JP2000503454A - 電気応力の制御 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
ケーブルジョイントおよび終端に使用するための電気的応力制御層(12)として使用するための組成物は、非線形V−1特性を有する。組成物はドープした亜鉛酸化物バリスター粉末を充填したポリマーマトリックスを含んでなる。粒状充填剤は、125μmでふるい分けされ、1100℃で焼成され、球状の粒子を保持するように軽く粉砕される。50重量%を超える粒子は、5〜100μmの最大寸法を有する。
Description
【発明の詳細な説明】
電気応力の制御
本発明は、電気応力(電気ストレス)の制御、特に電気応力の制御をもたらす
組成物、および例えば電力ケーブルのジョイントまたは終端へのそれの適用に関
する。
中程度の電圧で、すなわち約10kVおよびそれ以上で作動する電力ケーブル
を含めた電気装置は、電気応力を受けることが起こりうるが、その電気応力は、
本質的に絶縁体である材料によって十分に制御されていない。そのような用途の
ために特に応力制御材料を使用することは既知である。そのような材料は、「線
形」または「非線形」として分類されうる。線形応力制御材料は、オームの法則
:
I=kV
[式中、
I=電流
V=電圧、および
kは定数である。]
に従う。
非線形材料は、一般式:
I=kVγ
[式中、γは、1より大きい定数であり、その値は、考慮中の材料に依存する。
]
に従う。
EP−B−0121986(Raychem)は、例えば、線形応力制御材料の層を非
線形制御材料の層に組み合わせて使用する高電圧ケーブルの終端を開示している
。それぞれの層の材料は、充填したポリマーを含んでなるさまざまな材料から選
択されうる。
第8回 CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium,Floren
ce(1994年6月29日〜7月4日) のプロシーディングにおいて公表Varistor Composites”は、ドープしたZnOバリスター粉末を充填剤としてポ
リマーマトリックス中に含んでなる材料を開示している。その材料の提案される
用途として、ブッシュおよびケーブル終端における電場勾配または電圧過渡の抑
制が挙げられる。それぞれ935℃〜1320℃、4時間〜20時間の範囲の条
件下で、粉末を焼結することによって充填剤は調製される。充填剤の粒子の形状
は、ほぼ球形であるといわれている。凝集体が約3〜300μmの直径を有し、
焼結の前またはその後にふるい分けすることによって球形のサイズフラクション
が選択されることが示されている。調製された試料は、<200μmの粒子サイ
ズにふるい分けされる。得られた材料は、非線形電流/電圧特性を有する。
て電圧分配に使用する非線形抵抗材料を開示している。その材料は、ポリマー材
料でありうる結合剤またはバインダーおよびドープした酸化亜鉛に基づくセラミ
ック粉末を含んでなる。この刊行物において、粉末(亜鉛酸化物)の質量パーセ
ントおよび粒子サイズが、材料の2つの本質的な特性であると示されており、亜
鉛酸化物は全質量の少なくとも50%を形成し、粉末の粒子の少なくとも50%
は100μmより大きい直径を有する。材料は非線形性であると示されており、
電場の強さは電流密度とともにスムーズに変化する。セラミック粉末は、高温(
800〜1500℃)で焼結した材料のペレットを粉砕することによって得られ
る。すなわち、亜鉛酸化物の初期粒子は、高電圧の避雷器においてバリスターと
して使用される種類の凝集性固体またはペレットに高温で圧縮され、次いで遊星
形アゲートマーブルクラッシャーによって粉砕されて粉末を形成する。そのよう
な粉砕によって、不規則で通常鋭い形状の粒子が得られる。全組成物における一
定のパーセント(85%)の粉末で粒子サイズが増大するにつれて、得られた粉
末の非線形性が改良されると示されている。140μm〜200μmの粒子サイ
ズは100μm〜140μmのサイズよりも好ましい。100μm未満の粒子サ
イズを有する試料は、十分な非線形性を示さないと示されている。
US−A−4 297 250(Westinghouse)は、非線形V−I特性を示すZ
n
O粉末組成物の製造方法を開示している。凝集した粒子の塊をプレスして、凝集
性のプレスされた未焼成体を提供し、次いでしばらく1050〜1400℃に加
熱して粒子を一緒に焼結する。次いで焼結体を粉砕して、微細な粉末粒子フラグ
メントを供給する。フラグメントをふるい分けし、500〜1050℃に加熱し
