CZ20022253A3

CZ20022253A3 - Způsob výroby izolací elektrických vodičů práškovým povlékáním

Info

Publication number: CZ20022253A3
Application number: CZ20022253A
Authority: CZ
Inventors: Thomas Baumann; Johann Nienburg; Jörg Oesterheld; Jörg Sopka
Original assignee: Alstom (Schweiz) Ag
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2003-03-12
Also published as: AU1980301A; ATE303871T1; CN1321749C; EP1250195A2; KR20020075387A; CN1437512A; WO2001048763A3; JP2003520664A; RU2002120489A; EP1250195B1; US6942900B2; DE19963378A1; WO2001048763A2; US20030113539A1; DE50011136D1

Description

Způsob výroby izolací elektrických vodičů práškovým povlékáním

Oblast techniky izolací pro vysoké napětí

Vynález se týká v zařízení pro nízké až 50 kV) vytvořených práškovým povlékáním. také pro vysoké napětí, za předpokladu elektrické vodiče (tzn. do přibližně Je možno je použít že vodiče nejsou vystaveny celému potenciálovému spádu. Vynález se týká zejména izolací pro elektrické vodiče, které jsou vystaveny vysokému tepelnému a elektrickému namáhání, jako například izolací pro elektrické vodiče nebo svazky vodičů točivých elektrických strojů. Další příklady jsou spínací přístroje a transformátory.

Dosavadní stav techniky

Termínem elektrické stárnutí se označuje jev, kdy izolace pod zatížením má omezenou životnost, která je nepřímo úměrná úrovni působícího elektrického pole. Vztah mezi životností a intenzitou elektrického pole se obvykle popisuje v grafické formě jako křivka stárnutí. Tato křivka může být často popsána matematicky jako exponenciální vztah

E=E_ox (t/t₀) ^_1/n kde E je elektrické pole v kV/mm, E₀=elektrické pole při životnosti t₀, t je doba v hodinách přičemž t₀=l h, a n je koeficient životnosti. Jestliže je E a t vyjádřeno v logaritmické formě, výše uvedený vztah má tvar přímky se směrnicí -1/n.

• · • ·

• · · · • · · · · • · · · · · * · · · · ··· ··· ·· ····

Koeficient životnosti je možno pokládat za charakteristiku typu izolace. Například v případě izolace sklo/slída pro elektrické točivé stroje n=7 až 9, zatímco pro izolace z epoxidové nebo licí pryskyřice pro spínací přístroje n=12 až 16, a pro vysokonapěťové kabely, které jsou obecně izolovány vytlačováním, je n<35. Technicky žádoucí je, například u kabelů, aby stárnutí bylo co nejmenší, tj . aby bylo možné dosáhnout ploché křivky stárnutí nebo co nejvyššího koeficientu životnosti n, jakého může být dosaženo například u kabelů.

Postup vytlačování, který se používá pro výrobu kabelových izolací, je kontinuální postup, který je zvláště vhodný pro výrobu nekonečných geometricky jednoduchých struktur. Nicméně, ani tento výrobní postup, ani materiály při něm použité - zpravidla neplněný, čistý polyethylen nemohou být použity ve větším měřítku. Například, izolace pro složité a malé struktury, jako například vinutí motorů nebo přívody spínacích přístrojů, nemohou být tímto způsobem vyrobeny. Použití polyethylenu je také nevhodné pro četné možné aplikace, neboť PE-izolace tohoto typu mohou být použity jen do přibližně 90 °C.

Práškové povlékání je známo jako izolační postup, který je do značné míry nezávislý na geometrii. Na rozdíl od vytlačování, tento izolační postup je vhodný i pro velmi složité vodičové struktury. Teoreticky by jej mohlo být použito pro účinnou a nenákladnou izolaci v široké oblasti zařízení pro vysoké napětí, pro které je postup vytlačování nevhodný. Nicméně, překážkou širšího použití je to, že známé postupy práškového povlékání a dostupné povlakové materiály nemohou poskytnout izolace dostatečné kvality.

Známé aplikace práškových povlaků představují izolace jednotlivých vodičů svazků vodičů v generátorech, známých jako vinutí s transponovanými vodiči, a izolace sběrnic.

-3 • · · · • · · « • · · « • * · «

V obou případech však je namáhání hotových izolací jen malé. Napětí, které je přítomno mezi jednotlivými transponovanými vodiči je jen několik voltů. Samotná izolace, tvořící na jednotlivém vodiči izolační vrstvu o tloušťce 50 až 200 pm, je vystavena malému elektrickému namáhání, tj . elektrickým polem E<1 kV/mm.

