限制局部放电的电缆的制作方法

1.本发明涉及一种限制局部放电的发生的绝缘导电元件或电缆，以及一种包括这种元件的导电电缆。


背景技术：

2.电缆通常包括被至少一层绝缘材料和可能的一层或多层半导体材料包围的至少一个导电元件。
3.当电缆在工作时，可能会发生局部放电。当在包围导电元件的一个或多个层中或在层与该层包围的元件(导体或层)之间存在气泡或气腔时，在绝缘体的表面和/或绝缘体中可能出现这些局部放电。
4.在航空航天领域，电缆承受高电压，这加上比如潮湿、高温和低压等条件，可能会促进局部放电的发生。局部放电是绝缘材料中的微小电弧，随着时间的推移，会导致电绝缘材料退化(特别是因缓慢侵蚀而退化)，这可能导致其介电击穿。防止局部放电的发生的一种解决方案通常是增大绝缘层的厚度。
5.随着混合动力或电力推进系统的发展、特别是在航空航天领域，电缆中的局部放电问题变得更加显著。具体而言，在这种系统中，电缆必须传输强度越来越高的电压和电流，以达到可能最高达几十兆伏安(mva)的功率。
6.此外，在高电压下，观察到电缆表面的局部放电，特别是在低压和高温下观察到电晕放电。在飞行中的飞行器中，电缆所暴露于的外部压力(不在飞行器的规定加压区域内)可能会下降，例如，下降到145hpa(145毫巴)，或甚至下降到90hpa(90毫巴)。
7.在如此高的电压值下，在地面配电解决方案中已知的做法是使用三层电缆，其中，绝缘层位于两个半导体层之间。然而，这种解决方案需要去除外部半导体层以进行连接，并且连接系统需要结合具有电场控制的系统，这使得该系统在航空航天领域的使用变得困难。三层电缆也表现出相当大的厚度，以防止发生局部放电。
8.然而，在航空航天领域，约束可能是可变的。由于并非所有飞行器都在非常高的海拔(13.7km或45k ft)飞行，因此需要为航空航天用途设计具有中间工作约束的电缆，特别是低于10.6km(35k ft)的飞行海拔并暴露于低于1000v的电压。此外，需要为这种航空航天电缆的使用提供便利，不需要特殊的端部处理就能连接它们。
9.因此，需要一种电缆，它可以随时使用并且能够在不修改其端部的情况下进行连接，并且能够承受电压尖峰或局部放电开始电压(pdiv)，其值由飞行器制造商规定。通常，为这些局部放电开始电压建立振幅阈值(v峰值)，其考虑了瞬态、纹波和反射效应以及安全裕度。


技术实现要素：

10.本发明的目的是通过提供一种以绝缘系统为特征的电缆来解决现有技术在重量、体积和易用性方面的至少一个缺点，该绝缘系统允许电缆承受高电压和大电流、同时限制
或甚至防止局部放电的发生，从而减小绝缘系统的厚度。
11.本发明的第一主题是一种限制局部放电的发生的航空航天电缆，该航空航天电缆包括细长导电元件和包围该细长导电元件的半导体层以及绝缘系统，该绝缘系统包括包围所述半导体层的一个或多个电绝缘层，该绝缘系统的每一层都有径向厚度，并且该绝缘系统的等效绝缘厚度大于或等于该电缆拟使用的最小压力和最高温度的多项式函数方程的结果。优选地，该多项式方程可以是三次多项式方程，并且是在所述最小压力和最高温度条件下该电缆中的局部放电开始电压(pdiv)的函数。
12.有利地，相对于现有技术中寻求防止局部放电的发生的电缆，绝缘层的厚度减小，这使得导电元件是轻质的并且适用于需要轻质电缆的领域，如例如航空航天领域。
13.根据一个优选实施例，确定一个或多个绝缘层的厚度可以涉及计算，例如由计算机实施的计算。特别地，申请人发现，帕邢定律允许通过确定两个电极之间的空气中击穿电压的阈值来对结构为一组同心厚度的电缆的绝缘行为进行建模(其中一个电极覆盖有厚度与电缆的绝缘体相对应的绝缘体)，并且使得对这些电极施加给定电压，该给定电压可以对应于该电缆中的局部放电开始电压阈值。
14.因此，本发明中考虑的在最小压力和最高温度条件下的该局部放电开始电压(pdiv)可以被定义为高于两个电极之间的空气中击穿电压的值，其中一个电极覆盖有绝缘系统，该绝缘系统的材料和厚度分别与该电缆的绝缘系统的材料和厚度相同。
15.更具体地，等效绝缘厚度t
eq
可以为：[数学式1]和[数学式2]以及[数学式3]其中，p
t
是最小压力，特别是90hpa至1100hpa之间的最小压力t是最高温度，特别是在-65℃至260℃之间的温度并且pdiv表示在最小压力和最高温度条件下的局部放电开始电压，特别是具有在0.8kv到5kv(kv
