JP2017531296A - 向上した絶縁破壊強度を有する誘電材料 - Google Patents
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Abstract
向上した絶縁破壊強度の誘電材料は、反対向きの第1主表面及び第2主表面を有する、基底誘電体層を備える。第1のストレス緩和層が、基底誘電体層の第1主表面上に配設される。第2のストレス緩和層が、基底誘電体層の第2主表面上に配設される。第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層の少なくとも一方の体積導電率は、基底誘電体層の体積導電率の少なくとも2倍である。
Description
本発明は、向上した絶縁破壊強度、及び電気的用途に有用な他の特性を有する、誘電材料に関する。
固体の誘電体絶縁材料が、主にシステム電圧を維持するために、ケーブル、アクセサリ、変圧器、発電機、電力コンデンサなどを含めた電力用途において、絶縁材として一般的に使用される。典型的な誘電体絶縁材料としては、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、エチレンプロピレンゴム(EPR)、及びシリコーンが挙げられる。中電圧及び高電圧の電力ケーブルは、典型的には、半導電層によって囲まれた導体を備え、更に、その導体の周囲の電界を制御するために、誘電体絶縁層を備える。絶縁材料はまた、ケーブルアクセサリ内での電気的ストレス制御にも、重要な役割を果たす。特に、地中のアクセサリは、誘電体層の絶縁破壊レベルを下回る電気的ストレスを維持して制御するために、ストレス制御を提供する必要がある。誘電材料の絶縁破壊強度が向上するにつれて、ケーブル又はアクセサリが、同じ電圧レベルで機能するために必要とされる絶縁層は、より薄いものとなる。向上した絶縁破壊強度を有する誘電材料を組み込んだ、ケーブル及びアクセサリは、それゆえ、同等の電圧性能を有する、従来の絶縁材料で作製されたケーブル及びアクセサリと比較して、より小さく、より軽く、かつ低コストで作製することができる。このことは、送電電圧で特に重要であるが、中電圧級のケーブル及びアクセサリに関しても重要である。
地球全体の電力需要が増加し続けているため、改善された中電圧及び高電圧の電力構成要素が、依然として必要とされている。したがって、向上した絶縁破壊強度を有する絶縁材料が、必要とされている。
本発明の第1の態様によれば、向上した絶縁破壊強度の誘電材料は、反対向きの第1主表面及び第2主表面を有する、基底誘電体層を備える。第1のストレス緩和層が、基底誘電体層の第1主表面上に配設される。第2のストレス緩和層が、基底誘電体層の第2主表面上に配設される。第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層の少なくとも一方の体積(バルク)導電率は、基底誘電体層の体積導電率の少なくとも2倍である。
別の態様では、ストレス緩和層の少なくとも一方は、バインダー材料中に分散された、充填材料を含む。
別の態様では、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層の少なくとも一方は、半導体充填材料を含む。
別の態様では、この半導体充填材料は、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)、ヒ化ホウ素(BAs)、リン化インジウム(InP)、ヒ化インジウム(InAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジウム(InSb)、リン化ガリウム(GaP)、リン化ホウ素(BP)、アンチモン化アルミニウム(AlSb)、ヒ化アルミニウム(AlAs)、リン化アルミニウム(AlP)、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化銅(Cu2S)、硫化銀(Ag2O)、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、リン化ニッケル(II)(NiP)、硫化スズ(II)(SnS)、硫化スズ(IV)(SnS2)、硫化鉛(II)(PbS)、セレン化鉛(PbSe)、酸化銅(I)(Cu2O)、酸化銅(II)(CuO)、酸化ニッケル(II)(NiO)、二酸化スズ(SnO2)、酸化スズ(II)(SnO)、二酸化モリブデン(MoO2)、二酸化チタン(TiO2)、銀ガリウムヒ素(AgGaAs)、及びチタン酸バリウム(BaTiO3)からなる群から選択される材料を含む。
別の態様では、半導体充填材料は、低バンドギャップ半導電材料を含む。
別の態様では、充填材料は、ドープ半導体、並びに、合成中に形成された格子構造内の空孔及び格子間欠陥を有する半導体からなる群から選択される材料を含む。
別の態様では、充填材料は、高バンドギャップ(絶縁)材料を含む。
別の態様では、充填材料は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、マイカ、及びアルミナ(Al2O3)からなる群から選択される材料を含む。
別の態様では、充填材料は、金属、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、ドープ半導体、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される導電材料を含む。
別の態様では、ストレス緩和層の少なくとも一方は、その層の全体積に対して、約0.5体積%〜約100体積%の充填材料を含む。
別の態様では、充填材料は、1種以上の微粒子を含み、それぞれが、球形、平板、小板、立方体、針状、偏球、回転楕円体、角錐、角柱、薄片、棒状、繊維状、小片、髭状、及びこれらの混合から選択される形状を有する。
別の態様では、各充填材料微粒子のサイズは、約10nm〜約100μmとすることができる。
別の態様では、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層の少なくとも一方は、バインダー材料を含む。
