NO301198B1 - Kabel, fremgangsmåte og impregneringsmasse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår kraftkabler av masseimpregnert type, dvs. kabler med metallkappe eller mantel isolert med papir som er impregnert med en viskøs forbindelse (også betegnet Solid Type Paper Insulated Cables). Oppfinnelsen gjelder særlig sådanne kabler beregnet på overføring av likestrøm ved høy spenning, underjordisk såvel som undersjøisk.

Faktisk er den masseimpregnerte kabel den eldste type høyspenningskabel som brukes. Allerede ved århundreskiftet, dvs. for omtrent et hundre år siden, var sådanne kabler i bruk for spenninger inntil 10 kV. Senere økte spenningene takket være forbedringer med hensyn til isolasjonsmaterialene såvel som utviklingen av de nødvendige produk-sjonsprosesser.

Erfaring viste imidlertid at den vanlige masseimpregnerte kabel har viktige ulemper.

I drift oppvarmes isolasjonen syklisk når kabelen belastes og avlastes. Under belastning utvider (masse-) impregneringsmiddelet seg som følge av oppvarmingen forårsaket av de elektriske tap, leder-, mantel- og eventuelle armeringstap. Denne utvidelse kan skape høye trykk når den motvirkes av den omsluttende mantel og forsterkning. En blymantel kan ikke bære sådanne høye trykk og vil gjennomgå plastisk deformasjon i fraværet av tilleggsforsterkning. Når kabelen avkjøles når den er ubelastet, er temperaturfallet størst i lederen, således at massen vil bli suget inn i denne, idet den omgivende isolasjonsmasse uttynnes, hvilket skaper vakuumbobler og hele eller delvise tomrom i isolasjonen. Siden gass under lavt trykk er en meget dårligere isolator enn olje og også har en mye lavere dielektrisk permitivitet, vil den bli utsatt for spenninger utover dens motstandsevne, hvilket vil føre til partiell utladning.

I tilfellet av vekselspenning vil antallet utladninger være meget stort pr. tidsenhet og vil snart etterfølges av sammenbrudd. På grunn av det som er nevnt ovenfor er kabler av masseimpregnert type blitt begrenset til lavere spenninger, særlig 24 kV og lavere.

I tilfellet av likestrøm er antallet partielle utladninger (PD - Partial Discharges) pr. tidsenhet flere dekader lavere. Dette muliggjør bruk av masseisolert isolasjon for myere høyere spenninger og/eller elektriske påkjenninger. Det er imidlertid den partielle utladning under avkjølingen av kabelen som begrenser den største kraftoverføring på denne type kabel.

Når det ble nødvendig med høyere spenninger og større overføringskapasiteter ble andre typer kabel utviklet basert på trykksetting av isolasjonen (dvs. et sådant trykk at det hindrer dannelse av bobler under alle betingelser), dvs. de såkalte "trykkunder-støttede kabler" (Pressure Assisted Cables). Eksempler på sådanne kabler utgjøres av kabler av oljefylt type, gasstrykk-type, rør-type, osv. Sådanne kabler kan brukes ved betraktelig høyere spenninger og temperaturer enn vanlige masseimpregnerte kabler. For eksempel er det blitt konstruert komplette oljefylte kabler for spenninger opp til 1100 kV vekselstrøm med en største arbeidstemperatur av 85 - 90°C.

Andre begrensende faktorer som angår fremstillingen av masseimpregnerte kabler for høye spenninger, er forbundet med produksjonsprosessen. Impregneringsprosedyrene er meget tidkrevende og prosessen kan skape soner med lavere masseinnhold. Dissek-sjon av kabler har bekreftet at soner i kabelisolasjonen noen ganger ikke er fullstendig impregnert. Dette bestemmer en grense for energioverføringen med kjent kabelisolasjon.

