DE102013201054A1

DE102013201054A1 - Zusammensetzung für ein Isolationssystem

Info

Publication number: DE102013201054A1
Application number: DE201310201054
Authority: DE
Inventors: Christian Meichsner; Daniel Mach; Peter Gröppel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für ein Isolationssystem (6) in einer Hochspannungsmaschine (6), enthaltend ein Matrixmaterial mit Nanopartikeln (20, 21) und mindestens einem Sinteradditiv und/oder mindestens einem Flammschutzmittel. Zudem betrifft die Erfindung ein Isolationssystem (6) und einen Generator (1) und ein Verfahren zum Herstellen des Isolationssystems (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für ein Isolationssystem in einer Hochspannungsmaschine. Zudem betrifft die Erfindung ein Isolationssystem und einen Generator sowie ein Verfahren zum Herstellen des Isolationssystems.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie werden typischerweise rotierende Hochspannungsmaschinen in Form von Generatoren eingesetzt. Die EP 1 981 150 A2 beschreibt einen Generator mit einem drehbaren Läufer und einem um den Läufer angeordneten Ständer. Der Ständer weist ein rotationssymmetrisch ausgestaltetes Blechpaket auf, wobei elektrisch leitende Wicklungsstäbe in Nuten am Blechpaket verlaufen. An das Blechpaket schließt sich beidseitig ein Wicklungskopf an, der die Wicklungsstäbe über Verbindungsstege zu einer geschlossenen Windung verbindet.
Im Betrieb von Hochspannungsmaschinen mit Leistungen von über 500 MVA können Bemessungsspannungen von über 10 kV erreicht werden. Die Komponenten sind entsprechend hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Die Zuverlässigkeit des Isoliersystems der elektrischen Leiter ist daher maßgeblich für die Betriebssicherheit verantwortlich.
Das Isoliersystem hat die Aufgabe elektrische Leiter, wie Drähte, Spulen und Wicklungsstäbe, dauerhaft gegeneinander und gegen das Blechpaket des Ständers oder die Umgebung zu isolieren. Dazu weist das Isoliersystem eine Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung), zwischen den Leitern oder Wicklungsstäben (Leiter- oder Wicklungsisolierung) und zwischen den Leitern und dem Massenpotential im Nut- und Wicklungskopfbereich (Hauptisolierung) auf.
Das grundlegende Problem bei derart elektrisch belasteten Isolationen liegt in der teilentladungsinduzierten Erosion mit sich ausbildenden „Teering“-Kanälen, die letztlich zum elektrischen Durchschlag der Isolation führen. Üblicherweise kommen zur dauerhaften Isolation der spannungsführenden Leiter in rotierenden Maschinen glimmerbasierte Isolierungen zum Einsatz.
Zum Ausbilden der Hauptisolation werden die aus isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen mit Glimmerbändern umwickelt und im Rahmen einer Vakuum-Druck-Imprägnierung (Vacuum-Pressure-Impregnation, VPI-Prozess) mit einem Harz imprägniert. Dabei werden Glimmerbänder in Form von Glimmerpapier eingesetzt.
Durch die Imprägnierung werden die im Glimmerpapier zwischen den einzelnen Partikeln befindliche Hohlräume mit dem Harz gefüllt. Der Verbund aus Imprägnierharz und Glimmerpapier liefert dabei die mechanische Festigkeit der Isolierung. Die elektrische Festigkeit ergibt sich aus der Vielzahl der Feststoff-Feststoff-Grenzflächen des Glimmers. Durch den VPI-Prozess müssen daher auch kleinste Hohlräume in der Isolierung mit Harz ausgefüllt werden, um die Anzahl innerer Gas-Feststoff-Grenzflächen zu minimieren.
