专利名称：场分级材料的制作方法
技术领域：
本发明技术领域和现有技术本发明涉及一种场分级材料(field grading material)以及一种装置，所述材料由具有填料颗粒的聚合物基体组成，所述装置用于在高电压应用中将电场分级。本发明还涉及一种方法，所述方法用于在电力电缆的结合处或终端将电场分级。
在电场从第一介质向第二介质过渡时，由于电场的中断会产生对电力设备有害的电应力。例如在屏蔽的高压电缆中，沿着电缆的轴电场是均匀的，仅在径向上电场才存在差异。当将电缆端接或叠接时，沿着电缆会将电缆的屏蔽物去除一段长度。这种屏蔽物的去除引起电场在屏蔽物末端的中断，从而导致高电应力。为了不损害系统的期望寿命，必需降低这些高应力。
在电场从第一介质向第二介质过渡，例如从屏蔽电缆部分向已去除了原始屏蔽物的电缆部分过渡时，通过将所述电场分级可降低所述电应力。已研究和采用了许多方法来进行这种场分级。本发明涉及所谓的电阻和电容场分级。
可将所述电阻场分级用于交流以及直流的应用。当电压以脉冲的形式存在时，为了实现场分级也可使用电阻场分级。在如上所述电缆终端的情况下，在最接近电缆屏蔽部分的区域，环绕所述电缆未被屏蔽的部分将具有适宜电阻的物体引入并使之同所述屏蔽物电接触。当跨越所述电缆施加正电压时，电流通过所述物体朝向电缆的屏蔽物流动，所述屏蔽物处于接地电位。在所述物体中于是出现电阻电压降，这使得电位更均匀地分布。如果所述物体由一种呈现非线性电阻的材料组成，电位分布将更线性，所述非线性电阻随着电场的增强而降低。越接近屏蔽物的边缘，所述场分级物体中的电场越强，结果，假如所述物体呈现这样一种非线性电阻时，所述物体中的电阻就越低。这样，沿着该场分级物体的电压降在呈现这种非线性电阻的物体中将比在不呈现这种电阻的物体中分布得更均匀。
将电容场分级用于交流应用。当电压以脉冲的形式存在时，为了实现场的分级也可使用电容场分级。在如上所述电缆终端的情况下，在最接近电缆屏蔽部分的区域，环绕所述电缆未被屏蔽的部分将一种介电常数比绝缘体更高以及损耗尽可能低的材料的物体引入且使之同所述屏蔽物电接触。藉此，会实现等位线的延伸。在高电压直流应用中，希望在适合将电场分级的材料中有电容场分级性能，以便在突然出现电压冲击的情况下实现有效的场分级。
发明概要本发明的目的在于提供一种权利要求1前序部分所述类型的改进的场分级材料。
根据本发明，通过具有权利要求1特征的材料来实现所述目的。
已发现，当同包括由更大尺寸颗粒组成的填料的相应材料相比时，使用基本上由纳米大小的颗粒，即具有至少一个小于或者等于100nm尺寸颗粒组成的填料导致以更低的填料浓度渗透所述材料。这样，使用根据本发明的材料，在基体中使用相对低浓度的填料就可获得期望的场分级性能，这意味着场分级材料操作性能和机械性能的增强。基体中填料浓度越低，场分级材料的操作性能和机械性能越好。
此外，当同包括由更大尺寸颗粒组成的填料的相应材料相比时，使用基本上由纳米大小颗粒组成的填料导致场分级材料电击穿强度的增加。所述场分级材料的电击穿强度还随着填料浓度的降低而增加。结果，本发明便使获得一种具有很高的电击穿强度、从而完全适合高压应用的场分级材料成为可能。
在本说明书和下面的权利要求中，术语“纳米大小的颗粒”是指具有至少一个小于或等于100nm尺寸的颗粒，即宽度、长度和/或高度小于或等于100nm的颗粒。当然所述纳米大小的颗粒可以有几个尺寸或所有尺寸都小于或等于100nm。所述纳米大小的颗粒可以基本上为例如直径小于或等于100nm的球形或者柱形。需要强调的是，填料的纳米大小的颗粒可以为任意形状，只要它们的至少一个尺寸小于或等于100nm即可。
在本说明书和下面的权利要求中，术语“场分级有效量填料颗粒”是指足以使所述材料具有期望场分级性能的填料颗粒的量。
根据本发明的优选实施方案，所述填料包括场分级有效量的一个尺寸在2-80nm之间，优选为5-50nm，最优选为5-30nm的颗粒。已发现，当填料颗粒的大小自100nm下降时，上述本发明场分级材料的优点便进一步提高。但是，认为大约2nm的颗粒尺寸是实际下限。如果颗粒比之更小，在所述材料中分散该颗粒并阻止该颗粒团聚是很困难的。
