AT402242B - Trockentransformator mit ummantelten wicklungen und ummantelte leiter und verfahren zur herstellung des harzes für die ummantelung - Google Patents
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Description
AT 402 242 B
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erhöhung der Feuerfestigkeit von Trockentransformatoren mit ummantelten Wicklungen und von ummantelten elektrischen Leitern bei erhöhten Einsatztemperaturen.
Im besonderen betrifft die Erfindung Trockentransformatoren hoher Leistung bzw. Leistungsabgabe, deren Arbeitstemperaturen üblicherweise um mehr als 100 *C über der Umgebungstemperatur liegen (in der Größenordnung von 140 bis 150“C). Aus Vereinfachungsgründen bezieht sich die folgende Beschreibung auf einen derartigen Transformator; sie betrifft auch harzummantelte elektrische Leiter und Wicklungen, die für einen Einsatz bei höheren Arbeitstemperaturen vorgesehen sind.
Transformatoren, deren Spannungsbereich üblicherweise von 3 bis 36 kV geht, weisen eine Wicklung auf, die mit einer dielektrischen isolierenden Kunstharzummantelung versehen ist, die mehrere Millimeter Dicke aufweisen kann, z.B. 2 bis 5 mm. Außer zur Isolierung dient das Kunstharz auch zum Schutz gegen Feuchtigkeit und Staub, die die Durchschlagfestigkeit herabsetzen können. Ferner wird dadurch die Wicklung gegen Umgebungseinflüsse geschützt, z.B. aggressive Chemikalien, bei gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Festigkeit und der Fixierung der Windungen in der Wicklung.
Trotzdem ist es in Extremfällen bereits vorgekommen, z.B. als Folge einer Havarie, daß derartige Transformatoren in Brand geraten. Die Untersuchung ihres Verhaltens bei Feuer hat zu der Erkenntnis geführt, daß das Harz selbst dann weiter brennt, wenn die den Brand auslösende Ursache beseitigt ist, da oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur das Kunstharz in Luft brennbar ist.
Im folgenden werden einige erläuternde Bemerkungen bezüglich der Zusammensetzung derartiger Kunstharze gemacht.
Herkömmliche Transformatoren-Ummantelungen bestehen aus durch Wärme aushärtbaren Kunstharzen, die durch Erwärmen eines Gemisches erhalten werden, das aus einem Kunstharz (im allgemeinen ein Epoxyd) und einem Härter besteht, wie z.B. einem Anhydrid. Als herkömmliches Beispiel seien die Diglycidylätherderivate des Bisphenol A genannt, im allgemeinen DGEBA abgekürzt, die aus der Reaktion zwischen dem Bisphenol A und dem Epichlorhydrin entstehen (siehe US 3 202 947 A). Derartige Kunstharze sind meistens vernetzt, unschmelzbar und unlöslich, aufgrund des Zusatzes von Aminen und Polysulfiden mit kleiner Molekularmasse, wie z.B. des Araldit. Auch durch Wärme aushärtbare Polyestherharze sind bekannt. Die Gewichtsverhältnisse betragen üblicherweise 50% für das Harz und 50% für den Härter. Üblicherweise werden verstärkte bzw. armierte Kunstharze verwendet: Dem flüssigen Ausgangskunstharz wird vor dem Zuführen des Härters ein meistens mineralischer Stoff zugesetzt, z.B. Quarzsand (Siliziumoxid) oder Glaswolle in Gewichtsverhältnissen von 3 für die Zugabe und 1 für das Harz. Man erhält damit eine Ausgangsmischung von z.B. 20% Harz, 60% Siliziumoxid und 20% Härter.
Eine derartige Zugabe verbessert das thermomechanische Verhalten und absorbiert bereits einen Teil der Polymerisationswärme des Harzes, so daß keine Risse entstehen können. Sie dient auch der mechanischen Verstärkung, da ein Harz ohne eine derartige Zugabe bei der Arbeitstemperatur dieser Transformatoren weich bleiben kann.
Andererseits werden häufig auch Elastomere verwendet, wie z.B. Silikonharze oder Polyesterharze, die thermoplastisch sind, insbesondere im Falle der Ummantelung von Kabeln oder Drähten, um ihnen eine gewisse Elastizität zu verleihen. Genannt seien als Beispiele Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Ethylenvinylacetat (EVA) oder vernetztes Polyethylen.
Es existiert eine größere Zahl von Vorschlägen, die thermische Stabilität von Leiter-Ummantelungen auf Kunstharzbasis zu verbessern.
Ganz allgemein spielt ein Einbau von Aluminium (ortho)hydroxid bzw. Aluminiumoxid-Trihydrat in die Kunstharzmasse eine wesentliche Rolle für die Erhöhung der Feuerresistenz, da es die Eigenschaft hat, bei gesteigerter Temperaturerhöhung Wasser abzuspalten und damit einen wesentlichen Kühleffekt und Flammhemmung zu erreichen.
So ist z.B. in der US 4 193 908 A, allerdings nicht im Zusammenhang mit elektrischen Bauteilen, ein Prozeß zur Verteilung von Aluminiumoxid-Trihydrat in einem Polyesterharz beschrieben, wobei dort zur Verringerung der Viskosität der Dispersion dem Harz ein Aluminiumoxidhydrat zugegeben wird, welchem vorher gezielt ein bestimmter Wasseranteil entzogen worden ist.
