用于高压电缆的包容体 及具有这种包容体的电缆元件 〔技术领域〕
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于包围高压电缆端部、分支或连接点地包容体。本发明还涉及一种装有这种包容体的电缆元件，更具体地说是一种电缆端部密封或电缆包容体。
包容体包含至少一个基于聚合物的场控制元件和嵌入到该聚合物中并包含有微可变电阻的填料。场控制元件具有非线性的电流-电压特性，并具有至少一个轴向延伸和扁平形状的中空本体部分，该本体部分具有沿轴向对称的内表面，通过使包容体变形，可将该内表面附着或引导到电缆的外表面上。
基本上，包容体可分为两种类型的包容体。一种包容体包含有用作场控制元件的导电弹性体，其通常填充有碳黑。对于这些弹性体，通过设置一定的几何形状例如漏斗形的开口，可实现场控制效果。这种场控制被称为几何场控制。另一种包容体包含有场控制元件聚合物，其中嵌入了具有场控制性能的填料。通过相对较高的介电常数或通过非线性也就是与场强度有关的电阻，或者通过其两者的组合来获得这些场控制材料的性能。这种场控制元件的优点是它们可由薄壁的圆筒形管或软管构成，因此可制造出薄的节省空间的产品，并因此而制造出低成本的产品。
〔背景技术〕
EP0875087B1公开了前述的这种包容元件，其用于制造工作电压分别为10KV或20KV的隔离合成物绝缘单导体电缆的端部密封。为了在20KV电缆的电缆端部处形成电缆接头，首先，从位于电缆导体和防护罩之间的电缆绝缘层上剥离出电缆防护罩的金属丝，并固定成一个金属丝卷，也就是，具有共同的环形边缘的金属丝。剥去电缆绝缘层上的导电层例如石墨涂层，直到使偏置边缘伸出到金属丝卷的上方。然后，剥去设置在电缆导体端部上的电缆绝缘层，并将场控制管状包容元件布置在电缆端部上。该包容元件可由场控制元件和同轴围绕该场控制元件并由热收缩绝缘材料制成的外层构成，场控制元件由聚合物和基于包含有搀杂氧化锌的填料的微可变电阻制成。对于其一个端部，场控制元件与被引至偏置边缘的导电层的端部相接触。场控制元件的另一端部被引出到偏置边缘的上方并到达电缆绝缘层，且根据控制目标，其可与电缆导体的敞开的端部相连，或者也可终止于电缆绝缘层而不与电缆导体相连。
在收集于Proceedings of 8th CIMTEC Ceramic Congress and Forumon Materials Symposium中的R.Strümpler等人的“Smart VaristorComposites”的论文中，就详细地描述了上述包容元件所用的场控制元件的结构和性能。场控制元件被设计为复合材料，并充入由大致为球形的ZnO小颗粒构成的陶瓷材料。ZnO颗粒搀杂有不同的金属氧化物，例如Sb2O3、Bi2O3、Cr2O3和Co3O4，并在900-1300℃的温度下进行烧结。与可变电阻一样，烧结颗粒具有取决于电场强度的非线性的电性能。在低场强的情况下，颗粒的性能与绝缘体类似，而增大场强时，颗粒导电性增强。由于具有这样的非线性的电性能，因此，聚合物复合材料具有良好的场控制性能。
US6171669描述了另一种用于包围住具有不同直径的两个高压电缆的连接点的包容体。该包容体在其内侧具有一层场控制材料。在所有情况下，该层在这两个电缆上被引导到位于毗连的电缆绝缘层和一个半导体材料层之间的一个过渡区域上。
〔发明内容〕
本发明的目的是提供前述的这种由权利要求书所限定的包容体，其可以特别简单的方式来对电缆元件特别是电缆接头或电缆包容体进行非常精确的场控制。