、その後に粉砕し、非線形性V−I特性を示す微細粉末を供給する。該特許の図
1および図2で示されるように、焼結およびその後の粉砕工程における圧力が初
期の規則的な形状から不規則な形状に粒子の形状を十分に変化させ、その後の加
熱工程が単に不規則な形状を被覆することが示されている。
本発明の1つの目的は、亜鉛酸化物に基づき、非線形電気挙動を示す改良され
た電気応力制御組成物を提供することである。
本発明の1つの要旨によれば、
(a)ポリマーマトリックス、および
(b)ドープした亜鉛酸化物バリスター粉末を含んでなる粒状充填剤
を含んでなる組成物であって、
(i)充填剤の粒子が800℃〜1400℃の温度で焼成され、その後に本質的
にすべての粒子が元の実質的に球形の形状を保持するように粉砕され、
(ii)充填剤の少なくとも85重量%が亜鉛酸化物であり、
(iii)50重量%を超える充填剤粒子が5〜100μmの最大寸法を有し、
組成物が非線形性の電気挙動を示し、これにより、5kV/cm〜50kV/c
mの電場内の領域で、電場が5kV/cm未満で増大する場合に比インピーダン
スが少なくとも10の係数で減少し、
(iv)全組成物の5〜60体積%を充填剤が構成する
組成物を提供する。
非線形亜鉛酸化物充填剤ポリマー材料に関する従来技術の開示によれば、焼結
体から得られた100μm(EdF)〜200(ABB)の粒子サイズを有する
粉末が応力制御の目的に好ましい。対照的に、本発明によれば、より小さい粒子
サイズを要求し、粉末を供給するために圧縮したブロックを粉砕することは不利
益である不規則な粒子を与えると認識されている。後者の観点から、本発明の焼
成は、圧縮なしで重力下での高温加熱であることに注目すべきである。得られた
形状安定体は、粉砕されるのにほとんど力を必要とせず、例えば軽い粉砕によっ
て粉砕され、このことによって、製造業者によって最初に供給されるドープした
亜鉛酸化物バイスター粉末の一般的な形状であるなめらかでほぼ球形の形状より
も、むしろ不規則な形状の粒子のパーセントは最小になり、例えば約5%になる
。
好ましくは充填剤のすべての粒子は、100μm未満、好ましくは125μm
未満の最大寸法を有する。
好ましくは、15重量%を越えない充填剤粒子が15μm未満の最大寸法を有
する。
電気的用途、例えば電気装置、ケーブルジョイント、ケーブル終端などに応力
制御層として適用するためにシート状またはチューブ状スリーブに組成物を形成
するときに、粒子サイズが特に関係する。そのような層は、1mmの厚さのオー
ダーであり、粒子が厚さと同じぐらいの寸法を有する場合、表面は粗くなり、特
に不規則な形状の粒子を有して空隙が形成しうる。これらの状況において、部分
的な放電が許容できない範囲まで生じうる。ABB紙によって提案される粒子サ
イズ<200μm、<0.2mmにふるい分けした粉末状材料は、粒子サイズ<
125μm、すなわち<0.125mmにふるい分けした材料と比較して望まし
くない放電の危険性を顕著に増大させる。
ABB紙が、組成物の電気的な挙動への粒子サイズおよびサイズ分布の関係を
何ら教示していないことも指摘しておく。本発明によれば、すべての粒子が12
5μm未満のサイズを有する要求に加えて、ガウス分布(実際のガウス分布、ま
たはガウス分布から変形した分布)で測定した燃焼した粉末の平均粒子サイズは
、20〜60μm、好ましくは25〜60μm、さらに好ましくは35〜45μ
mである。
さらに、15重量%をこえない、好ましくは5重量%をこえない粒子が、25
μm未満の最大寸法を有することが好ましい。この条件を満たさない場合、最終
組成物の抵抗率が高い電場強度において非常に高く、(より低い比インピーダン
スへの)スイッチングポイントがある値で生じる影響が非常に高すぎて、本発明
の組成物を一般的な応力制御に実用的に使用できないことがわかっている。
充填剤の焼成は、800℃〜1400℃で、好ましくは950℃〜1250℃
で行い、1100℃が最も好ましい表示温度である。焼成工程の最適温度は、亜
鉛酸化物粉末に存在する特定のドーパントに依存する。すべてのドーパントが活
性化される、すなわちドーパントの溶融および拡散が起こり、得られた粉末がイ
ンピーダンスにおいて鋭い変化を示すように最小温度が要求される。しかしなが
ら、あまりに高い温度では、応力制御材料の不都合な化学的な分解を引き起こし
うる。粉末は、すべての粒子が一様な電気特性になるように十分な時間で焼成温
度を保持する必要がある。
焼成工程によって、効果的に「バリスター効果」を示す特有の粒子を得る。粒
