WO2003106362A1 - Glimmschutz - Google Patents

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WO2003106362A1
WO2003106362A1 PCT/DE2003/001865 DE0301865W WO03106362A1 WO 2003106362 A1 WO2003106362 A1 WO 2003106362A1 DE 0301865 W DE0301865 W DE 0301865W WO 03106362 A1 WO03106362 A1 WO 03106362A1
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WO
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glow protection
glow
electrically conductive
protection
inorganic material
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/001865
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Rüssel
Volker Muhrer
Alexander MÄURER
Bernhard Klaussner
Klaus Schäfer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US11/014,632 priority patent/US20050133720A1/en

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/003—Conducting or semi-conducting fibres

Definitions

  • the invention relates to a glow protection for electrical machines.
  • a glow protection usually has a fabric or a fleece.
  • Such fabrics are known, for example, from the DIN standards EN 16740 and DIN 16741 from 1976 (January).
  • DIN 16740 discloses a textile glass fabric for electronic purposes.
  • DIN 16741 discloses textile glass fabric walls with fixed edges for electronic purposes.
  • the fabrics serve, for example, as carriers for impregnants, electrical properties being achievable by the impregnants. For example, a glow protection can be produced by impregnation.
  • the smoldering protection can also be produced, for example, by a chemical reduction process, in the US. -PS 3,639,113.
  • glow protection for example, a glass fabric that is not electrically conductive is used as the base material.
  • the tissue made of inorganic material is soaked in a solvent.
  • AGS external glow protection
  • EGS final glow protection
  • the EGS uses silicon carbide, SiC, together with an organic binder such as resin and the glass fabric to build up the glow protection.
  • the glass fabric is used together with carbon black and / or graphite and an organic binder such as resin to produce the AGS.
  • organic binders it is disadvantageous that they are not very thermally stable.
  • the positions of the electrically conductive materials within the binder can change due to the thermal load, so that there is a change in the electrical conductivity.
  • the contact between the electrically conductive materials SiC, carbon black, graphite
  • the object of the present invention is to provide a glow protection for an electrical machine, the electrical properties of which are reproducible and / or which have a longer service life.
  • a glow protection for an electrical machine is designed as a fabric with threads and / or a fleece with fibers, the threads and the fibers having an electrically conductive inorganic material.
  • the fibers or threads are wholly or partly made of electrically conductive inorganic material.
  • the material or combination of materials must be selected according to the desired electrical conductivity.
  • the fibers or threads have glass.
  • the conductivity of the fibers or threads is, for example, with transition metal oxides as electrically conductive high-quality inorganic material can be produced.
  • the following metals may be mentioned by way of example: iron, vanadium, manganese, chromium, cobalt, nickel, copper, arsenic and antimony.
  • the concentration of the electrically conductive inorganic material depends on the desired electrical conductivity. A concentration of approximately 5% to 35% is an example of a possible range of concentrations for adjusting the electrical conductivity. Depending on the electrical conductivity of the transition metal oxide used, other concentration ranges are also possible.
  • iron as an electrically conductive inorganic material
  • the following two chemical compounds can be used: FeO and FE 2 0 3 .
  • the electrical properties of the glow protection are largely determined by the electrical properties of the material used to manufacture the fabric or the tile.
  • the material for the fibers or threads advantageously consists of inorganic material, which in certain concentrations has electrically conductive inorganic material.
  • the electrically conductive inorganic material is less sensitive to partial discharges compared to electrically conductive organic material, which was previously used in glow protection.
  • the ozone generated during partial discharges attacks soot or graphite, but inorganic materials and compounds remain largely unaffected by the ozone.
  • the soot forms together with 0-zone CO or CO 2 . This reduces the electrical conductivity.
  • carbon black according to the prior art is used to generate electrical conductivity, it is subject to abrasion, in particular during the handling of the glow protection according to the prior art.
  • the electrical conductivity is adversely affected by the abrasion.
  • Such a disadvantageous abrasion is not present in the glow protection according to the invention. This also results, for example, during the winding of insulated conductors inside half of an electrical machine, improved manageability of the material. As a result, less attention is paid to the sensitivity of the glow protection during the production of an electrical machine and the associated wrapping of the conductor bars with the glow protection, so that this saves time in production.
  • a further disadvantage of the glow protection according to the prior art is that the glow protection which is to be applied to the insulated electrical conductor of an electrical machine has hardened, but has not hardened. During the impregnation process of the electrical machine, also called VPI (Vacuum Pressure Impregnation) process, the hardened glow protection is influenced. The electrical conductivity of the glow protection according to the prior art can thus disadvantageously change.
  • VPI Vauum Pressure Impregnation
  • Glow protection is its electrical conductivity unaffected by the VPI process.
  • the glow protection is used in particular to protect the insulation of electrical machines such as motors, for example railroad motors and generators, in particular turbogenerators at voltages in the kV range, in particular greater than or equal to 3.3 kV. If voltages greater than 3.3 kV are present, precautions must be taken to avoid partial or glow discharge or to control the potential.
  • electrical machines such as motors, for example railroad motors and generators, in particular turbogenerators at voltages in the kV range, in particular greater than or equal to 3.3 kV. If voltages greater than 3.3 kV are present, precautions must be taken to avoid partial or glow discharge or to control the potential.
  • In the slot area of a laminated core of an electrical machine one speaks of inner or outer glow protection, in the winding head area of end glow protection or end glow protection.
  • the smoldering protection according to the invention can be implemented, for example, as a fabric or assembly line.
  • the tape can be produced from electrically conductive continuous fibers or from staple fibers.
