用于高功率线缆的电场控制装置及其制造方法与流程

本文所公开的技术大体涉及电应力释放装置的领域，并且特别地涉及用于高压线缆的电场控制装置、电气设备及制造电场控制装置的方法。

背景技术：

在高功率线缆的终端端部处，高压将创建电场和电气应力，特别是在线缆的外屏蔽处。高压线缆因此需要具有某种类型的应力释放装置安装在其终端端部处，用于处理这些电气应力。

应力锥是用于控制特别是在线缆终端处的电场的这样的应力释放装置中的一个类型，并且在很多情况中对于线缆终端的正常运转和鲁棒性是至关重要的。应力锥典型地由两个不同的橡胶材料制成、例如半导电橡胶和绝缘橡胶，其中形状和材料性质上的差异引导并分配电场以便使绝缘击穿的风险最小化。例如由半导电橡胶制成的偏转器通过具有高的击穿强度的绝缘橡胶来引导电场。

在现有的高功率线缆终端中、特别是在高压直流(HVDC)终端中，应力锥安装在场分级适配器上面，该场分级适配器进而安装在线缆端部上面。包括场分级材料的电阻式场分级适配器通过其场依赖导电率重新分配电场，其中电导率取决于电场。应力锥还提供几何场分级以便在诸如脉冲等的瞬变期间控制电场。

技术实现要素：

安装在高压线缆的终端处的应力释放装置的两个分离的部分、即场分级适配器和应力锥，造成不同材料相遇的两个物理界面。这些界面可能会带来例如与传统安装方法相关的缺点，其中首先将场分级适配器布置在线缆端部上并且之后将应力锥布置在场分级适配器上。存在有污染物、例如油脂和化学品被引入这些部分上的风险，这可能会降低它们的性能。应力锥和场分级适配器的功能性可能会进一步受到在该安装时创建的界面处的空隙的存在的影响。因此认识到了若干风险并且在这方面存在有改进的需要。

本发明的目的是解决或至少减轻上面提到的问题中的至少一个。

该目的根据第一方面通过一种用于高压线缆的电场控制装置来实现。电场控制装置包括应力锥和场分级适配器，其中应力锥和场分级适配器通过硫化被化学键联。发明通过去除在场分级适配器与应力锥之间的物理界面(该物理界面可能在安装期间被污染)提供了具有增加了的操作鲁棒性的电场控制装置。此外，提供了更快的安装，因为仅一个主体待装配在功率线缆端部上面。此外，安装方便且更安全地进行，因为单个装置待正确地放置。

在一实施例中，应力锥包括被硫化到一起的偏转器和橡胶部分。

在上面的实施例的变型中，应力锥的橡胶部分沿着场分级适配器的长度延伸，使得场分级适配器仅与应力锥的橡胶部分接触。在该实施例中，没有三重点，即没有三种不同材料相遇的点。与三重点相关的风险、例如危险地高的电场强度因此被消除。

在一实施例中，橡胶部分具有实质上截头圆锥的形状并且在其与橡胶部分的截头顶部相反的端部处包括周向槽，其中偏转器沿着周向槽的表面布置。这样的槽可以在一些情况下是有利的，例如当安装电场控制装置时用于提供机械支撑。

在一实施例中，偏转器由半导电橡胶制成并且橡胶部分由绝缘橡胶制成。

在一实施例中，场分级适配器由第一场分级材料制成并且橡胶部分由第二场分级材料制成。

在上面的实施例的变型中，第一场分级材料具有与第二场分级材料不同的电气性质。

目的根据第二方面通过一种电气设备来实现，电气设备包括高功率线缆，高功率线缆包括由绝缘层和导电屏蔽周向包围的电导体，并且电气设备包括根据上面的实施例中的任一方面的电场控制装置。电场控制装置可以布置在导电屏蔽终端所在的边缘上面，因此保护免受在这样的部位处创建的电场的伤害。

目的根据第三方面通过一种用于制造用于高压线缆的电场控制装置的方法来实现。方法包括使应力锥和场分级适配器硫化到一起，由此应力锥和场分级适配器被化学键联。方法通过硫化去除了应力锥与场分级适配器之间的物理界面并由此减小了诸如空隙和污染等的内部缺陷的影响，并由此还增加了电场控制装置的电击穿强度。

