DE102018119476A1 - Werkstoff zur richtungsabhängigen Steuerung eines elektrischen Feldes - Google Patents

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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

  • Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes sowie eine Verwendung von textilen Fasern. Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, zur Feldsteuerung 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 Bereitstellung zuverlässiger und wirtschaftlicher Betriebsmittel bei. Der Begriff „Feldsteuerung“ umfasst insbesondere alle Maßnahmen, die dazu dienen, lokale elektrische Feldstärken so weit zu senken, dass die elektrischen Festigkeiten der Isoliermaterialien 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 Transformatoren, Verbindungselemente von Kabelsystemen, Durchführungen von gekapselten Schaltanlagen, usw.), sondern auch Anlagen der Medizintechnik (z. B. Computertomographen) und/oder Kabelsysteme für die Elektromobilität. Die elektrische Feldsteuerung ist hierbei notwendig, um die Belastung der elektrisch nichtleitenden Isolierstoffe möglichst gleichmäßig zu Verteilen und die Isolation nicht lokal zu überlasten.
  • Bei Wechselspannung ergeben sich die Feldverhältnisse in der Regel als kapazitives Verschiebungsfeld, welches maßgeblich von den Permittivitäten bzw. Dielektrizitätszahlen 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 Feldverhältnissen 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 tangentiale 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, weitreichender 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 1a veranschaulicht ist, bei dem die den Hochspannungsleiter 6 umgebende Kabelisolierung 7 freigelegt ist und auf der die geerdete äußere Leitschicht (Kabelmantel 8) scharfkantig endet. Ohne feldsteuernde Maßnahmen ergeben sich extrem hohe lokale Feldstärken. Die entsprechenden Feldlinien 5 (Äquipotentiallinien) sind in 1a angedeutet.
  • Zur Vermeidung oder Entschärfung von Gleitanordnungen stehen verschiedene Feldsteuermethoden zur Verfügung:
    • - In 1b ist beispielhaft und schematisch eine geometrische Feldsteuerung durch die geometrische Gestaltung von Elektrodenkonturen veranschaulicht. Für die geometrische Feldsteuerung wird hier ein ggf. mit dem Erdpotential des Kabelmantels gebildeter und in einem Steuerkonus 9 angeordneter Deflektor 19 genutzt.
    • - In 1c ist beispielhaft und schematisch eine kapazitive Feldsteuerung durch leitfähige Steuerbeläge 10 mit kapazitiv bestimmter Spannungsaufteilung bei Wechsel- bzw. Stoßspannung veranschaulicht.
    • - In 1d ist beispielhaft und schematisch eine refraktive Feldsteuerung durch hoch permittives Material 11, insbesondere hochpermittive Isolierstoffe mit dielektrisch (bzw. kapazitiv) verzerrter Feldverteilung bei Wechsel- und Stoßspannung veranschaulicht.
    • - In 1e ist beispielhaft und schematisch eine resistive Feldsteuerung durch halbleitendes Material 12, beispielsweise gebildet mit restleitfähigen Steuerbelägen oder halbleitenden Leitschichtaufträgen, mit resistiv bestimmter Spannungsaufteilung veranschaulicht.
    • - In 1f ist beispielhaft und schematisch eine nichtlineare resistive Feldsteuerung durch Materialien, die sich in Bereichen mit hoher Feldstärke durch Leitfähigkeitszunahme selbst entlasten, veranschaulicht. Hierzu wird nichtlineares Material 13 verwendet, das bei niedrigen Feldstärken isolierende Eigenschaften aufweist und bei höheren Feldstärken in einen wesentlich besser leitfähigen Zustand übergeht.
  • Bei diesen fünf technischen Ansätzen zur elektrischen Feldsteuerung (geometrisch, kapazitiv, refraktiv, resistiv, nicht-linear) beruhen die letzten drei auf den Eigenschaften der verwendeten Isoliermaterialien. Die Materialeigenschaften können 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 Technologien, erlaubt bisher, dass die Materialeigenschaften richtungsabhängig eingestellt werden können.
  • Die genannten Füllstoffe werden in der Regel in Form von Pulvern in eine unvernetzte Polymermatrix eingeknetet und danach gegossen oder gespritzt. Durch die resultierende ungeordnete Struktur von den meist kugel- oder fladenförmigen Füllstoffen wird die elektrische Leitfähigkeit unabhängig von der Richtung des Stromflusses gleichmäßig beeinflusst. Unterschiede entstehen lediglich durch Konzentrationsunterschiede 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. Insbesondere sollen ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes, ein Bauteil 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 richtungsabhängige Feldsteuerung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen auch eine möglichst einfache und kostenschonende Herstellung und/oder eine freie Gestaltbarkeit von Bauteilformen möglich sein.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. 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 präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Werkstoff zur Steuerung eines elektrischen Feldes bei, aufweisend ein Matrixmaterial und textile Fasern, die in dem Matrixmaterial gehalten sind, wobei 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 (bezogen auf die Faserrichtung) erhöht werden.
