Glimmschutz, elektrische Maschine und Verfahren zum

Herstellen des Glimmschutzes

Die Erfindung betrifft einen Glimmschutz und eine elektrische Maschine mit dem Glimmschutz.

Eine elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Turbogene- rator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, ist einer hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Beanspruchung ausgesetzt. Der Turbogenerator weist insbesondere ein Blechpaket und eine Wicklung elektrischer Lei ^¬ ter auf. Das Blechpaket weist eine Mehrzahl an Nuten auf, in denen die Leiter eingebracht sind. An den beiden Enden des

Blechpakets stehen die elektrischen Leiter aus dem Blechpaket hervor. Die Leiter sind von einer Hauptisolation umhüllt, die die Leiter gegeneinander, gegen das Blechpaket und gegen die Umgebung elektrisch isolieren.

Zur Vermeidung von Teilentladungen ist an der dem Leiter abgewandten Oberfläche der Hauptisolation ein Glimmschutz angeordnet. Zur Vermeidung von Teilentladungen an der Grenzfläche zwischen der Hauptisolation und dem Blechpaket weist der Glimmschutz zwischen der Hauptisolation und dem Blechpaket einen schwach elektrisch leitfähigen und geerdeten Außen- glimmschutz auf, der aus dem Blechpaket hervorstehen kann. Zum Erden ist der Außenglimmschutz elektrisch leitend mit dem Blechpaket verbunden. Der Außenglimmschutz homogenisiert das von dem elektrischen Leiter ausgehende elektrische Feld. Da ^¬ mit können Bereiche mit lokal überhöhter elektrischer Feldstärke vermieden werden, wodurch auch die Entstehung von Teilentladungen an der Oberfläche der Hauptisolation unterbunden wird.

Weiterhin weist der Glimmschutz einen Endenglimmschutz auf, der am axialen Ende des Außenglimmschutzes an der Grenzfläche zwischen der Hauptisolation und der Umgebung vorgesehen ist. Der Endenglimmschutz ist schwach elektrisch leitfähig und kann auch einen linear abnehmenden Widerstandsverlauf mit zunehmendem Abstand von dem Außenglimmschutz haben. Der Ende- nglimmschutz ist dabei eingerichtet, das im Betrieb des Tur- bogenerators gebildete elektrische Feld in einer Richtung weg von dem Blechpaket abzubauen.

Beschädigungen des Außenglimmschutzes , die beispielsweise beim Einlegen des mit der Hauptisolation und des Außenglimm- Schutzes umhüllten elektrischen Leiters in die Nut oder beim Eintrieb von Nutseidenfedern zwischen dem Außenglimmschutz und dem Blechpaket auftreten können, beeinträchtigen die das elektrische Feld homogenisierende Wirkung des Außenglimm- schutzes und können zu einer Überhöhung der elektrischen Feldstärke und damit zu den Teilentladungen führen. Die Teil ^¬ entladungen führen zu einer Zersetzung der Hauptisolation und des Außenglimmschutzes und verkürzen damit die Lebensdauer der elektrischen Maschine. Beschädigungen des Endenglimm- schutzes können die das elektrische Feld abbauende Wirkung des Endenglimmschutzes beeinträchtigen und somit zu der Ent ^¬ stehung von Teilentladungen im Bereich des Endenglimmschutzes beitragen .

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Glimmschutz für eine elektrische Maschine zu schaffen, wobei mit dem Glimmschutz die Lebensdauer der elektrischen Maschine verlängerbar ist.

Der erfindungsgemäße Glimmschutz für eine elektrische Maschi ^¬ ne weist einen Lack auf, der ein erstes Polymerharz, in dem ersten Polymerharz dispergierte erste elektrisch leitfähige

Partikel und in dem ersten Polymerharz dispergierte Mikrokap- seln aufweist, die in ihrem Inneren ein zweites Polymerharz aufweisen. Bei einer Beschädigung des erfindungsgemäßen

