DE102009053253A1

DE102009053253A1 - Tränkharz für Verbundisolatoren

Info

Publication number: DE102009053253A1
Application number: DE102009053253A
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr. Swiatkowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054647A1; CN102666694A; EP2499193A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Isolierharzsystem für Verbundisolatoren, enthaltend anorganische Oxyd-Nanopartikel, insbesondere AlO. Die so erhaltenen Harze weisen eine erhöhte elektrische Durchschlagsfestigkeit sowie verbesserte mechanische Werte auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Isolierharzen für Verbundisolatoren.
Bei der Fertigung von Verbundisolatoren, die im Hochspannungsbereich für Schaltstangen, Stutzer u. Isolatoren eingesetzt werden, erfolgt konventionell ein Imprägnierprozess von Polyester-, Aramid- oder Glasgeweben oder Rovings mit Tränkharzsystemen auf Basis von flüssigen Epoxidharzen/Anhydridhärtern.
Die so hergestellten Isolatoren weisen im Allgemeinen gute mechanische u. dielektrische Eigenschaften auf.
Da im Schaltanlagenbau der Wunsch nach kompakteren Anlagen besteht, wäre es wünschenswert kleinere Isolatoren mit höheren mechanischen u. elektrischen Eigenschaften zur Verfügung zu haben, vorzugsweise einhergehend mit einer verbesserten Temperaturwechselfestigkeit und/oder einem verbessertes dielektrisches Langzeitverhalten der eingesetzten Isolatoren.
Es stellt sich somit die Aufgabe, alternativ zu den bestehenden Lösungen ein Imprägnierharzsystem für Verbundisolatoren in Schaltanlagen zu schaffen, bei dem erhöhte mechanische und dielektrische Eigenschaften vorliegen.
Diese Aufgabe wird durch ein Isolierharzsystem gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung gelöst. Demgemäß wird ein Isolierharzsystem für Schaltanlagen vorgeschlagen, umfassend ein Harz auf Epoxidbasis sowie anorganische Oxyd-Nanopartikel.
Überraschend hat sich herausgestellt dass bei Vorhandensein der Nanopartikel durch eine Art synergistische Wirkung sich bei vielen Anwendungen die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolierstoffe steigern ließen, bei gleichzeitigem Anstieg der mechanischen Festigkeit, wobei in der Regel nur eine geringfügige Zunahme der Viskosität zu beobachtet wurde.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Isolierharzsystem” insbesondere ein (bevorzugt niederviskoses) Tränkharzsystem auf Basis von Epoxidharz u. Anhydridkomponente mit kontrollierter Reaktivität. Der Term „-System” soll andeuten, dass neben dem eigentlichen Harz noch weitere Komponenten (wie die anorganischen Oxyd-Nanopartikel) vorhanden sein können.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Epoxidbasis” insbesondere dass als eine Ausgangskomponente – insbesondere Hauptkomponente – ein Epoxid verwendet wird. Dabei können alle im Stand der Technik bekannten Stoffe Verwendung finden, bevorzugt sind – ohne darauf beschränkt zu sein – Stoffe ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Epoxidharze auf Basis von Bisphenol A, Bisphenol F, cycloaliphatische Epoxyde (insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis-(2,3-epoxycyclopentyl)-ether, 2,3-Epoxycyclopentylglycidylether, 1,2-Bis-(2,3-epoxycyclopentyloxy)-ethan, 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat oder Mischungen daraus), Glycidiylesterharze, sowie Mischungen daraus.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „anorganische Oxyd-Nanopartikel” insbesondere Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ≤ 2 μm, die zumindest teilweise aus einem anorganischen Oxid bestehen, wobei unter Oxid nicht nur die binären Oxide (z. B. Al₂O₃ oder TiO₂) sondern auch Mischoxyde, Oxo-Hydroxy-Verbindungen oder andere anorganische sauerstoffhaltige Verbindungen wie etwa Silikate oder Ton verstanden werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst der Term „Schaltungsanlagen” insbesondere Anlagen für die Nieder, Mittel- u. Hochspannung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil der anorganischen Oxyd-Nanopartikel im Harz von ≥ 0,1 Gew-% bis ≤ 10 Gew-%. Dies hat sich für viele Anwendungen als günstig herausgestellt da oftmals sich so die günstigen Eigenschaften des Isolierharzes erzielen lassen ohne dass sich die sonstigen Eigenschaften (z. B. Viskosität) des Isolierharzes signifikant verschlechtern.
Bevorzugt beträgt der Anteil der anorganischen Oxyd-Nanopartikel im Harz von ≥ 1 Gew-% bis ≤ 9 Gew-%, noch bevorzugt ≥ 3 Gew-% bis ≤ 8 Gew-%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die anorganischen Oxyd-Nanopartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von von ≥ 0 nm bis ≤ 1000 nm auf. Dies hat sich für viele Anwendungen als günstig erwiesen.
Bevorzugt weisen die anorganischen Oxyd-Nanopartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von von ≥ 50 nm bis ≤ 700 nm, noch bevorzugt ≥ 100 nm bis ≤ 600 nm auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die anorganischen Oxyd-Nanopartikel ausgewählt aus der Gruppe enthaltend SiO₂, Silikate, Ton, TiO₂, Al₂O₃.
