CN111133661B - 浸渍树脂以及由其制成的绝缘体系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于缠绕带绝缘的电绝缘材料和/或浸渍树脂以及绝缘体系，例如用于旋转电机、特别是中压或高压电机的绝缘体系。通过本发明，首次提供用于缠绕带绝缘的绝缘材料和/或浸渍树脂，所述绝缘材料和/或浸渍树脂由于在经固化的树脂中的形成SiR2‑O‑骨架的化合物的存在而呈现显著提高的耐局部放电性。由此，绝缘体系的厚度可大大减小，即例如减小了高达20％。
Description
本发明涉及用于缠绕带绝缘(Wickelbandisolierung)的电绝缘材料和/或浸渍树脂以及绝缘体系，例如用于旋转电机、特别是中压或高压电机的绝缘体系。
通常使用发电机形式的旋转高压机器来产生电能。EP 1 981 150 A2描述了一种发电机，其具有可旋转的转子和围绕该转子布置的定子。定子具有旋转对称配置的叠片铁芯，其中导电绕组棒在叠片铁芯处的凹槽中延伸。绕组头部(端部绕组)在两侧上均连接至叠片铁芯，该绕组头部通过连接杆将绕组棒连接起来以形成一个封闭的绕组。
在功率超过500MVA的高压机器的运行中可获得超过10kV的额定电压。部件相应地承受高的机械、热和电应力。因此，电导体的绝缘体系的可靠性对操作可靠性至关重要。
绝缘体系的任务是使电导体例如电线、线圈和绕组棒永久地彼此绝缘，并相对于定子的叠片铁芯或周围环境绝缘。为此，绝缘体系在子导体(或称为导体元件)之间(子导体绝缘)、在导体或绕组棒之间(导体或绕组绝缘)以及在导体与凹槽及绕组头部区域中的接地电位之间(主绝缘)具有绝缘。
这种电应力绝缘中的根本问题在于局部放电引起的腐蚀，形成“茶环(Teering)”通道，其最终导致绝缘的电击穿。通常，旋转机器中的带电压的导体的永久绝缘使用基于云母的绝缘来实现。
为形成主绝缘，用云母带缠绕由绝缘子导体制成的预制线圈，并通过真空压力浸渍(VPI工艺)用树脂浸渍。在此，云母带以云母纸的形式使用。
通过浸渍，用绝缘材料填充了云母纸中的处于单个颗粒和/或带褶皱之间的空腔。由浸渍树脂和云母纸组成的复合材料经过固化，形成绝缘物，然后该绝缘物在绝缘体系中被处理并提供了绝缘体系的机械强度。电气强度是由云母中大量的固体-固体界面产生的。因此，通过VPI工艺，绝缘体中即使最小的空腔也必须用树脂填充，以最小化内部的气体-固体界面的数量。
总体上，这对绕组导体相对于彼此的绝缘、绕组相对于叠片铁芯的绝缘以及在导体从叠片铁芯的出口处形成的滑动装置提出了极高的电气、热和机械要求。在机器绝缘中，对铜导体组件和高压绝缘体之间的内部电势控制IPS、绕组与叠片铁芯之间的外部电晕屏蔽(AGS)以及绕组棒从叠片铁芯的出口处的末端电晕屏蔽(EGS)进行区分。
常规的绝缘体系的厚度在0.5至6mm的范围内，其包括由以下构成的经浸渍的绕组：具有带粘合剂和带促进剂的云母带，基础树脂如环氧树脂和一种或多种固化剂，任选地，环氧官能化的固化剂。在旋转电机的运行期间，随着时间的流逝出现放电，放电继而侵蚀绝缘体中的塑料。
在这种情况下会局部地破坏塑料并且导致电侵蚀(腐蚀)现象。通过延长侵蚀路径，绝缘体系的这种破坏被绝缘体系中的耐局部放电的片状形式的云母所延迟，从而可确保20年的最小寿命。然而，侵蚀路径在整个使用寿命过程中不断地贯穿绝缘体系地形成，直到最终在旋转电机中出现接地故障为止。如果此时将电场强度从3.5kV/mm提高到例如4.5kV/mm，则电侵蚀路径将形成得较早，并且在例如甚至5年后就导致接地故障，从而导致完全失效。
在此，原则上，绝缘体系的厚度应选择为尽可能低，以实现机器的高效率。为了增加发电机和电动机中的功率密度，期望将绝缘体系的厚度减小例如约20％。不可避免地，这会导致绝缘体系中的电场强度又例如从3.5kV/mm上升至4.5kV/mm，并且从而导致增加的局部放电活动。
常规使用的绝缘体系在至少20年的技术上可行的使用寿命下允许3.5kV/mm的持续工作场强。
迄今为止，作为用于电气绝缘的基础树脂，尤其还作为用于缠绕带绝缘的浸渍树脂，优选地使用基于碳的环氧树脂，其以液态形式在基于碳的(-CR2-)n-骨架(主链)上具有所有可能的官能团，例如还具有环氧基。它们与固化剂反应以形成热固性塑料，该热固性塑料形成灌封料和/或例如形成缠绕带绝缘体的浸渍物。
