DE102010019721A1

DE102010019721A1 - Elektrisches Isoliermaterial, Isolationspapier und Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine

Info

Publication number: DE102010019721A1
Application number: DE102010019721A
Authority: DE
Inventors: Mario Brockschmidt; Dr. Gröppel Peter; Dr. Pohlmann Friedhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-11-10
Also published as: CN102869467A; RU2534744C2; RU2012152608A; US20130157042A1; WO2011138173A1; EP2566641A1; CN102869467B

Abstract

Ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist ein Basisharz und ein in dem Basisharz als einzigen Füllstoff verteiltes Füllstoffpulver auf, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist. Ein Isolationspapier für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist das elektrischen Isoliermaterial auf. Ein Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist ein Trägerband und ein Band von einem Isolationspapier auf, wobei das Band von dem Isolationspapier auf dem Trägerband aufgebracht und befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine, ein Isolationspapier, das aus dem Isoliermaterial hergestellt ist, und ein Isolationsband, das aus dem Isolationspapier hergestellt ist. Das elektrische Isoliermaterial, das Isolationspapier und das Isolationsband sind geeignet für die elektrische Isolation in einer Hochspannungsrotationsmaschine.
Für eine Hochspannungsrotationsmaschine, wie beispielsweise einen Turbogenerator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, sind ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Verfügbarkeit gefordert. Daraus resultiert in der Regel eine hohe mechanische, thermische und elektrische Beanspruchung der Bauteile des Turbogenerators. Der Turbogenerator weist insbesondere eine Ständerwicklung auf, an die eine besonders hohe Anforderung bezüglich Festigkeit und Zuverlässigkeit gestellt ist. Insbesondere ist das Isoliersystem der Ständerwicklung an der Grenzfläche zwischen der Hauptisolierung und dem Blechpaket der Ständerwicklung durch eine hohe thermische, thermomechanische, dynamische und elektromechanische Betriebsbeanspruchung stark belastet, wodurch das Risiko einer Beschädigung des Isoliersystems der Ständerwicklung durch Teilentladungen hoch ist, die beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine unablässig auftreten. Mit dem Isoliersystem sind elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe, Teilleiter) dauerhaft gegeneinander und gegen ein Ständerblechpaket oder die Umgebung isoliert. Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung), zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw. Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickelkopfbereich (Hauptisolierung). Die Betriebssicherheit der Hochspannungsrotationsmaschine ist maßgeblich der Zuverlässigkeit des Isoliersystems bestimmt.
Ein Problem des Isoliersystems ist es, dass aufgrund der starken elektrischen Belastung des Isoliermaterials des Isoliersystems dieses einer teilentladungsinduzierten Erosion ausgesetzt ist. Dabei bilden sich ”Treeing”-Kanäle in dem Isoliermaterial aus, die zu einem elektrischen Durchschlag des Isoliermaterials führen können. Bekanntermaßen ist durch eine Zugabe von Glimmer, beispielsweise in Form von Glimmerpapier, zu dem Isoliermaterial die Ausbreitung von ”Treeing”-Kanälen in dem Isoliermaterial wünschenswert unterbunden. Bei der Herstellung von Glimmerpapier werden Glimmerpartikel mit einem Aspektverhältnis von mindestens 50 eingesetzt, d. h. das Verhältnis von Länge zu Breite auf der einen Seite und die Glimmerpartikeldicke auf der anderen Seite liegt bei mindestens 50. Dadurch bilden die Glimmerpartikel eine große Oberfläche, wobei sich die Glimmerpartikel zueinander ausrichten. Dadurch ist das Glimmerpapier elastisch verbiegbar und mechanisch beanspruchbar. Hervorgerufen durch eine Wechselwirkung durch van der Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Oberflächen der Glimmerpartikel ergebenden sich Bindungskräfte, die von der Größe von Kontaktflächen benachbarter Glimmerpartikel bestimmt sind. Somit ist das Glimmerpapier flexibel und kann somit beispielsweise um einen elektrischen Leiter gewickelt werden. Das Glimmerpapier kann ferner mittels eines Reaktionsharzes imprägnieret sein und dennoch eine gute Barriere für „Treeing”-Kanälen darstellen.
