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Schmiegsames Wickelband
Nachdem heutigen Stand der Technik werden bei der Herstellung von Generatoren und grossen elek- trischen Maschinen eine Reihe von Verfahren angewendet, die es erlauben, aus Glimmerbändern nach dem sogenannten kontinuierlichen Verfahren eine Hochspannungsisolation aufzubauen. Die Glimmerbänderbestehenaus einem Träger, heute meist Glasseide, Glimmersplittings uder Glimmerpapier und einem Bindemittel. Früher wurden als Bindemittel der thermoplastische Asphalt oder Schellack verwendet, die heute mehr und mehr durch thermohärtende Bindemittel ersetzt werden.
Nach dem heutigen Stand der Technik wird ein derartiges Band auf das vorher verfestigte und ausgespachtelte Teilleiterbündelaufgewickelt. In den meisten Fällen wird der bewickelte Stab danach einem Imprägnierprozess unterworfen.
Die bei Niederspannungswicklungen dieser Art übliche Technik des Verklebens der Bänder durch einfaches maschinelles Pressen in einer sogenannten Spulenpresse konnte bei Hochspannungswicklungen bisher nicht mit gutem Erfolg durchgeführt werden. Die Bänder, deren dielektrische Eigenschaften den An- forderungen genügten, waren zu wenig schmiegsam, so dass sie sich nicht satt aufwickeln liessen, ohne beim Wickeln Luft einzuschliessen. Die Wicklung musste nachträglich zur Entfernung von Luft oder von eingeschlossenen Lösungsmitteln im Vakuum behandelt werden, und danach mussten die Poren mit einem niederviskosen, lösungsmittelfreienImprägniermittel gefüllt werden. Je grösser die Wickeldicken, desto umständlicher wurden die Verfahren.
Beim Verfahren unter Verwendung von Asphalt muss wegen der hohen Viskosität des Bindemittels selbst bei hohen Temperaturen die Vakuumbehandlung und Imprägnierung immer wieder wiederholt werden, sobald einige Lagen neues Band aufgewickelt sind. Bei neueren Verfah- renmit reaktiven Bindemitteln (deutsche Patentschrift Nr. 1000896) muss ein dünner Imprägnierlack verwendet werden. Da aber bei den für diesem Zweck verwendeten ungesättigten Polyesterharzen die Reaktion, die das Harz in einen festen Körper überführt, auch bei Raumtemperatur relativ rasch verläuft, ist man gezwungen, das Imprägniermittel zu kühlen.
Alle diese Verfahren erfordern also umfangreiche Autoklaven, um Stäbe von beliebiger Form und Grösse imprägnieren zu können. Zu den Autoklaven kommen die Heiz-und Kühleinrichtungen und beiden ungesättigen Polyestern die guten Ventilationseinrichtungen, um die Styroldämpfe abzusaugen, die für die Arbeiter gefährlich sind.
Nach einem andern Verfahren (franz. Patentschrift Nr. 1. 071. 178) müssen die Stäbe, deren Isolation bestimmte Epoxyharze als Bindemittel enthält, in einem Autoklaven mit einem Asphaltkompound als hydraulischem Druckmedium verpresst werden. Prozesse, bei denen mit Asphalt und Bitumen hantiert wird, gehören zu den schmutzigen Arbeiten, die meist teuer bezahlt werden müssen. Ein Autoklav mit Heizeinrichtung ist auch hier erforderlich.
Weiters ist auch schon das Einstreichen von lösungsmittelfreien Lacken oder Pasten empfohlen worden, was besonders ein maschinelles Wickeln erschwert ; wegen der herausquellenden und abtropfenden Überschüsse des Lackes handelt es sich auch hier um eine schmutzige Arbeit. Zudem ist man bei dieser Vorgangsweise nie sicher, ob wirklich die Hohlräume gefüllt werden. Eine zu grosse Menge an Imprägnier-
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mittel ist nicht erwünscht, da der Glimmer als Dielektrikum den mengenmässigen Hauptteil der Isola- tion ausmachen sollte und Träger und Harz nur zur Verarbeitung notwendige Hilfsmittel darstellen.
