KR100431826B1 - 전기적스트레스제어 - Google Patents

Abstract

테이블 결합부 및 종단에 사용하기 위한 전기적 스트레스 제어 층(12)으로 사용하기 위한 조성물은 비선형 V-I특성을 가진다. 상기 조성물은 도핑된 산화 아연 바리스터 파우더로 충진된 중합성 매트릭스로 이루어진다. 상기 미립자 충전제는 125 마이크로메터로 채분류되고 1100℃에서 소성되고 약하게 분쇄되어 상기 미립자의 구형 모양을 유지한다. 50 중량% 이상의 미립자가 5 내지 100마이크로메터 사이의 최대 치수를 가진다.

Description

전기적 스트레스 제어{ELECTRICAL STRESS CONTROL}

파워 케이블을 포함하여, 약 10kV 이상의 중간 전압에서 동작하는 전기 장비는 본질적으로 전기적 절연성 물질에 의해 충분히 제어되지 않은 전기적 스트레스에 의해 영향을 받기 쉽다. 특히 이러한 분야에 스트레스 제어 물질을 사용하는 것이 공지되었다. 이러한 물질은 "선형 또는 비선형"으로 분류될 수 있다. 선형의 스트레스 제어 물질은 하기의 옴의 법칙을 따른다.

I = kV

여기서 I = 전류

V = 전압 및

k는 상수이다.

비선형 물질은 상기 방정식의 일반화된 형태를 따르며, 즉;

I = kV ^γ

이고, 여기서 γ는 1보다 큰 상수이며, 이 값은 고려된 물질에 의존한다.

선형 스트레스 제어 물질 층이 비선형 스트레스 제어 물질 층과 조합하여 사용된 고압의 케이블의 종단(termination)은, 예를 들어 EP-B-0121986(Raychem)에 개시되었다. 각 층에 대한 물질은 충진된 물질을 구성하는 다양한 물질로부터 선택될 수 있다.

1994년 6월 29일부터 7월 4일까지 Florence에서 개최된 제 8 CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium에서 ABB의 Struempler, Kluge-Weiss 및 Greuter등에 의한 논문에서, 중합성 매트릭스내의 충전제(filler)로서 도핑된 ZnO 바리스터 파우더(varistor powder)가 개시되었다. 상기 물질의 제안된 응용은 부싱(bushing) 및 케이블 종단에서의 과도 전압 또는 전기장 경사를 억제하는 것으로 예증되었다. 상기 충전제는 935℃에서 1320℃의 온도의 각각 4 내지 20 시간 사이의 범위 조건하에서 상기 파우더를 규화시킴으로써 준비된다. 상기 충전제 입자의 모양은 거의 구형이 된다. 응집물이 약 3 마이크로미터에서 약 300마이크로미터의 직경을 가지며, 규화 이전 또는 이후에 채분급함으로써 특정 크기의 입자가 선택된다는 것이 인지된다. 준비된 샘플은 200 마이크로미터 미만의 입자 크기까지 채분류(sieving)된다. 결과적인 물질은 비선형 전류/전압 특성을 가진다.

케이블 종단에서 전압을 분배하는 데에 사용하기 위한 비선형 저항 물질이 FR-A-2547451에 개시되었다. 상기 물질은 본드 또는 결합 약품 및 도핑된 산화 아연에 기초한 세라믹 파우더를 포함하며, 상기 약품은 중합성 물질일 수 있다. 상기 공고에 있어서, 파우더(산화 아연)의 중량퍼센트 및 입자 크기는 2 개의 기본적인 물질 특성을 가지는 것이 보여지며, 총 질량의 적어도 50%를 형성하고, 적어도 50%의 파우더 그레인은 100㎛보다 큰 직경을 가진다. 상기 물질은 비선형이 되는 것이 보여지며, 전자기장의 세기는 전류 밀도에 따라 완만하게 변화한다. 세라믹 파우더는 고온(800 -1500℃)에서 규화된 펠릿(pellet) 물질을 분쇄함으로써, 얻어진다. 즉, 고온에서 산화 아연의 초기 입자가 고압 피뢰기에서 바리스터(baristor)로서 사용되는 부류의 응집성 고체 또는 펠릿으로 압축되며, 상기 펠릿은 연동식 마노(agate) 대리석 분쇄기(crusher)를 사용하여 파우더의 형태로 분쇄된다. 이러한 분쇄는 불규칙적이고 일반적으로 톱니 모양의 미립자를 형성한다. 총 구성물 중 일정한 백분율(85%)의 파우더에서는, 결과적 파우더의 비선형성은 그것의 미립자 크기가 증가함에 따라 향상되는 것이 알려졌다. 140㎛ 내지 200㎛의 미립자 크기는 100㎛ 내지 140㎛이 바람직하다. 100㎛보다 작은 미립자 크기를 가지는 샘플링은 상당히 작은 비선형성을 가짐이 알려졌다.

