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Belag zur Ausgleichung des Potentialgradienten längs der
Fläche einer elektrischen Isolation
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Belag zur Ausgleichung des elektrischen Potentialgradienten, der auf der Fläche einer elektrischen Isolation entsteht, besonders auf der Fläche isolierter elektrischer Leiter wie z. B. auf den Wickelköpfen elektrischer Maschinen oder auf Hochspannungsdurchführungen.
Wenn der elektrostatische Potentialgradient längs der Fläche einer von Luft oder einem andern Gas umgebenen elektrischen Isolation einen bestimmten Wert überschreitet, entsteht eine Koronaentladung, d. h. eine Gasentladung, die die Fläche der elektrischen Isolation und den Isolierstoff zerstören und einen Durchschlag zur Folge haben kann. Dieses Phänomen ist besonders gefährlich bei Hochspannungsmaschinen mit in Nuten verlegten Wicklungen, in welchen zwischen der Fläche der aus dem Eisenkern austretenden Wickelköpfe und dem Eisenkern ein sehr grosser Potentialgradient entsteht, der Koronabildung verursacht, und auch bei Hochspannungsdurchführungen.
Um den auf der Fläche isolierter elektrischer Leiter in elektrischen Maschinen und Geräten auftretenden Potentialgradient auszugleichen, und dadurch Koronabildung zu verhindern, ist bisher die Fläche der Isolation gewöhnlich mit einem elektrisch leitenden Belag versehen worden, der einen zweckmässigen Leitungswiderstand zwischen den Leitungswiderstandswerten für gute Nichtleiter und metallische Leiter hat. Die bisher verwendeten Beläge bestehen gewöhnlich aus einem geeigneten Bindemittel, in welches z. B. Graphit, Holzkohle, Anthrazit oder Kienruss gemengt sind. Es hat sich indessen erwiesen, dass diese Beläge meistenteils den Potentialgradient nicht hinreichend ausgleichen können um die Koronabildung zu verhindern.
Die Ursache wird am einfachsten im Anschluss an die beigefügte Zeichnung erklärt, in welcher Fig. 1 im Querschnitt eine aus dem Stator einer elektrischen Maschine austretende Wicklung schematisch darstellt. Der stromführende Leiter 1 ist in üblicher Weise mit einer Isolation 2 umgeben und ragt aus dem Eisenkern 3 der Maschine heraus. Wenn keine speziellen Anstalten getroffen werden, nimmt die isolierte Fläche des Wickelkopfes annähernd dasselbe Potential wie der Leiter an, weshalb ein sehr grosser Spannungsgradient zwischen dem geerdeten Eisenkern und der Fläche der Isolation des Wickelkopfes entsteht, was eine kräftige Koronabildung verursacht.
Um dies zu verhindern ist es, wie schon erwähnt, üblich, den dem Eisenkern am nächsten liegenden Teil des Wickelkopfes, mit einem elektrisch leitenden Flächenbelag 4 einiger der obenerwähnten Arten zu versehen. Es ist offenbar, dass dabei von jedem Punkt auf dem Teil des Leiters 1, der innerhalb des Glimmschutzbelages 4 liegt, ein Ableitungsstrom zu dem Belag 4 und danach zu dem geerdeten Eisenkern 3 fliesst.
Die Stromstärke in dem Belag steigt folglich von dem äusseren Ende des Belages nach dem Eisenkern zu progressiv an, und da alle bisher vorgeschla- enen und verwendeten Beläge einen von dem Strom und der Spannung annähernd unabhängigen Leitungswiderstand haben, entsteht ein viel grösserer Potentialgradient an der Stirnfläche des Eisenkerns als an dem äusseren Ende des Glimmschutzbelages. Die Kurve A in Fig. 2 der Zeichnung zeigt, wie das Potential jes Glimmschutzbelages mit dem Abstand von der Stirnfläche des Eisenkerns bei einem Belag der bisher verwendeten Art variiert. Das Potential des Leiters ist in Fig. 2 mit U bezeichnet.
Aus Fig. 2 geht hervor, lass die bekannten Beläge den Potentialgradient nur unbeträchtlich ausgleichen können, und dass in der ähe der Stirnseite des Eisenkerns ein grosser Potentialgradient und die Gefahr für Koronabildung fortbesteht. Auch wenn dieser Potentialgradient bei der normalen Betriebsspannung der Maschine den erlaubten
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Grenzwert nicht überschreitet, ist offenbar nur eine geringe Spannungserhöhung erforderlich, um den Po- tentialgradient derart zu vergrössern, dass Koronabildung entsteht. Es ist deshalb bisher sehr schwer gewe- sen, einenGlimmschutz hervorzubringen, der sowohl bei Betriebsspannung als auch bei Prüfspannung wirk- sam ist.
