DE2255212B2 - Verfahren zum Umgießen imprägnierter Teile elektrischer Geräte - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umgießen imprägnierter Teile elektrischer Geräte, bei welchem die fertigmontierten Teile in eine — vorzugsweise verlorene — Gießform eingebracht werden, die Gießform zunächst mit einer Imprägnierflüssigkeit, vorzugsweise Imprägnieröl, gefüllt wird und nach Imprägnierung der Teile unter Verdrängung der Imprägnierflüssigkeit mit einem härtenden Kunstharz gefüllt wird und schließlich die Gießform entfernt wird.

Die imprägnierten Teile eines elektrischen Gerätes bzw. eines Komponenten dafür können mittels verschiedener Isolierkonstruktionen wie beispielsweise Wickelkörpern, die durch Bewickeln eines Leiters mit Isolierstoffbahnen entstehen, gebildet werden. Vorzugsweise werden als Isolierstoffbahnen Zellulose-Papier oder Kunststoff-Folien verwendet. Weiterhin werden Isolierkonstruktionen bei Spulen, die mit Zellulose-Papier oder Kunststoff-Folien bewickelt werden, oder durch flache bzw. ringförmige Wickel aus Zellulose-Papier bzw. Kunststoff-Folien gebildet. Ebenfalls aus stroinleitenden Folien oder Drähten besiehende Wikkel oder ein leitendes mit einem halbleitendem Überzug versehenes Material finden als Isolierkonstruktionen ihre Anwendung.

Derartige Isolierkonstruktionen, die als imprägnierte Teile ausgebildet sind, gehören bei der Herstellung elektrischer Geräte und/oder deren Komponenten seit längerer Zeit zum Stand der Technik und kommen in der Nieder- und Hochspannungstechnik bei Transformator-, Wand- und Kondensator-Durchführungen, Strom- und Spannungswandlern, Leistungskondensatoren bzw. Transformatorenspulen, Kondensatoren, Sammelschienen unter anderem zur Anwendung.

Beispielsweise wird eine nach den üblichen Verfahren hergestellte mit öl imprägnierte Weichpapier-Durchführung dadurch gebildet, daß auf dem imprägnierten Teil beispielsweise dem Wickelkörper ein Halteflansch befestigt wird, welcher die Durchführung in ihrem Unter- und Oberteil trennt Die Durchführung wird dann mit einem aus Porzellan- oder Kunststoff-Überwurf-Isolierkörper, der einen Schutz gegen äußere Einflüsse bietet umgeben, abgedichtet und der Raum zwischen dem Wickelkörper und dem Prozellan- oder Kunststoff-Überwurf-Isolierkörper mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Isolieröl, gefüllt Es muß stets gewährleistet sein, daß der Wickelkörper vollständig mit Isolieröl umgeben ist Mit geringen Abweichungen dieses Verfahrens lassen sich Kondensatoren, Spannungsund Stromwandler usw. herstellen.

Ferner sind Isolierkonstruktionen, beispielsweise bei Durchführungen bekannt, die keinen Porzellan- oder Kunststoff-Überwurf-Isolierkörper aufweisen. Bei ihrer Herstellung wird der in einer Gießform sich befindliche unimprägnierte Wickelkörper mit Kunstharz, vorzugsweise Epoxid-Kunstharz unter Vakuum umgössen. Nach Aushärtung muß cie Ölpapierdurchführung eva kuiert und mit Isolieröl imprägniert werden, wobei mit einem Expansionsgefäß gearbeitet werden muß. Ein Nachteil besteht hierbei darin, daß die Verwendung eines Porzellan- oder Kunststoff-Überwurf-Isolators, die zum Auffüllen des Raumes zwischen dem Wickelkörper und dem Isolierkörper erforderliche ölmenge auf ein Vielfaches des den Wickelkörper imprägnierenden Öls darstellt. Außer einer durch die zusätzliche ölmenge verursachten unvermeidlichen Verteuerung des Gerätes, kommt es bei Undichtigkeit des Überwurfs durch ölauslauf zur Brandgefahr und Umweltver schmutzung. Die Abmessungen des elektrischen Gerätes werden durch den erforderlichen Raum zwischen Wickelkörper und Isolierkörper vergrößert. Das Ge wicht dieser Geräte insbesonders durch die zusätzliche ölmenge, eventuell auch durch die Verwendung eines Prozellanüberwurf-Isolierkörpers wird ebenfalls beträchtlich erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß falls an Stelle von Prozellan- oder Kunststoff-Überwurf-Isolierkörpern, gegossene Kunstharz-Isolierkörper gebildet werden, ein Vakuumverfahren angewendet werden muß. Nach Aushärtung des Kunstharz-Isolierkörpers wird die Ölpapier-Durchführung wiederum evakuiert und nachfolgend mit öl imprägniert, wobei mit einem Ausdehnungsgefäß gearbeitet werden muß. Da der ausgehärtete Kunstharz-Isolierkörper starr ausgebildet ist, entstehen an den Leiterrohrenden durch die thermischen Volumenänderungen des Öl-Papicr-Wickels erhöhte innere Spannungen der ganzen Isolierkonstruktion, die Schäden an der Durchführung verursachen können. Diese Nachteile haben eine industrielle Anwendung dieses Verfahrens verhindert.