Gemäß US 3 626 083 A ist für eine Einbettung von elektrischen Spulen vorgesehen, in das Einbettungsharz gewöhnliches hydratisiertes Aluminiumoxid einzubringen und diesem erst im in situ eingebauten Zustand durch Wärmezufuhr Wasser teilweise zu entziehen. Dies hat den Nachteil, daß im fertigen Harz Wasser in Dampfform übergeführt wird und dort neben Hydrolysevorgängen, insbesondere Bläschen- und Feinrißbildung, Inhomogenitäten u.dgl. Materialschädigungen hervorruft, was weder der mechanischen noch der Durchschlags-Festigkeit des Isolierharzes zuträglich ist.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet nicht zwischen den einzelnen Harzsorten (durch Wärme aushärtbar, thermoplastisch oder elastomer) soweit dieses Hart ein Isoliermaterial ist, das bei erhöhten 2
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Temperaturen verwendet wird und demzufolge ein ausreichend gutes thermomechanisches Verhalten bei den eingangs genannten erhöhten Arbeitstemperaturen aufweist. Aus Vereinfachungsgründen wird im folgenden unter "Ummantelungsharz" oder "verstärktes Harz" das die fertige, isolierende Ummantelung ergebende Material verstanden, das aus der Mischung eines Kunstharzes, gegebenenfalls eines Armie-rungs- bzw. Verstärkungszusatzes und eines Härters besteht, sowie gegebenenfalls aus herkömmlichen Zusatzstoffen, wie Weichmacher, Beschleuniger u.dgl.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Feuerfestigkeit von ummantelten elektrischen Leitern zu verbessern, insbesondere diejenige von Ummantelungen von Trockentransformatoren, elektrischen Leitern und Wicklungen, indem bei ihrer vorgesehenen Einsatztemperatur die thermische Stabilität des feuerfesten Ummantelungsharzes verbessert wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Trockentransformator mit Ummantelung, ein bzw. eine ummantelte(r) Leiter oder Wicklung, von dem bzw. der wenigstens eine Wicklung bzw. ein Abschnitt mit einer isolierenden, eine Armierung bzw. einen Füllstoff enthaltenden Harzschicht ummantelt ist, die einen flammhemmenden, bei steigender Temperatur Wasser abgebenden Stoff, insbesondere ein Aluminiumhydroxid, aufweist, dessen Maximum ("Peak") der Wasserbildung erst bei einer Temperatur oberhalb der bei normaler Arbeitsweise des Transformators auftretenden Temperaturen auftritt, wobei ein Teil der Verstärkung bzw. des Füllstoffes, nämlich wenigstens 20% der Gesamtmasse des Ummantelungsharzes, aus diesem flammhemmenden Stoff besteht, dem Wasser teilweise entzogen worden ist, welche(r) Transformator, Leiter oder Wicklung dadurch gekennzeichnet ist, daB im Ummantelungsharz ein flammhemmender Stoff eingesetzt ist, welcher vor Einbringung in das Harz unter Entzug von Konstitutionswasser teildehydrati-siert worden ist, indem er einer Erhitzung auf erhöhte Temperatur, aber unterhalb jener des Beginns des Anstiegs zum Maximum (Beginn des "Peaks”) der Wasserbildung in seiner jeweiligen Temperatur-Dehydratisierungs-Kurve für eine Zeitdauer unterworfen worden ist, innerhalb welcher der flammhemmende Stoff gegenüber seinem ursprünglichen Zustand ohne Dehydratisierung einem Masseverlust von 0,5 bis 10% unterliegt.
Wichtig für die Erfindung ist, daß vor dem Eintrag in das flammhemmend auszustattende Harz dem Aluminiumhydroxid Konstitutionswasser teil-entzogen wird.
Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Ausführungsform des Konstitutions-Wasserentzugs bildet den Gegenstand des Anspruchs 2.
Die Erfindung betrifft weiters ein Herstellungsverfahren für derartige isolierende verstärkte Harze zum Ummanteln von elektrischen Leitern und Wicklungen sowie Wicklungen von Trockentransformatoren, wobei dem Ausgangsharz zusätzlich zur Verstärkung ein flammhemmender, bei steigender Temperatur Wasser abgebender Stoff zugegeben wird, und diesem in einer Menge von wenigstens 20% der Gesamtmasse dem Ummantelungsharz zuzugebenden Stoff teilweise Wasser entzogen wird.
Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einbringung des flammhemmenden Stoffes in das Ummantelungsharz ein Entzug des Konstitutionswassers aus dem flammhemmenden Stoff, insbesondere Aluminiumorthohydroxid bzw. Aluminiumoxidhydrat, in einer eine unerwünschte, qualitätsbeeinträchtigende Wasserbildung im Ummantelungsharz während des Betriebes des (der) Transformators Leiters bzw. Wicklung unter normalen Temperaturbedingungen bei Normalbetrieb vermeidenden Menge vorgenommen wird, indem die Dehydratisierung des zur Flammhemmung vorgesehenen Stoffes, insbesondere Aluminiumorthohydroxid bez. Aluminiumoxyhydrat, unter Erhitzung desselben auf erhöhte Temperaturen vorgenommen wird, innerhalb welcher der flammhemmende Stoff gegenüber seinem ursprünglichen Zustand ohne Dehydratisierung einem Masseverlust von 0,5 bis 10% unterliegt.
Besonders bevorzugte Verfahrensweisen im Rahmen der Erfindung, was die Verfahrensparameter und deren Ermittlung und Auswahl betrifft, sind in den Ansprüchen 4 bis 8 im einzelnen näher beschrieben.
Die feuerhemmenden Eigenschaften von Aluminium-orthohydroxid sowie dessen Eignung als Zuschlagsstoff für Ummantelungsharze für elektrische Kabel oder Transformatoren ist z. B. aus der US 3 202 947 A bekannt, dessen Lehre eine Grundlage für die Erfindung ist.
