DE2821017A1 - Dielektrischer werkstoff zur beeinflussung elektrischer felder, sowie daraus hergestellte feldsteuerungseinrichtungen - Google Patents
Dielektrischer werkstoff zur beeinflussung elektrischer felder, sowie daraus hergestellte feldsteuerungseinrichtungenInfo
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Description
Dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer
Felder, sowie daraus hergestellte Feldsteuerungseinrichtungen.
Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Werkstoff zur
Beeinflussung elektrischer Felder, ein Verfahren zur Öerötellung
dieses Werkstoffs sowie unter Verwendung dieses Werkstoffs hergestellte Feldsteuerungseinrichtungen, insbesondere
Feldsteuerungselemente.
Bei elektrischen Einrichtungen für mittlere und hohe Spannungen, etwa ab 10 kV, können in Bereichen, wo Diskontinuitäten
des radialen Feldes infolge Veränderung der Feldbegrenzung an den durch ein Dielektrikum getrennten, spannungsführenden
Teilen vorliegen, hohe Potentialgradienten auftreten. An diesen Stellen kommt es leicht zu einer Überbelastung
des Dielektrikums durch FeldverStärkung und -ver-
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• ο-
dichtung, denen das Dielektrikum nicht gewachsen ist. Als typische Beispiele dieser Art gelten Endverschlüsse oder '
Winkelstecker oder Verbindungsmuffen oder sonstige Anschlußelemente
von abgeschirmten Hochspannungskabeln; dort konzentriert sich das zwischen dem abisolierten Leiterende und
dem Ende der Abschirmung bestehende elektrische Feld auf die Bereiche nahe an der Abschirmung, so daß in diesen
Bereichen die Gefahr besteht, daß die Durchbruchsfeldstärken der Kabelisolierung und/oder der angrenzenden Luftschichten
überschritten v/erden.
Diese Gefahr wird noch dadurch erhöht, daß es sich in der Praxis der elektrischen Energieübertragung fast ausschließlich
um Wechselspannungen handelt, bei denen die dielektrischen
Verluste im Dielektrikum nicht unerhebliche Temperaturerhöhungen verursachen, diese wiederum in der Regel die
dielektrischen Verluste steigern, so daß schließlich eine Akkumulation der das Dielektrikum beanspruchenden Faktoren die
dielektrische Belastbarkeit übersteigen kann. Es ist bekannt, den genannten Erscheinungen und Gefahren dadurch entgegenzuwirken,
daß man in die gefährdeten Bereiche Werkstoffe oder daraus hergestellte Formkörper verschiedener geometrischer
Ausbildung einbringt, dia aufgrund besonderer Eigenschaften,
beispielsweise eines mit dem Potentialgradienten abnehmenden spezifischen elektrischen Widerstandes'(US-PS 2,666,876) oder
einer hohen relativen Dielektrizitätszahl von z, B. größer als 20 (US-PS 4,053,702) das elektrische Feld im Sinne einer
Vergleichmäßigung zu verändern vermögen. Derartige Werkstoffe
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bestehen meist aus einem elektrisch isolierenden Ausgangsmaterial,
vorzugsweise aus einem elastomere™ Kunststoff, und darin eingelagerten Teilchen, die dem Werkstoff die
gewünschtenEigenschaften verleihen. Im Fall des spannungsabhängigen
spezifischen elektrischen Widerstandes können beispielsweise Teilchen aus halbleitendem Material, zum
Beispiel Siliciumcarbid, oder Metallteilchen eingelagert sein. Im Fall der Werkstoffe mit hoher Dielektrizitätszahl
ist es üblich, Teilchen aus einem Material mit hoher relativer Dielektrizitätszahl einzuarbeiten, beispielsweise Bariumtitanat
oder Titandioxid.
Ferner ist es bekannt, die Feldverteilung in gefährdeten Bereichen auf kapazitivem Wege zu beeinflussen, indem man
metallische Elektroden entsprechend anordnet. So können beispielsweise abwechselnd Lagen aus leitender und isolierender
Folie auf ein Kabelende gewickelt werden (US--PS 2,276,923), oder es kann auf das Kabelendc ein hülseiiförmiges Feldsteuerungselement
aufgebracht werden, das ringförmige Elektroden enthält (ÜS-PS 3,673,305). Weiterhin sind für die Feldverteilung
auf kapazitivem Wege Deflektoren bekannt, die einen leitenden Außenteil aus elastischem Werkstoff und einen
damit spaltfrei verbundenen elastischen hochisolierenden Innenteil aufweisen (US-PS 3,243,756 und 3,344,391;
DE-PS 1,465,493).
Die beschriebenen bekannten Möglichkeiten der resistiven, refraktiven
oder kapazitiven Feldsteuerung haben einige Nach-
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teile, und zwar auch bei kombinierter Anwendung. Die Einlagerung
von Teilchen eines Materials mit hoher relativer Dielektrizitätszahl erhöht normalerweise die dielektrischen
Verluste beträchtlich. Die dadurch entstehende Aufheizung erhöht wieder die Neigung zum thermischen Abbau bzw.
