NO320650B1

NO320650B1 - Sammensetning for elektrisk spenningskontroll

Info

Publication number: NO320650B1
Application number: NO19983273A
Authority: NO
Inventors: Christian Kemp; Georg Bachmaier; Hansjoerg Gramespacher
Original assignee: Raychem Gmbh
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2006-01-09
Also published as: KR19990077293A; US6124549A; KR100431826B1; CA2242547A1; BR9707006A; AU1392597A; NO983273D0; CA2242547C; DK0875087T3; RU2168252C2; AU721772B2; ES2153176T3; EP0875087B1; NO983273L; ATE197859T1; DE69703613T2; IL125206A0; EP0875087A2; GB9600819D0; DE69703613D1

Description

Oppfinnelsen angår styring eller kontroll av elektrisk spenning, og særlig en stoffsammensetning for utførelse av elektrisk spenningskontroll, og dens anvendelse ved skjøting eller avslutning av for eksempel elektriske kraftkabler.

Elektrisk utstyr, deriblant kraftkabler, som arbeider på middels høy spenning, f.eks. ca. 10 kV og høyere, kan bli utsatt for elektriske påkjenninger eller spenninger som kanskje ikke kan kontrolleres tilstrekkelig av et materiale som er i hovedsaken bare elektrisk isolerende. Det er kjent å benytte spenningskontrollmateriale spesielt for slike anvendelser. Slikt materiale kan klassifiseres som "lineært" eller som "ikke-lineært". Et lineært spenningskontrollmateriale overholder Ohms lov:

hvor

I = strøm,

V = spenning, og

k er en konstant.

Et ikke-lineært materiale overholder en generalisert form av denne likning:

I = kVy

hvor y er en konstant som er større enn 1, og hvis* verdi avhenger av det aktuelle materiale.

EP-B-0121986 (Raychem) for eksempel viser en avslutning av en høyspenningskabel i hvilken et lag av lineært spenningskontrollmateriale benyttes i kombinasjon med et lag av ikke-lineært spenningskontrollmateriale. Materialet for hvert lag kan velges fra en rekke forskjellige materialer som omfatter fylte polymerer.

En avhandling som ble publisert i Proceedings of the 8th CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium, Firenze, 29. juni til 4. juli 1994, av Striimpler, Kluge-Weiss og Greuter ved ABB, med tittelen Smart Varistor Composites, beskriver et materiale som omfatter dopet ZnO-varistorpulver som et fyllstoff i en polymergrunnmasse. Foreslåtte anvendelser av materialet er eksemplifisert som undertrykkelse av spenningstransienter eller feltgradering i gjennomføringshylser og kabelavslutninger. Fyllstoffet fremstilles ved sintring av pulveret under tilstander som strekker seg fra henholdsvis 935 °C til 1320 °C og 4 timer til 20 timer. Formen på fyllstoffpartiklene sies å være nesten kuleformet. Det er angitt at agglomerater kan ha diametere fra ca. 3 um til ca. 300 um, og at en spesiell størrelsesfraksjon kan velges ved sikting før eller etter sintring. Den fremstilte stikkprøve siktes til en partikkelstørrelse på

<200 um. Det resulterende materiale har en ikke-lineær strøm/spennings-karakteristikk.

FR-A-2 547 451 (Electricité De France) viser et ikke-lineært motstandsmateriale for bruk ved fordeling av spenning i en kabelavslutning. Materialet omfatter en binding eller et bindemiddel, som kan være et polymert materiale og et keramisk pulver basert på dopet sinkoksid. I denne publikasjon er masseprosenten av pulveret (sinkoksidet) og dettes partikkelstørrelse vist å være de to vesentlige karakteristika til materialet, hvorved sinkoksidet danner minst 50% av den totale masse, og minst 50% av kornene av pulveret har en diameter som er større enn 100 um. Materialet er vist å være ikke-lineært, idet feltstyrken varierer jevnt med strømtettheten. Det keramiske pulver oppnås ved knusing av en pellet av materialet som er blitt sintret ved høy temperatur (800-1500 °C). Det vil si, utgangspartiklene av sinkoksid komprimeres ved høy temperatur til et koherent, massivt legeme, eller pellet, av den type som benyttes som varistor i høyspente overspennings-avledere, og som deretter knuses ved hjelp av en marmoragat-planetknuser for å danne pulveret. Sådan knusing resulterer i partikler med uregelmessig og vanligvis takket form. Ikke-lineariteten av det resulterende pulver er vist å bli bedre etter hvert som dets partikkelstørrelse øker, ved en konstant prosentandel (85%) av pulver i den totale sammensetning. En partikkelstørrelse mellom 140 um og 200 um foretrekkes fremfor en størrelse på 100 um til 140 um. Prøver med en partikkelstørrelse på mindre enn 100 nm er vist å være betydelig mindre ikke-lineære.

