DE2206528C3

DE2206528C3 - Elektrische Isolierung für Hochspannungswicklungen, insbesondere für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE2206528C3
Application number: DE19722206528
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.; Schindelmeiser Fritz; 3503 Lohfelden; Saure Manfred Dr. 3500 Kassel Jagusch
Original assignee: AEG Isolier- und Kunststoff GmbH, 3500 Kassel; Licentia Patent-Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1977-01-20

Description

Um die obengenannten relativ aufwendigen Verfahren — Vakuumimprägnierverfahren oder Bügel-

Die Erfindung bezieht sich auf eine kriechstrom- verfahren — zu umgehen, werden heute verschiedentfeste, elektrische Isolierung auf Glimmerbasis für 35 lieh mit bei Raumtemperatur flüssigen Harzen vor-Hochspannungswicklunjen, insbesondere für elek- imprägnierte Feinglimmerbänder eingesetzt, die bei trische Maschinen der Wärmeklasse F. Raumtemperatur aufgebracht werden. Die beim Auf-

Um Glimmentladungen im Inneren der Isolierung wickeln dieser Bänder eingebrachten Luftblasen laszu vermeiden, ist vor illem im Nutteil eine weit- sen sich beim späteren Pressen und Aushärten jedoch gehende Hohlraumfreihi:it erforderlich. Das erreicht 40 nur unvollständig austreiben. Da außerdem ähnliche man heute allgemein dirch Anwendung von imprä- Harze wie bei der Vakuumimprägnierung eingesetzt gnierbaren Feinglimmer bändern und Vakuumimprä- werden müssen, sind die tan-ό- Werte in der Wärme gnierung mit lösungsmi :telfreien Epoxid- bzw. von ungünstig. Nachteilig bei diesen Materialien ist außer-Harzen auf Basis von ungesättigten Polyestern oder dem, bedingt durch die relativ geringen Topfzeiten durch Einsatz vorimprignierter, mit einem Binde- 45 der Harze, die ungenügende Lagerfähigkeit der Matemittelüberschuß (aufschmelzbar) versehener Breit- rialien. Selbst bei Lagerungstemperaturen rglO°C folien unter Anwendung einer speziellen Umbüge- kommt man nur zu Lagerfähigkeiten von höchstens lungsvorrichtung. Mit Hilfe des zuletzt genannten 3 Monaten.

Verfahrens ist es möglich, zu Isolierungen zu korn- Durch die relativ niedrige Wärmeformbeständigkeit

men, die den durch Vakuumimprägnierung von Fein- 5° der Harze bei den oben beschriebenen Verfahren ist glimmer-Bandisolationen hergestellten in bezug auf es allgemein notwendig, nach dem Aushärten der Iso-Hohlraumfreiheit bzw. tan-rVAnstiege vollkommen lation die Spulen vor dem Herausnehmen aus der gleichwertig sind. Presse bis fast auf Raumtemperatur abzukühlen.

Nachteilig bei den genannten Verfahren ist der je- Hierdurch kommt es zu relativ langen Verweilzeiten weils erforderliche groß: apparative· Aufwand. Bei 55 in den Pressen.

dem Vakuumimprägnier/erfahren sind große Harz- Das Aufbringen der Isolation nach den vorgenann-

vorrats- sowie Vakuumimprägnierbehälter erforder- ten Verfahren wird mit zunehmender Folium- bzw. lieh. Bandstärke wirtschaftlicher; jedoch werden bei den

Bei dem genannten Umhüllungsverfahren ist eine heute üblichen vorimprägnierten Materialien nur relativ aufwendige heizbar.· Umbügeiungsmulde not- 6° m²-Gewichte bis maximal 300 g erreicht. Das liegt wendig. an der relativ schlechten Imprägnierbarkeit der ver-