  • the necessary electrical conductivities for internal and external glow protection (5 * 10 2 ⁇ D to 5 * 10 4 ⁇ D) and for end glow protection (5 * 10 7 ⁇ D to 10 9 ⁇ D) are due to different doping, ie different concentrations of electrically conductive materials / substances / chemical compounds within the fibers or threads.
  • the fibers or threads formed in this way are intrinsically conductive.
  • a glass with intrinsic electron conductivity can be used for the glow protection of both an end glow protection and an external glow protection.
  • a typical specific electrical conductivity of the final glow protection is, for example, approx. 1.5 * 10 5 to 1.6 * 10 6 ⁇ D.
  • Such a glass is suitable for the production of continuous fibers of conventional thickness (2-50 ⁇ m) using conventional systems. Other thicknesses are also possible.
  • the electrical conductivity can be achieved, for example, by adding polyvalent components, preferably iron oxides. These iron oxides are present in the glass as Fe 2+ and Fe 3+ and cause intrinsic conductivity through an electron "hopping" mechanism.
  • the electrical conductivity preferably fluctuates by less than a factor of 2.
  • the glasses can be melted from raw materials with the addition of iron compounds such as Fe 2 0 3 , FeC0 3 or Fe 3 0 4 .
  • iron compounds such as Fe 2 0 3 , FeC0 3 or Fe 3 0 4 .
  • a defined Fe 2+ / Fe 3+ ratio can be set.
  • the conductivity depends in particular on this ratio.
  • the glass which has electrically conductive inorganic material, therefore contains, for example, an iron oxide, a copper oxide or other transition metal oxides. If a glass has such an oxide, it contains it. In glass chemistry, the oxide notation is used in particular when describing the composition of a glass. If a glass has iron oxide, the iron is present in the glass as Fe + or Fe 3+ , for example.
  • Glasses with intrinsic electron conductivity can also be used for external glow protection (AGS).
  • a typical specific conductivity of 0.03 - 0.5 ⁇ D is particularly important for a glass.
  • a glass of this type for external glow protection is suitable, as well as for end glow protection, for the production of continuous fibers of the usual thickness (10-20 ⁇ m) with conventional technical systems.
  • the conductivity is about 5 orders of magnitude higher. This means that the concentration of the polivalent components must be increased significantly.
  • the conductivity can also be achieved by partial crystallization.
  • the glasses for the external glow protection as for the glasses for the final glow protection. Therefore the glass systems have to be chosen very carefully and the ratio of oxidized species / reduced species has to be adjusted.
  • the tolerance is, however, for glasses for external glow protection with which the redox ratios are set, much lower.
  • the oxygen activity must be set to a value that corresponds to the maximum conductivity for the cooled glasses.
  • thermally stable inorganic materials are preferably used, permanent temperature resistance up to 500C 0 can be achieved.
  • the electrical machines can be subjected to higher loads with regard to the end glow protection EGS and the external glow protection AGS. Thus, partial prerequisites for a higher thermal as well as a higher electrical utilization of the electrical machine are present.
  • the conductivity of the fabric or tile is not adversely affected by a VPI-beating process. Contamination of the VPI impregnating agent by electrically conductive components of the corona protection systems (fillers) is excluded, since there are no electrically conductive fillers in an organic carrier material.
  • the thermal stability, the thermal thermal conductivity and the electrical properties are the thermal stability, the thermal thermal conductivity and the electrical properties.
  • a maximum field strength of approx. 3.5 kV / mm can be achieved with Mica.
  • the insulation of conductors within electrical Machines can be set up in such a way that the conductor is first enclosed in an insulating layer and then a glow protection layer is added around this insulating layer as an additional layer.
  • the glow protection contributes to an even field distribution on the surface of the conductor.
  • the glow protection within the electrical machine is adjacent to the stator core in the stator slots.
  • the stator core is, for example, set to zero potential or neutral potential.
  • the electrical glow plug can be designed differently from the end glow plug. Both the insulation and the glow protection of an electrical machine depend on the use of the electrical machine. In particular when operating an electrical machine on converters, which carry out pulse modulation, there are increased demands on the insulation and on the glow protection, which is also referred to in English as "corona shielding".
  • the fibers in the tiles or the threads in the fabrics have silicon carbide as the conductive electrical inorganic material.
  • the fibers or the threads or the rovings made therefrom are preferably made of glass which, for example, holds SiC (in particular for EGS) or transition metal oxides.
  • transition metal oxides overcomes the disadvantage of organic conductive materials that they are influenced by partial discharges. Partial discharges cause ozone. Ozone destroys organic material. The destruction of organic material increases the partial discharge on the conductors within the electrical machine, so that in turn more ozone is formed, which contributes to an increased extent to the destruction of organic material.
  • the ozone generated by partial discharge destroys both the soot or graphite, which is present in the organic resin, so that the conductivity of the glow protection is reduced, as well as the organic resin itself, so that it dissolves more and more and leads to a destruction of the Glow protection comes, whereby the glow protection consists of the gas fabric, the organic resin and the substances contained in it to adjust the electrical conductivity.
  • the production of electrical conductivity in fibers and / or threads of mica protection is not only silicon carbide but also conductive ceramics, transition metal oxides or a combination of these or corresponding materials.
  • the glow protection can, for example, be produced entirely from electrically conductive fibers and or threads, but also as a combination between electrically conductive fibers or threads and electrically non-conductive fibers or threads. In addition to changing the concentration of the materials used for the electrical conductivity, this creates a further possibility of adjusting the electrical conductivity of the glow protection. These options for setting the electrical conductivity are much simpler and cheaper than with doping.
