WO2020030753A1 - Werkstoff zur richtungsabhängigen steuerung eines elektrischen feldes - Google Patents

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WO2020030753A1
WO2020030753A1 PCT/EP2019/071352 EP2019071352W WO2020030753A1 WO 2020030753 A1 WO2020030753 A1 WO 2020030753A1 EP 2019071352 W EP2019071352 W EP 2019071352W WO 2020030753 A1 WO2020030753 A1 WO 2020030753A1
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fibers
field
matrix material
electrical
electrical conductivity
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PCT/EP2019/071352
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Sven Schumann
Merle Karoline ORTH
Eskil KIRCH
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/47—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes fibre-reinforced plastics, e.g. glass-reinforced plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/88—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced
    • B29C70/882—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced partly or totally electrically conductive, e.g. for EMI shielding
    • B29C70/885—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced partly or totally electrically conductive, e.g. for EMI shielding with incorporated metallic wires, nets, films or plates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/046—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with synthetic macromolecular fibrous material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/09—Addition of substances to the spinning solution or to the melt for making electroconductive or anti-static filaments
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10—Other agents for modifying properties

Definitions

  • the invention relates to a material for controlling an electrical field, a component for controlling an electrical field, a method for producing a material for controlling an electrical field and the use of textile fibers.
  • the invention is particularly suitable for being used for field control in high-voltage technology.
  • field control measures are used, for example, in cable fittings, bushings, transformers, rotating electrical machines, isolators or surge arresters.
  • field tax measures contribute to the provision of reliable and economical equipment.
  • field control includes in particular all measures that serve to reduce local electrical field strengths to such an extent that the electrical strengths of the insulating materials and the interfaces are never exceeded. In principle, one can differentiate between field-controlling measures in the volume of an insulating material and along interfaces. In the narrower sense, field control means measures to influence electrical field strengths along interfaces, which often represent special weak points in an insulation system.
  • the control of the electrical load on insulation systems, especially at interfaces, is therefore a major challenge for the design of long-lasting and reliable (high-voltage) components in which high voltages or electrical field strengths can occur.
  • the electrical field control is necessary here in order to distribute the load on the electrically non-conductive insulating materials as evenly as possible and not to overload the insulation locally.
  • the interface has a lower electrical strength than would be expected on the basis of the properties of the media which adjoin one another. It has also often been found that the structure of a typical insulation structure favors the very early ignition of discharges and the spread of high-current, far-reaching and eroding sliding discharges. In this case one speaks of a so-called “sliding arrangement”.
  • FIG. 1 a A typical example of such a sliding arrangement is the end of a cable, as illustrated in FIG. 1 a, in which the cable insulation 7 surrounding the high-voltage conductor 6 is exposed and on which the grounded outer conductive layer (cable sheath 8) ends with sharp edges .
  • the corresponding field lines 5 are indicated in FIG. 1 a.
  • Various field control methods are available to avoid or defuse sliding arrangements:
  • FIG. 1 b a geometrical field control by the geometrical design of electrode contours is exemplarily and schematically illustrated.
  • a capacitive field control by means of conductive control linings 10 with a capacitively determined voltage distribution in the case of AC or surge voltage is exemplarily and schematically illustrated.
  • FIG. 1d schematically shows an example of a refractive field control using highly permittive material 11, in particular highly permeable insulating materials with a dielectric (or capacitive) distorted field distribution with alternating and surge voltage.
  • FIG. 1e exemplarily and schematically illustrates a resistive field control using semiconducting material 12, for example formed with residual conductive control coatings or semiconducting conductive layer applications, with resistively determined voltage distribution.
  • nonlinear material 13 which has insulating properties at low field strengths and changes to a substantially better conductive state at higher field strengths.
  • electrical field control geometric, capacitive, refractive, resistive, non-linear
  • the last three are based on the properties of the insulating materials used.
  • the material properties can be adjusted by introducing powdered fillers and modified evenly in all directions due to the lack of order of the fillers. None of these three approaches, or none of the technologies associated with them, has so far allowed the material properties to be adjusted in a direction-dependent manner.
  • the fillers mentioned are generally kneaded in the form of powders into an uncrosslinked polymer matrix and then poured or injected. Due to the resulting disordered structure of the mostly spherical or flat fillers, the electrical conductivity is uniformly influenced regardless of the direction of the current flow. Differences only arise due to concentration differences of the fillers or the partial presence and absence of so-called “filler bridges”, in which filler particles are arranged in a long chain and touch each other. However, this effect has so far not been able to be set in a targeted manner depending on the direction; rather, these filler bridges are created more by chance, which can even be disadvantageous for targeted influencing of the electrical field.
  • a material for controlling an electrical field contributes to this, comprising a matrix material and textile fibers which are held in the matrix material, where at least some of the fibers are arranged in the matrix material with a predetermined orientation.
  • the electrical conductivity in the fiber direction can advantageously be increased compared to one or more transverse directions (based on the fiber direction).
  • the solution proposed here advantageously contributes to specifying an electrical field control for, for example, DC voltage applications, in which the distribution of the electrical field is achieved by means of a particularly homogeneous introduction of (thin) preferably electrically conductive textile fibers into a matrix material or a Insulating material that can be influenced or is influenced depending on the direction.
  • the electrical conductivity of the resulting composite material can be influenced for electrical field control. It is particularly advantageous with the help of the aligned textile fibers It is possible to modify the material properties relevant for electrical field control (only) in one or two spatial directions. This advantageously enables the design and construction of completely new component shapes that could not previously be realized.
  • the material for controlling an electrical field is, in particular, a material for field control or a field control material (or a field control material).
  • the latter means in particular that the maximum of the electric field strength can be reduced.
  • a lower density results, in particular, from a greater distance between the corresponding field or equipotential lines and indicates a lower field strength.
  • the field lines can be guided in the thread direction (course of the textile fiber).
  • the electrical conductivity in the fiber direction can be increased compared to one or more transverse directions (based on the fiber direction). This can advantageously be used to influence the field lines in order to enable direction-dependent field control. In particular, this effect can also depend on a temperature and / or possibly field strength-dependent ratio of the electrical conductivity of the fibers and the surrounding matrix.
  • the matrix material is in particular an electrically insulating (matrix) material. In other words, this means in particular that the matrix material has electrically insulating material properties.
  • the matrix material preferably has an electrical conductivity of less than or equal to 10 10 S / m [Siemens per meter], preferably less than or equal to 10 13 S / m or even less than or equal to 10 16 S / m. In this context, an electrical conductivity of less than or equal to 10 16 S / m is particularly preferred.
  • the matrix material is preferably at least partially formed with an electrical insulating material. At least one of the following materials or a combination thereof can be considered as the insulating material: ethylene-propylene-diene rubber (EPDM / EPR), silicone rubber, silicone resin, epoxy resin, unsaturated polyester resins, glass fiber reinforced plastic (GRP), polyurethane (PU ), Polyethylene (PE), cross-linked polyethylene (VPE), ceramic, glass, soaked insulating tapes (fiberglass, paper, mica, aramid), polyamides (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • EPDM / EPR ethylene-propylene-diene rubber
  • silicone rubber silicone resin
  • epoxy resin epoxy resin
  • unsaturated polyester resins unsaturated polyester resins
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • PU polyurethane
  • PE Polyethylene
  • VPE cross-linked polyethylene
  • ceramic glass, soaked insulating tapes (fiberglass, paper, mica, aramid), polyamides (PA), polytetraflu
  • the (textile) fibers are usually elongated. In other words, this means in particular that the longitudinal extension of the fiber is many times greater than its thickness or its diameter.
  • the orientation of a fiber here relates in particular to the direction from one fiber end to the other fiber end of the (elongated) fiber.
  • the fibers are, in particular, textile (melt-spun) filaments with a finite length.
  • the fibers preferably have a (predetermined) minimum length of 10 mm, preferably 15 mm, particularly preferably 20 mm or even 30 mm [millimeters].
  • the minimum lengths specified here can advantageously contribute to the fibers being in one component can extend from one (end) side to an opposite (and away from this) (end) side of the component.
  • a maximum length of the fibers corresponds to a (maximum) component length.
  • the fibers are preferably (compared to the matrix material) electrically conductive fibers. In other words, this means in particular that the fibers have electrically conductive material properties, in particular have better electrically conductive material properties than the matrix.
  • the fibers preferably have an electrical conductivity (possibly dependent on temperature and / or field strength) of less than or equal to 10 9 S / m [Siemens per meter], particularly preferably less than or equal to 10 12 S / m or even less or equal to 10 15 S / m. To increase the electrical conductivity of textile bevels in this z. B. (linear or non-linear) conductive particles can be integrated.
  • the fibers preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 9 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 1 S / m. Furthermore, the fibers preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 12 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 13 S / m. The fibers particularly preferably have an electrical conductivity of less than or equal to 10 15 S / m if the matrix material has an electrical conductivity of less than or equal to 10 16 S / m. In other words, this means in particular that the difference in the conductivities should preferably be one to two orders of magnitude.
  • Electrically conductive (melt-spun) fibers that have an electrical conductivity of less than or equal to 10 9 S / m [ten to the minus nine Siemens per meter] are particularly advantageous for field control.
  • Corresponding electrical conductivities in (melt-spun) fibers can be achieved, for example, by introducing nanoscale carbon nanoparticles (and / or microvaristors) into a thermoplastic, which is spun out as a thread and then further processed.