Bei den für die Vak jiimirnprägnicrung von im- wendeten Feinglimmerpapiere mit teilkalziniertem prägnierbaren Feinglinii urbändem verwendeten Glimmer, wie er z.B. als Samica, Remika oder RE-Harzen müssen genügend niedrige Viskositäten und CONSTITtHED-MICA im Handel erhältlich ist. einigermaßen vertretbare Topfzeiten erreicht werden. 65 Außerdem wird es mit zunehmendem m²-Gewicht Hierdurch bedingt haben die gebräuchlichen Harze des Isoliermaterials bei Verwendung von teilkalzinieraber relativ hohe tan-Λ-Werte in der Wärme. Es wird tem Feinglimmer schwieriger, die Lösungsmittel aus heute angestrebt, bei der 1 .aximalen Temperatur der diesen Mikafolien auszutreiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Jcriechstromfeste glimmerhaltige vorimprägnierte Hochspannungsisolation für Maschinen der Wärme-Hasse F zu entwickeln, die sich unter Verwendung einfachster Hilfsmittel bei Raumtemperatur hohlraumfrei als vorimprägnierte Breitfolien oder Bänder auf vor- oder nichtvorverfestigte Leiterbündel aufbringen läßt. Für die Herstellung der Isolation sollen Materialien verwendet werden, die bei Temperaturen <; 25° C als Breitfolie oder Band eine Lagerfähigkeit von mindestens 12 Monaten besitzen und sich mit einem m²-Gewicht über 400 g verarbeiten lassen und eine Isolation ergeben, die einen tan-^-Wert bei 155° C unter 5O°/oo und geringe tan-fV-Anstiege aufweist. Die isolierten Spulen sollen sich nach dem Aushärten in einer Warmpresse bei Temperaturen über 150° C ausbauen lassen, um eine Pressenzeit weitgehend einsparen zu können (um die Verweilzeit in der Presse möglichst abkürzen zu können).

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.

Für das Bindemittel kann beispielsweise folgende Zusammensetzung Anwendung finden:

35 bis 45 Gewichtsteile cycloaliphatisches Epoxidharz auf Acetalbasis, das mit einem Anhydridhärter im Unterschuß präkondensiert wurde und ein Epoxid-Äquivalentgewicht von etwa 215 mit einer Viskosität bei 120⁰C von etwa 1100 ± 500 cP aufweist, 8 bis 10 Gewichtsteile cycloaliphatisches Epoxidharz auf Carboxylatbasis mit einem Epoxid-Äquivalentgewicht von etwa 140 und einer Viskosität bei 20 ' C von etwa 800 cP, 1 Gewichtsteil BF₃-Triäthanolaminaddukt. Zum Vorimprägnieren der Feinglimmerfolien wird das Bindemittel mit einer Mischung aus 40 Teilen Äthanol und 9 Teilen Methanol verdünnt. Es können auch andere niedrigsiedende Lösungsmittel hierfür Anwendung finden.

Ein Breitmikafolium oder hieraus hergestellte Bänder weisen etwa folgende Zusammensetzung auf: etwa 250 g/m² Muskovit-Feinglimmer (im Handel

als Cogemika erhältlich), etwa 43 g/m² Glasseidengewebe als Träger, etwa 160 g/m- lösungsmittelfreies Bindemittel. Das Isoliermaterial nach der Erfindung weist also ein Gesamtquadratmetergewicht von etwa 453 g auf. Die Isolierbänder enthalten nur etwa 35 Gewichtsprozent Bindemittel, bezogen auf das gesamte Isoliermaterial. Hierdurch sowie durch Verwendung von nichtkalziniertem Feinglimmer wird das Entfernen der Restlösungsmittel im Vergleich zu den bisher bekannten Mikafolien mit 40 bis 45 ⁰Zo Bindemittel grundlegend erleichtert. Das gilt auch für Mikafolien mit m²-Gewichten über 400 g.

Die Lösungsmittel werden bei der Herstellung des Breitfoliums so weit ausgetrieben, bis der Anteil an flüchtigen Bestandteilen — Gewichtsdifferenz vor und nach einer 5minütigen Behandlung in einem Umluftofen bei 15O⁰C -- < 1,5⁰O, bezogen auf das Gesamtmaterial, beträgt.

Isolierbänder mit einer B ncemittelkombination aus Epoxidharz auf Bisphenoll>aMs und cycloaliphatischen Polyepoxidverbindungei waren bekannt; ihre Verwendung führt zu Isolationer, die bezüglich der Wärmeklasse B zugeordnet werden können, außerdem wird dabei nur eine Kriechst romfestigkeit von KA2 nach DIN 53 480 erzielt.