  • the glow protection is external glow protection, HGS for short, or. as final glow protection, EGS for short with different Chen electrical properties can be equipped.
  • the end glow protection preferably has a resistance value of 5 ⁇ 10 8 ⁇ D.
  • the external glow protection typically has a value of around 1000 ⁇ D.
  • the glow protection serves both for external glow protection and in particular for final glow protection to equalize potential on the surface of the main insulation.
  • the glow protection continues to ensure a homogenization of the electrical field.
  • the end glow protection is used to send the potential of the stator core of the electrical machine.
  • the field strengths occurring in the air on the conductor provided with glow protection no longer lead to arcing in the air.
  • the glow protection serves to avoid partial discharges as well as glow and sliding discharges on the surface of the main insulation.
  • the glow protection is used in particular in high-voltage electrical machines.
  • high-voltage electrical machines are operated at voltages greater than 3 kV. Due to the high voltages, equipotential bonding on the conductors is necessary using glow protection.
  • the fibers or threads preferably consist of glass, which is obtained from a glass melt.
  • the glass melt has the electrically conductive inorganic materials.
  • a glass melt is mixed with an electrically conductive material in order to then produce threads for a fabric or fibers for a fleece.
  • FIG. 2 shows the exit of a conductor from a stator laminated core
  • FIG. 3 shows the dependence of the conductivity on the concentration of electrically conductive substances
  • FIG. 4 shows two examples of a fabric.
  • stator core 2 which is composed of stator core 1.
  • Copper conductors 3 are located within stator slots 9.
  • the copper conductors 3 have conductor insulation 7.
  • the conductor insulation 7 is advantageously made stronger inside the stator core 2 than outside the stator core 2 where the copper conductors 3 form a winding end, which is not shown in FIG. 1, however.
  • Glow protection for the area of the copper conductor 3, which is located within the stator core 2, is referred to as external glow protection 5 - AGS.
  • the glow protection on the conductor insulation 7, which is located outside the stator core package 2, is referred to as end glow protection 4 - EGS.
  • Both the external glow protection 5 and the end glow protection 4 serve for electrical potential control.
  • the glow protection 4, 5 is made at least of a carrier layer and a layer thereon, which can be designated as a coating layer. Consequently, it is also possible to carry out a smoldering protection which has more than one carrier material and / or more than one coating, but is not shown in the figures.
  • the illustration according to FIG. 2 shows in detail the transition of the copper conductor 3 from the stator core 1 into the air 16.
  • the copper conductor 3 has a conductive insulation 7 as well also an external glow protection 5 and an end glow protection 4.
  • the two glow protectors meet at connection 6.
  • the step connection between the external glow protection 5 and the end glow protection 4 results from the fact that the glow protection is advantageously wound as a tape overlapping the conductor insulation of the copper conductor, so that the glow protection is located on the conductor insulation 7 in two layers, for example.
  • other winding options are also possible, which lead to a single-layer or multi-layer winding by a tape.
  • FIG. 3 shows the conductivity 18 on the Y axis and the concentration of electrically conductive materials on the X axis 20.
  • electrically conductive materials For example, carbon or silicon carbide can be used as the electrically conductive material.
  • Curve 22 shows a sharp increase 24, within a small change in concentration only band 26. This • shows the problem of the adjustment of the concentration of conductive materials according to the prior art, by impregnating a carrier material.
  • the illustration according to FIG. 4 shows two fabrics 40, 41.
  • the fabric 40 is a plain weave.
  • the fabric 41 is a body bond. Both types of fabric are examples of both a fabric that serves as a carrier material for a coating serves to understand, as well as an example of a fabric whose threads are coated.
  • the fibers consist of glass doped with an electrically conductive material.
  • a fabric can be produced from this glass fiber. This results in e.g. a canvas formation with warp or weft threads.
  • the stability or flexibility can be set differently. In principle, it is advantageous to be able to make the tissue as thin as possible.
  • the fabric structure is also of particular importance because it can be used to influence the field smoothing.
  • Electrically conductive inorganic materials are, for example, metals of different oxidation levels. Since the external glow protection generally has a higher electrical conductivity than the end glow protection, a higher concentration of metals of different oxidation levels within the glow protection can change the end glow protection to the external glow protection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Glimmschutz einer elektrischen Maschine, wobei der Glimmschutz entweder als Flies mit Fasern oder als Gewebe mit Fäden aufgebaut ist und die Fasern bzw. Fäden zumindest ein elektrisch leitfähiges anorganisches Material aufweisen.

Description

Glimmschutz
Die Erfindung betrifft einen Glimmschutz für elektrische Maschinen. Ein derartiger Glimmschutz weist zumeist ein Gewebe bzw. ein Flies auf.
Derartige Gewebe sind beispielsweise aus den DIN-Nor en DIN 16740 und DIN 16741 aus dem Jahre 1976 (Januar) bekannt. Die DIN 16740 offenbart ein Textilglasgewebe für elektronische Zwecke. Die DIN 16741 offenbart Textilglasgewebe- ände mit festen Wegkanten für elektronische Zwecke. Die Gewebe dienen beispielsweise als Träger für Tränkmittel, wobei durch die Tränkmittel elektrischer Eigenschaften erzielbar sind. Durch Tränkung ist beispielsweise ein Glimmschutz herstellbar.
Der Glimmschutz kann beispielsweise auch durch ein chemisches Reduktionsverfahren hergestellt werden, wobei dies in der US. -PS 3,639,113 offenbart ist.
