DE102012205654A1

DE102012205654A1 - Isoliersystem mit Endenglimmschutz

Info

Publication number: DE102012205654A1
Application number: DE102012205654A
Authority: DE
Inventors: Steffen Lang; Friedhelm Pohlmann; Christian Staubach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10
Also published as: WO2013149861A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isoliersystem mit Endenglimmschutz und verbesserter Lebensdauer, weil statt der bisher üblichen, als Lack applizierbaren Matrizen für die teilleitfähigen Füllstoffe Matrixmaterialien eingesetzt werden, die versprühbar sind und/oder mittels Tauchziehen applizierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Isoliersystem mit Endenglimmschutz insbesondere eines, das die Ausbildung von Potentialunterschieden im Endenglimmschutz unterdrückt.
Für eine Hochspannungsmaschine, 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 Teilentladung hoch ist.
Die Ständerwicklung weist einen mit der Hauptisolierung elektrisch isolierten Leiter auf, der in einer Nut gelagert ist, die in dem Blechpaket vorgesehenen ist. Beim Betrieb des Turbogenerators ist der Ständer einer thermischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt, wodurch hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten von dem Leiter und der Hauptisolierung mechanische Spannungen in der Hauptisolierung erzeugt werden können. Dadurch bedingt kann ein örtlich begrenztes Ablösen der Hauptisolierung von dem Leiter auftreten, wodurch Hohlräume zwischen der Hauptisolierung und dem Leiter entstehen, in denen Teilentladungen zünden können. Die Teilentladungen können zu einer Beschädigung der Hauptisolierung führen, wodurch der Turbogenerator nicht betreibbar wäre. An den Nutaustritten steht herkömmlich der Leiter mit seiner Hauptisolierung vor, wo die Grenzfläche zwischen dem Leiter und der Hauptisolierung angeordnet ist. Bei entsprechend hoher elektrischer Spannung in dem Leiter, insbesondere beim An- und Abfahren des Turbogenerators, kann eine Gleitentladung an der Grenzfläche zünden. Dies führt zu einer hohen elektrischen Grenzflächenbeanspruchung, wodurch die elektrische Dauerfestigkeit der Ständerwicklung herabgesetzt ist. Abhilfe schafft das Vorsehen einer Innenpotentialsteuerung (IPS), die an der Grenzfläche zwischen dem Leiter und der Hauptisolierung vorgesehen ist. Die Innenpotentialsteuerung ist elektrisch schwach leitend und stellt dadurch sicher, dass bei den thermomechanisch bedingten Hohlräumen zwischen der Hauptisolierung und dem Leiter keine elektrischen Teilentladungen entstehen können.
Ferner ist zwischen der Hauptisolierung und dem Blechpaket eine weitere Grenzfläche ausgebildet, die ebenfalls einer hohen elektrischen Grenzflächenbeanspruchung ausgesetzt ist. Deshalb ist auf der Hauptisolierung ein schwach leitfähiger und geerdeter Außenglimmschutz (AGS) angebracht. Herkömmlich hat der Außenglimmschutz entlang der Hauptisolierung eine kurze Längserstreckung, so dass im Bereich der Hauptisolierung, an der der Außenglimmschutz sich nicht mehr erstreckt, mit der Umgebungsluft eine weitere Grenzfläche ausgebildet ist. Um die elektrische Grenzflächenbeanspruchung an dieser Grenzfläche herabzusetzen ist hier ein Endenglimmschutz (EGS) vorgesehen. Der Endenglimmschutz ist mit einem Material ausgebildet, das bei zunehmender Spannung, d.h. elektrischer Feldstärke, einen abnehmenden elektrischen Widerstand hat. Dadurch ist der Potentialabbau an der Grenzfläche vergleichmäßigt, wodurch der Endenglimmschutz als eine Potentialsteuerung funktioniert.
