DE2821017B2

DE2821017B2 - Dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, sowie seine Verwendung in Feldsteuerungselementen

Info

Publication number: DE2821017B2
Application number: DE2821017A
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: 1980-05-22
Also published as: SE456379B; IT7949029A0; SE440422B; FR2425707B1; CA1133079A; AU523678B2; BR7902915A; CH644223A5; SE7904040L; IT1116000B; GB2025441B; JPS551088A; JPS6250930B2; GB2025441A; AU4701479A; US4234439A; SE8406396D0; SE8406396L; FR2425707A1; DE2821017A1

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs sowie die Verwendung dieses Werkstoffs in Feldsteuerungselementen.

Bei elektrischen Finrichtungen für mittlere und hohe Spannungen, etwa ab 10 kV, können in Bereichen, wo Diskontinuitäten des radialen Feldes infolge Veränderung der Fcldbegrenzung 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 -Verdichtung, denen das Dielektrikum nicht gewachsen ist Als typische Beispiele dieser Art gelten Endverschlüsse oder Winkelstecker oder Verbindungsmuffen oder sonstige Anschlußelemente von abgeschirmten Hochspannungskabein; dort konzentriert sich das zwischen dem abisolierten Leiterende und dem Ende der Abschirmung bestehende ι ο elektrische Feld auf die Bereiche nahe an der Abschirmung, so daß in diesen Bereichen die Gefahr besteht, daß der Durchbruchsfeldstärken der Kabelisolierung und/oder der angrenzenden Luftschichten überschritten werden.

Diese Gefahr wird noch dadurch erhöht, daß es sich in der Praxis der elektrischen Energieübertragung fast nusschließlich um Wechselspannungen handelt, bei denen die dielektrischen Verluste im Dielektrikum nicht unerhebliche Temperaturerhöhungen verursachen, die- 2u se 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, die aufgrund besonderer Eigenschaften, beispielsweise eines mit dem Potentialgradienten abnehmenden jo spezifischen elektrichen Widerstandes (US-PS 36 66 876) oder einer hohen relativen Dielektrizitätszahl von z. B. größer als 20 (US-PS 40 53 702) das elektrische Feld im Sinne einer Vergleichmäßigung zu verändern vermögen. Derartige Werkstoffe bestehen meist aus einem elektrisch isolierenden Ausgangsmaterial, vorzugsweise aus einem elastomeren Kunststoff, und darin eingelagerten Teilchen, die dem Werkstoff die gewünschten Eigenschaften verleihen. Im Fall des spannungsabhängigen spezifischen elektrischen Wider-Standes 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 so anordnet. So können beispielsweise abwechselnd I agen aus leitender und isolierender Folie auf ein Kabelende gewickelt werden (US-PS 22 76 923), oder es kann auf das Kabelende ein hülsenförmiges Feldsteuerurigselement aufgebracht werden, das ringförmige Elektroden enthält (US-PS 36 73 305). Weiterhin sind für die Feldverteilung auf kapazitivem Wege Deflektoren bekannt, die einen leitenden Außenteil bus elastischem Werkstoff und einen damit spaltfrei verbundenen elastischen hochisolierenden Innenteil aufweisen t,o (US-PS 32 43 756 und 33 44 391, DE-PS 14 65 493).

Die beschriebenen bekannten Möglichkeiten der resistiven, refraktiven oder kapazitiven Feldsteuerung haben einige Nachteile, und zwar auch bei kombinierter Anwendung. Die Einlagerung von Teilchen eines bi 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 föhn 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 Feldsteuerungseinrichtung 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 würden kann. Schließlich ist eine andere Lösung der beschriebenen Probleme bekanntgeworden, 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 darin feinverteiltes Leitmaterial aus plättchenförmigen 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 Werte ergeben, wenn man dabei die angewandte Meßelektrodenanordnung parallel oder senkrecht zu den Plättchenebenen anwendet (US-PS 33 49 164). 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 elektrische leitenden Plättchen. Der Werkstoff wird entweder in Form eines den Werkstoff enthaltenden Wickelbandes oder als aufstreichbare bzw. pastöse 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 eivvaijen Lufteinschlüssen wenig beeinflußt. Die Wirkungsweise ist im Grunde ebenfalls kapazitiv, d. h. daß durch die Orientierung der leitenden Plattchen 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 Anstreichen einer Paste oft nur mit 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 35 15 798), wie es bei Werkstoffen mit eingelagerten Teilehen aus Isolierma-