Výroba prášků z epoxidové pryskyřice, ze kterých může být vytvořena izolace jednotlivého vodiče tohoto typu elektrostatickým stříkáním nebo sintrováním ve fluidním loži, je známa z US 4 040 993 a US 4 088 809. Nicméně tyto izolace nejsou vhodné pro velké elektrické namáhání E>3 kV/mm. Kromě toho mohou být použity jen pro dosažení malé tloušťky vrstvy asi 120 pm (<5 tisícin palce).

Protože na povrchu izolace není protielektroda, je izolace v případě sběrnic rovněž vystavena jen slabému namáhání nebo dokonce nemusí být vystavena žádnému namáhání. Elektrický potenciál sběrnice je prakticky úplně snížen ve vzdušném prostoru nad vrstvou izolace. V důsledku toho vadí dutiny v epoxidové vrstvě mnohem méně, než v případě předložené přihlášky. V souladu s tím, zkoušky provedené s práškem používaným pro povlékání sběrnic také ukázaly mimořádně vysoké množství děr.

Obdobné skutečnosti platí pro prášky, které se používají pro opatření malých elektrických motorů nebo částí těchto motorů tenkou vrstvou epoxidu. Tato vrstva má primárně mít účinek jako ochrana proti korozi, a je vystavena jen malému, pokud vůbec nějakému elektrickému namáhání.

Komerčně dostupné jsou prášky, které vyhovují tepelným požadavkům, avšak jsou elektricky nevhodné. Prášky tohoto typu se obecně používají pro ochranu proti korozi v oboru chemického inženýrství. Způsob výroby takovýchto prášků

-4mícháním za tepla, tavením, chlazením a mletím, který odpovídá obecnému stavu techniky, je popsán například v US 4 040 993.

Obecně, známé způsoby práškového povlékání pro výrobu elektrických izolací vytvářejí vrstvy s tloušťkou <0,1 mm (práškové laky). Pro izolaci vodičů, které jsou vystaveny vysokému tepelnému a elektrickému namáhání však jsou požadovány značně větší tloušťky vrstvy (např. 6 mm pro 30 kV s potenciálovým spádem 5 V/mm) a zlepšený koeficient životnosti.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je odstranit tyto nevýhody. Je založen na úkolu poskytnout způsob pro výrobu izolací elektrických vodičů pomocí práškového povlékání, jehož výsledkem je zlepšené stárnutí oproti izolaci sklo/slída nebo izolaci z licí pryskyřice. Předmětem vynálezu jsou také prášky vhodné pro způsob podle vynálezu.

Podle vynálezu je toho dosaženo tím, že se při způsobu podle úvodní části nároku 1 prášek nanáší postupně vícekrát ve formě jednotlivých vrstev které následují jedna za druhou, až do dosažení celkové tloušťky izolace <10 mm, a každá z jednotlivých vrstev se podrobuje tepelnému mezivytvrzení předtím, než se nanáší následující jednotlivá vrstva. Mezivytvrzení každé jednotlivé vrstvy se provádí s dobou vytvrzování, která odpovídá 2 až 20 násobku doby zgelovatění použitého prášku. Nakonec se celá izolace podrobuje konečnému vytvrzení.

Způsob používá prášek, který obsahuje alespoň jeden systém pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky, který může být roztaven a vytvrzen, a alespoň jedno anorganické plnidlo.

• · < ·

-5Obsah anorganického plnidla je 5 až 50 procent hmotn., vztaženo na uzavřenou hustotu plnidla až 4 g/cm³. Alespoň 3 procenta hmotn. celkové směsi prášku je tvořeno jemným plnidlem se střední velikostí částic d₅₀<3 pm. Zbývající plnidlo sestává z hrubého plnidla se střední velikostí částic d₅o<3O pm. V tomto případě je roztěkání prášku, který se taví pro vytvoření spojitého filmu alespoň 25 mm, a doba zgelovatění roztaveného prášku je alespoň 40 s.

V důsledku opakovaného nanášení tenkých jednotlivých vrstev prášku a následného tepelného mezivytvrzení těchto jednotlivých vrstev, vzhledem k s tím spojenému snížení vzniku bublin, je vytvořena izolace se značně zlepšenou kvalitou a se značně zlepšeným koeficientem životnosti, zatímco na druhé straně tato izolace může být vyztužena nanesením dalších jednotlivých vrstev, dokud není dosažena tloušťka potřebná pro danou aplikaci. Pomocí mezivytvrzení se dosahuje toho, že vždy vnější jednotlivá vrstva má pevnost, která je dostatečně velká pro nanášení následující jednotlivé vrstvy, přičemž si zároveň zachovává dostatek nevázaného tvrdidla pro chemické zesíťování s následující jednotlivou vrstvou. V neposlední řadě, kompozice prášku, zejména podíl jemného plnidla podle vynálezu, také přispívá ke zvýšení životnosti izolace.

