DE102014219765A1

DE102014219765A1 - Formulierung für ein Isoliersystem und Isoliersystem

Info

Publication number: DE102014219765A1
Application number: DE102014219765.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Gröppel; Daniel Mach; Michael Nagel; Gerhard Piecha; Christian Triebel; Matthias Übler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JP2017531710A; US20170301429A1; EP3174907A1; WO2016050557A1; CN107077916A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Formulierung für ein Isoliersystem, das höhere Erosionsresistenz zeigt und als Gieß- und/oder Pressharz als Leiter- und/oder Wandisolierung für stromführende Leiter in Generatoren, Motoren und/oder rotierenden Maschinen einsetzbar ist. Die Formulierung zeigt isotrope und sphärische Nanofüllstoff-Partikel in einem Gewichtsanteil bis zu 25%, die organische und anorganische Anteile haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Formulierung für ein Isoliersystem, das höhere Erosionsresistenz zeigt und als Gieß- und/oder Pressharz als Leiter- und/oder Wandisolierung für stromführende Leiter in Generatoren, Motoren und/oder rotierenden Maschinen einsetzbar ist.
In 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 bzw. Windungen (Leiter- und/oder Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotential 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 sogenannten teilentladungsinduzierten Erosion, mit sich ausbildenden so genannten „Treeing“-Kanälen, die letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen.
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 Teilentladungen hoch ist, die beim Betrieb des Turbogenerators unablässig auftreten, wodurch die elektrisch stark belastete Hochspannungsisolierung an den Grenzflächen einer Materialdegradation eine durch teilentladungsinduzierte Erosion unterliegt.
Bislang werden als bruchmechanisch resiliente Hochspannungsisolatoren Styrol- und/oder Butadien-Matrizen mit entsprechenden Füllstoffen eingesetzt.
Es besteht weiterhin der Bedarf, Isoliersysteme zu schaffen, deren Erosionsresistenz optimiert ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein bruchmechanisch resilientes Hochspannungsisoliersystem zu schaffen, das verbesserte Erosionsstabilität zeigt.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Formulierung für ein Isoliersystem, ein Basisharz mit einer oder mehreren isotropen sphärischen Füllstoffkomponenten, wobei die Füllstoffkomponenten Nanopartikel sind, anorganische Partikel und organische Partikel umfassen und in einem Gesamtanteil von bis zu 25 Gew% in der Formulierung vorliegen.
Durch eine anorganische Oberflächenmodifikation der Nanopartikel wird bevorzugt für eine adäquate Matrix-Füllstoff Interaktion gesorgt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Basisharz ausgewählt aus der Gruppe umfassend Thermoplasten, Duroplasten und/oder Elastomere. Das Basisharz kann ausgewählt sein aus der Gruppe UV-, kalt- oder heißhärtendes, phtalsäureanhydridisch und/oder aminisch härtendes Harz, insbesondere beispielsweise ein Epoxidharz. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Basisharz ein Diglycidylether, beispielsweise ein Bisphenol-A- oder Bisphenol-F-Diglycidylether oder ein cycloaliphatisches Epoxidharz oder ein phenolisches Novolak. Des weiteren kann das Basisharz ausgewählt sein aus der Gruppe der Polyurethane, der Polyetherimide, der Polyethene, der Polypropylene, der Polybutadiene, der Polystyrole, der Polyacrylate, der Polyvinylchloride sowie eine beliebige Mischung, beispielsweise auch Blockpolymere oder Block-co-polymere und blends der vorgenannten Komponenten, inklusive der Epoxidharze.
Die genannten isotropen Füllstoffe können ausgewählt sein aus der Gruppe der anorganischen Partikel, beispielsweise der metallischen, der Metall- und/oder Halbmetall-oxidischen Partikel.
Insbesondere können die Partikel des Füllstoffes auch aus keramischen Materialien sein, wie beispielsweise aus einem Metalloxid oder einem Metallmischoxid wie beispielsweise aus Aluminiumoxid und/oder aus Siliziumdioxid.
Die anorganischen Nanofüllstoff-Partikel verleihen der Formulierung die erforderliche Erosionsresistenz.
Die Partikel des Füllstoffes können auch aus der Gruppe der organischen Verbindungen ausgewählt sein, beispielsweise können es polymere Nanopartikel wie Styrol, Butadien, etc. sein. Die organischen Nanofüllstoff-Partikel verleihen der Formulierung eine gewisse Duktilität.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der organische Anteil der Nanofüllstoff-Partikel so gering wie möglich gehalten.
Es können auch so genannte CS, also Core-Shell-Partikel als Nanofüllstoff-Partikel eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Partikel mit einer Schale und einem Kern aus verschiedenen Materialien. Core-Shell-Partikel zeigen in der Regel einen Schichtaufbau unterschiedlicher Materialien, der einen Radialgradienten hat.
Eine geeignete Oberflächenmodifikation sorgt für eine geeignete Anbindung der Nanofüllstoff-Partikel an die Matrix. Die Oberflächenmodifikation kann beispielsweise in Form einer Beschichtung vorliegen.
