JP2017508252A - 電気機械用のコロナシールド系、特に外側コロナシールド系 - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気エネルギを発生させる発電機や、電気式のモータ等の電気機械、例えば高電圧機械、又は定格電圧が高い別の電気的な運転手段、例えば変圧器、ブッシング、ケーブル等に用いられるコロナシールド系に関する。コロナシールド系は、平面状の粒子も球体状の粒子も存在する充填物の混合物を特徴とする。これにより、平面状の粒子しか存在しない場合に２つの空間方向で良好であるが、第３の空間方向では極めて劣悪な導電性を、適切に異方的に調整することができる。
Description
本発明は、電気エネルギを発生させる発電機や、電気式のモータ等の電気機械、例えば高電圧機械、又は定格電圧が高い別の電気的な運転手段、例えば変圧器、ブッシング、ケーブル等に用いられるコロナシールド系（Ｇｌｉｍｍｓｃｈｕｔｚｓｙｓｔｅｍ）に関する。
技術の進歩に伴ってますます高い出力密度が要求されるため、ますます高出力の機械、例えば発電機の開発が行われている。高出力の発電機、例えばタービン発電機は、特に、固定子鉄心と、発電機巻線が内部に収められた複数の発電機スロットと、を有する固定子（ステータ）を有している。
鉄心に対するこの巻線の主絶縁は、高い電気的負荷がかかる系である。運転中、高電圧にある導体バーと、接地電位にある鉄心との間の絶縁容積内で解消しなければならない高い電圧が発生する。その際、鉄心中に積層された金属薄板のエッジにおいて電界が強く上昇し、この上昇自体は、部分放電を引き起こしてしまう。この部分放電は、絶縁系に衝突したときに、局所的に極めて強い昇温に至らしめる。このとき、外側コロナシールド系の有機材料を含め、絶縁系の有機材料は、漸次、低分子の揮発性の生成物、例えばＣＯ２に分解されてしまう。
絶縁系の重要な構成部分は、いわゆる「外側コロナシールド（Ａｕｓｓｅｎｇｌｉｍｍｓｃｈｕｔｚ、以下ＡＧＳともいう。）」である。ＡＧＳは、比較的大型の発電機及び電気モータの場合、巻線絶縁部の表面に直接提供される。ＡＧＳは、現行では、カーボンブラック及びグラファイトを含有するテープ又は塗料からなっている。
系に起因して、特にＡＧＳと主絶縁部との間の界面を完全に気孔なしに製造することはできないので、電界強度が相応の高さにあれば、絶縁系内に、相応に高い電気的な部分放電活動が生じてしまう。この部分放電活動は、運転中、時間の経過とともに、外側コロナシールドを焼尽し、これにより、絶縁を早期に劣化させ、最悪の場合、電気機械を地絡させる。これは、機械の回復不能な完全故障に相当する。
外側コロナシールドは、所定の範囲内にある特定のスクエア抵抗（Ｑｕａｄｒａｔｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）あるいはシート抵抗を有していなければならない。スクエア抵抗が低すぎれば、鉄心は電気的に短絡するおそれがある。短絡は、誘導された高い循環電流に至ることがあり、この循環電流は、鉄心の端部と外側コロナシールドとを介して開いており、大電流のアークに至る。他方、抵抗が高すぎれば、高電圧火花侵食が生じるおそれがある。理想的には、外側コロナシールド系内の抵抗が調整可能であれば、半径方向での、つまり、電流を案内する導体から鉄心へと向かう方向での高められた導電性と、バー方向での高められた抵抗、つまり低い導電性とを示す異方性が形成できるであろう。
したがって、本発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、安定したコロナシールド系を提供することにある。
上記課題は、明細書及び特許請求の範囲に開示されるような本発明の対象によって解決される。
これに応じて、本発明の対象は、充填物をポリマーマトリックス中に含み、充填物は、平面状（ｐｌａｎａｒ）のものも、球体状（ｓｐｈａｅｒｉｓｃｈ）のものもある耐部分放電性かつ導電性の粒子を含む、電気機械用のコロナシールド系である。
好ましくは、粒子は、耐部分放電性のコアと、導電性である耐部分放電性のコーティングとを有している。
ここで、「耐部分放電性」なる概念は、例えば、空気中での部分放電時に酸化に対して耐性を有しているか、さもなくば、部分放電時に安定にとどまる材料に関し、その例は、セラミック及び／又はガラスである。
