CN107615608B - 高压电缆附件以及生产高压电缆附件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于容纳具有设置为用于电流传导的导体(11、112)的高压电缆(1、22)和围绕导体(11、112)的电缆绝缘体(12、122)的高压电缆附件(100‑700)具有绝缘体(2‑5)和波导(51、52)。该绝缘体(2‑5)具有场控制元件(2、4)，其至少在一些区域是透明或半透明的，并且其由硅氧烷聚合物制成，至少部分地围绕该高压电缆(1、22)的电缆绝缘体(12、122)，该硅氧烷聚合物在场控制元件的至少一个部分区域(2a、2b)中含有共价耦合的荧光团和/或介电颜料。该波导(51、52)被布置为使得由该场控制元件(2、4)中的局部放电引起的光信号可以从该场控制元件(2、4)耦合到该波导(50)中。

Description

高压电缆附件以及生产高压电缆附件的方法
技术领域
本发明涉及高压电缆附件，特别是电缆接线盒和端子，以及相关的生产方法。
背景技术
在能量供应的电气系统中，由对高压附件上的损伤影响和聚合物绝缘的老化现象导致故障重复出现。这些故障主要是由局部放电引起的。然而，这种故障也可能由于安装误差而引起或促进，由于，例如，在安装期间无意中引入至高压附件的微小颗粒可能在操作期间导致极端的局部场升高。在局部放电期间，如果相关系统不及时关闭，则在绝缘材料中形成所谓的局部放电树，其在时间过程中生长并最终导致电击穿。因此，电缆附件的绝缘中的局部放电，例如用于电力电缆或高压电缆的端子和电缆接线盒，可能会在高级阶段导致电缆附件的全面破坏(爆炸)和网络故障。由于与故障相关的高能量释放，系统的其他部分可能在该过程中被损伤。因此这些确实有些罕见的事件所造成的损害可以说是使得重视的。
根据常规知识，聚合物绝缘材料在高压交变场中的几个阶段间变化。导致在直流电压负载下的电介质中局部放电的过程可以类似地发生，但在下文中将不再详细描述。在高压交变场中，通常假定用于聚合物绝缘的三级现象老化模型，其包括作为第三阶段的局部放电过程。在第一阶段中，开发出一种电荷载流子，取决于材料和场分布，其通过特征临界场强而识别。该过程能够在绝缘材料体积中(例如由与生产有关的不均匀性而导致的)超过临界场强的任何位置进行。然而，它也能够发生在载流导体的界面处。该模型的第二阶段的特征在于，随着电荷载流子注入开始，发生通过注入电荷载流子从电场到聚合物基质的能量转移。在这个过程中，物质依赖和生产相关的不均匀性具有中心作用，因为它们是现在开始的不可逆转的损伤机制的起点。由于电荷载流子注入到高电压交变场的相应的半振荡中，在陷阱发生空间电荷的积累。在此过程中，可能会发展电致发光现象。在该相中电致发光的发生可以由所谓的“热电子”过程、分子的激发和电荷载流子重组所引起。如果任何这些过程占主导地位，这取决于材料。通过注入的电荷载体的能量转移导致聚合物微结构的不可逆化学，机械和热变化。在此过程中，局部场强分布通常严重受到空间电荷扰动的影响。然后可能形成微腔，这可能伴随着声信号的发射，并且其中局部放电在超过临界幅度之后触发，从而达到第三级。此外，由于电化学变化(反应损失)和/ 或在局部放电期间，机械应力可能发展，并且作为结果，在绝缘材料中形成裂纹和裂缝。在进一步的事件中，可能会出现越来越强的局部放电，这可能导致局部放电树的增长，并最终导致电气故障，以及上述严重的后果性损伤。
只有在破坏结构(局部放电树)的发展之后，才能够利用电气或电磁测量方法以足够灵敏度检测绝缘材料中的不均匀性或老化过程的后果。在实际条件下，电气测量受到电磁干扰的影响，另外在技术上也非常复杂。关于破坏程度的定量数据只能在有限的程度上或仅在很晚的阶段才可能。为此，破坏结构通常首先必须达到一定程度，即，按照大约40年电气工艺系统的使用寿命估计，故障直接即将到来。到那时，组件的有效修复(例如在计划的维护阶段之内)可能已经太晚了。
局部放电可以用光纤方法检测。因此，美国专利7,668,412B2 描述了用于检测放电和监测电线的方法和分布式感测系统。为此目的，在待研究对象附近设置具有直径小于500微米的二氧化硅核心并且其中集成有发光材料的包层的光纤。光电检测器位于光纤的第二端，并感测并测量来自电气局部放电事件的直接发射光和从光纤的第一反射端反射的发射光。测量信号及其到达时间用于确定电气局部放电的位置和幅度。
此外，德国专利DE10201061607A1描述了一种用于监测高压装置中的绝缘材料的老化过程的方法。该方法包括利用第一光纤传感器测量在绝缘体中产生的光信号，以及基于掺杂荧光团的光纤利用第二光纤传感器测量绝缘体的机械变量，以及估计绝缘老化体条件。此外，DE102010061607A1描述了基于掺杂荧光团的光纤的具有透明或半透明绝缘体的高压装置和光纤传感器，以及用于检测变形的第二光纤传感器。