terial hoher relativer Dielektrizitätszahl bekannt war (US-PS 38 23 334 und 40 53 702), 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 Teilchen 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 der 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, elketrischer Felder in Mittel- und Hochspannungsanlagen geeigneten Werkstoff zu schaffen, der schon bei Anwendung geringer Mengen eine hochwirksame elektrische Entlastung gefährdeter Bereiche ermöglicht und auch bei hohen Betriebsspannungen brauchbar ist; darüber hinaus soll er auch in leicht herstellbaren und/oder leicht zu elastischen Formkörpern verarbeitbaren Zusammensetzungen zu verwirklichen sein.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem dielektrischen Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, enthaltend ein dielektrisches Ausgangsmaterial und ein feinverteiltes Leitmaterial aus plättchenförmigen Teilchen elektrisch gut leitenden Materials in einem Mengenanteil unterhalb einer Grenzkonzentration, bei der der Werkstoff noch einen für Isolierstoffe charakteristischen 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 feinverleiller Form als plättchenförmige Teilchen, 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 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 Dielektrizitätszahl 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 zu 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 Aluminiumplättchen, die dem Werkstoff eine entsprechend hohe Wirksamkeit bei der Feldbeeinflussung erteilen, bleibt der spezifische elektrische Durchgangswiderstand bei Werten, wie sie für gute Isolierstoffe typisch sind, jedenfalls bei Werten oberhalb von 10'°Ohm-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 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 zufalls-

jo verteilter Orientierung ihrer Plättchenebenen in dem erfindungsgemäßen Werkstoff enthalten sind. Man kann also den Werkstoff oder daraus bestehende Formkörper ohne Anwendung orientierender Bearbeitungsschritte wie Walzen oder dergleichen herstellen, insbesondere auch durch Gießen oder Spritzgießen. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und der Bereich an Anwendungsmöglichkeiten erweitert.

Es hat sich als günstig für die dielektrischen Eigenschaften des Werkstoffs, insbesondere die mit ihm

erzielte Überschlagsicherheit, herausgestellt wenn das verwendete eingelagerte Isoliermaterial eine relative Dielektrizitätszahl hat, die mindestens gleich der des Ausgangsmaterial ist Im allgemeinen erhält man gute Eigenschaften, wenn das Ausgangsmaterial und das Isoliermaterial je eine relative Dielektrizitätszahl unter 10 haben.

Die Größe der Plättchen ist von Bedeutung für die erzielte dielektrische Homogenität des Werkstoffs, bezogen auf die Abmessungen der bei dem jeweiligen

so 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 μπι haben; ein günstiger mittlerer Bereich ist 10 bis 25 μπι. Die Dicke der plättchenförmigen Teilchen sollte höchstens etwa >/io der Querabmessung betragen, damit der Charakter eines Plättchens gewahrt bleibt. Ähnliches gilt naturgemäß auch für die Plättchen aus Isoliermaterial. Deren Querabmessungen liegen zweckmäßig in der gleichen Größenordnung, insbesondere zwischen etwa 15 und 75 μπι, vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 μπι. Es ist normalerweise schwierig, Isoliermaterial 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 erzielbar. Ein besonders gut

geeignetes Isoliermaterial ist Glimmer, das von Natur aus Plättchenstruktur hat.

Vielfach wird ein Ausgangsmaterial zweckmäßig sein, das leicht verarbeitbar, insbesondere gieß- oder spritzgießbar, und gegebenenfalls elastisch, temperatur- > beständig und/oder witterungsbeständig und/oder gut wärmeleitend ist. Als Leitmaterial wird normalerweise Metall zu bevorzugen sein.