峰值
)之间的振幅。
[0016]
本发明的另一个主题是一种多层绝缘系统，使得该等效绝缘厚度t
eq
被确定为形成该绝缘系统的每个层的各自径向厚度的函数，并且该等效绝缘厚度为：[数学式4]
其中，e
x
是层x的厚度并且ε
rx
是该层x的介电常数。
[0017]
特别地，这些电缆拟在可能低于或等于260℃的最高温度条件和/或至少90hpa且至多1100hpa的最小压力条件下使用。
[0018]
优选地，根据本发明的电缆的一个目标用途是在以下情况下使用：该绝缘系统可以完全地或部分地限定该电缆暴露于外部大气的外围边，该外部大气可能对应于该最小压力和/或该最高温度。特别地，电缆可能还覆盖有编织物，使绝缘系统部分地接触到外部大气。这种编织物的功能可能是电磁屏蔽或电传导。
[0019]
替代性地，本发明的另一个主题可以是一种被编织物包围的绝缘系统，该编织物本身覆盖有护套。
[0020]
更具体地，根据本发明的电缆在绝缘系统的径向外部可以没有半导体层。换言之，该电缆可以包括布置在导体与绝缘系统之间的单个半导体层。
[0021]
最后，为了改进对电缆的状态和安全性的视觉检查和监测，绝缘系统可以包括包含彩色颜料的层。因此，当这种电缆的颜色不均匀时，可以定位磨损区域。
[0022]
本发明的另一个主题是根据本发明的电缆在飞行器中的用途，该飞行器的最高飞行海拔为：使用该电缆的最小压力是该最高飞行海拔的函数。电绝缘层
[0023]
优选地，半导体层的厚度为e1，电绝缘层的厚度ei的值满足以下关系：[数学式5]ei≥e1
[0024]
在本发明中，绝缘系统的厚度ei之和特别地是平均径向厚度，并且可以相对于该平均径向厚度变化
±
30％、优选地
±
20％、并且特别优选地
±
10％。这种厚度变化可以是随机的，并且特别是由于将所述层施加到元件或包围该元件的层上的方法。
[0025]
电绝缘层可以包括至少一种硅酮、和/或氟硅酮、和/或选自以下聚合物的烯烃聚合物：线性低密度聚乙烯(lldpe)；极低密度聚乙烯(vldpe)；低密度聚乙烯(ldpe)；中密度聚乙烯(mdpe)；高密度聚乙烯(hdpe)；乙烯丙烯单体(epm)共聚物；乙烯丙烯二烯单体(epdm)三元共聚物；乙烯和乙烯基酯的共聚物，比如乙烯-醋酸乙烯酯(eva)共聚物；乙烯和丙烯酸酯的共聚物，比如乙烯丙烯酸丁酯(eba)共聚物或乙烯丙烯酸甲酯(ema)共聚物；乙烯和α-烯烃的共聚物，比如乙烯和辛烯(peo)的共聚物或乙烯和丁烯(peb)的共聚物；含氟聚合物，特别是选自基于四氟乙烯单体获得的共聚物，并且特别是选自聚四氟乙烯(ptfe)、氟化乙烯丙烯(fep)共聚物(例如，聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯))、全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物(例如，全氟(烷基乙烯基醚)/四氟乙烯共聚物)、全氟甲氧基烷烃(mfa)共聚物；以及乙烯基四氟乙烯(etfe)；及其混合物之一。
[0026]
优选地，电绝缘层可以包括至少一种含氟聚合物，特别是选自基于四氟乙烯单体获得的共聚物，并且特别是选自：聚四氟乙烯(ptfe)；氟化乙烯丙烯(fep)共聚物，例如，聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯)；全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物，例如，全氟(烷基乙烯基醚)/四氟乙烯共聚物；全氟甲氧基烷烃(mfa)共聚物；以及乙烯基四氟乙烯(etfe)；或其混合物之一。
[0027]
特别优选地，电绝缘层可以包括一种或多种全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物。
[0028]
优选地，电绝缘层可以包括与半导体层相同的聚合物组合物。
[0029]
在本发明中，聚合物组合物对应于包含给定量的一种或多种聚合物的组合物，并且特别地其百分比是按给定聚合物的重量计的。聚合物组合物主要包括一种或多种聚合物、优选地仅包括一种或多种聚合物。
[0030]
