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本发明涉及一种包括聚合基体以及包括氧化锌和炭黑的填料的场分级材料，其中，氧化锌是具有至少一个小于或等于100nm的尺度的纯氧化锌微粒的形式。本发明还涉及用于将位于环绕中压或高压电缆导体的绝缘层的中断处的电场分级的电场控制装置(7)，其中，所述装置包括场分级材料。

1.  一种包括聚合基体和填料的场分级材料，所述填料包括氧化锌和炭黑，其特征在于，所述氧化锌实质上是具有至少一个小于或等于100nm的尺度的纯氧化锌微粒的形式。

2.  如权利要求1所述的场分级材料，其中，所述纯氧化锌微粒具有至少一个20-70nm区间的尺度。

3.  如权利要求1或2所述的场分级材料，其中，所述纯氧化锌微粒构成所述场分级材料的低于40％的体积。

4.  如权利要求1或2所述的场分级材料，其中，所述纯氧化锌微粒构成所述场分级材料的低于30％的体积。

5.  如前述权利要求中的任一项所述的场分级材料，其中，所述炭黑具有1-100nm区间的平均微粒大小，优选10-60nm区间，最优选15-50nm区间。

6.  如权利要求5所述的场分级材料，其中，所述炭黑构成所述场分级材料的0.2-10％之间的体积，优选0.5-4％的体积，最优选1-3％的体积。

7.  如权利要求5或6所述的场分级材料，其中，所述炭黑是自组装的，且适于在所述聚合基体中形成网络结构。

8.  如权利要求1-4中的任一项所述的场分级材料，其中，所述炭黑具有40-500nm区间的微粒大小。

9.  如权利要求8所述的场分级材料，其中，所述炭黑构成场分级材料的5-40％之间的体积，优选10-30％的体积，最优选10-15％的体积。

10.  如前述权利要求中的任一项所述的场分级材料，其中，所述聚合基体包含硅酮。

11.  如权利要求1-9中的任一项所述的场分级材料，其中，所述聚合基体包含EPDM(乙烯丙烯二烯单体)橡胶。

12.  如权利要求1-9中的任一项所述的场分级材料，其中，所述聚合基体包含EVA(乙烯醋酸乙烯酯)。

13.  一种用于将布置为环绕中压或高压电缆的导体的绝缘层的中断处的电场进行分级的电场控制装置(7)，其中，所述装置包含权利要求1-12中的任一项所述的场分级材料。