Der erfindiingsgemäße Werkstoff kann in sehr einfacher Weise hergestellt werden durch ein Verfahren ι» mit dem Schritt:

a) Herstellen einer formbaren 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 Ausgangsmasse bei der Herstellung der Werkstoffmasse;

c) Formen eines Formkörper-Rohlings aus der Werkstoffmasse und

d) Erhärten des Formkörper-Rohlings.

Der Ausdruck »Erhärten« soll hier alle Vorgänge einschließen, die ein Verfestigen aus dem pastösen, fließfähigen oder spritzgießbaren Zustand bedeuten, so insbesondere das Alishärten oder Verfestigen von zur Polyaddition oder Polykondensation befähigten Kunststoffen, das Trocknen lösungsmittelhaltiger Werkstoffmassen, das Erstarren von Schmelzmassen, das Vulkanisieren, das Warmhärten von Kunststoffen und dergleichen.

Eine besonders einfache Herstellungsweise ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Werk-Stoffmasse das Leitmaterial mit dem Isoliermaterial zu einer Vormischung verarbeitet und die Vormischung mit der Ausgangsmasse vermischt wird.

Um die gegenseitige elektrische Isolierung der Teilchen des Leitmaterials sicherzustellen und zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, aus dem Leitmaterial und einer mit dem Ausgangsmaterial verträglichen flüssigen elektrisch isolierenden Hilfssubstanz eine Vormischung 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 Dispergierungsmittel 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 Hilfssubstanz übernehmen können.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann je nach der Art der gewählten Bestandteile zu Formkörpern bestimmter Gestalt oder auch als amorphe, insbesondere streich-, gieß- oder sprotzfähige oder thixotrope Masse verarbeitet werden.

Nach der Erfindung läßt sich der erfindungsgemäße Werkstoff mit Vorteil in dielektrischen Feldsteuerungselementen verwenden, 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 Feldsteuerungselemente bestehen zumindest teilweise aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff. Da bei dem Herstellen der Feldsteuerungselemente unter Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs keine orientierenden Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind, bereitet die Fertigung der Feldsteuerungselemente keinerlei Schwierigkeiten; so läßt sich ohne weiteres auch ein dielektrisches Feldsteuerungselement herstellen, 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 einem Ende der Hülse angeordnet sein, um beim Aufschieben auf das Ende einer Kabelabschirmung einen elektrischen Kontakt mit der Abschirmung herzustellen.

Auch in Feldsteuerungselementen anderer geometrischer Formen kann der erfindungsgemäße Werkstoff verwendet werden, um unzulässig hohe örtliche Feldkonzentrationen zu vermeiden, 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.

Demgemäß lassen sich dielektrische Feldsteuerungselementp 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 verschiedenen dicken Kabelisolierungen und/oder -abmessungen ausreichende Elastizität aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes hülsenförmiges Feldsteuerungselement,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform eines eriindungsgemäßen Feldsteuerungselements,

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 Oberschlaglänge, d. h. der Länge der Strecke zwischen einem freigelegten Leiterende eines abgeschirmten Kabels und der Abschirmung an einem Kabelendverschluß mit Feldsteuerungselementen gemäß F i g. 3 aus verschiedenen zusammengesetzten Werkstoffen.

In den F i g. 1 bis 3 werden dreiziffrige Bezugszahlen verwendet, deren erste Ziffer die Figur angibt und deren zweite und dritte Ziffer das betreffende Teil bezeichnen.

