DE102010032555A1

DE102010032555A1 - Isolierung für rotierende elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE102010032555A1
Application number: DE102010032555A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gröppel Peter; Christian Meichsner; Igor Ritberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-02
Also published as: CN103003345A; US20130131218A1; CN103003345B; WO2012013439A1; EP2569362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine glimmerbasierte Isolierung mit erhöhter elektrischer Lebensdauer für rotierende elektrische Maschinen auf der Basis von Imprägnierharzen mit nanopartikulärem Füllstoff. Gemäß der Erfindung wird das Imprägnierharz und der nanopartikuläre Füllstoff in Reaktivität, Viskosität und Korngröße auf die Anforderungen zur Imprägnierung des Glimmers abgestimmt, so dass der bei der Prozessführung (Imprägnierung, Polymerisation, Lagerung) ablaufende Reaktionsmechanismus durch die Nanopartikel zumindest nicht maßgeblich beeinflusst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolierung für rotierende elektrische Maschinen auf der Basis von Imprägnierharzen mit nanopartikulärem Füllstoff.
In rotierenden elektrischen Maschinen, wie Motoren oder Generatoren, ist die Zuverlässigkeit des Isoliersystems maßgeblich für deren Betriebssicherheit verantwortlich. Das Isoliersystem hat die Aufgabe, elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe) dauerhaft gegeneinander und gegen das Ständerblechpaket oder die Umgebung zu isolieren. 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 Dicke der Hauptisolierung ist sowohl der Nennspannung der Maschine, als auch den Betriebs- und Fertigungsbedingungen angepasst. Die Wettbewerbsfähigkeit von Anlagen zur Energieerzeugung, deren Verteilung und Nutzung hängt in entscheidendem Maße von den eingesetzten Materialien und angewandten Technologien zur Isolation ab.
Das grundlegende Problem bei derartig elektrisch belasteten Isolatoren liegt in der sog. teilentladungsinduzierten Erosion, mit sich ausbildenden sog. „Treeing”-Kanälen, die letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen. Vor diesem Hintergrund ist es Stand der Technik, dass zur dauerhaften Isolierung der spannungsführenden Leiter der Statoren in rotierenden Maschinen (Motoren, Generatoren, Turbogeneratoren, Wasserkraftgeneratoren, Windkraftgeneratoren) glimmerbasierte Isolierungen zum Einsatz kommen. Bei Hoch- und Mittelspannungsmotoren und -generatoren werden heute geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen mit Glimmerbändern umwickelt und vorrangig in einem Vakuum-Druck-Prozess (VPI = vacuum pressure impregnation) mit Kunstharz imprägniert. Dabei wird Glimmer in Form von Glimmerpapier eingesetzt, wobei im Rahmen der Imprägnierung die im Glimmerpapier zwischen den einzelnen Partikeln befindlichen Hohlräume mit Harz gefüllt werden. Der Verbund von Imprägnierharz und Trägermaterial des Glimmers liefert die mechanische Festigkeit der Isolierung. Die elektrische Festigkeit ergibt sich aus der Vielzahl der Feststoff-Feststoff-Grenzflächen des verwendeten Glimmers. Die so entstandene Schichtung aus organischen und anorganischen Materialien bildet mikroskopische Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt wird. Durch den aufwendigen VPI-Prozess müssen auch kleinste Hohlräume in der Isolierung mit Harz ausgefüllt werden, um die Anzahl innerer Gas-Feststoff-Grenzflächen zu minimieren.
Zur zusätzlichen Verbesserung der Beständigkeit wird der Einsatz von nanopartikulären Füllstoffen beschrieben. Es ist aus der Literatur (und durch die Erfahrung beim Einsatz von Glimmer) bekannt, dass anorganische Partikel, im Gegensatz zum polymeren Isolierstoff, nicht oder in nur sehr eingeschränktem Umfang unter Teilentladungseinwirkung geschädigt oder zerstört werden. Dabei ist die resultierende erosionsinhibierende Wirkung unter anderem vom Partikeldurchmesser und der daraus resultierenden Partikeloberfläche abhängig. Dabei zeigt sich, dass je größer die spezifische Oberfläche der Partikel ist, desto größer ist die erosionsinhibierende Wirkung auf die Partikel. Anorganische Nanopartikel weisen sehr große spezifische Oberflächen mit 50 g/m² oder mehr auf.
Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass

– die Viskosität des Imprägnierharzes durch den Einsatz von nanopartikulären Füllstoffen erhöht wird, wodurch die Durchimprägnierung des Glimmers erschwert wird.
– Die große spezifische Oberfläche der Nanopartikel eine (teilweise) Polymerisation des Imprägnierharzes während der Lagerung und der Prozessdurchführung initiiert, wodurch dessen Viskosität stark ansteigt, so dass die Imprägnierung des Glimmers zusätzlich erschwert ist.

Beispielsweise beträgt die Startviskosität im Standardsystem (BADGE/Anhydrid) ca. 15–20 mPas (bei 60°C). Bei einem Füllgrad an Nanopartikel von ca. 23 Gew.-%, wie er notwendig ist für eine signifikante Verbesserung der elektrischen Festigkeit, erhöht sich die Viskosität auf Werte > 80 mPas und erschwert damit die Imprägnierung des Glimmers, vor allem wenn dieser Wert durch die Lagerung des Systems mit der Zeit ansteigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Verbundwerkstoff für die Imprägnierung von glimmerbasierten Isolierungen zu schaffen, der trotz Einsatz von nanopartikulärem Füllstoff eine vergleichsweise niedrige, vorzugsweise eine Viskosität kleiner 50 mPas, insbesondere als Startviskosität, hat.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche, im Zusammenhang mit der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die Reaktivität der Nanopartikel gegenüber der gesamten Matrix deren Viskosität entscheidend beeinflusst.
So konnte gefunden werden, dass der Einsatz von modifiziertem nanopartikulärem Siliciumdioxid in Epoxidharz/Anhydridmischungen zur Herstellung von Imprägnierharzen für glimmerbasierte Isolierungen die Viskosität, insbesondere die Startviskosität bei hohen Füllgraden vergleichsweise niedrig hält, wenn als Modifikation von nanopartikulärem Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid ein oder mehrere Silanisierungsreagenzien eingesetzt werden. Bevorzugt weisen diese Reagenzien mindestens eine funktionelle Gruppe auf, welche unter Abspaltung mit der Partikeloberfläche reagiert.
Bevorzugt liegt im Imprägnierharz eine Epoxidharz/Anhydridmischung mit einer Menge von 3 bis 60 Gew.-%, insbesondere von 5–40 Gew.-% nanopartiulärem Füllstoff vor.
Beispielsweise dienen als Silanisierungsreagenzien Verbindungen ausgewählt aus der folgenden Gruppe:
Trimethylmethoxysilan, Methylhydrogendimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltriacetoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Diisopropyldimethoxysilan, Chlorisobutylmethyldimethoxysilan, Trifluorpropyltrimethoxysilan, Trifluorpropylmethyldimethoxysilan, iso-Butyltrimethoxysilan, n-Butyltrimethoxysilan, n-Butylmethyldimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenylmethyldimethoxysilan, Triphenylsilanol, n-Hexyltrimethoxysilan, n-Octyltrimethoxysilan, iso-Octyltrimethoxysilan, Decyltrimethoxysilan, Hexadecyltrimethoxysilan, Cyclohexylmethyldimethoxysilan, Cyclohexylethyldimethoxysilan,
Octylcyclopentyldimethoxysilan, tert.-Butylethyldimethoxysilan, tert.-Butylpropyldimethoxysilan, Dicyclohexyldimethoxysilan, Mercaptopropyltrimethoxysilan, Mercaptopropylmethyldimethoxysilan, Bis(triethoxysilylpropyl)disulfid, Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid, Aminopropyltrimethoxysilan, m-Aminophenyltrimethoxysilan, Aminopropylmethyldiethoxysilan, Phenylaminopropyltrimethoxysilan, Aminoethylaminopropyltrimethoxysilan, Aminoethylaminopropylmethyldimethoxysilan, Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, Epoxycyclohexylethyltrimethoxysilan, y-Methacryloxypropyltriacetoxysilan, Vinyltriacetoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Methylvinyldimethoxysilan, Vinyldimethylmethoxysilan, Divinyldimethoxysilan, Vinyltris(2-methoxyethoxy)silan, Hexenyltrimethoxysilan, y-Methacroyloxypropyltrimethoxysilan, Acryloxypropyltrimethoxysilan, Vinylbenzylethylendiaminpropyltrimethoxysilan,
Vinylbenzylethylendiaminpropyltrimethoxysilan-Hydrochlorid, Allylethylendiaminpropyltrimethoxysilan, Allyltrimethoxysilan, Allylmethyldimethoxysilan, Allyldimethylmethoxysilan und Hexenyltrimethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, Trimethylmethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Trimethylchlorosilan, Ethoxytrimethylsilan, Vinyltrimethoxysilan, Trimethylchlorosilan, Trichlorsilan, Bromtrimethylsilan, Octamethyltrisiloxan, Tetramethyldisiloxan, Hexamethyldisiloxan.
