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Kunstharzschichtstoffrohr zur elektrischen Isolierung, insbesondere
von Sammelschienen Die Erfindung bezieht sich auf aus Kunstharzschichtstoffen hergestellte
rohrförmige Teile, die zur Isolierung für elektrische Geräte geeignet sind. Insbesondere
befaßt sich die Erfindung mit solchen Rohrstücken, die zur Isolation von Sammelschienen
verwendet werden, um Koronaerscheinungen zu vermeiden.
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Die Bildung von Korona in elektrischen Geräten begrenzt die zulässige
Spannung, da die Koronaerscheinungen zu einer Zerstörung der organischen Isolation
von Hochspannungsteilen führen, die der Luft oder anderen gasförmigen Medien ausgesetzt
sind. Koronaerscheinungen entstehen in elektrischen Geräten, wenn an der Oberfläche
einer elektrischen Isolierschicht, die der Luft oder einem anderen Gas ausgesetzt
ist, ein solcher elektrostatischer Spannungsgradient (eine solche Feldstärke) auftritt,
daß die Moleküle der Luft bzw. eines anderen Gases chemisch wie elektrisch in hohem
Maße angeregt werden. Bei bestimmten Spannungsradienten werden aus der Luft Ozon
und Stickstoffoxyd gebildet, die mit Wasserdampf reagieren und oxydierende Säuren
bilden, die organische Isolierstoffe zerstören können. Da aber organische Isolierstoffe
den Hauptteil der Isolation in heute üblichen elektrischen Geräten bilden, begrenzt
damit die Korona die zulässigen Leiterspannungen in diesen Geräten. Die Verwendung
von Spannungen oberhalb der Grenzwerte, bei denen die Korona einsetzt, kann eine
derartig zerstörende Wirkung auf organische Isolierstoffe von elektrischen Leitern
ausüben, daß in einigen Fällen in der Zeit von nur wenigen Monaten die Isolation,
sofern sie ganz aus organischen Stoffen besteht, zerstört werden kann oder aber
so stark beschädigt wird, daß sie überbrückt ist und den beabsichtigten Zweck nicht
mehr erfüllt.
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Für die Isolation von Sammelschienen, z. B. von Sammelschienen in
Schaltanlagen, haben sich rohrförmige Teile aus Kunstharzschichtstoffen als außerordentlich
geeignet erwiesen. Solche Rohrteile werden vielfach als Sammelschienenabdeckungen
oder Sammelschienenrohre bezeichnet. Bisher wurden solche Rohre, um sie vor den
zerstörenden Wirkungen der Korona zu schützen, an der Innenfläche mit einem schwachleitenden
Überzug, z. B. einem schwachleitenden Anstrich, der ein leitendes Material enthielt,
versehen.
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Diese schwachleitenden Anstriche sind jedoch nur schwierig aufzubringen.
Ihre Verwendbarkeit ist deshalb recht begrenzt. Insbesondere ist es schwierig, sie
auf die Innenfläche von Rohrteilen mit einem nur geringen Querschnitt als im wesentlichen
gleichmäßigen und deckenden Anstrich aus schwachleitender Farbe aufzubringen.
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Außerdem wird ein solcher schwachleitender Überzug oft zerkratzt,
zerbrochen oder anderweitig entfernt oder beschädigt, wenn die Sammelschienenabdeckung
über die Sammelschiene geschoben wird. Dieser Zustand ist äußerst unbefriedigend,
da die Stellen der Sammelschienenabdeckung, die auf diese Weise den Überzug verlieren,
den zerstörenden Wirkungen der Korona ausgesetzt sind, so daß sich oft sehr schnell
Fehler der Isolationseigenschaften der Sammelschienenabdeckungen ergeben.
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Ziel der Erfindung ist es, aus Kunstharzschichtstoff hergestellte
Rohrteile zu schaffen, die für die Verwendung an elektrischen Leitern, insbesondere
an Sammelschienen, dadurch besonders geeignet sind, daß sie die Koronabildung bei
diesen Leitern verhindern. Dies wird mit einem Kunstharzschichtrohr zur elektrischen
Isolierung, das aus mehreren Lagen eines mit einem Kunstharz imprägnierten Trägerstoffes
besteht und innen eine schwachleitende Schicht aufweist, dadurch erreicht, daß die
schwachleitende Schicht durch einen Zusatz von amorphem Kohlenstoff zu dem Harz
von mindestens einer Lage des Trägerstoffes gebildet ist.
