DE3148147A1 - "elektrischer isolationskoerper" - Google Patents
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Description
Elektrische Anlagen für Mittel- oder Hochspannungsbetrieb, wie insbesondere Sahalter, aber auch Wandler oder Transformatoren
werden häufig mit Schwefelhexafluorid (SF,,) als
Lösch- oder Isoliergas solcher zur Rückhaltung des SFfi-Gases
entsprechend verkapselter Anlagen verwendet.
Die Isolatoren in solchen Anlagen müssen im Vergleich zu offenen, d.h. nicht verkapselten Anlagen ohne SF, vergleichsweise
höhere Feldstärken bewältigen, weil nur dann die im Verhältnis zu Luft sehr viel höhere Durchschlagfestigkeit
von SF,. ausgenützt werden kann; das SF^ in solchen
ο ο
Anlagen kann aber unter der Wirkung von Lichtbogen oder anderen
Entladungsformen und durch Hydrolyse der Zersetzungsprodukte wegen der praktischen Unmöglichkeit eines absoluten
Feuchtigkeitsausschlusses Spaltprodukte bilden, von denen Fluorwasserstoff (HF) besondere Probleme für den Isolator
verursachen kann.
Aus der CH-PS 466*391 ist zur Ausschaltung dieser Probleme
die Verwendung von Isolatorkörpern aus gehortetem Giessharz,
wie Epoxidharz, bekannt, das frei ist von mit den Spaltprodukten des Isolatorgases reaktionsfähigen Komponenten,
insbesondere von Siliciumverbindungen. Anstelle des für Giessharze an sich sehr vorteilhaften Füllstoffes SiO,
insbesondere in Form von Quarzmehl, wird z.B. Al„0_ in
Form von technischem Korundpulver oder als Tonerde verwendet.
3148H7
8/81
Aus der ÜS-PS 4'102'851 sind ferner Isolationskörper zur
Verwendung in Gegenwart von SF- bekannt, die eine Duroplastmatrix
aus cycloalophatischem Epoxyharz mit Aluminiumhydroxid Al(OH) oder/und natürlichem Magnesit (MgCO ) als
Zusatz zu dem überwiegend aus extrem feinteiligem Al2 0O bestehenden
mineralischen Füllstoff besitzen. Die Verwendung von SiO„ als mineralische Füllstoffkomponente ist dabei nur
für eine Vergleichsprobe erwähnt.
Aus der DE-OS 28 10 035 ist ferner der Vorschlag bekannt, als Füllstoff in Epoxidharzformstoffen für Isolatoren, die
in SF6 betrieben werden, Dolomitpulver (MgCO--CaCO- in unterschiedlichen,
z.B. stöchiometrischen Anteilen) zu verwenden und die durch das Dolomitpulver verursachte Festigkeitsverminderung
(im Vergleich zu SiO_ als Füllstoff) durch bestimmte organische Verarbeitungshilfsmittel teilweise
zu kompensieren. Ein allfälliger SiO--Anteil des Minerals Dolomit soll dabei unter 1 Gew.% liegen.
Schliesslich ist aus der US-PS 4'104'238 der Vorschlag bekannt,
die Wachteile von pulverförmigem SiO2 (in Form von
Quarzgut) als Hauptkomponente des mineralischen Füllstoffes bei Isolatoren zum Betrieb in SF mit Hilfe einer zweiten
mineralischen Pulverkomponente, und zwar Aluminiumhydroxid Al(OH)-, zu kompensieren. Als Duroplastmatrix dient dabei
ein Hydantoinepoxyharz.
Gemäss Stand der Technik gibt es also zwei Methoden zur Erhöhung
der Beständigkeit von Isolationskörpern gegen SF,.-
Spaltprodukte: bei der einen Methode wird das SiO praktisch
vollständig als Füllstoffanteil der Duroplastmatrix ausgeschaltet und durch andere mineralische Füllstoffe ersetzt.
Diese sind aber vergleichsweise teuer oder/und vermindern im Vergleich zu SiO_ die Festigkeit.
>J I 1-U i -t 1
Bei der anderen Methode dient das SiO nach wie vor als
überwiegender, d.h. mindestens hälftiger Anteil (^50 %)
des mineralischen Füllstoffes/ wobei aber eine zweite mineralische
Pulverkomponente -zur Erhöhung der Beständigkeit des Isolationskörpers gegen SF ,.-Spaltprodukte verwendet
wird. Die Wirksamkeit des als zweite mineralische Komponente neben SiO vorgeschlagenen Aluminiumhydroxid
zur Erhöhung der Beständigkeit des Isolationskörpers gegen
SF,,-Spaltprodukte ist aber begrenzt.
b -
Aufgabe der Erfindung ist ein elektrischer Isolationskörper
mit den im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen, bei welchem die zweite mineralische Komponente
wirksamer zur Erhöhung der Beständigkeit des Isolationskörpers gegen SF.-Spaltprodukte,. insbesondere Fluorwasser-
15 stoff, beiträgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
als zweite mineralische Komponente des Füllstoffes ein Carbonat mindestens eines Erdalkalimetalles
in einem Anteil von 5 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis
30 %, des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes verwendet wird.