비선형 V-I 특성을 나타내는 ZnO의 파우더 조성물을 제조하는 방법이 US-A-4 297 250(Westinghouse)에 개시되었다. 다량의 응집된 미립자는 압력이 가해져서 가압된 응집성 녹색 몸체(green body)를 제공하며, 이것은 1050℃ 내지 1400℃에서 미립자들을 함께 규화시키기 위한 시간 동안 가열된다. 이어 상기 규화된 몸체는 분쇄되어 최종적으로 분할된 파우더 미립자 조각들을 제공한다. 상기 미립자 조각들은 채분류되고 500℃ 내지 1050℃의 온도에서 가열되며, 결과적으로 비선형 V-I 특성을 나타내는 최종적으로 분할된 파우더를 제공하도록 분쇄된다. 규화 및 이어진 그라인딩(분쇄) 단계는 본 발명의 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초기의 균일한 모양에서 불균일한 모양으로 미립자의 모양을 변화시키고, 연속된 가열 단계는 단지 상기 불균일한 모양을 코팅한다.

본 발명의 목적은 산화 아연에 기초하고, 비선형 전기적 작용을 나타내는, 향상된 전기적 스트레스를 제어하는 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 특성에 따라, 전기적 스트레스 제어 조성물이 제공되며, 상기 조성물은,

(a) 중합성 매트릭스 및

(b) 도핑된 산화 아연 바리스터 파우더를 포함하는 미립자 충전제를 포함하며, 여기에서,

(i) 상기 미립자 충전제는 800℃ 내지 1400℃의 온도에서 소성(calcine)되고 이어서 실질적으로 모든 미립자가 자신의 원래, 즉 실제적으로 구형인 모양을 계속 유지하도록 분쇄되며,

(ii) 적어도 85 중량%의 충전제가 산화 아연으로 이루어지며,

(iii) 50 중량% 이상의 충전제 미립자가 5 내지 100마이크로미터의 최대 치수를 가지므로, 상기 조성물이 비선형의 전기적 작용을 보이고 이에 의해 5 kV/cm 내지 50kV/cm의 전기장내의 영역에서 5kV/cm 미만 정도 전기장이 증가할 때 10의 비율로 특성 임피던스가 감소하며,

(iv) 상기 충전제는 총 조성물중 5% 내지 60%의 체적을 구성한다.

비선형 산화 아연 충전제 중합성 물질에 대한 종래 기술에 있어서, 규화된 몸체로부터 얻어지고 100마이크로미터(EdF) 보다 크고 200 마이크로미터(ABB)보다작은 미립자 크기를 가지는 파우더가 스트레스를 제어하기 위한 목적에 적합하다는 것을 알 수 있다. 반면에, 본 발명은 작은 크기의 미립자를 요구하고, 파우더를 제공하기 위해 가압된 블록을 분쇄(grinding)하는 것이 불균일한 외형의 미립자를 야기하며, 이것은 유용하지 않다는 것을 실현한다. 후자의 측면에서, 본 발명의 소성은 어떠한 압력도 가하지 않고 비중 하에서 높은 온도로 가열하는 것이라는 것을 알 수 있다. 결과적인 형태-안정적인 몸체는 분쇄, 예를 들어 약한 분쇄(light grind)에 의한 분쇄를 위해 미약한 힘을 필요로 하고, 이것은 매끄럽고 일반적으로 구형인 미립자 모양보다는 불균일한 모양을 갖도록 하는 미립자 백분율을 약 5% 정도로 최소화하며, 미립자는 제조 과정에 의해 초기에 제공된 도핑된 산화 아연 바리스터 파우더로 형성 것과 공통의 모양을 가진다.

