-
Porenfreie elektrische Einrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine porenfreie elektrische Einrichtung.
-
Bei elektrischen Geräten, die mit einem dielektrischen Material imprägniert
worden sind, besteht eine große Schwierigkeit darin; die Bildung von Rissen oder
Poren in dem Gerät zu vermeiden. Diese Risse oder Poren rund um die elektrischen
Geräte oder in deren Nähe können zu elektrischen Kurzschlüssen des Gerätes führen.
Ist zur Imprägnierung des Gerätes ein Polymer verwendet, so bilden sich die Risse
oder Poren aufgrund des Schrumpfens des Polymers und des Unterschiedes in dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Polymer und dem elektrischen Gerät. Thermoplastische
Materialien, die gegendber den elektrischen
Geräten unterschiedliche
Schrumpfungseigenschaften haben, brechen und lassen somit Poren in dem dielektrischen
Material zurück.
-
In einigen Fällen wurde das Gerät mit einem öl imprägniert und dann
in einem festen Kunststoffgehäuse aus einem Stück eingeschlossen. Die flüssige Eigenschaft
des Imprägniermittels führte zu einer gewissen Menge von Verlust oder Leck und die
Folge davon war die Bildung von sehr unangenehmen Poren in dem Gerät, das in dem
Gehäuse eingeschlossen Ware Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle diese
Nachteile zu vermeiden.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein
porösen elektrisch empfindliches Element, durch ein thixotropisches dielektrisches
Material, das die Zwischenräume des Elements vollständig ausfüllt, und durch einen
Überzug aus halbsteifem Material, das die Außenfläche dea Elements bedeckt und so
das thixotropische dialektriache Material in den Zwischenräumen des Elements hält.
-
Die erfindungsgemäße Lehre hat viele und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten.
Sie ist insbesondere für Fälle geeignet, wo das einzukapselnde Gerät ein poröses
elektrisch empfindliches Element wie beispielsweise ein Kondensator, ein Widerstand
oder eine Kornspulenanordnung eines Hochspannungstransformators ist, die mit einem
dielektrischen Material imprägniert sind. Dies wird durch Imprägnierung des
elektrischen
Elements, ganz gleich, ob poröser Kern oder poröse Spule, mit einem dielektrischen
Material ersielt, das thixotropische Eigenschaften bat oder thixotropisch ist. Dieses
Material wird gewöhnlich in einem Vakuumverfahren imprägniert, und es erfordert
wegen seiner thixotropischen Eigenschaften keine äußere Abdeckung oder Form, um
es nach dem Imprägnieren in dem elektrischen Gerät zu halten. Das imprägnierte Gerät
kann dann in einem Überzug eingeschlossen werden, indem es entweder in ein Kunststoffmaterial
eingetaucht oder damit besprllht wird. Das dielektrische Material füllt dann daß
Innere des Gehäuses im wesentlichen vollständig aus. Das dielektrische Material
kann dann in Hinblick auf irgendeine besondere Klimabedingung auagewählt werden.
Die Erfindung ist insbesondere bei porösen elektrischen Geräten ndtzlicb, die normalerweise
ölgefttllt und in einem metallenen Schutztank gekapselt sind. Das gesamte Gerät
kann vollständig in der halbsteifen Haut eingekapselt sein, so daß die Menge von
dielektrischem Material gering gehalten ist, die zur Isolation erforderlich ist.
-
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert
werden.