F i g. 1 zeigt im Axialschnitt ein hülsenförmiges Feldsteuerungselement, das zum Aufschieben auf ein Ende eines abgeschirmten Hochspannungskabels bestimmt ist Es besteht aus einem einstückigen Hülsenkörper 101 aus elastischem Werkstoff der beschriebenen Art Der Hülsenkörper hat am einen Ende eine kreiszylindrische Ausnehmung 103 mit einem Durchmesser du die sich zum anderen Ende hin in einen

Durchgangskanal 105 konstanten kleineren Durchmesser d; fortsetzt. Etwa von der Mitte seiner Länge L an nimmt der Außendurchmesser Ddes Hülsenkörpers 101 bis zu dem Innendurchmesser di des Durchgangskanals 105 kontinuierlich ab. -,

F i g. 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 ι ο halbleitendem elastischem Material spaltfrei eingefügt, vorzugsweise einvulkanisiert, der an seinem von dem Durchgangskanal 205 abgewandten Ende eine über das Ende des Hülsenkörpers 201 hinausragende, nach außen abgekröpfte hülsenförmige Schürze 209 aufweist. ι j

Für den Fall, daß der I lülsenkörper 2Oi aus Silikonkautschuk besteht, kann als Ausgangsmaterial für die Herstellung des hülsenförmigen Einsatzkörpers 207 leitfähiger Silikon-Kautschuk vom Typ »Conductive Rubber Silastic Q41602« (der Firma Dow Corning) verwendet werden. Dieser kann in einem Gewichtsverhältnis von 50:50 mit 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 100 Ω ■ cm auf.

Fig. 3 zeigt im Axialschnitt ein hülsenförmiges Feldsteuerungselement der in F i g. 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 Isoliermate- v·, rial 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 ist das Feldsteuerungselement 301 unter elastischer Aufweitung stramm sitzend aufgeschoben, so daß die Kabelisolierung 315 spaltfrei in dem Durchgangskanal 305 sitzt, gegebenenfalls unter zusätzlicher Verwendung einer pastösen Füllmasse wie Silikonfett, um Luftzwischenräume zu vermeiden, und der elektrisch leitende oder 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

Für den dielektrischen Werkstoff werden folgende Ausführungsbeispiele angegeben:

Beispiel A

__ 5S Gewichtsteile eines verzweigten Polyalkohols mit Äther- und Estergruppen und einem Hydroxylgehalt von ca. 5% (geeignet ist das Produkt »Desmophen« der Firma Bayer AG), dem 10 Gewichtsteile Aluminiumschliff aus plättchenförmigen Teilchen mit einer mittleren Querabmessung von etwa 20μΐη sowie 10 Gewichtsteile Glimmerpulver aus plättchenförmgen Teilchen mit einer mittleren Querabmessung von etwa 35 μπι unter Rühren zugefügt wurde, werden mit 22 Gewichtsteilen Diphenylmethan-4, -4'-diisocyanat (MDI) homogen vermischt.

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

Beispiel B

Einem Gemisch aus 17,4 Gewichtsteilen eines verzweigten Polyäthers 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 Gewichtsteile MDI (vgl. Beispiel A) zugefügt. Man erhält eine leicht formbare Werkstoffmasse, die nach Aushärtung einen elastischen Werkstoff bildet.

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 Masse, die zu einem elastischen Werkstoff aushärtet.

Beispiel D

10 Gewichtsteile Aluminiumschliff mit einer mittleren Teilchen-Querabmessung von 25 μίτι, 5 Gewichtsteile Glimmer mit einer mittleren Teilchen-Querabmessung von 35 μηι werden mit 84,2 Gewichtsteilen eines reaktionsfähigen Organosiloxans der in Beispiel C genannten Art auf der Mastizierwalze homogenisiert. Anschließend werden 0,8 Teile Dicumylperoxid als Vulkanisationsmittel zugefügt. Man erhält eine leicht formbare Masse, die nach Vulkanisierung bei 165°C und 15 Minuten Dauer einen gummielastischen Werkstoff bildet.

Beispiel E

75,55 Gewichtsteile eines OH-gruppenhaltigen PoIybutadiens mit der OH-Zahl 1,3 (geeignet ist das Produkt »Poly BD R45HT« der Firma Arco Chemical Comp.) werden mit 10 Gewichtsteilen Aluminium-Schliff (Plättchenstruktur) und 5 Gewichtsteilen Glimmer-Pulver versetzt. Nachdem 0,01 Gewichtsteile eines metallhaltigen Katalysators (Dibutylzinndilaurat) hinzugefügt wurde, wird das erhaltene Gemisch mit 9,44 Gewichtsteilen reinem MDI (NCO-Gehalt = 34%) umgesetzt.