Glimmschutzes platzen die Mikrokapseln in dem beschädigten Bereich auf, wodurch sich das in den Mikrokapseln befindende zweite Polymerharz in den beschädigten Bereich fließt und dort aushärtet. Dadurch kann der Glimmschutz sich selbst reparieren, wodurch der Glimmschutz und damit auch die elektri- sehe Maschine eine lange Lebensdauer haben. Die ersten elekt ^¬ risch leitfähigen Partikel verursachen dabei eine elektrische Leitfähigkeit des Glimmschutzes. In dem Fall, dass die ersten elektrisch leitfähigen Partikel in dem beschädigten Bereich des Glimmschutzes verbleiben, bewirken die elektrisch leitfähigen Partikel eine schwache elektrische Leitfähigkeit in dem reparierten Glimmschutz. Es ist bevorzugt, dass das erste Polymerharz und das zweite Polymerharz gleich sind. Bevorzugt ist, dass der Glimmschutz ein Außenglimmschutz und/oder ein Endenglimmschutz ist.

Es ist bevorzugt, dass der Lack zweite elektrisch leitfähige Partikel aufweist, die im Inneren der Mikrokapseln angeordnet sind. Dadurch fließen bei der Beschädigung des Glimmschutzes auch die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel in den beschädigten Bereich. Dadurch wird erreicht, dass der beschädigte Bereich nach dem Aushärten des zweiten Polymerharzes elektrisch leitfähig ist, so dass ein von einem elektrischen Leiter der elektrischen Maschine ausgehendes elektrisches Feld auch im Bereich des beschädigten Bereichs und um diesen Bereich herum homogenisiert wird. Dadurch werden Feldstärke ^¬ überhöhungen vorteilhaft unterbunden, wodurch Teilentladungen im Betrieb der elektrischen Maschine vermieden werden können. Es ist bevorzugt, dass der Massenanteil der Mikrokapseln be- zogen auf den Lack und der Massenanteil der zweiten Partikel auf den Lack derart hoch gewählt wird, dass in dem ausgehär ^¬ teten Bereich die zweiten Partikel überperkolierend vorlie ^¬ gen. Dies bedeutet, dass die zweiten Partikel in dem ausge ^¬ härteten Bereich ein durchgehendes Netzwerk bilden, das Rand- punkte des ausgehärteten Bereichs miteinander verbindet, wo ^¬ durch der beschädigte Bereich nach dem Aushärten des zweiten Polymerharzes insgesamt elektrisch leitfähig ist. Dabei ist bevorzugt, dass die ersten elektrisch leitfähigen Partikel und/oder die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel Graphit, Ruß und/oder anorganische Partikel mit einer elektrisch leit ^¬ fähigen Beschichtung aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die Summe der Gewichtsanteile der Mik- rokapseln und der ersten elektrisch leitfähigen Partikel bezogen auf den Lack θΠ 5 "6 bis 90 % beträgt. Die Zugabe der Mikrokapseln erhöht die Viskosität des Lacks. Eine niedrige Viskosität ist jedoch vorteilhaft beim Verarbeiten des Lacks. In dem angegebenen Wertebereich für den Gewichtsanteil hat der Lack eine ausreichende niedrige Viskosität für die Verar ^¬ beitung sowie einen ausreichend hohen Gewichtsanteil der Mik ^¬ rokapseln, um eine gute Ausheilung des beschädigten Bereichs zu erreichen. Das Gewichtsverhältnis aus den Mikrokapseln zu den ersten elektrisch leitfähigen Partikeln ist bevorzugt von 1 bis 10, insbesondere von 1 bis 2.