  • the thread thickness is preferably 0.5 mm to 1 mm [millimeters].
  • the field lines in the thread direction can be guided particularly advantageously by such filaments.
  • the further processing of the filaments or threads includes, in particular, cutting into fibers (certain length).
  • the thread thickness usually does not change.
  • the fibers are held in the matrix material. In other words, this means in particular that the arrangement and alignment of the fibers can be fixed or fixed by means of the matrix material.
  • the fibers are usually firmly (chemically or physically) bonded to the matrix material.
  • the fibers can be contacted using an electrically sufficiently conductive polymer layer (e.g. a semiconducting screen) or an electrically conductive adhesive.
  • the electrical conductivity of the connection or contact is in particular at least 0.001 S / m [Siemens / meter], preferably greater than 0.1 S / m, or even greater than 10.0 S / m.
  • This polymer layer or the adhesive can have an electrically conductive contact either with the high voltage potential, the earth potential or a defined intermediate potential, so that at least one end of the fibers lies on this electrical potential with a deviation of less than 10%.
  • the measurement of the electrical conductivity is easy and can, for. B. in accordance with DIN EN 60093. It is possible to carry out the measurement exactly according to the standard by pressing appropriate test plates from the material of the fibers and measuring them with a protective ring arrangement. It is also possible to measure individual fibers over a length of 1 to 20 cm in a test device with good contact (e.g. clamped). A voltage of a few 100 V to 10 kV can be applied and the current measured. The specific resistance can be calculated from the current, the voltage and fiber length and fiber diameter.
  • At least some of the fibers are arranged in the matrix material with a predetermined orientation.
  • a maximum of 80% of the fibers present are arranged in the matrix material with a predetermined orientation.
  • fibers with a predetermined orientation differ in particular from fibers which are only used as fillers and are therefore non-directional.
  • (non-directional) filler fibers and / or other fillers, such as powder are also held or contained in the matrix material.
  • the fibers can comprise one or more non-elastic materials (with less than 7% elongation) and / or one or more elastic materials (with a maximum elongation of more than 200%).
  • the fibers can also consist entirely of one of the materials.
  • the elasticity of the fibers is adjusted in particular by the chemical-physical formulation and the spinning process (including winding speed, stretching, etc.) of the fibers. The manufacturing process ensures sufficient strength to ensure further processability.
  • the measurement of the tensile elongation properties is easy and can e.g. B. in accordance with DIN EN 13895.
  • a force-strain curve can be determined, which provides information about which strain has which strain.
  • the fibers are preferably introduced homogeneously in at least a partial area of the material or in a body produced by means of the material, in particular arranged homogeneously (equidistantly) and / or aligned homogeneously (parallel).
  • a homogeneous introduction of the fibers advantageously contributes to a distribution of the electric field that is as homogeneous as possible.
  • the homogeneous introduction can also help to at least reduce the risk of thermal overloading of the fibers or electrical overloading of the matrix.
  • At least part of the fibers is preferably aligned parallel to an interface and / or an outer surface of a body formed at least partially or even completely with the material. Since the field lines in particular Allowing the direction of the thread can advantageously contribute to a more even distribution of the field lines.
  • at least some of the fibers with an interface and / or an outer surface of a body formed at least partially or even completely with the material enclose an angle greater than 0 ° [zero degrees] and less than or equal to 90 °. In the latter case in particular, it is particularly preferred if at least some fibers extend to the interface and / or the outer surface.
  • At least some of the fibers are preferably oriented as a function of an expected field line course or equipotential line course and / or a field distribution or potential distribution to be expected. For example, for a large number of applications, such as the sliding arrangement described at the beginning, it is known which courses and / or distribution (at least in idealized form) are to be expected. Alternatively or cumulatively, for example, a simulation of a possible application of the material can help to determine the courses and / or distributions to be expected.
  • the fibers are oriented in such a way that the material properties relevant for electrical field control are (only) modified in one or two spatial directions. These material properties are, in particular, the electrical conductivity and / or the thermal conductivity.
  • material properties relevant to electrical field control (only) in one spatial direction it is advantageously possible to use individual (aligned) fibers, which may be aligned parallel to one another.
  • an (aligned) fiber mesh can be used, for example.
  • the fiber braid is arranged in the matrix material with a predetermined orientation.
  • the fiber braid can advantageously contribute to two-dimensional field control. At least some of the fibers preferably run straight. Alternatively or cumulatively, it can be provided that at least some of the fibers describe curves and / or kinks.
  • the electrical conductivity of the fibers is higher than the electrical conductivity of the matrix material.
  • the electrical conductivity of the fibers is preferably at least ten times (10) as large as the electrical conductivity of the matrix material.
  • the electrical conductivity of the fibers is particularly preferably at least one hundred times (100) as great as the electrical conductivity of the matrix material. It was found that the introduction of (finite) threads or bevels, which have a higher electrical conductivity than the surrounding (insulating) material, can advantageously influence the distribution of the electrical field.
  • corresponding particles may have been introduced therein, in particular during a melt spinning process.
  • the fibers contain carbon particles.
  • a linear-ohmic behavior can advantageously be achieved (for DC voltage applications) by introducing carbon particles or carbon particles into a thread base material (for example thermoplastic).
  • the carbon particles in particular produce a change in the basic electrical conductivity of the resulting composite material (ohmic behavior).
  • the fibers contain nanoscale carbon nanoparticles.
  • the fibers contain microvaristors.
  • the microvaristors are in particular microvaristor particles.
  • nonlinear materials such as zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC) and / or iron oxide (FeO), in particular in the form of (nano) particles, can be embedded in a thread base material (for example thermoplastic) and the so-called Form microvaristors.
  • the Microvaristors (especially if they are sufficiently full) generate an electrical conductivity that is dependent on the electrical field load (non-linear ohmic behavior).
  • non-linear behavior is achieved in particular through tunnel effects at the grain boundaries of the particles.
  • fibers can be used which, for example, have a linear-ohmic behavior with carbon particles and, on the other hand, fibers filled with microvaristors, which have a non-linear-ohmic behavior.
  • the five existing options for electrical field control are thus advantageously supplemented by two further options through the use of fibers with linear resistive control or non-linear resistive control fibers. This results, for example, in application potential in the increasingly high-voltage direct current transmission systems (HVDC) and other direct current applications, for example in medical technology or electromobility.
  • HVDC direct current transmission systems
  • the fibers preferably form a predetermined (minimum) portion of the total volume of the partial area of the material in at least one partial area of the material or in a body produced using the material.
  • the predetermined (minimum) proportion can advantageously contribute to adjusting the electrical conductivity of the composite material. If the conductivity of the composite material is too high, for example, the material heats up too much and can be thermally destroyed.
  • the (minimum) proportion can be predetermined in such a way that the field control is achieved to the desired extent and / or locally inadmissible heating is avoided as far as possible.
  • the electrical conductivity increases sharply in the area of the so-called percolation threshold.
  • the (weight) proportion of fillers in the fibers is also referred to here as the degree of filling.
  • the fibers preferably have a predetermined degree of filling in at least one partial area of the material or in a body produced by means of the material. If a desired electrical conductivity with fillers is to be adjustable, it is particularly advantageous that the fillers in the fibers observe the percolation threshold so that the desired electrical conductivity can be set particularly advantageously. It is therefore particularly advantageous if the degree of filling is set as precisely as possible. A degree of filling in the range from 0.5 to 2% by weight is particularly preferred here.
  • a component for controlling an electrical field is proposed, the component being formed at least partially with a material proposed here for controlling an electrical field.
  • the component can be a body that is at least partially or even completely formed with the material proposed here.
  • the component itself can be dimensionally stable.
  • the component can have the shape of a sleeve.
  • the component can still be one of the following components: high-voltage bushing, high-voltage insulator, cable end closure, cable sleeve.
  • the component is preferably a component for an electrical high-voltage apparatus, such as a transformer, a high-voltage cable, a conductor cable, a (gas-insulated) switchgear (disconnector, circuit breaker, current transformer, voltage transformer) or a power capacitor.
  • the component can be one for a medical technology apparatus or for an electrically drivable vehicle (automobile).
  • a plurality of zones with different fiber orientations are preferably formed in the component. In other words, this means in particular that the fibers in a first zone of the component have a different (predetermined) orientation than the fibers in a second zone of the component. This advantageously means that different material properties can be set for the field control in different zones of the component.
  • the zones can be arranged (directly or spaced apart) next to one another (and preferably not one above the other).
  • the component can also be formed with at least one zone with (aligned) fibers and at least one zone without (aligned) fibers (zone with normal insulation).
  • the fibers are preferably introduced homogeneously in at least one partial area of the component, in particular arranged homogeneously (equidistantly) and / or aligned homogeneously (parallel). Furthermore, at least some of the fibers are preferably aligned parallel to an interface and / or an (outer) surface of the component. Alternatively or cumulatively, at least some of the fibers with an interface and / or an (outer) surface of the component enclose an angle greater than 0 ° [zero degrees] and less than or equal to 90 °. In the latter case in particular, it is particularly preferred if at least some fibers extend to the interface and / or the (outer) surface.
  • the (aligned) fibers in the component preferably extend from an end region of the component to an opposite (and facing away from) the (end) side region of the component.
  • the fibers particularly preferably extend from one (end) side to an opposite (and facing away from) the (end) side of the component.
  • process steps a), b) and c) generally results from a regular operating sequence.
  • Process steps a), b) and c) can, however, also be carried out at least partially in parallel or even simultaneously.
