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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung und ein Isolationsband, das aus dem Isolationsmaterial hergestellt ist und für eine elektrische Isolation einer Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine geeignet ist.
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Für eine Mittel-/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 Mittel-/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 Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine ist maßgeblich von der Zuverlässigkeit des Isoliersystems bestimmt.
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Sowohl bei der Haupt- als auch bei der Teilleiterisolierung sind Fein- oder Spaltglimmer, die beispielsweise auf ein Glasfaserträgerband appliziert sind, vorgesehen, wodurch eine Erhöhung der elektrischen Dauerbetriebsfestigkeit erzielt ist. Mit dem Feinglimmer ist aufgrund seiner anorganischen Struktur die Beständigkeit der Isolation gegenüber im elektrischen Feld auftretenden Teilentladungen erhöht. Während einer Teilentladung kommt es im elektrischen Feld zur Ausbildung einer elektrischen Entladung, welche in organischen Materialien zu deren Abbau führt und einen Totalausfall zur Folge haben kann. Der Glimmer wirkt als Barriere gegenüber Erosionskanälen zwischen dem Leiter und dem Stator.
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Herkömmlich ist eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Isolierwerkstoffe und -systeme erzielbar durch beispielsweise eine Erhöhung des Anteils an Feinglimmer innerhalb der Hochspannungsisolation, was allerdings aufgrund von entgegenstehenden technischen Randbedingungen nur schwer umsetzbar ist. Ferner führt die herkömmliche Isolierung von Leitern mittels einer Glimmerbandumwicklung zu Inhomogenitäten aufgrund des Wicklungsprozesses an Kanten und Radien der Leiter. Dadurch treten lokal Feldüberhöhungen an den Kanten und Radien auf, die zu einem verfrühten Ausfall der Isolation unter Hochspannungseinfluss aufgrund von Teilentladungen führen können. Außerdem trägt das zur Imprägnierung eingesetzte Harz/Härtersystem (Bisphenol-A-Diglycidylether/Säureanhydrid) aufgrund seines polymeren Charakters nur unzureichend zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit der Isolation bei. Ebenso besitzt das Harz/Härtersystem eine nur hinreichende Resistenz gegen Teilentladungen, die aufgrund einer eventuell fehlerhaften Glimmerbandumwickelung und wicklungsbedingt resultierenden Hohlräumen entstehenden können.
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Bei Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschinen werden herkömmlich geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen und Leiter mit Glimmerbändern umwickelt und herkömmlich in einem Vakuum-Druck-Prozess (VPI-Prozess) mit Kunstharz imprägniert. Von dem Verbund von Imprägnierharz und Trägermaterial des Glimmers ist die mechanische Festigkeit der Isolierung definiert. Die in dem Verbund vorliegende Schichtung aus organischen und anorganischen Materialien bildet mikroskopische Feststoff-Feststoff-Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt werden.
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Durch den vorgesehenen VPI-Prozess werden die Hohlräume in der Isolierung gefüllt, die sonst zu inneren Gas-Feststoff-Grenzflächen führen und die elektrische Festigkeit der Isolierung aufgrund von Teilentladungen schwächen würden. Um dieser Schwächung entgegenzuwirken, ist eine Erhöhung der Isolationsschichtdicke denkbar, was aber aufgrund einer verringerten Wärmeabfuhr von den Leitern und dadurch bedingt eines verringerten Wirkungsgrades der Mittel-/Hochspannung-rotationsmaschine Nachteile mit sich bringt. Zur Verbesserung der elektrischen Beständigkeit des Isolationssystems ist der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung zu schaffen, wobei das Isolationsmaterial eine hohe elektrische Alterungsbeständigkeit hat.
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Das erfindungsgemäße elektrische Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung weist ein Basisharz auf, das mit polyhedralem oligomerem Silsesquioxan versetzt ist. Ferner ist das erfindungsgemäße Isolationsband für eine Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine aus dem Isolationsmaterial hergestellt.