本发明的目的是提供一种通过提供新颖且改善的、尤其是更耐受局部放电的绝缘材料来改善用于中高压机器的绝缘体系的方法。这是特别令人感兴趣的，因为绝缘体系的20％减少可节省约600kg诸如塑料、云母和/或玻璃纤维的绝缘材料，例如在370MVA发电机中。
该目的通过当前描述和要求保护的本发明的主题来实现，如在说明书、附图和权利要求书中所公开的。
因此，本发明的主题是一种用于缠绕带绝缘的绝缘材料和/或浸渍树脂，其包括至少一种基础树脂、固化剂和任选地包括添加剂，其特征在于，为绝缘体系而固化成热固性材料(Duromer)的基础树脂的至少一部分是含硅氧烷的化合物，其在热固性材料中形成-SiR2-O-骨架(主链)。
此外，本发明的主题是一种绝缘体系，例如用于旋转电机、特别是中压或高压机器的绝缘体系，其可使用根据本发明的绝缘材料来制造。
在此，“R”表示所有类型的适于固化和/或交联以形成可用于绝缘体系的绝缘物(Isolationsstoff)的有机基团。更特别地，R代表-芳基、-烷基、-杂环，氮、氧和/或硫取代的芳基和/或烷基。
更特别地，R可为相同或不同，并且可代表以下基团：
-烷基，例如-甲基、-丙基、-异丙基、-丁基、-异丁基、-叔丁基、-戊基、-异戊基、-环戊基以及所有其他类似基团，直至十二烷基，即具有12个碳原子的同系物；
-芳基，例如：苄基-、苯甲酰基-、联苯基-、甲苯基-、二甲苯等，尤其是，例如其结构符合Hückel的芳香性定义的所有芳基基团；
-杂环：尤其是含硫的杂环，例如噻吩、四氢噻吩、1,4-噻烷(Thioxan)及其同系物和/或其衍生物；
-含氧杂环，例如二烷；
-含氮杂环，例如-CN、-CNO、CNS、-N3(叠氮化物)等；
-硫取代的芳基和/或烷基：例如噻吩，还有硫醇。
针对芳族化合物的Hückel规则涉及以下相关性：平面的、环状贯穿共轭(through-conjugated)的分子(其包括多个π电子，可以4n+2的形式表示)具有特别的稳定性，该稳定性也被称为芳香性。
根据本发明的一种有利的实施方式，除了以单体和/或低聚物形式存在的针对聚合而官能化并具有-SiR2-O-骨架的组分之外，树脂还包括至少一种针对聚合而官能化的单体或低聚物树脂组分，该树脂组分具有包括烃单元即(-CR2-)的主链。为此，例如环氧官能化的组分如双酚F-二缩水甘油醚(BFDGE)或双酚A-二缩水甘油醚(BADGE)、聚氨酯及其混合物是合适的。优选的是基于双酚F-二缩水甘油醚(BFDGE)、双酚A-二缩水甘油醚(BADGE)或其混合物的环氧树脂。
例如，将针对聚合而官能化的具有-SiR2-O-骨架的单体或低聚物组分与一种或多种选自以下化合物的组的化合物组合成基础树脂：未蒸馏和/或蒸馏的、任选反应性稀释的双酚A-二缩水甘油醚，未蒸馏和/或蒸馏的、任选反应性稀释的双酚F-二缩水甘油醚，氢化的双酚A-二缩水甘油醚和/或氢化的双酚F-二缩水甘油醚，纯的和/或用溶剂稀释的环氧酚醛清漆和/或环氧苯酚酚醛清漆，脂环族环氧树脂例如3,4-环氧环己基甲基-3,4-环氧环己基羧酸酯，如CY179、ERL-4221；Celloxide 2021P，己二酸双(3,4-环氧环己基甲基)酯，例如ERL-4299；Celloxide 2081，乙烯基环己烯二环氧化物，例如ERL-4206；Celloxide 2000，2-(3,4-环氧环己基-5,5-螺-3,4-环氧)-环己烷-间二烷，例如ERL-4234；六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，例如CY184，EPalloy 5200；四氢邻苯二甲酸二缩水甘油醚例如CY192；缩水甘油化的氨基树脂(N,N-二缩水甘油基-对-缩水甘油基氧基苯胺，例如MY0500、MY0510，N,N-二缩水甘油基-间-缩水甘油基氧基苯胺，例如MY0600、MY0610，Ν,Ν,Ν',Ν'-四缩水甘油基-4,4'-亚甲基二苯胺例如MY720、MY721、MY725)，以及上述化合物的任何混合物。