  • the method is used in particular to produce a material proposed here for controlling an electrical field.
  • a matrix material is made available.
  • An electrically insulating material or an insulating material is preferably provided as the matrix material. In other words, this means in particular that the matrix material has electrically insulating material properties.
  • the matrix material can, for example, be filled into a mold, in particular cast and / or injected.
  • textile fibers are made available.
  • the fibers are preferably provided by means of a melt spinning process.
  • a polymer mass in particular a thermoplastic, can first be melted. Thereafter, particles for increasing the electrical conductivity, such as carbon particles and / or microvaristors, can be introduced therein.
  • the polymer mass can then be extruded into endless threads or (endless) filaments. After the filaments have cooled, they can be cut into fibers (predetermined length).
  • the fibers can in principle also be provided with another spinning process, such as a wet spinning process.
  • coated textile fibers can also be provided in step b).
  • step c) at least some of the fibers are arranged with a predetermined orientation in the matrix material.
  • the fibers can be laid with a predetermined orientation on a layer of the matrix material and / or a floor (for example a shape) and then covered with a (further) layer of the matrix material. This process can be repeated several times.
  • at least some of the fibers with the predetermined orientation can be stretched in two or three dimensions and then cast with the matrix material.
  • the fibers can be draped (stretched) in two or three dimensions, for example by means of a fixation (for example external holder, textile structure) and then cast around with the matrix material.
  • at least some of the fibers can each be (one-dimensionally) pierced into the matrix.
  • individual fibers or a fiber network can be arranged in step c).
  • step b) carbon particles are introduced into a polymer melt which is then spun out as a thread.
  • the polymer melt is in particular a thermoplastic melt.
  • the carbon particles are, in particular, nanoscale carbon nanoparticles.
  • microvaristors are introduced into a polymer melt, which is then spun out as a thread.
  • Microvaristor particles are preferably introduced into the polymer melt.
  • the polymer melt is, in particular, a thermoplastic melt.
  • step b) (any) electrically conductive particles, which in particular have a higher electrical conductivity than the matrix material, can be introduced into a polymer melt.
  • the electrically conductive particles are metallic particles.
  • These electrically conductive particles are particularly preferably (nanoscale) carbon particles and / or microvaristor particles.
  • intrinsically conductive polymers can preferably be used to provide the textile fibers. At least one of the following materials or a combination thereof can be considered as an intrinsically conductive polymer: chlorofluorethylene, chloropropylene, chlorosulfone, polyamide, polychloroprene, polyethylene, PE-terephthalate, polyfluorovinylidene.
  • step c) the material properties of the material which are decisive for electrical field control are set in a direction-dependent manner.
  • the material properties relevant to electrical field control were modified in one or two spatial directions.
  • a (local) electrical conductivity of the resulting composite is preferably modified or influenced in at least one spatial direction.
  • the field lines in particular are guided or deflected in the thread direction.
  • step c) at least some of the fibers are preferably aligned as a function of an expected field line course or equipotential line course and / or an expected field distribution or potential distribution.
  • the courses to be expected can (previously) be determined (once or for a large number of manufacturing processes) by measurements on a prototype and / or by one or more simulations.
  • the use of textile fibers, which are arranged with a predetermined orientation in a matrix material, for controlling an electric field is proposed.
  • This can advantageously contribute to enabling more compact and lighter designs than these were previously possible with conventional field control materials.
  • the electric field is preferably controlled in the fiber direction, in particular by guiding and / or deflecting field lines in the fiber direction (or thread direction).
  • the textile fibers are preferably used for direction-dependent field control.
  • the textile fibers are particularly preferably used for direction-dependent field control in a high-voltage component, in particular a high-voltage direct current transmission system (HVDC) component, a medical technology component and / or an electrically drivable vehicle, such as an electrically drivable automobile.
  • HVDC high-voltage direct current transmission system
  • the field of application of the solution presented here is not limited in particular to the area of energy technology, but rather includes all areas in which DC voltage with higher voltages or field strengths are used. Possible further fields of application are, for example, medical technology and / or electromobility. In the field of energy technology, the solution presented here is particularly advantageous for HVDC cables.
  • FIG. 3 an exemplary use of a material proposed here
  • FIG. 4 a cable sleeve, in a partially sectioned illustration
  • FIG. 5 a detailed view of the cable sleeve from FIG. 4
  • FIG. 6 an equipotential curve that can be set in a cable sleeve
  • FIG. 7 a further equipotential curve that can be set in a cable sleeve
  • FIG. 8 an equipotential curve that can be set in the cable sleeve according to FIG. 4,
  • Fig. 9 an electrical field distribution, which is in the cable sleeve according
  • Fig. 4 can adjust
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment of a component 4 proposed here in a sectional illustration.
  • Component 4 is set up to control an electrical field.
  • the component 4 is formed with a material 1 proposed here for controlling an electrical field.
  • the material 1 has a matrix material 2 and textile fibers 3, which are held in the matrix material 2, the fibers 3 being arranged in the matrix material 2 with a predetermined orientation.
  • the component 4 is exemplarily formed in the form of a (rotationally symmetrical) sleeve.
  • the (elongated) fibers 3 are also aligned, for example, parallel to the center or symmetry axis of the sleeve.
  • FIG. 3 schematically shows an example of the use of a material 1 proposed here.
  • FIG. 3 illustrates an equipotential distribution of a sliding arrangement.
  • the electric field is indicated here by means of three equipotential curves (at 25%, 50% and 75%).
  • the material 1 enables control of the electric field, here, for example, direction-dependent field control in the horizontal direction.
  • the material 1 has, for example, an insulating material as the matrix material 2 and electrically conductive textile fibers 3, which are held in the matrix material 2.
  • the equipotential lines stand steeply to vertically on the fibers owing to the higher conductivity and then follow the course of the fibers a little along the fibers 3 before they emerge again. Therefore, a “step-like” course of the equipotential lines usually arises.
  • the fibers 3 are arranged in the matrix material 2 with a predetermined orientation, namely here, for example, horizontally (and continuously).
  • a predetermined orientation namely here, for example, horizontally (and continuously).
  • textile fibers it is possible here, for example, for electrical Modify the material properties of the field control (only) in one or two spatial directions. This enables the design and construction of completely new component shapes that could not previously be realized.
  • the cable sleeve 14 connects two high-voltage cables 15 to one another.
  • the cable sleeve 14 comprises a conductor connection 16, a shield electrode 17, an insulating body 18, two deflectors 19, an external, mechanical protection 20, a moisture barrier 21 and filler material 22.
  • the insulating body 18 is, for example, partially formed with a material 1 presented here for controlling an electrical field, which is illustrated in more detail in connection with FIG. 5.
  • the insulating body 18 thus also represents an exemplary embodiment of a component 4 proposed here.
  • FIG. 5 schematically shows a detailed view of the cable sleeve from FIG. 4.
  • the detailed view is identified in FIG. 4 with the Roman numeral 5 and marked with a dashed frame.
  • the reference symbols are used uniformly, so that full reference can be made to previous statements (in particular with respect to FIG. 4).
  • FIG. 6 shows schematically an equipotential curve that can occur in a cable sleeve.
  • FIG. 6 illustrates a simplified electrical field distribution in an HVDC cable sleeve (HVDC stands for high-voltage direct current transmission systems) for the case when only a geometric field control is used. 6 thus illustrates an equipotential curve of the voltage without additional field control (no fibers). It shows that the critical boundary layer between cable and sleeve, which is critical for breakdown, is not equally loaded (dashed circles).
  • 7 schematically shows a further equipotential curve that can be set in a cable sleeve.
  • 7 illustrates in this context Field distribution when using a possible embodiment of the solution proposed here with fibers which are arranged with a predetermined orientation in the matrix material.
  • comparatively coarse, cylindrical structures are used for resistive field control.
  • 7 thus illustrates an equipotential curve of the voltage with (additional, ie in addition to the geometric field control provided) directional field control with aligned fibers (for example formed by multi-layer fiber braids).
  • aligned fibers for example formed by multi-layer fiber braids.
  • FIG. 8 schematically shows an equipotential curve that can be set in the cable sleeve according to FIG. 4.
  • FIG. 8 illustrates a field distribution that can arise when using an exemplary embodiment of the solution presented here.
  • the field distribution according to FIG. 8 could be achieved by using microscopic (only in the upper material or sleeve body) (quasi) homogeneously distributed fibers for resistive field control. 8 thus illustrates an equipotential curve with (quasi) homogeneous, directed field control in the sleeve.
  • fibers with an electrical conductivity 10 times higher than the insulation material of the sleeve were used for (directional or direction-dependent) field control.
  • FIG. 9 schematically shows an electrical field distribution that can be set in the cable sleeve according to FIG. 4. Fibers are used in Fig. 8. 9 thus illustrates a field distribution with (quasi) homogeneous, directional Field control (in the upper material or sleeve body).
  • FIG. 9 illustrates in particular that when an exemplary embodiment of the solution presented here is used, the location of the highest electrical field load can be clearly shifted.
  • FIG. 10 schematically shows an exemplary sequence of a method proposed here.
  • the method is used to manufacture a material for controlling an electrical field.
  • the sequence of process steps a), b) and c) shown with blocks 110, 120 and 130 generally results from a regular operating sequence.
  • a matrix material is provided in block 110.
  • textile fibers are provided in block 120.