frühzeitiger Alterung der Isolierstoffe und führt damit zu thermischen Durchschlägen. Bei der kapazitiven Feldsteuerung
bilden die Kanten der Elektroden starke Diskontinuitäten, so daß man die Kanten in wenig belastete Bereiche legen und
somit die ganze Feldsteuerungseinrichfcung entsprechend groß bemessen muß; darüber hinaus hat sich bei der Verwendung
von trichterförmigen Deflektoren an Kabelenden gezeigt, daß leicht kleine Hohlräume zwischen dem Trichter und den Teilen
des Kabelendes auftreten, die wegen ungünstiger Beeinflussung
der elektrischen Feldstärke längs des Deflektorgehäuses unbedingt unerwünscht sind. Außerdem besteht die Gefahr, daß
die richtige Fixierung derartiger Trichter nicht immer gewährleistet werden kann. Schließlich ist eine andere Lösung
der-beschriebenen Probleme bekannt geworden, die gegenüber
den oben beschriebenen bekannten Gegenmaßnahmen beträchtliche Vorteile bietet. Danach wird zur Beeinflussung elektrischer
Felder ein Werkstoff verwendet, der ein dielektrisches Ausgangsmaterial und ein darixi feinverheiltes Leitmaterial
aus plättchenföriuigen Teilchen einer elektrisch gut
leitenden Substanz, insbesondere Metall, aufweist, wobei die Plättchen im wesentlichen parallel orientiert sind, so daß
sich bei Messungen der relativen Dielektrizitätszahl verschiedene Werbe ergeben, wenn man dabei die angewandte Meß-
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elektrodenanordnung parallel oder senkrecht zu den Plättchenebenen
anwendet (US-PS 3,349,164). Als Ausgangsmaterial wird dabei vorzugsweise ein leicht verarbeitbares, insbesondere
gieß- oder spritzgießbares und gegebenenfalls elastisches und/oder temperaturbeständiges und/oder witterungsbeständiges
Material verwendet, beispielsweise Polyvinylchlorid in harter oder weichgemachter Form, Butadien-Acrylnitril-Elastomere
und dergleichen. Es können auch noch weitere leitende Teilchen wie Ruß und Füllstoffe zugesetzt sein; deren
Teilchengröße ist jedoch beträchtlich kleiner als die der elektrisch leitenden Plättchen. Der Werkstoff wird entweder
in Form eines den Werkstoff enthaltenden Wickelbandes oder als aufstreichbare bzw. pastose Suspension benutzt. Im Fall
von Kabelendabschlüssen werden beispielsweise schützende Überzüge durch Herumwickeln des Bandes bzw. mehrfaches Aufstreichen
der Suspension am Einsatzort hergestellt. Die gewünschte parallele Orientierung der leitenden Plättchen
wird beim Herstellen des Bandes durch Walzen und beim Aufstreichen
der Suspension durch den AufStreichvorgang bewirkt. Der Werkstoff hat sich in der Praxis gut bewährt.
Er ist verlustarm und wird von etwaigen Lufteinschlüssen wenig beeinflußt. Die Wirkungsweise ist im Grunde ebenfalls
kapazitiv, d. h. daß durch die Orientierung der leitenden Plättchen zusammen mit der relativ hohen relativen Dielektrizitätszahl
des Ausgangsmaterials eine Homogenisierung des Feldes erreicht wird. In der Praxis ist das Umwickeln
eines Bandes oder das Aufstreichen einer Paste oft nur mit
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_ β1 _
Schwierigkeiten möglich, in jedem Falle aber umständlich.
Außerdem sind die auf diese Weise hergestellten überzüge hinsichtlich ihrer Geometrie und ihrer elektrischen Eigenschaften
stark von der Geschicklichkeit des betreffenden Monteurs abhängig. Es ist auch vorgeschlagen worden, aus
derartigen Werkstoffen, bei denen in einem dielektrischen Grundmaterial Teilchen eines plättchenförmigen leitenden
Materials eingelagert sind vorgefertigte elastische Formkörper
herzustellen (US-PS 3,515,798), wie es bei Werkstoffen
mit eingelagerten Teilchen aus Isoliermaterial hoher relativer Dielektrizitätszahl bekannt war (US-PS 3,823,334
und US-PS 4,053,702),doch wurde dieser Weg in der Praxis nicht beschritten, weil man bei der Herstellung solcher Formkörper
die gewünschte und für unerläßlich gehaltene Orientierung der Plättchen aus Leitmaterial nicht in einfacher Weise erzielen
konnte. Insbesondere aber hat sich gezeigt, daß der Anwendungsbereich des beschriebenen Materials mit eingelagerten
parallel orientierten Teilchan aus Leitmaterial zu hohen Betriebsspannungen hin begrenzt ist. Außerdem nimmt
mit zunehmendem Gehalt an leitenden Plättchen die Durchschlagfestigkeit
stark ab. Auf der anderen Seite bestand aber durchaus df.r Wunsch, die sonst günstigen Eigenschaften
des beschriebenen bekannten Werkstoffes mit eingelagerten Teilchen aus Leitmaterial auch bei elektrischen Anlagen
mit höheren Betriebsspannungen nutzbar zu machen.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen zur verlustarmen Beeinflussung, insbesondere Entzerrung, elektrischer
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-f-
Felder in Mittel- und Hochspannungsanlagen geeigneten Werkstoff zu schaffen, der leicht herstellbar ist,
schon bei Anwendung geringer Mengen eine hochwirksame elektrische Entlastung gefährdeter Bereiche ermöglicht,
auch bei hohen Betriebsspannungen brauchbar ist und darüber hinaus leicht zu elastischen Formkörperη verarbeitbar ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem dielektrischen
Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, enthaltend ein dielektrisches Ausgangsmaterial, das vorzugsweise
leicht verarbeitbar, insbesondere gieß- oder spritzgießbar,
und gegebenenfalls elastisch, temperaturbeständig und/oder witterungsbeständig und/oder gut wärmeleitend ist,
und ein feinverteiltes Leitinaterial aus plättchenförmigen
Teilchen elektrisch gut leitenden Materials, insbesondere Metall, wie Aluminium, in einem Mengenanteil unterhalb einer
Grenzkonzentration, bei der der Werkstoff noch einen für Isolierstoffe charackteristischen spezifischen Durchgangswiderstand
aufweist; dieser Werkstoff ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein von. dem Ausgangsmaterial verschiedenes Isoliermaterial, das eine höhere
elektrische Durchschlagsfestigkeit hat als das Ausgangsmaterial, in feinverteilter Form als plättchenförmige
Teilchen, insbesondere aus Glimmer, die nach Anzahl und Abmessungen mit den plättchenförmigen Teilchen des Leitmaterials
vergleichbar sind, enthält.