Zur zusätzlichen Verbesserung der Beständigkeit der Isolation werden nanopartikuläre Füllstoffe eingesetzt. IEEE, TDEI, Meichsner, Clark, Gröppel, Winter, Butz, Spieker: Formation of protective layer during IEC(b) Test of epoxy resin loaded with silica nanoparticles, Vol. 19, No.3 beschreibt, dass anorganische Partikel in der Isolation erosionsinhibierende Wirkung haben. So bilden sich während der elektrischen Alterung der Isolation Sinterbrücken zwischen Nanopartikeln aus, die als Schutzschichten erosionsinhibierend wirken. Diese Wirkung hängt insbesondere vom Partikeldurchmesser und der sich daraus ergebenden Partikeloberfläche ab. Dabei zeigt sich je größer die spezifische Oberfläche der Partikel ist, desto größer ist die erosionsinhibierende Wirkung der Partikel.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ansatz zur Verbesserung von Isolationssystemen für Hochspannungsmaschinen bereitzustellen.
Es wird eine Zusammensetzung für ein Isolationssystem in einer Hochspannungsmaschine vorgeschlagen, die ein Matrixmaterial mit Nanopartikeln und mindestens einem Sinteradditiv und/oder mindestens einem Flammschutzmittel enthält.
Durch den Einsatz von Sinteradditiven und/oder Flammschutzmitteln in der Zusammensetzung für das Isolationssystem von Hochspannungsmaschinen, wird das Ausbilden von Sinterbrücken im Isolationssystem beschleunigt und damit das Ausbilden von Schutzschichten innerhalb des Isolationssystems verbessert. So entstehen durch Wärmezufuhr, beispielsweise im Betrieb der Hochspannungsmaschine, aggregierte Nanopartikel, die fortwährend Energie in Form von Teilentladungen absorbieren und dahinter befindliche Bereiche vor weiteren irreversiblen Schädigungen bewahren. Dies verbessert die Erosionsbeständigkeit bei oberflächlicher Teilentladungsbelastung, und verringert die Erosionstiefe im Isolationssystem. So kann die elektrische Festigkeit des Isolationssystems um beispielsweise Faktor 2 erhöht werden. Zusätzlich wirken die Sinteradditive und/oder Flammschutzmittel als Radikalfänger und können die Reaktion von aggressiven Radikalen in der Zusammensetzung unterbinden.
Unter einer Hochspannungsmaschinen werden im vorliegenden Zusammenhang insbesondere rotierende Hochspannungsmaschinen, wie Motoren, Generatoren, Turbogeneratoren, Wasserkraftgeneratoren und Windkraftgeneratoren, mit einer elektrischen Leistung von beispielsweise mehr als 50 MVA verstanden. Bevorzugte Hochspannungsmaschinen haben Leistungen von beispielsweise mehr als 500 MVA und weisen Bemessungsspannungen von beispielsweise mehr als 1 kV, bevorzugt von mehr als 10 kV, auf.
Die Zusammensetzung kann insbesondere zum Ausbilden der Hauptisolation als Isolationssystem auf Wicklungsstäben von Hochspannungsmaschinen dienen. Auch beim Ausbilden von Isolationssystemen in Transformatoren oder Betriebsmitteln, wie Durchführungen oder Kabeln, mit Bemessungsspannungen von über 1 kV kann die Zusammensetzung zum Einsatz kommen.
In einer Ausführungsform ist die Zusammensetzung so vorgesehen, dass sich durch eine Wärmezufuhr Sinterbrücken zwischen den Nanopartikeln ausbilden. Die Wärmezufuhr kann dabei nach Vorsehen der Zusammensetzung im Isolationssystem der Hochspannungsmaschine erfolgen. Vorzugsweise wird der Zusammensetzung durch einen Betrieb der Hochspannungsmaschine Wärme zugeführt. Die Sinterbrücken werden somit durch Wärme ausgebildet, die während des Betriebes der Hochspannungsmaschine entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Nanopartikel eine sphärische und/oder plättchenförmige Gestalt auf. Bevorzugt weisen die Nanopartikel eine sphärische Gestalt auf, um die Durchschlagfestigkeit des mit der Zusammensetzung gebildeten Isolationssystems zu verbessern. Zusätzlich wird durch die sphärische Gestalt die Verarbeitung der Zusammensetzung beim Ausbilden des Isolationssystems vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsform sind in der Zusammensetzung 0,1 bis 50 Vol.-% Nanopartikel bezogen auf das Volumen der Zusammensetzung enthalten. Dabei können die Nanopartikel in einer inkohärenten Verteilung in dem Matrixmaterial vorliegen. Das heißt die Nanopartikel sind homogen dispers gelöst und berühren sich nicht.
