Lack für die Herstellung von Glimmschutzbelägen auf der Oberfläche isolierter elektrischer Leiter in Hochspannungsvorrichtungen und Verwendung des Lackes Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lack für die Herstellung von Glimmschutzbelägen auf der Oberfläche isolierter elektrischer Leiter in Hoch spannungsvorrichtungen, z. B. auf den freien Wickel köpfen elektrischer Maschinen, auf Hochspannungs durchführungen oder auf Kabelenden, um dort einen Belag zu bilden, der einen auf der Oberfläche auftre tenden elektrischen Potentialgradienten ausgleicht.
Wenn der elektrische Potentialgradient längs der Oberfläche einer von Luft oder einem anderen Gas umgebenen elektrischen Isolation einen bestimmten Wert überschreitet, entsteht Korona oder Glimmen, d. h. es entwickeln sich elektrische Gasentladungen, die die Oberfläche der elektrischen Isolation zerbre chen, das Isoliermaterial zerstören und Durchschlag zur Folge haben. Diese Erscheinung ist besonders lästig, u. a. bei putengewickelten elektrischen Hoch spannungsmaschinen, bei denen zwischen der Ober fläche der aus dem Eisenkern herausragenden freien Wickelköpfe und dem Eisenkern ein sehr grosser Potentialgradient entsteht, der bei Hochspannungs durchführungen und bei Kabelenden Korona ver ursacht.
Um den auf der Oberfläche isolierten elektrischen Leiter in elektrischen Maschinen und Geräten auf tretenden Potentialgradienten auszugleichen und da durch Koronabildung zu verhindern, ist bisher die Oberfläche der Isolation gewöhnlich mit einem elektrisch leitenden Belag versehen worden, der einen zweckmässigen spezifischen Widerstand zwischen den spezifischen Widerstandswerten für gute Nichtleiter und metallische Leiter hat. Wenn es sich um die freien Wickelköpfe in elektrischen Maschinen handelt, werden gewöhnlich nur die am nächsten an dem Eisenkern der Maschine gelegenen Teile der Wickel köpfe mit einem solchen leitenden Belag versehen.
Die verwendeten Beläge bestehen gewöhnlich aus einem geeigneten Bindemittel, in das beispielsweise Graphit, Holzkohle, Anthrazit oder Kienruss gemengt sind. Es hat sich erwiesen, dass diese Beläge meistenteils den Potentialgradienten nicht hinreichend ausgleichen können, um die Koronabildung zu verhindern. Die Ursache ist, dass die Beläge einen von Strom und Spannung annähernd unabhängigen spezifischen Wi derstand aufweisen, weshalb ein viel grösserer Poten tialgradient an der Stirnfläche des Eisenkerns als an dem äusseren Ende des Glimmschutzbelags entsteht.
Um die Nachteile, die mit der Verwendung der vorher genannten Beläge verbunden sind, zu vermeiden, hat man die Verwendung von Belägen mit stark span nungsabhängigem spezifischem Widerstand vor geschlagen. Solche Beläge haben eine stark nicht lineare Stromspannungscharakteristik, so dass die Spannung über einen gewissen Teil des Belags inner halb eines weiten Spannungsbereiches annähernd konstant und unabhängig von der Stromstärke durch diesen Teil des Belags wird. Der Leitungswiderstand der Beläge nimmt automatisch in jedem Punkt den geeignetsten Wert an, unabhängig von dem Potential des Leiters, d. h. von der Spannung der Maschine, weshalb die Beläge automatisch eine befriedigende Ausgleichung des Potentialgradienten bei innerhalb weiter Grenzen variierender Spannung des Leiters be wirken.
Ein derartiger Belag mit ausgeprägtem spannungs abhängigem spezifischem Widerstand kann z. B. da durch erreicht werden, dass Siliziumkarbid, das in ein Bindemittel gemengt ist, auf der Oberfläche der elektrischen Isolierung angebracht wird. Um dem Be lag einen ausgeprägt spannungsabhängigen Wider stand zu verleihen, fordert man, dass die Karbid körner Kontakt miteinander haben, so dass leitende Bahnen vorliegen, und weiter, dass bei einer auf gelegten Spannung, die Spannung pro Kornkontakt einen gewissen kritischen Wert übersteigt.
