DE102010032949A1

DE102010032949A1 - Isoliersysteme mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit

Info

Publication number: DE102010032949A1
Application number: DE201010032949
Authority: DE
Inventors: Andre Gruebel; Peter Gröppel; Vicky Jablonski; Igor Ritberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013543A2; WO2012013543A3

Abstract

Vorgestellt wird ein Isoliersystem (20 mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit), sowie Isolierband (10) und Verfahren zur Herstellung eines solchen Isoliersystems (20). Das Isolierband (10) umfasst ein Glimmerpapier (5) und einen Trägerwerkstoff (6), die mittels eines Klebers (8) miteinander verklebt sind. Der Kleber (8) umfasst mindestens einen nanopartikulären Füllstoff (7). Ein elektrischer Leiter (13) wird mit dem Isolierband umwickelt. Das um den Leiter (13) gewickelte Isolierbandes (10) wird mit Kunstharz imprägniert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolation von elektrischen Leitern gegen Teilentladung und im Speziellen ein Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, ein Isolierband geeignet zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit und ein Isoliersystem mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit.
Toshikatsu Tanaka: "Similarity between Treeing Lifetime and PD Resistance in Aging Mechanisms for Epoxy Nanocomposites", IEEE, Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials (July 19–29, 2009, Harbin, China) handelt über Ähnlichkeit zwischen Treeing Lebenszeit und Teilentladungswiderstand in Alterungsprozessen für Epoxy Nanocomposites.
Yang Cao, Patricia C. Irwin, Karim Younsi: „The Future of Nanodielectrics in the Electical Power Industry”, IEEE Transactions an Dilectrics and Electrical Insulation handelt über die Zukunft von Nanodielektrika in der Industrie der Elektrischen Energie.
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 elektrisch 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 zukünftiger 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 sogenannten „Treeing”-Kanälen, die letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen. 1 zeigt einen solchen von einem elektrischen Leiter 1 ausgehenden Treeing-Kanal 2 in einem Epoxidharzformstoff 3 gemäss dem Stand der Technik.
Bei Hoch- und Mittelspannungsmaschinen werden heute sogenannte imprägnierte geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen und Leiter mit Glimmerbändern umwickelt und vorzugsweise in einem Vakuum-Druck-Imprägnierungs-Prozess (VPI-Prozess) mit Kunstharz imprägniert. Der Verbund von Imprägnierharz und dem Trägerband des Glimmers liefert die heutige mechanische Festigkeit sowie die geforderte Teilentladungsresistenz der elektrischen Isolierung.
Der bisher genutzte Naturglimmer mit begrenzten Ressourcen an Muskowit, Phlogopit z. B. in Madagaskar, Indien, Brasilien, wird zu einem Feinglimmerpapier verarbeitet. Das daraus herzustellende Glimmerpapier wird anschließend entsprechend den Bedürfnissen der elektrotechnischen Industrie in ein stabileres Glimmerband umgewandelt. Dies erfolgt durch die Verklebung des Glimmerpapiers mit einem Trägerwerkstoff, der eine große mechanische Festigkeit aufweist, durch einen Kleber (In der Fachsprache auch Bandkleber oder Kaschierkleber oder Klebestoff genannt). Der Kaschierkleber zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass er bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit aufweist, um die Verbindung von Glimmer und Träger sicher zu stellen und bei erhöhten Temperaturen (60°C–150°C) in einen flüssigen Zustand übergeht. Dies ermöglicht dessen Applikation als Klebstoff bei erhöhter Temperatur in flüssiger Form oder im Gemisch mit einem leichtflüchtigen Lösungsmittel. Nach Abkühlung oder Abzug des Lösungsmittels liegt der Kaschierkleber in fester aber dennoch flexibler Form vor und ermöglicht beispielsweise die Applikation des Glimmerbandes um Röbelstäbe bestehend aus Teilleitern und Formspulen bei Raumtemperatur, wobei die Klebeigenschaften des Kaschierklebers verhindern dass es zur Delamination des Glimmerpapiers vom Trägermaterial kommt. Das so entstandene Glimmerband wird in mehreren Lagen um elektrische Leiter gewickelt. Im Rahmen der Imprägnierung des Glimmerbandes im nachgelagerten VPI-Prozesses kommt es zum Aufschmelzen des Kaschierklebstoffes, um sicher zu stellen, dass es nicht zu organisch/organischen Phasengrenzen in der Isolierstoffmatrix kommt, die die elektrischen und mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen würden. Die so entstandene Schichtung aus organischen (Tränkharz und Kaschierkleber) und anorganischen Materialien (Trägerwerkstoff, Glimmer) bildet mikroskopische Feststoff-Feststoff-Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt werden. Gleichzeitig erfüllt sie beim Einbau der isolierten Leiter in die Statornut (vor Durchführung der Imprägnierung) die Aufgabe, zwischen Leiter und Blechpaket einen definierten Abstand einzustellen. Durch den aufwendigen VPI-Prozess sollen kleinste Hohlräume in der Isolierung gefüllt werden, da innere Gas-Feststoff-Grenzflächen die elektrische Festigkeit der Isolierung aufgrund von darin zündenden Teilentladungswolken schwächen würden. Allerdings lassen sich diese Teilentladungen nie zu 100 Prozent eliminieren.