在一实施例中，方法包括：在使应力锥和场分级适配器硫化到一起之前，模制成型应力锥并且模制成型场分级适配器。

在一实施例中，方法包括：在使应力锥和场分级适配器硫化到一起之前，通过包括围绕筒状体卷绕由场分级材料制成的带子的卷带过程(taping process)来制造场分级适配器。

在一实施例中，方法包括：在使应力锥和场分级适配器硫化到一起之前，通过包括将带子卷绕成主体并将主体形成为应力锥的期望的形状的卷带过程来制造应力锥。

在一实施例中，方法包括：其中应力锥包括偏转器和橡胶部分，并且其中方法包括：在使应力锥和场分级适配器硫化到一起之前，使偏转器和橡胶部分硫化到一起。

本发明的进一步特征和优点将在阅读下面的描述和附图时变得清楚。

附图说明

图1图示出现有技术的应力释放装置。

图2图示出现有技术的应力释放装置的缺点。

图3图示出根据本发明的电场控制装置的实施例。

图4图示出安装在线缆上的根据本发明的电场控制装置的实施例。

图5图示出根据本发明的电场控制装置的另一实施例。

图6图示出安装在线缆上的根据本发明的电场控制装置的实施例。

图7是关于用于制造电场控制装置的方法的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明而非限制的目的，阐述了诸如特定的构架、界面、技术等等的具体细节，以便提供透彻的理解。在其他情况下，公知的装置、电路和方法的详细描述被省略以免以不必要的细节使描述模糊不清。相同的附图标记遍及描述是指相同或相似的元件。

为了提供对本发明的透彻理解，参照图1给出了现有技术的应力锥布置的简要描述，用于比较。应力锥布置1包括应力锥2和场分级适配器3。应力锥2和场分级适配器3被以截面图示出在图1的上部分中。应力锥2典型地包括由半导电橡胶制成的偏转器4和由绝缘橡胶制成的锥形橡胶部分5。偏转器4通过绝缘橡胶部分5引导在线缆端部处创建的电场。应力锥2因此典型地由被硫化到一起的两种不同的橡胶材料制成。

图1还图示出线缆6的纵向截面图，该线缆6典型地包括由不同的层包围的中央导体芯。这些层包括例如半导体和绝缘层、导电屏蔽(包括多个)和外护套。

当准备将线缆6连接至例如变电站中的设备时，必须将其切割并且需要剥掉、即去除线缆的一些层。然后安装应力锥布置1以便确保安全操作。在安装时，将场分级适配器3以覆盖线缆6的从大地到高压的表面的方式在线缆6的端部处安装在线缆6上面。在外导电屏蔽(也表示为外半导体)处将线缆6接地，并且高压在线缆6的连接装置处。然后将应力锥2安装在场分级适配器3上面、特别是推到场分级适配器3上面，并因此周向包围场分级适配器3。这被图示在图1的最下部分中。

本发明的发明人认识到上面的过程引起鲁棒性方面风险。如早期提到的，在上面描述的安装时创建的两个物理界面可能会引入污染、空隙和油脂并降低应力锥布置的击穿强度，这进而可能会危及其正常运转。

图2图示出所创建的两个界面。第一界面7被创建在场分级适配器3与应力锥2之间并且第二界面8被创建在场分级适配器3与线缆6之间。

现有技术的风险和缺点通过本发明的各种实施例来克服。简短而言，通过在制造场分级适配器和应力锥时使其硫化，并且将它们作为单个电场控制装置来安装，消除了所提到的风险中的一个或多个。

图3图示出本发明的实施例、特别是电场控制装置10。电场控制装置10包括被硫化到一起的应力锥12和场分级适配器13。电场控制装置10被沿着轴对称线100以纵向截面图示出。

应力锥12包括偏转器14和锥形橡胶部分15，如用附图标记12指示出的。偏转器14可以例如由半导电橡胶制成，诸如填充有炭黑的乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶。橡胶部分15可以例如由绝缘橡胶制成，例如EPDM橡胶或场分级材料。应力锥12因此由具有不同的电气性质的两个不同的橡胶材料制成。橡胶部分15和偏转器14借助于硫化被化学键联。应力锥12具有的几何形状适于控制线缆端部的区域、并且特别是线缆的半导体屏蔽被切掉所在的区域中的电场。