当填料中的颗粒尺寸自100nm下降时，所述填料每单位体积的表面积基本上呈现增加。对于充分分散在基体材料中的球形填料颗粒，所述填料每单位体积的表面积作为颗粒大小的函数在
图1中加以图解说明。就与根据本发明的场分级材料相关的有益效果而言，相信每单位体积表面积的增加是一种重要原因。
根据本发明的场分级材料的另一些优选实施方案将从有关权利要求和下面的说明中呈现。
根据权利要求12，本发明还涉及一种在高压应用中用于将电场分级的装置。
根据权利要求13，本发明还涉及一种在电力电缆接合处或终端用于将电场分级的方法。
附图简述参考附图，将在下面对本发明的实施例进行更具体的说明。
在所述附图中，图1为显示作为颗粒大小函数的填料颗粒每单位体积表面积的曲线，所述具有球形形状的颗粒充分分散在基体材料中，图2为显示作为填料浓度函数的不同场分级材料的电阻率的曲线，图3为显示作为填料浓度函数的不同场分级材料的电击穿强度的曲线，图4为显示在1KHz时作为填料浓度函数的不同场分级材料的介电常数(电容率)的曲线，图5为显示作为电场强度函数的不同SiC填料电阻率的曲线，以及图6为一电力电缆终端纵向部分的示意图，所述电缆具有根据本发明的场分级材料的物体。
本发明优选实施方案的详细说明根据本发明的场分级材料由一种具有填料的聚合物基体组成。所述填料包括一种场分级有效量的颗粒，所述颗粒具有至少一个小于或等于100nm的尺寸。
图1说明所述包括球状颗粒的填料每单位体积的表面积与颗粒大小的函数关系。从图1的曲线中可以看出，当填料中的颗粒尺寸从100nm下降时，填料便呈现充分分散填料每单位体积的表面积最重要的增加。曲线C1显示作为颗粒大小函数的填料每单位体积的表面积，曲线C1的梯度随着所述颗粒大小逐渐减小至低于100nm而快速增加。已发现，当将所述填料中颗粒的尺寸减小到低于100nm时，与上述场分级材料的场分级效果有关的几个重要性能便实质上和令人惊讶地得以改善。
使根据本发明的场分级材料中的聚合物基体适当地配有一种包括场分级有效量颗粒的填料所述颗粒具有至少一个在2-80nm之间，优选在5-50nm之间，最优选在5-30nm之间的尺寸。
图2为显示作为填料浓度(体积百分比)函数的一些不同场分级材料的电阻率的曲线。第一曲线C21涉及一种由LDPE基体组成的具有ZnO颗粒填料的场分级材料，所述颗粒的平均大小为大约0.3μm(300nm)。第二曲线C22涉及一种由LDPE基体组成的具有ZnO颗粒填料的场分级材料，所述颗粒的平均大小为大约49nm。第三曲线C23涉及一种由LDPE基体组成的具有ZnO颗粒填料的场分级材料，所述颗粒的平均大小为大约24nm。从这一曲线很明显，同包括微米大小填料颗粒(曲线C21)的材料相比包括纳米大小填料颗粒的材料(曲线C22和C23)在基本上更低的填料浓度开始渗透。对涉及曲线C22和C23的材料，分别在大约12体积％和15体积％的填料浓度开始渗透，而对涉及曲线C21的材料，则在大约28体积％的填料浓度开始渗透。颗粒的尺寸越小，渗透需要的浓度越低。
图3为显示作为填料浓度(体积百分比)函数的两种不同场分级材料的电击穿强度的曲线。图3中，一组测量数据点涉及一种由LDPE基体组成的具有ZnO颗粒填料的场分级材料，所述颗粒的平均大小为大约0.3μm(即微米大小的颗粒)。图3中的另一组测量数据点涉及一种由LDPE基体组成的具有ZnO颗粒填料的场分级材料，所述颗粒的平均大小为大约50nm(即纳米大小的颗粒)。在所述曲线中，可以看到在给定的填料浓度下，包括纳米大小填料颗粒的材料比包括微米大小填料颗粒的材料具有更高的电击穿强度。结果，同使用微米大小的填料颗粒相比，使用纳米大小的填料颗粒可获得更高电击穿强度的场分级材料。因此，包括纳米大小颗粒的场分级材料适于高电压应用。在所述曲线中，还可以看到相应的场分级材料的电击穿强度随着填料浓度的降低而增加。
纳米大小的填料颗粒适宜构成所述场分级材料的低于40体积％，优选低于30体积％，最优选低于20体积％。