Die Formulierung wird bevorzugt als dünnflüssiges und/oder isotropes Material eingesetzt, wobei die Nanofüllstoff-Partikel in Dimensionen im Bereich von 5 bis 500nm, insbesondere von 7 bis 350 nm und ganz bevorzugt im Bereich von 8 bis 300nm vorliegen.
Insbesondere bevorzugt sind Nanofüllstoff-Partikel auf Siliziumdioxid-Basis und/oder auf Basis anorganisch-organischer Materialien wie Styrol-Butadien- und/oder Siloxan-Butadien-Basis.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der Formulierung eine Nanofüllstofffraktion aus anorganisch-organischem Material in einer Menge von zwischen 1 und 10 Gew%, insbesondere bevorzugt in einer Menge im Bereich von 3 bis 8 Gew% und insbesondere bevorzugt von 4 bis 6 Gew%.
Beispielsweise wurden die in 1 gezeigten Formulierungen getestet:
Der Tabelle 1 in 1 ist zu entnehmen, dass die Steigerung der Duktilität und Resilienz des Polymers durch Inkorporation organischer Nanofüllstoff-Partikel effektiver ist als durch anorganische Nanofüllstoff-Partikel.
Beachtenswert ist dabei, dass im Falle der organischen Nanofüllstoff-Partikelfraktion die Hälfte der anorganischen Nanofüllstoff-Partikel durch organische Analoga substituiert wurde. Die Inkorporation organischer Nanofüllstoff-Partikel bewirkt eine Regression der polymeren Erosionsresistenz, da die polymere Natur dieser Nanofüllstofffraktion unter Teilentladungsbeanspruchung einer Materialdegradation unterliegt.
Hierbei hat eine TEM-Aufnahme einer seitlich betrachteten Passivierungsschicht eines mit einem Gesamtgewichtsanteil von 10% an nanopartikulärem Füllstoff beaufschlagten Polymers gezeigt, dass die Passivierungsschicht Fussionsaggregate umfasst, welche sich wiederum aus über Sinterbrücken konnektierten anorganischen Füllstoffen zusammensetzen.
Zur Steigerung der bruchmechanischen Resilienz wurden organische Füllstoffe in die Formulierung inkorporiert.
2 zeigt die Testergebnisse hinsichtlich Erosionsresistenz wieder. 2 zeigt eine Abnahme der Erosionsresistenz im Zuge sukzessiv gesteigerter Gewichtsanteile an organischen Nanofüllstoff-Partikel.
Bis auf eine Nanofüllstofffraktion (CP-Si-Bd = Siloxan-Butadien) bewirken die hier getesteten organischen Füllstoffe eine Abnahme der Erosionsresistenz.
Nachfolgend wurde eine TEM-Aufnahme einer Passivierungsschicht eines Polymers gemacht, welche zusätzlich zu den 10 % anorganischen Nanofüllstoff-Partikel noch Styrol-Butadien-Nanofüllstoff-Partikel enthält. Klar ersichtlich war im Vergleich zur ersten TEM-Aufnahme die deutlich inhomogenere und porösere Passivierungsschicht. Die Styrol-Butadien-Nanofüllstoff-Partikel fungieren als Barrieren gegenüber der Ausbildung der anorganischen Fusionsaggregate, wodurch die mechanische Stabilität der Passivierungsschicht deutlich geringer ist, zumal die organischen Füllstoffe unter Teilentladungsbeanspruchung einer Materialdegradation unterliegen.
Schließlich wurden anorganisch-organische Nanofüllstoff-Partikel eingesetzt und wieder eine TEM-Aufnahme der Passivierungsschicht erstellt. Die betrachtete Passivierungsschicht umfasst Siliziumdioxid- und Siloxan-Butadien-Nanofüllstoff-Partikel in einem Gesamtgewichtsanteil von 20%.
Als anorganisch-organisches Material für einen Nanofüllstoff-Partikel wird hierbei ein Material verstanden, das einerseits durch seinen organischen Anteil der Formulierung eine Duktilität und Bruchresistenz verleiht und andererseits durch den anorganischen Anteil der Formulierung Sinterbrücken mit den anorganischen Fusionsaggregaten einer Passivierungsschicht eingehen kann. Je nach Basisharz werden hierbei verschiedene Materialien bevorzugt sein, die einfach ausgetestet werden.
Beispielsweise kann ein Styrol-Butadien-Material und/oder ein Siloxan-Butadien-Material hier eingesetzt werden. Insbesondere ein handelsübliches Siloxan-Butadien-Copolymer wurde erfolgreich in einem Epoxidharz-Basispolymer getestet.
In der TEM-Aufnahme ist klar zu erkennen, dass die anorganisch-organischen Nanofüllstoff-Partikel, wie die hier gezeigten Siloxan-Butadien-Nanofüllstoff-Partikel, sich in symbiotischer Weise in die Fusionsaggregate enthaltende Passivierungsschicht integrieren, da diese durch deren anorganischen Anteil ebenso über Sinterbrücken eine ausreichende Verbindung der gesamten Passivierungsschicht gewährleisten wie die rein anorganischen Nanofüllstoff-Partikel. Trotz der organischen Komponente in den Nanofüllstoff-Partikeln zeigt die Formulierung mit den anorganisch-organischen Nanofüllstoff-Partikel eine deutlich kompoaktere und homogenere Passivierungsschicht als die Formulierung, in der anorganische und organische Nanofüllstoff-Partikel getrennt vorliegen.
Zu erkennen ist, dass über den anorganischen Anteil der Siloxan-Butadien-Nanofüllstoff-Partikel eine symbiotische Integration dieser Füllstofffraktion mittels Sinterbrücken in die anorganische Fusionsaggregate umfassende Passivierungsschicht erfolgt. Durch Erosionsresistenz dieser Füllstofffraktion wird eine kompakte und homogene Passivierungsschicht generiert, wobei die organischen Partikel keiner Materialdegradation unter Teilentladungsbeanspruchung unterliegen und somit- neben der gesteigerten Erosionsresistenz ein ebenso bruchmechanisch resilientes und duktiles Hochspannungs-Isolator-Polymer-System entsteht.
Beispiele:

Harz: Bisphenol-F-Diglycidylether,
Härter: Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Verhältnis (Harz zu Härter) 1:0,9;
Beschleuniger: N,N-Dimethylbenzylamin, Beschleunigeranteil: 1 Gew.-%,
Füllstoffe: Si02 (d50 = 15 nm), Si02 (d50 = 8 nm), Kaneka-ACE MX-960 (Siloxan-Butadien-Copolymer). 1. Beispiel: 20 Gew% SiO2 (d50 = 15 nm) + 5 Gew% MX-960 2. Beispiel: 20 Gew% SiO2 (d50 = 8 nm) + 5 Gew% MX-960 3. Beispiel: 15 Gew% SiO2 (d50 = 15 nm) + 5 Gew% SiO2 (d50 = 8 nm) + 5 Gew% MX-960

Claims

Formulierung für ein Isoliersystem, ein Basisharz mit einer oder mehreren isotropen sphärischen Füllstofffraktione(n), wobei die Füllstofffraktione(n) Nanofüllstoff-Partikel umfassen, die anorganische, organische und/oder anorganisch-organische Partikel haben, wobei immer ein anorganischer und ein organischer Anteil gleichzeitig vorliegen und wobei die Nanofüllstoff-Partikel in einem Gesamtanteil von bis zu 25 Gew% in der Formulierung vorliegen.
Formulierung nach Anspruch 1, wobei Nanofüllstoff-Partikel einer Nanofüllstofffraktion polymer vorliegen.
Formulierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Nanofüllstoff-Partikel einer Nanofüllstofffraktion auf anorganisch-organischem Material basieren.
Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das anorganisch-organische Material eine Styrol-Butadien- und/oder eine Siloxan-Butadien-Komponente umfasst.
Formulierung nach Anspruch 4, wobei das anorganisch-organische Material ein Styrol-Butadien- und/oder ein Siloxan-Butadien-Copolymer umfasst.
Formulierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine Nanofüllstofffraktion mit einem anorganisch-organischen Material in einer Menge von 1 bis 10 Gew% vorliegt.
Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Nanofüllstofffraktion aus Siliziumdioxid umfasst.
Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Nanofüllstoff-Partikel aus Siliziumdioxid einen mittleren Durchmesser im Bereich von 7 bis 17nm, insbesondere von 8 bis 15 nm haben.
Isolationssystem für einen Strom-Spannungsführenden Leiter aus Metall hergestellt aus einer Formulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.