Diese Materialien haben sich für viele Anwendungen als besonders geeignet herausgestellt.
Ein besonders bevorzugtes Material ist Al₂O₃, da sich bei Einsatz dieses Materials für viele Anwendungen gezeigt hat, dass das entstehende Isolierharz weitgehend resistent gegenüber Zersetzungsprodukten von SF₆ ist. Dies stellt für viele Anwendungen der vorliegenden Erfindung einen wichtigen Nebenaspekt dar, so dass Al₂O₃ insofern bevorzugt ist, auch wenn die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die anorganischen Oxyd-Nanopartikel über einen Plasma-Prozess hergestellt. Dies hat sich für viele Anwendungen als günstig herausgestellt.
Alternativ bevorzugte Herstellungsverfahren sind pyrrolytische oder Sol-Gel-Verfahren.
Die anorganischen Oxyd-Nanopartikel können eine im Wesentlichen runde Form haben, die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Alternativ können die anorganischen Oxyd-Nanopartikel scharfkantig und/oder in Plättchen und/oder Drahtform vorliegen.
Die anorganischen Oxyd-Nanopartikel werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch Rühren, Walzen und/oder durch Einsatz eines Turbomischers in das Harz eingebracht. Ggf. können Additive zugesetzt werden, um Agglomerationen zu verhindern, auch wenn dies bei vielen Anwendungen der Erfindung sich nicht als nötig herausgestellt hat.
Weiterhin können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die anorganischen Oxyd-Nanopartikel mit Haftvermittlern (wie z. B. Silanverbindungen) versehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Ausgangsstoffe, aus denen das Isolierharzsystem aufgebaut ist, eine Härterkomponente.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst der Term „aufgebaut auf den Ausgangskomponente(n)” insbesondere, daß das Isolierharzsystem aus bzw. unter Einsatz dieser/diesen Komponente(n) hergestellt wird.
Bevorzugt ist dabei die Härterkomponente aus der Gruppe umfassend Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Methylnadicanhydrid, hydriertes Methylnadicanhydrid, Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid sowie deren Derivate und Mischungen daraus ausgewählt. Insbesondere bevorzugt sind Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid oder Mischungen daraus.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Ausgangsstoffe, aus denen das Isolierharzsystem aufgebaut ist, eine Beschleunigerkomponente.
Bevorzugt ist dabei die Beschleunigerkomponente aus der Gruppe umfassend tertiäre Amine, quartäre Ammoniumverbindungen, Phosphine, Phosphoniumverbindungen, BCl₃-Aminkomplexe, Imidazole sowie deren Derivate und Mischungen daraus ausgewählt
Gemäß einer noch bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Beschleunigerkomponente ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Dialkylarylamin, Diarylalkylamine sowie Mischungen daraus; insbesondere bevorzugt ist Dimethylbenzylamin.
Soweit nicht anders erwähnt, werden unter „Aryl” bzw. „Alkyl” insbesondere die folgenden Funktionalitäten verstanden:
Alkyl: lineare und verzweigte C1-C6-alkyl, insbesondere Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl;
Aryl: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend: Phenyl; Biphenyl; Naphthalenyl; Anthracenyl; Phenanthrenyl, Benzyl
Das erfindungsgemäße Isolierharzsystem kann zusätzlich noch zusätzliche Komponenten wie Verdünner, Entschäumer, Haftvermittler, Flexibilisatoren enthalten. Dabei können alle im Stand der Technik bekannten Stoffe zum Einsatz kommen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Isolierteil enthaltend ein Isolierharzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Isolierteil” insbesondere ein Isolierrohr umfassend ein Isolierharzsystem und ein Roving und/oder Gewebe auf Basis von Polyester, Glas oder Aramid.
Bevorzugt ist dabei das Isolierharzsystem in ein Aramidgewebe, Glasgewebe oder Aramidroving/Glasroving eingebettet.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfaßt der Term „eingebettet” insbesondere, dass das Roving und/oder Gewebe mit dem Harz getränkt wird. Aus dielektrischen Gründen wird eine Vakuumtränkung bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Isolierharzsystem in einem Härtungsverfahren umfassend einen Anhärtungsschritt bei ≥ 50°C, bevorzugt ≥ 70°C und einer Härtungsdauer von ≥ 1 h, bevorzugt ≥ 2 h hergestellt. Anschließend erfolgt bevorzugt eine Nachhärtung bei ≥ 150°C u. einer Härtungsdauer von ≥ 10 h, am meisten bevorzugt ≥ 16 h.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung eines Isolierharzsystems, umfassend ein Harz auf Epoxidbasis sowie anorganische Oxyd-Nanopartikel als Isolierstoff in elektrischen Schaltanlagen.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung des zugehörigen Beispiels.
Die vorliegende Erfindung wird – rein illustrativ und nicht beschränkend – anhand des vorliegenden erfindungsgemäßen Beispiels I untersucht. Dabei wurde ein Harz hergestellt, aufgebaut aus den folgenden Komponenten:

Komponente rel. Gewichtsanteil

Epoxidharz auf Basis von Bisphenol A 100

Methylhexahydrophtalsäureanhydrid 90

Dimethylbenzylamin 0,5
Das Harz wurde mit 3 Gew-% Al₂O₃-Nanopartikeln (Durchmesser ca. 100 nm) versetzt
Weiterhin wurde ein Vergleichsharz (nicht erfindungsgemäß) hergestellt; dieses entsprach dem erfindungsgemäßen Harzsystem, nur dass keine Nanopartikel zugefügt wurden.

In einem Test wurden zum einen die Zugfestigkeit (ISO 527-4), die Martenstemperatur, die Biegefestigkeit (ISO 178) sowie die Schlagfestigkeit und Durchschlagsfestigkeit der beiden Harze ermittelt. Die Werte sind in der folgenden Tabelle abgebildet: Tabelle I

	Erfindungsgemäßes Harzsystem	Vergleichsharz
Biegefestigkeit N/mm²	150	130
Schlagfestigkeit kJ/m	25	20
Zugfestigkeit N/mm²	83	70
Martenstemperatur °C	134	124
Durchschlagsfestigkeit kV/mm	163	130

Man sieht somit die vorteilhaften Eigenschaften des erfinderischen Isolierharzsystems.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 527-4 [0043]
ISO 178 [0043]

Claims

Isolierharzsystem für Isolierstoffe in Schaltanlagen umfassend ein Harz auf Epoxidbasis sowie anorganische Oxyd-Nanopartikel.
Isolierharzsystem nach Anspruch 1, wobei der Anteil der anorganischen Oxyd-Nanopartikel im Harz von ≥ 0,1 Gew-% bis ≤ 10 Gew-% beträgt.
Isolierharzsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die anorganischen Oxyd-Nanopartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von von ≥ 10 nm bis ≤ 1000 nm aufweisen
Isolierharzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die anorganischen Oxyd-Nanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend SiO₂, Silikate, Ton, TiO₂, Al₂O₃.
Isolierharzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die anorganischen Oxyd-Nanopartikel über einen Plasma-Prozess hergestellt wurden.
Isolierteil enthaltend ein Isolierharzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verwendung eines Isolierharzsystems, umfassend ein Harz auf Epoxidbasis sowie anorganische Oxyd-Nanopartikel als Isolierstoff in elektrischen Schaltanlagen.