Die Glimmerpartikel sind den Teilentladungen ausgesetzt, so dass es wünschenswert ist, dass die Glimmerpartikel eine hohe Teilentladungsresistenz haben. Diese ist aufgrund der organischen Struktur der Glimmerpartikel gegeben. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Glimmerpapiers ist dieses auf einen Träger aus Glas- oder Polyestergewebe aufgebracht, womit das Glimmerpapier einen Verbundwerkstoff bildet. Dieser wir dadurch hergestellt, indem das Glimmerpapier mittels eines flüssigen und reaktiven Polymers imprägniert und aushärtet wird. Das Glimmerpapier in Streifenform bildet ein Glimmerband.
Bekannt ist es ein Glimmschutzband als beispielsweise ein Gewebe mit dem Glimmerband herzustellen, wobei mit einem Kleber das Glimmerband auf dem Gewebe befestigt ist. Das Isolationssystem weist das Glimmschutzband auf, mit dem elektrische Leiter in der Hochspannungsrotationsmaschine elektrisch zu isolieren sind. Die Wärmeleitfähigkeit von dem herkömmlich mit Epoxidharzen imprägnierten Glimmerband mit Glas- oder Polyestergewebe als Trägermaterial beträgt ca. 0,2–0,25 W/mK bei Raumtemperatur. Aufgrund dieser als gering einzustufenden Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands kann die beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine im Leiter gebildete Wärme nur schlecht an den Stator abgegeben werden. Dadurch bildet sich beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine ein Wärmestau an dem Glimmschutzband aus. Deshalb sind in der Regel die Statoren großer Generatoren beispielsweise mittels Wasserstoff oder Wasser gekühlt. Abhilfe könnte eine Verringerung der Dicke des Glimmschutzbands schaffen, wodurch die Effizienz und der elektrische Wirkungsgrad der Hochspannungsrotationsmaschine gesteigert werden könnte.
Zur weiteren Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands ist es bekannt zusätzlich wärmeleitfähige Partikel, wie z. B. Bromnitrid oder Diamant, in dem Glimmschutzband vorzusehen. Da diese Materialien aufgrund ihrer Abmessungen und ihrer physikalischen Eigenschaften so gut wie keinen positiven Einfluss auf die elektrische Festigkeit des Isoliersystems haben, ist es unerlässlich, dass das Glimmschutzband dennoch mit dem Glimmer versetzt ist. Der Anteil der zusätzlichen Partikel und des Glimmers im Isoliersystem ist derart abgestimmt, dass der Anteil des Glimmers derart hoch ist, dass die Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands ausreichend hoch ist, und der Anteil der zusätzlichen Partikel derart gering ist, dass die resultierende elektrische Festigkeit des Glimmschutzbands ausreichend hoch ist. Mit einem herkömmlichen Glimmschutzband mit zusätzlichen Bornitrid-Partikeln ist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/mK bei Raumtemperatur erreichbar. Nachteilig hierbei ist, dass die Schichtdicke des Glimmschutzbandes hoch ist und dass die Bornitrid-Partikel senkrecht zum Glimmschutzband eine geringere Wärmeleitfähigkeit als in Längsrichtung des Glimmschutzbands haben. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands nachteilig anisotrop, wodurch der Einsatz dieses Glimmschutzbands einschränkt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine, ein Isolationspapier, das aus dem Isoliermaterial hergestellt ist, und ein Isolationsband, das aus dem Isolationspapier hergestellt ist, zu schaffen, wobei die elektrische Isolation der Hochspannungsrotationsmaschine effektiv ist.
Das erfindungsgemäße elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist ein Basisharz und ein in dem Basisharz als einzigen Füllstoff verteiltes Füllstoffpulver auf, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist. Bevorzugtermaßen liegt der Anteil des Füllstoffpulvers zwischen 50 Vol.-% und 75 Vol.-%, wobei der Anteil des Füllstoffpulvers mehr bevorzugt bei 70 Vol.-% liegt. Ferner ist es bevorzugt, dass das Füllstoffpulver in Partikelgrößen im Bereich von 0,002 μm bis 150 μm vorliegt. Dabei liegt das Füllstoffpulver bevorzugt in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Verteilung vor.
Das erfindungsgemäße Isolationspapier für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist das elektrischen Isoliermaterial auf. Das Erfindungsgemäße Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist ein Trägerband und ein Band von einem Isolationspapier auf, wobei das Band von dem Isolationspapier auf dem Trägerband aufgebracht und befestigt ist. Bevorzugt ist, dass das Band von dem Isolationspapier auf das Trägerband geklebt ist.
