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Die Erfindung betrifft einen Isolierstoff und die Verwendung des Isolierstoffs für rotierende Maschinen wie Motoren und Generatoren.
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Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren, weisen elektrische Leiter, eine elektrische Isolation und ein Ständerblechpaket auf. Dabei 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 zukünftiger Anlagen zur Energieerzeugung, deren Verteilung und Nutzung hängt in entscheidendem Maße von den eingesetzten Materialien und angewandten Technologien zur Isolation ab.
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Das grundlegende Problem bei derartig elektrisch belasteten Isolatoren liegt in der sog. teilentladungsinduzierten Erosion. Bei mechanischer oder thermischer Belastung im Betrieb der Maschine können sich Hohlräume an den Grenzflächen zwischen der Isolation und dem Leiter oder zwischen Isolation und dem Ständerbleckpaket bilden, in denen sich durch elektrische Teilentladungen Funken bilden können. Durch die Funken können sich sog. „Treeing“-Kanäle in der Isolation ausbilden. Die sich ausbildenden Treeing-Kanälen können 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.
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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 sich daraus generierenden 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 m2/g oder mehr auf.
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Dazu werden im Wesentlichen folgende Technologien eingesetzt:
- • Vakuum-Druck-Imprägnier-Technologie (VPI-Prozess)
- • Resin Rich Technologie
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Der Hauptunterschied zwischen beiden Technologien ist der Aufbau und die Herstellung des eigentlichen Isoliersystems der Spulen. Während das VPI System erst nach der Tränkung und nach dem Aushärten der Wicklung im Umluftofen fertig ist, stellt der separat unter Temperatur und Druck ausgehärtete Schenkel der Resin-Rich Spule bereits vor dem Einbau in den Stator ein funktionierendes und prüfbares Isolationssystem dar.
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Der VPI-Prozess arbeitet mit porösen Bändern, welche sich unter Vakuum und anschließender Beaufschlagung des Tränkbehälters mit Überdruck nach dem Aushärten im Umluftofen zu einem festen und kontinuierlichem Isoliersystem ausbildet.
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Im Gegensatz dazu ist die Herstellung von Resin-Rich Spulen aufwändiger, da jeder Spulenschenkel oder Wicklungsstab einzeln in speziellen Backpressen hergestellt werden muss, was zu einer spezifischen Erhöhung der Kosten der einzelnen Spule führt. Hierbei kommen Glimmerbänder zum Einsatz, die mit einem polymeren Isolierstoff imprägniert sind, der sich in einem sog. B-Zustand befindet. Dies bedeutet, dass das Polymer, zumeist aromatische Epoxidharze (BADGE, BFDGE, epoxidierte Phenolnovolake, epoxidierte Kresolnovolake und Anhydride oder Amine als Härter), teilweise vernetzt ist und somit einen klebfreien Zustand aufweist, aber bei nochmaliger Erwärmung erneut aufschmelzen und abschließend ausgehärtet werden kann um somit in die endgültige Form gebracht zu werden. Da das Harz in einem Überschuss eingebracht wird, kann es bei der abschließenden Verpressung in alle Hohlräume und Kavitäten fließen, um die entsprechende Isolationsqualität zu erreichen. Überschüssiges Harz wird durch den Pressvorgang aus der Vorlage gepresst. Aus der Literatur ist bekannt, dass der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe in polymeren Isolierstoffen zu signifikanten Verbesserungen der Isolierung bzgl. der elektrischen Lebensdauer führt.
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Die
EP 1366112 B1 beschreibt ein System, welches die Herstellung und Eigenschaften eines nanopartikulären Polymers beschreibt. Darin wird ein Polymer mit nanopartikulärem Füllstoff auf Basis von Siliciumdioxid mit einer maximalen Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,5 d
max beschrieben.