Aus diesem Grund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Isolationssystem mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Lösungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur. Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit vorgestellt. In einem ersten Verfahrensschritt wird dazu ein Isolierband, welches ein Glimmerpapier und einen Trägerwerkstoff umfasst, bereitgestellt. Das Glimmerpapier und der Trägerwerkstoff sind mittels eines Kleber miteinander verklebt. Der Kleber enthält mindestens einen nanopartikulären Füllstoff. Mit dem Isolierband wird anschliessend ein elektrischer Leiter umwickelt. Danach wird das um den Leiter gewickelte Isolierband mit Kunstharz imprägniert.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Isolierband vorgestellt, welches zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit geeignet ist. Das Isolierband umfasst ein mittels eines Kleber mit einem Trägerwerkstoff verbundenes Glimmerpapier, wobei der Kleber mindestens einen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Isoliersystem mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit vorgestellt. Das Isoliersystem umfasst ein um einen elektrischen Leiter gewickeltes Isolierband. Das Isolierband umfasst ein mit einem Trägerwerkstoff verbundenes Glimmerband. Das Isolierband ist mit einem Kunstharz imprägniert und mit einem nanopartikulären Füllstoff durchsetzt.
Die Durchsetzung des Kunstharzes mit nanopartikulärem Füllstoff resultiert in einer erhöhten Teilentladungsbeständigkeit des Isoliersystems. Als anschauliche Erklärung für diese verbesserte Eigenschaft wird vermutet, dass ein durch eine Teilentladung verursachter Treeing-Kanal um die Partikel des nanopartikulären Füllstoffes herum wandern muss, wodurch sich bis zu einem vollständigen elektrischen Durchschlag durch die Isolation der Weg des Treeing-Kanals verlängert.
Die Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen für den Einsatz in glimmerbasierten Hochspannungsisolationen ist bisher nicht möglich, da deren Einsatz im Tränkharz dessen Viskosität, aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche der Nanopartikel, stark erhöht und somit die Durchimprägnierung des Glimmers im VPI-Prozess unmöglich macht. Der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe als Teil des Klebers, der zum Verbund von Glimmerpapier und Trägerwerkstoff zum Einsatz kommt, ermöglicht die Implementierung von Nanopartikeln in der Isolierung ohne negative Viskositätsbeeinflussung des Imprägnierharzes.
Durch die Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen als Teil des Klebers sind verbesserte Lebensdauerkennwerte an Isolationen bei Isolationsstärken von 0,5 bis 10 mm nachgewiesen worden. Der Klebers dient in Glimmerbändern zur Fixierung des Glimmerpapiers an ein Gewebe mit dem Ziel, dass der resultierende Verbund eine ausreichende mechanische Festigkeit zur automatisierten Wicklung aufweist. Im Gegensatz zum Tränkharz ergibt sich beim Einsatz von organischen und anorganischen isotropen bzw. anisotropen Nanopartikeln und deren Kombination im Kleber des Glimmerbandes ein geringer Einfluss auf die Prozessführung.
