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Kombinierte Hochspannungs-Umhüllungs-Isolation und Verfahren zu ihrer Herstellung Die (-riessharzeinbettungsisolation bereitet bei sehr hohen Spannungen der zu isolierenden li#lektr,oden erhebliche Schwierigkeiten aus folgenden Gründen:
Das Giessen sehr grosser Stücke ist schwierig wegen der Ilarzkontraktion bei der Härtung und darauffolgenden Abkühlung und wegen den Wärmedehnungen durch Betriebs- teniperatursehwankungen. Die Wärmedeh- nun#,- des Harzes ist eben grösser als diejenige der Elektrodenmet.alle, weshalb Rissgefahr besteht. Ferner ist tgb der bis heute bekannten Einbettungsgiessliarze für die ganz hohen Betriebsspannungen so hoch, dass die Gefahr des ärniedurehschlages schwerlich vermeidbar ist.
Die Isolationen aus aufgewiekelter Isolierstof.'fbahn haben ihrerseits grosse Nachteile: sie sind leicht verletzbar. Wenn sie mit einer Flii,sifl:eit, z. B. öl, imprägniert. sind, müssen sie in einem Behälter vor Verlust der Flüssigkeit. geschützt werden. Sie können aus der Flüssigkeit nach und nach Feuchtigkeit auf- nelinien. Anderseits besitzen sie, wenn geeignet gewählt, grosse Vorzüge wie extrem hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, niedriges tgb, hohe Elastizität, Eignung zur Einbettung von Feldsteueringsbelägen und von Draht- wiekl ungen.
Durch Serieselialtung der beiden Dielek- trika derart, dass das Einbettungsharz wenigstens die äusserste Schicht und damit ein Gefäss für das aufgewiekelte Dielektrikum bildet, lassen sich die Vorteile der beiden Dielektrika grösstenteils verbinden, ohne deren Nachteile voll in Kauf nehmen zu müssen. Natürlich darf das Giessharz nicht porös sein, und da es selbst einen Teil des gesamten Spannungsgefälles aufzunehmen hat, muss es von guter dielektriseher Qualität sein.
Dies trifft zu für gewisse bekannte Giessharze, die ausgezeichnet sind durch die Eigenschaft, aus bei Raum- oder erhöhter Temperatur flüssigen, insbesondere giessbaren Ausgangsstoffen durch eine Polyreaktion, wie z. B. Polymerisation oder Polyaddition, zu entstehen, wobei die Aus- gangsstoffe durch ihr besonderes Verhalten gekennzeichnet sind, ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile zu härten.
An aufgewickelten Isolierstoffbahnen, vorzugsweise Bändern, sind im Sinne der Erfindung besonders solche aus porösem Dielekt.ri- kum, wie z. B. Papier, geeignet, welche mit einem flüssigen Isolierstoff imprägniert sind. Damit die hohe Durchschlagsfestigkeit solcher Wickel gut ausgenützt werden kann, soll ihr spezifischer dielektriseher Widerstand tunlichst klein sein, was erreicht wird mittels Imprägnierflüssigkeiten mit kleiner Dielek- trizitätskonstante e, vorzugsweise für ± < 3, wie z. B. Mineralöle mit a --- 2,3 ... 2,5 oder flüssigen Fluorkohlenwasserstoffen, wie z.
B. Tr i-perfluorobutyl-tert.-amin mit a = 1,86.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Isolation. Als erste Arbeitsstufe wird darnaeh die Bandagie-
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rtmg ausgeführt. Dann wird der Gegenstand vorzugsweise in einer Giessform, mit der Kimstharzisolation umgossen. Nach erfolgter Härtiuig des Harzhüllkörpers wird vorzugsweise die Vakuumtrocknung der bandagierten Isolation vorgenommen. Hierauf folgt die Im- prägnierung der bandagierten Isolation, wozu wenn nötig passende Öffnungen in der Harzhülle gemacht werden.