Es hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße Werkstoff
alle Vorzüge des bekannten Werkstoffs mit eingelagerten
Leitmaterial-Plättchen aufweist und darüber hinaus bei
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vergleichbaren Einsatzbedingungen eine merklich verbesserte
Sicherheit gegen Glimmererscheinungen, Überschläge und
Durchschläge bietet,und zwar auch bei hohen Betriebsspannungen
und/oder bei vergleichsweise beträchtlichen Gehalten an Leitmaterial überraschend und besonders vorteilhaft
ist auch die Tatsache, daß der erfindungsgemäße Werkstoff die erwähnten sehr vorteilhaften Eigenschaften
insbesondere dann zeigt, wenn er durch entsprechende Wahl des Ausgangsmaterials und des eingelagerten Isoliermaterials
auf verhältnismäßig niedrige Werte der relativen Dielektrizitätüzahl
eingestellt ist, insbesondere auf Werte bis zu 8. Die dielektrischen Verluste sind dann besonders gering.
Bei Anwendung an Endverschlüssen oder sonstigen Anschlußelementen an geschirmten Hochspannungskabeln wird im Vergleich
zix bekannten Isolierstoffen für Feldsteuerungseinrichtungen
bei vergleichbaren Abmessungen eine bis um etwa 50 % gesteigerte Durchschlagsicherheit festgestellt. Auch bei Anwendung
hoher Gewichtskonzentrationen an Leitmaterial, beispielsweise bis zu etwa 30 GewichtsprOzent Aluminumplättchen,die
dem Werkstoff eine entsprechend hohe Wirksamkeit bei der Feldbceinflussung erteilen, bleibt der spezifische
elektrische Durchgangswiderstand bei Werten, wie sie für gute Isolierstoffe typisch sind, jedenfalls bei Werten oberhalb von
10
10 0hm * cm. Die anzuwendenden Mengen und Abmessungen des Isoliermaterials liegen natürlich in ähnlichen Bereichen; man kann oft unbedenklich bis zu etwa 60 Gewichtsprozent oder noch höheren Konzentrationen an eingelagertem plättchenförmigem Isoliermaterial gehen; eine Grenze wird allenfalls
10 0hm * cm. Die anzuwendenden Mengen und Abmessungen des Isoliermaterials liegen natürlich in ähnlichen Bereichen; man kann oft unbedenklich bis zu etwa 60 Gewichtsprozent oder noch höheren Konzentrationen an eingelagertem plättchenförmigem Isoliermaterial gehen; eine Grenze wird allenfalls
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dadurch gesetzt, daß die mechanischen Eigenschaften des
Werkstoffs sich in unerwünschter Weise verändern. Ursächlich für die überraschend günstigen Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist vermutlich, daß die Isoliermaterialplättchen sich
zwischen die Leitmaterialplättchen legen und eine besonders gute gegenseitige elektrische Isolierung
der Leitmaterialplättchen bewirken, so daß die Konzentration an elektrisch leitenden Brücken zwischen
mehreren aneinandergereihten Leitmaterialteilchen stark verringert ist. Das ergibt eine homogenere
Struktur des Werkstoffs und eine größere Gesamtlänge der zwischen den Leitmaterialplättchen in gewundenen
Bahnen verlaufenden elektrischen Feldlinien. Besonders überraschend ist ferner daß die Vorzüge des erfindungsgemäßen
Werkstoffs erhalten werden, ohne daß die Plättchen eine Vorzugsorientierung haben, d.h.,
wenn die plättchenförmigen Teilchen mit im wesentlichen zufallsverteilter Orientierung ihrer Plättchenebenen
in dem erfindungsgemäßen Werkstoff enthalten sind. Man kann also den Werkstoff oder daraus bestehende
Formkörper ohne Anwendung orientierender Bearbei-
.../1O
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tungsschritte wie Walzen oder dergleichen herstellen,
insbesondere auch durch Gießen oder Spritzgießen. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und der Bereich
an Anwendungsraöglichkeiten erweitert/
Es hat sich als günstig für die dielektrischen Eigenschaften des Werkstoffs/ insbesondere die mit ihm erzielte Überschlag-Sicherheit,
herausgestellt, wenn das verwendete eingelagerte Isoliermaterial eine relative Dielektrizitätszahl hat, die
mindestens gleich der des Ausgangsmaterials ist. Im allgemeinen erhält man gute Eigenschaften, γ/βηη das Ausgangsmaterial
und das Isoliermaterial je eine relative Dielektrizitätszahl unter 1O haben.