Es ist schon bekannt, dass Beläge mit ausgepräg tem spannungsabhängigem spezifischem Widerstand derart hergestellt werden können, dass man auf der Oberfläche der elektrischen Isolation einen Lack an bringt, der aus einem hartbaren und' bei Härtung schrumpfenden Kunststoff mit in diesen gemengtem Siliziumkarbidpul'ver besteht, und dass man danach den Kunststoff härtet. Indessen hat es sich heraus gestellt, dass diese schon bekannten Beläge den Nach teil haben, dass in den Belägen Punkte oder Flecken auftreten, in denen Glimmen entsteht. Dieses Glimmen führt u. a. mit sich, dass die Lebensdauer der Beläge erheblich verkürzt wird.
Durch den Lack nach der vorliegenden Erfindung sollen die genannten Ungelegenheiten beim Glimmen in den Belägen vermieden werden. Es hat sich ge zeigt, dass dieses wichtige Resultat dadurch erreicht werden kann, dass dem Lack eine spezielle Zusam mensetzung gegeben wird. Nach der Erfindung enthält der Lack Siliziumkarbid mit einem spezifischen Wi derstand von wenigstens einigen Ohm X cm und ein hartbares Bindemittel, das bei Härtung eine Volu menschrumpfung von 0,5 - 5% erfährt. Der Gehalt an Siliziumkarbid beträgt zweckmässigerweise 15 - 35%, vorzugsweise 20-30%, des Gesamtvolumens der nach Abtreibung von eventuellen Lösungsmitteln übrig gebliebenen Bestandteile.
Das Siliziumkarbid besteht zweckmässigerweise aus Kornfraktionen mit Mittel- korngrössen innerhalb eines Intervalls von 0,037-015 mm. Das Siliziumkarbid kann dabei aus einer einzigen Kornfraktion bestehen oder aus Mischungen von zwei oder mehreren Kornfraktionen.
Unter einer Kornfraktion mit einer Mittelkorn- grösse von 0,037 mm ist eine Fraktion gemeint, bei der ausser dem Umstand, dass die Mittelkorngrösse den angegebenen Wert hat, ungefähr 90% des Ge wichtes des Teiles aus Korngrössen zwischen 0,02 und 0,07 mm besteht. Unter einer Kornfraktion mit der Mittelkorngrösse von 0,15 mm ist eine Fraktion ge meint, bei der ausser dem, dass die Mittelkorngrösse 0,15 mm beträgt, ungefähr 90% des Gewichtes der Fraktion aus Korngrössen zwischen 0,09 und 0,25 mm bestehen.
Die übrigen Kornfraktionen mit Mittelkorn- grössen innerhalb des Intervalls 0,037 - 0,15 mm haben eine entsprechende Korngrössenverteilung. In be kannten nicht linearen Komponenten, z. B. Wider ständen in Ventilableitern und Varistoren, wird so- genanntes Elektrokarbid verwendet, das sind Si- liziumkarbidqualitäten, denen durch eine besondere Behandlung bestimmte Kontakteigenschaften gegeben worden sind.
Diese Siliziumkarbidqualitäten haben niedrigere spezifische Widerstandswerte als die ge- mäss der Erfindung verwendeten. Gemäss der Erfin dung hat es sich somit als zweckmässig erwiesen, nicht Elektrokarbid zu verwenden, wie man erwarten könnte, sondern Siliziumkarbidqualitäten mit hohem spezifischem Widerstand, die normalerweise nur für nichtelektrische Zwecke verwendet werden, haupt sächlich als Schleifmittel.