14.  如权利要求13所述的电场控制装置(7)，其中，所述场分级材料环绕布置在绝缘体的中断周围，并接触电缆的导体和电缆的接地网。

15.  一种根据权利要求1-12中的任一项所述的场分级材料用于将电缆终端中的电场进行分级的用途。

16.  一种根据权利要求1-12中的任一项所述的场分级材料用于将电缆接合中的电场进行分级的用途。

场分级材料
技术领域
本发明涉及包含聚合基体和填料微粒的场分级材料(fieldgrading material)以及用于将电场分级的装置。本发明也涉及在电力电缆的接合或终端处的场分级材料的用途。
背景技术
在电场从第一介质向第二介质转变时，由于电场的中断会产生对电力设备有害的电介质应力(electric stress)。电缆包括环绕导体的绝缘层和环绕绝缘层的接地屏蔽。电缆中的接地屏蔽也可以被称为接地的外导电层。例如，在中压或高压电缆中，电场沿电缆的轴是均匀的，只在径向上电场存在差异。在导体和屏蔽之间的全部电位差跨过绝缘体出现。当电缆端接或连接时，沿着电缆将电缆的屏蔽去除一段距离。这种屏蔽的去除引起电场在屏蔽末端的中断，从而导致在去除屏蔽的地方出现高电介质应力。电缆的电位线(也被称为等势线)将集中于去除屏蔽的地方。为了不损害电缆系统的预期寿命，必须减少这些高的电介质应力。如果没有减少高应力，高的电介质应力可能导致在端接电缆的表面出现闪络(flashover)或击穿(breakdown)。
在本说明书和随后的权利要求书中，中压指1-36kV区间的电压，高压指高于36kV的电压。
在电场从第一介质向第二介质转变时，例如从屏蔽电缆部分向已去除原始屏蔽的电缆部分转变时，可以通过将电场分级来减少所述电介质应力。有许多已知方法提供应力控制，例如，通过以布置于屏蔽末端位置的压力锥(stress cone)的形式的几何场控制，或具有本身有分配场的能力的材料。该材料通常称为场分级材料，但也称为应力分级材料。场分级材料的电气性质取决于它所暴露的场。关于场分级材料，涉及电容场分级和电阻场分级。
在交流电应用中使用电容场分级。当电压以脉冲的形式存在时，也可以使用电容场分级来实现场分级。在上述种类的电缆末端的情况中，在最接近于电缆的屏蔽部分的区域，环绕电缆的未屏蔽部分引入具有高于绝缘体的介电常数的且具有尽可能少的损耗的材料的本体，并使之同屏蔽电接触，借此实现等势线的扩散。
在适于将高压直流电(HVDC)应用中的电场分级的材料中也需要电容场分级性质，从而在突然出现电压冲击的情况下实现有效的场分级。
在交流电应用以及直流电应用中可以使用电阻场分级。当电压以脉冲的形式存在时，也可以使用电阻场分级来实现场分级。在上述种类的电缆末端的情况中，在最接近于屏蔽部分的区域，环绕电缆的未屏蔽部分引入具有适当的电阻的本体，并使之同屏蔽电接触。当跨过电缆施加正电压时，电流经过本体流向电缆的屏蔽，该屏蔽处于接地电位。于是在本体中出现电阻电压降，这导致电位更均匀的分布。如果本体由显示非线性电阻的材料组成，那么该电位分布将更加线性，所述非线性电阻随电场增加而降低。非线性开始于电场的特定区域。越接近屏蔽的边缘，场分级本体中的电场就越高，因此，如果本体显示这样的非线性电阻，本体中的电阻就越低。以这样的方式，沿场分级本体的电压降在呈现这样的非线性电阻的本体中会比在不呈现这样的非线性电阻的本体中的分布更均匀。
通过结合至少两种材料成复合材料，实现具有非线性电阻的场分级材料，即不遵循欧姆定律的材料。由于使用的区域，场分级材料应该是机械易弯曲的。因此，适合使用例如橡胶作为基体，并将它与在低压下不导电但在高压下变得导电的半导电微粒混合。微粒在基体中形成网络，且结果是复合物在低电场中绝缘，在较高的电场中具有增加的导电性。
有一些已知的引导电场的场分级材料。例如，在公开的专利文件WO2004/038735中描述了含有氧化锌(ZnO)或碳化硅(SiC)的纳米微粒的聚合基体，其中，聚合基体至少基本上由橡胶、热塑性塑料或热塑性弹性体组成。
欧洲专利文件EP 0088450B1描述了包含含有ZnO或SiC微粒和炭黑微粒的聚合基体的场分级材料。
