專利名稱：場分級材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包含聚合基體和填料微粒的場分級材料(Held grading material)以及用于將電場分級的裝置。本發(fā)明也涉及在 電力電纜的接合或終端處的場分級材料的用途。
背景技術：
在電場從第一介質(zhì)向第二介質(zhì)轉變時，由于電場的中斷會產(chǎn)生 對電力設備有害的電介質(zhì)應力(electric stress )。電纜包括環(huán)繞 導體的絕緣層和環(huán)繞絕緣層的接地屏蔽。電纜中的接地屏蔽也可以 被稱為接地的外導電層。例如，在中壓或高壓電纜中，電場沿電纜 的軸是均勻的，只在徑向上電場存在差異。在導體和屏蔽之間的全 部電位差跨過絕緣體出現(xiàn)。當電纜端接或連接時，沿著電纜將電纜 的屏蔽去除一段距離。這種屏蔽的去除引起電場在屏蔽末端的中斷， 從而導致在去除屏蔽的地方出現(xiàn)高電介質(zhì)應力。電纜的電位線(也 被稱為等勢線)將集中于去除屏蔽的地方。為了不損害電纜系統(tǒng)的 預期壽命，必須減少這些高的電介質(zhì)應力。如果沒有減少高應力， 高的電介質(zhì)應力可能導致在端接電纜的表面出現(xiàn)閃絡(flashover ) 或擊穿(breakdown)。
在本說明書和隨后的權利要求書中，中壓指1-36 kV區(qū)間的電 壓，高壓指高于36 kV的電壓。
在電場從第 一 介質(zhì)向第二介質(zhì)轉變時，例如從屏蔽電纜部分向 已去除原始屏蔽的電纜部分轉變時，可以通過將電場分級來減少所 述電介質(zhì)應力。有許多已知方法提供應力控制，例如，通過以布置 于屏蔽末端位置的壓力錐(stress cone)的形式的幾何場控制，或 具有本身有分配場的能力的材料。該材料通常稱為場分級材料，但也稱為應力分級材料。場分級材料的電氣性質(zhì)取決于它所暴露的場。 關于場分級材料，涉及電容場分級和電阻場分級。
在交流電應用中使用電容場分級。當電壓以脈沖的形式存在時， 也可以使用電容場分級來實現(xiàn)場分級。在上述種類的電纜末端的情 況中，在最接近于電纜的屏蔽部分的區(qū)域，環(huán)繞電纜的未屏蔽部分 引入具有高于絕緣體的介電常數(shù)的且具有盡可能少的損耗的材料的 本體，并使之同屏蔽電接觸，借此實現(xiàn)等勢線的擴散。
在適于將高壓直流電(HVDC)應用中的電場分級的材料中也需 要電容場分級性質(zhì)，從而在突然出現(xiàn)電壓沖擊的情況下實現(xiàn)有效的
場分級。
在交流電應用以及直流電應用中可以使用電阻場分級。當電壓 以脈沖的形式存在時，也可以使用電阻場分級來實現(xiàn)場分級。在上 述種類的電纜末端的情況中，在最接近于屏蔽部分的區(qū)域，環(huán)繞電 纜的未屏蔽部分引入具有適當?shù)碾娮璧谋倔w，并使之同屏蔽電接觸。 當跨過電纜施加正電壓時，電流經(jīng)過本體流向電纜的屏蔽，該屏蔽 處于接地電位。于是在本體中出現(xiàn)電阻電壓降，這導致電位更均勻 的分布。如果本體由顯示非線性電阻的材料組成，那么該電位分布 將更加線性，所述非線性電阻隨電場增加而降低。非線性開始于電 場的特定區(qū)域。越接近屏蔽的邊緣，場分級本體中的電場就越高， 因此，如果本體顯示這樣的非線性電阻，本體中的電阻就越低。以 這樣的方式，沿場分級本體的電壓降在呈現(xiàn)這樣的非線性電阻的本 體中會比在不呈現(xiàn)這樣的非線性電阻的本體中的分布更均勻。
通過結合至少兩種材料成復合材料，實現(xiàn)具有非線性電阻的場 分級材料，即不遵循歐姆定律的材料。由于使用的區(qū)域，場分級材 料應該是機械易彎曲的。因此，適合使用例如橡膠作為基體，并將 它與在低壓下不導電但在高壓下變得導電的半導電微?；旌稀Ｎ⒘?br> 在基體中形成網(wǎng)絡，且結果是復合物在低電場中絕緣，在較高的電 場中具有增加的導電性。
有一些已知的引導電場的場分級材料。例如，在公開的專利文
5件WO2004/038735中描述了含有氧化鋅(Zn0 )或碳化硅(SiC)的 納米微粒的聚合基體，其中，聚合基體至少基本上由橡膠、熱塑性 塑料或熱塑性彈性體組成。
歐洲專利文件EP 0 088 450 Bl描述了包含含有Zn0或SiC微 粒和炭黑微粒的聚合基體的場分級材料。
公開的專利申請WO 2005/036563中描述了具有包含不均勻地分 布于基體中的納米微粒填料的聚合基體的場分級材料。納米微粒填 料可以是ZnO微粒?？梢酝ㄟ^用無機硅烷(anorganosilane )或有 機鈦酸酯(organotitanante )化合物的處理，修飾納米微粒的表面。