Vhodné postupy povlékání pro nanášení prášku na elektrické vodiče které mají být povlečeny jsou stříkací sintrování, sintrování ve fluidním loži nebo tepelné stříkání prášku v roztaveném stavu. Volbou systému pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky s teplotou skelného

přechodu	termosetu alespoň	130	°C je	možno zajistit, aby
izolace	byla použitelná	pro	všechny	aplikace v oblasti
vysokého	napětí.
Je	zvláště výhodné,	když	se tepelné mezivytvrzování

jednotlivých vrstev provádí během doby, která odpovídá 3-5

-6násobku doby zgelovatění použitého prášku. Tím způsobem může být dosaženo u každé jednotlivé vrstvy optimálního poměru pevnosti ke schopnosti chemického zesíťování s následující jednotlivou vrstvou.

Zvláště vhodné je, jestliže se jednotlivé vrstvy nanášejí s co možná nejnižší tloušťkou vrstvy, od <0,5 mm až do optimální tloušťky vrstvy 0,2 mm. Tím způsobem je možné vytvořit celistvý vysoce kvalitní povlak i složitých povrchů a také tloušťku vrstvy, vhodnou pro vodiče, které jsou vystaveny tepelnému a elektrickému namáhání.

Alternativně je možné nanášet na elektrické vodiče, které mají být izolovány, buď výlučně jednotlivé vrstvy se stejnou tloušťkou, nebo jednotlivé vrstvy tloušťkami v jakémkoliv požadovaném pořadí, nanášení jednotlivých vrstev mohou být s různým složením. To umožňuje vyrobit vyhovuje požadavkům pokud jde o podmínky použití izolovaných elektrických vodičů.

s různými Kromě toho, pro použity prášky izolaci, která

Nejdůležitější požadavky kladené na hotovou izolaci jsou následující:

1. Izolace musí být schopná použití v teplotní třídě H, tj . T_max=180 °C v dlouhodobém provozu. Protože v konstrukci elektrických zařízení je obvyklé požadovat jednu teplotní třídu jako bezpečnostní rezervu, izolace by měla splňovat požadavky teplotní třídy C, Tmax=205 °C. Tento požadavek se obvykle pokládá za splněný, jestliže je teplotní index (TI) > provozní teplota (T_op) . Informace o stanovení TI obsahuje standard IEC 218 .

Izolace musí být schopná odolávat v dlouhodobém provozu vysokému elektrickému namáhání, tj . E > 3 kV/mm, .

-Ί zejména Ε > 5 kV/mm. V tom případě intenzita E pole je efektivní střídavé napětí U_ef, dělené tloušťkou d izolace na ploché straně vodiče, t j. U_ef/d. Pro E = 5 kV/mm a požadované maximum napětí 50 kV tedy musí být možné vytvořit izolaci o tloušťce až 10 mm.

3. Musí mít nízké elektrické ztráty (doporučovaná hodnota δ < 0,3) v celé oblasti až do maximální teploty, neboť při E=5 kV/mm a poměrně vysokých dielektrických ztrátách se izolace sama zahřívá a může dojít k selhání následkem tepelného porušení.

4. Musí být pokud možno bez dutin (obvykle inkluze plynu), které za provozu mohou vést k vnitřním elektrickým výbojům a předčasnému dielektrickému selhání.

5. Musí být odolná proti nízkoenergetickým vnitřním výbojům nebo povrchovým výbojům. To umožňuje tolerovat omezené výkyvy kvality izolačního systému.

6. Musí být bez vodivých inkluzí s ostrými hranami (např. kovových třísek), což vede k lokálním zvýšením intenzity pole a rovněž k předčasnému selhání.

Specifické vlastnosti prášku jsou uvedeny v závislých nárocích.

Přehled obrázků na výkresech

Jediný obrázek představuje výsledky zkoušek elektrické životnosti prováděných s různými vzorky, izolovanými pomocí prášku z epoxidové pryskyřice, který byl nanesen podle vynálezu a obsahoval jemné plnidlo, přičemž doba životnosti je vynesena na vertikální ose v kV/mm.

