KR100399334B1 - 전기적도전성열가소성페인트를가지는발전기고정자바의내부그레이딩 - Google Patents

Abstract

고속 건조되고 전기적 도전성을 가진 카본 충전 열가소성 페인트 혼합물로 내부적으로 그레이드된 전기적 발전기용의 고 전압 발전기 고정자 바는 개선된 전기적 손실 인자 팁-업 값을 나타낸다.

Description

전기적 도전성 열가소성 페인트를 가지는 발전기 고정자 바의 내부 그레이딩{Internal Grading of generator Stator Bars with Electrically Conducting Thermoplastic Paints}

본 발명은 일관적으로 낮은 손실 인자 팁-업 값(dissipation factor tip-up value)을 얻기위한 전기 발전기용의 고 전압 고정자 바의 내부 그레이딩(즉, 도전체로부터 절연체로의 계단식 변환)에 관련된 것이다. 양호한 형태에서, 본 발명은 열가소성 바인더를 가지는 전기적 도전성 페인트가 접지(groundwall) 절연의 인가 이전에 노출된 바의 상부 및 하부 가장자리 및 모서리 주위에 먼저 사용되는전동(dynamoelectric) 장치의 절연된 고정자 바의 예가 있다.

낮은 손실 인자 팁-업 값은 전기 전력 발전기와 같은 전동 장치에 사용되는 절연된 고정자 바에 대해 바람직한 특성이다. 상이한 전기적 스트레스에서의 손실 인자의 상대적으로 작은 차이를 나타내고 그래서 절연 효율의 간접 측정을 제공하게 되므로, 낮은 손실 인자 팁-업 값은 바람직하다.

발전기 고정자 내의 손실 인자는 예를 들면 10, 20, 40, 60, 80 및 100V/mil(VPM)에서의 상이한 전기적 스트레스에서 측정된다. 본 명세서에서, 팁-업이란 표현은 10 내지 100VPM에서 측정된 백분율의 손실 인자의 차이를 의미한다. 그러므로, 10의 스트레스 인수를 가진 팁-업 값은 그 스트레스 인수가 각각 2 및 4인 10-20 또는 20-80VPM과 같은 작은 VPM차이에서 결정된 팁-업 값보다 크다.

절연 고정자 바 내의 낮은 팁-업 값에 대한 시장 요구로 운모 기반의 접지 절연이 적용되기 전에 노출된 고정자 바의 상부 및 하부 가장 자리를 코팅하기 위하여, 일반적으로 탄소 충전 열경화성(thermosetting) 에폭시 바인더를 기본으로한 낮은 저항 페인트를 사용하게 된다. 도전성 페인트가 팁-업을 감소시키는 반면에, 그 결과는 일관적이지 않으며, 많은 경우에 열경화성 에폭시 페인트의 사용은 충분히 낮은 팁-업 값이 되게 하지 않는다.

열경화성 에폭시 페인트의 다른 단점은 낮은 경화(curing) 특성 또는 열 경화 조건이다. 에폭시 페인트는 1-파트 또는 2-파트 시스템을 기준으로 한다. 1-파트 페인트는 에폭시 및 경화(hardener) 성분을 포함하지만, 최적의 성능을 얻기 위해서는 일반적으로 열경화(heat cure)가 요구된다. 2-파트 페인트는 사용전에 혼합된 에폭시 수지 성분(파트 1) 및 경화제(파트 2)를 포함한다. 2-파트 페인트내의 경화제가 일반적으로 높은 반응성을 가지고 페인트를 경화시키기 위해서는 열이 필요하지 않지만, 최적의 성능을 위해서는 실내온도에서 8 내지 16 시간 정도가 필요하다. 그러므로, 내부 그래딩에 사용되는 열경화 에폭시 페인트는 높아진 온도에서 소부(bake)시키거나 또는 접지 절연 인가 이전에 실내 온도에서 오래 동안 건조시키는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 페인트를 적절히 경화시키기 위하여 소부할 필요없이 절연된 고정자 바가 일관된 낮은 팁-업 값을 가지거나, 실온에서 예를 들면 30분 또는 그 미만 동안의 짧은 시간 동안 적절히 경화된 페인트 혼합물을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고정자 바의 종단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 고정자 바

5: 접지 절연체

6: 운모지 테이프

7: 열가소성 페인트

고 전압 고정자 바는 용액내에 분산된 탄소 입자를 가진 용재내로 용해된 열가소성 바인더로부터 이루어진 낮은 저항의 페인트로 노출 바를 페인팅함으로써 낮은 손실 인자 팁-업 값을 일관되게 얻도록 내부적으로 그레이드된다.

도 1은 본 발명의 실시예인 고정자 바의 종단면도이다. 도 1에 있어서, 발전기용의 고정자 바(1)는 본 발명의 전기적 도전성 열가소성 페인트에 대한 적절한 응용물과 같은 본 발명의 일반적 개념 일부를 도시한다.