US 4 418 240 viser en elektrisk spenningskontrollelektrode for høyspennings-kabler. Den elektriske spenningskontrollelektrode er anordnet rundt et uskjermet forbin-delsesendeparti av en lederisolator og omfatter en mantelende med flere suksessive, tilstøtende soner som hver har en ikke-lineær elektrisk motstand som er forskjellig fra de tilstøtende soner, hvorved motstanden øker i retning mot høyspenningsdelene av forbindelsen. Sonene er dannet av en støttesammensestning eller et bindemiddel av plastmateriale omfattende partikler av silisiumkarbid eller sinkoksid, idet de forskjellige motstander er oppnådd ved å variere konsentrasjonen av partikler med samme kornstørrelse fra en sone til en annen, eller ved trinnvis å variere kornstørrelsen av partiklene (fra 3 til 2380um) for en gitt konsentrasjon fra en sone til en annen. Motstandsvariasjonene kan også oppnås ved kontinuerlig variasjon i aksialretningen av konsentrasjonen av partikler med en i hovedsaken konstant kornstørrelse, hvorved konsentrasjonen av partikler i en støttesammensetning av plast er av størrelsesorden fra 30 til 70 vekt%.

US-A-4 297 250 (Westinghouse) viser en metode for fremstilling av en ZnO-pulversammensetning som oppviser en ikke-lineær V-I-karakteristikk. En masse av agglomererte partikler presses for å tilveiebringe et sammenhengende, presset, usintret legeme som deretter oppvarmes ved mellom 105 °C og 1400 °C i en tid for å sintre partiklene til hverandre. Det sintrede legeme blir deretter knust for å tilveiebringe findelte pulverpartikkelfragmenter. Fragmentene siktes og oppvarmes ved mellom 500 °C og 1050 °C, og brytes deretter opp for å tilveiebringe et findelt pulver som oppviser en ikke-lineær V-I-karakteristikk. Det vil innses at trykket av sintringen og de senere malingstrinn i vesentlig grad vil endre formen på partiklene fra deres opprinnelige regelmessige form til en uregelmessig form som vist på fig. 1 og 2 i patentet, og at det senere oppvarmings-trinn bare dekker de uregelmessige former.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret elektrisk spenningskontrollsammensetning som er basert på sinkoksid og som oppviser ikke-lineær elektrisk oppførsel.

I overensstemmelse med én side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en sammensetning for elektrisk spenningskontroll som oppviser

(a) en polymergrunnmasse og

(b) et partikkel-fyllstoff omfattende dopet sinkoksid-varistorpulver,

hvor

(i) partiklene i fyllstoffet er kalsinert ved en temperatur mellom 800 °C og 1400 °C, og deretter oppbrutt slik at i hovedsaken alle partikler bibeholder sin opprinnelige, i det vesentlige sfæriske, form,

(ii) minst 85 vekt% av fyllstoffet består av sinkoksid,

(iii) mer enn 50 vekt% av fyllstoffpartiklene har en maksimumsdimensjon på mellom 5 og 100 um, slik at sammensetningen oppviser ikke-lineær elektrisk oppførsel idet dens spesifikke impedans avtar med minst en faktor på 10 når det elektriske felt økes med mindre enn 5 kV/cm i et område innenfor et elektrisk feltområde på fra 5 kV/cm til 50 kV/cm, og (iv) fyllstoffet omfatter mellom 5% og 60% av volumet av den totale sammensetning.