« » ·

-8 Způsob provádění vynálezu

Polymerní prášek podle vynálezu obsahuje alespoň jeden nezesíťovaný systém sestávající z pryskyřice, tvrdidla a pomocných látek, jakož i elektricky izolujících anorganických plnidel. Pomocné látky ovlivňují například dobu vytvrzování nebo roztěkání; mohou být použity pomocné látky známé z dosavadního stavu techniky. Elektricky izolující anorganická plnidla jsou přítomna v množství od asi 5 do asi 50 % hmotn., vztaženo na uzavřenou hustotu plnidla až 4 g/cm³. Plnidlo je přítomno buď všechno jako jemné plnidlo se střední velikostí částic d₅₀<3 pm, s výhodou d5o<l pm, zvláště výhodně d₅₀ mezi 0,01 až 0,3 pm, nebo jako směs jemného plnidla a hrubého plnidla s ds₀<30 pm, s výhodou 3 až 20 pm. Podíl jemného plnidla v celkové směsi prášku by měl být alespoň 3 %, s výhodou alespoň 5 %, a polymer vytvořený z pryskyřice a tvrdidla by měl být termoset, s teplotou skelného přechodu v zesíťovaném stavu alespoň 130 °C.

Výhodná jemná plnidla mají střední průměr d₅₀ asi 0,2 pm; rovněž je možné použít jemnější plnidla, která mají pozitivní efekt na odolnost proti korónovému výboji, avšak mají nepříznivý efekt na roztékavost (tioxotropní vlastnosti) roztaveného izolačního materiálu.

Je výhodné, jestliže je celkový obsah plnidla přibližně 40 %. Jestliže má plnidlo střední uzavřenou hustotu vyšší než 4 g/cm³, mezní a výhodné hodnoty uvedené výše i uvedené dále mohou být vyšší.

Jemné plnidlo a hrubé plnidlo mohou být různé materiály s různou tvrdostí. V rámci předloženého vynálezu, jemné plnidlo nebo hrubé plnidlo nebo jemné plnidlo a hrubé plnidlo může být tvořeno směsí plnidel se stejnou nebo různou tvrdostí.

-9Pro zabránění abrazí zařízení při výrobě izolačních materiálů nebo při jejich zpracování pro vytvoření izolací, která je významná zejména při dnes obvyklém použití zařízení z oceli nebo tvrdokovu pro míchání a mletí izolačního materiálu, hrubé plnidlo musí mít tvrdost podle Mohse, která je s výhodou alespoň o jednu jednotku tvrdosti nižší než je tvrdost oceli a tvrdokovu (tvrdost podle Mohse přibližně 6) . Jestliže jsou použita tvrdá plnidla, např. prach z oxidu křemičitého (tvrdost 7), při jejich zpracování nastává abraze kovů, zejména ve formě třísek submilimetrové velikosti. Ty se dostávají do izolace a vzhledem k jejich jehlicovité geometrii způsobují vznik míst, kde je intenzita elektrického pole lokálně velmi zvýšena, a kde, jak ukazuje zkušenost, může dojít k elektrickému porušení. Mikroskopické zkoušky ukázaly, že hustota těchto kovových částic na jednotku povrchu je 1 až 3/100 mm², když se jako hrubé plnidlo použije SÍO2.

Abrazi je zamezeno použitím měkkých plnidel (tvrdost podle Mohse <4), jako například křídový prach, a/nebo použitím jemnějších plnidel s dso«l pm. Jemná plnidla tohoto typu kromě toho mají tu výhodu, že i v případě přítomnosti defektů jako dutin nebo kovových inkluzí, zabraňují elektrickému proražení nebo je alespoň značně omezují (v této souvislosti viz US 4 760 296, DE 40 37 972 Al). V obou těchto dokumentech je úplnou nebo částečnou náhradou hrubého plnidla jemným plnidlem s velikostí částic řádu nanometrů (s maximální velikostí částic 0,005 až 0,1 pm) dosaženo efektivního zvýšení životnosti. Plnidla nanometrové velikosti však mají tu neakceptovatelnou vlastnost, že velmi zvyšují viskozitu taveniny práškové směsi (tixotropní efekt). To způsobuje problémy jak při výrobě prášku, tak pří jeho zpracování. Podle vynálezu bylo zjištěno, že prášek TÍO2 se střední velikostí částic přibližně 0,2 pm jako úplná nebo částečná náhrada hrubých plnidel nezvyšuje nevhodně

- 10···· · · ·· · ····· · * · · » · • · · · · · ·«· • · * * · · · ··· · · · · · · viskozitu taveniny, avšak stejně jako plnidla nanometrové velikosti má efekt zvýšení životnosti. Tím způsobem je možno získat izolaci s malým elektrickým stárnutím.