도시된 것처럼, 고정자 바(1)은 당해 기술 분야에서는 공지인 바와 같이 스트랜드 절연체(strand insulator; 3)에 의해 서로 절연되는 다수의 도전성 구리 스트랜드(2)로 구성된다. 또한, 도전성 스트랜드(2)는 스트랜드 타이어(tier)이격기(4)에 의해 이격된 2 어레이를 형성하도록 정렬된다. 두 어레이를 둘러싸는 것은 운모지 테이프(6)의 다중 포장에 의해 형성된 접지 절연체(5)이다. 고정자 바 스트랜드(2)와 노출 바의 상부 및 하부 가장 자리 및 모서리 주위의 접지 절연체(5) 사이에는 본 발명에 따른 전기 도전성 열가소성 페인트(7)의 코팅재가 개재된다. 그러므로, 도전성 페인트(7)는 고정자 바 도전체(2)와 접지 절연체(5) 사이에 내부 그레이딩을 제공한다. 전기 도전 페인트(7)가 노출 바의 상부 및 하부 가장 자리 및 모서리 주위에 도시되며, 다른 방법으로는 측면을 포함한 전체 표면이 코팅되도록 전체 노출 바를 코팅한다.

본 발명에서 사용된 페인트 혼합물은 열가소성 수지 바인더 및 바인더 시스템에 기초한다. 유용한 많은 선택 중에서, 비스페놀(bisphenol) A 및 에피클로로히드린(epichlorohydrin)의 선형 공중합체(copolymer)가 선호되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이러한 양호한 공중합체는 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 글리콜 에테르(glycol ether) 또는 글리콜 에테르 에스테르(glycol ether ester)과 같은 용재와 함께 가장 양호하게 사용된다. 비스페놀 A 및 에피클로로히드린의 양호한 선형 공중합체는 일반적으로 15,000[양호하게는 40,000 내지 200,000 사이] 보다 큰 중량 평균 분자량, 0.40 eq./100g 보다 작은 히드록실(hydroxyl) 함유량, 및 0.025 eq./100g 보다 작은 에폭사이드 함유량을 가진다. 비스페놀 A 및 에피클로로히드린의 그러한 선형 공중합체는 예를 들면 레이홀드 화학 인크(Reichhold Chemical, Inc.)의 EPOTUF 38-525 수지, 쉘 화학 회사(Shell Chemical Co.)의 EPONOL 수지 53 및 55, 및 시바 게이지사(Ciba GeigyCo)의 GZ-488과 같은 다수의 재료로 부터 상업적으로 유용하다.

비스페놀 A 및 에피클로로히드린의 선형 공중합체를 대신해서, 폴리이미드(polyimide), 아크릴로니트릴-부타디 엔-스틸렌(acrylonitrile-butadiene-styrene), 네오플랜(Neoprene), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리에테르케톤(polyetherketones), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리에테르(polyether), 폴리술폰(polysulfone), 및 폴리우레탄(Polyurethane)과 같은 다른 열가소성 중합체 재료가 사용될 수 있다.

열가소성 바인더의 고유의 큰 신장성은 절연된 고정자 바를 구성하는 다양한 성분의 열 팽창 계수의 차이에도 불구하고 전기적 접촉이 유지될 수 있게 하기 때문에, 열가소성 바인더가 열경화성 바인더보다 내부 그레이딩에 더 효과적이라고 믿어진다.

일반적으로, 열가소성 바인더는 유기 용재내의 용액으로 사용되지만, 수중 열가소성 수지 바인더 시스템에서는 수성 캐리어도 사용된다.

페인트 혼합물의 제2 필수 성분은 낮은 저항 전기도전성 필러(filler)이다. 카본 블랙 블칸 XC-72R(카보트 사.)는 본 발명의 예의 전기 도전성 열가소성 페인트에 사용된다. 다른 카본 블랙, 예를 들면 블칸 XC-72, 블칸 SC, 블칸 P, 블칸 C 및 BLACK PEARLS 2000(카보트 사.); CONDUCTEX SC, BATTERY BLACK, PEERLESS ARK II 및 EXCELSIOR(콜롬비안 카본 사.); KETJENBLACK EC(아막 사); PRINTEX XE 2, PRINTEX L6, PRINTEX L, 및 PRINTEX 3(데구사 사.)이 사용될 수 있다. 카본 블랙을 대신해서, HPN-2, #200-39, #057 및 MICROFYNE-TRIPLE VALVE(Dixon Ticonderoga 사)와 같은 흑연 파우더, 및 UCAR 카본 사., 론자 사., 수피리어 흑연 사., 어스베리 흑연 사 및 다른 공급 업체로부터 이용할 수 있는 천연 또는 인조 흑연 파우더가 사용될 수 있다.

