EP3363029B1 - Kompakter trockentransformator mit einer elektrischen wicklung und verfahren zur herstellung einer elektrischen wicklung - Google Patents

Kompakter trockentransformator mit einer elektrischen wicklung und verfahren zur herstellung einer elektrischen wicklung Download PDF

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EP3363029B1
EP3363029B1 EP17702601.0A EP17702601A EP3363029B1 EP 3363029 B1 EP3363029 B1 EP 3363029B1 EP 17702601 A EP17702601 A EP 17702601A EP 3363029 B1 EP3363029 B1 EP 3363029B1
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EP
European Patent Office
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coating
formulation
filler
electrical winding
winding
Prior art date
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Benedikt Hönisch
Tim-Felix Mai
Christian Seidel
Steffen Weinert
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Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to the coating of an insulating body of a dry-type transformer.
  • Dry transformers are power transformers that are used in power engineering to transform voltages of up to approx. 36 kV on the high-voltage side.
  • a low-voltage winding and a high-voltage winding are arranged coaxially around one leg of a core.
  • the winding with the lower voltage is referred to as the low-voltage winding
  • the winding with the higher voltage is referred to as the high-voltage winding.
  • Both windings are embedded in a solid insulating material; in the case of the high-voltage winding, a casting resin is often used for this.
  • Such a dry-type transformer is out of the EP 1133779 B1 famous.
  • a coating which is preferably made of a semiconducting material, is provided on the surface of the solid insulating body in which an electrical winding, that is to say in particular an upper and / or lower voltage winding wound into a coil, is embedded.
  • a transformer with first and second windings is known, the windings being embedded in a resin such as an epoxy resin and / or a urethane resin.
  • an electrical winding according to claim 1 in particular a high-voltage winding, is provided for a dry-type transformer with a winding conductor that is wound in several turns to form a coil, the coil being embedded in a solid insulating body, with a coating on at least one surface of the insulating body a certain sheet resistance is provided, the coating by applying a formulation, which as Solvent contains water, can be produced and a resin component and at least one Comprises microscale and electrically conductive filler, where electrically conductive filler is present in a particle size in the range of 1 ⁇ m to 2 mm, the coating is filled at least bimodally, i.e. at least two filler particle fractions are present in the coating and that by setting the ratio of at least two filler particle fractions in the formulation of the defined sheet resistance of the coating can be adjusted.
  • a formulation which as Solvent contains water
  • the winding conductor can be a foil conductor, a strip conductor or a wire conductor.
  • the coil is embedded in an insulating body made of a solid insulating material. A casting resin is often used for this, with which the coil is cast and which is cured after the casting. The result is a mechanically stable winding in the form of a hollow cylinder, the coil of which is well protected from environmental influences.
  • a coating of a resin mixture with a microscale and electrically conductive filler according to claim 1 is applied to at least one surface of the insulating body.
  • the filler is in the form of at least one microscale filler fraction whose filler content makes up more than 20% by weight and / or more than 10% by volume of the coating.
  • At least two filler particle fractions in the coating There are at least two filler particle fractions in the coating. It is particularly advantageous if the at least two filler fractions have microscale filler particles.
  • a particular advantage here is that a defined sheet resistance can be determined by the ratio in which at least two filler fractions are present in the coating.
  • the coating can be produced by applying a formulation.
  • a processable, ie preferably flowable, mixture of an uncured resin component with a hardener, either as two separate components or in one component, is mixed with filler and applied in solution to a surface.
  • This formulation is then cured on the surface, for example by a thermal and / or UV-initiated reaction, to form the finished coating.
  • the resin matrix is in the form of a 2-component system made up of resin and hardener.
  • a water-soluble 2-component system is particularly advantageous because organic solvents, which are generally considered to be environmentally hazardous, are avoided in the production of the coating.
  • Hardener and / or resin components can be processed in an aqueous solution.
  • a one- or two-component resin system is used, which is environmentally friendly, through the use of water-based solvents.
  • aqueous polyurethane-acrylate resin system more far-reaching ecological aspects can be implemented, such as dispensing with recycling or post-combustion of the solvent. This also facilitates occupational safety for the operator and / or the manufacturer, such as a painter, for example.
  • water-based solvents are sufficient for producing the formulation which is applied to at least one surface of the insulating body to produce the coating.
  • a material is considered to be electrically conductive if the electrical resistance is less than 10 8 ⁇ / ⁇ .
  • a material is considered an insulator or non-conductive.
  • the coating should be applied at least to the inner circumferential surface of the insulating body, preferably also to the end faces.
  • the coating is particularly preferably applied to the entire surface of the insulating body, that is to say in addition to the inner circumferential surface and the end faces also on the outer circumferential surface.