作为针对聚合而官能化的具有-SiR2-O-骨架的单体或低聚物组分，合适的是基于缩水甘油和/或环氧封端的芳基-和/或烷基-硅氧烷，例如缩水甘油氧基(也称为环氧丙氧基)官能化的、特别是缩水甘油氧基封端的硅氧烷。因此，例如合适的是硅氧烷，如1,3-双(3-缩水甘油基氧基丙基)四甲基二硅氧烷、DGTMS或缩水甘油基封端的苯基二甲基硅氧烷，以单体和/或低聚物形式，以及以任何所需的混合物和/或以衍生物的形式。已经发现，可用于制造热固性材料的至少双官能化的硅氧烷单体在此是合适的。
作为固化剂合适的是阳离子和阴离子固化催化剂，例如：有机盐，如有机铵盐、锍盐、碘鎓盐、鏻盐和/或咪唑鎓盐，和胺，例如叔胺，吡唑和/或咪唑化合物。实例在此提及4,5-二羟基甲基-2-苯基咪唑和/或2-苯基-4-甲基-5-羟基甲基咪唑。然而，也可使用含有环氧乙烷基团的化合物、例如缩水甘油醚作为固化剂。
酸酐通常也成功地用作绝缘材料中的固化剂。然而，它们的毒理学目前不是没有争议的。
根据本发明的一种有利的实施方式设想，甚至完全或部分地通过基于硅氧烷的具有相同官能度的固化剂代替基于碳的固化剂。
根据本发明的一种有利的实施方式，用于缠绕带绝缘的绝缘材料和/或浸渍树脂还包括添加剂，例如烧结助剂、反应性促进剂和/或填料，其既可作为纳米颗粒又可作为在微米范围内的填料颗粒而存在。
已经发现，在包括经固化的基础树脂的绝缘物中，例如1:8至1:4的-SiR2-O-骨架与(-CR2-)-骨架的比例是最有利的，这意味着，在所涉及的绝缘材料中，基于烃的化合物的存在量是基于硅氧烷的化合物的4至8倍。此处的比例基于化学计量，即摩尔百分比。
因此，在绝缘材料的基础树脂中，含硅氧烷的组分以10至50摩尔％的量存在。当基础树脂中含硅氧烷的组分的量不超过20摩尔％、特别是不超过18摩尔％，且特别优选不超过15摩尔％时，是特别优选的。
由于基础树脂中存现一定量的形成SiR2-O-的单体或低聚物，可大大提高绝缘物的耐局部放电性。
图1示出了在10kV的电暴露(elektrischerAuslagerung)后的侵蚀量(或称为侵蚀体积)的比较。在x轴上绘制的是在基础树脂中形成SiR2-O-的化合物的比例，此处的基线是形成100％(-CR2-)骨架或主链的基础树脂。
可以看出，在0和10摩尔％的“交换的-CR2-化合物”之间，在y轴上绘制的侵蚀量从约37突然下降到6。这意味着在此侵蚀量实际下降9倍。在基础树脂中20摩尔％的形成SiR2-O-的化合物与80摩尔％的-CR2-化合物的情况下，出现最小值，其持续存在直至约30摩尔％的形成SiR2-O-的化合物。
在这种情况下，使用1,3-双(3-缩水甘油基氧基丙基)四甲基二硅氧烷将常规的树脂组分替换成为含SiR2-O-的单体。
为了进行测量，将经固化的绝缘物以针对性地和确定的方式暴露于放电。在特定的时间后，用激光扫描经侵蚀的体积，从而评估侵蚀量或侵蚀深度。暴露参数如下：
温度：室温；气氛：空气，50％相对湿度；持续时间：100小时；电压：10kV。
已经发现，即使在常规的环氧树脂例如双酚A-二缩水甘油醚(BADGE)被含-SiR2-O-的单体低取代(替代)的情况下，在固化完成后也可实现耐局部放电性的显著提高，从而导致显著减少的侵蚀量。
在双酚A-二缩水甘油醚(BADGE)被含-SiR2-O-的产品和/或Silikoftal(其具有至少双官能化的、缩水甘油氧基封端的苯基二甲基硅氧烷单体)替代的情况下，观察到了相同的现象，如图2中所示。
在两个图中都是在20摩尔％至30摩尔％的形成-CR2-骨架的化合物被形成含-SiR2-O-骨架的化合物替代的情况下看到减少的侵蚀量的最佳效果。
然而，形成-CR2-骨架的化合物的替代在经固化的绝缘材料中导致机械性能的劣化，从而应该尽可能少地并且按需地进行替代。
因此，根据本发明的一种优选的实施方式，基础树脂中的至多10摩尔％、优选至多15摩尔％、且特别优选至多20摩尔％的形成-CR2-骨架的化合物被相应官能化的形成-SiR2-O-骨架的化合物替代。
在该范围内，经固化的绝缘物的机械性能完全如同不含形成-SiR2-O-骨架的化合物的绝缘物那样良好。更特别地，产生的经替代的绝缘物的玻璃化转变温度和储能模量几乎与没有替代的常规绝缘物的相同。
图3中示出了储能模量和导出的玻璃化转变温度随环氧树脂组分被形成-SiR2-O-骨架的化合物(例如)替代的替代度的变化。
可以看出，在25％的替代下测量到最高的玻璃化转变温度。
