SE531409C2 - Fältstyrande material - Google Patents

Description

25 30 35 531 409 I denna beskrivning och efterföljande krav menas med mellan- spänning en spänning inom intervallet 1-36 kV och med hög- spänning en spänning högre än 36 kV.

De elektriska påkänningarna i fråga kan reduceras genom att styra det elektriska fältet vid det elektriska fältets över- gång från det första mediet till det andra mediet, t ex från en avskärmad kabeldel till en kabeldel där den ursprungliga skärmen har tagits bort. Det finns ett antal kända metoder för att tillhandahålla styrning av pàkänningen, t ex genom geometrisk fältstyrning i form av en stresskona anordnad på det ställe där skärmen slutar, eller genom att ha ett mate- rial med förmåga att fördela fältet på egen hand. Materialet kallas vanligtvis fältstyrande material, men kallas också påkänningsstyrande material. De elektriska egenskaperna hos ett fältstyrande material är beroende av det fält det ut- sätts för. I samband med ett fältstyrande material nämns både kapacitiv och resistiv fältstyrning.

Den kapacitiva fältstyrningen används vid växelspännings- tillämpningar. Kapacitiv fältstyrning kan också användas för att åstadkomma fältstyrning när spänningar uppträder i form av impulser. Vid en kabelavslutning av det slag som antyds ovan införs en kropp av ett material med en dielektricitets- konstant högre än isolationens och med så låga förluster som möjligt kring den oskärmade delen av kabeln i omrâdet när- mast den skärmade delen av kabeln och i elektrisk kontakt med skärmen, varvid spridningen av ekvipotentiallinjerna kommer att åstadkommas.

Kapacitiva fältstyrningsegenskaper är också önskvärda i ett material anpassat för styrning av det elektriska fältet vid tillämpningar med högspänd likström (HVDC) för att uppnå en effektiv fältstyrning i händelse av plötsligt uppträdande spänningsvågor.

Resistiv fältstyrning kan användas vid såväl växelströms- som likströmstillämpningar. Resistiv fältstyrning kan även användas för att åstadkomma fältstyrning när spänningar 10 15 20 25 30 35 534 409 uppträder i form av impulser. Vid en kabelavslutning av det slag som antyds ovan införs en kropp med lämplig resistans kring den oskärmade delen av kabeln i området närmast den skärmade delen av kabeln och i elektrisk kontakt med skär- men. När en plusspänning påförs över kabeln flyter en ström genom kroppen mot kabelns skärm, vilken skärm är vid jord- potential. Ett resistivt spänningsfall uppstår då i kroppen, vilket leder till en jämnare fördelning av potentialen.

Denna potentialfördelning blir mer linjär om kroppen består av ett material som uppvisar ett ickelinjärt elektriskt motstånd som minskar med ökande elektriskt fält. Olinjär- heten startar i ett specifikt område av det elektriska fältet. Ju närmare skärmens kant är, desto högre blir det elektriska fältet i den fältstyrande kroppen och, följ- aktligen, desto lägre blir det elektriska motståndet i kroppen om kroppen uppvisar ett sådant ickelinjärt elek- triskt motstånd. På detta sätt blir spänningsfallet utmed den fältstyrande kroppen mer jämnt fördelat i en kropp som uppvisar ett sådant ickelinjärt elektriskt motstånd än i en kropp som inte gör det.

Ett fältstyrande material med ett ickelinjärt elektriskt motstånd, dvs ett material som inte lyder ohms lag, åstad- koms genom att kombinera åtminstone två material till en komposit. På grund av användningsområdet bör det fältsty- rande materialet vara mekaniskt flexibelt. Det är därför lämpligt att använda t ex ett gummi som matris och att blanda det med halvledande partiklar som är ickeledande vid låga spänningar men blir ledande vid högre spänningar. Par- tiklarna bildar ett nät inom matrisen och resultatet är en komposit som är isolerande vid låga elektriska fält och som har ökad ledningsförmåga vid högre elektriska fält.