  • the electrical field of the electrical winding is largely reduced in the cast resin and is thus reduced outside the winding to a size that allows the distance to other components of the transformer such as the core or low-voltage winding to be smaller, which makes it more compact Construction allows.
  • the coating is preferably made of a semiconducting material.
  • a material is regarded as semiconducting among experts and within the meaning of the invention if its specific resistance is less than 10 8 ⁇ / ⁇ and greater than 10 1 ⁇ / ⁇ . Since an electrically conductive coating, in particular one of the entire surface, of a winding represents a short-circuit winding, a current will flow in this which represents a power loss generated. This power loss can be limited with a coating made of a semiconducting material.
  • Suitable conductive or semiconducting coatings are based on a resin system into which a microscale semiconducting filler is incorporated, advantageously in an amount of more than 20% by weight and / or 10% by volume, in particular in the range from 20% by weight to 80% by weight, particularly preferred between 50% by weight and 60% by weight and / or the corresponding volume percentage limits in the case of light, in particular hollow, filler particles.
  • a two-component resin system with a first component selected from the group of the following resins: epoxy, polyurethane, acrylate, polyimide and / or polyester resin system, and any mixtures, copolymers and blends of the aforementioned resins is suitable for this.
  • a second component for example, a hardener tailored to the respective resin, such as amine, acid anhydride, peroxide, polyisocyanate, in particular aliphatic polyisocyanate, is added to the formulation.
  • a water-soluble hardener component is used because of its environmental compatibility, because the solvent does not need to be burned afterwards and the use of organic solvents is generally environmentally disadvantageous in terms of sustainability.
  • the formulation has a certain processing time in which it is applied as an uncrosslinked formulation for coating on at least one surface of the insulating body.
  • the application is carried out, for example, by spraying, spraying, brushing, rolling and / or by immersion.
  • the formulation crosslinks and achieves stability with respect to environmental influences, solar radiation, mechanical stress, etc.
  • Crosslinking is supported, for example, by heating.
  • the coating has a stability at temperatures of up to 170.degree.
  • the defined electrical conductivity is achieved by adding two filler fractions. At least two fractions of a microscale filler are added to the formulation. This is present in the dry matter of the formulation and / or in the coating in an amount of more than 20% by weight and / or 10% by volume, it can even be present in an amount of up to 80% by weight of the dry matter, but is preferably in the range from 35% by weight to 75% by weight, in particular from 40% by weight to 60% by weight of the dry matter of the formulation and / or the corresponding percent by volume in the case of light filler particles.
  • the filler used is a microscale filler with an average grain size D 50 in the range from 1 ⁇ m to 2 mm.
  • the mean grain size is advantageously in the range from 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably in the range from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the filler can comprise all types of filler particle shapes.
  • globular fillers can be mixed with platelet-shaped fillers.
  • the limit of at least 20% by weight is assumed as the lower limit by the corresponding volume percent, for example approximately 10 volume%.
  • the filler particles are preferably made of semiconducting material.
  • the material can be conductive carbon black, conductive graphite, graphite, metal oxide and / or metal nitride and any mixtures thereof.
  • the filler particles can equally well comprise a core with a shell or a core with a coating.
  • the filler particles can also be hollow; in particular, hollow fibers and / or hollow spheres can also be used for the purposes of the invention alone or in combination with other filler particle fractions.
  • a core made of, for example, mica and coated with semiconducting material is used as filler.
  • a filler made of a quartz powder with a coating and any mixtures of coated and uncoated filler particles are also used here as filler.
  • Both metals, metal oxides and doped metal oxides are advantageously used as semiconducting coatings.
  • Semiconducting hollow spheres, hollow fibers or shells can also be used as filler particles. The lower limit for these very light filler particles is then approximately 10 percent by volume of the filling level in the coating.
  • the fillers can be used multimodally, that is to say in different filler particle sizes and / or filler particle shapes.
  • a wide range of properties can be created in the coating through a suitable choice of material of the filler particles, filler particle size, filler particle shape, filler particle structure, grain size distribution, size of the specific surface and / or surface activity of the filler.
  • the coating preferably has a specific sheet resistance, also called sheet resistance, of 10 2 ⁇ / ⁇ to 10 5 ⁇ / ⁇ , preferably 10 3 ⁇ / ⁇ to 10 4 ⁇ / ⁇ .
  • the electrical winding exhibits this sheet resistance when it is new. This can change as a result of aging, environmental influences or pollution.
  • a sheet resistance of this order of magnitude limits the power loss particularly effectively, on the other hand, it still offers enough leeway for a reduction in surface resistance due to contamination.
  • the thickness of the coating is at least in the range of the filler particle size, for example in the range from 1 ⁇ m to 5 mm, preferably in the range from 30 ⁇ m to 500 ⁇ m, in particular in the range from 70 ⁇ m to 130 ⁇ m.