別の態様では、バインダー材料は、ポリマーを含む。
別の態様では、バインダー材料は、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、EPDMゴム、EPR、EVA、ポリイミド、フルオロポリマー、エポキシ、ポリスルフィド、ポリエチレン、及びポリエステルからなる群から選択されるポリマーを含む。
別の態様では、各ストレス緩和層は、添加物を更に含む。
別の態様では、添加物は、溶媒、分散剤、消泡剤、及び界面活性剤のうちの少なくとも1つを含む。
別の態様では、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層は、異なる材料から形成される。
別の態様では、基底誘電体層は、ポリマー及び絶縁材料からなる群から選択される材料を含む。
別の態様では、基底誘電体層は、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、ポリイミド、ポリエチレン、及びポリエステルのうちの1つを含む。
別の態様では、各ストレス移行層は、約1×10−12S/m〜約1×10−8S/mの体積導電率を有する。
別の態様では、各ストレス移行層は、約1×10−11S/m〜約1×10−9S/mの体積導電率を有する。
別の態様では、基底誘電体層は、約1×10−12S/m〜約1×10−10S/mの体積導電率を有する。
別の態様では、各ストレス移行層は、そのストレス緩和層の全体積に対して約0.8体積%〜約12体積%の濃度を有する、MoS2充填材料を含む。
別の態様では、各ストレス移行層は、そのストレス移行層の全体積に対して約0.5体積%〜約16体積%の濃度を有する、WS2充填材料を含む。
別の態様では、各ストレス移行層は、そのストレス移行層の全体積に対して約2体積%〜約15体積%の濃度を有する、ケイ素充填材料を含む。
本発明の別の態様では、電力ケーブルは、導体と、その導体を囲む第1の遮蔽層と、本明細書で説明される向上した絶縁破壊強度の誘電材料を含む絶縁層とを備える。この電力ケーブルは、絶縁層を囲む第2の遮蔽層と、その第2の遮蔽層を囲む保護ジャケットとを更に含む。
本発明の別の態様では、誘電ストレス制御デバイスは、本明細書で説明される向上した絶縁破壊強度の誘電材料を含む絶縁層を含む、成形体を備える。
本発明の別の態様では、ケーブルアクセサリは、本明細書で説明される向上した絶縁破壊強度の誘電材料を含む。
本発明で使用するとき、
「ストレス緩和層」とは、誘電基底材料と導電電極との境界面のような高い電気的ストレスの領域を低減し、かつ例えば、充填材料と誘電バインダー材料との混合物を含み得る、絶縁層を意味する。
「ストレス緩和層」とは、誘電基底材料と導電電極との境界面のような高い電気的ストレスの領域を低減し、かつ例えば、充填材料と誘電バインダー材料との混合物を含み得る、絶縁層を意味する。
「絶縁層」とは、約10−5S/m未満の体積導電率を有する材料を指す。
「向上した絶縁破壊強度」とは、その多層材料の絶縁破壊強度が、基底誘電材料の絶縁破壊強度よりも大きいことを指す。
本発明の上記の「発明の概要」は、本発明の、開示される各実施形態又は全ての実装を説明することを意図するものではない。以下の図及び「発明を実施するための形態」は、例示的実施形態をより詳細に例示するものである。
本発明は様々な修正及び代替形態が可能であるが、それらの具体像が、例として図面に示されており、詳細に説明される。しかしながら、説明される特定の実施形態に本発明を限定することを意図するものではない点を理解するべきである。逆に、添付の「特許請求の範囲」によって定義される本発明の範囲内に含まれる、全ての修正、等価物、及び代替物を網羅することを意図するものである。
以下の好適な実施形態の「発明を実施するための形態」では、その一部を構成する添付図面が参照される。これらの添付図面は、本発明を実践することが可能な特定の実施形態を、例として示すものである。他の実施形態を使用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的変更又は論理的変更を実施することができる点が理解されよう。それゆえ、以下の「発明を実施するための形態」は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の「特許請求の範囲」によって定義されるものである。
既存のインフラストラクチャにおける電力容量を増大させるための、より薄く、より軽い、よりコンパクトな構成要素が、電力事業で必要とされている。現行の絶縁材料における絶縁破壊強度の限界は、そのような、同じ電圧レベルに関する、より薄く、より軽い、より信頼性の高い構成要素に対する障害として、従来より見なされている。本明細書で説明されるように、本発明の誘電材料の実施形態は、従来の材料に勝る、絶縁破壊強度の著しい向上をもたらし得る。そのような、向上した絶縁破壊強度の誘電材料は、電力ケーブルの作製、並びに、接続部及び端末部などのアクセサリ(モジュール式アクセサリを含む)、絶縁テープ及び絶縁紙などの作製の際に使用することができ、それらは全て、低減された絶縁体厚さ、及び改善された絶縁破壊強度を有する。本発明の更なる実施形態は、湿潤条件での、より信頼性の高い電力ケーブルアクセサリの動作を可能にする、水ロバスト性をもたらし得る。
図1は、本発明の第1の態様の、向上した絶縁破壊強度の多層材料100を示す。材料100は、反対向きの第1主表面121及び第2主表面122を有する、基底誘電体層(又は、基材)120を含む。第1のストレス緩和層110が、基底誘電体層120の第1主表面121上に配設される。第2のストレス緩和層130が、基底誘電体層120の第2主表面122上に配設される。本明細書の複数の実施例で示されるように、本発明の一態様では、第1のストレス緩和層110の体積導電率は、基底誘電体層120の体積導電率の少なくとも2倍である。別の態様では、第1のストレス緩和層110及び第2のストレス緩和層の体積導電率は、基底誘電体層120の体積導電率の2倍〜100倍である。この多層材料が、半導電材料又は導電材料と(例えば、電気ケーブル内でのように)接触している場合、この基底誘電体層とストレス緩和層との異なる体積導電率のレベルは、構造体内に導電率勾配をもたらす。それゆえ、境界面ストレス緩和層のそれぞれの導電率は、好ましくは、基底層の導電率よりも高く、半導電材料又は導電材料よりも低い。基底誘電体層の表面上に存在する、電荷トラップなどの表面欠陥は、ストレス緩和層が存在する場合、絶縁破壊に関して、より重要性が低いものとなる。