  • block 130 at least a portion of the fibers are arranged with a predetermined orientation in the matrix material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff (1) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, aufweisend ein Matrixmaterial (2) und textile Fasern (3), die in dem Matrixmaterial (2) gehalten sind, wobei zumindest ein Teil der Fasern (3) mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial (2) angeordnet ist.

Description

Werkstoff zur richtungsabhängigen Steuerung
eines elektrischen Feldes
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Verfahren zur Herstellung ei- nes Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes sowie eine Verwendung von textilen Fasern. Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, zur Feldsteue- rung in der Hochspannungstechnik zur Anwendung zu kommen.
Die Verbesserung elektrischer Feldverteilungen bei Einrichtungen zur elektrischen Energieversorgung mit Hilfe gezielter Feldsteuermaßnahmen stellt ein wichtiges Aufgabengebiet der Hochspannungstechnik dar. Solche Feldsteuermaßnahmen kommen beispielsweise bei Kabelgarnituren, Durchführungen, Transformatoren, rotierenden elektrischen Maschinen, Isolatoren oder Überspannungsableitern zum Einsatz. Feldsteuermaßnahmen tragen in diesem Zusammenhang zur Bereitstel- lung zuverlässiger und wirtschaftlicher Betriebsmittel bei. Der Begriff „Feldsteue- rung“ umfasst insbesondere alle Maßnahmen, die dazu dienen, lokale elektrische Feldstärken so weit zu senken, dass die elektrischen Festigkeiten der Isoliermate- rialien und der Grenzflächen nirgendwo überschritten werden. Prinzipiell kann man feldsteuernde Maßnahmen im Volumen eines Isolierstoffs sowie entlang von Grenzflächen unterscheiden. Im engeren Sinne versteht man unter Feldsteuerung insbesondere Maßnahmen zur Beeinflussung elektrischer Feldstärken entlang von Grenzflächen, die oft besondere Schwachstellen in einem Isoliersystem darstellen.
Die Steuerung der elektrischen Belastung von Isolationssystemen, insbesondere an Grenzflächen stellt somit eine wesentliche Herausforderung für das Design von langlebigen und zuverlässigen (Hochspannungs-) Komponenten dar, in denen hohe Spannungen oder elektrischen Feldstärken auftreten können. Dies schließt nicht nur Anlagen der Energieversorgung ein (wie z. B. Durchführungen von T rans- formatoren, Verbindungselemente von Kabelsystemen, Durchführungen von ge- kapselten Schaltanlagen, usw.), sondern auch Anlagen der Medizintechnik (z. B. Computertomographen) und/oder Kabelsysteme für die Elektromobilität. Die elekt- rische Feldsteuerung ist hierbei notwendig, um die Belastung der elektrisch nicht- leitenden Isolierstoffe möglichst gleichmäßig zu Verteilen und die Isolation nicht lokal zu überlasten.
Bei Wechselspannung ergeben sich die Feldverhältnisse in der Regel als kapazi- tives Verschiebungsfeld, welches maßgeblich von den Permittivitäten bzw. Die- lektrizitätszahlen der Materialien bestimmt wird. Demgegenüber ergibt sich bei Gleichspannung in der Regel ein resistives bzw. konduktives Strömungsfeld, für welches die Leitfähigkeiten verantwortlich sind. Im Falle von Mischfeldern und/oder transienten Belastungen kann es darüber hinaus zu komplexeren Feldverhältnis- sen kommen. Jedenfalls ist eine möglichst exakte Kenntnis der elektrischen und dielektrischen Materialeigenschaften von Vorteil. Wenn Grenzflächen von einem elektrischen Feld normal bzw. orthogonal, d.h. senkrecht zur Grenzfläche, belastet werden, kann eine vereinfachte Betrachtung erfolgen, die sich auf die Belastungen der aneinandergrenzenden Isolierwerkstoffe beschränkt. Wenn jedoch auch tan- gentiale Belastungen, d.h. Belastungen parallel zur Grenzfläche, auftreten, wirkt sich die in der Regel geringere elektrische Festigkeit entlang der Grenzfläche nachteilig aus. In diesem Zusammenhang kann häufig festgestellt werden, dass die Grenzfläche eine geringere elektrische Festigkeit aufweist, als es auf Basis der Eigenschaften der aneinander angrenzenden Medien zu erwarten wäre. Ferner wurde häufig festgestellt, dass die Struktur eines typischen Isolierstoffaufbaus eine sehr frühzeitige Zündung von Entladungen und die Ausbreitung stromstarker, weit- reichender und erodierender Gleitentladungen begünstigt. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten„Gleitanordnung“.
Ein typisches Beispiel für eine solche Gleitanordnung ist das Ende eines Kabels, wie es in Fig. 1 a veranschaulicht ist, bei dem die den Hochspannungsleiter 6 um- gebende Kabelisolierung 7 freigelegt ist und auf der die geerdete äußere Leit schicht (Kabelmantel 8) scharfkantig endet. Ohne feldsteuernde Maßnahmen er- geben sich extrem hohe lokale Feldstärken. Die entsprechenden Feldlinien 5 (Äquipotentiallinien) sind in Fig 1 a angedeutet. Zur Vermeidung oder Entschärfung von Gleitanordnungen stehen verschiedene Feldsteuermethoden zur Verfügung:
In Fig. 1 b ist beispielhaft und schematisch eine geometrische Feldsteue- rung durch die geometrische Gestaltung von Elektrodenkonturen veran- schaulicht. Für die geometrische Feldsteuerung wird hier ein ggf. mit dem Erdpotential des Kabelmantels gebildeter und in einem Steuerkonus 9 an- geordneter Deflektor 19 genutzt.
In Fig. 1 c ist beispielhaft und schematisch eine kapazitive Feldsteuerung durch leitfähige Steuerbeläge 10 mit kapazitiv bestimmter Spannungsauf- teilung bei Wechsel- bzw. Stoßspannung veranschaulicht.
In Fig. 1d ist beispielhaft und schematisch eine refraktive Feldsteuerung durch hoch permittives Material 11 , insbesondere hochpermittive Isolier- stoffe mit dielektrisch (bzw. kapazitiv) verzerrter Feldverteilung bei Wech- sel- und Stoßspannung veranschaulicht.
In Fig. 1e ist beispielhaft und schematisch eine resistive Feldsteuerung durch halbleitendes Material 12, beispielsweise gebildet mit restleitfähigen Steuerbelägen oder halbleitenden Leitschichtaufträgen, mit resistiv be- stimmter Spannungsaufteilung veranschaulicht.
In Fig. 1 f ist beispielhaft und schematisch eine nichtlineare resistive Feld- steuerung durch Materialien, die sich in Bereichen mit hoher Feldstärke durch Leitfähigkeitszunahme selbst entlasten, veranschaulicht. Hierzu wird nichtlineares Material 13 verwendet, das bei niedrigen Feldstärken isolie rende Eigenschaften aufweist und bei höheren Feldstärken in einen we sentlich besser leitfähigen Zustand übergeht. Bei diesen fünf technischen Ansätzen zur elektrischen Feldsteuerung (geomet- risch, kapazitiv, refraktiv, resistiv, nicht-linear) beruhen die letzten drei auf den Ei- genschaften der verwendeten Isoliermaterialien. Die Materialeigenschaften kön- nen durch das Einbringen von pulverförmigen Füllstoffen angepasst und aufgrund der fehlenden Ordnung der Füllstoffe gleichmäßig in alle Richtungen modifiziert werden. Keiner dieser drei Ansätze, bzw. keine der damit verbunden Technolo- gien, erlaubt bisher, dass die Materialeigenschaften richtungsabhängig eingestellt werden können.
Die genannten Füllstoffe werden in der Regel in Form von Pulvern in eine unver- netzte Polymermatrix eingeknetet und danach gegossen oder gespritzt. Durch die resultierende ungeordnete Struktur von den meist kugel- oder fladenförmigen Füll stoffen wird die elektrische Leitfähigkeit unabhängig von der Richtung des Strom- flusses gleichmäßig beeinflusst. Unterschiede entstehen lediglich durch Konzent- rationsunterschiede der Füllstoffe oder bei der teilweisen An- und Abwesenheit von sog.„Füllstoffbrücken“, bei denen Füllstoffpartikel in einer langen Kette angeordnet sind und sich gegenseitig berühren. Jedoch lässt sich dieser Effekt bislang nicht gezielt richtungsabhängig einstellen, vielmehr ergeben sich diese Füllstoffbrücken eher zufällig, was für eine gezielte Beeinflussung des elektrischen Feldes sogar nachteilig sein kann.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Ins- besondere sollen ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bau- teil zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes sowie eine Verwendung von textilen Fasern angegeben werden, die jeweils zumindest dazu beitragen eine rich tungsabhängige Feldsteuerung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen auch eine möglichst einfache und kostenschonende Herstellung und/oder eine freie Gestalt- barkeit von Bauteilformen möglich sein. Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentan- sprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher prä- zisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dar- gestellt werden.
Hierzu trägt ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes bei, aufweisend ein Matrixmaterial und textile Fasern, die in dem Matrixmaterial gehalten sind, wo bei zumindest ein Teil der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung gegenüber einer oder mehrerer Querrichtungen (be- zogen auf die Faserrichtung) erhöht werden.