바람직하게, 충전제의 모든 미립자는 100마이크로미터, 바람직하게는 125마이크로미터 미만의 최대 크기를 가진다.

바람직하게, 많아야 충전제 미립자의 15 중량%가 15마이크로미터 미만의 최대 치수를 가진다.

특히 상기 미립자 크기는 전기 장치, 케이블 결합부, 케이블 종단 등과 같은 전기 분야의 조성물이 스트레스 제어 층으로서 면상 또는 관형의 슬리브로 형성될 때 적절하다. 상기 층이 일반적으로 1mm 두께 정도가 되고, 미립자가 두께와 동등한 치수를 가진다면, 표면은 거칠어지고 공기 갭도 형성될 수 있으며, 특히 불균일한 모양의 미립자가 형성된다. 이러한 환경에서, 부분적인 전기적 방전은 수용할 수 없는 범위까지 발생할 수 있다. 200 마이크로미터, 즉 ABB 논문에서 제안된0.2mm 미만의 미립자 크기를 가지는 파우더 물질은 125 마이크로미터 미만의 미립자 크기로 채분류된 물질과 비교하여 바람직하지 않은 전기적 방전의 위험을 상당히 증가시킨다.

ABB 논문은 조성물의 전기적 작용에 대한 미립자의 크기 및/또는 분포의 관련성에 관해서는 어떠한 논지도 제시하지 않았다는 것도 지적되었다. 본 발명에 관련하여, 모든 미립자는 125마이크로미터 미만의 크기를 가질 것을 요구하는 것에 부가하여, (실제적인 가우시안 분포 또는 가우시안 분포로 변환된 분포) 가우시안 분포로 측정되는 점화 파우더(fired powder)의 평균 미립자 크기는 20 내지 60 마이크로미터이며, 바람직하게는 25 내지 50마이크로미터이고 가장 바람직하게는 35 내지 45마이크로미터가 되어야함을 알 수 있다.

추가로, 15중량% 미만, 바람직하게는 5중량% 미만의 미립자가 25마이크로미터 미만의 최대 치수를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 조건이 충족되지 않는다면, 최종 조성물의 저항은 강한 전기장 세기에서는 매우 높게 되며, 이의 결과로서, (낮은 특정 임피던스로의) 스위칭 포인트가 본 발명의 조성물에 대한 일반적인 스트레스 제어 응용을 위해 실제적으로 사용될 수 없이 높은 값에서 발생한다는 것을 알 수 있다.

충전제의 소성은 800℃ 내지 1400℃에서 발생하며, 바람직하게 950℃내지 1250℃에서 발생하며, 1100℃는 가장 바람직한 목표 온도이다. 소성 처리의 최적 온도는 산화 아연 파우더 내에 제공된 미립자 도펀트(dopant)에 의존하는 것이 바람직하다. 모든 도펀트가 활성화되는 것을 보장하기 위해 필요한 최소 온도가 요구되며, 즉 도펀트의 용융 및 확산은 결과물 파우더가 자신의 임피던스에 있어서 날카로운 변화를 나타내도록 발생한다. 그러나, 매우 높은 온도는 스트레스 제어 물질의 역 화학적 분해(adverse chemical decomposition)를 야기한다. 파우더는 소성 온도에서 모든 미립자에 걸쳐 균일한 전기적 특성을 가질 수 있도록 충분한 시간 동안 유지되어야 한다.

소성 처리는 "바리스터 효과"를 효율적으로 나타내는 개별적인 미립자를 형성한다는 것으로 알려졌다. 다시 말하면, 미립자 물질은 상기 물질에 인가된 a.c. 전압과 그것을 통해 흐르는 결과적인 전류 사이에서의 a.c. 전기적 임피던스 특성의 변화에 있어서 비선형적일뿐만 아니라, 상기 물질의 특성 임피던스가 (파워 케이블의 결합부 또는 종단에서 사용될 때 물질의 일반적인 동작 범위가 되는 5kV/cm 내지 50kV/cm의 전기장 범위내의 소정 영역에서) 5kV/cm 미만 정도의 전기장 증가시 적어도 10의 비율만큼 감소한다는 명제가 정해지는 전압 대 전류의 그래프가 급속한 변이를 나타낸다는 점에서 스위칭 작용을 나타낸다. 바람직하게, 상기 변이는, 10 내지 20kV/cm의 범위 내에서 전기장이 2kV/cm 미만 정도 증가할 때 특성 감소가 발생하도록 존재한다. 비선형성은 물질의 임피던스뿐만 아니라, 체적 저항에서도 발생한다. 충전제 미립자의 비선형성은 스위칭 포인트의 각 단부에서 다르다. 스위칭 포인트에서 상기 물질은 간단하게 자신의 비선형성을 상당히 변화시키며, 전기적 스트레스가 증가함에 따라 전기적인 브레이크 다운 또는 플래시오버(flashover)를 야기하지 않는다는 것은 중요하다. 임의의 주어진 조성물에 대한 미립자 크기가 감소할수록, 스위칭 포인트를 넘어서는 발생하는 브레이크 다운과 유사한 사건이 감소한다.

