Kompakter Trockentransformator mit einer elektrischen Wicklung und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wick- lung

Die Erfindung betrifft die Beschichtung eines Isolierkörpers eines Trockentransformators. Trockentransformatoren, insbesondere Gießharztransformatoren sind Leistungstransformatoren, die in der Energietechnik zur Transformation von Spannungen bis circa 36 kV auf der Oberspannungsseite eingesetzt werden. Bei solchen Transformatoren sind eine Unterspannungswicklung und eine Oberspannungswick- lung koaxial um einen Schenkel eines Kerns angeordnet. Als

Unterspannungswicklung wird dabei diejenige Wicklung mit der niedrigeren Spannung, als Oberspannungswicklung diejenige mit der höheren Spannung bezeichnet. Beide Wicklungen sind in ein festes Isoliermaterial eingebettet, im Fall der Oberspan- nungswicklung wird häufig ein Gießharz dafür verwendet. Solch ein Trockentransformator ist aus der EP 1133779 Bl bekannt.

Aus der noch nicht veröffentlichten EP 15185886 AI (= internes Aktenzeichen 201519004) ist eine Weiterentwicklung des oben beschriebenen Trockentransformators, insbesondere auch für höhere Spannungen als 36 kV, bekannt. Darin wird eine kompaktere Bauweise des Trockentransformators offenbart, die sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass der Trockentransformator kleinere Abmessungen hat, also kompakter gebaut ist und in diesem Zuge auch Luft als Isolator durch ein geeignetes Gießharz als festem Isolierkörper ersetzt wird.

Auf der Oberfläche des festen Isolierkörpers, in den eine elektrische Wicklung, also insbesondere eine zur Spule gewi- ekelte Ober- und/oder Unterspannungswicklung, eingebettet ist, ist eine Beschichtung vorgesehen, die bevorzugt aus ei ^¬ nem halbleitenden Material ist. An die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften dieser halbleitenden Beschichtung werden besondere Ansprüche gestellt, insbesondere was thermische, mechanische und chemi ^¬ sche Stabilität neben einem definierten Schichtwiderstand be- trifft.

Aktuell werden Lacke mit mikroskaligen FüllstoffPartikeln, wie beispielsweise mit Leitruß, Leitgraphit und/oder be ^¬ schichteten Glimmerpartikel eingesetzt. In der Regel sind es hochgefüllte Systeme mit Füllgraden mit weit über 10 Vol% bzw. 20Gew% und insbesondere über 30Gew%. Die Partikelgröße der Füllstoffe liegt dabei üblich im Bereich weniger Mikrome ^¬ ter aufwärts, weshalb hohe Mengen an Füllgehalt notwendig sind. Durch die hohen Füllgrade an mikroskaligen Füllstoff- partikeln verteuert sich die Beschichtung erheblich und wird auch schwieriger zu verarbeiten, weil die Fließfähigkeit der mit mikroskaligen Füllstoffpartikeln hochgefüllten Formulierungen schlechter ist als die der weniger hoch gefüllten. Auch die Anwendungseigenschaften verschlechtern sich bei ho- hen Füllgraden durch eine zunehmende Versprödung der Beschichtung .

Es besteht der Bedarf, eine geeignete Formulierung für eine Beschichtung des Isolierkörpers eines Trockentransformators, die ein derartiges Eigenschaftsprofil erfüllt, aber einen re ^¬ duzierten Gehalt an mikroskaligen Füllstoff, vorzugsweise keinen mikroskaligen Füllstoff, enthält, zur Verfügung zu stellen . Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Wicklung für einen Trockentransformator in kompakter Bauweise sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für einen Isolierkörper einer solchen elektrischen Wicklung eines Trockentransformators in Kompaktbauweise anzugeben, wobei zumin- dest auf einer Oberfläche des Isolierkörpers die Beschichtung vorgesehen ist, deren Schichtwiderstand im Bereich von 10 ² bis 10 ⁵ Ohm/Square liegt und die eine hohe thermische Bestän ^¬ digkeit, eine hohe mechanische Robustheit und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung zeigt .

Dazu ist eine elektrische Wicklung, insbesondere Oberspan- nungswicklung, für einen Trockentransformator mit Wicklungsleiter, der in mehreren Windungen zu einer Spule gewickelt ist, wobei die Spule in einen festen Isolierkörper eingebet ^¬ tet ist, vorgesehen, wobei zumindest eine Oberfläche des Iso ^¬ lierkörpers eine Beschichtung mit einem bestimmten Schichtwi- derstand hat, die eine Harzkomponente sowie zumindest einen nanoskaligen und elektrisch leitfähigen Füllstoff umfasst, wobei elektrisch leitfähiger Füllstoff in einer Partikelgröße, die in zumindest einer Dimension kleiner 500nm ist, vorliegt .

Der Wicklungsleiter kann dabei ein Folienleiter, ein Bandleiter oder ein Drahtleiter sein. Die Spule ist in einen Isolierkörper aus einem festen Isoliermaterial eingebettet. Häu ^¬ fig wird hierfür ein Gießharz verwendet, mit dem die Spule umgössen wird und das nach dem Verguss ausgehärtet wird. Im Ergebnis erhält man eine mechanisch stabile Wicklung in Form eines Hohlzylinders, deren Spule gut vor Umwelteinflüssen ge ^¬ schützt ist. Erfindungsgemäß ist auf zumindest einer Oberflä ^¬ che des Isolierkörpers eine Beschichtung aus einer Harzmi- schung mit einem nanoskaligen Füllstoffgehalt unter 20 Gew% und/oder unter 10 Vol% aufgebracht.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Wicklung mit den Verfahrensschritten:

Wickeln eines Wicklungsleiters in mehreren Windungen zu einer Spule,

Einbetten der Spule in einen festen Isolierkörper, bevor- zugt durch Umgießen mit einem Gießharz und anschließendem

Aushärten des Isolierkörpers, Einstellung eines vorbestimmten Schichtwiderstands in ei ^¬ ner Formulierung zur Herstellung einer Beschichtung durch Einarbeitung zumindest einer nanoskaligen Füllstofffrakti- on elektrisch leitfähiger Füllstoffpartikel in ein unge- härtetes Harz,

Aufbringen der Formulierung zur Erzeugung der Beschichtung auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff in Form zumindest einer nanoskaligen Füllstoff ^¬ fraktion vor deren Füllstoffgehalt unter 20 Gew% und/oder unter 10 Vol% der Beschichtung ausmacht. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen in der Beschichtung zumindest zwei Füllstoffpartikelfrak- tionen vor.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass ein definierter Schichtwiderstand durch die Menge und/oder das Material, in dem die zumindest eine nanoskalige Füllstofffraktion in der Beschichtung vorliegt, bestimmbar ist.

Andererseits kann der definierte Schichtwiderstand auch durch das Verhältnis zweier nanoskaliger Füllstofffraktionen, die in der Beschichtung vorliegen, bestimmbar sein.

Nach einer anderen Ausführungsform liegt eine nanoskaliger Füllstofffraktion in Kombination mit einer mikroskaligen Füllstofffraktion vor.

Die Beschichtung ist durch Aufbringen einer Formulierung herstellbar. Dabei wird eine verarbeitbare, also bevorzugt fließfähige Mischung aus einer ungehärteten Harzkomponente mit einem Härter, entweder als zwei getrennte Komponenten oder in einer Komponente vorliegend, mit Füllstoff versetzt und in Lösung auf eine Oberfläche aufgebracht. Anschließend wird diese Formulierung auf der Oberfläche, beispielsweise durch thermische und/oder UV-initiierte Reaktion, zur ferti ^¬ gen Beschichtung ausgehärtet.

Nach einer Ausführungsform liegt die Harzmatrix als 2-Kompo- nentensystem aus Harz und Härter vor. Dabei ist insbesondere ein wasserlösliches 2-Komponentensystem vorteilhaft, weil da ^¬ mit bei der Herstellung der Beschichtung organische Lösungsmittel, die generell als umweltgefährdend angesehen werden, vermieden werden. Dabei können Härter- und/oder Harzkomponen- te in wässriger Lösung verarbeitet werden.

Besonders vorteilhaft ist es deshalb, wenn ein ein- oder zweikomponentiges Harzsystem eingesetzt wird, das umweltver ^¬ träglich, insbesondere durch den Einsatz wasserbasierter Lö- sungsmittel, ist. Beispielsweise können durch den Einsatz ei ^¬ nes wässrigen Polyurethan-Acrylatharzsystems weiterreichende ökologische Aspekte realisiert werden, wie der Verzicht auf Recycling oder Nachverbrennung des Lösungsmittels. Dabei kommt auch eine Erleichterung beim Arbeitsschutz für den Ope- rator und/oder den Hersteller, wie beispielsweise einen Lackierer, zum Tragen.