Bei der Herstellung von Glimmschutz wird beispielsweise ein Glasgewebe, welches nicht elektrisch leitend ist, als Grundmaterial verwendet. Das aus anorganischen Material bestehende Gewebe wird in einem Lösungsmittel getränkt. Beim Glimmschutz wird zwischen dem Außenglimmschutz, AGS genannt, und dem End- englimmschutz, EGS genannt, unterschieden. Beim EGS wird Silizium Carbid, SiC, zusammen mit einem organischen Bindemittel wie Harz und dem Glasgewebe zum Aufbau des Glimmschutzes verwendet. Zur Herstellung des AGS wird das Glasgewebe zusammen mit Ruß und/oder Graphit und einem organischen Bindemit- tel wie Harz verwendet. Bei der Verwendung organischer Bindemittel ist es nachteilig, dass diese thermisch wenig belastbar sind. Durch die thermische Belastung können sich die Positionen der elektrisch leitfähigen Materialien innerhalb des Bindemittels verändern, so dass sich eine Änderung der elekt- rischen Leitfähigkeit ergibt. Der Kontakt zwischen den elektrisch leitenden Materialen (SiC, Ruß, Graphit) geht verloren und/oder reduziert sich, was eine reduzierte Leitfähigkeit zur Folge hat.
Bei einem Glimmschutz, welcher beispielsweise wie in der US- PS 3,639, durch den chemischen Prozess der Reduzierungen hergestellt wurde ist nachteilig, das eine Reduzierung durchzuführen ist. Desweiteren ist es von Nachteil, dass ich eine elektrische Leitfähigkeit und an einer oberen Schicht des Glimmschutzes einstellt. Somit wird nicht der gesamte Quer- schnitt des Glimmschutzes zur elektrischen Leitung genutzt. Da die elektrischen Leiter einer elektrischen Maschine auf denen sich der Glimmschutz befindet oft in die Nuten der e- lektrischen Maschine eingeklopft werden, kann es dabei zu einer Beschädigung der oberen Schichten des Glimmschutzes kom- men. Da nun nur die oberen Schichten des Glimmschutzes elektrisch leitfähig sind, reduziert sich die elektrische Leitfähigkeit des Glimmschutzes, was jedoch nicht gewünscht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Glimmschutz für eine elektrische Maschine anzugeben, dessen elektrische Eigenschaften reproduzierbar sind und/oder der eine längere Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Glimmschutz für ei- ne elektrische Maschine als ein Gewebe mit Fäden und /oder ein Flies mit Fasern ausgeführt ist, wobei die Fäden und die Fasern ein elektrisch leitfähiges anorganisches Material aufweisen.
Die Fasern bzw. Fäden sind ganz oder teilweise aus elektrisch leitendem anorganischen Material. Das Material bzw. die Mate- rialkombination ist entsprechend der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit auszuwählen.
In einer vorteilhaften Weise weisen die Fasern bzw. Fäden Glas auf. Die Leitfähigkeit der Fasern bzw. Fäden ist beispielsweise mit Übergangsmetalloxiden als elektrisch leitfä- higes anorganisches Material herstellbar. Beispielhaft sind folgende Metalle zu nennen: Eisen, Vanadium, Mangan, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Arsen und Antimon. Die Konzentration des elektrisch leitfähigen anorganischen Materials ist abhän- gig von der gewünschten elektrischen Leitf higkeit. Eine Konzentration von ca. 5% bis 35% ist ein Beispiel für ein mögliches Band von Konzentrationen zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit. Abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Übergangmetalloxides sind auch andere Konzentrationsbereiche möglich. Im Falle von Eisen als elektrisch leitfähiges anorganisches Material sind die beiden folgenden chemischen Verbindungen einsetzbar: FeO und FE203.
Die elektrischen Eigenschaften des Glimmschutzes werden maß- geblich von den elektrischen Eigenschaften des Materials bestimmt, welches zur Herstellung des Gewebes bzw. des Flieses dient. In vorteilhafter Weise besteht das Material für die Fasern bzw. Fäden aus anorganischem Material, welches in bestimmten Konzentrationen elektrisch leitfähiges anorganisches Material aufweist. Das elektrisch leitfähige anorganische Material ist im Vergleich zu elektrisch leitfähigem organischem Material, welches bisher im Glimmschutz eingesetzt wurde bezüglich Teilentladungen unempfindlicher. Das bei Teilentladungen entstehende Ozon greift zwar Ruß bzw. Graphit an, je- doch bleiben anorganische Materialien und Verbindungen vom Ozon weitgehend unbeeinflußt. Der Ruß bildet zusammen mit 0- zon CO bzw. C02. Damit reduziert sich die elektrische Leitfähigkeit.
Wird Ruß nach dem Stand der Technik zur Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit verwendet, so ist dieser einem Abrieb insbesondere während der Handhabung des Glimmschutzes nach dem Stand der Technik unterworfen. Durch den Abrieb verändert sich nachteilig wiederum die elektrische Leitfähigkeit. Ein derartiger nachteiliger Abrieb ist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutz nicht vorhanden. Damit ergibt sich beispielsweise auch während einer Umwicklung von isolierten Leitern inner- halb einer elektrischen Maschine, eine verbesserte Handhabbarkeit des Materials. Dadurch ist bei der Produktion einer elektrischen Maschine und der damit verbundenen Umwicklung der Leiterstäbe mit dem Glimmschutz weniger auf die Empfind- lichkeit des Glimmschutzes zu achten, so dass sich daraus eine Zeitersparnis in der Fertigung ergibt. Ein weiterer Nachteil des Glimmschutzes nach dem Stand der Technik besteht darin, dass der Glimmschutz, welcher auf den isolierten e- lektrischen Leiter einer elektrischen Maschine aufzubringen ist zwar angehärtet, jedoch nicht ausgehärtet ist. Während des Tränkprozesses der elektrischen Maschine, auch VPI (Va- cuum Pressure Impregnation) Prozess genannt, wird der angehärtete Glimmschutz beeinflusst. Nachteilig kann sich so die elektrische Leitfähigkeit des Glimmschutzes nach dem Stand der Technik verändern. Bei einem erfindungsgemäßen
Glimmschutz ist dessen elektrische Leitfähigkeit unbeeinflußt vom VPI-Prozess.