'Der Nachteil der Brandgefahr, die flüssige Isolierstoffe, mit welchen die aufgewickelte Isolierstoffbahn vorteilhaft imprägniert werden kann, unter sonst gleichen Umständen weit eher bedingen als feste, ist einesteils zwar weitgehend behoben durch die Umschliessung mit dem festen Kunstharzkörper, andernteils aber doch nicht vollständig vermieden im Falle einer Sprengung der Kunstharzumhül- lung. Auch diese Gefahr besteht jedoch nicht mehr, wenn der flüssige Isolierstoff umbrenn- bar ist und mindestens so hitzebeständig wie das Giessharz selbst. Dies trifft z.
B. zu für einige Fluoroäther, Fluoroamine und Fluor- silikone. Um auch bei betriebsmässiger Über- hitzung Sprengungen der Giessharzhülle. zu vermeiden, wird vorgeschlagen, falls flüssige Stoffe zur Imprägnierung verwendet werden, solche mit möglichst hohem Siedepunkt, vorteilhafterweise von über 150 C, zu wählen, wie z. B. Tri-perfhiorohexyl-tert.-amin oder Tri-perfluorobutyl-tert.-amin.
Wenn für besonders hitzebeständige Isolierungen Giessharze hoher Hitzebeständigkeit verwendet werden, ist es zweckmässig, dass auch die aufgewickelte Isolation aus hitzebeständigem Stoff besteht, wie z. B. Asbestband oder C-lasfaserband. Dies ganz besonders dann, wenn solche Isolation Drahtwindungen enthält, welche durch den Betriebsstrom heiss werden können. Als Wickelisolation eignen sich in manchen Fällen, z. B. für hohe Stromfrequenz, auch die nicht porösen thermoplastischen Stoffe, wie z. B.
Polystyrol, meist in Band- oder Blattform genannt. Styroflex , ferner Polyäthylen, Polyv inylchlorid, Polyvinylidenchlorid, feiner die unter den Namen Teflon und Kel-F>> bekannten Stoffe usw. Die niedrige Hitzebeständigkeit einzelner dieser Stoffe schliesst sie nicht aus, da es auch Einbettimgs- giessharze mit niedriger Härtungstemperatur gibt. Solche unporöse Folien können, damit sie nicht nach dem Aufwickeln zwischen den Windungen eingeschlossene Luft bergen, mit. flüssigen Dielektrika benetzt angewandt sein, z. B.
Polystyrol benetzt mit Mineralöl.
Es ist auch in gewissen Fällen vorteilhaft, die Windungen der thermoplastischen Isolation untereinander zii verschweissen, damit ein quasi isotroper Körper entsteht.
Ein weiterer, in gewissen Fällen vorteilhafter aufwickelbarer Isolierstoff ist eine glimmerreiehe flexible Bahn, wie z. B. flexibles Micanit oder Micafolium .
Die vorgeschlagene Kombination lässt sich vorteilhaft auch dann verwenden, wenn eine Feldsteuerung durch leitende Einlagen oder das Unterbringen von Drahtwindungen, wie sie z. B. als Primärwicklungen von Spannungswandlern vorkommen, wünschbar ist. Denn leitende Einlagen, etwa in Form von Metallfolien, lassen sich beim Aufwickeln in an sich -bekannter Weise leicht einwickeln.
Geschichtete Isolationen haben einerseits den Vorteil, dass ihre elektrisehe Festigkeit zwar senkrecht zur Schichtung sehr hoch ist, anderseits den Nachteil, dass sie in Schichtrichtung sehr viel kleiner ist. Am Rande von solchen kapazitiven Steuerungseinlagen bestehen starke Feldgradienten, besonders auch in Schichtrichtung. Dieser Nachteil kann durch Einbettung der Enden der Steuerungseinlagen in die umhüllende Giessharzsehicht behoben werden. Man hat so zudem die Möglichkeit, die Enden mit einem Wulst zu versehen, der den Feldgradienten verkleinert.. Dieser Wulst wird zweckmässig im Giessharz eingebettet.