Deshalb reichen nach dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung der Formulierung, die zur Erzeugung der Beschichtung auf zumindest einer Oberfläche des Isolierkörpers aufgebracht wird, wasserbasierte Lösungsmittel aus.

In Fachkreisen und im Sinne der Erfindung wird ein Material als elektrisch leitfähig angesehen, wenn der elektrische Wi- derstand kleiner 10 ⁸ Ω/D ist. Darüber gilt ein Material als Isolator oder als nicht leitend. Die Beschichtung sollte zu ^¬ mindest auf der Innenmantelfläche des Isolierkörpers aufge ^¬ bracht sein, vorzugsweise auch auf den Stirnflächen. Besonders bevorzugt ist die Beschichtung auf der gesamten Oberflä- che des Isolierkörpers aufgebracht, also neben der Innenman ^¬ telfläche und den Stirnflächen auch auf der Außenmantelflä ^¬ che. Durch eine solche Beschichtung wird das elektrische Feld der elektrischen Wicklung weitgehend im Gießharz abgebaut und wird so außerhalb der Wicklung auf eine Größe reduziert, die es erlaubt, dass der Abstand zu anderen Bestandteilen des Transformators wie Kern oder Unterspannungswicklung dadurch geringer ausfallen kann, was eine kompaktere Bauweise ermög- licht.

Bevorzugt ist die Beschichtung aus einem halbleitenden Material. Als halbleitend wird ein Material in Fachkreisen und im Sinne der Erfindung angesehen, wenn sein spezifischer Wider- stand kleiner als 10 ⁸ Ω/D und größer als 10 ¹ Ω/D ist. Da eine elektrisch leitfähige Beschichtung, insbesondere eine der ge ^¬ samten Oberfläche, einer Wicklung eine Kurzschlusswicklung darstellt, wird in dieser ein Strom fließen, der eine Verlustleistung erzeugt. Mit einer Beschichtung aus einem halb- leitenden Material kann diese Verlustleistung begrenzt werden .

Geeignete leitende oder halbleitende Beschichtungen basieren auf einem Harzsystem, in das ein nanoskaliger halbleitender Füllstoff eingearbeitet ist, vorteilhafterweise in einer Men ^¬ ge von weniger als 20 Gew% und/oder weniger als 10 Vol%.

Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise ein zwei-komponenti- ges Harzsystem mit einer ersten Komponente, ausgewählt aus der Gruppe folgender Harze: Epoxid-, Polyurethan-, Acrylat-, Polyimid- und/oder Polyesterharzsystem, sowie beliebiger Mischungen, Copolymere und Blends der vorgenannten Harze dafür geeignet ist. Als zweite Komponente wird beispielsweise ein auf das jeweilige Harz abgestimmter Härter wie Amin, Säurean- hydrid, Peroxid, Polyisocyanat , insbesondere aliphatisches Polyisocyanat , der Formulierung zugegeben. Insbesondere be ^¬ vorzugt ist eine wasserlösliche Härterkomponente wegen der Umweltverträglichkeit, weil dabei die Nachverbrennung des Lö ^¬ sungsmittels entfällt und generell der Einsatz organischer Lösungsmittel im Sinne der Nachhaltigkeit ökologisch nachtei ^¬ lig ist. Die Formulierung hat eine gewisse Verarbeitungszeit, in der sie als unvernetzte Formulierung zur Beschichtung auf zumindest eine Oberfläche des Isolierkörpers aufgetragen wird. Die Auftragung erfolgt beispielsweise durch Spritzen, Sprühen, Streichen, Rollen und/oder durch Eintauchen. Nach dem Aushärten vernetzt die Formulierung und erreicht die Stabilität ge ^¬ genüber Umwelteinflüssen, Sonneneinstrahlung, mechanischer Belastung etc. Die Vernetzung wird beispielsweise durch Erwärmung unterstützt.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die Beschichtung eine Stabilität bei Temperaturen bis zu 170°C. Um eine definierte elektrische Leitfähigkeit zur erreichen, wird der Formulierung ein nanoskaliger Füllstoff zugesetzt. Dieser liegt in der Formulierung in einer Menge von unter 20Gew%, bevorzugt von unter 15 Gew% und insbesondere bevor ^¬ zugt von unter 10 Gew% der Trockenmasse der Formulierung oder in entsprechenden Volumenprozent unter 10 Vol~6 vor.

