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Die Erfindung betrifft einen Schirmring wie sie für Wicklungen von Transformatoren diverser Spannungen und verschiedener Leistung eingesetzt werden, beispielsweise für HGÜ-Transformatorspulen oder HGÜ-Drosselspulen zur Reduzierung der elektrischen Belastung an den Kanten der Leiter.
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Wicklungen für Transformatoren sowohl höherer Spannung und Leistung als auch niedriger Spannung und/oder Leistung werden in der Regel aus Runddraht, Flachdraht und/oder Drilleiter hergestellt. Bedingt durch die kleinen Rundungsradien der Drähte ist die Inhomogenität des elektrischen Feldes am Wicklungsanfang, Wicklungsende und bei größeren Abständen zwischen 2 Windungen – auch einfach „Löcher genannt – sehr hoch. Um die Kühlung der Wicklungen sicherzustellen, kann die Isolation an diesen Stellen nicht beliebig gestaltet werden; eine Vergrößerung der Abstände kommt aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.
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Ein üblicher Lösungsansatz ist es, die Inhomogenität des elektrischen Feldes zu reduzieren. Dies geschieht in der Regel durch eine Vergrößerung des Rundungsradius. Dort wo sich Rundungsradien nicht oder nur schwer verändern lassen, kann die gleiche Wirkung durch den Einbau eines oder mehrerer Schirmringe zur Steuerung des elektrischen Feldes erreicht werden.
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Beispielsweise weist ein Schirmring einen ringförmigen Kern mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, welche normalerweise durch eine elektrisch leitfähige Schicht aus einem leitfähigen Material, beispielsweise Metall und einem Isolierstoff wie z. B. Blockspan oder Cellulose. Die Cellulose wird, beispielsweise in Papierform, durch aufwändiges Wickeln aufgebracht. Dabei entstehen in den Wicklungen um den Schirmring herum Zwischenräume in – beispielsweise – Falten, in denen sich unerwünschterweise zum Beispiel Transformatorenöl und/oder Luft befinden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schirmring der eingangs angegebenen Art derart weiter zu bilden, dass die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden, insbesondere dessen Herstellung vereinfacht wird und/oder die Umwicklung mit einem leitfähigen Material entfallen kann und trotzdem die Sicherheit gegenüber elektrischen Durchschlägen an der elektrisch leitfähigen Schicht verbessert wird.
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Die Lösung der Aufgabe wird nachfolgend in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Figur offenbart.
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Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Schirmring für einen Transformator, einen ringförmigen Kern mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, die den Kern vollständig einschließt, umfassend, wobei die elektrisch leitfähige Schicht als Komposit ausgeführt ist, das zumindest eine isolierende polymere Matrix mit zumindest einer Fraktion elektrisch leitfähiger Füllstoffpartikel umfasst, wobei die elektrisch leitfähigen Füllstoffpartikel in einer Menge oberhalb der Perkolationsschwelle enthalten sind und zumindest eine Fraktion Füllstoffpartikel enthalten, die eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 500nm bis 100µm hat, wobei das Material der Füllstoffpartikel ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Verbindungen: Metall, Kohlenstoff, Metalloxid, Glimmer, alle vorgenannten Verbindungen dabei als beschichtete oder unbeschichtete Partikel und dotiert, teilweise dotiert oder undotiert vorliegend und/oder in beliebigen Gemischen der vorgenannten Verbindungen.
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Als Material der elektrisch leitfähigen Füllstoffpartikel kommen Metall, Metalllegierung, Kohlenstoff, Metalloxid und/oder Glimmer grundsätzlich bevorzugt zum Einsatz, wobei diese Komponenten als sphärische, kugelförmige, stabförmige faserartige Strukturen und/oder sonstige Partikel sowie beliebigen Gemischen daraus, vorliegen können.
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Die oben genannten Materialien können als Füllstoffpartikel allein oder im Gemisch, sowie als beschichtete Partikel eingesetzt werden, wobei sich insbesondere Metalle, Metalllegierungen und/oder Metalloxide als Beschichtungsmaterial eignen.
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Sowohl die Partikel als auch die Beschichtung liegen dabei beispielsweise in dotierter oder undotierter Form vor.
