EP2608220A1

EP2608220A1 - Elektrischer Isolator und Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators

Info

Publication number: EP2608220A1
Application number: EP11195210.7A
Authority: EP
Inventors: Jean-Claude Mauroux; Joakim Pettersson; Leopold Ritzer; Reto Weder; Lukas Zehnder
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-26
Also published as: CN203521070U; CN103177834A; CN103258605A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist es, dass eine hitzebeständige Schicht (1), welche Schicht (1) einen Isolator vor erhöhter Temperatur schützt, für eine Verbindung mit einem Isolatorgrundkörper (7) Verbindungsfasern (3) aufweist, welche Verbindungsfasern (3) teilweise durch eine hitzebeständige Grundschicht (2) und teilweise durch einen mit dem Isolatorgrundkörper (7) verbunden Kunststoff imprägniert sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektrischen Isolatoren und der Herstellung elektrischer Isolatoren, insbesondere für Mittel- und Hochspannungsanlagen. Sie betrifft einen Isolator mit einer hitzebeständigen Schicht und die Herstellung eines solchen.

STAND DER TECHNIK

Elektrische Isolatoren weisen oft hitzeempfindliche Materialien wie etwa Kunststoffe auf. Wenn solche Isolatoren in einer Umgebung mit zumindest zeitweilig erhöhter Temperatur eingesetzt werden, müssen diese thermisch durch eine hitzebeständige Schicht geschützt werden, um mechanische Schäden und Verringerungen der Isolationsfestigkeit wie etwa durch Verkohlung der Kunststoffe zu vermeiden.
Die Verbindung zwischen einem Isolatorgrundkörper und der hitzebeständigen Schicht ist dabei problematisch. Durch eine niedrige Oberflächenspannung der hitzebeständigen Schicht beispielsweise durch das Aufweisen eines Fluorkunststoffes, wie etwa Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxy-Polymere oder Perfluorethylenpropylen-Copolymer, ist ein Aufkleben der Schicht auf den Isolatorgrundkörper sehr schwierig aufgrund der schlechten Oberflächenbenetzung der hitzebeständigen Schicht durch einen Klebstoff.
Daher wird die hitzebeständige Schicht bisher durch Ätzen vorbehandelt, um so die Oberflächenspannung zur reduzieren und die Verklebung zu ermöglichen. Der Prozess des Ätzens ist hochtoxisch. Unter Verwendung von metallischem Natrium, das unter Stickstoffatmosphäre in Tetrahydrofuran und Naphthalin zerfällt, wird eine Lösung die Ätzflüssigkeit hergestellt. Sowohl dieses Produkt wie das metallische Natrium sind hochexplosiv und spalten bei einer möglichen Reaktion an Luft und Feuchtigkeit hochkonzentrierte Natronlauge ab. So hergestellte Isolatoren sind beispielsweise aus EP 19970810118 bekannt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Isolator zur Verfügung zu stellen, welcher Isolator einen Isolatorgrundkörper und eine fest mit dem Isolatorgrundkörper verbundene, hitzebeständige Schicht aufweist, und ohne Ätzen der hitzebeständigen Schicht hergestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Isolator und eine Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Isolators mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist es, das eine hitzebeständige Schicht zusätzlich zu einer hitzebeständigen Grundschicht mit einer Glastemperatur von mindestens 100 Grad Celsius, bevorzugt von mindestens 115 Grad Celsius, auf einer Seite Verbindungsfasern aufweist. Diese Verbindungsfasern sind teilweise durch die Grundschicht imprägniert und bilden durch das Umschliessen der Verbindungsfasern durch die Grundschicht in diesen Teilen eine Verbindung zwischen den Verbindungsfasern und der Grundschicht. Die Verbindungsfasern aufweisende Seite der Schicht wird relativ zu einer zu schützenden Oberfläche des Isolatorgrundkörpers positioniert so, dass es zu einem Kontakt zwischen der Verbindungsfasern aufweisenden Seite der Schicht und dem Isolatorgrundkörper kommt. Eine Verbindung zwischen den Verbindungsfasern und dem Isolatorgrundkörper wird durch einen ersten Kunststoff hergestellt, welches erste Kunststoff einen noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht imprägnierten Teil der Verbindungsfasern imprägniert und fest mit dem Isolatorgrundkörper verbunden ist.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Isolatorgrundkörper, welcher einen zweiten Kunststoff aufweist. Dabei wird der noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht imprägnierte Teil der Verbindungsfasern durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers imprägniert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform betrifft eine Imprägnierung des noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht imprägnierten Teils der Verbindungsfasern durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers, wobei die Imprägnierung gleichzeitig mit der Herstellung des Isolatorgrundkörpers erfolgt.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1: eine hitzebeständige Schicht mit Verbindungsfasern;