Die Größe der Plättchen ist von Bedeutung für die erzielte dielektrische Homogenität des Werkstoffs,bezogen auf die
Abmessungen der bei dem jeweiligen Anwendungsfall verwendeten Bauteile am und im Werkstoff. Bei den für Wechselspannungen
ab etwa 15 kV zweckmäßigen Abmessungen und Überschlagstrecken
können die Plättchen des Leitmaterials eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etwa 5 bis 75 um
haben; eine günstiger mittlerer Bereich ist 10 bis 25 um. Die Dicke der plättchenförmigen Teilchen sollte höchstens
etwa 1/10 der Querabmessung betragen, damit der Charakter eines Plättchens gewahrt bleibt. Ähnliches gilt naturgemäß
auch für die Plättchen aus Isoliermaterial. Deren Querabmessungen liegen zweckgemäß in der gleichen Größenordnung, ins-
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-yt-
besondere zwischen etwa 15 und 75 um, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 um. Es ist normalerweise schwierig, Isoliermater1ε
in plättchenförmigen Teilchen sehr kleiner Querabmessungen zu bekommen. Wie die angegebenen relativ
hohen Zahlen für die kleineren Werte zeigen, ist jedoch auch mit etwas grösseren Teilchen ein guter
Erfolg erzialbar. Ein besonders gut geeignetes
Isoliermaterial ist Glimmer, das von Natur aus Plättchenstruktur hat.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann in sehr einfacher
Weise hergestellt werden durch ein Verfahren mit dem Schritt:
a) Herstellen einer plastischen oder fließfähigen oder spritzgießbaren Werkstoffmasse durch Vermischen
einer Ausgangsmasse, die zu dem dielektrischen Ausgangsmaterial erhärtbar ist, mit dem Leitmaterial,
und gekennzeichnet durch die Schritte:
b) Zusätzliches Einbringen des plättchenförmigen Isoliermaterials in die Ausgangsiaasse bei der Herstellung
der Werkstoffmasse.
c) Formen eines Fcrmkörper-Rohlings aus der Werkstoffmasse und
d) Erhärten des Formkörper-Rohlings.
.../12
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Der Ausdruck "Erhärten" soll hier alle Vorgänge einschließen,
die ein Verfestigen aus dem pastösen, fließfähigen oder spritzgießbaren Zustand bedeuten,
so insbesondere das Aushärten oder Verfestigen von zur
Polyaddition oder Polykondensation befähigten Kunststoffen, dels Trocknen lösungsraittelhaltiger Werkstoff massen, das Erstarren
von Schmelzmassen, das Vulkanisieren, das Warmhärten
von Kunststoffen, und dergleichen.
Eine besonders einfache Herstellungsweise ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der
Werkstoffmasse das Leitmaterial mit dem Isoliermaterial
zu einer Vormischung verarbeitet und die Voruiischung
riit der Ausgangsmasse vermischt wird.
Um die gegenseitige elektrische Isolierung der Teilchen des Leitir.aterials sicherzustellen und zu verbessern,
kann as zweckmäßig sein, aus dem Loitmaterial
und einer mit dem Ausgangsmaterial verträglichen
flüssigen elektrisch isolierenden Hilfssubstanz eine
Vormischung
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herzustellen und dann die Vormischung und das Isoliermaterial mit der Ausgangsmasse zu der Werkstoffmasse zu verarbeiten.
Als elektrisch isolierende Hilfssubstanz kann mit Vorteil ein
Dispergierungsmittel für das Leitmaterial verwendet werden. Oft ist es auch möglich, als Hilfssubstanz einen mit dem Ausgangsmaterial
verträglichen Weichmacher und/oder Härter und/oder Katalysator zu verwenden; dieser kann überdies auch als Disper·-
gierungsmittel für das Leitmaterial wirken. Das bedeutet in der Praxis, daß vielfach die ohnehin zur Erzielung gewünschter Eigenschaften
des Ausgangsmaterials erforderlichen Bestandteile die Funktion der elektrisch isolierenden Hilfsstibstanz übernehmen
können.
Der erfindur.gsgemäße Werkstoff kann je nach der Art der gewählten
Bestandteile zu Fonnkörpern bestimmter Gestalt oder auch als amorphe, insbesondere streich-, gieß- odsr spritzfähige
oder thixotrope Masse verarbeitet v/erden.
Nach der Erfindung können dielektrische Feldstcucrungselemente
hergestellt werden, die in ihren dielektrischen Eigenschaften und ihren geometrischen Formen entsprechend
der jeweils gewünschten Veränderung eines an dem jeweiligen Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes ausgebildet sind;
diese
.../14
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Feldsteuerungselemente sind dadurch gekennzeichnet, daß sie
zumindest teilweise aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff bestehen. Da bei dem Herstellen der Feldsteuerungselemente
keine orientierenden Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind, bereitet die Fertigung der Feldsteuerungselemente keinerlei
Schwierigkeiten. Besonders zweckmäßig ist ein dielektrisches Feldsteuerungselement, das aus einem auf ein Ende einer Kabelisolierung
und/oder -abschirmung elastisch aufschiebbaren Formkörper, vorzugsweise einer Hülse, besteht. Es ist dabei
ohne weiteres auch möglich, die Hülse so auszubilden, daß sie zusätzlich einen ringförmigen Bestandteil aus elektrisch leitfähigem
elastischen Material aufweist; das ist oft erwünscht, um am Ende des Feldsteuerungselements definierte Potentialverhältnisse
zu schaffen. Insbesondere kann der ringförmige Bestandteil an einei.1 Ende der Hülse angeordnet sein, um beim Aufschieben
auf das Ende einer Kabelabschirmung einen elektrischen Kontakt
mit der Abschirmung herzustellen.
