WO2012076102A2 - Isolationssystem für einen leiter einer hochspannungsmaschine - Google Patents

Isolationssystem für einen leiter einer hochspannungsmaschine Download PDF

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WO2012076102A2
WO2012076102A2 PCT/EP2011/005688 EP2011005688W WO2012076102A2 WO 2012076102 A2 WO2012076102 A2 WO 2012076102A2 EP 2011005688 W EP2011005688 W EP 2011005688W WO 2012076102 A2 WO2012076102 A2 WO 2012076102A2
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resin
insulation system
nanoparticles
mica
insulation
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PCT/EP2011/005688
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WO2012076102A3 (de
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Thomas Hildinger
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Voith Patent Gmbh
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/40—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes epoxy resins
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges

Definitions

  • the invention relates to an insulation system for a conductor of a
  • High-voltage machine according to the type defined in more detail in the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to the use of such an insulation system.
  • Three-phase generators in power plants such as hydropower plants, or motor / generators, for example in pumped storage power plants, typically have their windings in the form of so-called bars.
  • VPI Vauum Pressure Impregnation
  • the conductor is wrapped with the mica tape, after which the structure of rod and wound mica tape, for example, in a closable pan with a resin, such as an epoxy resin is soaked. If the bath of the epoxy resin is put under a certain pressure for this, a better impregnation of the epoxy resin
  • the wound material can be ensured with the epoxy resin.
  • an accelerator for curing the synthetic resin is applied to the mica tape itself, so that the synthetic resin begins to cure, after it has come in contact with the mica tape.
  • the second variant already uses a prefabricated mixture of resin and
  • the advantage of the first variant described is that comparatively little accelerator reaches the area of the unused resin, so that the processing of the resin without additional solvent over a longer production period is easier.
  • the other variant has the disadvantage that the viscosity of the synthetic resin must be correspondingly reduced by the continuous addition of fresh solvent, so that a relatively high solvent consumption occurs.
  • Require magnitude of 4 to 5 bar and that otherwise the curing of the epoxy resin can be carried out in a drying oven at ambient pressure.
  • the object of the present invention is now to provide a structure which further develops the existing insulation system so that its life is increased accordingly, without the need for a completely newly developed insulation system must be used and the above-mentioned disadvantages are avoided.
  • Nanoparticles are provided, even in the conventional system brings a decisive advantage.
  • the previously used resin is filled by a resin filled with nanoparticles or is loaded, replaced, it results despite the continued
  • the solution according to the invention further enables a reliable process
  • the insulation system according to the invention thus makes it possible in the previous design and with the previous geometric dimensions to achieve a much better insulation effect and a much longer life. In turn, this also allows a corresponding thinner insulation, if the life compared to previous systems should not be increased by a multiple, but only by a certain proportion. As already described in the aforementioned prior art, such a thinner insulation has the advantage that heat from the region of the electrical conductor better can be derived, which is also a decisive advantage in the resulting waste heat in such a machine.
  • a portion or the entire amount of the required nanoparticles for example 5 wt .-% or ideally 20 to 30 wt .-%, based on the amount of the liquid resin in the insulation system releasably applied to the tape. Since it has been found that a filling of the resin with nanoparticles in the order of 20 to 30 wt .-% based on the liquid resin to improve the insulating effect is ideal, so the entire amount can be introduced through the tape, so that the resin can continue to be processed in the usual way. Similar to the tape-applied accelerator, only a small amount of the nanoparticles, after soaking, of the tape-wrapped rod, are returned to the resin reservoir, thereby minimizing this
  • Nanoparticles is provided. This structure allows an ideal
  • the resin itself must be loaded only with a smaller proportion of nanoparticles, as if the nanoparticles are introduced exclusively via the resin.
  • Another 5 to 10 wt .-% can then be releasably applied to the tape. They are then only when soaking the tape with the resin dissolved from this and get so in the relevant places in the resin. Since the amount of nanoparticles in the resin can ideally be kept below 20% by weight, its processing is still comparatively simple and efficient. Nevertheless, the additional nanoparticles, which are applied detachably on the strip, Process into the resin, an ideal insulation with up to 30% nanoparticles, based on the liquid weight of the resin.
  • nanoparticles which by definition have an average size of less than 100 nm, are for the inventive
  • Isolation system in particular smaller nanoparticles with an average size of less than 70 nm, preferably, in the order of 20 to 50 nm, ideal.