Ein Verfahren zum direkten Aufwickeln und Pressen der Stäbe in einer Spulenpresse wurde in der
Schweizer Patentschrift Nr. 361601 erwähnt. Doch hat sich gezeigt, dass sich die nach diesem Verfahren erhaltenen Stäbe bei über 1000C aufblähen.
Es ist auch bereits bekannt, Hochspannungsisolationen unter Verwendung eines porösen Trägermaterials und einem Bindemittel in der Form einer Kombination von Epoxyharz und Sebazinsäurederivaten her- zustellen. Diese bekannte Ausführung bedingt aber einerseits lange Härtungszeiten und weist anderseits infolgederKombination von Epoxyharz undSebazinsäurederivaten nicht genügend guteelektrischeEigen- schaften auf.
Ferner ist auch schon eine Nutenstabisolation für elektrische Maschinen vorgeschlagen worden, bei der flüssiges Äthoxylinharz in Verbindung mit einer als mechanischer Träger dienenden Isolierbahn zur Ver- wendung gelangt. Gemäss diesem Vorschlag ist aber, wenn qualitativ hochwertige Isolationen erzielt werden sollen, eine Vakuumimprägnierung erforderlich. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ausführung besteht darin, dass sie sich ohne Zuhilfenahme eines Lösungsmittels nicht realisieren lässt.
Schliesslich ist auch schon eine Vakuumimprägnierung in Verbindung mit einem Epoxyharz bekannt, die infolge des Fehlens eines geeigneten Härtungsmittels praktisch nicht brauchbar ist.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich ein neuartiges Wickelband herstellen lässt, das sehr flexibel ist, die erforderliche Bindemittelmenge enthält, sich gut maschinell auf die Stäbe aufwickeln lässt, sich beim Wickeln dermassen gut Lage an Lage anschmiegt, dass nach dem Kalibrieren, Pressen und Aushärten des Stabes eine tadellose Hochspannungsisolation entsteht, deren Verlustwinkel innerhalb des Spannungsbereiches bis mindestens 20 kV praktisch linear verläuft. Auch der dielektrische Verlustfaktor tgö desneuen Wickelbandes nimmt mit der Temperatur bei konstanter Spannung bis 1300C bei optima- len Arbeitsbedingungen nur sehr wenig zu. Die mit dem erfindungsgemässen Wickelband erzielten Isolationen sind sehr gut und verbacken und kleben gut auf einem Teilleiterbündel. Die Dehnungen der metallischen Leiter, z.
B. des Kupfers, werden von Isolationen innerhalb des praktisch vorkommenden Temperaturbereiches aufgenommen. Die Alterungsbeständigkeit der Stäbe gehört zu den besten bisher erreichbaren.
DieErfindungbetrifft ein schmiegsames Wickelband für Hochspannungsisolation, insbesondere für die Leiterisolation, bestehend aus fibröser, gewebter oder ungewebter Trägerbahn, Glimmer und einem Bindemittel auf Epoxyharzbasis, welches erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bindemittel aus einem Epoxyharz ohne Weichmacher besteht, mit einem Epoxyäquivalent von 150bis400, einer Viskosität von mindestens 500 cps bei 500c und einem Schmelzpunkt von weniger als 500C und mindestens einem Anhydrid und bzw. oder latenten Härter.
Das Trägermaterial kann ein mit Harzen oder Lacken gut imprägnierbares oder tränkbares Gewebe oder eine ebenfalls mit Harzen oder Lacken gut imprägnierbare oder tränkbare ungewobene Bahn mit guter Wärmebeständigkeit sein und besieht vorzugsweise aus einem Glasseidengewebe mit genügender mechanischer Festigkeit, um die Zugbeanspruchung während des Wickelns und der nachfolgenden Behandlung bis zur Verfestigung des Harzes auszuhalten. Als solches Glasseidengewebe eignet sich besonderseinGlasseidengewebe mit zirka 40 g/m2 Flächengewicht bzw. 0, 04 mm Dicke.