Læren ifølge den kjente teknikk med hensyn til ikke-lineært sinkoksid-fyllstoff-polymermateriale er at et pulver som oppnås av et sintret legeme og har en partikkelstørrelse som er større enn 10 um (EdF) og mindre enn 200 um (ABB), foretrekkes for spenningskontrollformål. I motsetning til dette krever den foreliggende oppfinnelse en mindre partikkelstørrelse, og innser at maling eller knusing av en komprimert blokk for å tilveiebringe pulveret resulterer i partikler med en uregelmessig form, hvilket kan være ufordelaktig. I den siste henseende skal det bemerkes at kalsineringen ifølge den foreliggende oppfinnelse er en høy-temperatur-oppvarming under tyngdepåvirkning uten noen kompresjon. Det resulterende formstabile legeme krever liten kraft for å brytes opp, for eksempel ved lett knusing, og dette minimerer den prosentandel av partikler, f.eks. ca. 5%, som bringes til å ha en uregelmessig form i stedet for den jevne, artsmessig sfæriske, form på partiklene, hvilket er den vanlige form på dopet sinkoksid-varistorpulver slik det opprinnelig leveres av fabrikanter.

Fortrinnsvis har alle partikler av fyllstoffet en maksimumsdimensjon på mindre enn 100 um, fortrinnsvis mindre enn 125 um.

Fortrinnsvis har ikke mer enn 15 vekt% av fyllstoffpartiklene en maksimumsdimensjon som er mindre enn 15 um.

Partikkelstørrelsen er særlig relevant når sammensetningen formes til en plate eller en rørformet hylse for anvendelse som et spenningskontroll-lag ved elektriske anvendelser, så som elektrisk utrustning, kabelskjøter, kabelavslutninger etc. Et slikt lag vil typisk være av størrelsesorden 1 mm tykt, og dersom partikler har en dimensjon som kan sammenliknes med tykkelsen, kan overflaten være ru og det kan også dannes luftspalter, særlig med partikler med en uregelmessig form. Under disse forhold kan partielle elektriske utladninger forekomme i en uakseptabel grad. Et pulverformet materiale som siktes til en partikkelstørrelse på mindre enn 200 um, dvs. 0,2 mm, slik som foreslått i ABB-avhandlingen, ville i vesentlig grad øke faren for uønskede elektriske utladninger sammenliknet med et materiale som siktes til en partikkelstørrelse på mindre enn 125 um, dvs. 0,125 mm.

Det skal også påpekes at ABB-avhandlingen ikke gir noen anvisning angående relevansen av størrelsen og/eller størrelsesfordelingen av partiklene med hensyn ti sammensetningens elektriske oppførsel. I overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse har man funnet, i tillegg til det krav at alle partikler skal ha en størrelse på mindre enn 125 um, at den gjennomsnittlige partikkelstørrelse av det brente pulver, slik som målt for en gaussfordeling (enten en virkelig gaussfordeling eller en fordeling som er transformert til en gaussfordeling), må ligge mellom 20 og 60 um, fortrinnsvis mellom 25 og 50 um, og mest å foretrekke mellom 35 og 45 um.

Videre foretrekkes det at mindre enn 15 vekt%, og fortrinnsvis mindre enn 5 vekt%, av partiklene skal ha en maksimumsdimensjon på mindre enn 25 um. Dersom denne betingelse ikke er oppfylt, har man funnet at resistiviteten av den endelige sammensetning er altfor høy ved høy elektrisk feltstyrke, med den virkning at omkoplingspunktet (til en lavere spesifikk impedans) opptrer ved en verdi som er altfor høy til å være av praktisk bruk for de typiske spenningskontrollanvendelser av sammensetningen ifølge oppfinnelsen.

Kalsineringen av fyllstoffet finner sted mellom 800 °C og 1400 °C, og fortrinnsvis mellom 950 °C og 1250 °C, idet 1100 °C er den mest foretrukne nominelle temperatur. Det vil innses at den optimale temperatur for kalsineringsprosessen vil avhenge av de spesielle dopingsstoffer som er til stede i sinkoksidpulveret. En minimumstemperatur er nødvendig for å sikre at alle dopingsstoffer aktiveres, dvs. smelting og diffusjon av dopingsstoffene finner sted, slik at det resulterende pulver oppviser en skarp endring i sin impedans. En altfor høy temperatur kan imidlertid resultere i ugunstig kjemisk dekomponering av spenningskontrollmaterialet. Pulveret trenger også å opprettholdes på kalsineringstemperaturen i en tilstrekkelig tid til å sikre ensartede elektriske egenskaper gjennom alle partikler.