Mit andern Worten lassen sich gemäss Ausführungsformen der Erfindung durch die Beaufschlagung des Klebers mit isotropen und/oder anisotropen, nanopartikulären Füllstoffen oder auch deren Mischung sowie deren homogenen Verteilung zwischen die das Isolationssystem aufbauenden einzelnen Lagen die elektrischen Kennwerte des gewickelten und postgehärteten Isolationsformstoffes verbessern, was im Falle des herkömmlichen nur mit Standardglimmerband gewickelten und anschließend imprägnierten Isolationskomposits nur schwerlich möglich ist. So ist es dank der Erfindung erstmals möglich, durch Verwendung von isotropen und/oder anisotropen nanopartikulären Füllstoffen bzw. Füllstoffblends, hochgradig elektrisch stabile Isolationsmaterialen mit herzustellen, die sich durch signifikant verbesserte Teilentladungsresistenz und somit eine höhere mittlere Lebensdauer aufweisen, als herkömmliche Generator- oder Motorleiterisolationen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert:
1 zeigt einen Treeing-Kanal in einem Epoxidharzformstoff;
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines mit einem Kaschierkleber versehenen Glimmerbandes gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;
3 illustriert schematisch einen Aufbau und ein Verfahren zur Herstellung eines mittels eines Glimmerbandes isolierten Kupferleiters gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt einen Vergleich der Lebensdauerkennlinien von mehreren produktionsnahen Funktionsdemonstratoren;
5A und 5B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff Schichtsilikat umfasste, welches in der Probe im wesentlichen vollständig exfoliert ist;
6A und 6B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff sphärisches Siliziumdioxid umfasste;
7A und 7B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikuläre Füllstoffe Schichtsilikat und sphärisches Siliziumdioxid umfasste.
8 zeigt einen Vergleich von zwei Wide Angle X-Ray Spectroscopy Diffraktogrammen, einer gemäss einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Isolierung und einer gemäss dem Stand der Technik hergestellten Isolierung;
9 zeigt ein Isoliersystem in einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Glimmerbandes 10 gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Das Glimmerband 10 umfasst ein Glimmerpapier 5, einen Trägerwerkstoff 6, Kaschierkleber 8 und einen nanopartikulären Füllstoff 7. Der Trägerwerkstoff 6 ist beispielsweise blattförmig, bandförmig und/oder folienförmig ausgebildet, und kann beispielsweise als Gewebe, Vlies, Substrat, Band und/oder Folie ausgebildet sein. Das Glimmerpapier 5 und der Trägerwerkstoff 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Kaschierkleber ist zwischen dem Glimmerpapier 5 und dem Trägerwerkstoff 6 angeordnet und umfasst den nanopartikulären Füllstoff, welcher in 2 als Pluralität von mehreren Nanopartikeln 7 dargestellt ist. Das Glimmerpapier 5 und der Trägerwerkstoff 6 werden durch den Kaschierkleber 8 welcher den nanopartikulären Füllstoff 7 umfasst durch Adhäsion zusammengehalten.
Der Kaschierkleber 8 dient in Glimmerbändern 10 zur Fixierung des Glimmerpapiers 5 an den Trägerwerkstoff 6 mit dem Ziel, dass der resultierende Verbund eine ausreichende mechanische Festigkeit zur vorzugsweise automatisierten Wicklung aufweist. Im Gegensatz zum Tränkharz ergibt sich beim Einsatz von organischen und anorganischen isotropen bzw.
anisotropen Nanopartikeln und deren Kombination im Kaschierkleber des Glimmerbandes ein geringer Einfluss auf die Prozessführung.
Auf der anderen Seite stellt der Bandkleber mit ca. 5–8 Gew.-% (Glimmerbänder auf Zinknaphtenatkomplexen basierend), bzw. ca. 20 Gew.-% (Glimmerbänder auf aminischen Katalysatoren basierend) nur einen vergleichsweise geringen Anteil an der Gesamtisolierung dar. Es ist daher bevorzugt die nanopartikulären Füllstoffe (isotrop oder anisotrop und deren Mischung) in hohen Füllstoffkonzentrationen 0,5–80 Gew.-% in den Bandkleber einzubringen und anschließend im VPI-Prozess auf Konzentration zwischen 1–10 Gew.-% runter zu verdünnen. Vorzugsweise reichen die mittels Kaschierkleber eingebrachten nanopartikulären Füllstoffmengen für eine signifikante Eigenschaftsverbesserung glimmerbasierter Isolationssysteme aus.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von vorzugsweise für die Erfindung verwendeten Nanopartikeln vorgeschlagen:
Die zu beaufschlagenden isotropen, nanopartikulären Füllstoffe fallen bevorzugt in die Gruppen der Metalloxide (in diesem Dokument sollen unter den Begriff Metalloxiden auch Halbmetalloxide zu verstehen sein), wie z. B. Quarzmehl, Quarzgut Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxohydroxid, Siliziumdioxid (gegebenenfalls oberflächenbehandelt) etc. oder der polymeren Nanopartikel (sortenrein, Copolymere oder als sog. Core/Shell-Partikel).
