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CN110235208B - 中压和高压线缆应用的多层应力控制制品及干式接线端 - Google Patents

中压和高压线缆应用的多层应力控制制品及干式接线端 Download PDF

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CN110235208B CN201880008730.2A CN201880008730A CN110235208B CN 110235208 B CN110235208 B CN 110235208B CN 201880008730 A CN201880008730 A CN 201880008730A CN 110235208 B CN110235208 B CN 110235208B
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延斯·魏克霍尔德
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Abstract

本发明提供了一种具有一定长度的轴向孔的管状应力控制制品，其包括由电应力控制组合物形成的第一和最内层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布。所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触。所述制品还包括设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料。所述制品还包括设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括弹性体应力控制材料。所述制品还包括设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料。所述第一层、第二层、第三层和第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的。

Description

中压和高压线缆应用的多层应力控制制品及干式接线端
背景技术
线缆附件，诸如线缆接合部(或接头)和接线端，用于各种中压和高压电气应用，其中“中压”表示至少5kV Um的电压电平(其中Um是最大系统电压)并且“高压”表示至少72.5kV Um的电压电平。高压线缆通常包括覆盖围绕中心导体的线缆绝缘材料的接地层。接地层常为半导电或导电的，并电连接到距封端的线缆端部一定距离的地电势。当线缆需要封端或与另一线缆接合时，通常向后切削绝缘材料以暴露中心导体，并进一步向后切削接地层以使其边缘与绝缘材料的端部隔开一定距离。中心导体与接地层之间的电场线集中于接地层靠近封端的线缆端部的边缘处。一方面，中心导体的暴露部分与接地层的边缘之间的较大距离降低中心导体与接地层的边缘之间的强电场中电击穿的风险。另一方面，该距离应该保持为最小，以使接线端或接头的尺寸较小，以使得其成本更低且其安装更容易。
高压线缆的接线端或接头必须管理在线缆的端部处，中心导体与接地层的边缘之间的强电场，以避免高电“应力”，即，由局部放电(可能导致长期电击穿或电蚀)和界面放电引起的负面影响。由强电场对线缆的材料以及接线端或接头的材料引起这些放电。具体地讲，期望避免电场线高度集中于接地层的边缘，同时将整个接线端或接头的物理尺寸保持在合理的界限内。
已采取不同的场控制或应力控制方法以避免电场的集中，类似电阻应力控制、折射应力控制、电容应力控制或几何应力控制。传统上，许多线缆接线端装置或接头装置具有应力锥，其在锥形元件的外表面上提供导电接地层。
具体地，此类应用的接线端传统上利用湿式或油填充装置，具有导电或半导电几何应力锥以对电应力进行分级并且提供介电油以用于绝缘。这些湿式接线端可能很复杂，并且随着时间的推移而发生泄漏，从而导致装置故障。
可替代地，干式接线端已经使用类似的几何应力控制和聚合物绝缘。这些干式接线端通常需要较长的线缆回切并且能难以安装在推入式应用中。另一种接线端是干式GIS类型或插入式接线端。这些GIS接线端安装起来很复杂，并且比传统接线端成本高得多。
期望改善线缆接线端和接头的应力控制性能，以便降低电击穿的风险以及对线缆或对接线端或接头的损坏。具体地讲，期望提供应力控制构件以在较高电压下提供可靠的应力控制，而无需更多空间。本发明应对这些需要。
发明内容
在本发明的第一方面中，一种具有一定长度的轴向孔的管状应力控制制品包括由电应力控制组合物形成的第一和最内层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布。所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触。所述制品还包括设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料。所述制品还包括设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括弹性体应力控制材料。所述制品还包括设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料。所述第一层、第二层、第三层和第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的。