  • Die hier vorgeschlagene Lösung trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, eine elektrische Feldsteuerung für beispielsweise Gleichspannungsanwendungen anzugeben, 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 beeinflussbar ist bzw. beeinflusst wird. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die hier vorgestellte Lösung (erstmals) eine richtungsabhängige Feldsteuerung 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 Matrixmaterial, insbesondere einen umgebenden Isolierstoff (mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit), dessen Materialeigenschaften in Faserrichtung verändert werden können. Für eine elektrische Feldsteuerung kann vor allem die elektrische Leitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials bzw. Werkstoffs beeinflusst werden. Mithilfe der ausgerichteten Textilfasern ist es besonders vorteilhaft möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht in vorteilhafter 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 insbesondere 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 Äquipotentiallinien bzw. Feldlinien eines elektrischen Feldes zumindest beeinflussen oder steuern, insbesondere glätten, und/oder deren Steigung, bzw. maximale Dichte reduzieren kann. Letzteres bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Maximum der elektrischen Feldstärke verringert werden kann. In diesem Zusammenhang resultiert eine geringere Dichte insbesondere aus einem größeren Abstand der entsprechenden Feld-, bzw. Äquipotentiallinien und zeigt eine geringere Feldstärke an.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich die Feldlinien in Fadenrichtung (Verlauf der textilen Faser) leiten lassen. Insbesondere lässt sich die elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung gegenüber einer oder mehrerer Querrichtungen (bezogen auf die Faserrichtung) erhöhen. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, um die Feldlinien zu beeinflussen, um eine richtungsabhängige Feldsteuerung zu ermöglichen. Insbesondere kann dieser Effekt darüber hinaus auch von einem temperatur- 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 ausgerichteten Fasern grundsätzlich auch unabhängig von dem temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix beobachtet bzw. auch ohne besondere Berücksichtigung des temperatur- und/oder möglicherweise feldstärkeabhängigen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern und der umgebenden Matrix erreicht 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 Matrixmaterial 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 Materialien oder eine Kombination hiervon in Betracht: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM/EPR), Silikonkautschuk, Silikonharz, Epoxidharz, ungesättigte Polyesterharze, 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 insbesondere 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 angegebenen minimalen Längen können in vorteilhafter Weise 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. Weiterhin 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. Bevorzugt weisen die Fasern eine (ggf. temperatur- und/oder feldstärkeabhängige) elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-9 S/m [Siemens pro Meter], besonders 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 10-10 S/m aufweist. Weiterhin bevorzugt weisen die Fasern eine elektrische 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 Größenordnungen betragen soll.
  • Für eine Feldsteuerung sind elektrisch leitfähige (schmelzgesponnene) Fasern besonders vorteilhaft, die eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner oder gleich 10-9 S/m [zehn hoch minus neun Siemens pro Meter] aufweisen. Entsprechende elektrische 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 vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm [Millimeter]. Durch solche Filamente lassen sich die Feldlinien in Fadenrichtung besonders vorteilhaft leiten. Die Weiterverarbeitung der Filamente bzw. Fäden umfasst insbesondere ein Schneiden zu Fasern (bestimmter 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 Matrixmaterials fixierbar bzw. fixiert ist. Darüber hinaus sind die Fasern mit dem Matrixmaterial in der Regel (chemisch oder physisch) fest verbunden.
  • 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 Fasern, die lediglich als Füllstoff verwendet werden und daher ungerichtet sind. Jedoch kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung auch (ungerichtete) Füllfasern und/oder andere Füllstoffe, wie etwa Pulver in dem Matrixmaterial gehalten bzw. enthalten sind.