根据本发明的场分级材料的聚合物基体适宜由或者至少基本上由橡胶、热塑塑料或热塑弹性体组成。最好所述基体由或者至少基本上由聚烯烃橡胶或热塑性聚烯烃弹性体/塑料组成，优选含有EPDM(乙烯丙二醇二烯系单体)橡胶或硅橡胶，或者由结晶热塑塑料组成，优选为聚乙烯。
通过常规的熔化混合技术将纳米大小的填料颗粒适宜地分散在所述聚合物基体中。
根据本发明的第一种方案，所述填料为这样一种材料，其中这种松散材料在无限高频下具有至少为5的介电常数，优选为Al2O3、TiO2或BaTiO3。这意味着所述场分级材料可能同时具有有效的电容场分级性能和电阻场分级性能。以前知道一种由具有填料的聚合物基体组成的材料，其介电常数与该填料的高介电常数颗粒的大小完全无关。然而，当填料中的颗粒大小降低到颗粒具有一个小于或等于100nm的尺寸这种程度时，已意外地发现介电常数有引人注目的增加。因此，可通过将填料中高介电常数颗粒的大小降低到所述颗粒具有一个小于或等于100nm尺寸的程度而获得具有期望介电常数的场分级材料，同时与包括由更大尺寸颗粒组成的填料的相应材料相比填料的浓度基本上更低。
图4为显示作为填料浓度(体积百分比)函数的两种不同场分级材料的介电常数(电容率)的曲线，所述材料经受频率为1kHz的交流电压。图4中的一组测量数据点涉及一种由Engage基体组成的场分级材料，所述基体具有平均大小大于100nm的Al2O3颗粒填料，即微米大小的颗粒。图4中的另一组测量数据点涉及一种由Engage基体组成的场分级材料，所述基体具有平均大小大约为33nm的Al2O3颗粒填料，即纳米大小的颗粒。在所述曲线中可以看到，在给定的填料浓度，包括纳米大小填料颗粒的材料具有比包括微米大小填料颗粒的材料更高的介电常数。
根据本发明的第二种方案，所述填料为一种半导体材料，即一种带隙能(energy bandgap)大于0eV并小于大约5eV的材料，优选为ZnO或SiC。使用半导体填料材料例如ZnO或SiC通常导致场分级材料的非线性电阻，即随着电场增加而降低的电阻。如前所述，在某些应用中，这种非线性电阻会有利。这种非线性电阻的起点，即该电阻特性由基本线性变为基本非线性所处的电场强度随着填料中颗粒大小的降低而增加。这样，与包括由更大尺寸颗粒组成的填料的相应材料相比，根据本发明这种方案的材料呈现出处于更高场强的电阻非线性的起点，当电阻非线性的起点处于更高的场强时，在高电场进行可靠的电阻场分级是可能的。这可兼有适宜的电容场分级性能。
图5为显示作为电场强度函数的不同SiC填料电阻率的曲线。图5中的一组测量数据点涉及一种纯SiC粉末，所述粉末包括平均大小大约为10μm的SiC颗粒，即微米大小的颗粒。图5中的另一组测量数据点涉及一种纯SiC粉末，所述粉末包括平均大小大约为20nm的SiC颗粒，即纳米大小的颗粒。在所述曲线中可以看到，当同包括微米大小颗粒的材料相比时，包括纳米大小颗粒的材料呈现出处于更高电场强度的电阻非线性的起点，电场强度大约为10KV/cm，而包括微米大小颗粒材料电阻非线性的起点则低于1KV/cm。
对于包括微米大小或者更大尺寸颗粒的材料而言，电阻非线性的起点基本上与颗粒的大小成反比。但是，已经注意到包括纳米大小颗粒材料的电阻非线性的起点不与颗粒的大小成反比。这是有利的，因为如果对于纳米大小的颗粒也成反比的话，那么所述包括纳米大小颗粒填料材料的电阻非线性的起点将会处于非常高的电场强度。
根据本发明的一种优选实施方案，纳米大小的填料颗粒基本上具有高纵横比，即大于1，优选大于5，最优选大于10的纵横比。可以纤维、细纤维(fibril)、晶须(whisker)、薄片(flake)、管、椭圆体(ellipsoid)等形式提供所述颗粒。
如果具有高纵横比的颗粒在基体中任意排列的话，就可获得一种各向同性的场分级材料。同包括由基本上球形颗粒组成的填料的相应材料相比，在基体中使用这种任意排列的颗粒导致在较低填料浓度渗透。
如果使具有高纵横比的颗粒在基体中排列而在基本上相同的方向延伸，即如果将它们在基体中以一特定优选方向排列的话，就会使场分级材料在场分级性能上具有各向异性，在某些应用中，所述各向异性是有利的。