Kalsineringsprosessen antas å resultere i at de individuelle partikler effektivt oppviser en "varistoreffekt". Det vil si, partikkelmaterialet er ikke bare ikke-lineært med hensyn til variasjonen av sin elektriske vekselstrømsimpedansegenskap (forbindelsen mellom den vekselspenning som påtrykkes på materialet, og den resulterende strøm som flyter gjennom dette), men det oppviser også en omkoplingsoppførsel ved at kurven for spenning som funksjon av strøm oppviser en plutselig overgang, hvilket kvantifiseres ved den angivelse at materialets spesifikke impedans avtar med minst en faktor på 10 når det elektriske felt økes med mindre enn 5 kV/cm (i et område innenfor et elektrisk feltområde på 5 kV/cm til 50 kV/cm, og fortrinnsvis mellom 10 kV/cm og 25 kV/cm, idet dette er et typisk driftsområde for materialet når det benyttes ved skjøting eller avslutning av en elektrisk kraftkabel). Overgangen er fortrinnsvis slik at den spesifikke reduksjon finner sted når det elektriske felt økes med mindre enn 2 kV/cm innenfor området mellom 10 og 20 kV/cm. Ikke-lineariteten opptrer både i materialets impedans og i dets volumresistivitet. Ikke-lineariteten av fyllstoffpartiklene kan være forskjellig på hver side av omkoplingspunktet. Det er også vesentlig at materialet ved omkoplingspunktet ganske enkelt endrer sin ikke-linearitet vesentlig, og ikke fører til elektrisk sammenbrudd eller overslag når den elektriske spenning økes. Jo mindre partikkelstørrelsen for en gitt sammensetning er, jo mindre er sannsynligheten for at et sammenbrudd skal opptre på den andre siden av omkoplingspunktet.

I motsetning til materialet ifølge US-A-4 297 250 bibeholder i hovedsaken alle, dvs. minst 80% og fortrinnsvis minst 90%, av partiklene av sammensetningen ifølge den foreliggende oppfinnelse sin opprinnelige, i hovedsaken sfæriske, form, med fordelen med forbedret elektrisk ytelse.

Det punkt, dvs. den elektriske spenning, i hvilket sammensetningen kopler om eller veksler mellom sine høyere impedans og sine lavere impedansverdier, kan velges for å passe for anvendelsen av det resulterende produkt. Denne egenskap kan varieres ved å velge for eksempel (i) den spesielle polymergrunnmasse, eller den relative dielektriske konstant, f.eks. innenfor et område på 4 til 60, (ii) en passende fyllstoffpartikkelstørrelse, (iii) voluminnholdet av fyllstoffet, og (iv) kalsineringstemperaturen og/eller kalsineringsvarigheten. Posisjonen av omkoplingspunktet med hensyn til verdien av den elektriske spenning vil påvirke impulsytelsen til for eksempel en kabelskjøt eller kabelavslutning på hvilket materialet anvendes, og kan kreves å være forskjellig ved forskjellige forhold, slik som mellom for eksempel en skjøt eller en avslutning. I den sistnevnte henseende forbedres impulsytelsen dersom omkoplingspunktet opptrer ved lavere anvendte elektriske feltstyrker. Dette betyr imidlertid at materialet er mer ledende, og det må tas hensyn til den resulterende oppvarming av materialet, hvilken blir større jo høyere kabelens spenningsklassifisering er.

Anvendelsen av partikkelformet, dopet sinkoksid som er behandlet på denne måte, tillater den mengde som trenger å være inkludert i polymergrunnmassen, å ligge mellom 5 og 50 vol%, og fortrinnsvis mellom 10 og 40 vol%, og resulterer i at partikkelstørrelsen er mindre enn i den kjente sammensetning som er omtalt ovenfor, idet den er slik at mer enn 50 vekt% av fyllstoffpartiklene har en maksimumsdimensjon på mellom 5 um og 100 um, og fortrinnsvis mellom 25 um og 75 um. Disse partikkel-dimensjoner gjelder med fordel for minst 60 vekt% av partiklene.