对于本发明的包容体，中空本体部分的内表面设计得不同于电缆的外表面，因此，变形之后，中空本体部分发生膨胀和/或收缩，从而改变了每个表面单位上的微可变电阻的数目，由此而实现了场控制。场控制元件的电性能基本上取决于微可变电阻在聚合物基体中的相互距离或微可变电阻的比例。因此，随着微可变电阻特别是基于陶瓷例如ZnO的那些微可变电阻的密度增大，介电常数增大，而相反，对于给定的场强，电阻通常随着填料密度的增大而下降。如果在制造电缆元件例如电缆接头或电缆包容体的过程中场控制元件发生膨胀/收缩，那么微可变电阻的相互距离就会随着膨胀/收缩而沿场控制元件的周向增大/减小，或者平的中空本体部分每单位面积的微可变电阻的数目增大/减小，且场控制元件的电性能因此而发生变化。本发明的包容体以恰当的方式利用这一事实，通过中空本体部分沿轴线进行不同的局部膨胀和/或收缩，从而在局部产生不同的电性能特别是介电常数和电阻。因此，除了与微可变电阻除了有关的参数例如填料含量、组分、烧结状态以及几何尺寸以外，还可通过沿场控制元件的中空本体部分设立膨胀/收缩比，而得到一个附加的设计参数来对具有本发明包容体的电缆元件的场控制性能进行优化。因此，本发明的包容元件还可应用于远超过100KV电压范围的电缆中。
同时，场控制元件并因此而使包容体也具有薄壁厚度。装有本发明包容体并用于高压情况的电缆元件的特征是具有微小的结构，但其还具有优化的电性能。这也带来了其它的优点，例如：
a)较小的台面面积。这对于气体绝缘高压设备(GIS设备)中的连接点是特别重要的，因为对于较薄的电缆元件例如端部密封来说，这也使得在GIS设备中形成较小的管直径成为可能。
b)需要的材料较少。在较薄的场控制元件的情况下，使得用于外部的较薄的电缆元件也成为可能。因为，如今由于外部应用时长度方面的原因，通常需要大量的绝缘材料，通过利用较薄的电缆元件可节约材料，并降低安装成本。
c)对于不同的电缆直径，具有广阔的应用范围。因为，对于较薄的电缆元件，用于将其推到电缆上所需的力通常小于具有几何场控制的电缆元件所需的力，这些电缆元件的尺寸可制得使一种尺寸可适用于多个电缆直径。
在将包容体设置到电缆上之前，中空本体部分的内径可沿轴线连续变化。当将包容体剥离到设计为圆柱形或扁平的条带的电缆的一部分上时，就可为场控制元件所需的电性能而获得优选的膨胀/收缩量。
根本上，但在将包容体设置到电缆上之前，内径沿轴线也可能保持恒定。为了场控制元件获得所需的电性能，通过分别设计电缆或电缆绝缘层的覆层表面来形成膨胀/收缩，从而获得优选的膨胀/收缩量。
建议确定内表面尺寸的内径沿旋转轴线连续地变化，最好是单调地变化，特别是线性地变化。由于本发明包容体的内表面主要设计为锥形，因此，可相对较容易地将铸造过程中所用的用于制造包容体的铸芯取出。
为进行简单的场控制，如果中空本体部分的内径沿旋转轴线线性变化，就足够了。而且在进行复杂的场控制时，中空本体部分的最小内径与最大内径之比应适当地设为0.2-1.0倍。
通过改变电阻或阻抗，其中，除了内径以外，中空本体部分的壁厚也沿轴线变化，这样就可增强附加的场控制。例如，横截表面随着壁厚的减小而减小，且平行于轴线的电阻增大。壁厚在一定的区域也可相应地增大，最好，例如直接在偏置边缘上具有较大的导电性。
在制造阶段，通过简单的方式，可将场控制元件形成于由绝缘材料制成的可弹性变形的支承元件的内表面上。