然而，迄今为止在运行期间可用于高压设备的光纤系统的灵敏度通常不足以可靠地检测，特别是在从仅仅少量至十倍的能量范围内电子伏特(eV)的电子对高压设备的绝缘体的损伤之前的局部放电，导致电致发光。在具有掺杂有荧光团的核的光纤中，荧光团不共价结合，而是物理溶解。因为它们能够在室温下甚至在低温下迁移，所以这种FOF的使用范围是有限的。除此之外，本领域技术人员认为将有机染料引入高压附件的绝缘体中是危险的，因为它们作为污染物，可以容易地电极偏振，并且因此可以作为树生长的核，其最终可能导致故障。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提出了根据权利要求1的高压电缆附件，根据权利要求12的方法和根据权利要求15的用途。
根据一个示例性实施例，用于容纳具有设置为用于电流传导的导体的高压电缆和围绕导体的电缆绝缘体的高压电缆附件具有绝缘体和波导。该绝缘体具有场控制元件，其至少在一些区域是透明或半透明的，并且其包含硅氧烷聚合物，特别地为硅氧烷弹性体(弹性体场控制元件)，更特别地为硅酮弹性体。在这方面，该硅氧烷聚合物在场控制元件的至少一个部分区域中含有荧光团和/或介电颜料，该荧光团共价耦合到硅氧烷聚合物和/或嵌入在硅氧烷聚合物中的介电颜料。该场控制元件至少部分地被设置为围绕该高压电缆的电缆绝缘体。该波导被布置为使得由该场控制元件中的局部放电引起的至少一个光信号可以从该场控制元件耦合到该波导中。
该高压电缆附件通常是电缆接线盒或电缆端子。
这里使用的术语“高压”旨在包括高于约1kV的电压；特别地，术语高压旨在包括大约3kV至大约50kV的中等电压、大约 50kV至大约110kV的高电压以及高达约500kV的超高电压的常规能量传输范围。对于电缆工作电压将进一步升高的情况，意图也将包括这些电压范围。这里适用于直流电压和交流电压。本文所用的术语“高压电缆”旨在描述适用于在高于约1kV的电压下传导电力电流(即大于约1安培的电流)的电缆。在下文中，术语高压电缆和电源电缆将被同义使用。因此，“高压附件”或“高压电缆附件”一词旨在描述适用于将高压电缆与高压系统相连接和/或将高压电缆与高压架空线路相连接和/或高压电缆与另一个相连接的装置。
通过在场控制元件的硅氧烷聚合物中引入荧光团和/或介电颜料，一方面其电特性(导电性和介电常数)不受影响或仅仅受一点影响，因此场控部分在操作期间继续确保所需的电场分布，而另一方面，可以增加在场控制元件中产生并耦合到波导中的光信号的部分。因此，可以高敏感度并可靠地检测局部放电和甚至局部放电前有关安装的缺陷和/或导致电致发光的从仅仅少量至十倍的能量范围内电子伏特(eV)的电子导致的关于操作的对绝缘体的损伤。
耦合到波导中的光信号可以进一步传输到光学检测器，例如，控制站中的光电池或光谱仪。这允许对绝缘体的损伤进行更确定的早期识别(在线监测)、系统安装的使用寿命估计以及对系统的维护和修理的远程规划。因此，可以通过有效的可规划的修复来防止开始破坏的关键破坏结构的发展。此外，由于在绝缘体中产生的光信号的光学感测，可以更容易地识别系统中的缺陷位置。
因此，高压装置设置有高压电缆附件，其具有基于硅氧烷聚合物的场控制元件、波导以及光学检测器，所述硅氧烷聚合物至少在部分区域中含有荧光团和/或介电颜料，其中所述荧光团能够共价耦合至硅氧烷聚合物和/或共价耦合至嵌入在硅氧烷聚合物中的介电颜料，所述波导被布置成使得场控制元件中产生的光信号可以从场控制元件耦合到波导中，所述与高压电缆附件的波导耦合。作为供电网络，高压设备可以具有多个这样的高电压电缆附件。
高压装置还通常包括与光学检测器耦合的控制和评估元件，其通常形成用于高压电缆附件的监视装置和/或连接到控制和评估元件的光源，所述光源设置在高压电缆附件的壳体内，通常在与一个或两个电缆连接的高压电缆附件的操作期间具有低电场强度的区域中。该光源，例如LED，可用于检查由波导和光学检测器形成的传感器的功能性能，该传感器检测由绝缘体中的损伤过程引起的光信号。
由损伤过程发射和被检测的光辐射(光信号)均可产生电致发光(特别是在场控制元件中的高电场强度的区域)和光致发光过程，分别是在特定波长的区域和发展中的放电树的局部放电过程。
这里使用的术语“局部放电”旨在描述绝缘体中的瞬时、相对低能量和局部有限的放电，其不会立即导致电击穿，而是不可逆地损伤绝缘体材料。特别地，术语“局部放电”旨在特别包括术语“内部局部放电”，即放电现象，其不一定在外部可见，在非气体绝缘材料中，特别是固体绝缘材料(例如聚合物)中。从缺陷部位开始，例如空隙和外来夹杂物或与其它材料的界面，特别是对于承载高电压的导体，局部放电可能会导致绝缘材料中局部放电树木生长的时间过长，最终导致分解。局部放电树通常具有大于约1μm(微米) 的大小。