Der Glimmschutz findet insbesondere seine Anwendung zum Schutz der Isolierung von elektrischen Maschinen wie Motoren, beispielsweise Bahnmotoren und Generatoren insbesondere Turbogeneratoren bei Spannungen im kV-Bereich insbesondere größer gleich 3,3 kV. Bei anliegenden Spannungen größer 3,3 kV sind Vorkehrungen zur Vermeidung von Teil- bzw. Glim ent- ladungen bzw. zur Potentialsteuerung notwendig. Dabei wird im Nutbereich eines Blechpaketes einer elektrischen Maschine vom Innen- bzw. Außengli mschutz, im Wicklungskopfbereich vom En- denglimmschutz bzw. Endglimmschutz gesprochen.
Als Glimmschutz werden im Stand der Technik wie bereits be- schieben im allgemeinen Gewebe- oder Fliesbänder aus Glas bzw. Polyester eingesetzt, die mit einem füllstoffhaltigen Bindemittel getränkt sind. Bei der Einzelstabtränkung werden teilweise auch füllstoffhaltige Anstriche verwendet. Im Nut- bereich werden als elektrisch leitfähige Füllstoffe in der Regel Russ oder Graphit, im Wickelkopfbereich elektrisch halbleitendes Siliziu carbid eingesetzt. Die genannten Werk- stoffe sind bedingt durch die notwendigen organischen Bindemittel nur eingeschränkt thermisch belastbar (bis ca. 180 C°) und werden durch Teil- oder Glimmentladungen schnell zerstört. Zudem wird ihre elektrische Leitfähigkeit durch einen VPI-Tränkprozess in nicht vorhersehbarer Weise beeinflusst. Durch Abrieb bzw. Ausschwemmung können das VPI-Tränkmittel und angrenzende Isolierbereich durch elektrisch leitfähige Füllstoffe kontaminiert werden.
Der erfindungsgemäße Glimmschutz ist beispielsweise als Gewebe- bzw. Fließband ausführbar. Das Band ist aus elektrisch leitfähigem Endlosfasern oder aus Stapelfasern herstellbar. Die notwendigen elektrischen Leitfähigkeiten für Innen- und Außenglim schutz (5*102 ΩD bis 5*104 ΩD) und für den Enden- glimmschutz (5*107 ΩD bis 109 ΩD) sind durch unterschiedliche Dotierungen, d.h. durch unterschiedliche Konzentrationen der elektrisch leitfähigen Materialien/Substanzen/chemischen Verbindungen innerhalb der Fasern bzw. Fäden erreichbar. Die derart ausgebildeten Fasern bzw. Fäden sind intrinsisch leit- fähig.
Ein Glas mit intrinsischer Elektronenleitfähigkeit ist für die Anwendung als Glimmschutz sowohl eines Endenglimmschutzes als auch eines Außenglimmschutz nutzbar. Eine typische spezi- fische elektrische Leitfähigkeit des Endglimmschutzes beträgt beispielsweise ca. 1,5*105 bis 1,6*106 ΩD . Ein derartiges Glas ist für die Herstellung von Endlosfasern üblicher Dicke (2 - 50 μm) mit üblichen Anlagen geeignet. Auch andere Dicken sind ausführbar. Die elektrische Leitfähigkeit ist beispiels- weise durch Zugabe von polyvalenten Komponenten, vorzugsweise Eisenoxide erzielbar. Diese Eisenoxide liegen im Glas als Fe2+ und Fe3+ vor und bewirken eine intrinsische Leitfähigkeit durch einen Elektronen "hopping" -Mechanismus. Die elektrische Leitfähigkeit schwankt vorzugsweise um weniger als den Faktor 2.
Die Gläser sind aus Rohstoffen unter Zugabe von Eisenverbindungen wie Fe203, FeC03 oder Fe304 erschmelzbar. Hierbei ist insbesondere auf reproduzierbare Herstellungsbedingungen zu achten. So kann ein definiertes Fe2+/Fe3+-Verhältnis eingestellt werden. Von diesem Verhältnis hängt die Leitfähigkeit im besonderen Masse ab.
Zur Verdeutlichung: das Glas, welches elektrisch leitfähiges anorganisches Material aufweist enthält also z.B. ein Eisenoxid, ein Kupferoxid oder andere Übergangsmetalloxide. Weist ein Glas ein derartiges Oxid auf so enthält es dieses. In der Glaschemie wird insbesondere bei der Besc hreibung der Zusammensetzung eines Glases die Oxidschreibweise verwendet. Weist ein Glas also Eisenoxid auf, so liegt das Eisen im Glas beispielsweise als Fe+ oder Fe3+ vor.
Gläser mit intrinsischer Elektronenleitfähigkeit sind auch für den Außenglimmschutz (AGS) einsetzbar. Dabei ist insbesondere eine typische spezifische Leitfähigkeit von 0,03 - 0,5 ΩD für ein Glas von Bedeutung. Ein derartiges Glas für den Außenglimmschutz ist ebenso wie für den Endenglimmschutz für die Herstellung von Endlosfasern übliche Dicke (10 - 20 um) mit üblichen technischen Anlagen geeignet. Im Vergleich zu den Materialen für den Endglimmschutz liegt die Leitfähigkeit um ca. 5 Größenordnungen höher. Dies bedeutet, dass die Konzentration der polivalenten Komponenten wesentlich zu er- höhen ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leitfähigkeit aber auch durch partielle Kristallisation erzielbar.
