DE2821017A1

DE2821017A1 - Dielektrischer werkstoff zur beeinflussung elektrischer felder, sowie daraus hergestellte feldsteuerungseinrichtungen

Info

Publication number: DE2821017A1
Application number: DE19782821017
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Goebell; Dieter Kehr
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1979-11-15
Also published as: GB2025441A; AU4701479A; JPS551088A; JPS6250930B2; GB2025441B; AU523678B2; IT7949029A0; CH644223A5; SE440422B; CA1133079A; FR2425707A1; DE2821017C3; SE456379B; BR7902915A; DE2821017B2; SE7904040L; SE8406396D0; IT1116000B; US4234439A; SE8406396L

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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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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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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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

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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-

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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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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.

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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

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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.

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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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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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Für den dielektrischen Werkstoff werden folgende Ausführungsbeispiele angegeben:

Beispiel A

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

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.

Die Werkstoffmasse kann leicht zu Formkörpern geformt werden land bildet nach dem Aushärten einen elastischen Werkstoff.

Beispiel B

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.

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• »Λ* ·

Beispiel C

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.

Beispiel D

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

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mit 9,44 Gewichtsteilen reinem MDI (NCO-Gehalt = 34%) umgesetzt.

Beispiel F

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.

Beispiel G

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.

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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.

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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	_

Tabelle I

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*

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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.

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Claims

. 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.

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ORIGINAL 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.

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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.

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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 Schritt

a) 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 Schritte

b) zusätzliches Einbringen des pl^ttchenfcrmigen Isoliermaterial« in die Ausgangsmasse,

c) Formen eines Fornkörper-Rohlings aus der Werkstoffmasse und

d) 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 die

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Vormischung 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.

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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.

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