本发明首次提出了一种用于缠绕带绝缘的绝缘材料和/或浸渍树脂，其由于在经固化的树脂中存在形成-SiR2-O-骨架的化合物而呈现显著增加的耐局部放电性。结果，可极大地减小绝缘体系的厚度，即，例如减小了高达20％。
这导致用于产品开发的各种有利选择。一方面，在相同厚度的导体的情况下，可减小绝缘导体的尺寸、重量和成本。另一方面，节省出的空间可用增加的导体厚度填充，从而增加电机的每单位质量的功率。
目前，用于高压机器的常规绝缘体系被设计成能够承受3.5kV/mm的持续工作场强至少20年。使用此处介绍的绝缘材料，可在相似长的使用寿命内将这些工作场强显著提高到高达4.5kV/mm。
Claims (17)
1.用于缠绕带绝缘的浸渍树脂，其包括至少一种基础树脂、固化剂和任选地包括添加剂，其特征在于，为绝缘体系而固化成热固性材料的基础树脂包括在所述热固性材料中形成-SiR2-O-骨架的含硅氧烷的化合物和在所述热固性材料中形成-CR2-骨架的基于烃的化合物，其中所述基于烃的化合物与所述含硅氧烷的化合物以70:30至80:20的摩尔百分比比率存在于所述基础树脂中，其中所述固化剂是阳离子和阴离子固化催化剂形式的有机化合物，
其中所述固化剂选自有机铵盐、锍盐、碘鎓盐、鏻盐、胺、吡唑和咪唑化合物。
2.根据权利要求1所述的浸渍树脂，其中所述固化剂为咪唑鎓盐。
3.根据权利要求1所述的浸渍树脂，其中基础树脂的所述化合物以单体的形式存在。
4.根据权利要求1所述的浸渍树脂，其中基础树脂中的所述化合物以低聚物的形式存在。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中所述基础树脂包括至少达10摩尔％的形成-SiR2-O-骨架的化合物。
6.根据权利要求5所述的浸渍树脂，其中所述基础树脂包括至少达15摩尔％的形成-SiR2-O-骨架的化合物。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中所述固化剂包括形成-SiR2-O-骨架的含硅氧烷的组分，所述-SiR2-O-骨架具有适合于基础树脂固化的相应官能度。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中形成-SiR2-O-骨架的化合物与形成-CR2-骨架的化合物以1:4至1:8的化学计量比存在于所述基础树脂中。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中与形成-SiR2-O-骨架的化合物相比，形成-CR2-骨架的化合物以更大的摩尔百分数存在于所述基础树脂中。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中在所述基础树脂中存在形成-SiR2-O-骨架的缩水甘油基和/或缩水甘油氧基官能化的化合物。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中在所述基础树脂中存在缩水甘油醚化合物和/或酚醛清漆衍生物。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中在所述基础树脂中存在脂环族环氧树脂。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中环氧基封端的芳基和/或烷基硅氧烷作为形成-SiR2-O-骨架的化合物存在于所述基础树脂中。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中1,3-双(3-缩水甘油基氧基烷基)四甲基二硅氧烷作为形成-SiR2-O-骨架的化合物存在于所述基础树脂中。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的浸渍树脂，其中1,3-双(3-缩水甘油基氧基丙基)四甲基二硅氧烷作为形成-SiR2-O-骨架的化合物存在所述基础树脂中。
16.绝缘体系，其包括可通过根据权利要求1至15中任一项所述的浸渍树脂的固化而获得的绝缘物。
17.根据权利要求16所述的绝缘体系，其中该绝缘体系是用于中压和/或高压机器的绝缘体系。
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