Fig. 21&22: die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines duroplastischen Isolatorgrundkörpers und gleichzeitiger Verbindung des Isolatorgrundkörpers mit einer hitzebeständigen Schicht durch Wickeln; und
Fig. 31&32: die Schritte eines Verfahrens zur Verbindung eines thermoplastischen Isolatorgrundkörpers mit einer hitzebeständigen Schicht durch Schmelzimprägnieren.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt eine hitzebeständige Schicht 1 mit einer hitzebeständigen Grundschicht 2 aus Perfluoralkoxylalkan und Verbindungsfasern 3 aus Polytetrafluorethylen, welche Verbindungsfasern 3 auf einer Seite der Grundschicht 2 angeordnet sind und teilweise durch Perfluoralkoxylalkan imprägniert sind.
Fig. 21 zeigt einen Winkeldorn 4 für ein duroplastisches Nasswickelverfahren. Auf dem Winkeldorn 4 ist die hitzebeständige Schicht 1 positioniert und bildet so eine in Umfangsrichtung des Wickeldorns 4 geschlossene Mandelfläche. Dabei ist die mit den Verbindungsfasern 3 versehene Seite der Schicht 1 dem Winkeldorn 4 abgewandt.
Fig. 22 zeigt ein Umwickeln der auf dem Winkeldorn 4 positionierten hitzebeständigen Schicht 1 auf der Verbindungsfasern 3 aufweisenden Seite mit imprägnierten Verstärkungsfasern 5, welche Verstärkungsfasern 5 nach dem Umwickeln im ausgehärteten Zustand einen Isolatorgrundkörper 7 bilden. Dabei werden die Verstärkungsfasern 5 vor dem Wickeln mittels einer Imprägniervorrichtung 6 durch ein Epoxidharz imprägniert. Das Wickeln wird so lange fortgesetzt bis sich die gewünschte Form des Isolatorgrundkörpers 7 ergibt. Durch das Wickeln der imprägnierten Verbindungsfasern 3 auf die mit den Verbindungsfasern 3 versehene Seite der hitzebeständigen Schicht 1 wird überschüssiges Epoxidharz auf einen noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht 2 imprägnierten Teil der Verbindungsfasern 3 appliziert und so imprägniert. Nach dem Aushärten des Epoxidharzes sind die Verbindungsfasern 3 teilweise durch die hitzebeständige Grundschicht 2 und teilweise durch das Epoxidharz umschlossen, wodurch eine Verbindung zwischen der radial innen liegenden hitzebeständigen Schicht 1 und dem radial aussen liegenden hohlzylinderförmigen Isolatorgrundkörper 7 entsteht. Ein so hergestellter Isolator ist besonders als Heizkammerisolator für Generatorschalter vorteilhaft.
Dabei kann die Art und die Orientierung der Verbindungsfasern 3 und der Verstärkungsfasern 5 variiert werden. So sind beispielsweise sowohl Kurzfasern mit einer zufälligen Anordnung als auch kontinuierliche Fasern in Form eines Gestrickes als Verbindungsfasern 3 oder die Verwendung von Prepregs als Verstärkungsfasern 5 möglich. Eine mögliche Herstellung der hitzebeständigen Schicht 1 ist das Aufpressen der Verbindungsfasern 3 auf das geschmolzene Material der hitzebeständigen Grundschicht 2 direkt nach deren Extrusion. Um eine in Umfangsrichtung durchgehende hitzebeständige Schicht 1 auf dem Winkeldorn 4 zu garantieren, ist es möglich die hitzebeständige Schicht 1 soweit um den Winkeldorn 4 in Umfangsrichtung zu wickeln bis ein Anfangskante der Schicht 1 und eine Endkante der Schicht 1 eine Überlappung bilden. Alternative können die Anfangskante und Endkante direkt auf Stoss positioniert werden und der Stoss mit einem zusätzlichen Streifen der hitzebeständigen Schicht 1 überdeckt werden. So kann ein mit Epoxidharz gefüllter Spalt zwischen der Anfangskante und der Endkante vermieden werden, welcher Spalt durch hitzebedingte Verkohlung leitfähig wäre. Statt eines Nasswickelverfahrens kann auch ein Trockenwickelverfahren mit nachfolgender Infusionsimprägnierung verwendet werden.
Fig. 31 zeigt einen Isolatorgrundkörper 7 aus einem Thermoplast. Eine in Fig. 1 beschriebene hitzebeständige Schicht 1 wird mit einer Seite welche Verbindungsfasern 3 aufweist mit dem Isolatorgrundkörper 7 in Kontakt gebracht. Durch zugeführte Wärme 8 wird der Isolatorgrundkörper 7 über die Glastemperatur des Thermoplasts erwärmt. Dadurch wird der Thermoplast in dem erwärmten Bereich flüssig. Vorzugsweise ist die Wärme 8 auf den Kontaktbereich zwischen dem Isolatorgrundkörper 7 und der hitzebeständigen Schicht 1 beschränkt.
Fig. 32 zeigt ein Imprägnieren eines noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht 2 imprägnierten Teils der Verbindungsfasern 3 durch den flüssigen Thermoplasten des Isolatorgrundkörpers 7 so, dass die Verbindungsfasern 3 nach Abkühlung des Isolatorgrundkörpers 7 unterhalb der Glastemperatur teilweise durch die hitzebeständige Grundschicht 2 und teilweise durch den Thermoplast umschlossen sind, wodurch eine Verbindung zwischen der hitzebeständigen Schicht 1 und dem Isolatorgrundkörper 7 entsteht.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: hitzebeständige Schicht
2: hitzebeständige Grundschicht
3: Verbindungsfasern
4: Wickeldorn
5: Verstärkungsfasern
6: Imprägniervorrichtung
7: Isolatorgrundkörper
8: Wärme

