具有改進的抗局部放電性的絕緣體系及其製備方法
2023-05-01 23:34:16
具有改進的抗局部放電性的絕緣體系及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及電導體抗局部放電的絕緣領域，特別是涉及一種用於製備具有改進的抗局部放電性的絕緣體系的方法和一種具有改進的抗局部放電性的絕緣體系。本發明首次表明，在加入納米顆粒填料時，在樹脂中存在的增粘劑如有機矽化合物的令人意外的阻侵蝕效應。通過在加入納米顆粒填料之前將增粘劑加入樹脂中可達到引令人意外的有益結果。其中論述了，是否如圖2-4所說明的有益結果要歸因於通過以有機矽烷的顆粒交聯所產生的該納米顆粒的一類顆粒交聯。總之，可令人印象深刻地表明，在加入納米顆粒填料之前將增粘劑混入樹脂中可帶來很大的優越性。
【專利說明】具有改進的抗局部放電性的絕緣體系及其製備方法
[0001]本發明涉及電導體抗局部放電的絕緣領域，特別是涉及一種用於製備具有改進的抗局部放電性的絕緣體系的方法和一種具有改進的抗局部放電性的絕緣體系。
[0002]在旋轉式電氣機器如電動機或發電機中，絕緣體系的可靠性對其運行安全性具有決定性作用。該絕緣體系的目的是使電導體(金屬線、線圈、棒件)長期相互地和對定子鐵心或周圍呈電絕緣。在高電壓絕緣中，區分為各繞組線段之間的絕緣(繞組線段絕緣)、導體或繞組之間的絕緣(導體絕緣或繞組絕緣)和在溝槽和繞組端區中導體和外殼電位之間的絕緣(主絕緣)。該主絕緣的厚度不僅要與該機器的標稱電壓還要與運行條件和加工條件相適配。用於產生能量的未來裝置的競爭能力、其配置和利用決定性地取決於用於絕緣的材料和工藝。
[0003]在這類電負荷絕緣體中的基本問題在於所謂的局部放電誘發的侵蝕並產生所謂的「樹枝狀」-通道，後者導致絕緣體的電擊穿。
[0004]在高電壓機器和中等電壓機器中，現今使用所謂的層狀浸潰式雲母絕緣。由絕緣的繞組線段製備的成型線圈和導體用雲母帶纏繞，並優選以真空-壓力-浸潰工藝(VPI工藝)用合成樹脂浸潰。該浸潰樹脂和雲母的載帶的組合提供了該電絕緣的現今的機械強度以及所需的抗局部放電性。
[0005]相應於電技術工業的需求，將雲母紙轉換成更穩定的雲母帶。這通過用粘合劑將雲母紙與具有高機械強度的載體材料相粘結來實現。該粘合劑的特徵優選是，其在室溫下具有高強度，以可靠地將雲母與載體相粘結，並在高溫(60-150°C)轉變成液態。其可在高溫下以液態或以與易揮發溶劑相混合用作粘合劑。但經冷卻或排除溶劑後，該粘合劑以固體形式但仍為柔性狀地存在，並且在室溫下例如可用該雲母帶纏繞由繞組線段和成型線圈組成的勒貝兒杆，該粘合劑的粘結特性防止該雲母紙從載體材料上脫層。如此形成的雲母帶可呈多層纏繞電導體。
[0006]在高電壓電動機和中等電壓電動機和高電壓發電機和中等電壓發電機中使用層狀雲母絕緣。由絕緣的繞組線段製備的成型線圈用雲母帶纏繞，並首先以真空-壓力浸潰工藝(VPI=vacuum pressure impregnation)用合成樹脂浸潰。在此雲母以雲母紙的形式使用，在浸潰過程中，雲母紙中各顆粒之間存在的空腔由樹脂充填。浸潰樹脂和該雲母的載體材料相組合提供了該絕緣的機械強度。該電穩定性由該所用雲母的大量固-固-界面產生。由有機材料和無機材料如此形成的層構成微觀界面，其抗局部放電和熱應力的穩定性由該雲母小片的特性決定。在該絕緣中的最小空腔也必需通過複雜的VP1-工藝用樹脂填充，以使內部的氣-固-界面的數目達最少。
[0007]為進一步改進該穩定性，曾描述使用納米顆粒填料。
[0008]浸潰樹脂和雲母載帶的組合提供了該電絕緣的現今機械強度以及所需的抗局部放電性。
[0009]除VPI工藝外，還有富樹脂工藝以用於製備和浸潰雲母帶(即該絕緣帶)並再接著是該絕緣體系。