  • Weiterhin bevorzugt sind die Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers homogen eingebracht, insbesondere homogen (äquidistant) angeordnet und/oder homogen (parallel) ausgerichtet. Ein homogenes Einbringen der Fasern trägt in vorteilhafter Weise zu einer möglichst homogenen Verteilung des elektrischen Feldes bei. Darüber 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 gleichmäßigeren Verteilung der Feldlinien beitragen. Alternativ oder kumulativ schließt zumindest 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. Insbesondere 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 erwartenden Feldlinienverlaufs bzw. Äquipotentiallinienverlaufs und/oder eines zu erwartenden 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 idealisierter 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 Materialeigenschaften handelt es sich insbesondere um die elektrische Leitfähigkeit und/oder die thermische Leitfähigkeit. Insbesondere um die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in einer Raumrichtung zu modifizieren, können vorteilhaft einzelne (ausgerichtete) Fasern verwendet werden, die ggf. parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere um die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in zwei Raumrichtung zu modifizieren, kann beispielsweise ein (ausgerichtetes) Fasergeflecht verwendet werden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Fasergeflecht 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 kumulativ 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 elektrische Leitfähigkeit der Fasern mindestens zehnmal (10) so groß wie die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Besonders bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit der Fasern mindestens hundertmal (100) so groß wie die elektrische Leitfähigkeit des Matrixmaterials. Es konnte festgestellt werden, dass ein Einbringen von (endlichen) Fäden bzw. Fasen, die gegenüber dem umgebenden (Isolier-) Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die Verteilung des elektrischen Feldes in vorteilhafter Weise beeinflussen kann. Zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Fasen können beispielsweise entsprechende Partikel insbesondere während eines Schmelzspinnprozesses darin eingebracht worden sein.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fasern Kohlenstoffpartikel enthalten. Durch das Einbringen von Kohlenstoffpartikeln bzw. Karbonpartikeln in ein Faden-Grundmaterial (beispielsweise Thermoplast) kann (für Gleichspannungsanwendungen) in vorteilhafter Weise ein linear-ohmsches Verhalten erreicht werden. In diesem Zusammenhang erzeugen die Kohlenstoffpartikel insbesondere eine veränderte elektrische Grundleitfähigkeit des entstehenden Kompositmaterials (ohmsches Verhalten). Besonders bevorzugt ist, dass die Fasern 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 beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Eisenoxid (FeO) insbesondere 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) insbesondere 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 nichtlineare Verhalten wird insbesondere durch Tunneleffekte an den Korngrenzen der Partikel erzielt.
  • Somit können zum einen Fasern verwendet werden, die beispielsweise mit Kohlenstoffpartikeln ein linear-ohmsches Verhalten zeigen und zum anderen Fasern gefüllt mit Mikrovaristoren, die ein nicht-linear ohmsches Verhalten zeigen. Die bislang existierenden fünf Möglichkeiten zur elektrischen Feldsteuerung werden durch die Verwendung von linear resistiv steuernden oder nicht-linear resistiv steuernden Fasern damit in vorteilhafter Weise um zwei weitere Optionen ergänzt. Hierdurch ergeben sich beispielsweise Anwendungspotentiale in den zunehmend eingesetzten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) und anderen 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 (Mindest-)Anteil am Gesamtvolumen des Teilbereichs des Werkstoffs. Der vorbestimmte (Mindest-)Anteil kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, die elektrische Leitfähigkeit des Kompositmaterials einzustellen. Ist die Leitfähigkeit des Kompositmaterials beispielsweise zu hoch, erwärmt sich das Material zu stark und kann thermisch zerstört werden. Beispielsweise kann der (Mindest-)Anteil derart vorbestimmt 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 Fasern in zumindest einem Teilbereich des Werkstoffs bzw. eines mittels des Werkstoffs hergestellten Körpers einen vorbestimmten Füllgrad auf. Wenn eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit mit Füllstoffen einstellbar sein soll, ist es besonders vorteilhaft, dass die Füllstoffe in den Fasern die Perkolationsschwelle beachten, 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.-% besonders bevorzugt.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil zur Steuerung eines elektrischen Feldes vorgeschlagen, wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einem hier vorgeschlagenen 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, Kabelmuffe.
  • 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, Stromwandler, 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 mindestens 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 parallel zu einer Grenzfläche und/oder einer (Außen-)Oberfläche des Bauteils ausgerichtet. 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 gegenüberliegenden (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 abgewandten) (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:
    1. a) Bereitstellen eines Matrixmaterials,
    2. b) Bereitstellen textiler Fasern,
    3. c) Anordnen zumindest eines Teils der Fasern mit einer vorbestimmten Ausrichtung 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 werden. Das Verfahren dient insbesondere zur Herstellung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs zur Steuerung eines elektrischen Feldes.