Statt Glasseidengewebe können genügend wärmebeständige Gewebe aus Kunstfasern, z. B. Polyesterfasergewebe, oder Mischgewebe solcher Fasern mit Glasfasern verwendet werden.
AlsAnhydridhärter kommen z. B. Phthalsäureanhydrid, eutektische Gemische von Anhydriden teilweise hydrierterPhthalsäurenusw. in Frage, während als latente Härter z. B. BF3 gewisse Komplexverbin- dungen davon, Dicyandiamid u. dgl. verwendet werden können.
AlsGlimmerkönnenSplittings oder Glimmerpapier verwendet werden. Es ist wichtig, dass das Glim- merpapiervonsaugfähigerQualitätist. Vorzugsweise enthält das erfindungsgemässe Wickelband 301o Glimmer.
Das Bindemittelfür dieses Band muss zuerst rein äusserlich folgende Bedingungen erfüllen.
1. Es muss schmiegsam sein, damit sich ein damit hergestelltes Band bei allen vorkommenden Wicklungsarten gut anschmiegt.
2. Es darf nicht so dünnflüssig und klebrig sein, dass das damit hergestellte Band sich in der Rolle mit sich selbst oder mit einer Folienzwischenlage verklebt. Anderseits darf das Band auch nicht vollständig trocken sein, damit es beim Wickeln, wenn der Wickelzug nachlässt, sich nicht wieder löst, sondern haften bleibt.
3. Es muss zwischen Träger und Glimmer eine gute, möglichst blasenfreie Verbindung zustandekom- men.
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4. Ferner muss das Bindemittel irl1 Band noch in einem härtbaren Zustand vorliegen.
5. Der Härter des Harzes darf während der Zeit zwischen der Herstellung des Wickelbandes und der Verwendung desselben, d. h. einer Zeit von mindestens 6 Monaten, nur möglichst wenig reagiert haben, zerstört worden sein oder hinsichtlich sonstiger Eigenschaften für die Verwendung unbrauchbar geworden sein.
6. Eine mit dem erfindungsgemässen Band hergestellte Isolation muss nach für derartige Zwecke üblicher Aushärtung einen von der Temperatur innerhalb des für einen Generator oder eine Maschine in Be- tracht kommenden Gebiets von 20 C bis 1200C wenig abhängigen tgö zeigen. Der tgö Wert soll bei- spielsweise bei 100ÒC und bei zunehmender Spannung 10 :'/0 nicht übersteigen. Auch von der Spannung soll der tg6 bis 20 kV nur wenig abhängig sein. Der Anstieg des Wertes von tg6/kV sollte nicht mehr als 2% betragen.
7. Die mit dem erfindungsgemässen Band hergestellte ausgehärtete Isolation muss die Dehnungen des Leiters und des Blechpaketes im Betrieb elastisch aufnehmen können, so dass auch bei langjährigem Betrieb keine Risse auftreten.
8. Die mit dem erfindungsgemässen Band hergestellte ausgehärtete Isolation darf in der Wärme nicht erweichen, sich nicht plastisch deformieren oder abblättern und darf sich vom metallischen Leiter nicht loslösen.
9. Im Innern der Isolation darf auch bei langer Betriebsdauer kein gasförmiges Produkt abgespalten werden, das die Isolation sprengt und einen Ansatzpunkt für die anschliessende Zerstörung durch Ionisation liefert.
Man kann die Klebetemperatur sehr gut durch Bestimmung des Klebepunktes auf der Koflerbank bestimmen. Die Koflerbank, z. B. hergestellt von der Firma REICHERT in Wien, dient in Chemielaboratorien zur Bestimmung von Schmelzpunkten. Der wesentliche Teil ist eine Stahlleiste, die einen Tempera- turgradienten von zirka 50 C bis 2500 C aufweist, mit einer zugehörigen Temperaturskala. Wenn man das zu prüfende Material, dessen Bindemittel klebt oder im angegebenen Temperaturbereich schmilzt, zwischen zwei dünnen Papieren während 10 sec mit einem weichen Drücker gegen seinesgleichen anpresst, werden die Materialien zum Kleben gebracht.