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So ergeben sich viele Möglichkeiten an Füllstoffpartikel, die je nach Anwendungsfall einsetzbar sind. Insbesondere genannt seien hier Kohlenstoffpartikel, Partikel aus dotiertem Kohlenstoff, beschichteten und teildotiertem Glimmer, dotiertem Metalloxid und/oder beliebigen Gemischen der vorgenannten Komponenten, darüber hinaus Partikel aus edlen, halbedlen oder unedlen Metallen- und Metalllegierungen wie Kupfer, Chrom, Silber, Aluminium, Stahl, etc., wobei diese Partikel auch wieder beschichtet oder unbeschichtet, dotiert, teilweise dotiert oder undotiert sein können.
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Es hat sich beispielsweise erwiesen, dass auch Metall- oder Metalllegierungspartikel, die beschichtet sind, hier gewinnbringend einsetzbar sind.
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Insbesondere können die Füllstoffpartikel aus beschichtetem Metall, Kohlenstoff, dotiertem Metall auch mit Metall, insbesondere auch mit einem Halbedelmetall oder Edelmetall beschichtet sein, wobei beispielsweise mit Metall beschichtete Partikel und/oder mit Metalloxid beschichtete Partikel, also beispielsweise mit Silber, Chrom, Palladium, Silberoxid, Chromoxid und/oder mit Aluminiumoxid beschichtete Partikel, insbesondere Metallpartikel und besonders bevorzugt Partikel aus einem Halbedelmetall wie Kupfer, vorgesehen sind.
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Als Edelmetalle werden vorliegend die Elemente Ruthenium, Palladium, Silber, Gold, Osmium, Iridium, Platin und Quecksilber bezeichnet, wobei auch beliebige Legierungen, der Edelmetalle untereinander oder Legierungen, in denen diese Metalle vorkommen, unter den Begriff gefasst werden. Als Halbedelmetall wird vorliegend insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen bezeichnet, aber auch Technetium, Rhenium, Antimon in seiner metallischen Modifikation und/oder Wismut sowie deren Legierungen.
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Metalloxidische Partikel sind insbesondere aus folgenden Materialien vorgesehen: Metalloxide in binärer und tertiärer Mischphase, insbesondere Zinnoxid, Zinkoxid, Zinkstannat, Titanoxid, Bleioxid, Siliziumcarbid sowie beliebige Mischungen dieser Metalloxide, jeweils wieder beschichtet oder unbeschichtet und dotiert, teilweise dotiert oder undotiert vorliegend.
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Die Beschichtung kann bis zu 50 Gew% des Gewichts des Füllstoffpartikels ausmachen, in der Regel liegt der Anteil der Beschichtung am Gesamtgewicht des Füllstoffpartikels jedoch unter 20% beispielsweise bei 10%.
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Als Dotierungssubstanz wird beispielsweise ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe umfassend: Antimon, Indium, Cadmium ausgewählt.
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Die Beschichtung der Partikel liegt auch – wie die Partikel selbst – wiederum entweder dotiert oder undotiert vor. Beliebige Kombinationen sind gemäß der Erfindung einsetzbar.
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Die Größe einer Fraktion von Füllstoffpartikel liegt im Bereich von 500nm bis 100µm, insbesondere von 700nm bis 70µm, besonders bevorzugt im Bereich von 1µm bis 50µm.
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Vorteilhafterweise liegt der Füllstoff im Komposit in einer Partikelmassenkonzentration von beispielsweise größer/gleich 25 Gew% vor, bevorzugt größer/gleich 27 Gew% und insbesondere bevorzugt größer/gleich 30Gew%. Ab dieser bestimmten Partikelmassenkonzentration in der Trägermatrix befindet sich das Material der elektrisch leitfähigen Schicht oberhalb der Perkulationsschwelle und der Oberflächenwiderstand des Systems ändert sich kaum mit steigender Partikelmassenkonzentration. Dadurch unterliegt die elektrisch leitfähige Schicht kaum Schwankungen im Oberflächenwiderstand, der dadurch gut reproduzierbar ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Füllstoffpartikel in zumindest einer Fraktion als kugelförmige Füllstoffpartikel vor. Insbesondere bei der Ausführungsform bei der das Material der Füllstoffpartikel auf Basis von Ruß ist, liegen diese zumindest auch kugelförmig vor.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Füllstoffpartikel in zumindest einer Fraktion als plättchenförmige Füllstoffpartikel vor. Insbesondere bei der Ausführungsform bei der das Material der Füllstoffpartikel auf Basis von Glimmer, Graphit und/oder Metalloxid ist, liegen diese zumindest auch plättchenförmig vor.
