Elektrisches Isolationsmaterial und Isolationsband für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung und ein Isolationsband, das aus dem Isolationsmaterial herge ^¬ stellt ist und für eine elektrische Isolation einer Mittel- /Hochspannungsrotationsmaschine geeignet ist.

Für eine Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine, wie bei ^¬ spielsweise einen Turbogenerator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, sind ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Verfügbarkeit gefordert. Daraus resultiert in der Regel eine hohe mechanische, thermische und elektrische Beanspruchung der Bauteile des Turbogenerators. Der Turboge ^¬ nerator weist insbesondere eine Ständerwicklung auf, an die eine besonders hohe Anforderung bezüglich Festigkeit und Zu- verlässigkeit gestellt ist. Insbesondere ist das Isoliersys ^¬ tem der Ständerwicklung an der Grenzfläche zwischen der

Hauptisolierung und dem Blechpaket der Ständerwicklung durch eine hohe thermische, thermomechanische, dynamische und elektromechanische Betriebsbeanspruchung stark belastet, wo- durch das Risiko einer Beschädigung des Isoliersystems der

Ständerwicklung durch Teilentladungen hoch ist, die beim Betrieb der Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine unablässig auftreten. Mit dem Isoliersystem sind elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe, Teilleiter) dauerhaft gegeneinander und gegen ein Ständerblechpaket oder die Umgebung isoliert.

Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung) , zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw. Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickelkopfbereich (Hauptisolierung) . Die Betriebssicherheit der Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine ist maßgeblich von der Zuverlässigkeit des Isoliersystems bestimmt. Sowohl bei der Haupt- als auch bei der Teilleiterisolierung sind Fein- oder Spaltglimmer, die beispielsweise auf ein Glasfaserträgerband appliziert sind, vorgesehen, wodurch eine Erhöhung der elektrischen Dauerbetriebsfestigkeit erzielt ist. Mit dem Feinglimmer ist aufgrund seiner anorganischen Struktur die Beständigkeit der Isolation gegenüber im elektrischen Feld auftretenden Teilentladungen erhöht. Während einer Teilentladung kommt es im elektrischen Feld zur Ausbildung einer elektrischen Entladung, welche in organischen Ma- terialien zu deren Abbau führt und einen Totalausfall zur Folge haben kann. Der Glimmer wirkt als Barriere gegenüber Erosionskanälen zwischen dem Leiter und dem Stator.

Herkömmlich ist eine Verbesserung der elektrischen Eigen- schaffen der Isolierwerkstoffe und -Systeme erzielbar durch beispielsweise eine Erhöhung des Anteils an Feinglimmer in ^¬ nerhalb der Hochspannungsisolation, was allerdings aufgrund von entgegenstehenden technischen Randbedingungen nur schwer umsetzbar ist. Ferner führt die herkömmliche Isolierung von Leitern mittels einer Glimmerbandumwicklung zu Inhomogenitäten aufgrund des Wicklungsprozesses an Kanten und Radien der Leiter. Dadurch treten lokal Feldüberhöhungen an den Kanten und Radien auf, die zu einem verfrühten Ausfall der Isolation unter Hochspannungseinfluss aufgrund von Teilentladungen füh- ren können. Außerdem trägt das zur Imprägnierung eingesetzte Harz/Härtersystem (Bisphenol-A-Diglycidylether/Säureanhydrid) aufgrund seines polymeren Charakters nur unzurei ^¬ chend zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit der Isolation bei. Ebenso besitzt das Harz/Härtersystem eine nur hinreichende Resistenz gegen Teilentladungen, die aufgrund einer eventuell fehlerhaften Glimmerbandumwickelung und wicklungsbedingt resultierenden Hohlräumen entstehenden können.

Bei Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschinen werden herkömm- lieh geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei wer ^¬ den die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen und Leiter mit Glimmerbändern umwickelt und herkömmlich in einem Vakuum-Druck-Prozess (VPI-Prozess) mit Kunstharz im- prägniert. Von dem Verbund von Imprägnierharz und Trägermate ^¬ rial des Glimmers ist die mechanische Festigkeit der Isolie ^¬ rung definiert. Die in dem Verbund vorliegende Schichtung aus organischen und anorganischen Materialien bildet mikroskopi- sehe Feststoff-Feststoff-Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt werden.