至少一个附加的场控制元件可形成于支承元件上，而不是只有一个第一场控制元件形成于支承元件上。为了在高压例如在电压超过100KV的情况下也能获得良好的场控制效果，另外的场控制元件应当包围着第一场控制元件，并通过一个电绝缘的中间层而与后者隔离开。
聚合物特别适合用作第一场控制元件和可选择设置的附加场控制元件的材料，在聚合物中嵌入了通过对搀杂有氧化锌颗粒的金属氧化物进行烧结而形成微可变电阻的初始球形颗粒.微可变电阻还可包括基于单独地或混合地搀杂了SnO2、TiO2、SrTiO3或SiC的微可变电阻。通过不同的填料密度、对填料和/或烧结状态进行选择，就可根本地改变场控制元件的电性能。因此通过选择至少两个具有不同电性能和/或尺寸的场控制元件，本发明的包容体可实现多个场控制目的，并且还特别地精确。
一方面，由于保证了装有包容元件的电缆元件例如电缆接头具有较高的能量吸收性，另一方面，由于形成金属薄片或石墨粉的颗粒以一种用于实现特定场控制目的的特别优选的方式增大了场控制元件的介电常数，因此，建议除了用作填料的微可变电阻以外还在聚合物中放入导电颗粒。为了获得较高的能量吸收性能并有效地提高介电常数，填料中的导电颗粒应当占填料大约0.05-5％的体积百分比。它们还可直接附着在微可变电阻上，以便于简化包容体的制造过程。
在优选地构造成带有电缆部分和与电缆部分相连的本发明包容体的电缆接头或电缆包容体的电缆元件中，其中，该电缆部分包括可在高压电势下使用的电缆导体、导电电缆防护罩和位于电缆导体和电缆防护罩之间的电缆绝缘层，如果第一场控制元件包括位于第一部分且在每单位面积中数目变化的微可变电阻，就可获得良好的场控制效果，同与第一部分相连并包括电缆绝缘层的防护区域的第二部分相比，第一部分包围着电缆防护层的一层的偏置边缘和电缆绝缘层的未进行防护的区域。为了在几十KV到几百KV范围的电压条件下特别是在直流使用的情况下可获得良好的场控制效果，场控制元件应当使电缆防护层和电缆导体相互连接。
对于较高的电压，如果将该场控制元件和一个同轴围绕其它场控制元件附加设置的外场控制元件沿轴向引导到电缆防护层的偏置边缘上并只与电缆防护层相连，就可获得特别好的场控制效果。如果将外场控制元件保持在漂移电位，也可类似地获得这种良好的效果。对于特定的使用状态特别是在高压状态下，如果将另一个外场控制元件直接与处于高电位的导体相连，这样是最好的。
如果此外还在两个场控制元件之间设置一个导电层并与外场控制元件导电相连，就可进一步显著改善上述的效果。
为了可重复生产电绝缘的高级电缆元件，建议将一个由导电材料制成的环形层附着到内场控制元件中空本体部分的内表面上，该层沿旋转轴线延伸到偏置边缘的上方。这些都使得在偏置边缘周围的一个电绝缘临界区域中释放了压力。其优点达到这样的程度，与偏置边缘相反，该环形层不在安装现场形成，而是在制造工厂形成，并因此而设计成具有特别高等级的电绝缘性。
〔附图说明〕
下面将结合附图对本发明的典型实施例进行描述，其中：
图1是本发明旋转对称结构的包容体第一实施例的轴向横截面顶视图，
图2是装有图1所示包容体的电缆接头的轴向横截面顶视图，
图3是本发明旋转对称结构的包容体第二实施例的轴向横截面顶视图，
图4是装有本发明第三实施例的包容体的旋转对称结构的电缆接头的轴向横截面顶视图。
〔具体实施方式〕