本発明の別の態様では、各ストレス移行層は、約1×10−12S/m〜約1×10−8S/mの体積導電率を有する。例えば、1つの特定の態様では、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層は、それぞれ約1×10−11S/m〜約1×10−9S/mの体積導電率を有する。
本発明の別の態様では、基底誘電体層は、約1×10−12S/m〜約1×10−10S/mの体積導電率を有する。
更には、多層材料100の絶縁破壊強度はまた、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層の厚さに応じても変化し得る。一態様では、第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層は、約5nm〜約80ミル(2mm)の厚さを有する。ストレス緩和層の厚さの関数として絶縁破壊強度を示す、以下で更に詳細に論じられる図5もまた、参照されたい。
本発明の実施形態の誘電体基材(基底誘電体層)に関して好適な材料としては、例えば、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、エチレンプロピレンゴム(EPR)、エチレン酢酸ビニル(EVA)、ポリイミド、フルオロポリマー、エポキシ、ポリスルフィド、ポリエチレン、及びポリエステルなどの、ポリマーが挙げられる。基底誘電体層に関する他の例示的材料としては、マイカなどの絶縁材料が挙げられる。他の好適な誘電体層の材料としては、例えば、以下の表2で列挙される基底誘電材料を挙げることができる。
ストレス緩和層は、それぞれ、バインダー材料中に分散された充填材料を含み得る。一部の好ましい実施形態では、この充填材料は、半導電材料を含む。例示的な無機半導電材料としては、限定するものではないが、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)、ヒ化ホウ素(BAs)、リン化インジウム(InP)、ヒ化インジウム(InAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジウム(InSb)、リン化ガリウム(GaP)、リン化ホウ素(BP)、アンチモン化アルミニウム(AlSb)、ヒ化アルミニウム(AlAs)、リン化アルミニウム(AlP)、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化銅(Cu2S)、硫化銀(Ag2O)、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、リン化ニッケル(II)(NiP)、硫化スズ(II)(SnS)、硫化スズ(IV)(SnS2)、硫化鉛(II)(PbS)、セレン化鉛(PbSe)、酸化銅(I)(Cu2O)、酸化銅(II)(CuO)、酸化ニッケル(II)(NiO)、二酸化スズ(SnO2)、酸化スズ(II)(SnO)、二酸化モリブデン(MoO2)、二酸化チタン(TiO2)、銀ガリウムヒ素(AgGaAs)、及びチタン酸バリウム(BaTiO3)が挙げられる。一部の実施形態では、充填材料は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリ(p−フェニレンスルフィド)、及びそれらの誘導体などの、導電性ポリマーを含む。別の態様では、充填材料は、低バンドギャップ半導電材料を含む。別の例示的実施形態では、充填材はまた、ドープ半導体、あるいは、合成中に形成された格子構造内の空孔及び格子間欠陥を有する半導体も含み得る。他の実施形態では、充填材料は、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、マイカ、又はアルミナ(Al2O3)などの、絶縁材料を含み得る。充填材料はまた、金属、グラフェン、カーボンブラック、又はカーボンナノチューブなどの、導電材料も含み得る。他の好適な充填材料としては、例えば、以下の表1で列挙される材料を挙げることができる。充填材料は、1つのタイプの材料、又は2種以上の材料の組み合わせを含み得る。
バインダー材料は、ポリマーを含めた、広範囲の材料から選択することができる。本発明のバインダー材料に関して好適な材料としては、例えば、基底誘電体層に関して上記で列挙されたものと同じ材料、すなわち、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、EPDMゴム、EPR、EVA、ポリイミド、フルオロポリマー、エポキシ、ポリスルフィド、ポリエチレン、及びポリエステルなどの、ポリマーが挙げられる。他の好適なバインダー材料としては、例えば、以下の表2で列挙されるバインダー材料を挙げることができる。一部の好ましい実施形態では、バインダー材料は、基底誘電基材の材料と同じ材料とすることができる。
一態様では、ストレス緩和層は、それぞれ、その層の全体積に対して、約0.5体積%〜約100体積%の充填材料を含み得る。好ましくは、ストレス緩和層は、それぞれ約0.5体積%〜約21体積%の充填材料を含み得る。より好ましくは、ストレス緩和層は、それぞれ約2体積%〜約14体積%の充填材料を含み得る。
一態様では、より低い添加レベルで導電率勾配を達成するために、低バンドギャップ半導体充填材料を利用することができる。
充填材料が微粒子である場合には、その微粒子は、球形、平板、小板、立方体、針状、偏球、回転楕円体、角錐、角柱、薄片、棒状、繊維状、小片、髭状など、又はこれらの混合などの、任意の好適な形状を有し得る。一態様では、各充填材料微粒子のサイズは、約10nm〜約100μmとすることができる。
この組成物はまた、それらの材料に対する、他の周知の添加物も含むことにより、例えば、それらの加工性及び/又は特定の用途に対する適合性を、改善することができる。好適な添加物としては、溶媒、分散剤、消泡剤、及び界面活性剤が挙げられる。