Det finns flera kända fältstyrande material för att leda det elektriska fältet. Exempelvis beskrivs en polymerisk matris innehållande nanopartiklar av zinkoxid (ZnO) eller kisel- karbid (SiC) i den publicerade patentskriften WO2004/038735, där den polymeriska matrisen åtminstone väsentligen består av gummi, termoplaster eller en termoplastisk elast. 10 15 20 25 30 35 53¶ 409 Europeiska patentskriften EP 0088450 Bl beskriver ett fält- styrande material innefattande en polymerisk matris inne- fattande partiklar av ZnO eller SiC samt kimrökspartiklar.

De publicerade patentskriften W02005/036563 beskriver ett fältstyrande material med en polymerisk matris innefattande ett nanopartikelfyllmedel som är heterogent fördelat i ma- trisen. Nanopartikelfyllmedlet kan vara ZnO-partiklar. Ytan hos nanopartikeln kan modifieras genom behandling med en anorganisk silan- eller anorganisk titanatförening.

Det finns ett ständigt behov att förbättra nämnda fältsty- rande material med avseende pà kända fältstyrande material i flera aspekter, såsom att ha förbättrade eller liknande elektriska egenskaper, och även såsom varande ett kostnads- effektivt alternativ till kända fältstyrande material.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett fält- styrande material av den typ som anges i ingressen till pa- tentkrav l och som har förbättrade eller liknande egenskaper med avseende pà redan kända fältstyrande material.

Enligt en första aspekt av uppfinningen uppnås detta ändamål genom ett fältstyrande material enligt patentkrav 1. Fördel- aktiga utföringsformer av uppfinningen framgår av nedanstå- ende beskrivning och av de osjälvständiga patentkraven.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar det fält- styrande materialet en polymerisk matris och ett fyllmedel innefattande zinkoxid och kimrök. Zinkoxiden är väsentligen i form av rena zinkoxidpartiklar som har åtminstone en di- mension mindre än eller lika med 100 nm. Kombinationen av rena zinkoxidpartiklar mindre än eller lika med 100 nm och kimrök i en polymerisk matris ger ett fältstyrande material med utmärkta fältstyrande egenskaper. Utmärkta fältstyrande egenskaper hänför sig till ett material som har de önskade ickelinjära egenskaperna, beskrivna under “teknikens stånd- 10 15 20 25 30 35 53? 4013 punkt", för det fältstyrande materialet. Genom att använda rena zinkoxidpartiklar är också det fältstyrande materialet kostnadseffektivt att framställa, eftersom förbehandling av zinkoxidpartiklarna genom ytbehandling eller tillägg av dopämnen inte är nödvändigt.

I denna beskrivning och de efterföljande patentkraven avses med termen “ren zinkoxid” zinkoxid där egenskaperna hos den rena zinkoxiden inte har modifierats genom exempelvis ytbe- handling eller genom tillägg av t ex dopämnen. Termen “ren zinkoxid” utesluter emellertid inte zinkoxid som innehåller en liten mängd andra ämnen än zinkoxid, t ex sådana som finns naturligt i zinkoxid eller som härrör från en förore- ning vid tillverkningen av zinkoxiden.

I denna beskrivning och de efterföljande patentkraven avses med uttrycket “partiklar som har åtminstone en dimension mindre än eller lika med 100 nm” partiklar av nanostorlek med en bredd, längd och/eller höjd mindre än eller lika med 100 nm. Partiklarna av nanostorlek kan givetvis ha flera eller alla dimensioner mindre än eller lika med 100 nm. Par- tiklarna av nanostorlek kan ha vilken form som helst så länge som de i åtminstone en av sina dimensioner ligger i intervallet 0,1-100 nm.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har de rena zink- oxidpartiklarna åtminstone en dimension i intervallet 20-70 Ilm.