优选地，电绝缘层可以包括与半导体层相同的聚合物组合物，该聚合物组合物包括一种或多种全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物。
[0031]
电绝缘层可以包括按重量计至少50％的(多种)聚合物、优选地按重量计至少70％的(多种)聚合物、甚至更优选地按重量计至少80％的(多种)聚合物、并且甚至更优选地按重量计至少90％的(多种)聚合物。
[0032]
本发明的电绝缘层传统地可以包括额外的试剂，例如填料、颜料、交联剂、阻燃填料等。
[0033]
电绝缘层可以是围绕导电元件挤出的层。
[0034]
优选地，半导体层围绕导电元件挤出。特别优选地，电绝缘层与半导体层围绕导电元件共同挤出。
[0035]
在本发明中，“电绝缘层”是指在最高达260℃的工作温度范围内电导率非常低或甚至为零、特别是低于10-6
s/m、优选地低于10-13
s/m的层。
[0036]
优选地，对于100hz至100khz之间的频率并且从0℃至200℃的温度，本发明的导电元件的电绝缘层可以具有根据astm d150标准的介电常数，低于2.3、优选地低于2.2、并且特别优选地低于2.1。
[0037]
根据一个优选实施例，该导电元件可以用于航空航天领域。导电元件
[0038]
细长导电元件可以是单部分导体，例如金属线，或者是多部分导体，比如多根扭绞或不扭绞的金属线，优选地为多根扭绞或不扭绞的金属线以增加电缆的柔韧性。当其包括多根金属线时，这些金属线可以是利兹线，使得利兹线是漆包线的，并且这些金属线对于宽截面的导电元件特别有效，以改善电缆的集肤效应、以及因此焦耳加热和过热的减少。当电缆包括多根金属线时，位于导体中心的一些金属线可以用非金属线代替。
[0039]
细长导电元件可以由铝、铝合金、铜、铜合金及其混合物之一制成。
[0040]
细长导电元件可以包括一个或多个碳纳米管或具有石墨烯以增加电导率、热导率和/或机械强度。
[0041]
根据一个可能的实施例，导电元件可以覆盖有与形成导体的金属不同的金属或与形成导体的合金不同的合金，例如，镍、镍合金、锡、锡合金、银、银合金或其混合物之一。这种称为镀层的覆盖物可以保护导体免受腐蚀和/或提高导体的接触电阻。
[0042]
导电元件由金属或金属合金形成是指导电元件包含至少70％、优选地至少80％、并且甚至更优选地至少90％的所述金属或所述合金。
[0043]
导电元件可以具有范围从3mm2(awg 12)至107mm2(awg 0000)、优选地范围从14mm2(awg 6)至107mm2(awg 0000)、优选地范围从34mm2(awg2)至107mm2(awg 0000)、并且甚至更优选地范围从68mm2(awg00)至107mm2(awg0000)的截面。
[0044]
导电元件可以具有范围从2.0mm至20mm、优选地范围从4.5mm至18mm、优选地范围从7.0mm至16mm、并且甚至更优选地范围从10mm至15.2mm的外径。半导体层
[0045]
半导体层可以包括至少一种硅酮、和/或氟硅酮、和/或选自以下聚合物的烯烃聚合物：线性低密度聚乙烯(lldpe)；极低密度聚乙烯(vldpe)；低密度聚乙烯(ldpe)；中密度聚乙烯(mdpe)；高密度聚乙烯(hdpe)；乙烯丙烯单体(epm)共聚物；乙烯丙烯二烯单体(epdm)三元共聚物；乙烯和乙烯基酯的共聚物，比如乙烯-醋酸乙烯酯(eva)共聚物；乙烯和丙烯酸酯的共聚物，比如乙烯丙烯酸丁酯(eba)共聚物或乙烯丙烯酸甲酯(ema)共聚物；乙烯和α-烯烃的共聚物，比如乙烯和辛烯(peo)的共聚物或乙烯和丁烯(peb)的共聚物；含氟聚合物，特别是选自基于四氟乙烯单体获得的共聚物，并且特别是选自聚四氟乙烯(ptfe)、氟化乙烯丙烯(fep)共聚物(例如，聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯))、全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物(例如，全氟(烷基乙烯基醚)/四氟乙烯共聚物)、全氟甲氧基烷烃(mfa)共聚物；以及乙烯基四氟乙烯(etfe)；及其混合物之一。
[0046]