Die zu beaufschlagenden anisotropen, nanopartikulären Füllstoffe sind bevorzugt Schichtsilikate, die nach bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nach besonderer Technik vollständig delaminiert, d. h. evident exfoliert im Basisharz vorliegen und bevorzugt, aber nicht zwingend, mit Imidaminen ionenausgetauscht sind. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung von Bornitriden als anisotropem Füllstoff.
Generell sind als zu beaufschlagenden Füllstoffe auch Titanoxide, Zinkoxide und Bariumtitanate in nanopartikulärer Form denkbar.
3 illustriert schematisch einen Aufbau und eine Herstellung eines mittels eines Glimmerbandes 10 isolierten Kupferleiters gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein als Kupferstab ausgebildeter elektrischer Leiter 13 ist mehrlagig mit einem Glimmerband 10 wie beispielsweise dem in 2 beschriebenen Glimmerband umwickelt. Abgebildet sind in 3 eine erste Lage 11 und eine zweite Lage 12. Das Glimmerband 10 kann jedoch je nach gewünschter Isolierung auch einlagig oder mehrlagig gewickelt sein. Zusätzlicher elektrischer und auch mechanischer Isolationsschutz wird durch ein Deckband VGW2, einen Endglimmschutz EGS, ein Deckband 21 und einen Aussenglimmschutz AGS erzielt.
Das um den elektrischen Leiter gewickelte Glimmerband 10 wird in einem Verfahrenschritt 18 mit einem Kunstharz imprägniert. Durch die Imprägnierung diffundiert der in dem Glimmerband 10 enthaltene Kaschierkleber 8 und der in dem Glimmerband enthaltene nanopartikuläre Füllstoff 7 in das Kunstharz, wodurch der nanopartikuläre Füllstoff exfoliert. Das Exfolieren bewirkt, dass der nanopartikuläre Füllstoff (welcher in dem Kaschierleim noch sehr dicht sein kann so dass sich viele der Nanopartikel berühren) so verdünnt wird, dass sich weniger oder vorzugsweise fast keine Nanopartikel mehr berühren. Mit einem Diffraktometer kann im Rahmen einer Wide Angle X-Ray Spektroskopie (WAXS) der Prozess des Exfolierens nachgewiesen werden (vgl. 8). Die Qualität der Isolierung kann mit einer dielektrischen Verlustfaktormessung (auch Tangens-Delta-Messung genannt) gemessen werden, bei welcher das Verhältnis von Wirkleistung zu Blindleistung bestimmt wird.
Die resultierenden technischen Vorteile sollen anhand produktionsnaher Funktionsdemonstratoren nachgewiesen werden.
4 zeigt deshalb gemessene Lebensdauerkennlinien von mehreren produktionsnahen Funktionsdemonstratoren. Drei der Funktionsdemonstratoren wurden mit nanopartikulärem Kaschierkleber gefertigten Glimmerbändern hergestellt und ein Funktionsdemonstrator wurde mit einem nach dem derzeitigen Stand der Technik gefertigten Glimmerband hergestellt.
Dabei erfolgte eine Fokussierung auf geraden Stabmodellen, die eine Auslegung entsprechender Isolierungen für den Einsatz bei einer Nennspannung von 6,5 kV aufweisen. Dies wurde mittels 4-lagiger Umwicklung von Feinglimmerbändern mit einem Überlappungsgrad von 48% realisiert. Die verwendeten Glimmerbänder beinhalten einen mit Nanopartikeln gefüllten Bandkleber. Um die Vergleichbarkeit zwischen ungefüllten und nanopartikulär gefüllten Systemen zu gewährleisten, wurden sowohl ungefüllte als auch nanopartikulär gefüllte Funktionsdemonstratoren aufgebaut. Zur Charakterisierung der elektrischen Festigkeit wurde vereinbart, jeweils 7 Probekörper bei einer Spannung bis zum elektrischen Durchschlag zu testen. Als Messgrößen wurden folgende Spannungen festgelegt:

Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 3 U_N = 19,5 kV;
Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 2,5 U_N = 16,25 kV;
Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 2,3 U_N = 15,0 kV.