-
Fig. 1 zeigt teilweiae geschnitten ein unbehandeltes Teil eines elektriscbenGerätes
in Form einer Kernspulenanordnung, Fig. 2 zeigt schematisch einen temperaturgeregelten
Tank,
der mit einem verflüssigten, inerten, puderförmigen anorganischen Material gefüllt
ist, in den die imprägnierte Kernspulenanordnung eingeführt ist, um das imprägnierte
Gerät mit einem Überzug des Materials zu versehen, Fig. S ist eine vergrößerte Ansicht
des eingekreisten Teiles in Fig. 2 und zeigt, wie das thixotropische Material die
Zwischenräume der Spule ausfüllt, und zeigt außerdem den Oberflächenüberzug des
puderförmigen anorganischen Materials, Fig. 4 zeigt schematisch die gleichmäßige
Dicke des Überzuges, der durch das Verfahren mit verflüssigtem Bad aufgebracht ist,
Fig. 5 zeigt schematisch den ungleichförmigen Überzug, wie er sich bei berkömmlichen
Verfahren ergab, Fig. 6 zeigt schematisch einen Tank, der verfldssigtes Kunststoffmaterial
enthält, in das die imprägnierte, überzogene Kernspulenanordnung eingeftihrt ist,
um einen Überzug oder eine Beschichtung aus Kunststoffmaterial aufzubringen und
so das Gerät zu kapseln und abzudichten, Fig. 7 zeigt vergrößert den eingekreisten
Teil der
Fig. 6 und läßt den schützenden Überzug aus Kunststoff
erkennen, der zu dessen Einkapselung und Abdichtung aufgebracht ist, und Fig. 8
zeigt eine vollständig gekapselte Kernspulenanordnung.
-
Bevor in die genaue Beschreibung des vorliegenden gekapselten elektrischen
Elements eingetreten wird, das die Lehre gemäß der Erfindung anwendet, erscheint
eine Definition einiger der gebrauchten AusdrUcke zweckmäßig, um den Umfang der
vorliegenden Erfindung klarzustellen.
-
Der Ausdruck "thixotropisches dielektrisches Materialn, der hier
verwendet wird, bezieht sich auf irgendein dielektrisches Material, das eine Fließwirkung
ermöglicht, ohne entweder eine permanent feste oder eine freilaufende tropfenbildende
Konsistenz zu erreichen. Solche Materialien sind z.B. Isopropylen, Polyphenyl, Polyphenyläther
und dergleichen, die mit einem passenden Geliermittel behandelt sind, um sie thixotropisch
zu machen. Die elektrischen Naterialien, die nicht thixotropisch sind, können ebenfalls
mit einbezogen sein, wenn sie hohe Viskositäten halben, die sich mit der Temperatur
ändern. Kohlenwasserstoff, Äther, halogenisierte Kohlenwasserstoffe usw. können
so lange ver-' wendet werden, wie sie im Betriebsbereich oberhalb 0° C einen flüssigen
Zustand haben. Monomere und newtonsche Fltissigkeiten können ebenfalls unter gewissen
emperaturbedingungen
verwendet werden. Es sei außerdem darauf hingewiesen,
daß die Imprägniermittel bei Temperaturen unter halb des Schmelzpunktes nicht kristallin
sind.
-
Der Ausdruck "puderförmige anorganische inerte Materialien" bezeichnet
Materialien wie beispielsweise Quarzsand, Diatomeenerde, Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd
und entsprechende Materialien.
-
Der Ausdruck "Kunststoffe" bezeichnet hier Kunststoffe, die thermoplastische
oder thermohärtende Eigenschaften haben.
-
Der Ausdruck "fluidisierte Kunststoffe" bezeichnet Epoxyde, Urethane,
Zellulosen und entsprechende Materialien im Fließbettzustand.
-
Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
die in Verbindung mit einem porösen elektrisch empfindlichen Element verwendet ist,
und zwar in Form einer Kernspulenanordnung eines Hochspannungstransformators der
Bauart, die nicht in einem Körper aus dielektrischem Fluidum untergetaucht zu sein
braucht, das sich in einem sohtitzenden Metalltank beiindet.
-
Frühere Versuche zur Herstellung eines Hochspannungstransformators
für Außenaufstellung, der keine Kernspulenanordnung verwendet, die in einer dielektrischen
Flüssigkeit Innerhalb eines schützenden Metalltanks untergetaucht ist, haben nicht
su vollständig befriedigenden Ergebnissen geführt.
