EP2154698B1 - Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators und rissfester Gießharztransformator - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators und rissfester Gießharztransformator Download PDF

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EP2154698B1
EP2154698B1 EP09161058.4A EP09161058A EP2154698B1 EP 2154698 B1 EP2154698 B1 EP 2154698B1 EP 09161058 A EP09161058 A EP 09161058A EP 2154698 B1 EP2154698 B1 EP 2154698B1
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Siemens AG
Momentive Specialty Chemicals GmbH
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    • H01B3/40—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes epoxy resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/327—Encapsulating or impregnating
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    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/12—Insulating of windings
    • H01F41/127—Encapsulating or impregnating

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a crack-resistant cast-resin transformer, wherein a casting resin for electrical insulation of a winding body of the cast-resin transformer is used. Furthermore, the invention relates to a cast-resin transformer with an existing of cast resin electrical insulation of a winding body of the cast resin transformer.
  • casting resins in particular epoxy resins
  • electrical insulation of electrical components in particular high-voltage transformers
  • casting resins have the advantage that casting resins on the one hand have high electrical strengths and on the other hand are mechanically very stable in the cured state.
  • the problem with the use of casting resins is that the casting resin is liquid and thus difficult to process only in the heated state.
  • the DE 44 32 188 A1 an epoxy resin molding compound, which in addition to a phosphorus-modified epoxy resin further additives and inorganic fillers.
  • the epoxy resin molding composition is technically simpler and thus cheaper to produce and should have a lower water absorption and higher thermal shock resistance compared to known epoxy molding compounds.
  • a potting compound in particular for producing molded parts with embedded therein inserts, consisting of a base component and at least one additive, wherein the base component is a casting resin and the base component at least two additives, in particular quartz powder and a mineral fiber material having.
  • a problem with the casting resin transformers produced hitherto in the state of the art is that they have a high electrical output Load or, in the case of a cold shock test prescribed in accordance with standard IEC600 76 - 11, cracks, especially at the material transitions.
  • the risk of cracking is greater, the faster the curing of the casting resin during manufacture takes place. For this reason, very long curing times have hitherto been chosen in the prior art, so that a virtually uniform cooling of all components of the entire cast-resin transformer is ensured.
  • the curing process until removal of the final casting mold from the cast-resin transformer therefore takes in part more than 30 hours.
  • Object of the present invention is therefore to shorten the curing process during the production of a cast-resin transformer.
  • a toughening modifier of up to 20 phr is added to the liquid casting resin in comparison with the base component of the casting resin.
  • the term phr parts per hundred resin
  • phr parts per hundred resin
  • an accelerator is added in such a concentration that results in a gel time of less than 15 minutes at 140 ° C, wherein the enriched with these two components liquid casting resin for casting of the winding body and the thus-cast winding body for curing one linear or stepped rising temperature profile is exposed.
  • An example of this is the following temperature profile, in which within 4 hours, the composite liquid casting resin is continuously increased from a temperature of 80 ° C to 100 ° C. Subsequently, the temperature is continuously increased to 130 ° C and then finally cured for several hours at this temperature. An otherwise slow cooling in the cooling area for reducing the internal thermal stresses (annealing) is not necessary according to the present method.
  • Toughness modifiers are known for improving the temperature resistance of casting resins (for example DE 601 04 449 T2 ).
  • the use of cure accelerators for example DE 42 06 733 C2 ), the polymerization or polyaddition accelerates conversion to a crosslinked composite matrix of the thermosetting molding resin.
  • the sole or non-coordinated addition of accelerators to a liquid casting resin leads just to a rapid curing with high mechanical stresses, which forms in case of frequent temperature changes of the cast resin transformer during operation, the cracks to be avoided.
  • the crack resistance of the casting resin can be increased in such a way that mechanical stresses just do not arise during the curing process and thus at the same time the curing times can be reduced.
  • the combination of the toughness modifier with adjusted accelerator concentrations and a co-ordinated curing process reduces or eliminates the cracking of a cast resin transformer thus produced.
  • liquid casting resin as an accelerator in particular a tertiary amine and / or a quaternary ammonium compound is added.
  • the temperature profile is controlled during the curing process of the liquid casting resin by means of a temperature distribution in a furnace surrounding the winding body.
  • a filler is added to the liquid casting resin, in particular a mineral quartz powder.