In einer weiteren Ausführungsform liegen die Nanopartikel in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Größenverteilung vor. Beispielsweise können die Nanopartikel einen mittleren Durchmesser D₅₀ von 0,1 bis 50 nm, bevorzugt von 1 bis 25 nm, besonders bevorzugt von 5 bis 20 nm und ganz besonders bevorzugt von 8 bis 17 nm aufweisen. Damit ergibt sich eine spezifische Oberfläche der Nanopartikel von mindestens 50 m²/g. Mit abnehmendem Durchmesser und zunehmender spezifischer Oberfläche der Nanopartikel, steigt deren Reaktivität und Startviskosität. Damit steigt auch das Bestreben die Oberflächenenergie zu minimieren und lokal durch Sinterbrückenbildung zu verschmelzen.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Nanopartikel Metalloxide, Halbmetalloxide oder Mischungen hieraus. Beispielsweise können die Nanopartikel Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂), und Mischungen hieraus enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Sinteradditive und/oder Flammschutzmittel Partikelgrößen von zumindest 1 nm auf oder liegen molekulardispers gelöst mit Partikelgrößen von weniger als 1 nm vor.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung mindestens ein Sinteradditiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumoxid (MgO), Calciumcarbonat (CaO₃), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumcarbid (SiC), Titannitrid (TiN), Yttriumoxid (Y₂O₃), Yttrium-Aluminium-Granat (Al₃Y₅O₁₂), Neodymoxid (Nd₂O₃), Ceroxid (CeO₂). Bevorzugte Sinteradditive sind MgO, CaO₃ oder Mischungen hieraus.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Zusammensetzung organische Flammschutzmittel, anorganische Flammschutzmittel oder Mischungen hieraus. Organische Flammschutzmittel umfassen beispielsweise halogenierte Verbindungen, insbesondere bromierte oder chlorierte Verbindungen, Stickstoffverbindungen, organische Phosphorverbindungen sowie Mischungen hieraus.
Bormierte Flammschutzmittel enthalten mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus polybromierte Biphenyle (PBB), polybromierte Diphenylether (PBDE), wie PentaBDE, OctaBDE und DecaBDE, Tetrabrombisphenol A (TBBPA), bromiertes Polystyrol, wie Bromstyrol oder Dibromstyrol, 2,4,6-Tribromphenoxypropen-2 (TBPP) und Hexabromcyclododecan (HBCD). Chlorierte Flammschutzmittel umfassen zum Beispiel Chlorparaffine oder Mirex.
Stickstoff basierte Flammschutzmittel umfassen zum Beispiel Melanin (Cyanursäuretriamid), wie Melaninphosphat (MPP), und Harnstoff (Carbonyldiamid).
Organische Phosphor basierte Flammschutzmittel enthalten mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diphenylkresylphosphat (CDP), Diphenyloctylphosphat (DPO), Tri-n-butylphosphat (TBP), Triethylphosphat (TEP), Tri-p-kresylphosphat (TCP), Triphenylphosphat (TPP), Isopropyliertes Triphenylphosphat (ITP), Resorcinol-bis(diphenylphosphat) (RDP), Bisphenol-A-bis(diphenylphosphat) (BDP), Tris(butoxylethyl)phosphat (TBEP), Tris(chlorethyl)phosphat (TCEP), Tris(chlorpropyl)phosphat (TCPP), Tris(dichlorisopropyl)phosphat (TDCP), Tris-(2-ethylhexyl)phosphat (TEHP), 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO).