Es ist jedoch bisher noch nicht erkannt worden, daß eine bessere thermische Stabilität des Harzes erzielt werden kann, indem ein derartiger Zuschlagsstoff vor Einbau in das Kunstharz teilweise dehydrati-siert wird, obwohl seine Feuerhemmung auf der Wasserabgabe beruht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sowie andere Aspekte und Vorteile sei auf die nachstehende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den Tabellen l,l! und III verwiesen, die die Widerstandsfähigkeit gegen Feuer eines erfindungsgemäß hergestellten bzw. eingesetzten Ummantelungsharzes darstellen, weiters auf die Tabelle IV, in der die wichtigen Eigenschaften der Wasserabgabe mit ansteigender Temperatur für eine bestimmte Anzahl feuerfester Stoffe dargestellt sind und auf die Fig. 1 und 2, die die zeitliche Entwicklung der Gewichtsverminderung verschiedener möglicher feuerhemmender Stoffe darstellen, durch Bildung oder Vermeidung von Wasser, aufgrund ihrer Instabilitäten bei Wärme, wenn sie auf 3
AT 402 242 B konstante Temperatur erwärmt werden.
Im folgenden seien die beiden wichtigen Merkmale der Erfindung aufgeführt: 1.) der zugegebene feuerfeste Stoff kann hydratisiertes Aluminiumoxid AI2O3 ηΗ20 mit n = 1,2 oder 3 sein oder wasserhaltige Magnesia oder Zinkborat oder jeder andere Stoff mit diesen Selbstlösch-5 Eigenschaften infolge Wasserabgabe und vorzugsweise mit der Fähigkeit, wie z.B. Siliziumoxid, das Harz zu verstärken. Bevorzugt wird trihydratisiertes Aluminiumoxid eingesetzt, das der wirksamste flamm- und feuerfeste Stoff ist und obendrein keine oder nur wenig Rauchbildung erzeugt.
Die Wasserbildung läßt sich vereinfacht, wie folgt, darstellen: 10 2 AI(OH)3 - AI2O3 + 3 H20.
Die Geschwindigkeit dieser Reaktion erhöht sich in Pfeilrichtung mit der Temperatur und ihre endotherme Charakteristik verhindert das Erreichen des Flammpunktes für das Harz.
Es wird im folgenden gezeigt, daß diese Geschwindigkeit des Entzugs von Wasser nicht linear mit der 75 Temperatur zunimmt, sondern daß sie ein für den Stoff typisches intensives Anfangs-Maximum bildet, das die interessante Eigenschaft aufweist, daß es bei den Temperaturen auftrifft, die in der Überhitzungszone liegen, d.h. jenseits der kritischen Temperatur für die Flammbildung des Ummantelungsharzes.
Das AI(OH>3 kann ohne weiteres mit einer sonstig vorgesehenen Verstärkung auf Mineralbasis gemischt werden, da beide Stoffe als pulverförmige oder feinkörnige Feststoffe vorliegen. 20 Anstelle von 60 Gew.-% Si02 im fertigen Harz kann dessen größter Teil durch den feuerfesten Stoff ersetzt werden. So kann man z.B. eine Mischung herstellen mit 50% AI(OH>3 und nur 10% S1O2. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß der Anteil an AI(OH>3 bis 25% (und damit 35% Si02) gesenkt werden kann, ohne die gute Widerstandsfähigkeit gegen Feuer der Ummantelung beträchtlich herabzusetzen.
Diese Werte, die für eine ursprüngliche Verstärkung von 60 Gew-% festgelegt wurden, können natürlich 25 entsprechend modifiziert werden.
Die nachstehenden Tabellen l,ll und III stellen die Ergennisse und in Zahlen ausgewerteten Resultate von Laboratoriumsversuchen an einem Trockentransformator dar, um den Einfluß eines feuerfesten Stoffes (hier AI(OH)3 und Zinkborat) auf die Parameterwerte darzustellen, die als repräsentativ für die Widerstandsfähigkeit gegen Feuer anerkannt sind und dies insbesondere für Ummantelungsharze für die Wicklungen 30 von Trockentransformatoren. Diese ermittelten Werte betreffen den Sauerstoffindex, die Verbrennungsgeschwindigkeit und den oberen Heiz- bzw. Brennwert. 35 40 45 50 4 55
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Tabelle I
Sauerstoffindex Meßtemperatur 20-C 80 *C 150*C 200 *C Minimaler Sauerstoff!ndex 30 27 23,5 21 Aluminium-orthohydroxid Verstärkungsgrad 70 % 70% Si02 - 30 -28 - 24 ' 19 20% Si02 50% AI(OH)3 ‘39 -37 ' 32 - 31 Verstärkungsgrad 60 & 60% Si02 - 26 / / / 50% Si02 10% AI(OH)3 ‘ 25 / / / 40% Si02 20% AI(OH)3 '27 / / / 35% Si02 25% AI(OH)3 '30 ‘28 '25 -20 25% Si02 35% AI(OH)3 28-31 28-31 24-27 19-22 20% Si02 40% AI(OH)3 30-33 29-33 25-28 23-24 10% Si02 50% AI(OH)3 32-35 30-32 27-29 24-26 Zinkborat Verstärkungsgrad 65% 10% Si02 55% Borat "32.5 Kein Wert Verstärkungsgrad 60% 10% Si02 50% Borat '30.3 Kein Wert 60% Borat '33.6 Kein Wert
Das Material für die Ummantelung wurde wie folgt hergesteilt: Der mineralische Verstärkungsstoff (Siliziumdioxid) wurde nach der Vermischung mit dem flamm- bzw. feuerfesten Stoff in entsprechender Menge zur Hälfte mit dem flüssigen Harz (Epoxydharz von Ciba Geigy, "ARALDITE CY 225") vermengt und zur anderen Hälfte mit einem Härter ebenfalls im flüssigen Zustand (Anhydrid von Ciba-Geigy "DURCIS-SEUR HY 227"). Diese beiden Gemische wurden vereinigt, miteinander vermengt und in einen Ofen mit 80 bis 150 * C eingebracht. Für die Versuche wurden die Meßmethoden gemäß den folgenden Vorschriften angewandt: UTE NF T51-071 bei 20 *C und EDF HN20 M40 bis 80, 150 und 200‘C.