Voluminnholdet av fyllstoffet i forhold til polymergrunnmassen kan velges for å tilveiebringe den nødvendige impedans av sammensetningen, idet det for eksempel er høyere for materiale som benyttes til å styre eller kontrollere spenningen ved avslutningen av en elektrisk kraftkabel, enn for et materiale som benyttes for spenningskontroll av en skjøt av den samme kabel som arbeider på den samme merkespenning (voltage rating).

Partikkelstørrelsen oppnås ved å føre partikkelmaterialet gjennom en passende dimensjonert sikt, fortrinnsvis på 125 um. Prosessen for forming av de kalsinerte partikler resulterer fortrinnsvis i at partiklene opprettholder en glatt i stedet for en takket eller pigget ytre overflate, og de kan være i hovedsaken ovale eller fortrinnsvis sfæriske, i stedet for betydelig langstrakte.

Det partikkelformede fyllstoff omfatter minst 85 vekt%, og fortrinnsvis minst 90 vekt%, sinkoksid. Det resterende materiale, dopingsstoffene, kan for eksempel omfatte noen eller alle av følgende stoffer, slik de vil være kjente for fagfolk på området dopede sinkoksid-varistormaterialer, nemlig Bi203, Cr203, Sb203, Co203, Mn03, A1203, CoO, Co304, MnO, Mn02, Si02 og ubetydelige mengder av bly, jern, bor og aluminium.

Polymergrunnmassen kan omfatte elastomere materialer, for eksempel silikon eller EPDM, termoplastiske polymerer, for eksempel polyetylen eller polypropylen, klebemidler, for eksempel de som er basert på etylen-vinylacetat, termoplastiske elastomerer, geler, varmeherdende materialer, for eksempel epoksyharpikser, eller en kombinasjon av slike materialer, deriblant kopolymerer, for eksempel en kombinasjon av polyisobutylen og amorft polypropylen.

Den totale sammensetning kan også omfatte andre velkjente additiver for disse materialer, for eksempel for å forbedre disses bearbeidbarhet og/eller velegnethet for spesielle anvendelser. I den siste henseende kan for eksempel materialer for anvendelse som kraftkabeltilbehør trenge å tåle utendørs omgivelsesforhold. Passende additiver kan således omfatte bearbeidelsesmidler, stabilisatorer, antioksidanter, og mykningsmidler, for eksempel olje.

Det dopede sinkoksidpulver omfatter mellom 5% og 60% av volumet av den totale sammensetning, og overskrider fortrinnsvis 10%, mer foretrukket 20% og mest foretrukket 25%, og er fortrinnsvis mindre enn 50%, og mer foretrukket mindre enn 40% av det totale volum.

Den relative dielektrisitetskonstant for den totale sammensetning ligger fortrinnsvis i området fra 4 til 60, idet den fortrinnsvis overskrider 6, og mer foretrukket overskrider 8, og fortrinnsvis er mindre enn 40 og mer foretrukket mindre enn 25, målt ved lav elektrisk feltstyrke, f.eks. ca. 2 V/mm, ved 50 Hz. Videre bør dielektrisitets-konstanten fortrinnsvis ikke endre seg med mer enn en faktor på 2 ved målinger opp til 250 kHz.

Den spesifikke impedans av den totale sammensetning ligger med fordel i området IO<8> ohm-cm til IO10 ohm ■cm, målt ved lav elektrisk feltstyrke (ca. 2 V/mm) ved 50 Hz.

I overensstemmelse med en annen side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt elektrisk utstyr, for eksempel en skjøt eller avslutning av en elektrisk kraftkabel på hvilket det er anbrakt et material-lag som omfatter en spenningskontrollerende sammensetning slik som beskrevet i det foregående under henvisning til den første side ved oppfinnelsen.

Sammensetningen kan være formet til et lag, så som et bånd eller en plate, som kan vikles rundt utstyret. Alternativt kan laget være i form av en rørformet hylse. Laget kan også være tilveiebrakt som del av en samekstrusjon, idet det for eksempel er et indre lag.

Et materiallag som er dannet av sammensetningen ifølge oppfinnelsen, kan typisk ha en tykkelse på ca. 1 mm.

Ved én anvendelse kan sammensetningen ifølge oppfinnelsen danne den spenningskontrollerende omvikling av den kabelavslutning som er vist i den internasjonale patentsøknad med publiseringsnummer WO 91/16564.