Durch den vorgesehenen VPI-Prozess werden die Hohlräume in der Isolierung gefüllt, die sonst zu inneren Gas-Feststoff- Grenzflächen führen und die elektrische Festigkeit der Iso ^¬ lierung aufgrund von Teilentladungen schwächen würden. Um dieser Schwächung entgegenzuwirken, ist eine Erhöhung der Isolationsschichtdicke denkbar, was aber aufgrund einer ver- ringerten Wärmeabfuhr von den Leitern und dadurch bedingt eines verringerten Wirkungsgrades der Mittel-/Hochspannung- rotationsmaschine Nachteile mit sich bringt. Zur Verbesserung der elektrischen Beständigkeit des Isolationssystems ist der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Isolationsma ^¬ terial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hoch ^¬ spannung zu schaffen, wobei das Isolationsmaterial eine hohe elektrische Alterungsbeständigkeit hat.

Das erfindungsgemäße elektrische Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Mittel- und Hochspannung weist ein Basisharz auf, das mit polyhedralem oligomerem Silsesquioxan versetzt ist. Ferner ist das erfindungsgemäße Isola- tionsband für eine Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine aus dem Isolationsmaterial hergestellt.

Das polyhedrale oligomere Silsesquioxan als Füllstoffpulver liegt bevorzugt in dem Basisharz gleichmäßig verteilt vor, wobei das Füllstoffpulver Partikel aus dem polyhedralem oligomerem Silsesquioxan R(SiOi,s) _n aufweist. Das Füllstoffpulver ist bevorzugt entweder als einziger Füllstoff, oder alterna ^¬ tiv bevorzugt mit mindestens einem anderen Füllstoff in dem Basisharz vorgesehen. Wenn das Isoliermaterial mit dem mindestens einen anderen Füllstoff in dem Basisharz vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass der andere Füllstoff makrosko ^¬ pisch skalierte Partikel aufweist, die insbesondere aus Glim- mer, Bromnitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid sind.

Ferner ist es bevorzugt, dass der andere Füllstoff Nanoparti- kel aufweist, die insbesondere aus Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid sind. Bevorzugt ist es außerdem, dass der andere Füllstoff aus einem organisch modi- fizierten, plättchenförmigen Schichtsilikat gebildet ist, das zu einem selbstorganisierenden, anorganisch/organischen Hybridsystem mit einem Aspektverhältnis von 100 - 1000 nm bei einer Dicke von etwa 1 nm hergestellt ist. Das Basisharz ist bevorzugt aus Epoxidharz, Polyester, Polyurethan und/oder Si- likon.

Das Basisharz kann zur Imprägnierung des Isolationsbands vorgesehen sein, wobei das Basisharz bevorzugt aus Epoxidharz, Polyester, Polyurethan und/oder Silikon hergestellt ist. Das Basisharz ist dabei mit dem polyhedralen oligomeren Silses- quioxan (POSS) versehen, das sowohl im festen und/oder flüssigen Aggregatszustand vorliegen kann. Das polyhedrale oligo- mere Silsesquioxan ist ein Siloxan mit der allgemeinen Summenformel R(SiOi,5) _n und ist in dem Basisharz als Füllstoff, Additiv und/oder Zusatz vorgesehen. Das polyhedrale oligomere Silsesquioxan hat eine vorteilhafte Struktur und vorteilhafte chemische Eigenschaften, wodurch die Alterungsbeständigkeit des Isolationsmaterials aufgrund einer hohen Teilentladungs ^¬ beständigkeit erzielt ist. Insbesondere ist mit dem erfin- dungsgemäßen Isolationsmaterial die elektrische Alterungsbe ^¬ ständigkeit des Isolationsbands erreicht, das für die elekt ^¬ rische Isolation eines Motors und eines Generators im Hoch- und Mittelspannungsbereich eingesetzt ist. Bei Raumtemperatur liegt das polyhedrale oligomere Silses ^¬ quioxan je nach Rest (R) in fester, hochviskoser oder niederviskoser Form vor, wobei das polyhedrale oligomere Silses ^¬ quioxan vorteilhaft eine hohe spezifische Oberfläche hat. Die Moleküle des polyhedralen oligomeren Silsesquioxan können singulär als der Füllstoff in dem Basisharz eingesetzt sein oder in Kombination mit dem makroskopischen Füllstoff wie Glimmer, Bromnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, aber auch in Kombination mit den Nanopartikeln auf Basis von Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, und/oder Siliziumoxid, aber auch in Kombination mit dem organisch modifizierten, plätt- chenförmigen Schichtsilikat. Das organisch modifizierte, plättchenförmigen Schichtsilikat kann mittels eines geeigne- ten Verfahrens zu dem selbstorganisierenden, anorganisch/- organischen Hybridsystem mit einem Aspektverhältnis von 100 - 1000 nm, bei einer Dicke von ca. 1 nm, umgewandelt werden.