Es ist bevorzugt, dass das Polymerharz ein Copolymer ist. Da- bei ist bevorzugt, dass das Copolymer ein Polymer auf Basis von Polyacrylat, insbesondere Acrylsäureester und/oder Acryl- nitril, und/oder Polystyrol ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Teil der Mikrokapseln lediglich eins der Monomere des Copolymers und ein anderer Teil der Mikrokapseln ledig- lieh ein anderes der Monomere des Copolymers aufweist. Da ^¬ durch kommen die beiden Monomere vorteilhaft erst in Kontakt, wenn bei der Beschädigung die Mikrokapseln platzen, wodurch das Aushärten erst nach der Beschädigung erfolgen kann. Die Mikrokapseln weisen bevorzugt in ihrem Inneren elektrisch nicht leitfähige anorganische Nanopartikel auf, insbesondere weisen die Nanopartikel Ti0 ₂ , Si0 ₂ , AI ₂ O ₃ und/oder MgO auf. In dem Fall, dass nach dem Aushärten des beschädigten Bereichs dennoch Teilentladungen in dem und oder in der Nähe des be- schädigten Bereichs auftreten, so hat der mit den Nanoparti- keln ausgehärtete Bereich eine höhere Festigkeit gegenüber die Teilentladungen und damit eine längere Lebensdauer, als es ohne die Nanopartikel der Fall wäre. Die Mikrokapseln weisen bevorzugt in ihrem Inneren ein Lösungsmittel auf, insbesondere Ethanol, n-Propanol, Isopro- panol, Ethylacetat und/oder ein Alkan, insbesondere n-Pentan, n-Hexan und/oder n-Heptan. Dadurch kann die Viskosität der sich in den Mikrokapseln befindenden Flüssigkeit, d.h. das Polymerharz mit dem Lösungsmittel, verringert werden, wodurch die Flüssigkeit nach dem Aufplatzen der Mikrokapseln sich fein in dem beschädigten Bereich verteilen kann und auch in sehr kleine Risse eindringen kann. Damit ist eine nahezu vollständige Reparatur des beschädigten Bereichs möglich. Zudem kann durch ein Verdampfen des Lösungsmittels das Aushärten des Polymerharzes erfolgen. Es ist bevorzugt, dass das Wandmaterial der Mikrokapseln

Wachs, Polyharnstoff-Formaldehyd und/oder Polyurethan auf ^¬ weist. Die Mikrokapseln haben bevorzugt einen mittleren

Durchmesser von 10 ym bis 1500 ym. Es ist bevorzugt, dass die Mikrokapseln eine Wanddicke von

50 nm bis 500 nm haben. Durch diese Wanddicke haben die Mik ^¬ rokapseln eine ausreichende Festigkeit, so dass sie beim nor ^¬ malen Verarbeiten des Lacks nicht platzen, aber gleichzeitig ist die Wanddicke derart, dass sie bei der Beschädigung des Glimmschutzes platzen.

Der Glimmschutz weist bevorzugt ein poröses Band auf, das von dem Lack durchtränkt ist. Durch das Band hat der Glimmschutz eine erhöhte mechanische Festigkeit. Bevorzugt hat das von dem Lack durchtränkte Band eine ausreichende Porosität, um in einem VPI-Verfahren (englisch: vacuum pressure impregnation) verarbeitet zu werden, d.h. die Porosität ist ausreichend hoch, damit das von dem Lack durchtränkte Band von einem Harz, insbesondere einem Epoxidharz, durchtränkt werden kann. Bevorzugt ist das Band nach dem durchgeführten VPI-Verfahren teilporös, so dass durch die Kapillarwirkung des Bands das sich in den Mikrokapseln befindende Polymerharz besonders gut bei der Beschädigung der Mikrokapseln in dem Band verteilen kann. Die Teilporosität kann beispielsweise mittels Hohl- fasern in dem Band erreicht werden. Durch die Teilporosität kann der Glimmschutz besonders gut und ohne die Bildung von Lufteinschlüssen, die die Bildung der Teilentladungen begünstigen, ausheilen. Es ist bevorzugt, dass das Band ein Gewebe und/oder ein Vlies aufweist, insbesondere weist das Vlies und/oder das Gewebe Polyethylenterephthalat (PET), Polyester, Glas, Polyimid, Polyaramid, Polyamid, Polypropylen und/oder PTFE auf.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen elekt ^¬ rischen Leiter, eine Hauptisolation, die den elektrischen Leiter umhüllt, und den Glimmschutz auf, der auf die Außenseite der Hauptisolation aufgebracht ist. Der Glimmschutz ein Außenglimmschutz und/oder ein Endenglimmschutz sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Glimmschut ^¬ zes weist die Schritte auf: - Aufbringen eines Lacks, der ein erstes Polymerharz, in dem ersten Polymerharz dispergierte erste elektrisch leitfähige Partikel und in ersten dem Poly ^¬ merharz dispergierte Mikrokapseln aufweist, die in ihrem Inneren ein zweites Polymerharz aufweisen, auf eine einen elektrischen Leiter umhüllende Hauptisolation; - Aushärten des Polymerharzes. Dabei kann der Lack entweder direkt auf die Hauptisolation aufgebracht und ausgehärtet werden oder der Lack kann erst auf das Band aufgebracht und auf dem Band ausgehärtet werden und anschließend kann das Band mit dem ausgehärteten Lack auf die Hauptisolation aufgebracht werden. Es ist bevorzugt, dass der Lack ein Lösungsmittel, insbeson- dere Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Ethylacetat und/oder ein Alkan, insbesondere n-Pentan, n-Hexan und/oder n-Heptan, außerhalb und innerhalb der Mikrokapseln aufweist und das Polymerharz durch Verdunsten des außerhalb der Mikrokapseln sich befindenden Lösungsmittels ausgehärtet wird.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erfindungsgemäßer Glimmschutz vor