In 4 sind die gemessene Lebensdauerkennlinien von vier Funktionsdemonstratoren abgebildet. Die Abszisse zeigt dabei die gemessene Lebensdauer in Stunden und die Ordinate die im imprägnierten Isolator auftretende Feldstärke in Kilovolt pro Millimeter.
Kennlinie 31 bezieht sich auf einen Miclasic-Referenz-Funktionsdemonstrator, welcher gemäss dem Stand der Technik ohne nanopartikulärem Füllstoff hergestellt wurde.
Kennlinie 32 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstrator, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 20 Gewichtsprozent nanopartikulärem Organoclay Schichtsilikat im Kaschierkleber hergestellt wurde.
Kennlinie 33 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstrator, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 10 Gewichtsprozent nanopartikulärem Organoclay Schichtsilikat und 10 Gewichtsprozent nanopartikulärem Siliziumdioxid im Kaschierkleber hergestellt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel wurde also sowohl ein anisotroper (Schichtsilikat) und ein isotroper (Siliziumdioxid) nanopartikulärer Füllstoff verwendet.
Kennlinie 34 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstrator, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 50 Gewichtsprozent nanopartikulärem Siliziumdioxid im Kaschierkleber hergestellt wurde.
Erläuterung zur 4, die Angaben beziehen sich hierbei auf die Konzentration im Bandkleber:

Kennlinie 31: Micalastic – E F PR;
Kennlinie 32: 20 Gew.-% Organoclay;
Kennlinie 33: Mischung 10 Gew.-% Organoclay und 10 Gew.-% sphärische Nanopartikel;
Kennlinie 34: sphärische Nanopartikel 50%.

Anhand der Kennlinien von 4 zeigt sich, dass sämtliche Isoliersysteme für deren Herstellung der Kaschierkleber des Glimmerbandes mit einem oder mehreren nanopartikulären Füllstoffen beaufschlagt wurde eine höhere Lebensdauer aufweisen. Dies gilt insbesondere für die Kennlinie welche mit 50 Gewichtsprozent Siliziumdioxid, also mit sphärischen Nanopartikeln, im Kaschierkleber hergestellt wurde.
Bei der Verwendung des Glimmerbandes mit einem Anteil von 50 Gew.-% sphärischer Nanopartikel ergibt sich aus den dargestellten Auftragungen eine signifikante Eigenschaftsverbesserung hinsichtlich der elektrischen Festigkeit bei Verwendung des nanopartikulär gefüllten Bandklebers.
So ist es aufgrund der vorgestellten Erfindung erstmals möglich, durch Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen, bzw. Füllstoffblends im Kaschierkleber, hochgradig teilentladungsresistente Isolationsmaterialen in-situ in der VPI-Imprägnierung herzustellen, die eine signifikant verbesserte Teilentladungsresistenz und somit eine höhere mittlere Lebensdauer aufweisen als herkömmlich verwendete Glimmerbandisolierungen im Generator- oder Motorenbau.
Sowohl das Basisharz des Kaschierklebers als auch das als Imprägniermittel verwendete Kunstharz kann vorzugsweise alle Derivate von Kunstharzen umfassen, besonders erfolgversprechend erweisen sich Epoxidharze des Typs Bisphenoldiglycidylether A oder F und deren nicht notwendigen Kombination mit epoxifunktionellen niedermolekularen Monomeren. Zweckmäßig ist die Härtung mittels Phthalsäureanhydridderivaten, z. B. (Methyl)tetrahydro- oder (Methyl)hexahydro-phthalsäureanhydrid, ist jedoch nicht darauf beschränkt; denkbar ist auch eine aminische Härtung bei niedrigen Temperaturen bzw. Raumtemperatur. Denkbar ist ebenfalls die Verwendung gänzlich anderweitiger Klebstoffe, wie Polyurethan, Polyetherimide, Polyacrylate, Polyethen/-propen/-styren, ungesättigte Polyesterimide, ungeättgite Polyester, Polyamidimide, Polystyrole, Polyimide, etc.