橡胶部分15可以基本上具有切断的圆锥、也表示为截头圆锥的形状，包括实心材料并且具有沿着其纵向轴线穿过的筒状孔18。场分级适配器13在所图示的图中被布置在该筒状孔18内。应力锥12的外径因此沿着其纵向轴线从其一个端部至另一端部是变化的。在应力锥12的橡胶部分15的第二端部处，设置了周向槽17。槽17可以在一些情况下是有利的，例如当安装电场控制装置10时用于提供机械支撑。作为特定示例，例如金属的支撑可以在安装时装配到槽内。支撑然后保证电场控制装置的机械稳定性和正确的定位。槽17因此通过将应力锥固定在其正确的位置来确保所提供的场分级是期望的那个，这对于正常运转是重要的。然而，需要注意的是，槽17本身不是实际场分级系统的一部分并且它可以具有其他的设计或者被省略。

偏转器14跟随周向槽17沿着橡胶部分15的表面周向地布置。偏转器14可以具有最靠近应力锥12的孔18的第一厚度，该厚度可以是但不必如图3中所图示的沿着其沿橡胶部分15的表面的布置减小。在图示实施例中，偏转器14因此具有基本上圆形的u形体。然而需要注意的是，偏转器14的朝向绝缘橡胶部分15的曲率可以与图中所图示的不同地成形。此外，其厚度可以是恒定的或者它可以沿着其延伸是变化的。需要注意的是，应力锥的形状的对电场的适应本身是已知的。偏转器14和橡胶部分15被硫化到一起。

电场控制装置10还包括场分级适配器13。场分级适配器13可以包括一定长度的管状体、例如筒体。场分级适配器13可以包括线性或非线性电阻式场分级材料(FGM)。非线性电阻式FGM适应于在线缆终端端部处创建的变化的电场。电阻式非线性FGM也可以通过以非线性的方式调整导电率以适应所经历的电场应力而对电压脉冲形状动态地做出反应。FGM适配器13可以鉴于眼前的特定应用通过调整其厚度和/或通过调整FGM来调整，以具有满足特定应用的预期电场应力的期望的电导率。FGM可以以不同的方式来表征。非线性FGM的导电率取决于电场并且大幅地变化、特别是到比其他材料大得多的程度。FGM具有场依赖导电率，其可以从低导电率值强烈地增加至高导电率值，即从处于高度绝缘(高电阻)改变至高度导电(低电阻)。作为特定的非限制性示例，FGM可以在暴露于低电场的情况中具有在10^-16或10^-14西门子每米(S/m)的范围内的导电率，并且在暴露于高电场的情况中具有在10^-3S/m或0.1S/m的范围内的导电率。FGM可以例如包括填充有SiC和/或ZnO和/或炭黑的聚合物，并且FGM的特性可以被设计成具有一定的导电率。FGM还可以被设计成具有鉴于例如通过相应地选择填充材料和所选填充材料的浓度来获得一些电容式场分级而设置的电容率(也表示为介电常数)。

依照本发明，场分级适配器13和应力锥12被硫化到一起，提供了包括单个主体的电场控制装置10。场分级适配器13沿着应力锥12的内表面、即沿着其孔18的表面布置。在图4中图示出的实施例中，场分级适配器13与橡胶部分15以及与偏转器14接触。在参照图5图示并描述的另一实施例中，场分级适配器13仅与橡胶部分15接触。

在一实施例中，场分级适配器13和橡胶部分15两者均由FGM材料制成并且被硫化到一起成为单个主体。例如，橡胶部分15可以由具有与场分级适配器13的电气性质不同的电气性质的FGM材料制成。

用于使场分级适配器13和应力锥12硫化到一起的硫化过程可以例如包括添加诸如硫等的固化剂、也表示为交联剂或硫化剂，和使用高压和高温。可以使用的硫化过程的其他示例包括热空气硫化和紫外线(UV)光硫化。硫化过程中使用的固化剂可以例如包括所提到的硫或者过氧化物。在硫化过程期间，材料被以使得单个聚合物链交联(桥连)的方式改性。通过硫化进行的两种橡胶材料的合并到一起是增强界面的机械和电稳定性两者的已知过程。通过仔细选择硫化参数，将在材料之间发生聚合物的交联。通过去除物理界面，大幅减小了诸如空隙、污染等等的内部缺陷的影响。这样的缺陷是电气故障的主因，并且通过去除它们，如通过本发明完成的，可以大幅增加电击穿强度。此外，当材料合并时，它们的机械稳定性将增加。硫化过程增加了材料之间的粘附，防止滑动，并且大幅减少了沿着界面的裂纹蔓延。