  • In Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmaterials. Bevorzugt wird als Matrixmaterial 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 Thermoplasten 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 vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial. Hierzu können die Fasern mit einer vorstimmten Ausrichtung auf eine Schicht des Matrixmaterials und/oder einen Boden (beispielswies einer Form) gelegt werden und anschließend mit einer (weiteren) Schicht des Matrixmaterials bedeckt werden. Dieser Vorgang kann sich mehrere Male wiederholen. Alternativ oder kumulativ kann zumindest ein Teil der Fasern 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. Weiterhin können in Schritt c) einzelne Fasern oder ein Fasergeflecht angeordnet werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b) Kohlenstoffpartikel in eine Polymerschmelze eingebracht werden, die danach als Faden ausgesponnen wird. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbesondere 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 Faden ausgesponnen wird. Bevorzugt werden Mikrovaristorpartikel in die Polymerschmelze eingebracht. Bei der Polymerschmelze handelt es sich hierbei insbesondere um eine Thermoplastschmelze.
  • Grundsätzlich können in Schritt b) (beliebige) elektrisch leitfähige Partikel, die insbesondere 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 bevorzugt 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: Chlorfluorethylen, 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 Werkstoffs richtungsabhängig eingestellt werden. Insbesondere in Schritt c) die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (durch die Ausrichtung Fasern) in ein oder zwei Raumrichtungen modifiziert. Vorzugsweise wird eine (lokale) elektrische Leitfähigkeit des entstehenden Komposits (aus Matrixmaterial 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 erwartenden 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 vorgeschlagen, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in einem Matrixmaterial angeordnet 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 Steuern des elektrischen Feldes erfolgt vorzugsweise in Faserrichtung, insbesondere durch ein Leiten und/oder (Ab-)Lenken von Feldlinien in Faserrichtung (bzw. Fadenrichtung).
  • Vorzugsweise werden die textilen Fasern zur richtungsabhängigen Feldsteuerung verwendet. Besonders bevorzugt werden die textilen Fasern zur richtungsabhängigen Feldsteuerung in einem Hochspannungsbauteil, insbesondere Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen-(HGÜ-)Bauteil, einer Medizintechnikkomponente und/oder einem elektrisch antriebbaren Fahrzeug, wie etwa einem elektrisch antriebbaren Automobil verwendet.
  • Das Anwendungsgebiet der hier vorgestellten Lösung beschränkt sich insbesondere 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 vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil, dem Verfahren und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale 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. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
    • 1a-f: aus dem Stand der Technik bekannte Ansätze zur Feldsteuerung,
    • 2: eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Bauteils in einer Schnittdarstellung,
    • 3: eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs,
    • 4: eine Kabelmuffe, in einer teilweise geschnittenen Darstellung,
    • 5: eine Detailansicht der Kabelmuffe aus 4,
    • 6: einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann,
    • 7: einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann,
    • 8: einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann,
    • 9: eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann, und
    • 10: einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.
  • 1a bis 1f zeigen schematisch aus dem Stand der Technik bekannte Feldsteuerungen. Zur näheren Erläuterung wird auch den einleitenden Teil der Beschreibung verwiesen.
  • 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung eines hier vorgeschlagenen Bauteils 4 in einer Schnittdarstellung. Das Bauteil 4 ist zur Steuerung eines elektrischen Feldes eingerichtet. Hierzu ist das Bauteil 4 mit einem hier vorgeschlagenen Werkstoff 1 zur Steuerung eines elektrischen Feldes gebildet. Der Werkstoff 1 weist ein Matrixmaterial 2 und textile Fasern 3 auf, die in dem Matrixmaterial 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 Manschette ausgerichtet.
  • 3 zeigt schematisch eine beispielhafte Verwendung eines hier vorgeschlagenen Werkstoffs 1. 3 veranschaulicht eine Äquipotentialverteilung einer Gleitanordnung. Das elektrische Feld ist hier mittels drei Äquipotentialverläufen (bei 25%, 50% und 75%) angedeutet.
  • Vergleicht man die Äquipotentialverläufe gemäß 3 mit denen aus 1a, so ist zu erkennen, dass der Werkstoff 1 eine Steuerung des elektrischen Feldes ermöglicht, hier beispielhaft eine richtungsabhängige Feldsteuerung in horizontaler Richtung. Hierzu weist der Werkstoff 1 beispielhaft einen Isolierstoff als Matrixmaterial 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 Matrixmaterials 2. Die Äquipotentiallinien stehen auf den Fasern aufgrund der höheren Leitfähigkeit 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 „treppenartiger“ Verlauf der Äquipotentiallinien.
  • Dabei sind die Fasern 3 mit einer vorbestimmten Ausrichtung, nämlich hier beispielhaft horizontal (und durchgehend), in dem Matrixmaterial 2 angeordnet. Mithilfe der Textilfasern ist es hier beispielsweise möglich, die für eine elektrische Feldsteuerung maßgeblichen Materialeigenschaften (nur) in ein oder zwei Raumrichtungen zu modifizieren. Dies ermöglicht das Design und die Konstruktion von völlig neuen Bauteilformen, die bisher nicht realisiert werden konnten.
