Belag zur Ausgleichung des Potentialgradienten längs der Fläche einer elektrischen Isolation Die vorliegende Erfindung betrifft einen Belag zur Ausgleichung des elektrischen Potentialgradien ten, der auf der Fläche einer elektrischen Isolation entsteht, besonders auf der Fläche isolierter elektri scher Leiter, z. B. auf den Wickelköpfen elektrischer Maschinen oder auf Hochspannungsdurchführungen.
Wenn der elektrostatische Potentialgradient längs der Fläche einer von Luft oder einem anderen Gas umgebenen elektrischen Isolation einen bestimmten Wert überschreitet, bildet sich Korona; das sind Gas entladungen, die die Fläche der elektrischen Isolation und den Isolierstoff zerstören und schliesslich Durch schlag zur Folge haben können. Dieses Phänomen ist besonders belästigend bei nutengewickelten Hochspan nungsmaschinen, in denen zwischen der Fläche der aus dem Eisenkern herausragenden Wickelköpfen und dem Eisenkern ein sehr grosser Potentialgradient be steht, der Korona verursacht, und auch bei Hochspan nungsdurchführungen.
Um den auf der Fläche isolierter elektrischer Lei ter in elektrischen Maschinen und Geräten auftreten den Potentialgradienten auszugleichen und dadurch Koronabildung zu verhindern, ist bisher die Fläche der Isolation gewöhnlich mit einem elektrisch leiten den Belag versehen worden, der einen geeigneten Lei tungswiderstand zwischen den Leitungswiderstands werten für gute, Nichtleiter und metallische Leiter hat. Die bisher verwendeten Beläge bestehen gewöhnlich aus einem geeigneten Bindemittel, in welches zum Beispiel Graphit, Holzkohle, Anthrazit oder Kienruss gemengt sind.
Es hat sich indessen erwiesen, dass diese Beläge meistenteils den Potentialgradienten nicht hin reichend ausgleichen können, um die Koronabildung zu verhindern. Die Ursache wird am einfachsten an Hand der beigefügten Zeichnung erklärt, in der Fig. 1 im Querschnitt eine aus dem Stator einer elektrischen Maschine herausragende Wicklung schematisch dar- stellt. Der stromführende Leiter 1 ist in üblicher Weise mit einer Isolation 2 umgeben und ragt aus dem Eisenkern 3 der Maschine heraus. Wenn keine besonderen Vorkehren getroffen werden, nimmt die isolierte Fläche des Wickelkopfs annähernd dasselbe.
Potential wie der Leiter an, weshalb ein sehr grosser Spannungsgradient zwischen dem geerdeten Eisenkern und der Fläche der Isolation des Wickelkopfes ent steht, was eine kräftige Koronabildung zur Folge hat. Um dies zu verhindern, ist es wie schon erwähnt üblich, den dem Eisenkern am nächsten liegenden Teil des Wickelkopfes mit einem elektrisch leitenden Flächenbelag 4 der obenerwähnten Art zu versehen.
Es ist offenbar, dass dabei von jedem Punkt auf dem Teil des Leiters 1, der innerhalb des Glimmschutz belages 4 liegt, ein Ableitungsstrom zum Belag 4 und danach zum geerdeten Eisenkern 3 fliesst. Die Strom stärke in dem Belag steigt folglich von dem äusseren Ende des Belages nach dem Eisenkern zu progressiv an, und da alle bisher vorgeschlagenen und verwen deten Beläge einen von dem Strom und der Span nung annähernd unabhängigen Leitungswiderstand haben, entsteht ein viel grösserer Potentialgradient an der Stirnfläche des Eisenkernes als an dem äusseren Ende des Glimmschutzbelages.
Die Kurve A in Fig. 2 der Zeichnung zeigt, wie das Potential des Glimmschutzbelages mit dem Ab stand von der Stirnfläche des Eisenkernes variiert bei einem Belag der bisher verwendeten Art. Das Poten tial des Leiters ist in Fig. 2 mit U bezeichnet. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die bekannten Beläge den Po tentialgradienten nur unbeträchtlich ausgleichen kön nen, so dass in der Nähe der Stirnseite des Eisenker nes ein grosser Potentialgradient und damit die Ge fahr für Koronabildung fortbestehen.
Auch wenn die ser Potentialgradient bei der normalen Betriebsspan nung der Maschine den genehmigten Grenzwert nicht überschreitet, ist offenbar nur eine geringe Spannungs erhöhung erforderlich, um den Potentialgradienten derart zu vergrössern, dass sich Korona bildet. Es ist deshalb bisher sehr schwer gewesen, einen Glimm- schutz hervorzubringen, der sowohl bei Betriebsspan nung als auch bei Prüfspannung wirksam ist.