einer Beschädigung,

Figur 2 den Glimmschutz nach der Beschädigung und Figuren 3 und 4 den Prozess des Ausheilens der Beschädi ^¬ gung .

Wie es aus Figuren 1 bis 4 ersichtlich ist, weist ein Glimm- schütz 1, beispielsweise ein Außenglimmschutz und/oder ein Endenglimmschutz , für eine elektrische Maschine einen Lack 4 auf. Der Lack 4 weist ein erstes Polymerharz, in dem ersten Polymerharz dispergierte erste elektrisch leitfähige Partikel 6 und in dem ersten Polymerharz dispergierte Mikrokapseln 5 auf. Die Mikrokapseln 5 weisen in ihrem Inneren ein zweites Polymerharz auf. Es ist denkbar, dass der Lack einen anorganischen und elektrisch nicht leitfähigen Füllstoff, beispielsweise in Form von Nanopartikeln, aufweist, wobei der Füllstoff in dem ersten Polymerharz und/oder zweiten Polymer- harz dispergiert ist. Durch den Füllstoff lässt sich die Festigkeit des Glimmschutzes 1 gegenüber Teilentladungen erhöhen .

Die Mikrokapseln 5 können beispielsweise in einem Vertrop- fungsverfahren oder durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden. Das Wandmaterial der Mikrokapseln 5 kann Wachs, Poly- harnstoff-Formaldehyd und/oder Polyurethan aufweisen. Die Mikrokapseln 5 können einen mittleren Durchmesser von 10 ym bis 1500 ym haben. Die Mikrokapseln 5 können eine Wanddicke von 50 nm bis 3500 nm haben.

Der Lack 4 kann zweite elektrisch leitfähige Partikel aufwei ^¬ sen, die im Inneren der Mikrokapseln 5 angeordnet sind. Die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel können hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Größe gleich sein wie die ersten elektrisch leitfähigen Partikel 6. Denkbar ist auch, dass die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung gleich sind wie die ersten elektrisch leitfähigen Partikel 6, jedoch einen kleineren mittleren Durchmesser als die ersten elektrisch leitfähigen Partikel 6 haben. Damit können die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel einfacher in den Mikrokapseln 5 untergebracht werden. Beispielsweise können die ersten elekt- risch leitfähigen Partikel und/oder die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel Graphit, Ruß und/oder anorganische Par ^¬ tikel mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aufweisen. Es ist denkbar, dass die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Partikel höher als die elektrische Leitfähigkeit der ersten Partikel ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die elektrische Leitfähigkeit der ausgehärteten beschädigten Bereiche trotz einer geringeren Partikelkonzentration gleich hoch wie vor der Beschädigung ist.

Die Summe der Gewichtsanteile der Mikrokapseln 5 und der ers ^¬ ten halbleitfähigen Partikel 6 bezogen auf den Lack 4 beträgt beispielsweise von 10 % bis 50 %. Das Gewichtsverhältnis aus den Mikrokapseln 5 zu den ersten elektrisch leitfähigen Par- tikeln ist beispielsweise von 1 bis 10, insbesondere von 1 bis 2.