第1のストレス緩和層及び第2のストレス緩和層は、同じ組成物又は異なる組成物を有し得る。
以下の実施例で示されるように、1つ以上のストレス緩和層によって各主表面上が覆われている基底誘電体層を有する多層材料は、基底誘電体層自体よりも、又は、ストレス緩和層によって一方の主面上のみが覆われている基底誘電体層よりも、遥かに大きい絶縁破壊強度を生じさせる。
多層材料100は、以下で説明される実施例のうちの1つ以上で説明されるように、吹き付け、浸漬コーティング、又はバーコーティングなどの、従来のプロセスを使用して作製することができる。一部の実施形態では、基底誘電体層の表面を、乾燥粉末絶縁材料で擦るか又は研磨することにより、数ナノメートル〜数マイクロメートルの厚さを有するストレス緩和層を堆積させることができる。この方式で形成されたストレス緩和層は、例えば、二硫化モリブデン又は二硫化タングステン、若しくはそれらの組み合わせなどの、層状(プレートレット)半導体を含み得る。
本明細書で説明される実施形態の組成物は、様々な用途のための様々な物品、例えば、スプレー、コーティング、マスチック、テープ、及び一定の構成を有する成形体で使用することができる。本明細書で説明される実施形態の組成物は、高電圧ケーブルアクセサリなどの、ストレス制御素子又はデバイスで使用するために特に好適であり、この組成物の高い絶縁破壊強度特性が有用となる。誘電特性及び幾何学構成に関して、それぞれの適用部位に存在する電界の望ましい修正に従って設計されている、誘電ストレス制御デバイスを製造することができる。これらのストレス制御デバイスは、本明細書で説明される、本発明の種々の組成物のうちの1つ以上を含み得る。
特定の態様では、誘電ストレス制御デバイス又は素子は、ケーブル絶縁体及び/又はシールドの端部上に定置することが可能な、スリーブなどの成形体を含み得る。他の幾何学構成を有するストレス制御デバイス又は素子は、例えば、高電圧ケーブルの負荷遮断エルボ、移行接続部若しくは通過接続部、貫通接続部、及び分岐部内での、許容不能なほど高い局所的な電界集中を防止するために有用であり得る。
少なくとも一実施形態では、本組成物は、エラストマー特性を有する。このことにより、種々の寸法又はサイズの電気的構造構成要素に適した、常温収縮誘電ストレス制御デバイスを製造することが可能となる。例えば、スリーブの場合には、同デバイスは、ケーブル絶縁体と共に適用可能となる十分な弾性、及び/又は様々な厚さの寸法を有し得る。
更には、実施例で更に示されるように、本明細書で説明される、高い絶縁破壊強度の材料の実施形態は、水エージング試験での、改善された電気的性能をもたらし得る。
例えば、本発明の物品は、以下の用途のうちの1つ以上で使用することができる。
(i)電気ケーブル用の絶縁体、この場合、その絶縁体は、導体と主要誘電体との間、又は、ケーブルの保護遮蔽体と主要誘電体との間に位置する。
(ii)米国特許第3,666,876号で説明されている層状構成体内でのような、電気ケーブル用の絶縁体。
(iii)電気ケーブル端末部用のストレス制御カバー。そのようなストレス制御手段は、スプレー、コーティング、マスチック、成形部品、チューブ材、又はテープの形態とすることができ、必要に応じて、外部保護層と共に、又は外部保護層なしで使用することができる。
(iv)機械内の、固定子バーの端部、又は絶縁導電体、例えばモータ巻線の端部用の、ストレス制御カバー。
(v)避雷器内のストレス制御構成要素。
(vi)碍子本体の構成要素、この場合、その材料は、外部層又は内部構成要素、例えば、耐張碍子、懸垂碍子、ポスト碍子、若しくはブッシング碍子用の絶縁体を提供する、笠又はチューブ材とすることができる。
(i)電気ケーブル用の絶縁体、この場合、その絶縁体は、導体と主要誘電体との間、又は、ケーブルの保護遮蔽体と主要誘電体との間に位置する。
(ii)米国特許第3,666,876号で説明されている層状構成体内でのような、電気ケーブル用の絶縁体。
(iii)電気ケーブル端末部用のストレス制御カバー。そのようなストレス制御手段は、スプレー、コーティング、マスチック、成形部品、チューブ材、又はテープの形態とすることができ、必要に応じて、外部保護層と共に、又は外部保護層なしで使用することができる。
(iv)機械内の、固定子バーの端部、又は絶縁導電体、例えばモータ巻線の端部用の、ストレス制御カバー。
(v)避雷器内のストレス制御構成要素。
(vi)碍子本体の構成要素、この場合、その材料は、外部層又は内部構成要素、例えば、耐張碍子、懸垂碍子、ポスト碍子、若しくはブッシング碍子用の絶縁体を提供する、笠又はチューブ材とすることができる。
特に、ケーブル及びケーブルアクセサリに関しては、本明細書で説明される、向上した絶縁破壊強度の多層材料の実施形態を使用することにより、標準的な中電圧の端末部、接続部、及びモジュール式ケーブルアクセサリ内で必要とされる、絶縁材料の量を削減することができる。本明細書で説明される、向上した絶縁破壊強度の多層材料はまた、最大50%の絶縁材料の削減を実現することにより、コスト及び製品重量の削減をもたらし得るため、伝送ケーブルアクセサリ内で利用することもできる。更には、電力ケーブルに関して必要とされる絶縁体の量もまた、大幅に削減することができる。それに応じて、絶縁体のOD(外径)が縮小されるため、必要とされる半導電絶縁シールドも少量となるであろう。一つの実装例では、このケーブルの外径の全体的な縮小により、公益事業体は、既存の都心部の電線管内の既存のPILCケーブルを置き換え、そのシステムを通じて、同等以上の電力を得ることが可能となるであろう。
例えば、本発明の別の態様では、電力ケーブルは、本明細書で説明される向上した絶縁破壊強度の多層材料を含み得る。図2は、導体遮蔽層204によって囲まれた導体202を含む、例示的な電力ケーブル200を示す。導体遮蔽層204は、導電材料又は半導電材料を含む。本明細書で説明される向上した絶縁破壊強度の多層材料を含む、絶縁層100が、導体遮蔽層204を囲んでいる。絶縁遮蔽層206が、絶縁層100を囲んでいる。絶縁遮蔽層206は、導体層207によって囲まれた半導電材料を含む。保護外側ジャケット208が、この高電力ケーブルを囲んでいる。