图4图示出安装在线缆16上的图3的电场控制装置10。线缆16可以是任何高或中等功率线缆，例如交联聚乙烯(XLPE)线缆。电场控制装置10可以例如布置在被屏蔽的功率线缆上，其中在周向导电屏蔽(也表示为外半导电层边缘，或半导电体边缘)的终端处创建了场。在该半导电体边缘处、即导电屏蔽被切断的地方，创建了高电场和电场应力。

包括化学键联的场分级适配器13和应力锥12(进而包括橡胶部分15和偏转器14)的电场控制装置10包括单个主体。电场控制装置10由此可以通过将其简单地装配在线缆末端上面、并且特别是被剥开的线缆16的外屏蔽上面、即半导电体边缘上面而容易地安装。这与要求两个分离的主体、场分级适配器和应力锥的安装的现有技术安装形成对比，现有技术具有如早期所描述的带来的风险。

除了提供在安全性方面上的改进的鲁棒性之外，电场控制装置10还使得能够实现更快的安装，因为仅一个主体待安装在线缆末端上。该安装也可以更安全地进行，因为仅一个主体必须正确地放置和装配而不是如现有技术中的两个。将适配器和应力锥相对于彼此未对准的风险也通过提供了待安装的单个主体的本发明而被完全消除。

硫化过程增加了场分级适配器13与应力锥12之间的界面的绝缘击穿强度。然而，在偏转器14的开始处仍然存在有三种不同材料相遇所在的三重点。该三重点在图4中被圈出并且被指示为附图标记50。三重点是具有非常不同的物理性质的三种材料相遇所在的点。在高压装置中，已知三重点易于成为电气故障的起始点。在该三重点处存在有两个主要风险，它们既单独地又组合地增加故障风险；首先，在一个点中三种材料的流化是困难的并且在该点上的接合强度往往比周围的本体材料和界面中的低。其次，在包括三重点的区域中，绝缘橡胶部分15被夹在具有高得多的电导率的两个材料之间、即在场分级适配器13与偏转器14之间。这会使大部分的电场集中到绝缘橡胶部分15内，绝缘橡胶部分15越薄，场会越高。这可能是偏转器的开始所处的问题，在那里橡胶部分15的厚度接近零，造成该点处的大的场集中。

图5图示出根据本发明的电场控制装置10a的另一实施例。该实施例通过橡胶部分15的略微不同的设计解决并克服了上面描述的三重点的困难。

电场控制装置10a的该实施例与参照图3描述的实施例的不同之处在于允许绝缘橡胶部分15a在偏转器14的下方延伸，由此消除了图4中指示出的三重点。偏转器14因此在该实施例中不与场分级适配器13接触。首先，完全避免了与在高电场中具有三重点有关的风险。其次，由于橡胶部分15a的绝缘厚度不再接近零，所以可以防止场强度达到危险水平。

图6图示出安装在线缆16上的图5的电场控制装置，从该图再次需要注意的是三重点被避免。

已描述的电场控制装置10、10a的各种特征可以以不同的方式组合，在下面给出其示例。

因此提供了一种用于高压线缆16的电场控制装置10、10a。电场控制装置10、10a包括应力锥12和场分级适配器13，其中应力锥12和场分级适配器13通过硫化被化学键联。应力锥12和场分级适配器13借助于硫化或交联连接，由此形成单个主体。

在一实施例中，应力锥12包括被硫化到一起的偏转器14和橡胶部分15。

在一实施例中，应力锥12的橡胶部分15a沿着场分级适配器13的长度延伸，使得场分级适配器13仅与应力锥12的橡胶部分15a接触。场分级适配器13可以例如包括具有内表面和外表面的管状体，并且应力锥12的橡胶部分15a可以布置在场分级适配器13的外表面上使得场分级适配器13由应力锥12的橡胶部分15a周向包围。应力锥12的偏转器14整个布置在橡胶部分15a的表面上。在使用时、例如布置在功率线缆16的半导电体边缘上面时，管状场分级适配器13的内表面与功率线缆16接触，并且管状场分级适配器13的外表面仅与橡胶部分15接触、即不与偏转器14接触。该实施例消除了如参照例如图5描述的三重点。