Anorganische Flammschutzmittel enthalten beispielsweise anorganische Phosphorverbindungen, wie Roter Phosphor, Ammoniumphosphat ((NH₄)₃PO₄) oder Ammoniumpolyphosphat (APP), Metalloxidverbindungen, insbesondere Antimon-Verbindungen, wie Antimontrioxid (Sb₂O₃) oder Antimonpentroxid (Sb₂O₅), Metallhydroxidverbindungen, wie Aluminiumtrihydroxid (Al(OH)₃), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) oder Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), Metallsalzverbindungen, wie Ammoniumsulfat ((NH₄)₂SO₄), oder Mischungen hieraus.
Weiterhin können anorganische Flammschutzmittel Borverbindungen, wie Zinkborat oder Natriumborat, Siliziumverbindungen, wie Polysilazane, oder Graphit enthalten.
Bevorzugte Flammschutzmittel sind Flammschutzmittel auf Basis von organischen oder anorganischen Phosphorverbindungen, insbesondere auf Basis von Ammonium-Verbindungen, wie Ammoniumpolyphosphat (APP).
In einer weiteren Ausführungsform sind bezüglich des Nanopartikelanteils 0,1 bis 50 Gew.-% des Sinteradditives und/oder des Flammschutzmittels in der Zusammensetzung enthalten. Durch einen hohen Anteil des Sinteradditives und/oder Flammschutzmittels wird die Ausbildung von Sinterbrücken soweit beschleunigt, dass auch bei geringen Mengen an Nanopartikeln eine verbesserte elektrische Festigkeit erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Matrixmaterial ein härtbares Polymer, insbesondere Epoxidharz, wie Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Polyurethan sowie Mischungen hieraus. Bevorzugt sind Epoxidharze basierend auf Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE), Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) oder Mischungen hieraus.
Zum Härten kann dem Matrixmaterial ein Härter zugegeben werden. Als Härter eignen sich Säureanhydride, wie Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid oder Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, aromatische Amine, aliphatische Amine und Mischungen hieraus. Bevorzugte sind Säureanhydride auf Basis von Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Methylhexahydrophhthalsäureanhydrid oder Mischungen hieraus.
Weiterhin kann dem Matrixmaterial ein Beschleuniger zugegeben werden. Geeignete Beschleuniger sind zum Beispiel Naphthenate, tertiäre Amine oder Mischungen hieraus.
Zudem wird ein Isolationssystem für eine Hochspannungsmaschine vorgeschlagen, das die vorstehend beschriebene Zusammensetzung enthält.
Das Isolationssystem kann insbesondere als Hauptisolation auf dem Wicklungsstab der Hochspannungsmaschine ausgestaltet sein. Dabei ist der Wicklungsstab mit einem Isolationsband umwickelt, auf das die vorstehend beschriebene Zusammensetzung aufgebracht ist. Das Isolationsband kann ein Trägergewebe, beispielsweise ein Polyester- oder ein Glasgewebe, umfassen, auf dem der Glimmerpartikel vorgesehen sind. Die Zusammensetzung dient dabei zur Imprägnierung des Isolationsbandes.
Zudem wird ein Generator vorgeschlagen, der die vorstehend beschriebene Zusammensetzung oder Isolation enthält. In Generatoren kann die Zusammensetzung insbesondere in dem Isolationssystem der Wicklungsstäbe enthalten sein.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen oder Ausbilden eines Isolationssystems mit folgenden Schritten:

– Applizieren der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung; und
– Zuführen von Wärme zum Ausbilden von Sinterbrücken in der Zusammensetzung.

