作為用于電力電纜的鎧裝絲的涂覆的鋼絲的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及非磁性材料涂覆的鋼絲和其使用，例如，用于傳輸電功率的水下電力電纜的鎧裝絲。
【背景技術(shù)】
[0002]電力是現(xiàn)代生活中必不可少的一部分。電功率傳輸是電能從發(fā)電廠到位于接近需求中心的變電站的批量傳送。傳輸線大多使用高電壓三相交流(AC)。電力以高電壓(110kV或以上)傳輸從而減小在長距離傳輸中損失的能量。功率通常通過架空電力線路被傳輸。地下電力傳輸具有顯著更高的成本和更大的操作上的限制，但有時在城市地區(qū)和敏感地點被使用。最近，水下電力電纜提供了如下可能性:向小島嶼或海洋生產(chǎn)平臺供電而不需要它們自己的電力生產(chǎn)。在另一方面，水下電力電纜也提供了以下可能性:使海上產(chǎn)生的電力(風、潮汐、洋流……)帶上岸到大陸。
[0003]這些電力電纜通常是鋼絲鎧裝電纜。鋼絲鎧裝電纜10的典型構(gòu)造由圖1示出。導體12通常由純銅絞線制成。絕緣體14，諸如由交聯(lián)聚乙烯(XLPE)制成，具有良好的耐水性和優(yōu)良的絕緣特性。在電纜中的絕緣體14確保導體和其它金屬物質(zhì)不會與彼此接觸。墊層16，諸如由聚氯乙烯(PVC)制成，被用來在電纜的內(nèi)層和外層之間提供保護邊界。鎧裝18，諸如由鋼絲制成，提供機械保護，特別是提供對外部影響的保護。此外，鎧裝絲18可以緩解在安裝期間的張力，從而防止銅導體的伸長?？赡艿淖o套19，諸如由黑色PVC制成，保持電纜的所有部件在一起，并且提供對外部應力的附加保護。
[0004]由于這些電纜的應用環(huán)境是潮濕或含有水分，用于這些電纜的某些腐蝕保護是需要的，特別是對于其應用環(huán)境非常腐蝕的水下電纜。因為電纜(芯)加熱并且大多鋼種在海水中的耐腐蝕性隨溫度升高而強烈降低，電力電纜的腐蝕保護變得至關重要。因此，不銹鋼或鍍鋅鋼絲都被認為是用作尤其是針對水下電力電纜的鎧裝絲。美國專利申請2002/0027012 A1提供了一種較便宜的替代解決方案，其中應用由具有覆蓋一層不銹鋼制的標準型的鋼芯的復合鋼制成的增強線。
[0005]另一方面，考慮與高電壓水下電纜關聯(lián)的磁場，中國專利申請101950619A公開了通過交替布置圓銅絲和非磁性不銹鋼絲形成的鎧裝結(jié)構(gòu)。通過相隔一定距離逐一布置圓銅絲和非磁性不銹鋼絲形成的混合鎧裝層可以減小在用于鎧裝水下電纜時的磁損耗。然而，由于兩種材料的應用，生產(chǎn)過程變得復雜，并且電纜到例如插座的裝配可能會產(chǎn)生問題。而且，銅的使用使得該鎧裝結(jié)構(gòu)相當昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的是提供適合用于特別是在水下環(huán)境中的高電壓電氣電力電纜的鎧裝或加強絲。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)以最小化電力電纜的磁損耗并且同時具有強的機械保護和優(yōu)秀的腐蝕保護。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，鋼絲被用作用于傳輸電功率的電力電纜的鎧裝絲，其中鋼絲具有鋼芯和非磁性涂層，涂層具有在0.2mm至3.0mm的范圍中的厚度并且選自具有低于700°C的熔點的金屬或合金。