  • a filler is added to the liquid casting resin, in order in addition to increase the composite matrix of the hardening casting resin by the glass short fibers to reinforce.
  • a toughening modifier of up to 20 phr is added to the casting resin of the cast-resin transformer.
  • a filler is advantageously added to the casting resin, wherein, based on the weight percent of the filler of up to 5 percent by weight glass short fibers are added to the casting resin.
  • the filler is a mineral filler, in particular an amorphous quartz powder.
  • the accelerator is in particular a tert. Amine and / or a quaternary ammonium compound and the toughness modifier, a copolymer, in particular an acrylonitrile or a silicone rubber.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators, wobei ein Gießharz zur elektrischen Isolation eines Wicklungskörpers des Gießharztransformators verwendet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Gießharztransformator mit einer aus Gießharz bestehenden elektrischen Isolation eines Wicklungskörpers des Gießharztransformators.
  • Die Verwendung von Gießharzen, insbesondere Epoxydharzen, für die elektrische Isolation von elektrischen Bauteilen, insbesondere Hochspannungstransformatoren, ist seit Jahren Stand der Technik. Im Transformatorbau haben Gießharzen den Vorteil, dass Gießharze zum einen eine hohe elektrische Festigkeiten aufweisen und zum anderen im ausgehärteten Zustand mechanisch sehr stabil sind. Problematisch bei der Verwendung von Gießharzen ist jedoch, dass das Gießharz lediglich im erwärmten Zustand flüssig und damit schwer verarbeitbar ist. Aufgrund der dabei zum Teil hohen Temperaturen entstehen während des Abkühlungsprozesses jedoch örtlich unterschiedliche Temperaturgradienten im Gießharz bzw. an den Materialübergängen, wie beispielsweise zwischen dem Gießharz und den im Gießharz eingebetteten Aluminiumwicklungen, die zu mechanischen Spannungen und damit Rissen im Gießharz oder in den Materialübergängen führen können. Daher werden bisher die thermischen Eigenspannungen durch ein gezieltes und zeitaufwendiges Abkühlen des zuvor thermisch ausgehärteten Gießharzkörpers reduziert (Tempern).
  • Zur Erhöhung der Rissfestigkeit eines Gießharztransformators werden ebenfalls im Stand der Technik dem Gießharz weitere Zusatzstoffe und/oder Füllstoffe zugesetzt. Durch die Einbringung von weiteren Komponenten in den flüssigen Gießharz wird die sich beim Aushärten des flüssigen Gießharzes entstehende Matrixstruktur unterstützt bzw. durch Einlagerung der Komponenten in die Matrix verstärkt.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 43 43 121 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer Gießkeramik. Gießkeramiken werden aus Wasserglas und einem silizium- und aluminiumhaltigen Pulver hergestellt, was die offene Porosität des Epoxydharzes reduziert. Die Gießkeramik kommt vor allem als elektrischer Isolator zum Einsatz.
  • Des Weiteren offenbart die DE 44 32 188 A1 eine Epoxydharzformmasse, die neben einem phosphormodifiziertem Epoxydharz weitere Zusatzstoffe und anorganische Füllstoffe aufweist. Gemäß der DE 44 32 188 A1 ist die Epoxydharzformmasse technisch einfacher und damit kostengünstiger herstellbar und soll gegenüber bekannten Epoxydharzformmassen eine geringere Wasseraufnahme und höhere Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen.
  • Ebenfalls offenbart die DE 102 24 587 A1 eine Vergussmasse, insbesondere zum Herstellen von Formteilen mit darin eingegossenen Einlegeteilen, die aus einer Grundkomponente und wenigstens einem Zusatzstoff bestehen, wobei die Grundkomponente ein Gießharz ist und die Grundkomponente wenigstens zwei Zusatzstoffe, insbesondere Quarzmehl und ein mineralische Fasermaterial, aufweist.
  • DE 4 217 288 A1 zeigt die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Problematisch an dem bisher im Stand der Technik herstellten Gießharztransformatoren ist, dass sie bei einer hohen elektrischen Belastung oder bei einer gemäß dem Standard IEC600 76 - 11 vorgeschriebenen Kälteschockprüfung Risse, insbesondere an den Materialübergängen, ausbilden. Die Gefahr der Rissbildung ist umso größer, je schneller der Aushärteprozess des Gießharzes während der Herstellung erfolgt. Aus diesem Grunde wurden bisher im Stand der Technik sehr lange Härtezeiten gewählt, damit eine nahezu gleichmäßige Abkühlung aller Komponenten des gesamten Gießharztransformators gewährleistet wird. Der Aushärteprozess bis zum Entfernen der endgültigen Gießform von dem Gießharztransformator dauert daher zum Teil mehr als 30 Stunden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Aushärteprozess während der Herstellung eines Gießharztransformators zu verkürzen.
