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Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern oder Umhüllungen für elektrische
Isolationszwecke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von spalten-
und mikrorißfreien Hohlkörpern oder Umhüllungen für elektrische Isolationszwecke,
durch lagenweises Übereinanderordnen von Papier, welches mit Kunststoff verbunden
wird.
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Es ist bekannt, an geradachsigen Gegenständen, vor allem Hochspannungsleitern,
Umhüllungen anzubringen, indem glatte Papiere, wie z. B. Kraftpapiere, mit Hilfe
von Kunststoffen zu einem Schichtstoff verarbeitet werden. Als Klebemittel werden
vor allem Kondensationsharze, lösungsmittelfreie Imprägnier- und Klebeharze (Epoxydharze,
ungesättigte Polyester) oder Thermoplaste verwendet.
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Schon bei vergleichsweise kleiner Schichtdicke hat es sich jedoch
als schwierig erwiesen, solche Umhüllungen spaltenfrei herzustellen. Zur Spaltenbildung
kommt es durch teilweises Voneinanderablösen aufeinanderfolgender Lagen. Die Spalten
weisen z. B. bei zylindrischen rohrförmigen Umhüllungen in rechtwinklig zur Achse
des Umhüllungskörpers gelegten Schnittebenen in der Regel einen kreisbogenförmigen,
sichelartigen Querschnitt auf. Die Spaltenbreite kann bis zu einigen Millimetern
betragen, sie kann aber auch klein sein (Haar- oder Mikrorisse), so daß die Spalten
mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Die Spalten in Hochspannungsisolationen, wie
z. B. bei Hochspannungsdurchführungen, sind sehr nachteilig, da die in den Spalten
befindliche Luft ionisiert werden kann, was leicht zu Durchschlägen führt. Solche
Isolationen sind namentlich nicht stoßspannungsfest.
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Die Spaltenbildung tritt bei allen Umhüllungen und Hohlkörpern auf,
zu deren Herstellung Kunststoff verwendet wird, also auch bei Hartpapierrohren und
Hartpapierkondensatordurchführungen.
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Zur Herstellung von Hohlzylindern mit Flanschen z. B. von Tragkörpern
für elektrische Wicklungen hat man bereits übereinandergelegte Schichten von Kreppapier
verwendet. Die Erweichbarkeit des Kreppapiers macht dieses geeignet zur Bildung
des durch Anfeuchten und Einwirken von Fliehkraft entstehenden Flansches.
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Zur Herstellung von dünnwandigen Flanschen und anderen Hohlkörpern
hat man bereits Kreppapierbänder auf einen Dorn gewickelt und zur Erzielung von
Wasserdichtheit die Hohlkörper anschließend innen mit einem wasserundurchlässigen
überzug versehen.
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Es ist ferner bekannt, gehärtete Kunststof-Formkörper aus nach seiner
Imprägnierung gekrepptem Papier durch Verpressen mittels Formwerkzeugen in Kunststoffpressen
herzustellen.
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Man hat auch Preßkörper, insbesondere Stangen, aus auf einen Dorn
gewickeltem Kreppapier, das mit einem Bindemittel behandelt war, durch völliges
Flachpressen der erhaltenen Hohlzylinder und entsprechendes Formpressen hergestellt.
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Keines der vorerwähnten bekannten Verfahren eignet sich dazu, spalten-,
insbesondere auch mikrorißfreie Hohlkörper oder Umhüllungen für elektrische Isolationszwecke
herzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem
auch dickwandige Hohlkörper oder Umhüllungen für elektrische Isolationszwecke spalten-
und mikrorißfrei und damit in bisher nicht erreichbar gewesenem Ausmaß durchschlagsicher
und stoßspannungsfest hergestellt werden können.