En spenningskontrollerende sammensetning ifølge oppfinnelsen og en kraftkabel som er avsluttet ved benyttelse av sammensetningen, skal nå beskrives som eksempel under henvisning til tegningene, der

fig. 1 og 2 viser snitt gjennom to former for kraftkabelavslutninger som benytter spenningskontrollsammensetningen,

fig. 3 viser en kurve for en typisk partikkelstørrelsesfordeling av det kalsinerte, dopede sinkoksidfyllstoff,

fig. 4 viser en kurve av impedansen av fyllstoffpulveret for forskjellige partikkel-størrelser, og

fig. 5 viser en kurve av den spesifikke impedans av sammensetningen og viser virkningen av kalsinering av fyllstoffet.

Fig. 1 viser en avsluttet polymerkabel 2 for 20 kV. Kabelens dielektrikum 4 er blitt fjernet bakover for å avdekke lederen 6 for tilkopling til annet elektrisk utstyr (ikke vist), så som et bryteranlegg, ved hjelp av et krympet øre 7. Kabelens isolerende ytter-mantel 8 er blitt avkuttet for å avdekke armeringstrådene 10 som er blitt bøyd tilbake som forberedelse for tilkopling til jord. Den halvledende skjerm 12 strekker seg forbi mantelen 8, men er avkuttet slik at den ender et stykke langs kabelens dielektrikum 4. Avslutningen av kabelen 2 er fullført ved anbringelse på denne av et spenningskontroll-lag 14 og et ytre, varmekrympbart isolasjonslag 16. Lagene 14 og 16 overlapper halvlederskjermen 12 nær enden av mantelen 8, strekker seg langs dielektrikumet 4 til dettes avkuttede ende, og overlapper skaftet av øret 7. Ved den ene ende kontakter derfor spenningskontroll-laget 14 skjermen 12 elektrisk og ligger på jordpotensial, og ved sin andre ende ligger spenningskontroll-laget under drift på 20 kV-potensialet til lederen 6 og øret 7.

Lagene 14 og 16 er dannet som et eneste samekstrudert rørstykke, selv om de kunne være dannet og anbrakt som separate rørstykker. Man forestiller seg også at spenningskontroll-laget, i en alternativ utforming, enten det er i rørform eller ikke, kan være kortere enn det ytre isolasjonslag og da kan strekke seg fra skjermen 12 og ende et stykke langs dielektrikumet.

Fig. 2 viser en alternativ kabelavslutning i hvilken en kabel 20 har sin ytre isolerende mantel 22, sine jordingstråder 24, sin halvledende skjerm 26 og sitt dielektrikum 28 avkuttet for å avdekke lederen 30 til hvilken det er krympet et tilkoplingsøre 32. En rektangulær plate 34 av spenningskontrollmateriale er viklet én gang rundt kabelen 20 slik at den overlapper skjermen 26 og strekker seg et stykke langs dielektrikumet 28. Et isolerende, elastomert ytre dekke 36 som omfatter et stort sett sylindrisk kjerneparti 38 med et antall regnskjørt 40 som rager ut fra dette, er anbrakt på kabelen 20 slik at det strekker seg i lengderetningen over jordingstrådene 24 ved den ene ende og over øret 32 ved sin andre ende. Dekket 36 kan anbringes ved at det frigjøres gradvis radialt på kabelen 20 fra et holdearrangement som vist i den internasjonale patentsøknad med publiseringsnummer WO 91/16564.

Materialet i spenningskontrollrørstykket 14 på fig. 1 og i platen 34 på fig. 2 omfatter en elektrisk ikke-lineær spenningskontrollsammensetning i overensstemmelse med oppfinnelsen. Materialet i disse utførelser omfatter en grunnmasse som omfatter silikonelastomer og et spesielt fyllstoff som omfatter dopet sinkoksid. Det dopede sinkoksid omfatter tilnærmet 90 vekt% sinkoksid og tilnærmet 10% av Bi203, Cr2C>3, Sb203, Co203, Mn03.

Pulveret ble kalsinert i en kalsineringsovn ved en temperatur på ca. 1100DC, før det ble blandet med pellets av polymergrunnmassen og matet inn i en ekstruder for å frembringe den endelige, påkrevde form. Det kalsinerte fyllstoff omfattet ca. 30 vol% av den totale sammensetning som omfattet fyllstoffet og polymergrunnmassen.