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Das polyhedrale oligomere Silsesquioxan als Füllstoffpulver liegt bevorzugt in dem Basisharz gleichmäßig verteilt vor, wobei das Füllstoffpulver Partikel aus dem polyhedralem oligomerem Silsesquioxan R(SiO1,5)n aufweist. Das Füllstoffpulver ist bevorzugt entweder als einziger Füllstoff, oder alternativ bevorzugt mit mindestens einem anderen Füllstoff in dem Basisharz vorgesehen. Wenn das Isoliermaterial mit dem mindestens einen anderen Füllstoff in dem Basisharz vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass der andere Füllstoff makroskopisch skalierte Partikel aufweist, die insbesondere aus Glimmer, Bromnitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid sind. Ferner ist es bevorzugt, dass der andere Füllstoff Nanopartikel aufweist, die insbesondere aus Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid sind. Bevorzugt ist es außerdem, dass der andere Füllstoff aus einem organisch modifizierten, plättchenförmigen Schichtsilikat gebildet ist, das zu einem selbstorganisierenden, anorganisch/organischen Hybridsystem mit einem Aspektverhältnis von 100–1000 nm bei einer Dicke von etwa 1 nm hergestellt ist. Das Basisharz ist bevorzugt aus Epoxidharz, Polyester, Polyurethan und/oder Silikon.
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Das Basisharz kann zur Imprägnierung des Isolationsbands vorgesehen sein, wobei das Basisharz bevorzugt aus Epoxidharz, Polyester, Polyurethan und/oder Silikon hergestellt ist. Das Basisharz ist dabei mit dem polyhedralen oligomeren Silsesquioxan (POSS) versehen, das sowohl im festen und/oder flüssigen Aggregatszustand vorliegen kann. Das polyhedrale oligomere Silsesquioxan ist ein Siloxan mit der allgemeinen Summenformel R(SiO1,5)n und ist in dem Basisharz als Füllstoff, Additiv und/oder Zusatz vorgesehen. Das polyhedrale oligomere Silsesquioxan hat eine vorteilhafte Struktur und vorteilhafte chemische Eigenschaften, wodurch die Alterungsbeständigkeit des Isolationsmaterials aufgrund einer hohen Teilentladungsbeständigkeit erzielt ist. Insbesondere ist mit dem erfindungsgemäßen Isolationsmaterial die elektrische Alterungsbeständigkeit des Isolationsbands erreicht, das für die elektrische Isolation eines Motors und eines Generators im Hoch- und Mittelspannungsbereich eingesetzt ist.
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Bei Raumtemperatur liegt das polyhedrale oligomere Silsesquioxan je nach Rest (R) in fester, hochviskoser oder niederviskoser Form vor, wobei das polyhedrale oligomere Silsesquioxan vorteilhaft eine hohe spezifische Oberfläche hat. Die Moleküle des polyhedralen oligomeren Silsesquioxan können singulär als der Füllstoff in dem Basisharz eingesetzt sein oder in Kombination mit dem makroskopischen Füllstoff wie Glimmer, Bromnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, aber auch in Kombination mit den Nanopartikeln auf Basis von Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, und/oder Siliziumoxid, aber auch in Kombination mit dem organisch modifizierten, plättchenförmigen Schichtsilikat. Das organisch modifizierte, plättchenförmigen Schichtsilikat kann mittels eines geeigneten Verfahrens zu dem selbstorganisierenden, anorganisch/organischen Hybridsystem mit einem Aspektverhältnis von 100–1000 nm, bei einer Dicke von ca. 1 nm, umgewandelt werden.
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Das erfindungsgemäße Isolationsmaterial hat eine hohe Beständigkeit bei im Betrieb auftretenden Teilentladungen. Durch die erzielte hohe elektrische Festigkeit des Isolationsmaterials ist es möglich, die Schichtdicke des erfindungsgemäßen Isolationsbands kleiner verglichen mit einem herkömmlichen Isolationsband zu wählen. Dadurch kann vorteilhaft die Ableitung von Wärme, die beispielsweise in einem mit Strom durchflossenen Leiter entsteht, der mit dem Isolationsband umwickelt und dadurch elektrisch isoliert ist, gut bewerkstelligt werden. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäß erzielte hohe elektrische Festigkeit des Isolationsmaterials dazu, dass die Betriebsspannung des Leiters höher gewählt werden kann verglichen mit einer Betriebsspannung, die für einen herkömmlich isolierten Leiter üblich ist. Dadurch ist der Wirkungsgrad einer Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine, in der das erfindungsgemäße Isolationsband eingesetzt ist, hoch.