Beim Versuch, nachher das Material und das Papier von der kalten Seite her wieder zu trennen, stellt man fest, dass die beiden Materialien von einer bestimmten Stelle an untereinander verklebt sind und bei der Trennung zerreissen. Die dieser Stelle entsprechende Temperatur kann mit Vorteil zur Ermittlung der für die Anwendung günstigsten Klebetemperatur verwendet werden.
Für den genannten Zweck sind wie gesagt Harze geeignet, die bei 50 C eine Viskosität von mindestens 500 cps besitzen. Die Harze müssen bei einer Temperatur von weniger als 500C nach ASTM E 2858 T noch nicht schmelzen. Das Weichmachen eines höher als 50 schmelzenden Harzes durch Zusatz äusserer Weichmacher ist wegen der Verschlechterung der Werte des tgö beihöherenTemperaturenausgeschlos- sen. Die Epoxyäquivalente geeigneter Harze liegen etwa im Gebiet von 150 bis 400. Je nach den an das Wickelband gestellten Forderungen wird man die Wahl des Epoxyharzes vornehmen. Die Bisphenol-Epoxyharze eignen sich, wenn die Werte des tg6 beispielsweise bei über 100 C und zunehmender Spannung 10 :'/0 übersteigen dürfen.
Der Verlauf der Kurven bei cycloaliphatischen Epoxyharzen ist im allgemeinen flacher und liegt bei niedrigeren Werten des tg6 ; die heute zur Verfügung stehenden Typen erfordern aber eine zu lange Härtungszeit in der Spulenpresse. Als besonders günstig für die erfindungsgemässen Wickel- bänder haben sich Epoxyharz mit Glycidyl-phenyläther-gruppierungen erwiesen, da diese unter vergleichbaren Bedingungen mit Anhydridhärtern und latenten Härtern immer gegenüber Bisphenolharzen höhere Verformungstemperaturen nach ASTM D 648-56 besitzen und in relativ kurzer Zeit mit den Härtern so weit reagieren, dass sie formstabil sind. Man kann also in diesem Fall eine Isolation einigestunden in der Spulenpresse behandeln und die vollständige Aushärtung, jenach Bedarf, in einem Ofen durchführen.
Die oben genannten Typen von Epoxyharzen sind in einem Artikel von H. Batzer und E. Nikles in Chimia, Band 16, Seite 57 (1962) beschrieben.
Zu den Bisphenol-Epoxyharzen gehören z. B."Araldite F" (Viskosität bei 500C = 600 cps),"Araldite 6005,6010 und 6020"von Ciba,"Epon 828" (Viskosität bei 500C = 800 cps), "Epon 834" (Viskosität bei 700C = 1000 cps), "Epon 836" (Schmelzpunkt 500C) von Shell, "DER 332 und 330"von Dow,"ERL 3794 und 2774" der Union Carbide, "Epi-Rez 510" von Jones-Dabney und "EpotUf 614. 0" von Reichhold.
Zu den cycloaliphatischen Epoxyharzen gehören"Epoxyde 201"von Union Carbide,"Unox 207"von Union Carbide und"X 200/8766"von Ciba.
Harze mit Glycidylgruppen sind u. a."DEN Epoxy 438"von Dow."Epophen 1313 < x von Leicester, Lovell Co, und"Epotuf ED-1005"von Reichhold.
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Die Härtung kann wie gesagt mit Säureanhydriden, mit latenten Härtern oder Kombinationen beider durchgeführt werden. Man wird in erster Linie solche Härter wählen, mit denen relativ hohe Erweichungstemperaturen der gehärteten Isolation erreicht werden können. Als latente Härter eignen sich solche, die auf der Basis von Lewis-Säuren aufgebaut sind. d. h. Substanzen, die ein Elektronenpaar aufnehmen kön- nen. (G. N. Lewis, ValenceandStructureof AtomsandMolecules, ACSMonograph Series New York 1923).