作为局部放电的强度的量度，可以使用直接在电测量装置的测试端子处测量的表观电荷。通过建立的电气和电磁测量方法，目前可以在实践中常见的测试条件下检测局部放电，其表观电荷大于约 1pC(微微库仑)。行业标准IEC 60840 Ed.4,2011要求大约5pC的测量精度来测试高压电缆系统。然而，在高压电缆附件的高压运行期间，该方法的测量灵敏度被电磁基本干扰电平限制在约20pC至约50pC的范围内。本文所用的术语“局部放电”特别地旨在包括具有大于约1pC的表观电荷(即电可测量表观电荷)的绝缘体中的放电。
波导可以设置在场控制元件中和/或场控制元件的表面上。
波导通常是光纤，更典型地是聚合物光纤(POF)，其可以由场控制元件的硅氧烷聚合物或另一种硅氧烷聚合物组成。由此，在场控制元件中极大地避免了由于波导引起的场失真。
此外，光纤可以具有荧光纤芯，至少在布置在场控制元件其上或其中的光纤部分中。这允许将来自场控制元件的光特别有效地耦合到光纤中，并且允许耦合光的低损耗进一步传输。
此外，波导也可以在其包层和/或其核心中用共价结合的荧光团修饰。
通常选择场控制元件的荧光团，使得它们可以将由损伤过程引起的光信号组分转换成波长区域的辐射，其中硅氧烷聚合物具有比原始(初级)光信号组分的波长区域更高的透明度。由此，场控制元件中的吸收损失减少，从而检测灵敏度提高。例如，场控制元件的荧光团在低于500nm的波长区域被激发，例如，在UV区域，并且根据它们的斯托克斯位移，重新发射更长波的光，其被硅氧烷聚合物更弱地吸收。作为荧光团，例如可以使用萘二甲酰亚胺染料，其通过相应的反应基团可以与聚合物网络(通常为硅酮弹性体网络) 共价结合。
除了用于交联的反应基团之外，硅酮通常还含有硅氧烷重复单元(-O-Si(R)(R’)-O-,SiO2R2)，其为二甲基-(R＝R’＝甲基＝CH3)、甲基苯基-(R＝甲基＝CH3,R’＝苯基＝C6H5)或二苯基硅氧烷(R＝R’＝苯基＝C6H5)或这些组分的组合。荧光团可以共价结合到单体硅氧烷单元，或者也可以与可交联的低聚硅氧烷结合。然而，荧光团可以共价结合的其它部分，例如缩合芳族化合物、氟化烃或脂族烃也是可能的。
场控制元件的部分区域中或整个场控制元件中共价结合的荧光团相对于硅氧烷的质量比例通常为至少5ppmw，这取决于吸收截面，并且可以是高达约500ppmw(其中ppmw是“重量百万分之一”的英文缩写，其对应于106×荧光团的质量/硅氧烷质量)。这允许通过损伤过程在场控制元件中产生足够好的转换和光信号随后的进一步传输。
为了实现吸收和发射带之间的特别尖锐的分离，由此可以进一步减少场控制元件的掺杂体积内的再吸收，可以用各种共价结合的荧光团修饰硅氧烷聚合物，其作为FRET对(
Figure BDA0001463616270000071
共振能量转移对)。因此，硅酮聚合物可掺杂有萘和丹磺酰，萘二甲酰亚胺和二乙基氨基香豆素，或荧光素和罗丹明。为此目的，在与硅氧烷网络共价结合之前通过合适的合成步骤分别将FRET对的两个分子结合到共同的载体分子(其在光学上并且还相对于荧光团分子的电子系统是被动的)使得它们的空间间距永久地限制在大约30至70埃的FRET半径的数值内。
荧光团通常共价耦合到硅氧烷聚合物或共价耦合到嵌入在硅氧烷聚合物中的介电颗粒，并且还可以共价结合到硅氧烷聚合物上。介电颗粒可以是官能化颗粒，通常是纳米颗粒。作为示例，可以使用由具有不饱和官能团的氢硅氧烷颗粒或聚有机硅氧烷颗粒 (例如氢化基团或不饱和烃基，如烯丙基和乙烯基)所表面官能化的二氧化硅颗粒可用作介电颗粒。
由于荧光团的共价偶合，防止了荧光团在硅氧烷聚合物中的扩散。这使得在多达几十年的预期寿命期间可以将荧光团限制在部分区域，例如，在特别容易损伤的部分区域中或在用作光波导区域的部分区域中。
场控制元件通常占据高压附件中的空间，其中在高压操作期间的场强对于另一绝缘体来说过高。
也称为场控制元件的场控制元件通常具有用于高压附件中电场分布多样化的导电偏转器，该导电偏转器可与高压电缆的电缆护套相接触。特别地，场控制元件可以形成为具有集成导电偏转器的场控制锥体。
通过该偏转器，场控制元件能够在高压电缆附件的高压操作期间引导场线，使得场控制元件外部的场强足够低。通过嵌入式石墨或炭黑颗粒，导电偏转器可以在电致发光现象和/或局部放电现象的预期波长区域中具有高吸收系数，然后其代表场控制元件的基本上不透明或强吸收部分。
偏转器可以由场控制元件的剩余部分的硅氧烷聚合物或另一种硅氧烷聚合物组成。偏转器的硅氧烷聚合物也可以用共价结合的荧光团修饰和/或可以包含介电颜料，例如在与场控制元件的剩余部分相邻的区域中。因此，可以防止光信号的一部分穿透到更强吸收偏转器中。
根据一个改进，场控制元件具有几个部分区域，它们彼此分离或者彼此间隔开并且含有荧光团和/或介电颜料。因此，由场控制元件的损伤过程引起的或导致的光信号的特别高的部分可以耦合到波导中。例如，由场控制元件的损伤过程引起的或导致的初级光信号可以通过其荧光团在第一部分区域中被转换为较长波次级光信号，其被第二部分区域的染料所反射从而至少部分地防止其渗透到吸收偏转器中，并且防止其在非聚合的另外的绝缘体区域的方向上离开场控制元件，和/或至少部分地沿着波导的方向偏转。