[0009]在本文中，厚非磁性涂層可以通過任何適當?shù)募夹g(shù)而形成。例如，其可以通過包層而形成。在本發(fā)明的環(huán)境中，術(shù)語“包層”意為以帶、箔或管的形式圍繞鋼芯提供涂層并且憑借焊接或拉伸或通過熱處理經(jīng)由擴散而將此固定到鋼芯的過程。
[0010]本發(fā)明的作為用于電力電纜的鎧裝絲的具有在鋼芯上的非磁性厚涂層鋼絲的應用由于在鋼絲上的厚涂層的非磁性特性而減小了電力電纜的能量損耗。同時，用作鋼絲的芯的鋼保障對電力電纜的機械保護。
[0011]本發(fā)明的重度涂覆的鋼絲特別適用于三相水下電力電纜。在三相電力電纜中，流經(jīng)三個導體的單獨的電流的總和在理想情況下等于零。這意味著不需要特定的電流回路導體。如果由于某種原因，如非對稱功率產(chǎn)生或消耗時，該總和不完全為零，返回電流不能完全流過常規(guī)鋼絲鎧裝；通常由鉛或鉛合金、有時由銅或鋁制成的阻水屏障被用于此目的。根據(jù)本發(fā)明，諸如鋁或銅之類的厚金屬非磁性涂層也可以被用作回路導體。
[0012]另一方面，即使三相電流是零或接近零，這并不必施加到磁場:由諸如距離電纜10米或更遠的長距離所見，三個導體的磁場的確彼此補償，在該處產(chǎn)生非常低的磁場輻射。但由于鎧裝絲通常被施加為十分接近單獨的導體，我們必須考慮到由三個單獨導體輻射的磁場在該處并不完全補償彼此。這意味著在鎧裝中的波動磁場強度是相當高的，這導致在鎧裝中大量的損耗:磁滯損耗和渦流損耗，由此，在50Hz處，磁滯約占90%的磁損耗而渦流占不大于10%。在更高的頻率處，渦流損耗相對于磁滯顯著增大(在400Hz處，兩個成分或多或少具有相同大小，但400Hz通常不被用于功率傳輸)。在鎧裝絲上的非磁性厚涂層可以在一定程度上使磁場中斷或偏離，因而降低在鎧裝層中的磁場強度。因此，與傳統(tǒng)的鎧裝層相比，根據(jù)本發(fā)明的由非磁性材料重度涂覆的鋼絲制成的鎧裝層可以顯著消除磁滯損耗及降低渦流損耗。
[0013]典型的(AC、150kV、三相)50千米長的電力電纜消耗通過其傳輸?shù)哪芰康拇蠹s1.5%。因為它們的歐姆電阻(功率損耗=電阻X電流2)，大多數(shù)能量在芯導體中被損失。磁損耗通常在總電纜損耗的15%至30%之間并且可以通過使用具有非磁性厚涂層的鎧裝絲而被顯著消除，因為以上所述的磁滯效應大為受限。圖2示意性地示出了高電壓三相電力電纜20的鎧裝層中的磁感應線。如圖2所示，由導體22生成的磁場穿過鎧裝絲24并且形成磁感應線。因而發(fā)生了磁損耗。根據(jù)本發(fā)明，在鎧裝絲上的非磁性厚涂層將在兩個鎧裝絲24之間建起屏障以使穿過的磁場中斷或偏離。因此，磁場將流出并且將在鎧裝層中被顯著降低。結(jié)果示出了薄涂層對磁場的影響難以觀測到，該薄涂層例如為傳統(tǒng)的鍍鋅碳鋼絲的熱浸鋅鍍層，其中涂層厚度為約50 μm。與之對比的是，在鎧裝層中接近70%的磁損耗通過在碳鋼鎧裝絲上應用500 μ m厚度的鋅包層而被消除。
[0014]所述非磁性涂層的厚度處于0.2mm至3mm的范圍中，優(yōu)選在0.5mm至3.0mm的范圍中，更優(yōu)選在1.0mm至2.0mm的范圍中。例如，所述非磁性包層的厚度大約是0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 或 1.5mm。
[0015]優(yōu)選地，已經(jīng)在所述鋼芯上被拉伸或焊接的所述非磁性涂層也具有耐腐蝕特性。涂層的厚度比通常使用的通過熱浸形成的鍍鋅層的厚度大得多。在這個意義上，根據(jù)本發(fā)明的鎧裝絲的耐腐蝕性比具有熱浸形成的耐腐蝕涂層的鋼絲的耐腐蝕性更好。電力電纜的壽命由于厚涂層的保護而被顯著延長。