优选地，半导体层可以包括至少一种含氟聚合物，特别是选自以下含氟聚合物：聚四氟乙烯(ptfe)；氟化乙烯丙烯(fep)共聚物，例如，聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯)；全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物，例如，全氟(烷基乙烯基醚)/四氟乙烯共聚物；全氟甲氧基烷烃(mfa)共聚物；以及乙烯基四氟乙烯(etfe)；或其混合物之一。
[0047]
特别优选地，半导体层可以包括一种或多种全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物。
[0048]
半导体层可以包括按重量计至少50％的(多种)聚合物、优选地按重量计至少70％的(多种)聚合物、甚至更优选地按重量计至少80％的(多种)聚合物、并且甚至更优选地按重量计至少90％的(多种)聚合物。
[0049]
本发明的半导体层传统上可以包括导电填料。例如，该半导体层可以包括按重量计从0.1％至40％的导电填料，例如炭黑、碳纳米管等。半导体层使导电元件周围的电场衰减。
[0050]
半导体层可以是围绕细长导电元件挤出的层、或者围绕细长导电元件缠绕的带状物形式的层、或者围绕细长导电元件沉积的清漆层、或者其组合之一。
[0051]
优选地，电绝缘层围绕半导体层挤出。
[0052]
半导体层可以具有范围从0.05mm(毫米)至1.0mm、优选地范围从0.07mm至0.8mm的厚度e1，并且特别优选地范围从0.09mm至0.5mm的厚度。
[0053]
在本发明中，“半导体层”是指其体积电阻率低于10 000ωxm(欧姆-米)(在环境温度下)、优选地低于1000ωxm、并且特别优选地低于500ωxm的层。
[0054]
根据一个优选实施例，半导体层可以直接围绕导电元件放置并且因此与所述元件直接物理接触。因此，半导体层使导体周围的电场变得平滑。
[0055]
半导体层可以具有范围从0.3mm至22mm、优选地范围从0.8mm至18mm、优选地范围从1.0mm至16mm、并且特别优选地范围从1.2mm至12mm的外径。形成单个绝缘导电元件的电缆
[0056]
根据本发明的电缆可以在可能范围从35a
rms
至1000a
rms
、优选地从80a
rms
至600a
rms
、特别优选地从190a
rms
至500a
rms
的强度下使用，这些值是针对在使用中的导体的最高温度为260℃给出的。
[0057]
根据本发明的电缆可以用于dc或ac。当电缆用于ac时，工作频率的范围可以从10hz(赫兹)至100khz(千赫兹)、优选地从10hz到10khz、特别优选地从10hz至3khz。在pwm系统中，频率指的是电流的基频。
[0058]
根据本发明的电缆可以用于飞行器的加压或非加压区域中，其中功率范围为从8kva(千伏安)至3000kva、优选地从100kva至2000kva、并且特别优选地从250kva至1500kva。导电电缆
[0059]
本发明的第二主题涉及一种包括一个或多个如上所述的绝缘导电元件的导电电缆。
[0060]
针对形成单个绝缘导电元件的电缆描述的电压值、强度值、功率值和频率值也适用于导电电缆。
[0061]
电缆可以包括形成电磁屏蔽的金属屏障。在电缆包括单个绝缘导电元件的情况下，金属屏障可以围绕电绝缘元件放置。在电缆包括多个绝缘导电元件的情况下，金属屏障也可以围绕所有绝缘导电元件放置。
[0062]
附加地，导电电缆可以包括保护套。
[0063]
保护套可以是基于聚合物的层，比如针对电绝缘层描述的那些聚合物。对于航空航天领域中的应用，保护套可以优选地基于一种或多种含氟聚合物(例如，ptfe、fep、pfa和/或etfe)和/或基于聚酰亚胺。
[0064]
优选地，保护套可以是电缆的最外层。
[0065]
保护套可以是呈带状物、挤出物或清漆形式的。
附图说明
[0066]
附图说明了本发明：
[0067]
[图1]示出了根据本发明的电缆的截面视图；以及
[0068]
[图2]示出了根据本发明的电缆的等效绝缘厚度(teq)随电缆拟使用的各种最小压力和150℃最高温度的变化的曲线图。
具体实施方式
[0069]