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators, welcher einen Isolatorgrundkörper (7) und eine fest mit dem Isolatorgrundkörper (7) verbundene, hitzebeständige Schicht (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, wobei die Nummerierung der Schritte nicht notwendigerweise die Reihenfolge der Schritte impliziert:
a) Bereitstellen der hitzebeständigen Schicht (1), welche eine hitzebeständige Grundschicht (2) und Verbindungsfasern (3) zur Verbesserung der Verbindung zwischen dem Isolatorgrundkörper (7) und der hitzebeständigen Schicht (1) auf einer Seite der hitzebeständigen Grundschicht (2) aufweist, wobei die Verbindungsfasern (3) teilweise durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägniert sind;

b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7);

c) Positionieren der hitzebeständigen Schicht (1) relativ zu dem Isolatorgrundkörper (7), wobei die verbindungsfaseraufweisende Seite der hitzebeständigen Schicht (1) dem Isolatorgrundkörper (7) zugewandt ist; und

d) Imprägnieren eines nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten Teils der Verbindungsfasern (3) der hitzebeständigen Schicht (1) und Verbinden der hitzebeständigen Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) durch einen ersten Kunststoff.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) zusätzlich umfasst:
a) Bereitstellen der hitzebeständigen Schicht (1) durch ein Aufpressen von Verbindungsfasern (3) auf eine Seite der hitzebeständigen Grundschicht (2).
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers (7).
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 3, wobei der Isolatorgrundkörper (7) einen zweiten Kunststoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers (7) mittels eines für den zweiten Kunststoff geeigneten Herstellungsverfahrens.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 4, wobei der zweite Kunststoff des Isolatorgrundkörper (7) ein Duroplast ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers (7) mittels eines für Duroplasten geeigneten Herstellungsverfahrens.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 4, wobei der zweite Kunststoff des Isolatorgrundkörper (7) ein Thermoplast ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers (7) mittels eines für einen Thermoplast geeigneten Herstellungsverfahrens.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Isolatorgrundkörper (7) Verstärkungsfasern (5) zur mechanischen Verstärkung des zweiten Kunststoffes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers (7) mittels eines für faserverstärkte Kunststoffe geeigneten Herstellungsverfahrens.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) umfasst:
d) Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten Teil der Verbindungsfasern (3) und Verbinden der hitzebeständigen Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers (7) anstelle des ersten Kunststoffes.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) umfasst:
d) Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten Teil der Verbindungsfasern (3) und Verbinden der hitzebeständigen Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers (7) gleichzeitig mit einem Imprägnieren der Fasern des Isolatorgrundkörpers (7).
Elektrischer Isolator, welcher einen Isolatorgrundkörper (7) und eine fest mit dem Isolatorgrundkörper (7) verbundene, hitzebeständige Schicht (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator Verbindungsfasern (3) aufweist, welche der Verbindung zwischen der hitzebeständigen Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) dienen, welche teilweise durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägniert sind und deren nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teil mit den Isolatorgrundkörper (7) verbunden ist.
Elektrischer Isolator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teil der Verbindungsfasern (3) um dem Isolatorgrundkörper (7) durch ein Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teils der Verbindungsfasern (3) durch einen ersten Kunststoff erfolgt.
Elektrischer Isolator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der erste Kunststoff ein Klebstoff ist.
Elektrischer Isolator nach 10, wobei der Isolatorgrundkörper (7) einen zweiten Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet die Verbindung zwischen dem nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teil der Verbindungsfasern (3) um dem Isolatorgrundkörper (7) durch ein Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teils der Verbindungsfasern (3) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers (7) erfolgt.