DE2602765A1

DE2602765A1 - Transformator mit einem oelumlaufkuehlsystem

Info

Publication number: DE2602765A1
Application number: DE19762602765
Authority: DE
Inventors: Toshiji Ishii; Yoshikazu Miura; Teruo Miyamoto; Tohei Nitta
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1976-01-26
Publication date: 1976-07-29
Also published as: JPS5535805B2; JPS5195300A; CH607263A5; US4095204A; FR2298865B1; DE2602765C3; FR2298865A1; DE2602765B2

Description

76-1564 A
ME-X-235 (P-1362)

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo, Japan

Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem Isolieröl. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem, wobei die Ausbildung statischer Elektrizität durch die erzwungene Strömung des isolierenden Mineralöls verhindert werden kann. Insbesondere wird eine Aufladung mit statischer Elektrizität aufgrund der Strömung des isolierenden Öls dadurch verhindert, daß man die Oberfläche einer in Berührung mit dem isolierenden Öl stehenden isolierenden Fläche oder isolierenden Folie modifiziert, und zwar unter Verwendung eines Materials, welches der Fläche eine statische Elektrizität entgegengesetzter Polarität verleiht.

Wenn Isolieröl in Berührung mit der Oberfläche eines Festkörpers steht, so kommt es zu einer Auftrennung von positiven und negativen Ladungen im Öl und es wird eine Doppelschicht dieser Ladungen an der Fest-Flüssig-Grenzflache ausgebildet. Wenn nun an dieser Grenzfläche eine Strömung des isolierenden Öls vorliegt, so wird die Ladungsschicht im Öl durch die Ölströmung transportiert und von der Ladung an der Oberfläche des Festkörpers, welche entgegengesetzte Polarität hat, getrennt. Das Ausmaß des Ladungsaufbaus während dieses Vorgangs hängt ab von der Geschwindigkeit der Ladungstrennung und der Geschwindigkeit des Ladungsausgleichs (Relaxation) gegen Erde. Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung ist umso höher je niedriger der Wert des spezifischen Widerstandes des isolierenden Öls

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.ist, während die Ladungsrelaxation mit dem spezifischen Widerstand des isolierenden Öls abnimmt. Demzufolge hat die durch die Ölströmung hervorgerufene Ladung ihren höchsten Wert im

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Bereich von 10 "bis 10 Ohm·cm des spezifischen Volumenwiderstandes des isolierenden Öls. Die meisten isolierenden Mineralöle, welche für elektrische Einrichtungen verwendet werden, liegen innerhalb dieses Bereichs des spezifischen Volumenwider Standes, so daß die isolierenden Mineralöle zu einem hohen Ladungsaufbau neigen. Wenn die statische Elektrizität, mit der das isolierende Mineralöl oder der Festkörper aufgeladen ist, einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, so kommt es zu einer Entladung und es kann dabei zu einer Beschädigung der Einrichtung kommen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, in der petrochemischen Industrie die Explosionsgefahr durch den Aufbau statischer Ladungen dadurch zu vermeiden, daß man den spezifischen Volumenwiderstand des Öls durch Einverleibung eines ionischen Zusatz-

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stoffes auf einen Wert unterhalb 10 Ohm· cm senkt. Bei elektrischen Anwendungen ist es jedoch nicht bevorzugt, den spezifischen Volumenwiderstand des Öls zu senken, da hierdurch das elektrische Verhalten beeinträchtigt wird. Andererseits ist es schwierig, den spezifischen Volumenwiderstand des isolierenden Mineralöls zu erhöhen und auf einem Wert oberhalb 10 0hm·cm zu halten. Theoretisch könnte man an eine Erhöhung des spezifischen Volumenwiderstandes des isolierenden Mineralöls über den Bereich von 10 bis 10 0hm·cm hinaus durch eine Reinigung des Mineralöls denken. Selbst wenn es gelingen sollte, bei einer bestimmten Temperatur einen spezifischen Volumen-