Der dem Klebstoff zugefügte Füllstoff kann aus einem oder mehreren Komponenten bestehen und soll isotrope und/oder anistrope Formen aufweisen. Der Gesamtfüllstoffanteil isotroper und/oder anisotroper Füllstoffzuschläge oder Füllstoffblends sollte zweckmäßig 0,5–80 Gew.-% betragen.
5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B zeigen transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von imprägnierten und gehärteten Proben von Isolierungen gemäss verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
5A und 5B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff Schichtsilikat umfasste, welches in der Probe im wesentlichen vollständig exfoliert ist;
6A und 6B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff sphärisches Siliziumdioxid umfasste;
7A und 7B zeigen je eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikuläre Füllstoffe Schichtsilikat und sphärisches Siliziumdioxid umfasste.
Auf sämtlichen der 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B sind die Nanopartikel, die sich als dunklere Strukturen vom Rest der Isolierung abheben, erkennbar. Erkennbar ist auch, dass sich diese Nanopartikel im Isoliersystem im Wesentlichen homogen verteilt haben.
8 zeigt einen Vergleich von zwei Wide Angle X-Ray Spectroscopy Diffraktogrammen, welche den Einstrahlungswinkel von auf eine Probe eingestrahlter Röntgenstrahlung (Abszisse) gegen die in einem Detektor gemessene Intensität (Ordinate) aufzeigt. Das Bezugszeichen 41 zeigt dabei das Diffraktogramm von nativem nicht exfoliertem nanopartikulärem Schichtsilikat, während das Bezugszeichen 42 das Diffraktogramm von gemäss einer Ausführungsform der Erfindung verwendetem Schichtsilikat einer fertigen Isolierung zeigt (entsprechend der 5A, 5B). Anhand von 8 ist deutlich erkennbar, dass das Schichtsilikat nach Diffraktogramm 42 im Wesentlichen keinerlei taktoide Struktur aufweist, während das Diffraktogramm 41 eine solche aufweist. Alle das native Schichtsilikat aufbauenden nanopartikulären Schichtsilikatlamellen liegen vereinzlt vor.
Somit ist die homogene Verteilung von ansiotropen Schichtsilikatlamellen (5A, 5B, 8), von isotropen nanopartikulären Siliziumoxidpartikeln (6A, 6B) und deren Kombination (7A, 7B) zwischen den Schichten des Glimmerbandes mittels Transmissionselektronenmikroskop und mittels WAXS-Untersuchungen nachgewiesen.
Vollständige und aufwandsarme Nachweisbarkeit der Verwendung der Erfindung lässt sich im Kaschierklebstoff mittels Fourier-Transformations-Infrarot Spektroskopie (FT-IR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Elementanalyse, Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie (SIMS), Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionisation-Time-Of-Flight (MALDI-TOF) nachweisen.
Vollständige und aufwandsarme Nachweisbarkeit der verwendeten Füllstoffart und allenfalls derer Konzentrationen lässt sich nachweise mittels: Atomic Force Microscope (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenstrahlen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS), Thermographimetrische Analyse (TGA), Korngrößenmessung nach Abtrennung des Umhüllharzes, Elementanalyse.
9 zeigt schematisch ein fertiges Isoliersystem 90 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welches mittels eines Verfahrens gemäss einer Ausführungsform der Erfindung und mittels einem Isolierband gemäss einer Ausführungsform der Erfindung herstellbar ist. Das Isoliersystem 90 umfasst einen elektrischen Leiter (91), ein Isolierband 92, Kunstharz 93, einen nanopartikulären Füllstoff 7 (dargestellt als Nanopartikel 7, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit der Figur ein kleiner Teil mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet ist), sowie eine äussere Schutzhülle 94.
Das Isolierband 92 umfasst ein mit einem Trägerwekstoff 6 verbundenes Glimmerband 5 und ist um den elektrischen Leiter 91 gewickelt. Das Isolierband ist mit einem Kunstharz 93 imprägniert und mit dem nanopartikulären Füllstoff 7 durchsetzt.