Pro zamezení abraze kovu by také bylo možné opatřit všechny povrchy, které přicházejí do styku s izolačním materiálem, ochranným povlakem, např. keramickým povlakem, nebo vyrobit některá výrobní zařízení například z keramiky. Úplná nebo částečná náhrada kovových součástí tímto způsobem je velmi nákladná. Přestože například za použití keramických povrchů abraze neovlivňuje elektrické pole a tedy funkci izolace, platí pravidlo, že hrubé plnidlo by mělo mít tvrdost alespoň . o jednu jednotku podle Mohse nižší, než výrobní zařízení nebo nádrže, např. je-li tvrdost keramického povlaku obvykle asi 8, tvrdost plnidla podle Mohse by měla být alespoň přibližně 7.

Elektricky izolační anorganická plnidla jsou s výhodou zvolena ze skupiny zahrnující uhličitany, křemičitany a oxidy kovů, které mohou být přítomny ve formě mletých minerálů. Příklady těchto plnidel zahrnují TiO₂, CaCO₃, ZnO, wolastonit, jíl a talek; jako jemná plnidla jsou zvláště vhodné TiO₂, ZnO a jíl, a jako hrubá plnidla jsou zvláště vhodné CaCO₃, wolastonit a talek s velikostí částic kolem asi 10 pm (střední velikost částic d₅₀) .

Plnidla požadované velikosti částic mohou být získána různými způsoby, například speciálními způsoby srážení, postupy spalování atd., ale také mechanickým rozmělňováním, přičemž je-li třeba, všechny tyto postupy mohou být spojeny s postupy frakcionace nebo třídění.

Riziko abraze způsobené použitím tvrdého jemného plnidla je mnohem méně vážné, neboť jemnozrnná abraziva jsou mnohem méně efektivní než hrubozrnná abraziva.

Přítomnost alespoň 5 % hmotn. plnidla a přítomnost alespoň 3 % hmotn., s výhodou alespoň 5 % hmotn. jemného plnidla je důležitá, neboť plnidlo má elektricky izolační účinek, zvyšuje mechanickou pevnost, zlepšuje tepelnou vodivost, snižuje koeficient tepelné roztažnosti, zvyšuje stabilitu proti UV-záření a přispívá k nastavení vhodné viskozity. Kromě toho, jemné plnidlo je důležité z hlediska zvýšení odolnosti proti korónovému výboji, zatímco hrubé plnidlo umožňuje zvýšení obsahu plnidla s menším nárůstem viskozity než jemné plnidlo. Obsah plnidla vyšší než 50 procent hmotn., vztaženo na uzavřenou hustotu plnidla až 4 g/cm³, maximální velikost částic 20 pm a také obsah příliš jemného plnidla jsou kritické, neboť vyvstávají problémy následkem příliš vysoké viskozity jak při výrobě izolačního materiálu, tak při zpracování tohoto materiálu.

Výhodné termosety pro matrici izolačního materiálu podle vynálezu ve vytvrzeném stavu mají teplotu skelného přechodu 130 až 200 °C, s výhodou 150 až 180 °C.

Protože izolační materiál podle vynálezu má být bez bublinek nebo alespoň co možná s nejméně bublinkami, pro dosažení dobré izolační funkce jaká požadována pro preferované aplikace, by termosetický systém pryskyřicetvrdidlo-pomocná látka měl být takový, aby se vytvrzoval bez uvolňování těkavých látek.

Pro zabránění vzniku bublinek v průběhu vytvrzování je také výhodné, když systém pryskyřice-tvrdidlo-pomocná látka má dobu zgeíovatění, která alespoň umožňuje, aby voda, absorbovaná v tomto systému nebo na povrchu který se má povlékat, nebo jiné těkavé látky, unikly z izolační vrstvy předtím, než příliš ztuhne tak, že by se póry nebo bublinky vznikající při tomto unikání nemohly znovu uzavírat.