Formålet for den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en masseimpregnert like-strømseffektkabel ved høye spenninger og som har følgende egenskaper: - Forbedret pålitelighet ved overføring av energi og termisk veksling fra omgivelsestemperaturer til de største ledertemperaturer,

- tilfredsstillende virkemåte ved vanndyp i området fra 0 m til i det minste 3000 m,

- tilfredsstillende virkemåte ved kabelstrekk av opp til noen tusen km,

- tilpasningsdyktighet med hensyn til forskjellige omgivelsestemperaturer (i området fra - 2 til +30°C), ved å regulere materialkombinasjonén i isolasjonssystemet (-2°C i arktiske sjøområder, +7°C i Nordsjøen, +30°C i grunne, tropiske sjøområder).

Foreliggende oppfinnelse gjelder ikke bare selve kabelen, men også en fremgangsmåte for å fremstille kabelen, samt den impregnerende forbindelse som brukes i kabelen.

Trekkene ved oppfinnelsen er angitt i de vedføyde patentkrav. Med denne oppfinnelse er det oppnådd en effektkabel for likestrøm ved høy spenning som har egenskapene nevnt ovenfor og ekstra høy effektoverføringskapasitet, dvs. i størrelsesorden 500 MW og mer ved en spenning av 350 kV og høyere. Produksjonstiden er også betraktelig forkortet.

De ovenfor nevnte og ytterligere trekk og formål ved den foreliggende oppfinnelse vil klart fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse av utførselsesformer av oppfinnelsen sett i sammenheng med de vedføyde tegninger, på hvilke:

Fig. 1 viser et tverrsnitt gjennom en kabel,

Fig. 2 anskueliggjør skjematisk viskositetskarakteristikkene for noen impregnerende

forbindelser,

Fig. 3 er et diagram som skjematisk viser temperatur og trykk i forhold til tiden for en

kjent produksjonsprosess, og

Fig. 4 angir skjematisk produksjonsprinsippene som skal brukes med den foreliggende

oppfinnelse.

I fig. 1 er det skjematisk vist en effektkabel 1 av typen HVDC (High Voltage, Direct Current) som omfatter en midtre flertrådet leder 2 som i hovedsak har et rundt tverrsnitt. I det minste et isolasjonslag 3 som omslutter lederen består av flere gjennomtrengelige papirbånd viklet omkring lederen. I det minste en ikke-gjennomtrengelig kappe 4 som har et hovedsakelig rundt tverrsnitt omslutter isolasjonslaget eller -lagene 3 og en impregnerende forbindelse fyller i hovedsak alle mellomrom innenfor lederen, alle mellomrom mellom de enkelte båndlag og alle tomrom innenfor selve båndstrukturen. Vanligvis vil det også befinne seg halvledende lag 5 og 6 henholdsvis over lederen 2 og under metallkappen 4. Utvendig vil det foreligge armering og øvrige beskyttelseslag (ikke vist). To eller flere isolerte kjerner kan være anordnet innenfor den samme ikke-gjennomtrengelige kappe.

De elektriske egenskaper for kabelisolasjonssystemet avhenger av valget av tre faktorer:

- isolasjonstype,

- "oppskriften" for den impregnerende forbindelse, og

- produksjonsprosessen.

På de etterfølgende sider vil disse faktorer bli beskrevet mer detaljert.

Isolasjon

Den type isolasjon som kan være egnet for en kabel i henhold til den foreliggende oppfinnelse, kan være kraftpapir fremstilt fra nordlig grantre ved hjelp av sulfittprosessen og basert på våt papirmasse uten mekanisk massebehandling. Isolasjonen bør være prosesserbar ved 120°C.

Kvaliteten på det papir som skal brukes i kablene i henhold til den foreliggende oppfinnelse må kontrolleres nøye av kabelprodusenten fra tilfelle til tilfelle i sammenheng med den relevante impregnerende forbindelse.

Forbindelser

Forbindelser som kan brukes i HVDC-kabler bør være en blanding av hydrokarboner av elektroteknisk kvalitet som er blandet for å frembringe en forbindelse med lavt dielektrisk tap og evne til å absorbere hydrogengass når den utsettes for ionebombardement. Forbindelsen bør filtreres i den hensikt å fjerne karbonyl fra forbindelsen. Den bør oppvise langtidsstabilitet og være ikke-segregerende.