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Durch die Erfindung erhält die schwachleitende Schicht die gleiche
hohe mechanische Festigkeit wie der isolierende Teil des Schichtstoffkörpers. Das
vorbeschriebene Abkratzen oder Abplatzen der schwachleitenden Schicht bei der weiteren
Verarbeitung des
Kunstharzschichtstoffkörpers ist damit ausgeschlossen.
Dieser Vorteil wird bereits bei einer geringen Dicke der schwachleitenden Schicht
erreicht. Die Dicke braucht nicht größer zu sein als einer Lage des Trägermaterials
entspricht. Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung vorteilhaft von einem bekannten
Gießharzkörper, der aus mehreren mit unterschiedlichen Füllmitteln versehenen Schichten
besteht. Die gegossenen Schichten des bekannten Körpers, die im Gegensatz zur Erfindung
nicht unterschiedliche Leitfähigkeiten, sondern unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten
aufweisen sollen, können nicht so dünn hergestellt werden, wie die schwachleitende
Schicht nach der Erfindung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer
Einrichtung, die für das Auftragen eines Harzüberzuges auf die als Träger eines
Schichtstoffes dienenden Bahnen, z. B. Fasermatten, geeignet ist, F i g. 2 in vergrößertem
Querschnitt Papierbahnen, die mit Harz im B-Zustand (Resol) versehen sind, F i g.
3 das Rollen eines Rohres in perspektivischer Ansicht, F i g. 4 in perspektivischer
Ansicht ein fertiggestelltes Rohr, F i g. 5 den Querschnitt einer Sammelschiene
mit einem Rohr als Sammelschienenabdeckung.
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Die Rohre nach der Erfindung bestehen aus einer schwachleitenden inneren
Schicht und einer äußeren nichtleitenden oder Isolierschicht. Die rohrföhnigen Teile
nach der Erfindung werden so hergestellt, daß zumindest eine Lage einer Faserbahn
mit einem reaktionsfähigen schwachleitenden Phenolharz behandelt und auf einen Dorn
aufgewickelt wird. Auf diese Weise wird die innere Schicht hergestellt. Danach wird
eine äußere, nichtleitende Schicht aufgebracht, indem Faserbahnen mit reaktionsfähigem
Phenolharz über die zuerst gebildete Schicht aufgewickelt werden. Das so zusammengesetzte
Rohr wird dann durch eine Warmhärtung gehärtet. Dann wird das Rohr von dem Dorn
abgestreift und die äußere Schicht kann dann, falls erwünscht, mit Maschinen bearbeitet
werden. Die innere und die äußere Schicht des zusammengesetzten Rohres nach der
Erfindung werden vorzugsweise mit Hilfe von Papier, z. B. Kraftpapier, Alphazellulosepapier
oder einem gleichwertigen festen Papier, hergestellt, das mit einem Phenolharz behandelt
wird. Dadurch ergibt sich ein zusammengestztes Rohr außerordentlich guter Festigkeit
und guter elektrischer Eigenschaften. Es können auch andere Faserbahnen verwendet
werden, wie z. B. Baumwolle, Segeltuch oder Batist.
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Zur Verwirklichung der Erfindung können bekannte warmhärtende Phenolharze
verwendet werden. Solche Harze werden aus Phenol, Kresol oder Kresolsäure hergestellt,
das mit einem Aldehyd, wie z. B. Acetaldehyd, Formaldehyd, Parafohnaldehyd oder
anderen Polymeren von Formaldehyd üblicherweise in Gegenwart eines alkalischen Katalysators,
wie z. B. Ammoniak, Natriumhydroxyd, Kalziumoxyd oder Bariumdroxyd, reagiert. Als
flüchtiges Lösungsmittel kann Äthanol, Methanol, Toluol oder Xylol zugesetzt werden,
um einen imprägnierfähigen Lack zu erhalten. Der Feststoffgehalt des Lackes kann
von 20 bis zu 60 Gewichtsprozent variiert werden. Zur Herstellung des zusammengesetzten
Schicht Stoffes nach der Erfindung wird vorzugsweise ein Phenolharz verwendet, das
nicht nur gute physikalische und elektrische Eigenschaften besitzt, sQndern außerdem
gute flammwidrige Eigenschaften aufweist. Daher können die Rohre nach der Erfindung
vorteilhaft auch in Schaltgeräten und ähnlichen elektrischen Apparaten verwendet
werden, die unter Umständen dem beim öffnen elektrischer Kontakte entstehenden Lichtbogen
ausgesetzt sind. Ein für die Erfindung besonders geeignetes Harz ist das in der
USA.-Patentschrift 2 801672 angegebene Phenol-Dicyandiamid-Formaldehyd-Harz.