[0010]該兩工藝的主要區別在於該線圈的原來的絕緣體系的結構和製備。該VPI體系在該繞組浸潰和硬化後才在循環空氣爐中製成，而富樹脂線圈的分別在溫度和壓力下硬化的軸頸在嵌入定子之前已形成功能性的和可檢驗的絕緣體系。
[0011]該VP1-工藝使用多孔的帶，該帶在真空和接著浸入過壓的浸潰容器下經硬化後在循環空氣爐中形成牢固的和連續的絕緣體系。
[0012]與此相反，富樹脂線圈的製備是更複雜，因為每根線圈軸頸或繞組杆需單個地在特定的烘焙壓制下製備，這特別導致單個線圈的成本的提高。在此，使用以所謂B-狀態存在的用聚合物絕緣材料所浸潰的雲母帶。這意指該聚合物，大多為芳族環氧樹脂(BADGE，BFDGE,環氧化的線型酚醛樹脂，環氧化的甲酚線型酚醛樹脂和作為硬化劑的酐或胺)經局部交聯，並由此呈無粘性狀態，但在再次加熱時又可重新熔化和最後硬化，以由此達最終形狀。因為該樹脂以過量引入，在最後壓制時會流入所有的空腔和空穴中，以達到相應的絕緣質量。過量的樹脂通過擠壓過程由貯槽擠入。
[0013]由文獻己知，在聚合物絕緣物質中使用納米顆粒填料可明顯改進關係到電工作壽命的絕緣。
[0014]已知體系，特別是基於環氧樹脂的體系的缺點在於，該聚合物基質在局部放電應力下發生快速分解，這裡稱為侵蝕。通過充填有耐侵蝕的納米顆粒(氧化鋁、二氧化矽)的聚合物基質，會產生由該聚合物的溶解(即所謂的聚合物降解)而引起的該納米顆粒的顯露。
[0015]本發明的目的在於可提供一種具有改進的抗局部放電性的絕緣體系。
[0016]按本發明的一個方面，提供一種用於製備具有改進的抗局部放電性的絕緣體系的方法，該方法包括下列步驟:
-提供一種包括雲母紙和載體材料的絕緣帶，藉助於粘合劑將其相互粘合，
-用該絕緣帶卷繞電導體，
-用合成樹脂浸潰卷繞該導體的絕緣帶，其特徵在於，在加入納米顆粒填料前將增粘劑加到合成樹脂體系中。
[0017]按本發明的另一方案，提供一種具有改進的抗局部放電性的絕緣體系，其具 有卷繞電導體的絕緣帶，該絕緣帶包括與載體材料相粘合的雲母帶，其中該絕緣帶用
樹脂浸潰，其特徵在於，該經浸潰的絕緣帶摻入有納米顆粒填料，該納米顆粒填料至少部分經增粘劑而附聚。
[0018]已知的是，與聚合物絕緣物質相反，在局部放電作用下，無機顆粒不受或僅在非常有限的程度上受到損害或破壞。該無機顆粒的有效阻蝕作用特別是與該顆粒直徑和由此產生的顆粒表面有關。在此表明，該顆粒的比表面越大，該顆粒上的阻蝕作用也越大。無機納米顆粒具有非常大的比表面即50 g/m2或更大。
[0019]通常，基於環氧樹脂的無充填的或基於雲母的絕緣物質在局部放電應力下會發生該聚合物基質的快速分解。通過充填有耐侵蝕的納米顆粒填料(氧化鋁、二氧化矽)的聚合物基質，由聚合物降解導致該納米顆粒填料的顯露。
[0020]但隨不斷增長的侵蝕時間，在該檢驗體表面上逐漸形成由顯露的納米顆粒填料組成的牢固粘附的平面層。由此，通過受侵蝕的聚合物引起的該納米顆粒填料的顆粒交聯而形成表面的鈍化，並且有效保護在鈍化層下面的聚合物免受在局部放電應力下的進一步侵蝕。[0021]令人意外地發現，通過在浸潰樹脂和/或富樹脂樹脂中使用增粘劑，特別是矽烷，可達到抑制侵蝕的作用。
[0022]增粘劑大多為有機矽化合物，該化合物藉助於縮合反應呈化學結合在填料或納米顆粒的表面上。通過增粘劑產生該顆粒在聚合物基質上的改進的結合，由此產生改進的耐侵蝕性。這直接與填料表面有關，因此在具有小直徑的顆粒上使用增粘劑可特別好地改進耐侵蝕性。這類塗層相應於Tanaka教授的多芯模型的第一層(Tanaka等人，Dependenceof PD Erosion Depth on the Size of Silica Fillers; Takahiro Imai*, Fumio Sawa,Tamon Ozaki, Tashio Shimizu, Ryouichi Kido, Masahiro Kozako and ToshikatsuTanaka; Evaluation of Insulation Properties of Epoxy Resin with Nano-scaleSilica Particles Toshiba Research Cooperation)。