15 widerstand des isolierenden Mineralöls von mehr als 10 0hm·cm zu verwirklichen, so kommt es jedoch sehr leicht zu einem Abfall des spezifischen Volumenwiderstandes durch Verschmutzung oder einfach durch Temperaturerhöhung. Der Weg einen elektrostatischen Ladungsaufbau durch Änderung des spezifischen Volumenwider stand es des isolierenden Mineralöls einer elektrischen Einrichtung zu verhindern, ist daher nicht gangbar.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem zu schaffen, "bei dem ein Aufbau statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung des isolierenden Öls verhindert wird, sowie ein Verfahren zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung des isolierenden Mineralöls in einem Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung des isolierenden Öls in einem Transformator mit einem Umlauf kühlsystem gelöst, bei dem eine elektrisch isolierende Folie oder Schicht verwendet wird, welche partiell mit Teilchen eines anorganischen Materials bedeckt sind, welche zu einer statischen Aufladung führen, deren Polarität der Polarität des durch das Grundmaterial unter dem Einfluß der Relativbewegung des isolierenden Öls des Umlaufölkühlsystems hervorgerufenen Ladung entgegengesetzt ist.

Das Öl enthält normalerweise die gleiche Anzahl von Ionen mit positiver Ladung und von Ionen mit negativer Ladung. Wenn das Öl in Berührung mit einem Pestkörper steht, so werden die Ionen beider Polaritäten an der Fläche des Festkörpers adsorbiert. Der Grad der Adsorption ist für die Ionen der einen Polarität höher als für die Ionen der anderen Polarität, so daß die Ionen der entgegengesetzten Polarität im Überschuß im Öl verbleiben. Die Ladungstrennung aufgrund einer Strömung des Öls entlang der Oberfläche des Festkörpers ist auf eine ionische Doppelschicht an der Grenzfläche zurückzuführen. Diese umfaßt (1) eine ionische Schicht an der Oberfläche des Festkörpers aufgrund von Unterschieden in den Adsorptionskräften der Anionen und der Kationen (Adsorptionsschicht) und (2) eine ionische ,Schicht im Öl, deren Polarität der Polarität der Adsorptionsschicht entgegengesetzt ist. Diese ionische Schicht wird durch Diffusion der im isolierenden Öl verbleibenden Ladungsträger gebildet (Diffusionsschicht). Wenn eine Strömung

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des isolierenden Öls an der Fest-Flüssig-Grenz fläche stattfindet, so kommt es zu einer Trennung der Ionen der Diffusions^ schicht von der Adsorptionsschicht und somit zu einem Aufbau statischer Elektrizität. Die Polarität der statischen Elektrizität mit der das isolierende Öl aufgeladen ist, hängt ab von dem Unterschied der Adsorptionskoeffizienten der Anionen und der Kationen an der Grenzfläche. Wenn man dem Grundmaterial der isolierenden Schicht oder des isolierenden Körpers ein Material zumischt, welches zu einer statischen Aufladung entgegengesetzter Polarität führt, so kann hierdurch die Aufladung mit statischer Elektrizität gesteuert werden.

Die vorliegende Erfindung wurde nach obigem Prinzip verwirklicht. Isolierende Schichten oder Folien oder Papierbahnen, welche in das isolierende Öl der elektrischen Vorrichtung eintauchen, bestehen gewöhnlich aus Naturfasern, z. B. Kraftpulpe, Hanf, Baumwolle oder dgl. Wenn das isolierende Öl relativ zur isolierenden Folie strömt, so erhält das isolierende Öl eine positive Aufladung. Anorganische Materialien, z. B. Oxyde, wie Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Titanoxid oder dgl. sowie Silikate, wie Aluminiumsilikat, Magnesiumsilikat oder dgl. führen zu einer negativen Ladung durch die Strömung des isolierenden Öls. Die Aufladung des isolierenden Öls (Mineralöl, Alkylbenzol oder dgl.) mit statischer Elektrizität kann leicht gesenkt werden, indem man Isolierschichten mit einem Gehalt an diesen anorganischem Materialien an.der Oberfläche der Schichten, Bahnen oder Folien verwendet. Die anorganischen Materialien, welche der Strömung des isolierenden Öls eine negative Ladung verleihen ,können dadurch an der Oberfläche der isolierenden Schicht vorgesehen werden , daß man dieses Material mit den Fasern während oder nach der Herstellung der Schicht (Papierschicht) vermischt. Das anorganische Material kann den Fasern in Pulverform zugemischt werden.