  • different nanoparticles can be used, in particular non-conductive nanoparticles which are based on oxides, for example metal oxides or preferably semi-metal oxides, such as
  • Silica are produced.
  • the nanoparticles may also be provided with organic coatings to improve uniformity and adhesion in the resins.
  • the insulation system according to the invention is in particular for
  • High voltage machines for example in the form of generators or
  • a particularly preferred use of the insulation system according to the invention lies in the isolation of rods in the stator or stator windings of electrical
  • Figure 1 is a schematic representation of an alternator in one
  • Figure 2 shows a basic cross section through an electrical conductor of a high voltage machine with the invention
  • FIG. 1 In the illustration of Figure 1 is a highly schematic hydroelectric power plant 1 indicated.
  • the core of this hydroelectric power plant is a turbine 2, which is driven by an amount of water flowing from a headwater 3 via a pipeline, a so-called pressure pipe 4, before this amount of water flows through a diffuser 5 into the region of an underwater 6.
  • the turbine 2 drives via a shaft 7 the rotor 8 of a generator 9.
  • Generator 9 acts together with a stator 10 of the generator 9.
  • electric power is generated by the generator 9, which is to be designed as a variable-speed three-phase generator in the high-voltage range, that is to say with a voltage of more than 6.6 kV.
  • This can be an example of a size of a few 100 MVA as rated power of the generator 9.
  • the electrical insulation system 14 essentially has four different components.
  • the first component is a so-called mica tape 15.
  • This consists of a carrier material, for example a paper, a glass mat or a similar structure.
  • the combination of paper for example paper provided with mica particles, which is mechanically reinforced via a glass mat, is in principle possible and conceivable.
  • This mica is preferably applied with a mean dimension of the individual mica particles in the order of less than 1 mm, preferably in the order of 0.6 mm on the mica tape 15.
  • the mica tape 15 is then wrapped around the rod 11.
  • Winding the mica tape 5 is then impregnated via the VPI process described above with a resin, which is provided in the illustration of Figure 2 by the reference numeral 16.
  • the insulation system 14 is thereby constructed so that a specially modified mica tape 15 is used, which in addition to the fixed with the
  • Support material of the mica tape 15 applied mica a certain amount, for example 5 to 7 wt .-% based on the weight of the liquid resin 16 in the insulation system 14 to nanoparticles. These nanoparticles,
  • silica nanoparticles having an average size of 20 to 70 nm are detachably applied to the mica tape 15.
  • the mica tape 15 is now wound around the rod 11 and may additionally have an accelerator, for example zinc naphthenate in a small amount.
  • an accelerator for example zinc naphthenate in a small amount.
  • This structure of rod 11 and mica tape 15 is then soaked with the resin 16 accordingly.
  • the located on the mica tape 15 Zinc naphthenate, together with the nanoparticles detachably applied to the mica tape 15, enters the resin 16 or is flushed out by the resin 16. Both the zinc naphthenate and the nanoparticles ideally remain in the regions of the resin 16 which lie between the rod 11 and the mica tape 15 or the windings of the mica tape 15.
  • Suitable resins 16 are different resins 16 or mixtures of resins 16 and hardener.
  • polyester resins, modified polyester resins, polyamine resins or the like are conceivable.
  • epoxies are typically used in such structures, typically based on bisphenol A or bisphenol F.
  • the resin itself is already provided with nanoparticles.
  • the processing of the resin provided with the nanoparticles is then somewhat more difficult, the
  • nanoparticles in the interstices can be improved. For example, if the resin has only 15 to 20% by weight of nanoparticles based on the weight of the liquid resin, then the disadvantage in processing is far from as high as when the total desired amount is on the order of 25 to 30 Wt .-% of nanoparticles in the resin 16 would be distributed. Because of that on the mica tape 15 but more Nanoparticles are releasably applied, for example, 5 to 10% based on the weight of the liquid resin 16, by the combination of the above
  • Areas between the rod 11 and the mica tapes 15 has a sufficiently high concentration of nanoparticles. Since these have been introduced in part via the detachable application on the belt 15, improved processability of the resin 16 can be achieved compared to a resin 16 loaded with the full amount of required nanoparticles.
  • the resin 16, which, like the mica, makes up about 30 to 35% by weight of the entire insulation system 14, is now provided with nanoparticles, preferably with silicon dioxide nanoparticles, which have an average size, directly or after dissolution of the nanoparticles from the strip 15 from about 20 to 50 nm.