Das Applizieren der Zusammensetzung kann dabei im Rahmen der Resin-Rich-Technology oder des VPI-Prozesses erfolgen. Beim VPI-Prozess ist das Isoliersystem erst nach Tränken und Aushärten fertig, wogegen bei der Resin-Rich-Technology bereits vor Einbau in den Ständer ein funktionierendes und prüfbares Isolationssystem vorliegt. Die Resin-Rich-Technology ist jedoch aufwendiger, da jeder Wicklungsstab einzeln behandelt werden muss. Bevorzugt wird die Zusammensetzung daher im VPI-Prozess appliziert.
Dabei kann die Zusammensetzung als Imprägnierung der mit Isolationsband umwickelten Wicklungsstäbe genutzt werden, um ein Isolationssystem auszubilden. Das Isolationsband kann ein Trägergewebe, beispielsweise ein Polyester- oder ein Glasgewebe, umfassen, auf dem Glimmerpartikel vorgesehen sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Wärmezufuhr zum Ausbilden von Sinterbrücken zwischen den Nanopartikeln nach Vorsehen der Zusammensetzung im Isolationssystem der Hochspannungsmaschine erfolgen. Vorzugsweise wird der Zusammensetzung durch den Betrieb der Hochspannungsmaschine Wärme zugeführt. Die Sinterbrücken können somit durch Wärme ausgebildet werden, die während des Betriebes der Hochspannungsmaschine entsteht. Ein zusätzlicher Fertigungsschritt, in dem Wärme zugeführt werden muss, ist somit nicht notwendig.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung die Erfindung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ausschnittsweise einen Längsschnitt eines Generatorständers mit einem Blechpaket und einem Wicklungsstab;
2 einen Ablauf eines Verfahrens zum Ausbilden einer Hauptisolation in Form eines Flussdiagramms;
3 einen Versuchsaufbau zur Untersuchung eines Erosionsverhaltens;
4 eine Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme von Sinterbrücken, die sich in einer Zusammensetzung mit Nanopartikeln durch Wärmezufuhr ausbilden; und
5 ein Verhalten der Erosionstiefe bei unterschiedlichen Gewichtanteilen von Sinteradditiven und/oder Flammschutzmitteln in der Zusammensetzung.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Generators 1, der einen Generatorständer 2 mit einem Blechpaket 3 und einem Wicklungsstab 4 umfasst.
Dabei ist der Wicklungsstab 4 durch das Blechpaket 3 geführt. Das Ende des Wicklungsstabes 4 ragt aus dem Blechpaket 3 und wird zur Ausbildung von Leiterschleifen am Wickelkopf (nicht dargestellt) umgelenkt. Die in 1 gezeigte Anordnung ist typischerweise symmetrisch mit Wicklungsstabenden 4 auf beiden Seiten des Blechpakets 3 aufgebaut.
Zur Isolation ist der Wicklungsstab 4 von einer Hauptisolation 5 umhüllt. Um Grenzflächenteilentladungen zwischen den Komponenten des Generatorständers 2 zu vermeiden, ist die Hauptisolation 4 weiterhin mit Schichten 6, 7 umgeben.
So ist zwischen Wicklungsstab 4 und Hauptisolation 5 eine Schicht 6 als innere Potentialsteuerung angeordnet. Zwischen Blechpaket 3 und Wicklungsstab 4 befindet sich eine weitere Schicht, die als Glimmschutz 7 ausgebildet ist. Dieser umfasst einen Endenglimmschutz 8 in einem ersten Abschnitt 9 und einen Außenglimmschutz 10 in einem zweiten Abschnitt 11, der mit einer Erdung 12 verbunden ist. Der Außenglimmschutz 10 umhüllt die Hauptisolation 5 innerhalb des Blechpakets 3 und wird nach Austritt des Wicklungsstabes 3 aus dem Blechpaket 3 über eine kurze Strecke weiter geführt. Der Endenglimmschutz 8 schließt sich unmittelbar an den Außenglimmschutz 10 an und erstreckt sich über eine Teillänge 9 zwischen Blechpaket 3 und Wickelkopf (nicht dargestellt). Durch die Schichtanordnung 6, 7 wird die elektrische Feldstärke innerhalb der Hauptisolation 5 ausgehend von der inneren Potentialsteuerung 6 zum Glimmschutz 7 abgebaut. An den Enden des Wicklungsstabes 4, der beidseitig aus dem Blechpaket 3 herausragt, ist der Endenglimmschutz 8 vorgesehen, der das elektrische Potential ausgehend vom Außenglimmschutz 10 abbaut.