Vielfach können auch Feldsteuerungselemente anderer geometrischer Formen von Nutzen sein, um unzulässig hohe örtliche Feldkonzentrat.ionen
zu vemeiden, so insbesondere bei Winkelstrecken, Übergangs- oder Durchgangsverbindungen, Durchführungen und
Abzweigungen von Hochspannungskabeln.
Besonders vorteilhaft ist es, daß der erfindungsgemäße Werkstoff
auch elastomere Eigenschaften haben kann.
..,/15
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Demgemäß lassen sich dielektrische Feldsteuerungselemente unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Werkstoffs herstellen, die für verschiedene Abmessungen oder Größen von elektrischen Bauteilen
geeignet sind, im Fall von Hülsen eine für die Verwendung bei verschieden dicken Kabelisolierungen
und/oder -abmessungen ausreichende Elastizität aufweisen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen in Verbindung mit den Zeichnungen
näher beschrieben, wobei alle sich vom Stand der Technik unterscheidenden Merkmale von erfindungswesentlicher Bedeutung
sein können. Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes hülsenförmiges
Feldsteuerungselement,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldsteuerungseiements,
Fig. 3 eine geschnittene Ansicht eines Kabelendverschlusses mit einem erfindungsgemäßen Feldsteuerungselement,
und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der 50 %-Überschlag--Stoßspannung
in Abhängigkeit von der Überschlaglänge,, d. h. der Länge der Strecke zwischen einem freigelegten Leiterende
eines abgeschirmten Kabels und der Abschirmung an einem Kabelendverschluß mit Feldsteuerungselementen
gemäß Fig. 3 aus verschiedenen zusammengesetzten Werkstoffen.
In den Figuren 1 bis 3 werden dreiziffrige Bezugszahlen verwendet,
deren erste Ziffer die Figur angibt und deren zweite und dritte Ziffer das betreffende Teil bezeichnen.
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Fig. 1 zeigt im Axialschnitt ein hülsenförmiges Feldsteuerung
selement, das zum Aufschieben auf ein Ende eines abgeschirmten
Hochspannungskabels bestimmt ist. Es besteht aus einem einstückigen Hülsenkörper 101 aus elastischem VJerkstoff
der beschriebenen Art. Der Hülsenkörper hat am einen Ende eine kreiszylindrische Ausnehmung 103 mit einem Durchmesser
d.. , die sich zum anderen Ende hin in einen Durchgangskanal
105 konstanten kleineren Durchmesser d2 fortsetzt. Etwa
von der Mitte seiner Länge L an nimmt der Außendurchmesser D das Hülsenkörpers 101 bis zu dem Innendurchmesser d~ des
Durchgangskanals 105 kontinuierlich ab.
Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch ein hülsenförmiges Feldsteuerungselement, das einen dem Hülsenkörper des
Elements nach Fig. 1 gleichen Hülsenkörper 201 aufweist, In die Ausnehmung 203 ist ein hülsenförmiger Einsatzkörper 207
aus elektrisch leitendem oder halbleitendem elastischem Material spaltfrei eingefügt, vorzugsweise einvulkanisiert,
der an seinem von dem Durchgangskanal 205 abgowandten Ende
eine über das Ende des Hülsenkörpers 201 hinausragende, nach außen abgekröpftu hülsenförmige Schürze 209 aufweist.
Für den Fall, daß der Hülsenkörper 201 aus Silikonkautschuk besteht, kann als Ausgangsmaterial für die Herstellung des
hülsenförmigen Einsatzkörpers 207 leitfähiger Silikon-Kautschuk vom Typ "Conductive Rubber Silastic Q416O2" (der Firma Dow Corning)
verwendet werden. Dieser kann in einem Gewichtsverhältnis von
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.../18
50 : 50 rait Organo-Siloxan vom Typ "Silastic 133 BU" der
Firma Dow Corning versetzt und mit einem geeigneten Katalysator, z.B."Katalysator B" der Firma Dow Corning bei 140°C (10 Minuten)
vernetzt werden; das dann erhaltene Produkt weist einen spez. Durchgangswiderstand von 80 bis 100JVcm auf.
Fig. 3 zeigt im Axialschnitt ein hülsenförmiges Feldsteuerungselement
der in Fig. 2 dargestellten Art, betriebsmäßig auf ein Ende eines abgeschirmten Hochspannungskabels 311 aufgeschoben.
Das Kabel besteht in der üblichen Weise aus einem Leiter 313,
einer diesen umgebenden dielektrischen Isolierung 315, einem Kabelmantel 317, der ebenfalls aus Isoliermaterial bestehen
kann und innen mit einer Metallabschirmung 319 versehen ist,
und einer Strahlungsschutzschicht 321 aus halbleitendem Material. An dem dargestellten Kabelende ist der Mantel 317 abgeschnitten.
Auf das somit freigelegte Ende der Isolierung 315 i.i>t das Feldoteuerungselemexit 301 unter elastischer Aufweitung
stramm sitzend aufgeschoben, so daß die Kabelisolierung 315 spaltfrei in dem Durchgangskanal 305 sitzt, gegebenenfalls
unter zusätzlicher Verwendung einer pastosen Füllmasse wie
Silikonfett, um Luftzwischenräums zu vermeiden, und der elektrisch
leitende odor halbleitende Einsatzkörper 307 elektrisch mit der Metallabschirmung 319 in Verbindung steht. Der elektrische
Kontakt ist dadurch verbessert, daß die Schürze 309 des Einsatzkörpers 307 stramm passend auf der äußeren Lage der Metallabschirmung
319 sitzt. Außerhalb des anderen Endes des Feldsteuerungselements 301 ist die Kabelisolierung 315 nach einer Absetzlänge
A entfernt, so daß der Leiter 313 freiliegt.