  • a mixture of a filler fraction with coated filler particles such as mica particles coated with semiconducting metal oxide, and a filler fraction of a semiconducting material such as a conductive carbon black is used in the formulation for the coating.
  • the two filler fractions can, for example, be present in a ratio of 1: 1 or there can be different amounts, the ratios of coated filler particles to uncoated filler particles in the range from 0.5 to 2.5, preferably from 0.7 to 1.5 and in particular preferably from 0.8 to 1.2 are in use.
  • the coating is applied by brushing and / or a spraying process.
  • application by spraying ensures, on the one hand, a uniform layer thickness and, on the other hand, prevents air inclusions, which would lead to partial discharges.
  • the coating is electrically grounded. As a result, the electric field outside the winding is particularly effectively reduced.
  • the coating can be applied to the entire surface or only to parts of the surface of the insulating body, as already described.
  • the insulating body is made of an epoxy resin, for example, a certain surface roughness of the insulating body on the sides to be coated being advantageous for the adhesion of the coating to the surface.
  • a dispersing additive for example a surfactant and / or an ionic-based additive, can be added to the formulation.
  • Such a method can be used to produce an electrical winding, the electrical field of which is largely shielded by the coating, and which, when used in a dry-type transformer, enables a more compact design.
  • the coating is preferably a lacquer.
  • the coating can be applied by spraying, spraying, brushing, rolling and / or as a dip coating. Several of the processes mentioned can be used in succession or at the same time to apply the formulation.
  • the surface of the insulating body is treated before the formulation is applied, so that good adhesion of the formulation and then the coating on the insulating body are ensured.
  • the coating is preferably made of a semiconducting material.
  • the coating is particularly preferably applied in a spray process, as a result of which a particularly uniform layer thickness can be achieved.
  • Figure 1 shows a graph in which the aging of a semiconducting coating according to the present invention is shown within 150 days at 170 ° C. After the coating has solidified within the first few days, a stable retention of the defined sheet resistance can be seen despite the storage at 170 ° C during the entire observation period of at least half a year.
  • Resin component for example an acrylate or polyurethane or a polyurethane-acrylate mixture 530
  • Hardener component for example an isocyanate or polyisocyanate 162 Coated mica 300
  • Conductive particle filler such as graphite 300 Dispersing additive + 30% (filler) 180 Total mass (dry): 1180
  • the invention relates to an electrical winding for a dry-type transformer, which allows a compact dry-type transformer to be built even with higher voltage classes.
  • the electrical winding has several turns of a winding conductor wound into a coil.
  • the coil is embedded in a solid insulating body.
  • an electrical winding in particular high-voltage winding, for a dry-type transformer with winding conductor, which is wound in several turns to form a coil, the coil being embedded in a solid insulating body, is provided, with a coating with a specific sheet resistance being provided on at least one surface of the insulating body is,
  • the coating can be produced by applying a formulation which contains water as a solvent and comprises a resin component and at least one microscale and electrically conductive filler, the filler having a particle size in the range from 1 ⁇ m to 2 mm, the coating being at least bimodal , that is, at least two filler particle fractions are present in the coating and that the defined sheet resistance of the coating can be set by setting the ratio of at least two filler particle fractions in the formulation.
  • a coating of an electrically conductive material comprising a resin matrix and microscale filler, is applied to at least one surface of the insulating body.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Beschichtung eines Isolierkörpers eines Trockentransformators.
  • Trockentransformatoren, insbesondere Gießharztransformatoren sind Leistungstransformatoren, die in der Energietechnik zur Transformation von Spannungen bis circa 36 kV auf der Oberspannungsseite eingesetzt werden. Bei solchen Transformatoren sind eine Unterspannungswicklung und eine Oberspannungswicklung koaxial um einen Schenkel eines Kerns angeordnet. Als Unterspannungswicklung wird dabei diejenige Wicklung mit der niedrigeren Spannung, als Oberspannungswicklung diejenige mit der höheren Spannung bezeichnet. Beide Wicklungen sind in ein festes Isoliermaterial eingebettet, im Fall der Oberspannungswicklung wird häufig ein Gießharz dafür verwendet. Solch ein Trockentransformator ist aus der EP 1133779 B1 bekannt.
  • Aus der noch nicht veröffentlichten EP 15185886 A1 (= internes Aktenzeichen 201519004) ist eine Weiterentwicklung des oben beschriebenen Trockentransformators, insbesondere auch für höhere Spannungen als 36 kV, bekannt. Darin wird eine kompaktere Bauweise des Trockentransformators offenbart, die sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass der Trockentransformator kleinere Abmessungen hat, also kompakter gebaut ist und in diesem Zuge auch Luft als Isolator durch ein geeignetes Gießharz als festem Isolierkörper ersetzt wird.