Eksempler på forbindelser har de etterfølgende tekniske fordringer:

Forbindelse A:

Viskositetskarakteristikkene for forbindelser A, B og C er anskueliggjort i fig. 2. Viskositeten for denne kjente forbindelse A øker til omtrent 9,3 Pa s ved 30°C.

Forbindelse B:

Fysiske og elektriske data:

Kjemiske data:

95 % av forbindelsen må bestå av alkankjeder med" en kjedelengde som overskrider 15 karbonenheter. Ikke mer enn 2 % av kjedene skal ha kjedelengder over 28 karbonenheter. Det samlede innhold av svovel skal være lavere enn 700 ppm. Det skal ikke forekomme asfaltener i forbindelsen. Viskositetskarakteristikkene for forbindelse B er vist i fig. 2.

Forbindelse C:

Kjemiske data: Som for forbindelse B.

Viskositetskarakteristikkene for forbindelse C er også vist i fig. 2. Det viktigste felles trekk for de to sistnevnte eksempler B og C er at viskositetskarakteristikkene for materialet har bratt forløp innenfor et visst temperaturområde sammenlignet med kurven for forbindelse A. Viskositeten for forbindelsene B og C er vist å være tilbøyelig til å avta meget sakte ved lavere verdier enn 0,1 - 0,3 Pa s. Trekkene ved oppfinnelsen oppnås imidlertid også ved kurver som følger de brutte linjer eller linjer som har skråninger mellom de angitte brutte og heltrukne linjer.

Forbindelsene B og C inneholder en blanding av elektrograderte, naturlige og syntetiske

hydrokarboner valgt ut i tillegg tii deres kompatibilitet overfor isolasjonspapiret og på

i grunn av deres miljømessig godtagbare egenskaper. Basisen utgjøres av 50 - 70 %

naftenisk olje med et destinasjonsområde av 200 - 350°C.

For å sikre gassabsorpsjonen tilsettes 20 - 40 % aromatisk hydrokarbon. For å oppnå

den riktige struktur og viskositetskarakteristikk tilsettes 0,5-10 % av et viskositets-

>middel. Forbindelsens komponenter er stabile, ikke-polare materialer med en "tan d"

0,002.

Forbindelsen har et meget bratt fall med hensyn til viskositetsendring, idet viskositeten er

høy med en fast struktur av geltype ved temperaturer som er lik eller over den største

) arbeidstemperatur for kabelen og som er lav med en tynn struktur av væsketype ved høyere temperaturer. Forbindelsen bør ha en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer, i tem-peratu rom rådet under den høyeste arbeidstemperatur for en kabelleder, og en viskositet av 0,1 - 0,3 Pa s eller lavere, i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur

med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

5

I tillegg fordres det at forbindelsen etter faseendringen har elektriske egenskaper som gjør den i stand til å tåle skjærkrefter. Dette trekk skiller den foreliggende forbindelse fra tidligere brukte, såkalte "ikke-drenerende" forbindelser som ved tilsetning av harpiks nådde en kremlignende soliditet ved omtrent 75°C, men som ikke kunne tåle skjærkrefter ved en ytterligere avkjøling. Impregneringen av kabelen skal finne sted i temperaturområdet med lav viskositet, dvs. en temperatur over den vanlige arbeidstemperatur for kabelen.

Et prøveprogram er blitt gjennomført i den hensikt å vise hvordan forskjellige typer impregneringsforbindelse strømmer gjennom forskjellige typer papir avhengig av tid og

temperatur. Konklusjonen var at gjennomstrømningshastigheten varierer med papirtype for alle forbindelsestyper ved de relevante temperaturer og forbindelsesviskositeter. Den type viskositetsmiddel som ble brukt i de forskjellige forbindelser syntes imidlertid å være den avgjørende faktor for strømningshastigheten.

Kompatibiliteten mellom papiret og impregneringsforbindelsen må kontrolleres eksperi-mentelt for å sikre at de er kompatible og at ingen segresjon vil finne sted i kabelens forventede levetid.