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.../19
Für den dielektrischen Werkstoff werden folgende Ausführungsbeispiele
angegeben:
58 Gewichtsteile eines verzweigten Polyalkohols mit Äther-
und Estergruppen und einem Hydroxylgehalt von ca. 5 % (geeignet
ist das Produkt "Desraophen" der Firma Bayer AG) , dem
10 Gewichtsteile Aluminiumschliff aus plättchenformigen
10 Gewichtsteile Aluminiumschliff aus plättchenformigen
Teilchen mit einer mittleren Querabmessung von etwa 20 um
sowie 10 Gev/ichtsteile Glimmerpulver aus plättchenformigen Teilchen mit einer mittleren Querabmsssung von etwa 35 um
unter Rühren zugefügt wurden, werden mit 22 Gewichtsteilen Diphenylmethan-4, -4'-diisocyanat (MDI) homogen vermischt.
sowie 10 Gev/ichtsteile Glimmerpulver aus plättchenformigen Teilchen mit einer mittleren Querabmsssung von etwa 35 um
unter Rühren zugefügt wurden, werden mit 22 Gewichtsteilen Diphenylmethan-4, -4'-diisocyanat (MDI) homogen vermischt.
Die Werkstoffmasse kann leicht zu Formkörpern geformt werden
land bildet nach dem Aushärten einen elastischen Werkstoff.
Einem Gemisch aus 17,4 Gewichtsteilen eines verzweigten PoIyäthera
der in Beispiel A angegebenen Art und
30,6 Gewichtsteilen eines trifunktionellen Polyalkohols
(Molekulargewicht = 3000) werden unter Rühren 10 Gewichtsteile Aluminiumschliff und 20 Gewichtsteile Glimmer der im Beispiel A beschriebenen Sorten zugefügt. Nachdem eine homogene Mischung entstanden ist, werden 22 Gev/ichtsteile MDI
(vgl. Beispiel A) zugefügt. Man erhält eine leicht formbare Werkstoff masse, die nach Aushärtung einen elastischen Werk·- stoff bildet.
30,6 Gewichtsteilen eines trifunktionellen Polyalkohols
(Molekulargewicht = 3000) werden unter Rühren 10 Gewichtsteile Aluminiumschliff und 20 Gewichtsteile Glimmer der im Beispiel A beschriebenen Sorten zugefügt. Nachdem eine homogene Mischung entstanden ist, werden 22 Gev/ichtsteile MDI
(vgl. Beispiel A) zugefügt. Man erhält eine leicht formbare Werkstoff masse, die nach Aushärtung einen elastischen Werk·- stoff bildet.
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•-»/20
- yf-
• »Λ* ·
10 Gewichtsteile Aluminiumschliff und 20 Gewichtsteile Glimmer
der im Beispiel A beschriebenen Sorten werden mit 64,64 Gewichtsteilen eines reaktionsfähigen Organosiloxans (geeignet sind die
Produkte "Sylgard 184" der Firma Dow Corning und "HTV 100/25 der Firma Wacker) homogenisiert und anschließend mit 6,36 Gewichtsteilen
Metallkatalysator versetzt. Man erhält eine leicht formbare Hasse, die zu einem elastischen Werkstoff aushärtet.
10 Gewichtsteile Aluminiumschliff mit einer mittleren Teilchen-Querabraessung
von 25 um, 5 Gewichtsteile Glimmer mit einer ra it feieren
Teilchen-Querabrasssung von 3 5 um wer rl en mit 84,2 Gevrichtsteilen
eines reaktionsfähigen Organosiloxane der in Beispiel C
genannten Art auf der Mastizierwalse homogenisiert. Anschließend
werden 0,3 TeiLe Dicuinylperoxid als vulkanisationsmittel zugefügt.
Man erhält eine leicht formbare Masse, die nach Vulkanisierung bei 165° C und 15 Minuten Dauer einen gumnielastischen
Werkstoff bildet.
BeispiolE
75,55 Gev/ichtsteils eines OH-gruppenhaltigen Polybutadiene mit der
OH~Zahl 1,3 (geeignet ist das Produkt "Poly Bu R45HT der Firma
Ar co Chemical Comp.) werden mit IO Gewichts teilen Alum.Lnium-Schlif f
(Pliittchenstruktur) und 5 Gewichtsteilcn Glimmer-Pulver versetzt.
Nachdem 0,01 Geeichtste Lie eines metallhaltigen Katalysators
(Dibutylzinr.c(ilaurat) hJ.nzugef UgJ. v;urde, v/ird das erhaltene Gemisch
909846/0432
.-./2i COPY
• Sr·
mit 9,44 Gewichtsteilen reinem MDI (NCO-Gehalt = 34%) umgesetzt.
Einem Gemisch aus 10 Gewichtsteilen Aluminium-Schliff und Gewichtsteilen Glimmerpulver werden 26,6 Gewichtsteile eines
mit Rizinusöl intern plastifizierten DGEBA (Diglycidäther des Bisphenol A, geeignet ist das Handeln-Produkt "Beckopox Spezialharz
EPi5i"der Firma Hoechst AG, mit einem Epoxy-Wert 0,22)
zugefügt.