Es sind ferner Kondensatordurchführun- gen für Verwendung des einen Endes unter Öl bekannt, deren Steuerungseinlagen bis an die konisehe, unter Öl liegende Aussenfläehe rei- ehen und die radial so dicht aufeinanderfol- gen, da.ss ein sehr hoher Überschlagsgradient ertragen wird.
Eine solche feine Steuerung
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lässt sieh mit dem Erfindungsgedanken realisieren, indem die Steuerungseinlagen zwar durch das gewickelte Dielektrikum ihre richtige gegenseitige Lage erhalten, dass sie jedoch durch die umhüllende Giessharzseliicht bis an die Oberfläche geführt sind.
Da für die Imprägnierung des geschichteten Dielektrikums unter anderem auch teure flüssige Dielektrika vorgeschlagen sind, ist es @-orteilhaft, bei Durchführungen das geschichtete Dielektrikum nur so weit in axialer Richtung reichen zu lassen, wie dies die Feldstärke erfordert.
Es können zweckmässigerweise gegen einen plötzlich auftretenden CTasüberdruek Schutzvorrichtungen, z. B. Ausdehnungskörper, vorgesehen werden.
Wenn es sieh darum handelt, wie z. B. bei Spannungs- oder Stromwandlern, die Drahtwindungen unterzubringen, kann eventuell ein frei belassener Raum zwischen aufgewickelter Isolation und umhüllender Giessharzisolation vorteilhaft zur Aufnahme von solchen Drahtwindungen dienen.
Lange Körper, insbesondere lange Durchführungen, bieten die Schwierigkeit, dass die Harzhülle wegen der Schrumpfung beim härten und Abkühlen reissen kann. Es ist bei solchen langen Körpern vorteilhaft, an einer Stelle, vorzugsweise da, wo die Harzhülle elek- ti#isch wenig beansprucht wird, eine schwächere Stelle, vorzugsweise eine Rille, v orzu- sehen, die dann beim Abkühlen unter dem Einfluss der Kontraktionsspannungen zur Trennung an der gewünschten Stelle führt. Darnach kann die Trennfuge an einem besonderen Arbeitsprozess wieder zugegossen werden.
Beispiele von Isolationen nach der Erfin- clung sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Fig. 1 stellt einen Stromwandler für hohe "'paniinngen dar. 1 ist der iriagnetisehe Ringkern. 2 ist das Rohr, fortan kurz Stiel genannt, das die Stromzu- und -ableitung führt, 3 das Rolir, das die primäre Wicklung enthält, .I die sekundäre Wicklung.
Die primäre Wicklung ist zunächst umhüllt mit der Pa- pierbandisolation 5, die sieh auch über den Stiel erstreckt. Der letztere Teil der Papierbandisolation enthält koaxial zum Stiel Poten- tialsteuereinlagen 6, deren Begrenzung nach unten in der Zeichnung durch 7 angedeutet ist. Die Papierbandisolation befindet sich im Innern der Giessharzisolation B. 9 sind Witterungssehutzschirme, z. B. aus Porzellan, mit dem Abschlussdeckel 10. 11 ist ein leitender Erdbelag.
Fig. 2 stellt einen Stromwandler ähnlicher Bauart dar. Unterschiedlich ist nur die Isolation des Stiels 2, indem die Papierisolation zu Schirmen 12 ausgebildet ist. Der Raum zwischen dem keramischen Isoliermantel 9 und der Papierisolation ist mit flüssigem Isolierstoff gefüllt. Die Bedeutung der Bezugszahlen ist im übrigen dieselbe wie in Fig. 1.
Fig. 3 stellt einen Stabstromwandler dar mit dem Eisenkern 1, dem Primärleiter 2 und der Sekundärwicklung 4 mit, ihrer Klemmableitung 13. 5 ist die Papierisolation, 8 ist der Kunstharzhüllkörper. Er ist in diesem Falle nur in den beiden konischen Endteilen elektrisch beansprucht. Die Sekundärwicklung um den magnetischen Kern berührt hier direkt den Papierkörper. 14 deutet einen Ausdehnungskörper an. Tritt anstelle des magnetischen Kernes ein blosser Erdflansch, so ist der beschriebene Apparat eine Hochspannungsdurchführung.
