CN107646163B - 用于电机的电晕屏蔽的防护覆层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电机例如中压或高压电机(如用于发电的发电站中的发电机)以及其它具有较高的额定电压的电气运行设备(如变压器、套管、电缆等)的电晕屏蔽体系的防护覆层。与迄今为止作为填料用于调节防护覆层中的导电性的常规核‑壳‑颗粒相反，根据本发明仅使用未经涂覆的颗粒来产生导电性。
Description
本发明涉及用于电机例如中压或高压电机(如用于发电的发电站中的发电机)以及其它具有较高的额定电压的电气运行设备(如变压器、套管、电缆等)的电晕屏蔽体系的防护覆层(Widerstandsbelag)。
由于不断发展的技术总是要求越来越高的功率密度，因而一直在开发功率更高的电机例如发电机。高性能发电机例如涡轮发电机特别地具有带定子叠片铁芯的涡轮发电机定子和多个为电导体的发电机绕组棒。定子叠片铁芯具有多个其中安装有导体的凹槽。所述导体在此从定子叠片铁芯突出。
这种绕组相对于叠片铁芯的包括防护覆层的主绝缘是一种处于高电应力下的体系。在操作中产生高电压，其必须在导体棒和处于地电位的叠片铁芯之间的绝缘体积中被去除(消除)。在叠片铁芯中的叠片边缘处产生电场升高，其继而引起局部放电。这些局部放电导致局部非常强烈的加热。这些局部放电发生在空气中并与绝缘体系的基于有机物的材料以及电晕屏蔽体系的防护覆层的基于有机物的材料直接接触，从而导致有机材料反应生成低分子量的挥发性产物，例如CO2。
电晕屏蔽(AGS)的重要部分是外电晕屏蔽(AGS)，特别地具有终端电晕屏蔽(EGS)的AGS。对于较大的发电机和电机，它直接应用于绕组绝缘的表面。AGS目前由带或漆组成。
用于电晕屏蔽的防护覆层可通过由干燥和/或可固化的、设有导电性颗粒的基体例如树脂组成的涂料来实现(所述基体被直接地施加到主绝缘上)和/或与带一起来实现。这些带通过用热固性粘合剂浸渍非织造织物或织造织物(Geweben)来制造，并且可根据需要包含不同浓度的导电性颗粒例如炭黑。然而，市售的电晕屏蔽体系不是局部放电耐受的并且经浸渍的非织造织物和织造织物中的填料具有掉出(Ausbrechen)的倾向。
例如从EP 2362 399B1已知一种用于电晕屏蔽体系的防护覆层，该电晕屏蔽体系包括载体基体例如漆或树脂以及掺入其中的颗粒，该颗粒设有涂层。在此使用诸如核-壳-(CS)-颗粒的颗粒，所述颗粒具有任何所需形状并由载体“芯”和涂层“壳”组成，例如由云母、氧化铝、氧化硅和/或碳化硅和/或未掺杂的金属氧化物制成的填料颗粒。
外电晕屏蔽的表面电阻
优选地相对较低，并且不允许高于或低于一定的上限和下限(典型的值为0.2至10kΩ)。电阻在轴向上应非常高，而在径向上应非常低。终端电晕屏蔽的表面电阻具有高得多的欧姆值(典型的值为108-1010Ω)。
在绝缘体系中相应高的电场强度下并由此在相应高的电气局部放电活性下会导致外电晕屏蔽在运行中完全燃烧，并因此导致绝缘的过早老化，以及在最坏的情况下导致电机的接地，这对应于机器的不可修复的完全故障。
因此，本发明的目的在于，克服现有技术的缺点，提供用于稳定的电晕屏蔽体系的防护覆层。
所述目的通过如在说明书和权利要求中公开的本发明的主题来实现。
因此，本发明的主题是用于电机的防护覆层，该防护覆层基于化学固化或物理固化的电绝缘基体并且具有结合到所述基体中并呈片状金属氧化物形式的导电性颗粒，所述导电性颗粒的导电性通过掺杂来产生，其中在两个空间方向上超过渗流阈值并且存在比在第三空间方向上约高10倍的非常好的导电性，其中在优先层平面中形成对齐的鱼鳞结构(Schuppenstruktur)，并因此垂直于所述鱼鳞结构地达到高的局部放电耐受性，其特征在于，这些在基体中形成鱼鳞结构的片状金属氧化物颗粒在未涂覆的状态下是导电的。