Die Bereiche der Meßwerte spiegeln die Tatsache wider, daß der gemessene Sauerstoffindex in diesem Fall von der Herkunft des verwendeten, handelsüblichen Aluminiumoxids abhängt. Felder mit einem Schrägstrich geben überflüssige Messungen an. Die entsprechenden Meßwerte sind im Vergleich zu denjenigen, die bei 20 *C erhalten wurden, nicht akzeptabel, da sie zu stark von dem vorgegebenen Sauerstoffindex abweichen.
Man sieht sofort, daß für einen gesamten Verstärkungsgrad von 60% der Mindestgehalt an AI(OH)3 20 bis 25% betragen soll. Unterhalb dieses Gehaltes ist der vorgegebene Sauerstoffindex nicht mehr wirksam einzuhalten. Zusätzliche Messungen, die hier nicht dargestellt sind, haben ergeben, daß mit einer gesamten Verstärkung von 70 Gew.-% (erster Abschnitt der Tabelle) der Schwellwert für AI(OH)3 auf 20% sinkt. Es wurde beobachtet, daß für Zinkborat die untere Schwelle erheblich höher liegt: Mindestens 50 Gew.-%, aus der die größere Wirksamkeit des Aluminium-orthohydroxids hervorgeht.
Die in Tabelle II dargestellten Verbrennungsgeschwindigkeiten wurden in der Vorrichtung gemessen, die zur Bestimmung des Sauerstoffindex verwendet wurde, auf Probekörpem in Form von langgestreckten Plättchen mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 6,5 mm und einer Dicke von 4 mm. Die Probenkörper wurden mit zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Markierungen versehen, von denen die erste in einem Abstand von 10 mm von einem Ende und die zweite bei 60 mm angebracht wurde. Es wurde bei der Umgebungstemperatur die Verbrennungszeit zwischen den beiden Markierungen beobachtet und daraus die mittlere Verbrennungsgeschwindigkeit (in mm/s) als Funktion des Sauerstoffgehaltes in einem brennbaren Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff berechnet. 5
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Tabelle II
Verbrennungsgeschwindigkeit Gehalt an 02 35% 40% 45% 50% 60% Höchstzulässige Verbrennungsgeschwindigkeit (mm/s) 0.15 0.30 0.45 0.6 0.9 Aluminium-orthohydroxid Verstärkungsgrad 70 % 70% Si02 0.28 0.37 0.47 0.58 1.05 20% Si02 + 50% AI(OH)3 0.06 0.10 0.13 0.19 0.25 Verstärkungsgrad 60 % 60% Si02 '0.35 '0.50 '0.60 '0.75 '1.0 50% Si02 + 10% AI(OH)3 '0.35 '0.45 '0.60 '0.75 '1.0 40% Si02 + 20% AI(OH)3 '0.20 '0.35 '0.45 '0.55 '1.0 35% Si02 + 25% AI(OH)3 '0.18 '0.28 '0.38 '0.49 '0.95 25% Si02 + 35% AI(0H)3 0.14-0.17 0.20-0.23 0.27-0.30 0.34-0.37 0.56-0.59 20% Si02 + 40% AI(OH)3 0.13-0.16 0.19-0.20 0.24-0.27 0.30-0.35 0.48-0.56 10% Si02 + 50% AI(OH)3 0.07-0.10 0.14-0.16 0.20-0.23 0.26-0.29 0.37-0.40 Zinkborat Verstärkungsgrad 65% 10% Si02 + 55% Borat '0.16 '0.21 '0.30 '0.8 Verstärkungsgrad 60% 10% Si02 + 50% Borat '0.25 '0.43 '0.65 '0.98 60% Borat '0.25 '0.31 '0.52 '0.96
Oie Angaben für die Meßwertbereiche haben die gleiche Bedeutung wie in der vorhergehenden Tabelle.
Wie man sofort sieht, unterstützen die in Tabelle II wiedergegebenen Meßwerte diejenigen von Tabelle I dahingehend, daß auch für das Kriterium Verbrennungsgeschwindigkeit der einzuhaltende Schwellwert für die Menge von AI(OH)3 in dem Ausgangsgemisch im wesentlichen bei 25 Gew.-% liegt (und bei etwas weniger als 50 % für das Borat).
Diese Schlußfolgerungen behalten auch ihre Gültigkeit im Hinblick auf die nachstehend wiedergegebene Tabelle III, in der die Resultate für eine Reihe von Messungen bezüglich des dritten Parameters dargestellt sind, nämlich des Brennwertes. Man erkennt, daß der maximal zulässige Wert von 11 MJ pro kg an Stoff niemals überschritten wird. 6
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Tabelle III
Oberer Brennwert (Verfahren: Adiabatische Kalorimetrie gemäß UTE NF M 03-005.) Gesamter Verstärkungsgrad: 70 % Gesamter Verstärkungsgrad: 60 % Aluminium-orthohydroxid 70%SiO2 20%SiO2 + 50% AI 60% Si02 40%SiO2 + 10% AI. 35% Si02 + 25% AI.. 25%Si02 + 35% AI. 10% Si02: + 50% AI.. - 8 - 7 ' 11 " 11 - 11 - 11 11 Zinkborat 10%SiO2 + 55% Bor. 10% Si02 + 50% Borat 60% Borat ' 10 ‘ 11 - 11
Aus den Tabellen geht eindeutig der Einfluß einer Zugabe eines flammfesten Stoffes in entsprechenden Mengen zum Ausgangsharz auf die Widerstandsfähigkeit gegen Feuer hervor, nämlich durch Bildung und Beseitigung von Wasser, wie es Grundvoraussetzung der Erfindung ist.
Die Resultate zeigen eine starke Wasserfreisetzung aus dem Ummantelungsharz, wenn dieses ungewöhnlich hohe Temperaturen annimmt. Dieses selbstgesteuerte Wärmeabsorptions-Phänomen verzögert und bremst den Verbrennungsvorgang des so verstärkten Hartes und verleiht ihm die gewünschten selbstlöschenden Eigenschaften.