Beispiel F

Einem Gemisch aus 10 Gewichtsteilen Aluminium-Schliff und 10 Gewichtsteilen Glimmerpulver werden 26,6 Gewichtsteile eines mit Rizinusöl intern plastifizierten DGEBA (Diglycidäther des Bisphenols A, geeignet ist das Handelsprodukt »Beckopox Spezialharz EPl 51« 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 Nonylpheno! blockierten Isocyanats (Prepolymer, geeignet ist das Produkt »Desmocap 11« der Firma Bayer AG) werden mit 15,3 Gewichtsteilen Diundecylphthalat (von der Firma Monsanto unter der Bezeichnung »DUP« vertrieben) versetzt.

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 Polyamin (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 1.

Tabelle I	Spezifischer Durch	Relative	Dielektrizitäts-	50	C
Beispiel	gangswiderstand bei	zahl bei	folgenden	8,1	80
	Raumtemperatur		Temperaturen in	7,1	9,5
	Ohm· cm		20	6,2	8,2
	5-10¹²	7,8	7,6	5,5
A	4-10"	6,5	5,3	6,9
B	4-10¹⁵	6,6	7,2	6,3
C	7-10¹⁴	7,8	7,9	8,1
D	4-10¹³	4,6		-
E	2-10¹²	6,5
F	110"	7,1
G

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 F i g. 1 geformt und zu elastischen Hülsenkörpern gemäß Fig. 1 ausgehärtet. Zum Vergleich wurden ferner weitere Hülsenkörper aus Werkstoffen hergestellt, die 10Gew.-% (»Vergleich E«)

j bzw. 5 Gew.-% (»Vergleich F«) Aluminiumschliff der im Beispiel A angegebenen Art, jedoch kein plättchenförmiges Isoliermaterial enthielten, im übrigen wie der Werkstoff nach Beispiel A zusammengesetzt waren. Die geometrischen Abmessungen betrugen in jedem Fall

in D=40mm, dt = 30 mm, c/> = 25mm, Z. = 90mm. Die Hülsenkörper wurden mit halbleitenden elastischen Einsatzkörpern 207 gemäß Fig. 2 versehen, und die so gebildeten Feldsteuerungselemente wurden wie in Fig.3 dargestellt auf ein Ende eines abgeschirmten

i^r> Hochspannungskabels aufgeschoben. Die Abschirmung 319 wurde geerdet, und es wurden gemäß VDE-Vorschrift 0472 §511 Spannungsstöße auf den Leiter 313 gegeben, dessen freies Ende mit einer Kugelelektrode versehen war. Es wurden Versuche mit verschiedenen

2(i Absetzlängen A (Fig. 3) der Kabelisolierung durchgeführt. Bei jeder Versuchsreihe traten mit zunehmender Höhe der Stoßspannung schließlich Oberschläge zwischen dem freigelegten Ende des Leiters 313 und dem Ende der Abschirmung 319 auf. Die Länge des Überschlagweges ist etwa gleich der Baulänge L des Feldsteuerungselements plus der Absetzlänge .4 der Kabelisolierung. Es wurde jeweils die »50%-Überschlag-Stoßspannung« ermittelt, das ist diejenige Stoßspannung, bei der bei 50°/o der angewandten

Spannungsstöße Überschläge auftraten. Durchschläge durch die Kabelisolierung 315 wurden in keinem Fall beobachtet.