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Das genannte Phenol-Dicyandiamid-Fohnaldehyd-Harz wird auch vorzugsweise
zur Herstellung der Harzlackmischung für die schwachleitende innere Schicht des
rohrförmigen Schichtstoffes nach der Erfindung verwendet. Jedem Gewichtsanteil des
Phenol-Dicyandiamid-Formaldehyd-Harzes werden ungefähr 0,05 bis 0,10 Gewichtsteile
eines amorphen Kohlenstoffes zugesetzt. Als Kohlenstoff werden vorzugsweise feinverteilter
Ruß, z. B. Azetylenruß, Graphit, Holzkohle, gemahlener Koks oder Mischungen hiervon
verwendet. Vorzugsweise wird von den obengenannten Kohlenstoffen Azetylenruß für
die Erfindung verwendet.
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Um eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Rußes über dem
Imprägnierlack zu erreichen, wird empfohlen, ungefähr 5 bis 9 Gewichtsprozent eines
emulgierenden Stoffes zu verwenden. Die Gewichtsprozente beziehen sich dabei auf
das Gewicht des Rußes. Als Beispiel geeigneter emulgierender Stoffe seien genannt:
Kalziumstearit, Monoäthanololeat, Aminoäthanolamin, Kaliumstearit u. dgl.
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Im folgenden ist ein Beispiel eines imprägnierfähigen schwachleitenden
Lackes angegeben, der zur Behandlung von faserigen Bahnen für die Zwecke der Erfindung
geeignet ist. Beispiel I Auf l03 kg des Phenol-Dicyandiamid-Fohnaldehyd-Harzlackes
werden 3,17 kg Azetylenruß, 0,227 kg Kalziumstearit und 20,65 kg 950%iges Äthanol
zugefügt. Diese Mischung wird in eine Kugelmühle gegeben und mindestens 1 Stunde,
vorzugsweise mehr als 3 Stunden, gemahlen. Dadurch erhält man eine imprägnierfähige
Lackmischung, bei der die Azetylenrußkomponente im wesentlichen gleichmäßig verteilt
ist. Der Lack hat bei 25° C ein spezifisches Gewicht von ungefähr 1,050 bis etwa
1,160, eine Viskosität von ungefähr 300 bis 800 cP, einen reproduzierbaren Feststoffgehalt
von ungefähr 54 bis 56 %.
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Wie die F i g. 1 der Zeichnung zeigt, ist mit 10 ein Apparat
für die Behandlung von faserigen Bahnen mit Harzmischungen nach der Erfindung bezeichnet.
An einem Ende des Apparates 10 ist eine Rolle 12 vorgesehen, auf die eine
gewisse Länge Papier 14
aufgewickelt ist. Das Papier kann entweder Kraftpapier,
Alphazellulosepapier oder ein gleichwertiges festes Papier sein. Für die Zwecke
der Erfindung wird vorzugsweise Kraftpapier mit einer Dicke von ungefähr 0,076 bis
0,152 mm verwendet.
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Das Papier 14 wird von der Rolle 12 abgezogen und in
eine Lacktränkpfanne 16 unterhalb einer Rolle 18 geführt, die in den Imprägnierlack
20 eintaucht. Als Imprägnierlack 20 dient der Phenol-Dicyandiamid-Formaldehyd-Harzlack
nach derUSA.-
Patentschrift 2 801672 oder der schwachleitende
Lack nach dem vorstehenden Beispiel 1, je nachdem, ob das zu imprägnierende Papier
als innere schwachleitende Sicht oder als äußere Isolierschicht des rohrförmigen
Teiles nach der Erfindung dient.
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Das Papier 14 wird mit Imprägnierlack 20 getränkt. Danach
wird es aus dem Lack herausgezogen und zwischen zwei Druckrollen 22 geführt. Durch
die Einstellung der Druckrollen wird die Harzmenge des Papiers gesteuert. Die Unterseite
der bearbeiteten Papierbahn wird schließlich über einen Kratzer 24
geführt,
so daß unter Umständen an der Oberfläche haftendes Harz von der einen Seite der
behandelten Papierbahn abgestreift wird.