Die Fabrikation der Wickelbänder kann in Bahnform entsprechend der Breite auf konventioneller Maschinen erfolgen. Aus der Bahn können dann die Bänder geschnitten werden, die später zur Isolation ver- wendetwerden. DieVerarbeitung des Bandes kannebenfalls nach den in der Elektrotechnik bekannten Verfahren erfolgen. Selbstverständlich kann man, anstatt mit Bändern zu arbeiten, das Material in Bahnen nach dem sogenannten Foliumverfahren verwenden.
Beispiel l : Es wird nach bekannten Verfahren ein Band hergestellt aus einem Glasseidenträger, z. B. 0, 07 mm dick, einer Glimmerpapierschicht, z. B. 0,05 mm dick, und einem Bindemittel, zusammengesetzt aus DER 332, einem Epoxyharz mit Schmelzpunkt 45 C, und einem eutektischen Gemisch von Hexahydrophthalsäureanhydrid und Phthalsäureanhydrid als Härter. Das Harz-Härtergemisch wird in äquivalenten Mengen aus einer Lösung z. B. in Aceton auf den Träger und das Glimmerpapier aufgetra- gen und das Lösungsmittel bei Temperaturen um 1000C verdunstet, so dass kein Härterverlust entsteht. Die aufgetragene Festkörpermenge macht 40ufo des Gesamtgewichtes aus.
Das Band besitzt eine Klebetemperatur von 100cC. Eine nach gebräuchlichen Verfahren hergestellte Wicklung besitzt eine Funktion des tgö bei konstanter Spannung wie in Fig. l dargestellt.
Beispiel 2 : Es wird nach bekannten Verfahren ein zirka 0,08 mm dickes Band aus einem Mischgewebe aus Glas und Terylenfibern als Träger mit einer Schicht Glimmersplittings kombiniert. Die beiden Materialien werden mit einer Lösung getränkt, die aus Epikote 828, einem Bisphenol-Epoxyharz von
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undMethyl-endo-methylen-ietrahydrophthalsäuresnhydridinstö-Polyäthylenzwischenlage aufgewickelt werden kann. Man kann mit diesem Material einen Leiter isolieren. Die Klebetemperatur beträgt 40 C. Das Band schmiegt sich gut an, springt beim Nachlassen des Wickelzuges nicht los und lässt sich durch Kalibrieren und Pressen in eine feste Isolation überführen, die bei richtiger-Ausführung eine Funktion des tgÏ wie in Fig. 2 zeigt.
Beispiel 3 : Wie in Beispiel 1 wird ein Band hergestellt, dessen Bindemittel aus Epophen 1315, einem Phenyl-glycidyl-gruppen enthaltenden Harz, mit einer Viskosität von 75 000 cps bei 500C und einem Epoxyäquivalent von 180 und als Härter 1%, auf das Harz gerechnet, des Komplexes aus BF und Monoäthylamin besteht. Diese Bestandteile ergeben ein Band mit einer KlebetemperatUr von 500C. Durch Wickeln, Kalibrieren und Pressen erhält man eine Isolation, deren tgc5 der Fig. 3 entspricht. Dieses Bild verändert sich auch nicht, wenn man diese Isolation Zyklen von Erwärmung bis 2000C und Abkühlung auf Raumtemperatur unterwirft. Dadurch ist erwiesen, dass die Isolation die Dehnung des Metalls in der Wärme mitmacht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schmiegsames Wickelband für Hochspannungsisolation, insbesondere für die Leiterisolation, bestehend aus fibröser, gewebter oder ungewebter Trägerbahn, Glimmer und einem Bindemittel aufEpoxyharzbasis, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus einem Epoxyharz ohne Weichma- cher besteht, mit einem Epoxyäquivalent von 150 bis 400, einer Viskosität von mindestens 500 cps bei 50 C und einem Schmelzpunkt von weniger als 50 C und mindestens einem Anhydrid und bzw. oder latenten Härter.
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