Det fordres da at ved normal drift av kabelen, innbefattet forskjellige omgivelsestemperaturer og belastningssykluser, samt den forventede levetid (50 år), skal

impregneringsmaterialet ikke segregere og må heller ikke klumpe seg til papirstrukturen. Det viskositetsforbedrende middel i impregneringsmaterialet må velges med omhu med tanke på kompatibilitet både med de øvrige komponenter i forbindelsen, med isolasjonspapiret og med Cu og Pb som er de metaller som oftest brukes i sådanne kabler.

Produksjon

Kabelens leder produseres på en vanlig repslående maskin for flertrådsledere. Halv-leder- og papiriagene påføres lederen i en vanlig papiromhylningsmaskin med flere papirrullhyiser.

Tørkingen av papirene gjøres i vanlige impregneringskar, -tanker eller -beholdere på vanlig måte. Avkjølingen av kabelen gjøres enten ved hjelp av naturlig avkjøling eller ved forsert avkjøling med en inert gass, slik som N2eller C02, enten i en åpen eller en lukket syklus. Impregneringen utføres vanligvis ved impregneringstemperaturen for forbindelsen. Ytterligere avkjøling kan tilføres enten som naturlig eller forsert avkjøling ned til omgivelsestemperatur. Det er nødvendig å ha styrt oppvarming av impreg-neringsbeholderens vegger for å muliggjøre uttrekning av kabelen fra forbindelsen som er igjen i beholderen.

Det må utvises forsiktighet når papiret som isolerer kabelens leder impregneres således at vitale komponenter i impregneringssammensetningen ikke endres. Særlig bør temperaturen under prosessen ikke være så høy at komponentene i den oljebaserte forbindelse trekkes ut.

I det etterfølgende er det spesifisert noen fordringer med hensyn til impregneringen av en isolert kabelleder med den kjente forbindelse A: Den papirbåndisolerte kabelleder plasseres i en trykkbeholder hvor kabelisolasjonen tørkes ved omtrent 120°C i et vakuum som er bedre enn 0,1 mbar. I fig. 3 er det skjematisk vist et diagram som viser temperaturen T og trykket P i forhold til tiden under produksjonsprosessen. Tidsaksen er ikke lineær. Kabelisolasjonen gjennomgår en tørkefase D1, en impregneringsfase 11 og en avkjølingsfase C1. Impregneringen finner dessuten sted under avkjølingsfasen C1. Avkjølingsfasen tar lenger tid enn det som er angitt i forhold til tørke- og impreg-neringsfasene. Fyllingen av forbindelse utføres ved å avgasse den og oppvarme den til samme temperatur som kabelisolasjonen og slippe den forsiktig inn i beholderen under vakuum. Deretter økes sakte det indre trykk i beholderen i trinn, idet det forsikres at situasjonen er stabil før neste trinn startes.

Neste prosedyre går ut på å redusere temperaturen i kabellederen isolert med impregnert papir til omgivelsestemperatur uten å skape soner med lav impregnering i isolasjonssystemet. Avkjølingsprosessen må derfor forløpe sakte og under fullt trykk således at isolasjonen fylles med forbindelsen. Tilsetning av forbindelse i te mperatu rom rådet fra 80 til 50°C er meget kritisk fordi forbindelsens viskositet har økt så mye i dette område at den bare sakte går inn i isolasjonen. Avkjølingsprosessens varighet er flere uker.

Fordringene ved impregnering med forbindelse B vil være noe tilsvarende, men på grunn av dens forskjellige viskositetskarakterstikk er prosesseringstiden betraktelig redusert.

I fig. 4 er det skjematisk angitt et diagram som viser temperaturen T og trykket P i forhold til tiden under produksjonsprosessen. Tidsaksen er ikke lineær. Kabelisolasjonen gjennomgår en tørkefase D2 (lik D1 i fig. 3), en første avkjølingsfase C2, en

> impregneringsfase 12 (lik 11 i fig. 3), samt en andre avkjølingsfase C2' (lik den siste del av C1 i fig. 3). Impregnering finner også sted i den første del av avkjølingsfasen C2.