状材料は、交流電気インピーダンス特性(材料に印加される交流電圧と得られた
電流の流れの関係)の変化に関して非線形的であるだけでなく、スイッチング挙
動も示し、電圧対電流のグラフは、急激な変位を示し、電場が5kV/cm未満
で増大する場合(5kV/cm〜50kV/cmの電場範囲、好ましくは10k
V/cm〜25kV/cmの電場範囲の領域で、電力ケーブルのジョイントまた
は終端に使用される場合に材料の典型的な作動範囲)、材料の比インピーダンス
が少なくとも10の係数で減少することによって定量される。好ましくは、変位
は、電場が10〜20kV/cmの範囲内で2kV/cm未満で増大するときに
上記減少が生じるものである。非線形性は材料のインピーダンスおよび体積抵抗
率の両方において生じる。充填剤粒子の非線形性は、スイッチングポイントのそ
れぞれの部位で異なってよい。電気応力が増加するにつれて、スイッチングポイ
ントで材料が簡単に顕著に非線形性を変化し、電気的な破断またはフラッシュオ
ーバーを導かないことも重要である。組成物の粒子サイズが小さくなるにつれて
、スイッチングポイントを超えて生じる絶縁破壊の可能性が少なくなる。
US−A−4 297 250による材料と対照的に、実質的にすべて、つまり
少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%の本発明の組成物の粒子が、改
良された電気的性能の利点を有する初期の実質的に球状の形状を保持する。
組成物がより高いインピーダンスとより低いインピーダンス値の間でスイッチ
する点、すなわち電気応力は、得られた生成物の用途に合うように選択される。
この特性は、例えば、(i)特定のポリマーマトリックスまたはそれの比誘電率
、例えば、4〜60の範囲、(ii)適した充填剤粒子サイズ、(iii)充填
剤の体積含量、および(iv)焼成温度および/または持続時間を選択すること
によって変化できる。電気応力の値に関するスイッチングポイントの位置が、材
料が適用されるケーブルジョイントまたは終端のインパルス性能に影響を及ぼし
、ジョイントまたは終端で異なる状況で異なるように要求されうる。後者に関し
て、スイッチングポイントが、より低い適用電場強度で起こる場合に、インパル
ス性能が改良される。しかしながら、材料がより導電性であることをこのことは
意味し、材料の結果的な加熱に注意を払う必要があり、これが大きくなる程、ケ
ーブルの電圧定格は高くなる。
このようにして処理された粒子状のドープした亜鉛酸化物の使用は、ポリマー
マトリックス中に含むのに要求される量を5〜50体積%、好ましくは10〜4
0体積%にし、その結果粒子サイズを、上記の既知の組成物に使用されるものよ
り小さくし、充填剤粒子の50重量%以上が5μm〜100μm、好ましくは2
5μm〜75μmの最大寸法を有するようになる。好都合には、そのような粒子
寸法は、少なくとも60重量%の粒子に適用される。
ポリマーマトリックスに関しての充填剤の体積含量は、組成物の要求されるイ
ンピーダンスを与えるように選択され、例えば電力ケーブルの終端で応力を制御
するように使用される材料に対しては、同じ電圧定格で作動する同じケーブルの
ジョイントの応力制御に使用される材料に対してよりも高い。
粒子サイズは、適した大きさの、好ましくは125μmふるいに通過すること
によって達成される。好都合には、焼成した粒子の形成方法は、ぎざぎざの外表
面またはとがった外表面よりむしろなめらかな表面を保持する結果を与え、粒子
は、顕著に細長いよりもむしろ実質的に楕円または好ましくは球形であってよい
。
粒子状充填剤は、少なくとも85重量%、好ましくは少なくとも90重量%の
亜鉛酸化物を含んでなる。残りの材料、ドーパントは、当業者にはドープした亜
鉛酸化物バリスター材料として既知である以下の例のいくつかまたはすべてを含
んでよい:Bi2O3、Cr2O3、Sb2O3、CO2O3、MnO3、Al2O3、C
oO、Co3O4、MnO、MnO2、SiO2、ならびに極微量の鉛、鉄、ホウ素
およびアルミニウム。
ポリマーマトリックスは、エラストマー材料、例えばシリコーンまたはEPD
M;熱可塑性ポリマー、例えばポリエチレンまたはポリプロピレン;接着剤、例
えばエチレン−ビニルアセテート系の接着剤;熱可塑性エラストマー;ゲル;熱
硬化性材料、例えばエポキシ樹脂;またはコポリマーを包含するそれらの材料の
組み合わせ、例えばポリイソブチレンとアモルファスポリプロピレンの組み合わ
せを含有してよい。
全組成物は、これらの材料のための他の周知の添加剤を、例えば特定の用途に