[0023]可指出的是，通過將增粘劑如矽烷混入浸潰樹脂或富樹脂樹脂中，從而可以以與納米顆粒協同的方式使用有機矽烷。
[0024]本發明的一個特別有利方案在於，協同利用在TE-應力下的所述鈍化層模型和改進通過在基於雲母的高電壓絕緣體系中使用有機矽烷的阻蝕作用。這可以通過積極影響該加入的有機矽烷對在TE-應力下產生的鈍化層的形成和作用方式而實現。該提高的抗侵蝕性可通過由於使用有機矽烷而催化的顆粒的自行燒結和形成準陶瓷層來闡明。在此有機矽烷的使用不限於用於塗敷納米顆粒，而如這裡初次所述的，也可通過作為組分直接加到反應性樹脂配料中來實現。
[0025]下面通過在樹脂配料中使用有機矽烷來闡述有利地改進抗侵蝕性的可能的基本
原理:
有機矽烷在TE-應力下經活化，並例如藉助於縮合反應經所形成的矽氧烷鏈導致該納米顆粒的交聯。
[0026]POSS (polyhedral oligometric silsesquioxanes多面體低聚倍半娃氧燒)是納米顆粒有機矽烷的最小單元，並在TE-能量的作用下可使納米顆粒交聯。
[0027]有機矽烷(單官能或多官能的)可用其反應基團通過與納米顆粒表面上的反應基團的化學反應使納米顆粒交聯。
[0028]按本發明，特別有利的實施方案具有由下列組分構成的反應性樹脂配料:
該樹脂基質例如由環氧樹脂和/或聚氨酯樹脂組成。
[0029]該硬化劑包含例如酐、芳族胺和/或脂族胺作為官能基團。
[0030]該納米顆粒填料基於SiO2或Al2O3,其粒度為2.5-70 nm,特別是5-50 nm,其濃度為5-70重量％，特別是10-50重量％。可含其它填料、添加劑、顏料。
[0031]作為增粘劑優選使用有機矽化合物，如有機矽烷和/或P0SS。其在合成樹脂中的濃度優選為0.1-45重量％，特別是1-25重量％。
[0032]使用如有機矽化合物的增粘劑作為樹脂配料的成分並與所述各組分相組合提供了下列優點，即與在加入到反應樹脂前使用矽烷作為顆粒的增粘劑的情況相比，可以以更高濃度使用增粘劑如矽烷作為反應性樹脂的成分。此外，通過使用有機矽烷作為樹脂配料的成分可使用明顯更多的矽烷，因為如果該有機矽烷不必以塗層固定在該顆粒的表面上，則放大了可使用的有機矽烷的帶寬。
[0033]通過所述的優點，該可使用的有機矽烷的範圍是非常寬的。通常使用含有一個或多個具有足夠反應性的官能基團的矽烷，以可與該顆粒表面發生反應。該所用的矽烷可含1-4個官能基團。
[0034]圖1以雙官能的有機矽烷為例示意性示出原位顆粒交聯的一般機理。原則上矽烷可具有1-4個反應性官能基團，以對耐侵蝕施加有利的影響。這些官能基團具有可與顆粒表面起反應的特性，由此得到寬帶寬的有機矽烷。
[0035]圖1中所提出的用雙官能的娃燒；R1=輕基、燒氧基、齒素、環氧丙氧基；R2=燒基、環氧丙氧基、乙烯基、丙基丁二酸酐、甲基丙烯醯氧丙基使顆粒交聯的機理表明在矽烷上的R1基由納米顆粒所取代。R2也可以是醯胺化的、硫化的、氧化的或H。「醯胺化的、氧化的、硫化的」意指其它的有機基R』 2經氮、氧或硫鍵合在矽上。
[0036]顆粒I和2兩者通過取代矽核3上的基R2 (例如在升溫4條件下)鍵合在矽核上，並因此相互直接鄰近存在，經矽核3而交聯。
[0037]該納米技術的可能性這裡再次在使用納米顆粒填料並組合以本發明的矽烷情況下例如在目前使用的基於雲母的絕緣材料中得以證明。
[0038]在圖2-4中各對比示出本發明的實施方案的實驗試件(以虛線表示)的參比試件。該試件以縮小的形狀相應於現有技術的在水力發電機或渦輪發電機定子中的絕緣的Cu-導體。在直到電擊穿的電場應力下對試件進行測量。因為該絕緣體系的電穩定性在運行應力下總計為幾十年，所以在多倍提高的電場強度下進行該電的持續試驗。
