WO2016045846A1 - Glimmschutzsystem und elektrische maschine - Google Patents

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Jiri Lang
Steffen Lang
Alexander Litinsky
Guido Schmidt
Christian SCHULZ-DROST
Klaus Schäfer
Christian Staubach
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    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics

Definitions

  • the invention relates to a glow protection system, in particular for an electrical machine, preferably a high voltage ⁇ tion machine, such as a generator for generating electrical energy, an electric motor or other electrical equipment with a higher rated voltage, in particular a transformer or a bushing or a cable.
  • an electrical machine preferably a high voltage ⁇ tion machine, such as a generator for generating electrical energy, an electric motor or other electrical equipment with a higher rated voltage, in particular a transformer or a bushing or a cable.
  • a powerful generator such as a turbogenerator, in particular has a stator (stator) with a (stator) laminated core and a plurality of generator grooves in which the generator winding is located on.
  • the main insulation of this generator winding against the laminated core is an electrically highly stressed system.
  • high voltages occur which must be dissipated in the insulating volume between the conductor bar at high voltage and the plate package lying at ground potential.
  • field ⁇ elevations At the edges of the sheets in the laminated core arise field ⁇ elevations, which in turn cause partial discharges. These partial discharges lead locally to very strong heating when hitting the insulation system.
  • the organic materials of the insulation system including this external corona protection, are successively decomposed into low molecular weight, volatile products, for example into carbon dioxide.
  • AVS external corona protection
  • GAS external corona protection
  • the external corona protection currently consists frequently of soot and graphite containing Ribbons or paints. Due to the system, the interface between external anti- fouling and main insulation can not be produced completely free of pores in such an insulation system. Therefore, with sufficiently high electrical field strengths in the insulation system, a correspondingly high electrical partial discharge activity occurs, which completely burns out the external corona protection during operation over time. This thus leads to premature aging of the insulation and in the worst case to a ground fault of the electrical machine. This frequently means a irrepa ⁇ Rablen complete failure of the machine.
  • the external corona protection must have a certain square resistance, which lies in a certain range. If it is too low, the sheet stacks can be electrically shorted ⁇ sen, which can lead to high induced circulating currents that close over the ends of the laminated core and the Au ⁇ tglimmschutz and lead to high-current arcs. If the resistance is too high, high-voltage spark erosion may occur. Ideally, the resistance in the external corona protection system would be adjustable, so that an anisotropy could be produced which shows increased conductivity in the radial direction, ie from the current-carrying conductor to the laminated core, and an increased resistance, ie low conductivity, in the bar direction.
  • corona protection systems use mica as a material resistant to partial discharges.
  • mica is used in insulating systems as an insulating tape based on fine mica paper with support materials such as in particular films, fabrics, nonwovens and the necessary resins for bonding the paper with the support materials and for the mechanical stabilization of the mica paper ("sealing resin").
  • Critical for the life of the insulation systems and thus the electrical machine is a resistance of the insulation ⁇ system against delamination. In case of delamination defects, which lead to increased partial discharge activity and failure of the insulation system and thus the electric machine.
  • the Glimmschutzsystem invention is a Glimmschutzsystem in particular for an electrical machine, preferably ⁇ as a high-voltage machine, in particular a Genera ⁇ tor for generating electrical energy, an electric motor or other electrical device, advantageously a transformer or a duct or a cable.
  • the corona protection system according to the invention comprises a filler in a polymeric matrix, wherein the filler comprises particles which are formed with mica and which, surrounding the mica, have a layer formed with at least one ceramic metal oxide.
  • Corona protection system as a result of the ceramic metal oxide ge ⁇ formed layer is significantly reduced.
  • the coating ensures a stable mechanical bond of the individual layers of mica in the particle and thus effectively prevents ei ⁇ ne cleavage of these caused by the crystal planes mica layers.
  • the particles have dimensions of, at least in the (in particular arithmetic) means, at most one millimeter, and preferably of, at least in the (in particular arithmetic) means, at most 100 micrometers.
  • the Glimmschutzsystems layer surrounding the mica a Par ⁇ tikels fully, in particular on all sides. This further ⁇ development of the invention allows a particularly reliable avoidance of defects.
  • the aforementioned ceramic metal oxides are electrically non-conductive and allow suitable mechanical stabilization.
  • the corona protection system forms a corona protection paper.
  • the preparation of mica paper with mica particles is known per se and can in the same way also inventively provided mica particles having the at least one metal oxide ceramic gebil ⁇ finished layer, be used.
  • the invention Glimmschutzsys ⁇ system which also a carrier material with which the glow ⁇ protective paper is bonded.
  • the Horma ⁇ TERIAL comprises a film and / or a fabric and / or nonwoven fabric.
  • this forms at least one corona protection ⁇ tape.
  • the mica paper is treated as before beschrie ⁇ ben with organic fibers, preferably aramid, and / or PET (polyethylene terephthalate), and preferably verfes ⁇ Untitled. In this way, the mica tape is realized strapless ⁇ light.
  • the corona protection system according to the invention forms at least part of a facedglimmtikes and / or at least ⁇ part of a Endenglimmtikes.
  • the electric machine according to the invention is in particular a high voltage machine and has a corona protection system as described above.
  • the electric machine according to the invention is a generator for generating electric energy, an electric motor or other electrical equipment with a higher rated clamping voltage ⁇ , particularly a transformer or a duct or a cable.