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Aufgrund der hohen spezifischen Oberflächen des aus Silizium und Sauerstoff aufgebauten Silsesquioxan, das in der bevorzugten Kombination mit den Nanopartikeln und/oder dem plättchenförmigen Schichtsilikat eingesetzt ist, ist die elektrische Festigkeit des Isolationsmaterials hoch. Dieser Effekt ist auf die hohe elektrische Teileentladungsbeständigkeit der POSS-Moleküle zurückzuführen. Ferner ist vorteilhaft in dem erfindungsgemäßen Isolationsmaterial eine Ausbildung von Erosionskanälen zwischen zwei unter Spannung stehenden und an das Isolationsmaterial elektrisch gekoppelten Elektroden erschwert, wobei ein Auftreten von Hohlräumen, Spannungsrissen und/oder Delaminationen in dem Isolationsmaterial erschwert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 schematisch die Struktur des Silsesquioxan und
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2 einen Querschnittsausschnitt durch einen Leiter, der von dem erfindungemäßem Isolationsband elektrisch isoliert ist.
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In 1 ist die Struktur des polyhedralen oligomeren Silsesquioxan mit der allgemeinen Summenformel R(SiO1,5)n gezeigt.
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In 2 ist ein Leiterstab 1 gezeigt, der mit einem Außenglimmschutz 2, einem Endenglimmschutz 3 und einem Isolationsband 4 versehen ist. Der Leiterstab 1 ist von dem Isolationsband 4 zur elektrischen Isolation umwickelt und ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt.
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Der Leiterstab 1 ist aus Kupfer und hat ungewickelt einen Querschnitt von 10 × 30 mm2. Der Kantenradius des Leiterstabs 1 beträgt 1 mm. Die Länge des Leiterstabs 4 beträgt 360 mm. Das Isolationsband ist 4-lagig, kreuzweise und manuell mit 45% ± 3% Überlappung um den Leiterstab 1 gewickelt. Die dadurch mit dem Isolationsband 4 um den Leiterstab 1 erzielte Isolationsschichtdicke beträgt 1,15 mm. Damit ist mit dem Isolationsband 4, dem Außenglimmschutz 2 und dem Endenglimmschutz 3 der Leiterstab 4 hochspannungsisoliert.
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Das Isolationsband
4 ist mit einem Vakuum-Druck-Prozess (VPI-Prozess) hergestellt, wobei die zugrundeliegenden Prozessbedingungen in Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1: Prozessbedingungen für den VPI-Prozess
| | Druck [mbar] | Temperatur [°C] | Dauer [h] |
| Evakuierung | 3 ± 1·10–1 | 70 | 1 |
| Druckanstieg | 3 bar | 80 | 0,5 |
| Harzgelierung | 3 bar | 70 | 3 |
| Aushärtung | 1 bar | 150 | 8 |
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Anhand von Beispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutet.