Die Menge des anorganischen Materials wird derart gewählt, daß der Strömung des isolierenden Öls eine für einen Ladungsausgleich sorgende negative Ladung erteilt wird, so daß die posi-

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tive Aufladung des isolierenden Öls durch die Relativbewegung zwischen den Fasern und dem isolierenden Öl durch eine negative Aufladung des isolierenden Öls aufgrund der Relativbewegung zwischen den anorganischen Materialien und dem isolierenden Öl kompensiert wird. Die Menge der anorganischen Materialien, welche den Naturfasern zugemischt werden, "beträgt vorzugsweise mehr als 1 Gew. -$ und insbesondere 5-30 Gew.-%. Man kann auch derart vorgehen, daß man in der Oberflächenschicht eine höhere Konzentration des anorganischen Materials vorsieht und in der Innenschicht eine geringere Konzentration oder keinen Gehalt an dem anorganischen Material vorsieht.

Vorzugsweise werden die anorganischen Stoffe der isolierenden Schicht dadurch einverleibt, daß man diese anorganischen Stoffe mit den Fasern vermischt, und zwar während einer Stufe der Herstellung der Schicht (des Papiers), z. B. einem Holländer oder Papiermaschine oder dgl. Es ist insbesondere bevorzugt, die anorganischen Materialien auf einer Seite der Oberfläche dicker Preßpappe zu konzentrieren, indem man diese Materialien lediglich der Laminarschicht an der Oberfläche der Preßpappe zumischt. Die isolierende Schicht kann hergestellt werden, indem man fällbare Teilchen mit einem Durchmesser von mehr als 0,005 /um und vorzugsweise mehr als 0,5 /um verwendet oder Fasern, deren Durchmesser mehr als 0,1 /um und vorzugsweise mehr als 1 yum beträgt und diese mit den Cellulosefasern vermischt. Da ein geringerer Durchmesser der Teilchen oder eine geringere Dicke der Fasern eine größere Oberfläche pro Gewichtseinheit des anorganischen Materials bedeutet, so hängt die Menge des anorganischen Materials von der Größe der Teilchen oder Fasern ab. Bei geringerer Teilchengröße oder bei dünneren Fasern benötigt man geringere Mengen des anorganischen Materials.

Anorganische Materialien in Form mehrwertiger Metallverbindungen sind besonders wirksam zur Erteilung einer negativen Aufladung. Dies gilt insbesondere für dreiwertige oder vierwertige Metallverbindungen, wie Aluminiumverbindungen und Siliciumverbindungen. Die Aufgabe der Erfindung kann dadurch gelöst werden,

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daß man das anorganische Material nur auf der Oberfläche der isolierenden Bahn oder Folie oder Papierschicht oder dgl. aufbringt. In diesem Falle wird die dielektrische Festigkeit der isolierenden Schicht nicht beeinträchtigt. Die mehrwertigen Metalloxide und insbesondere Siliciumoxid und Aluminiumoxid zeigen ausgezeichnete elektrische Eigenschaften. Daher kann man durch Einverleiben dieser Materialien in die Isolierschicht die elektrischen Eigenschaften der Isolierschicht verbessern.

