[发明专利]电场分级材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产电场分级(electrical field grading)材料的方法和装置，并且具体地涉及一种用于例如在接合或者端接电力线缆的应用中实现电应力控制的物质的合成物。 

背景技术

电场分级材料是电应力控制合成物，并且它们是高压/中压(HV/MV)线缆附件中的关键部分。电场分级材料减少线缆附件上的电性关键位置处的电应力。 

作为外加电压的函数的材料电阻可以分类为“线性”或者“非线性”。具有“线性”电阻的材料遵循欧姆定律： 

I＝kV 

其中： 

I＝电流 

V＝电压，并且 

k是常数。 

具有“非线性”电阻的材料遵循这一等式的广义形式： 

I＝kV^γ

其中γ是大于1的常数，而γ的实际值视材料而定。这一“非线性”电阻造成材料的电阻随着材料受到的电压增加而减少。 

在变阻器中使用的材料的特征在于表现出强非线性的电阻。材料在低电压具有根据它是否受到交流电压和直流电压范围可以从5到20的常数γ。电阻的非线性在击穿电压显著地增加(常数γ根据它是否受到交流电压和直流电压范围可以从20到70)。击穿电压视材料而定。 

如果应用中的材料在某一位置受到过度电压应力，则在这一位置的减少电阻将允许电流流过并且由此减少电压应力，由此在该位置防止可能的绝缘击穿。 

在接合或者端接电力线缆的应用中，应力控制材料必须是柔性的。这可以通过使用聚合物基质来获得。常用材料是：橡胶，例如EPDM、硅橡胶(也包括表现很低程度交联的硅凝胶)；热塑塑料，例如聚乙烯或者聚丙烯；粘合剂，例如乙烯-醋酸乙烯酯；热固树脂，例如环氧树脂或者聚酯；或者这样的材料的组合，包括共聚物。 

整个合成物也可以包括用于改进处理和/或针对具体应用来获得所需性质的其他公知添加物。就后者而言，例如用于接合或者端接电力线缆的材料可能需要经受室外环境条件。适当添加物因此可以包括加工助剂、交联剂、促进剂、抑制剂、稳定剂、抗氧化剂和可塑剂(plastizisers)。 

电场分级材料的当前所用配方使用在由EPDM(在高压直流HVDC接头/端接中)或者硅橡胶(在中压交流MVAC应用中)组成的聚合物基质中混合的碳化硅(SiC)。由于受市场驱动的改变，表现所需电性质的SiC的商业供应逐渐地减少并且迫切地需要新类型的场分级材料。 

在实践中，在聚合物基质中使用烧结微变阻器作为填充物存在问题，因为烧结微变阻器难以制作成尺寸小于30微米。当聚合物基质中的填充物粉末具有大于约30微米的粒度时，填充物是“非增强的”，这意味着将填充物添加到聚合物可能使聚合物基质更脆弱。 

标题为“Electrical stress control”的美国专利第6,124,549号公开了一种作为与线缆接头和端接一起使用的电应力控制层来使用的合成物。该合成物包括用掺杂氧化锌变阻器粉末填充的聚合物基质。聚合物基质可以是橡胶、热塑塑料、环氧树脂或者添加物。氧化锌粉末掺杂有多达15％的各种金属氧化物。氧化锌粉末在800℃-1400℃的温度煅烧，分解，而所得粉末中的粒子主要具有光滑球面形状，仅5％的的粒子表现不规则形状。 

在标题为Smart Varistor Composites、由ABB的Strumpler、Kluge-Weiss和Greuter于1994年6月29日至7月4日在佛罗伦萨8th CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium学报中发表的论文描述了一种在聚合物基质中包括作为填充物的掺杂ZnO变阻器粉末的材料。提出的材料应用的例子是抑制套管和线缆端接中的电压瞬变或者在其中进行场分级。通过在范围分别从935℃到1320℃和4小时到20小时的条件之下烧结粉末来制备填充物。填充物粒子的形状据称几乎为球形。表明了烧结物可以具有从约3微米到约300微米的直径，并且通过在烧结之前或者之后进行筛选，可以选择特定尺寸的部分。将制备的样本筛选成粒度＜200微米。所得材料具有非线性电流/电压特征。