Zwar kann der Potentialgradient in der Nähe des Eisenkerns dadurch vermindert werden, dass der
Leitungswiderstand des Belages vermindert wird, wobei indessen das äussere Ende des Belages ein Potential annimmt, das niedriger als das Potential des Leiters ist, weshalb ein grosser Potentialgradient und die Ge- fahr für Koronabildung in diesem Punkt entsteht. Aus dem vorstehenden geht hervor, dass die früher ver- wendeten Beläge nur innerhalb eines verhältnismässig engen Spannungsbereiches wirksam sind, und dass ihre Wirkung von dem Leitungswiderstand, d. h. der Zusammensetzung, und der Dicke des Belages stark abhängig ist.
Wie weiters aus dem Artikel"Beitrag zur Isolierung von Hochspannungsmaschinen"von W. Eberspächer und H. Stach in der Siemens-Zeitschrift, März 1934, S. 88 - 93, hervorgeht, wurden zur Vergleichmässigung des Potentialgradienten auch schon Anstriche mit halbleitenden Massen, z. B. unter Verwendung von
Siliziumcarbid oder mit solchen Stoffen imprägnierte Asbestbänder verwendet. Diese Anstriche bzw. Bän- der ergeben, wie die Fig. 11 und 16 dieses Artikels erkennen lassen, einen spannungsabhängigen Widerstand, wodurch die Feldverteilung homogenisiert wird. Schliesslich ist es auch aus der deutschen Patentschrift Nr. 452448 bekanntgeworden, für den gleichen Zweck bandförmige Widerstände zu verwenden, bei denen ein Carborundum-Lack-Gemisch auf einen biegsamen Stoff aufgetragen ist.
Es ist nun bekannt, dass der Stromfluss zwischen den Körnern des Siliziumcarbids (Carborundum) ein komplizierter Vorgang ist, und der die Spannungsabhängigkeit charakterisierende Exponent von mehreren Komponenten wie Korngrösse, Strombelastung, gegenseitige Anordnung der Körner usw. abhängt. Zur Erzielung befriedigender Ergebnisse ist daher die Natur des die Widerstandskörner aufnehmenden Bindemittels von ausschlaggebender Bedeutung.
Die Erfindung zielt darauf hin, einen einfach herstellbaren Belag für die genannten Zwecke zu erstel - len, der einen ausreichenden spannungsabhängigen Widerstand besitzt und auch verlässlich beibehäit. Erfindungsgemäss besteht der Belag aus einem Epoxydharz als härtbares Bindemittel, in welches Siliziumcarbid in disperser Form eingeengt ist.
Dadurch, dass die Widerstandskörner in disperser Form in das härtbare Epoxydharz eingemengt sind, wird eine Suspension gebildet, die wie ein Lack auf die Fläche, deren Potentialgradient ausgeglichen werden soll, aufgebracht werden kann. Epoxydharz ist ein Bindemittel, das von allen bekannten beim Härten am wenigsten schrumpft, doch ausreichend genug, um die eingemengten leitenden Partikel zusammenzupressen, so dass leitende Kontakte zwischen ihnen entstehen. Anderseits hat die geringe Schrumpftendenz den Vorteil, dass sich im Belag keine Risse bilden, welche die Widerstandswirkung wieder zdnichte machen würden.
Statt den Belag wie einen Lack unmittelbar auf den zu schützenden Leiter anzubringen, kann das Belagmittel nach der Erfindung zunächst auf ein Band aufgebracht werden, das danach um die Isolation des Leiters gewickelt wird, wonach die Härtung des Bindemittels vorgenommen wird. Bei diesem Verfahren ist es vor allem einfacher, die Dicke desBelages zu überwachen.
In Fig. 1 verursacht folglich die grosse Stromstärke durch den Belag 4 in der Nähe des Eisenkerns 3 nicht einen grösseren Spannungsabfall als die niedrige Stromstärke durch den äusseren Teil des Belages, weshalb die Potentialverteilung längs des Belages annähernd linear wird, wie die Kurve B in Fig. 2 zeigt.
Da der Leitungswiderstand des Belages in jedem Punkt automatisch den am besten geeigneten Wert unabhängig von dem Potential des Leiters, d. h. von der Spannung der Maschine, annimmt, bewirkt der Belag nach der Erfindung automatisch eine befriedigende Ausgleichung des Potentialgradienten bei innerhalb weiten Grenzen variierender Spannung des Leiters.
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