  • Auf der Oberfläche des festen Isolierkörpers, in den eine elektrische Wicklung, also insbesondere eine zur Spule gewickelte Ober- und/oder Unterspannungswicklung, eingebettet ist, ist eine Beschichtung vorgesehen, die bevorzugt aus einem halbleitenden Material ist.
  • An die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften dieser halbleitenden Beschichtung werden besondere Ansprüche gestellt, insbesondere was thermische, mechanische und chemische Stabilität neben einem definierten Schichtwiderstand betrifft.
  • Aus der FR 2784787 ist ein Trockentransformator bekannt mit einer elektrischen Wicklung bekannt, die eine halbleitende Beschichtung mit Füllstoffen aufweist.
  • Aus der US 3,517,361 ist ein Transformator mit ersten und zweiten Wicklungen bekannt, wobei die Wicklungen in ein Harz, wie ein Epoxidharz und/oder ein Urethanharz, eingebettet sind.
  • Es besteht der Bedarf, eine geeignete Beschichtung des Isolierkörpers eines Trockentransformators die ein derartiges Eigenschaftsprofil erfüllt, zur Verfügung zu stellen.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Wicklung für einen Trockentransformator in kompakter Bauweise sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für einen Isolierkörper einer solchen elektrischen Wicklung eines Trockentransformators in Kompaktbauweise anzugeben, wobei zumindest auf einer Oberfläche des Isolierkörpers die Beschichtung vorgesehen ist, deren Schichtwiderstand im Bereich von 102 bis 105 Ohm/Square liegt und die eine hohe thermische Beständigkeit, eine hohe mechanische Robustheit und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung zeigt.
  • Dazu ist eine elektrische Wicklung nach Anspruch 1, insbesondere Oberspannungswicklung, für einen Trockentransformator mit Wicklungsleiter, der in mehreren Windungen zu einer Spule gewickelt ist, wobei die Spule in einen festen Isolierkörper eingebettet ist, vorgesehen, wobei auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung mit einem bestimmten Schichtwiderstand vorgesehen ist, die Beschichtung durch Aufbringen einer Formulierung, die als Lösungsmittel Wasser enthält, herstellbar ist und eine Harzkomponente sowie zumindest einen mikroskaligen und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfasst, wobei elektrisch leitfähiger Füllstoff in einer Partikelgröße im Bereich von 1µm bis 2 mm vorliegt, die Beschichtung zumindest bimodal gefüllt ist, also zumindest zwei Füllstoffpartikelfraktionen in der Beschichtung vorliegen und, dass durch die Einstellung des Verhältnisses zumindest zweier Füllstoffpartikelfraktionen in der Formulierung der definierte Schichtwiderstand der Beschichtung einstellbar ist.
  • Der Wicklungsleiter kann dabei ein Folienleiter, ein Bandleiter oder ein Drahtleiter sein. Die Spule ist in einen Isolierkörper aus einem festen Isoliermaterial eingebettet. Häufig wird hierfür ein Gießharz verwendet, mit dem die Spule umgossen wird und das nach dem Verguss ausgehärtet wird. Im Ergebnis erhält man eine mechanisch stabile Wicklung in Form eines Hohlzylinders, deren Spule gut vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Erfindungsgemäß ist auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung aus einer Harzmischung mit einem mikroskaligen und elektrisch leitfähigen Füllstoff gemäß Anspruch 1 aufgebracht.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren nach Anspruch 9 zu Herstellung einer elektrischen Wicklung der eingangs genannten Art mit den Verfahrensschritten:
    • Wickeln eines Wicklungsleiters in mehreren Windungen zu einer Spule,
    • Einbetten der Spule in einen festen Isolierkörper, bevorzugt durch Umgießen mit einem Gießharz und anschließendem Aushärten des Isolierkörpers,
    • Einstellung eines vorbestimmten Schichtwiderstands in einer Formulierung zur Herstellung einer Beschichtung durch Einarbeitung zumindest einer mikroskaligen Füllstofffraktion elektrisch leitfähiger Füllstoffpartikel in ein ungehärtetes Harz,
    • Aufbringen der Formulierung zur Erzeugung der Beschichtung auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff in Form zumindest einer mikroskaligen Füllstofffraktion vor deren Füllstoffgehalt über 20 Gew% und/oder über 10 Vol% der Beschichtung ausmacht.
  • So liegen in der Beschichtung zumindest zwei Füllstoffpartikelfraktionen vor. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die zumindest zwei Füllstofffraktionen mikroskalige Füllstoffpartikel aufweisen.
  • Dabei ist ein besonderer Vorteil, dass ein definierter Schichtwiderstand durch das Verhältnis, in dem zumindest zwei Füllstofffraktionen in der Beschichtung vorliegen, bestimmbar ist.