公开的专利申请WO 2005/036563中描述了具有包含不均匀地分布于基体中的纳米微粒填料的聚合基体的场分级材料。纳米微粒填料可以是ZnO微粒。可以通过用无机硅烷(anorganosilane)或有机钛酸酯(organotitanante)化合物的处理，修饰纳米微粒的表面。
经常需要在相对于已知的场分级材料的某些方面，改进所述场分级材料，如具有提高的或类似的电气性质，也可以作为对已知的场分级材料的效能成本合算的替换。
发明内容
本发明的目的是提供一种权利要求1的前序部分所述类型的场分级材料，其具有相对于已知的场分级材料提高的或类似的性质。
根据本发明的第一方面，通过权利要求1所述的场分级材料实现该目的。在下面的说明书和从属权利要求中，本发明的有利的实施方式是清楚的。
根据本发明的一个实施方式，场分级材料包括聚合基体和含有氧化锌和炭黑的填料。氧化锌实质上是具有至少一个小于或等于100nm的尺度的纯氧化锌微粒的形式。小于或等于100nm的纯氧化锌微粒和炭黑在聚合基体中的组合产生具有优秀的场分级性质的场分级材料。优秀的场分级性质指具有如“背景技术”所述的对于场分级材料的需要的非线性性质的材料。通过使用纯氧化锌微粒，产生场分级材料也是效能成本合算的，因为通过表面处理或通过加入掺杂物质(doping substance)的氧化锌微粒的预处理不是必须的。
在本说明书和随后的权利要求书中，术语“纯氧化锌”指其中纯氧化锌的性质没有通过例如表面处理或通过例如加入掺杂物质修饰的氧化锌。但是，术语“纯氧化锌”不排除含有少量的除了氧化锌外的其它物质的氧化锌，例如，天然存在于氧化锌中或源于氧化锌制造过程中的污染。
在本说明书和随后的权利要求书中，表述“具有至少一个小于或等于100nm的尺度的微粒”指具有小于或等于100nm的宽度、长度和/或高度的纳米大小的微粒。纳米大小的微粒当然可以具有几个或所有小于或等于100nm的尺度。只要它们在至少一个尺度上为0.1-100nm的区间，纳米大小的微粒可以具有任何形状。
根据本发明的一个实施方式，纯氧化锌微粒具有至少一个20-70nm区间的尺度。
根据本发明的一个实施方式，纯氧化锌微粒构成场分级材料的低于40％的体积。
根据本发明的一个实施方式，纯氧化锌微粒构成场分级材料的低于30％的体积。
根据本发明的一个实施方式，炭黑具有1-100nm区间的平均微粒大小，优选10-60nm，最优选15-50nm。炭黑构成场分级材料的0.2-10％的体积，优选0.5-4％的体积，最优选1-3％的体积。根据本发明的实施方式，炭黑是自组装的，且适于在聚合基体中形成炭黑和ZnO的渗透网络结构。在向场分级材料应用的电场处于一定的水平时，在聚合基体中的至少一部分网络中形成炭黑和氧化锌的导电路径。材料的电阻从线性向非线性特性改变。根据材料的需要的电阻率选择炭黑的量。自组装的炭黑使得使用非常少量的炭黑以实现渗透网络成为可能。
例如，炭黑是可商购的
根据本发明的一个实施方式，炭黑具有40-500nm的平均大小。炭黑构成场分级材料的5-40％的体积，优选10-30％的体积，最优选10-15％的体积。当炭黑为40-500nm时，它以球形石墨的形式出现。球形石墨在聚合基体中以细丝的形式出现。场分级材料中的电场处于一定的水平时，碳丝和纯氧化锌微粒变为导电路径，并给予该材料将电场进行分级所需要的非线性性质。
根据本发明的一个实施方式，聚合基体包含EPDM(乙烯丙烯二烯单体)橡胶。EPDM具有良好的电介质强度(dielectric strength)，且比其它可使用的聚合基体价格低。
根据本发明的一个实施方式，聚合基体包含硅酮。当聚合基体是硅酮时，可以将场分级材料注射模制成电场控制装置。因此，可以缩短生产电场控制装置的时间。由于EPDM的低粘性，制造具有复杂形状的装置也是比较容易的。
根据本发明的一个实施方式，聚合基体包含EVA(乙烯醋酸乙烯酯)。
根据本发明的第二方面，使用用于将位于环绕中压或高压电缆的导体的绝缘层的中断处的电场进行分级的电场控制装置来实现目的，其中，所述装置包含权利要求1-12中的任一项所述的场分级材料。
电缆的绝缘体中的中断发生于例如电缆的接合处或终端处。