Bei einem Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem fließt ein isolierendes Öl über die Oberfläche der isolierenden Schicht. Venn die Teilchen aus anorganischem Material von der isolierenden Schicht gelöst werden, so verschmutzen sie das isolierende Öl und es kann zu einem Aufbau der negativen Aufladung und somit zu Störungen kommen. Es ist nicht bevorzugt, die Teilchen aus anorganischem Material in oder an der isolierenden Schicht mit einem Bindemittel zu binden, da diese Bindemittel zu einer Verschmutzung des isolierenden Öls führen können. Es ist bevorzugt, Papier zu verwenden, welches keine Zusatzstoffe enthält, die das isolierende Öl verschmutzen können. Somit ist es erforderlich, die Teilchen aus anorganischem Material durch die Pulpenfibrillen -festzuhalten, so daß ein Austreten derselben aus der isolierenden Schicht verhindert wird. Es ist daher bevorzugt, Teilchen aus anorganischem Material zu verwenden, die aufgrund ihrer Konfiguration durch die Pulpenfibrillen festgehalten werden können. Bei diesen Teilchen handelt es sich um sekundär aggregierte Teilchen oder Teilchen, welche in dem isolierenden Öl aggregieren.

Andererseits können Teilchen des anorganischen Materials mit einer hohen spezifischen Oberfläche eine starke Wirkung im Sinne einer Verminderung der positiven Aufladung aufgrund der Strömung des isolierenden Öls entfalten. Feine Teilchen haben eine hohe spezifische Oberfläche. Es ist jedoch relativ schwierig, solche feinen Teilchen ohne Verwendung eines Bindemittels in Papier festzuhalten. Aggregierte Teilchen, herge-

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stellt durch Aggregation feiner Teilchen mit einer hohen spezifischen Oberfläche können durch das Papier sehr gut festgehalten werden. Aluminiumoxidgel, Siliciumoxidgel, Silikatgel und anderes Gel· umfaßt aggregierte Teilchen mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Solche Gele werden "bei der Erfindung bevorzugt eingesetzt. Die aggregierten Teilchen des Gels mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 - 100 ju ("bei mikroskopischer Beobachtung der aggregierten Teilchen) und mit einem wahren Durchmesser von weniger als 1 ^i (echte Teilchen) sind bevorzugt. Die Aggregation der feinen Teilchen kann in dem isolierenden Öl erreicht werden. Es ist aber bevorzugt, . die Teilchenaggregation während der Papierherstellung vorzunehmen, um so einen Teilchenverlust zu verhindern. Die Gele, ζ. B. Aluminiumoxidgel, Siliciumoxidgel und Silikatgel, können nach herkömmlichen Methoden, z. B. nach Bauverfahren, hergestellt werden. In vorliegender Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Gel" Teilchen, welche im kolloidalen Bereich als Primärteilchen einen geringen Durchmesser haben, welche aber außerhalb des kolloidalen Bereichs als Sekundärtelichen mit einem relativ großen Durchmesser, d. h. in aggregierter Form, vorliegen. Man kann ferner faserige anorganische Materialien zur Ausbildung der negativen Ladung zumischen. Solche faserigen anorganischen Materialien umfassen Glasfasern, Glimmer und faserige Keramikmaterialien. Die faserigen anorganischen Materialien können durch die Pulpenfibrillen oder Pulpenfasern des Papiers festgehalten werden und sie liegen an der Oberfläche des Papiers in wirksamer Weise frei. Wenn man die aggregierten Teilchen des anorganischen Materials oder die faserigen anorganischen Teilchen bei der Papierherstellung der Pulpe zumischt, und das gewonnene Papier, dessen Oberfläche teilweise durch anorganisches Material gebildet ist, als Isolierschicht in einem Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem verwendet, so besteht der erhebliche Vorteil einer Verhinderung des Aufbaues statischer Aufladungen und einer Verhinderung der Verschmutzung des isolierenden Öls.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausf ührungsbeispielen näher erläutert.