낮은 팁-업 값이 되는 내부 그레이딩용으로 사용되는 전기적으로 도전성 열가소성 페인트는 5,000,000 Ω/스퀘어, 양호하게는 250,000 Ω/스퀘어 보다 작다. 선택적으로, 저항은 2,500 내지 5,000,000 Ω/스퀘어의 범위에 있으며, 양호하게는 50,000 내지 500,000 Ω/스퀘어이다. 저항의 범위는 페인트의 카본 함유량을 변화시킴에 의해 제어될 수 있다.

아래의 예 및 상대적 예는 본 발명을 설명하는 역할을 한다. 별도의 설명이 없다면, 모든 부분 및 백분율은 중량 단위이고 온도는 섭씨 단위이다.

종래 제품을 설명하는 25개의 바가 본 발명의 요지인 내부 그레이딩 시스템을 갖춘 최적 팁-업 결과물과 비교된다. 예에서 사용된 바는 운모지, 테이핑 강도를 위한 직조 글래스 테이프 지지물(backer), 비-직조 폴리에스테르 매트 지지물 및 에폭시 바인더를 기본으로한 절연 시스템(A)을 사용한다. 다른 절연 시스템(B)으로 제조된 추가의 2개의 바는 본 발명의 확산된 유용성을 설명한다.

10 내지 100 VPM에서의 백분율 손실 인자가 이들 바에서 측정된다. 몇몇 바가 2세트의 판독을 얻기 위해서 2 위치에서 검사되는데, 2개의 이격 전극으로 얻어진 2 세트의 판독은 표에서 바 번호에 따라 A 및 B로 지정된다.

예(1-5)는 동일 절연 시스템 및 빌드로 절연된 25개 바의 결과인 10 내지 100 VPM 팁-업 결과를 도시한다. 내부 그레이딩을 포함하지 않는 7개의 바가 예 1에 기재되고, 종래의 내부 그레이딩 페인트를 나타내는 열경화 에폭시 전도성 페인트를 가진 내부 그레이딩이 예 2에 기재되고, 본 발명의 전기적 도전성 열경화 페인트를 가진 내부 그레이딩이 예3-5에 기재된다. 본 발명의 열가소성 페인트가 다른 절연 시스템(B)를 내부적으로 그레이딩하는데 사용되는 경우, 예 6은 10 내지 100VPM 팁-업 결과에서 유사한 개선을 나타낸다. 테이프 시스템(B)는 (A)의 경우와 유사한 구조지만, 바인더 혼합물이 상이하다.

예 1(종래 기술)

7개의 바는 에폭시 바인더를 사용하는 운모지 테이프 시스템(A)로 절연된다. 이러한 바에 대해 내부적 그레이딩은 사용되지 않는다. 백분율 손실 인자 및 팁-업 결과값이 표 1에 요약되며, 표 1은 0.706 내지 1.466 범위의, 1.055의 평균 팁-업 값을 보여준다.

표 1

예 2(종래 기술)

13개의 13.8KV 내장 바는 운모 테이프 시스템(A)로 절연되며, 7개의 상이한 도전 페인트는 내부 그레이딩을 위해 사용된다. 상기 페인트는 열경화 에폭시 바인더 및 도전성 필러로 사용되는 카본 함유량에 있어서 상이하다. 예 2의 바는 예 2에서 사용되는 내부 그레이딩 페인트만 제외하고 예 1의 것과 동일하다. 특히, 예2에서 사용되는 도전성 페인트는 아래와 같다:

예 2에서 사용된 에폭시 페인트는 겔로 되기 위해서는 열 처리 또는 실온에서는 8-16 시간이 필요하다. 페인트는 평균 팁-업을 1.055에서 0.741로, 범위를0.280에서 1.243으로 감소시키지만, 팁-업 값은 여전히 높다.

표 2

예 3(본 발명)

15.0% 카본 XC-72R(고체 기준) 및 25.0% 고체를 함유하는 열가소성 페인트는 43.13 중량부(part by weight:pbw)의 메틸 에틸 케톤(MEK)내에 시바사의 GZ 488-N40의 53.13 중량부를 용해하고, 3.74pbw의 불칸 XC-72R 카본 블랙을 높은 전단 믹싱(shear mixing)으로 분산시킴으로써 제조된다. 시바의 GZ 488-N40은 3,570의 최소 에폭사이드 균등 질량을 가지는 에피클로로히드린 및 비스페놀 A의 높은 분자 질량 선형 공중합체 및 U-Y의 가드너-홀트 점성도의 MEK 용액내의 40% 고체이다. 접지 절연은 페인트를 실온에서 15-30분 건조시킨 이후에 인가된다. 페인트의 표면 저항은 60,000 내지 190,000 Ω/스퀘어 이다.