场控制元件可以具有几个含有荧光团的部分区域和/或含有颜料的部分区域，或者仅具有一个含有荧光团的部分区域或仅具有一个含有颜料的部分区域。部分区域通常是三维区域。如果部分区域中的荧光团或颜料的浓度非常高，这些也可以非常薄，例如实际上与场控制元件的尺寸相比通常是弯曲的区域(即，具有大的表面积体积比的薄层)，该区域可以布置成靠近场控制元件的表面和/或表示表面的一部分。这可能是有意义的，例如对于仅含有颜料的部分区域，由于以这种方式，还可以确保进入场控制元件的其余部分的光或到波导的光的良好的后向散射，并且还可以实际上排除对电场轮廓的影响，因为靠近场控制元件的外表面的电场相对较弱。
介电颜料的反射率典型地大于0.8，更典型地大于0.9，以便在期望的方向上反射尽可能多的光。因此，介电颜料通常是白色的。特别地，使用TiO2、ZnO、SnO或Al2O3颗粒或具有这些材料涂层的电介质颗粒作为介电颜料。
介电颜料在部分区域中的浓度通常高于1体积％，更典型地高于2体积％，甚至更典型地高于5体积％。从而可以反射足够高的光的部分。
部分区域或多个部分区域以及波导或多个波导的形状和布置通常彼此匹配，以便实现非常好的透光率，由此实现高测量灵敏度。
根据一个示例性实施例，一种用于制造高压电缆附件的方法，该高压电缆附件用于容纳高压电缆，该高压电缆具有导体和围绕该导体的电缆绝缘体，该导体设置为传导电流，该方法包括以下步骤：
-形成场控制元件，该场控制元件至少在一些区域中是透明或半透明的，并且该场控制元件基于硅氧烷聚合物，通常为硅氧烷弹性体；
-将该场控制元件布置在高压电缆附件的壳体中，使得该场控制元件能够至少部分地围绕该高压电缆的电缆绝缘体；以及
-在该壳体中布置波导。
该方法以这样的方式进行，使得硅氧烷聚合物在场控制元件的至少一个部分区域中含有荧光团和/或介电颜料，并且使得至少一个由场控制元件中的局部放电引起的光信号能够从场控制元件耦合到波导中。
场控制元件的形成通常包括：将通常具有两个组分的硅氧烷体系的可交联组分与被交联官能化的荧光团、结合到介电颗粒的荧光团、和/或介电颜料混合到一起形成混合物，将混合物引入模具中，并使混合物在模具中聚合。
由于要生产的场控制元件通常包含不含共价结合的荧光团和介电颜料的区域或者至多已被稍微修饰的区域，通常也将不含荧光团和介电颜料的硅氧烷引入模具中。
取决于一个部分区域或多个区域的布置和形状，该过程也可以迭代地执行。这意味着场控制元件包括引入混合物或硅氧烷以及随后混合物在模具中聚合的几个循环。
或者或另外，介电颜料可以在引入混合物之前施加在模具的表面或表面部分上，或者在从模具中除去聚合的硅氧烷后作为涂层，例如，通过使用白色硅酮树脂染料，即基于硅酮树脂并且含有白色介电颗粒(如TiO2)的染料。
在聚合之前(在一个循环中)，可以将波导的一部分引入到模具中。
然而，波导在其在模具中成形之后也可以仅施加在场控制元件的表面上，例如，通过硅酮粘合剂与表面粘合。此外，所施加的波导可以随后设置有基于硅氧烷的反射层，例如，通过施加适当的硅酮树脂染料。从而可以进一步降低光损失。这些步骤也可以原地进行。
甚至可以将作为外环的共价改性的部分区域滑移到控制元件上，并且如果需要的话可以将其粘合。这也可以原地进行，因此即便是现有的高压设备也可以被改进，例如在维护期间。
根据一个示例性实施例，使用含有荧光团和/或介电颜料的硅氧烷聚合物作为高压装置的绝缘体。
通过与绝缘体光学耦合的至少一个波导和与至少一个波导耦合的光学检测器，可以高度灵敏和可靠地监测绝缘体的损伤或老化过程。
高压装置通常是高压电缆附件，特别是电缆接线盒或电缆端子，其场控制元件通常包含含有荧光团和/或介电颜料的硅氧烷聚合物的部分区域。
然而，由共价结合的荧光团和/或介电颜料改性的硅氧烷聚合物也可用作其他高压装置[例如电压转换器(变压器)和开关系统]中的绝缘体。
根据一个示例性实施例，高压装置包括绝缘体和波导，该绝缘体至少在一些区域中为透明或半透明且基于硅氧烷聚合物，其中硅氧烷聚合物至少在绝缘体的一个部分区域中含有荧光团和/或介电颜料，该波导布置成使得由绝缘体中的局部放电引起的至少一个光信号可以从绝缘体耦合到波导中。
附图说明
根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的其它有利的构造、细节、方面和特征将变得清楚明了，其中：
图1示出了根据一个示例性实施例的高压附件的示意性横截面；
图2示出了根据一个示例性实施例的高压附件的示意性横截面；
图3示出了根据又一示例性实施例的高压附件的示意性横截面；
图4示出了根据一个示例性实施例的高压附件的示意性横截面；