根据本发明的场分级材料适于用在电力电缆的接合处或终端，在所述情况下，将包括场分级材料的物体引入电缆的接合处或者电缆的终端。图6图解说明了具有根据本发明的场分级材料物体2的电缆终端1。电缆3包括被绝缘材料5环绕的缆芯4。将屏蔽物6配置在绝缘材料5的外面，将所述屏蔽物接地。电缆3的末端未被屏蔽，即在电缆的末端，绝缘材料5未被任何屏蔽物覆盖。在最接近电缆屏蔽部分的区域，环绕所述电缆未被屏蔽的部分将场分级材料物体2引入并使之同屏蔽物6电接触。如在图6中通过等位线7所说明的一样，场分级材料物体2将在电缆终端确保电位的均匀分布。在图6中仅显示电缆终端纵剖面的上半部。
根据本发明的场分级材料特别适宜用于高压应用中的电场分级装置。这样一种装置可能例如包括一种在图6中所说明的物体2，供用在电缆终端或电缆接合处或者任何需要将电场分级的其它类型的应用中。
本发明当然不以任何方式局限于上述优选实施方案。相反，对本领域技术人员而言，不背离由所附权利要求限定的本发明基本思想，显然可对本发明进行若干可能的修改。例如只要基本的场分级作用由包含在基体中的纳米大小的填料颗粒确定，在基体中含有另外较小量微米大小的填料颗粒是可能的。
权利要求
1.一种由具有填料的聚合物基体组成的场分级材料，其特征在于所述填料包括场分级有效量的颗粒，所述颗粒具有至少一个小于或等于100nm的尺寸。
2.根据权利要求1的场分级材料，其特征在于所述填料包括场分级有效量的颗粒，所述颗粒具有一个在2-80nm之间，优选在5-50nm之间，最优选在5-30nm之间的尺寸。
3.根据权利要求1或2的场分级材料，其特征在于所述颗粒为任意半导体材料，所述材料的带隙能大于0eV并小于5eV，优选为ZnO或SiC。
4.根据权利要求1或2的场分级材料，其特征在于所述颗粒为在无限高频下其松散料具有至少为5的介电常数的任意材料，优选为Al2O3、TiO2或BaTiO3。
5.根据前述权利要求中任一项的场分级材料，其特征在于所述颗粒为纵横比大于1，优选大于5，最优选大于10的颗粒。
6.根据权利要求5的场分级材料，其特征在于使所述纵横比大于1，优选大于5，最优选大于10的颗粒在所述基体中任意定向。
7.根据权利要求5的场分级材料，其特征在于使所述纵横比大于1，优选大于5，最优选大于10的颗粒在所述基体中以基本上相同的方向定向。
8.根据权利要求5-7中任一项的场分级材料，其特征在于以纤维、细纤维、晶须、薄片、椭圆体或管的形式提供所述纵横比大于1，优选大于5，最优选大于10的颗粒。
9.根据前述权利要求中任一项的场分级材料，其特征在于所述颗粒构成所述场分级材料的小于40体积％，优选小于体积30％，最优选小于20体积％。
10.根据前述权利要求中任一项的场分级材料，其特征在于所述基体基本上由橡胶、热塑塑料或热塑性弹性体组成。
11.根据权利要求10的场分级材料，其特征在于所述基体基本上由聚烯烃橡胶或热塑性聚烯烃弹性体/塑料组成，优选包括EPDM(三元乙丙单体)橡胶或硅橡胶，或者由结晶热塑塑料组成，优选为聚乙烯。
12.一种在高压应用中将电场分级的装置，其特征在于所述装置包括根据权利要求1-11中任一项的场分级材料。
13.一种用于在电力电缆的接合处或终端将电场分级的方法，其特征在于将根据权利要求1-11中任一项的场分级材料体引入到电缆接合处或电缆终端。
全文摘要
本发明涉及一种场分级材料，所述材料由具有填料的聚合物基体组成。该填料包括场分级有效量具有至少一个小于或等于100nm尺寸的颗粒。本发明还涉及一种装置以及一种方法，所述装置包括这样一种在高电压应用中用于使电场分级的场分级材料，所述方法通过使用这种场分级材料来在电力电缆的结合处或终端将电场分级。
文档编号C08K3/00GK1729545SQ200380107256
公开日2006年2月1日 申请日期2003年10月20日 优先权日2002年10月22日
发明者C·恩内拜, A·古斯塔夫松, E·马滕松, L·帕尔姆奎斯特, R·W·西格尔, 洪禎一, L·沙德勒菲斯特 申请人:Abb研究有限公司