Calcium und Magnesium sind hierbei die bevorzugten Erdalkalimetalle;
ebenfalls bevorzugt werden die Carbonate der Erdalkalimetalle, insbesondere Calcium- und/oder Magnesiumcarbonat.
Dolomit, das als. Füllstoff für gegen SF -Spalt-
produkte beständige Isolationskörper in praktischer Abwesenheit von SiO aus der oben genannten DE-OS 28 TO 035 bekannt
ist und Calciumcarbonat sowie Magnesiumcarbonat in unterschiedlichen Anteilen, z. B. als Doppelcarbonat in annähernd
stochiometrischen Anteilen, enthält, ist für die Erfindung gut geeignet und bietet in relativ geringen und daher
die durch Quarzmehl als Füllstoff erzielbare hohe An-
3H8147
— 4^ —
fangsfestigkeit einer damit gefüllten Duroplastmatrix kaum
verringernden Anteilen von 10 bis 30 % des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes eine beachtlich vergrösserte Beständigkeit
des Isolationskörpers gegen Fluorwasserstoff
5 als besonders aggressives SF--Spaltprodukt.
Als Duroplaste für die Matrix, d. h. die umgebende kontinuierliche
Phase, erfindungsgemässer Isolationskörper sind allgemein Polymermassen geeignet, die durch Vernetzung
praktisch unschmelzbar, in organischen Medien praktisch unlöslich und gegen chemische Einwirkungen - insbesondere
Hydrolyse - weitgehend inert sind.
Duroplaste, wie sie aus den bekannten und techni- · sehen Polyepoxiden mit entsprechenden Vernetzungsmitteln
oder Härtern, d. h. aus Giessharz- oder Reaktionsharzmassen erhältlich sind, werden für viele Anwendungszwecke bevorzugt.
Spezielle Beispiele sind in den oben genannten Publikationen zum Stand der Technik zu finden. Andere für
die Erfindung grundsätzlich brauchbare Duroplaste sind vernetzte Polyurethane und vernetzte Polyester.
Die jeweils zur Vernetzung der Duroplastvorstufen bzw. Vorpolymeren
der genannten Duroplaste geeigneten Härter sind ebenfalls bekannt und technisch erhältlich. Im allgemeinen
werden solche Duroplastbildungssysteme bevorzugt, die bei erhöhten Temperaturen z. B. im Bereich von 120 bis 1800C
25 vernetzen.
Erfindungsgemässe Isolationskörper können allgemein nach für die Duroplastverarbeitung bekannten Methoden hergestellt
werden. Formgiessverfahren sind als ein bevorzugtes Beispiel zu nennen.
Die für erfindungsgemässe Isolationskörper charakteristiche
mineralische Füllstoffmischung besteht zu 50 bis 95 %
und vorzugsweise zu 30 bis 70 % des Gesamtgewichtes der Füllstoffkomponente aus Quarzmehl, z. B. in gemahlener und
gesiebter Form mit Teilchengrössen im Bereich von 2 bis " 70 um.' Die zweite Komponente des mineralischen Füllstoffes,
z. B. gemahlener Dolomit, kann Teilchengrössen in dem für das Quarzmehl genannten Bereich oder darunter haben.
Das Gewichtsverhältnis von Duroplastmatrix zum mineralisehen
Füllstoff liegt meist im. Bereich von 1:3 bis 3:1,
wobei gegebenenfalls die für die gewählte Verarbeitungsmethode, z. B. die Giessformung, noch ausreichende Viskosität
der Mischung aus Duroplastvorstufe (ohne Härter) und mineralischem Füllstoff sowie die gewünschte Festigkeit
nach der Vernetzung der Matrix zu berücksichtigen sind.
Eine möglichst homogene Verteilung der Füllstoffkörner in der Matrix, d. h. die Vermeidung von Aggregationen der
Körner, wird bevorzugt. Es wird angenommen, dass die Teilchen der Erdalkalimetallverbindung die Teilchen des Quarzmehles
gegen die Einwirkung von SF--Spaltprodukten, insbesondere HF, durch Bildung von Erdalkalimetallfluorid
abschirmen, d. h. als Abfangmittel für die SF^-Spaltpro-
dukte wirken und dementsprechend mit Vorteil die Körner des Quarzmehls räumlich umgeben. Aus diesem Grunde kann es
zweckmässig sein, ein verhältnismässig grobes Quarzmehl
und ein verhältnismässig feines Calcium- oder/und Magnesiumcarbonat
für den Füllstoffanteil zu verwenden.