본 페인트를 내부 그레이딩용으로 사용한 바 번호 21은 0.237 및 0.174의 팁-업 값을 가진다.

표 3

예 4(본 발명)

15.0% 카본 XC-72R(고체 기준) 및 35.0% 고체를 함유하는 열가소성 페인트는 74.38 pbw의 시바사의 GZ 488-N40을 20.37pbw의 MEK내에 용해하고, 높은 전단 믹싱으로 5.25pbw의 불칸 XC-72R 카본 블랙을 분산시킴으로써 제조된다. 페인트를 15-30분 실온에서 건조시킨 이후에 접지 절연이 인가된다. 페인트 막의 표면 저항은 140,000 내지 240,000 Ω/스퀘어 이다.

이러한 페인트로 내부적으로 그레이드된 바 번호 22 및 23은 낮은 팁-업 값을 가진다.

표 4

예 5(본 발명)

15.0% 카본 블랙 XC-72R(고체 기준) 및 35.0% 고체를 함유하는 열가소성 페인트는 74.31pbw의 레이홀드사의 Epotuf 38-525를 20.37pbw의 MEK내로 용해하고 5.25pbw의 카본 블랙 블칸 XC-72R을 높은 전단 믹싱으로 분산 시킴으로써 제조된다. 레이홀드사의 Epotuf 38-525는 4,000의 최소 에폭사이드 균등 질량 및 V-Y의 가드너-홀트 점성도를 가진 에피클로로히드린 및 비스페놀 A의 높은 분자 질량 선형 공중합체의 MEK 용액내의 40% 고체이다. 페인트는 접지 절연체의 인가 이전에 실온에서 15-30분간 건조된다. 페인트 막의 표면 저항은 50,000 내지 500,000 Ω/스퀘어 이다.

이러한 페인트로 내부적으로 그레이드된 바 번호 24 및 25는 낮은 팁-업 값을 가진다.

표 5

예 6(종래 기술 및 본 발명)

바 번호 26은 테이프 시스템(B)로 절연된다. 내부적 그레이딩은 사용되지 않는다.

바 번호 27은 바가 예 5에서 사용된 것과 동일한 페인트로써 내부적으로 그레이드된다는 점을 제외하고는 바 번호 26과 동일하다. 페인트는 테이프B를 인가하기 이전에 실온에서 15-30분 동안 건조된다.

전기적 도전성 열가소성 페인트가 사용되는 경우, % 팁-업값은 0.598에서 0.172로 감소한다.

표 6

본 발명이 현재 가장 실질적이고 양호한 실시예와 결부되어 설명되었지만, 본 발명은 공지된 실시예에만 제한되지 않으며, 첨부된 발명의 청구 범위의 기술 사상 및 범위내에 포함된 다양한 변형물 및 균등 장치를 포함한다.

Claims (8)

1. 전기 발전기 고정자 바(stator bar) 내의 손실 인자 팁-업(dissipation factor tip-up)을 줄이는 방법에 있어서, 상기 고정자 바의 도전 코어의 적어도 일부와 상기 고정자 바의 주변 절연층의 사이에 열가소성 수지 바인더와, 흑연, 카본 블랙 및 그 혼합물들로 구성되는 군에서 선택된 카본 필러(carbon-filler)를 포함하는 전기적 도전성 페인트 혼합물을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 페인트 혼합물은 약 2,500 내지 5,000,000 Ω/스퀘어 미만 범위의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 페인트 혼합물은 약 25,000 내지 약 500,000 Ω/스퀘어 범위내의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 전기적 도전성 페인트는 노출된 고정자 바의 상부 및 하부 가장 자리에 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지 바인더는 비스페놀 A(bisphenol A) 및 에피클로로히드린(epichlorohydrin)의 선형 공중합체(copolymer)인 것을 특징으로하는 방법.
6. 전기적 도전성 열가소성 페인트 혼합물로 코팅된 전기적 발전기 고정자 바에 있어서, 상기 코팅재는 약 2,500 내지 5,000,000 Ω/스퀘어 미만의 범위내의 저항값을 가지며, 상기 전기적 도전성 열가소성 페인트는 상기 고정자 바의 도전 코어의 적어도 일부분과 상기 고정자 바의 주위의 절연층 사이에 코팅되고, 상기 전기적 도전성 열가소성 페인트 혼합물은 열가소성 수지 바인더와, 흑연, 카본 블랙 및 그 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된 카본 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 발전기 고정자 바.
7. 제6항에 있어서, 상기 코팅재는 약 25,000 내지 약 500,000 Ω/스퀘어 범위 내의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 전기적 발전기 고정자 바.
8. 제6항에 있어서, 열가소성 수지 바인더는 비스페놀 A 및 에피클로로히드린의 선형 공중합체인 것을 특징으로 하는 전기적 발전기 고정자 바.