[发明专利]多层电场分级制品及其制造方法和包括其的制品

说明书

本发明公开了一种多层电场分级制品，该多层电场分级制品包括形成离散界面的第一层和第二层。第一层包含第一电场分级组合物，该第一电场分级组合物包含分散在第一基质材料中的第一颗粒。第二层包含第二电场分级组合物，该第二电场分级组合物包含分散于第二基质材料中的在组成上不同于第一颗粒的第二颗粒。第一层和第二层在相应的第一起始电压和第二起始电压与对应的第一击穿电压和第二击穿电压之间具有相应的第一非线性度和第二非线性度。第一层和第二层合起来具有高于第一起始电压和第二起始电压的组合起始电压，并且第一层和第二层合起来具有比第一非线性度和第二非线性度中的每一者单独而言更大的组合非线性度。本发明公开了一种降低基板接头或接线端处的电场应力的方法，该方法包括将多层电场分级制品施加到基板表面上。

技术领域

本公开广义地涉及电场分级组合物和组件及其使用方法和包括其的制品。

背景技术

电场分级或电应力控制是指减少各种装置尤其是电力电缆附件诸如接线端和接头中的电场的局部增强的技术。当部件的电压电平增加并且部件的尺寸收缩时，电场分级尤其重要。诸如成本、安全问题、低电场和温度之类的标准通常是矛盾的。例如，较薄的隔热材料导致较低的材料成本和较低的温度，但导致较高的电场，这可导致电击穿和失效，尤其是在关键区域诸如界面或三相点处。适当的场分级可有助于获得或改善和优化适当平衡此类标准的设计。

场分级方法通常分为两个主要类别：a)电容场分级(例如，具有适当形状导电部件的几何电极分级、具有高介电常数材料的折射分级和具有金属元素集成的聚光器分级)；和b)电阻场分级，使用具有适当电流场特性的特殊材料。这种简单的分类基于位移(例如，电容性电流或电阻性电流)是否支配场分级机制。

电阻场分级材料通常在高水平的电场值下变得更具导电性。通常，电容场分级材料具有相对较高的介电常数和较低的介电损耗。这两种材料均可通过在极端条件下重新分布电场来避免临界区域处的失效。

美国专利号8,974,706(Somasiri等人)描述了使用导电炭黑和高介电常数陶瓷钛酸钡/聚合物多层的电应力控制技术。

此类组合物的电导率可取决于导电填料颗粒的渗滤性质(例如，此类材料的电阻率对影响颗粒分散的参数的小波动非常敏感)，因此通常需要仔细控制加工和制造参数以制备此类组合物。

美国专利号6,124,549(Kemp等人)公开了基于使用变阻器(即，可变电阻器)粉末(例如，掺杂的ZnO)和设置在聚合物基体中的填料颗粒材料的另一种方法。通常需要在这种类型的系统中的相对较高的颗粒装填水平来观察多层的电场可切换特性。

发明内容

本公开提供了使用多层电场分级制品进行电应力控制的另一种方法。多层电场分级制品包括分层的多个电场分级组合物。每个电场分级组合物示出相对于所施加电场的可再现非线性电场可切换电导率。有利的是，分层构造可产生协同电场分级性能(例如，非线性电导率的较高起始电压和较高非线性度(即，较高的幂律系数(α)值，当所施加的电压介于起始电压和击穿电压之间时，该幂律系数(α)值限定电导率相对于所施加的电压的变化率)，该协同电场分级性能优于相应电场分级组合物的各个层中的每个层。较高的起始电压通常导致较高的不可逆击穿电压，这对于高电压应用特别有用。另外，在设计电应力减轻附件诸如接线端和接头时，幂律系数的较高值可能是有用的。

在第一方面，本公开提供了一种多层电场分级制品，其包括：

第一层，该第一层包含第一电场分级组合物，该第一电场分级组合物包含分散在第一基质材料中的第一颗粒，其中该第一层具有在第一起始电压和第一击穿电压之间出现的第一非线性度；

第二层，该第二层设置在第一层上，并包含第二电场分级组合物，该第二电场分级组合物包含分散在第二基质材料中的第二颗粒，其中第二层具有在第二起始电压和第二击穿电压之间出现的第二非线性度，并且其中第二颗粒在组成上不同于第一颗粒；和

离散界面，该离散界面通过第一层和第二层的紧密接触形成，