以下の実施例及び比較実施例は、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。別段の指示のない限り、全ての部及び百分率は、体積基準である。以下の試験方法及び試験プロトコルは、以下の例示的実施例又は比較実施例の評価に採用されたものである。
材料リスト
以下の等式を使用して、比誘電率K、周波数f、及び誘電損率tan(δ)から体積導電率を算出した:
導電率=tan(δ)2πfε0K
式中、ε0は、自由空間の誘電率(8.85×10−12F/m)である。
導電率=tan(δ)2πfε0K
式中、ε0は、自由空間の誘電率(8.85×10−12F/m)である。
試料の調製
別段の指示がない限り、例示的及び説明的な絶縁破壊強度向上材料を、以下の通りに調製した。高速ミキサー(Flack Tek,Inc.製のDAC 150FVZ)を使用して、充填材料とバインダーとの混合物を、2500rpmで3分間にわたって高速混合することにより、ストレス緩和コーティングを形成した。分散を促進させることが必要な場合には、最初に、充填材料の一部を、充填材の約10重量%の量のOS20中に予備混合して、濃厚なスラリーを調製し、次いで、バインダー材料と高速混合した。誘電基底材料の平板(3インチ×6インチ×厚さ34〜40ミル)を、製造元の推奨手順に従って調製した。次いで、この誘電基底基材上に、ストレス緩和層をバーコーティングすることにより、薄層(厚さ1〜2ミル)を得た。コーティングされた基材を、室温で一晩にわたり硬化させた。両面上にコーティングを形成するために、次いで、各基材を反対側に裏返して、第2のストレス緩和コーティング層でコーティングし、再度、室温で一晩にわたり硬化させた。この多層材料構造体は、図1に模式的に表されている。
別段の指示がない限り、例示的及び説明的な絶縁破壊強度向上材料を、以下の通りに調製した。高速ミキサー(Flack Tek,Inc.製のDAC 150FVZ)を使用して、充填材料とバインダーとの混合物を、2500rpmで3分間にわたって高速混合することにより、ストレス緩和コーティングを形成した。分散を促進させることが必要な場合には、最初に、充填材料の一部を、充填材の約10重量%の量のOS20中に予備混合して、濃厚なスラリーを調製し、次いで、バインダー材料と高速混合した。誘電基底材料の平板(3インチ×6インチ×厚さ34〜40ミル)を、製造元の推奨手順に従って調製した。次いで、この誘電基底基材上に、ストレス緩和層をバーコーティングすることにより、薄層(厚さ1〜2ミル)を得た。コーティングされた基材を、室温で一晩にわたり硬化させた。両面上にコーティングを形成するために、次いで、各基材を反対側に裏返して、第2のストレス緩和コーティング層でコーティングし、再度、室温で一晩にわたり硬化させた。この多層材料構造体は、図1に模式的に表されている。
結果
比較実施例及び例示的実施例の調製に使用した誘電基底材料に関する体積導電率の値を、表4に示す。
比較実施例及び例示的実施例の調製に使用した誘電基底材料に関する体積導電率の値を、表4に示す。
表5は、様々な構成を有する試料の誘電特性を要約したものである。比較実施例CE1に関しては、充填材を含有しないRTVシリコーンコーティング(Semicosil 960)を、LSR誘電基底材料平板の両面に適用するものとした。Semicosil 960RTVシリコーン中に4.4体積%(v%)の二硫化モリブデン(MoS2)を含有するストレス緩和材料を使用して、実施例1及び実施例2、並びに比較実施例CE2及び比較実施例CE3を調製した。実施例1に関しては、4.4v% MoS2/RTVコーティングを、前述のように、LSR誘電基底材料平板の両面に適用するものとした。実施例2に関しては、LSR基材を、実施例1に関して説明されたように、4.4v%MoS2/RTVコーティングで両面上をコーティングし、次いで、そのシリコーン基材がストレス緩和コーティング内に完全に封入されることを確実にするために、浸漬コーティング法を介して、4つの縁部もまた、4.4v% MoS2/RTVコーティングでコーティングするものとした。CE2は、一方の面のみに4.4v% MoS2/RTVシリコーンコーティングが適用された、LSR平板を含むものとした。CE3に関しては、3インチ×3インチ(7.6cm×7.6cm)の金型内で、MoS2/RTVシリコーン材料を室温で一晩にわたって硬化させることによって、厚さ39ミル(0.99mm)の、RTVシリコーン中MoS2の自立型シートを調製した。実施例3に関しては、LSR基材の両面上を、MoS2乾燥粉末で研磨(バフ加工)し、次いで、加圧空気を吹き付けることにより、その基材の表面上のあらゆる自由流動性粉末を除去した。
表5に示されるように、実施例1、実施例2、及び実施例3は全て、半導電充填材を含有しないコーティングを有するLSR試料(CE1)と比較して、絶縁破壊強度の劇的な向上を示している。MoS2/RTVシリコーンの自立型シート(CE3)は、CE1と比較しても、絶縁破壊強度の改善を示すものではない。一方の面上のみをストレス緩和材料でコーティングされた試料(CE2)の絶縁破壊試験のデータは、CE1に勝る測定可能な改善を示すものではない。
表6は、様々な量のMoS2を有するMoS2/Semicosil 960RTVコーティングで両面上をコーティングされた、LSR誘電基底材料の試料の誘電特性を要約したものである。表7は、様々な量のWS2を有するWS2/Semicosil 960RTVコーティングで両面上をコーティングされた、LSR誘電基底材料の試料の誘電特性を要約したものである。表6及び表7から理解することができるように、これらの試料の絶縁破壊強度は、ストレス緩和コーティング中のMoS2及びWS2半導電充填材料の添加レベルが増大するにつれて、顕著な向上を示している。実際に、その絶縁破壊強度は、ストレス緩和コーティングを有さないシリコーンLSR誘電基底材料(CE1)と比較して、約100%向上した。