- 12Směs pryskyřice, tvrdidla a organické pomocné látky by měla mít teplotu bodu tavení nejvýše 200 °C; především je důležité aby teplota bodu tavení byla nižší než aktivační teplota vytvrzovací reakce, nebo aby vytvrzovací reakce probíhala při teplotě bodu tavení velmi pomalu, přičemž by mohla být v průběhu ochlazení v podstatě zastavena. To je nezbytné pro zabránění nadměrnému vytvrzení již v průběhu výroby izolačního materiálu. Vytvrzovací vlastnosti mohou být nastaveny přidáním vhodných materiálů; musí být zajištěno, aby tyto materiály měly nízkou těkavost nebo aby byly zcela vyloučeny v plynné formě v průběhu doby zgelovatění. Je výhodné, když směs pryskyřice, tvrdidla a organických pomocných látek má teplotu bodu tavení alespoň 50 °C, s výhodou 70 až 120 °C. Za zvláštních okolností může být teplota bodu tavení pryskyřice a/nebo tvrdidla vyšší než 200 °C. Nicméně takováto vysoká teplota bodu tavení způsobuje problémy kvůli aktivaci vytvrzovací reakce, která obvykle probíhá při obdobných nebo dokonce nižších teplotách. Vytvrzování obvykle probíhá v rozmezí teplot 70 až 250 °C, s výhodou v rozmezí 130 až 200 °C.

Pro umožnění splnění vysokých nároků kladených na teplotu skelného přechodu termosetu je výhodné, když je termoset silně zesíťován nebo má vysokou hustotu zesíťování. Výhodným termosetem je epoxidová pryskyřice. Epoxidová pryskyřice je výhodná mj . proto, že vytvrzování karboxylového anhydridu i aminu probíhá bez uvolňování těkavých látek z pryskyřice nebo tvrdidla. Kromě toho, epoxidová pryskyřice je obvykle zesíťovatelná a hustota zesíťování může být zvýšena použitím dianhydridů nebo polyanhydridů nebo polyaminů jako tvrdidel a/nebo použitím vícefunkčních epoxidových pryskyřic s rozvětveným řetězcem. Pro snížení těkavosti složek a pro zvýšení teploty skelného přechodu jsou výhodné pryskyřice a/nebo tvrdidla, které obsahují aromatické skupiny.

- 13 • ·

Jak již bylo naznačeno výše, izolační materiál podle vynálezu může obsahovat přísady a/nebo pomocné látky, jako například aktivátory, urychlovače, pigmenty atd., přičemž tyto materiály s výhodou mají nízkou těkavost.

Pro některé aplikace nové izolace, zejména v oboru točivých elektrických strojů, je nezbytné aby použitá izolace měla teplotní třídu H (T_max=180 °C) . Pro tyto účely by měla teplota skelného přechodu T_g ležet v této oblasti teplot, s výhodou mezi 130 až 200 °C. Teploty skelného přechodu značně vyšší než 200 °C jednak je obtížné dosáhnout, a jednak vede k materiálům, které jsou v oblasti pokojové teploty velmi křehké. Pro splnění požadavku mechanické stability třídy H, vedle T_g v oblasti 180 °C, je důležitý také obsah plnidla, kterého by pro takto vysoké požadavky mělo být >10 % objemových, což odpovídá asi 23 % hmotn. při uzavřené hustotě plnidla 4 g/cm³.

Izolace pro elektrické vodiče pro vysoké napětí a spodní oblast velmi vysokého napětí, vystavené vysokému tepelnému a elektrickému namáhání, se s výhodou vyrábí tak, že se povlékané elektrické vodiče alespoň částečně pokryjí izolačním materiálem podle vynálezu, načež se izolační materiál uvede na teplotu vyšší než je teplota tavení a aktivace vytvrzování systému pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky termosetu, a udržuje se na této teplotě až do zgelovatění. Prášek se může nanášet různými způsoby, například stříkáním s použitím elektrostatického náboje nebo bez náboje nebo ve fluidním loži.

Výše uvedená nepřítomnost bublinek je dána volbou postupu a různými vlastnostmi materiálů. Je důležité, aby izolační materiál v kapalném stavu měl dostatečně nízkou viskozitu pro roztěkání a aby doba zgelovatění byla dost dlouhá aby se všechny příměsi vytvářející bublinky (například adsorbovaná voda) mohly odpařit. Tento požadavek

dlouhé doby zgelovatění je v rozporu s trendem v oboru nátěrových hmot, kde se pro dosažení vysoké kapacity povlékání tenkou vrstvou doby zgelovatění přídavkem urychlovačů nastavují záměrně krátké (typicky 15 sekund). Snížením obsahu urychlovačů však je možné doby zgelovatění komerčně dostupných prášků bez obtíží nastavit na >60 s, s výhodou 80 až 160 s, kteréžto doby jsou dostatečně dlouhé pro použití podle vynálezu. V případě stříkacích prášků se zpravidla neměří a nespecifikuje viskozita jako zvláštní veličina; místo ní se specifikuje roztěkání, které je výsledkem vískozity a doby zgelovatění. Vrstvy bez bublinek je podle toho dosaženo, jestliže je roztěkání >25 mm, s výhodou 30 až 50 mm.