対する加工性および/または適合性を改良するために含んでよい。後者に関して
、例えば、電力ケーブル付属品に使用する材料は、屋外の環境条件に耐える必要
があるかもしれない。適した添加剤は、加工剤、安定剤、酸化防止剤および可塑
剤、例えば油を含んでよい。
ドープした亜鉛酸化粉末は、全組成物の5〜60体積%、好ましくは10体積
%を超えて、さらに好ましくは20体積%を超えて、最も好ましくは25体積%
を超えて、好ましくは50体積%未満、さらに好ましくは40体積%を構成する
。
全組成物の比誘電率(50Hzで約2V/mmの低い電場強度で測定)は、4
〜60の範囲、好ましくは6を越えて、さらに好ましくは8を超えて、好ましく
は40未満であり、さらに好ましくは25未満である。さらに、誘電率は、25
0kHzまでの測定で、2の係数を超えて変化しないことが好ましい。
全組成物の比インピーダンス(50Hzで低い電場強度(約2V/mm)で測
定)は、108Ω・cm〜1010Ω・cmの範囲である。
本発明の他の要旨において、本発明の1つの要旨に関して上記した応力制御組
成物を含んでなる材料層を適用した電気装置、例えば、電力ケーブルのジョイン
トまたは終端を提供する。
組成物は、装置のまわりに巻きつけ得るテープまたはシートのような層に形成
されてよい。あるいは、層は、チューブ状スリーブの形態であってよい。層は同
時押出の部品として供給されてよく、例えば内層であってよい。
本発明の組成物から形成される層は、典型的に約1mmの厚さを有してよい。
1つの用途において、本発明の組成物は、国際特許出願公開番号WO91/1
6564に記載されるケーブル終端の応力制御ラップを形成してよい。
本発明の他の要旨によれば、電気的非線形組成物の製造方法であって、
(a)ドープした亜鉛酸化物バリスター粉末を含んでなる粒状充填剤を重力下で
焼成し、その後、粒子の実質的すべてが元の形、好ましくは実質的に球形を保持
するように粉砕し、
(b)粉末を125μmふるいに通し、
(c)焼成したおよびふるい分けした粉末をポリマーマトリックス中の充填剤と
して分散させる
方法を提供する。
好都合には、方法の工程、充填剤および組成物は、本発明の1つの要旨に関し
て記載したとおりである。
それぞれ本発明にしたがっている応力制御組成物および組成物を使用して終端
した電力ケーブルを添付図面により例をあげて説明する:
図1および図2は、応力制御組成物を使用する電力ケーブル終端の2つの形態
の断面図である。
図3は、焼成したドープ亜鉛酸化物充填剤の典型的な粒子サイズ分布のグラフ
である。
図4は、さまざまな粒子サイズに対する充填剤粉末のインピーダンスのグラフ
である。
図5は、充填剤の焼成の効果を示す組成物の比インピーダンスのグラフである
。
図1は、20kVの終端ポリマーケーブル2を示す。ケーブル誘電体4は、ク
リンプしたラグ7によって他の電気装置(図示せず)、例えばスイッチギアーに
接続するために導体6を露出するように取り除かれている。ケーブル絶縁体の外
側シース8は切り取られ、アースに接続するように作製する際に折り曲げられた
外装ワイヤ10を露出する。半導体スクリーン12は、シース8を超えて延在す
るが、ケーブル誘電体4に沿って途中まで終端するように切り取られている。ケ
ーブル2の終端は、応力制御層14および外側熱収縮絶縁層16の適用によって
完成する。層14および16は、シース8の端に隣接する半導体スクリーン12
に重なり、誘導体4に沿って切取端へ延在し、ラグ7の足に重なる。1つの端で
、応力制御層14はスクリーン12と電気的に接触し、アース電位にあり、一方
の端では、作動点で導体6とラグ7の20kV電位にある。
層14および16は、単一の同時押出チューブとして形成されるが、分離した
チューブとして形成されて適用されることが可能である。別の配置において、応
力制御層は、チューブの形態であろうとなかろうと、外側絶縁層より短くてよく
、次いでスクリーン12から延在し、誘電体に沿って途中までで終端してよい。
図2は、別のケーブル終端を示し、ケーブル20は、外側絶縁シース22、ア
ースワイヤー24、半導体スクリーン26および誘電体28を有し、これらは切
り取られて導電体30を露出し、導電体30は接続ラグ32にクリンプされる。
スクリーン26に重なり、誘電体28に沿って途中まで延在するように、応力制
御材料の長方形のシート34をケーブル20のまわりに一回巻きつける。延在す
る複数のレインシェド40を有するほぼ円筒形のコア部分38を有してなる絶縁
エラストマー外側カバー36は、ケーブル2に適用され、一端はアースワイヤー