表8は、MoS2を含有するストレス緩和コーティングで両面上をコーティングされている様々な誘電基底材料と、無充填のバインダーコーティングで両面上をコーティングされている同じ誘電基底材料とを比較するものである。コーティング厚さは、約1〜2ミル(0.0254〜0.05mm)とした。実施例の各セットに関して、絶縁破壊強度の増大百分率を算出した。実施例1及び実施例11〜17の全ては、対応の比較実施例CE1及び比較実施例CE4〜CE10と比較して、絶縁破壊強度の著しい向上を示している。
Semicosil 960RTVバインダー中に様々なタイプ及び量の(体積百分率で表される)充填材を含むコーティングの、自立型シートを調製して、誘電特性を測定した。結果を表9に示す。
表10は、表9で説明されたストレス緩和コーティングで両面上をコーティングされた、LSR誘電基底材料の絶縁破壊強度を、Semicosil 960RTVシリコーン基底誘電基材と比較して提示するものである。RTVシリコーン基底誘電体層の体積導電率(4.68×10−12S/m)に対する、各ストレス緩和層の体積導電率(表9によるもの)の比率として、導電率比を算出した。結果を表10に示す。
図3A〜図3Dは、表10のデータ、並びに追加充填材及び充填材添加レベルに関するデータを示す。図3A及び図3Bは、半導電充填材を使用して作製された試料の絶縁強度を示す。図3Cは、電子伝導充填材を使用して作製された試料の絶縁強度を示す。絶縁充填材を含むコーティングを使用して作製された試料の絶縁強度が、図3Dに提示されている。各図では、対照試料は、無充填のSemicosil 960RTVバインダーで両面上をコーティングされた、LSR基底誘電材料(CE1)を指す。図3A〜図3Dは、電子伝導充填材又は半導電充填材のいずれかに基づくストレス緩和層が、無充填のRTVシリコーンを有するLSR誘電基底材料平板と比較して、絶縁破壊強度の向上を示すものであることを実証している。しかしながら、表10で示されるように、電子伝導充填材を有する試料では、トラッキング及び火花発生が観察された。それゆえ、導電充填材は絶縁破壊強度を向上させるが、半導電充填材は、より制御可能な方式で絶縁破壊強度を向上させる能力を有するため、導電充填材よりも好ましいものとすることができる。高導電充填材を有するコーティングは、絶縁破壊強度の低下を示す。絶縁充填材は、絶縁破壊強度に対して、明らかな影響力を及ぼすものではなかった。
表9及び表10並びに図3A〜図3Dで提示された結果を比較することにより、ストレス緩和層の体積導電率が、絶縁破壊の向上に重要な役割を果たすことが実証される。例えば、1×10−12S/m〜約1×10−8S/mの範囲内の体積導電率を有する材料は、シリコーン基材上に好適なストレス緩和層を提供する。
本発明の材料はまた、昇温での湿潤条件におけるエージングの後も、向上した絶縁破壊強度性能を示すものである。表11で説明されるように、3つのタイプのストレス緩和層コーティングを調製して、LSR誘電基底材料の両面上にコーティングした。RTV 615シリコーン誘電バインダー中での、ケイ素粉末の分散を促進するために、前述のように、最初に、粉末の約10重量%の量のOS20中にケイ素粉末を予備混合して濃厚なスラリーを調製し、次いで、RTV 615と高速混合した。このコーティング中の、シリコーン誘電バインダーに対するケイ素の最終比率は、約30重量%(14.6v%)とした。MoS2を半導電充填材として使用することによって、シリコーン基材上の同様の多層構造体もまた調製した。薄いRTVコーティング(半導電充填材なし)を有する多層シリコーン基材もまた、比較実施例CE11として調製した。試料を、90℃の対流式オーブン内で水中に浸漬することによってエージングした。それらの試料を定期的に取り出して、表面の水を、布で軽く押さえることによって除去した。オーブンから取り出した直後に、絶縁破壊強度を測定した。
表11及び図4は、90℃の水中でのエージング後の、絶縁破壊強度の変化を示す。エージングの前は、実施例52及び実施例53の双方の絶縁破壊強度は、比較実施例CE11に対して、100%を超える向上を示すものであった。水エージングの後には、半導電基材の絶縁破壊強度は低下して、暫くの時間の後、横ばい状態となる。実施例52は、実施例53(106日後、〜49%)と比較した場合、より高い絶縁破壊強度の保持率(130日後、〜68%)を示した。CE11の絶縁破壊強度は、測定可能な経時的低下を何ら示していないが、130日間の水エージングの後、実施例52の絶縁破壊強度(868V/ミル)は、CE11(616V/ミル)よりも高く、実施例53の絶縁破壊強度(629V/ミル)は、CE11とほぼ同じである。更には、これらの絶縁破壊試験の間、実施例52は、目視可能な放電を示さなかった。
絶縁破壊強度に対する、ストレス緩和コーティング層の厚さの効果もまた試験した。厚さ20ミルのLSRシリコーン誘電基底材料片を、Semicosil 960RTVシリコーンバインダー中に4.4v% MoS2充填材を含有する様々な厚さのストレス緩和コーティングで、両面上をコーティングした。ストレス緩和コーティングの厚さを、約0.8ミル〜約18ミル(0.02〜0.46mm)で変化させて、約21.6ミル〜約56.6ミル(0.55〜1.44mm)の範囲の、全体の試料厚さを生じさせるものとした。比較のために、同等の全体厚さを有する、非コーティングLSRシリコーン平板のセットもまた調製した(CE12)。図5に結果が提示されており、絶縁破壊強度の改善は、薄いストレス緩和コーティング層に関して最大であることが示されている。
様々な厚さのLSRシリコーン誘電基底材料を、Semicosil 960RTVシリコーンバインダー中に4.4v%MoS2充填材を含有する厚さ5ミル(0.13mm)のストレス緩和コーティングで、両面上をコーティングした。同等の全体厚さを有する、非コーティングLSRシリコーン平板もまた、比較のために試験した(CE12)。図6に絶縁破壊強度の測定値が提示されており、全体の試料厚さに対する、ストレス緩和コーティング層の厚さの割合が小さくなる場合であっても、絶縁破壊強度の改善が得られることが示されている。