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Combined high-voltage encapsulation insulation and process for its production The (-riessharzeinbettungsisolation causes considerable difficulties at very high voltages of the lines to be isolated for the following reasons:
The casting of very large pieces is difficult because of the Ilarz contraction during hardening and subsequent cooling and because of the thermal expansion caused by fluctuations in operating temperature. The thermal expansion of the resin is just greater than that of the electrode metals, which is why there is a risk of cracking. Furthermore, the tgb of the embedding cast iron known to date is so high for the very high operating voltages that the risk of an electric shock is difficult to avoid.
The insulations made of rolled-up insulating material have major disadvantages for their part: they are easily injured. If they are with a Flii, sifl: eit, z. B. oil, impregnated. they must be in a container from loss of fluid. to be protected. You can gradually draw moisture out of the liquid. On the other hand, if selected appropriately, they have great advantages such as extremely high dielectric strength, low tgb, high elasticity, suitability for embedding field control coverings and wire weights.
By using the two dielectrics in series in such a way that the embedding resin forms at least the outermost layer and thus a vessel for the wrapped dielectric, the advantages of the two dielectrics can largely be combined without having to fully accept their disadvantages. Of course, the casting resin must not be porous, and since it has to absorb part of the entire voltage gradient itself, it must be of good dielectric quality.
This applies to certain known casting resins, which are distinguished by the property of being made from starting materials that are liquid at room or elevated temperature, in particular pourable, by means of a polyreaction, such as. B. polymerization or polyaddition, the starting materials are characterized by their special behavior, hardening without elimination of volatile constituents.
In the context of the invention, particularly those made of porous Dielekt.ri- kum, such as. B. paper, which are impregnated with a liquid insulating material. So that the high dielectric strength of such coils can be fully utilized, their specific dielectric resistance should be as small as possible, which is achieved by means of impregnation liquids with a low dielectric constant e, preferably for ± <3, such as B. mineral oils with a --- 2.3 ... 2.5 or liquid fluorocarbons, such as.
B. Tri-perfluorobutyl-tert-amine with a = 1.86.
The invention also relates to a method for producing an insulation. As the first stage of work, the bandaging
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rtmg executed. Then the object is encapsulated with the Kimst resin insulation, preferably in a casting mold. After the resin casing has hardened, vacuum drying of the bandaged insulation is preferably carried out. This is followed by the impregnation of the bandaged insulation, for which, if necessary, suitable openings are made in the resin cover.
The disadvantage of the risk of fire, which liquid insulating materials, with which the wound-up insulating material web can advantageously be impregnated, are much more likely than solid materials under otherwise identical circumstances, is on the one hand largely eliminated by the enclosure with the solid synthetic resin body, but on the other hand not completely avoided in the If the synthetic resin coating bursts. However, this risk also no longer exists if the liquid insulating material can be burned and is at least as heat-resistant as the casting resin itself.
B. for some fluoroethers, fluoroamines and fluorosilicones. In order to detonate the cast resin shell even in the event of normal overheating. To avoid, it is proposed, if liquid substances are used for impregnation, to choose those with the highest possible boiling point, advantageously above 150 ° C., such as. B. tri-perfhiorohexyl-tert-amine or tri-perfluorobutyl-tert-amine.
If casting resins with high heat resistance are used for particularly heat-resistant insulation, it is advisable that the wound insulation also consists of heat-resistant material, such as B. Asbestos tape or C-laser fiber tape. This is especially true if such insulation contains wire windings which can become hot due to the operating current. As winding insulation are in some cases, such. B. for high current frequency, including the non-porous thermoplastic materials such. B.