在所有的附图中，相同的标号表示作用相同的部件。图1所示的中空包容体1为旋转对称的，其具有由弹性的非线性电性能材料制成的场控制元件3，场控制元件3大致为中空的截头圆锥形，并在坐标r的方向沿旋转轴线2延伸。材料除了具有弹性体之外还具有嵌入在基质弹性体中的微可变电阻，微可变电阻最好由搀杂和烧结的氧化锌微粒构成。典型的成分、微粒的尺寸和烧结状态都可由前述的现有技术推出。场控制元件3形成于具有类似的弹性但由绝缘材料构成的中空支承元件4的内表面上。弹性体可采用硅酮、EPDM、天然橡胶、腈橡胶、热塑性弹性体或各种弹性体的混合物。场控制元件的内径D(r)在坐标r增大的方向沿旋转轴线2减小。因此，当场控制元件沿旋转轴线2被推入到电缆端部上时，弹性的场控制元件的膨胀程度不同，且被推上的场控制元件3的电性能取决于其在电缆上的位置。
这可从图2中看到。在该图中，示出了用于传导几十KV工作电压的电缆的电缆接头5。电缆具有电缆部分6、导电的电缆防护罩8和电缆绝缘层9，电缆部分6带有可传导电压的电缆导体7，电缆绝缘层9设置在电缆导体7和电缆防护罩8之间。电缆防护罩8含有金属丝，其可从电缆绝缘层9上剥离出并固定在电缆防护罩的右端，而形成一个金属丝卷10。剥去设置在电缆绝缘层9上的导电涂层11，直到偏置边缘12伸出到金属丝卷10的上方。电缆导体7将电缆终端13支承在其端部。包容体1固定在由电缆防护罩8、涂层11、电缆绝缘层9的未遮掩区域14和电缆终端13构成的覆层表面上，从而使场控制元件3将偏置边缘12上方的涂层11连接到处在电缆导体7电势位置上的电缆终端13上，并且支承元件4将电缆部分液密地封闭住。显然，场控制元件3的内径在包围偏置边缘12和电缆绝缘层9的未遮掩区域14的部分15上的扩展量比在与部分15相连且包括电缆绝缘层的遮掩区域的部分17上的扩展量要大得多。
在图1和2所示的实施例中，在形成电缆接头之后，场控制元件3的内径D(r)沿旋转轴线2线性扩展。但是，直径的变化可采取其它任何的形式，并且也不需要遍布在中空场控制元件3的整个长度上，而可只在预定的部分上。如果将该中空本体部分的最大内径表示为Dmax且最小内径表示为Dmin(图1)，对于一个给定的端部密封，Dmin/Dmax的比值可以在0.2-1之间。在安装到电缆上之后，场控制元件3在最小内径Dmin点处的膨胀量可以是在2％-80％之间。因此，场控制元件3每单位面积的微可变电阻数减小，因此，与最大内径Dmax点处的电阻和介电常数相比，场控制元件3在该点的电阻和介电常数发生了变化。电阻和介电常数的这些变化对电缆端部密封的场控制非常有益。
从图2中可以看出，场控制元件3构成一个直通连接结构，因此，地电势与高压电势相连接。其优点是解决了一定的控制问题，特别是在电压范围达到几十KV和直流的情况下。场控制元件3在其两个端部的其中之一处也可基本上保持无电势。
沿旋转轴线2改变电缆元件例如电缆接头的电阻或阻抗的另一种可能的方式是改变场控制元件3的壁厚。随着壁厚的增大，横截面增大，也就是，平行于旋转轴线的电阻减小。图3示出了本发明用于电缆接头的包容体1的第二实施例，其中，场控制非线性电性能也受到了沿旋转轴线的扩张变化和横截面变化的影响。为了解决场控制的问题，例如在工作电压超过100KV的电缆中存在相对较强的场梯度，特别适合于具有适当结构的场控制包容体。