3H8H7
Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindu .g. Prozente und Teile sind auf das Gewicht bezogen.
Zur Herstellung von Isolationskörpern mit den erfindungsgemässen
Merkmalen sowie zur Herstellung entsprechender nicht erfindungsgemässer Körper zum Vergleich wird wie
folgt gearbeitet:
Duroplastisch härtbares Vorpolymer auf Epoxidbasis (technisches Produkt) wird zunächst ohne Zusatz von Härter durch
Erwärmung auf ca. 1500C verflüssigt. Die erhaltene klare
Schmelze wird mit dem mineralischen pulverförmigen Füllstoff vermischt» Das erhaltene Gemisch wird dann als warme
Schmelze einer Vakuumbehandlung unterzogen, um flüchtige Anteile einschliesslich Feuchtigkeit praktisch vollstän-
15 dig zu entfernen.
Typisch beträgt die Temperatur dieser Vorbehandlung 140 + 1O0C und ihre Dauer 150 + 30 min; der Unterdruck
liegt meist zwischen 0,1 und 1,5 mbar, wobei man in der Regel mit höherem Druck von z„ B. 1,5 mbar beginnt und den
Druck im Verlauf der Behandlung auf 0,1 mbar senkt. Ein Unterdruck im Bereich von 0,13 bis 1,3 mbar wird bevorzugt,
aber es ist zu betonen, dass die optimalen Bedingungen in der Praxis der Menge des Harzes und den dielektrischen Anforderungen
angepasst werden können.
Die der Vorbehandlung unterzogene Mischung wird dann auf etwa 1300C abkühlen gelassen, mit dem Epoxidhärter, hier
Dicarbonsäureanhydrid, vermischt und in vorgeheizte (140 + 200C) Formen gegossen.
ItUIT/
In einem auf 150 + 300C gehaltenen Ofen wird die Duroplast/
Füllstoff-Masse ausgehärtet, was je nach der speziellen Hartungstemperatur innerhalb des eben genannten Bereiches
180 min bis 24 Std. benötigen kann.
Nach dem Abkühlen werden die erhaltenen Körper entformt.
Zum Vergleich der mechanischen Eigenschaften erfindungsgemässer
und nicht erfindungsgemässer Isolationskörper wurden entsprechende Probestücke nach den in der folgenden Tabelle
I angegebenen Testmethoden auf die charakteristisehen
Parameter, wie Biegefestigkeit, Bruchbiegung, E-Modul
(Biegung), Schlagzähigkeit und Wärmeformbeständigkeit untersucht .
Die variablen Herstellungs- und Zusammensetzungsparameter
wurden mit Ausnahme der Zusammensetzung des Füllstoffan-.
teiles bei allen Probestücken konstant gehalten. Das Gewichtsverhältnis von Duroplastmatrix zu'mineralischem Füllstoff
betrug 4:6.
Die Duroplastmatrix wurde jeweils aus 10 Gewichtsteilen Vorpolymer und 3,5 .Gewichtsteilen Härter gebildet. Die Körnung
aller mineralischen Füllstoffe bzw. Füllstoffkomponenten
betrug >2 <70 ^Lm. Die Messungen der mechanischen Eigenschaften
der Proben wurden bei Raumtemperatur (200C) durchgeführt.
Eigenschafts parameter |
Testme thode |
Mess einheit |
Zusammensetzung des mineralischen Füllstoffes | Al2O3** (100%) Vergl. |
90% SiO2 und 10% Microdol Erfindung |
70% SiO und 30% Microdol Erfindung*** |
Biegefe stigkeit |
ISO 178 | MPa | SiO2* (100%) Vergl. |
119 | 132 | 121 |
E-Modul (Biegung) |
ISO 178 | MPa χ 103 | 130 | 10 | 9 | 10 |
Schlagzä higkeit |
ISO 179 | KJ/m2 | 10 | 8 | 7 | 7 |
Wärme formbe- ständigkeit nach Martens |
VSM 77116 |
0C | 8 | 110 | 106 | 104 |
108 |
* SiO„ als Quarzmehl
** Al2O- als technisches Korundpulver
*** Microdol ist Handelsbezeichnung für Dolomitpulver (CaCO_/MgCO~)
CO
CD ■s CO
• -ar -40
Die in Tabelle I zusammengestellten Werte zeigen, dass
sich die charakteristischen mechanischen Werte erfindungsgemässer Isolationskörper mit einem Microdolanteil von 10%
des Gewichtes des Gesamtfüllstoffes von den vorteilhaften Eigenschaften einer nur mit Quarzmehl gefüllten Duroplastmatrix
praktisch nicht unterscheiden und* bei einem Microdolanteil
von 30% des Gewichtes des Gesamtfüllstoffes immer noch besser sind als diejenigen einer mit Korundpulver
gefüllten Duroplastmatrix. .