Es ist auch bekannt, für andere Zwecke EP-Harz/ Härter-Systeme zu verwenden, bei denen ein cycloaliphatisches EP-Harz mit einem Härter vorvernetzt wird, das dann später nach weiterem Härterzusatz zu unschmelzbaren Polymeren ausgehärtet wird.

Es hat sich in der Praxis als schwierig erwiesen, Präkondensate aus cycloaliphatischen Epoxidverbindungen mit einem Unterschuß an Anhydridhärter und nachträglichem Zusatz eines Härters aus der Klasse der BF₃-Amin-Addukte zu einer solchen Konsistenz bei Raumtemperatur zu führen, die hinsichtlich der gewünschten Geschmeidigkeit und Klebfähigkeit des Isolierbandes mit genügender Sicherheit reproduziert werden kann.

Bei den bekannten Präkondensaten ist die Lagerfähigkeit relativ stark begrenzt, da damit gerechnet werden muß, daß das Präkondensat mit dem Härtungsmittel auf BF₃-A.min-Basis auch bei Raumtemperatur reagiert und dadurch die Viskosität unerwünscht ansteigt.

Diese Nachteile werden nach der Erfindung dadurch weitgehend vermieden, daß Präkondensate der genannten Art verwendet werden, die einen Zusatz eines niedrigviskocen cycloaliphatischen Epoxidharzes enthalten, welches gegenüber dem Härtungsmittel auf BF₃-Amin-Basis weniger reaktiv ist als das Präkondensat, so daß ein Anstieg der Viskosität der Bindemitl°lmischung in weiten Grenzen zurückgehalten werden kann.

Wie Versuche ergeben haben, braucht z. B. bei der Bindemittelmischung für das Isolierband bei einer Verdoppelung der Viskosität des Präkondensats durch den erfindungsgemäßen Zusatz des niedrigviskosen Epoxidharzes nur mit einer Viskositätserhöhung gerechnet zu werden, die lediglich 10" Ό der Ausgangsviskosität beträgt.

Somit kommt dem Zusatz des niedrigviskosen Epoxidharzes eine Viskositätsstabilisierende Wirkung zu, d. h., die Lagerfähigkeit kann auf diesem Wege erheblich verbessert werden, ohne daß die Reaktivitätsbereitschaft bei der Härtungsreaktion bei höheren Temperaturen dadurch beeinflußt wird. Derartige Materialien besitzen eine Lagerfähigkeit bei <Ξ 25" C von über 12 Monaten.

Schließlich wird auch durch den Zusatz des niedrigviskosen Epoxidharzes nach der Härtung die Wärmeformbeständigkeit des Bindeharzes nicht nachteilig beeinflußt. Damit wird aber in dielektrischer Hinsicht ein erst bei Temperaturen oberhalb 150° C beginnender Anstiegsbereich des Verlustfaktors tan δ erreicht, was für den technischen Wert der aus solchen Isolierbändern hergestellten Isolation von erhöhter Bedeutung ist.

Für die Herstellung der Mischung des Harzbindemiltels können an sich bekannte Präkondensate Anwendung finden, die z. B. durch Umsetzung von Diepoxiden der vorliegenden Formel

CH₂

CH₂-O

CH,

CH C, CH-CH HC

I CH₁-O '

CH CH₂

CH₂

CH₂ HC CH₂

5 I 6

mit Hexahydrophthalsäureanhydrid im Gewichtsver- vollständig ausgehärtet. Ein Nachtempern ist nicht

hältnis von etwa 100 : 5 hergestellt werden. erforderlich.

Dabei werden die im Beispiel genannten Werte für So hergestellte Isolationen zeigen folgende Eigenaas Epoxidäquivalentgewicht und für die Viskosität schaftswerte,
erhalten. 5

. Als niedrigviskose Zusatzkomponente für die Harz- 1. tan ό bei 130° C etwa 10 °/oo,

mischung kann z.B. das an sich b-kannte cycloali- 2. tan ό bei 155° C etwa30°/oo,

pbatische Harz der folgenden Formel Anwendung 3. tan ό bei 175° C etwa 60 %o,

finden 4. Kurzzeit-Durchschlagspannung ^> 40 kV/mm,

so 5. Grenztemperatur gemäß VDE: 165° C.