Enligt en utföringsform av uppfinningen utgör de rena zink- oxidpartiklarna mindre än 40 volymprocent av det de materialet. fältstyran- Enligt en utföringsform av uppfinningen utgör de rena zink- oxidpartiklarna mindre än 30 volymprocent av det de materialet. fältstyran- Enligt en utföringsform av uppfinningen har kimröken en genomsnittlig partikelstorlek inom intervallet 1-100 nm, 10 15 20 25 30 35 531 409 företrädesvis 10-60 nm, och allra helst 15-50 nm. Kimröken utgör mellan 0,2 och 10 volymprocent, företrädesvis 0,5-4 volymprocent, och helst 1-3 volymprocent av det fältstyrande materialet. Enligt en utföringsform av uppfinningen är kim- röken självstrukturerande och är anordnad att bilda ett genomströmmat nät av kimrök och ZnO i polymermatrisen. Vid en viss nivå av det elektriska fält som pàförs det fältsty- rande materialet bildas ledande banor av kimrök och zinkoxid i åtminstone en del av nätet i polymermatrisen. Materialets elektriska motstånd ändras från ett linjärt till ett icke- linjärt beteende. Mängden kimrök väljs i beroende av den önskade resistiviteten hos materialet. Den självstrukture- rande kimröken gör det möjligt att använda mycket små mäng- der av kimrök för att uppnå det genomströmmade nätet.

Kimröken är t ex den kommersiellt tillgängliga Ketjenblack®.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har kimröken en genomsnittlig storlek av mellan 40 och 500 nm. Kimröken ut- gör mellan 5 och 40 volymprocent, företrädesvis 10-30 volym- procent, och helst 10-15 volymprocent av det fältstyrande materialet. När kimröken är mellan 40 och 500 nm föreligger den i form av kulformad grafit. Den kulformade grafiten föreligger i form av trådar i polymermatrisen. Vid en viss nivå av det elektriska fältet i det fältstyrande materialet förändras koltràdarna och de rena zinkoxidpartiklarna till ledande banor och ger materialet dess ickelinjära egenska- per, vilka är önskvärda för styrning av det elektriska fäl- tet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar polymer- matrisen EPDM-gummi (EPDM=etenpropendienmonomer), EPDM har god dielektrisk hållfasthet och har ett lågt pris jämfört med andra polymermatriser som skulle kunna användas.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar polymer- matrisen silikon. När polymermatrisen är silikon kan det fältstyrande materialet formsprutas till en elektrisk fält- styrningsanordning. Därigenom kan tiden för tillverkning av 10 15 20 25 30 35 531 499 en elektrisk fältstyrningsanordning förkortas. Det är dessu- tom lättare att tillverka en anordning med en komplicerad form på grund av den låga viskositeten hos EPDM.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar polymer- matrisen EVA (etenvinylacetat).

Enligt en andra aspekt av uppfinningen uppnås ändamålet med en elektrisk fältstyrningsanordning för styrning av ett elektriskt fält vid ett avbrott hos isolerskiktet som är an- ordnat runt ledaren vid en mellan- eller högspänningskabel, varvid anordningen innefattar ett fältstyrande material en- ligt något av patentkrav 1-12.

Ett avbrott i isolationen hos en elektrisk kabel inträffar exempelvis vid en skarv eller vid en avslutning av en kabel.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är det fältstyrande materialet i den elektriska fältstyrningsanordningen anord- nat omgivande avbrottet hos isolationen och i kontakt med kabelns ledare samt med ett jordat yttre ledande skikt hos kabeln. Genom detta uppnås en jämn fördelning av det elek- triska fältet i en skarv eller avslut för en kabel för lik- ström eller växelström.

Enligt en tredje aspekt av uppfinningen uppnàs ändamålet med användning av ett fältstyrande material enligt patentkrav 15 eller 16.

FIGURBESKRIVNING Uppfinning skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsformer med hänvisning till bifogade ritningar, där Figur 1 är ett diagram som visar den elektriska resistivi- teten som funktion av ett pàfört elektriskt fält för ett fältstyrande material enligt en utföringsform av uppfin- ningen, 10 15 20 25 30 35 531 409 Figur 2 är ett schematiskt tvärsnitt av det fältstyrande materialet enligt en utföringsform av uppfinningen, och Figur 3 är ett schematiskt längsgående tvärsnitt av en skarv hos en elektrisk kraftkabel, försedd med en kropp innefatt- ande ett fältstyrande material enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Det fältstyrande materialet enligt föreliggande uppfinning innefattar en polymermatris och ett fyllmedel innefattande zinkoxid och kimrök. Zinkoxiden är i form av rena zinkoxid- partiklar som har åtminstone en dimension mindre än eller lika med 100 nm.