Es ist klar, daß eine starke Wasserbildung im Inneren der Isoliermasse sich auf die Qualität des Ummantelungsharzes auswirkt. Diese verschlechtert sich während des Wasserbildungsprozesses, so daß sie im allgemeinen nicht weiter verwendbar ist. Der Transformator muß entweder ersetzt oder neu ummantelt werden.
Der Gewichtsverlust des feuerfesten Stoffes während des Temperaturanstieges zeigt seine Kapazität der Wasserbildung an. Gemäß den Angaben der Lieferanten beträgt im Falle von AI(OH)3 der Gewichtsverlust nahezu 30% bei einer Temperatur von 300 *C. Dabei erfolgt dieser fast ausschließlich bei dieser Temperatur in Form eines schmalen Peaks großer Amplitude, was die Heftigkeit und die Intensität des Phänomens beweist, wenn eine Temperaturhöhe, die charakteristisch ist für diesen feuerfesten Stoff, erreicht ist.
Dies gilt für alle Sorten von Aluminium-orthohydroxid, die im Handel erhältlich sind, wie es in der nachfolgenden Tabelle IV dargestellt ist, die informationshalber die Angaben der Lieferanten des Alumini-um-orthohydoxids wiedergibt,, die unter der Bezeichnung ALCOA von verschiedenen Herstellern angeboten werden.
Tabelle IV
Analyse der endothermen Maxima ("Peaks") der Wasserbildung (Temperaturanstieg von 25 auf 600 *C mit konstantem Zuwachs von 10*C/min.) M15 S65/40 C31 M6 M15S S65/150 MEDIUM SODA Peakbeginn (* C) 196 205 216 180 195 188 197 Peakende (* C) 372 385 353 382 355 370 353 Temp.max. des Peaks (* C) 316 312 314 314 311 309 312 ΔΗ des Peaks (in kJ/g) 1.03 1.01 1.07 1.06 1.03 1.0 1.02
Damit die durch den feuerfesten Stoff gemäß der Erfindung erwünschten Effekte in jeder Hinsicht zufriedenstellend sind, ist es nicht nur erforderlich, daß der Beginn des Maximums (Peaks) bzw. dessen 7
AT 402 242 B ansteigenden Astes für die Wasserbildung bei geeigneten Temperaturen liegt, d.h. zwischen der Temperatur für den Normalbetrieb und derjenigen, bei der die Ummantelung sich entzündet, sondern auch, daß eine Wasserbildung tatsächlich nur bei außergewöhnlicher Überhitzung auftritt. Mit anderen Worten, es muß vermieden werden, daß eine vorzeitige Schädigung des Ummantelungsharzes auftritt, z.B. durch eine 5 ungewollte Wasserbildung im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und erhöhter Temperatur, die im Normalbetrieb des Transformators, bzw. von dessen Wicklungen auftritt.
Diese Schwierigkeit wird durch das zweite erfindungswesentliche Merkmal vermieden, nämlich durch ein gesteuertes vorheriges "Altern" des Harzes, wie es im folgenden beschrieben wird, nämlich durch teilweise vorherigen Wasserentzug aus dem zugegebenen feuerfesten Stoff. io Es handelt sich dabei um einen zeitlich vorverlegten Wasserentrug, um zu verhindern, daß ein frühzeitiger Wasseraustritt später im Transformator auftritt. Dieser Wasserentzug darf jedoch nur ein teilweiser sein, damit noch genügend hohe Wasserbildung beim Auftreten hoher Temperaturen gewährleistet ist, falls sich der Transformator in ungewöhnlicher Weise erhitzt, so daß eine Flammen- bzw. Feuerbildung zu befürchten ist. 75 Dieser Wasserentzug erfolgt im Falle von AI(OH)3 durch vorherige Erhitzung desselben. Das Ziel ist dabei nicht eine vollständige Entfernung des Wassers, das sich in einem Temperaturbereich bilden kann zwischen der Umgebungstemperatur und der normalen Betriebstemperatur des Transformators (was als flüchtiges Wasser bezeichnet wird aufgrund der Tatsache, daß es bei niedriger Temperatur eintritt), sondern ein ausreichender Entzug, damit das verbleibende flüchtige Wasser in einer derart geringen Menge vorliegt, 20 daß keine Zersetzung bzw. Schädigung des Hartes schon bei Temperaturen des Normalbereichs eintritt. Es konnte tatsächlich beobachtet werden, daß nicht vorerwärmtes Aluminium-orthohydroxid, das der mineralischen Verstärkung zugesetzt wurde, zum Zusammenbruch des die elektrischen Wicklungen eines Versuchstransformators ummantelnden Hartes führte und zwar schon bei dessen Betriebstemperatur, so daß dieser unbrauchbar wurde. Ein einfaches Verfahren für den teilweisen Wasserentzug des feuerfesten Stoffes 25 mittels Vorerwärmung besteht darin, die Kurve des Gewichtsverlustes als Funktion der Zeit aufzustellen. Für einen zum ersten Mal verwendeten Stoff kann man dabei vorteilhafterweise wie folgt vorgehen: - In einem ersten Schritt wird eine zu analysierende Probe untersucht hinsichtlich der auftretenden Wassermenge während eines längeren Verbleibes bei konstanter Temperatur, die gleich oder ungefähr gleich der normalen Betriebstemperatur des Transformators ist; 30 - in einem zweiten Schritt wird das gesamte Material ziemlich schnell auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt, wie es während eines industriellen Betriebs auftreten kann, um so den Gewichtsverlust entsprechend dem Wasserbildungsprozeß in der vorhergehenden Phase zu messen.