本発明のストレス緩和コーティングを、電気的接続部内での性能に関しても評価した。20重量部のMoS2及び80重量部のSemicosil 960RTVを含有するコーティング溶液を、20重量部のOS20で希釈することにより、粘度を低下させた。0.38’’(9.65mm)の内径、並びに約8’’(20cm)及び12’’(30cm)の長さを有する、常温収縮シリコーンチューブを、この溶液中で浸漬コーティングすることにより、そのチューブの内側表面及び外側表面の双方に、均質なコーティングを得た。OS20溶媒の除去後、このコーティングの最終組成は、4.4体積%(20重量%)のMoS2であった。次いで、この常温収縮チューブを、取り外し可能な支持コア上に拡張させた。比較実施例CE12及び比較実施例CE13は、コーティングしないものとした。
接続部を、以下の通りに組み立てた。15kVの1/0AWG電力ケーブルの2つの端部を、接続部装着のために調製した。常温収縮試料チューブを、それらのケーブルの一方の上に配置し、それらのケーブルの端部をコネクタと接続した。このコネクタを、半導電テープ(3M Company(US)製のSCOTCH 13テープ)で覆い、その半導電テープを、ケーブル絶縁体上まで延在させた。次いで、ケーブル絶縁体、半導電テープ、及びケーブルの半導電層の縁部を、フッ化炭素グリース(3M Company(US)製のP55/R)で覆い、あらゆる空気間隙を充填した。次いで、支持コアを除去して、3M常温収縮装着プロセスに従うことによって、シリコーンチューブを、そのチューブの各端部がケーブル半導電層の各端部上に少なくとも0.5’’(1.27cm)延在している状態で、ケーブル上に装着した。このチューブ材を、半導電テープで上巻きし、次いで、そのチューブの上に、金属メッシュ(3M Company(US)製のSCOTCH 24電気遮蔽テープ)を、一方のケーブルの金属シールドから他方のケーブル上の金属シールドまで適用した。最終的に、接合部全体を、ビニル絶縁テープで覆った。
次いで、これらの接続部を、高電圧下での性能に関して評価した。部分放電試験を実行し、次いで、AC電圧を5分ごとに5kV上昇させる、AC段階試験を実行した。試験結果を、表12に要約する。表12では、CSVはコロナ開始電圧を指し、CEVはコロナ消滅電圧を指す。長さを8’’とした実施例54及び実施例55に関しては、絶縁体を通過する欠陥は発生せず、むしろ、チューブとケーブル絶縁体との境界面に、欠陥が下降した。12’’の試料に関しては、二硫化モリブデンでコーティングされたシリコーンチューブを使用するケーブル接合部のAC段階欠陥レベル(実施例56、>70kV)は、非コーティングのシリコーンチューブを使用するケーブル接続部のAC段階欠陥レベル(CE13、<40kV)よりも著しく高い。実施例56に関しては、ストレス緩和コーティングは、シリコーンチューブの内側表面を完全には覆わないものとしたが、これにより、絶縁破壊レベルの低下、及び半径方向の欠陥がもたらされた可能性がある。
好ましい実施形態の説明を目的として、本明細書では特定の実施形態を例示及び説明しているが、当業者には、本発明の範囲を逸脱することなく、図示及び説明された特定の実施形態を、多種多様な代替的実装及び/又は等価的実装で置き換えることができる点が、理解されるであろう。本出願は、本明細書で論じられた好適な実施形態の、あらゆる適合形態又は変形形態を含むことを意図するものである。それゆえ、本発明が、「特許請求の範囲」及びその等価物によってのみ限定されることを、明白に意図するものである。
Claims (32)
- 反対向きの第1主表面及び第2主表面を有する、基底誘電体層と、
前記基底誘電体層の前記第1主表面上に配設された、第1のストレス緩和層と、
前記基底誘電体層の前記第2主表面上に配設された、第2のストレス緩和層と、を備え、
前記基底誘電体層の体積導電率に対する、前記第1のストレス緩和層及び前記第2のストレス緩和層の少なくとも一方の体積導電率の比率が、2以上である、向上した絶縁破壊強度の誘電材料。 - 前記ストレス緩和層の少なくとも一方が、バインダー材料中に分散された充填材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記第1のストレス緩和層及び前記第2のストレス緩和層の少なくとも一方が、半導体充填材料を含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記半導体充填材料が、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)、ヒ化ホウ素(BAs)、リン化インジウム(InP)、ヒ化インジウム(InAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、アンチモン化インジウム(InSb)、リン化ガリウム(GaP)、リン化ホウ素(BP)、アンチモン化アルミニウム(AlSb)、ヒ化アルミニウム(AlAs)、リン化アルミニウム(AlP)、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化銅(Cu2S)、硫化銀(Ag2O)、二硫化モリブデン(MoS2)、二硫化タングステン(WS2)、リン化ニッケル(II)(NiP)、硫化スズ(II)(SnS)、硫化スズ(IV)(SnS2)、硫化鉛(II)(PbS)、セレン化鉛(PbSe)、酸化銅(I)(Cu2O)、酸化銅(II)(CuO)、酸化ニッケルII(NiO)、二酸化スズ(SnO2)、酸化スズ(II)(SnO)、二酸化モリブデン(MoO2)、二酸化チタン(TiO2)、銀ガリウムヒ素(AgGaAs)、及びチタン酸バリウム(BaTiO3)からなる群から選択される材料を含む、請求項3に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記半導体充填材料が、低バンドギャップ半導電材料を含む、請求項3に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記充填材料が、ドープ半導体、並びに、合成中に形成された格子構造内の空孔及び格子間欠陥を有する半導体からなる群から選択される材料を含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記充填