Für die Gläser des Außenglimmschutzes gilt im wesentlichen das gleiche wie für die Gläser für den Endglimmschutz. Daher müssen die Glassysteme sehr sorgfältig gewählt werden und das Verhältnis oxidierter Spezies/reduzierte Spezies eingestellt werden.
Bezüglich der Sauerstoffqualitätsmessung in der Schmelze gilt das gleiche wie bei den Gläsern für den Endglimmschutz. Bei Gläsern für den Außenglimmschutz ist allerdings die Toleranz mit der die Redox-Verhältnisse eingestellt werden, viel niedriger. Die Sauerstoffaktivität ist auf einen Wert, der bei den abgekühlten Gläsern maximaler Leitfähigkeit entspricht einzustellen.
Da vorzugsweise thermisch stabile anorganische Materialien zum Einsatz kommen sind Dauertemperaturbeständigkeiten bis 500C0 realisierbar. Die elektrischen Maschinen können bezüglich des Endenglimmschutzes EGS und des Außenglimmschutzes AGS dadurch höher belastet werden. Somit sind Teilvoraussetzungen für eine höhere thermische als auch eine höhere elektrische Auslastung der elektrischen Maschine vorhanden. Die Leitfähigkeit der Gewebe bzw. Fliese wird durch einen VPI- Trängprozess nicht nachteilig beeinflusst. Die Kontamierung des VPI-Tränkmittels durch elektrisch leitfähige Komponenten der Glimmmschutzsysteme (Füllstoffe) ist ausgeschlossen, da keine elektrisch leitenden Füllstoffe in einem organischen Trägermaterial vorliegen.
Der Glimmschutz ist bei einer elektrischen Maschine neben der Isolation von besonderer Bedeutung. Dies gilt wie bereits erwähnt insbesondere für Hochspannungsmaschinen, welche eine Spannung ab ca. 3,3 kV aufweisen. Bei der Entwicklung von I- solationssystemen für Maschinen werden insbesondere drei Pa- rameter betrachtet:
Die thermische Stabilität, die thermische Wärmeleitfähigkeit und die elektrischen Eigenschaften.
Bei den elektrischen Eigenschaften ist sowohl auf den elektrischen Widerstand wie auch auf die Verteilung elektrischer Feldstärken zu achten. Insbesondere bei Hochspannungsmaschinen werden micabasierte Isolationssysteme verwendet.
Mit Mica ist eine maximale Feldstärke von ca. 3,5 kV/mm zu erreichen. Die Isolierung von Leitern innerhalb elektrischer Maschinen ist so aufbaubar, dass der Leiter zunächst von einer Isolierschicht umschlossen wird und um diese Isolierschicht sich anschließend noch einen Glimmschutz als zusätzliche Schicht anschließt. Der Glimmschutz trägt zu einer gleichmäßigen Feldverteilung auf der Oberfläche des Leiters bei. Weiterhin grenzt der Glimmschutz innerhalb der elektrischen Maschine in den Ständernuten an das Ständerblechpaket an. Das Ständerblechpaket ist beispielsweise auf Nullpotential oder auf Sternpunktpotential gelegt. Der Außenglimm- schütz ist in seiner elektrischen Eigenschaft anders ausführbar als der Endglimmschutz. Sowohl die Isolierung als auch der Glimmschutz einer elektrischen Maschine ist abhängig von der Verwendung der elektrischen Maschine. Insbesondere beim Betreiben einer elektrischen Maschine an Stromrichtern, wel- ehe eine Pulsmodulation durchführen, ergeben sich erhöhte Anforderungen an die Isolierung und an den Glimmschutz welcher im englischen auch als "Corona shielding" bezeichnet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Glimmschutzes weisen die Fasern in den Fliesen bzw. die Fäden in den Geweben als leitfähiges elektrischen anorganisches Material Siliciumcar- bid auf. Die Fasern, bzw. die Fäden bzw. die daraus erstellten Rovings sind vorzugsweise aus Glas, welches eben beispielsweise SiC (insbesondere für EGS) oder Übergangsmetall- oxide aufnimmt. Durch die Verwendung eines leitfähigen elektrischen anorganischen Materials (Übergangsmetalloxide) wird der Nachteil organischer leitfähiger Materialen überwunden, dass diese aufgrund von Teilentladungen beeinflusst werden. Teilentladungen verursachen Ozon. Ozon zerstört organisches Material. Durch die Zerstörung organischen Materials erhöht sich die Teilentladung innerhalb der elektrischen Maschine an den Leitern, so dass wiederum mehr Ozon gebildet wird, welches in erhöhtem Masse zur Zerstörung organischen Materials beiträgt. Dadurch ergibt sich eine Art Teufelskreis, welcher zum Ausfall der elektrischen Maschine führen kann. Als Füllstoff des organischen Harzes wird zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit bisher beispielsweise Russ oder Grafit verwendet. Mit dem organischen Harz wird ein Glasgewebe oder auch ein Gewebe aus Polyester getränkt. Dieser Russ oder Gra- fit wurde in organisches Harz gegeben, mit welchem ein Glasgewebe oder auch ein Polyester im Gewebe getränkt ist. In das organische Harz ist weiterhin zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit Siliziumkarbit einbringbar. Die Verwendung organischen Harzes zum Tränken von Glasgeweben bzw. Polyestergewebe begrenzt die Temperatur die sich maximal in der elektrischen Maschine einstellen darf. Das durch Teilentladung entstehende Ozon zerstört sowohl den Russ bzw. den Grafit, welcher im organischen Harz vorhanden, so dass die Leitfähigkeit des Glimmschutzes reduziert wird, als auch das organische Harz selbst, so dass sich dieses mehr und mehr auflöst und es zu einer Zerstörung des Glimmschutzes kommt, wobei der Glimmschutz aus dem Gasgewebe, dem organischen Harz und den darin befindlichen Stoffen zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit besteht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Zur Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit in Fasern und/oder Fäden des Glimmerschutzes ist neben Silizium-Carbid auch leitfähige Keramik, Übergangsmetalloxide oder eine Kombination aus diesen oder entsprechenden Materialien zu nennen.