Zwar kann der Potentialgradient in der Nähe des Eisenker nes dadurch vermindert werden, dass der Leitungs widerstand des Belages vermindert wird, wobei indes sen das äussere Ende des Belages ein Potential an nimmt, das niedriger als das Potential des Leiters ist, weshalb ein grosser Potentialgradient und die Gefahr für Korona in diesem Punkt entstehen.
Aus dem Vorstehenden geht !hervor, dass die bis her verwendeten Beläge nur innerhalb eines verhält nismässig engen Spannungsbereiches wirksam sind und dass ihre Wirkung von dem Leitungswiderstand, das heisst der Zusammensetzung und der Dicke des Be lages, stark abhängig ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, einen den Potentialgradienten ausgleichenden Belag zu schaffen, der innerhalb eines weiten Spannungsberei ches eine genügende Ausgleichung des Potentialgra dienten bewirkt und dessen Wirkung weniger emp findlich für Änderungen in der Zusammensetzung und in der Dicke des Belages ist. Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Belag mindestens einen elektrisch leitenden Bestandteil enthält, der dem Be lag einen ausgeprägt spannungsabhängigen Leitungs widerstand verleiht. Hierdurch bekommt der Belag eine stark nichtlineare Strom-Spannungskennlinie, so dass die Spannung über einen gewissen Teil des Be lages innerhalb eines weiten Spannungsbereiches an nähernd konstant und von der Stromstärke in diesem Teil des Belages unabhängig wird.
In Fig. 1 verur sacht folglich die grosse Stromstärke durch den Belag 4 in der Nähe des Eisenkernes 3 keinen grösseren Spannungsabfall als die niedrigere Stromstärke durch den äusseren Teil des Belages, weshalb die Potential verteilung längs des Belages annähernd linear wird, wie die Kurve B in Fig.2 zeigt. Da der Leitungs widerstand des Belages in jedem Punkt automatisch den bestgeeigneten Wert unabhängig vom Potential des Leiters, das heisst von der Spannung der Ma schine, annimmt, bewirkt der Belag nach der Erfin dung automatisch eine befriedigende Ausgleichung des Potentialgradienten bei innerhalb weiten Grenzen va riierender Spannung des Leiters.
Der Belag nach der Erfindung besteht zweckmässig aus einem Stoff mit stark spannungsabhängigem Lei tungswiderstand, der in disperser Form in ein härt- bares Bindemittel, z. B. in ein Epoxyharz, gemengt ist, so dass eine Suspension gebildet wird, die wie ein Lack auf die Fläche, deren Potentialgradient ausgegli chen werden soll, aufgebracht werden kann.
Ein härt- bares Bindemittel hat den Vorteil, dass es bei der Här tung etwas schrumpft, wobei die eingemengten leiten den Partikel zusammengepresst werden, so dass lei tende Kontakte zwischen ihnen entstehen. Als elek trisch leitender Bestandteil in dem Belag kann zum Beispiel Siliziumkarbid verwendet werden, das dem Belag einen ausgeprägt spannungsabhängigen Lei tungswiderstand verleiht, und das ausserdem den Vor teil hat, dass sein Leitungswiderstand einen verhältnis mässig kleinen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Statt den Belag wie einen Lack unmittelbar auf den zu schützenden Leiter anzubringen, kann das Belagmittel zunächst auf ein Band aufgebracht wer den, das danach um die Isolation des Leiters gewik- kelt wird, wonach die Härtung des Bindemittels vor genommen wird. Bei diesem Verfahren ist es vor allem einfacher, die Dicke des fertigen Belages zu überwachen.
Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht nur bei den Wickelköpfen elektrischer Maschinen und bei Hochspannungsdurchführungen mit Vorteil angewen det werden kann, sondern sie kann auch in vielen an deren Fällen in elektrischen Geräten und Maschinen, bei denen eine Ausgleichung des Potentialgradienten auf der Fläche einer Isolation erforderlich ist, verwen det werden.
Coating for equalizing the potential gradient along the surface of an electrical insulation The present invention relates to a coating for equalizing the electrical potential gradients that arise on the surface of an electrical insulation, especially on the surface of insulated electrical conductors such. B. on the winding heads of electrical machines or on high-voltage bushings.
If the electrostatic potential gradient along the surface of an electrical insulation surrounded by air or another gas exceeds a certain value, corona forms; These are gas discharges that destroy the surface of the electrical insulation and the insulating material and can ultimately lead to a breakdown. This phenomenon is particularly annoying in the case of slot-wound high-voltage machines, in which there is a very large potential gradient between the surface of the winding heads protruding from the iron core and the iron core, which causes corona, and also with high-voltage bushings.