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Nachteilig an der dort vorgeschlagenen Lösung ist, dass die dort vorgeschlagene Isolierung noch nicht optimal im Hinblick auf die Ausbildung einer Passivierungsschicht ist. Eine Passivierungsschicht bildet sich durch Applikation eines Isolierstoffs aus, wenn ein mit Nanopartikeln gefülltes Polymer Teilentladungen ausgesetzt wird. Unter Teilentladungsbeanspruchung degradiert die polymere Matrix und setzt den Füllstoff, also beispielsweise die Nanopartikel, frei, die dann eine fest anhaftende Schicht auf der Oberfläche bilden und damit den mit der Isolierung überzogenen Körper passivieren. Im Fall der oben genannten
EP 1366112 B1 dauert die Ausbildung der Passivierungsschicht lange und die Agglomeration ist unvollständig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Füllstoff für einen Isolierstoff anzugeben, der bei Teilentladungsbeanspruchung und Abbau der polymeren Matrix die Ausbildung einer Erosions-Passivierungsschutzschicht begünstigt.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Isolierstoff, eine Formulierung mit einem Harz und einem darin eingebetteten nanopartikulären Füllstoff umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in zumindest bimodaler Größenverteilung vorliegt. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Isolierstoffs nach der Erfindung zum Imprägnieren von Spulenwicklungen in rotierenden elektrischen Maschinen, vorzugsweise in Generatoren.
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Bevorzugt handelt es sich um einen Isolierstoff, umfassend eine thermisch und/oder durch UV-Licht polymerisierbare Formulierung mit einem darin dispergierten, nanopartikulären Füllstoff, bei dem die Halbwertsbreite der Verteilungskurve, charakterisiert anhand von Transmissionselektronenmikroskopie, größer 1,5 dmax ist.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass ein ungefüllter oder glimmerbasierter Isolierstoff auf Basis von polymeren Harzen unter Teilentladungsbeanspruchung einen schnellen Abbau der polymeren Matrix zeigt. Durch den Einsatz von erosionsbeständigen Nanopartikeln, wie beispielsweise Aluoxid und Siliziumoxid, kommt es zu deren Freilegung, hervorgerufen durch Polymerdegradation. Mit zunehmender Erosionsdauer erfolgt allmählich die Ausbildung einer fest anhaftenden, flächigen Schicht an der beschichteten Körperoberfläche, bestehend aus einer Schicht freigelegter Nanopartikel. Durch diese in-situ-Passivierung der Oberfläche wird das Polymer unter der Passivierungsschicht vor weiterer Teilentladungserosion geschützt. Die Ausbildung der Passivierungsschicht hängt hierbei in besonderem Maße von der Größe und dem prozentualen Anteil der eindispergierten Nanopartikel ab, da der interpartikuläre Abstand maßgeblich für die Degradation der Polymermatrix zwischen den Nanopartikeln und somit für die zeitliche Ausbildung der Passivierungsschicht ist.
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1 zeigt eine schematische Ausbildung der Passivierungsschicht durch Degradation der polymeren Matrix auf einer mit Isolierstoff überzogenen Körperoberfläche.
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2 zeigt die Abhängigkeit der Erosionstiefe von dem Füllstoffgehalt
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3 zeigt die Partikelgrößenverteilung nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung
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4 zeigt eine weitere Partikelgrößenverteilung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung
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In 1 sieht man, dass das Modell der Passivierungsschicht mehrere Stadien bis zur Entstehung einer Schutzschicht durchläuft. In den ersten Prozessen wird das reine Polymer zwischen den Nanopartikel erodiert, was zu einer Konzentration der Nanopartikel führt. Eine weitere Absorption der Energie in Form von Teilentladungen resultiert in einem lokalen Sintervorgang der Nanopartikel. Durch diesen Mechanismus entsteht eine keramische Schicht welche das darunter unerodierte nanopartikuläre Polymer vor weiterer Erosion schützt.
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Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von mindestens zwei verschiedenen Arten und/oder Größen von Nanopartikeln, die sich signifikant in ihrem Partikeldurchmesser unterscheiden, zu Nanocompositen führt, die eine besonders ausgeprägte Erosionsbeständigkeit aufweisen. Eine bimodale Verteilung ist dabei bereits von Vorteil, in anderen Ausführungsformen werden multimodale Partikelfraktionen bevorzugt.
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Dies ist in der oben vereinfachten Darstellung der 1 und der 2 zur Ausbildung von Passivierungsschichten schematisch nachvollziehbar. Unter dem Einfluss von Teilentladungen kommt es zu einer Agglomeration der Nanopartikel durch chemische oder physikalische Prozesse, die in einer passivierenden Schutzschicht endet. Durch die Kombination zumindest zweier verschieden dimensionierter Nanopartikel wird dieser Prozess unterstützt, da die Nanopartikel mit geringerem Durchmesser und dementsprechend vergrößerter aktiver Oberfläche unter TE-Einfluss die Agglomeration bzw. die lokalen Sinterprozesse unterstützen und somit schneller zur Ausbildung einer erosionsresistenten Schicht führen. Dies hat den Vorteil, dass
- – die Konzentration an Nanopartikeln mit geringem Durchmesser niedrig gehalten werden kann, was sowohl wirtschaftlich als auch aus chemischer Sicht wertvoll ist, da Eigenschaften wie Viskosität, Reaktivität und Lagerstabilität besser kontrolliert werden können
- – gleichzeitig die positiven Eigenschaften, wie zum Beispiel große spezifische Oberfläche, kleinerer Nanopartikel genutzt werden kann.