Es sei angemerkt, daß der zweite Schritt bei jeder Harzherstellung zu wiederholen ist, während der erste in der Tat nur ein einziges Mal erforderlich ist, um einen feuerfesten Stoff, der bis dahin noch nicht für 35 diesen Zweck verwendet worden ist. zu untersuchen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kurven entsprechen dem ersten Schritt mit den zu analysierenden Proben und zeigen das Verhalten bei verschiedenen Temperaturbereichen, den Gewichtsverlust als Funktion der Zeit bei bestimmten Temperaturbereichen. Die Kurven beziehen sich auf einige der in Tabelle IV dargestellten Sorten von Aluminium-orthohydroxid ALCOA, wobei am rechten Ende einer jeden Kurve die 40 Herstellerbezeichnung angegeben ist. Dabei wurden drei Temperaturwerte berücksichtigt, nämlich 140,160 und 180*C, um so die üblichen Betriebsbedingungen eines Transformators abzudecken. Um die Figuren nicht unnötig zu überladen, sind die drei zusammengehörenden Kurvenbereiche in den beiden Figuren getrennt dargestellt: Fig. 1 vereinigt die Kurven für 140*C (unterbrochene Kurven) und 160* (durchgezogene Kurven); die Kurven für 180 * C sind durchgezogen in Fig. 2 dargestellt. 45 Man erkennt, daß alle Kurven einen vorteilhaften im allgemeinen logarithmischen Verlauf annehmen mit schnellem Anstieg zu Beginn, gefolgt von einem leicht gegenüber der Waagrechten ansteigenden Plateau, das um so schneller erreicht wird, je höher die Arbeitstemperatur ist. Aus der Kurve für 180*C in Fig. 2 geht hervor, daß der größte Teil des flüchtigen Wassers (ca. 80 %) bereits am Ende von 140 Stunden von den ingesamt 700 Stunden Testdauer gebildet worden ist. Der Gewichtsverlust beträgt also zwischen 5,3% so und 2,5 % je nach Sorte des verwendeten Stoffes.
Das Auftreten und die Stabilität der Plateaus wurde untersucht für aluminiumhaltige Stoffe, die vorher auf eine höhere Temperatur erwärmt wurden. So wurden zwei Tests mit der Bezeichnung M15 während 18 Stunden durchgeführt, einmal bei 180*C und einmal bei 200‘C. Die Resultate sind in Fig. 1 in Form der beiden Geraden A und B dargestellt, deren Ordinaten bei 1,6 und 4,2 Gew.-% für 180 bzw. 200 * C liegen. 55 Sie sind quasi waagrecht, wodurch die Unempfindlichkeit der Proben während einer zweiten Erwärmung auf eine niedrigere Temperatur dargestellt ist, aufgrund der Tatsache, daß fast die gesamte Menge ihres flüchtigen Wassers bei 140* oder bei 160*C während des ersten Erwärmungsprozesses entfernt worden ist. 8
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Aus Fig. 2 hingegen geht hervor, daß am Ende von 18 Stunden bei 180'C eine Probe M15 sich kaum auf halber Höhe des Abschnitts des schnellen Anstiegs des Gewichtsverlustes durch Wasserentzug befindet.
Wie man sieht, zeigen die Kurven vorteilhafte charakteristische Eigenschaften, aus denen sich leicht der Grad des teilweisen vorhergehenden Wasserentzugs ableiten läßt. So kann man z.B. als Kriterium den Beginn des Plateaus auswählen und als Menge des zu entfernenden flüchtigen Wassers den wert nehmen, der bei Beginn dieses Plateaus von der Ordinate abgelesen werden kann.
Die Figuren zeigen, daß für den Stoff mit der Bezeichnung S65/40 ein Gewichtsverlust von 2,5 % infrage kommt, bei einer Betriebstemperatur des Transformators von 140“C und von 4 % bei 160*0 sowie von 5,5 % bei 180’C. Für den Stoff mit der Bezeichnung M15 kommt ein vorheriger Gewichtsverlust von 2 % bei einem Betrieb des Transformators bei 160*C infrage und von 3,5 % bei 180’C.
Bei 140’C zeigt die Kurve für diesen Stoff ein weniger typisches Verhalten. Es wurde noch festgestellt, daß ein Wert von 0,7 %, der nach etwa 500 Stunden erhalten wurde, zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führt.
Ganz allgemein läßt sich also sagen, daß ein vorheriger Gewichtsverlust in der Größenordnung zwischen 0,5 % und 10 % für alle feuerfesten Stoffe ausreicht, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens infrage kommen. Für den industriellen Einsatz genügt es also der Masse an feuerfestem Stoff mittels Erwärmungsverfahren in einem Ofen das Wasser zu entziehen und dabei den Gewichtsverlust zu überwachen, z.B. durch Gravimetrie mittels einer automatischen Waage, deren Waagschale im Ofen angeordnet ist.
Im Falle eines aluminiumhaltigen Stoffes der Bezeichnung M15 konnte ein Gewichtsverlust von 3,5 % für den Einsatz in einem Transformator bei 180*C nach sechs Stunden Erwärmung auf nur 200 ’C erhalten werden.
Das Erwärmen erfolgt bei höheren Temperaturen natürlich schneller. Um jedoch ein ausreichendes Wasserbildungsvermögen für den Fall einer ungewöhnlichen Überhitzung beizubehalten, ist dafür zu sorgen, daß die Temperatur, die den Beginn des Wasserbildung-Peaks für den verwendeten Stoff bezeichnet, nicht überschritten wird und vorzugsweise unterschritten wird, wobei einige Werte in der vorstehenden Tabelle IV angegeben worden sind.