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Die Papierbahn mit dem aufgebrachten Harz gelangt dann in einen Ofen
26, in dem elektrische Heizelemente 28 oder andere geeignete Heizvorrichtungen
vorgesehen sind. In diesem Ofen wird das Lösungsmittel des Lackes verdampft. Die
Lösungsmitteldämpfe entweichen durch den Abzug 30 des Ofens. Das aus dem
Ofen kommende Produkt 32 besteht aus Papier, das mit Harz im B-Zustand (Resol) versehen
ist. Das Papier kann zu einer Rolle 34 aufgewickelt und so gelagert werden, oder
es kann zu Formen verarbeitet oder anderweitig weiterverwendet werden.
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Die Wärmebehandlung im Ofen 26 wird ausgeführt, um das imprägnierte
Papier mit einer »Grünheit« von etwa 3 bis 12% zu erhalten. Die »Grünheit« wird
dadurch bestimmt, daß ein Stapel kleiner Stücke des mit dem Harz behandelten Papiers
in eine heiße Presse gebracht und bei einer Temperatur von ungefähr 175° C und einem
Druck von 7 at 5 Minuten lang gepreßt wird. Dann wird das Gewicht des Harzes bestimmt,
das aus dem Stapel gedrückt wurde, d. h. desjenigen Harzes, das über den Rand des
Papieres selbst hinaus getreten ist. Dabei wird das Verhältnis des ausgeschiedenen
Harzes zu dem gesamten Gewicht der Probe bestimmt.
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Wie in F i g. 2 in einem Querschnitt in großem Maßstab dargestellt
ist, besteht das behandelte Bahnmaterial 32 aus einem Trägerkörper 40, der
vollständig mit Harz im B-Zustand imprägniert ist. Auf der Oberseite trägt der Trägerkörper
eine Oberflächenschicht 42 aus Harz. Die Unterseite 44 der behandelten Bahn ist
im wesentlichen frei von Harz. Auf der Seite 44 befindet sich gewöhnlich nur eine
sehr geringe Harzmenge, da es nicht zweckmäßig ist, dort das gesamte Harz mit dem
Kratzer 24 abzustreifen. Die Bahn 32 ist nach dem Passieren des Kratzers
mit einem Harzverhältnis von 2,0 bis 2,5 imprägniert. Das Harzverhältnis ist definiert
als das Gewicht der imprägnierten Bahn im Verhältnis zum Gewicht der unbehandelten
Bahn. Das Trägermaterial 32 enthält daher etwa 100 bis 150% des Eigengewichtes an
Harz. Bei der Herstellung von Rohrteilen nach der Erfindung wird vorzugsweise ein
Harzverhältnis von 2,30 bis 2,45 verwendet.
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Die zusammengesetzten rohrförmigen Schichtstoffe nach der Erfindung
werden dadurch hergestellt, daß mindestens eine Lage Trägermaterial, das mit dem
schwachleitenden Lack im B-Zustand versehen ist, auf einen geeigneten Dorn aufgewickelt
wird. Dadurch wird die innere Schicht gebildet. Anschließend wird die äußere Schicht
aufgebracht. Zu diesem Zweck wird eine Mehrzahl von Lagen Bahnmaterials, das mit
nichtleitendem Harz getränkt ist, auf die erste innere Lage aufgewickelt. In F i
g. 3 ist das Aufwickeln schematisch dargestellt. Um einen Stahldorn 50 wurde zunächst
eine Papierbahn gewickelt, die mit dem schwachleitenden Phenol-Dicyandiamid-Formaldehyd
behandelt wurde, um eine innere Schicht 52 zu bilden. Der Dorn ist vorzugsweise
massiv ausgebildet. Auf den Dorn 50
können so viele Lagen des mit schwachleitenden
Lack behandelten Kraftpapiers gewickelt werden, wie erwünscht ist. Wie gefunden
wurde, ist für die Zwecke der Erfindung im allgemeinen eine Lage des mit schwachleitendem
Lack behandelten Kraftpapiers ausreichend. Als nächstes wird das mit nichtleitendem
Phenol-Dicyandiamid-Formäldehyd behandelte Kraftpapier über die innere Lage 52 gewickelt.
Dies kann in so vielen Lagen geschehen, wie erforderlich ist, um eine äußere Schicht
54 der gewünschten Stärke zu erhalten. Beim Aufwickeln der Papierbahn auf den Dorn
50 sollte so viel Zug und Druck angewendet werden, wie ohne Zerreißen des Papiers
möglich ist. Für Kraftpapier mit einer Stärke von 0,089 mm erhält man bei einem
Druck von ungefähr 1,43 kg pro laufenden Zentimeter zufriedenstellende Ergebnisse.