  • nanoparticles can additionally be treated with an organic compound
  • Nanoparticles and the resin 16 to create are preferably in the range between 20 and 25 wt .-% based on the weight of the liquid resin used 16. The remaining proportion of 35 to 40 wt .-% of the insulation system 14 makes doing the Trögermaterial the mica tape 15 ,
  • Insulation system 14 is correspondingly improved and it can be achieved with the same layer thickness of the insulation, a significant improvement in the insulation effect and to be achieved by the insulation life because the nanoparticles in the resin 16 impede electrical discharges in the resin 16 and thus minimize erosion of the resin , The entire insulation system 14 can thus be used longer before it fails.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem für einen Leiter einer Hochspannungsmaschine, wobei der Leiter mit einem Band aus einem Trägermaterial und darauf appliziertem Glimmer umwickelt ist, und wobei das gewickelte Band mit einem Harz getränkt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Band Nanopartikel aufweist, welche lösbar auf dem Band appliziert sind.

Description

Isolationssystem für einen Leiter einer Hochspannungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem für einen Leiter einer
Hochspannungsmaschine nach der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Isolationssystems.
Leiter in elektrischen Hochspannungsmaschinen, typischerweise großen
Drehstromgeneratoren in Kraftwerken, beispielsweise Wasserkraftwerken, oder Motor/Generatoren, beispielsweise in Pumpspeicherkraftwerken, weisen ihre Wicklungen typischerweise in Form von sogenannten Stäben auf. Die Isolation dieser Stäbe gegenüber dem sie umgebenden Material, welches typischerweise in Form von Blechpaketen ausgebildet ist, ist für die Funktionalität einer derartigen elektrischen Hochspannungsmaschine von entscheidender Bedeutung.
Aus dem Stand der Technik ist es seit langem bekannt, dass zur Isolation Glimmer eingesetzt wird. Dieser Glimmer wird im Allgemeinen auf einem Trägermaterial, beispielsweise einem Glas, Vlies oder ähnlichem in Form von Plättchen oder Pulver appliziert. Dieses sogenannte Glimmerband wird dann um die Stäbe gewickelt und mit einem Harz oder Kunstharz getränkt. Typischerweise haben sich gemäß dem allgemeinen Stand der Technik hier zwei unterschiedliche Varianten des
wichtigsten Herstellungsverfahrens durchgesetzt. Dieses wird als VPI (Vacuum Pressure Impregnation) bezeichnet. Dabei wird der Leiter mit dem Glimmerband umwickelt, wonach der Aufbau aus Stab und aufgewickeltem Glimmerband beispielweise in einer verschließbaren Wanne mit einem Kunstharz, beispielsweise einem Epoxidharz getränkt wird. Wird das Bad aus dem Epoxidharz dafür unter einen gewissen Druck gesetzt, so kann eine bessere Durchtränkung des
gewickelten Materials mit dem Epoxidharz sichergestellt werden. In der ersten üblichen Variante ist dabei ein Beschleuniger zum Aushärten des Kunstharzes auf dem Glimmerband selbst appliziert, sodass das Kunstharz anfängt auszuhärten, nachdem dieses mit dem Glimmerband in Berührung gekommen ist. Die zweite Variante verwendet bereits eine vorgefertigte Mischung aus Harz und
Beschleuniger für das Aushärten, welche dann jedoch mit einem Lösungsmittel immer wieder nachverdünnt werden muss, um die benötigte geringe Viskosität bei der Imprägnierung der auf den Stab gewickelten Glimmerbänder zu ermöglichen. Da typischerweise eine große Menge an Harz bevorratet wird und nur ein kleiner Teil dieses Harzes in den Bereich des Glimmerbands eindringt, wird das in dem Bad, in welchem der Stab mit dem Glimmerband getränkt wird, verbleibende Harz typischerweise wieder in einen Vorratsbehälter zurückgefördert und zur
Herstellung des nächsten Stabes beziehungsweise seines Isolationssystems verwendet.
Der Vorteil der ersten beschriebenen Variante liegt darin, dass vergleichsweise wenig Beschleuniger in den Bereich des nicht verwendeten Harzes gelangt, sodass die Verarbeitung des Harzes ohne zusätzliches Lösungsmittel über einen längeren Produktionszeitraum hinweg einfacher ist. Die andere Variante weist den Nachteil auf, dass über die fortwährende Zugabe von frischem Lösungsmittel die Viskosität des Kunstharzes entsprechend reduziert werden muss, sodass ein relativ hoher Lösungsmittelverbrauch auftritt.