Pro další omezení a s výhodou úplné zabránění vzniku bublin způsobených těkavými látkami, které jsou přítomny alespoň na povrchu elektrického vodiče, který se má povlékat, a/nebo v izolačním materiálu (např. adsorbované nebo adsorbované vody) se zvláště osvědčilo nanášení izolace podle vynálezu ve vrstvách, přičemž tloušťka jednotlivé vrstvy je 0,05 až 0,3 mm, s výhodou 0,2 mm.

Pro vytvoření struktury vrstev s tloušťkou >0,2 mm se nanášení jednotlivých vrstev opakuje až do dosažení požadované tloušťky vrstvy. Po nanesení každé vrstvy se systém sestávající z pryskyřice, tvrdidla, pomocných látek a plnidel v souladu s dobou zgelovatění zahřívá po dobu asi 60 až 300 s, pro tavení, uvolňování vody a částečné vytvrzení. Kromě toho, použitím různých práškových kompozicí je možno vytvořit různé přechody mezi jednotlivými vrstvami nebo různé tloušťky vrstev v různých místech celé izolace. Tímto způsobem může být izolace optimálně uzpůsobena povrchu, který má být povlékán.

• · ·· ··

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1:

Prášek z epoxidové pryskyřice obsahující 40 % hmotn.

TiO₂ se střední velikostí částic d₅₀=0,2 pm byl použit pro nanášení izolace s tloušťkou 0,5 mm na Cu desky o rozměrech 200x200 mm. Prášek nebyl optimalizován z hlediska pomalého zgelovatění a zahrnoval proto bublinky o průměru až 0,3 mm. Na tyto desky byly přiloženy elektrody o průměru 80 mm. Potom byly vzorky podrobeny umělému stárnutí v oleji při 16 kV/mm. Kvůli bublinkám vznikaly v průběhu zkoušek ve vzorcích vnitřní výboje. Po 2600 hodinách byly zkoušky přerušeny aniž by bylo pozorováno proražení.

Ve srovnávacím příkladu byl jako plnidlo použit křemičitý prášek dso=lO pm. Ve zkoušce podrobením umělému stárnutí žádný ze vzorků nedosáhl životnosti delší než 1 h.

Příklad 2:

Profily z Cu o rozměrech délka/šířka/výška 600x15x50 s poloměrem hrany 2,5 mm byly povlečeny práškem z epoxidové pryskyřice (s 35 % hmotn. plnidla TiO₂) s roztěkáním 50 mm. Tloušťka vrstvy byla 0,5 až 1 mm. Nehledě na malý počet velmi malých bublinek (< 50 pm), izolace byla zcela bez dutin, jak ukázalo mikroskopické zkoumání řezů. Napětí vzniku vnitřních výbojů, definované jako zjištění vnitřních výbojů úrovně >5 pC, bylo 18 až 25 kV/mm. Tan δ materiálu byl pod 10 % v rozsahu od pokojové teploty do 200 °C, takže materiál měl jen malé elektrické ztráty.

Příklad 3

Stejně jako v příkladu 2, s tou výjimkou, že jako plnidlo bylo použito 35 % hmotn. CaCO₃ o velikostí d₅₀

- 16přibližně 7 pm a jen 5 % hmotn. jemného plnidla (TiO₂) . Výsledky měření vnitřního výboje byly stejně dobré jako výsledky dosažené v příkladu 2.

Příklad 4:

Vzorky vyrobené v příkladech 2 a 3 byly podrobeny zkouškám elektrické životnosti. Výsledky těchto zkoušek jsou znázorněny v jediném obrázku. Mezi oběma typy plnidel není podstatný rozdíl. Většina naměřených bodů odpovídá vzorkům, které dosud nebyly porušeny; křivka životnosti, které může být nakonec dosaženo je tedy dokonce méně strmá než křivka znázorněná na obrázku. V případech kdy nastalo proražení, bylo to zpravidla na okraji profilového úseku, kde je intenzita pole více než 1,7 krát větší než intenzita homogenního pole (relativní napětí U/d, kde d je tloušťka vrstvy); tento faktor zvýšení intenzity pole není ve znázorněné charakteristické křivce zahrnut. Charakteristická křivka životnosti je mimořádně plochá, což znamená, že materiál podléhá jen malému elektrickému stárnutí, a dlouhodobá intenzita pole, která vede k očekávané životnosti 20 let, není významně nižší než intenzita pole při proražení, naměřená ve zkoušce zrychleným stárnutím. Koeficient životnosti n byl přibližně 33.