經(jīng)常需要在相對于已知的場分級材料的某些方面，改進所述場 分級材料，如具有提高的或類似的電氣性質(zhì)，也可以作為對已知的 場分級材料的效能成本合算的替換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種權利要求1的前序部分所述類型的場 分級材料，其具有相對于已知的場分級材料提高的或類似的性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過權利要求1所述的場分級材料實 現(xiàn)該目的。在下面的說明書和從屬權利要求中，本發(fā)明的有利的實 施方式是清楚的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，場分級材料包括聚合基體和含有 氧化鋅和炭黑的填料。氧化鋅實質(zhì)上是具有至少一個小于或等于100 腿的尺度的純氧化鋅微粒的形式。小于或等于lOOnm的純氧化鋅微 粒和炭黑在聚合基體中的組合產(chǎn)生具有優(yōu)秀的場分級性質(zhì)的場分級 材料。優(yōu)秀的場分級性質(zhì)指具有如"背景技術"所述的對于場分級材 料的需要的非線性性質(zhì)的材料。通過使用純氧化鋅微粒，產(chǎn)生場分 級材料也是效能成本合算的，因為通過表面處理或通過加入摻雜物 質(zhì)(doping substance)的氧化鋅樣t粒的預處理不是必須的。
在本說明書和隨后的權利要求書中，術語"純氧化鋅"指其中純氧 化鋅的性質(zhì)沒有通過例如表面處理或通過例如加入摻雜物質(zhì)修飾的氧化鋅。但是，術語"純氧化鋅"不排除含有少量的除了氧化鋅外的 其它物質(zhì)的氧化鋅，例如，天然存在于氧化鋅中或源于氧化鋅制造 過程中的污染。
在本說明書和隨后的權利要求書中，表述"具有至少 一 個小于或
等于100 nm的尺度的微粒"指具有小于或等于100 nm的寬度、長度 和/或高度的納米大小的微粒。納米大小的微粒當然可以具有幾個或 所有小于或等于IOO nm的尺度。只要它們在至少一個尺度上為 0.1-100 nm的區(qū)間，納米大小的微?？梢跃哂腥魏涡螤?。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，純氧化鋅微粒具有至少一個20-70 nm區(qū)間的尺度。
根據(jù)本發(fā)明的 一個實施方式，純氧化鋅微粒構成場分級材料的 低于40%的體積。
根據(jù)本發(fā)明的 一個實施方式，純氧化鋅微粒構成場分級材料的 低于30%的體積。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，炭黑具有1-100 nm區(qū)間的平均微 粒大小，優(yōu)選10-60 nm，最優(yōu)選15-50 nm。炭黑構成場分級材沖牛的 0. 2-10%的體積，優(yōu)選0.5-4%的體積，最優(yōu)選1-3%的體積。根據(jù)本 發(fā)明的實施方式，炭黑是自組裝的，且適于在聚合基體中形成炭黑 和ZnO的滲透網(wǎng)絡結構。在向場分級材料應用的電場處于一定的水 平時，在聚合基體中的至少 一部分網(wǎng)絡中形成炭黑和氧化鋅的導電 路徑。材料的電阻從線性向非線性特性改變。根據(jù)材料的需要的電 阻率選擇炭黑的量。自組裝的炭黑使得使用非常少量的炭黑以實現(xiàn) 滲透網(wǎng)絡成為可能。
例如，炭黑是可商購的Ketjenblack 。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，炭黑具有40-500 nm的平均大小。 炭黑構成場分級材料的5-40°/。的體積，優(yōu)選10-30%的體積，最優(yōu)選 10-15%的體積。當炭黑為40-500 nm時，它以^^形石墨的形式出現(xiàn)。 球形石墨在聚合基體中以細絲的形式出現(xiàn)。場分級材料中的電場處 于一定的水平時，碳絲和純氧化鋅微粒變?yōu)閷щ娐窂?，并給予該材