Den andre avkjølingsfase C2' tar lenger tid enn det som er angitt sammenlignet med den første avkjølingsfase 2, men er betraktelig kortere enn den avkjølingsfase C1 som fordres for forbindelse A.

Etter vakuumbehandling og tørking av kabelisolasjonen kan temperaturen inne i trykkbeholderen reduseres fra 120 til omtrent 45°C (ved vakuum eller forsert avkjøling,

.slik som i tilfellet av forbindelse A) før forbindelsen B slippes sakte inn i beholderen som inneholder den papirisolerte kabelleder. Deretter økes trykket sakte til omtrent 1 - 2 bar overtrykk, mens forbindelsen B tilsettes beholderen og papirisolasjonen. Avkjølings-prosedyrene er i dette tilfelle mest kritisk i temperaturområdet fra 35 til 30°C. Den tid som behøves for å oppnå en fullstendig impregnert kabelisolasjon uten soner med lav impregnering, vil være inntil en tredjedel mindre enn den tid som fordres for forbindelse

A.

En kabel impregnert med forbindelse B vil være egnet som isolasjon i miljøer som har omgivelsestemperaturer opp til 4°C. Arbeidstemperaturen for denne kabel bør være under 30°C. En fordel ved å bruke en forbindelse som har en bratt viskositetskarakteristikk er at produksjonstiden i vesentlig grad kan reduseres. Forbindelsen bør ha lav viskositet under den prosess hvor kabelisolasjonen impregneres, i den hensikt å fylle alle mellomrom i kabelisolasjonen. Forbindelsen bør imidlertid ha høy viskositet i det temperaturområde hvor kabelen arbeider, i den hensikt å hindre dannelse av bobler i den impregnerte papirisolasjon. Forsiktighet bør oppvises for å hindre en brå endring fra høy til lav viskositet innenfor det normale arbeidstemperaturområde for kabelen.

Fordringene ved impregnering med forbindelse C vil være meget lik dem som angår forbindelse B, bortsett fra at temperaturområdene er forskjellig: Mens den brå endring fra lav til høy viskositet opptrer ved 60°C med forbindelse C sammenlignet med 30°C for forbindelse B, bør en kabel impregnert med forbindelse C ha vanlige arbeidstemperaturer under omtrent 55°C. En sådan kabel er egnet i miljøer som har omgivelsestemperaturer opp til 20 - 30°C.

Et viktig trekk ved oppfinnelsen er at behandlingstiden er vesentlig redusert. Den ovenfor detaljerte beskrivelse av utførelsesformer av denne oppfinnelse må imidlertid betraktes bare som eksempler, og skal ikke bedømmes som begrensninger av beksyttelsesomfanget.

Oppfinnelsen er ovenfor blitt beskrevet i sammenheng med omhyllet HVDC-kabelisolasjon bestående av cellulosepapir, slik som kraftpapir. Det skal imidlertid under-strekes at hovedtrekket ved oppfinnelsen vil bli oppnådd med en hvilken som helst type impregnerbart papir og/eller polymerbånd så sant båndet er kompatibelt med den oljebaserte impregnerende forbindelse som brukes.

Hovedtrekkene ved oppfinnelsen vil også bli oppnådd med andre forbindelser enn de nevnte eksempler på forbindelser så sant disse er kompatible med det valgte omhyl-ningsbånd.

Utførelsesformene ovenfor av oppfinnelsen er blitt beskrevet i sammenheng med kabler som har en midtleder med hovedsakelig rundt tverrsnitt. Oppfinnelsens prinsipper gjelder imidlertid i like stor grad for kabler som har ovalt tverrsnitt samt kabler som har mer enn en isolert kabelleder.

