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电绝缘装置
    【技术领域】

    本发明涉及包括电绝缘体和电场均压主体的电绝缘装置，所述电场均压主体包括电场均压材料，该材料包括：包含电介质材料的基体；分布于所述基体中的多个微变阻粒子；以及包括导电材料并且在各个微变阻粒子之间形成导电桥的多个桥粒子。

    在此描述的微变阻粒子包括包含这样材料的粒子：该材料的电阻率非线性地取决于对其应用的电场的强度。

    背景技术

    在从第一介质到第二介质的电场转移处，由于所形成的电场可能产生对电气设备有害的电应力。例如在屏蔽高压电缆中，电场沿电缆轴向是均匀的，并且仅在径向电场中存在差异。当电缆端接或被接合时，沿电缆一定距离去除电缆屏蔽。去除屏蔽导致在屏蔽末端的电场不连续性，形成高电应力。必须降低这些高电应力以免影响系统的预期寿命。

    可以通过均压从第一介质到第二介质(例如从屏蔽的电缆部分到原始屏蔽被去除的电缆部分)的电场转移处的电场，以降低所讨论的电应力。针对这种电场均压已经开发并应用了多种方法。本发明涉及所谓电阻性和电容性电场均压。

    电阻性电场均压可用于交流和直流应用。当电压以脉冲形式产生时，电阻性电场均压也可用以实现电场均压。在上述种类的电缆末端的情况下，在电缆的非屏蔽部分周围最接近电缆的屏蔽部分的区域应用具有适当电阻的主体并且与屏蔽电接触。当在电缆上施加电压时电流经过该主体流向处于地电位的电缆屏蔽。随后在该主体中发生电阻性的电压降而形成更均匀的电位分布。如果主体包括的材料表现为随电场增强而降低的非线性电阻，则该电位分布将更呈线性。越接近屏蔽边缘，电场均压主体中的电场越强，并且从而，如果主体表现为这种非线性电阻，主体中的电阻越低。用这种方法，与不表现为这种非线性电阻的主体比较，沿着该电场均压主体的电压降将在表现为这种非线性电阻的主体中更均匀地分布。

    电容性电场均压用于交流应用。然而，当电压以脉冲形式产生时电容性电场均压也可以用以实现电场均压。在上述种类的电缆末端的情况下，在电缆的非屏蔽部分周围最接近电缆的屏蔽部分的区域中应用具有比绝缘体高的介电常数并且损失尽可能低的材料的主体并且与屏蔽电接触，由此实现等势线分布。在适于均压高压直流应用中的电场的材料中也希望具有电容性电场均压属性，以便在突然发生电压电涌的情况下实现有效电场均压。

    现有技术中在电场均压主体中使用的电场均压材料包括电介质基体，一般地是聚合物，以及均匀分布于所述基体中的多个微变阻粒子。微变阻粒子包括这样的材料：其特别的属性在于其电阻率，该电阻率在很大程度上取决于对其所应用的电场的强度。这种依赖关系是非线性的。典型的微变阻粒子材料是如SiC或ZnO这样的材料。一般地，所述微变阻粒子为球形，平均直径在30μm至100μm范围内。典型地，它们约占电场均压材料体积的20％至25％。

    然而，为了完成传导电流的任务并且从而使电场均匀，必须被添加到基体材料中的微变阻粒子的数量将大大影响电场均压材料的机械属性，使之更具刚性和脆性并且不太容易形成用于特定应用的形状。

    为了解决这个问题，现有技术提出结合多种其它粒子，该粒子具有导电特征，但与微变阻粒子相比对电场均压材料的机械属性的不利影响较小。现有技术因此提出使用炭黑作为这种其它粒子。通过采用电阻率对所其应用的电场的强度的依赖小得多的这种其它导电粒子，微变阻粒子的浓度可以被降低，其原因在于如果加入炭黑粒子的量足够大，其将在各个微变阻粒子之间形成导电桥。

    然而，在非激励条件下，即当未施加电场时或仅施加微弱电场时，炭黑粒子也将导致一块电场均压材料的导电性的增加。这种导电性将造成损失，并且相应地，不利于使用由这种电场均压材料制成的电场均压主体的绝缘装置的总效率。

    【发明内容】

    本发明的目的是提供一种电绝缘装置，其具有使用初始定义的电场均压材料的电场均压主体，其电阻率较大程度地取决于对其所应用的电场的强度，其容易处理，并且当经受低强度电场时提供尽可能高的电阻率。

    本发明的目的还在于提供一种电绝缘装置，其具有使用电场均压材料的电场均压主体，在所述材料经受高强度电场时，即强度之高足以使微变阻粒子进入其导电状态时，该电场均压材料的设计可促进所述材料的低电阻率。

