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Die Erfindung betrifft eine beschichtete Isolationsfolie mit gesteigerter Koronabeständigkeit im elektrischen Feld.
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Elektrische Maschinen (Transformatoren, Motoren, Generatoren) besitzen je nach Leistung und Konstruktionsprinzip ein komplexes Isolierungssystem. Dabei werden in unterschiedlichen Bereichen Folienwerkstoffe als Isolierung eingesetzt. Diese Folienisolierstoffe bestehen aus thermoplastischen oder chemisch vernetzten Polymerfolien. Es kommt eine überschaubare Anzahl von Folienwerkstoffen in Frage, welche die mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllen. Im Falle der Motoren und Generatoren werden entsprechende Folien für Haupt- und Teilleiterisolierung um den Leiter gewickelt.
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Für die Teilleiterisolierung können koronastabile PI-Folien eingesetzt werden. Diese Folien sind sehr teuer und werden nur von einem Hersteller angeboten. Für die Hauptisolierung kommen glimmerbeschichtete Flächenisolierstoffe zum Einsatz. Auch diese Lösung ist teuer und zu dem im Handling schwierig. Es besteht bei der Wicklung die Gefahr, dass die Glimmerpartikel abblättern. Als Polymerfolien, also als Träger für die Glimmerpartikel, kommen hauptsächlich (Polyethylenterephthalat) PET-, (Polyethylennaphthalat) PEN- und (Polyimid) PI-Folien zum Einsatz.
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Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass die so hergestellten Isolierungen schwierig in der Handhabung und teuer sind. Beispielsweise können bei der Wicklung um den Leiter geringe Biegeradien der glimmerbeschichteten Folien nicht realisiert werden, weil die Glimmer sonst Abblättern. Da die Isolationsfolien ganz generell nach der Wicklung mit Harz zur mechanischen Stabilität imprägniert oder, im Falle der glimmerhaltigen Materialien, bereits als harzimprägniertes Halbzeug verwendet (sog. Resin Rich Materialien) eingesetzt werden, ist die Gefahr von Defektstellen in der Harzimprägnierung, die die Koronabeständigkeit herabsetzen und damit die Dauerzuverlässigkeit des Isolierung gefährden, bei den Isolationen nach dem Stand der Technik gegeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Isolierung für elektrische Maschinen, insbesondere Transformatoren, Motoren, Generatoren herzustellen, die bei guter Isolierung der elektrischen Maschinen eine verbesserte Koronastabilität zeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Ansprüche zusammen mit der Beschreibung und den Figuren gelöst.
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Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische Flächenisolierung mit hoher Koronastabilität gegen Erosion im elektrischen Feld, die eine Polymerfolie als Träger, mit ein- oder beidseitig, teilweise oder ganzflächig aufgebrachter Beschichtung aus einem engmaschig vernetztem und dadurch schwer in die Gasphase zu überführenden anorganischen oder teilweise anorganischem nichtleitendem Material umfasst. Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der verbesserten Isolation durch Gasabscheidung oder über nasschemische Verfahren.
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„Hohe Koronabeständigkeit” wird vorliegend beispielsweise mit einem lokalen Materialabtrag von kleiner 250 μm, bevorzugt kleiner 150 μm, bevorzugt kleiner 100 μm, insbesondere bevorzugt von kleiner 50 μm des Flächenisolierstoffes unter einer Elektrode mit Durchmesser von 6 mm bei einer E-Feldbelastung von 6,5 V/pm für 240 Stunden, gleichgesetzt. „Unter” einer Elektrode heißt dabei, dass die Elektrode direkt, aber ohne Druck aufliegt.
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Als „Vernetzungspunkte” werden innerhalb der Schicht die atomaren Zentren bezeichnet, die chemische Bindung zwischen zwei oder mehr fertigen Molekülteilen, auch Monomereinheiten genannt, herstellen.
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Als „schwer in die Gasphase zu überführende” Materialien werden diese Beschichtungen bezeichnet, weil sie bei der während der Glimmentladung auftretenden Temperaturbelastung einen hohen Widerstand gegen Materialzersetzung oder Kettenspaltung aufweisen (Molmassenabbau). Daher auch die Bevorzugung anorganischer oder Hybrid-anorganischer Materialien, die im Folgenden auch als „teilanorganisch” bezeichnet werden.
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Als anorganisch werden dabei alle nicht kohlenstoffhaltigen atomaren Zentren bezeichnet.