Beispiele

Bei der herkömmlichen Herstellung -von Kraftpapier für Isolierzwecke mischt man Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von 1-3 jum, Siliciumoxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,3 jum, Zinkoxid mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1-5 jum oder Aluminiumsilikat mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1-5 /na in den in den !Figuren 1, 2, 3 und 4 angegebenen Mengen während der Papierherstellung zu, wobei jeweils eine Probe von isolierendem Papier mit einer Dicke von 0,8 mm erhalten wird. Jede der Proben der erhaltenen Isolierfolien wird in Mineralöl mit einem spezi-

13 fischen elektrischen Widerstand von 2,4 x 10 Ohm-cm bei 25 ⁰C eingetaucht, welches mit-einer Geschwindigkeit von 10 cm/sec vorbeiströmt. Die jeweilige Aufladung (pc/cm ) des Mineralöls aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Mineralöls und der isolierenden Schicht ist in den Figuren 1, 2, 3 und 4 eingetragen. Die Figuren 1, 2, 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen der Abhängigkeit der Aufladung des jeweiligen Mineralöls von der Menge der Teilchen des Aluminiumoxids, des Siliciumoxids, des Zinkoxids oder des Aluminiumsilikats, welches dem Papier zugemischt wurde. Man erkennt aus den graphischen Darstellungen, daß die in dem Mineralöl erzeugte Aufladung recht gering ist, wenn die Isolierfolie oder Isolierbahn 10 bis 30 Gew.-^ Teilchen enthält. Die statische elektrische Aufladung des Isolieröls hängt ab von dem spezifischen Widerstand und von der Strömungsgeschwindigkeit des isolierenden Öls.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.1 Transformator mit einem Ölumlaufkühlsystem und mit

nem flächigen Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Isoliermaterial partiell von einem anorganischen Material in Teilchenform, Faserform oder dgl. "bedeckt ist,
welches aufgrund der Relativbewegung des strömenden Isolieröls zu einer statischen Aufladung führt, deren Polarität der durch das Grundmaterial des flächigen Isoliermaterial hervorgerufenen Aufladung entgegengesetzt ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Isoliermaterial ein Isolierpapier ist, welches ein mehrwertiges Metalloxid, Siliciumoxid oder ein Metallsilikat in Teilchenform, Faser form oder dgl. enthält, welches zu einer negativen Aufladung führt.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier aggregierte Teilchen eines Gels,
eines mehrwertigen Metalloxids, des Siliciumoxids oder eines Metallsilikats mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser der aggregierten Teilchen von 0,1 - 100 ja und mit einem wahren Durchmesser der wahren Teilchen von weniger als 1 u ("bei
mikroskopischer Beobachtung) enthält.

4. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier Glasfasern oder Keramikfasern
enthält.

.5. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierpapier aggregierte Teilchen von Siliciumoxidgel, Aluminiumoxidgel oder Silikatgel enthält.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 2 Ms 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier eine Ober-

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flächenschicht mit einem höheren Gehalt des anorganischen Materials aufweist, sowie eine Innenschieht mit einem niedrigeren Gehalt des anorganischen Materials, wobei die Oberflächenschicht an die Strömung des isolierenden Öls angrenzt.

7. Verfahren zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung von Isolieröl in einem Transformator mit einem Isolierpapier, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des Isolierpapiers partiell durch Teilchen oder Fasern eines anorganischen Materials modifiziert wird, welches aufgrund der Strömung des Isolieröls zu einer negativen Aufladung führt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers partiell aggregierte Teilchen eines Gels eines mehrwertigen Metalloxids, des Siliciumoxide oder eines Metallsilikats aufbringt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers partiell Glasfasern oder Keramikfasern aufbringt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers aggregierte Teilchen von Siliciumoxidgel, Aluminiumoxidgel oder Silikatgel aufbringt.

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