Ein Endenglimmschutz ist von einem halbleitenden Lack oder einem halbleitenden Band vorwiegend auf der Basis von Siliziumcarbid bekannt. Ziel der Potentialsteuerung ist es, den tangentialen Potentialabbau entlang der Oberfläche der Hauptisolierung zu vergleichmäßigen und im Idealfall zu linearisieren. Dies wird dann erreicht, wenn pro Längeneinheit entlang des Wicklungsstabs immer derselbe Spannungsbetrag abfällt, indem der Lack oder das Band als ein in Längsrichtung des Wicklungsstabs ortabhängiger und spannungsabhängiger Widerstandsbelag hergestellt ist. Insbesondere werden für den Endenglimmschutz Materialien verwendet, deren elektrische Leitfähigkeit sich mit der elektrischen Feldstärke erhöht.
Dadurch wird das Feld aus problematischen Bereichen des Wicklungsstabs mit insbesondere hoher Feldstärke verdrängt. Eine Kenngröße für die nichtlineare elektrische Leitfähigkeit des Materials ist die Stromdichte-Feldstärke-Kennlinie. Die Stromdichte-Feldstärke-Kennlinie hat in der Regel einen S-förmigen Verlauf, wobei versucht wird, den Betriebspunkt des Endenglimmschutzes im Bereich des Wendepunkts der S-förmigen Kurve zu legen. Im Bereich des Wendepunkts ist der Verlauf der Kennlinie im Wesentlichen linear und durch ihre Steigung charakterisiert, wenn die Stromdichte-Feldstärke-Kennlinie doppelt logarithmisch aufgetragen ist.
Herkömmlich ist der Endenglimmschutz von einem auf die Hauptisolierung aufgebrachten Band oder Lack gebildet, wobei das Band oder der Lack von einer Polymermatrix gebildet ist, in die Füllstoffe in Form von halbleitfähigen Partikel, beispielsweise auf der Basis von Siliziumkarbid oder anderen halbleitenden Füllstoffen, eingebettet sind.
Diese Lacke oder Verbundwerkstoffe werden entweder in Form eines Lackes durch Aufpinseln oder in Form von Bändern appliziert. Dabei ist es wichtig, dass die Bänder in einem so genannten B-Zustand vorliegen.
Der B-Zustand ist ein teilvernetzter Zustand der Matrix und gewährleistet einen flexiblen Charakter des EGS-Bandes bei Raumtemperatur für bis zu 6 Monaten. Nach Applikation des Bandes wird dieses thermisch ausgehärtet und bildet dann einen festen, vollständig vernetzten Duromer. Um diesen B-Zustand gewährleisten zu können ist die Auswahl der EGS-Band-Matrix sehr eingeschränkt. Die in Frage kommenden Matrizen sind polymerer Natur und besitzen eine eingeschränkte Temperaturstabilität, insbesondere nur bis maximal 160 °C. Diese Kunststoffe haben insbesondere hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Stabilität weitere Nachteile.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Isoliersystem mit Endenglimmschutz zu schaffen, bei dem die Wahl der bettenden Matrix nicht durch Gewährleistung des B-Zustandes eingeschränkt ist.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Isoliersystem an einem Generatorwicklungsstab mit Endenglimmschutz, wobei der Endenglimmschutz aus einem versprühbaren halbleitfähigen Material ist, das ein Matrixmaterial und einen teilleitfähigen Füllstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ausgewählt ist aus der Reihe der hitzebeständigen Kunststoffe mindestens der Temperaturklasse H und/oder ausgewählt ist aus der Reihe der anorganischen und/oder präkeramischen Matrizen.
Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Isoliersystem an einem Generatorwicklungsstab mit Endenglimmschutz, wobei der Endenglimmschutz aus einem versprühbaren halbleitfähigen Material ist, das ein Matrixmaterial und einen Füllstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ausgewählt ist aus der Reihe der hitzebeständigen Kunststoffe wie Polyesterimid, Epoxid/Diisocyanat, Epoxid/Anhydrid, Benzoxazine, Alkydharze, Silikonharze und/oder Silikonelastomere und/oder ausgewählt ist aus der Reihe der anorganischen Matrizen wie der keramischen Präkursoren, der Polysilazane, Polysiloxane, Silikatgläser, Aluminatsilikatgläser und/oder Wassergläser.