在另一个方面中，一种用于中压或高压线缆的线缆附件，具有导电芯、径向围绕所述芯的线缆绝缘材料和围绕所述线缆绝缘材料的线缆屏蔽层包括管状应力控制主体。所述管状应力控制主体包括由电应力控制组合物形成的最内或第一层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触。所述管状应力控制主体还包括设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料。所述管状应力控制主体还包括设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括与所述线缆屏蔽层电绝缘的弹性体应力控制材料。所述管状应力控制主体还包括设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料。所述第一层、第二层、第三层和第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的。
如本说明书中所用的：
导电材料与无机粒子间的“电接触”指一部分导电材料与无机粒子接触或在物理位置上充分接近，以致电荷可在导电材料和无机粒子间穿行，从而使得电流可以在低于聚合物材料的击穿电压的施加的电压场下直接流动或通过形成欧姆接触跳跃或隧道效应而流动；
“持久电接触”指该电接触不因组合物加工步骤过程中遇到的混合和剪切力而大大改变；和
“渗滤阈值”指必须被填充以最初创立无限连续的导电通路的晶格点临界分数。
本发明的上面的概述不旨在描述本发明的每个示出的实施方案或每个具体实施。图及其后的详细描述更特别地举例说明这些实施方案。
附图说明
在下文中将引用本发明的非限制性实施方案且参考附图对本发明进行部分描述，在附图中：
图1A是根据本发明的第一方面的多层应力控制制品的示意性轴向纵向局部视图。
图1B是在组装之前处于膨胀状态的多层应力控制制品的内部的等距视图。
图1C是其中伞裙在组装之前处于膨胀状态的多层应力控制制品的外部的侧面等距视图。
图2是多层应力控制制品的另一个实施方案的示意性轴向纵向局部视图。
具体实施方式
在以下描述中，将引用形成描述的一部分的附图，并且在附图中以说明的方式示出可实践本发明的具体实施方案。就这一点而言，方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“在前面的”、“向前”和“尾部”等参考所描述的(多个)附图的取向来使用。因为本发明的实施方案的部件可定位成多个不同取向，所以方向性术语用于说明的目的，并且绝不是限制性的。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可利用其它实施方案，并且可进行结构性或逻辑性的改变。因而，不能认为以下的详细描述具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
本发明的实施方案涉及制品，具体涉及电应力控制制品。电应力控制制品包括弹性体多层主体，其包括至少一个层，如下所述的所谓高K层，该层由电应力控制组合物形成，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触。弹性体主体可以采取“冷缩”制品的形式，其中冷缩是指制品(或制品的一部分)在室温(例如约20℃-25℃)条件下和未加热情况下从膨胀状态朝向松弛或部分膨胀状态收缩的能力。电应力控制制品可以用作中压和高压应用的接线端或接合部(或其它类型的线缆附件)。此外，电应力控制制品可以提供“干”式接线端或线缆附件，其中应力控制制品的弹性体材料提供所需的电绝缘而不添加绝缘油或凝胶。
图1A示出了第一实施方案，设置在电缆1上的多层应力控制物品100的示意性轴向纵向局部视图。图1B示出了处于膨胀状态的多层应力控制制品100，其围绕可移除支撑芯175。图1C示出了多层应力控制制品100，其上安装有多个伞裙(或裙部)模块以为高压应用增加闪络和爬电距离。下面将进一步描述多层应力控制制品100的结构。
如上所述，应力控制物品100被设计成符合已制备的电缆，诸如电缆1。一般来讲，本文所述的应力控制材料组合物特别适用于应力控制元件或装置如高压线缆附件，在其中，组合物的非线性性质是有用的。可以制造电介质应力控制装置，其介电性能及其几何构型根据相应应用场所存在的电场的所需改变而设计。特别有用的是包括可被放置在线缆绝缘和/或护套的端部上的成形体(优选套筒)的电介质应力控制装置或元件。具有其它几何构型的应力控制装置或元件可能可用来防止不可接受地高的局部场集中，例如在高压线缆的断开弯头、过渡或贯穿接头、引线和分支中。