Polystyrene, usually called in tape or sheet form. Styroflex, also polyethylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, finer substances known under the names Teflon and Kel-F >> etc. They do not exclude the low heat resistance of some of these substances, as there are also embedding casting resins with a low hardening temperature. Such non-porous films can, so that they do not contain trapped air between the windings after winding. liquid dielectrics be applied wet, z. B.
Polystyrene wetted with mineral oil.
It is also advantageous in certain cases to weld the turns of the thermoplastic insulation to one another so that a quasi-isotropic body is created.
Another insulating material that can be wound up, which is advantageous in certain cases, is a mica row of flexible sheets, such as B. flexible micanite or micafolium.
The proposed combination can also be used advantageously when a field control by conductive inserts or the accommodation of wire windings, as they are, for. B. occur as primary windings of voltage converters, is desirable. This is because conductive inserts, for example in the form of metal foils, can be easily wrapped in a known manner when winding.
Layered insulation on the one hand has the advantage that its electrical strength is very high perpendicular to the layering, on the other hand the disadvantage that it is much smaller in the direction of the layer. At the edge of such capacitive control deposits, there are strong field gradients, especially in the slice direction. This disadvantage can be eliminated by embedding the ends of the control inserts in the encasing cast resin layer. It is also possible to provide the ends with a bead that reduces the field gradient. This bead is expediently embedded in the casting resin.
There are also known condenser bushings for using one end under oil, the control inserts of which line up to the conical outer surface lying under oil and which follow one another radially so closely that a very high rollover gradient is tolerated.
Such fine control
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can be realized with the idea of the invention in that the control inserts are indeed given their correct mutual position by the wound dielectric, but that they are guided to the surface by the encasing cast resin.
Since, among other things, expensive liquid dielectrics are also proposed for impregnating the layered dielectric, it is advantageous to allow the layered dielectric to extend in the axial direction only as far in the axial direction as the field strength requires.
Appropriately, protective devices against a sudden CTas overpressure, e.g. B. expansion body are provided.
When it comes to how z. B. in voltage or current transformers to accommodate the wire windings, a free space between the wound insulation and encasing cast resin insulation can advantageously serve to accommodate such wire windings.
Long bodies, especially long leadthroughs, present the difficulty that the resin shell can tear because of the shrinkage during hardening and cooling. In the case of such long bodies, it is advantageous to provide a weaker point, preferably a groove, at a point, preferably at a point where the resin casing is not subjected to any electrical stress, which is then used when cooling under the influence of the contraction stresses Separation leads to the desired location. The parting line can then be re-cast in a special work process.
Examples of insulation according to the invention are shown in FIGS. 1 to 3. Fig. 1 shows a current transformer for high "'paniinngen. 1 is the Iriagnetisehe toroidal core. 2 is the tube, henceforth called the stem for short, which leads the current supply and discharge, 3 the rolir, which contains the primary winding, .I the secondary winding.
The primary winding is initially covered with the paper tape insulation 5, which also extends over the stem. The latter part of the paper tape insulation contains potential control deposits 6 coaxially to the stem, the downward limitation of which is indicated by 7 in the drawing. The paper tape insulation is located inside the cast resin insulation B. 9 are weather protection screens, e.g. B. made of porcelain, with the end cover 10. 11 is a conductive earth covering.
2 shows a current transformer of a similar design. The only difference is the insulation of the stem 2, in that the paper insulation is formed into screens 12. The space between the ceramic insulating jacket 9 and the paper insulation is filled with liquid insulating material. The meaning of the reference numbers is otherwise the same as in FIG. 1.
Fig. 3 shows a rod current transformer with the iron core 1, the primary conductor 2 and the secondary winding 4 with its terminal lead 13. 5 is the paper insulation, 8 is the synthetic resin casing. In this case it is only electrically stressed in the two conical end parts. The secondary winding around the magnetic core is in direct contact with the paper body. 14 indicates an expansion body. If instead of the magnetic core there is a bare earth flange, the apparatus described is a high-voltage bushing.