Sofern gewünscht wird, nicht mit Gravimetrie arbeiten zu müssen, insbesondere im Hinblick auf die großen Stoffmengen, die zu verarbeiten sind, so kann man auch in einem Zwischenschritt den angestrebten Gewichtsverlust durch die Heizdauer ausdrücken. Dies kann mittels einer zweiten Meßprobe des infrage kommenden feuerfesten Stoffs erfolgen, dessen Gewichtsverhältnis an abzusonderndem Wasser bekannt ist und die einer schnellen Aufheizung auf eine vorgegebene erhöhte Temperatur unterworfen wird. Die Aufheizung erfolgt mit kontinuierlicher Gewichtsmessung der Probe, um so die Zeit feststellen zu können, die dem Gewichtsverlust entsprechend dem bekannten Verhältnis an abzusonderndem Wasser entspricht. Der Meßwert legt die Dauer des Heizvorgangs fest bei einer Temperatur, die genau derjenigen des Zwischenschrittes entspricht und der man die zu behandelnde feuerfeste Masse unterwirft.
Gegebenenfalls ist es auch möglich, sich über diesen Verfahrensschritt mittels der Gravimetrie bei erhöhter Temperatur, z.B. 1200 *C, Gewißheit zu verschaffen, wobei der Gehalt an verbleibendem Wasser einer Probe bestimmt wird, die für diesen Zweck von der zu behandelnden feuerfesten Masse entnommen wird. Durch Vergleich mit dem gesamten Wassergehalt zu Beginn (üblicherweise in der Größenordnung von 20 bis 35 Gew.-%) der zuvor in analoger Weise an einer Referenzprobe festgestellt worden ist, läßt sich feststeilen, ob die tatsächlich abgesonderte Menge an flüchtigem Wasser der angestrebten Menge entspricht.
Es sei betont, daß die Heizzeit nicht völlig unabhängig von der Körnigkeit des Stoffes ist. Während der Versuche wurde festgestellt, daß eine grobe Körnigkeit gelegentlich zu einem größeren Gewichtsverlust führte als eine feine Körnigkeit für die gleiche gegebene Heizzeit.
Es sei ferner betont, daß die Werte für die vorstehenden Gewichtsverluste, abgelesen aus den Testkurven, die sich auf Proben bezogen, keineswegs eine obere, nicht zu überschreitende Grenze darstellen. Da jedoch diese Werte jeweils dem Anfang des Plateaus entsprechen, besteht im Prinzip keine Notwendigkeit die Heizung unnötig lange auszudehnen, um so einige Zehntel Prozent zu gewinnen, die in jedem Fall zu unbedeutend sind, um einen Wasseraustritt zu bewirken, der die Qualität des Ummantelungsharzes herabsetzen könnte.
Es ist klar, daß die dargestellten Kurven für die normalen erhöhten Betriebstemperaturen des Transformators das Verhalten des sogenannten flüchtigen Wassers bei diesen Temperaturen darstellen. Bei höheren Temperaturen liegen die Plateaus auf höheren Niveaus und werden schneller erreicht, insbesondere bei der Temperatur des für die verwendete feuerfeste Substanz charakteristischen Maximums (Peaks), 9
Claims (8)
- AT 402 242 B welche, wie dargelegt, in der Nähe von 300'C für alle untersuchten Sorten von AI(OH)3 liegt. Der derart vorbehandelte feuerfeste Stoff ist fertig zum Einsatz. Die endgültige Herstellung des für die Ummantelung fertigen Harzes erfolgt auf herkömmliche Art und Weise: Die mineralische Verstärkung wird, nachdem sie mit einer geeigneten Menge eines teilweise entwässerten feuerfesten Stoffs gründlich vermischt worden ist, in zwei gleiche Hälften unterteilt. Die eine Hälfte wird in das Bad aus reinem Harz eingefüllt und die andere Hälfte in den Härter, der ebenfalls im flüssigen Zustand vorliegt. Diese beiden Gemische werden getrennt voneinander miteinander vermischt, um so zwei fest-flüssige Suspensionen zu bilden und danach werden sie zu einem einzigen Gemisch vereinigt, das wiederum vermischt wird, um eine gute Homogenität zu erzielen. Der erhaltene Brei wird anschließend in eine Gießform eingefüllt, in der vorher die elektrische Wicklung des Transformators eingebracht worden ist, der zu ummanteln ist. Nach dem Eingießen wird die Gießform in einen Ofen gebracht, um das Harz erstarren zu lassen. Nach dem Entnehmen aus dem Ofen und dem Abkühlen wird der Harzblock mit der darin angeordneten Wicklung von der Gießform befreit und kann anschließend mit dem Transformator vereinigt werden. Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern sich auf zahlreiche Abwandlungen bezieht, sofern die in den folgenden Ansprüchen aufgezählten Merkmale dabei Berücksichtigung finden. Insbesondere ist die Erfindung nicht allein auf die angeführten Transformatoren beschränkt, sondern betrifft auch andere auf Basis von elektrischer Induktion arbeitende Einrichtungen oder -Ausrüstungen, die bei relativ hohen Temperaturen im Bereich von 100 bis 200 ’C arbeiten und deren elektrische Wicklungen von einem isolierenden Harzblock ummantelt sind. Obwohl die Erfindung besonders auf durch Wärme aushärtbare Harze gerichtet ist, (Ummantelung von Induktionswicklungen, insbesondere in Transformatoren), läßt sie sich auf alle dielektrischen Ummantelungsmaterialien anwenden. Dies betrifft insbesondere elektrische Installationen mit einer langen Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen. Dies bedeutet, daß sich die Erfindung vorteilhafterweise auch auf Ummantelungsharze anwenden läßt, die bereits von vornherein gute thermomechanische Eigenschaften aufweisen. Patentansprüche 1. Trockentransformator mit Ummantelung, ummantelte(r) Leiter oder Wicklung, von dem bzw. der wenigstens eine Wicklung bzw. ein Abschnitt mit einer isolierenden, eine Armierung bzw. einen Füllstoff enthaltenden Harzschicht ummantelt ist, die einen flammhemmenden, bei steigender Temperatur Wasser abgebenden Stoff, insbesondere ein Aluminiumhydroxid, aufweist, dessen Maximum ("Peak") der Wasserbildung erst bei einer Temperatur oberhalb der bei normaler Arbeitsweise des Transformators auftretenden Temperaturen auftritt, wobei ein Teil der Verstärkung bzw. des Füllstoffes, nämlich wenigstens 20% der Gesamtmasse des Ummantelungsharzes, aus diesem flammhemmenden Stoff besteht, dem Wasser teilweise entzogen worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Ummantelungsharz ein flammhemmender Stoff eingesetzt ist, welcher vor Einbringung in das Harz unter Entzug von Konstitutionswasser teildehydratisiert worden ist, indem er einer Erhitzung auf erhöhte Temperatur, aber unterhalb jener des Beginns des Anstiegs zum Maximum (Beginn des "Peaks") der Wasserbildung in seiner jeweiligen Temperatur-Dehydratisierungs-Kurve für eine Zeitdauer unterworfen worden ist, innerhalb welcher der flammhemmende Stoff gegenüber seinem ursprünglichen Zustand ohne Dehydratisierung einem Masseverlust von 0,5 bis 10% unterliegt.