Da die kritische Eigenschaft des Bindemittels im Lack nicht seine chemische Zusammensetzung ist, sondern seine Eigenschaft zu schrumpfen, wenn der Belag angebracht wird, ist die Erfindung nicht auf Bindemittel begrenzt, die zu irgendeiner speziellen chemischen Gruppe von kunststoff- oder harzartigem Material gehören. Infolge der Schrumpfung werden die gemengten leitenden Partikel zusammengepresst, so dass leitende Kontakte zwischen ihnen entstehen. Vorausgesetzt, dass das Bindemittel, wenn es vom fliessenden in den endgültigen festen Zustand über führt wird, zwischen 0,5 und 5% schrumpft, kann es aus jeder beliebigen chemischen Gruppe von kunst- stoff- oder harzartigem Material gewählt werden.
Mit Rücksicht auf den Wunsch, dass der Belag leicht auf zubringen ist und gute mechanische und thermische Eigenschaften haben sollte, können einige geeignete Gruppen von Kunststoffmaterialien genannt werden, aus denen spezielle Sorten mit der gewünschten Schrumpfung gewählt werden können. Solche Grup pen sind z. B. ölmodifizierte, lufttrocknende und ofen trocknende Alkyde, Aethoxylinharze und Aethoxylin- harze, die mit ölmodifiziertem Überschuss von Karbo- xylgruppen enthaltenden Polyesterharzen kombiniert sind. Weiter können Bindemittel zwischen z.
B. den Polyurethanharz- und Silikonharzgruppen gewählt werden. Die Lacke können auf bekannte Weise mit Sikkativ, Weichmachern, Verdünnungsmitteln, Film formern und dergleichen versetzt werden.
Ausser Siliziumkarbidpartikeln können die Lacke in begrenztem Umfang gleichzeitig andere feste Par tikeln solcher Typen, die gewöhnlich als Pigment ver wendet werden, enthalten.
Beläge von äusserst hoher Qualität sind mit Sili- ziumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand er halten worden, bei denen die Quantität des Silizium- karbides in dem fertigen Belag 20-30% des Volumens des Belags ausgemacht hat.
Eine Erklärung für die erhaltene hohe Qualität bei Verwendung der Lacke nach der Erfindung ist, dass es sich mit Siliziumkarbid mit hohem spezifischem Widerstand als möglich er wiesen hat, die Konzentration des leitenden Materials in dem Belag bedeutend höher zu halten als bei Ver wendung des vorher genannten und für elektrische Zwecke gewöhnlich verwendeten Siliziumkarbids mit niedrigerem spezifischem Widerstand, un dass die Si- liziumkarbidkörner infolge der angepassten Schrump fung des Lackes in wirkungsvollen Kontakt miteinan- der gebracht werden, ohne dass deswegen im Belag Risse infolge der Schrumpfung des Lacks entstehen.
Dadurch, dass die Konzentration grösser gemacht werden konnte, hat man Pünktchen oder Flecken mit unbefriedigender Menge von leitenden Partikeln und damit Pünktchen oder Flecken, in denen Glimmen auf tritt, vermeiden können.
Im folgenden werden einige Beispiele von Lacken nach der Erfindung gegeben.
Ein Lack nach der Erfindung kann zubereitet wer den durch Zusammenmischung von 48 Gewichtsteilen Siliziumkarbid mit einem spezifischen Widerstand von wenigstens einigen Ohm X cm und einer Kornfraktion mit der Mittelkorngrösse 0,125 mm und mit 90% der Fraktion innerhalb der Korngrössen 0,074-0,21 mm, von 47,2 Gewichtsteilen eines lösungsmittelfreien un- modifizierten Epoxyharzes (z. B. das unter der einge tragenen Marke bekannte Araldit D ) und von 4,8 Gewichtsteilen eines Härters vom Amintyp (z.
B. den unter der eingetragenen Marke bekannten (Härter 951 ), welche Mischung aus Harz und Härter bei Überführung von ungehärtetem, fliessendem zu ge härtetem festen Zustand eine Schrumpfung innerhalb des erfindungsgemässen Intervalls aufweist. Die Quan tität Siliziumkarbid macht ungefähr 26% des Ge samtvolumens des Bestandteiles des Lacks, inklusive des Siliziumkarbids aus. Der Lack kann bei Zimmer temperatur oder bei erhöhter Temperatur gehärtet werden.