根据本发明的一个实施方式，电场控制装置中的场分级材料在绝缘体的中断周围环绕布置，并接触电缆的导体和电缆的接地外导电层。这在用于DC或AC的电缆的接合或终端处，提供了电场的均匀的分布。
根据本发明的第三方面，通过根据权利要求15或16所述的场分级材料的用途来实现目的。
附图说明
根据附图，通过实施方式的说明更详细地描述本发明，附图中，
图1是示出作为针对根据本发明的实施方式的场分级材料的应用的电场的函数的电阻率的图解；
图2是根据本发明的实施方式的场分级材料的横截面示意图；以及
图3是装备有包括根据本发明的场分级材料的本体的电力电缆的接合的纵截面示意图。
具体实施方式
根据本发明的场分级材料包括聚合基体和包括氧化锌和炭黑的填料。氧化锌是具有至少一个小于或等于100nm的尺度的纯氧化锌微粒的形式。
电阻率(Ohmm)作为针对包含纯ZnO纳米微粒和炭黑的场分级材料的应用的电场(kV/mm)的函数如图1所示。曲线A代表包含具有23％的体积的纯氧化锌纳米微粒和1％的体积的炭黑的EPDM基体的场分级材料。纯氧化锌微粒的平均直径是53nm。炭黑是具有20-30nm平均微粒大小的EC 300。EC产品是非常高纯度的导电性的炭黑。由于其相比常规炭黑的唯一的形态，为了使塑料或弹性体导电，需要基本上较少量的EC-300J，甚至更少量的EC-600JD。这导致完成的导电性的物体的改善的处理和机械性质。通过在使用前，在190℃真空下过夜干燥ZnO微粒来制备场分级材料。向EPDM基体加入炭黑和ZnO纳米微粒。基体包含EPDM以及稳定剂(硬脂酸)和过氧化物固化剂(VAROX)。使用Brabender密闭式混合机在低于80℃的温度下仔细地混合该化合物。其后，在180℃下压缩模制样品30分钟。随后在真空烘箱中在80℃下对样品脱气24小时，以从过氧化物硬化过程(peroxide vulcanization)蒸发副产物。样品的最终尺度是大约厚度为1mm，直径为210mm。
曲线A表明上述材料具有开始于1.0E9和1.0E10欧姆之间的非线性和在高电场下的导电性，其使得该材料适合作为场分级材料使用。曲线A的电阻率的水平表明，该材料尤其适合作为用于高压直流(HVDC)应用的场分级材料使用。图1的曲线B也表明，作为比较，电阻率作为对于包含EPDM橡胶和25％的体积的具有53nm的平均直径的纯ZnO微粒的材料的应用的电场的函数。在这种其中没有加入炭黑的情况下，在感兴趣的0.1-8kV/mm电场中获得没有场分级性质的绝缘材料。
图2示出根据图1的曲线A的电场分级材料的EPDM基体中的纯氧化锌和炭黑的分布的示例。炭黑和纯氧化锌以聚集体或网络的形式分布，并且当电场对于电阻率变为非线性足够高时，ZnO微粒传导电流，聚集体或网络在聚合基体中形成导电路径。
根据本发明的场分级材料的聚合基体，适当地包括橡胶、热塑性塑料或热塑性弹性体，或至少基本上包括以上所述材料。优选基体包括或至少基本上包括：聚烯烃橡胶或热塑性聚烯烃弹性体/塑料，优选包括EPDM橡胶、硅酮橡胶或EVA(乙烯醋酸乙烯酯)；或由半结晶性热塑性塑料组成，优选为聚乙烯或交联的聚乙烯(PEX)。
根据本发明的场分级材料尤其适合用于将中压或高压应用中的电场分级的电场控制装置。图3示意地表明包含这样的电场控制装置7的电缆接合。电缆接合1包含导体2和电缆绝缘体3。另外，电缆通常包含布置于导体和绝缘体之间的内部导电层(未示出)和布置于外部和围绕绝缘体的外部导电层4。在两个导体末端结合在一起的位置，切割一段距离的绝缘体3和一个或多个导电层4，两个导体末端与金属电缆套管5连接。套管被导电橡胶的偏转器(deflector)6环绕。包含根据本发明的场分级材料的电场控制装置7布置于外部导电层4的末端之上，以实现电场在电缆绝缘体3中的均匀分布。在场分级材料外面，提供有第二绝缘层8。带有与电缆的接地外导电层4接触的接地网(grounded screen)10的半导电层9，围绕电场控制层7和第二绝缘层8布置。
尽管没有说明，场分级材料可以用于电缆终端或其它适合使用场分级材料的电气设备。
本发明不以任何方式限制于上述优选实施方式。相反，在不背离所附权利要求书限定的本发明的基本理念的情况下，其修改的一些可能性对于本领域的技术人员应该是明显的。