- 2. Trockentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Aluminiumort-hohydroxid bzw. Aluminiumoxidhydrat als flammhemmender Stoff im Ummantelungsharz der flammhemmende Stoff einer Erhitzung auf eine Temperatur zwischen der im Bereich von 140-150 *C liegenden Temperatur des Transformators bei dessen Normalbetrieb und den im Bereich von 188'C und 216 *C liegenden Temperaturen des Beginns des Anstiegs zum Maximum der Wasserbildung des flammhemmenden Stoffes unterworfen worden ist.
- 3. Verfahren und Herstellung eines isolierenden verstärkten Harzes zum Ummanteln von elektrischen Leitern und Wicklungen von Trockentransformatoren sowie von anderen elektrischen Leitern oder Wicklungen nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Ausgangsharz zusätzlich zur Verstärkung ein flammhemmender, bei steigender Temperatur Wasser abgebender Stoff zugegeben wird, und diesem in einer Menge von wengistens 20% der Gesamtmasse dem Ummantelungsharz zuzugebenden Stoff teilweise Wasser entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einbringung des flammhemmenden Stoffes in das Ummantelungsharz ein Entzug des Konstitutionswassers aus dem flammhemmenden Stoff, insbesondere Aluminiumorthohydroxid bzw. Aluminiumoxidhydrat, in einer eine unerwünschte qualitätsbeeinträchtigende Wasserbildung im Ummantelungsharz während des Betriebes des 10 AT 402 242 B (der) Transformators, Leiters bzw. Wicklung unter Temperaturbedingungen bei Normalbetrieb vermeidenden Menge vorgenommen wird, indem die Dehydratisierung des zur Flammhemmung vorgesehenen Stoffes, insbesondere Aluminiumorthohydroxid bzw. Aluminiumoxyhydrat, unter Erhitzung desselben auf erhöhte Temperaturen vorgenommen wird, innerhalb welcher der flammhemmende Stoff gegenüber seinem ursprünglichen Zustand ohne Dehydratisierung einem Masseverlust von 0,5 bis 10% unterliegt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Aluminiumorthohydroxid bzw. Aluminiumoxidhydrat als flammhemmender Stoff im Ummantelungsharz der flammhemmende Stoff einer Erhitzung auf eine Temperatur zwischen der im Bereich von 140-150 °C liegenden Temperatur des Transformators bei dessen Normalbetrieb und den im Bereich von 188Ό und 216 *C liegenden Temperaturen des Beginns des Anstiegs zum Maximum (Beginn des Peaks) der Wasserbildung des flammhemmenden Stoffes unterworfen wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Dehydratisierung des flammhemmenden Stoffes vor dessen Einsatz erfolgt, indem er einer raschen Erwärmung unterworfen wird, bis sein Massenverlust der Menge an abzusonderndem Wasser entspricht, gemäß einem vorher festgelegten Verhältnis, bei der man die Entwicklung an einer Meßprobe des Massenverlustes als Funktion der Zeit während eines langdauernden Erwärmens auf eine Temperatur festgestellt hat, welche unterhalb derjenigen liegt, bei der die Höchstmenge an Wasser aus dem flammhemmenden Stoff austritt.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Dehydratisierung des flammhemmenden Stoffes vor dessen Einsatz erfolgt, indem er einer raschen Erwärmung unterworfen wird, bis sein Massenverlust der Menge an abzusonderndem Wasser entspricht, gemäß einem vorher festgelegten Verhältnis, bei der man die Entwicklung an einer Meßprobe des Massenverlustes als Funktion der Zeit während eines langdauernden Erwärmens auf eine Temperatur festgestellt hat, welche unterhalb derjenigen liegt, bei der die Höchstmenge an Wasser aus dem flammhemmenden Stoff austritt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rasche Erwärmung während einer Dauer erfolgt, die durch ein Heizverfahren festgelegt worden ist, das bei identischer Temperatur durchgeführt wurde, und zwar mittels Massebestimmung einer Probe des eingesetzten flammhemmenden Stoffes, bis dieser einen durch die Dehydratisierung bedingten Massenverlust erreicht hat, der der jeweils vorgesehenen Menge an bei der Dehydratisierung abzusonderndem Wasser entspricht.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einsatz die bei der Dehydratisierung abzusondernde Wassermenge festgeiegt wird durch Verfolgung der zeitabhängigen Entwicklung des Massenverlustes einer Meßprobe, die einer langdauernden Erwärmung bei konstanter Temperatur unterworfen worden ist, welche Temperatur unterhalb derjenigen liegt, bei welcher die höchste Dehydratisierungs-Wasserabsonderung aus dem einzusetzenden flammhemmenden Stoff erfolgt. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 11
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