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Beispielsweise können plättchenförmige Füllstoffpartikel auf der Basis von beschichtetem Glimmer vorliegen. Dabei kann die Beschichtung der Glimmerpartikel wiederum auch dotiert vorliegen.
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Insbesondere können mehrere Fraktionen an Füllstoffen in Kombination vorliegen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die polymere Matrix eine chemisch vernetzende Duromermatrix, wie beispielsweise ein Polyurethan, Polyesterharz, Phenolharz, Epoxidharz, Acrylharz, Acrylatharz, Polyesterimid und/oder Silikonharz, sowie beliebige Gemische und Copolymere der vorgenannten Verbindungen.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die polymere Matrix eine physikalisch härtende Thermoplastmatrix.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die polymere Matrix gegenüber dem Transformatorenöl chemisch und/oder physikalisch stabil ist, also mit dem Transformatorenöl nicht reagiert und/oder sich darin auch nicht löst. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Schutzschicht über der elektrisch leitfähigen Schicht liegt, damit diese gegenüber Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise dem Transformatorenöl, geschützt ist.
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Grundsätzlich ist auch ein Gemisch einer polymeren isolierenden Matrix mit einer polymeren leitfähigen Matrix im Sinne der Erfindung denkbar. Dabei können polymere leitfähige Stoffe wie PANI, PEDOT, PEDOT:PSS etc. eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die elektrisch leitfähige Schicht einen Quadratwiderstand kleiner/gleich 105 Ω, insbesondere einen Quadratwiderstand von kleiner/gleich 104 Ω und insbesondere bevorzugt einen Quadratwiderstand im Bereich von 10–1 Ω bis 104 Ω.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die elektrisch leitfähige Schicht eine Dicke von weniger als 150µm, insbesondere von weniger als 100µm und insbesondere bevorzugt von weniger als 70µm. Beispielsweise liegt die Dicke der Schicht im Bereich von 30µm bis 100µm, insbesondere von 40µm bis 100µm.
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Durch die vorliegend offenbarten Kombinationen aus polymerer Matrix und Füllstoffe ist es möglich, den Widerstand der elektrisch leitfähigen Schicht eines Schirmrings passgenau einzustellen und damit je nach Applikation den richtigen Widerstand der elektrisch leitfähigen Schicht zu ermitteln und zu realisieren.
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Dabei ist es auch möglich, die elektrisch leitfähige Schicht auf dem Schirmring einfach durch Sprühen, Tauchen, bepinseln, Lackieren oder sonstige Beschichtungsmethoden aufbringbar. Dabei zeigen sich insbesondere auch extreme Preisunterschiede bei der Herstellung der Schirmringe, weil bisher die elektrisch leitfähige Schicht unter Wickeln hergestellt wurde, wohingegen nach der vorliegenden Erfindung diese Schirmringe durch ein automatisiertes Eintauchen herstellbar werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine polymere Matrix eingesetzt, die raumtemperaturhärtend ist, so dass keine weitere Nachbehandlung der gehärteten elektrisch leitfähigen Schicht bei der Herstellung des Schirmrings erforderlich ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die eine Ausführungsform eines Schirmrings darstellt, näher erläutert, sowie an 3 Beispielen zur Zusammensetzung der elektrisch leitfähigen Schicht.
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In 1 ist ein Querschnitt durch einen Schirmring zu erkennen, wobei die linke Seite einen schmalen Teil 4 und die rechte Seite einen breiteren Teil 5 eines grundsätzlich „Donut“-förmigen Schirmrings 1 zeigt.