Beide Varianten haben dabei den Vorteil, dass sie lediglich zur Verbesserung des Durchtränkens des Glimmerbands einen geringfügigen Überdruck in der
Größenordnung von 4 bis 5 bar benötigen und dass ansonsten die Aushärtung des Epoxidharz in einem Trocknungsofen bei Umgebungsdruck erfolgen kann.
Problematisch bei derartigen Isolationssystemen gemäß dem Stand der Technik ist es nun, dass sich zwischen den Glimmerbändern immer Kontaktbereiche und Luftspalten ausbilden, welche die Isolation in ihrer Wirkung verschlechtern, da sich hier entsprechende Wege für das Durchschlagen elektrischer Entladungen ausbilden können. Ziel der oben beschriebenen Imprägnierung des aufgewickelten Glimmerbands mit einem Kunstharz ist es nun, diese Wege weitgehend zu eliminieren. Dies gelingt jedoch nur zu einem gewissen Grad, da in dem zwischen die Wicklungen des Glimmerbands eindringenden Harz immer gewisse
Verunreinigungen und Lufteinschlüsse verbleiben, welche mit herkömmlichen Produktionsmaßnahmen auch nicht gänzlich zu verhindern sind. Im Bereich derartiger Lufteinschlüsse bilden sich dann wiederum Entladungen, welche Im Laufe der Zeit das Kunstharz erodieren und so letzen Endes zu einem Versagen des Isolationssystems führen können. Die Anzahl der Entladungen wird gegenüber einem Aufbau ohne Harz dabei weitaus geringer sein, sodass die Isolation eine deutlich größere Lebensdauer aufweist, als wenn sie ohne Harz hergestellt worden ist. Sie ist jedoch nicht dauerfest.
Aus der US-Patentanmeldung 2005/0277721 AI ist es nun bekannt, das allgemein übliche oben beschriebene System mit dem Glimmerband durch den Auftrag eines mit speziellen Additiven versehenen Epoxidharzes zu verbessern und so auf die aufwändige Herstellung eines Isolationssystems aus Glimmerband und Harz verzichten zu können. Die Anmeldung beschreibt dafür ein Harz, welches einen gewissen Anteil an IManopartikeln aufweist, welche die Isolationswirkung des Harzes verbessern sollen.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2006-057017 A ist ein hierfür geeignetes Epoxidharz bekannt, welches mehr als zwei Epoxi-Gruppen aufweist und welches mit anorganischen IManopartikeln versehen ist. Die beiden beschriebenen Schriften zum Stand der Technik gehen dabei den Weg, das bisherige seit vielen Jahrzehnten genutzte System mit dem Glimmerband, welches mit einem Harz getränkt wird, durch einen Aufbau zu ersetzen, welcher auf das Glimmerband verzichten kann. Dieser Weg ist in der Entwicklung sehr aufwändig, sodass es insbesondere bei sehr großen Hochspannungsmaschinen so nicht ohne Weiteres praktikabel ist, da insbesondere auch die Kunden derartiger sehr großer Hochspannungsmaschinen, welche beispielsweise als Generatoren in sehr großen Wasserkraftwerken über viele Jahrzehnte eingesetzt werden sollen, typischerweise nicht bereit sind, das Risiko einer derartigen Neuentwicklung in einem ihrer Generatoren zu tragen. Zuverlässige Tests sind jedoch bei kleineren Aufbauten nicht ohne Weiteres auf die Größe der elektrischen
Hochspannungsmaschinen in großen Wasserkraftwerken zu übertragen.
Eine weitere Problematik der Nanopartikel besteht darin, dass diese aufgrund ihrer sehr großen Oberfläche in dem Harz, wobei mit diesem Ausdruck„Harz"
typischerweise ein Gemisch aus Harz und Härter bezeichnet wird, eine .