在至少一个实施方案中，应力控制制品100的组合物具有弹性体性质。该特征可允许制造适合于不同尺度或尺寸的电结构部件的冷缩电介质应力控制装置。例如在套筒的情况下，组合物可以具有充分的回弹性以适用于线缆绝缘和/或不同厚度尺度。
电应力控制装置100包括轴向孔106(参见例如图1B)，线缆的端部可以插入该轴向孔中。所述孔的直径可被选择为使得其足够大以允许线缆的端部插入，并使得允许应力控制装置与线缆的端部之间的紧密贴合，从而应力控制装置相对于线缆处于明确限定的径向位置。然而，所述孔的直径可大于线缆的端部，并可使用例如，在线缆上滑动的间隔装置，以允许应力控制装置相对于线缆处于明确限定的径向位置。所述孔可具有圆柱形形状，并且可从应力控制装置的一端延伸至应力控制装置的另一端。
如图1A所示，应力控制装置100包括围绕孔同心地布置并彼此同心布置的多个层110、120、130和140。该装置的至少一个层是应力控制层。应力控制层可为导电或半导电管，或者导电或半导电涂漆层，或者导电或半导电挤出层或者导电或半导电共挤出层。例如，应力控制层可包括弹性体，类似例如硅树脂、天然橡胶或乙烯丙烯二烯单体。应力控制层可包括碳粒物质以提供导电性。
在本发明的另一方面，至少一个应力控制层可以适于置于地电势上。接地的应力控制层可进一步降低使用应力控制装置的线缆的中心导体和接地层之间电击穿的风险，因为接地的应力控制层有效地防止接地层的边缘处的电场集中。例如，应力控制层可通过包括外部可触及的部分而适于置于地电势上，导电胶带可缠绕在该部分上。胶带的另一端可与包括应力控制装置的接线端装置或接头的接地的屏蔽编织物电接触。例如，第一应力控制层可以被置于与电缆的屏蔽层接触并重叠，并且通过将导电胶带或金属编织物缠绕在应力控制层的边缘上以及还有屏蔽层上，可以建立进一步的接触。
在本发明的另一方面，至少一个应力控制层适于置于浮动电势上。将一个应力控制层置于浮动电势上可降低未紧挨着接地层的边缘的那部分线缆中的电击穿风险。例如，应力控制层可通过将其嵌入不导电材料中或通过围绕其缠绕不导电膜或胶带而适于置于浮动电势上。
更详细地，参考图1A，应力控制制品100包括由电应力控制组合物形成的第一层或最内层110，其在下面进一步详细描述。包括电绝缘材料的第二层120同心地设置在第一层110上。电绝缘材料120可以包括常规绝缘材料，诸如电介质材料。该制品还包括设置在第二层120上的第三层130，该第三层130包括弹性体应力控制材料。在一个优选的方面中，层130与线缆屏蔽层电绝缘，由此使其与接地层相比处于浮动电势，如下面进一步详细描述的。在另一个优选方面中，层130可以包括具有与层110相同的组合物的材料。制品100还包括设置在第三层130上的第四层140，该第四层140包括抗电弧径迹性的弹性体材料。此外，如图1C所示，可以提供一个或多个伞裙模块(图中示出了四个伞裙模块182a-182d)作为层140的一部分，或者它们可以设置在稍后设置在层140上的单独芯材料195上。伞裙模块182a-182d包括多个伞裙或裙部，其可以增加闪络和爬电距离并改善脉冲性能。伞裙的尺寸和数量可以根据特定应用或电压等级而变化。
此外，层110、120、130、140中的每一个沿轴向孔106的长度基本上是连续的，并且沿着已制备的线缆部分的整个长度延伸(参见例如轴线105)。
简而言之，电缆1可以包括常规介质或高压线缆。为了图清晰，夸大了一些径向尺寸。线缆1包括位于线缆1的中心的高压导体5或中心导体5，其以中压或高压传导电流。中心导体5可以具有标准结构，诸如由半导电绞合线屏蔽围绕的金属导体股线。线缆1的端部3位于中心导体5结束的地方。绝缘层10围绕中心导体5同心地设置。半导电或导电的屏蔽层15围绕绝缘层10同心地设置。接地层20连接到进一步远离线缆1的端部3的位置处的地电势，此位置在图1中未示出。线缆1的最外层是不导电的线缆外壳25或线缆护套25。
线缆1可以准备号封端或与第二线缆(未示出)接合/拼接。该准备涉及向后切削部分护套25、部分金属接地层15、部分屏蔽层15以及部分绝缘层10，使得中心导体5暴露并可固定到接线端或连接器(未示出)。接地层15已被部分地移除，使得其在线缆的轴向方向上延伸直至边缘30。屏蔽层15的边缘30与暴露的中心导体5隔开足够的距离，使得在操作线缆时，不会存在屏蔽层15与中心导体5之间电击穿或放电的风险。继而，金属接地层20已经被移除直至足够远离屏蔽层15的边缘30的点，使得屏蔽层15可靠近边缘30电接触。
屏蔽层15可以包括绝缘层10的外表面上的半导体材料。在该实施方案中，半导体材料可以是填充有碳颗粒物的交联聚乙烯或XLPE。屏蔽层15与线缆1的绝缘层10共挤出。
金属接地层20也可包括金属箔。该金属箔可围绕屏蔽层15缠绕。例如，接地层20可包括铝箔，如缠绕铝箔。
更详细地，层110和任选的层130可以各自包括所谓的高K材料，其提供介电性质(电容率或介电常数、导电率、损耗角正切和介电强度)的平衡以用于控制电场。在一个方面中，层110(和任选的层130)包括填充材料，该填充材料包括无机粒子，导电材料(诸如导电粒子)以持久电接触的方式固定在无机粒子上。导电材料以在无机粒子和导电材料之间提供充分的电(例如静电)吸引或化学吸引从而抑制在处理和后续材料加工步骤过程中导电材料从无机粒子分离的方式施加到无机粒子。然后可将所述以持久电接触方式附加了导电材料的无机粒子添加到聚合物材料以形成电介质组合物。这些组合物比常规的填充碳的聚合物具有显著更好的电性能。
