Elektrisches Isoliermaterial, Isolationspapier und Isolati ^¬ onsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine, ein Isolationspapier, das aus dem Isoliermaterial hergestellt ist, und ein Isolati ^¬ onsband, das aus dem Isolationspapier hergestellt ist. Das elektrische Isoliermaterial, das Isolationspapier und das

Isolationsband sind geeignet für die elektrische Isolation in einer Hochspannungsrotationsmaschine .

Für eine Hochspannungsrotationsmaschine, wie beispielsweise 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 Beanspru ^¬ chung der Bauteile des Turbogenerators. Der Turbogenerator weist insbesondere eine Ständerwicklung auf, an die eine be ^¬ sonders hohe Anforderung bezüglich Festigkeit und Zuverläs ^¬ sigkeit gestellt ist. Insbesondere ist das Isoliersystem der Ständerwicklung an der Grenzfläche zwischen der Hauptisolierung und dem Blechpaket der Ständerwicklung durch eine hohe thermische, thermomechanische, dynamische und elektromechani- sche Betriebsbeanspruchung stark belastet, wodurch das Risiko einer Beschädigung des Isoliersystems der Ständerwicklung durch Teilentladungen hoch ist, die beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine unablässig auftreten. Mit dem Iso- liersystem sind elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe, Teilleiter) dauerhaft gegeneinander und gegen ein Ständerblechpaket oder die Umgebung isoliert. Innerhalb einer Hoch ^¬ spannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung), zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw. Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickelkopfbereich (Haupt ^¬ isolierung) . Die Betriebssicherheit der Hochspannungsrotati- onsmaschine ist maßgeblich der Zuverlässigkeit des Isolier ^¬ systems bestimmt.

Ein Problem des Isoliersystems ist es, dass aufgrund der starken elektrischen Belastung des Isoliermaterials des Isoliersystems dieses einer teilentladungsinduzierten Erosion ausgesetzt ist. Dabei bilden sich "Treeing"-Kanäle in dem Isoliermaterial aus, die zu einem elektrischen Durchschlag des Isoliermaterials führen können. Bekanntermaßen ist durch eine Zugabe von Glimmer, beispielsweise in Form von Glimmerpapier, zu dem Isoliermaterial die Ausbreitung von "Treeing"- Kanälen in dem Isoliermaterial wünschenswert unterbunden. Bei der Herstellung von Glimmerpapier werden Glimmerpartikel mit einem Aspektverhältnis von mindestens 50 eingesetzt, d.h. das Verhältnis von Länge zu Breite auf der einen Seite und die

Glimmerpartikeldicke auf der anderen Seite liegt bei mindes ^¬ tens 50. Dadurch bilden die Glimmerpartikel eine große Ober ^¬ fläche, wobei sich die Glimmerpartikel zueinander ausrichten. Dadurch ist das Glimmerpapier elastisch verbiegbar und mecha- nisch beanspruchbar. Hervorgerufen durch eine Wechselwirkung durch van der Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Oberflächen der Glimmerpartikel ergebenden sich Bindungskräfte, die von der Größe von Kontaktflächen benachbarter Glimmerpartikel bestimmt sind. Somit ist das Glimmer- papier flexibel und kann somit beispielsweise um einen elekt ^¬ rischen Leiter gewickelt werden. Das Glimmerpapier kann ferner mittels eines Reaktionsharzes imprägnieret sein und den ^¬ noch eine gute Barriere für „Treeing"-Kanälen darstellen. Die Glimmerpartikel sind den Teilentladungen ausgesetzt, so dass es wünschenswert ist, dass die Glimmerpartikel eine hohe Teilentladungsresistenz haben. Diese ist aufgrund der organischen Struktur der Glimmerpartikel gegeben. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Glimmerpapiers ist dieses auf einen Träger aus Glas- oder Polyestergewebe aufgebracht, wo ^¬ mit das Glimmerpapier einen Verbundwerkstoff bildet. Dieser wir dadurch hergestellt, indem das Glimmerpapier mittels eines flüssigen und reaktiven Polymers imprägniert und aushär- tet wird. Das Glimmerpapier in Streifenform bildet ein Glimmerband .

Bekannt ist es ein Glimmschutzband als beispielsweise ein Ge- webe mit dem Glimmerband herzustellen, wobei mit einem Kleber das Glimmerband auf dem Gewebe befestigt ist. Das Isolations ^¬ system weist das Glimmschutzband auf, mit dem elektrische Leiter in der Hochspannungsrotationsmaschine elektrisch zu isolieren sind. Die Wärmeleitfähigkeit von dem herkömmlich mit Epoxidharzen imprägnierten Glimmerband mit Glas- oder Polyestergewebe als Trägermaterial beträgt ca. 0,2 - 0,25 W/mK bei Raumtemperatur. Aufgrund dieser als gering einzustufenden Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands kann die beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine im Leiter gebildete Wärme nur schlecht an den Stator abgegeben werden. Dadurch bildet sich beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine ein Wär ^¬ mestau an dem Glimmschutzband aus. Deshalb sind in der Regel die Statoren großer Generatoren beispielsweise mittels Was ^¬ serstoff oder Wasser gekühlt. Abhilfe könnte eine Verringe- rung der Dicke des Glimmschutzbands schaffen, wodurch die Ef ^¬ fizienz und der elektrische Wirkungsgrad der Hochspannungsro ^¬ tationsmaschine gesteigert werden könnte.

Zur weiteren Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Glimm- schutzbands ist es bekannt zusätzlich wärmeleitfähige Parti ^¬ kel, wie z.B. Bromnitrid oder Diamant, in dem Glimmschutzband vorzusehen. Da diese Materialien aufgrund ihrer Abmessungen und ihrer physikalischen Eigenschaften so gut wie keinen positiven Einfluss auf die elektrische Festigkeit des Isolier- Systems haben, ist es unerlässlich, dass das Glimmschutzband dennoch mit dem Glimmer versetzt ist. Der Anteil der zusätzlichen Partikel und des Glimmers im Isoliersystem ist derart abgestimmt, dass der Anteil des Glimmers derart hoch ist, dass die Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands ausreichend hoch ist, und der Anteil der zusätzlichen Partikel derart ge ^¬ ring ist, dass die resultierende elektrische Festigkeit des Glimmschutzbands ausreichend hoch ist. Mit einem herkömmli ^¬ chen Glimmschutzband mit zusätzlichen Bornitrid-Partikeln ist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/mK bei Raumtempe ^¬ ratur erreichbar. Nachteilig hierbei ist, dass die Schichtdi ^¬ cke des Glimmschutzbandes hoch ist und dass die Bornitrid- Partikel senkrecht zum Glimmschutzband eine geringere Wärme- leitfähigkeit als in Längsrichtung des Glimmschutzbands ha ^¬ ben. Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit des Glimmschutzbands nachteilig anisotrop, wodurch der Einsatz dieses Glimmschutzbands einschränkt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine, ein Isolationspa ^¬ pier, das aus dem Isoliermaterial hergestellt ist, und ein Isolationsband, das aus dem Isolationspapier hergestellt ist, zu schaffen, wobei die elektrische Isolation der Hochspan- nungsrotationsmaschine effektiv ist.

Das erfindungsgemäße elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine weist ein Basisharz und ein in dem Basisharz als einzigen Füllstoff verteiltes Füllstoffpul- ver auf, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist. Bevorzugtermaßen liegt der Anteil des Füllstoffpulvers zwischen 50 Vol.% und 75 Vol.%, wobei der Anteil des Füllstoffpulvers mehr bevorzugt bei 70 Vol.% liegt. Ferner ist es bevorzugt, dass das Füllstoffpulver in Partikelgrößen im Bereich von 0,002 ym bis 150 ym vorliegt.

Dabei liegt das Füllstoffpulver bevorzugt in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Verteilung vor.

Das erfindungsgemäße Isolationspapier für eine Hochspannungs- rotationsmaschine weist das elektrischen Isoliermaterial auf. Das Erfindungsgemäße Isolationsband für eine Hochspannungsro ^¬ tationsmaschine weist ein Trägerband und ein Band von einem Isolationspapier auf, wobei das Band von dem Isolationspapier auf dem Trägerband aufgebracht und befestigt ist. Bevorzugt ist, dass das Band von dem Isolationspapier auf das Trägerband geklebt ist. Der einzige Füllstoff in dem Basisharz ist gebildet von plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln, mit denen aufgrund ihrer speziellen Form die elektrische Festigkeit des Isolier ^¬ materials hoch ist. Ferner ist durch das Vorsehen lediglich der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials hoch, da die intrinsische Leit ^¬ fähigkeit von Aluminiumoxids bei 25 - 40 W/mK liegt, wohinge ^¬ gen herkömmlicher Glimmer einen Wert von 1 W/mK hat. Dadurch ist es mit dem erfindungsgemäßen Vorsehen der plättchenförmi- gen Aluminiumoxidpartikeln in dem Isoliermaterial ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Isoliermaterial ohne den herkömmli ^¬ chen Glimmerzusatz auskommt. Ferner ist der Isolierwerkstoff zu einem Isolationspapier verarbeitbar, das erfindungemäß zu einem Isolationsband verarbeitbar ist, das in einer Hochspan- nungsrotationsmaschine vorteilhaft zur elektrischen Isolation einsetzbar ist. Der Anteil an den plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz beträgt bevorzugt bis zu 70 Vol.-%, ohne dass dabei die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Isoliermaterials verschlechtert sind. Je hö- her der Volumenfüllgrad der plättchenförmigen Aluminiumoxid ^¬ partikeln in dem Basisharz ist, desto höher ist die resultierende Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials. Bei einem Vo ^¬ lumenfüllgrad von Vol.50% plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz ergibt sich eine thermische Leitfä- higkeit von 0,8 W/mK des Isoliermaterials.

Außerdem ist es aufgrund der flächigen Ausbildung der plättchenförmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz möglich, das Isolationsband mit dem Isolationspapier, das aus dem Iso- liermaterial hergestellt ist, einfach flächig zu formen. Da ^¬ durch ist mit dem Isolationsband vorteilhaft eine Umwicklung von Leitern der Hochspannungsrotationsmaschine möglich, wobei das Isolationsband ferner einer Imprägnierung, insbesondere einer Durchimprägnierung, unterzogen werden kann. Außerdem hat das Isoliermaterial eine hohe Beständigkeit gegenüber der Bildung von „Treeing"-Kanälen in dem Isolationspapier, wodurch vorteilhaft hohe Volumenfüllgrade von den plättchenför ^¬ migen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz ermöglicht sind. Dadurch hat das Isoliermaterial eine hohe Wärmeleitfä ^¬ higkeit. Aufgrund der anorganischen Struktur der plättchen- förmigen Aluminiumoxidpartikeln in dem Basisharz hat das Isoliermaterial eine hohe Temperaturbeständigkeit.

Anhand eines Beispiels wird im Folgenden die Erfindung näher erläutet .

Ein elektrisches Isoliermaterial für eine Hochspannungsrota- tionsmaschine ist von einem Basisharz gebildet. Als einziger Füllstoff in dem Basisharz ist ein Füllstoffpulver vorgesehen, das möglichst gleichmäßig in dem Basisharz verteilt an ^¬ geordnet ist. Ein anderer Füllstoff in Partikelform ist in dem Basisharz nicht vorgesehen. Der Füllstoff ist ein Füll- stoffpulver, das von plättchenförmigen Partikeln aus Aluminiumoxid gebildet ist.

Der Anteil des Füllstoffpulvers in dem Basisharz liegt zwi ^¬ schen 50 Vol% und 75 Vol%, bevorzugt bei 70 Vol.%. Das Füll- stoffpulver liegt in Partikelgrößen im Bereich von 0,002 ym bis 150 ym vor. Ferner liegt das Füllstoffpulver in monomodaler, bimodaler oder multimodaler Verteilung vor.

Ein Isolationspapier für eine Hochspannungsrotationsmaschine ist mit dem elektrischen Isoliermaterial gefertigt. Außerdem ist mit dem Isolationspapier ein Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine hergestellt. Das Isolations ^¬ band weist ein Trägerband und ein Band von dem Isolationspa ^¬ pier auf. Das Band von dem Isolationspapier ist auf dem Trä- gerband aufgebracht und befestigt, wobei das Band von dem Isolationspapier auf das Trägerband geklebt ist.