Zur Flexibilisierung werden 26,66 Gewichtsteile eines Diglycidyläthers
mit einem Epoxy-Wert von 0,53 (geeignet ist das Produkt "DER 736" der Firma Dow Corning) sowie 11,74 Gewichtsteile eines
flüssigen Kohlenwasserstoffharzes (geeignet ist das Produkt "Epodil L" der Firma Anchor Chemical Comp., Ltd.) zugegeben.
Das erhaltene Gemisch wird mit 14,94 Gewichtsteilen eines modifizierten
Polyamins mit einem Amin-Äquivalent von.70 (geeignet ist
das Produkt "Beckopox Spezialhärter VEH 629:|der Firma Hoechst AG)
ausgehärtet.
61 Gewichtsteile eines durch Nonylphenol blockierten Isocyanats (Prepolymer, geeignet ist das Produkt "Desmocap 11" der Firma
Bayer AG) werden mit 15,3 Gewichts teilen1 [von dar Firma Monsanto
unter der Bezeichnung "DUP" vertriebe™ versetzt.
.,./22
909846/0432
■ 38-
Anschließend wird ein Gemisch aus 12,5 Gewichtsteilen Aluminium-Schliff
und 7,5 Gewichtsteilen Glimmer-Pulver zugefügt. Das erhaltene Gemisch wird durch ein bifunktionelles aliphatisches
Polyainin (Amin-Äquivalent 60,geeignet ist das Produkt
"Laromin C 260"der Firma BASF) vernetzt.
Die nach den Beispielen A bis D erhaltenen ausgehärteten
Werkstoffe haben Eigenschaften gemäß der folgenden Tabelle I.
.../23
909846/0U2
7,8 | 8,1 | 9,5 |
6,5 | 7,1 | 8,2 |
6,6 | 6,2 | 5,5 |
7,3 | 7,6 | 6,9 |
4,6 | 5,3 | 6,3 |
6,5 | 7,2 | 8,1 |
7,1 | 7,9 | _ |
Beispiel Spezifischer Durch- Relative Dielektrizitäts-
gangswiderstand bei zahl bei folgenden Temperatu-Raumtemperatur
ren in 0C
Ohm · on 20 50 80
A 5 · 1012 B 4 · 1013 C 4 · 1015
D 7 . 1014 E ' 4 . 1O13
F 2 · 1012 G 1 · 1011 *
Bei den angeführten Werkstoffen lag die elektrische Durchschlagfestigkeit
zwischen 10 und 15 kV/mm.
Aus den Werkstoffmassen gemäß Beispielen A bis D wurden Formkörper
nach Fig. 1 geformt und zu elastischen Hülsenkörpern gemäß Fig. 1 ausgehärtet. Zum Vergleich wurden ferner v/eitere
Hülsenkörper aus Werkstoffen hergestellt, die 10 Gew,-% ("Vergleich E") bzw, 5 Gew.~% ("Vergleich F") A-lumi™
niumschliff der im Beispiel A angegebenen Art, jedoch kein plättchenförmiges Isoliermaterial enthielten, in übrigen
wie der Werkstoff nach Beispiel A zusammengesetzt waren. Die geometrischen Abmessungen betrugen in jedem Fall
D = 40 mm, d^ = 30 mm, d2 = 25 rim, L = 90 mm. Die Hülsenkörper
wurden mit halbleitenden elastischen Einsatzkörpern 207 gemäß Fig. 2 versehen, und die so gebildeten Feldsteuerung
selemen te wurden wie in Fig, 3 dargestellt auf ein Ende eines abgeschirmten Hochspannungskabels aufgeschoben. Die
Abschirmung 319 wurde geerdet, und es wurden gemäß VDE-Vorschrift 0472 § 511 Spannungsstöße auf den Leiter 313 gegeben*
909846/0432
,.,/2h
.30· 282Ί0Ί7
dessen freies Ende mit einer Kugelelektrode versehen war. Es wurden Versuche mit verschiedenen Absetzlängen A (Fig. 3)
der Kabelisolierung durchgeführt. Bei jeder Versuchsreihe traten mit zunehmender Höhe der Stoßspannung schließlich'
Überschläge zwischen dem freigelegten Ende des Leiters und dem Ende der Abschirmung 319 auf. Die Länge des Überschlagweges
ist etwa gleich der Baulänge L des Feldsteuerungselements plus der Absetzlänge A der Kabelisolierung. Es wurde
jeweils die "50 S-überschlag-stoßspannung" ermittelt, das ist diejenige
Stoßspannung, bei der bei 50 % der angewandten Spannung
35 to β e Überschläge,auftraten. Durchschläge durch die
Kabelisolierung 315 wurden in keinem Fall beobachtet.
Fig. 4 zeigt die Mittelwerte der Verauchsergabni.sse in
einer graphischen Darstellung. Man erkennt, daß die FeIdsteuörungselemente
schon bei kurzen Baulängen und geringen Abmessungen eine sehr hohe Sicherheit gegen Überspannungen
ergeben, wie sie beispielsweise in Energieübertraungssystemen
durch Bliszeinwirkung auftreten kennen. Entsprechende
Versuche mit Werkstoffen, die wie nach Beispielen A bis D,
jedoch jeweils mit nur 5 Gaw,-% Äluiainiumschliff hergestellt
waren, brachten nur wenig ungünstigere Ergebnisse.