在一些实施方案中，所述高K层组合物首先通过向钛酸钡(一种无机铁电陶瓷)粒子的表面以持久电接触的方式附加高度结构化形式的导电炭粉并然后如图2中所示分散在聚硅氧烷聚合物(具有SiO骨架的聚合物)基体中而制备，其中所述导电炭粉具有高空隙率和高电导率，例如可以商品名ENSACO 250G从TimCal Graphite&Carbon Corp.,Bodio,Switzerland买到且标称粒径为40nm的那些。固化后所得弹性体组合物具有高介电常数(>20)、低损耗(<0.04)和高电介质击穿强度(>140V/mil)并出乎意料地表现出场相关性电容率(非线性)。这些不导电(低损耗)组合物表现出介电常数随电场增大而逐渐增大的独特非线性性质。在一些优选的实施方案中，组合物中钛酸钡体积填充量高于20体积％且钛酸钡与碳的体积百分数比率介于约6到约12之间。但这些组合物的断裂伸长率低于约150％，故其最适合于不需要优异的机械性能的应用。
在本发明的其它实施方案中，既获得良好的机械性能又获得独特的非线性电性能。在这些实施方案中，组合物包括由(a)高介电常数填料如纳米二氧化硅(即纳米尺寸二氧化硅粒子)改性的钛酸钡(25体积％)、(b)炭粉(3.0体积％)和(c)硅油(包含具有SiO骨架的低聚物的油)(10体积％)在硅橡胶基体中组成的弹性体复合材料。纳米二氧化硅改性的钛酸钡与硅油添加剂的独特组合大大提高填料(钛酸钡)在聚硅氧烷基体中的分散和增强。因此，该组合物表现出改进的机械性能(断裂伸长率>300％、拉伸强度372-520psi)和电性能(介电常数23-30、耗散因数<0.05、击穿强度180-210V/mil)并具有提供改进的脉冲性能的优选电导率分布。这些改进的性能使得本发明的组合物和制品的至少一些实施方案特别适用于需要优异的机械性能的高压线缆附件中的应力控制，例如冷缩应用。
一些改进的性能通过使用纳米二氧化硅改性的填料(钛酸钡)与硅油添加剂的独特组合改进填料在硅橡胶中的分散和增强获得。
对于本发明的无机粒子，合适的材料包括例如BaTiO3粒子、BaSrTiO3粒子、CaCu3Ti4O12粒子(包括例如在800℃的温度下煅烧或烧结的粒子)和SrTiO3粒子或它们的混合物。这样的粒子可以是纯净的或者可以是改性的，例如通过掺杂或通过加入其它成分。优选无机粒子的相对介电常数高于80。无机粒子可以具有任何合适的形状，例如球、板、小片、立方体、针、扁圆、椭圆体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须等或它们的混合物。无机粒子的合适尺寸如直径的下限为约0.7μm到约1.0μm，上限为约0.8μm到约2.1μm。
通过用纳米二氧化硅改性无机粒子，可以增强高K层组合物的机械性能。例如，纳米二氧化硅改性的钛酸钡与硅油的组合可以大大提高钛酸钡在聚硅氧烷聚合物材料基体中的分散和增强。可以通过在甲苯中混合钛酸钡与疏水改性的纳米粒子并蒸发甲苯，来用纳米二氧化硅改性钛酸钡。可以将经干燥的材料与陶瓷大理石一起振摇以减少粒子附聚。可以然后将纳米二氧化硅改性的钛酸钡与炭粉一起研磨。纳米二氧化硅粒子对无机粒子的合适重量％为约0.5到约1.0，优选约0.75。纳米二氧化硅粒子的合适尺寸为约1到约50nm，优选约5nm。通常，其上施加纳米二氧化硅粒子的无机粒子的直径为约0.8μm到约2.1μm。
对于导电材料，合适的材料包括例如炭黑、碳纳米管、具有导电涂层的绝缘粒子、金属和金属粉，例如铝、金、银、铬、铜、钯、镍和它们的合金。导电材料可以呈任何合适的形式，例如团簇(例如碳粒子团簇)、单独的粒子和气化的固体，其可以涂布或沉积在无机粒子上。如果导电材料为颗粒，则其可以具有任何合适的形状如球、板、小片、立方体、针、扁圆、椭圆体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须等或它们的混合物。
导电材料向无机粒子的施加或附加可以任何合适的方式进行，例如：导电材料和无机粒子一起研磨、球磨、冲击涂布和磁辅助冲击涂布，在无机粒子上涂布、溶剂涂布、气相沉积和液体分散导电材料，或使用任何其它已知的使得导电材料形成不连续分布的合适方法，其中所述导电材料中的至少一部分与无机粒子持久电接触。导电材料可以施加到无机粒子表面的小面积或大面积上。施加到无机粒子的导电材料的适宜量的确定取决于多种因素，例如组合物中材料如导电材料、无机粒子、聚合物、添加剂的组合及材料的预期用途。
基础聚合物材料可选自大范围的聚合物。在一些情况下可能需要两种或更多种聚合物的共混物，所选聚合物至少在一定程度上取决于材料预计的用途。适合单独或混合的聚合物的示例包括弹性体材料，例如硅氧烷或EPDM；热塑性聚合物，例如，聚乙烯或聚丙烯；粘接剂，例如，基于乙烯-乙酸乙酯的那些粘接剂；热塑性弹性体；凝胶；热固性材料，例如，环氧树脂；或这些材料的组合，包括共聚物，例如聚异丁烯和无定形聚丙烯的组合、表氯醇聚合物、含氟弹性体聚合物、以及表氯醇和含氟弹性体聚合物的共混物。