Die hier vorgeschlagene Lösung trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, eine elektri sche Feldsteuerung für beispielsweise Gleichspannungsanwendungen anzuge- ben, bei der die Verteilung des elektrischen Feldes, mittels eines insbesondere homogenen Einbringens von (dünnen) vorzugsweise elektrisch leitfähigen textilen Fasen in ein Matrixmaterial bzw. einen Isolierstoff, richtungsabhängig beeinfluss- bar ist bzw. beeinflusst wird. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die hier vorgestellte Lösung (erstmals) eine richtungsabhängige Feldsteue- rung erlaubt. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch das Einbringen von Textilfasern mit vorzugsweise abgestimmten bzw. eingestellten elektrischen Eigenschaften (wie etwa einer vorgegebenen elektrischen Leitfähigkeit) in ein Mat- rixmaterial, insbesondere einen umgebenden Isolierstoff (mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit), dessen Materialeigenschaften in Faserrichtung verän- dert werden können. Für eine elektrische Feldsteuerung kann vor allem die elekt- rische Leitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials bzw. Werkstoffs beein- flusst werden. Mithilfe der ausgerichteten Textilfasern ist es besonders vorteilhaft möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaf- ten (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht in vor- teilhafter Weise das Design und die Konstruktion von völlig neuen Bauteilformen, die bisher nicht realisiert werden konnten.
Bei dem Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes handelt es sich insbe- sondere um einen Werkstoff zur Feldsteuerung bzw. um eine Feldsteuerwerkstoff (bzw. ein Feldsteuermaterial). Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Werkstoff derart eingerichtet ist, dass er den Verlauf von Äquipotentialli- nien bzw. Feldlinien eines elektrischen Feldes zumindest beeinflussen oder steu- ern, insbesondere glätten, und/oder deren Steigung, bzw. maximale Dichte redu- zieren kann. Letzteres bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Ma- ximum der elektrischen Feldstärke verringert werden kann. In diesem Zusammen- hang resultiert eine geringere Dichte insbesondere aus einem größeren Abstand der entsprechenden Feld-, bzw. Äquipotentiallinien und zeigt eine geringere Feld- stärke an.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich die Feldlinien in Fadenrichtung (Ver- lauf der textilen Faser) leiten lassen. Insbesondere lässt sich die elektrische Leit- fähigkeit in Faserrichtung gegenüber einer oder mehrerer Querrichtungen (bezo- gen auf die Faserrichtung) erhöhen. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, um die Feldlinien zu beeinflussen, um eine richtungsabhängige Feldsteuerung zu ermög- lichen. Insbesondere kann dieser Effekt darüber hinaus auch von einem tempera- tur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix abhängen. Jedoch kann die Richtungsabhängigkeit der hier vorgestellten Feldsteuerung mit den ausgerichte- ten Fasern grundsätzlich auch unabhängig von dem temperatur- und/oder mög- licherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fa- sern und der umgebenden Matrix beobachtet bzw. auch ohne besondere Berück- sichtigung des temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Ver- hältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix er- reicht werden. Das Matrixmaterial ist insbesondere ein elektrisch isolierendes (Matrix-) Material. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Matrixmaterial elektrisch isolierende Materialeigenschaften aufweist. Bevorzugt weist das Matrix- material eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 10 S/m [Siemens pro Meter], vorzugsweise kleiner oder gleich 10 13 S/m oder sogar kleiner oder gleich 10 16 S/m auf. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 16 S/m.
Vorzugsweise ist das Matrixmaterial zumindest teilweise mit einem elektrischen Isolierstoff gebildet. Als Isolierstoff kommt mindestens eins der folgenden Materia- lien oder eine Kombination hiervon in Betracht: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM/EPR), Silikonkautschuk, Silikonharz, Epoxidharz, ungesättigte Polyester- harze, glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), vernetztes Polyethylen (VPE), Keramik, Glas, getränkte Isolierbänder (Fiberglas, Papier, Glimmer, Aramid), Polyamide (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die (Textil-)Fasern sind in der Regel länglich. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Längserstreckung der Faser um ein Vielfaches größer ist als ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser. Die Ausrichtung einer Faser betrifft hier ins- besondere die Richtung von einem Faserende zu dem anderen Faserende der (länglichen) Faser. Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um textile (schmelzgesponnene) Filamente mit endlicher Länge. Vorzugsweise haben die Fasern eine (vorbestimmte) minimale Länge von 10 mm, vorzugsweise 15 mm, besonders bevorzugt, 20 mm oder sogar 30 mm [Millimeter] Die hier angegebe- nen minimalen Längen können in vorteilhafterWeise dazu beitragen, dass sich die Fasern in einem Bauteil von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewandten) (Stirn-)Seite des Bauteils erstrecken können. Wei- terhin bevorzugt ist es, wenn eine maximale Länge der Fasern einer (maximalen) Bauteillänge entspricht. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um (verglichen mit dem Matrixmaterial) elektrisch leitfähige Fasern. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern elektrisch leitende Materialeigenschaften aufweisen, insbesondere bessere elektrisch leitende Materialeigenschaften aufweisen als die Matrix. Bevor- zugt weisen die Fasern eine (ggf. temperatur- und/oder feldstärkeabhängige) elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 9 S/m [Siemens pro Meter], be- sonders bevorzugt kleiner oder gleich 10 12 S/m oder sogar kleiner oder gleich 10 15 S/m auf. Zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Textilfasen können in diese z. B. (linear oder nichtlinear) leitfähige Partikel integriert sein.
Bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 9 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 1° S/m aufweist. Weiterhin bevorzugt weisen die Fasern eine elekt- rische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 12 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 13 S/m aufweist. Besonders bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 15 S/m auf, wenn das Matrixmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 16 S/m aufweist. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Unterschied in den Leitfähigkeiten vorzugsweise ein bis zwei Größenord- nungen betragen soll.
Für eine Feldsteuerung sind elektrisch leitfähige (schmelzgesponnene) Fasern be- sonders vorteilhaft, die eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10 9 S/m [zehn hoch minus neun Siemens pro Meter] aufweisen. Entsprechende elekt- rische Leitfähigkeiten in (schmelzgesponnen) Fasern können beispielsweise durch ein Einbringen von nanoskaligen Karbonnanopartikeln (und/oder Mikrovaristoren) in einen Thermoplast, der als Faden ausgesponnen und dann weiterverarbeitet wird, erreicht werden. Die Fadendicke beträgt in diesem Zusammenhang vorzugs- weise 0,5 mm bis 1 mm [Millimeter] Durch solche Filamente lassen sich die Feld- linien in Fadenrichtung besonders vorteilhaft leiten. Die Weiterverarbeitung der Filamente bzw. Fäden umfasst insbesondere ein Schneiden zu Fasern (bestimm- ter Länge). Dabei ändert sich die Fadendicke (dann Faserdicke) in der Regel nicht. Die Fasern sind in dem Matrixmaterial gehalten. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Anordnung und Ausrichtung der Fasern mittels des Mat- rixmaterials fixierbar bzw. fixiert ist. Darüber hinaus sind die Fasern mit dem Mat- rixmaterial in der Regel (chemisch oder physisch) fest verbunden.
Die Kontaktierung der Fasern kann mithilfe einer elektrisch ausreichend leitfähigen Polymerschicht (z.B. einem halbleitenden Schirm), bzw. einem elektrisch leitfähi- gen Kleber, erfolgen. Die elektrische Leitfähigkeit der Anbindung bzw. Kontaktie- rung beträgt insbesondere mindestens 0,001 S/m [Siemens/Meter], bevorzugt grö- ßer als 0,1 S/m, oder sogar größer als 10,0 S/m. Diese Polymerschicht bzw. der Kleber kann einen elektrisch leitfähigen Kontakt entweder zu dem Hochspan- nungspotential, dem Erdpotential oder einem definierten Zwischenpotential auf- weisen, sodass zumindest ein Ende der Fasern mit einer Abweichung von weniger als 10% auf diesem elektrischen Potential liegt.
Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ist problemlos und kann z. B. in Anleh- nung an DIN EN 60093 erfolgen. Es ist möglich, die Messung genau nach Norm auszuführen, indem aus dem Material der Fasern entsprechende Prüfplatten ge- presst und mit einer Schutzringanordnung vermessen werden. Es ist auch möglich, einzelne Fasern über eine Länge von 1 bis 20 cm in einer Prüfvorrichtung mit guter Kontaktierung (z.B. eingespannt) zu vermessen. Dabei kann eine Spannung von einigen 100 V bis 10 kV angelegt und der Strom gemessen werden. Aus dem Strom, der Spannung und Faserlänge und Faserdurchmesser kann der spezifische Widerstand berechnet werden.
Zumindest ein (An-)Teil der Fasern ist mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Bevorzugt sind mindestens 50% oder sogar alle der vorhandenen Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Alternativ oder kumulativ sind maximal 80% der vorhandenen Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet. Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung unterscheiden sich insbesondere von Fa sern, die lediglich als Füllstoff verwendet werden und daher ungerichtet sind. Je- doch kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Fasern mit einer vorbestimm- ten Ausrichtung auch (ungerichtete) Füllfasern und/oder andere Füllstoffe, wie etwa Pulver in dem Matrixmaterial gehalten bzw. enthalten sind.
Die Fasern können ein oder mehrere unelastische Materialien (mit weniger als 7 % Dehnung) und/oder ein oder mehrere elastische Materialien (mit einer maximalen Dehnung von mehr als 200 %) umfassen. Die Fasern können auch vollständig mit einem der Materialien bestehen. Die Dehnbarkeit der Fasern wird insbesondere durch die chemisch-physikalische Formulierung sowie den Spinnprozess (unter anderem Wickelgeschwindigkeit, Verstreckung, etc.) der Fasern eingestellt. Eine ausreichende Festigkeit zur Gewährleistung der Weiterverarbeitbarkeit wird durch den Herstellungsprozess realisiert.