  • Hinsichtlich der Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den hierauf rückbezogenen Unteransprüchen ausgeführt.
  • Hinsichtlich des Gießharztransformators wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird entsprechend dem Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators dem flüssigen Gießharz ein Zähigkeitsmodifikator von bis zu 20 phr im Vergleich zur Grundkomponente des Gießharzes hinzugefügt. Der dem Fachmann geläufige Ausdruck phr ("parts per hundred resin") gibt an, wie viele Gewichtsteile einer Komponente im Gießharz bezogen auf 100 Gewichtsteile des Gießharzes vorhanden sind.
  • Zu dieser ersten Komponente wird ein Beschleuniger in einer solchen Konzentration hinzugefügt, dass sich eine Gelierzeit von weniger als 15 Minuten bei 140 °C ergibt, wobei das mit diesen beiden Komponenten angereicherte flüssige Gießharz zum Vergießen des Wicklungskörpers dient und der so vergossene Wicklungskörper zum Aushärten einem linear oder treppenförmig aufsteigenden Temperaturprofil ausgesetzt wird. Exemplarisch hierfür ist das folgende Temperaturprofil, bei dem innerhalb von 4 Stunden das zusammengesetzte flüssige Gießharz kontinuierlich von einer Temperatur von 80°C auf 100 °C erhöht wird. Anschließend wird die Temperatur kontinuierlich auf 130°C gesteigert und anschließend über mehrere Stunden bei dieser Temperatur endgültig ausgehärtet. Eine sonst übliche langsame Abkühlung in den Kühlbereich zur Reduzierungen der thermischen Eigenspannungen (Temperung) ist gemäß dem vorliegenden Verfahren nicht notwendig.
  • Zähigkeitsmodifikatoren sind zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Gießharzen bekannt (beispielsweise DE 601 04 449 T2 ). Die Verwendung von Härtungsbeschleunigern (beispielsweise DE 42 06 733 C2 ) beschleunigt die Polymerisation oder Polyaddition die Umwandlung in eine vernetzte Verbundmatrix des sich aushärtenden Gießharzes. Die alleinige bzw. nicht abgestimmte Zugabe von Beschleunigern zu einem flüssigen Gießharz führt gerade zu einer schnellen Aushärtung mit hohen mechanischen Spannungen, die im Falle von häufigen Temperaturwechseln des Gießharztransformators im Betrieb die zu vermeidenden Risse ausbildet.
  • Durch den Einsatz von definierten Zähigkeitsmodifikatoren und einer hierauf angepassten Erhöhung der Beschleunigerkonzentration kann die Rissfestigkeit des Gießharzes derartig gesteigert werden, dass hierdurch während des Aushärtprozesses mechanische Spannungen gerade nicht entstehen und damit gleichzeitig die Aushärtezeiten verringert werden können. Insbesondere die Kombination des Zähigkeitsmodifikators mit angepassten Beschleunigerkonzentrationen und einem abgestimmten Aushärteprozess verringert beziehungsweise unterbindet die Rissbildung eines so hergestellten Gießharztransformators.
  • Hierdurch ergibt sich zum einen der Vorteil von kürzeren Aushärtezeiten mit entsprechend verringertem Energieaufwand in der Herstellung des Gießharztransformators. Gleichzeitig wird die Lebensdauer eines so hergestellten Gießharztransformators verlängert, da die während des Betriebes entstehenden Temperaturschwankungen keine Risse innerhalb des Gießharztransformators erzeugen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass dem flüssigen Gießharz als Beschleuniger, insbesondere ein tertiäres Amin und/oder eine quarternäre Ammoniumverbindung, zugesetzt wird.
  • Vorteilhafterweise wird das Temperaturprofil während des Härtungsprozesses des flüssigen Gießharzes mittels einer Temperaturverteilung in einem den Wicklungskörper umgebenden Ofen gesteuert.