In order to compensate for the potential gradients occurring on the surface of isolated electrical Lei ter in electrical machines and devices and thereby prevent corona formation, the surface of the insulation has usually been provided with an electrically conductive coating that values a suitable line resistance between the line resistance for Has good, dielectric and metallic conductors. The coverings used to date usually consist of a suitable binding agent in which, for example, graphite, charcoal, anthracite or pine soot are mixed.
It has been shown, however, that these coatings mostly cannot compensate the potential gradient sufficiently to prevent corona formation. The cause is most easily explained with the aid of the attached drawing, in which FIG. 1 schematically shows in cross section a winding protruding from the stator of an electrical machine. The current-carrying conductor 1 is surrounded in the usual way with an insulation 2 and protrudes from the iron core 3 of the machine. Unless special precautions are taken, the isolated area of the end winding takes approximately the same.
Potential like the conductor, which is why there is a very large voltage gradient between the earthed iron core and the surface of the insulation of the end winding, which results in a strong corona formation. To prevent this, it is customary, as already mentioned, to provide the part of the end winding closest to the iron core with an electrically conductive surface covering 4 of the type mentioned above.
It is evident that a discharge current flows from every point on the part of the conductor 1 that lies within the corona protection covering 4 to the covering 4 and then to the earthed iron core 3. The current in the coating consequently increases progressively from the outer end of the coating after the iron core, and since all coatings proposed and used so far have a line resistance that is approximately independent of the current and voltage, a much larger potential gradient arises at the Face of the iron core than at the outer end of the corona protection coating.
The curve A in Fig. 2 of the drawing shows how the potential of the glow protection coating with the stand from the end face of the iron core varies with a coating of the type previously used. The potential of the conductor is indicated in Fig. 2 with U. From Fig. 2 it can be seen that the known coatings can only negligibly compensate for the potential gradient, so that a large potential gradient and thus the risk of corona formation persist near the end face of the iron core.
Even if this potential gradient does not exceed the approved limit value at the normal operating voltage of the machine, only a slight increase in voltage is apparently required to increase the potential gradient in such a way that corona forms. It has therefore hitherto been very difficult to produce a corona protection that is effective both with operating voltage and with test voltage.
It is true that the potential gradient in the vicinity of the iron core can be reduced by reducing the line resistance of the covering, but the outer end of the covering assumes a potential that is lower than the potential of the conductor, which is why a large potential gradient and the danger for corona arise at this point.
It can be seen from the above that the coverings used up to now are only effective within a relatively narrow voltage range and that their effect is strongly dependent on the line resistance, i.e. the composition and thickness of the cover.
The aim of the present invention is to create a covering that compensates for the potential gradient, which within a wide range of stresses causes sufficient equalization of the potential gradient and whose effect is less sensitive to changes in the composition and thickness of the covering. According to the invention, this is achieved in that the covering contains at least one electrically conductive component, which gives the Be lay a markedly voltage-dependent line resistance. This gives the covering a strongly non-linear current-voltage characteristic curve, so that the voltage over a certain part of the covering becomes almost constant within a wide voltage range and is independent of the current intensity in this part of the covering.
In Fig. 1, consequently, the high current intensity through the coating 4 in the vicinity of the iron core 3 does not cause a greater voltage drop than the lower current intensity through the outer part of the coating, which is why the potential distribution along the coating is approximately linear, like curve B in Fig.2 shows. Since the line resistance of the covering automatically assumes the most suitable value at every point regardless of the potential of the conductor, i.e. the voltage of the machine, according to the invention, the covering automatically compensates for the potential gradient satisfactorily when the voltage varies within wide limits of the head.
The covering according to the invention expediently consists of a substance with a strongly voltage-dependent line resistance which is dispersed in a hardenable binder, e.g. B. is mixed in an epoxy resin, so that a suspension is formed which, like a paint, can be applied to the surface whose potential gradient is to be compensated.
A hardenable binding agent has the advantage that it shrinks somewhat during hardening, whereby the constricted conductive particles are pressed together so that conductive contacts are created between them. Silicon carbide, for example, can be used as an electrically conductive component in the coating, which gives the coating a pronounced voltage-dependent line resistance and which also has the advantage that its line resistance has a relatively low temperature coefficient.
Instead of applying the covering like a lacquer directly to the conductor to be protected, the covering agent can first be applied to a tape, which is then wrapped around the insulation of the conductor, after which the binding agent is cured. Above all, this method makes it easier to monitor the thickness of the finished covering.
It is obvious that the invention can be used with advantage not only in the end windings of electrical machines and in high-voltage bushings, but it can also be used in many other cases in electrical devices and machines in which an equalization of the potential gradient on the surface of an insulation is required.