Den elektriska resistiviteten (ohm) som funktion av påfört elektriskt fält (kV/mm) för ett fälstyrande material inne- fattande rena ZnO-nanopartiklar och kimrök illustreras i figur 1. Kurva A representerar ett fältstyrande material innefattande en EPDM-matris med 23 volymprocent rena zink- oxidpartiklar och 1 volymprocent kimrök. Genomsnittsdiame- tern hos de rena zinkoxidpartiklarna är 53 nm. Kimröken är Ketjenblack® EC 300, med en genomsnittlig partikelstorlek på 20-30 nm. Ketjenblackg EC-produkter är elektriskt ledande kimrök av mycket hög renhet. På grund av sin unika morfologi i jämförelse med konventionell kimrök krävs avsevärt lägre mängder Ketjenblack® EC-300J, och ännu lägre mängder Ketjenblack® EC-600JD för att göra plaster och elaster le- dande. Detta leder till förbättrade behandlings- och meka- niska egenskaper hos de färdiga elektroledande artiklarna.

Det fältstyrande materialet förbereddes genom att torka ZnO- partiklar i vakuum vid 190 °C under natten före användning.

Kimrök och ZnO-nanopartiklarna tillsattes till EPDM-matri- sen. Matrisen innefattar såväl EPDM som en stabilisator (stearinsyra) och en peroxidhärdare (VAROX). Föreningen blandades noggrant med användning av en Brabenderblandare vid en temperatur mindre än 80 °C. Efter detta formpressades proverna vid 180 °C i 30 minuter. Därefter avgasades prover- na i en vakuumugn i 24 timmar och 80 °C för att förànga bi- 10 15 20 25 30 35 531 409 produkter från peroxidvulkaniseringen. Provernas slutliga dimension var ungefär 1 mm i tjocklek och 210 mm i diameter.

Kurva A visar att det ovan beskrivna materialet har en icke- linjäritet som börjar mellan 1,0E9 och l,OEl0 ohm och en ledningsförmäga vid höga elektriska fält som gör materialet lämpligt för användning som fältstyrande material. Nivån pà resistiviteten hos kurva A visar att materialet är speciellt lämpligt att användas som fältstyrande material för tillämp- ningar med högspänd likström (HVDC). Figur 1 visar också som jämförelse den elektriska resistiviteten som funktion av pàförda elektriska fält för ett material innefattande EPDM- gummi och 25 volymprocent rena ZnO-partiklar med en genom- snittsdiameter pà 53 nm, kurva B. I detta fall, där ingen kimrök tillsätts, erhålls ett isolationsmaterial utan fält- styrande egenskaper inom det aktuella elektriska fältet, 0,1-8 kV/mm.

Figur 2 visar ett exempel på fördelningen av ren zinkoxid och kimrök i EPDM-matrisen hos det elektriskt fältstyrande materialet enligt kurvan A i figur 1. Kimröken och den rena zinkoxiden fördelas i form av aggregat, eller ett nätverk, och när det elektriska fältet är tillräckligt högt för att resistiviteten ska bli ickelinjärt leder ZnO-partiklarna ström och aggregaten, eller nätverket, bildar ledande banor i polymermatrisen.

Polymermatrisen i det fältstyrande materialet enligt före- liggande uppfinning består lämpligen, eller åtminstone väsentligen, av gummi, termoplaster eller en termoplastisk elast. Det föredras att matrisen består, eller åtminstone väsentligen består, av polyolefingummi eller termoplastisk polyolefinelast/plast, företrädesvis innefattande EPDM- gummi, silikongummi eller EVA (etylvinylacetat), eller av halvkristallina termoplaster, företrädesvis polyeten eller tvärbunden polyeten (PEX).