Das erfindungsgemäße Isolationsmaterial hat eine hohe Bestän- digkeit bei im Betrieb auftretenden Teilentladungen. Durch die erzielte hohe elektrische Festigkeit des Isolationsmate ^¬ rials ist es möglich, die Schichtdicke des erfindungsgemäßen Isolationsbands kleiner verglichen mit einem herkömmlichen Isolationsband zu wählen. Dadurch kann vorteilhaft die Ablei- tung von Wärme, die beispielsweise in einem mit Strom durch- flossenen Leiter entsteht, der mit dem Isolationsband umwi ^¬ ckelt und dadurch elektrisch isoliert ist, gut bewerkstelligt werden. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäß erzielte hohe elektrische Festigkeit des Isolationsmaterials dazu, dass die Betriebsspannung des Leiters höher gewählt werden kann verglichen mit einer Betriebsspannung, die für einen herkömmlich isolierten Leiter üblich ist. Dadurch ist der Wirkungsgrad einer Mittel-/Hochspannungsrotationsmaschine, in der das er ^¬ findungsgemäße Isolationsband eingesetzt ist, hoch.

Aufgrund der hohen spezifischen Oberflächen des aus Silizium und Sauerstoff aufgebauten Silsesquioxan, das in der bevorzugten Kombination mit den Nanopartikeln und/oder dem plättchenförmigen Schichtsilikat eingesetzt ist, ist die elektri- sehe Festigkeit des Isolationsmaterials hoch. Dieser Effekt ist auf die hohe elektrische Teileentladungsbeständigkeit der POSS-Moleküle zurückzuführen. Ferner ist vorteilhaft in dem erfindungsgemäßen Isolationsmaterial eine Ausbildung von Ero- sionskanälen zwischen zwei unter Spannung stehenden und an das Isolationsmaterial elektrisch gekoppelten Elektroden erschwert, wobei ein Auftreten von Hohlräumen, Spannungsrissen und/oder Delaminationen in dem Isolationsmaterial erschwert ist .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: Figur 1 schematisch die Struktur des Silsesquioxan

und

Figur 2 einen Querschnittsausschnitt durch einen Leiter, der von dem erfindungemäßem Isolationsband elektrisch isoliert ist.

In Figur 1 ist die Struktur des polyhedralen oligomeren Silsesquioxan mit der allgemeinen Summenformel R(SiOi _f s)n ge ^¬ zeigt . In Figur 2 ist ein Leiterstab 1 gezeigt, der mit einem Außen- glimmschutz 2, einem Endenglimmschutz 3 und einem Isolationsband 4 versehen ist. Der Leiterstab 1 ist von dem Isolations ^¬ band 4 zur elektrischen Isolation umwickelt und ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt.

Der Leiterstab 1 ist aus Kupfer und hat ungewickelt einen Querschnitt von 10 x 30 mm ² . Der Kantenradius des Leiterstabs 1 beträgt 1 mm. Die Länge des Leiterstabs 4 beträgt 360 mm. Das Isolationsband ist 4-lagig, kreuzweise und manuell mit 45% ± 3% Überlappung um den Leiterstab 1 gewickelt. Die da ^¬ durch mit dem Isolationsband 4 um den Leiterstab 1 erzielte Isolationsschichtdicke beträgt 1,15 mm. Damit ist mit dem Isolationsband 4, dem Außenglimmschutz 2 und dem Endenglimm- schutz 3 der Leiterstab 4 hochspannungsisoliert.