US-A-4 297 250호에 따른 물질과 비교하여, 실질적으로 모든 것, 즉 본 발명의 조성물중 적어도 80% 바람직하게는 적어도 90%의 미립자는 그들의 초기의 실질적 구형인 모양을 유지하며, 향상된 전기적 성능에 대한 장점을 가진다.

조성물이 자신의 높은 임피던스 및 낮은 임피던스 값 사이에서 스위칭하는 상기 포인트, 즉 전기적 스트레스는 결과적인 산물을 응용하는 데에 적합하도록 선택될 수 있다. 이러한 특성 (i) 특정 중합성 매트릭스 또는 4 내지 60 범위의 상대적인 유전율, (ii) 적합한 충전제 미립자 크기 (iii) 충전제의 체적 용량 및 (iv) 소성 온도 및/또는 기간은 예를 들어 선택에 의해 변화될 수 있다. 전기적 스트레스의 값에 대한 스위칭 포인트의 위치는 예를 들어 상기 물질이 제공되는 케이블 결합부 또는 종단의 임펄스 성능에 영향을 미치고, 상이한 환경, 예를 들어 결합부 또는 종단 사이와 같은 상이한 환경에서는 상이하게 되도록 요구될 수 있다. 후자의 경우, 스위칭 포인트가 낮게 인가된 전기장에서 발생한다면, 임펄스 성능은 향상된다. 그러나, 이것은 상기 물질이 보다 강한 도전성을 가진다는 것을 의미하고, 더 크게 상승한 전압 등급의 케이블이 되는 물질의 결과적인 가열에 사용되어야 한다.

이러한 방식으로 처리된 미립자 도핑된 산화 아연의 사용은 체적에 대해 5% 내지 50% 사이에, 바람직하게는 10% 내지 40%의 양이 중합성 매트릭스 내에 포함되기를 요구하도록 허용하며, 상술되고 공지된 조성물에서 보다 미립자의 크기가 작고 충전제 미립자의 50 중량% 이상이 5㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 25㎛ 내지 75㎛ 사이의 최대 치수를 가지도록 한 미립자 크기를 형성한다. 바람직하게, 이같은 미립자 치수는 적어도 60 중량%의 미립자에 제공된다.

중합체 매트릭스에 대해 충전제 체적은 요구된 조성물의 임피던스를 제공하도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 동일한 전압 등급에서 동작하는 동일한 케이블의 결합부의 스트레스를 제어하기 위해 사용되는 물질의 임피던스보다 파워 케이블의 종단에서의 스트레스를 제어하기 위해 사용되는 물질의 임피던스가 더 높다.

상기 미립자 크기는 안정적으로 크기 설정된, 바람직하게 125마이크로미터의 채(sieve)를 통해 미립자 물질을 통과시킴으로써 얻어진다. 유용하게, 소성된 미립자를 형성하기 위한 처리는 톱니 또는 뾰족한 외부 표면보다는 매끄러운 표면을 유지하도록 하고, 실질적으로 그들은 상당히 가늘고 길다란 모양보다는 타원형 또는 바람직하게는 구형이 된다.

미립자 충전제는 적어도 85 중량%, 바람직하게는 적어도 90중량%의 산화 아연을 포함한다. 잔존 물질, 즉 도펀트는 예를 들어 다음의 물질, 즉 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 도핑된 산화 아연 바리스터;Bi ₂ O ₃ , Cr ₂ O ₃ , Sb ₂ O ₃ , Co ₂ O ₃ , MnO ₃ , Al ₂ O ₃ ,CoO, Co ₃ O ₄ , MnO, MnO ₂ , SiO ₂ 및 미량의 납, 철, 보론 및 알루미늄 중 일부 또는 전부로 이루어진다.