材料が、高バンドギャップ(絶縁)材料を含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記充填材料が、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、マイカ、及びアルミナ(Al2O3)からなる群から選択される材料を含む、請求項7に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記充填材料が、金属、グラフェン、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、ドープ半導体、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される導電材料を含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記ストレス緩和層の少なくとも一方が、前記層の全体積に対して、約0.5体積%〜約100v%の充填材料を含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記充填材料が、1種以上の微粒子を含み、それぞれが、球形、平板、小板、立方体、針状、偏球、回転楕円体、角錐、角柱、薄片、棒状、繊維状、小片、髭状、及びこれらの混合から選択される形状を有する、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各充填材料微粒子のサイズを、約10nm〜約100μmとすることができる、請求項11に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記第1のストレス緩和層及び前記第2のストレス緩和層の少なくとも一方が、バインダー材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記バインダー材料が、ポリマーを含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記バインダー材料が、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、EPDMゴム、EPR、EVA、ポリイミド、フルオロポリマー、エポキシ、ポリスルフィド、ポリエチレン、及びポリエステルからなる群から選択されるポリマーを含む、請求項14に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス緩和層が、添加物を更に含む、請求項2に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記添加物が、溶媒、分散剤、消泡剤、及び界面活性剤のうちの少なくとも1つを含む、請求項10に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記第1のストレス緩和層及び前記第2のストレス緩和層が、異なる材料から形成される、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記基底誘電体層が、ポリマー及び絶縁材料からなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記基底誘電体層が、シリコーン、ポリ(塩化ビニル)、ポリイミド、ポリエチレン、及びポリエステルのうちの1つを含む、請求項18に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス移行層が、約1×10−12S/m〜約1×10−8S/mの体積導電率を有する、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス移行層が、約1×10−11S/m〜約1×10−9S/mの体積導電率を有する、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 前記基底誘電体層が、約1×10−12S/m〜約1×10−10S/mの体積導電率を有する、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス移行層が、前記ストレス移行層の全体積に対して約0.8体積%〜約12体積%の濃度を有する、MoS2充填材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス移行層が、前記ストレス移行層の全体積に対して約0.5体積%〜約16体積%の濃度を有する、WS2充填材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 各ストレス移行層が、前記ストレス移行層の全体積に対して約2体積%〜約15体積%の濃度を有する、ケイ素充填材料を含む、請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料。
- 導体と、
前記導体を囲む第1の遮蔽層と、
請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を含む、絶縁層と、
前記絶縁層を囲む第2の遮蔽層と、
前記第2の遮蔽層を囲む保護ジャケットと、を備える、電力ケーブル。 - 請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を含む絶縁層を含む、成形体を備える、誘電ストレス制御デバイス。
- 請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を備える、ケーブルアクセサリ。
- 請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を備える、マスチック。
- 請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を備える、テープ。
- 請求項1に記載の向上した絶縁破壊強度の誘電材料を備える、成形物品。
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