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Als „engmaschig” wird hier die im Vergleich zu organischen Polymeren engere Verknüpfung anorganischer Polymere bezeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße kompakte und glatte Beschichtung können geringere Biegeradien realisiert werden, als dies beispielsweise bei den glimmerbeschichteten Folien möglich ist. Schwierigkeiten beim defektfreien Imprägnieren der glimmerbeschichteten Folien können weiterhin bei den erfindungsgemäßen beschichteten Folien nicht auftreten, da die kompakte, glatte Oberfläche der Beschichtung problemlos imprägniert werden kann. Dies steigert die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit des Isolationssystems im Einsatz. Eine verbesserte Benetzbarkeit der Folie mit dem Harz durch die Beschichtung fördert die Zuverlässigkeit weiterhin.
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Durch die vorgeschlagene Beschichtung der Polymerfolie wird der Widerstand gegen Erosion im elektrischen Feld (sog. Koronastabilität) bei dauerhafter Teilentladungsbelastung deutlich verbessert. Dies wird unter anderem darauf zurückgeführt, dass die anorganische oder teilanorganische Beschichtung vergleichsweise engmaschig vernetzt ist und auch schwer in die Gasphase überführbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Beschichtungsmaterial aus einem hochschmelzenden anorganisches Material wie einem keramischen Material z. B. ein Titanat oder aus einem teilanorganischen Material wie den so genannten nichtmetallischen Hybridpolymeren. Nach einer anderen Ausführungsform ist das anorganische Material beispielsweise ein Nitrid wie das Trisiliciumtetranitrid Si3N4 mit einem Schmelzpunkt von 1900°C. Aber auch Phosphate oder Oxide können hier vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere vorteilhaft ist Aluminiumoxid Al2O3 mit einem Schmelzpunkt von 2045°C und SiOx, das in einer engmaschig vernetzten Modifikation einen Schmelzpunkt der Quarz-Modifikation β-Cristobalit (x = 2) von 1705°C hat. Weitere Materialien können sein: Siliziumcarbid (SiC), Bariumtitanat (BaTiO3), Siliziumnitrid (SiN) oder Derivate dieser Materialien sowie alle weiteren keramischen Verbindungen.
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Zur Herstellung der Beschichtung wird auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei Wege beschreiten, zum einen der nasschemische über das Sol-Gel-Beschichtungsverfahren und zum zweiten die Abscheidungsverfahren aus der Gasphase, die teilweise unter Anwendung von Plasmaverfahren durchgeführt werden.
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Diese Verfahren dienen alle dazu, nichtleitende, anorganische oder teilanorganische Beschichtungen herzustellen, die engmaschig vernetzt und/oder sonst wie schwer in die Gasphase überführbar sind. Das erhöht die Koronabeständigkeit.
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So lassen sich beispielsweise über Niederdruck-PVD oder Niederdruck-CVD- oder Atmosphärendruck-Plasmapolymer-Beschichtungsverfahren die anorganischen oder teilanorganischen nichtleitenden Beschichtungen auf die Polymerfolien aufbringen.
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Ebenso lassen sich über das Sol-Gel-Verfahren Silane und Siloxane als Beschichtungen auf die Polymerfolien aufbringen, die beispielsweise ein SiO-backbone-Gerüst bilden, das engmaschig vernetzt ist und somit wieder die Eigenschaft, dass die Beschichtung nur schwer verdampfbar ist, erfüllt. Als Prepolymere für die Sol-Gel-Synthese kommen Silane, Siloxane, organisch modifizierte Silane bzw. deren Mischungen in Frage. Durch die Einstellung des Anorganik- zu Organik-Anteil über die geeignete Wahl der Prepolymere können die Eigenschaften der Sol-Gel-Schichten angepasst werden. Weiterhin können Schichten realisiert werden, die auf interpenetrierenden Netzwerken solcher Sol-Gel-Kondensate und der organischen Polymere basieren.
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Als geeignete Polymerfolien können mehrere aufgezählt werden, beispielsweise geeignet ist Standardmaterialien wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN), aber auch andere duroplastische und hochtemperaturstabile Folien wie Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Liquid Crystal Polymer (LCP), etc. sind einsetzbar.
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Die Dicke der Schicht kann variieren, beispielsweise kann sie kleiner 500 μm sein, insbesondere kleiner 100 μm und besonders bevorzugt zwischen 5 nm und 150 μm. Dabei ist es offensichtlich, dass durch nasschemische Methoden aufgebrachte Schichten deutlich dicker sind als die durch Abscheidungen in Vakuum aufgebrachten Schichten. Die nasschemisch erzeugten Schichten bewegen sich daher im Bereich von 0,1 bis 150 μm, während die durch Abscheidung erzeugten Schichten durchaus schon im Bereich von 1 bis 50 nm Dicke einen Effekt zeigen können.