vergleichbare Wirkung haben, wie ein Beschleuniger zum Aushärten des Harzes. Das Harz wird also immer viskoser und startet seinen Aushärteprozess immer schneller, je mehr Nanopartikel in dem Harz vorhanden sind. Dies macht die Verarbeitung von Harzen mit sehr hohen Anteilen an Nanopartikeln extrem schwierig und aufwändig.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin einen Aufbau zu schaffen, welcher das bisherige Isolationssystem dahingehend weiterentwickelt, dass dessen Lebensdauer entsprechend erhöht wird, ohne dass hierfür ein komplett neu entwickeltes Isolationssystem eingesetzt werden muss und die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Dem Erfinder hat sich gezeigt, dass der Einsatz von Harzen, welche mit
Nanopartikeln versehen sind, auch bei dem herkömmlichen System einen entscheidenden Vorteil bringt. Werden beim herkömmlichen System das bisher verwendete Harz durch ein Harz, welches mit Nanopartikeln gefüllt beziehungsweise beladen ist, ersetzt, so ergibt sich trotz der weiterhin
unvermeidbaren Lufteinschlüsse in dem Harz eine massive Blockade eventueller elektrischer Entladungen in dem Harz, da die in dem Harz integrierten
Nanopartikel eine entsprechende Isolationswirkung aufweisen und ein
Weitererodieren der elektrischen Ladungen durch das Material hindurch verhindern oder verlangsamen können. Dabei wird zusätzlich als Hauptisolierung der bisherige Aufbau aus Trägermaterial und darauf appliziertem Glimmer aufrechterhalten, sodass der erfindungsgemäße Aufbau weiterhin mit dem eingangs genannten Verfahren der VPI, in beiden Varianten, realisiert werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht weiterhin eine prozesssichere
Verarbeitung im herkömmlichen VPI-Prozess, da der Anteil an Nanopartikeln in dem Harz während des Imprägnierens des Glimmerbandes entweder sehr klein gewählt werden kann oder das insbesondere ein Harz ohne Nanopartikel verwendet werden kann. Dadurch, dass die Nanopartikel erfindungsgemäß lösbar auf dem Band appliziert sind, kommt es erst beim Durchtränken des
aufgewickelten Bandes mit dem Kunstharz zu einem Lösen der Nanopartikel, welche sich dann in dem die Zwischenräume zwischen den Bändern und dem Band und dem elektrischen Leiter füllenden Harz entsprechend verteilen und so dessen Isolationswirkung nachhaltig erhöht.
Das erfindungsgemäße Isolationssystem erlaubt es also in der bisherigen Bauform und mit den bisherigen geometrischen Abmessungen eine sehr viel bessere Isolationswirkung und eine sehr viel größere Lebensdauer zu erzielen. Dies ermöglicht im Gegenzug auch eine entsprechende dünnere Isolation, wenn die Lebensdauer gegenüber bisherigen Systemen nicht um ein Vielfaches, sondern lediglich um einen gewissen Anteil erhöht werden soll. Wie bereits im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben, hat eine solche dünnere Isolation dabei den Vorteil, dass Wärme aus dem Bereich des elektrischen Leiters besser abgeleitet werden kann, was bei den in einer derartigen Maschine entstehenden Abwärmemengen ebenfalls ein entscheidender Vorteil ist.
Besonders bevorzugt kann dabei ein Teil oder die gesamte Menge der benötigten Nanopartikel beispielsweise 5 Gew.-% oder idealerweise 20 bis 30 Gew.-% bezogen auf die Menge des flüssigen Harzes in dem Isolationssystem lösbar auf dem Band appliziert werden. Da sich herausgestellt hat, dass eine Füllung des Harzes mit Nanopartikeln in der Größenordnung von 20 bis 30 Gew.-% bezogen auf das flüssige Harz zur Verbesserung der Isolationswirkung ideal ist, kann also die gesamte Menge über das Band mit eingebracht werden, sodass das Harz weiterhin in der gewohnten Art und Weise verarbeitet werden kann. Ähnlich wie bei auf dem Band appliziertem Beschleuniger gelangt nur eine geringe Menge der Nanopartikel nach dem Tränken, des mit dem Band umwickelten Stabes zurück in den Vorratsbehälter für das Harz, sodass dieses dadurch nur minimal
„verschmutzt" und in seiner Aushärtung beschleunigt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Isolationssystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass zusätzlich das Harz selbst mit
Nanopartikeln versehen ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine ideale
Isolationswirkung, wobei auch hier das Harz selbst nur mit einem geringeren Anteil an Nanopartikeln beladen werden muss, als wenn die Nanopartikel ausschließlich über das Harz eingebracht werden. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass über das Harz 15 bis 20 Gew.-% bezogen auf das flüssige Harz an Nanopartikeln mit eingebracht werden. Weitere 5 bis 10 Gew.-% können dann lösbar auf dem Band appliziert sein. Sie werden dann erst beim Tränken des Bandes mit dem Harz aus diesem gelöst und gelangen so an den relevanten Stellen in das Harz. Dadurch, dass die Menge an Nanopartikeln in dem Harz idealerweise unter 20 Gew.-% gehalten werden kann, ist dessen Verarbeitung nach wie vor vergleichsweise einfach und effizient möglich. Dennoch entsteht über die zusätzlichen lösbar auf dem Band applizierten Nanopartikel, welche beim VPI- Prozess in das Harz wandern, eine ideale Isolierung mit bis zu 30 % Nanopartikeln, bezogen auf das flüssige Gewicht des Harzes.