ポリマーマトリックスは、例えば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂及び／又はエラストマーである。
有利な一実施の形態において、耐部分放電性のコアは、セラミック材料又はガラス状材料からなっており、これらは、好ましくは、低い密度を有しており、好ましくは、マイカ、石英粉、酸化アルミニウム又はガラス小板である。
粒子の構造が平面状である場合、導電性の粒子相互の改善された接触が達成される。好ましくは、粒子をコーティングする材料は、金属酸化物であり、酸化スズ、酸化亜鉛、スズ酸亜鉛、二酸化チタン、酸化鉛又は非酸化物の炭化ケイ素を含む群から選択される。ドーピング元素は、好ましくは、アンチモン、インジウム、カドミウムの群から選択される。
さらに、キャリアマトリックス中の粒子の粒子質量濃度が、コロナシールド材料がパーコレーション閾値を上回るように選択されると、好ましい。この場合、粒子の粒子質量濃度が１５質量％より高いと好ましい。キャリアマトリックス中のこの所定の粒子質量濃度から、複合素材は、パーコレーション閾値を上回り、コロナシールド材料の表面抵抗は、粒子質量濃度の上昇とともにほとんど変化しない。このため、コロナシールド材料は、表面抵抗の変動を被らない。これにより、表面抵抗を良好に再現可能である。
本発明の特別な態様は、球体状の充填物粒子と平面状の充填物粒子との混同である。独国特許出願公開第１０２０１０００９４６２号明細書（ＤＥ１０２０１０００９４６２．５）において、外側コロナシールドを製造するために平面状の小板形（ｐｌａｅｔｔｃｈｅｎｆｏｅｒｍｉｇ）の粒子を使用することが公知であり、平面状の小板形の粒子は、製造プロセス中の配向及び導電性のコーティングにより導電路を形成し、導電路に沿って、導電性は高く抵抗は低い。その欠点は、これに対して垂直方向、つまり小板形の粒子が極めて小さな延びしか有しない半径方向の導電性がかなり低いことにある。しかし、上述したように、まさにこの半径方向での導電性が所望される。
本発明の一般的な認識は、例えばＤＥ１０２０１０００９４６２．５から公知であるように、コーティングされた平面状の粒子を有するコロナシールドの優れた特性に加えて、球体状の粒子の付加により、小板に対して横方向の導電性を適切に調整可能であることである。
好ましくは、マイクロサイズの粒子が使用され、例えば小板は、マイクロメートル領域、つまり、例えば１〜３００μｍ、特に１〜１００μｍ、特に好ましくは１〜４０μｍの範囲の幅及び長さを有しており、これに対して、小板の厚さ方向の直径は、ナノメートル領域、つまり、５０〜１０００ｎｍ、特に１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にある。球体状の粒子は、例えば０．５〜５０μｍ、特に１〜１０μｍの範囲の直径を有している。
球状（ｇｌｏｂｕｌａｒ）、つまり球体状の充填物を平面状又は小棒状（ｓｔａｅｂｃｈｅｎｆｏｅｒｍｉｇ）の充填物に付加することにより、３つの空間方向のパーコレーション閾値は明らかに低い充填物濃度へとシフトする。これにより、かつ球状の充填物が平面状の粒子より小さな比表面積を有しているという事実により、複合素材中の界面の絶対的な面積は明らかに減じられるが、それにもかかわらず系は、パーコレーション閾値を超過している（ｕｅｂｅｒｐｅｒｋｕｌａｅｒ）。これにより、今や初めて、このようなコロナテープ（Ｇｌｉｍｍｂａｎｄ）が温度作用下で溶融し、オーバラップしている巻線の場合、極めて良好に互いに溶け合い、オーバラップにより接触抵抗がほとんど生じないことが可能である。同時にこの系は、極めて再現性が高く、極めて再現性が高いままである。それというのも、こうしてもパーコレーション閾値を超過するように電気抵抗を調整できるからでもある。
例えば、平面状の粒子は、球体状の粒子に対して約３：１の比で存在する。
‐球状の充填物を平面状の充填物に付加することで、配向された充填物小板に対して垂直方向の導電性は、明らかに高められる。それというのも、小球が小板間に介在しているからである。これにより、コロナ層の異方性の電気抵抗を、特定の範囲に適合せせることができる。
‐球状の粒子は、同様にドープされた金属酸化物から製造される場合、先願であるＤＥ１０２０１０００９４６２．５において既に公知の平面状の粒子のように、同様に部分放電に対して耐性がある。これにより、電気機械の寿命は明らかに高められ、あるいは電気機械をより高出力で運転することができる。
‐このような球状の充填物の一般的な導電性は、（平面状の充填物と類似して）金属酸化物のドープによって調整することができる。
‐球状の充填物を平面状の充填物に付加することで、配向された充填物小板に対して垂直方向の導電性は、明らかに高められる。それというのも、小球が小板間に介在しているからである。これにより、コロナ層の異方性の電気抵抗を、特定の範囲に適合せせることができる。
‐球状の粒子は、同様にドープされた金属酸化物から製造される場合、先願であるＤＥ１０２０１０００９４６２．５において既に公知の平面状の粒子のように、同様に部分放電に対して耐性がある。これにより、電気機械の寿命は明らかに高められ、あるいは電気機械をより高出力で運転することができる。
‐このような球状の充填物の一般的な導電性は、（平面状の充填物と類似して）金属酸化物のドープによって調整することができる。
両充填物は、好ましくは、軽いキャリアサブストレートを有している。
‐平面状の粒子はマイカであり、球状の粒子は石英粉である。これにより、こうして製造された充填物が、比較的低い密度を有し、加工中沈殿してしまわないことが保証される。それというのも、上述のサブストレート上の機能性コーティングは、ドープされた金属酸化物、例えばアンチモンがドープされた酸化スズからなり、これは、６．９ｇ／ｃｍ３の密度を有しているからである。それぞれ軽いサブストレートを有する完成した充填物は、結果的に例えば３．５ｇ／ｃｍ３の密度しか有しない。
‐平面状の幾何学形状と、電界負荷に対して垂直な、コロナシールド内の充填物の配向とは、球状の充填物のみからなるコロナシールドと比較して、コロナシールドを通る侵食距離を明らかに延長する。それゆえ、電圧場中の、小板形の粒子に加えられる球体状の粒子の量は、できる限り完全な小板形の粒子による侵食距離の増大と、球状の粒子による異方性の導電性の調整との間で選択しなければならない。
‐平面状の粒子はマイカであり、球状の粒子は石英粉である。これにより、こうして製造された充填物が、比較的低い密度を有し、加工中沈殿してしまわないことが保証される。それというのも、上述のサブストレート上の機能性コーティングは、ドープされた金属酸化物、例えばアンチモンがドープされた酸化スズからなり、これは、６．９ｇ／ｃｍ３の密度を有しているからである。それぞれ軽いサブストレートを有する完成した充填物は、結果的に例えば３．５ｇ／ｃｍ３の密度しか有しない。
‐平面状の幾何学形状と、電界負荷に対して垂直な、コロナシールド内の充填物の配向とは、球状の充填物のみからなるコロナシールドと比較して、コロナシールドを通る侵食距離を明らかに延長する。それゆえ、電圧場中の、小板形の粒子に加えられる球体状の粒子の量は、できる限り完全な小板形の粒子による侵食距離の増大と、球状の粒子による異方性の導電性の調整との間で選択しなければならない。
本発明は、電気エネルギを発生させる発電機や、電気式のモータ等の電気機械、例えば高電圧機械、又は定格電圧が高い別の電気的な運転手段、例えば変圧器、ブッシング、ケーブル等に用いられるコロナシールド系に関する。コロナシールド系は、平面状の粒子も球体状の粒子も存在する充填物の混合物を特徴とする。これにより、平面状の粒子しか存在しない場合に２つの空間方向で良好であるが、第３の空間方向では極めて劣悪な導電性を、適切に異方的に調整することができる。
Claims (4)
- 充填物をポリマーマトリックス中に含み、前記充填物は、平面状のものも球体状のものもある耐部分放電性かつ導電性の粒子を含むことを特徴とする、電気機械用のコロナシールド系。
- 前記ポリマーマトリックスは、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及び／又はエラストマーから製造可能である、請求項１に記載のコロナシールド系。
- 前記粒子は、耐部分放電性かつ導電性のコーティングを有する耐部分放電性のコアを有する、請求項１又は２に記載のコロナシールド系。
- 前記球体状の粒子と前記平面状の粒子とは、前記充填物中に約１：３の比で含まれている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のコロナシールド系。
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