[0039]圖2的示圖對各標準絕緣體系(雲母)和充填納米顆粒/矽烷的絕緣體系給出各7個試件在三種不同的場應力下的電工作壽命的平均值。該未經充填的體系(標記為雲母塑料(Micalastic))含約50重量％的雲母和50重量％的樹脂。給出的納米顆粒含量相應地減少樹脂的含量。雲母的含量總保持恆定。
[0040]在圖2中示出的未經充填的和充填納米顆粒的高電壓絕緣體系(雲母塑料(黑色))和含10重量％的納米顆粒(直徑約20 nm)和有機矽烷(3-環氧丙氧基丙基三甲氧矽烷，5重量％)的雲母塑料的相應的工作壽命曲線明顯表明，該後提及的體系在相同的應力下有明顯增長的工作壽命。
[0041]圖3示出未經充填的和充填納米顆粒的高電壓絕緣體系(雲母塑料(黑色))和含10重量％納米顆粒(直徑約20 nm)和2.5重量％的八甲基三矽氧烷的雲母塑料的相應的壽命曲線。這裡再次明顯看出該工作壽命幾乎平行移動到較長的時間。
[0042]最後，圖4還示出未經充填的和充填納米顆粒的高電壓絕緣體系(雲母塑料(黑色))和含10重量％的納米顆粒(直徑約20 nm)和POSS (2.5重量％)的雲母塑料的壽命曲線。
[0043]比較該各組的工作壽命表明，該工作壽命的改進達20-30倍。該兩種工作壽命曲線均具有相同的斜率，以致似乎可允許將工作壽命增長直接變換成運行關係。
[0044]在此，含至多35重量％的納米顆粒成分的絕緣體是可能的。
[0045]本發明首次表明，在加入納米顆粒填料時在樹脂中存在的增粘劑如有機矽化合物的令人意外的阻侵蝕效應。通過在加入納米顆粒填料之前將增粘劑加入樹脂中可達引令人意外的有益結果。其中討論了，是否如圖2-4所說明的有益結果要歸因於通過用有機矽烷的顆粒交聯所產生的納米顆粒的一種顆粒交聯。總之，可令人印象深刻地表明，在加入納米顆粒填料之前將增粘劑混入樹脂中可帶來很大的優越性。
【權利要求】
1.用於製備具有改進的抗局部放電性的絕緣體系的方法，該方法包括下列步驟: -提供一種包括雲母紙和載體材料的絕緣帶，藉助於粘合劑將其相互粘合， -用該絕緣帶卷繞電導體， -用合成樹脂浸潰卷繞該導體的絕緣帶， 其特徵在於，為製備合成樹脂，先提供含增粘劑的樹脂體系，在該樹脂體系中加入納米顆粒填料。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，該樹脂體系的樹脂基質選自基於環氧化物的樹脂和/或聚氨酯。
3.權利要求1或2之一的方法，其特徵在於，使用有機矽化合物作為增粘劑。
4.前述權利要求之一的方法，其特徵在於，該納米顆粒填料選自金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硫化物和/或金屬碳化物。
5.具有改進的抗局部放電性的絕緣體系，其具有卷繞電導體的絕緣帶，該絕緣帶包括與載體材料相粘合的雲母帶，其中該絕緣帶用合成樹脂所浸潰，其特徵在於，該經浸潰的絕緣帶摻入有納米顆粒填料，該納米顆粒填料至少部分經增粘劑而交聯。
6.權利要求5的絕緣體系，其中該納米顆粒填料以粒度為2.5-70 nm存在。
7.權利要求5或6的絕緣體系，其中該納米顆粒填料在合成樹脂中的濃度為5-70重量％。
8.權利要求5-7之一的絕緣體系，其中該增粘劑是有機矽化合物。
9.權利要求5-8之一的絕緣體系，其中該增粘劑在合成樹脂中的濃度為0.1-45重量％。
【文檔編號】H01B3/04GK103797544SQ201280045367
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月3日 優先權日:2011年9月22日
【發明者】P.格勒佩爾, D.海因爾, C.邁希斯納, I.裡特貝格 申請人:西門子公司