^X -CH₂-O-C- .

_ ι „ Bei einer Isolierung entsprechend einer Betnebs-

Q feldstärke von 2,5 kV/mm lassen sich bei Raumtemperatur mittlere tan ό-Anstiege zwischen 0,2 und

₁₅ 0,6 U_n, zwischen 0 und O,2°/oo/O,2 U_n erreichen. Die

Im genannten Beispiel sind die Werte für dieses tan ό-Werte bei 0,2 U_n liegen um 8 °/oo.

Epoxidharz hinsichtlich des Epoxidäquivalentgewich- Die Kriechstromfestigkeit der ausgehärteten Iso-

tes nnd der Viskosität gekennzeichnet worden. lation beträgt KA 3 c gemäß DIN 53 480.

Aus der Gruppe der BF₃-Amin-Addukte hat sich Mit der vorliegenden Erfindung wird die Herstel-

als vorteilhaft BF₃-Triäthanolamin erwiesen, das hin- 20 lung einer kriechstromfesten Klasse-F-Hochspan-

sichtlich Löslichkeit im Harzgemisch, der Lagerfähig- nungsisolation ermöglicht, welche ohne besondere

keit bei Raumtemperatur und der Reaktivität bei der Umbügelungseinrichtung und ohne Vakuumimprä-

Härtungstemperatur günstige Voraussetzungen für gnieranlagen hergestellt werden kann, aber dennoch

die Verarbeitung des Isolierbandes bietet. niedrige tan ό-Anstiege gewährleistet. Außerdem zei-

Das Mikafolium kann durch Aufbringen in Band- 35 gen derartig hergestellte Isolationen äußerst geringe

form von Hand bzw. maschinell oder als Breitfolium tan ό-Werte in der Wärme. Durch die Anwendung

mit Hilfe eines Rohres bei Raumtemperatur stramm eines mit Harz imprägnierten Glimmerisoliermate-

auf den zu isolierenden Nutteil von Spulen aufge- rials mit einem m²-Gewicht nach der Erfindung wird

bracht werden. Pro cm³ Isolationsvolumen sind hier- eine weitere Rationalisierung für die Fertigung er-

für 1,95 bis 2,05 g erforderlich. Anschließend wird 30 zielt.

die Spule in eine heizbare Spulenpresse eingelegt und Während bei Anwendung von vorimprägnierten

mit einem leichten Kontaktdruck bis auf etwa 80° C Isolierbändern bisher ein verhältnismäßig großer Bin-

erwärmt. Dann ist Volldruck von etwa 25 kg/cm² auf- demittelanteil von etwa 40 bis 45 Gewichtsprozent

zubringen, auf 160 oder 180 bis 190⁰C zu erwärmen erforderlich war, um mit dem Harzüberschuß eine

und auszuhärten. Bei 160° C sind etwa 3 Stunden und 35 möglichst lunkerfreie Isolation herzustellen, wird bei

bei 180 bis 190° C 1 bis 0,5 Stunden erforderlich. Anwendung der Isolierbänder nach der Erfindung es

Das Bindemittel ist so beschaffen, daß bei der Vor- möglich, den Bindemittelanteil auf etwa 35 Gewichts-

wärmung auf etwa 80^c C und bei der anschließenden prozent zu reduzieren. Trotzdem kann eine hohlraum-

Pressung mit Volldruck von etwa 25 kp/cm² die beim freie Isolation hergestellt werden und dabei ein Aus-

Aufbringen des Materials eingebrachten Luftein- 40 drücken von überschüssigem Bindemittel aus der Iso-

Schlüsse vollkommen beseitigt werden. Auf diese lation auf ein Minimum reduziert werden, so daß

Weise lassen sich selbst lange Röbelstäbe mit Iso- eine Verschmutzung, insbesondere der Wickelköpfe

lationslängen von 6 m und einseitigen Isolationsdik- der Isolation, vermieden wird. Soweit geringe Anteile

ken von 5 oder 6 mm einwandfrei isolieren. an den Enden der Spulenisolation heraustreten, kann

Die isolierten Spulen können bei Temperaturen um 45 das Bindemittel nach dem Aushärten der Isolation

180^c C ausgebaut werden. Nach der Wärmebehand- sehr leicht auf mechanischem Wege entfernt werden,

lung, wie vorher beschrieben, sind die Isolationen z. B. einfach abgebürstet werden.