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Abstract

Das Glimmschutzsystem ist insbesondere ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine. Das Glimmschutzsystem umfasst einen Füllstoff in einer polymeren Matrix, wobei der Füllstoff Partikel aufweist, welche mit Glimmer gebildet sind und welche den Glimmer umgeben und eine mit mindestens einem keramischen Metalloxid gebildete Schicht aufweisen. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Hochspannungsmaschine und weist ein solches Glimmschutzsystem auf.

Description

Beschreibung
Glimmschutzsystem und elektrische Maschine Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem, insbesondere für eine elektrische Maschine, vorzugsweise eine Hochspan¬ nungsmaschine, wie einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, einen elektrischen Motor oder ein sonstiges elektrisches Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspan- nung, insbesondere einen Trafo oder eine Durchführung oder ein Kabel.
Es werden immer leistungsstärkere Maschinen, wie beispiels¬ weise Generatoren, entwickelt, da die fortschreitende Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leistungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenerator, weist insbesondere einen Ständer (Stator) mit einem ( Ständer- ) Blechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich die Generatorwicklung befindet, auf.
Die Hauptisolierung dieser Generatorwicklung gegen das Blechpaket ist ein elektrisch hoch beanspruchtes System. Im Betrieb entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem auf Hochspannung befindlichen Leiterstab und dem auf Erdpotential liegenden Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen dabei Feld¬ überhöhungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen. Diese Teilentladungen führen bei Auftreffen auf das Isolationssystem lokal zu sehr starken Erhitzungen. Dabei werden die organischen Materialien des Isoliersystems inklusive dieses Außenglimmschutzes sukzessive in niedermolekulare, volatile Produkte, beispielsweise in Kohlendioxid, zersetzt.
Ein wichtiger Bestandteil des Isolationssystems ist ein soge- nannter Außenglimmschutz (AGS) . Er wird bei größeren Generatoren und Elektromotoren direkt auf die Oberfläche der Gene¬ ratorwicklungsisolation aufgebracht. Der Außenglimmschutz besteht gegenwärtig häufig aus Ruß und Graphit enthaltenden Bändern oder Lacken. Systembedingt kann bei einem solchen Isolationssystem vor allem die Grenzfläche zwischen Außen- glimmschutz und Hauptisolation nicht vollständig porenfrei hergestellt werden. Daher kommt es bei hinreichend hohen elektrischen Feldstärken im Isolationssystem zu einer entsprechend hohen elektrischen Teilentladungsaktivität, die den Außenglimmschutz im Betrieb im Laufe der Zeit komplett verbrennt. Dies führt somit zu einer vorzeitigen Alterung der Isolierung und im schlimmsten Fall zu einem Erdschluss der elektrischen Maschine. Dies bedeutet regelmäßig einen irrepa¬ rablen Komplettausfall der Maschine.
Der Außenglimmschutz muss einen gewissen Quadratwiderstand aufweisen, welcher in einem bestimmten Bereich liegt. Ist er zu gering, so können die Blechpakete elektrisch kurzgeschlos¬ sen werden, was zu hohen induzierten Kreisströmen führen kann, welche sich über die Enden des Blechpaketes und den Au¬ ßenglimmschutz schließen und zu stromstarken Lichtbögen führen. Bei zu hohem Widerstand hingegen kann es zu Hochspannungsfunkenerosion kommen. Idealerweise wäre der Widerstand im Außenglimmschutzsystem einstellbar, so dass eine Anisotropie herstellbar wäre, die erhöhte Leitfähigkeit in radialer Richtung, also vom stromführenden Leiter zum Blechpaket hin, und einen erhöhten Widerstand, also geringe Leitfähigkeit, in Stabrichtung zeigt.
Häufig wird in Glimmschutzsystemen als gegenüber Teilentladungen beständiges Material Glimmer herangezogen. Typischerweise wird Glimmer in Isoliersystemen als Isolierband auf der Basis von Feinglimmerpapier mit Trägermaterialien wie insbesondere Folien, Gewebe, Vliese sowie den notwenigen Harzen zur Verklebung des Papiers mit den Trägermaterialien sowie zur mechanischen Stabilisierung des Glimmerpapiers ("Verschlussharz") eingesetzt.
Kritisch für die Lebensdauer der Isoliersysteme und damit der elektrischen Maschine ist eine Beständigkeit des Isolations¬ systems gegen Delaminierung . Bei einer Delaminierung entste- hen Fehlstellen, welche zur erhöhten Teilentladungsaktivität und zu einem Versagen des Isolationssystems und somit der elektrischen Maschine führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein beständiges Glimmschutzsys¬ tem zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine, insbesondere eine Hochspannungsmaschine, zu schaffen, welche insbesondere eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Glimmschutzsystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem ist ein Glimmschutzsystem insbesondere für eine elektrische Maschine, vorzugs¬ weise eine Hochspannungsmaschine, insbesondere einen Genera¬ tor zur Erzeugung von elektrischer Energie, einen elektrischen Motor oder ein sonstiges elektrisches Betriebsmittel, zweckmäßigerweise einen Trafo oder eine Durchführung oder ein Kabel. Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem umfasst einen Füllstoff in einer polymeren Matrix, wobei der Füllstoff Partikel aufweist, welche mit Glimmer gebildet sind und welche den Glimmer umgebend eine mit mindestens einem keramischen Metalloxid gebildete Schicht aufweisen.