Die Messung der Zugdehnungseigenschaften ist problemlos und kann z. B. in An- lehnung an DIN EN 13895 erfolgen. Es kann insbesondere eine Kraft-Dehnungs- Kurve ermittelt werden, die Aufschluss darüber gibt, bei welcher Kraft welche Deh- nung vorliegt.
Weiterhin bevorzugt sind die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werk- stoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers homogen einge- bracht, insbesondere homogen (äquidistant) angeordnet und/oder homogen (pa- rallel) ausgerichtet. Ein homogenes Einbringen der Fasern trägt in vorteilhafter Weise zu einer möglichst homogenen Verteilung des elektrischen Feldes bei. Dar- über hinaus kann das homogene Einbringen auch dazu beitragen, die Gefahr einer thermischen Überlastung der Fasern oder eine elektrische Überlastung der Matrix zumindest zu reduzieren.
Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern parallel zu einer Grenzfläche und/oder einer Außenoberfläche eines zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem Werkstoff gebildeten Körpers ausgerichtet. Da sich die Feldlinien insbesondere in Fadenrichtung leiten lassen, kann dies in vorteilhafter weise zu einer gleichmäßi- geren Verteilung der Feldlinien beitragen. Alternativ oder kumulativ schließt zumin- dest ein Teil der Fasern mit einer Grenzfläche und/oder einer Außenoberfläche eines zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem Werkstoff gebildeten Körpers einen Winkel größer als 0° [Null Grad] und kleiner gleich 90° ein. Insbe- sondere im letztgenannten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn zumindest einige Fasern bis an die Grenzfläche und/oder die Außenoberfläche reichen.
Vorzugweise ist zumindest ein Teil der Fasern in Abhängigkeit eines zu erwarten- den Feldlinienverlaufs bzw. Äquipotentiallinienverlaufs und/oder eines zu erwar- tenden Feldverteilung bzw. Potentialverteilung ausgerichtet. Beispielsweise ist es für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, wie etwa die eingangs beschriebene Gleitanordnung bekannt, welche Verläufe und/oder Verteilung (zumindest in idea- lisierter Form) zu erwarten sind. Alternativ oder kumulativ kann beispielsweise eine Simulation eines möglichen Anwendungsfalls des Werkstoffs dazu beitragen, die zu erwartenden Verläufe und/oder Verteilungen zu ermitteln.
Besonders bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern derart ausgerichtet, dass die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen modifiziert werden. Bei diesen Materialeigen- schaften handelt es sich insbesondere um die elektrische Leitfähigkeit und/oder die thermische Leitfähigkeit. Insbesondere um die für eine elektrische Feldsteue- rung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in einer Raumrichtung zu modifi- zieren, können vorteilhaft einzelne (ausgerichtete) Fasern verwendet werden, die ggf. parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere um die für eine elektri- sche Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in zwei Raumrich- tung zu modifizieren, kann beispielsweise ein (ausgerichtetes) Fasergeflecht ver- wendet werden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Fa- sergeflecht mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet ist. Das Fasergeflecht kann in vorteilhafter Weise zu einer zwei-dimensionalen Feldsteuerung beitragen. Vorzugsweise verläuft zumindest ein Teil der Fasern gerade. Alternativ oder ku- mulativ kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Fasern Kurvenverläufe und/oder Knicke beschreibt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Leitfähigkeit der Fasern, insbesondere mindestens um einen Faktor fünf (5) höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Bevorzugt ist die elektri sche Leitfähigkeit der Fasern mindestens zehnmal (10) so groß wie die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Besonders bevorzugt ist die elektrische Leitfä- higkeit der Fasern mindestens hundertmal (100) so groß wie die elektrische Leit fähigkeit des Matrixmaterials. Es konnte festgestellt werden, dass ein Einbringen von (endlichen) Fäden bzw. Fasen, die gegenüber dem umgebenden (Isolier-) Ma- terial eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die Verteilung des elektri- schen Feldes in vorteilhafter weise beeinflussen kann. Zur Steigerung der elektri- schen Leitfähigkeit der Fasen können beispielsweise entsprechende Partikel ins- besondere während eines Schmelzspinnprozesses darin eingebracht worden sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fasern Koh- lenstoffpartikel enthalten. Durch das Einbringen von Kohlenstoffpartikeln bzw. Kar- bonpartikeln in ein Faden-Grundmaterial (beispielsweise Thermoplast) kann (für Gleichspannungsanwendungen) in vorteilhafter Weise ein linear-ohmsches Ver- halten erreicht werden. In diesem Zusammenhang erzeugen die Kohlenstoffparti- kel insbesondere eine veränderte elektrische Grundleitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials (ohmsches Verhalten). Besonders bevorzugt ist, dass die Fa- sern nanoskalige Karbonnanopartikel enthalten.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fasern Mikrovaristoren enthalten. Bei den Mikrovaristoren handelt es sich insbesondere um Mikrovaristorpartikel. Hierzu können nichtlineare Materialien wie beispiels- weise Zinkoxid (ZnO), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Eisenoxid (FeO) insbeson- dere in Form von (Nano-)Partikeln in ein Faden-Grundmaterial (beispielsweise Thermoplast) eingebettet werden und darin die sog. Mikrovaristoren bilden. Die Mikrovaristoren erzeugen (insbesondere bei ausreichendem Füllgrad) insbeson- dere eine von der elektrischen Feldbelastung abhängige elektrische Leitfähigkeit (nicht-linear ohmsches Verhalten). Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das elektrische Feld gerade an Stellen höchster Feldstärke durch eine lokal erhöhte elektrische Leitfähigkeit verdrängt und abgesenkt werden kann. Das nicht-lineare Verhalten wird insbesondere durch Tunneleffekte an den Korn- grenzen der Partikel erzielt.
Somit können zum einen Fasern verwendet werden, die beispielsweise mit Koh- lenstoffpartikeln ein linear-ohmsches Verhalten zeigen und zum anderen Fasern gefüllt mit Mikrovaristoren, die ein nicht-linear ohmsches Verhalten zeigen. Die bis- lang existierenden fünf Möglichkeiten zur elektrischen Feldsteuerung werden durch die Verwendung von linear resistiv steuernden oder nicht-linear resistiv steu- ernden Fasern damit in vorteilhafter Weise um zwei weitere Optionen ergänzt. Hierdurch ergeben sich beispielsweise Anwendungspotentiale in den zunehmend eingesetzten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) und an- deren Gleichstromapplikationen beispielsweise in der Medizintechnik oder der Elektromobilität.
Vorzugsweise bilden die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers einen vorbestimmten (Min- dest-)Anteil am Gesamtvolumen des Teilbereichs des Werkstoffs. Der vorbe- stimmte (Mindest- )Anteil kann in vorteilhafterWeise dazu beitragen, die elektrische Leitfähigkeit des Kompositmaterials einzustellen. Ist die Leitfähigkeit des Kompo- sitmaterials beispielsweise zu hoch, erwärmt sich das Material zu stark und kann thermisch zerstört werden. Beispielsweise kann der (Mindest- )Anteil derart vorbe- stimmt sein, dass die Feldsteuerung in gewünschtem Maße erreicht und/oder eine lokal unzulässige Erwärmung möglichst vermieden wird.
Darüber hinaus sollte vorzugsweise berücksichtigt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit im Bereich der sogenannten Perkolationsschwelle stark zunimmt. Dies betrifft insbesondere ggf. vorhandene Füllstoffe, wie etwa Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristoren, in den Fasern. Der (Gewichts-)Anteil an Füllstoffen in den Fasern wird hier auch als Füllgrad bezeichnet. Vorzugsweise weisen die Fa- sern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werk- stoffs hergestellten Körpers einen vorbestimmten Füllgrad auf. Wenn eine ge- wünschte elektrische Leitfähigkeit mit Füllstoffen einstellbar sein soll, ist es beson- ders vorteilhaft, dass die Füllstoffe in den Fasern die Perkolationsschwelle beach- ten, damit die gewünschte elektrische Leitfähigkeit besonders vorteilhaft eingestellt werden kann. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn der Füllgrad möglichst exakt eingestellt wird. Hier ist ein Füllgrad im Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% beson- ders bevorzugt.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Fel- des vorgeschlagen, wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einem hier vorge- schlagenen Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet ist.
Bei dem Bauteil kann es sich um einen Körper handeln, der zumindest teilweise oder sogar vollständig mit dem hier vorgeschlagenen Werkstoff gebildet ist. Das Bauteil kann selbst formstabil sein. Beispielsweise kann das Bauteil die Form einer Manschette aufweisen.
Bei dem Bauteil kann es sich weiterhin um eines der folgenden Bauteile handeln: Hochspannungsdurchführung, Hochspannungsisolator, Kabelendverschluss, Ka- bel muffe.
Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil für einen elektrischen Hochspannungsapparat, wie etwa einen Transformator, ein Hochspannungskabel, ein Leiterseil, eine (gasisolierte) Schaltanlage (Trenner, Leistungsschalter, Strom- wandler, Spannungswandler) oder einen Leistungskondensator. Darüber hinaus kann es sich bei dem Bauteil um ein solches für einen Medizintechnikapparat oder für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (Automobil) handeln. Vorzugsweise sind in dem Bauteil mehrere Zonen mit voneinander verschiedenen Faserausrichtungen gebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern in einer ersten Zone des Bauteils eine andere (vorbestimmte) Ausrichtung aufweisen als die Fasern in einer zweiten Zone des Bauteils. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass in verschiedenen Zonen des Bauteils unterschiedlichen Materialeigenschaften für die Feldsteuerung eingestellt werden können. Die Zonen können (direkt oder beabstandet) nebeneinander (und bevorzugt nicht übereinander) angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ kann das Bauteil auch mit mindestens einer Zone mit (ausgerichteten) Fasern und mindes- tens einer Zone ohne (ausgerichtete) Fasern (Zone mit normaler Isolation) gebildet sein.
Bevorzugt sind die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Bauteils homogen eingebracht, insbesondere homogen (äquidistant) angeordnet und/oder homogen (parallel) ausgerichtet. Weiterhin bevorzugt ist zumindest ein Teil der Fasern pa- rallel zu einer Grenzfläche und/oder einer (Außen-)Oberfläche des Bauteils aus- gerichtet. Alternativ oder kumulativ schließt zumindest ein Teil der Fasern mit einer Grenzfläche und/oder einer (Außen-)Oberfläche des Bauteils einen Winkel größer als 0° [Null Grad] und kleiner gleich 90° ein. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn zumindest einige Fasern bis an die Grenzfläche und/oder die (Außen-)Oberfläche reichen.
Weiterhin bevorzugt erstreckt sich zumindest ein Teil der (ausgerichteten) Fasern in dem Bauteil von einem Stirnseitenbereich des Bauteils zu einem diesem gegen- überliegenden (und von diesem abgewandten) (Stirn-)Seitenbereich des Bauteils. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Fasern in diesem Zusammenhang von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewand- ten) (Stirn-)Seite des Bauteils. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Fasern von einer (Stirn-)Seite zu einer dieser gegenüberliegenden (und von dieser abgewandten) (Stirn-)Seite des Bauteils jeweils durchgehend sind. Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes vorgeschlagen, aufweisend zumindest folgende Schritte:
a) Bereitstellen eines Matrixmaterials,
b) Bereitstellen textiler Fasern,
c) Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Aus- richtung in dem Matrixmaterial.
Die angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) ergibt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf. Verfahrensschritte a), b) und c) können jedoch auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt wer- den. Das Verfahren dient insbesondere zur Herstellung eines hier vorgeschlage- nen Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes.
In Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmaterials. Bevorzugt wird als Mat- rixmaterial ein elektrisch isolierendes Material bzw. ein Isolierstoff bereitgestellt. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Matrixmaterial elektrisch isolierende Materialeigenschaften aufweist. Das Matrixmaterial kann in Schritt a) beispielsweise in eine Form gefüllt, insbesondere gegossen und/oder gespritzt werden.
In Schritt b) erfolgt ein Bereitstellen textiler Fasern. Bevorzugt werden die Fasern mittels eines Schmelzspinnprozesses bereitgestellt. In diesem Zusammenhang kann zunächst ein Aufschmelzen einer Polymermasse, insbesondere eines Ther- moplasten erfolgen. Danach können darin Partikel zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit, wie etwa Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristoren eingebracht werden. Anschließend kann die Polymermasse zu Endlos-Fäden bzw. (endlosen) Filamenten extrudiert werden. Nach einem Abkühlen der Filamente können diese zu Fasern (vorbestimmter Länge) geschnitten werden. Darüber hinaus können die Fasern grundsätzlich auch mit einem anderen Spinnprozess, wie etwa einem Nassspinnprozess bereitgestellt werden. Alternativ oder kumulativ können in Schritt b) auch beschichtete textile Fasern bereitgestellt werden. In Schritt c) erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vor- bestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial. Hierzu können die Fasern mit einer vorstimmten Ausrichtung auf eine Schicht des Matrixmaterials und/oder einen Bo- den (beispielswies einer Form) gelegt werden und anschließend mit einer (weite- ren) Schicht des Matrixmaterials bedeckt werden. Dieser Vorgang kann sich meh- rere Male wiederholen. Alternativ oder kumulativ kann zumindest ein Teil der Fa- sern mit der vorbestimmten Ausrichtung zwei- oder dreidimensional aufgespannt und dann mit dem Matrixmaterial vergossen werden. In diesem Zusammenhang können die Fasern beispielsweise durch eine Fixierung (z. B. äußere Halterung, textile Struktur) in zwei oder drei Dimensionen drapiert (aufgespannt) und dann mit dem Matrixmaterial umgossen werden. Alternativ oder kumulativ kann zumindest ein Teil der Fasern jeweils (eindimensional) in die Matrix gestochen werden. Wei- terhin können in Schritt c) einzelne Fasern oder ein Fasergeflecht angeordnet wer- den.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b) Koh- lenstoffpartikel in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Fa- den ausgesponnen wird. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbe- sondere um eine Thermoplastschmelze. Bei den Kohlenstoffpartikeln handelt es sich insbesondere um nanoskalige Karbonnanopartikel.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b) Mikrovaristoren in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Fa- den ausgesponnen wird. Bevorzugt werden Mikrovaristorpartikel in die Polymer- schmelze eingebracht. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbeson- dere um eine Thermoplastschmelze.
Grundsätzlich können in Schritt b) (beliebige) elektrisch leitfähige Partikel, die ins- besondere eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als das Matrixmaterial, in eine Polymerschmelze eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich bei den elektrisch leitfähigen Partikeln um metallische Partikel handeln. Besonders bevor- zugt handelt es sich bei diesen elektrisch leitfähigen Partikeln um (nanoskalige) Kohlenstoffpartikel und/oder Mikrovaristorpartikel.
Alternativ oder kumulativ zu der Verwendung elektrisch leitfähiger Partikel können zum Bereitstellen der textilen Fasern vorzugsweise intrinsisch leitende Polymere verwendet werden. Als intrinsisch leitendes Polymer kommt mindestens eins der folgenden Materialien oder eine Kombination hiervon in Betracht: Chlorfluorethy- len, Chloropropylen, Chlorosulfon, Polyamid, Polychloropren, Polyethylen, PE- Terephtalat, Polyfluor-Vinyliden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften des Werk- stoffs richtungsabhängig eingestellt werden. Insbesondere in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (durch die Aus- richtung Fasern) in ein oder zwei Raumrichtungen modifiziert. Vorzugsweise wird eine (lokale) elektrische Leitfähigkeit des entstehenden Komposits (aus Matrixma- terial und Fasern) in mindestens einer Raumrichtung modifiziert bzw. beeinflusst. In diesem Zusammenhang werden insbesondere die Feldlinien in Fadenrichtung geleitet bzw. (ab-)gelenkt.
Vorzugweise wird in Schritt c) zumindest ein Teil der Fasern in Abhängigkeit eines zu erwartenden Feldlinienverlaufs bzw. Äquipotentiallinienverlaufs und/oder eines zu erwartenden Feldverteilung bzw. Potentialverteilung ausgerichtet. Die zu erwar- tenden Verläufe können (zuvor) beispielswiese (einmalig bzw. für eine Vielzahl von Herstellungsvorgängen) durch Messungen an einem Prototyp und/oder durch eine oder mehrere Simulationen ermittelt werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung von textilen Fasern vorge- schlagen, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in einem Matrixmaterial ange- ordnet sind, zum Steuern eines elektrischen Feldes. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, kompaktere und leichtere Bauweisen zu ermöglichen, als diese bis dato mit herkömmlichen Feldsteuermaterialien möglich waren. Das Steu- ern des elektrischen Feldes erfolgt vorzugsweise in Faserrichtung, insbesondere durch ein Leiten und/oder (Ab-)Lenken von Feldlinien in Faserrichtung (bzw. Fa- denrichtung).
Vorzugsweise werden die textilen Fasern zur richtungsabhängigen Feldsteuerung verwendet. Besonders bevorzugt werden die textilen Fasern zur richtungsabhän- gigen Feldsteuerung in einem Hochspannungsbauteil, insbesondere Hochspan- nungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen-(HGÜ-)Bauteil, einer Medizintechnik- komponente und/oder einem elektrisch antriebbaren Fahrzeug, wie etwa einem elektrisch antriebbaren Automobil verwendet.
Das Anwendungsgebiet der hier vorgestellten Lösung beschränkt sich insbeson- dere nicht nur auf den Bereich der Energietechnik, sondern umfasst vielmehr alle Bereiche, in denen Gleichspannung mit höheren Spannungen oder Feldstärken eingesetzt werden. Mögliche weitere Anwendungsfelder sind beispielsweise die Medizintechnik und/oder die Elektromobilität. Im Bereich der Energietechnik ist die hier vorgestellten Lösung insbesondere bei HGÜ-Kabeln vorteilhaft.
Die im Zusammenhang mit dem Werkstoff erörterten Details, Merkmale und vor- teilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil, dem Verfahren und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Inso- weit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merk- male vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbeson- dere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestand- teilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Be- schreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch: Fig. 1 a-f: aus dem Stand der Technik bekannte Ansätze zur Feldsteuerung,
Fig. 2: eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Bau teils in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3: eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlagenen Werk- stoffs, Fig. 4: eine Kabelmuffe, in einer teilweise geschnittenen Darstellung,
Fig. 5: eine Detailansicht der Kabelmuffe aus Fig. 4, Fig. 6: einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann,
Fig. 7: einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann, Fig. 8: einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe gemäß Fig. 4 einstellen kann,
Fig. 9: eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß
Fig. 4 einstellen kann, und
Fig. 10: einen beispielshaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfah- rens.