Einer der früheren
Versuche bezog sich auf das Imprägnieren der Kernspulenanordnung eines Transformators
mit einem härtbaren Kunststoff, um eine Kunststoffhülle su bilden. wegen der Unterschiede
der thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien und der vielen Temperaturänderungen
treten häufig zerstörende Spannungen auf, die zu einer frühzeitigen Ermüdung und
zu einem frünzeitigen Ausfall führten, der durch einen elektrischen Kurzschluß aufgrund
von sich ergebenden Rissen in dem Gußmaterial verursacht wurde. Ein mehr spezifisches
Problem bei diesen Geräten liegt in der Häufigkeit, mit der auftretende Impulse
aufgrund von Blitzen oder Schaltungen zu heftigen Zerst8rungen des Gerätes fUhren.
-
Der wesentliche Grund fttr das lange Anhängen an der Technik der
berkümmlichen Tanktransformatoren fftr Außenanlagen lag in den schützenden Eigenschaften
des Netalltanks im Zusammenhang mit dem großen ölvolumen, das emperaturänderungen
in dem Transformator kompensierte.
-
Der erste Schritt bei der Durchfllhrung der Erfindung besteht in
einer passenden Trocknung und Imprägnierung des elektrischen Gerätes, das im Ausftlhrungsbeispiel
als Kernspulenanordnung 10 gezeigt ist, und zwar durch Vakuum oder andere passende
Verfahren und durch Imprägnieren vorzugsweise mit einem tbitotropischee Material
11, um so die Poren in den Zwischenräumen des Gerätes zu eliminieren.
-
Dieser Schritt ist bekannt und wird dadurch durchgeführt,
daß
das elektrische Gerät erhitzt und in einem Autoklaven einem Vakuum unterworfen wird.
Nach dem Trocknen wird das elektrische Gerät noch im Vakuum mit einem Imprägniermittel
imprägniert, das sich noeb im fitissigen Zustand befindet.
-
Die Oberfläche der imprägnierten Anordnung wird dann erhitzt, und
zwar in irgendeiner passenden Weise, um das nachfolgende Überziehen oder Einkapseln
zu erleichtern. Bei der dargestellten AusfUhrungsform wird die imprägnierte Anordnung
dadurch erhitzt, daß sie in einen Tank getaucht wird, der schematisch in Fig. 2
gezeigt ist und der heißes, fluidisiertes, fein pulverisiertes anorganisches Material
12 enthält, mit dem Ergebnis, daß eine Schicht des Materials an der gesamten Oberfläche
der imprägnierten Anordnung anhaftet.
-
Die erhitzte und überzogene Anordnung wird dann aus dem Tank herausgezogen,
der das weiße puderförmige inerte anorganische Material enthält, und sofort in einen
schematisch in Fig. 6 gezeigten Tank untergetaucht, der eine Wirbelschicht aus pudrigem
Kunststoff 13 mit thermoplastischen Eigenschaften und der Fähigkeit enthält, an
der erhitzten überzogenen Anordnung anzuschmelzen und so einen Überzung aus zu Kunststoff
zum Zwecke der Abdichtung und Einkapselung/bilden.
-
Die gekapselte Anordnung kann weiter verarbeitet werden, indem sie
abwechselnd in den Tank getaucht wird, der heißes fluidisiertes puderförmiges anorganisches
Material
enthält, und in den Tank, der fluidisierten Kunststoff
enthält, bis die aufeinanderfolgenden ÜberzUge die gewllnschte Dicke erreicht haben,
so daß eine Kapsel gebildet ist, die die thixotrop imprägnierte Spulenanordnung
einkapselt. Die Natur des Kunststoffes ist so beschaffen, daß der endgEltige Überzug,
der in engem Kontakt mit der linprägnierten Spulenanordnung gebildet ist, eine halbsteife
Form und auareichende elastische Eigenschaften hat, um die Bildung von Brüchen,
Rissen oder Poren zu verhindern, die sonst durch Polymerisation, falsche Behandlung
oder mechanische Beanspruchungen aufgrund entweder einer Expansion oder einer Schrumpfung
bei Durchlaufen von Wärmezyklen verursacht würden.
-
Ist für den kapselnden Überzug eine zusätzliche Festigkeit erforderlich,
so kann dies durch das Hinzuftigen irgendeines passenden Materials wie beispielsweise
Glasfaser oder Blattglimmer erzielt werden, welche dem Übersugsmaterial zugesetzt
werden.
-
Es können auch irgendwelche passenden Sprüh- oder Tauchmittel verwendet
werden, um das Aufbringen des Überzugsmaterials auf das imprägnierte poröse elektrisch
empfindliche Element zu bewirken.
-
Einer der grundlegenden Vorteile ist der, daß das imprägnierte Element
oder Bauteil ohne eine Gießform Uberzogen werden kann und die sich ergebende Gleichmäßigkeit
in
der Dicke des überzuges des Gerätes. Es sind keine Aufträge des Kunststoffes größerer
Stärke oder Verdickungen auf dem Gerät vorhanden. Der Überzug muß eine gewisse Flexibilität
haben, um der Ausdehnung und Zusammenziehung des Imprägniermittels bei Temperaturänderungen
nachgeben zu können. Ist der Überzug nicht gleichmäßig, so besteht bei dem Überzug
eine größere Neigung zum Reißen oder Breeben in den Bezirken, in denen der Überug
dicker oder massiver ist.
-
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wurde eine Kersnpulenanordnung fr einen Transformator mit den Auschlußleitungen
und Klemmen versehen, die mit einem Klebband abgedeckt wurden, um sie während des
weiteren Arbeitsganges frei von Imprägniermitteln zu halten.
-
Die Anordnung wurde dann einem Vakuumtrocknungsverfahren unterworfen,
wobei zunächst die Spule und der Kern auf eine Temperatur von 150°F bis 450°F (65°C
bis 250°C) je nach dem verwendeten Isoliersystem erhitzt wurden. Nach dem Erbitzen
wird die Anordnung in einem Autoklaven einem Vakuum unterworfen, bis ein absoluter
Druck von 5 mm Hg oder darunter erreicht ist. Sie wird dann mit einem Material imprägniert,
daß sich im Fließzustand befindet. Dies geschieht, während sich der trockene Kern
und die Spule noch im Vakuum befinden.
-
Als Imprägniermittel verwendete Materialien müssen
elektrisch
isolierende Eigenschaften haben und im flüssigen Zustand innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches
der Anordnung, d.h. 0°C, verbleiben. Diese Materialien sollten nicht kristallin
sein bei Temperaturen unter ihrem Scbmelzpunkt.
-
Materialien, die sich als Imprägniermittel passend erwiesen haben,
sind Kohlenwasserstoffe, Äther, halogenivierte Kohlenwasserstoffe usw. Diese Materialien
können thixotropisch gemacht sein, so daß sie in den Zwischenräumen der Eernspulenanorduung
nach der Imprägnierung verbleiben. Es können auch andere Materialien als Imprägniermittel
verwendet werden, nämlich Monomere, die in einen permanent gelierten Zustand nach
der Imprägnierung polymerisiert sind.
-
Es ist außerdem möglich, Newtonsche Flüssigkeiten als Imprägniermittel
zu verwenden, die bei Temperaturen unter OOC waschsartig werden. Der Überzug oder
die Beschichtung des Kunststoffmaterials kann dann bei niedriger Temperatur auf
diese äußere Oberfläche der Anordnung aufgebracht werden.
-
Nachfolgend sind typische Beispiele der zuvor besohriebenen Verfahren
angegeben.
-
Beispiel 1 Thixotropisches Imprägniermittel, überzogen mit Kunststoff
durch eine Wirbelschicht
Die Kernspulenanodnung, die eingekapselt
werden aoll, wird zunächst unter Wärme und Vakuum getrocknet. Während sich das unter
Wärme getrocknete Teil noch im Vakuum befindet, wird vorgetrocknete und entgaste
thixotropische Isolierfltissigkeit auf eine Temperatur von ungefähr 300°F bis 400°F
(150°C bis 20000) gebracht und in die Imprägnierkammer geleitet. Es wurde gefunden,
daß ein thermisch stabiles Kohlenwasserstofföl mit einem Gefrierpunkt von ungefähr
000 und einem niedrigen Dampfdruck bei 2000C ein gutes Imprägniermittel fUr die
Kernspulenanordnung darstellt.
-
Dieses öl ist selbst bei dieser Temperatur thixotropisch gemacht,
indem ungefähr 5 * "CAB-O-SIL" hinzugegeben sind, das von der Firma Cabot Corp.,
Boston, hergestellt wird.
-
"CAB-O-SIL" ist ein pyrogenes Siiziumoxyd mit einer extrem geringen
Partikelgröße. Es wird als eine Substanz angesehen, die 99,8 % Siliziumoxyd enthält.
Nachdem die Anordnung imprägniert, der Überschuß abgeblasen und die Klemmen von
dem Klebband befreit sind, wird die Einheit in ein heißes Wirbelbett (bei ungefähr
200°C) aus Siliziumoxyd eingetaucht, um es auf eine Oberflächentempertur von mehr
als 1800C zu bringen. Danach wird das Bauteil in ein Wirbelbett von Epoxydbarz getaucht.
Dies bildet den ersten dichten Überzug über die imprägnierte Anordnung. Zur Aushärtung
und zur Bildung zusätzlicher Überzüge zur Vergrößerung der Dicke wird die Einheit
wieder in dem heißen Siliziumoxydbett
erhitzt und wieder in das
Epoxydharzbett getaucht. Bei jedem Eintauchen haftet das Siliziumoxyd an dem Epoxydharzüberzug
und füllt diesen aus. ias erhöht die Festigkeit des Überzuges oder der Hülle und
verbessert auch die thermische Leitfähigkeit des Überzuges. Bei jedem Tauchzyklus
(Siliziumoxyd und Epoxydharz) wird ein zusätzlicher Überzug von 20 bis 40 p aufgebracht.
-
Beispiel 2 Monomeres Imprägniermittel, das bei Polymerisation ein
Gel bildet Es wird eine Imprägniermethode angewendet, wie sie oben beschrieben ist,
oder irgendein anderes Vakuumtrocknungs- oder Imprkgniervertahren. Eine Kernspulenanordnung
wird behandelt und imprägniert mit einem Monomer, das mit einem Härter aktiviert
ist. Ein Material ähnlich dem "dielektrischen Geln, das von der Firma Dow Corning
hergestellt wird, hat die erforderlichen dielektrischen Eigenschaften. "Dielektrisches
Gel" ist ein Siliziumtöpfereimaterial, das von der Firma Dow Corning unter dem Handelsnamen
wSylgardn verkauft wird. Nach Imprägnierung wird das Bauteil entfernt und die Flüssigkeit
verfestigt. Dieses Verfestigen kann durch Zuführung von Wärme beschleunigt werden,
Jedoch ist das nicht erforderlich, wenn ausreichend Wärme während des Imprägnierzyklus
in dem Bauteil verblie-. ben ist.
-
ÜberschUssiges dielektrisches Gel kann unmittelbar vor der Herstellung
des äußeren schützenden Überzuges entfernt werden. Dieser Überzug kann aus einer
Anzahl von Materialien bestehen und in der verschiedensten Art und Weise hergestellt
werden. Es kann eine Polyester-Glasschichtung durch ein kombiniertes SprUhverfahren
hergestellt werden, wie es heutzutage von Bootsbauern angewendet wird. Dieses Verfahren
ist in der Industrie bekannt, die sich mit dem Aufbringen von Schichten in dem Niederdruck
befaßt.
-
Beispiel 3 Newtonsche Flüssigkeiten, die Verfestigungspunkte bei
10°C oder darunter haben und bis herab zu 400C wachaartig (nicht kristallin) sind.
-
Materialien wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Äther, Siliziumoxyde,
die nicht thixotropisch gemacht sind, können in die Kernspulenanordnung imprägniert
und porenfrei unter Berücksichtigung des folgenden Verfahrens verarbeitet werden.
-
Der elektrische Bauteil wird getrocknet und in der zuvor beschriebenen
Weise mit einer Newtonschen Flüssigkeit imprägniert. Es wird dann bis auf einen
Punkt abgekühlt, bei dem das Imprägniermittel zu einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität
wird. Jetzt wird die Kornspulenanordnung aus dem Imprägnierautoklaven herausgezogen.
Es kann heiße Luft
auf die Oberfläche des imprägnierten Bauteiles
gerichtet werden, um irgendein überschüssiges Imprägniermittel zu entfernen, das
sich auf der Oberfläche des Bauteiles angesammelt haben mag.
-
Das Bauteil wird in ein Bad mit einer Flüssigkeit hoher Dichte abgesenkt,
die auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt worden ist. Als Kühlmittel fllr
die tiefe Temperatur können Materialien wie Kohlenstofftetrachlorid, Tetrachloroäthylen
und sogar Quecksilber verwendet werden. Um zu verhindern, daß die Imprägnierflüssigkeit
während dieses Vorganges verunreinigt wird, kann ein Film aus Polyäthylen zwischengelegt
werden, wenn das Bauteil in das Kühlmittel abgesenkt wird. Nachdem das gesamte Bauteil
abgekühlt und die newtonsohe Flüssigkeit erhärtet ist, wird das Bauteil mit dem
Polyäthylenfilm entfernt und für das sofortige Ein kapseln mit einem hochaktivierten
Kunstharz vorbereitet.
-
Gewnnsobtenfalls kann das imprägnierte Bauteil mit Blei anstelle von
Kunstharz überzogen werden. Nach der Imprägnierung sollte das Bauteil gekühlt und
dann in ein Bad mit geschmolzenem Blei getaucht werden. Das Blei setzt sich auf
der äußeren Fläche des Bauteiles ab und bildet so einen Schutzüberzug.
-
Aus der vorhergehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ergibt
sich, daß ein verbessertes gekapseltes elektrisches Bauteil geschaffen worden ist,
das iür Anwendungsfälle
geeignet ist, bei denen es den verschiedensten
schwierigen atmosphärischen oder Wetterbedingungen ausgesetst ist.
-
Einer der bemerkenswerten Vorteile der vorliegenden Erfindung ergibt
sich bei der Anwendung bei einem Hochapannungsnetztransformator. Der Vorteil besteht
darin, daß die gekapselte Kernspulenanordnung nicht in einen schütenden Metalltank
untergetaucht zu werden braucht, der eine dielektrische Fldæsigkeit enthält.
-
Ein anderer bemerkenswerter Vorteil besteht darin, daß der kapselnde
Überzug von nachgiebiger Natur ist und das elektrische Gerät oder Bauteil dicht
abschließt, während es außerdem einen schiitzenden Überzug darstellt, der die Gefahr
von Beschädigungen verringert.
-
Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil ergibt sich aus der Verwendung
eines tbixotropen Materials zur Imprägnierung des porösen elektrisch empfindlichen
Teiles, um die Bildung von Poren in dem Bauteil zu vermeiden, die in der Vergangenheit
die häufigste Ursache für elektrische Ausfälle des Bauteiles waren.
-
Schließlich besteht auch ein bemerkenswerter Vorteil in der Verwendung
eines thixotropen Materials als Imprägniermittel, das aufgrund seiner innewohnenden
Eigenschaften sein Verbleiben in dem imprägnierten Bauteil sicherstellt, gleichzeitig
die Möglichkeit der Bildung von Poren in dem
Bauteil durch seinen
Verlust ausschließt.
-
Bei dem gekapselten Bauteil oder elektrischem Gerät besteht ein weiterer
Vorteil in der Tatsache, daß die Konturen des Übersuges mit denen des Gerätes oder
Bauteiles Ubereinstimmen und keine verschieden geformten Gießformen entsprechend
den verschiedenen Abmessungen und Pormen der elektrischen Bauteile und Geräte eriordern.