Claims (11)

1. Høyspent effektkabel (1) for likestrøm og som omfatter: - i det minste en flertrådsleder (2), - i det minste et isolasjonslag (3) som omslutter lederen og består av flere gjennom trengelige bånd viklet omkring lederen, i det minste en ugjennomtrengelig kappe (4) som omslutter den isolerte leder, - en impregnerende forbindelse som i hovedsak fyller alle mellomrom inne i lederen, alle mellomrom mellom de enkelte båndlag og alle tomrom inne i selve båndstrukturen, idet den impregnerende forbindelse har en meget bratt endringshelning i viskositetskarakteristikken, idet viskositeten er høy med en fast struktur av geltype ved temperaturer som er lik eller under kabelens største arbeidstemperatur og som er lav med en tynn struktur av væsketype ved høye temperaturer, karakterisert vedat forbindelsen har en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer i det temperaturområde som er lik og under kabellederens største arbeidstemperatur, og en viskositet av 0,1 - 0,3 Pa s eller lavere i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur. med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

2. Kabel som angitt i krav 1, og som er beregnet på omgivelsestemperaturer i området 0 - 5°C, karakterisert vedat den impregnerende forbindelse har en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer i temperaturområdet under en største arbeidstemperatur for kabelen av 25 - 30°C og en viskositet av 0,1 - 0,3 Pa s og lavere, i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

3. Kabel som angitt i krav 1, og som er beregnet på omgivelsestemperaturer i området 0 - 30°C, karakterisert vedat den impregnerende forbindelse har en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer i temperaturområdet under en største arbeidstemperatur for kabellederen av 55 - 60°C, og en viskositet av 0,1 - 0,3 Pa s eller lavere i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

4. Kabel som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert vedat den gjennomtrengelige lederisolasjon (3) består av omhyllede bånd fremstilt fra Kraft-papir.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av en høyspent effektkabel som har en eller flere ledere, lag av impregnert, omhyllet isolasjon og ytre, ikke-gjennomtrengelige kapper, idet fremgangsmåten omfatter trinn hvor den isolerte leder anbringes i en trykksatt beholder for oppvarming, tørking og vakuumbehandling av isolasjonen og lederen, hvoretter beholderen og kabelisolasjonen fylles med en impregnerende forbindelse, og den impregnerte, isolerte leder til sist innkapsles, samt trinn hvor den tørkede isolerte leder (2-3) avkjøles under trykk før kabelisolasjonen (3) og lederen (2) impregneres med en forbindelse som har en meget bratt endringshelning i viskositetskarakteristikken,karakterisert vedat det brukes en forbindelse som har en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer i temperaturområdet som er lik eller under en største arbeidstemperatur for kabellederen, og en viskositet av 0,1 - 0,3 Pa s eller lavere i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert vedat det gjøres bruk av forsert kjøling i det første avkjølings-trinn (C1).

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert vedat, mens beholdertemperaturen er omtrent 120°C ved slutten av tørketrinnet, avkjøles beholderen og kabelen til minst omtrent 60°C i en avgassende atmosfære før den impregnerende forbindelse tilføres beholderen og kabelen.

8. Impregnerende forbindelse for HVDC-effektkabler fremstilt i samsvar med krav 5,karakterisert vedat den har en viskositet av 1 - 3 Pa s eller mer i temperaturområdet som er lik eller under en største arbeidstemperatur for kabellederen, og en viskositet av 0,1 - 0.3 Pa s eller mindre i temperaturområdet over nevnte kabelledertemperatur med tillegg av omtrent 5 - 25 K.

9. Forbindelse som angitt i krav 8, karakterisert vedat den inneholder en blanding av elektrisk graderte, naturlig eller syntetiske hydrokarboner utvalgt med hensyn til deres kompatibilitet overfor isolasjonspapiret og på grunn av deres miljømessig godtagbare egenskaper.

10. Forbindelse som angitt i krav 8 eller 9, karakterisert vedat forbindelsens basis utgjøres av 50 - 70 % naftenisk olje med et destinasjonsområde av 200 - 350°C.

11. Forbindelse som angitt i krav 8, 9 eller 10, karakterisert vedat 95 % av forbindelsen består av alkankjeder med en .kjedelengde over 15 karbonenheter og at ikke mer enn 2 % av kjedene har kjedelengder over 28 karbonenheter.