Neben den üblichen Nanopartikeln, welche definitionsgemäß eine mittlere Größe von weniger als 100 nm aufweisen, sind für das erfindungsgemäße
Isolationssystem insbesondere kleinere Nanopartikel mit einer mittleren Größe von weniger als 70 nm bevorzugt, in der Größenordnung von 20 bis 50 nm, ideal. Dabei können unterschiedliche Nanopartikel zum Einsatz kommen, insbesondere nicht leitende Nanopartikel, welche auf der Basis von Oxiden, beispielsweise Metalloxiden oder vorzugsweise Halbmetalloxiden, wie beispielsweise
Siliciumdioxid,hergestellt sind. Die Nanopartikel können zur Verbesserung der Gleichverteilung und der Haftung in den Harzen außerdem mit organischen Beschichtungen versehen sein.
Das erfindungsgemäße Isolationssystem ist dabei insbesondere für
Hochspannungsmaschinen beispielsweise in Form von Generatoren oder
Motorgeneratoren geeignet. Diese Maschinen weisen eine Nennspannung von typischerweise mehr als 6 kV auf. Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Isolationssystems liegt dabei in der Isolation von Stäben in der Stator- beziehungsweise Ständerwicklungen von elektrischen
Hochspannungsmaschinen mit einer Nennleistung von mehr beziehungsweise deutlich mehr als 10 MVA. Die bevorzugte Anwendung liegt dabei im Bereich von Generatoren oder Motorgeneratoren in Wasserkraftwerken, da insbesondere bei diesen Anwendungen extrem hohe Leistungen mit extrem hohen Erwartungen an die Lebensdauer des Generators gekoppelt sind, und da insbesondere bei derartigen Systemen auch weiterhin der altbekannte und verlässliche Einsatz der Glimmerbänder weiterhin erfolgen sollte, um eventuelle technische Risiken zu minimieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Isolationssystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel deutlich, welches unter
Bezugnähme auf die Figuren die Erfindung nochmals näher beschreibt.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Drehstromgenerators in einem
Wasserkraftwerk; und
Figur 2 einen prinzipmäßigen Querschnitt durch einen elektrischen Leiter einer Hochspannungsmaschine mit dem erfindungsgemäßen
Isolationssystem. In der Darstellung der Figur 1 ist stark schematisiert ein Wasserkraftwerk 1 angedeutet. Kern dieses Wasserkraftwerks ist eine Turbine 2, welche über eine von einem Oberwasser 3 über eine Rohrleitung, ein sogenanntes Druckrohr 4, anströmende Wassermenge angetrieben wird, bevor diese Wassermenge über einen Diffusor 5 in den Bereich eines Unterwassers 6 abströmt. Die Turbine 2 treibt über eine Welle 7 den Rotor 8 eines Generators 9. Der Rotor 8 des
Generators 9 wirkt dabei mit einem Stator 10 des Generators 9 zusammen. In an sich bekannter Art und Weise wird dabei durch den Generator 9, welcher als drehzahlvariabler Drehstromgenerator im Hochspannungsbereich, also mit einer Spannung von mehr als 6,6 kV ausgebildet sein soll, elektrische Leistung erzeugt. Diese kann beispielhaft in einer Größe von einigen 100 MVA als Nennleistung des Generators 9 liegen.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einem elektrischen Leiter 11 im Bereich des Stators beziehungsweise Ständers 10 des Generators 9 zu erkennen. Der elektrische Leiter 11 wird typischerweise auch als Stab beziehungsweise Ständerstab bezeichnet. Der Stab 11 weist angedeutete
Kühlkanäle 12 auf, durch welchen er wassergekühlt oder luftgekühlt ist. Er befindet sich in einem Statorblechpaket 13, gegenüber welchem er mit einem Isolationssystem 14 elektrisch isoliert ist. Das elektrische Isolationssystem 14 weist dabei im Wesentlichen vier verschiedene Komponenten auf.