相对于仅采用导电的核-壳颗粒作为填料的现有技术，在此使用无基材的，即无“核”的导电的“壳”颗粒作为填料。
用于外部电晕屏蔽和/或末端电晕屏蔽的理想的防护覆层在其电阻特性上具有显著的各向异性。
作为基体材料可使用塑料、聚合物塑料、玻璃和/或其它陶瓷。
优先层平面中的颜料物料浓度(Pigmentmassenkonzentration)高于渗流阈值，其中宏观电阻在该区域中大幅下降并且对于较高的填料水平处于饱和范围内。因此，通过颜料物料浓度(PMK)的进一步提高不会导致复合材料层的电阻的可察觉的变化。对于这种应用，使用平面型颗粒是有意义的，该平面型颗粒的形状偏离球形，即为片状的。与球形(即球状)颗粒相比，这些平面型颗粒具有较低的渗流阈值，由此可在较低的PMK下工作，这在加工和材料技术方面带来很大的优势。
就其局部放电耐受性而言，本发明的导电性颗粒在电阻方面之所以是特别优选的，是因为由于其形状和材料，它们在防护覆层中形成一种导致局部放电耐受性的盔甲。由此，它们更为化学稳定并且更加对温度不敏感，原因是它们在防护覆层中作为对齐的薄片存在于基体中。
优选地，防护覆层具有1至105Ω、优选101至103Ω的方块电阻。
基体的填料，即本发明中例如为导电性颗粒，由例如基本上不导电或仅具有低的导电性但例如具有掺杂的金属氧化物组成。借助于掺杂可调整填料材料的导电性。
优选地，金属氧化物选自以下的组：所有碱金属、碱土金属和/或所有过渡金属元素的二元和三元混合相形式的金属氧化物，特别地，氧化锡、氧化锌、锡酸锌、氧化钛、氧化铅、碳化硅、二氧化硅和/或氧化铝。
金属氧化物的导电性例如通过掺杂来调节，其中用于金属氧化物的掺杂元素选自：第3至第5主族的元素，包括稀土元素的过渡金属元素，例如选自以下元素的组：锑、铟、镉。
根据本发明的另一优选的实施方式，导电性颗粒以实心颗粒的形式存在。
根据本发明的另一实施方式，导电性颗粒以具有孔和/或至少一个空腔的颗粒的形式存在。
根据本发明的另一实施方式，导电性颗粒具有对填料的导电性没有或仅略有影响的涂层。
根据本发明的另一实施方式，该涂层例如由一种或多种硅烷、水玻璃和/或未掺杂的金属氧化物制成。
根据本发明的一种优选的实施方式，防护覆层还包括在非导电性基体中的另外的填料。这样的填料和另外的添加剂是已知的。
根据本发明的一种优选的实施方式，防护覆层的电阻在1V/mm的场强下测量为1至1013Ω。
根据本发明的一种优选的实施方式，防护覆层材料的电气非线性(elektrische
)为1至7。
根据本发明的一种优选的实施方式，导电性颗粒的重量为10重量％至80重量％，基于整个防护覆层材料。
为了在基体中调节特定的导电性，优选地将片状和/或棒状颗粒引入基体中，所述颗粒具有5或更大的高的长宽比(纵横比)。
然而，根据一种优选的实施方式，这些片状和/或棒状颗粒由球状颗粒来补充。
导电性金属氧化物在高压和中压电机的电位控制应用中形成重要的材料类别。在此，重要代表是片状和/或棒状金属氧化物和/或混合金属氧化物，特别地具有结晶或多晶部分(组分)的那些。
由于金属氧化物优选地具有陶瓷结构，因而它们也优选地以晶体变体(多晶型，Kristallmodifikation)，即结晶的形式存在。
在此，特别优选的是，金属氧化物具有相对平面型的晶体结构，即棒状或片状晶体结构。
根据本发明的一种优选的实施方式，作为导电性颗粒例如使用掺杂的多晶氧化锡。特别地，还使用即使处于结晶态或多晶态下也具有平面型结构的金属氧化物，例如掺杂的氧化铝和掺杂的氧化硅。
通过本发明特别地还可代替含炭黑和/或石墨的防护覆层。
通过本发明特别地实现了不再需要去除云母来制造防护覆层。通常作为功能层、作为“壳”被施加到云母上的原料锡被补充。