Das Isoliersystem 90 wird vorzugsweise aus einem Isolierband 10 wie in 2 dargestellt hergestellt. Das Isolierband umfasst in seiner Ausgangsform also ein Glimmerpapier 5 und einen Trägerwerkstoff 6, die mittels eines Klebers 8 miteinander verklebt sind, wobei dem Kleber 8 mindestens einen nanopartikulärer Füllstoff 7 beigemengt ist. Der elektrische Leiter 90 wird mit dem Isolierband 10 umwickelt. Danach wird das um den Leiter 13 gewickelten Isolierband 10 mit Kunstharz imprägniert. Durch den Imprägnierprozess vermischt sich der Kleber vorzugsweise mit dem Imprägnierharz und der nanopartikuläre Füllstoff 7 verteilt sich vorzugsweise im Wesentlichen homogen kolloiddispers in dem Kunstharz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Toshikatsu Tanaka: ”Similarity between Treeing Lifetime and PD Resistance in Aging Mechanisms for Epoxy Nanocomposites”, IEEE, Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials (July 19–29, 2009, Harbin, China) [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems (20) mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, umfassend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Isolierbandes (10) welches ein Glimmerpapier (5) und einen Trägerwerkstoff (6) umfasst, die mittels eines Klebers (8) miteinander verklebt sind; – Umwickeln eines elektrischen Leiters (13) mit dem Isolierband (10); – Imprägnieren (18) des um den Leiter (13) gewickelten Isolierbandes (10) mit Kunstharz; dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (8) mindestens einen nanopartikulären Füllstoff (7) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) 0.5 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent des Klebers (8) ausmacht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Imprägnierens mittels einem Vakuum Druck-Imprägnierungsprozess vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verfahrensschritt des Imprägnierens der nanopartikuläre Füllstoff (7) sich zumindest teilweise homogen kolloiddispers in dem Kunstharz und vorzugsweise im gesamten Isolationssystem (20) verteilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nanopartikuläre Füllstoff (7) aus folgenden Gruppen ausgewählt ist: – Phyllosilikate; – Schichtsilikate; – exfolierte Phyllosilikate; – exfolierte Schichtsilikate; – kolloiddisperse Phyllosilikate; – kolloiddisperse Schichtsilikate – mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Phyllosilikate; – mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Schichtsilikate; – kolloiddisperse Siliziumdioxidpartikel eines mittleren Partikeldurchmessers kleiner 35 nm; – Aluminiumoxid; – Aluminiumhydroxid; – orgnische Nanopartikel wie Siloxane oder Copolymere; – Bornitride der α und β Modifikation.
Isolierband (10) geeignet zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems (20) mit verbesserter Teilentladungsbesändigkeit, umfassend ein mittels eines Kleber (8) mit einem Trägerwerkstoff (6) verbundenes Glimmerpapier (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (8) mindestens einen nanopartikulären Füllstoff (7) umfasst.
Isolierband (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Isolierband (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Isolierband (10) nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) 0.5 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent des Kleber ausmacht.
Isolierband (10) nach einem der Ansprüche 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) aus folgenden Gruppen ausgewählt ist: – Phyllosilikate; – Schichtsilikate; – exfolierte Phyllosilikate; – exfolierte Schichtsilikate; – kolloiddisperse Phyllosilikate; – kolloiddisperse Schichtsilikate – mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Phyllosilikate; – mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Schichtsilikate; – kolloiddisperse Siliziumdioxidpartikel eines mittleren Partikeldurchmessers kleiner 35 nm; – Aluminiumoxid; – Aluminiumhydroxid; – orgnische Nanopartikel wie Siloxane oder Copolymere; – Bornitride der α und β Modifikation.
Isoliersystem (90) mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, umfassend – ein um einen elektrischen Leiter (91) gewickeltes Isolierband (92) welches ein mit einem Trägerwekstoff (6) verbundenes Glimmerband (5) umfasst, wobei das Isolierband mit einem Kunstharz (93) imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das imprägierte Isolierband (92) mit einem nanopartikulären Füllstoff (7) durchsetzt ist.
Isoliersystem (90) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierband ein mit einem Trägerwerkstoff (6) verklebtes Glimmerpapier (5) umfasst.
Isoliersystem (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff und/oder einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
Isoliersystem nach einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) im Kunstharz im Wesentlichen vollständig exfoliert ist.