  • 4 zeigt schematisch eine Kabelmuffe 14, in einer teilweise geschnittenen Darstellung. 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 5 näher veranschaulicht ist. Somit stellt der Isolierkörper 18 auch eine beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Bauteils 4 dar.
  • 5 zeigt schematisch eine Detailansicht der Kabelmuffe aus 4. Die Detailansicht ist in 4 mit der römischen Ziffer 5 gekennzeichnet und mit einem gestrichelten Rahmen markiert. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf vorangehenden Ausführungen (insbesondere zur 4) vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
  • 6 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann. 6 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine vereinfachte elektrische Feldverteilung in einer HGÜ-Kabelmuffe (HGÜ steht für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen) für den Fall, wenn lediglich eine geometrische Feldsteuerung angewendet wird. Somit veranschaulicht 6 einen Äquipotentialverlauf der Spannung ohne zusätzliche Feldsteuerung (keine Fasern). Es zeigt sich dabei, dass die für einen Durchschlag kritische Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe nicht gleichmäßig belastet wird (gestrichelte Kreise).
  • 7 zeigt schematisch einen weiteren Äquipotentialverlauf, der sich in einer Kabelmuffe einstellen kann. 7 veranschaulicht in diesem Zusammenhang die Feldverteilung bei der Verwendung einer möglichen Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Lösung mit Fasern, die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in dem Matrixmaterial angeordnet sind. Beispielsweise kommen in diesem Zusammenhang vergleichsweise grobe, zylindrische Strukturen zur resistiven Feldsteuerung zum Einsatz. Somit veranschaulicht 7 einen Äquipotentialverlauf der Spannung mit (zusätzlicher, d.h. zusätzlich zu der geometrischen Feldsteuerung vorgesehener) gerichteter Feldsteuerung mit ausgerichteten Fasern (beispielsweise gebildet durch mehrlagige Fasergeflechte). Gegenüber 6 zeigt sich, dass für den Abbau des elektrischen Potentials die volle Länge der (für einen Durchschlag kritischen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe (gleichmäßig) ausgenutzt werden kann.
  • 8 zeigt schematisch einen Äquipotentialverlauf, der sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann. 8 veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine Feldverteilung, die sich bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung einstellen kann. Die Feldverteilung gemäß 8 konnte dabei erreicht werden durch eine Verwendung von mikroskopisch kleinen (nur im oberen Material bzw. Muffenkörper) (quasi-)homogen verteilten Fasern zur resistiven Feldsteuerung. Somit veranschaulicht 8 einen Äquipotentialverlauf bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung in der Muffe. Zur (gerichteten bzw. richtungsabhängigen) Feldsteuerung wurden hier beispielhaft Fasern mit einer gegenüber dem Isolationsmaterial der Muffe 10-fach erhöhten elektrischen Leitfähigkeit verwendet.
  • Gegenüber 6 zeigt sich, dass die volle Länge der (für einen Durchschlag kritischen) Grenzschicht zwischen Kabel und Muffe ausgenutzt werden kann. Zudem kann der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich verschoben werden (vgl. auch 9, gestrichelter Kreis).
  • 9 zeigt schematisch eine elektrische Feldverteilung, die sich in der Kabelmuffe gemäß 4 einstellen kann. Dabei werden Fasern wir bei 8 verwendet. Somit veranschaulicht 9 eine Feldverteilung bei (quasi-)homogener, gerichteter Feldsteuerung (im oberen Material bzw. Muffenkörper). 9 veranschaulicht insbesondere, dass bei Anwendung einer beispielhaften Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung der Ort der höchsten elektrischen Feldbelastung deutlich verschoben werden kann.
  • Das Ergebnis weicht stark von den elektrischen Feldverteilungen ab, die üblicherweise bei derartigen Geometrien vorkommen und war eine starke Überraschung. Das Design von Hochspannungskomponenten wird durch die hier vorgestellte Lösung in vielen Fällen deutlich verändert werden können.
  • 10 zeigt schematisch einen beispielhaften 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 110 erfolgt ein Bereitstellen eines Matrixmaterials. 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
    11
    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 (10)

  1. 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.
  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 elektrischen 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 vorbestimmten 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 Werkstoffs (1) richtungsabhängig eingestellt werden.
  10. Verwendung von textilen Fasern (3), die mit einer vorbestimmten Ausrichtung in einem Matrixmaterial (2) angeordnet sind, zum Steuern eines elektrischen Feldes.
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