중합성 매트릭스는 탄성 물질, 예컨대 실리콘 또는 EPDM과 같은 탄성중합체(elastomeric) 물질; 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 중합체; 예컨대 에틸렌-비닐-아세테이트에 기초한 물질과 같은 점착성 물질 ;열가소성 엘라스토머; 젤; 예컨대 에폭시 수지와 같은 열경화성 물질; 또는 예컨대 폴리이소부틸렌 및 아몰퍼스 폴리프로필렌의 조합물과 같은 공중합체를 포함한 이러한 물질들의 조성물로 이루어진다.

전체 조성물은 또한 예를 들어, 그들의 처리 능력 및 특정 응용에 대한 안정성을 향상시키기 위해 다른 공지된 첨가 물질을 포함한다. 안정성 측면에서, 예를 들어, 파워 케이블 액세서리로서 사용을 위한 물질은 외부 조건에 잘 견디도록 요구된다. 적합한 첨가 물질은 예를 들어 오일과 같은 처리 약품, 안정제, 산화 방지제 및 석고를 포함한다.

도핑된 산화 아연 파우더는 조성물 체적에 대해 5% 내지 60%, 바람직하게는 10%를 넘고, 더욱 바람직하게는 20%, 가장 바람직하게는 25%를 형성하고, 바람직하게 총 체적에 대해 50% 미만, 바람직하게는 40% 미만을 구성한다.

50Hz의 약 2V/mm 정도의 낮은 전기장에서 측정되는 총 조성물의 상대적인 유전율은 4 내지 60의 범위 사이에 있으며, 바람직하게는 6을 초과하고, 더욱 바람직하게는 8을 초과하며, 바람직하게는 40 미만, 보다 바람직하게는 25 미만이다. 더욱이, 유전율은 바람직하게 250kHz까지의 측정에서 2의 비율 이상으로 변화하지 않는다.

50Hz의 (약 2V/mm 정도의) 낮은 전기장에서 측정되는 총 조성물의 특성 임피던스는 유용하게 10⁸옴-cm 내지 10¹⁰옴-cm내에 속한다.

본 발명의 다른 특징에 따라, 본 발명의 일 특성에 관해 설명된 바와 같은스트레스 제어 조성물을 포함하는 물질 층이 제공되는 예를 들어 파워 케이블의 결합부 또는 종단과 같은 전기적 장비가 제공된다.

상기 장치 주변을 둘러싸는 테이프 또는 시트(sheet)와 같은 층내에 조성물이 형성될 수 있다. 대안적으로 상기 층은 관형 슬리브의 형태일 수 있다. 상기 층은 또한 동시-압출 성형의 일부분으로서 제공될 수 있으며, 예를 들어 내측 층이 될 수 있다.

본 발명의 조성물로부터 형성된 물질 층은 일반적으로 약 1mm의 두께를 가진다.

응용에 있어서, 본 발명의 조성물은, 본 발명에서 참조문으로 인용한 국제 특허 출원 번호 제 WO 91/16564호에서 개시된 케이블 종단에 대한 스트레스 제어 랩핑을 형성한다.

본 발명의 다른 특징에 있어서, 전기적 비선형 조성물을 제조하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은,

(a) 도핑된 산화 아연 바리스터 파우더를 포함하는 미립자 충전제는 (외부의 압력 없이) 비중의 영향에서 소성되고 이어 실질적으로 모든 미립자가 원래의, 바람직하게는 실제적으로 구형의 외형을 유지하도록 분쇄되며,

(b) 상기 파우더는 125마이크로미터의 채를 통과하며,

(c) 소성 및 채분류된 파우더는 중합성 매트릭스 내에서 충전제로서 분산된다.

바람직하게, 상기 방법의 각 단계, 충전제 및 상기 조성물은 본 발명의 일특성에 관련하여 앞서 전개되었다.

예를 들어 상기 조성물을 사용하여 각기 본 발명에 따른 스트레스 제어 조성물 및 파워 케이블이 도면을 참조하여 설명된다.