Beispielsweise sind das erste Polymerharz und/oder das zweite Polymerharz ein Copolymer. Das Copolymer kann beispielsweise ein Polymer auf Basis von Polyacrylat, insbesondere Acrylsäu- reester und/oder Acrylnitril, und/oder Polystyrol sein. Denkbar ist, dass ein Teil der Mikrokapseln 5 lediglich eins der Monomere des Copolymers und ein anderer Teil der Mikrokapseln 5 lediglich ein anderes der Monomere des Copolymers aufweist. Dadurch wird erreicht, dass erst bei einem Platzen der Mikro ^¬ kapseln 5 die beiden Monomere in Kontakt kommen und das zweite Polymerharz aushärten kann.

In einem anderen Beispiel kann das zweite Polymerharz ein Monomer aufweisen, das lediglich in einem Teil der Mikrokapseln 5 angeordnet ist. In einem anderen Teil der Mikrokapseln 5 kann ein Polymerisationsstarter angeordnet sein. Der Polymerisationsstarter kann in einem Lösungsmittel gelöst vorliegen. Dadurch wird erreicht, dass erst bei einem Platzen der Mikrokapseln 5 der Polymerisationsstarter und das Monomer in Kontakt kommen und somit das zweite Polymerharz aushärtet. Der Lack 4 kann einen Reaktivverdünner, wie beispielsweise 3- Ethyl-Oxetan-3-methanol oder cycloaliphatische Epoxide, auf ^¬ weisen. Der Reaktivverdünner kann mit dem ersten Polymerharz und/oder mit dem zweiten Polymerharz vermischt sein.

Die Mikrokapseln 5 können zusätzlich in ihrem Inneren elektrisch nicht leitfähige anorganische Nanopartikel aufweisen. Beispielsweise können die Nanopartikel Ti0 ₂ , Si0 ₂ , I ₂ O ₃ und/oder MgO aufweisen oder aus den vorgenannten Substanzen bestehen. Außerdem können die Mikrokapseln 5 in ihrem Inneren ein Lösungsmittel aufweisen, insbesondere Ethanol, n-Propa- nol, Isopropanol, Ethylacetat und/oder ein Alkan, insbeson ^¬ dere n-Pentan, n-Hexan und/oder n-Heptan. Denkbar ist, dass der Glimmschutz 1 ein poröses, elektrisch nicht leitfähiges Band aufweist, das von dem Lack 4 durch ^¬ tränkt ist. Das Band kann ein Gewebe und/oder ein Vlies auf ^¬ weisen. Das Gewebe und/oder der Vlies können Hohlfasern aufweisen. Das Vlies und/oder das Gewebe können Polyethylen- terephthalat (PET) , Polyester, Glas, Polyimid, Polyaramid, Polyamid, Polypropylen und/oder PTFE aufweisen.

Figuren 1 bis 4 zeigen, wie sich der erfindungsgemäße Glimmschutz in der elektrischen Maschine selbst heilt. Die elekt- rische Maschine weist einen elektrischen Leiter, eine Haupt ^¬ isolation, die den elektrischen Leiter umhüllt, und den

Glimmschutz 1 auf. Der Glimmschutz 1 weist eine radiale Außenseite 2 und eine radiale Innenseite 3 auf. Der Glimmschutz 1 ist auf die radiale Außenseite der Hauptisolation aufge- bracht, so dass die radiale Innenseite 3 an der radialen Au ^¬ ßenseite der Hauptisolation anliegt. Die radiale Außenseite 2 des Glimmschutzes 1 ist mit einem Blechpaket der elektrischen Maschine in Berührkontakt und kann durch diesen Berührkontakt, durch Fremdeinwirkung und/oder durch Teilentladungen beschädigt werden, wodurch, wie in Figur 2 dargestellt, ein beschädigter Bereich 7 entsteht. Durch die Beschädigung platzen die Mikrokapseln 5 auf und das in ihrem Inneren sich befindende zweite Polymerharz fließt in den beschädigten Bereich 7, wie es durch die Pfeile 8 in Figur 3 illustriert ist. Nach dem Aushärten des zweiten Poly- merharzes ist der beschädigte Bereich 7 gefüllt und damit ausgeheilt, wie es mit dem Bezugszeichen 9 in Figur 4 darge ^¬ stellt ist.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .