DE102018119476A1 - Material for directional control of an electrical field - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff (1) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, aufweisend ein Matrixmaterial (2) und textile Fasern (3), die in dem Matrixmaterial (2) gehalten sind, wobei zumindest ein Teil der Fasern (3) mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial (2) angeordnet ist.The invention relates to a material (1) for controlling an electrical field, comprising a matrix material (2) and textile fibers (3) which are held in the matrix material (2), at least some of the fibers (3) having a predetermined orientation is arranged in the matrix material (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes sowie eine Verwendung von textilen Fasern. Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, zur Feldsteuerung in der Hochspannungstechnik zur Anwendung zu kommen.The invention relates to a material for controlling an electrical field, a component for controlling an electrical field, a method for producing a material for controlling an electrical field and the use of textile fibers. The invention is particularly suitable for use in field control in high-voltage technology.

Die Verbesserung elektrischer Feldverteilungen bei Einrichtungen zur elektrischen Energieversorgung mit Hilfe gezielter Feldsteuermaßnahmen stellt ein wichtiges Aufgabengebiet der Hochspannungstechnik dar. Solche Feldsteuermaßnahmen kommen beispielsweise bei Kabelgarnituren, Durchführungen, Transformatoren, rotierenden elektrischen Maschinen, Isolatoren oder Überspannungsableitern zum Einsatz. Feldsteuermaßnahmen tragen in diesem Zusammenhang zur Bereitstellung zuverlässiger und wirtschaftlicher Betriebsmittel bei. Der Begriff „Feldsteuerung“ umfasst insbesondere alle Maßnahmen, die dazu dienen, lokale elektrische Feldstärken so weit zu senken, dass die elektrischen Festigkeiten der Isoliermaterialien und der Grenzflächen nirgendwo überschritten werden. Prinzipiell kann man feldsteuernde Maßnahmen im Volumen eines Isolierstoffs sowie entlang von Grenzflächen unterscheiden. Im engeren Sinne versteht man unter Feldsteuerung insbesondere Maßnahmen zur Beeinflussung elektrischer Feldstärken entlang von Grenzflächen, die oft besondere Schwachstellen in einem Isoliersystem darstellen.The improvement of electrical field distributions in facilities for electrical energy supply with the help of targeted field control measures represents an important area of responsibility for high voltage technology. Such field control measures are used, for example, in cable fittings, bushings, transformers, rotating electrical machines, isolators or surge arresters. In this context, field tax measures contribute to the provision of reliable and economical equipment. The term "field control" includes in particular all measures that serve to lower local electrical field strengths to such an extent that the electrical strengths of the insulating materials and the interfaces are never exceeded. In principle, one can differentiate between field-controlling measures in the volume of an insulating material and along interfaces. In the narrower sense, field control means measures to influence electrical field strengths along interfaces, which often represent special weak points in an insulation system.

Die Steuerung der elektrischen Belastung von Isolationssystemen, insbesondere an Grenzflächen stellt somit eine wesentliche Herausforderung für das Design von langlebigen und zuverlässigen (Hochspannungs-) Komponenten dar, in denen hohe Spannungen oder elektrischen Feldstärken auftreten können. Dies schließt nicht nur Anlagen der Energieversorgung ein (wie z. B. Durchführungen von Transformatoren, Verbindungselemente von Kabelsystemen, Durchführungen von gekapselten Schaltanlagen, usw.), sondern auch Anlagen der Medizintechnik (z. B. Computertomographen) und/oder Kabelsysteme für die Elektromobilität. Die elektrische Feldsteuerung ist hierbei notwendig, um die Belastung der elektrisch nichtleitenden Isolierstoffe möglichst gleichmäßig zu Verteilen und die Isolation nicht lokal zu überlasten.The control of the electrical load of insulation systems, especially at interfaces, is therefore a major challenge for the design of long-lasting and reliable (high-voltage) components in which high voltages or electrical field strengths can occur. This includes not only energy supply systems (such as the implementation of transformers, connecting elements of cable systems, implementation of encapsulated switchgear, etc.), but also medical technology systems (e.g. computer tomographs) and / or cable systems for electromobility , The electrical field control is necessary to distribute the load on the electrically non-conductive insulating materials as evenly as possible and not to overload the insulation locally.

Bei Wechselspannung ergeben sich die Feldverhältnisse in der Regel als kapazitives Verschiebungsfeld, welches maßgeblich von den Permittivitäten bzw. Dielektrizitätszahlen der Materialien bestimmt wird. Demgegenüber ergibt sich bei Gleichspannung in der Regel ein resistives bzw. konduktives Strömungsfeld, für welches die Leitfähigkeiten verantwortlich sind. Im Falle von Mischfeldern und/oder transienten Belastungen kann es darüber hinaus zu komplexeren Feldverhältnissen kommen. Jedenfalls ist eine möglichst exakte Kenntnis der elektrischen und dielektrischen Materialeigenschaften von Vorteil. Wenn Grenzflächen von einem elektrischen Feld normal bzw. orthogonal, d.h. senkrecht zur Grenzfläche, belastet werden, kann eine vereinfachte Betrachtung erfolgen, die sich auf die Belastungen der aneinandergrenzenden Isolierwerkstoffe beschränkt. Wenn jedoch auch tangentiale Belastungen, d.h. Belastungen parallel zur Grenzfläche, auftreten, wirkt sich die in der Regel geringere elektrische Festigkeit entlang der Grenzfläche nachteilig aus. In diesem Zusammenhang kann häufig festgestellt werden, dass die Grenzfläche eine geringere elektrische Festigkeit aufweist, als es auf Basis der Eigenschaften der aneinander angrenzenden Medien zu erwarten wäre. Ferner wurde häufig festgestellt, dass die Struktur eines typischen Isolierstoffaufbaus eine sehr frühzeitige Zündung von Entladungen und die Ausbreitung stromstarker, weitreichender und erodierender Gleitentladungen begünstigt. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten „Gleitanordnung“.In the case of AC voltage, the field conditions generally result as a capacitive displacement field, which is largely determined by the permittivities or dielectric constants of the materials. In contrast, with DC voltage there is usually a resistive or conductive flow field for which the conductivities are responsible. In the case of mixed fields and / or transient loads, more complex field conditions can also occur. In any case, an exact knowledge of the electrical and dielectric material properties is advantageous. If interfaces from an electric field are normal or orthogonal, i.e. perpendicular to the interface, a simplified view can be made, which is limited to the loads of the adjacent insulating materials. However, if tangential loads, i.e. If loads occur parallel to the interface, the generally lower electrical strength along the interface has a disadvantageous effect. In this context, it can often be determined that the interface has a lower electrical strength than would be expected on the basis of the properties of the media which adjoin one another. It has also often been found that the structure of a typical insulation structure favors the very early ignition of discharges and the spread of high-current, far-reaching and eroding sliding discharges. In this case one speaks of a so-called “sliding arrangement”.

Ein typisches Beispiel für eine solche Gleitanordnung ist das Ende eines Kabels, wie es in 1a veranschaulicht ist, bei dem die den Hochspannungsleiter 6 umgebende Kabelisolierung 7 freigelegt ist und auf der die geerdete äußere Leitschicht (Kabelmantel 8) scharfkantig endet. Ohne feldsteuernde Maßnahmen ergeben sich extrem hohe lokale Feldstärken. Die entsprechenden Feldlinien 5 (Äquipotentiallinien) sind in 1a angedeutet.A typical example of such a sliding arrangement is the end of a cable as shown in 1a is illustrated, in which the high voltage conductor 6 surrounding cable insulation 7 is exposed and on which the grounded outer conductive layer (cable sheath 8th ) ends with sharp edges. Without field control measures, extremely high local field strengths result. The corresponding field lines 5 (Equipotential lines) are in 1a indicated.

Zur Vermeidung oder Entschärfung von Gleitanordnungen stehen verschiedene Feldsteuermethoden zur Verfügung:

  • - In 1b ist beispielhaft und schematisch eine geometrische Feldsteuerung durch die geometrische Gestaltung von Elektrodenkonturen veranschaulicht. Für die geometrische Feldsteuerung wird hier ein ggf. mit dem Erdpotential des Kabelmantels gebildeter und in einem Steuerkonus 9 angeordneter Deflektor 19 genutzt.
  • - In 1c ist beispielhaft und schematisch eine kapazitive Feldsteuerung durch leitfähige Steuerbeläge 10 mit kapazitiv bestimmter Spannungsaufteilung bei Wechsel- bzw. Stoßspannung veranschaulicht.
  • - In 1d ist beispielhaft und schematisch eine refraktive Feldsteuerung durch hoch permittives Material 11, insbesondere hochpermittive Isolierstoffe mit dielektrisch (bzw. kapazitiv) verzerrter Feldverteilung bei Wechsel- und Stoßspannung veranschaulicht.
  • - In 1e ist beispielhaft und schematisch eine resistive Feldsteuerung durch halbleitendes Material 12, beispielsweise gebildet mit restleitfähigen Steuerbelägen oder halbleitenden Leitschichtaufträgen, mit resistiv bestimmter Spannungsaufteilung veranschaulicht.
  • - In 1f ist beispielhaft und schematisch eine nichtlineare resistive Feldsteuerung durch Materialien, die sich in Bereichen mit hoher Feldstärke durch Leitfähigkeitszunahme selbst entlasten, veranschaulicht. Hierzu wird nichtlineares Material 13 verwendet, das bei niedrigen Feldstärken isolierende Eigenschaften aufweist und bei höheren Feldstärken in einen wesentlich besser leitfähigen Zustand übergeht.
Various field control methods are available to avoid or defuse sliding arrangements:
  • - In 1b A geometrical field control is exemplarily and schematically illustrated by the geometrical design of electrode contours. For the geometric field control, a cone, possibly formed with the earth potential of the cable sheath, is used here 9 arranged deflector 19 used.
  • - In 1c is an example and schematic of a capacitive field control by conductive control pads 10 illustrated with capacitively determined voltage distribution for AC or surge voltage.
  • - In 1d is an example and schematic of a refractive field control using highly permittive material 11 , in particular highly permeable insulating materials with a dielectric (or capacitive) distorted field distribution with AC and surge voltage.
  • - In 1e is an example and schematic of a resistive field control through semiconducting material 12 , for example formed with residual conductive control coatings or semiconducting guide layer applications, illustrated with resistively determined voltage distribution.
  • - In 1f is exemplarily and schematically illustrated a nonlinear resistive field control by materials that relieve themselves in areas with high field strength by increasing conductivity. This is done using nonlinear material 13 used, which has insulating properties at low field strengths and changes into a much better conductive state at higher field strengths.

Bei diesen fünf technischen Ansätzen zur elektrischen Feldsteuerung (geometrisch, kapazitiv, refraktiv, resistiv, nicht-linear) beruhen die letzten drei auf den Eigenschaften der verwendeten Isoliermaterialien. Die Materialeigenschaften können durch das Einbringen von pulverförmigen Füllstoffen angepasst und aufgrund der fehlenden Ordnung der Füllstoffe gleichmäßig in alle Richtungen modifiziert werden. Keiner dieser drei Ansätze, bzw. keine der damit verbunden Technologien, erlaubt bisher, dass die Materialeigenschaften richtungsabhängig eingestellt werden können.In these five technical approaches to electrical field control (geometric, capacitive, refractive, resistive, non-linear), the last three are based on the properties of the insulating materials used. The material properties can be adjusted by introducing powdered fillers and modified evenly in all directions due to the lack of order of the fillers. None of these three approaches, or none of the technologies associated with them, has so far allowed the material properties to be adjusted depending on the direction.

Die genannten Füllstoffe werden in der Regel in Form von Pulvern in eine unvernetzte Polymermatrix eingeknetet und danach gegossen oder gespritzt. Durch die resultierende ungeordnete Struktur von den meist kugel- oder fladenförmigen Füllstoffen wird die elektrische Leitfähigkeit unabhängig von der Richtung des Stromflusses gleichmäßig beeinflusst. Unterschiede entstehen lediglich durch Konzentrationsunterschiede der Füllstoffe oder bei der teilweisen An- und Abwesenheit von sog. „Füllstoffbrücken“, bei denen Füllstoffpartikel in einer langen Kette angeordnet sind und sich gegenseitig berühren. Jedoch lässt sich dieser Effekt bislang nicht gezielt richtungsabhängig einstellen, vielmehr ergeben sich diese Füllstoffbrücken eher zufällig, was für eine gezielte Beeinflussung des elektrischen Feldes sogar nachteilig sein kann.The fillers mentioned are generally kneaded in the form of powders into an uncrosslinked polymer matrix and then poured or injected. Due to the resulting disordered structure of the mostly spherical or flat fillers, the electrical conductivity is influenced uniformly regardless of the direction of the current flow. Differences only arise due to concentration differences of the fillers or the partial presence and absence of so-called “filler bridges”, in which filler particles are arranged in a long chain and touch each other. However, this effect has so far not been able to be set in a targeted manner depending on the direction; rather, these filler bridges are created more by chance, which can even be disadvantageous for targeted influencing of the electrical field.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes sowie eine Verwendung von textilen Fasern angegeben werden, die jeweils zumindest dazu beitragen eine richtungsabhängige Feldsteuerung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen auch eine möglichst einfache und kostenschonende Herstellung und/oder eine freie Gestaltbarkeit von Bauteilformen möglich sein.Proceeding from this, it is an object of the present invention to at least partially solve the problems described with reference to the prior art. In particular, a material for controlling an electrical field, a component for controlling an electrical field, a method for producing a material for controlling an electrical field and the use of textile fibers are to be specified, each of which at least contribute to enabling direction-dependent field control. In addition, the simplest possible and cost-effective production and / or free design of component shapes should also be possible.

Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.These objects are achieved by the features of the independent claims. Further advantageous refinements of the solution proposed here are specified in the dependent claims. It should be pointed out that the features listed individually in the dependent patent claims can be combined with one another in any desired, technologically sensible manner and define further refinements of the invention. In addition, the features specified in the patent claims are specified and explained in more detail in the description, further preferred embodiments of the invention being illustrated.

Hierzu trägt ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes bei, aufweisend ein Matrixmaterial und textile Fasern, die in dem Matrixmaterial gehalten sind, wobei zumindest ein Teil der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung gegenüber einer oder mehrerer Querrichtungen (bezogen auf die Faserrichtung) erhöht werden.A material for controlling an electrical field contributes to this, comprising a matrix material and textile fibers which are held in the matrix material, at least some of the fibers being arranged in the matrix material with a predetermined orientation. As a result, the electrical conductivity in the fiber direction can advantageously be increased compared to one or more transverse directions (based on the fiber direction).

Die hier vorgeschlagene Lösung trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, eine elektrische Feldsteuerung für beispielsweise Gleichspannungsanwendungen anzugeben, bei der die Verteilung des elektrischen Feldes, mittels eines insbesondere homogenen Einbringens von (dünnen) vorzugsweise elektrisch leitfähigen textilen Fasen in ein Matrixmaterial bzw. einen Isolierstoff, richtungsabhängig beeinflussbar ist bzw. beeinflusst wird. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die hier vorgestellte Lösung (erstmals) eine richtungsabhängige Feldsteuerung erlaubt. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch das Einbringen von Textilfasern mit vorzugsweise abgestimmten bzw. eingestellten elektrischen Eigenschaften (wie etwa einer vorgegebenen elektrischen Leitfähigkeit) in ein Matrixmaterial, insbesondere einen umgebenden Isolierstoff (mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit), dessen Materialeigenschaften in Faserrichtung verändert werden können. Für eine elektrische Feldsteuerung kann vor allem die elektrische Leitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials bzw. Werkstoffs beeinflusst werden. Mithilfe der ausgerichteten Textilfasern ist es besonders vorteilhaft möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das Design und die Konstruktion von völlig neuen Bauteilformen, die bisher nicht realisiert werden konnten.The solution proposed here advantageously contributes to specifying an electrical field control for, for example, DC voltage applications, in which the distribution of the electrical field is direction-dependent, by means of a particularly homogeneous introduction of (thin) preferably electrically conductive textile bevels into a matrix material or an insulating material can be influenced or is influenced. In other words, this means in particular that the solution presented here (for the first time) permits direction-dependent field control. It has surprisingly been found that by introducing textile fibers with preferably adjusted or adjusted electrical properties (such as a predetermined electrical conductivity) into a matrix material, in particular a surrounding insulating material (with a low electrical conductivity), the material properties of which are changed in the direction of the fibers can. For an electrical field control, the electrical conductivity of the resulting composite material can be influenced. With the help of the aligned textile fibers, it is particularly advantageously possible to (only) modify the material properties relevant for electrical field control in one or two spatial directions. This advantageously enables the design and construction of completely new component shapes that could not previously be realized.

Bei dem Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes handelt es sich insbesondere um einen Werkstoff zur Feldsteuerung bzw. um eine Feldsteuerwerkstoff (bzw. ein Feldsteuermaterial). Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Werkstoff derart eingerichtet ist, dass er den Verlauf von Äquipotentiallinien bzw. Feldlinien eines elektrischen Feldes zumindest beeinflussen oder steuern, insbesondere glätten, und/oder deren Steigung, bzw. maximale Dichte reduzieren kann. Letzteres bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Maximum der elektrischen Feldstärke verringert werden kann. In diesem Zusammenhang resultiert eine geringere Dichte insbesondere aus einem größeren Abstand der entsprechenden Feld-, bzw. Äquipotentiallinien und zeigt eine geringere Feldstärke an. The material for controlling an electrical field is in particular a material for field control or a field control material (or a field control material). In other words, this means in particular that the material is set up in such a way that it can at least influence or control, in particular smooth, the course of equipotential lines or field lines of an electrical field and / or reduce their slope or maximum density. In other words, the latter means in particular that the maximum of the electric field strength can be reduced. In this context, a lower density results in particular from a greater distance between the corresponding field or equipotential lines and indicates a lower field strength.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich die Feldlinien in Fadenrichtung (Verlauf der textilen Faser) leiten lassen. Insbesondere lässt sich die elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung gegenüber einer oder mehrerer Querrichtungen (bezogen auf die Faserrichtung) erhöhen. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, um die Feldlinien zu beeinflussen, um eine richtungsabhängige Feldsteuerung zu ermöglichen. Insbesondere kann dieser Effekt darüber hinaus auch von einem temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix abhängen. Jedoch kann die Richtungsabhängigkeit der hier vorgestellten Feldsteuerung mit den ausgerichteten Fasern grundsätzlich auch unabhängig von dem temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix beobachtet bzw. auch ohne besondere Berücksichtigung des temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix erreicht werden.It has surprisingly been shown that the field lines can be guided in the thread direction (course of the textile fiber). In particular, the electrical conductivity in the fiber direction can be increased compared to one or more transverse directions (based on the fiber direction). This can be used advantageously to influence the field lines in order to enable direction-dependent field control. In particular, this effect can also depend on a temperature and / or possibly field strength-dependent ratio of the electrical conductivity of the fibers and the surrounding matrix. However, the directional dependency of the field control presented here with the aligned fibers can in principle also be observed independently of the temperature and / or possibly field strength-dependent ratio of the electrical conductivity of the fibers and the surrounding matrix or without special consideration of the temperature and / or possibly field strength-dependent ratio the electrical conductivity of the fibers and the surrounding matrix.

Das Matrixmaterial ist insbesondere ein elektrisch isolierendes (Matrix-) Material. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Matrixmaterial elektrisch isolierende Materialeigenschaften aufweist. Bevorzugt weist das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-10 S/m [Siemens pro Meter], vorzugsweise kleiner oder gleich 10-13 S/m oder sogar kleiner oder gleich 10-16 S/m auf. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-16 S/m.The matrix material is in particular an electrically insulating (matrix) material. In other words, this means in particular that the matrix material has electrically insulating material properties. The matrix material preferably has an electrical conductivity of less than or equal to 10 -10 S / m [Siemens per meter], preferably less than or equal to 10 -13 S / m or even less than or equal to 10 -16 S / m. In this context, an electrical conductivity of less than or equal to 10 -16 S / m is particularly preferred.

Vorzugsweise ist das Matrixmaterial zumindest teilweise mit einem elektrischen Isolierstoff gebildet. Als Isolierstoff kommt mindestens eins der folgenden Materialien oder eine Kombination hiervon in Betracht: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM/EPR), Silikonkautschuk, Silikonharz, Epoxidharz, ungesättigte Polyesterharze, glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), vernetztes Polyethylen (VPE), Keramik, Glas, getränkte Isolierbänder (Fiberglas, Papier, Glimmer, Aramid), Polyamide (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE).The matrix material is preferably at least partially formed with an electrical insulating material. At least one of the following materials or a combination thereof can be considered as the insulating material: ethylene-propylene-diene rubber (EPDM / EPR), silicone rubber, silicone resin, epoxy resin, unsaturated polyester resins, glass fiber reinforced plastic (GRP), polyurethane (PU), polyethylene ( PE), cross-linked polyethylene (VPE), ceramics, glass, soaked insulating tapes (fiberglass, paper, mica, aramid), polyamides (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE).

Die (Textil-)Fasern sind in der Regel länglich. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Längserstreckung der Faser um ein Vielfaches größer ist als ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser. Die Ausrichtung einer Faser betrifft hier insbesondere die Richtung von einem Faserende zu dem anderen Faserende der (länglichen) Faser. Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um textile (schmelzgesponnene) Filamente mit endlicher Länge. Vorzugsweise haben die Fasern eine (vorbestimmte) minimale Länge von 10 mm, vorzugsweise 15 mm, besonders bevorzugt, 20 mm oder sogar 30 mm [Millimeter]. Die hier angegebenen minimalen Längen können in vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass sich die Fasern in einem Bauteil von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewandten) (Stirn-)Seite des Bauteils erstrecken können. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn eine maximale Länge der Fasern einer (maximalen) Bauteillänge entspricht.The (textile) fibers are usually elongated. In other words, this means in particular that the longitudinal extension of the fiber is many times greater than its thickness or its diameter. The orientation of a fiber here relates in particular to the direction from one fiber end to the other fiber end of the (elongated) fiber. The fibers are, in particular, textile (melt-spun) filaments with a finite length. The fibers preferably have a (predetermined) minimum length of 10 mm, preferably 15 mm, particularly preferably 20 mm or even 30 mm [millimeters]. The minimum lengths specified here can advantageously contribute to the fibers in a component being able to extend from one (end) side to an opposite (and facing away from) the (end) side of the component. It is further preferred if a maximum length of the fibers corresponds to a (maximum) component length.

Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um (verglichen mit dem Matrixmaterial) elektrisch leitfähige Fasern. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern elektrisch leitende Materialeigenschaften aufweisen, insbesondere bessere elektrisch leitende Materialeigenschaften aufweisen als die Matrix. Bevorzugt weisen die Fasern eine (ggf. temperatur- und/oder feldstärkeabhängige) elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-9 S/m [Siemens pro Meter], besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10-12 S/m oder sogar kleiner oder gleich 10-15 S/m auf. Zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Textilfasen können in diese z. B. (linear oder nichtlinear) leitfähige Partikel integriert sein.The fibers are preferably (compared to the matrix material) electrically conductive fibers. In other words, this means in particular that the fibers have electrically conductive material properties, in particular have better electrically conductive material properties than the matrix. The fibers preferably have an electrical conductivity (possibly dependent on temperature and / or field strength) of less than or equal to 10 -9 S / m [Siemens per meter], particularly preferably less than or equal to 10 -12 S / m or even less than or equal to 10 -15 S / m on. To increase the electrical conductivity of textile bevels in this z. B. (linear or non-linear) conductive particles can be integrated.

Bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-9 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-10 S/m aufweist. Weiterhin bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-12 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-13 S/m aufweist. Besonders bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-15 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-16 S/m aufweist. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Unterschied in den Leitfähigkeiten vorzugsweise ein bis zwei Größenordnungen betragen soll.The fibers preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 -9 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 -10 S / m. Furthermore, the fibers preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 -12 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 -13 S / m. The fibers particularly preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 -15 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 -16 S / m. In other words, this means in particular that the difference in the conductivities should preferably be one to two orders of magnitude.

Für eine Feldsteuerung sind elektrisch leitfähige (schmelzgesponnene) Fasern besonders vorteilhaft, die eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-9 S/m [zehn hoch minus neun Siemens pro Meter] aufweisen. Entsprechende elektrische Leitfähigkeiten in (schmelzgesponnen) Fasern können beispielsweise durch ein Einbringen von nanoskaligen Karbonnanopartikeln (und/oder Mikrovaristoren) in einen Thermoplast, der als Faden ausgesponnen und dann weiterverarbeitet wird, erreicht werden. Die Fadendicke beträgt in diesem Zusammenhang vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm [Millimeter]. Durch solche Filamente lassen sich die Feldlinien in Fadenrichtung besonders vorteilhaft leiten. Die Weiterverarbeitung der Filamente bzw. Fäden umfasst insbesondere ein Schneiden zu Fasern (bestimmter Länge). Dabei ändert sich die Fadendicke (dann Faserdicke) in der Regel nicht.Electrically conductive (melt-spun) fibers are special for field control advantageous, which have an electrical conductivity of less than or equal to 10 -9 S / m [ten to the minus nine Siemens per meter]. Corresponding electrical conductivities in (melt-spun) fibers can be achieved, for example, by introducing nanoscale carbon nanoparticles (and / or microvaristors) into a thermoplastic, which is spun out as a thread and then further processed. In this connection, the thread thickness is preferably 0.5 mm to 1 mm [millimeter]. The field lines can be guided particularly advantageously in the thread direction by such filaments. The further processing of the filaments or threads includes, in particular, cutting into fibers (certain length). The thread thickness (then fiber thickness) usually does not change.

Die Fasern sind in dem Matrixmaterial gehalten. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Anordnung und Ausrichtung der Fasern mittels des Matrixmaterials fixierbar bzw. fixiert ist. Darüber hinaus sind die Fasern mit dem Matrixmaterial in der Regel (chemisch oder physisch) fest verbunden.The fibers are held in the matrix material. In other words, this means in particular that the arrangement and alignment of the fibers can be fixed or fixed by means of the matrix material. In addition, the fibers are usually firmly (chemically or physically) bound to the matrix material.

Zumindest ein (An-)Teil der Fasern ist mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Bevorzugt sind mindestens 50% oder sogar alle der vorhandenen Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Alternativ oder kumulativ sind maximal 80% der vorhandenen Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung unterscheiden sich insbesondere von Fasern, die lediglich als Füllstoff verwendet werden und daher ungerichtet sind. Jedoch kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung auch (ungerichtete) Füllfasern und/oder andere Füllstoffe, wie etwa Pulver in dem Matrixmaterial gehalten bzw. enthalten sind.At least some of the fibers are arranged in the matrix material with a predetermined orientation. Preferably at least 50% or even all of the fibers present are arranged in the matrix material with a predetermined orientation. Alternatively or cumulatively, a maximum of 80% of the fibers present are arranged in the matrix material with a predetermined orientation. Fibers with a predetermined orientation differ in particular from fibers which are only used as fillers and are therefore non-directional. However, it can be provided that in addition to the fibers with a predetermined orientation, (non-directional) filler fibers and / or other fillers, such as powder, are also held or contained in the matrix material.

Weiterhin bevorzugt sind die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers homogen eingebracht, insbesondere homogen (äquidistant) angeordnet und/oder homogen (parallel) ausgerichtet. Ein homogenes Einbringen der Fasern trägt in vorteilhafter Weise zu einer möglichst homogenen Verteilung des elektrischen Feldes bei. Darüber hinaus kann das homogene Einbringen auch dazu beitragen, die Gefahr einer thermischen Überlastung der Fasern oder eine elektrische Überlastung der Matrix zumindest zu reduzieren.Furthermore, the fibers are preferably introduced homogeneously in at least a partial area of the material or in a body produced by means of the material, in particular arranged homogeneously (equidistantly) and / or aligned homogeneously (parallel). A homogeneous introduction of the fibers advantageously contributes to a distribution of the electric field that is as homogeneous as possible. In addition, the homogeneous introduction can also help to at least reduce the risk of thermal overloading of the fibers or electrical overloading of the matrix.

Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern parallel zu einer Grenzfläche und/oder einer Außenoberfläche eines zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem Werkstoff gebildeten Körpers ausgerichtet. Da sich die Feldlinien insbesondere in Fadenrichtung leiten lassen, kann dies in vorteilhafter Weise zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Feldlinien beitragen. Alternativ oder kumulativ schließt zumindest ein Teil der Fasern mit einer Grenzfläche und/oder einer Außenoberfläche eines zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem Werkstoff gebildeten Körpers einen Winkel größer als 0° [Null Grad] und kleiner gleich 90° ein. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn zumindest einige Fasern bis an die Grenzfläche und/oder die Außenoberfläche reichen.At least part of the fibers is preferably aligned parallel to an interface and / or an outer surface of a body formed at least partially or even completely with the material. Since the field lines can be guided in particular in the thread direction, this can advantageously contribute to a more uniform distribution of the field lines. Alternatively or cumulatively, at least some of the fibers with an interface and / or an outer surface of a body formed at least partially or even completely with the material enclose an angle greater than 0 ° [zero degrees] and less than or equal to 90 °. In the latter case in particular, it is particularly preferred if at least some fibers extend to the interface and / or the outer surface.

Vorzugweise ist zumindest ein Teil der Fasern in Abhängigkeit eines zu erwartenden Feldlinienverlaufs bzw. Äquipotentiallinienverlaufs und/oder eines zu erwartenden Feldverteilung bzw. Potentialverteilung ausgerichtet. Beispielsweise ist es für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, wie etwa die eingangs beschriebene Gleitanordnung bekannt, welche Verläufe und/oder Verteilung (zumindest in idealisierter Form) zu erwarten sind. Alternativ oder kumulativ kann beispielsweise eine Simulation eines möglichen Anwendungsfalls des Werkstoffs dazu beitragen, die zu erwartenden Verläufe und/oder Verteilungen zu ermitteln.At least some of the fibers are preferably oriented as a function of an expected field line course or equipotential line course and / or an expected field distribution or potential distribution. For example, for a large number of applications, such as the sliding arrangement described at the outset, it is known which courses and / or distribution (at least in idealized form) are to be expected. Alternatively or cumulatively, for example, a simulation of a possible application of the material can help to determine the courses and / or distributions to be expected.

Besonders bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern derart ausgerichtet, dass die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen modifiziert werden. Bei diesen Materialeigenschaften handelt es sich insbesondere um die elektrische Leitfähigkeit und/oder die thermische Leitfähigkeit. Insbesondere um die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in einer Raumrichtung zu modifizieren, können vorteilhaft einzelne (ausgerichtete) Fasern verwendet werden, die ggf. parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere um die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in zwei Raumrichtung zu modifizieren, kann beispielsweise ein (ausgerichtetes) Fasergeflecht verwendet werden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Fasergeflecht mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet ist. Das Fasergeflecht kann in vorteilhafter Weise zu einer zwei-dimensionalen Feldsteuerung beitragen.It is particularly preferred for at least some of the fibers to be oriented in such a way that the material properties relevant for electrical field control are (only) modified in one or two spatial directions. These material properties are in particular the electrical conductivity and / or the thermal conductivity. In particular, in order to modify the material properties that are decisive for an electrical field control (only) in one spatial direction, it is advantageously possible to use individual (aligned) fibers which may be aligned parallel to one another. In particular, in order to (only) modify the material properties relevant for an electrical field control in two spatial directions, an (aligned) fiber braid can be used, for example. In other words, this means in particular that the fiber braid is arranged in the matrix material with a predetermined orientation. The fiber braid can advantageously contribute to two-dimensional field control.

Vorzugsweise verläuft zumindest ein Teil der Fasern gerade. Alternativ oder kumulativ kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Fasern Kurvenverläufe und/oder Knicke beschreibt.At least some of the fibers preferably run straight. Alternatively or cumulatively, it can be provided that at least some of the fibers describe curves and / or kinks.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Leitfähigkeit der Fasern, insbesondere mindestens um einen Faktor fünf (5) höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit der Fasern mindestens zehnmal (10) so groß wie die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Besonders bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit der Fasern mindestens hundertmal (100) so groß wie die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Es konnte festgestellt werden, dass ein Einbringen von (endlichen) Fäden bzw. Fasen, die gegenüber dem umgebenden (Isolier-) Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die Verteilung des elektrischen Feldes in vorteilhafter Weise beeinflussen kann. Zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Fasen können beispielsweise entsprechende Partikel insbesondere während eines Schmelzspinnprozesses darin eingebracht worden sein.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the electrical conductivity of the fibers, in particular at least a factor of five (5), is higher than the electrical conductivity of the matrix material. The electrical conductivity of the fibers is preferably at least ten times (10) as large as the electrical conductivity of the matrix material. The electrical one is particularly preferred Conductivity of the fibers at least a hundred times (100) as large as the electrical conductivity of the matrix material. It was found that the introduction of (finite) threads or chamfers, which have a higher electrical conductivity than the surrounding (insulating) material, can advantageously influence the distribution of the electrical field. In order to increase the electrical conductivity of the chamfers, for example, corresponding particles may have been introduced therein, in particular during a melt spinning process.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fasern Kohlenstoffpartikel enthalten. Durch das Einbringen von Kohlenstoffpartikeln bzw. Karbonpartikeln in ein Faden-Grundmaterial (beispielsweise Thermoplast) kann (für Gleichspannungsanwendungen) in vorteilhafter Weise ein linear-ohmsches Verhalten erreicht werden. In diesem Zusammenhang erzeugen die Kohlenstoffpartikel insbesondere eine veränderte elektrische Grundleitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials (ohmsches Verhalten). Besonders bevorzugt ist, dass die Fasern nanoskalige Karbonnanopartikel enthalten.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the fibers contain carbon particles. By introducing carbon particles or carbon particles into a thread base material (for example thermoplastic), linear-ohmic behavior can advantageously be achieved (for DC voltage applications). In this context, the carbon particles in particular produce a change in the basic electrical conductivity of the resulting composite material (ohmic behavior). It is particularly preferred that the fibers contain nanoscale carbon nanoparticles.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fasern Mikrovaristoren enthalten. Bei den Mikrovaristoren handelt es sich insbesondere um Mikrovaristorpartikel. Hierzu können nichtlineare Materialien wie beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Eisenoxid (FeO) insbesondere in Form von (Nano-)Partikeln in ein Faden-Grundmaterial (beispielsweise Thermoplast) eingebettet werden und darin die sog. Mikrovaristoren bilden. Die Mikrovaristoren erzeugen (insbesondere bei ausreichendem Füllgrad) insbesondere eine von der elektrischen Feldbelastung abhängige elektrische Leitfähigkeit (nicht-linear ohmsches Verhalten). Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das elektrische Feld gerade an Stellen höchster Feldstärke durch eine lokal erhöhte elektrische Leitfähigkeit verdrängt und abgesenkt werden kann. Das nichtlineare Verhalten wird insbesondere durch Tunneleffekte an den Korngrenzen der Partikel erzielt.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the fibers contain microvaristors. The microvaristors are in particular microvaristor particles. For this purpose, nonlinear materials such as zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC) and / or iron oxide (FeO), in particular in the form of (nano) particles, can be embedded in a thread base material (e.g. thermoplastic) and form the so-called microvaristors therein. The microvaristors generate (in particular with a sufficient degree of filling) in particular an electrical conductivity which is dependent on the electrical field load (non-linear ohmic behavior). As a result, it can be achieved in an advantageous manner that the electric field can be displaced and lowered at points of maximum field strength by locally increased electrical conductivity. The non-linear behavior is achieved in particular through tunnel effects at the grain boundaries of the particles.

Somit können zum einen Fasern verwendet werden, die beispielsweise mit Kohlenstoffpartikeln ein linear-ohmsches Verhalten zeigen und zum anderen Fasern gefüllt mit Mikrovaristoren, die ein nicht-linear ohmsches Verhalten zeigen. Die bislang existierenden fünf Möglichkeiten zur elektrischen Feldsteuerung werden durch die Verwendung von linear resistiv steuernden oder nicht-linear resistiv steuernden Fasern damit in vorteilhafter Weise um zwei weitere Optionen ergänzt. Hierdurch ergeben sich beispielsweise Anwendungspotentiale in den zunehmend eingesetzten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) und anderen Gleichstromapplikationen beispielsweise in der Medizintechnik oder der Elektromobilität.Thus, on the one hand, fibers can be used which, for example, have a linear-ohmic behavior with carbon particles and, on the other hand, fibers filled with microvaristors, which have a non-linear-ohmic behavior. The five existing possibilities for electrical field control are advantageously supplemented by the use of linear resistively controlling or non-linear resistively controlling fibers by two further options. This results, for example, in application potential in the increasingly high-voltage direct current transmission systems (HVDC) and other direct current applications, for example in medical technology or electromobility.

Vorzugsweise bilden die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers einen vorbestimmten (Mindest-)Anteil am Gesamtvolumen des Teilbereichs des Werkstoffs. Der vorbestimmte (Mindest-)Anteil kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, die elektrische Leitfähigkeit des Kompositmaterials einzustellen. Ist die Leitfähigkeit des Kompositmaterials beispielsweise zu hoch, erwärmt sich das Material zu stark und kann thermisch zerstört werden. Beispielsweise kann der (Mindest-)Anteil derart vorbestimmt sein, dass die Feldsteuerung in gewünschtem Maße erreicht und/oder eine lokal unzulässige Erwärmung möglichst vermieden wird.The fibers preferably form a predetermined (minimum) portion of the total volume of the partial area of the material in at least one partial area of the material or in a body produced using the material. The predetermined (minimum) proportion can advantageously contribute to adjusting the electrical conductivity of the composite material. If the conductivity of the composite material is too high, for example, the material heats up too much and can be thermally destroyed. For example, the (minimum) proportion can be predetermined in such a way that the field control is achieved to the desired extent and / or locally inadmissible heating is avoided as far as possible.

Darüber hinaus sollte vorzugsweise berücksichtigt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der sogenannten Perkolationsschwelle stark zunimmt. Dies betrifft insbesondere ggf. vorhandene Füllstoffe, wie etwa Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristoren, in den Fasern. Der (Gewichts-)Anteil an Füllstoffen in den Fasern wird hier auch als Füllgrad bezeichnet. Vorzugsweise weisen die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers einen vorbestimmten Füllgrad auf. Wenn eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit mit Füllstoffen einstellbar sein soll, ist es besonders vorteilhaft, dass die Füllstoffe in den Fasern die Perkolationsschwelle beachten, damit die gewünschte elektrische Leitfähigkeit besonders vorteilhaft eingestellt werden kann. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn der Füllgrad möglichst exakt eingestellt wird. Hier ist ein Füllgrad im Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% besonders bevorzugt.In addition, it should preferably be taken into account that the electrical conductivity increases sharply in the area of the so-called percolation threshold. This applies in particular to any fillers that may be present, such as carbon particles and / or microvaristors, in the fibers. The (weight) proportion of fillers in the fibers is also referred to here as the degree of filling. The fibers preferably have a predetermined degree of filling in at least a partial area of the material or in a body produced by means of the material. If a desired electrical conductivity with fillers is to be adjustable, it is particularly advantageous that the fillers in the fibers observe the percolation threshold so that the desired electrical conductivity can be set particularly advantageously. It is therefore particularly advantageous if the degree of filling is set as precisely as possible. A degree of filling in the range from 0.5 to 2% by weight is particularly preferred here.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes vorgeschlagen, wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einem hier vorgeschlagenen Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet ist.According to a further aspect, a component for controlling an electrical field is proposed, the component being formed at least partially with a material proposed here for controlling an electrical field.

Bei dem Bauteil kann es sich um einen Körper handeln, der zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem hier vorgeschlagenen Werkstoff gebildet ist. Das Bauteil kann selbst formstabil sein. Beispielsweise kann das Bauteil die Form einer Manschette aufweisen.The component can be a body that is at least partially or even completely formed with the material proposed here. The component itself can be dimensionally stable. For example, the component can have the shape of a sleeve.

Bei dem Bauteil kann es sich weiterhin um eines der folgenden Bauteile handeln: Hochspannungsdurchführung, Hochspannungsisolator, Kabelendverschluss, Kabelmuffe.The component can still be one of the following components: high-voltage bushing, high-voltage insulator, cable termination, cable sleeve.

Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil für einen elektrischen Hochspannungsapparat, wie etwa einen Transformator, ein Hochspannungskabel, ein Leiterseil, eine (gasisolierte) Schaltanlage (Trenner, Leistungsschalter, Stromwandler, Spannungswandler) oder einen Leistungskondensator. Darüber hinaus kann es sich bei dem Bauteil um ein solches für einen Medizintechnikapparat oder für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (Automobil) handeln.The component is preferably an electrical component High-voltage apparatus, such as a transformer, a high-voltage cable, a conductor cable, a (gas-insulated) switchgear (disconnector, circuit breaker, current transformer, voltage transformer) or a power capacitor. In addition, the component can be one for a medical technology apparatus or for an electrically drivable vehicle (automobile).

Vorzugsweise sind in dem Bauteil mehrere Zonen mit voneinander verschiedenen Faserausrichtungen gebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern in einer ersten Zone des Bauteils eine andere (vorbestimmte) Ausrichtung aufweisen als die Fasern in einer zweiten Zone des Bauteils. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass in verschiedenen Zonen des Bauteils unterschiedlichen Materialeigenschaften für die Feldsteuerung eingestellt werden können. Die Zonen können (direkt oder beabstandet) nebeneinander (und bevorzugt nicht übereinander) angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ kann das Bauteil auch mit mindestens einer Zone mit (ausgerichteten) Fasern und mindestens einer Zone ohne (ausgerichtete) Fasern (Zone mit normaler Isolation) gebildet sein.A plurality of zones with different fiber orientations are preferably formed in the component. In other words, this means in particular that the fibers in a first zone of the component have a different (predetermined) orientation than the fibers in a second zone of the component. This advantageously means that different material properties can be set for the field control in different zones of the component. The zones can be arranged (directly or spaced apart) next to one another (and preferably not one above the other). Alternatively or cumulatively, the component can also be formed with at least one zone with (aligned) fibers and at least one zone without (aligned) fibers (zone with normal insulation).

Bevorzugt sind die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Bauteils homogen eingebracht, insbesondere homogen (äquidistant) angeordnet und/oder homogen (parallel) ausgerichtet. Weiterhin bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern parallel zu einer Grenzfläche und/oder einer (Außen-)Oberfläche des Bauteils ausgerichtet. Alternativ oder kumulativ schließt zumindest ein Teil der Fasern mit einer Grenzfläche und/oder einer (Außen-)Oberfläche des Bauteils einen Winkel größer als 0° [Null Grad] und kleiner gleich 90° ein. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn zumindest einige Fasern bis an die Grenzfläche und/oder die (Außen-)Oberfläche reichen.The fibers are preferably introduced homogeneously in at least one partial area of the component, in particular arranged homogeneously (equidistantly) and / or aligned homogeneously (parallel). Furthermore, at least some of the fibers are preferably aligned parallel to an interface and / or an (outer) surface of the component. Alternatively or cumulatively, at least some of the fibers with an interface and / or an (outer) surface of the component enclose an angle greater than 0 ° [zero degrees] and less than or equal to 90 °. In the latter case in particular, it is particularly preferred if at least some fibers extend to the interface and / or the (outer) surface.

Weiterhin bevorzugt erstreckt sich zumindest ein Teil der (ausgerichteten) Fasern in dem Bauteil von einem Stirnseitenbereich des Bauteils zu einem diesem gegenüberliegenden (und von diesem abgewandten) (Stirn-)Seitenbereich des Bauteils. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Fasern in diesem Zusammenhang von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewandten) (Stirn-)Seite des Bauteils. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewandten) (Stirn-)Seite des Bauteils jeweils durchgehend sind. Furthermore, at least some of the (aligned) fibers in the component preferably extend from an end region of the component to an opposite (and facing away from) the (end) side region of the component. In this connection, the fibers particularly preferably extend from one (end) side to an opposite (and away from this) (end) side of the component. In other words, this means in particular that the fibers are continuous from one (end) side to an opposite (and facing away from) the (end) side of the component.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes vorgeschlagen, aufweisend zumindest folgende Schritte:

  1. a) Bereitstellen eines Matrixmaterials,
  2. b) Bereitstellen textiler Fasern,
  3. c) Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial.
According to a further aspect, a method for producing a material for controlling an electrical field is proposed, comprising at least the following steps:
  1. a) providing a matrix material,
  2. b) providing textile fibers,
  3. c) placing at least a portion of the fibers with a predetermined orientation in the matrix material.

Die angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) ergibt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf. Verfahrensschritte a), b) und c) können jedoch auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren dient insbesondere zur Herstellung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes.The specified sequence of process steps a), b) and c) generally results from a regular operating sequence. Process steps a), b) and c) can, however, also be carried out at least partially in parallel or even simultaneously. The method is used in particular to produce a material proposed here for controlling an electrical field.

In Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmaterials. Bevorzugt wird als Matrixmaterial ein elektrisch isolierendes Material bzw. ein Isolierstoff bereitgestellt. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Matrixmaterial elektrisch isolierende Materialeigenschaften aufweist. Das Matrixmaterial kann in Schritt a) beispielsweise in eine Form gefüllt, insbesondere gegossen und/oder gespritzt werden.In step a), a matrix material is made available. An electrically insulating material or an insulating material is preferably provided as the matrix material. In other words, this means in particular that the matrix material has electrically insulating material properties. In step a), the matrix material can, for example, be filled into a mold, in particular cast and / or injected.

In Schritt b) erfolgt ein Bereitstellen textiler Fasern. Bevorzugt werden die Fasern mittels eines Schmelzspinnprozesses bereitgestellt. In diesem Zusammenhang kann zunächst ein Aufschmelzen einer Polymermasse, insbesondere eines Thermoplasten erfolgen. Danach können darin Partikel zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit, wie etwa Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristoren eingebracht werden. Anschließend kann die Polymermasse zu Endlos-Fäden bzw. (endlosen) Filamenten extrudiert werden. Nach einem Abkühlen der Filamente können diese zu Fasern (vorbestimmter Länge) geschnitten werden. Darüber hinaus können die Fasern grundsätzlich auch mit einem anderen Spinnprozess, wie etwa einem Nassspinnprozess bereitgestellt werden. Alternativ oder kumulativ können in Schritt b) auch beschichtete textile Fasern bereitgestellt werden.In step b), textile fibers are made available. The fibers are preferably provided by means of a melt spinning process. In this context, a polymer mass, in particular a thermoplastic, can first be melted. Thereafter, particles for increasing the electrical conductivity, such as carbon particles and / or microvaristors, can be introduced therein. The polymer mass can then be extruded into endless threads or (endless) filaments. After the filaments have cooled, they can be cut into fibers (predetermined length). In addition, the fibers can in principle also be provided with another spinning process, such as a wet spinning process. Alternatively or cumulatively, coated textile fibers can also be provided in step b).

In Schritt c) erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial. Hierzu können die Fasern mit einer vorstimmten Ausrichtung auf eine Schicht des Matrixmaterials und/oder einen Boden (beispielswies einer Form) gelegt werden und anschließend mit einer (weiteren) Schicht des Matrixmaterials bedeckt werden. Dieser Vorgang kann sich mehrere Male wiederholen. Alternativ oder kumulativ kann zumindest ein Teil der Fasern mit der vorbestimmten Ausrichtung zwei- oder dreidimensional aufgespannt und dann mit dem Matrixmaterial vergossen werden. In diesem Zusammenhang können die Fasern beispielsweise durch eine Fixierung (z. B. äußere Halterung, textile Struktur) in zwei oder drei Dimensionen drapiert (aufgespannt) und dann mit dem Matrixmaterial umgossen werden. Alternativ oder kumulativ kann zumindest ein Teil der Fasern jeweils (eindimensional) in die Matrix gestochen werden. Weiterhin können in Schritt c) einzelne Fasern oder ein Fasergeflecht angeordnet werden.In step c) at least some of the fibers are arranged with a predetermined orientation in the matrix material. For this purpose, the fibers can be placed with a predetermined orientation on a layer of the matrix material and / or a floor (for example a shape) and then covered with a (further) layer of the matrix material. This process can be repeated several times. Alternatively or cumulatively, at least some of the fibers with the predetermined orientation can be stretched in two or three dimensions and then cast with the matrix material. In this context, the fibers can be draped (stretched) in two or three dimensions and then, for example, by a fixation (e.g. outer holder, textile structure) are encapsulated with the matrix material. Alternatively or cumulatively, at least some of the fibers can each be (one-dimensionally) pierced into the matrix. Furthermore, individual fibers or a fiber braid can be arranged in step c).

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b) Kohlenstoffpartikel in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbesondere um eine Thermoplastschmelze. Bei den Kohlenstoffpartikeln handelt es sich insbesondere um nanoskalige Karbonnanopartikel.According to an advantageous embodiment, it is proposed that in step b) carbon particles are introduced into a polymer melt which is then spun out as a thread. The polymer melt is in particular a thermoplastic melt. The carbon particles are, in particular, nanoscale carbon nanoparticles.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b) Mikrovaristoren in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird. Bevorzugt werden Mikrovaristorpartikel in die Polymerschmelze eingebracht. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbesondere um eine Thermoplastschmelze.According to an advantageous embodiment, it is proposed that in step b) microvaristors are introduced into a polymer melt which is then spun out as a thread. Microvaristor particles are preferably introduced into the polymer melt. The polymer melt is in particular a thermoplastic melt.

Grundsätzlich können in Schritt b) (beliebige) elektrisch leitfähige Partikel, die insbesondere eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als das Matrixmaterial, in eine Polymerschmelze eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich bei den elektrisch leitfähigen Partikeln um metallische Partikel handeln. Besonders bevorzugt handelt es sich bei diesen elektrisch leitfähigen Partikeln um (nanoskalige) Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristorpartikel.Basically, in step b) (any) electrically conductive particles, which in particular have a higher electrical conductivity than the matrix material, can be introduced into a polymer melt. For example, the electrically conductive particles can be metallic particles. These electrically conductive particles are particularly preferably (nanoscale) carbon particles and / or microvaristor particles.

Alternativ oder kumulativ zu der Verwendung elektrisch leitfähiger Partikel können zum Bereitstellen der textilen Fasern vorzugsweise intrinsisch leitende Polymere verwendet werden. Als intrinsisch leitendes Polymer kommt mindestens eins der folgenden Materialien oder eine Kombination hiervon in Betracht: Chlorfluorethylen, Chloropropylen, Chlorosulfon, Polyamid, Polychloropren, Polyethylen, PE-Terephtalat, Polyfluor-Vinyliden.Alternatively or cumulatively to the use of electrically conductive particles, intrinsically conductive polymers can preferably be used to provide the textile fibers. At least one of the following materials or a combination thereof can be considered as an intrinsically conductive polymer: chlorofluoroethylene, chloropropylene, chlorosulfone, polyamide, polychloroprene, polyethylene, PE terephthalate, polyfluorovinylidene.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften des Werkstoffs richtungsabhängig eingestellt werden. Insbesondere in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (durch die Ausrichtung Fasern) in ein oder zwei Raumrichtungen modifiziert. Vorzugsweise wird eine (lokale) elektrische Leitfähigkeit des entstehenden Komposits (aus Matrixmaterial und Fasern) in mindestens einer Raumrichtung modifiziert bzw. beeinflusst. In diesem Zusammenhang werden insbesondere die Feldlinien in Fadenrichtung geleitet bzw. (ab-)gelenkt.According to an advantageous embodiment, it is proposed that in step c) the material properties of the material which are relevant for an electrical field control are set in a direction-dependent manner. In step c) in particular, the material properties relevant to electrical field control (due to the orientation of fibers) were modified in one or two spatial directions. A (local) electrical conductivity of the resulting composite (made of matrix material and fibers) is preferably modified or influenced in at least one spatial direction. In this context, the field lines in particular are guided or deflected in the thread direction.

Vorzugweise wird in Schritt c) zumindest ein Teil der Fasern in Abhängigkeit eines zu erwartenden Feldlinienverlaufs bzw. Äquipotentiallinienverlaufs und/oder eines zu erwartenden Feldverteilung bzw. Potentialverteilung ausgerichtet. Die zu erwartenden Verläufe können (zuvor) beispielswiese (einmalig bzw. für eine Vielzahl von Herstellungsvorgängen) durch Messungen an einem Prototyp und/oder durch eine oder mehrere Simulationen ermittelt werden.In step c), at least some of the fibers are preferably aligned as a function of an expected field line course or equipotential line course and / or an expected field distribution or potential distribution. The expected courses can be determined (previously) for example (once or for a large number of manufacturing processes) by measurements on a prototype and / or by one or more simulations.

Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung von textilen Fasern vorgeschlagen, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in einem Matrixmaterial angeordnet sind, zum Steuern eines elektrischen Feldes. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, kompaktere und leichtere Bauweisen zu ermöglichen, als diese bis dato mit herkömmlichen Feldsteuermaterialien möglich waren. Das Steuern des elektrischen Feldes erfolgt vorzugsweise in Faserrichtung, insbesondere durch ein Leiten und/oder (Ab-)Lenken von Feldlinien in Faserrichtung (bzw. Fadenrichtung).According to a further aspect, the use of textile fibers, which are arranged with a predetermined orientation in a matrix material, for controlling an electric field is proposed. This can advantageously contribute to enabling more compact and lighter designs than were previously possible with conventional field control materials. The electric field is preferably controlled in the fiber direction, in particular by guiding and / or deflecting field lines in the fiber direction (or thread direction).

Vorzugsweise werden die textilen Fasern zur richtungsabhängigen Feldsteuerung verwendet. Besonders bevorzugt werden die textilen Fasern zur richtungsabhängigen Feldsteuerung in einem Hochspannungsbauteil, insbesondere Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen-(HGÜ-)Bauteil, einer Medizintechnikkomponente und/oder einem elektrisch antriebbaren Fahrzeug, wie etwa einem elektrisch antriebbaren Automobil verwendet.The textile fibers are preferably used for direction-dependent field control. The textile fibers are particularly preferably used for direction-dependent field control in a high-voltage component, in particular high-voltage direct current transmission system (HVDC) component, a medical technology component and / or an electrically drivable vehicle, such as an electrically drivable automobile.

Das Anwendungsgebiet der hier vorgestellten Lösung beschränkt sich insbesondere nicht nur auf den Bereich der Energietechnik, sondern umfasst vielmehr alle Bereiche, in denen Gleichspannung mit höheren Spannungen oder Feldstärken eingesetzt werden. Mögliche weitere Anwendungsfelder sind beispielsweise die Medizintechnik und/oder die Elektromobilität. Im Bereich der Energietechnik ist die hier vorgestellten Lösung insbesondere bei HGÜ-Kabeln vorteilhaft.The field of application of the solution presented here is particularly not only limited to the field of energy technology, but rather includes all areas in which DC voltage with higher voltages or field strengths are used. Possible further fields of application are, for example, medical technology and / or electromobility. In the field of energy technology, the solution presented here is particularly advantageous for HVDC cables.

Die im Zusammenhang mit dem Werkstoff erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil, dem Verfahren und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.The details, features and advantageous configurations discussed in connection with the material can accordingly also occur in the component presented here, the method and / or the use, and vice versa. In this respect, full reference is made to the explanations given there for the more detailed characterization of the features.

Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

  • 1a-f: aus dem Stand der Technik bekannte Ansätze zur Feldsteuerung,
  • 2: eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Bauteils in einer Schnittdarstellung,
  • 3: eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs,
  • 4: eine Kabelmuffe, in einer teilweise geschnittenen Darstellung,
  • 5: eine Detailansicht der Kabelmuffe aus 4,
  • 6: einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann,
  • 7: einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann,
  • 8: einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann,
  • 9: eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann, und
  • 10: einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.
The solution presented here and its technical environment are explained in more detail below with reference to the figures. It should be pointed out that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments shown. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and / or knowledge from other figures and / or the present description. They show schematically:
  • 1a-f : approaches to field control known from the prior art,
  • 2 an exemplary embodiment of a component proposed here in a sectional view,
  • 3 : an exemplary use of a material proposed here,
  • 4 : a cable sleeve, in a partially sectioned representation,
  • 5 : a detailed view of the cable sleeve 4 .
  • 6 : an equipotential curve that can occur in a cable sleeve,
  • 7 : another equipotential curve that can occur in a cable sleeve,
  • 8th : an equipotential curve, which is in the cable sleeve according to 4 can adjust
  • 9 : an electrical field distribution, which is in the cable sleeve according to 4 can adjust, and
  • 10 : an exemplary sequence of a method proposed here.

1a bis 1f zeigen schematisch aus dem Stand der Technik bekannte Feldsteuerungen. Zur näheren Erläuterung wird auch den einleitenden Teil der Beschreibung verwiesen. 1a to 1f schematically show field controls known from the prior art. For a more detailed explanation, the introductory part of the description is also referred to.

2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Bauteils 4 in einer Schnittdarstellung. Das Bauteil 4 ist zur Steuerung eines elektrischen Feldes eingerichtet. Hierzu ist das Bauteil 4 mit einem hier vorgeschlagenen Werkstoff 1 zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet. Der Werkstoff 1 weist ein Matrixmaterial 2 und textile Fasern 3 auf, die in dem Matrixmaterial 2 gehalten sind, wobei die Fasern 3 mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial 2 angeordnet ist. Das Bauteil 4 ist hier beispielhaft in der Form einer (rotationssymmetrischen) Manschette gebildet. Die (länglichen) Fasern 3 sind weiterhin beispielhaft parallel zu der Mittel- bzw. Symmetrieachse der Manschette ausgerichtet. 2 schematically shows an exemplary embodiment of a component proposed here 4 in a sectional view. The component 4 is set up to control an electrical field. This is the component 4 with a material proposed here 1 formed to control an electrical field. The material 1 exhibits a matrix material 2 and textile fibers 3 on that in the matrix material 2 are held, the fibers 3 with a predetermined orientation in the matrix material 2 is arranged. The component 4 is here exemplarily formed in the form of a (rotationally symmetrical) sleeve. The (elongated) fibers 3 are also aligned, for example, parallel to the center or symmetry axis of the cuff.

3 zeigt schematisch eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs 1. 3 veranschaulicht eine Äquipotentialverteilung einer Gleitanordnung. Das elektrische Feld ist hier mittels drei Äquipotentialverläufen (bei 25%, 50% und 75%) angedeutet. 3 shows schematically an exemplary use of a material proposed here 1 , 3 illustrates an equipotential distribution of a slide assembly. The electric field is indicated here by means of three equipotential curves (at 25%, 50% and 75%).

Vergleicht man die Äquipotentialverläufe gemäß 3 mit denen aus 1a, so ist zu erkennen, dass der Werkstoff 1 eine Steuerung des elektrischen Feldes ermöglicht, hier beispielhaft eine richtungsabhängige Feldsteuerung in horizontaler Richtung. Hierzu weist der Werkstoff 1 beispielhaft einen Isolierstoff als Matrixmaterial 2 und elektrisch leitende textile Fasern 3 auf, die in dem Matrixmaterial 2 gehalten sind. Dies stellt ein Beispiel dafür dar, dass die elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 vorzugsweise höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials 2. Die Äquipotentiallinien stehen auf den Fasern aufgrund der höheren Leitfähigkeit steil bis senkrecht und folgen dem Verlauf der Fasern dann ein Stück die Fasern 3 entlang, ehe sie wieder austreten. Daher entsteht in der Regel ein „treppenartiger“ Verlauf der Äquipotentiallinien.If one compares the equipotential curves according to 3 with those from 1a , it can be seen that the material 1 A control of the electrical field enables, for example, a direction-dependent field control in the horizontal direction. The material points to this 1 an insulating material as a matrix material, for example 2 and electrically conductive textile fibers 3 on that in the matrix material 2 are held. This is an example of the electrical conductivity of the fibers 3 is preferably higher than the electrical conductivity of the matrix material 2 , The equipotential lines are steep to vertical on the fibers due to the higher conductivity and then follow the course of the fibers a bit the fibers 3 along before they exit. Therefore, a "step-like" course of the equipotential lines usually arises.

Dabei sind die Fasern 3 mit einer vorbestimmten Ausrichtung, nämlich hier beispielhaft horizontal (und durchgehend), in dem Matrixmaterial 2 angeordnet. Mithilfe der Textilfasern ist es hier beispielsweise möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht das Design und die Konstruktion von völlig neuen Bauteilformen, die bisher nicht realisiert werden konnten.Here are the fibers 3 with a predetermined orientation, namely here horizontally (and continuously) as an example, in the matrix material 2 arranged. With the help of textile fibers, it is possible, for example, to modify the material properties that are relevant for electrical field control (only) in one or two spatial directions. This enables the design and construction of completely new component shapes that could not previously be realized.

4 zeigt schematisch eine Kabelmuffe 14, in einer teilweise geschnittenen Darstellung. Die Kabelmuffe 14 verbindet zwei Hochspannungskabel 15 miteinander. Die Kabelmuffe 14 umfasst eine Leiterverbindung 16, eine Schirmelektrode 17, einen Isolierkörper 18, zwei Deflektoren 19, einen äußeren, mechanischen Schutz 20, eine Feuchtigkeitssperre 21 und Füllmaterial 22 auf. Der Isolierkörper 18 ist beispielhaft teilweise mit einem hier vorgestellten Werkstoff 1 zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet, was im Zusammenhang mit der 5 näher veranschaulicht ist. Somit stellt der Isolierkörper 18 auch eine beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Bauteils 4 dar. 4 shows schematically a cable sleeve 14 , in a partially sectioned representation. The cable sleeve 14 connects two high voltage cables 15 together. The cable sleeve 14 includes a conductor connection 16 , a shield electrode 17 , an insulating body 18 , two deflectors 19 , an external, mechanical protection 20 , a moisture barrier 21 and filler 22 on. The insulating body 18 is exemplary with a material presented here 1 to control an electric field, which is related to the 5 is illustrated in more detail. Thus, the insulating body 18 also an exemplary embodiment of a component proposed here 4 represents.

5 zeigt schematisch eine Detailansicht der Kabelmuffe aus 4. Die Detailansicht ist in 4 mit der römischen Ziffer 5 gekennzeichnet und mit einem gestrichelten Rahmen markiert. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf vorangehenden Ausführungen (insbesondere zur 4) vollumfänglich Bezug genommen werden kann. 5 shows schematically a detailed view of the cable sleeve 4 , The detailed view is in 4 with the Roman numeral 5 marked and marked with a dashed frame. The reference numerals are used uniformly, so that on previous statements (in particular for 4 ) can be referred to in full.

6 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann. 6 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine vereinfachte elektrische Feldverteilung in einer HGÜ-Kabelmuffe (HGÜ steht für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen) für den Fall, wenn lediglich eine geometrische Feldsteuerung angewendet wird. Somit veranschaulicht 6 einen Äquipotentialverlauf der Spannung ohne zusätzliche Feldsteuerung (keine Fasern). Es zeigt sich dabei, dass die für einen Durchschlag kritische Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe nicht gleichmäßig belastet wird (gestrichelte Kreise). 6 shows schematically an equipotential curve that can occur in a cable sleeve. 6 illustrates a simplified electrical field distribution in an HVDC cable sleeve (HVDC stands for high-voltage direct current transmission systems) for the case when only a geometric field control is used. Thus illustrated 6 an equipotential curve of the voltage without additional field control (no fibers). It shows that the critical boundary layer between cable and sleeve, which is critical for breakdown, is not equally loaded (dashed circles).

7 zeigt schematisch einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann. 7 veranschaulicht in diesem Zusammenhang die Feldverteilung bei der Verwendung einer möglichen Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Lösung mit Fasern, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet sind. Beispielsweise kommen in diesem Zusammenhang vergleichsweise grobe, zylindrische Strukturen zur resistiven Feldsteuerung zum Einsatz. Somit veranschaulicht 7 einen Äquipotentialverlauf der Spannung mit (zusätzlicher, d.h. zusätzlich zu der geometrischen Feldsteuerung vorgesehener) gerichteter Feldsteuerung mit ausgerichteten Fasern (beispielsweise gebildet durch mehrlagige Fasergeflechte). Gegenüber 6 zeigt sich, dass für den Abbau des elektrischen Potentials die volle Länge der (für einen Durchschlag kritischen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe (gleichmäßig) ausgenutzt werden kann. 7 shows schematically another equipotential curve that can be set in a cable sleeve. 7 in this context illustrates the field distribution when using a possible embodiment of the solution proposed here with fibers which are arranged with a predetermined orientation in the matrix material. For example, comparatively coarse, cylindrical structures for resistive field control are used in this context. Thus illustrated 7 an equipotential curve of the voltage with (additional, ie in addition to the geometric field control provided) directional field control with aligned fibers (for example formed by multi-layer fiber braids). Across from 6 shows that the full length of the (critical for breakdown) boundary layer between cable and sleeve can be used (evenly) to reduce the electrical potential.

8 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann. 8 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine Feldverteilung, die sich bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung einstellen kann. Die Feldverteilung gemäß 8 konnte dabei erreicht werden durch eine Verwendung von mikroskopisch kleinen (nur im oberen Material bzw. Muffenkörper) (quasi-)homogen verteilten Fasern zur resistiven Feldsteuerung. Somit veranschaulicht 8 einen Äquipotentialverlauf bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung in der Muffe. Zur (gerichteten bzw. richtungsabhängigen) Feldsteuerung wurden hier beispielhaft Fasern mit einer gegenüber dem Isolationsmaterial der Muffe 10-fach erhöhten elektrischen Leitfähigkeit verwendet. 8th shows schematically an equipotential curve, which is in the cable sleeve according to 4 can adjust. 8th in this context illustrates a field distribution that can arise when using an exemplary embodiment of the solution presented here. The field distribution according to 8th could be achieved by using microscopic (only in the upper material or sleeve body) (quasi) homogeneously distributed fibers for resistive field control. Thus illustrated 8th an equipotential curve with (quasi) homogeneous, directed field control in the sleeve. For (directional or direction-dependent) field control, fibers were used here with one compared to the insulation material of the sleeve 10 -fold increased electrical conductivity used.

Gegenüber 6 zeigt sich, dass die volle Länge der (für einen Durchschlag kritischen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe ausgenutzt werden kann. Zudem kann der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich verschoben werden (vgl. auch 9, gestrichelter Kreis).Across from 6 shows that the full length of the boundary layer (critical for breakdown) between the cable and the sleeve can be used. In addition, the location of the highest electrical field load can be shifted significantly (see also 9 , dashed circle).

9 zeigt schematisch eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann. Dabei werden Fasern wir bei 8 verwendet. Somit veranschaulicht 9 eine Feldverteilung bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung (im oberen Material bzw. Muffenkörper). 9 veranschaulicht insbesondere, dass bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich verschoben werden kann. 9 shows schematically an electrical field distribution, which is in the cable sleeve according to 4 can adjust. Here we become fibers at 8th used. Thus illustrated 9 a field distribution with (quasi) homogeneous, directed field control (in the upper material or sleeve body). 9 illustrates in particular that when using an exemplary embodiment of the solution presented here, the location of the highest electrical field load can be significantly shifted.

Das Ergebnis weicht stark von den elektrischen Feldverteilungen ab, die üblicherweise bei derartigen Geometrien vorkommen und war eine starke Überraschung. Das Design von Hochspannungskomponenten wird durch die hier vorgestellte Lösung in vielen Fällen deutlich verändert werden können.The result deviates greatly from the electrical field distributions that usually occur with such geometries and was a great surprise. The design of high-voltage components will in many cases be able to be changed significantly by the solution presented here.

10 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) mit den Blöcken 110, 120 und 130 ergibt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf. In Block 110 erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmaterials. In Block 120 erfolgt ein Bereitstellen textiler Fasern. In Block 130 erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial. 10 shows schematically an exemplary sequence of a method proposed here. The method is used to manufacture a material for controlling an electrical field. The sequence of process steps a), b) and c) shown with the blocks 110 . 120 and 130 usually results from a regular operating procedure. In block 110 a matrix material is provided. In block 120 textile fibers are provided. In block 130 there is an arrangement of at least some of the fibers with a predetermined orientation in the matrix material.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Werkstoffmaterial
22
Matrixmaterialmatrix material
33
Fasernfibers
44
Bauteilcomponent
55
Feldlinienfield lines
66
HochspannungsleiterHigh voltage conductor
77
Kabelisolierungcable insulation
88th
Kabelmantelcable sheath
99
Steuerkonuscontrol cone
1010
Steuerbelägecontrol surfaces
1111
permittives Materialpermittive material
1212
halbleitendes Materialsemiconducting material
1313
nichtlineares Materialnonlinear material
1414
Kabelmuffecable sleeve
1515
HochspannungskabelHigh voltage cables
1616
Leiterverbindungconductor connection
1717
Schirmelektrodeshield grid
1818
Isolierkörperinsulator
1919
Deflektordeflector
2020
Schutzprotection
2121
Feuchtigkeitssperremoisture barrier
2222
Füllmaterialfilling material

Claims (10)

Werkstoff (1) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, aufweisend ein Matrixmaterial (2) und textile Fasern (3), die in dem Matrixmaterial (2) gehalten sind, wobei zumindest ein Teil der Fasern (3) mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial (2) angeordnet ist.Material (1) for controlling an electric field, comprising a matrix material (2) and textile fibers (3) which are held in the matrix material (2), at least some of the fibers (3) having a predetermined orientation in the matrix material ( 2) is arranged. Werkstoff nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Fasern (3) höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials (2).Material after Claim 1 , wherein the electrical conductivity of the fibers (3) is higher than the electrical conductivity of the matrix material (2). Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (3) Kohlenstoffpartikel enthalten.Material according to one of the preceding claims, wherein the fibers (3) contain carbon particles. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (3) Mikrovaristoren enthalten.Material according to one of the preceding claims, wherein the fibers (3) contain microvaristors. Bauteil (4) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, wobei das Bauteil (4) zumindest teilweise mit einem Werkstoff (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.Component (4) for controlling an electrical field, the component (4) being formed at least partially with a material (1) according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs (1) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, aufweisend zumindest folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Matrixmaterials (2), b) Bereitstellen textiler Fasern (3), c) Anordnen zumindest eines Teils der Fasern (3) mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial (2).Method for producing a material (1) for controlling an electrical field, comprising at least the following steps: a) providing a matrix material (2), b) providing textile fibers (3), c) arranging at least part of the fibers (3) with a predetermined orientation in the matrix material (2). Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt b) Kohlenstoffpartikel in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird.Procedure according to Claim 6 , wherein in step b) carbon particles are introduced into a polymer melt, which is then spun out as a thread. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in Schritt b) Mikrovaristoren in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird.Procedure according to Claim 6 or 7 , wherein in step b) microvaristors are introduced into a polymer melt, which is then spun out as a thread. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften des Werkstoffs (1) richtungsabhängig eingestellt werden.Procedure according to one of the Claims 6 to 8th In step c), the material properties of the material (1) which are relevant for an electrical field control are set in a direction-dependent manner. Verwendung von textilen Fasern (3), die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in einem Matrixmaterial (2) angeordnet sind, zum Steuern eines elektrischen Feldes.Use of textile fibers (3), which are arranged with a predetermined orientation in a matrix material (2), for controlling an electric field.
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