본 발명은 전기적 스트레스의 제어에 관한 것이며, 특히 전기적 스트레스 제어에 영향을 미치는 조성물 및 예를 들어 전기 파워 케이블의 접속부 또는 종단(termination)에 상기 조성물을 적용하는 것에 관한 것이다.

도 1 및 도 2는 스트레스 제어 조성물을 사용한 2가지 형태의 파워 케이블 종단을 도시한 단면도.

도 3은 소성되고 도핑된 산화 아연 충전제의 일반적인 미립자 크기 분포를 도시한 그래프.

도 4는 다양한 미립자 크기의 충전제 파우더의 임피던스를 도시한 그래프. 도 5는 충전제의 소성 처리의 결과를 도시한 조성물의 특성 임피던스를 도시한 그래프.

도 1은 20kV의 종단의 중합체 케이블(2)을 도시한다. 상기 케이블 유전체(4)는 클램프된 러그(clamped lug)(7)에 의해 스위치 기어와 같은 다른 전기 장치(도시하지 않음)로의 접속을 위한 도체(6)를 노출시키도록 벗겨져 있다. 케이블 절연 외장(8)은 절단되어, 어스에 접속되기 위해 준비된 후방으로 접쳐진 외장 철선(10)을 노출시킨다. 반도체 스크린(12)은 상기 외장(8)을 넘어 연장되지만 케이블 유전체(4)를 따라 다소 단절되도록 절단된다. 케이블(2)의 종단은 스트레스 제어 층(14)과 외부 열 수축 절연 층(16)에 제공됨으로써 완성된다. 상기 층(14,16)은 외장(8)에 인접한 상기 반도체 스크린(12)을 덮고, 상기 유전체(4)를따라 절단 단부까지 연장되어 나머지 러그(7)를 덮는다. 일측 단부에서, 스트레스 제어 층(14)은 전기적으로 상기 스크린(12)에 접속되어 접지 전위가 되고, 동작시 타측 단부에서 상기 제어 층은 도전체(6) 및 러그(7)의 20kV의 전위로 존재한다.

층(14,16)이 개별적인 배관으로 형성 및 제공될지라도 상기 층들은 단일 동시 압축 배관(co-extruded tubing)으로 형성된다. 또한 대안적인 구성에 있어서, 관 형태 또는 관 형태가 아닌 스트레스 제어 층이 외부 절연 층보다 짧고 스크린(12)으로부터 연장되어 상기 유전체를 따라 다소 단절된다는 것이 관찰된다.

도 2는 케이블(20)이 절연 외장(22), 접지 와이어(24) 및 접속 러그(32)가 클램핑(clamping)되는 도전체(30)를 노출시키도록 절단된 반도체 스크린(26) 및 유전체(28)를 포함한다. 스트레스 제어 물질의 사각 시트(34)는 스크린(26)을 둘러싸고 상기 유전체(28)를 따라 다소 연장되도록 상기 케이블(20) 주변을 한번 둘러싸게 된다. 다수개의 레인 쉐드(rain shed : 빗물 흡입 방지포)가 연장되어 있는 실린더형 코어 부분(38)을 일반적으로 포함하는 절연 엘라스토머 외부 커버(36)는 일측 단부에서 접지 와이어(24)를 넘어 길이 방향으로 연장되고 타측 단부에서는 러그(32)를 넘어 연장되도록 케이블(2)에 제공된다. 상기 커버(36)는, 국제 특허 출원 번호 제 WO 91/16564호에 개시된 홀드아웃(holdout) 장치로부터 케이블(2)을 향하여 방사상으로 점진적 이완되도록 함으로써 제공될 수 있다.

도 1 의 스트레스 제어 배선(14) 및 도 2의 시트(34)의 물질은 본 발명에 따른 전기적 비선형 스트레스 제어 조성물을 포함한다. 본 실시예의 물질은 도핑된 산화 아연을 포함하는 미립자 충전제 및 실리콘 엘라스토머를 포함하는 매트릭스를포함한다. 상기 도핑된 산화 아연은 대략 90 중량%의 산화 아연 및 대략 10%의Bi ₂ O ₃ +Cr ₂ O ₃ +Sb ₂ O ₃ +CO ₂ O ₃ +MNO ₃ 로 이루어진다.