  • Vorteilhafterweise wird dem flüssigen Gießharz ein Füllstoff zugesetzt, insbesondere ein mineralisches Quarzmehl. Weiterhin wird dem flüssigen Gießharz bis zu 5 Gewichtsprozent, insbesondere 3 Gewichtsprozent, Glaskurzfasern bezogen auf den Füllstoff zugesetzt, um somit die Verbundmatrix des sich aushärtenden Gießharzes zusätzlich durch die Glaskurzfasern zu verstärken. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine sonst übliche Armierung in Form einer Glasfasermatte oder eines Vlieses an der Innen und/oder Außenseite des Gießharzkörpers nicht notwendig ist.
  • Erfindungsgemäß wird dem Gießharz des Gießharztransformators ein Zähigkeitsmodifikator von bis zu 20 phr zugesetzt. Des Weiteren wird vorteilhafterweise dem Gießharz ein Füllstoff zugesetzt, wobei bezogen auf die Gewichtsprozente des Füllstoffes von bis zu 5 Gewichtsprozente Glaskurzfasern dem Gießharz zugesetzt sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gießharztransformators ist der Füllstoff ein mineralischer Füllstoff, insbesondere ein amorphes Quarzmehl.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gießharztransformators ist der Beschleuniger insbesondere ein tert. Amin und/oder eine quarternäre Ammoniumverbindung und der Zähigkeitsmodifikator ein Copolymer, insbesondere ein Acrylnitrit oder ein Silikonkautschuk.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen eines rissfesten Gießharztransformators, wobei ein Gießharz zur elektrischen Isolation eines Wicklungskörpers des Gießharztransformators verwendet wird, wobei dem flüssigen Gießharz ein Zähigkeitsmodifikator zugesetzt wird und das so zusammengesetzte flüssige Gießharz zum Verguss des Wicklungskörpers dient,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    die Menge des Zähigkeitsmodifikators bis zu 20 phr beträgt, und wobei der so gegossene Wicklungskörper zum Aushärten mit zunehmender Temperatur erwärmt wird, und wobei die Temperatur in Form eines definierten Temperaturprofils linear und/oder treppenförmig während des Aushärtens des zusammengesetzten flüssigen Gießharzes erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem flüssigen Gießharz als Zähigkeitsmodifikator ein Copolymer, insbesondere ein Akrylnitrilcopolymer bzw Silikonkautschuk, zusetzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Temperaturprofil während des Härtungsprozesses des zusammengesetzten flüssigen Gießharzes mittels einer Temperaturverteilung in einem den Wicklungskörper umgebenden Ofen gesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    dem flüssigen zusammengesetzten Gießharz ein Beschleuniger, insbesondere ein tertiäres Amin und/oder eine quarternäre Ammoniumverbindung, zugesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet , dass die Konzentration des Beschleunigers zu einer Gelierzeit von weniger als 15 Minuten bei 140 °C führt und somit auf den Aushärteprozesses angepasst wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    dem flüssigen Gießharz ein Füllstoff zugesetzt wird, wobei bezogen auf die Gewichtsprozente des Füllstoffes bis zu 5 Gewichtsprozent Glaskurzfasern zugesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    dem flüssigen Gießharz als Füllstoff ein mineralischer Füllstoff, insbesondere ein amorphes Quarzmehl, zugesetzt wird.
  8. Gießharztransformator mit einer aus Gießharz bestehenden elektrischen Isolation eines Wicklungskörpers des Gießharztransformators,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    das flüssige Gießharz einen Zähigkeitsmodifikator von bis zu 20 phr enthält und das so zusammengesetzte zunächst flüssige Gießharz mittels eines definierten linear und/oder treppenförmig ansteigenden Temperaturprofils erwärmt ist und damit rissfest ausgehärtet ist.
  9. Gießharztransformator nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    dem Gießharz ein Füllstoff zugesetzt ist, wobei bezogen auf die Gewichtsprozente des Füllstoffes von bis zu 5 Gewichtsprozent Glaskurzfasern dem Gießharz zugesetzt sind.
  10. Gießharztransformator nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    der Füllstoff ein mineralischer Füllstoff, insbesondere ein amorphes Quarzmehl, ist.
  11. Gießharztransformator nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet , dass
    das zusammengesetzte flüssige Gießharz ein Beschleuniger, insbesondere ein tertiäres Amin und/oder eine quarternäre Ammoniumverbindung, aufweist und der Zähigkeitsmodifikator ein Copolymer, insbesondere ein Akrylnitril oder Silikonkautschuk, ist.
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