Fig.4 zeigt die Mittelwerte der Versuchsergebnisse in einer geradkettigen Darstellung. Man erkennt, daß die Feldsteuerungselemente schon bei kurzen Baulängen und geringen Abmessungen eine sehr hohe Sicherheit gegen Überspannungen ergeben, wie sie beispielsweise in Energieübertragungssystemen durch Blitzeinwirkung auftreten können. Entsprechende Versuche mit Werkstoffen, die wie nach Beispielen A bis D, jedoch jeweils mit nur 5 Gew.-% Aluminiumschliff hergestellt waren, brachten nur -wenig ungünstigere Ergebnisse.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuimen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, enthaltend ein dielektrisches Ausgangsmaterial und ein fein verteiltes Leitmaterial aus plättchenförmigen Teilchen elektrisch gut leitenden Materials in einem Mengenanteil unterhalb einer Grenzkonzentration, bei der der Werkstoff noch einen für Isolierstoffe charakteristischen spezifischen Durchgangswiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein von dem Ausgangsmaterial verschiedenes Isoliermaterial, das eine höhere elektrische Durchschlagfestigkeit hat als das Ausgangsmaterial, in fein verteilter Form als plättchenförmige Teilchen, die nach Anzahl und Abmessungen mit den plättchenförmigen Teilchen des Leitmaterials vergleichbar sind, enthält

2. Werkstoff nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teilchen mit im wesentlichen zufallsverteilter Orientierung ihrer Plättchenebenen in dem Ausgangsmaterial angeordnet sind.

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 zwischen der des Ausgangsmaterials und etwa 8 liegt.

6. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Glimmer als Isoliermaterial enthält.

7. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er an Isoliermaterial 5 bis 60 Gew.-% Glimmerplättchen enthält.

8. Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gehalt von 5 bis 30 Gew.-% Glimmerplättchen als Isoliermaterial enthält.

9. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Metall als Leitmaterial enthält.

10. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er an Leitmaterial 5 bis 30 Gew.-% Aluminiumplättchen enthält.

11. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teilchen des Leitmaterials eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessungen von etwa 5 bis 75 μιη haben.

12. Werkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung etwa 10 bis 25 μηι beträgt.

13. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Teilchen des Isoliermaterials eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etwa 15 bis 75 μιη haben.

14. Werkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung etwa 20 bis 40 μηι beträgt.

15. Werkstoff nach einem der Ansprüche 11 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der plättchenförmigen Teilchen höchstens etwa ¹Ao ihrer Querabmessung beträgt.

16. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein elastomeres Ausgangsmaterial enthält.

17. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein spezifischer elektrischer Durchgangswiderstand mindestens 10¹⁰ Ω - cm beträgt

18. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit dem Schritt

a) Herstellen einer formbaren Werkstoffmasse durch Vermischen einer Ausgangsmasse, die zu dem dielektrischen Ausgangsmaterial erhärtbar ist, mit dem Leitmaterial, gekennzeichnet durch die Schritte

b) zusätzliches Einbringen des plättchenförmigen Isoliermaterials in die Ausgangsmasse,

c) Formen eines Formkörper-Rohlings aus der Werkstoffmasse und

d) Erhärtendes Formkörper-Rohlings.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der erhärtbaren Werkstoffmasse das Leitmaterial und das Isoliermaterial zu einer Vormischung verarbeitet und die Vormischung mit der Ausgangsmasse vermischt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Leitmaterial und einer mit dem Ausgangsmaterial verträglichen flüssigen elektrisch isolierenden Hilfssubstanz eine Vormischung hergestellt wird und daß dann die Vormischung und das Isoliermaterial mit der Ausgangsmasse zu der erhärtbaren Werkstoffmasse v^arbeitet werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfssubstanz ein Dispergierungsmittel für das Leitmaterial verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfssubstanz ein mit dem Ausgangsmaterial verträglicher Weichmacher und/oder Härter und/oder Katalysator verwendet wird.

23. Verwendung des Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einem Feldsteuerungselement, z. B. in Form eines elastisch aufschiebbaren Formkörpers wie einer Hülse, das in seinen elektrischen Eigenschaften und seiner geometrischen Form entsprechend der gewünschten Veränderung eines an seinem Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes ausgebildet ist, wobei — je nach der Stärke des elektrischen Feldes — ein Bestandteil aus elektrisch leitfähigem elastischem Material zur elektrischen Kontaktierung mit einer Abschirmung in das Feldsteuerungselement eingefügt sein kann.