Das Isolationsband 4 ist mit einem Vakuum-Druck-Prozess (VPI- Prozess) hergestellt, wobei die zugrundeliegenden Prozessbe ^¬ dingungen in Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1: Prozessbedingungen für den VPI-Prozess

Anhand von Beispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutet .

Das Isolationsmaterial ist von einem Epoxidharz als Basis ^¬ harz, einem Härter, dem Zusatz polyhedrales oligomeres Sil- sesquioxan (POSS) , Nanopartikel und einem Beschleuniger gebildet. Erfindungsgemäß ist das Isolationsmaterial von dem Epoxidharz und dem POSS gebildet. Ferner sind zu dem Isolati ^¬ onsmaterial je nach Beispiel Nanopartikel zugegeben. Beispiel 1 betrifft ein herkömmliches Isolationsmaterial, wohingegen Beispiele 2 bis 5 das erfindungsgemäße Isolationsmaterial betreffen .

Beispiel 1 (Referenz, ungefülltes Imprägnierharz)

Komponente BezeichChemische Zusammen ^¬ MassenAkronym nung setzung teile

Epoxidharz EPR 162 Bisphenol-A- 83,5 BADGE diglycidylether

Härter EPH 868 Methylhexa- 90 MHHPA hydrophtha1säure- anhydrid

POSS 0

Nanoparti ^¬ 0

kel

Beschleu ^¬ Zn-N Zink-Naphthenat 1 Zn-N niger Beispiel 2

Beispiel 3

Komponente BezeichChemische Zusammen ^¬ Mas ^¬ Akronym nung setzung senteile

Epoxidharz EPR 162 Bisphenol-A- 83,5 BADGE diglycidylether

Härter EPH 868 Methylhexa- 90 MHHPA hydrophtha1säure- anhydrid

POSS Glycidyl Oxirane, 2- [ [ 3- 19, 4 POSS

POSS (trimethoxy- silyl ) propoxy]

methyl ] - , hydrolyzed

Nanoparti- Aerosil Aerosil A 200 20 Aer kel

Beschleu ^¬ Zn-N Zink-Naphthenat 1 Zn-N niger Beispiel 4

Beispiel 5

Komponente BezeichChemische Zusammen ^¬ Mas ^¬ Akronym nung setzung senteile

Epoxidharz EPR 162 Bisphenol-A- 83,5 BADGE diglycidylether

Härter EPH 868 MethylhexahydrOph90 MHHPA thal-säurenhydrid

POSS Glycidyl Oxirane, 2- [ [ 3- 19, 4 POSS

POSS (trimethox- ysilyl ) propoxy]

methyl ] - , hydrolyzed

Nanoparti- Schicht ^¬ I 30 E 5 OC kel silikat

Beschleu ^¬ Zn-N Zink-Naphthenat 1 Zn-N niger Es ergeben sich folgende Lebensdauerdaten für die beispielhaften Isolationsmaterialien:

Für Beispiel 1 :

Feldbelastung durchschnittliche Lebensdauer [h]

19,5 kV 60

16,25 kV 120

15,0 kV 400

Für Beispiel 2 :

Feldbelastung durchschnittliche Lebensdauer [h]

19,5 kV 80

16,25 kV 140

15,0 kV 1000

Für Beispiel 3:

Feldbelastung durchschnittliche Lebensdauer [h]

19,5 kV 120

16,25 kV 800

15,0 kV 3500

Für Beispiel 4 :

Feldbelastung durchschnittliche Lebensdauer [h]

19,5 kV 300

16,25 kV 1000

15,0 kV 4000 Für Beispiel 5:

Feldbelastung durchschnittliche Lebensdauer [h]

19,5 kV 250

16,25 kV 900

15,0 kV 3000