JP2017530679A - 電気機械用のコロナシールド系及び電気機械 - Google Patents

Abstract

コロナシールド系は、電気機械用のコロナシールド系であり、ポリマーマトリックスと、ポリマーマトリックス中に配置される粒子とを含み、粒子は、マイカにより形成されるコアと、コアに配置され、金属酸化物により形成される層とを有し、粒子は、表面の機能化部、特にマトリックスとの結合用の表面の機能化部を有する。電気機械は、このようなコロナシールド系を備える。

Description

本発明は、電気機械、例えば高電圧機械、例えば電気エネルギを発生させる発電機、電気式のモータ、又は定格電圧が高い別の電気的な運転手段、例えば特に変圧器、ブッシング若しくはケーブルに用いられるコロナシールド系（Ｇｌｉｍｍｓｃｈｕｔｚｓｙｓｔｅｍ）、特に外側のコロナシールド系（Ａｕｓｓｅｎｇｌｉｍｍｓｃｈｕｔｚｓｙｓｔｅｍ）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進められている。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）を備えている。

鉄心に対するこの発電機巻線の主絶縁部は、高い電気的ストレスがかかる系である。運転中、高い電圧が発生し、この電圧は、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の容積内で解消しなければならない。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温度上昇を生じさせる。このとき、この外側のコロナシールドを含めた絶縁系の有機材料は、徐々に、低分子の揮発性の生成物、例えば二酸化炭素に分解されてしまう。

絶縁系の重要な構成部分は、いわゆる外側のコロナシールド（ＡＧＳ）である。外側のコロナシールドは、比較的大型の発電機及び電気モータの場合、発電機巻線絶縁部の表面に直接被着される。外側のコロナシールドは、現在、カーボンブラック及びグラファイトを含むテープ又は塗料からなることが多い。系に起因して、このような絶縁系の場合、特に外側のコロナシールド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。それゆえ、電界強度が十分に高ければ、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、外側のコロナシールドを焼尽してしまう。これにより、このことは、絶縁部を早期に劣化させ、最悪の場合、電気機械を地絡させる。これは、通例、機械の回復不能な完全故障を意味する。

外側のコロナシールドは、所定の範囲内にある特定のスクエア抵抗値（Ｑｕａｄｒａｔｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）あるいはシート抵抗値を有していなければならない。スクエア抵抗値が低すぎれば、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、鉄心の端部と外側のコロナシールドとを介して閉じ、大電流のアークに至る。これに対して、スクエア抵抗値が高すぎれば、高電圧スパーク侵食が生じるおそれがある。理想的には、半径方向では、つまり、電流を案内する導体から鉄心へと向かう方向では導電性が高められ、バー方向では、抵抗値が高められ、つまり導電性が低められるという異方性が形成できるように、外側のコロナシールド系内のこの抵抗が調整される。

上述の従来技術を背景に、本発明の課題は、従来慣用のコロナシールド系の欠点を克服し、好ましくは、より安定したコロナシールド系を提供することである。さらに本発明の課題は、改良された、特により故障し難い機械を提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を有するコロナシールド系及び請求項８に記載の特徴を有する電気機械により解決される。本発明の好ましい形態は、対応する従属請求項及び以下の説明に看取可能である。

本発明に係るコロナシールド系は、電気機械、特に高電圧機械、合目的には、電気エネルギを発生させる発電機、電気モータ、又は、定格電圧が高いその他の電気装置、好ましくは変圧器、ブッシング若しくはケーブルに用いられるコロナシールド系である。好適には、本発明に係るコロナシールド系は、外側のコロナシールド系である。本発明に係るコロナシールド系は、ポリマーマトリックスと、ポリマーマトリックス中に配置される粒子とを含み、粒子は、マイカで覆われたコアと、コアに配置されて、金属酸化物により形成される層とを有し、粒子は、マトリックスとの結合用の表面の機能化部（Ｆｕｎｋｔｉｏｎａｌｉｓｉｅｒｕｎｇ）を有する。