所述组合物还可以包含其它熟知的用于这些材料的添加剂，以例如改进其加工性能和/或对特定应用的适宜性。在后一方面，例如，可能需要用作电缆附件的材料以承受户外环境条件。合适的添加剂可因此包括加工助剂、稳定剂、抗氧化剂和增塑剂，例如油，如硅油。组合物可以通过混合其上附加了导电材料的无机粒子与聚合物和任何所需添加剂制备。在许多组合物实施方案中，将导电材料分散在聚合物材料中，该导电材料与涂布在无机粒子上的导电材料相同或不同。
在另一个方面中，组合物包括以与无机粒子电接触方式不连续地分布于无机粒子上的导电材料，并还包括分散在聚合物材料中的导电材料。组合物中导电材料的总量可以介于取得组合物的渗滤阈值所需导电材料的量的约40到约70体积％之间。
在另一个方面中，组合物可以具有大于约10、优选大于约15、优选大于约18的相对介电常数，以及小于约0.1、优选小于约0.12、并且更优选小于约0.05的介电损耗。
在另一方面，组合物可具有大于约150伏特/毫米(V/mm)，优选大于约4千伏/毫米(kV/mm)，优选大于约7.2kV/mm的电介质击穿强度。
在另一方面中，该组合物可以具有当施加的电压改变时以非线性方式改变的相对介电常数值。
在另一个方面中，聚合物材料可以包括弹性体材料，并且其断裂伸长率高于约150％、优选高于约300％，永久变形(按ASTM D 412-06a)低于约25、优选低于约20、更优选低于约10。
在另一个方面中，组合物的弹性模量可以高于约150磅每平方英寸，优选高于约230磅每平方英寸，并且更优选高于约300磅每平方英寸。
如上所述，层110沿轴向孔106的长度基本上是连续的。在一个方面中，层110沿着已制备的线缆部分的整个长度延伸(参见例如轴线105)。这种较长的长度可以帮助改善脉冲性能。
如前所述，层110和任选的层130可以包括任何上述高K材料组合物。在另一方面中，第三层130可以包括不同的弹性体应力控制材料，其具有不同的填料、不同量的填料或不同的弹性体。
在本发明的另一个方面中，层110(和任选的层130)可以包括负载多达约70重量％的层，其中“70重量％”是指作为应力控制填料的组合物的总质量的特定重量百分比。填料的总量通常是较高的重量百分比，因为基础弹性体已经包含一些增强填料(例如，热解法二氧化硅)。正如研究人员所观察到的，重量负载多达约70％可以帮助平衡诸如应力控制、物理性质、击穿强度和介电加热等因素。观察到具有较高重量负载(例如，72.5％或更高)的样品导致分裂，这可能导致在高电压水平下的交流电下失效。
在另一个方面中，第一层110的厚度可以为约0.05英寸至约0.4英寸。在一个优选的方面中，该厚度沿轴向孔的整个长度是一致的。厚度大于0.2英寸的层可以改善PD和AC性能。
在另一个方面中，第二层120的厚度可以为约0.05英寸至约2英寸。在一个优选的方面中，该厚度沿轴向孔的整个长度是一致的。
在另一个方面中，第三层130的厚度可以为约0.05英寸至约0.4英寸。在一个优选的方面中，该厚度沿轴向孔的整个长度是一致的。
在另一个方面中，第四层140的厚度可以为约0.05英寸至约0.30英寸。在一个优选的方面中，该厚度沿轴向孔的整个长度是一致的。
在另一个方面中，对于多达并包括123kV Um的电压水平，应力控制装置主体的总轴向长度可以多达约40英寸。
在另一个方面中，应力控制制品100还可以包括施加到上述多层中的一层或多层的界面电介质涂层。界面电介质涂层可包括油脂或类似材料并且可以有助于减少界面击穿。所用的油脂的类型可图取决于层组合物。例如，聚氟醚油可以用于涂覆硅氧烷材料，因为它不被吸收到聚合物中。取决于应用，其它合适的材料包括氟硅油基油脂和PDMS油基油脂。
在另一个方面中，对于多达并包括145kV Um的电压水平，应力控制装置主体的总轴向长度可以多达约52英寸。这种总长度比常规推入式装置的长度减少了约25％。
图2示出了另一个实施方案，设置在电缆1上的多层应力控制物品200的示意性轴向纵向局部视图，其可以具有与上述类似的线缆设计。应力控制装置200包括围绕孔同心地布置并彼此同心布置的多个层210、220、230和240。至少一个层包括应力控制层，该应力控制层可包括与上述相同或相似的材料。
更详细地，应力控制制品200包括由多层电应力控制组合物(诸如上述那些)形成的第一或最内层210。如图2所示，层210包括双层结构，其具有两个不同的层，诸如层210a和层210b。层210a和210b中的每一个可以包括高K材料，诸如先前详细描述的。层210a和210b可以具有相同的组合物或不同的组合物。这种类型的多高K层结构可以用于更高电压的应用，例如145kV Um。
在一个方面中，单独的半导电或导电屏蔽层252在电缆1的边缘30处或附近的位置处周向地设置在层210a和210b之间。屏蔽层252的轴向长度比高K层210a，210b的轴向长度短得多。层252可以用作线缆屏蔽的延伸部，并且可以电连接到接地电势，并且可以在任何线缆制备误差的情况下帮助提供屏蔽。