.../25 909846/0432
. · 3a ·♦
Leerseite
Claims (24)
- . J Dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, enthaltend ein dielektrisches Ausgangsmaterial, das vorzugsweise leicht verarbeitbar, insbesondere gieß- oder spritzgießbar, und gcjoboner.Cills pastös oder elastisch, temperaturbeständig und/oder witterungsbeständig und/oder gut wärmeleitend ist, und ein fein verteiltes Leitmaterial aus plättchenförmigen Teilchen elektrisch gut leitenden Materials, insbesondere Metall, wie Aluminium, in einem Mengenanteil unterhalb einer Grenzkonzentration, bei der der Vierkstoff noch einen für Isolierstoffe charakteristischen spezifischen Durchgangswiderstand aufweint,dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein von dem Ausgangsmaterial verschiedenes Isoliermaterial, das eine höhere elektrische Durchschlagfestigkeit hat als das Ausgangsmateri'al, in fein verteilter Form als plättchenf örmige Teilchen, insbesondere aus Glimmer, die nach Anzahl und Abmessungen mit den plättchenförmigen Teilchen des Leitmaterials vergleichbar sind,enthält.
- 2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teilchen mit im wesentlichen zufallsverteilter Orientierung ihrer Plättchenebenen in dem Ausgangsmaterial angeordnet sind.909846/0Α3Ϊ '"/26ORIGINAL INSPECTED
- 3· Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial eine relative Dielektrizitätszahl hat, die mindestens gleich der des Ausgangsmaterials ist.
- 4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial und das Isoliermaterial je eine relative Dielektrizitätszahl unter 10 haben.
- 5. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine relative Dielektrizitätszahl zv/ischen der des Ausgangsmaterials und etwa 8 liegt.
- 6. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an Isoliermaterial 5 bis 60 Gew.-% GLinur.erplattchen enthält.909846/0432
- 7. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gehalt von 5 bis 3o Gew.-% Glimmerplättchen als Isoliermaterial enthält.
- 8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an Leitiaaterial 5 bis 30 Gew.-% Alurniniuraplättchen enthält.
- 9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teilchen des Leitmaterials eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etwa 5 bis 75 pm haben.
- 10. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung etwa 10 bis 25 um beträgt.
- 11. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennze.ich.net, daß die plättchenförmigen Teilchen des Isoliermaterials eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etv/a 15 bis 15 um haben.
- 12. Werkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung etwa 20 bis 40 um beträgt.
- 13. Werkstoff nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der pdättchenförrnigen Teilchen höchstens etwa 1/10 ihrer Querabmessung beträgt.609646/0432
- 14. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein spezifischer elektrischer Durchgangswiderstand mindestens 10 -/T- * cm beträgt.
- 15. Verfahren zum Herstellen eines vorzugsweise elastomeren Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit dem Schritta) Herstellen einer plastischen oder fließfähigen oder spritzgießbaren Werkstoffmasse durch Vermischen einer Ausgangsmasse, die zu dem vorzugsweise elastomer era dielektrischen Ausgangsmaterial erhärtbar ist, mit dem Leitmaterial, gekennzeichnet durch die Schritteb) zusätzliches Einbringen des pl^ttchenfcrmigen Isoliermaterial« in die Ausgangsmasse,c) Formen eines Fornkörper-Rohlings aus der Werkstoffmasse undd) Erhärten des Formkörper-Rohlings.
- 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der erhärtbaren V'erkstoffmasss das Leitmaterial und das Isoliermaterial zu einer Vormischung verarbeitet und die Vormischung mit der Ausgangsmasse vermischt wird,
- 17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Leitmaterial und einer mit dem Ausgangsmaterial verträglichen flüssigen elektrisch isolierenden Hilfssubstanz aine Vormischung hergestellt wird und daß dann die909846/0432.../29282 HH 7Vormischung und das Isoliermaterial mit der Ausgangsmasso ' zu der erhärtbaren Werkstoffmasse verarbeitet werden.
- 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfssubstanz ein Dispergierungsmittel für das Leitmaterial verwendet wird.
- 19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfssubstanz ein mit dem Ausgangsmaterial verträglicher Weichmacher und/oder Härter und/oder Katalysator verwendet wird.
- 20. Dielektrisches Feldsteuerungselement, das in seinen dielektrischen Eigenschaften und seiner geometrischen Form entsprechend einer gewünschten Veränderung eines an seinem Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes ausgebildet ist, insbesondere bei Endverschlüssen, Winkelsteckern, Übergangs- oder Durchgangsverbindungen, Durchführungen und Abzweigungen von Kochspannungskabeln, dadurch gekennzeichnet, daß ss zumindest teilweise aus dem Werkstoff nach einem der Aiisprüche bis 14 besteht.
- 21. Dielektrisches Feldsteuerungselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem auf ein Ende einer Kabelisolierung und/oder -abschirmung elastisch aufschiebbaren Formkörper, vorzugsweise einer Hülse, besteht.909846/0432
- 22. Dielektrisches hülsenförmiges Feldsteuerungselement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse zusätzlich einen ringförmigen Bestandteil aus elektrisch leitfähigem elastischem Material aufweist.
- 23. Dielektrisches Feldsteuerungselement nach Ansprach 22, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Bestandteil an einem Ende der Hülse angeordnet ist, um beim Aufschieben auf das Ende einer Kabslabschirmung einen elektrischen Kontakt mit dar Abschiriming herzustellen.
- 24. Dielektrisches Feldsteuerungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine für die Verwendung bei verschieden dicken Kabelisolierungen und/oder -abmessungen ausreichende Elastizität aufweist.909846/0432
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