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Erreicht wird dieses mit dem eingangs beschriebenen Verfahren zur
Herstellung von spalten- und mikrorißfreien Hohlkörpern oder Umhüllungen für elektrische
Isolationszwecke, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß für die Papierlagen
gekrepptes Papier benutzt wird und dieses so zu einem dichten Wickel gewickelt wird,
daß seine Kreppung mindestens zum Teil erhalten bleibt, daß zur Herstellung der
endgültigen Form des Wickels ausschließlich das Wickeln dient und daß ohne Anwendung
von Druck ein ohne Abspalten flüchtiger Bestandteile fest werdender Kunststoff allen
Hohlräumen des Wickelkörpers zugeführt wird.
Die Vorteile des Verfahrens
sind, daß für zylindrische Umhüllungskörper die Herstellungsmaschinen leichter und
billiger sein können als bisher, weil beim Aufwickeln keine hohen Temperaturen und
kein Preßdruck erforderlich sind, und daß die zylindrischen Umhüllungskörper schneller
hergestellt werden können als mit bisher angewandten Verfahren. Besonders auch für
Objekte mit sehr großen Abmessungen, für die bisher die Möglichkeit, sie trocken
zu isolieren, fehlte, sowie für gekrümmte Leiter eignet sich das Verfahren, beispielsweise
für die Isolation von Sammelschienen, Verbindungsleitungen von Hochspannungsapparaten,
Ringstromwandlern, Stromwandlern mit U-förmigem Primärleiter, Spannungswandlern,
Isolierzylindern und Isolierwicklungsabstützungen für Transformatoren, Kraftübertragungsstangen
und -wellen für Hochspannungsschalter u. ä. In die Isolationen können ohne Schwierigkeiten
leitende Einlagen zur Potentialsteuerung eingelegt werden.
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Für die Durchführung des Verfahrens können handelsübliche Kreppapiersorten
verwendet werden. Als besonders geeignet erweisen sich jene, deren Wellung eine
Dehnung von 10 bis 50 % zuläßt.
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Als fest werdende Kunststoffe kommen vor allem solche in Betracht,
welche lösungsmittelfrei sind und ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile härten.
Die Verwendung der sogenannten Niederdruckharze, wie Epoxyharze, auch Äthoxylinharze
genannt, und der Harze, die zur Gruppe der ungesättigten Polyester gehören, bieten
den Vorteil, daß ohne Anwendung von Druck gearbeitet werden kann. Bei kalthärtenden
Sorten erfolgt die Härtung ohne bedeutende Wärmezufuhr. Des weiteren sind ungesättigte
einfache polymerisierbare, sogenannte monomere oder oligomere Stoffe anwendbar.
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Das in Form von Bahnen oder Bändern verwendete gekreppte Papier wird
so gewickelt, daß der Wickel möglichst dicht wird, aber daß trotzdem die Kreppung
mindestens zum Teil erhalten bleibt. Es ist jedoch zu beachten, daß das Kreppapier
beim Wikkeln nicht wesentlich verstreckt wird, wobei allerdings stärker gekreppte
Sorten, wie z. B. diejenigen mit einer durch die Kreppung bedingten Dehnung von
über 50 %, stärker verstreckt werden dürfen als die weniger dehnbaren Sorten. Zur
Fertigung von Isolierrohren kann der Umhüllungskörper mit Hilfe eines Wickeldornes,
der später entfernt wird, aufgeschichtet werden. Bei komplizierteren, vor allem
gebogenen Gegenständen können, um das Abrutschen der einzelnen Windungen in axialer
Richtung zu verhindern, Lagen längs der Mantellinie zweckmäßigerweise mit einem
streifenförmigen Klebstoffauftrag oder mit Klebstreifen versehen werden.
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Das Zuführen des Kunststoffes kann grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen,
nämlich vor oder nach dem Wickeln des Kreppapiers. Bei der ersten Art wird beispielsweise
das gekreppte Papier zunächst mit dem ungehärteten Kunststoff vorbehandelt, indem
es mit dem flüssigen oder pastenförmigen Kunststoff durchimprägniert und an seiner
Oberfläche überzogen wird. Danach wird das mit Kunststoff versehene Papier, gegebenenfalls
unter Wärme, gewickelt, und schließlich die Härtung des Gebildes, ebenfalls je nach
Erfordernis mit oder ohne Wärme, vorgenommen. Für das Zuführen des Kunststoffes
nach der zweiten Art erfolgt vorerst das Anfertigen des Papierwickels. Der fertiggestellte
Wickelkörper wird getrocknet, gegebenenfalls unter Vakuum. Erst danach erfolgt das
Imprägnieren, und zwar vorzugsweise unter Verwendung eines dünnflüssigen Kunststoffes,
dessen Gebrauchsdauer möglichst groß ist, und anschließend die Verfestigung, die
je nach dem verwendeten Kunststoff eine Härtung usw. sein kann. Um das völlige Durchdringen
des Papierkörpers mit dem Kunststoff zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn die
Gebrauchsdauer mehr als 2 Stunden beträgt, wofür sich z. B. Polyglycidyläther mit
einem Epoxidäquivalentgewicht von 180 bis 200, welcher durch Kondensation von Epichlorhydrin
und Bis-(p -hydroxyphenyl)-dimethylmethan (Bisphenol A) hergestellt wurde, mit einem
bei Raumtemperatur flüssigen Gemisch von Säureanhydriden (hauptsächlich Hexahydrophthalsäureanhydrid)
als Härter oder bei Raumtemperatur flüssige, tertiäre Aminogruppen enthaltende,
basische Polyepoxide mit Hexahydrophthalsäureanhydrid als Härter eignen.
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Beispiel 1 Umhüllung eines geraden zylindrischen Leiters Auf ein zylindrisches
Messingrohr oder eine -stange mit einem äußeren Durchmesser von 20 mm wird eine
Kreppapierbahn von 50 cm Breite aufgewickelt, bis eine Schichtdicke von 15 mm erreicht
ist. Die Aufwickelgeschwindigkeit beträgt 3 m/Min., kann aber, soweit es die mechanische
Stärke der Papierbahn und die vorhandene maschinelle Einrichtung erlaubt, auch höher
gewählt sein. Als Kreppapier dient Natron-Kreppapier mit 35 % Dehnung, einem Gewicht
von 130 g/m2 und einer Dicke vor der Kreppung von 0,23 mm. Es wird auf einer Maschine
so gewickelt, daß das Kreppapier sich um 5 bis 10-% in der Länge dehnt, bevor es
auf den Wickel gelangt. Dies erreicht man auf bekannte Art durch Bremsen der Vorratsrolle
auf der Wickelmaschine.
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Der so hergestellte Wickel wird in ein enganliegendes Metallrohr eingebaut,
das Rohr an einem Ende gut verschlossen. Am anderen Ende wird ein Eingußtrichter
von mindestens 1 1 Fassungsvermögen montiert. Der eingebaute Wickel wird in senkrechter
Lage mit dem Eingußtrichter nach oben in einen Vakuumofen gestellt und bei 110°
C etwa 8 Stunden unter Vakuum getrocknet, das Endvakuum beträgt 0,5 bis 1 Torr.
Ohne die Vakuumbehandlung zu unterbrechen, wird 11 des unten beschriebenen Imprägniergemisches
von 120°C rasch zugegeben, das Vakuum etwa 5 Minuten aufrechterhalten und dann der
Druckausgleich durch Einströmenlassen von trockener Luft in den Ofen hergestellt.
Gehärtet wird bei l20° C während 12 Stunden. Die Aushärtung könnte auch in einem
separaten Härtungsofen geschehen. Das Imprägniergemisch hat folgende Zusammensetzung:
100 Gewichtsteile Polyglycidyläther mit einem Epoxidäquivalentgewicht von
etwa 400, welcher durch Kondensation von Epichlorhydrin und Bis-(p-hydroxyphenyl)-dimethylmethan
(Bisphenol A) hergestellt wurde (Kunstharz); 30 Gewichtsteile Phthalsäureanhydrid
(Härter). Das Kunstharz wird auf l20° C erwärmt, der geschmolzene Härter von 130°
C zugegeben und gut gemischt.
Beispiel 2 Umhüllung eines geraden
zylindrischen Leiters Als Kreppapier dient eines mit folgenden Daten: 50 % Dehnung,
0,114 mm Dicke (gekreppt), Gewicht 40 g/m2, Zugfestigkeit 1,6 kg/cm.
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Das Papier wird gut getrocknet, in bekannter Weise in kontinuierlichem
Verfahren langsam durch ein Bad des Imprägniergemisches, gemäß unten angegebener
Zusammensetzung, gezogen, so daß die Papierbahn vom Eintauchen bis zum Verlassen
des Bades etwa 2 bis 4 Sekunden im Bad verbleibt, das überflüssige Imprägniergemisch
wird von der Papieroberfläche in bekannter Weise durch Abstreichen entfernt und
das Kreppapier wieder zu einer Rolle aufgewickelt. Das Wickeln auf dem elektrischen
Leiter erfolgt mit einem Wickelzug, der das Krepppapier vor dem Auflaufen auf den
Wickelkörper um etwa 25 % dehnt. Dabei ist der zu fertigende Wickelkörper drehbar
im Bad des Imprägniergemisches gemäß unten angegebener Zusammensetzung vollständig
eingetaucht. Anschließend wird der fertige Wickelkörper aus dem Bad herausgenommen,
bei 50° C langsam gehärtet (etwa 2 Stunden) und danach während 2 Stunden bei 100°
C nachgehärtet.
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Das Imprägniergemisch hat folgende Zusammensetzung: 100 Gewichtsteile
Polyglycidyläther mit einem Epoxidäquivalentgewicht von etwa 195,
welcher
durch Kondensation von Epichlorhydrinund Bis-(p-hydroxyphenol)-dimethylmethan (Bisphenol
A) hergestellt wurde; 100 Gewichtsteile bei Raumtemperatur flüssiges Gemisch von
Säureanhydriden; 1 Gewichtsteil Bencyldimethylamin. Beispiel 3 Isolierung des kreisförmigen
Teiles eines trockenisolierten Hochspannungs-Stromwandlers (die gerade Herausführung
der Primärleiter kann gemäß Beispiel 1 isoliert werden) Ein Torus aus Metall, z.
B. Aluminium, mit einem äußeren Durchmesser von 400 mm und einer Dicke von 70 mm
wird mit 30 mm breiten Bändern aus Kreppapier umwickelt, bis außen ein Papierauftrag
von 20 mm Dicke vorhanden ist. Als Kreppapier dient ein Natron-Kreppapier mit 30%
Dehnung, 80 g/m2 Gewicht, 0,15 mm Dicke im ungekreppten Zustand. Die Bänder werden
spiralförmig so aufgewickelt, daß das Papier 10 bis 1511/o gestreckt wird. Die Steigung
ist so gewählt, daß eine überlappung von einer halben Handbreite entsteht.
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Der mit dem Kreppapier umhüllte Torus wird in einem Gefäß unter Vakuum
von 0,5 bis 1 Torr bei 20 bis 30° C während 8 Stunden getrocknet. Dann wird unter
Vakuum bis zur guten Überdeckung des Torus Imprägnierharz zugegeben. Nach 5 Minuten
erfolgt der mit trockener Luft erzeugte Druckausgleich. Der imprägnierte Gegenstand
wird 1 Stunde später aus dem Harz genommen. Das Imprägniergemisch läßt man anschließend
bei Raumtemperatur gelieren und noch etwa 4 Stunden bei 50° C nachhärten. Das Imprägniergemisch
hat folgende Zusammensetzung: 100 Gewichtsteile Polyester aus ungesättigten Polycarbonsäuren
und Polyalkoholen, gemischt mit 30 Gewichtsprozent Styrol, Viskosität bei 25° C
2000 cP; 0,5 Gewichtsteile einer 50o/oigen Lösung von Methyläthylketonperoxid in
Dimethylphthalat; 0,01 Gewichtsteil Co-Metall als Kobaltnaphtenat.