在一实施例中，橡胶部分15具有实质上截头圆锥的形状，并且在其与橡胶部分15的截头顶部相反的端部处包括周向槽17，其中偏转器14沿着周向槽17的表面布置。

在一实施例中，偏转器14由半导电橡胶制成并且橡胶部分15由绝缘橡胶制成。

在一实施例中，场分级适配器13由第一场分级材料制成并且橡胶部分15、15a由第二场分级材料制成。

在上面的实施例的变型中，第一场分级材料具有与第二场分级材料不同的电气性质。可以例如选择场分级材料适配器13的FGM材料以具有与橡胶部分15、15a的FGM材料的导电率和/或电容率不同的导电率和/或电容率，例如如前面已描述的通过相应地选择填充材料和所选填充材料的浓度。

在一方面，本发明提供了一种电气设备，包括高功率线缆16并且包括如所描述的电场控制装置10、10a，高功率线缆16包含由绝缘层和导电屏蔽周向地包围的电导体。

图7是关于用于制造电场控制装置的方法的流程图。因此在另一方面，本发明提供了一种用于制造用于高压线缆16的电场控制装置10、10a的方法20。方法20包括使应力锥12和场分级适配器13硫化21到一起，由此应力锥12和场分级适配器13被化学键联。

用于使场分级适配器13和应力锥12硫化到一起的硫化过程可以例如包括添加固化剂并使用高压和高温，如前面已描述的。可以使用的硫化过程的示例包括热空气硫化和紫外线(UV)光硫化。硫化过程中使用的固化剂可以例如包括所提到的硫，或者过氧化物，如前面已描述的。硫化参数应该仔细选择，并且可以鉴于所选的材料(包括多个)和/或眼前的应用来调整。根据本发明的通过硫化去除物理界面减小了诸如空隙、污染等等的内部缺陷的影响，并由此增加了电场控制装置10的电击穿强度。此外，当材料被合并时其机械稳定性将增加。硫化过程增加了材料之间的粘附，防止滑动，并且大幅地减少了沿着界面的裂纹蔓延。

在一实施例中，方法20包括：在使应力锥12和场分级适配器13硫化21到一起之前，模制成型应力锥12并且模制成型场分级适配器13。

在另一实施例中，方法20包括：在使应力锥12和场分级适配器13硫化21到一起之前，通过卷带过程(包括围绕筒状体卷绕由场分级材料制成的带子)来制造场分级适配器13。然后可以使场分级适配器13硫化。

在一实施例中，方法20包括：在使应力锥12和场分级适配器13硫化21到一起之前，通过包括将带子卷绕成主体并且将主体形成为应力锥12的期望的形状的卷带过程来制造应力锥12。应力锥12可以例如形成为诸如前面已描述的圆锥形状等的形状。带子的主体形成为期望的形状可以例如借助于切割或车削(在车床中)执行。带子可以由诸如橡胶或场分级材料等的材料制成。然后可以使应力锥12硫化。

然后可以将通过卷带过程制造的场分级适配器和也是通过卷带过程制造的应力锥12安装到一起并硫化成单个主体。

可选地，可以在单个卷带过程中制造场分级适配器13和应力锥12，其中首先制造场分级适配器13，例如如上面所描述的。接下来通过将带子围绕场分级适配器13卷绕成主体、然后将其形成应力锥12的期望的形状来制造应力锥12。然后可以使应力锥12和场分级适配器13硫化到一起。

需要注意的是，在其他的实施例中，可以以与场分级适配器13不同的方式制造应力锥12。例如，可以在卷带过程中制造应力锥12而模制成型场分级适配器13，或者反之亦然。

在一实施例中，应力锥12包括偏转器14和橡胶部分15、15a，并且方法20包括：在使应力锥12和场分级适配器13硫化21到一起之前，使偏转器14和橡胶部分15、15a硫化到一起。例如通过卷带过程制造的应力锥12可以设置有例如在卷带过程中制造的偏转器14，并且然后使应力锥12和偏转器14硫化到一起。

在本文已参照几个实施例主要描述了发明。然而，如本领域技术人员将领会的，除本文所公开的特定实施例以外的其他实施例同样可能在由如随附专利权利要求所限定的发明的范围内。