Keramische Präkursoren sind Ausgangsprodukte oder Vorläuferstoffe für Keramiken mit geringem Anteil an organischen Gruppen, die durch Sinterung und/oder pyrolytisch zur Keramik verfestigt werden können.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass organische und/oder anorganische Matrizen mit sehr guten Eigenschaftsprofilen mittels Sprühtechnologie und/oder mittels Tauchbeschichtung zusammen mit dem teilleitfähigen Füllstoff auf die Generatorwicklung applizierbar sind.
Die gemäß der Erfindung relevanten organischen Matrizen zeichnen sich durch eine sehr gute Temperaturbeständigkeit aus und können alle zumindest in die Temperaturklasse H eingestuft werden. Weitere organische Matrizen sind sogar noch weiter hitzebeständig als die Temperaturklasse H fordert, nur sind diese Materialien nicht mehr klassifiziert.
Die gemäß der Erfindung relevanten anorganischen Matrizen zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:
Sie besitzen eine Wärmeleitfähigkeit (>> 1 W/mK) und können so die Lebensdauer, insbesondere durch Reduzierung der Anzahl von Hot-Spots, des Endenglimmschutzes (EGS) erhöhen.
Die anorganischen Matrizen sind auch resistent gegenüber Teilentladungen und Ozon, so dass Teilentladungen und Ozon das EGS nicht mehr zerstören kann. Damit erreicht man eine Erhöhung der elektrischen Lebensdauer.
Die anorganischen Matrizen haben überdies eine Temperaturbeständigkeit bis zu 1600 °C. So können Hot Spots, selbst wenn sie noch auftreten, dem EGS kaum mehr schädigen. Das bedeutet eine Erhöhung der thermischen Lebensdauer.
Schließlich haben die anorganischen Matrizen im Gegensatz zu den Kunststoffen eine hohe Netzwerkdichte und sind somit gasundurchlässig. Dadurch kann gewährleistet werden, dass reduzierende oder oxidierende Atmosphären den elektrischen Widerstand des Füllstoffes nicht beeinflussen können.
Die anorganischen Matrizen zeichnen sich außerdem durch gute mechanische Festigkeit aus. So gewährleisten sie eine dauerhafte und stoßunempfindliche Fixierung des Füllstoffes, wodurch beispielsweise auch ein EGS-Schutzwickel überflüssig wird.
Als „Wasserglas“ werden aus einer Schmelze erstarrte, glasartige, also amorphe wasserlösliche Natrium- und Kaliumsilikate oder ihre wässrigen Lösungen bezeichnet.
Als teilleitfähige Füllstoffe werden beispielsweise die Füllstoffe, die aus der DE 10 2010 009 462.5 bekannt sind, eingesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010009462 [0022]

Claims

Isoliersystem an einem Generatorwicklungsstab mit Endenglimmschutz, wobei der Endenglimmschutz aus einem versprühbaren halbleitfähigen Material ist, das ein Matrixmaterial und einen teilleitfähigen Füllstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ausgewählt ist aus der Reihe der hitzebeständigen Kunststoffe mindestens der Temperaturklasse H und/oder ausgewählt ist aus der Reihe der anorganischen und/oder präkeramischen Matrizen.
Isoliersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Matrix ausgewählt ist aus der Reihe umfassend Polyesterimid, Epoxid/ Diisocyanat, Epoxid/Anhydrid, Benzoxazine, Alkydharze, Silikonharze und/oder Silikonelastomere.
Isoliersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Matrix ausgewählt ist aus der Reihe der keramischen Präkursoren, Polysilazane, Polysiloxane, Silikatgläser, Aluminatsilikatgläser und/oder Wassergläser.