Aus der DT-AS 12 51 008 ist ein Imprägnier- und Umgießverfahren bekannt, bei welchem eine reaktiv zu einem Harz härtende Flüssigkeit durch die gleiche, mittels Füllstoff spezifisch schwerer gemachte Flüssigkeit im steigenden Guß von unten nach oben verdrängt wird. An den dabei auftretenden Grenzflächen bilden sich wegen der Konzentrationsverhältnisse der reaktiven harzbildenden chemischen Gruppen auf beiden Seiten zwar mechanisch feste Stoßnähte aus. Selbst wenn beim Verdrängungsvorgang die Imprägnierflüssigkeit, beispielsweise aus Kapillaren des Objektes, nicht vollständig verdrängt wird, geht diese nach dem Umgießen ebenfalls in ein festes Harz über und tritt im

späteren Betrieb nicht aus. Jedoch treten bei diesem Verfahren Harzverluste ein, weil es zu einer Vermischung des imprägnierenden Reinharzes mit dem Umgußharz kommt Ferner bestehen widei sprüchliche Bedingungen hinsichtlich der Härtedosierung, für die kein völlig befriedigender Kompromiß tu finden ist: Im Interesse einer langen Gebrauchsdauer des Imprägnierharzes und entsprechender Härtedosierung erhärtet das Imprägnierharz nämlich viel später a!s das Umgußharz, wodurch der gesamte Härteprozeß verlängert wird und eine höhere Ofenkapazität benötigt wird Dosiert man dagegen den Härter im Imprägnierharz im Sinne einer Angleichung an die Härtezeit des Umgußharzes, so beschränkt sich die Gebrauchsdauer des Imprägnierharzes, das unbedingt dünnflüssig sein muß. Auch hier sind Harzverluste unumgänglich. Ferner ist es für viele Anwendungsfälle wichtig, daß das Gerät mit der Umgußmasse mechanisch niche zu einem Monolith verbunden wird, da dabei infolge ungleicher Wärmeausdehnungen im Betrieb lokale Spannungen entstehen, die auch bei einwandfreier Umgußmasse zur Rißbildung führen.

Nach einem aus der US-PS 28 57 626 bekannten Verdrängungsverfahren wird ein weit über die Raumtemperatur erwärmtes Isolieröl durch eine ebenso erwärmte spezifisch schwerere zu Kunstharz härtende Flüssigkeit verdrängt Dabei entstehen relativ zur übrigen Umgußmasse mechanisch äußerst schwache Nahtstellen, die bereits bei geringem Innendruck aufreißen bzw. aufklaffen und öl austreten bzw. Luft eintreten lassen. Aus diesen Gründen hat sich auch dieses Verfahren in der Praxis nicht durchsetzen können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Imprägnieren elektrischer Geräte oder deren Teile zu schaffen, welches einerseits nicht zu einem monolithischen Gußkörper, andererseits aber auch nicht zu geschwächten Nahtstellen führt und ohne Vakuumbehandlung auskommt