Die Hauptisolation 6 des Generator 1 ist auf Basis von Glimmerpapier gebildet. Das Glimmerpapier umfasst Glimmerpartikel auf einem Isolationsband, wie Glas- oder Polyestergewebe, das um den Wicklungsstab 5 gewickelt ist. Der Verbund aus Isolationsband und Glimmerpartikeln ist mit einem Matrixmaterial imprägniert, das die mechanische und elektrische Festigkeit der Hauptisolation 6 erhöht. Um die elektrische Festigkeit weiter zu erhöhen, sind in dem Matrixmaterial Nanopartikel 20 vorgesehen. Diese bilden im Betrieb des Generators 1 Sinterbrücken, die als Schutzschichten vor Erosion schützen. Zur verbesserten Sinterbrückenbildung werden dem Matrixmaterial zusätzlich Sinteradditive und/oder Flammschutzmittel zugesetzt.
2 zeigt einen Ablauf des Verfahrens zum Ausbilden einer Hauptisolation 6 in Form eines Flussdiagramms.
In Schritt S1 wird eine Zusammensetzung mit einem Matrixmaterial appliziert, das Nanopartikel 20 und Sinteradditive und/oder Flammschutzmittel enthält. Die Zusammensetzung wird dabei als Imprägnierung der mit Isolationsband umwickelten Wicklungsstäbe 5 genutzt, um die Hauptisolation 6 auszubilden. Das Applizieren der Zusammensetzung erfolgt dabei im Rahmen der Resin-Rich-Technology oder des VPI-Prozesses.
Im VPI-Prozess werden Isolationsbänder verwendet, die um den Wicklungsstab 5 gewickelt sind. Diese werden unter Druck und anschließendem Beaufschlagen eines Tränkbehälters mit Überdruck mit der Zusammensetzung getränkt. Das Aushärten erfolgt in einem Umluftofen, wodurch sich eine feste und kontinuierliche Hauptisolation 6 ausbildet.
Bei der Resin-Rich-Technology wird jeder Wicklungsstab 5 einzeln in speziellen Backpressen hergestellt. Hierbei werden ebenfalls Isolationsbänder eingesetzt, die mit der Zusammensetzung imprägniert werden. Die Zusammensetzung befindet sich dabei in einem B-Zustand. Das heißt, dass das Matrixmaterial teilweise vernetzt ist und somit einen klebfreien Zustand aufweist, aber bei nochmaliger Erwärmung erneut aufschmelzen und anschließend ausgehärtet und in Form gebracht werden kann. Dabei wird die Zusammensetzung in einem Überschuss eingebracht, um bei der Verpressung in alle Hohlräume und Kavitäten zu fließen und eine entsprechende Isolationsqualität zu erreichen. Überschüssige Zusammensetzung wird durch den Pressvorgang ausgepresst.
In Schritt S2 wird der Zusammensetzung zum Ausbilden von Sinterbrücken zwischen den Nanopartikeln 20 Wärme zugeführt. Die Wärmezufuhr erfolgt dabei nach Vorsehen der Zusammensetzung in der Hauptisolation 6. Wärme wird der Zusammensetzung durch den Betrieb des Generators 1 zugeführt. Die Sinterbrücken werden somit durch Wärme ausgebildet, die während des Betriebes des Generators 1 entsteht. Ein zusätzlicher Fertigungsschritt, in dem Wärme zugeführt wird, ist damit nicht notwendig.