好ましくは、金属酸化物は、酸化すず、特に二酸化すずである。合目的には、マトリックスは、プラスチック及び／又は樹脂、特に反応性樹脂により形成されている。

本発明により設けられた、マトリックスとの結合用の表面の機能化部により、粒子表面とマトリックスとの間の界面における欠陥が減少する、又はそれどころか完全に回避される。特に、欠陥を回避するために、粒子の表面とマトリックスとの間に接着力が提供されているだけでなく、その結合が表面の機能化部によって強化されている。これにより、粒子表面とマトリックスとの間の界面におけるコロナシールド系の剥離が抑制される。しかし、このような欠陥こそが、粒子とマトリックスとの異なる誘電率によって引き起こされる電気力線の特性のために、特に、コロナシールド系の、ひいては電気機械の、期待される電気的な寿命に関して、特に問題といえる。合目的には、本発明により、粒子表面とマトリックスとの間の、このさもなければ広がる接着力が、粒子表面とマトリックスとの間の化学的な共有結合によって少なくとも一部置換される。

好適には、粒子は、少なくとも平均（特に算術平均）で精々１ミリメートル、好ましくは、少なくとも平均（特に算術平均）で精々１００マイクロメートルの寸法を有する。

合目的には、表面の機能化部は、一方では、容易に粒子の酸化すず表面に結合し、他方では、これに対して、容易にマトリックスに結合する分子を含む。例えば、表面の機能化部は、オルガノシランを含む。

好適には、本発明に係るコロナシールド系において、機能化部は、金属酸化物及び／又はマトリックスに共有結合される分子を含む。

合目的には、本発明に係るコロナシールド系において、機能化部は、オリゴマー構造を有する。本発明に係るコロナシールド系の有利な一形態において、機能化部は、ポリマー構造を有する。

理想的には、本発明に係るコロナシールド系において、機能化部は、コアから遠いところで、コアの近く及び／又はコア自体より低い電気的な極性を有して形成されている。好適には、機能化部は、メルカプトプロピルトリメトキシシランを含む。

マトリックスに関して最適化された構造及び／又は分子を有する機能化部により、沈降特性は改善されている。すなわち、密度は下げられ、流動抵抗は高められている。これにより粒子は、マトリックス中に、より均質に分配されている。

さらに機能化部により、粒子の誘電率とマトリックスの誘電率との間の移行が均質化される。液状のマトリックスとの粒子の濡れは、粒子の表面エネルギが流体のマトリックスに適合された結果、大きく改善されている。

本発明に係る電気機械は、特に高電圧機械、特に電気エネルギを発生させる発電機、又は電気モータ、又は定格電圧が高いその他の電気的な装置、特に変圧器、ブッシング若しくはケーブルである。

本発明に係る電気機械は、前述したようなコロナシールド系を備える。

Claims (8)

1. ポリマーマトリックスと、前記ポリマーマトリックス中に配置される粒子とを含み、
   前記粒子は、マイカで覆われたコアと、前記コア上に配置されて、金属酸化物により形成される層とを有し、
   前記粒子は、表面の機能化部、特に前記マトリックスとの結合のための表面の機能化部を有する、電気機械用のコロナシールド系。
2. 前記金属酸化物は、酸化すずである、請求項１に記載のコロナシールド系。
3. 前記マトリックスは、プラスチック及び／又は樹脂、特に反応性樹脂により形成されている、請求項１又は２に記載のコロナシールド系。
4. 前記機能化部は、酸化すず及び／又は前記マトリックスに共有結合される分子を含む、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。
5. 前記機能化部は、オリゴマー構造を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載のコロナシールド系。
6. 前記機能化部は、ポリマー構造を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載のコロナシールド系。
7. 前記機能化部は、前記コアから遠いところでは、前記コアの近く及び／又は前記コア自体より低い電気的な極性を有して形成されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のコロナシールド系。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載のコロナシールド系を備える電気機械、特に高電圧機械。