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst

Die Erfindung führt zu kleineren Abmessungen der Umgußteile gegenüber herkömmlichen Ausführungen und es wird eine öleinsparnis erzielt. Dadurch werden Voraussetzungen für ein geringeres Gewicht geschaffen, ohne daß die elektrischen Eigenschaften insbesondere bezüglich Entladungsfreiheit beeinträchtigt würden, da Lufteinschlüsse durch das Vorhandensein einer Isolierflüssigkeit während des Vergießens mit Sicherheit vermieden werden, ohne daß dazu ein Vakuumverfahren erforderlich wäre.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die ölmenge in elektrischen Geräten und/oder deren Komponenten auf die für das Imprägnieren erforderliche Menge beschränkt. Dies ist besonders im Hinblick auf auftretende Lecks im Kunstharz-Isolierkörper vorteilhaft, da kein öl auslaufen kann, denn das die Teile imprägnierende öl wird durch die Kapillarkräfte der Isolierkonstruktionen am Auslaufen gehindert Die Brandgefahr und die Umweltverschmutzung wird wesentlich herabgesetzt. Das Gerät kann in jeder Lage gelagert, transportiert, montiert und in Betrieb gesetzt werden. Durch die Einbettung des imprägnierten Teiles in den Kunstharz-Isolierkörper können die Abmessungen und das Gewicht des Gerätes wesentlich herabgesetzt werden.

Bedingt durch die Tatsache, daß der ausgehärtete Kunstharz-Isolierkörper, vorzugsweise aus Polyurethan-Kunstharz, besonders gute elastische Eigenschaften aufweist werden die Geräte gegen Stöße unempfindlich und bruchfest

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung vollgeschlossenex öldichter Umhüllungen von elektrischen Geräten durch Umgießen mit Harz hat sich nun überraschenderweise gezeigt daß Stoßnähte mit gleicher oder annähernd gleicher mechanischer Festigkeit wie in der übrigen Umgußmasse entstehen, wenn während der Verdrängung das Isolieröl und die spezifisch schwerere

ίο zum Umgußharz härtende Flüssigkeit Temperaturen aufweisen, die im Bereich der üblichen Raumtemperaturen liegen. Insbesondere aber entstehen dann mit großer Sicherheit mechanisch feste Stoßnähte, wenn als spezifisch schwerere Umgußflüssigkeit eine im Raumtemperaturbereich zu einem Polyurethanharz anhärtendes, vorzugsweise sogar aushärtendes Stoffgemisch verwendet wird.

Unter Kalthärtung einer härtbaren Masse, wie beispielsweise PoJyurethanmasse, versteht man, daß der Härtungsvorgang bei normalen klimatisch vorkommenden Temperaturen, etwa bei Raumtemperatur, beginnt und durch die reaktive Eigenerwärmung abläuft. Bei der Erfindung wird auch das imprägnierende Isolieröl bei Raumtemperatur verwendet da mit einem kalthärtenden Polyurethanharz kein heißes Isolieröl verdrängt werden kann, weil nämlich andernfalls bei einem heißen Isolieröl in der Grenzschicht zwischen diesem und dem Polyurethanharz die Härtungsreaktion derart beschleunigt würde, daß die an das Isolieröl angrenzende Polyurethanharzmasse vorzeitig erstarren würde und damit ein weiteres Hochsteigen dieser Masse beim Einfüllen in die Gießform unmöglich würde. (Bei kalthärtend eingestellten Polyurethanmassen steigt die Härtungsgeschwindigkeit etwa um den Faktor 2 bis 5 je 10° Temperaturerhöhung).

Die Defektrate wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so klein, daß sie in Hinsicht auf die Sicherheit der umgossenen elektrischen Geräte vernachlässigt werden kann.

Die Verdrängung des Isolieröls durch eine spezifisch schwerere zu Kunstharz härtende Flüssigkeit im Raumtemperaturbereich, insbesondere unter Anwendung eines zu Polyurethanharz härtenden Stoffgemisches, ist somit eine vorteilhafte, erhebliche Weiterentwicklung des Verdrängungsverfahrens gemäß US-PS 28 57 626, bei welchen wesentlich höhere Temperaturen bis zu etwa 150⁰C von öl und Verdrängungsflüssigkeit angewendet werden.