Beispiele
Um das Erosionsverhalten und insbesondere das Verhalten der Erosionstiefe ET (siehe 5) in Abhängigkeit vom Gewichtsanteil m des Sinteradditves und/oder Flammschutzmittels zu untersuchen, wurden, wie in 3 gezeigt, Testplatten 14 mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen m des Sinteradditves und/oder Flammschutzmittels verwendet.
Dazu wurden Testplatten 14 auf Epoxid-Basis mit 2 mm Dicke und unterschiedlichen Gewichtsanteilen m des Phosphor basierten Flammschutzmittels APP hergestellt. Für die Herstellung wurden sphärische SiO₂ Nanopartikel 20 mit einem mittleren Durchmesser D₅₀ von 15 nm und unterschiedlichen Gewichtsanteilen m des Flammschutzmittels APP mit einer Lösung mit Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) als Basisepoxidharz gemischt. Die Lösung wurde anschließend verdampft. Nach Zugabe von Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (MHHPA) als Härter und N,N-dimethylbenzylamine als Beschleuniger, wurden die Testplatten 14 bei Raumtemperatur gehärtet.
Die Testplatten 14 wurden weiterhin in den in 3 gezeigten Versuchsaufbau 15 eingelegt. Der Versuchsaufbau 15 umfasst eine Elektrode 16, die die Fläche der Testplatte 14 kontaktiert. Weiterhin ist die Testplatte 14 auf einem geerdeten Substrat 17 angeordnet, das der Elektrode 16 gegenüber liegt. Die Dicke 18 der Testplatte betrug dabei 2 mm. Über die Elektrode 16 wurde für 240 Stunden eine Spannung von 6,5 kV/mm angelegt und anschließend die Erosionstiefe ET mittels Lasertriangulation bestimmt.
Insgesamt wurden fünf Testplatten 14 hergestellt und untersucht. Dabei enthielten die Testplatten 14 einen konstanten Gewichtsanteil von 18,1 Gew.-% an sphärischen SiO₂ Nanopartikeln 20. In Bezug auf den Gewichtsanteil m des Flammschutzmittels APP wurden fünf unterschiedliche Zusammensetzungen untersucht. Dabei enthielten:
Testplatte A: 5 Gew.-% APP
Testplatte B: 10 Gew.-% APP
Testplatte C: 18,1 Gew.-% APP
Testplatte D: 24,5 Gew.-% APP
Testplatte E: 18 Gew.-% APP
Hierbei beziehen sich die Angaben in Gew.-% auf den Nanopartikelanteil in der Zusammensetzung.
Als Vergleichsbeispiel wurde eine Testplatte 14 ohne Sinteradditiv oder Flammschutzmittel hergestellt (Testplatte F: 0 Gew.-% APP), die 24,5 Gew.-% SiO₂ Nanopartikel 20 enthielt.
4 zeigt zwei Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen (TEM-Aufnahme) von Sinterbrücken, die sich in der Zusammensetzung durch Wärmezufuhr ausbilden. Die TEM-Aufnahmen wurden nach Anlegen der Spannung von 6,5 kV/mm über 240 Stunden an die Testplatten 14 erstellt. Darin sind die Nanopartikel 20 erkennbar, die teilweise aggregiert und teilweise unaggregiert in den Testplatten 14 vorliegen. So sind in der linken Aufnahme aggregierte Nanopartikel 21 erkennbar. In der rechten Aufnahme sind weitere Aggregationen von Nanopartikeln 21 erkennbar. Die Aggregationen von Nanopartikeln 21 (rechte 4) entstehen durch Sinterbrücken 22, die sich bei der Zufuhr von Wärme bilden und die einzelnen Nanopartikel 20 fest miteinander verbinden.