图5示出了根据一个示例性实施例的高压附件的示意性横截面；
图6示出了根据一个示例性实施例的高压附件的示意性横截面；以及
图7示出了根据又一示例性实施例的高压附件的示意性横截面。
具体实施方式
图1示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆1的高压附件100沿着高压电缆1圆筒轴线的示意性中央横截面视图。旋转对称的高压电缆1在内部包含用于传导电力电流的导体11，例如铝或铜导体，其被电缆绝缘体12[通常为XLPE绝缘体(交联聚乙烯)]和外部电缆护套13(例如外部导电层或半导体外部电缆护套) 所包围。此外，高压电缆1还可以具有垫层和铜护套以及用于防止环境影响的外包层。这可以是聚乙烯包层或另一种无卤素材料的包层。为了清楚起见，这些组件在图1和下列附图中未示出。此外，高压电缆1可以在导体11和XLPE绝缘体之间具有内部导电层。该内部导电层同样未示出。
图1所示的高压附件100表示电缆端子100，例如用于架空线路。电缆端子100具有壳体110，例如陶瓷壳体，其将高压附件100 的内部部件与环境密封。壳体110通常封闭(除了例如用于高压电缆1的孔)在横截面轴向对称(例如圆柱对称)的内部空间。绝缘体区域3设置在壳体110的内部(内部空间)中。绝缘体区域3可以由例如填充有油或气体的非常透明的绝缘体空间形成。
在引入电缆端子100的高压电缆1上，去除了外层(电缆包层，垫层和金属护套)，通常的半导体外部电缆护套13进一步进入场控制元件的区域，此后只有具有导体11的电缆绝缘体12再次进一步轴向地穿过端子直到头部配件。只有导体11完全穿过电缆端子 100，以便在离开电缆端子100之后，在图1的右侧的区域中连接到架空线。在电缆端子100的内部，导体11仅在被去除的电缆绝缘体的区域中被绝缘体区域2直接包围。为了容纳高压电缆1，占用对绝缘区域3中的绝缘体材料来说电场强度过大的内部空间的一部分的旋转对称电绝缘场控制部2插入到壳体110的内部空间中。场控制元件2设置有内部中空圆柱体，高压电缆1可以插入其中。例如，场控制元件2可以被构造为场控制锥体。
场控制元件2通常是弹性体场控制元件，其至少在一些区域中由透明或半透明的弹性元件组成，例如，在约300nm至约900nm 的范围内的一个或多个波长具有足够高透明度的硅酮弹性体元件。内部中空圆柱体的尺寸通常被设计成使得在插入的电缆1的电缆绝缘体12和场控制元件2之间存在压入配合，因此，场控制元件 2形成应力锥。非聚合物绝缘体区域3和场控制元件2一起形成电缆端子100的绝缘体2、3。
场控制元件2和/或高压电缆1可以例如通过弹簧被固定到壳体110或绝缘区域3的靠近电缆并处于地电位的区域5中(至少几乎无电场)，例如当绝缘体区域3由固体绝缘体元件形成时。场控制元件2和/或高压电缆1的这种固定通常用于部件结构中的电缆端子100的结构。不管使用的结构如何，绝缘层2、3包括用于容纳具有部分去除的电缆绝缘体12的电缆1和用于在高电压操作期间对电场线的适当引导的场控制元件2。相比之下，未示出的电缆接线盒设置有两个场控制元件，用于分别容纳两个待连接到具有部分去除的电缆绝缘体的电缆中的一个，并且用于在高压电缆附件的高电压操作期间对电场线的适当引导。
通常将弹性场控制元件2用于电场的降解，将适当形状的导电偏转器4被集成在其中。导电偏转器4与电缆护套13电接触。导电偏转器4通常也由硅酮弹性体组成，然而硅酮弹性体通过(例如与碳)掺杂具有适当的导电性。
由于材料不均匀性或缺陷，具有增加的场强的区域8通常在操作期间在场控制元件2中发生。在具有增加的场强的区域8中增加了发生损伤或发生局部放电以及因此产生光信号的概率。
在图1所示的示例性实施例中，高压附件100的内部空间中的波导51通向场控制元件2中，其中在场控制元件2的表面附近形成几匝51W。因此，波导51部分嵌入到场控制元件2中。由于波导51在操作期间(通过偏转器屏蔽区域8)设置在低场强区域，在高电压操作期间波导51的有效的介电常数和场控制元件2(硅氧烷) 的材料的介电常数之间的适当差异对场分布的影响很小。
由于具有线圈或螺旋形螺旋形状的匝51W，伴随由高压引起并由场控制元件2中的电荷载体介导的变化(损伤过程)的初级光信号耦合到波导51的概率可能增加。因此，还可以增加通过与波导耦合的光学检测器检测损伤过程的概率。
在示例性实施例中，通过场控制元件2的中空截头圆锥形部分区域2a也会增加损伤过程的检测概率，因为场控制元件2的硅酮弹性体与共价结合的荧光团在部分区域2a中被修饰，该荧光团将最可能在区域8中产生的初级光信号转换成更不被强烈吸收的较长波次级光信号。此外，来自荧光团的光子的无向发射也导致离开场控制元件2来到绝缘区3中的光的比例降低。