Ein anderer Lack kann zubereitet werden durch Zusammenmischung von 39 Gewichtsteilen Silizium karbid mit einem spezifischen von wenigstens einigen Ohm X cm und einer Kornfraktion mit der Mittelkorn- grösse 0,05 mm und 90% der Fraktion innerhalb der Korngrössen 0,03-0,08 mm, von 57 Gewichtsteilen eines unmodifizierten Epoxyharzes, das ungefähr 18% bei niedriger Temperatur kochendes Lösungsmittel enthält, z. B. Araldit 102 (eingetragene Marke) von Ciba AG, und von 4,0 Gewichtsteilen eines Härters vom Amintyp, z.
B. den genannten Härter 951 , welche Mischung aus Harz und Härter eine Schrump fung bei der Härtung innerhalb des erfindungsge- mässen Bereiches aufweist. Die Quantität Silizium karbid macht ungefähr 22% des Volumens aus, das der Lack einschliesslich des Karbids hat, wenn das Lösungsmittel entfernt wird. Der Lack kann bei Zim mertemperatur oder bei erhöhter Temperatur gehärtet werden.
Die Lacke können in begrenztem Umfang Pig mentzusätze enthalten, was aus folgendem Beispiel hervorgeht. Zu 61,5 Gewichtsteilen eines pigmentier ten, lufttrocknenden leinölmodifizierten Alkyds mit einer Schrumpfung des Alkyds bei der Trocknung innerhalb der erfindungsgemässen Grenzen, werden 35 Gewichtsteile Siliziumkarbid mit einem spezifischen Widerstand von Wenigstens einigen Ohm X cm und einer Kornfraktion mit der Mittelkorngrösse 0,05 und mit 90% der Fraktion innerhalb der Korngrössen 0,03- 0,08 mm und 3,
5 Gewichtsteile hochdisperses Silizium karbid hinzugefügt. Von den 61,5 Gewichtsteilen des pigmentierten Alkyds bestehen 31,4 Gewichtsteile aus Alkyd, 4 Gewichtsteile aus Zinkchromat, 8 Gewichts teile aus Eisenoxyd und 17,6 Gewichtsteile aus Xylal als Lösungsmittel. Die Quantität Siliziumkarbid macht ungefähr 24% des Gesamtvolumens der Bestandteile des Lacks, inklusive Karbid, Siliziumdioxid und Pig ment aus, aber ohne das Lösungsmittel.
Fig. 1 in der beigefügten Zeichnung zeigt sche matisch einen Querschnitt einer aus einem Stator in einer elektrischen Maschine herausragenden Spule, die mit einem auf der Isolation angebrachten, einen Lack gemäss der Erfindung enthaltenden Belag versehen ist. Der zentrale Leiter 1 ist in normaler Weise von einer Isolierung 2 umgeben. Der Leiter 1 ragt aus dem Eisenkern 3 der Maschine heraus. Der dem Eisenkern 3 am nächsten liegende Teil der Spule ist mit einem Flächenbelag 4 versehen, der aus einem Lack gemäss der Erfindung besteht.
Statt den Lack unmittelbar auf den zu schützenden isolierten Leiter anzubringen, kann der Lack zuerst auf ein Band, z. B. ein Baumwollband, Glasfaserband oder dergleichen angebracht werden, das danach um die Isolierung des Leiters gewickelt wird. Die Härtung des Lackes kann vor oder nach der Wicklung statt finden.
Es ist offenbar, dass der Lack nach der Erfindung mit Vorteil nicht nur für Beläge auf den freien Wickel köpfen in elektrischen Maschinen, bei Hochspan nungsdurchführungen und Kabelenden verwendet werden kann, sondern auch für Beläge in vielen an deren Fällen in elektrischen Geräten und Maschinen, wo der Bedarf besteht, den Potentialgradienten auf der Oberfläche einer Isolierung auszugleichen.