En typisk partikkelstørrelsesfordeling av relative antall av kalsinerte, dopede sinkoksidpartikler av et passende pulver, etter å være ført gjennom en 125 um sikt, er vist på fig. 3 hvor det fremgår at det er en skarp topp ved en partikkelstørrelse på ca. 40 um, med en stor majoritet av partikler beliggende mellom 20 og 60 um.

Omkoplingsoppførselen til de kalsinerte, dopede sinkoksidpartikler, som viser den plutselige endring i ikke-lineær spesifikk impedans som funksjon av den elektriske feltstyrke (ved 50 Hz), er vist på fig. 4 for tre områder av partikkelstørrelse. Kurve I angår en partikkelstørrelse på mindre enn 25 um, kurve II en partikkelstørrelse på 25 um til 32 um, og kurve III en partikkelstørrelse på 75 um til 125 um. Det innses at omkoplingspunktet opptrer ved høyere elektrisk feltstyrke etter hvert som partikkel-størrelsen reduseres.

Fig. 5 viser en sammenlikning mellom den elektriske oppførsel, nemlig variasjonen av spesifikk impedans av en sammensetning av spenningskontrollmateriale som funksjon av det elektriske felt ved 50 Hz, for partikler som er blitt kalsinert, kurve IV, og partikler som ellers er identiske, men ikke er blitt kalsinert, kurve V. I disse prøver dannet sinkoksidpulversammensetningen som er gitt ovenfor, 35 vol% av en silikonelastomer som utgjorde polymergrunnmassen. Det er åpenbart at ingen omkoplingsoppførsel opptrer, selv ved betydelig høye elektriske feltstyrker, med det materiale hvis partikler ikke er blitt kalsinert, selv om dette materiale virkelig oppviser ikke-lineær oppførsel.

Spenningskontrollsammensetningen ifølge oppfinnelsen oppviser således betydelige fordeler fremfor kjente spenningskontrollmaterialer.

Claims

1. Sammensetning for elektrisk spenningskontroll, omfattende (a) en polymergrunnmasse og (b) et partikkelfyllstoff omfattende dopet sinkoksid-varistorpulver, karakterisert ved at (i) partiklene i fyllstoffet er kalsinert ved en temperatur mellom 800 °C og 1400 °C, og deretter oppbrutt slik at i hovedsaken alle partikler bibeholder sin opprinnelige form, (ii) minst 85 vekt% av fyllstoffet består av sinkoksid, (iii) mer enn 50 vekt% av fyllstoffpartiklene har en maksimumsdimensjon på mellom 5 og 100 um, slik at sammensetningen oppviser ikke-lineær elektrisk oppførsel idet dens spesifikke impedans avtar med minst en faktor på 10 når det elektriske felt økes med mindre enn 5 kV/cm i et område innenfor et elektrisk feltområde på fra 5 kV/cm til 50 kV/cm, og (iv) fyllstoffet omfatter mellom 5% og 60% av volumet av den totale sammensetning.

2. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at alle partikler i fyllstoffet har en maksimumsdimensjon på mindre enn 100 um, fortrinnsvis mindre enn 125 um.

3. Sammensetning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ikke mer enn 15 vekt% av fyllstoffpartiklene har en maksimumsdimensjon på mindre enn 15 um.

4. Sammensetning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at fyllstoffpartiklene er kalsinert ved en temperatur mellom 950 °C og 1250 °C, fortrinnsvis ved ca. 1100 °C.

5. Sammensetning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at minst 90 vekt% av fyllstoffet består av sinkoksid.

6. Sammensetning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at mer enn 50 vekt% av fyllstoffpartiklene har en maksimumsdimensjon på mellom 25 og 75 um.

7. Sammensetning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at fyllstoffet utgjør mellom 10 og 40 vol% av den totale sammensetning.

8. Materiallag, karakterisert ved at det omfatter en spenningskontrollsammensetning i overensstemmelse med ett av de foregående krav.

9. Skjøt eller avslutning av en elektrisk kraftkabel, karakterisert ved at det på denne er anbrakt et lag av materialet ifølge krav 8.