Ett fältstyrande material enligt uppfinningen är särskilt lämpligt för användning i en elektrisk fältstyrningsanord- 10 15 20 25 30 35 531 409 10 ning för styrning av ett elektriskt fält i mellan- eller högspänningstillämpningar_ Figur 3 visar schematiskt en kabelskarv innefattande en sådan anordning 7 för styrning av elektriska fält. Kabelskarven 1 innefattar en ledare 2 och kabelisolation 3. Vidare innefattar kabeln vanligen ett inre ledande skikt (icke visat) anordnat mellan ledaren och isolationen, och ett yttre ledande skikt 4 anordnat utanför och omgivande isolationen. Vid det ställe där tvà ledarändar är hopfogade är isolationen 3 och ledande skikt 4 avskurna en bit och de två ledarändarna är anslutna med en metallisk kabelmuff 5. Muffen är omgiven av en deflektor 6 av ledande gummi. En elektrisk fältstyrningsanordning 7 innefattande ett fältstyrande material enligt uppfinningen är anordnat över änden på det yttre ledande skiktet 4 för att uppnå ett jämnt fördelat elektriskt fält i kabelisolationen 3. Utanför det fältstyrande materialet anordnas ett andra isolatione- skikt 8. Ett halvledande skikt 9 med en jordad skärm 10 som är i kontakt med det jordade yttre ledande skitet 4 hos kabeln är anordnat runt fältstyrningsskiktet 7 och det andra isolationsskiktet 8. Även om det inte visas kan det fältstyrande materialet an- vändas i ett kabelavslut eller annan elektrisk utrustning där det är lämpligt att använda ett fältstyrande material.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till de ovan be- skrivna föredragna utföringsformerna. Tvärtom torde ett flertal möjligheter till modifikationer av dessa vara uppen- bara för en fackman utan att avvika fràn uppfinningens grundläggande idé såsom den anges i de vidhängande patent- kraven.

Claims (16)

10 15 20 25 30 35 531 4Û9 ll PATENTKRAV

1. Fältstyrande material innefattande en polymermatris och ett fyllmedel, varvid fyllmedlet innefattar zinkoxid och kimrök, kännetecknat av att zinkoxiden väsentligen består av rena zinkoxidpartiklar som har åtminstone en dimension min- dre än eller lika med 100 nm.

2. Fältstyrande material enligt patentkrav 1, varvid de rena zinkoxidpartiklarna har åtminstone en dimension inom inter- vallet 20-70 nm.

3. Fältstyrande material enligt patentkrav 1 eller 2, varvid de rena zinkoxidpartiklarna utgör mindre än 40 volymprocent av det fältstyrande materialet.

4. Fältstyrande material enligt patentkrav 1 eller 2, varvid de rena zinkoxidpartiklarna utgör mindre än 30 volymprocent av det fältstyrande materialet.

5. Fältstyrande material enligt något av föregående patent- krav, varvid kimröken har en genomsnittlig partikelStOr1ek inom intervallet 1-100 nm, 10-60 nm, företrädesvis inom intervallet och allra helst inom intervallet 15-50 nm.

6. Fältstyrande material enligt patentkrav 5, varvid kim- röken utgör mellan 0,2 och 10 volymprocent, företrädesvis 0,5-4 volymprocent, och allra helst 1-3 volymprocent av det fältstyrande materialet.

7. Fältstyrande material enligt patentkrav 5 eller 6, varvid kimröken är självstrukturerande och är anordnad att bilda en nätstruktur i polymermatrisen.

8. Fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-4, varvid kimröken har en partikelstorlek i intervallet mellan 40 och 500 nm. 10 15 20 25 30 35 531 409 12

9. Fältstyrande material enligt patentkrav 8, varvid kim- röken utgör mellan 5 och 40 volymprocent, företrädesvis 10- 30 volymprocent, och allra helst 10-15 volymprocent av det fältstyrande materialet.

10. Fältstyrande material enligt något av föregående patent- krav, varvid polymermatrisen innefattar silikon.

11. Fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-9, varvid polymermatrisen innefattar EPDM-gummi (EPDM = eten- propendienmonomer).

12. Fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-9, varvid polymermatrisen innefattar EVA (etenvinylacetat).

13. Elektrisk fältstyrningsanordning (7) för att StYra ett elektriskt fält vid ett avbrott i isolationsskiktet anordnat runt ledaren vid en mellan- eller högspänningskabel, varvid anordningen innefattar ett fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-12.

14. Elektrisk fältstyrningsanordning (7) enligt patentkrav 13, varvid det fältstyrande materialet är anordnat omgivande avbrotten i isolationen och i kontakt med kabelns ledare och med kabelns jordade skärm.

15. Användning av ett fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-12 för styrning av ett elektriskt fält i ett kabelavslut.

16. Användning av ett fältstyrande material enligt något av patentkrav 1-12 för styrning av ett elektriskt fält i en kabelskarv.