    本发明的目的是利用初始定义的电绝缘装置实现的，其特征在于所述桥粒子与所述微变阻粒子共同形成渗透网络，但所述桥粒子(10)没有通过自身间的互联而形成渗透网络。微变阻粒子可以但并非必须通过彼此间的互联形成渗透网络。本发明的概念是基于这样的理解：桥粒子如炭黑粒子，在很大程度上由于其尺寸小，并且为了提供所要求的技术效果，需要被加入到电场均压材料中的量使得它们至少在某种程度上在彼此间形成渗透网络，在微变阻粒子未被激励时的电场条件下其也能够传导电流，并且由此引起不希望的电损耗。在微变阻粒子本身形成渗透网络的情况下，并且不太需要桥粒子时，加入这种粒子可能还是有利的，因为它们还能够增加微变阻粒子之间的接触点的数量，使电流通过这些接触点传导，由此同样地有助于形成电场均压材料更低的最小电阻率。应当理解，桥粒子在所述基体中分布的程度以及其所具有的形状和大小，使得它们与微变阻粒子共同形成渗透网络，但所述桥粒子(10)没有通过自身间的互联而形成渗透网络。对于本领域的普通技术人员，在该范围内存在明显的多个方案或者至少无需通过过度试验就可以实现的多个方案。为了确定特定的方案是否能实现本发明的思想，可以对每个方案执行导电性试验。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子和所述桥粒子是三维粒子，其中桥粒子在其最大维度中的大小为a并且微变阻粒子在其最大维度中的大小为b，并且a/b＞1/100。优选地a/b＞1/20，并且甚至更优选地a/b＞1/5，或a/b＞1/3。现有技术制造的桥粒子为纳米尺寸直到大约0.1μm。换言之，桥粒子和微变阻粒子之间的大小比率是1/300级或者甚至更低。通过如本发明所提出的那样大幅度增加该比率，实现良好桥接功能但仍能避免通过桥粒子本身形成渗透网络的可能性将大大提高。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子和所述桥粒子是三维粒子，其中桥粒子在其最大维度中的大小为a并且微变阻粒子在其最大维度中的大小为b，并且a/b＜20。优选地a/b＜5。根据另一优选的实施方式a/b＜2，并且甚至更优选地a/b＜1。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子是三维粒子，其中微变阻粒子在其最大维度中的大小为b，并且b在5μm至100μm的范围内。根据一种实施方式b＞20μm，并且根据另一实施方式b＞30μm。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子占电场均压材料体积的5％至40％。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子占电场均压材料体积的20％至25％。

    根据一种实施方式，所述微变阻粒子为球形。然而，应当理解，在多个微变阻粒子中也可能存在球形以外其他形状的粒子，但是至少一些粒子，优选地其中大部分粒子为球形。

    根据一种实施方式，所述桥粒子包括三维粒子，其在一个维度上的延伸比在其余两个维度上各自的延伸至少大10倍。换言之，桥粒子可以是细长的，或杆形的。也可以设想该一般结构的弯的或曲的粒子并且包括在该实施方式中。

    根据一种实施方式，所述桥粒子包括三维粒子，其在两个维度上各自的延伸比在其余第三维度上的延伸至少大10倍。相应的，桥粒子可以是片状或页状的。本发明也包括这样的实施方式：其中这种片是弯的或曲的。

    根据一种实施方式，所述桥粒子包括三维粒子，其在最大维度上的延伸比其最小维度上的延伸最多大2倍。

    根据一种实施方式，所述桥粒子包括三维粒子，其在所有三个维度上的延伸都相同。典型地，这样的粒子为立方形或球形。

    根据一种实施方式，所述桥粒子至少在其外表面上包括这样的材料，该材料呈现比微变阻粒子材料的最高电阻率低的电阻率。换言之，在操作过程中，桥粒子材料的电阻率永远不会高于微变阻粒子材料的电阻率。该特性将降低为了实现电场均压材料一定的导电性所需的桥粒子的数量。

    根据一种实施方式，所述桥粒子至少在其外表面上包括这样的材料，该材料呈现比微变阻粒子材料的最低电阻率低的电阻率。该特性特征甚至将进一步降低为了实现电场均压材料一定的导电性所需要的桥粒子的数量。

    根据一种实施方式，所述桥粒子至少在其外表面上包括导电材料，与所述微变阻粒子材料的电阻率相比，其电阻率较少地取决于其所经受的电场。所述材料的电阻率在一定程度上可以取决于对其所应用的电场的强度，但不需要而且典型地不是象微变阻元素材料那样的非线性依赖关系。该自由度将扩大可能用作桥粒子材料的材料范围，并且将促进对电场均压材料的机械性能和可处理性不利影响最小的材料的使用。