为清楚起见，仅以图解方式呈现了对理解以下描述的实施例必不可少的那些要素，而不考虑比例。
[0070]
如图1所示，根据本发明的一个实施例的形成单个绝缘导电元件1的电缆包括细长导电元件2、包围细长导电元件2的半导体层3、以及包围半导体层3的电绝缘层4。
[0071]
细长导电元件2由用铜制成的37股线形成、覆盖有一层镍，并且因此具有12awg(美国线规)的直径。
[0072]
半导体层3和绝缘层4的材料包括pfa。半导体层由聚合物混合物a形成，该聚合物混合物包括相对于聚合物混合物总重量至少60％(按重量计)的全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物。聚合物混合物a例如由polyone以参考号s185.1 b出售。
[0073]
电绝缘层由第二聚合物混合物b形成，该聚合物混合物包括相对于聚合物混合物总重量至少95％(按重量计)的全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物。聚合物混合物b例如由daikin以参考号ap-210出售。通过聚合聚合物混合物b获得的这种材料的介电常数为2.1。
[0074]
将聚合物混合物a和b各自引入用于两层共挤出的两个挤出机之一中并围绕细长导电元件2挤出。
[0075]
根据本发明的用于承受“飞行温度下的压力”pt的电缆被确定为使得[数学式2]其中，p
t
是最小压力t是最高温度。并且使得系数b
n,m
如下b
n,m
n＝1n＝2n＝3n＝4m＝1-0.581330.816290.022820.00864m＝22.11632-2.91153-0.02497-0.03217m＝3-2.888333.940180.015840.04238m＝41.31095-1.78528-0.01122-0.01814并允许针对给定的最小压力和给定的最高温度计算三次多项式方程的系数，其中[数学式2]
[0076]
并且当用户设置以振幅(kv峰值)表示的pdiv电阻阈值时(该阈值表示在给定值的这些最小压力和最高温度条件下的局部放电开始电压(pdiv)的振幅)，于是可以借助本发明通过应用以下方程确定该电缆所需的等效绝缘厚度t
eq
。
[0077]
[数学式1]
[0078]
因此，对于1000毫巴的最小压力和80℃的给定最高温度、以及振幅为3.946kv(v峰值)的pdiv电阻阈值，该绝缘系统的等效绝缘厚度(teq)必须为0.4762mm。a1-0.06576a20.09544a30.00779a40.00072
[0079]
该绝缘系统的该等效绝缘厚度teq然后被转换成径向厚度，作为形成绝缘系统的一种或多种材料的介电常数的函数。
[0080]
解决了1000毫巴的最小压力和80℃的给定最高温度以及3.946kv的pdiv电阻阈值的约束的电缆的一个示例性实施例具有以下尺寸-导体的平均直径＝2.15mm(
±
10％)；-当介电常数为2.10时，绝缘系统的单个绝缘层的平均厚度约为1mm。
[0081]
本发明的另一个主题是一种多层绝缘系统，使得该等效绝缘厚度t
eq
被确定为形成该绝缘系统的每个层的各自径向厚度的函数，并且该等效绝缘厚度为：[数学式4]
其中，e
x
是层x的径向厚度并且ε
rx
是该层x的介电常数。
[0082]
对于0.50mm的电绝缘层ei的厚度和2.10的介电常数，在测量结果与计算结果之间获得了良好的一致性，如下面的结果所示。测量的局部放电开始电压(pdiv)表示为10次测量的平均值和变异系数(标准差与平均值的比率)。测量的pdiv接近计算的pdiv并且略高。因此，本发明确保了在规定的pdiv限制内没有局部放电的操作，而在确定pdiv方面没有过多的余量，这将导致过高的厚度以及因此过高的重量。
[0083][0084]
对于1mm的电绝缘层厚度ei和2.10的介电常数，获得以下结果。在此同样地，对于各种最小压力和各种最高温度，测量的结果与计算的结果之间的良好一致性得到了证明。在另一个示例中，对于1000vrms的pdiv阈值，即振幅为1414v峰值，对于35k ft的最高飞行海拔，对应于暴露于238毫巴的最小压力和150℃的最高温度，teq＝0.367mm对应于由95％(按重量计)的全氟烷氧基烷烃(pfa)共聚物形成的径向厚度为0.79mm的电绝缘层。