Es ist zu vermuten, daß die hohen Temperaturen, wie sie gemäß dem US-Patent angewendet werden, in der Grenzfläche Isolieröl/Verdrängungsflüssigkeit physikalische und/oder chemische Grenzschichtprozesse auslösen, die die Ausbildung mechanisch fester Stoßnähte verhindern.

Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anzunehmen, daß bei der Verdrängung im Raumtemperaturbereich, insbesondere bei der Anwendung polyurethanharzbildender Flüssigkeit aus stofflichen Gründen niedererer Temperaturaktivierung die stoßnahtfestigkeitsstörenden Grenzschichtprozesse nicht oder nur vernachlässigbar langsam ausgelöst werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gießform aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise Polyäthylen, besteht.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kunstharz, das gegenüber dem Isolieröl, ein wesentlich höheres spezifi-

sches Gewicht aufweist, unter gleichzeitiger Verdrängung des Isolieröls eingegossen. Das Eingießen des Kunstharzes in die Gießform erfolgt entweder frei von oben nach unten oder durch einen Zuführungsschlauch, welcher von außen in den Boden der Gießform bzw. in der Gießform bis zum Boden eingeführt ist. von unten nach oben oder bei größeren, einfacheren Gießformen unter Druck, um das Umgießen schneller durchführen zu können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Spule eines Hochspannungs-Trans/ormators mit einem durch Kunstharz-Umgießung hergestellten Isolierkörper,

F i g. 2 einen Teil-Querschnitt durch eine öl-Papier-Kondensator-Durchführung mit einem durch Kunstharz-Umgießung hergestellten Isolierkörper,

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Steuerkondensator mit einem durch Kunstharz-Umgießung hergestellten Isolierkörper.

F i g. 1 zeigt im Querschnitt eine Spule i für einen Hochspannungs-Transformator. Die Spule 1 besteht aus einer Wicklung 2 mit zwei Anschlüssen 3. 3'. Die bewickelte Spule 1 wird in eine Gießform 4 eingebracht und in bekannter Weise mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Isolieröl, imprägniert In die mit öl gefüllter Gießform 4 wird ein Kunstharz, vorzugsweise kalthärtendes Polyurethan-Kunstharz, unter gleichzeitiger Verdrängung des überschüssigen, im Raum zwischen bewickelter Spule 1 und der Gießform 4 befindlichen Isolieröls, eingegossen, wobei die pro Zeiteinheit einfließende Kunstharzmenge so geregelt wird, daß das in der Gießform hochsteigende Harz stets einen horizontalen Oberflächenspiegel beibehält. Nach Aushärtung des Kunstharz-Isolierkörpers wird die Gießform entfernt.