    根据一种实施方式，所述桥粒子至少在其外表面上包括导电材料，其电阻率独立于其所经受的电场的强度。

    根据一种实施方式，桥粒子的总电阻低于微变阻粒子的总电阻，至少在电场均压材料的主体所经受的电场的强度达到预定水平时如此。相应的，在应用一定的电场时，微变阻粒子和桥粒子将形成渗透网络，其导电性与仅由微变阻粒子构成的渗透网络的导电性相当或比之更高，至少在所应用的电场达到所述预定水平时如此。

    根据一种实施方式，桥粒子的总电阻低于微变阻粒子的总电阻，而这与电场均压材料的主体所经受的电场的强度水平无关。相应的，在应用一定的电场时，微变阻粒子和桥粒子将形成渗透网络，其导电性与仅由微变阻粒子构成的渗透网络的导电性相当，而与所应用的电场的强度无关。

    根据一种实施方式，桥粒子的所述导电材料是这样的材料，当在电场均压材料上应用高压电场使局部峰值温度上升时，该材料相对于电场均压材料的周围材料具有化学稳定性。当电场材料经受强电场时，在电场均压材料中的导电粒子间的接触点将有相当大的温度升高。在所述点处可能发生几百摄氏度的温度变化，而同时所述电场均压材料的主体的温度仅改变几度。为了确保电场均压材料的长寿命，桥粒子的材料因此应当是在至少达到假定在所述点出现的温度的给定环境中都具有化学稳定性的类型。

    根据一种实施方式，桥粒子的所述导电材料包括氧化物。

    根据一种实施方式，所述氧化物包括掺锑SnO₂、TiO₂任意之一或其组合。

    根据一种实施方式，所述桥粒子包括载体衬底，所述导电材料沉积在其外表面上。衬底的使用可以促进导电材料的使用，而导电材料自身则不容易处理成所需的桥粒子的给定形状或大小。衬底的使用，与其他方式相比并且通过选择适当的材料，在更高程度上扩展了定制桥粒子的机械属性的可能性，而否则的话这只能由导电材料决定。

    根据一种实施方式，所述载体衬底包括云母。

    根据一种替代实施方式，所述载体衬底包括SiO₂。

    绝缘装置典型地也可以包括由导电材料制成的屏蔽，并且可能与所述电场均压主体连接。典型地，与高压导体联合提供这种电绝缘装置。电绝缘体可以包括电介质材料如聚合物。屏蔽可以通过绝缘体与导体隔离。可以在沿着主体没有屏蔽的位置，即其未屏蔽部分，提供电场均压主体。优选地，电场均压主体通过绝缘体与导体隔离。同样优选的是：电场均压主体附着在所述绝缘体上，因此至少覆盖其未被屏蔽所屏蔽的部分。这种绝缘装置优选地包括在屏蔽电缆连接、电缆端接、电缆接头或套管中，例如变电站的套管。换言之，根据本发明的绝缘装置优选地用于要降低从第一介质到第二介质的电场转移处的电应力的任何应用。

    特别地，本发明的电绝缘装置形成电缆的电绝缘装置，该电缆包括至少一个导体，沿着其部分被绝缘体覆盖，并且由导电屏蔽和电场均压主体所覆盖，其中所述电场均压主体包括所述电场均压材料。优选地，绝缘体未被屏蔽覆盖的部分，典型地是末端部分，替代地被电场均压主体所覆盖，后者优选地与所述屏蔽电接触，该屏蔽可以处于地电位或连接到高压源/导体。

    在以下详述和权利要求书中将公开进一步的特性和优点。

    【附图说明】

    附图中：

    图1是根据本发明的电绝缘装置的示意图，

    图2是根据本发明的电场均压材料的剖面示意图，

    图3是根据本发明的桥粒子的一种实施方式的示意图，

    图4是根据本发明的桥粒子的另一实施方式的示意图，以及

    图5示出了根据本发明的电场均压材料与根据现有技术的相应材料相比的试验结果。

    【具体实施方式】

    图1示出了电缆终端1，其具有根据本发明的电场均压材料的主体2。电缆3包括电绝缘体5环绕的导体4。屏蔽6布置在绝缘体5外面，所述屏蔽6接地。电缆3的末端未屏蔽，即在电缆末端，绝缘体5未被任何屏蔽覆盖。电场均压材料的主体2被引入环绕在电缆未屏蔽部分最接近电缆屏蔽部分的区域并且与屏蔽6电接触。电场均压材料的主体2将确保在电缆终端上电位的均匀分布，如图1中的等势线7所示。应当指出，在图1中仅示出了电缆终端纵剖面的上半部分。