波导51典型地是荧光光导纤维(FOF是荧光光纤的英文 Fluorescent OpticalFiber的缩写)，更典型地是具有掺杂核心的聚合荧光光导纤维。荧光团的吸收波谱通常与场控制元件2中的光信号的预期光谱相匹配。因此，可以获得用于光信号的极敏感的传感器。特别地，FOF的核心可以包含具有与初级光信号匹配的吸收光谱的荧光团和具有与部分区域2a的荧光团的发射光谱匹配的吸收光谱的荧光团(多重掺杂核心的FOF)。
例如，部分区域2a的荧光团能够从280nm到500nm，典型地从315nm到500nm，更典型地从350nm到500nm的波长范围的部分区域中的吸收光并且在500nm以上(例如在500nm至800nm的范围内)的波长区域中发射更长波(次级)的光，通常在FOF核心的荧光团吸收的部分区域中。部分区域2a的荧光团的这种发射光谱通常与FOF的核心的荧光团的吸收光谱具有大的重叠。也可以使用几个荧光团并产生能量梯度。此外，能够使用适当的几何固定的荧光染料对，其允许无辐射且因此无损的能量转移(FRET对)。
如果光纤51的有效介电常数偏离场控制元件2的有效介电常数，则在绝缘体中的电场分布中可能发生变化。然后可以额外地修饰场控制元件2的形状和/或导电率，特别是偏转器的形状和/或导电率，使得电场的变化由光纤51补偿。然而，当光纤51也基于硅氧烷时，电场分布的变化也可以至少大大地避免。
荧光光纤51与未示出的光学检测器一起形成所谓的“FOF传感器”，即由此检测器与掺杂核心的一个荧光团(或多个荧光团)的发射波谱匹配。光纤的包层和芯均可以用共价结合的荧光团修饰。
荧光光纤51的至少一端连接到光学检测器(光耦合)。然而，荧光光纤51的两端均可以连接到光学检测器。从而可以实现特别高的测量灵敏度。光学检测器通常是光电转换器，例如光电二极管，例如雪崩光电二极管，或光电倍增管或甚至光谱仪。
光学检测器和连接到其上的评估元件(也未示出)通常设置在无场空间5中或端子壳体110外部。因此，检测器和评估元件可以被大大地保护免受高压场的电磁干扰。评估元件甚至可以是控制和评估元件。
荧光光纤51可以直接连通到评估元件。然而，也可以通过具有较小衰减的传输光纤将荧光光纤51连接到评估元件。
此外，也可以在场控制部中不仅嵌入一个具有匹配的吸收波长区域的荧光光纤51，还嵌入数个具有不同的吸收波长区域的荧光光纤51。因此，可以以高灵敏度感测到来自局部放电和/或电致发光的发射光谱的更宽的部分。这些荧光光纤中的每一个可以经由其自己的传输光纤连接到单独的检测器，例如，适合于相应荧光团的单个光电二极管。然后可以简单地添加各个光电二极管的信号，例如用于确定光输出的整体度量。
由于其掺杂，导电偏转器4可以是不透明的。在这种情况下，从图1可以看出，偏转器至少部分地从具有增加的场强的区域8 遮蔽荧光光纤51。然而，借助于掺杂荧光的部分区域2a，可以通过次级光信号检测从区域8出射的初级光信号。
或者，部分区域2a还可以掺杂颜料，例如氧化钛颗粒，其容易反射初级光信号，而不掺杂荧光团。以这种方式，还可以至少部分地补偿不透明或强吸收偏转器4的阴影效应。
部分区域2a甚至可以具有掺杂荧光的内部部分(内环；由于轴向对称，该部分区域通常基本上是环形的)和掺杂颜料的外部部分 (外环)。利用这种布置，来自场控制元件的特别高的光输出可以耦合到光纤51中。
图2示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆1的高压附件200沿着高压电缆1圆筒轴线的示意性中央横截面视图。高压附件200类似于图1的高压附件100，同样表示电缆端子。然而，电缆端子200的光纤51未被嵌入在场控制部2中，而是设置在其外表面上，例如，与其粘合。通过其布置也可以高灵敏度地检测由高压电场引起的老化过程。
此外，光源40(例如连接到控制和评估元件并且可以用于检查和/或校准光纤传感器的LED)被布置在无电场空间5中。
图3示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆1的高压附件300沿着高压电缆1圆筒轴线的示意性中央横截面视图。高压附件 300 类似于图 1 的高压附件 100 ，同样表示电缆端子。然而，电缆端子 300 的场控制元件 2 除了检测器 4 之外还包括掺杂有荧光团的硅氧烷弹性体，例如掺有荧光团的硅酮弹性体。可以相对简单地制造电缆端子300 的场控制元件 2 ，因为除了偏转器 4 之外，仅需要一个掺杂有荧光团的硅氧烷。
此外，在该示例性实施例中，具有增加的场强的区域 8 也掺杂有荧光团。因此，在电场导致老化过程的最高危险区域 8 中产生的初级光信号可以有效地转换成长波次级光信号，并且，次级光信号的小的吸收损耗可以提高测量灵敏度。
这对于电缆端子 400 也是如此，其在图 4 中以沿着高压电缆 1 圆筒轴线的示意性中央横截面视图示出，并且其场控制元件 2 具有中空圆锥形部分区域 2a ，其掺杂有荧光团并且包含大部分电场导致老化过程的最高危险区域 8 。
作为图 4 所示的几何形状的替代方案，部分区域 2a 部分或全部地包含区域 8并且其可以具有中空圆柱形形状，并且例如延伸至或接近电缆绝缘体 12 。
图 5 示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆 1 的高压附件 500 沿着高压电缆 1 圆筒轴线的示意性中央横截面视图。高压附件500类似于参考图1的高压附件 100 ，同样表示电缆端子。然而，电缆端子 500 的场控制元件 2 的部分区域 2a 不掺杂荧光团，却掺杂介电颜料。由于特别从部分区域 2a 的介电颜料的区域 8 出现的初级光信号的反射，可以增加耦合到光纤 51 中的初级光信号的组分。在该实施例中，部分区域2a 形成反射层。
在图 5 的示例性实施例中，光纤 51 仅设置在场控制元件 2 的表面上。这使得可以原地安装或改装光纤 51 。然而，如参照图 1 所解释的那样，电缆端子 500 的光纤51 也可以部分地嵌入到场控 制元件2中。基于所定义的生产条件，之后可以预期对电场导致的老化过程的测量的灵敏度的较小波动。当光纤51部分地嵌入到场控制元件2中时，可以通过场控制元件2的(另一个)部分区域另外进一步降低光损耗，该部分区域包含介电颜料，作为反射层，从区域8观察，设置在匝51w后面。这些陈述也类似地适用于图3和图4的示例性实施例。
图6示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆1的高压附件600沿着高压电缆1圆筒轴线的示意性中央横截面视图。高压附件600类似于高压附件100，表示电缆端子。然而，两根光纤 51、52(或甚至多于两根光纤)被嵌入并布置在电缆端子600的场控制元件2中。此外，光纤51、52被布线到掺杂荧光团的部分区域 2a或至少被布线到接近部分区域2a。通过这种布置，可以通过与由高电压场引起的老化过程相关联的光信号敏感度特别高地检测由高电压场引起的老化过程。
图7示出了用于容纳根据一个示例性实施例的高压电缆1的高压附件700沿着高压电缆1圆筒轴线的示意性中央横截面视图。高压附件700类似于参照图6的高压附件600，表示电缆端子。然而，电缆端子700的光纤51、52不直接到达部分区域2a，而是只到达另外的部分区域2b，其同样由荧光团共价修饰。
而部分区域2a的荧光团典型地从280nm到500nm，更典型地从315nm到500nm，甚至更典型地从350nm到500nm的波长范围的部分区域吸收光，并且从500nm以上(例如在500nm至800nm 的范围内)的波长区域发射更长波(次级)的光，通常在另外的部分区域2a的荧光团和(如果可用的话)光纤51、52的芯的荧光团强烈吸收的部分区域。该部分区域2a的荧光团的这种发射光谱通常至少与部分区域2b的荧光团的吸收光谱具有大的重叠。
或者，电缆端子700的部分区域2a还可以形成为反射部分区域，即作为掺杂有介电颜料的部分区域。
根据未示出的另外的示例性实施例，几个荧光光纤(例如四个光纤)通常分别构造为半环并且与总线光纤一起被构成在场控制部分中，该总线光纤用作“集电环”并掺杂有另外的荧光团。在这种情况下，总线光纤可以被涂覆在背离半环的一侧上，具有白色反射层，例如含有TiO2颗粒或ZnO颗粒的层。从而可以进一步提高光耦合效率。
这里描述的高压装置具有至少在一些区域中是透明或半透明的绝缘体，其基于硅氧烷聚合物，通常基于硅酮弹性体，其中硅氧烷聚合物至少在绝缘体的一个部分区域中含有荧光团和/或介电颜料，以及波导(通常为具有掺杂荧光的纤芯的光纤)，其布置成使得在绝缘体中产生的光信号可以从绝缘体耦合到波导中。在绝缘体中产生的光信号可能是例如局部放电闪光，或者是由局部放电之前的绝缘体变化的电感应过程引起的，例如电致发光信号。
与设置在高压设备(附件)之外的电磁或压电传感器或测量设备相比，光纤测量允许对在绝缘体中由高电压场引起的老化过程的更简单和/或更灵敏和/或更快的检测。与绝缘体的分别用共价结合的荧光团和/或介电颜料进行改进的一个或多个部分区域组合，可以显著进一步提高由高电压场引起的绝缘体的老化过程的检测灵敏度。

Claims (16)

1.一种用于容纳高压电缆(1、22)的高压电缆附件(100-700)，该高压电缆(1、22)具有设置为用于电流传导的导体(11、112)和围绕导体(11、112)的电缆绝缘体(12、122)，该高压电缆附件(100-700)具有：
-绝缘体(2-5)，该绝缘体(2-5)具有场控制元件(2、4)，该场控制元件(2、4)至少在一些区域是透明或半透明的，并且含有硅氧烷聚合物，其中，该场控制元件(2、4)至少部分地围绕该高压电缆(1、22)的电缆绝缘体(12、122)，并且其中，该硅氧烷聚合物在该场控制元件的至少一个部分区域(2a、2b)中含有荧光团，其中，该荧光团共价耦合到该硅氧烷聚合物和/或共价耦合到嵌入在该硅氧烷聚合物中的介电颜料；和
