DE102012211762A1 - Formulierung, Verwendung der Formulierung und Isoliersystem für rotierende elektrische Maschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Formulierung für ein Isolationsmaterial für rotierende Maschinen, insbesondere Hochspannungsisolationsmaterial zur Verbesserung der elektrischen Festigkeit rotierender Maschinen, wobei Nanopartikel in mindestens bimodaler Verteilung zur Erniedrigung der Startviskosität eingesetzt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Formulierung für ein Isoliersystem für rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Hochspannungsisolationsmaterial zur Verbesserung der elektrischen Festigkeit.
• 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 und 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 so genannten teilentladungsinduzierten Erosion, mit sich ausbildenden „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.
• Glimmer eignen sich bestens für die elektrische Isolation, da Glimmer durch Temperaturerhöhung nicht beeinflusst wird und extrem widerstandsfähig ist. Nachteilig ist die geringe Biegsamkeit des Glimmers doch durch Einbettung des Glimmers in entsprechende Verguss- und/oder Harzsysteme kann dieser Nachteil überwunden werden.
• Bei Hoch- und Mittelspannungsmotoren und -generatoren werden beispielsweise geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen mit Glimmerbändern umwickelt und 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.
• Aus der EP 1 366 112 B1 ist eine Siliziumdispersion bekannt, die eine äußere fließfähige und polymere oder prepolymere Phase und eine disperse Phase mit Füllstoff enthält, wobei die gemessene mittlere Teilchengröße zwischen 3 und 50nm bei einer maximalen Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,5 liegt. Dieses System beschreibt eine enge Partikelgrößenverteilung und ist trotzdem hochviskos, so dass es für den Einsatz beim VPI-Imprägnierprozess nur bedingt tauglich ist.
• Aus der Literatur ist bekannt, dass der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe in polymeren Isolierstoffen zu signifikanten Verbesserungen der Isolierung im Hinblick auf die elektrische Lebensdauer führt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Imprägnierharz zu schaffen, das trotz hohen Füllgrades und nanopartikulären Füllstoffs gut fließfähig ist, also eine niedrige Startviskosität für den VPI-Prozess hat.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er durch die Beschreibung, die Figuren und die Ansprüche offenbart wird, gelöst.
• Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Formulierung für ein Imprägnierharz zur Verwendung in einem VPI-Prozess, wobei die Formulierung eine fließfähige und eine monodisperse Komponente hat, wobei die fließfähige Komponente ein Polymer, Oligomer, Monomer oder Prepolymer umfasst und die monodisperse Komponente mindestens eine sphärische zumindest bimodale nanopartikuläre Pulverfraktion umfasst, deren Packungskoeffizient nach Lee im Bereich von 64 bis 66 % liegt.
• Bislang sind in der Literatur nur nanopartikuläre Systeme beschrieben, welche Partikel mit nur einer bestimmten Größenverteilung beinhalten, nachfolgend monomodale Systeme genannt.
• Demgegenüber wird gemäß der Erfindung die Verwendung mindestens bimodaler, vorzugsweise multimodaler Partikelsysteme vorgeschlagen. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Partikelsysteme einen maximalen Packungskoeffizient nach Lee zwischen 64,0–65,4 % in der Zusammensetzung zeigen, sodass sich eine Reduktion der Ausgangsviskosität ergibt, da nur eine Formulierung mit entsprechend niedriger Viskosität für einen Einsatz in Global-VPI Prozessen in Frage kommt.
• Der Packungskoeffizient ist die Kennzahl, die angibt, wie gut ein vorgegebenes Raumvolumen mit betrachteten Partikeln gefüllt werden kann. Ein Packungskoeffizient von 68% bedeutet also, dass 32% nicht-füllbarer Kugelzwickelraum ist. Ist ein Pulver durch eine Vielzahl von Partikelfraktionen aufgebaut, so passen die kleinsten Partikel in die Zwickel der größeren Partikel, sprich: das Raumvolumen wird besser ausgefüllt.
• Überraschend wurde festgestellt, dass die Viskosität einer Mischung Flüssigmatrix-Füllstoff immer mehr sinkt, je höher der Packungskoeffizient der Füllstofffraktion ist, die eindispergiert ist. Möglicherweise ist dies dadurch zu erklären, dass die kleinen Partikel in den Zwickeln wie ein Kugellager für die größeren wirken, oder dass umso mehr Polymervolumen der Dispersion zur Verfügung steht, je besser die Partikel packen, also je höher der Packungskoeffizient der Pulverfraktion ist.
• Vorliegend wurden Mischungen von Nanopartikeln getestet und gefunden, dass eine bimodale Mischung zweier Nanopartikelfraktionen unterschiedlicher Korngröße zu einer Verringerung der Startviskosität führt.