Die erste Komponente ist dabei ein sogenanntes Glimmerband 15. Dieses besteht aus einem Trägermaterial, beispielsweise einem Papier, einem Glasvlies oder einem ähnlichen Aufbau. Auch die Kombination von Papier, beispielsweise mit Glimmerpartikeln versehenem Papier, welches über ein Glasvlies mechanisch verstärkt wird, ist prinzipiell möglich und denkbar. Auf dem Glimmerband 15 ist dabei Glimmer appliziert. Dieser Glimmer wird vorzugsweise mit einer mittleren Abmessung der einzelnen Glimmerpartikel in der Größenordnung von weniger als 1 mm, bevorzugt in der Größenordnung von 0,6 mm auf dem Glimmerband 15 appliziert. Das Glimmerband 15 wird dann um den Stab 11 gewickelt. Die
Wicklung des Glimmerbandes 5 ist dann über den eingangs beschriebenen VPI- Prozess mit einem Harz getränkt, welches in der Darstellung der Figur 2 mit dem Bezugszeichen 16 versehen ist. Das Isolationssystem 14 wird dabei so aufgebaut, dass ein speziell modifiziertes Glimmerband 15 verwendet wird, welches zusätzlich zu dem fest mit dem
Trägermaterial des Glimmerbandes 15 applizierten Glimmer eine gewisse Menge, beispielsweise 5 bis 7 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des flüssigen Harzes 16 im Isolationssystem 14 an Nanopartikeln aufweist. Diese Nanopartikel,
vorzugsweise Siliciumdioxid-Nanopartikel mit einer mittleren Größe von 20 bis 70 nm sind dabei lösbar auf dem Glimmerband 15 appliziert. Das Glimmerband 15 wird nun um den Stab 11 gewickelt und kann zusätzlich einen Beschleuniger, beispielsweise Zinknaphthenat in geringer Menge aufweisen. Über den VPI- Prozess wird dieser Aufbau aus Stab 11 und Glimmerband 15 dann mit dem Harz 16 entsprechend getränkt. Das auf dem Glimmerband 15 befindliche Zinknaphthenat tritt zusammen mit den lösbar auf dem Glimmerband 15 applizierten Nanopartikeln dabei in das Harz 16 ein beziehungsweise wird von dem Harz 16 ausgeschwemmt. Sowohl das Zinknaphthenat als auch die Nanopartikel verbleiben dabei idealerweise in den Bereichen des Harzes 16, welche zwischen dem Stab 11 und dem Glimmerband 15 beziehungsweise den Wicklungen des Glimmerbands 15 liegen. Nur wenig Zinknaphthenat und wenige Nanopartikel gelangen nach außerhalb dieses Aufbaus, sodass das zum Tränken genutzte Harz 16 nur minimal mit dem Beschleuniger und den ebenfalls eine beschleunigende Wirkung auf die Aushärtung des Harzes 16 aufweisenden Nanopartikeln belastet wird. Der Aufbau wird dann nach dem Tränken mit dem Harz 16 in herkömmlicher Art und Weise bei Umgebungsdruck in einem Ofen ausgehärtet.
Alternativ dazu lässt sich selbstverständlich auch ein bereits mit Beschleuniger versehenes Harz 16 verwenden, welches über Lösungsmittel in der gewünschten Viskosität gehalten wird. Als Harze 16 kommen dabei verschiedene Harze 16 beziehungsweise Mischungen aus Harzen 16 und Härter in Betracht. So sind beispielsweise Polyesterharze, modifizierte Polyesterharze, Polyaminharze oder ähnliches denkbar. Bevorzugt werden bei derartigen Aufbauten typischerweise jedoch Epoxidharze eingesetzt, typischerweise auf Basis von Bisphenol A oder Bisphenol F.