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Gemäß der Erfindung werden Nanopartikel in einem Harz, beispielsweise einem Epoxidharz dispergiert, die eine minimale Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,5 dmax enthält. Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt daher die minimale Halbwertsbreite der Verteilungskurve bei 1,55 dmax, insbesondere bei 1,6 dmax oder noch höheren Werten.
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Dies beschreibt eine Partikelverteilung die nicht nur eine Größe von Nanopartikel umfasst, sondern mehrere Partikelgrößenfraktionen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind im Füllstoff die Nanopartikel monodispers dispergiert.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung basieren die Nanopartikel im Füllstoff auf einem Metalloxid, einem Halbmetalloxid und insbesondere bevorzugt auf Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die polymere Matrix, in der der Füllstoff dispergiert ist, ein Epoxidharz, beispielsweise ein Diglycidylether auf Basis von Bisphenolen, zum Beispiel Bisphenol-A und/oder Bisphenol-F.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Harz noch einen Härter, beispielsweise einen Säureanhydrid-Härter wie Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid und/oder Methylhexahydrophthalsäureanhydrid.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Harz noch einen Beschleuniger, beispielsweise ein Aminderivat und/oder ein Naphthenat.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Füllstoff Nanopartikelfraktionen mit Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere von 1 bis 150nm und ganz bevorzugt im Bereich von 1 bis 80 nm.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff mit einem mittleren Durchmesser von D50 von 1 bis 500 nm, bevorzugt von 1 bis 300, insbesondere bevorzugt von 1 bis 100nm vor.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff im Isolierstoff in einer Menge von 1 bis 80 Gew%, insbesondere 1 bis 60 Gew% und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 50Gew% der Gesamtformulierung vor.
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Durch die Verwendung einer Partikelfraktion mit einer Halbwertsbreite der Verteilungskurve größer 1,5 dmax ergeben sich wesentliche Vorteile sowohl bei der Auswahl und Herstellung der Nanocomposite als auch bei der Qualitätssicherung der Composite. Die Partikeldispersionen werden vorzugsweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt. Zur Einstellung der gewünschten Partikelgrößenverteilung kann auch eine Kombination verschiedener Partikeldispersionen erfolgen. Die Charakterisierung der Partikelgröße erfolgt nach dem Stand der Technik, vorzugsweise eine manuelle oder automatische Auswertung des Partikeldurchmessers anhand von Aufnahmen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, kurz TEM.
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In 3 ist exemplarisch eine Partikelgrößenverteilung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Das dargestellte Partikelsystem für den Füllstoff wird grafisch wiedergegeben, indem der prozentuale Anteil der jeweiligen Pulverfraktion in Intervallen von 1 nm über den Partikeldurchmesser dargestellt wird. Die Partikelmischung zeigt ihr dmax, also den Peak der Verteilungskurve mit dem größten Anteil der entsprechenden Partikelgröße, bei 9 nm. Die Halbwertsbreite der Verteilungskurve ergibt sich aus der Breite der Verteilungskurve in nm bei auf halber Höhe relativ zu dmax. In dieser Partikelzusammensetzung ergibt sich eine Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,6 dmax.
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4 schließlich zeigt eine vergleichbare Darstellung wie 3, allerdings ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein System mit Aluminiumoxidpartikel und Siliziumdioxidpartikel dargestellt wird. Die in 4 dargestellte Größenverteilung zeigt ein lokales dmax bei 9 nm. Daraus ergibt sich eine Halbwertsbreite der Verteilungskurve von ebenfalls 1,7 dmax.
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Die Erfindung offenbart erstmals einen Isolierstoff mit einem Füllstoff, der nicht nur auf einer monomodalen Nanopartikelgrößenverteilung basiert. Dadurch wird die Ausbildung von in-situ-Schutzschichten auf dem zu isolierenden Körper stark begünstigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1366112 B1 [0009, 0010]