Als Füllstoff eignet sich insbesondere ein nanoskaliger Füll ^¬ stoff, der zumindest in einer Dimension eine Länge kleiner 500nm, insbesondere kleiner 200nm und besonders bevorzugt kleiner lOOnm hat.

Der Füllstoff kann alle Arten von Füllstoffpartikelformen umfassen. Beispielsweise können globulare mit plättchenförmigen Füllstoffen gemischt vorliegen. Bei sehr leichten Füllstoff- partikeln, die in Kombination oder allein in der Formulierung vorliegen, wird die Grenze von weniger als 20 Gew% durch die entsprechenden Volumenprozent, also beispielsweise ungefähr 10 Volumen! als Obergrenze angenommen. Die Füllstoffpartikel sind vorzugsweise aus halbleitendem Ma ^¬ terial. Beispielsweise kann das Material Graphit, Metalloxid, und/oder Metallnitrid sein sowie beliebige Mischungen davon. Insbesondere kommen auch halbleitende Nanopartikel wie Carbonnanotubes , Carbonfasern und/oder Graphene in Frage. Insbesondere multiwall-Carbonnanotubes haben sich als vor ^¬ teilhaft erwiesen. Durch den Einsatz der Nanopartikel ist es möglich, dass der Füllgrad an halbleitenden FüllstoffPartikeln im Harz bei der Einstellung eines elektrischen Widerstands im Bereich von 10 ³ Ω/D bis 10 ⁴ Ω/D auf Mengen unter 10 Gew% reduzierbar ist. Die Füllstoffpartikel können auch hohl sein, insbesondere sind Hohlfasern und/oder Hohlkugeln auch im Sinne der Erfindung allein oder in Kombination mit anderen Füllstoffpartikelfraktionen einsetzbar. Als halbleitende Beschichtungen werden sowohl Metalle, Me ^¬ talloxide als auch dotierte Metalloxide vorteilhafterweise eingesetzt. Auch halbleitende Hohlkugeln, Hohlfasern oder Schalen können als Füllstoffpartikel eingesetzt werden. Die Obergrenze bei diesen sehr leichten FüllstoffPartikeln liegt dann bei ungefähr 10 Volumenprozent Füllgrad in der Beschich- tung .

Die nanopartikulären Füllstoffe können multimodal kombiniert eingesetzt werden, das heißt in verschiedenen Füllstoffpar- tikelgrößen und/oder Füllstoffpartikelformen .

Die Dicke der Beschichtung liegt beispielsweise im Bereich von lym bis 5mm, bevorzugt im Bereich von 30ym bis 500ym, insbesondere im Bereich von 70ym bis 130ym.

Durch eine geeignete Wahl an Material der Füllstoffpartikel , Füllstoffpartikelgröße, Füllstoffpartikelform, Füllstoff ^¬ partikelstruktur, Korngrößenverteilung, Größe der spezifischen Oberfläche und/oder Oberflächenaktivität des Füllstoffs wird in der Beschichtung ein weitgefächertes Eigenschaftspro ^¬ fil erzeugt . Erfindungsgemäß liegt der Anteil an nanoskaligem Füllstoff in der Beschichtung im Bereich unter 20 Gew%, jedoch kann dieser nanoskalige Füllstoff einer Partikelgröße von kleiner 500nm in zumindest einer Dimension beispielsweise auch mit mikroskaligem Füllstoff einer Größe von zumindest lym ergänzt werden. Dabei ist der Gehalt an mikroskaligem Füllstoff im Füllstoffgemisch beliebig, wobei bevorzugt klei- ne Mengen an mikroskaligem Füllstoff mit nanoskaligem Füllstoff kombiniert werden. Beispielsweise werden weniger als 50 Gew% oder einen entsprechenden Volumenprozentsatz im Falle leichter und mikroskaliger Füllstoffpartikel wie Hohlpartikel in der Formulierung mit nanoskaligem Füllstoff kombiniert.