另一种用于在电缆端部密封或电缆包容体中优化场控制的可能的方式是采用两个相互同轴布置且一个位于另一个的上方并由含有微可变电阻的弹性材料制成的场控制元件。这里，如果需要，场控制元件3、18可直接叠放，但通常是通过绝缘层19使它们相互分离开，正如图4所示的本发明包容体的第三实施例那样。场控制元件3、18可具有不同的长度，并且在纵向可以是偏置的，从而使最外的场控制元件18可在最内的场控制元件3的上方伸出。除此之外，导电材料层20可设置在场控制元件18和绝缘中间层19之间。该层最好由导电弹性体或由导电漆料制成。该层20可以电绝缘的方式嵌入到使两个场控制元件3、18相互隔离开的绝缘层19中，或者与场控制元件18导电连接，由于其电容效应，因此具有良好的场控制功能。两个场控制元件3、18不必具有相同的电性能。由不同的填料含量和由设置在填料中的微可变电阻的不同成分和烧结状态确定，两个场控制元件的电性能可显著地不同。
为了在电缆上使最大电负荷位置离开导电层11的偏置边缘12，建议将一个环形的导电层21附着在场控制元件3的内部，或者将其集成在场控制材料中。由于设置了这样的层，因此，最大电负荷区域不会与偏置边缘12重合，而是根据导电层21的长度移到电缆的端部。
本发明的包容体可利用目前用于弹性体合成的处理设备进行制造。搀杂和烧结的ZnO粉末可通过搅拌机将LSR硅酮作为聚合物基质来进行加工。当采用EPDM或固态硅酮时，通过压延机将填料混入到弹性基质中。
如果场控制元件3、18和支承元件4的绝缘材料一起进行制造，并且在对设计为电缆接头5的电缆元件进行安装时可作为一个部件被拉到电缆端部上方，对于本发明包容体的安装和使用是有益的。这种包容体1可通过塑料处理过程中常用的生产方法例如注塑工艺来进行制造。其优点是可通过相互之间的生产工艺(压力、温度、硫化时间和使用的粘结剂)来良好地调节不同材料(场控制元件3、18、支承元件4、导电中间层20、21)的粘结度，并因此而在导电的高应力限制表面获得良好的介电强度。另外，在安装元件的过程中可避免对限制表面造成任何的污染。
图1所示的包容体1可按照如下的方式进行制造：对搀杂有通常为Bi、Co、Cr、Mn和Sb以及可选择的附加元素例如Al、B、Fe、Ni、Si的氧化物的ZnO颗粒在900-1300℃的温度下进行烧结。例如，烧结过程可在回转窑或普通的间歇式炉中进行。烧结之后，可将最终的微可变电阻粉末筛分成所需的微粒尺寸部分，例如100μm。可选择地将金属添加剂混入并烧结到微可变电阻中。经过筛分的粉末在压延机上被加工成弹性体(例如，加工成HTV硅酮)。根据弹性体的种类，可在该点位置添加其它的添加剂(例如交联添加剂、稳定剂)。场控制元件中的烧结粉末的体积百分比通常为在20-45％之间。通过普通铸造或注塑工艺或者压制工艺可将得到的组合物注成所需的形状，且弹性体可以一定的方式进行交联。得到的交联场控制元件3在第二注塑过程或铸造过程中与绝缘材料(例如液态硅酮橡胶)铸成一体而形成包容体1。
对于电缆接头外部使用所必须的防护罩可直接与支承元件4铸成一体，但也可在一个单独的生产过程中进行铸造，然后被推压在电缆接头上。单独制造的防护罩的优点是在不同的应用场合(例如对于不同的环境污染程度)具有较强的适应性。因此是一种低成本的生产方法。
代替弹性体，也可使用任何可收缩的聚合物，最好是热塑性材料。在轴线上，每个表面单位或单位面积的微可变电阻的分布密度不同，因此，当包容体在收缩过程中发生变形时，通过按照预先规定而形成的内表面，可特别精确地进行场控制。
附图标记
1 包容体
2 旋转轴线
3 场控制元件
4 支承元件
5 电缆接头
6 电缆部分
7 电缆导体
8 电缆防护罩
9 电缆绝缘层
10 金属丝卷
11 涂层
12 偏置边缘
13 电缆终端
14、16 区域
15、17 部分
18 场控制元件
19 绝缘层
20、21 导电层