Um nun die Wirkungen der erfindungsgemässen zweiten mineralischen
Pulverkomponente auf die Erhöhung der Beständigkeit des Füllstoffes gegen SF--Spaltprodukte zu prüfen,
wurden die gemäss Tabelle I getesteten Isolationskörper
in gegen Flussäure beständigen diffusionsdichten Testkammern über 30%iger wässriger Fluorwasserstoff (HF)-lösung
längere Zeit bei Raumtemperatur gelagert und auf Veränderung der Biegefestigkeit getestet.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt
und zeigen,'dass die erfindungsgemässe Verwendung von Calciumcarbonat/Magnesiumcarbonat (in Form von Dolomitpulver)
in Mischung mit Quarzpulver eine deutliche Verbesserung sowohl gegenüber Quarzpulver (100% des Füllstoffes)
als auch gegenüber Korundpulver (100% des Füllstoffes) bietet.
Lagerungs dauer in 30% HF |
Eigenschafts parameter (ISO 178, ge messen bei Raumtemperatur |
Mess einheit |
Zusammensetzung des mineralischen Füllstoffes |
Al2O3** (100%) |
90% SiO2* und 10% Micro- dol |
70% SiO * und 30% Micro- dol*** |
Neuzustand | Biegefestig keit |
MPa | SiO2* (100%) |
119 | 132 | 121 |
1 Tag | M | Il | 130 | 115 | 124 | 123 |
1 Woche | Il | Il | 123 | 105 | 114 | 113 |
4 Wochen | Il | Il | 106 | 79 | 95 | 107 |
86 |
als Quarzmehl
A1„O als technisches Korundpulver
Microdol ist Handelsbezeichnung für Dolomitpulver
A1„O als technisches Korundpulver
Microdol ist Handelsbezeichnung für Dolomitpulver
CO oo ■£-*
Λ1
Es ist zu betonen, dass die für die Ermittlung der Testdaten von Tabelle· II verwendeten Bedingungen um mehrere
Grössenordnungen strenger, d. h. korrosiver, sind, als
die durch Zersetzung von SF,. im Lichtbogen einer' elektri-
sehen Schaltanlage entstehenden Konzentrationen an HP, dem
für SiO0 weitaus korrosivsten SF--Spaltprodukt.
Z Q
Aber gerade die im Vergleich zu realen Betriebsbedingungen extreme HF-Konzentration beim Testgemäss Tabelle II
zeigt, dass durch Zusatz schnell reagierender Erdalkalimetallverbindungen
zu Quarzmehl als Füllstoff die durch Fluorwasserstoff bedingte Korrosion des Füllstoffes signifikant
vermindert wird, was wahrscheinlich durch die Bildung unlöslicher Fluoride und den dadurch bedingten Schutz
der Matrix begründet ist. Auf diese Weise wird die Verwendbarkeit von Quarzmehl als hauptsächlichem Füllstoff
für Giessharzformstoffe zur Herstellung von elektrischen Isolationskörpern mit erhöhter Beständigkeit gegen SF--
Spaltprodukte in einer kommerziell sehr vorteilhaften Weise möglich.
Claims (1)
- PatentansprücheElektrischer Isolationskörper für elektrische Anlagen zum Betrieb mit SF- als Lösch- oder/und Isoliergas,welcher Isolationskörper eine Duroplastmatrix mit darin verteiltem mineralischem Füllstoff aus Quarzmehl als überwiegendem Füllstoffanteil und einer zweiten mineralischen Pulverkomponente zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber SFg-Spaltprodukten besitzt, da-: durch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente des Füllstoffes ein Carbonat mindestens eines Erdalkalimetalles ist und 5 bis 50 % des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes bildet.·. Isolationskörper nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente 10 bis 30 % des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes bildet.3. Isolationskörper nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente aus Calciumcarbonat oder/und Magnesiumcarbonat20 besteht.4. Isolationskörper nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente aus pulverförmigem Dolomit besteht.5= Isolationskörper nach einem der Patentansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Duroplastmatrix eine solche aus vernetztem Epoxidharz ist.
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