In einer alternativen Ausgestaltung kann es dabei auch vorgesehen sein, dass das Harz selbst bereits mit Nanopartikeln versehen ist. Die Verarbeitung des mit den Nanopartikeln versehenen Harzes wird dann zwar etwas schwieriger, die
Verteilung der Nanopartikel in den Zwischenräumen lässt sich jedoch verbessern. Wenn das Harz beispielsweise mit lediglich 15 bis 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des flüssigen Harzes an Nanopartikeln aufweist, dann ist der Nachteil in der Verarbeitung bei weitem nicht so hoch, wie wenn die gesamte gewünschte Menge in der Größenordnung von 25 bis 30 Gew.-% an Nanopartikeln in dem Harz 16 verteilt wäre. Dadurch, dass auf dem Glimmerband 15 jedoch weitere Nanopartikel lösbar appliziert sind, beispielsweise 5 bis 10 % bezogen auf das Gewicht des flüssigen Harzes 16, kann durch die Kombination des oben
beschriebenen Prozesses mit einem mit einer geringen Menge an Nanopartikeln beladenen Harz 16 ein Aufbau erreicht werden, welcher in den relevanten
Bereichen zwischen dem Stab 11 und den Glimmerbändern 15 eine ausreichend hohe Konzentration an Nanopartikeln aufweist. Da diese zum Teil über das lösbare Applizieren auf dem Band 15 eingetragen worden sind, kann eine verbesserte Verarbeitbarkeit des Harzes 16 gegenüber einem mit der vollen Menge an benötigten Nanopartikeln beladenen Harz 16 erreicht werden.
Das Harz 16, welches ähnlich wie der Glimmer ca. 30 bis 35 Gew.-% des gesamten Isolationssystems 14 ausmacht, ist direkt oder nach dem Lösen der Nanopartikel vom Band 15 nun mit Nanopartikeln versehen, vorzugsweise mit Siliciumdioxid-Nanopartikeln, welche eine mittlere Größe von ca. 20 bis 50 nm aufweisen. Diese Nanopartikel können zusätzlich mit einer organischen
Beschichtung versehen sein, um eine bessere Verbindung zwischen den
Nanopartikeln und dem Harz 16 zu schaffen. Der Anteil an Nanopartikeln liegt dabei vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 20 und 25 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des flüssigen eingesetzten Harzes 16. Den restlichen Anteil von 35 bis 40 Gew.-% des Isolationssystems 14 macht dabei das Trögermaterial des Glimmerbandes 15 aus.
Durch die Nanopartikel in dem Harz 16 wird die Isolationswirkung des
Isolationssystems 14 entsprechend verbessert und es kann sich bei gleicher Schichtstärke der Isolation eine deutliche Verbesserung der Isolationswirkung und der von der Isolation zu erzielenden Lebensdauer erreicht werden, da die im Harz 16 befindlichen Nanopartikel elektrische Entladungen in dem Harz 16 behindern und damit ein erodieren des Harzes minimieren. Das gesamte Isolationssystem 14 kann damit länger eingesetzt werden, bevor es versagt.

Claims

Patentansprüche
1. Isolationssystem (14) für einen Leiter (11) einer Hochspannungsmaschine (9), wobei der Leiter (11) mit einem Band (15) aus einem Trägermaterial und darauf appliziertem Glimmer umwickelt ist, und wobei das gewickelte Band (15) mit einem Harz (16) getränkt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Band (15) Nanopartikel aufweist, welche lösbar auf dem Band (15) appliziert sind.
2. Isolationssystem (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Nanopartikel auf dem Band (15) wenigstens 3 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Menge an flüssigem Harz (16) in dem Isolationssystem (14) aufweist.
3. Isolationssystem (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (16) mit Nanopartikeln versehen ist.
4. Isolationssystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel 15 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 25 Gew.-%, des flüssigen Harzes ausmachen.
5. Isolationssystem (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nanopartikel eine mittlere Größe von weniger als 70 nm, vorzugsweise 20 - 50 nm, aufweisen.
6 Isolationssystem (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel als elektrisch nicht leitende
Nanopartikel ausgebildet sind.
7. Isolationssystem (14) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in Form von Oxiden, vorzugsweise Metalloxiden oder besonders bevorzugt Halbmetalloxiden, ausgebildet sind.
8. Isolationssystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Papier- und/oder
Glasfaservlies aufweist.
9. Isolationssystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (16) ein Kunstharz, vorzugsweise ein Epoxidharz ist.
10. Isolationssystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glimmer in Form von Glimmerpartikeln mit einer mittleren Größe von weniger als 1 mm, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 mm ausgebildet ist.
11. Verwendung des Isolationssystems (14) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche für die elektrische Hochspannungsmaschine (9), welche als Generator oder Motor-Generator mit einer Nennleistung von mehr als 10 MVA ausgebildet ist.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das
Isolationssystem (14) zur Isolation der Ständerstäbe (11) eingesetzt ist. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerstäbe (11) Kühlkanäle (12) aufweisen, welche von einem Kühlfluid durchströmt sind. 14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Hochspannungsmaschine (9) mit einem Turbinen- und/oder Pumpenrad (2) einer Wasserkraftanlage (1) gekoppelt ist.
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