Die einzelnen Lagen des aufgewickelten Papiers können mit Rollen an den Dorn
50 angepreßt werden.
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Der Dorn mit der inneren Schicht 52 und der äußeren Schicht 54 gewünschter
Stärke wird dann in eine geeignete Form eingebracht und unter Temperaturen von ungefähr
140 bis 160° C oder mehr bei Drücken in der Größenordnung von 21 bis 35 at aufgeheizt.
Nach einer Zeit von ungefähr 30 Minuten bis zu mehreren Stunden, je nach der Temperatur
und dem angewendeten Druck sowie der Dicke des Rohres auf dem Dorn und anderen Faktoren,
wird das im B-Zustand befindliche Harz zunächst geschmolzen und dann in den endgültigen
unschmelzbaren und unlöslichen C-Zustand übergeführt. Dabei werden die Schichten
des durch Rollen hergestellten Rohres zu einem Schichtkörper hoher Dichte verbunden,
der völlig mit dem Harz imprägniert ist. Anschließend wird der Dorn 50 ausgezogen.
Zu diesem Zweck wird der das Rohr tragende Dorn durch einen dicht auf dem Dorn sitzenden
Ring gezogen. Abgesehen von dem Pudern und dem Bearbeiten auf die gewünschte Größe
und Oberflächengestaltung ist im wesentlichen keine weitere Nachbehandlung mehr
erforderlich. Vielmehr erhält man bereits durch das geschilderte Verfahren ein fertig
gehärtetes Schichtstoffrohr 60 mit einer inneren schwachleitenden Schicht
62 und einer äußeren nichtleitenden Schicht 64, wie in F i g. 4 dargestellt ist.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, können auch an sich bekannte zusammenklappbare
Dorne an Stelle des dargestellten massiven Dornes verwendet werden.
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Im folgenden Beispiel wird die Herstellung eines zusammengesetzten
Rohrteiles gemäß der Erfindung dargestellt.
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Beispiel 1I Kraftpapier mit einer Dicke von 0,089 mm wird in der vorbeschriebenen
Weise mit dem Harzlack nach Beispiel l behandelt. Das Kraftpapier wird imprägniert,
so daß es mit etwa 1301/o des Papiergewichtes mit Harz versehen ist. Das Harz wird
in den B-Zustand übergeführt, wobei das Papier eine »Grünheit« von ungefähr 10%
hat. Das mit dem schwachleitenden Lack nach BeispielI behandelte Papier wird auf
einen 100° C warmen rechteckigen
Dorn gewickelt, wobei heiße Rollen
mit einer Temperatur von ungefähr 140° C verwendet werden. Auf diese Weise wird
auf den Dorn 11/3 Lage des behandelten Papiers aufgebracht. Das aufgewickelte Papier
wird mit der Hand angedrückt und geglättet, bis es haftet. Dann wird das mit nichtleitendem
Harz behandelte Kraftpapier um die erste innere Schicht gewickelt, so daß sich ein
zusammengesetztes Schichtstoffrohr mit einer Dicke von ungefähr etwa 0,16 cm ergibt.
Der Dorn n-it dem rohrförmigen Teil wird dann in eine Form eingebracht. Dort wird
er bis auf eine Temperatur von 150° C aufgeheizt und einem Druck von ungefähr 35
at während einer Stunde ausgesetzt. Dann wird der Dorn mit dem rohrförmigen Teil
aus der Form entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Das zusammengesetzte Rohr
wird dann vom Dorn abgestreift.
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Nach dem vorbeschriebenen Beispiel 11 wurden verschiedene rohrförmige
Teile hergestellt, deren Oberflächenfestigkeit gemessen wurde. Es konnte ein Oberflächenwiderstand
von 10 000 bis 20 000 S2 pro Quadratzentimeter gemessen werden.
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In F i g. 5 ist ein isolierter elektrischer Leiter 70
dargestellt,
der aus dem als Sammelschiene dienenden Leiter 72 besteht, auf den ein rohrförmiger
Isolierstoffteil 74 nach der Erfindung aufgebracht ist.
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Der rohrförmige Schichtstoff nach der Erfindung kann mit rechteckigen,
kreisförmigen oder anderen Querschnitten, wie z. B. oktagonal, hexagonal, elliptisch
od. ä., hergestellt werden.