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So kann bereits durch sehr dünne PVD- bzw. CVD-Beschichtungen um 50 nm eine deutliche Verbesserung der Koronabeständigkeit der Folien gegen elektrische Teilentladung erzeugt werden.
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Eine Möglichkeit ist die Beschichtung mittels nasschemischer Materialien, die im Sol-Gel-Prozess aufgebracht werden. Auch in diesem Fall können bereits durch dünne Schichten im Bereich von wenigen μm deutliche Verbesserungen erreicht werden. Sowohl die Abscheidung aus der Gasphase als auch die Sol-Gel-Beschichtung können gut automatisiert werden und stellen somit gut skalierbare Beschichtungsprozesse dar.
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Teure erosionsstabile PI-Folien oder glimmerbeschichtete Folien aus PET oder PEN für die Teil- bzw. Hauptleiterisolierung können durch diese kostengünstigen beschichteten Folien ersetzt werden. Zudem ist das Handling der Folien beispielsweise in einem Wickelprozess deutlich einfacher als für eine glimmerpartikelbeschichtete Folie, da aufgrund der kompakten Beschichtung ein Abblättern der Glimmerpartikel nicht auftreten kann. So können auch kleinere Biegeradien realisiert werden.
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Die Harzimprägnierung der beschichteten Folien ist weiterhin zuverlässiger möglich als die Durchimprägnierung der Glimmerpartikel. Eine Gefahr von lebensdauerreduzierenden Fehlstellenbildung infolge defekthaltiger Durchimprägnierung des Glimmerbandes tritt bei der beschichteten Folie nicht auf. Durch die kompakte und glatte Beschichtung wird – je nach Ausführung – in der Regel sogar eine verbesserte Harzbenetzung im Vergleich zur unbeschichteten Folie erreicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von einer Figur verdeutlicht:
Die Figur zeigt das Schema des Aufbaus einer beispielhaften Ausführungsform der Folie gemäß der Erfindung.
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Zu erkennen ist mittig eine Polymerfolie 1, die in der hier gezeigten Ausführungsform beidseitig und nicht nur einseitig beschichtet ist.
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Auf beiden Seiten der Folie 1 befindet sich daher die Beschichtung 2 und 3 aus engmaschig vernetztem und schwer in die Gasphase zu überführenden anorganischen oder teilanorganischen nichtleitendem Material. Diese auch als „elektrische Barriereschicht” bezeichnete Beschichtung weist im Vergleich zur Polymerfolie eine höhere Steifigkeit und Sprödigkeit auf. Dadurch wird in der Regel auch die Reißdehnung der Polymerfolie verringert. Um diesem negativen Effekt entgegen zu wirken, wird diese in einer besonders vorteilhaften Ausführung mit einer elastifizierenden Schicht 4 oder 5 beschichtet. Dafür eignen sich alle elastischen polymeren Beschichtungssysteme wie PU, Epoxidharz, Silikone und/oder Acrylate, etc. Diese elastifizierende Ausgleichsschicht weist in einer vorteilhaften Ausführung Schichtdicken im Bereich von 0,1 bi 100 μm auf. Sie wird nasschemisch über Druck-, Rakel-, Tauch- oder andere inlinefähige Verfahren vorteilhaft im Rolle-zu-Rolle-Prozess aufgetragen.
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Durch diese Erfindung wird erstmals eine Beschichtung von Standard-PET-Folien mit anorganischen oder teilanorganischen Schichten wie SiOx, Al2O3, Si3N4 etc., die über Niederdruck-PVD-, Niederdruck-CVD-, oder Atmosphärendruck-Plasmapolymer-Beschichtungsverfahren aufgebracht werden können, offenbart, welche gleichzeitig zu einer erhöhten Koronastabilität der Folie und einer zumindest gleichbleibende mechanische Festigkeit (auch unter thermischer Alterung) wie für die unbeschichtete Folie führt.
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Durch die erfindungsgemäße Beschichtung einer Polymerfolie wird bei der Polymerfolie der Widerstand gegen Erosion im elektrischen Feld (sog. Koronastabilität) bei dauerhafter Teilentladungsbelastung deutlich verbessert. Es eignen sich prinzipiell alle nichtmetallischen, nichtleitenden Schichten mit hoher Vernetzungsdichte und anorganischen Anteilen. Ebenso kann durch hochvernetzte nasschemische Siloxan-Schichten bzw. alle Arten von anorganischen oder hybridpolymeren Sol-Gel-Schichten die Koronabeständigkeit deutlich gesteigert werden.
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Ein typisches Beispiel für die Beständigkeitssteigerung einer mit Sol-Gel-Beschichtung beschichteten 50 μm dicken PET-Folie gegen elektrische Erosion durch Teilentladung ist optisch nachweisbar.