Claims

betreffenden Temperaturklasse bei 0,2 U_n tan-_f5-Werte

Patentanspruch: < 100⁰/oo zu haben. Die heute bekannten Isolierun-

Kriechstromfeste elektrische Isolierung auf gin liegen bd 155 C meist wesentlich über 100«/,, Feinglimmerbasis unter Verwendung eines Trä- Sie sind daher m der Regel nur fur Temperaturen gerkörpers und Epoxidharz als Bindemittel für 5 der Wärmeldasse B verwendbar Be. dem obengedie Wärmeklasse F ur Hochspannungsmaschinen, nannten Umhüllungsverfahren_ kann man zum Vorweiche in Form vor, Breitfolien oder hieraus her- imprägnieren der Mikafolien hoher viskose Harze gestellten Bändern bei Raumtemperatur auf vor- einsetzen, da diese Harze nach Losungsmittelzusatz oder nicht vorverfes igte Leiterbündel bzw. Einzel- verarbeitet werden. Dadurch lassen sich Harze mit leiter aufgebracht und durch Wärmebehandlung io höheren Formbeständigkeiten in der Warme und soausgehärtet wild, dadurch gekennzeich- mit geringeren dielektrischen Verlusten bei höheren η e t, daß ein nicht 1 alziniertes Feinglimmerfolium Temperaturen verwenden. Vor allem durch den beim mit einem Quadratnietergewicht > 250 g venven- genannten Umbügelungsvenahren erforderlichen det wird, welches zusammen mF einem Träger liarzüberschuß (Harzgehalte zwischen 40 und 45«₀) aus einem Glasseidengewebe oder Vliesmaterial, 15 ist es aber schwierig, die Losungsmittelreste bei der nach Imprägnieruni- mit einem Bindemittel ein Herstellung der Mikafolien weitgehendst zu entfernen. Quadratmetergewicrt > 400 g aufweist und wel- Lösungsmittelreste verbleiben somit im Bindemittel; ches als Bindemittel ein Harzgemisch enthält aus sie wirken als Weichmacher und können auch nach

längerer Wärmebehandlung der ausgehärteten Isola-

a) einem cycloalphatischen Epoxidharz aut ^ _üqq _{πί£±{ mehr entfernt wer}den. Dadurch wird die Acetalbasis, cas mit einem Anhydrid- _Wärrnef_Ormbeständigkeit der Harze beträchtlich erharter im Unte schuß präkondensiert wurde, _{niedrigt und} hierdurch die tan-d-Abhängigkeit von mit einem Er. oxid-Äquivalentgewicht von _{d£r Te eratur ung}ünstig beeinflußt. Trotz der Veretwa 215 und einer Viskosität bei 120 C _{wendung von} Harzen mit höheren Formbeständigvon 1100 ± 5OC cP, ₂₅ keiten in der Wärme als bei den Vakuumimprägnier-

b) einem cycloaliphatischen Epoxidharz auf _harzen _hn _{die bisher} bekannten Harze durch die Carboxylalbas«. mit einem Epoxid-Aquiva- _bIeibenden Lösungsmittelreste, in bezug auf tan δ lentgewicht vor etwa 140 und einer Viskosi- _{der Wärm keme wes}entiichen Verbesserungen, tat bei 20° C von etwa 80OcP und _{Auch djese mit üblichen} Epoxidharz gebundenen

c) einem Harter auf Basis von BF_S-Aminadduk- ^ ,^^ hergestellten Isolationen entsprechen so^ten· mit nur der Wärmeklasse B.