此外，应力控制制品200还包括设置在屏蔽层252的一个轴向端部处的高K胶粘材料255。该高K胶粘材料255可以包括与先前描述的高K材料相同的组合物，但以未固化的形式并且可以施加到屏蔽层252的端部并且完全施加在屏蔽层周围。高K胶粘材料255的电特性与层210a、210b类似，并且可以帮助防止屏蔽层252处的层210a和210b之间的界面的脉冲击穿。高K胶粘材料255可以产生更多热量，但也可以改善PD和AC性能。在替代性配置中，可以采用模制设计。
此外，应力控制装置200包括层220，该层包括同心地设置在层210上的电绝缘材料。电绝缘材料220可以包括常规绝缘材料。
应力控制制品200还包括设置在层220上的层230，该层230包括弹性体应力控制材料。在一个优选的方面中，层230与线缆屏蔽层电绝缘，由此使其与接地层相比处于浮动电势，如本文中进一步详细描述的。在另一个优选方面中，层230可以包括具有与最内层210的至少一个层相同的组合物的材料。
制品200还包括设置在层230上的层240，该层240包括抗电弧径迹性的弹性体材料。
另外，层210、220、230、240中的每一个沿轴向孔的长度基本上是连续的，并且在一些实施方案中，沿着已制备的线缆部分的整个长度延伸。
在另一个方面中，应力控制制品200还可以包括施加到上述多层中的一层或多层的界面电介质涂层。界面电介质涂层可包括油脂或类似材料并且可以有助于减少界面击穿。如上所述，所用的油脂的类型可图取决于层组合物。例如，聚氟醚油可以用于涂覆硅氧烷材料，因为它不被吸收到聚合物中。取决于应用，其它合适的材料包括氟硅油基油脂和PDMS油基油脂。
在一些方面中，本发明的实施方案提供一种包括如上所述的电应力控制装置的高压接线端装置或高压线缆接头或接合部。包括根据本发明的电应力控制装置的高压接线端装置或线缆接头可降低使用该高压接线端装置或线缆接头的线缆的中心导体与接地层之间电击穿的风险，同时需要减小的空间。
因此，本发明的实施方案提供了多层和同轴应力控制装置或线缆附件，诸如接线端或接合部。与用于高于Um＝72.5kV的电压的常规干式线缆附件相比，应力控制材料和设计允许线缆附件更紧凑并且便于直接制造和安装。通过使用冷缩技术将接线端应用于线缆，可能以直接方式进行安装。通过使用本文所述的高K应力控制材料来实现干燥和紧凑的特征。此外，该设计提供了一种装置，该装置包括第一应力控制材料与第二应力控制材料的组合，该第二应力控制材料在位置上与第一应力控制材料同轴并且处于不同(浮动)电势。
实施方案部分
以下为本说明书的示例性实施方案的列表。
实施方案1A是一种具有一定长度的轴向孔的管状应力控制制品，包括：由电应力控制组合物形成的第一层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料；设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括弹性体应力控制材料；以及设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料，其中所述第一层、所述第二层、所述第三层和所述第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的。
实施方案2A是根据实施方案1A所述的制品，其中所述可膨胀体还包括可移除芯材料，所述芯材料设置在所述第一层的内表面上以将所述主体保持在膨胀状态，直到所述芯被移除。
实施方案3A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第一层包括双层结构，其具有设置在所述双层结构的一部分之间的半导体或导电材料。
实施方案4A是根据前述实施方案任一项所述的制品，还包括设置在所述第四层的外表面上并包括多个伞裙的第五层。
实施方案5A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第一层的负载高达约70重量％。
实施方案6A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第一层的厚度为约0.05英寸至约0.40英寸。
实施方案7A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第二层的厚度为约0.05英寸至约2英寸。
实施方案8A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第三层的厚度为约0.05英寸至约0.40英寸。
实施方案9A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第四层的厚度为约0.05英寸至约0.30英寸。
实施方案10A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述主体的总长度多达40英寸。
实施方案11A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述主体的总长度多达52英寸。
实施方案12A是根据前述实施方案任一项所述的制品，其中所述第一层和所述第三层包括相同的材料组合物。
实施方案13A是根据前述实施方案任一项所述的制品，还包括设置在所述半导体或导电材料的一个轴向端部处的高K胶粘材料。