Der Glimmschutz ist beispielsweise gänzlich aus elektrisch leitfähigen Fasern und oder Fäden herstellbar aber auch als Kombination zwischen elektrisch leitfähigen Fasern bzw. Fäden und elektrisch nicht leitfähigen Fasern bzw. Fäden. Dies schafft neben einer Änderung der Konzentration der für die elektrische Leitfähigkeit verwendeten Materialien eine weitere Möglichkeit die elektrische Leitfähigkeit des Glimmschutzes einzustellen. Diese Einstellungsmöglichkeiten der elektrischen Leitfähigkeit sind wesentlich einfacher und kostengünstiger als bei Dotierungen.
Der Glimmschutz ist als Außenglimmschutz , kurz HGS genannt, bzw . als Endglimmschutz , kurz EGS genannt mit unterschiedli- chen elektrischen Eigenschaften ausstattbar. Vorzugsweise weist der Endenglimmschutz einen Widerstandswert von 5xl08 ΩD auf. Der Außenglimmschutz weist typischerweise etwa einen Wert von 1000 ΩD auf. Dies sind allerdings nur Richtwerte, die von vielen Faktoren abhängen. Entsprechende Faktoren sind beispielsweise die Spannung sowie die Länge eines Endenglimm- schutzes. Der Glimmschutz dient sowohl beim Außenglimmschutz als auch insbesondere beim Endglimmschutz zum Potentialausgleich auf der Oberfläche der Hauptisolierung. Durch den Glimmschutz wird weiterhin für eine Homogenisierung des e- lektrischen Feldes gesorgt. Der Endglimmschutz dient zum Absenden des Potentials des Ständerblechpaketes der elektrischen Maschine. Die in der Luft auftretenden Feldstärken am mit Glimmschutz versehenen Leiter führen in der Luft nicht mehr zu Überschlägen. Der Glimmschutz dient dazu auf der O- berfläche der Hauptisolierung Teilentladungen sowie Glimm- und Gleitentladungen zu vermeiden.
Die Verwendung des Glimmschutzes erfolgt insbesondere bei e- lektrischen Hochspannungsmaschinen. Im allgemeinen werden e- lektrische Hochspannungsmaschine bei Spannungen von größer 3 kV betrieben. Durch die hohen Spannungen ist ein Potentialausgleich an den Leitern durch einen Glimmschutz notwendig.
Vorzugsweise bestehen die Fasern bzw. Fäden aus Glas, welches aus einer Glasschmelze gewonnen wird. Die Glasschmelze weist die elektrisch leitfähigen anorganischen Materialen auf. In einem Verfahren zur Herstellung eines Glimmschutzes als Flies oder Gewebe z.B. in der Form eines Bandes wird eine Glas- schmelze mit einem elektrisch leitenden Material versetzt um danach Fäden für ein Gewebe bzw. Fasern für ein Flies zu erzeugen.
Ein Vorteil des oben beschriebenen Glimmschutzes ist es, dass er nur mit anorganischem Material und ohne organischem Material aufbaubar ist. Im weiteren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 die Isolierung eines Leiters mit dazugehörigen Stän- derblech,
FIG 2 den Austritt eines Leiters aus einem Statorblechpaket, FIG 3 die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Konzentration elektrisch leitfähiger Substanzen und FIG 4 zwei Beispiele eines Gewebes.
Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt schematisch ein Ständerblechpakete 2, welches aus Ständerblechen 1 zusammengesetzt ist. Innerhalb von Ständernuten 9 befinden sich Kupferleiter 3. Die Kupferleiter 3 weisen eine Leiterisolierung 7 auf. Die Leiterisolierung 7 ist vorteilhafterweise innerhalb des Ständerblechpaketes 2 stärker ausgeführt als außerhalb des Ständerblechpaketes 2 wo die Kupferleiter 3 einen Wickelkopf bilden, der in der FIG 1 jedoch nicht dargestellt ist. Auf der Leiterisolierung 7 befindet sich ein Glimmschutz 4,5. Der
Glimmschutz für den Bereich des Kupferleiters 3, welches sich innerhalb des Ständerblechpaketes 2 befindet, wird als Außenglimmschutz 5 - AGS - bezeichnet. Der Glimmschutz auf der Leiterisolierung 7, welcher sich außerhalb des Ständerblech- paketes 2 befindet, wird als Endenglimmschutz 4 - EGS - bezeichnet. Sowohl der Außenglimmschutz 5 als auch der Endenglimmschutz 4 dienen zur elektrischen Potentialsteuerung. Der Glimmschutz 4,5 ist zumindest aus einer Trägerschicht und einer darauf befindlichen Schicht, welche als Beschichtungs- schicht bezeichenbar ist, ausgeführt. Es folglich auch ein Glimmschutz ausführbar, der mehr als eine Trägermaterial und/oder mehr als eine Beschichtung aufweist, jedoch figürlich nicht dargestellt.
Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt im Detail den Übergang des Kupferleiters 3 aus dem Ständerblechpaket 1 in die Luft 16. Der Kupferleiter 3 weist sowohl eine Leitisolierung 7 als auch einen Außenglimmschutz 5 sowie einen Endenglimmschutz 4 auf. An der Verbindung 6 treffen die beiden Glimmschutze aufeinander. Die stufige Verbindung zwischen dem Außenglimmschutz 5 und dem Endenglimmschutz 4 ergibt sich daraus, dass der Glimmschutz in vorteilhafter Weise als Band auf die Leiterisolierung des Kupferleiters halb überlappend gewickelt wird, so dass der Glimmschutz beispielsweise in zwei Lagen sich auf der Leiterisolierung 7 befindet. Natürlich sind auch andere Wicklungsmöglichkeit möglich, die zu einer einschich- tigen oder vielschichtigen Bewicklung durch ein Band führen.
Die Darstellung FIG 3 zeigt die Leitfähigkeit 18 auf der Y- Achse und die Konzentration von elektrisch leitenden Materialien auf der X-Achse 20. Als elektrisch leitfähiges Material sind beispielsweise Kohlenstoff bzw. Siliziumkarbid anwendbar. Die Kurve 22 zeigt einen steilen Anstieg 24, innerhalb eines nur kleinen Konzentrationsänderungsbandes 26. Dies • zeigt die Problematik der Einstellung der Konzentration leitfähiger Materialen gemäß des bisherigen Standes der Technik durch Tränkung eines Trägermaterials. Durch Abtropfen bzw.
Verdunstung kann sich leicht eine Verschiebung der Konzentration ergeben, die zu einer hohen Änderung der Leitfähigkeit führt. Eine weitere Problematik besteht in dem vorliegenden Fall darin, dass auch durch die Schädigung des Glimmschutzes durch bei Teilentladung entstehenden Ozons, eine starke Änderung der Leitfähigkeit sich vollziehen kann. Durch die Verwendung anorganischer Materials sowohl für das Trägermaterial als auch für die Beschichtung und das Abrufen von elektrischer Leitfähigkeit durch elektrisch leitfähiges Material in- nerhalb der Beschichtung wird in der vorliegenden Erfindung die vorangehende Problemstellung gelöst.
Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt zwei Gewebe 40, 41. Das Gewebe 40 ist eine Leinwandbindung. Das Gewebe 41 ist eine Kör- perbindung. Beide Gewebearten sind als Beispiel sowohl für ein Gewebe, welches als Trägermaterial für eine Beschichtung dient zu verstehen, als auch als Beispiel für ein Gewebe, dessen Fäden beschichtet sind.
Die Fasern bestehen aus mit elektrisch leitfähigem Material dotiertem Glas. Aus diesem Glasfasern ist ein Gewebe herstellbar. Daraus ergibt sich z.B. eine Leinwandbildung mit Kett- bzw. Schussfäden. Abhängig von der gewählten Gewebeart können die Stabilität bzw. die Flexibilität verschieden eingestellt werden. Prinzipiell ist es vorteilhaft, dass Gewebe so dünn als möglich ausführen zu können. Die Gewebestruktur ist darüber hinaus von besonderer Bedeutung, da durch diese die Feldglättung beeinflussbar sein kann.
Elektrisch leitfähige anorganische Materialien sind bei- spielsweise Metalle unterschiedlicher Oxydationsstufen. Da der Außenglimmschutz im Vergleich zum Endenglimmschutz in der Regel eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist, kann durch eine höhere Konzentration von Metallen unterschiedlicher Oxydationsstufen innerhalb des Glimmschutzes der En- denglimmschutz zum Außenglimmschutz geändert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Glimmschutz für eine elektrische Maschine wobei der Glimmschutz ein Gewebe aus Fäden und/oder ein Flies aus Fasern aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fäden bzw. die Fasern ein elektrisch leitfähiges anorganisches Material aufweisen.
2. Glimmschutz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fasern und/oder Fäden aus Glas sind, welches das elektrisch leitfähige anorganische Material aufweist.
3. Glimmschutz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das e- lektrisch leitfähige anorganische Material zumindest ein Ü- bergangsmetalloxid ist.
4. Glimmschutz nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das e- lektrisch leitfähige anorganische Material ein Eisenoxid ist.
5. Glimmschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das e- lektrisch leitfähige anorganische Material ein Kupferoxid ist.
6. Glimmschutz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das e- lektrisch leitfähige anorganische Material Silicium-Carbid ist.
7. Glimmschutz nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das e- lektrisch leitfähige anorganische Material elektrisch leitfähige Keramik ist.
8. Glimmschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fasern bzw. die Fäden eine Kombination aus zumindest zwei e- lektrisch leitfähigen anorganischen Materialien aufweisen.
9. Glimmschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Glimmschutz nur aus anorganischem Material ausbildbar ist.
10.Verwendung des Glimmschutzes nach einem der vorgenannten Ansprüche als Außenglimmschutz.
11. Verwendung des Glimmschutzes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Endglimmschutz.
12. Verwendung des Glimmschutzes nach einem der vorgenannten Ansprüche bei einer elektrischen Hochspannungsmaschine.
13. Verfahren zur Herstellung eines Glimmschutzes nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem eine Glasschmelze mit e- lektrisch leitendem anorganischem Material versetzt wird und aus der Glasschmelze Fasern bzw. Fäden gewonnen werden.
14. Elektrische Maschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese einen Glimmschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
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