Příklad 5:

Izolace s celkovou tloušťkou 10 mm byla vyrobena v 56 vrstvách za použití prášků z epoxidové pryskyřice obsahujících 40 % TiO₂ jako jemného plnidla.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby izolací elektrických vodičů pomocí práškového povlékání, na bázi termosetů, vyznačující se tím, že

a) prášek se nanáší postupně vícekrát ve formě jednotlivých vrstev které následují jedna za druhou, až do dosažení celkové tloušťky izolace <10 mm,

b) každá z jednotlivých vrstev se podrobuje tepelnému mezivytvrzení předtím, než se nanáší následující jednotlivá vrstva,

c) přičemž mezivytvrzení každé jednotlivé vrstvy se provádí s dobou vytvrzování, která odpovídá 2 až 20 násobku doby zgelovatění použitého prášku,

d) a nakonec se celá izolace podrobuje konečnému vytvrzení.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tepelné mezivytvrzování se provádí během doby, která odpovídá 3 až 5 násobku doby zgelovatění použitého prášku.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jednotlivé vrstvy se nanášejí s tloušťkou vrstvy <0,5 mm.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že jednotlivé vrstvy se nanášejí s tloušťkou vrstvy <0,3 mm, s výhodou s tloušťkou 0,2 mm.
5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se nanášejí výlučně jednotlivé vrstvy se stejnou tloušťkou.

- 186. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se nanášejí jednotlivé vrstvy s různými tloušťkami.
7. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pro nanášení jednotlivých vrstev se použijí prášky s různým složením.
8. Způsob podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že prášek se nanáší stříkacím sintrováním nebo sintrováním ve fluidním loži.
9. Způsob podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že prášek se nanáší tepelným stříkáním prášku v roztaveném stavu.
10. Prášek pro výrobu izolací elektrických vodičů způsobem podle nároku 1, vyznačující se tím, že

a) prášek obsahuje alespoň jeden tavitelný a vytvrditelný systém pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky a alespoň jedno anorganické plnidlo,

b) obsah anorganického plnidla je asi 5 až 50 % hmotn., vztaženo na uzavřenou hustotu plnidla až 4 g/cm³,

c) alespoň 3 % hmotn. celkové směsi prášku tvoří jemné plnidlo se střední velikostí částic d₅₀<3 pm, a zbývající plnidlo sestává z hrubého plnidla se střední velikostí částic ds₀<30 pm,

d) přičemž roztěkání prášku, který se taví pro vytvoření spojitého filmu, je alespoň 25 mm, a doba zgelovatění roztaveného prášku je alespoň 40 s.
11. Prášek podle nároku 10, vyznačující se tím, že systém pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky je zvolen tak, že teplota skelného přechodu T_g termosetu je alespoň 130 °C.
12. Prášek podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že alespoň 5 % hmotn. celkové směsi prášku je tvořeno jemným plnidlem se střední velikostí částic d₅₀<l pm.
13. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hrubé plnidlo má střední velikost částic dso přibližně 10 pm.
14. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsah anorganického plnidla je přibližně 40 % hmotn.
15. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že jemné plnidlo a hrubé plnidlo mají různou tvrdost.
16. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že jemné plnidlo a/nebo hrubé plnidlo jsou směsi plnidel se stejnou nebo různou tvrdostí.
17. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hrubé plnidlo má tvrdost podle Mohse nejvýše 7.
18. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hrubé plnidlo má tvrdost podle Mohse < 4.
19. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že jemné plnidlo je zvoleno ze skupiny zahrnující TiO₂, ZnO a SiO₂, a hrubé plnidlo je zvoleno ze skupiny zahrnující CaCO₃, wolastonit a talek.

-204« 44 » 9 9 « > « » » » · ► · « ·» >»
20. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že termoset ve vytvrzeném stavu má teplotu skelného přechodu alespoň 150 °C.
21. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že systém pryskyřice-tvrdidlo-pomocné látky je zvolen tak, že se vytvrzuje bez uvolňování těkavých látek.
22. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že termoset je epoxidová pryskyřice.
23. Prášek podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hrubé plnidlo má tvrdost přibližně o jednu jednotku podle Mohse nižší, než jakou má dopravní a výrobní zařízení, které přichází do styku s plnidlem.
24. Použití způsobu podle některého z nároků 1 až 9 a prášku podle některého z nároků 10 až 23 pro výrobu elektrických izolací pro vodiče, které jsou vystaveny vysokému tepelnému a elektrickému namáhání v oblasti vysokého napětí.