Diese Reagenzien können allein oder als beliebige Mischungen eingesetzt werden.
Die Modifizierung der Nanopartikel auf Basis von Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid erfolgt beispielsweise in wässrigem oder organischem Medium.
Dabei werden die Silanisierungsreagenzien in einem organischen oder wässrigen Medium mit den Partikeln zur Reaktion gebracht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Reaktionsführung so gestaltet, dass eine möglichst quantitative Absättigung der Oberfläche stattfindet und dadurch die Reaktivität der Nanopartikel entscheidend reduziert wird.
Nach einer Ausführungsform sind die Oberflächen der Nanopartikel so modifiziert, dass die damit gefüllten Imprägnierharze eine monodisperse Verteilung der Nanopartikel aufweisen. Nach einer weiteren Ausführungsform haben die Nanopartikel eine Primärkorngröße von unter 50 nm.
Die niedrige Startviskosität des gefüllten Imprägnierharzes wird durch den Einsatz der beschichteten Partikel in einem niederviskosen aromatischen Epoxidharz, bevorzugt ein Epoxidharz mit einer Viskosität von kleiner 120 mPas, bevorzugt von kleiner 90 mPas und insbesondere bevorzugt von 60 mPas, beispielsweise bei 60°C, auf Basis BFDGE und/oder BADGE (Bisphenol-A-Diglycidylether und/oder Bisphenol-F-Diglycidylether) erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird dem niederviskosen aromatischen Epoxidharz noch ein Reaktivverdünner zugesetzt. Bevorzugt wird der Reaktivverdünner in einer Menge von 1 bis 20 Vol%, insbesondere bevorzugt im Bereich von 2 bis 15 Vol% und ganz besonders im Bereich von 2 bis 10 Vol% zugesetzt.
Vorteilhafterweise wird auch eine Methode zur Einarbeitung der beschichteten Partikel gewählt, welche die gesamte Matrix nur geringfügig belastet. So wird beispielsweise das Epoxidharz in die Mischung des nanopartikulären Füllstoffs, der in einem Lösungsmittel, beispielsweise einem organischen, vorliegt, eingerührt. Anschließend wird das organische Lösungsmittel bei Unterdruck mittels Destillation entweder bei niedriger Temperatur, Sprühtrocknung und/oder Dünnschichtdestillation abgetrennt.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von beschichteten Nanopartikeln in Imprägnierharzen zur Herstellung glimmerbasierten Hochspannungsisolationen, ist es möglich, Hochspannungsisolationen mit bislang noch nicht erreichten Eigenschaften zu realisieren: Zum ersten die Erhöhung der elektrischen Festigkeit von Isolationen im Vergleich zum Stand der Technik (z. B. Micalastic) um den Faktor > 5. Die Charakterisierung erfolgt an gewickelten Röbelstäben oder Spulen mittels elektrischer Lebensdauerversuche bei Testspannungen von 2 UN bis 4 UN. Dies ermöglicht den Nachweis der erhöhten Labensdauer bei Nennspannung im Betrieb des Generators/Motors.
