. Использовали экструдер диаметром 80 мм с отношением L/D, равным 25. Инжекцию выполняли в процессе экструзии на расстоянии примерно 20 D от начала экструзионного шнека посредством трех инжекционных отверстий, расположенных в одном и том же поперечном сечении при угловом смещении 120° одного по отношению к другому. Жидкий диэлектрик инжектировали при температуре 70°C и давлении 250 бар (25 МПа).

Кабель A изготавливали при использовании Synesstic 5 в количестве 5 мас.%.

Кабель B изготавливали при использовании Synesstic 5 в количестве 10 мас.%.

Сравнительный кабель C изготавливали при использовании Synesstic 12 в количестве 5 мас.%.

Сравнительный кабель D изготавливали при использовании Palatinol AH в количестве 5 мас.%.

При аналогичных условиях изготавливали сравнительный кабель E без добавления жидкого диэлектрика к основному материалу Adflex Q200F.

Каждый кабель на выходе из экструзионной головки охлаждали до комнатной температуры пропусканием через холодную воду.

Каждый конечный кабель состоял из алюминиевого проводника (с поперечным сечением 150 мм²), внутреннего полупроводящего слоя толщиной примерно 0,5 мм, изолирующего слоя толщиной примерно 4,5 мм и внешнего полупроводящего слоя толщиной примерно 0,5 мм.

Диэлектрическая прочность

Три отрезка (каждый длиной 20 метров) кабелей A, B и C, изготовленных, как описано выше, подвергали измерению диэлектрической прочности с использованием переменного тока при температуре окружающей среды. Начиная от 100 кВ, приложенный перепад напряжения увеличивали на 10 кВ каждые 10 минут до пробоя кабелей. В качестве напряжения пробоя принималось напряжение на проводнике.

Таблица обобщает результаты электрических испытаний: данные представляют средние величины, полученные из трех разных измерений.

Как следует из таблицы, сравнительные жидкие диэлектрики, примешанные к термопластичному полимерному материалу при той же самой концентрации, что и жидкие диэлектрики по данному изобретению, обеспечивают изолирующий слой с меньшими величинами диэлектрической прочности, чем те, что обеспечиваются жидкими диэлектриками по данному изобретению.

Жидкие диэлектрики в соответствии с данным изобретением существенно увеличивают диэлектрическую прочность термопластичного изолирующего слоя для силового кабеля.

Обнаружено, что жидкий диэлектрик в соответствии с данным изобретением примешанный в количестве 5 мас.% к термопластичному полимерному материалу, обеспечивает существенное увеличение диэлектрической прочности, и дополнительное увеличение указанного количества обеспечивает дополнительное преимущество.

Однако было найдено, что чрезмерно высокое содержание жидкого диэлектрика (например, более 30 мас.% в случае Synesstic 5) может:

– уменьшить диэлектрическую прочность термопластичного полимерного материала;

– ухудшить термомеханические свойства покровного слоя;

– выступать из кабеля при эксплуатации, что ухудшает диэлектрические параметры.

Формула изобретения

1. Силовой кабель, содержащий по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один экструдированный покровный слой, включающий термопластичный полимерный материал с добавкой жидкого диэлектрика, в котором указанный жидкий диэлектрик содержит соединение формулы (I):

в которой А представляет собой моноциклический ароматический фрагмент или по меньшей мере частично ароматический конденсированный полициклический фрагмент; и
по меньшей мере один фрагмент из X и X является метальным или алифатическим фрагментом, в обоих случаях этот фрагмент возможно замещен и/или прерывается одной или несколькими группами из кетогруппы, алкоксигруппы, алкилтиогруппы, меркаптогруппы, гидроксиалкила, гидроксила; другой при этом является водородом;
причем указанное соединение имеет отношение числа атомов углерода ароматического фрагмента к общему числу атомов углерода, равное 0,6 или более.

2. Силовой кабель по п.1, в котором экструдированный слой является электроизоляционным слоем.

3. Силовой кабель по п.1, в котором экструдированный слой является полупроводящим слоем.

4. Силовой кабель по п.1, в котором соединение жидкого диэлектрика имеет формулу (I), в которой А представляет собой моноциклический ароматический фрагмент или полностью ароматический конденсированный полициклический фрагмент.