  • Die Beschichtung ist durch Aufbringen einer Formulierung herstellbar. Dabei wird eine verarbeitbare, also bevorzugt fließfähige Mischung aus einer ungehärteten Harzkomponente mit einem Härter, entweder als zwei getrennte Komponenten oder in einer Komponente vorliegend, mit Füllstoff versetzt und in Lösung auf eine Oberfläche aufgebracht. Anschließend wird diese Formulierung auf der Oberfläche, beispielsweise durch thermische und/oder UV-initiierte Reaktion, zur fertigen Beschichtung ausgehärtet.
  • Nach einer Ausführungsform liegt die Harzmatrix als 2-Komponentensystem aus Harz und Härter vor. Dabei ist insbesondere ein wasserlösliches 2-Komponentensystem vorteilhaft, weil damit bei der Herstellung der Beschichtung organische Lösungsmittel, die generell als umweltgefährdend angesehen werden, vermieden werden. Dabei können Härter- und/oder Harzkomponente in wässriger Lösung verarbeitet werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es deshalb, dass ein ein- oder zweikomponentiges Harzsystem eingesetzt wird, das umweltverträglich, durch den Einsatz wasserbasierter Lösungsmittel, ist. Beispielsweise können durch den Einsatz eines wässrigen Polyurethan-Acrylatharzsystems weiterreichende ökologische Aspekte realisiert werden, wie der Verzicht auf Recycling oder Nachverbrennung des Lösungsmittels. Dabei kommt auch eine Erleichterung beim Arbeitsschutz für den Operator und/oder den Hersteller, wie beispielsweise einen Lackierer, zum Tragen.
  • Deshalb reichen zur Herstellung der Formulierung, die zur Erzeugung der Beschichtung auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers aufgebracht wird, wasserbasierte Lösungsmittel aus.
  • In Fachkreisen und im Sinne der Erfindung wird ein Material als elektrisch leitfähig angesehen, wenn der elektrische Widerstand kleiner 108 Ω/□ ist. Darüber gilt ein Material als Isolator oder als nicht leitend. Die Beschichtung sollte zumindest auf der Innenmantelfläche des Isolierkörpers aufgebracht sein, vorzugsweise auch auf den Stirnflächen. Besonders bevorzugt ist die Beschichtung auf der gesamten Oberfläche des Isolierkörpers aufgebracht, also neben der Innenmantelfläche und den Stirnflächen auch auf der Außenmantelfläche. Durch eine solche Beschichtung wird das elektrische Feld der elektrischen Wicklung weitgehend im Gießharz abgebaut und wird so außerhalb der Wicklung auf eine Größe reduziert, die es erlaubt, dass der Abstand zu anderen Bestandteilen des Transformators wie Kern oder Unterspannungswicklung dadurch geringer ausfallen kann, was eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
  • Bevorzugt ist die Beschichtung aus einem halbleitenden Material. Als halbleitend wird ein Material in Fachkreisen und im Sinne der Erfindung angesehen, wenn sein spezifischer Widerstand kleiner als 108 Ω/□ und größer als 101 Ω/□ ist. Da eine elektrisch leitfähige Beschichtung, insbesondere eine der gesamten Oberfläche, einer Wicklung eine Kurzschlusswicklung darstellt, wird in dieser ein Strom fließen, der eine Verlustleistung erzeugt. Mit einer Beschichtung aus einem halbleitenden Material kann diese Verlustleistung begrenzt werden.
  • Geeignete leitende oder halbleitende Beschichtungen basieren auf einem Harzsystem, in das ein mikroskaliger halbleitender Füllstoff eingearbeitet ist, vorteilhafterweise in einer Menge von mehr als 20 Gew% und/oder 10 Vol%, insbesondere im Bereich von 20 Gew% bis 80 Gew%, insbesondere bevorzugt zwischen 50 Gew% und 60 Gew% und/oder den entsprechenden Volumenprozentgrenzen im Falle von leichten, insbesondere hohlen Füllstoffpartikeln.
  • Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise ein zwei-komponentiges Harzsystem mit einer ersten Komponente, ausgewählt aus der Gruppe folgender Harze: Epoxid-, Polyurethan-, Acrylat-, Polyimid- und/oder Polyesterharzsystem, sowie beliebiger Mischungen, Copolymere und Blends der vorgenannten Harze dafür geeignet ist. Als zweite Komponente wird beispielsweise ein auf das jeweilige Harz abgestimmter Härter wie Amin, Säureanhydrid, Peroxid, Polyisocyanat, insbesondere aliphatisches Polyisocyanat, der Formulierung zugegeben. Es wird eine wasserlösliche Härterkomponente wegen der Umweltverträglichkeit verwendet, weil dabei die Nachverbrennung des Lösungsmittels entfällt und generell der Einsatz organischer Lösungsmittel im Sinne der Nachhaltigkeit ökologisch nachteilig ist.