Gerade Glimmerpartikel bilden einen mechanischen Schwachpunkt eines solchen Glimmschutzsystems, denn Glimmerpartikel weisen eine leichte Spaltbarkeit auf. Auf diese Weise bilden Glim¬ merpartikel eine typische Ursache für Delaminierungen von Glimmschutzsystemen, welche Fehlstellen verursachen, die zur erhöhten Teilentladungsaktivität und zu einem Versagen der Isolation führen. Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Bestän¬ digkeit des Glimmschutzsystems erreicht, indem die Spaltbar- keit der Glimmerpartikel und somit das Delaminieren des
Glimmschutzsystems infolge der mit keramischem Metalloxid ge¬ bildeten Schicht deutlich herabgesetzt wird. Die Beschichtung gewährleistet einen stabilen mechanischen Verbund der einzelnen Glimmerlagen im Partikel und verhindert somit wirksam ei¬ ne Spaltung an diesen durch die Kristallebenen bedingten Glimmerlagen .
Geeigneterweise weisen die Partikel Abmessungen von, zumindest im (insbesondere arithmetischen) Mittel, höchstens einem Millimeter und vorzugsweise von, zumindest im (insbesondere arithmetischen) Mittel, höchstens 100 Mikrometern auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Glimmschutzsystems umgibt die Schicht den Glimmer eines Par¬ tikels vollumfänglich, insbesondere allseits. Diese Weiter¬ bildung der Erfindung ermöglicht eine besonders zuverlässige Vermeidung von Fehlstellen.
Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem die Schicht mit Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder
Siliziumdioxid (S1O2) und/oder Titandioxid (T1O2) gebildet. Die vorgenannten keramischen Metalloxide sind elektrisch nicht leitfähig und ermöglichen eine geeignete mechanische Stabilisierung .
In einer bevorzugten Weiterbildung bildet das Glimmschutzsystem ein Glimmschutzpapier. Die Herstellung von Glimmerpapier mit Glimmerpartikeln ist an sich bekannt und kann auf gleiche Art auch mit erfindungsgemäß vorgesehenen Glimmerpartikeln, welche die mit mindestens einem keramischen Metalloxid gebil¬ dete Schicht aufweisen, angewandt werden.
Zweckmäßigerweise weist das erfindungsgemäße Glimmschutzsys¬ tem zudem ein Trägermaterial auf, mit welchem das Glimm¬ schutzpapier verklebt ist. Vorzugsweise umfasst das Trägerma¬ terial eine Folie und/oder ein Gewebe und/oder ein Vlies. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Glimmschutzsystems bildet dieses zumindest ein Glimmschutz¬ band. Insbesondere wird das Glimmerpapier wie zuvor beschrie¬ ben mit organischen Fasern, vorzugsweise Aramid und/oder PET (Polyethylenterephthalat ) versetzt und vorzugsweise verfes¬ tigt. Auf diese Weise ist das Glimmerband trägerlos verwirk¬ licht .
Geeigneterweise bildet das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem zumindest einen Teil eines Außenglimmschutzes und/oder zumin¬ dest einen Teil eines Endenglimmschutzes .
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere eine Hochspannungsmaschine und weist ein Glimmschutzsystem wie zuvor beschrieben auf. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, ein elektrischer Motor oder ein sonstiges elektrisches Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspan¬ nung, insbesondere ein Trafo oder eine Durchführung oder ein Kabel .

Claims

Patentansprüche
1. Glimmschutzsystem, insbesondere für eine elektrische Ma¬ schine, umfassend einen Füllstoff in einer polymeren Matrix, wobei der Füllstoff Partikel aufweist, welche mit Glimmer ge¬ bildet sind und welche den Glimmer umgebend eine mit mindes¬ tens einem keramischen Metalloxid gebildete Schicht aufwei¬ sen .
2. Glimmschutzsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Schicht den Glimmer vollumfänglich, insbesondere allseits, umgibt.
3. Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Schicht mit Aluminiumoxid AI2O3 und/oder
Siliziumdioxid S1O2 und/oder Titandioxid T1O2 gebildet ist.
4. Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest ein Glimmschutzpapier bildet oder aufweist.
5. Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest ein Glimmschutzband bildet oder aufweist.
6. Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest einen Teil eines Außenglimmschutzes
und/oder zumindest einen Teil eines Endenglimmschutzes bildet oder aufweist.
7. Elektrische Maschine, insbesondere Hochspannungsmaschine, welche ein Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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