Vorzugsweise weist die Beschichtung einen spezifischen Flächenwiderstand, auch Schichtwiderstand genannt, von 10 ² Ω/D bis 10 ⁵ Ω/D, bevorzugt 10 ³ Q/D bis 10 ⁴ Ω/D, auf. Diesen Flä ^¬ chenwiderstand weist die elektrische Wicklung im Neuzustand auf. Durch Alterung, Umwelteinflüsse oder Verschmutzung kann sich dieser verändern. Ein Flächenwiderstand dieser Größenordnung begrenzt einerseits die Verlustleistung besonders ef ^¬ fektiv, bietet aber andererseits noch genügend Spielraum bei einer Reduktion des Flächenwiderstands durch Verschmutzung.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Beschichtung durch Bepinseln und/oder ein Sprühverfahren aufgebracht. Insbesondere die Aufbringung durch Sprühen gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Schichtdicke und verhin- dert andererseits Lufteinschlüsse, die zu Teilentladungen führen würden.

Er wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Beschichtung elektrisch geerdet ist. Hierdurch wird das elektrische Feld außerhalb der Wicklung besonders effektiv reduziert.

Die Beschichtung kann dabei auf die gesamte Oberfläche oder nur auf Teile der Oberfläche des Isolierkörpers, wie bereits beschrieben, aufgebracht werden. Der Isolierkörper ist bei- spielsweise aus einem Epoxidharz, wobei eine bestimmte Ober- flächenrauigkeit des Isolierkörpers auf den zu beschichtenden Seiten für die Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche vorteilhaft ist. Damit eine homogene Verteilung der Füllstoffpartikel opti ^¬ miert ist, kann der Formulierung ein Dispergieradditiv, beispielsweise ein Tensid und/oder ein Additiv auf ionischer Ba- sis zugesetzt sein.

Durch ein solches Verfahren ist eine elektrische Wicklung herstellbar, deren elektrisches Feld durch die Beschichtung weitgehend abgeschirmt wird, und die in einem Trockentrans- formator eingesetzt dadurch eine kompaktere Bauweise ermög ^¬ licht. Vorzugsweise ist die Beschichtung ein Lack. Das Auf ^¬ bringen der Beschichtung kann dabei durch Spritzen, Sprühen, Streichen, Rollen und/oder als Tauchlackierung erfolgen. Dabei können mehrere der genannten Verfahren hintereinander oder gleichzeitig zur Aufbringung der Formulierung eingesetzt werden .

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberfläche des Isolierkörpers vor dem Aufbringen der For- mulierung behandelt, so dass eine gute Haftung der Formulie ^¬ rung und anschließend der Beschichtung auf dem Isolierkörper gewährleistet sind.

Vorzugsweise ist die Beschichtung aus einem halbleitenden Ma- terial.

Besonders bevorzugt ist die Beschichtung in einem Sprühverfahren aufgebracht, wodurch sich eine besonders gleichmäßige Schichtdicke erreichen lässt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert :

Figur 1 zeigt eine Graphik in der die Alterung einer halblei- tenden Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb von 150 Tagen bei 170°C dargestellt ist. Nach einer Ver ^¬ festigung der Beschichtung innerhalb der ersten Tage erkennt man eine stabile Beibehaltung des definierten Schichtwider- Stands trotz der Lagerung bei 170°C während des gesamten Be ^¬ trachtungszeitraumes von immerhin einem halben Jahr.

Im Folgenden wird die Herstellung einer beispielhaften Formu- lierung zur Herstellung einer Beschichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung durch eine tabellarische Zusammenfas ^¬ sung näher erläutert:

Beispiel :

In dem gezeigten Beispiel wird eine Formulierung mit nano- skaligem Füllstoff für eine Lackbeschichtung eines Trockentransformators in Kompaktbauweise angegeben, wobei die Kombi- nation von umweltverträglicher Lacktechnologie durch wasserbasierte Härterkomponenten und die trotzdem erreichte Robust ^¬ heit in mechanischer und thermischer Hinsicht, wie in Figur 1 belegt, die technische Innovation der hier gezeigten Formu ^¬ lierung, insbesondere beim Einsatz für Trockentransformato- ren, belegt.

Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklung für einen Trockentransformator, die es erlaubt auch bei höheren Spannungsklassen einen kompakten Trockentransformator zu bauen. Dazu weist die elektrische Wicklung mehrere zu einer Spule gewickelte Windungen eines Wicklungsleiters auf. Die Spule ist in einen festen Isolierkörper eingebettet. Erfindungsge ^¬ mäß ist vorgesehen, dass auf zumindest eine Oberfläche des Isolierkörpers eine Beschichtung aus einem elektrisch leitfä ^¬ higen Material, eine Harzmatrix mit zumindest 0,05 Gew% an nanoskaligem Füllstoff umfassend, aufgebracht ist.