  • Die Formulierung hat eine gewisse Verarbeitungszeit, in der sie als unvernetzte Formulierung zur Beschichtung auf zumindest eine Oberfläche des Isolierkörpers aufgetragen wird. Die Auftragung erfolgt beispielsweise durch Spritzen, Sprühen, Streichen, Rollen und/oder durch Eintauchen. Nach dem Aushärten vernetzt die Formulierung und erreicht die Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen, Sonneneinstrahlung, mechanischer Belastung etc. Die Vernetzung wird beispielsweise durch Erwärmung unterstützt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die Beschichtung eine Stabilität bei Temperaturen bis zu 170°C.
  • Die definierte elektrische Leitfähigkeit wird durch die Zugabe zweier Füllstofffraktionen erreicht. Es werden der Formulierung zumindest zwei Fraktionen eines mikroskaligen Füllstoffs zugesetzt. Dieser liegt in der Trockenmasse der Formulierung und/oder in der Beschichtung in einer Menge von über 20Gew% und/oder 10 Vol% vor, er kann sogar in einer Menge von bis zu 80 Gew% der Trockenmasse vorliegen, bevorzugt liegt er aber im Bereich von 35Gew% bis 75Gew%, insbesondere von 40 Gew% bis 60 Gew% der Trockenmasse der Formulierung und/oder den entsprechenden Volumenprozent im Falle leichter Füllstoffpartikel.
  • Als Füllstoff wird ein mikroskaliger Füllstoff eingesetzt, der eine mittlere Korngröße D50 im Bereich von 1 µm bis zu 2 mm hat. Vorteilhafterweise liegt die mittlere Korngröße im Bereich von 5µm bis 100 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 10µm bis 50pm.
  • Der Füllstoff kann alle Arten von Füllstoffpartikelformen umfassen. Beispielsweise können globulare mit plättchenförmigen Füllstoffen gemischt vorliegen. Bei sehr leichten Füllstoffpartikeln, die in Kombination oder allein in der Formulierung vorliegen, wird die Grenze von mindestens 20 Gew% durch die entsprechenden Volumenprozent, also beispielsweise ungefähr 10 Volumen% als Untergrenze angenommen.
  • Die Füllstoffpartikel sind vorzugsweise aus halbleitendem Material. Beispielsweise kann das Material Leitruß, Leitgraphit, Graphit, Metalloxid, und/oder Metallnitrid sein sowie beliebige Mischungen davon. Die Füllstoffpartikel können ebenso gut einen Kern mit einer Schale oder einen Kern mit einer Beschichtung umfassen.
  • Die Füllstoffpartikel können auch hohl sein, insbesondere sind Hohlfasern und/oder Hohlkugeln auch im Sinne der Erfindung allein oder in Kombination mit anderen Füllstoffpartikelfraktionen einsetzbar.
  • Beispielsweise wird als Füllstoff ein mit halbleitendem Material beschichteter Kern aus beispielsweise Glimmer eingesetzt. Ebenso wird ein Füllstoff aus einem Quarzmehl mit einer Beschichtung sowie beliebige Mischungen aus beschichteten und unbeschichteten Füllstoffpartikeln hier als Füllstoff verwendet.
  • Als halbleitende Beschichtungen werden sowohl Metalle, Metalloxide als auch dotierte Metalloxide vorteilhafterweise eingesetzt. Auch halbleitende Hohlkugeln, Hohlfasern oder Schalen können als Füllstoffpartikel eingesetzt werden. Die Untergrenze bei diesen sehr leichten Füllstoffpartikeln liegt dann bei ungefähr 10 Volumenprozent Füllgrad in der Beschichtung.
  • Die Füllstoffe können multimodal, das heißt in verschiedenen Füllstoffpartikelgrößen und/oder Füllstoffpartikelformen eingesetzt werden.
  • Durch eine geeignete Wahl an Material der Füllstoffpartikel, Füllstoffpartikelgröße, Füllstoffpartikelform, Füllstoffpartikelstruktur, Korngrößenverteilung, Größe der spezifischen Oberfläche und/oder Oberflächenaktivität des Füllstoffs kann in der Beschichtung ein weitgefächertes Eigenschaftsprofil erzeugt werden.
  • Vorzugsweise weist die Beschichtung einen spezifischen Flächenwiderstand, auch Schichtwiderstand genannt, von 102 Ω/□ bis 105 Ω/□bevorzugt 103Ω/□ bis 104 Ω/□ auf. Diesen Flächenwiderstand weist die elektrische Wicklung im Neuzustand auf. Durch Alterung, Umwelteinflüsse oder Verschmutzung kann sich dieser verändern. Ein Flächenwiderstand dieser Größenordnung begrenzt einerseits die Verlustleistung besonders effektiv, bietet aber andererseits noch genügend Spielraum bei einer Reduktion des Flächenwiderstands durch Verschmutzung.
  • Die Dicke der Beschichtung liegt mindestens im Bereich der Füllstoffpartikelgröße, beispielsweise im Bereich von 1µm bis 5mm, bevorzugt im Bereich von 30µm bis 500µm, insbesondere im Bereich von 70µm bis 130µm.
  • Beispielsweise wird ein Gemisch aus einer Füllstofffraktion mit beschichteten Füllstoffpartikeln, wie mit halbleitendem Metalloxid beschichtete Glimmerpartikel und einer Füllstofffraktion aus einem halbleitendem Material wie einem Leitruß in der Formulierung für die Beschichtung eingesetzt. Im Gemisch können die beiden Füllstofffraktionen beispielsweise im Verhältnis 1:1 vorliegen oder es können unterschiedliche Mengen vorliegen, wobei Verhältnisse von beschichteten Füllstoffpartikel zu unbeschichteten Fülllstoffpartikel im Bereich von 0,5 bis 2,5, bevorzugt von 0,7 bis 1,5 und insbesondere bevorzugt von 0,8 bis 1,2 in Benutzung sind.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Beschichtung durch Bepinseln und/oder ein Sprühverfahren aufgebracht. Insbesondere die Aufbringung durch Sprühen gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Schichtdicke und verhindert andererseits Lufteinschlüsse, die zu Teilentladungen führen würden.
  • Er wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Beschichtung elektrisch geerdet ist. Hierdurch wird das elektrische Feld außerhalb der Wicklung besonders effektiv reduziert.
  • Die Beschichtung kann dabei auf die gesamte Oberfläche oder nur auf Teile der Oberfläche des Isolierkörpers, wie bereits beschrieben, aufgebracht werden. Der Isolierkörper ist beispielsweise aus einem Epoxidharz, wobei eine bestimmte Oberflächenrauigkeit des Isolierkörpers auf den zu beschichtenden Seiten für die Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche vorteilhaft ist.
  • Damit eine homogene Verteilung der Füllstoffpartikel optimiert ist, kann der Formulierung ein Dispergieradditiv, beispielsweise ein Tensid und/oder ein Additiv auf ionischer Basis zugesetzt sein.
  • Durch ein solches Verfahren ist eine elektrische Wicklung herstellbar, deren elektrisches Feld durch die Beschichtung weitgehend abgeschirmt wird, und die in einem Trockentransformator eingesetzt dadurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Vorzugsweise ist die Beschichtung ein Lack. Das Aufbringen der Beschichtung kann dabei durch Spritzen, Sprühen, Streichen, Rollen und/oder als Tauchlackierung erfolgen. Dabei können mehrere der genannten Verfahren hintereinander oder gleichzeitig zur Aufbringung der Formulierung eingesetzt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberfläche des Isolierkörpers vor dem Aufbringen der Formulierung behandelt, so dass eine gute Haftung der Formulierung und anschließend der Beschichtung auf dem Isolierkörper gewährleistet sind.
  • Vorzugsweise ist die Beschichtung aus einem halbleitenden Material.
  • Besonders bevorzugt ist die Beschichtung in einem Sprühverfahren aufgebracht, wodurch sich eine besonders gleichmäßige Schichtdicke erreichen lässt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert:
    Figur 1 zeigt eine Graphik in der die Alterung einer halbleitenden Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb von 150 Tagen bei 170°C dargestellt ist. Nach einer Verfestigung der Beschichtung innerhalb der ersten Tage erkennt man eine stabile Beibehaltung des definierten Schichtwiderstands trotz der Lagerung bei 170°C während des gesamten Betrachtungszeitraumes von immerhin einem halben Jahr.
  • Im Folgenden wird die Herstellung einer beispielhaften Formulierung zur Herstellung einer Beschichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung durch eine tabellarische Zusammenfassung näher erläutert:
    • Beispiel:
  • Rohstoff Masse
    Harzkomponente, beispielsweise ein Acrylat oder Polyurethan oder ein Polyurethan-Acrylatgemisch 530
    Härterkomponente, beispielsweise ein Isocyanat oder Polyisocyanat 162
    Beschichteter Glimmer 300
    Leitfähiger Partikelfüllstoff, beispielsweise Graphit 300
    Dispergieradditiv + 30% (Füllstoff) 180
    Gesamtmasse (trocken): 1180
  • In dem gezeigten Beispiel wird eine Formulierung für eine Lackbeschichtung eines Trockentransformators in Kompaktbauweise angegeben, wobei die Kombination von umweltverträglicher Lacktechnologie durch wasserbasierte Härterkomponenten und die trotzdem erreichte Robustheit in mechanischer und thermischer Hinsicht, wie in Figur 1 belegt, die technische Innovation der hier gezeigten Formulierung, insbesondere beim Einsatz für Trockentransformatoren, belegt.