[0016]非磁性厚涂層可以是具有非磁性特性的任何材料。具有良好耐腐蝕性和低熔點(優(yōu)選低于約700°C)的金屬或合金在本發(fā)明中被應用為非磁性涂層。具有低熔點的材料易于通過包層而施加。由于包層過程的低熔點材料的焊接區(qū)域與高熔點材料相比通常平滑得多。由于材料的低熔點，圖層到鋼絲的粘合更好。而且，低熔點材料的涂層對于例如在覆線期間的損壞較不敏感。因此，低熔點材料的涂層可對潛在的高損壞的地方提供更好的電化腐蝕防護。重要的是，作為非磁性涂層，來自低熔點材料的涂層的厚度非常均勻，特別是來自具有低于700°C的熔點的材料，諸如鋅(熔點約為420°C )、鋁(熔點約為660°C )、鎂(熔點約為650°C)及其合金，諸如鋅-鋁合金和鋅-鋁-鎂合金。當這樣的均勻涂覆的絲作為鎧裝絲針對電氣電力電纜被施加時，磁損耗或磁損耗的消除并不被該鎧裝絲的非磁性涂層的不均勻性所影響。
[0017]關于不銹鋼，已知的是僅有奧氏體不銹鋼是非磁性的，而鐵素體和馬氏體不銹鋼是鐵磁性的。因此，奧氏體不銹鋼可以被用作根據(jù)本發(fā)明的非磁性涂層。
[0018]然而，當鎧裝絲在位于諸如深海(存在較少氧)之類的地點的電力電纜中使用時，由于縫隙和孔蝕，非磁性涂層優(yōu)選地不是不銹鋼。不銹鋼通過的鉻的存在量不同于碳鋼。當暴露于空氣和水分時，未經(jīng)保護的碳鋼容易生銹。不銹鋼含有足夠的鉻(最小具有10.5wt% )，以形成富含鉻的氧化物的鈍化膜，其防止進一步的表面腐蝕并且阻擋腐蝕散布到金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。縫隙腐蝕通常發(fā)生在寬數(shù)微米的間隙中，在其中腐蝕性介質(zhì)(電解液)的流通是不可能的。像裂縫和滯留海水之類的工作狀況可加速不銹鋼的縫隙和點蝕。一旦鋼受到影響，溶解進行得非常快，因為在這種貧氧的環(huán)境中再鈍化幾乎是不可能的。
[0019]相反，在鋼上的像鋅或鋅合金之類的厚涂覆的耐腐蝕層提供了在貧氧環(huán)境中優(yōu)良的性能，使之更適合于這種特定的應用。即使當鋅層受損時，圍繞的鋅將用作犧牲陽極并且保護下面的鋼。涂覆鋅的鋼絲在水下環(huán)境中可以提供比傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅碳絲更好的腐蝕保護。
[0020]所述鋼絲的鋼芯可以是任何標準的鋼。例如，可以是低碳鋼以便于達到足夠的撓性并且保持低成本。在本文中，“低碳”指的是在鋼中的碳含量少于0.4wt%，優(yōu)選地少于0.2wt%?？商娲?，高碳鋼還可以作為芯被應用以便于獲得高強度或者更好的機械保護。不銹鋼，特別是奧氏體不銹鋼可以作為芯被應用以進一步減小磁損耗。合金元素可以根據(jù)需求而被添加在鋼中。
[0021]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的所述鋼芯是硬預拉鋼絲。硬拉鋼絲比剛從工廠制出的鋼絲桿具有更高的表面硬度。內(nèi)芯絲的增大的硬度增大涂層到鋼芯的粘合。硬拉鋼也增大了未涂覆的鋼芯絲的初始拉伸強度。在涂覆之后鋼絲進一步的拉伸進一步增大最終的拉伸強度并且改進涂層到鋼芯的粘合。
[0022]鋼絲具有圓的橫截面以及介于1.0mm至10.0mm之間范圍的直徑。優(yōu)選地，鋼絲具有大約3、4、5、6、7或8mm的直徑。鎧裝絲的拉伸強度優(yōu)選高于340MPa，更優(yōu)選地高于640MPa。
[0023]—種使用根據(jù)本發(fā)明的鋼絲的電力電纜，其中所述鋼絲圍繞所述電力電纜