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Das Isolationsmaterial ist von einem Epoxidharz als Basisharz, einem Härter, dem Zusatz polyhedrales oligomeres Silsesquioxan (POSS), Nanopartikel und einem Beschleuniger gebildet. Erfindungsgemäß ist das Isolationsmaterial von dem Epoxidharz und dem POSS gebildet. Ferner sind zu dem Isolationsmaterial je nach Beispiel Nanopartikel zugegeben. Beispiel 1 betrifft ein herkömmliches Isolationsmaterial, wohingegen Beispiele 2 bis 5 das erfindungsgemäße Isolationsmaterial betreffen. Beispiel 1 (Referenz, ungefülltes Imprägnierharz)
| Komponente | Bezeichnung | Chemische Zusammensetzung | Massenteile | Akronym |
| Epoxidharz | EPR 162 | Bisphenol-A-diglycidylether | 83,5 | BADGE |
| Härter | EPH 868 | Methylhexahydrophthalsäureanhydrid | 90 | MHHPA |
| POSS | | | 0 | |
| Nanopartikel | | | 0 | |
| Beschleuniger | Zn-N | Zink-Naphthenat | 1 | Zn-N |
Beispiel 2
| Komponente | Bezeichnung | Chemische Zusammensetzung | Massenteile | Akronym |
| Epoxidharz | EPR 162 | Bisphenol-Adiglycidylether | 83,5 | BADGE |
| Härter | EPH 868 | Methylhexahydrophthalsäureanhydrid | 90 | MHHPA |
| POSS | Glycidyl POSS | Oxirane, 2-[[3(trimethoxysilyl)propoxy]methyl]-, hydrolyzed | 19,4 | POSS |
| Nanopartikel | | | 0 | |
| Beschleuniger | Zn-N | Zink-Naphthenat | 1 | Zn-N |
Beispiel 3
| Komponente | Bezeichnung | Chemische Zusammensetzung | Massenteile | Akronym |
| Epoxidharz | EPR 162 | Bisphenol-A-diglycidylether | 83,5 | BADGE |
| Härter | EPH 868 | Methylhexahydrophthalsäureanhydrid | 90 | MHHPA |
| POSS | Glycidyl POSS | Oxirane, 2-[[3-(trimethoxysilyl)propoxy]methyl]-, hydrolyzed | 19,4 | POSS |
| Nanopartikel | Aerosil | Aerosil A 200 | 20 | Aer |
| Beschleuniger | Zn-N | Zink-Naphthenat | 1 | Zn-N |
Beispiel 4
| Komponente | Bezeichnung | Chemische Zusammensetzung | Massenteile | Akronym |
| Epoxidharz | EPR 162 | Bisphenol-A-diglycidylether | 83,5 | BADGE |
| Härter | EPH 868 | Methylhexahydrophthalsäureanhydrid | 90 | MHHPA |
| POSS | Glycidyl POSS | Oxirane, 2-[[3-(trimethoxysilyl)propoxy] methyl]-, hydrolyzed | 19,4 | POSS |
| Nanopartikel | | | 0 | |
| Beschleuniger | Zn-N | Zink-Naphthenat | 1 | Zn-N |
Beispiel 5
| Komponente | Bezeichnung | Chemische Zusammensetzung | Massenteile | Akronym |
| Epoxidharz | EPR 162 | Bisphenol-Adiglycidylether | 83,5 | BADGE |
| Härter | EPH 868 | Methylhexahydrophthal-säurenhydrid | 90 | MHHPA |
| POSS | Glycidyl POSS | Oxirane, 2-[[3-(trimethoxysilyl)propoxy]methyl]-, hydrolyzed | 19,4 | POSS |
| Nanopartikel | Schichtsilikat | I 30 E | 5 | OC |
| Beschleuniger | Zn-N | Zink-Naphthenat | 1 | Zn-N |
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Es ergeben sich folgende Lebensdauerdaten für die beispielhaften Isolationsmaterialien: Für Beispiel 1:
| Feldbelastung | durchschnittliche Lebensdauer [h] |
| 19,5 kV | 60 |
| 16,25 kV | 120 |
| 15,0 kV | 400 |
Für Beispiel 2:
| Feldbelastung | durchschnittliche Lebensdauer [h] |
| 19,5 kV | 80 |
| 16,25 kV | 140 |
| 15,0 kV | 1000 |
Für Beispiel 3:
| Feldbelastung | durchschnittliche Lebensdauer [h] |
| 19,5 kV | 120 |
| 16,25 kV | 800 |
| 15,0 kV | 3500 |
Für Beispiel 4:
| Feldbelastung | durchschnittliche Lebensdauer [h] |
| 19,5 kV | 300 |
| 16,25 kV | 1000 |
| 15,0 kV | 4000 |
Für Beispiel 5:
| Feldbelastung | durchschnittliche Lebensdauer [h] |
| 19,5 kV | 250 |
| 16,25 kV | 900 |
| 15,0 kV | 3000 |