  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklung für einen Trockentransformator, die es erlaubt auch bei höheren Spannungsklassen einen kompakten Trockentransformator zu bauen. Dazu weist die elektrische Wicklung mehrere zu einer Spule gewickelte Windungen eines Wicklungsleiters auf. Die Spule ist in einen festen Isolierkörper eingebettet. Erfindungsgemäß ist eine elektrische Wicklung, insbesondere Oberspannungswicklung, für einen Trockentransformator mit Wicklungsleiter, der in mehreren Windungen zu einer Spule gewickelt ist, wobei die Spule in einen festen Isolierkörper eingebettet ist, vorgesehen, wobei auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung mit einem bestimmten Schichtwiderstand vorgesehen ist, die Beschichtung durch Aufbringen einer Formulierung, die als Lösungsmittel Wasser enthält, herstellbar ist und eine Harzkomponente sowie zumindest einen mikroskaligen und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfasst, wobei Füllstoff in einer Partikelgröße im Bereich von 1µm bis 2 mm vorliegt, die Beschichtung zumindest bimodal gefüllt ist, also zumindest zwei Füllstoffpartikelfraktionen in der Beschichtung vorliegen und, dass durch die Einstellung des Verhältnisses zumindest zweier Füllstoffpartikelfraktionen in der Formulierung der definierte Schichtwiderstand der Beschichtung einstellbar ist. So ist vorgesehen, dass auf zumindest eine Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material, eine Harzmatrix und mikroskaligen Füllstoff umfassend, aufgebracht ist.

Claims (13)

  1. Elektrische Wicklung, insbesondere Oberspannungswicklung, für einen Trockentransformator mit Wicklungsleiter, der in mehreren Windungen zu einer Spule gewickelt ist, wobei die Spule in einen festen Isolierkörper eingebettet ist, wobei auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung mit einem bestimmten Schichtwiderstand vorgesehen ist, die Beschichtung durch Aufbringen einer Formulierung, die als Lösungsmittel Wasser enthält, herstellbar ist und eine Harzkomponente sowie zumindest einen mikroskaligen und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfasst, wobei Füllstoff in einer Partikelgröße im Bereich von 1µm bis 2 mm vorliegt, die Beschichtung zumindest bimodal gefüllt ist, also zumindest zwei Füllstoffpartikelfraktionen in der Beschichtung vorliegen und, dass durch die Einstellung des Verhältnisses zumindest zweier Füllstoffpartikelfraktionen in der Formulierung der definierte Schichtwiderstand der Beschichtung einstellbar ist.
  2. Elektrische Wicklung nach Anspruch 1, wobei Füllstoff in einer Menge von über 20 Gew% und/oder über 10 Vol% in der Beschichtung vorliegt.
  3. Elektrische Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung die Oberfläche des Isolierkörpers vollständig bedeckt.
  4. Elektrische Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung aus halbleitendem Material ist.
  5. Elektrische Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Oberflächenwiderstand der Beschichtung 102 Ω/□ bis 105 Ω/□, bevorzugt 103 Ω/□ bis 104 Ω/□ beträgt.
  6. Elektrische Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formulierung zur Erzeugung der Beschichtung durch ein Sprühverfahren aufbringbar ist.
  7. Elektrische Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung geerdet ist.
  8. Elektrische Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch die Einstellung des Verhältnisses von beschichteten zu unbeschichteten Füllstoffpartikeln in der Formulierung der definierte Schichtwiderstand der Beschichtung einstellbar ist.
  9. Verfahren zu Herstellung einer elektrischen Wicklung nach Anspruch 1 mit den Verfahrensschritten:
    - Wickeln eines Wicklungsleiters in mehreren Windungen zu einer Spule,
    - Einbetten der Spule in einen festen Isolierkörper, bevorzugt durch Umgießen mit einem Gießharz und anschließendem Aushärten des Isolierkörpers,
    - Einstellung eines bestimmten Verhältnisses zumindest zweier Füllstoffpartikelfraktionen aus mikroskaligen Füllstoffen in einer Formulierung zur Herstellung einer Beschichtung eines vorbestimmten Schichtwiderstands,
    - Aufbringen der Formulierung zur Erzeugung der Beschichtung auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers, wobei
    - die Formulierung als wasserbasierte Lösung aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung auf die gesamte Oberfläche des Isolierkörpers aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Beschichtung aus einem halbleitenden Material ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Beschichtung durch Aufsprühen einer Formulierung und anschließender Härtung hergestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Formulierung durch Lackieren, Spritzen, Streichen, Rollen und/oder als Tauchlackierung aufgebracht wird.
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