通过使用诸如氧化铝的功能性颗粒可实现更高的导热性。
平面型颗粒，如在此要求保护的片状颗粒增加了局部放电的侵蚀路径，并因此增加了绝缘体系的寿命。
平面型颗粒具有低的渗流阈值，由此在防护覆层材料中对于相同的导电性(电导率)需要明显更少的填料。这尤其适用于与球状填料颗粒的比较。
无基材的颗粒通常在制造成本方面低于带基材的核-壳颗粒。
例如与炭黑或石墨相比，陶瓷填料是对局部放电耐受的。
根据本发明可实现各向异性导电性，其中导电性(电导率)在对齐的片状导电性颗粒的方向上比在与其垂直的方向上显著更高。在此，例如为10倍(因子10)。
本发明涉及用于电机例如中压或高压电机(如用于发电的发电站中的发电机)以及其它具有较高的额定电压的电气运行设备(如变压器、套管、电缆等)的电晕屏蔽体系的防护覆层。与迄今为止作为填料用于调节防护覆层中的导电性的常规核-壳颗粒相反，本发明仅使用未经涂覆的颗粒来产生导电性。
Claims (18)
1.用于中压或高压电机的防护覆层，其基于化学固化或物理固化的电绝缘基体并且具有结合到所述基体中并呈片状金属氧化物形式的导电性颗粒，所述导电性颗粒的导电性通过掺杂产生，其中在两个空间方向上超过渗流阈值并且存在比在第三空间方向上高的非常好的导电性，其中在优先层平面中形成对齐的鱼鳞结构，并因此垂直于所述鱼鳞结构地达到高的局部放电耐受性，其中，这些片状金属氧化物颗粒在未涂覆的状态下是导电的，其中所述导电性颗粒至少部分地以结晶的形式存在。
2.根据权利要求1所述的防护覆层，其中在两个空间方向上超过渗流阈值并且存在比在第三空间方向上高10倍的非常好的导电性。
3.根据权利要求1所述的防护覆层，其中所述基体的材料为聚合物，即由塑料制成，或由玻璃或陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的防护覆层，其中所述导电性颗粒包括至少两种金属氧化物的混合物。
5.根据权利要求1的防护覆层，其中所述导电性颗粒至少部分地以多晶的形式存在。
6.根据权利要求1的防护覆层，其中所述导电性颗粒作为实心颗粒存在。
7.根据前述权利要求1至5之一的防护覆层，其中所述导电性颗粒作为具有孔和/或包含空腔的颗粒存在。
8.根据权利要求1的防护覆层，其中所述金属氧化物选自以下化合物的组：过渡金属、碱金属和/或碱土金属的二元和三元混合相形式的金属氧化物。
9.根据权利要求1的防护覆层，其中所述金属氧化物选自以下化合物的组：氧化锡、氧化锌、锡酸锌、氧化钛、氧化铅、碳化硅、氧化硅和/或氧化铝。
10.根据权利要求1的防护覆层，其中用于所述金属氧化物的掺杂元素选自：第3至第5主族的元素，包括稀土元素的过渡金属元素。
11.根据权利要求1的防护覆层，其中用于金属氧化物的掺杂元素选自包括锑、铟、镉的组。
12.根据前述权利要求1的防护覆层，其中所述导电性颗粒具有对该导电性颗粒的导电性没有或仅略有影响的涂层。
13.根据权利要求12的防护覆层，其中所述导电性颗粒具有涂层，所述涂层由一种或多种硅烷、水玻璃和/或未掺杂的金属氧化物制成。
14.根据权利要求1的防护覆层，其中所述防护覆层的电阻在1V/mm的场强下测量为1至1013Ω。
15.根据权利要求1的防护覆层，其中防护覆层材料的电气非线性为1至7。
16.根据权利要求1的防护覆层，其中所述导电性颗粒的重量为10重量％至80重量％，基于整个防护覆层材料。
17.根据权利要求1的防护覆层，其中所述导电性颗粒还包括棒状和/或球状的颗粒。
18.根据权利要求17的防护覆层，其中所述棒状和/或球状的颗粒至少部分地以结晶的形式存在。
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