Figuren 1 a bis 1f zeigen schematisch aus dem Stand der Technik bekannte Feld- Steuerungen. Zur näheren Erläuterung wird auch den einleitenden Teil der Be- schreibung verwiesen. Fig. 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschla- genen Bauteils 4 in einer Schnittdarstellung. Das Bauteil 4 ist zur Steuerung eines elektrischen Feldes eingerichtet. Hierzu ist das Bauteil 4 mit einem hier vorge- schlagenen Werkstoff 1 zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet. Der Werkstoff 1 weist ein Matrixmaterial 2 und textile Fasern 3 auf, die in dem Matrix- material 2 gehalten sind, wobei die Fasern 3 mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial 2 angeordnet ist. Das Bauteil 4 ist hier beispielhaft in der Form einer (rotationssymmetrischen) Manschette gebildet. Die (länglichen) Fasern 3 sind weiterhin beispielhaft parallel zu der Mittel- bzw. Symmetrieachse der Man- schette ausgerichtet.
Fig. 3 zeigt schematisch eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlage- nen Werkstoffs 1. Fig. 3 veranschaulicht eine Äquipotentialverteilung einer Gleit- anordnung. Das elektrische Feld ist hier mittels drei Äquipotentialverläufen (bei 25%, 50% und 75%) angedeutet.
Vergleicht man die Äquipotentialverläufe gemäß Fig. 3 mit denen aus Fig. 1 a, so ist zu erkennen, dass der Werkstoff 1 eine Steuerung des elektrischen Feldes er- möglicht, hier beispielhaft eine richtungsabhängige Feldsteuerung in horizontaler Richtung. Hierzu weist der Werkstoff 1 beispielhaft einen Isolierstoff als Matrixma- terial 2 und elektrisch leitende textile Fasern 3 auf, die in dem Matrixmaterial 2 gehalten sind. Dies stellt ein Beispiel dafür dar, dass die elektrische Leitfähigkeit der Fasern 3 vorzugsweise höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixma- terials 2. Die Äquipotentiallinien stehen auf den Fasern aufgrund der höheren Leit fähigkeit steil bis senkrecht und folgen dem Verlauf der Fasern dann ein Stück die Fasern 3 entlang, ehe sie wieder austreten. Daher entsteht in der Regel ein„trep- penartiger“ Verlauf der Äquipotentiallinien.
Dabei sind die Fasern 3 mit einer vorbestimmten Ausrichtung, nämlich hier bei- spielhaft horizontal (und durchgehend), in dem Matrixmaterial 2 angeordnet. Mit- hilfe der Textilfasern ist es hier beispielsweise möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raum- richtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht das Design und die Konstruktion von völlig neuen Bauteilformen, die bisher nicht realisiert werden konnten.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Kabelmuffe 14, in einer teilweise geschnittenen Dar- stellung. Die Kabelmuffe 14 verbindet zwei Hochspannungskabel 15 miteinander. Die Kabelmuffe 14 umfasst eine Leiterverbindung 16, eine Schirmelektrode 17, einen Isolierkörper 18, zwei Deflektoren 19, einen äußeren, mechanischen Schutz 20, eine Feuchtigkeitssperre 21 und Füllmaterial 22 auf. Der Isolierkörper 18 ist beispielhaft teilweise mit einem hier vorgestellten Werkstoff 1 zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet, was im Zusammenhang mit der Fig. 5 näher veran- schaulicht ist. Somit stellt der Isolierkörper 18 auch eine beispielhafte Ausfüh- rungsform eines hier vorgeschlagenen Bauteils 4 dar.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Detailansicht der Kabelmuffe aus Fig. 4. Die De- tailansicht ist in Fig. 4 mit der römischen Ziffer 5 gekennzeichnet und mit einem gestrichelten Rahmen markiert. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf vorangehenden Ausführungen (insbesondere zur Fig. 4) vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann. Fig. 6 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine verein- fachte elektrische Feldverteilung in einer HGÜ-Kabelmuffe (HGÜ steht für Hoch- spannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen) für den Fall, wenn lediglich eine geometrische Feldsteuerung angewendet wird. Somit veranschaulicht Fig. 6 einen Äquipotentialverlauf der Spannung ohne zusätzliche Feldsteuerung (keine Fa- sern). Es zeigt sich dabei, dass die für einen Durchschlag kritische Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe nicht gleichmäßig belastet wird (gestrichelte Kreise).
Fig. 7 zeigt schematisch einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Ka- belmuffe einstellen kann. Fig. 7 veranschaulicht in diesem Zusammenhang die Feldverteilung bei der Verwendung einer möglichen Ausführungsform der hier vor- geschlagenen Lösung mit Fasern, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet sind. Beispielsweise kommen in diesem Zusammen- hang vergleichsweise grobe, zylindrische Strukturen zur resistiven Feldsteuerung zum Einsatz. Somit veranschaulicht Fig. 7 einen Äquipotentialverlauf der Span- nung mit (zusätzlicher, d.h. zusätzlich zu der geometrischen Feldsteuerung vorge- sehener) gerichteter Feldsteuerung mit ausgerichteten Fasern (beispielsweise ge- bildet durch mehrlagige Fasergeflechte). Gegenüber Fig. 6 zeigt sich, dass für den Abbau des elektrischen Potentials die volle Länge der (für einen Durchschlag kri- tischen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe (gleichmäßig) ausgenutzt werden kann.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe ge- mäß Fig. 4 einstellen kann. Fig. 8 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine Feldverteilung, die sich bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung einstellen kann. Die Feldverteilung gemäß Fig. 8 konnte dabei erreicht werden durch eine Verwendung von mikroskopisch kleinen (nur im oberen Material bzw. Muffenkörper) (quasi-)homogen verteilten Fasern zur resisti- ven Feldsteuerung. Somit veranschaulicht Fig. 8 einen Äquipotentialverlauf bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung in der Muffe. Zur (gerichteten bzw. richtungsabhängigen) Feldsteuerung wurden hier beispielhaft Fasern mit einer ge- genüber dem Isolationsmaterial der Muffe 10-fach erhöhten elektrischen Leitfähig keit verwendet.
Gegenüber Fig. 6 zeigt sich, dass die volle Länge der (für einen Durchschlag kriti- schen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe ausgenutzt werden kann. Zudem kann der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich verschoben werden (vgl. auch Fig. 9, gestrichelter Kreis).
Fig. 9 zeigt schematisch eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß Fig. 4 einstellen kann. Dabei werden Fasern wir bei Fig. 8 verwendet. So- mit veranschaulicht Fig. 9 eine Feldverteilung bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung (im oberen Material bzw. Muffenkörper). Fig. 9 veranschaulicht ins- besondere, dass bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich ver- schoben werden kann.
Das Ergebnis weicht stark von den elektrischen Feldverteilungen ab, die üblicher- weise bei derartigen Geometrien Vorkommen und war eine starke Überraschung. Das Design von Hochspannungskomponenten wird durch die hier vorgestellte Lö- sung in vielen Fällen deutlich verändert werden können.
Fig. 10 zeigt schematisch einen beispielshaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) mit den Blöcken 110, 120 und 130 ergibt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf. In Block 1 10 erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmateri- als. In Block 120 erfolgt ein Bereitstellen textiler Fasern. In Block 130 erfolgt ein Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial.
Bezugszeichenliste
1 Werkstoff
2 Matrixmaterial
3 Fasern
4 Bauteil
5 Feldlinien
6 Hochspannungsleiter
7 Kabelisolierung
8 Kabelmantel
9 Steuerkonus
10 Steuerbeläge
1 1 permittives Material
12 halbleitendes Material
13 nichtlineares Material
14 Kabelmuffe
15 Hochspannungskabel
16 Leiterverbindung
17 Schirmelektrode
18 Isolierkörper
19 Deflektor
20 Schutz
21 Feuchtigkeitssperre
22 Füllmaterial

Claims

Ansprüche
1. Werkstoff (1 ) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, aufweisend ein Mat- rixmaterial (2) und textile Fasern (3), die in dem Matrixmaterial (2) gehalten sind, wobei zumindest ein Teil der Fasern (3) mit einer vorbestimmten Aus- richtung in dem Matrixmaterial (2) angeordnet ist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1 , wobei die elektrische Leitfähigkeit der Fasern (3) höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials (2).
3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (3) Kohlenstoffpartikel enthalten.
4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (3) Mikrovaristoren enthalten.
5. Bauteil (4) zur Steuerung eines elektrischen Feldes, wobei das Bauteil (4) zumindest teilweise mit einem Werkstoff (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs (1 ) zur Steuerung eines elektri- schen Feldes, aufweisend zumindest folgende Schritte:
a) Bereitstellen eines Matrixmaterials (2),
b) Bereitstellen textiler Fasern (3),
c) Anordnen zumindest eines Teils der Fasern (3) mit einer vorbestimm- ten Ausrichtung in dem Matrixmaterial (2).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt b) Kohlenstoffpartikel in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in Schritt b) Mikrovaristoren in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften des Werk- stoffs (1 ) richtungsabhängig eingestellt werden.
10. Verwendung von textilen Fasern (3), die mit einer vorbestimmten Ausrich- tung in einem Matrixmaterial (2) angeordnet sind, zum Steuern eines elektri- schen Feldes.
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