5 zeigt das Verhalten der Erosionstiefe ET für die präparierten Testplatten 14. Dabei sind die mittels Lasertriangulation bestimmten Erosionstiefen ET gegen die Gewichtsanteile m des Flammschutzmittels APP aufgetragen. Testplatte F, die ohne Flammschutzmittel hergestellt wurde, weist eine Erosionstiefe von etwa 120 μm auf. Dagegen weisen die Testplatten A bis E, die mit dem Flammschutzmittel APP hergestellt wurden, eine deutlich reduzierte Erosionstiefe ET auf.
Die Erosionstiefe nimmt gemäß 5 mit zunehmendem Gewichtsanteil m des Flammschutzmittels APP ab. So beträgt die Erosionstiefe ET bei 5 Gew.-% APP etwa 110 μm. Bei einem Gewichtsanteil von 24,5 Gew.-% liegt die Erosionstiefe ET nur noch bei 20 μm. Die Erosionstiefe ET wird somit bei konstantem Nanopartikelanteil auf nur noch 20 % reduziert. Diese Optimierung resultiert nicht nur aus der verbesserten elektrischen Festigkeit, sondern auch aus den Materialeigenschaften in der flüssigen Phase, wie die Viskosität und die Reaktiviät. Somit wird das Eigenschaftsportfolio der Zusammensetzung dahingehend verbessert, dass schon mit einem geringen Anteil an Nanopartikeln in der Zusammensetzung vergleichbare oder verbesserte elektrische Eigenschaften im Isolationssystem realisiert werden.
Obwohl die Erfindung vorliegend anhand verschiedener Ausführungsbeispiel beschreiben wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1981150 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE, TDEI, Meichsner, Clark, Gröppel, Winter, Butz, Spieker: Formation of protective layer during IEC(b) Test of epoxy resin loaded with silica nanoparticles, Vol. 19, No.3 [0008]

Claims

Zusammensetzung für ein Isolationssystem (6) in einer Hochspannungsmaschine (6), enthaltend ein Matrixmaterial mit Nanopartikeln (20, 21) und mindestens einem Sinteradditiv und/oder mindestens einem Flammschutzmittel.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung so vorgesehen ist, dass sich durch Wärmezufuhr Sinterbrücken (22) zwischen den Nanopartikeln (20, 21) ausbilden.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zusammensetzung 0,1 bis 50 Vol.-% Nanopartikel (20) enthalten sind.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (20, 21) einen mittleren Durchmesser (D₅₀) von 0,1 bis 50 nm aufweisen.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Größenverteilung vorliegen.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (20, 21) Metalloxide, Halbmetalloxide oder Mischungen hieraus umfassen.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein Sinteradditiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumoxid (MgO), Calciumcarbonat (CaO₃), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumcarbid (SiC), Titannitrid (TiN), Yttriumoxid (Y₂O₃), Yttrium-Aluminium-Granat (Al₃Y₅O₁₂, Neodymoxid (Nd₂O₃) und Ceroxid (CeO₂).
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung organische Flammschutzmittel, anorganische Flammschutzmittel oder Mischungen hieraus enthält.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung bezüglich des Nanopartikelanteils 0,1 bis 50 Gew.-% des Sinteradditives und/oder Flammschutzmittels enthält.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein härtbares Polymer, insbesondere Epoxidharz, Polyurethan oder Mischungen hieraus, enthält.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial Säureanhydride, aromatische Amine, aliphatische Amine oder Mischungen hieraus als Härter enthält.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial Naphthenate, tertiäre Amine oder Mischungen hieraus als Beschleuniger enthält.
Isolationssystem (6) für eine Hochspannungsmaschine (1) mit der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Generator (1) mit der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder dem Isolationssystem nach Anspruch 13.
Verfahren zum Herstellen eines Isolationssystems (6) mit folgenden Schritten: – Applizieren (S1) der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 12; – Zuführen (S2) von Wärme zum Ausbilden von Sinterbrücken (22) zwischen den Nanopartikeln (20, 21) in der Zusammensetzung.