    图2示出了本发明的电场均压材料的建议原理结构。电场均压材料包括基体8，一般地为电介质材料如聚合物。这样的聚合物可以是弹性体如硅胶或三元乙丙橡胶(EPDM)；热塑聚合物，例如聚乙烯或聚丙烯；粘合剂，例如那些基于乙烯乙酸乙烯(ethylene‑vinyl‑acetate)的粘合剂；热塑弹性体；触变漆；凝胶，热固性材料，例如环氧树脂或聚氨酯(polyurhethane)树脂；或这些材料的组合，包括共聚物，例如聚异丁烯和非晶态聚丙烯的结合。所使用的基体材料的种类应当参考特定应用的特定要求和条件加以选择。

    基体8被直径在30μm至100μm的球形的微变阻粒子9填充，尽管其大小可以遵循某种正态分布曲线，并且因此一些粒子可能会在所述范围之外。典型地，微变阻粒子9包括一种材料，其电阻率非线性地取决于对其所应用的电场的强度。由于本领域的普通技术人员已经了解变阻效应，本说明书中将不对此做进一步解释。

    微变阻粒子9可以占电场均压材料体积的5％至60％，优选地是10％至40％，并且最优选地是其体积的20％至25％。它们本身可能形成或不形成渗透网络。然而，为明确起见，图2中示出的实施方式表示微变阻粒子本身未形成渗透网络的材料。

    在微变阻粒子9之外，电场均压材料还包括多个桥粒子10，其包括导电材料并且是为了维持电场均压材料的导电性的目的而提供的，同时也是为了降低微变阻粒子9的含量，或者为了通过在微变阻粒子之间引入进一步的电连接而改善微变阻粒子9的给定含量的电场均压材料的导电性。桥粒子10可以是细长的、平的、片状、立方形、球形或其他适当形状，只要其在导电之外满足一些重要条件。其大小、形状和数量应当使其能够与微变阻粒子9一起形成渗透网络。然而，它们不应独立地形成渗透网络。如果对电场均压材料应用低强度电场，即低于微变阻粒子的激励水平的水平，在该情况下不要求电场均压材料有任何导电性，桥粒子不应通过材料传导电流。由于微变阻粒子甚至在低强度或不存在电场情况下的一些剩余导电性，可以产生少量漏电流，但是重要的是，不会由于桥粒子10本身之间的任何渗透网络而产生电损耗。

    图3示出了根据本发明的桥粒子11的第一个示例。该实施方式的桥粒子11包括载体衬底12，其在该特定情况下包括云母，但可以包括任何其他适当材料如SiO₂。在载体衬底的外表面上提供导电材料13，在所讨论的实施方式中，其包括掺锑氧化锡。载体衬底12提供粒子的特定形状、一定的化学稳定性，并且有可能提供粒子的特定机械属性，而导电材料13的主要任务是提供导电性和相对于周围环境的化学稳定性，以及在温度升高如在应用高强度电场的情况下材料中可能发生的局部温度升高时的化学稳定性。

    图4示出了根据本发明的桥粒子14的替代实施方式。在该情况下也提供了载体衬底15，包括云母，尽管也可以采用其他适当材料如SiO₂。载体衬底的外表面覆盖有二氧化钛薄层16，其依次覆盖有二氧化硅SiO₂薄层17，其又依次覆盖有掺锑氧化锡层18。

    示例

    向聚合物基体中加入微变阻粒子和桥粒子，使得在最终混合物中微变阻粒子的量占20％的体积并且桥粒子的量占总混合物的10％的体积。桥粒子包括被一层厚度为10nm至50nm的掺锑氧化锡层覆盖的云母片。桥粒子是MERCK制造的类型，并且以商标名Minatec 31CM销售。微变阻粒子包括ZnO，一般地为球形并且直径在30μm范围内。桥粒子在其主延伸平面上的大概大小约为10μm至15μm。粉末被调配并且被混合在形成粉末的基体的EPDM橡胶中。粉末相对于整体混合物的体积百分比约为30％。

    也提供第二种材料，其形成可比较的示例。第二混合物包括20％至30％体积的ZnO微变阻粒子以及2％至10％体积的包括炭黑的桥粒子。微变阻粒子一般地为球形并且直径在30μm范围内。桥粒子的大概大小或直径是30nm至100nm。微变阻粒子和炭黑粒子的粉末被调配并被混合在形成粉末的基体的EPDM橡胶中。微变阻粒子和桥粒子相对于整体混合物的体积百分比约为25％至35v％。

    提供了这两种混合物的样本并且已进行了试验，其中根据以Ampere/cm²计量的电流密度相对于以Volts/mm计量的场强对三个样本的每一个分别进行制图。试验结果在图5中示出。从试验中可见，在此以上述混合物中的第一种代表的本发明的电场均压材料得到了更好的电场均压属性以及更低的电损耗。

    应当理解，所描述的本发明的实施方式仅为本发明的示例，并且对于本领域的普通技术人员，在权利要求书限定的发明范围内的替代方案是显而易见的。相应地，保护范围由所附权利要求书限定，并由本说明书和附图支持。