实施方案1B是一种用于中压或高压线缆的线缆附件，具有导电芯、径向围绕所述芯的线缆绝缘材料和围绕所述线缆绝缘材料的线缆屏蔽层，所述线缆附件包括管状应力控制主体，所述管状应力控制主体包括：由电应力控制组合物形成的第一层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料；设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括与所述线缆屏蔽层电绝缘的弹性体应力控制材料；以及设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料，其中所述第一层、所述第二层、所述第三层和所述第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的。
实施方案2B是根据实施方案1B所述的线缆附件，还包括可移除芯材料，所述可移除芯材料设置在所述第一层的内表面上以将所述主体在所述电缆上保持膨胀状态，直到所述芯被移除。
实施方案3B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第一层包括双层结构，所述双层中的每一个沿所述轴向孔的长度基本上是连续的，并且还包括设置在所述双层结构的一部分之间的半导体或导电材料。
实施方案4B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，还包括设置在所述第四层的外表面上并包括多个伞裙的第五层。
实施方案5B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第一层的负载高达约70重量％。
实施方案6B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第一层的厚度为约0.05英寸至约0.40英寸。
实施方案7B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第二层的厚度为约0.05英寸至约2英寸。
实施方案8B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第三层的厚度为约0.05英寸至约0.40英寸。
实施方案9B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第四层的厚度为约0.05英寸至约0.30英寸。
实施方案10B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述应力控制主体的总长度多达40英寸。
实施方案11B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述应力控制主体的总长度多达52英寸。
实施方案12B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述第一层和所述第三层包括相同的材料组合物。
实施方案13B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述半导电或导电材料的轴向长度比所述双层的轴向长度短得多，并且还包括设置在所述半导体或导电材料的一个轴向端部处的高K胶粘材料。
实施方案14B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，包括干式线缆附件。
实施方案15B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，包括接线端和接合部中的一个，其中所述第一层包括其中设置有电极的双层结构。
实施方案16B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述线缆附件在至少72.5kV的电压电平下操作。
实施方案17B是根据前述线缆附件实施方案任一项所述的线缆附件，其中所述线缆附件在至少123kV的电压电平下操作。
虽然本发明可修正为各种修改形式和另选形式，但其具体形式已在附图中以举例的方式示出，并且将被详细描述。然而，应当理解，本发明不将本发明限制于所描述的特定实施方案。正相反，本发明覆盖落入如由所附权利要求书所限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和另选方案。

Claims (28)

1.一种具有一定长度的轴向孔的管状应力控制制品，包括可膨胀主体，所述可膨胀主体包括：
由电应力控制组合物形成的第一层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；
设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料；
设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括弹性体应力控制材料；和
设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料，