• Hinzu kommt, dass die Korngrößernverteilung der Pulvermischung anders aussieht, als im monodispersen Falle, d.h. wenn die Füllstofffraktion mehr oder minder nur aus Partikeln eines Durchmessers besteht.
• Durch die hier erstmals vorgeschlagene bimodale Mischung aus zwei Nanopartikelfraktionen mit unterschiedlichen Durchmessern, kann die Viskosität erniedrigt werden.
• Der VPI-Prozess arbeitet mit porösen Bändern, welche sich unter Vakuum und anschließender Beaufschlagung des Tränkbehälters mit Überdruck, beispielsweise nach dem Aushärten des Polymers im Umluftofen zu einem festen und kontinuierlichem Isoliersystem ausbildet.
• Die beim Zusatz von nanopartikulärem Füllstoff resultierende erosionsinhibierende Wirkung ist, unter anderem, vom Partikeldurchmesser und der sich daraus generierenden Partikeloberfläche abhängig. Dabei zeigt sich, je größer die spezifische Oberfläche der Partikel ist, desto größer ist die erosionsinhibierende Wirkung der Partikel.
• Anorganische Nanopartikel weisen sehr große spezifische Oberflächen mit 50 m²/g oder mehr auf. Deshalb werden gemäß der Erfindung bevorzugt anorganische Nanopartikel wie beispielsweise Metalloxide, Metallnitride, Metallnitrate, und ähnliche anorganische Verbindungen. Bevorzugt werden Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und/oder Titandioxid eingesetzt.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die fließfähige Komponente neben dem Polymer, Oligomer, Monomer und/oder Prepolymer noch einen Härter, beispielsweise ein Säureanhydrid, ein aromatisches Amin und/oder ein aliphatisches Amin.
• Aus der Literatur ist bekannt, dass die Erosions- und Teilentladungsbeständigkeit mit abnehmendem Durchmesser der Nanopartikel zunimmt. Durch die Reduktion des Partikeldurchmessers vergrößert sich gegenläufig wiederum die spezifische Oberfläche der Partikel, was zu einer höheren Reaktivität und Startviskosität führt.
• Die Nanopartikel auf Basis von Metalloxiden können dabei nach allen zum derzeitigen Stand der Technik üblichen Syntheseverfahren hergestellt werden. Bevorzugt sind die Nanopartikel monodispers in einem polymerisierbaren Monomer/Polymer feindispergiert, welches zur Aushärtung eines Härters benötigt.
• Die fließfähige Komponente kann beispielweise ein Epoxidharz und/oder ein Polyurethan umfassen. Insbesondere können auch Bisphenol-Harze wie Bisphenol-A- und/oder Bisphenol-F-diglycidylether eingesetzt werden.
• Die Erfindung betrifft eine Formulierung für ein Imprägnierharz als Isolationsmaterial für rotierende Maschinen, insbesondere Hochspannungsisolationsmaterial zur Verbesserung der elektrischen Festigkeit rotierender Maschinen, wobei Nanopartikel in mindestens bimodaler Verteilung zur Erniedrigung der Startviskosität eingesetzt werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1366112 B1 [0006]

Claims (9)

1. Formulierung für ein Imprägnierharz zur Verwendung in einem VPI-Prozess, wobei die Formulierung eine fließfähige und eine monodisperse Komponente hat, wobei die fließfähige Komponente ein Polymer, Oligomer, Monomer oder Prepolymer umfasst und die monodisperse Komponente mindestens eine sphärische zumindest bimodale nanopartikuläre Pulverfraktion umfasst, deren Packungskoeffizient nach Lee im Bereich von 64 bis 66 % liegt.
2. Formulierung nach Anspruch 1, wobei die Pulverfraktion multimodal vorliegt.
3. Formulierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der maximale Packungskoeffizient nach Lee zwischen 64,0–65,4 % liegt.
4. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pulverfraktion anorganische Nanopartikel umfasst.
5. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die anorganischen Nanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe folgender Verbindungen: Metalloxide, Metallnitride, Metallnitrate, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und/oder Titandioxid.
6. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fließfähige Komponente neben dem Polymer, Oligomer, Monomer und/oder Prepolymer noch einen Härter, wie ein Säureanhydrid, ein aromatisches Amin und/oder ein aliphatisches Amin umfasst.
7. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fließfähige Komponente fließfähige Komponente ein Epoxidharz und/oder ein Polyurethan umfasst.
8. Verwendung der Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche als Imprägnierharz in Hochspannungsisolationssystemen.
9. Isoliersystem in rotierenden elektrischen Maschinen, das eine Wickelbandisolierung hat und zumindest eine Harzimprägnierung mit einer Formulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.