5. Силовой кабель по п.4, в котором соединение жидкого диэлектрика имеет формулу (I), в которой А представляет собой конденсированный бициклический фрагмент.

6. Силовой кабель по п.1, в котором моноциклический ароматический фрагмент является циклопентаноидом или циклогексаноидом.

7. Силовой кабель по п.1, в котором по меньшей мере частично ароматический конденсированный полициклический фрагмент содержит циклопентаноид и/или циклогексаноид.

8. Силовой кабель по п.1, в котором А содержит один гетероатом, выбранный из кислорода, серы или азота.

9. Силовой кабель по п.1, в котором соединение жидкого диэлектрика имеет формулу (I), в которой по меньшей мере один фрагмент из X и X является метальным или алифатическим фрагментом.

10. Силовой кабель по п.1, в котором соединение жидкого диэлектрика выбрано из н-пентилнафталина, изопентилнафталина, н-бутилнафталина, изобутилнафталина, трет-бутилнафталина, н-пропилнафталина, изопропилнафталина, диэтилнафталина, триметилнафталина, метил-н-бутилнафталина, метил-трет-бутилнафталина, н-бутоксинафталина, диэтоксинафталина, нафтилэтилкетона, нафтилбутилкетона.

11. Силовой кабель по п.1, в котором соединение жидкого диэлектрика имеет молекулярную массу 200 г/моль или менее.

12. Силовой кабель по п.1, в котором жидкий диэлектрик имеет диэлектрическую постоянную, которая при 25°С равна 3,5 или менее.

13. Силовой кабель по п.1, в котором жидкий диэлектрик имеет температуру кипения выше 130°С.

14. Силовой кабель по п.1, в котором жидкий диэлектрик смешан с термопластичным полимерным материалом в массовом отношении от 1:99 до 25:75.

15. Силовой кабель по п.1, в котором жидкий диэлектрик имеет температуру плавления или температура застывания от -130 до +80°С.

16. Силовой кабель по п.1, в котором жидкий диэлектрик имеет вязкость, которая при 40°С составляет от 5 до 500 сСт.

17. Силовой кабель по п.16, в котором жидкий диэлектрик имеет вязкость, которая при 40°С составляет от 10 до 300 сСт.

18. Силовой кабель по п.1, в котором термопластичный полимерный материал выбран из:
(a) по меньшей мере одного пропиленового гомополимера или по меньшей мере одного сополимера пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и -олефина, иного, чем пропилен, указанный гомополимер или сополимер имеет температуру плавления, равную 130°С или выше, и энтальпию плавления от 20 до 100 Дж/г;
(b) механической смеси, содержащей по меньшей мере один пропиленовый гомополимер или сополимер (а), и
(c) по меньшей мере одного эластомерного сополимера этилена с по меньшей мере одним алифатическим б-олефином и возможно полиеном;
(d) материала, содержащего по меньшей мере 75 мас.% по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух -олефиновых сомономеров, при этом указанный сополимер имеет энтальпию плавления менее 25 Дж/г (d₁); и 25 мас.% или менее по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, гомополимера или сополимера (а) или по меньшей мере одного пропиленового гомополимера или сополимера пропилена с по меньшей мере одним -олефином, при этом указанный по меньшей мере один пропиленовый гомополимер или пропиленовый сополимер имеет энтальпию плавления более 25 Дж/г и температуру плавления выше 130°С (d₂).

19. Силовой кабель по п.18, в котором термопластичный полимерный материал представляет собой материал, содержащий по меньшей мере 75 мас.% по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, по меньшей мере одного сополимера по меньшей мере двух -олефиновых сомономеров, при этом указанный сополимер имеет энтальпию плавления менее 25 Дж/г (d₁); и 25 мас.% или менее по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала, гомополимера или сополимера (а) или по меньшей мере одного пропиленового гомополимера или сополимера пропилена с по меньшей мере одним -олефином, при этом указанный по меньшей мере один пропиленовый гомополимер или пропиленовый сополимер имеет энтальпию плавления более 25 Дж/г и температуру плавления выше 130°С (d₂).

20. Силовой кабель по п.18, в котором сополимер (dl) присутствует в количестве от 80 до 95 мас.% по отношению к общей массе термопластичного полимерного материала.

21. Силовой кабель по п.18, в котором сополимер (dl) имеет энтальпию плавления от 15 до 10 Дж/г.

РИСУНКИ