F i g. 2 zeigt eine Öipapier-Kondensator-Durchführung 6 in Querschnitt teilweise dargestellt. Diese besteht aus einem Leiterrohr 7, aus einem, das Leiterrohr 7 von Zellulose-Papier oder Kunststoffolie mit eingewickelten Steuerbelägen umwickelten, imprägnierten Teil 8, der näher nicht dargestellt ist Die Durchführung wird durch einen Flansch 9 in einem Unter- und einem Oberteil abgegrenzt An beiden Enden des Leiterrohrs 7 befinden sich eine untere Abschluß-Grundplatte, die nicht dargestellt ist und eine obere Abschlußplatte 10. D e Abdichtung am oberen Ende des Leiterrohrs 7 erfolgt mittels einer Radialdichtung 11, die an der oberen Abschlußplatte 10 angebracht ist Die Durchführung ist von einer Gießform 12, die vorzugsweise eine »verlörene Gießform« ist und beispielsweise aus Polyäthylen besteht, umhüllt Die Halterung bei gleichzeitiger Zentrierung der Gießform erfolgt einerseits zwischen der unteren Abschlußplatte-Grundplatte und dem Flansch 9, andererseits zwischen dem Flansch 9 und/oder oberen Abschlußplatte 10. Der in die Gießform eingebrachte imprägnierte Teil der Durchführung wird unter gleichzeitiger Verdrängung des vor dem Gießen in der Gießform befindlichen Isolieröls mit einem Kunstharz, vorzugsweise kalthärtenden Polyurethan-Kunstharz, umgössen, wodurch ein Kunstharz-Isolierkörper 13 ausgebildet wird. Aus einer an sich bekannten, nicht dargestellten. Dosier-, Misch- und Harzgießanlage wird das Kunstharz in die Gießform unmittelbar von oben nach unten, oder durch einen Zuführungsschlauch, der bis zum Boden der Gießform eingeführt ist, von unten nach oben eingegossen. Falls mit einem Zuführungsschlauch, der sich in der Gießform befindet, gearbeitet wird, bleibt sein Mundstück während des Einfüllvorganges ständig in dem flüssigen Kunstharz eingetaucht, wobei der Zuführungsschlauch, entsprechend dem Füllgrad der Gießform mit Kunstharz, aus der Gießform herausgezogen wird. Nach Aushärtung des Kunstharz-Isolierkörpers 13 wird die Gießform entfernt. Die »verlorene Gießform« ermöglicht es, mit hinterschnittenen Tropfkanten versehene Isolierschirme oder andere mit Hinterschneidungen ausgebildete Körper ohne Schwierigkeiten herzustellen. Ein weiterer Vorteil gegenüber normalen Gießformen besteht darin, daß die Gießkörper-Oberfläche keine weitere Bearbeitung benötigt.

In F i g. 3 ist ein Steuerkondensator 14 für eine beispielsweise Betriebsspannung von 200 kV dargestellt. Dieser Kondensator 14 besteht aus einem, aus einzelnen Wickeln 15a zusammengesetzten Kondensatorstapel 15. Die Wickel 15a werden durch zwei Preßplatten 16, 16' mittels Isolierbolzen 17, 17' zusammengehalten. Aus den Preßplatten 16, 16' sind die Anschlüsse 18, 18' ausgeführt. Der Kondensatorstapel 15 wird in eine Gießform 19. vorzugsweise in eine »verlorene Gießform«, beispielsweise aus Poyäthylen, eingebracht. In die Gießform 19 wird wiederum ein Kunstharz, vorzugsweise kalthärtendes Polyurethan-Kunstharz, unter gleichzeitiger Verdrängung des überschüssigen, im Raum zwischen Kondensatorstapel 15 und Gießform 19 befindlichen Isolieröls, eingegossen. Nach Aushärtung des Kunstharz-Isolierkörpers wird die Gießform entfernt.

Der Erfindungsgegenstand ist auf das in der Zeichnung Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So können mit diesem Verfahren an Stelle beschriebener Isolierkonstruktionen auch Natur-, Chemie- und organische Fasern, vorzugsweise Glasfasern, beispielsweise in Form von Strängen oder Rovings als elektrisch aktive Teile verwendet werden. Nach Aushärtung des Kunstharz-Isolierkörpers wird die Gießform wiederum entfernt Derartige Isolierkonstruktionen können mit einem Kunstharz-Isolierkörper umgeber und beispielsweise als Hängeketten verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umgießen imprägnierter Teile elektrischer Geräte, bei welchem die fertigmontierten Teile in eine — vorzugsweise verlorene — Gießform eingebracht werden, die Gießform zunächst mit einer Imprägnierflüssigkeit, vorzugsweise Imprägnieröl, gefüllt wird und nach Imprägnierung der Teile unter Verdrängung der Imprägnierflüssigkeit mit einem härtenden Kunstharz gefüllt wird und schließlich die Gießform entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießharz ein kalthärtendes Kunstharz, vorzugsweise Polyurethankunstharz, ist, dessen einfließende Menge pro Zeiteinheit entsprechend dem Kunstharzfüllvolumen der Gießform reguliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gießform aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise Polyäthylen, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz in die Gießform von oben nach unten unmittelbar eingegossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz in die Gießform durch einen Zuführungsschlauch von unten nach oben eingegossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstahrz in die Gießform unter Druck eingegossen wird.