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Man sieht, dass ein Schirmring 1 aus einem inneren Ring 2 und einer elektrisch leitfähigen Schicht 3 besteht. Der innere Ring 2 bildet den Kern des Schirmrings 1 und ist beispielsweise aus Blockspannmaterial gebildet.
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Eine Umwicklung mit einem – beispielsweise bandförmigen Material – ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die hier gezeigt ist, nicht vorgesehen. Die elektrisch leitfähige Schicht 3 wird aufgesprüht und nicht aufgewickelt hat beispielsweise einen Quadratwiderstand im Bereich von 10–1 Ω bis 104 Ω.
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Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die elektrisch leitfähige Schicht 3 wie folgt hergestellt:
Ein Füllstoff, der sich aus Glimmer und Quarzmehl, das mit Metalloxid beschichtet ist, zusammensetzt, wird in einem Polymer wie Polyesterimid verteilt. Der Glimmer ist beispielsweise mit Zinnoxid SnO2, das 15% mit Antimon dotiert ist, beschichtet und liegt plättchenförmig vor, das Quarzmehl, das globular vorliegt, zeigt die gleiche Beschichtung insgesamt summieren sich die beiden Füllstofffraktionen auf 45 Gew.-% PMK (Partikel Massen Konzentration) im isolierenden Polymer auf. Das isolierende Polymer ist vorzugsweise bei Raumtemperatur härtend, so dass die elektrisch leitfähige Schicht durch Sprühen und/oder Tauchen herstellbar ist. Dabei wird eine Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht nach Härtung von 60µm realisiert, die einen Widerstand 0,8-1,3 kOhm hat. Die Beschichtung ist durch Sprühen applizierbar.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die elektrisch leitfähige Schicht 3 wie folgt hergestellt:
Der Füllstoff, der sich wieder aus beschichtetem Glimmer und Quarzmehl zusammensetzt, wird in einem isolierenden Polymer wie Polyesterimid (PEI) verteilt. Der Glimmer liegt plättchenförmig vor, beispielsweise mit ca. 5 bis 9 µm mittlere Größe, das Quarzmehl liegt globular vor und wird in feinerer Fraktion, beispielsweise mittlere Größe 1 bis 4 µm, eingesetzt. Insgesamt summieren sich die beiden Füllstofffraktionen auf 60 Gew.-% PMK (Partikel Massen Konzentration) im isolierenden Polymer auf. Dabei wird eine Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Schicht nach Härtung von ca. 100µm realisiert, die einen Widerstand 1,3 kOhm hat. Die Beschichtung ist durch Sprühen applizierbar.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird als Füllstoff im isolierenden Polymer Kupfer, beispielsweise plättchenförmig, eingesetzt. Dieser Füllstoff kann beispielsweise eine Silberbeschichtung oder eine Silberoxidbeschichtung aufweisen. Der Füllstoff hat ca. 55 Gew.-% PMK, Schichtdicke nach Härtung 60µm, Widerstand 1 Ohm. Als Polymer wird beispielsweise wieder PEI, das bei Raumtemperatur aushärtet eingesetzt und die Beschichtung ist wiederum über Sprühen herstellbar.
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In 1 ist außerdem eine Schutzschicht 6 gezeigt, die die elektrisch leitfähige Schicht von Umwelteinflüssen, insbesondere auch vor Transformatorenöl schützt und beispielsweise aus dem gleichen Polymer ist, wie die Matrix der elektrisch leitfähigen Schicht.
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Die Erfindung betrifft einen Schirmring wie er für Wicklungen von Transformatoren eingesetzt wird, beispielsweise für HGÜ-Transformatorspulen und/oder HGÜ-Drosselspulen zur Reduzierung der elektrischen Belastung an den Kanten der Leiter. Ein derartiger Schirmring umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht. Durch die vorliegend offenbarte Erfindung wird als elektrisch leitfähige Schicht eine Kombinationen aus polymerer Matrix und Füllstoffe vorgeschlagen, durch die der Widerstand der elektrisch leitfähigen Schicht eines Schirmrings passgenau einstellbar ist und damit je nach Applikation der richtige Widerstand der elektrisch leitfähigen Schicht realisierbar wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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