Daneben gibt es eine ausreichende Lagerstabilität, die es erlaubt nanopartikuläre Imprägnierharze zur Imprägnierung glimmerbasierter Isolierungen mehrfach durchzuführen. Dies wird erreicht durch eine niedrige und über die Anzahl der Imprägnierungen konstante Viskosität die lediglich die Zugabe von neuem Imprägnierharz in der Menge erfordert, die pro Imprägnierprozess verbraucht wird. Dieses Volumen entspricht pro Imprägnierprozess ca. 1–5% des gesamten Imprägnierharzvolumens. Die Primärkorngröße der SiO₂-Partikel liegt bevorzugt unter 50 nm. Die gute Lagerstabilität, beispielsweise führt die Lagerung der Mischung Nanopartikel/Epoxidharz/Anhydrid bei 70°C zu einem maximalen Wert der Viskosität von 300 mPas nach 10 Tagen, geht einher mit einer geringen Reaktivität des Systems in Abwesenheit von Katalysatoren.
Schließlich wird eben die geringe Startviskosität von beispielsweise < 60 mPas bei 60°C durch die Beschichtung der Nanopartikel und deren Einsatz von BFDGE und/oder BADGE in eventueller Verbindung mit Reaktivverdünnern wie Glycidylether, erreicht. Beispiele für Reaktivverdünner sind außerdem:
Hexandiol-1,6-diglycidylether, Hexahydrophthalsäurediglycidylester, 2-Ethylhexylglycidylether, 1,4-Butandiglycidylether, Trimethylolpropantriglycidylether, Polypropyleneglycoldiglycidylether.
Ausführungsbeispiele
Das Potential der Nanotechnologie zeigt sich beim Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe in Kombination mit den aktuell eingesetzten Isolationsmaterialien auf Basis von Glimmer. Hierzu wird die Lebensdauer von Versuchsprobekörpern, die in verkleinerter Form dem Stand der Technik bzgl. isolierter Cu-Leitern in Statoren von Wasserkraft- oder Turbogeneratoren entsprechen, unter elektrischer Feldbelastung bis zum elektrischen Durchschlag gemessen. Da die elektrische Festigkeit des Isoliersystems bei Betriebsbeanspruchung mehrere Jahrzehnte beträgt, erfolgen die elektrischen Dauertests bei mehrfach überhöhten elektrischen Feldstärken. Folgende Grafik stellt die Mittelwerte der elektrischen Lebensdauer von jeweils sieben Probekörpern bei drei verschiedenen Feldbelastungen für jeweils ein Standardisolationssystem (Glimmer) und ein nanopartikulär gefülltes Isolationssystem (NanoIso) dar.
1 zeigt die Lebensdauerkurven ungefüllter und nanopartikulär gefüllter Hochspannungs-Isolationssysteme.
Vergleicht man die Lebensdauer der jeweiligen Kollektive, zeigt sich, dass man Verbesserungen in der Lebensdauer um einen Faktor 5 bis 10 erreicht. Beide Lebensdauerverläufe weisen die gleiche Steigung auf, so dass eine direkte Übertragung der Lebensdauerverlängerung auf Betriebsverhältnisse zulässig erscheint.
Dies ist nur durch Imprägnierharze mit niedriger Startviskosität und guter Lagerstabilität (Auslagerung bei 70°C) möglich.
Die Lagerstabilität kann neben der Verringerung der Reaktivität auch durch eine Reduktion der Startviskosität positiv beeinflusst werden. Hierzu stehen verschiedene Beschichtungsmaßnahmen zur Verfügung. Die Auswirkungen einer verringerten Startviskosität auf den Viskositätsverlauf durch den Einsatz von Bisphenol-F-diglycidylether (BFDGE) als Ersatz des bisher standardmäßig eingesetzten BADGE ist in dargestellt. Die Einarbeitung erfolgte in der Form:

– Nanopox der Fa. Nanoresins E500 (37,5 Gew.-% SiO₂, 25 nm, in BFDGE)
– Trocknung im Vakuum und Temperatur
– Absättigung mit monofunktionellen Silanen (z. B. ETMS)
– 1% Byk W985

2 zeigt den Vergleich der Lagerstabilität ausgewählter Systeme auf Basis von BFDGE mit und ohne additiven Einsatz von BYK 985
Der Vergleich der Graphen zeigt, dass die Verwendung von nanopartikulär BFDGE (Nanopox E 500) zur erwartungsgemäßen Reduktion der Startviskosität führt und durch Trocknung, Absättigung mit ETMS und anschließender Zugabe von BYK W 985 eine Lagerstabilität von 28 Tagen (Referenz 3500 mPas) erreicht wird.