7料將電場進行分級所需要的非線性性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，聚合基體包含EPDM (乙烯丙烯二 烯單體)橡膠。EPDM具有良好的電介質(zhì)強度(dielectric strength ), 且比其它可使用的聚合基體價格低。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，聚合基體包含硅酮。當聚合基體 是硅酮時，可以將場分級材料注射模制成電場控制裝置。因此，可 以縮短生產(chǎn)電場控制裝置的時間。由于EPDM的低粘性，制造具有復 雜形狀的裝置也是比較容易的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，聚合基體包含EVA(乙烯醋酸乙烯 酯)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，使用用于將位于環(huán)繞中壓或高壓電纜 的導體的絕緣層的中斷處的電場進行分級的電場控制裝置來實現(xiàn)目 的，其中，所述裝置包含權利要求1-12中的任一項所述的場分級材料。
電纜的絕緣體中的中斷發(fā)生于例如電纜的接合處或終端處。 根據(jù)本發(fā)明的 一個實施方式，電場控制裝置中的場分級材料在 絕緣體的中斷周圍環(huán)繞布置，并接觸電纜的導體和電纜的接地外導 電層。這在用于DC或AC的電纜的接合或終端處，提供了電場的均 勻的分布。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，通過根據(jù)權利要求15或16所述的場 分級材料的用途來實現(xiàn)目的。


根據(jù)附圖，通過實施方式的說明更詳細地描述本發(fā)明，附圖中， 圖1是示出作為針對根據(jù)本發(fā)明的實施方式的場分級材料的應 用的電場的函數(shù)的電阻率的圖解；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的場分級材料的橫截面示意以及的接合的縱截面示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的場分級材料包括聚合基體和包括氧化鋅和炭黑的
填料。氧化鋅是具有至少一個小于或等于100 nm的尺度的純氧化鋅
微粒的形式。
電阻率(0hmm)作為針對包含純Zn0納米孩i粒和炭黑的場分級 材料的應用的電場(kV/mm)的函數(shù)如圖l所示。曲線A代表包含具 有23%的體積的純氧化鋅納米微粒和1%的體積的炭黑的EPDM基體的 場分級材料。純氧化鋅微粒的平均直徑是53 nm。炭黑是具有20-30 nm平均微粒大小的Ket jenblack EC 300。 Ketjenblack EC產(chǎn)品 是非常高純度的導電性的炭黑。由于其相比常規(guī)炭黑的唯一的形態(tài)， 為了使塑料或彈性體導電，需要基本上較少量的Ketjenblack EC-300J，甚至更少量的Ket jenblack EC-600JD。這導致完成的導 電性的物體的改善的處理和^/L械性質(zhì)。通過在^f吏用前，在190。C真 空下過夜千燥ZnO微粒來制備場分級材料。向EPDM基體加入炭黑和 ZnO納米微粒。基體包含EPDM以及穩(wěn)定劑(硬脂酸)和過氧化物固 化劑(VAROX)。使用Brabender密閉式混合機在低于80。C的溫度 下仔細地混合該化合物。其后，在180。C下壓縮模制樣品30分鐘。 隨后在真空烘箱中在80°C下對樣品脫氣24小時，以乂人過氧化物硬_ 葉匕過牙呈(peroxide vulcanization)蒸發(fā)富'J產(chǎn)物。才羊品的最終尺度 是大約厚度為1 mm,直徑為210 mm。
曲線A表明上述材料具有開始于1. 0E9和1. 0E10歐姆之間的非 線性和在高電場下的導電性，其使得該材料適合作為場分級材料使 用。曲線A的電阻率的水平表明，該材料尤其適合作為用于高壓直 流(HVDC)應用的場分級材料使用。圖1的曲線B也表明，作為比
均直徑的純ZnO微粒的材料的應用的電場的函數(shù)。在這種其中沒有 加入炭黑的情況下，在感興趣的0.1-8 kV/隨電場中獲得沒有場分級性質(zhì)的絕緣材料。
圖2示出根據(jù)圖1的曲線A的電場分級材料的EPDM基體中的純 氧化鋅和炭黑的分布的示例。炭黑和純氧化鋅以聚集體或網(wǎng)絡的形 式分布，并且當電場對于電阻率變?yōu)榉蔷€性足夠高時，Zn0微粒傳導 電流，聚集體或網(wǎng)絡在聚合基體中形成導電路徑。
根據(jù)本發(fā)明的場分級材料的聚合基體，適當?shù)匕ㄏ鹉z、熱塑 性塑料或熱塑性彈性體，或至少基本上包括以上所述材料。優(yōu)選基 體包括或至少基本上包括聚烯烴橡膠或熱塑性聚烯烴彈性體/塑 料，優(yōu)選包括EPDM橡膠、硅酮橡膠或EVA (乙烯醋酸乙烯酯)；或 由半結晶性熱塑性塑料組成，優(yōu)選為聚乙烯或交聯(lián)的聚乙烯(PEX)。