-波导(51、51W、52)，该波导(51、51W、52)形成一部分绝缘体(2-5)，该波导(51、51W、52)被布置为使得由该场控制元件(2、4)中的局部放电引起的光信号能从该场控制元件(2、4)耦合到该波导(51、51W、52)中。
2.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该波导(51、51W、52)至少部分地设置在该场控制元件(2、4)中和/或至少部分地设置在该场控制元件的表面上。
3.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该波导(51、51W、52)在核和/或包层中掺杂有荧光或被荧光团共价修饰。
4.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该波导(51、51W、52)包含该硅氧烷聚合物或另一种硅氧烷聚合物。
5.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该场控制元件具有导电偏转器(4)，该导电偏转器能与高压电缆(1、22)的电缆护套(13)相接触，和/或其中，该偏转器包含该硅氧烷聚合物或另一种硅氧烷聚合物。
6.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该硅氧烷聚合物包含不同的荧光团和/或其中，选择该场控制元件(2、4)的该荧光团，使得它们能将由损伤过程引起的光信号组分转换成波长区域的辐射，其中该硅氧烷聚合物具有比该光信号组分的波长区域更高的透明度，和/或其中，该场控制元件(2、4)的荧光团在低于500nm的波长区域被激发，和/或其中，选择并设置该场控制元件(2、4)的该荧光团从而使得在该场控制元件(2、4)中的不同荧光团的对能够作为PRET对。
7.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该介电颜料的反射率大于0.8。
8.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该荧光团的质量比例大于5ppmw，和/或该介电颜料的体积浓度大于1％。
9.根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，其中，该高压电缆附件是电缆接线盒或电缆端子。
10.一种高压装置，其包括根据权利要求1所述的高压电缆附件(100-700)，以及耦合到该波导(51、51W、52)的光学检测器。
11.根据权利要求10所述的高压装置，还包括控制和评估元件和/或光源(40)，该控制和评估元件耦合到该光学检测器，该光源(40)连接至该控制和评估元件并且设置在该高压电缆附件(100-700)的壳体(110)内部。
12.一种制造用于容纳高压电缆(1、22)的高压电缆附件(100-700)的方法，该高压电缆(1、22)具有设置为用于电流传导的导体(11、112)和围绕导体(11、112)的电缆绝缘体(12、122)，该方法包含：
-形成场控制元件(2、4)，该场控制元件(2、4)至少在一些区域中是透明或半透明的，并且该场控制元件(2、4)包含硅氧烷聚合物；
-将该场控制元件(2、4)布置在该高压电缆附件的壳体(110)中，使得该场控制元件(2、4)能够至少部分地围绕该高压电缆(1、22)的电缆绝缘体(12、122)；以及
-在该壳体(110)中布置波导(51、51W、52)，从而使得该硅氧烷聚合物在该场控制元件的至少一个部分区域(2a、2b)中含有荧光团和/或介电颜料，该荧光团共价耦合到该硅氧烷聚合物和/或共价耦合到嵌入在该硅氧烷聚合物中的介电颜料，从而使得由该场控制元件(2、4)中的局部放电引起的光信号能够从该场控制元件(2、4)耦合到该波导(51、51W、52)中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该场控制元件(2、4)的形成包括：将硅氧烷体系与荧光团和/或介电颜料混合到一起形成混合物，将该混合物引入模具中，使该混合物在该模具中聚合。
14.根据权利要求12所述的方法，包括将该波导(51、51W、52)和/或该介电颜料布置在该场控制元件的表面上。
15.包含荧光团和/或介电颜料的硅氧烷聚合物作为高压装置(100-700)的绝缘体(2-5)的用途，其中，该荧光团共价耦合到该硅氧烷聚合物和/或共价耦合到嵌入在该硅氧烷聚合物中的介电颗粒。
16.根据权利要求15所述的用途，其中，该绝缘体(2-5)包含场控制元件(2、4)。
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