Die hergestellten Nanocomposite (SiO₂, 10 nm) auf Basis von BFDGE oder BADGE sind gekennzeichnet durch eine niedrige Startviskosität und eine geringe Reaktivität in der Abmischung mit dem Härter.
Die 3 und 4 zeigen zum einen die Startviskosität hergestellter Composites und zum anderen die Lagerstabilität verschiedener Composites auf der Basis von BFDGE in Abmischung mit MHHPA.
Die Erfindung betrifft eine Isolierung für rotierende elektrische Maschinen auf der Basis von niederviskosen aromatischen Epoxidharzen auf der Basis BFDGE oder BADGE als Imprägnierharzmatrix mit nanopartikulärem Füllstoff. Gemäß der Erfindung wird der nanopartikuläre Füllstoff in Reaktivität, Viskosität und Korngröße auf die Harzmatrix abgestimmt, so dass der bei der Polymerisation ablaufende Reaktionsmechanismus durch die Nanopartikel zumindest nicht gefördert wird.

Claims

Glimmerbasiertes Imprägnierharz eine Epoxidharz/Anhydridmischung und einen nanopartikulären Füllstoff umfassend, wobei der nanopartikuläre Füllstoff ein mit einem Silanisierungsreagenz modifiziertes nanopartikuläres Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid ist.
Imprägnierharz nach Anspruch 1, wobei eine Epoxidharz/Anhydridmischung mit einer Menge von 3–60 Gew.-% nanopartiulärem Füllstoff vorliegt.
Imprägnierharz nach einem der vorstehenden Ansprüche, unter Verwendung von BFDGE oder BADGE, wobei ein Reaktivverdünner zugesetzt ist.
Imprägnierharz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Reaktivverdünner im Bereich von 1–20 Vol.-% zugesetzt ist.
Imprägnierharz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Silanisierungsreagenz eine Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen: Trimethylmethoxysilan, Methylhydrogendimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltriacetoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Diisopropyldimethoxysilan, Chlorisobutylmethyldimethoxysilan, Trifluorpropyltrimethoxysilan, Trifluorpropylmethyldimethoxysilan, iso-Butyltrimethoxysilan, n-Butyltrimethoxysilan, n-Butylmethyldimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenylmethyldimethoxysilan, Triphenylsilanol, n-Hexyltrimethoxysilan, n-Octyltrimethoxysilan, iso-Octyltrimethoxysilan, Decyltrimethoxysilan, Hexadecyltrimethoxysilan, Cyclohexylmethyldimethoxysilan, Cyclohexylethyldimethoxysilan, Octylcyclopentyldimethoxysilan, tert.-Butylethyldimethoxysilan, tert.-Butylpropyldimethoxysilan, Dicyclohexyldimethoxysilan, Mercaptopropyltrimethoxysilan, Mercaptopropylmethyldimethoxysilan, Bis(triethoxysilylpropyl)disulfid, Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid, Aminopropyltrimethoxysilan, m-Aminophenyltrimethoxysilan, Aminopropylmethyldiethoxysilan, Phenylaminopropyltrimethoxysilan, Aminoethylaminopropyltrimethoxysilan, Aminoethylaminopropylmethyldimethoxysilan, Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, Epoxycyclohexylethyltrimethoxysilan, y-Methacryloxypropyltriacetoxysilan, Vinyltriacetoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Methylvinyldimethoxysilan, Vinyldimethylmethoxysilan, Divinyldimethoxysilan, Vinyltris(2-methoxyethoxy)silan, Hexenyltrimethoxysilan, y-Methacroyloxypropyltrimethoxysilan, Acryloxypropyltrimethoxysilan, Vinylbenzylethylendiaminpropyltrimethoxysilan, Vinylbenzylethylendiaminpropyltrimethoxysilan-Hydrochlorid, Allylethylendiaminpropyltrimethoxysilan, Allyltrimethoxysilan, Allylmethyldimethoxysilan, Allyldimethylmethoxysilan und Hexenyltrimethoxysilan, allein oder in beliebigen Mischungen, ist.
Verfahren zur Herstellung eines Imprägnierharzes nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, folgende Verfahrensschritte umfassend:
Verwendung eines Imprägnierharzes nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Isolierung rotierender elektrischer Maschinen wie Motoren und Generatoren.