24を覆って、もう一端は、ラグ32を覆って長手方向に延在する。カバー36
は、国際特許出願公開No.WO91/16564に記載される制止配列体から
ケーブル2の半径方向上に連続的に解放されることによって適用されてよい。
図1の応力制御チューブ14および図2のシート34の材料は、本発明による
電気的非線形応力制御組成物を含んでなる。これらの態様の材料は、シリコーン
エラストマーを含んでなるマトリックスおよびドープした亜鉛酸化物を含んでな
る粒状充填剤を含有する。ドープした亜鉛酸化物は、亜鉛酸化物約90重量%お
よびBi2O3+Cr2O3+Sb2O3+CO2O3+MnO3約10重量%を含んで
なる。
ポリマーマトリックスのペレットと混合し、最終的に要求される形態を作製す
るように押出器に入れる前に、粉末を約1100℃の温度でキルン中で焼成した
。焼成充填剤は、充填剤およびポリマーマックスを含んでなる全組成物の約30
体積%を構成した。
125μmふるいを通した後、適した粉末である焼成したドープ亜鉛酸化物粒
子の相対数の典型的な粒子サイズ分布を図3で示したが、約40μmの粒子サイ
ズで鋭いピークがあり、粒子の大多数は20〜60μmであることがわかる。
焼成したドープ亜鉛酸化物粒子のスイッチング挙動は、3つの範囲の粒子サイ
ズに関する図4に示されるように、(50Hzで)電場強度の関数として非線形
比インピーダンスにおいて急激な変化を示す。曲線Iは25μm未満の粒子サイ
ズ、曲線IIは25〜32μmの粒子サイズ、曲線IIIは粒子サイズ75〜1
25μmに関する。粒子サイズが減少するにつれて、より高い電場強度でスイッ
チングポイントが生じることがわかる。
図5は、電気挙動の比較、つまり50Hzで電場の関数として、応力制御材料
の組成の比インピーダンスの変化を示し、曲線IVは、焼成した粒子であり、一
方、曲線Vは、焼成していない粒子である。これらの試料において、上記の亜鉛
酸化物粉末配合物は、ポリマーマトリックスを供給するシリコーンエラストマー
35体積%を形成した。材料が非線形挙動を示すときでさえ、粒子が焼成されて
いない材料では、十分に高い電場強度でさえスイッチング挙動が生じないことが
明らかである。
本発明の応力制御組成物は既知の応力制御材料よりも顕著な利点を示す。
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(72)発明者 グラメシュパッハー,ハンスイェルク
ドイツ連邦共和国デー―85579ノイビベル
ク、イーザルシュトラーセ8番
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. (a)ポリマーマトリックス、および (b)ドープした亜鉛酸化物バリスター粉末を含んでなる粒状充填剤 を含んでなる電気応力制御組成物であって、 (i)充填剤の粒子が800℃〜1400℃の温度で焼成され、その後実質的に すべての粒子が元の形を保持するように粉砕され、 (ii)充填剤の少なくとも85重量%が亜鉛酸化物であり、 (iii)50重量%を超える充填剤粒子が5〜100μmの最大寸法を有し、 組成物が非線形性の電気挙動を示し、これにより、5kV/cm〜50kV/c mの電場内の領域で電場が5kV/cm未満で増大する場合に比インピーダンス が少なくとも10の係数で減少し、 (iv)全組成物の5〜60体積%を充填剤が構成する 組成物。 2. 充填剤のすべての粒子が100μm未満、好ましくは125μm未満の 最大寸法を有する請求項1に記載の組成物。 3. 15重量%を超えない量の充填剤粒子が、15μm未満の最大寸法を有 する請求項1または2に記載の組成物。 4. 充填剤粒子を950〜1250℃、好ましくは約1100℃の温度で焼 成する請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。 5. 少なくとも90重量%の充填剤が亜鉛酸化物を含んでなる請求項1〜4 のいずれかに記載の組成物。 6. 50重量%を超える量の充填剤粒子が25〜75μmの最大寸法を有す る請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。 7. 充填剤が全組成物の10〜40体積%を含んでなる請求項1〜6のいず れかに記載の組成物。 8. 請求項1〜7のいずれかに記載の応力制御組成物を含んでなる材料の層 。 9. 請求項8に記載の層を適用した電力ケーブルのジョイントまたは終端。
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