상기 파우더는 중합성 매트릭스의 펠릿과 혼합되어 최종 요구된 형태를 형성하기 위해 압출 성형기로 인가되기 전에, 약 1100℃ 온도의 가마에서 소성된다. 상기 소성된 충전제는 충전제 및 중합성 매트릭스를 포함하는 조성물의 총 체적의 약 30%를 형성한다.

125마이크로미터의 채를 통과한 후, 소성된 도핑된 산화 아연 미립자의 적합한 파우더의 상대적인 개수에 관한 일반적인 미립자 크기 분포는 도 3에 도시되어있으며, 도 3으로부터, 약 40 마이크로미터의 미립자 크기에서 첨예한 피크가 존재하며 상당한 다량의 미립자가 20 내지 60 마이크로미터 사이에 존재함을 알 수 있다.

비선형 특성 임피던스에서의 급격한 변화가 전기장 세기의 함수에 따른다는 것을 나타내는 소성된 도핑된 산화 아연 미립자의 스위칭 작용이 3가지 범위의 미립자 크기에 대하여 도 4에 도시되었다. 곡선(I)은 25㎛ 미만의 미립자 크기에 대한 것이며, 곡선(II)은 25㎛ 내지 32㎛ 미립자 크기에 대한 것이고, 곡선(III)은 75㎛ 내지 125㎛ 미립자 크기에 대한 것이다. 미립자 크기가 감소함에 따라 스위칭 포인트가 높은 전기장 세기에서 나타남을 알 수 있다.

도 5는 전기적 작용, 즉 특성 50kHz의 전기장의 함수로서 소성된 미립자로 이루어진 스트레스 제어 물질의 조성물의 임피던스의 변화, 곡선 IV 및 다른 상태는 동일하지만 소성되지 않은 미립자에 대한 곡선 V를 나타낸다. 이러한 샘플들에 있어서, 상기 형성된 산화 아연 파우더는 중합형 매트릭스에 제공되는 실리콘 엘라스토머의 체적에 대해 약 35%가 된다. 심지어 상당히 높은 전기장 세기에서도 어떠한 스위칭 작용도 발생하지 않으며, 상기 물질이 비선형 작용을 보일지라도 상기 물질의 미립자는 소성되지 않는다는 것이 명백하다.

따라서, 본 발명의 스트레스 제어 조성물은 공지된 스트레스 제어 물질을 능가하는 상당한 장점을 나타낸다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되고, 다양한 형태의 변화 및 변형이 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어진다는 것이 당업자에게 이해된다.

Claims (9)

1. 전기적 스트레스-제어 조성물에 있어서,

   (a) 중합 매트릭스, 및

   (b) 도핑된 산화 아연 바리스터 파우더로 이루어진 미립자 충전제를 포함하며,

   (i) 상기 충전제의 미립자는 800℃ 내지 1400℃ 사이의 온도에서 소성되고 이어 모든 미립자가 원래의 모양을 유지하도록 분쇄되며,

   (ii) 상기 충전제의 적어도 85 중량%가 산화 아연으로 이루어지며,

   (iii) 상기 충전제 미립자의 50 중량% 이상이 5 내지 100 마이크로미터의 최대 치수를 가지며, 그 결과 상기 조성물은 5kV/cm 내지 50kV/cm의 전기장 범위내의 영역에서 전기장이 5kV/cm 미만 정도 증가될 때 특성 임피던스를 적어도 10의 비율로 감소시키는 비선형 전기적 작용을 보이며,

   (iv) 상기 충진물은 총 조성물의 5% 내지 60%의 체적을 이루는 것을 특징으로 하는 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 충전제의 모든 미립자는 100 마이크로미터 미만의 최대 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 15 중량% 이하의 충전제 미립자가 15 마이크로미터 미만의 최대 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전제 미립자는 950℃ 내지 1250℃의 온도에서 소성되는 것을 특징으로 하는 조성물.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적어도 90 중량%의 충전제가 산화 아연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조성물.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 50 중량% 이상의 충전제 미립자가 25 내지 75 마이크로미터 사이의 최대 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 조성물.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전제는 총 조성물의 체적 중 10 % 내지 40 %를 이루는 것을 특징으로 하는 조성물.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 스트레스-제어 조성물을 포함하는 물질 층.
9. 제 8 항에 따른 물질 층이 제공된 파워 케이블의 결합부 또는 종단.