Der einzige Füllstoff in dem Basisharz ist gebildet von plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln, mit denen aufgrund ihrer speziellen Form die elektrische Festigkeit des Isoliermaterials hoch ist. Ferner ist durch das Vorsehen lediglich der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials hoch, da die intrinsische Leitfähigkeit von Aluminiumoxids bei 25–40 W/mK liegt, wohingegen herkömmlicher Glimmer einen Wert von 1 W/mK hat. Dadurch ist es mit dem erfindungsgemäßen Vorsehen der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Isoliermaterial ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Isoliermaterial ohne den herkömmlichen Glimmerzusatz auskommt. Ferner ist der Isolierwerkstoff zu einem Isolationspapier verarbeitbar, das erfindungemäß zu einem Isolationsband verarbeitbar ist, das in einer Hochspannungsrotationsmaschine vorteilhaft zur elektrischen Isolation einsetzbar ist. Der Anteil an den plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz beträgt bevorzugt bis zu 70 Vol.-%, ohne dass dabei die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Isoliermaterials verschlechtert sind. Je höher der Volumenfüllgrad der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz ist, desto höher ist die resultierende Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials. Bei einem Volumenfüllgrad von Vol.-50% plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz ergibt sich eine thermische Leitfähigkeit von 0,8 W/mK des Isoliermaterials.
Außerdem ist es aufgrund der flächigen Ausbildung der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz möglich, das Isolationsband mit dem Isolationspapier, das aus dem Isoliermaterial hergestellt ist, einfach flächig zu formen. Dadurch ist mit dem Isolationsband vorteilhaft eine Umwicklung von Leitern der Hochspannungsrotationsmaschine möglich, wobei das Isolationsband ferner einer Imprägnierung, insbesondere einer Durchimprägnierung, unterzogen werden kann. Außerdem hat das Isoliermaterial eine hohe Beständigkeit gegenüber der Bildung von „Treeing”-Kanälen in dem Isolationspapier, wodurch vorteilhaft hohe Volumenfüllgrade von den plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz ermöglicht sind. Dadurch hat das Isoliermaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund der anorganischen Struktur der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz hat das Isoliermaterial eine hohe Temperaturbeständigkeit.
Anhand eines Beispiels wird im Folgenden die Erfindung näher erläutet.
Ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine ist von einem Basisharz gebildet. Als einziger Füllstoff in dem Basisharz ist ein Füllstoffpulver vorgesehen, das möglichst gleichmäßig in dem Basisharz verteilt angeordnet ist. Ein anderer Füllstoff in Partikelform ist in dem Basisharz nicht vorgesehen. Der Füllstoff ist ein Füllstoffpulver, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist.
Der Anteil des Füllstoffpulvers in dem Basisharz liegt zwischen 50 Vol.-% und 75 Vol.-%, bevorzugt bei 70 Vol.-%. Das Füllstoffpulver liegt in Partikelgrößen im Bereich von 0,002 μm bis 150 μm vor. Ferner liegt das Füllstoffpulver in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Verteilung vor.
Ein Isolationspapier für eine Hochspannungsrotationsmaschine ist mit dem elektrischen Isoliermaterial gefertigt. Außerdem ist mit dem Isolationspapier ein Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine hergestellt. Das Isolationsband weist ein Trägerband und ein Band von dem Isolationspapier auf. Das Band von dem Isolationspapier ist auf dem Trägerband aufgebracht und befestigt, wobei das Band von dem Isolationspapier auf das Trägerband geklebt ist.

Claims

Elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine, mit einem Basisharz und einem in dem Basisharz als einzigen Füllstoff verteilten Füllstoffpulver, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist.
Isoliermaterial gemäß Anspruch 1, wobei der Anteil des Füllstoffpulvers zwischen 50 Vol.-% und 75 Vol.-%, bevorzugt bei 70 Vol.-% liegt.
Isoliermaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Füllstoffpulver in Partikelgrößen im Bereich von 0,002 μm bis 150 μm vorliegt.
Isoliermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Füllstoffpulver in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Verteilung vorliegt.
Isolationspapier für eine Hochspannungsrotationsmaschine, mit einem elektrischen Isoliermaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine, mit einem Trägerband und einem Band von einem Isolationspapier gemäß Anspruch 5, wobei das Band von dem Isolationspapier auf dem Trägerband aufgebracht und befestigt ist.
Isolationsband gemäß Anspruch 6, wobei das Band von dem Isolationspapier auf das Trägerband geklebt ist.