其中所述第一层、所述第二层、所述第三层和所述第四层中的每一个沿所述轴向孔的所述长度是连续的，以及
其中所述第一层包括双层结构，其具有设置在所述双层结构的一部分之间的半导体或导电材料。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述可膨胀主体还包括可移除芯材料，所述可移除芯材料设置在所述第一层的内表面上以将所述主体保持在膨胀状态，直到所述可移除芯材料被移除。
3.根据权利要求1所述的制品，还包括设置在所述第四层的外表面上并包括多个伞裙的第五层。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一层的负载多达70重量％。
5.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一层的厚度为0.05英寸至0.40英寸。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述第二层的厚度为0.05英寸至2英寸。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述第三层的厚度为0.05英寸至0.40英寸。
8.根据权利要求1所述的制品，其中所述第四层的厚度为0.05英寸至0.30英寸。
9.根据权利要求1所述的制品，其中所述主体的总长度多达40英寸。
10.根据权利要求1所述的制品，其中所述主体的总长度多达52英寸。
11.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一层和所述第三层包括相同的材料组合物。
12.根据权利要求1所述的制品，还包括设置在所述半导体或导电材料的一个轴向端部处的高K胶粘材料。
13.一种用于中压或高压线缆的线缆附件，具有导电芯、径向围绕所述导电芯的线缆绝缘材料和围绕所述线缆绝缘材料的线缆屏蔽层，所述线缆附件包括管状应力控制主体，所述管状应力控制主体具有一定长度的轴向孔并且包括：
由电应力控制组合物形成的第一层，所述电应力控制组合物具有包括纳米二氧化硅改性的无机粒子的填料和分散在弹性体材料中的导电材料的不连续分布，其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；
设置在所述第一层上的第二层，所述第二层包括电绝缘材料；
设置在所述第二层上的第三层，所述第三层包括与所述线缆屏蔽层电绝缘的弹性体应力控制材料；和
设置在所述第三层上的第四层，所述第四层包括抗电弧径迹性的弹性体材料，
其中所述第一层、所述第二层、所述第三层和所述第四层中的每一个沿所述轴向孔的长度是连续的，以及
其中所述第一层包括双层结构，所述双层中的每一个沿所述轴向孔的所述长度是连续的，并且还包括设置在所述双层结构的一部分之间的半导体或导电材料。
14.根据权利要求13所述的线缆附件，还包括可移除芯材料，所述可移除芯材料设置在所述第一层的内表面上以将所述主体保持在膨胀状态，直到所述可移除芯材料被移除。
15.根据权利要求13所述的线缆附件，还包括设置在所述第四层的外表面上并包括多个伞裙的第五层。
16.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第一层的负载多达70重量％。
17.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第一层的厚度为0.05英寸至0.40英寸。
18.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第二层的厚度为0.05英寸至2英寸。
19.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第三层的厚度为0.05英寸至0.40英寸。
20.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第四层的厚度为0.05英寸至0.30英寸。
21.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述应力控制主体的总长度多达40英寸。
22.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述应力控制主体的总长度多达52英寸。
23.根据权利要求13所述的线缆附件，其中所述第一层和所述第三层包括相同的材料组合物。
24.根据权利要求13所述的线缆附件，还包括设置在所述半导体或导电材料的一个轴向端部处的高K胶粘材料。
25.根据权利要求13所述的线缆附件，包括干式线缆附件。
26.根据权利要求13所述的线缆附件，包括接线端和接合部中的一个，其中所述第一层包括其中设置有电极的双层结构。
27.根据权利要求26所述的线缆附件，其中所述线缆附件在至少72.5kV的电压电平下操作。
28.根据权利要求27所述的线缆附件，其中所述线缆附件在至少123kV的电压电平下操作。
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