根據(jù)本發(fā)明的場分級材料尤其適合用于將中壓或高壓應用中的 電場分級的電場控制裝置。圖3示意地表明包含這樣的電場控制裝 置7的電纜接合。電纜接合1包含導體2和電纜絕緣體3。另外，電 纜通常包含布置于導體和絕緣體之間的內(nèi)部導電層(未示出)和布 置于外部和圍繞絕緣體的外部導電層4。在兩個導體末端結合在一起
的位置，切割一段距離的絕緣體3和一個或多個導電層4,兩個導體 末端與金屬電纜套管5連接。套管被導電橡膠的偏轉器(deflector ) 6環(huán)繞。包含根據(jù)本發(fā)明的場分級材料的電場控制裝置7布置于外部 導電層4的末端之上，以實現(xiàn)電場在電纜絕緣體3中的均勻分布。 在場分級材料外面，提供有第二絕緣層8。帶有與電纜的接地外導電 層4接觸的接地網(wǎng)(grounded screen) 10的半導電層9，圍繞電場 控制層7和第二絕緣層8布置。
盡管沒有說明，場分級材料可以用于電纜終端或其它適合使用 場分級材料的電氣設備。
離所附權利要求書限定的本發(fā)明的基本理念的情況下，其修改的一 些可能性對于本領域的技術人員應該是明顯的。
權利要求
1.一種包括聚合基體和填料的場分級材料，所述填料包括氧化鋅和炭黑，其特征在于，所述氧化鋅實質(zhì)上是具有至少一個小于或等于100nm的尺度的純氧化鋅微粒的形式。
2. 如權利要求1所述的場分級材料，其中，所述純氧化鋅微粒 具有至少一個20-70 nm區(qū)間的尺度。
3. 如權利要求1或2所述的場分級材料，其中，所述純氧化鋅 微粒構成所述場分級材料的低于40%的體積。
4. 如權利要求1或2所述的場分級材料，其中，所述純氧化鋅 微粒構成所述場分級材料的低于30%的體積。
5. 如前述權利要求中的任一項所述的場分級材料，其中，所述 炭黑具有1-100 nm區(qū)間的平均;f鼓粒大小，優(yōu)選10-60 nm區(qū)間，最 優(yōu)選15-50 nm區(qū)間。
6. 如權利要求5所述的場分級材料，其中，所述炭黑構成所述 場分級材料的0, 2-10%之間的體積，優(yōu)選0. 5-4%的體積，最優(yōu)選1-3% 的體積。
7. 如權利要求5或6所述的場分級材料，其中，所述炭黑是自 組裝的，且適于在所述聚合基體中形成網(wǎng)絡結構。
8. 如權利要求1-4中的任一項所述的場分級材料，其中，所述 炭黑具有40-500 nm區(qū)間的^f鼓粒大小。
9. 如權利要求8所述的場分級材料，其中，所述炭黑構成場分 級材料的5-40%之間的體積，優(yōu)選10-30%的體積，最優(yōu)選10-15%的 體積。
10. 如前述權利要求中的任一項所述的場分級材料，其中，所述 聚合基體包含硅酮。
11. 如權利要求1-9中的任一項所述的場分級材料，其中，所述 聚合基體包含EPDM (乙烯丙烯二烯單體)橡膠。
12. 如權利要求1-9中的任一項所述的場分級材料，其中，所述聚合基體包含EVA (乙烯醋酸乙烯酯)。
13. —種用于將布置為環(huán)繞中壓或高壓電纜的導體的絕緣層的 中斷處的電場進行分級的電場控制裝置(7)，其中，所述裝置包含權 利要求1-12中的任一項所述的場分級材料。
14. 如權利要求13所述的電場控制裝置(7)，其中，所述場分級 材料環(huán)繞布置在絕緣體的中斷周圍，并接觸電纜的導體和電纜的接 地網(wǎng)。
15. —種根據(jù)權利要求1-12中的任一項所述的場分級材料用于 將電纜終端中的電場進行分級的用途。
16. —種根據(jù)權利要求1-12中的任一項所述的場分級材料用于 將電纜接合中的電場進行分級的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括聚合基體以及包括氧化鋅和炭黑的填料的場分級材料，其中，氧化鋅是具有至少一個小于或等于100nm的尺度的純氧化鋅微粒的形式。本發(fā)明還涉及用于將位于環(huán)繞中壓或高壓電纜導體的絕緣層的中斷處的電場分級的電場控制裝置(7)，其中，所述裝置包括場分級材料。
文檔編號H02G15/064GK101563734SQ200780047101
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權日2006年12月20日
發(fā)明者E·約翰森, H·希爾伯格, T·奧勒塔 申請人:Abb研究有限公司