DE19758213A1 - Verfahren zur Herstellung von Gießharztransformatoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von GießharztransformatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Transformatoren, bei denen
die Wicklungen in Gießformen mit einer duroplastischen Gießharzmischung vergossen
werden. Dadurch entsteht eine feuchtesichere, tropengeeignete Isolierung, die
gleichzeitig einen hohen mechanischen Schutz der Wicklungen darstellt.
Aufgrund ihrer guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften sind an sich
bekannte Epoxidharz- Härter-Systeme die bevorzugten Gießharze. Aber auch Harze
auf Bismaleinimid-Triazin- oder Epoxid-Isocyanat-Basis werden hierfür eingesetzt
(Jürgen Bednarz, "Kunststoffe in der Elektrotechnik und Elektronik", Verlag
W. Kohlhammer, (1988), S. 70-73).
Im bevorzugten Gießverfahren wird der Harzmischung eine geeignete Menge
mineralischer Füllstoffe zugegeben, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, den
Schlund zu verringern und den Ausdehnungskoeffizienten der Gießharzmischung an
den der Wicklungsmetalle anzugleichen.
Die Wicklungen werden in Gießformen aus Metall entweder im Vakuumgieß- oder im
Druckgelierverfahren mit einer derartigen Gießharzmischung vergossen und die
Mischung dann in dieser Form ausgehärtet.
Bei allen dieser eingesetzten Gießharzsysteme bestehen aber Probleme hinsichtlich der
Flammfestigkeit und insbesondere der Rauchgasentwicklung im Falle eines Brandes
oder einer äußeren Brandeinwirkung.
Um die geforderte Flammfestigkeit der Gießkörper zu erzielen, werden den
Gießharzmischungen Füll- und Zusatzstoffe beigegeben, die die Brennbarkeit der
Harzsysteme verschlechtern. Der bevorzugt zugegebene Stoff ist
Aluminiumoxyid-hydrat. Dadurch werden aber sowohl die mechanischen
(Biegezugfestigkeit, Rißeinleitfestigkeit) als auch die elektrischen Eigenschaften im
Langzeitverhalten der Gießlinge verschlechtert.
In einem anderen Gießverfahren werden die in der Metallform vorliegenden
Wicklungen, Glasmatten, -Vliese und Glasgewebe oder Glasrovings (Stützgewebe)
durch Vergießen mit einer nicht gefüllten Harz-Härter-Mischung imprägniert. Eine
Flammfestigkeit kann dabei nur durch Einsatz an sich nicht erwünschter brom- oder
phosphorhaltiger Harze erreicht werden, wobei hier während einer Flammeinwirkung
eine Brennbarkeit mit hoher Rauchgasdichte gegeben wäre.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von
Gießharztransformatoren bereitzustellen, mit dem Transformatoren hergestellt werden,
bei denen die Flammfestigkeit wesentlich verbessert ist und bei denen insbesondere die
Rauchgasdichte während einer Flammeinwirkung wesentlich vermindert ist, ohne daß
die mechanischen oder elektrischen Eigenschaften verschlechtert werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß der Ansprüche 1-7, sowie
durch entsprechend hergestellte Gießtransformatoren, deren Außenflächen oder
gesamten Oberflächen mit einer Phenolharzschicht versehen sind gemäß Anspruch 8.
Es wurde gefunden, daß die Brandeigenschaften von Gießharztransformatoren
wesentlich verbessert werden können, ohne daß die elektrischen und die mechanischen
Eigenschaften verschlechtert werden, wenn die Außenflächen oder die gesamten
Oberflächen der Gießharzformkörper mit einer verstärkten oder unverstärkten
Phenolharzschicht versehen werden. Im Falle einer Brandeinwirkung pyrolysiert das
Phenolharz. Flüchtige Zersetzungsprodukte verbrennen, wobei allerdings die
Rauchgasdichte gering ist. Zurück bleibt eine Kohlenstoffmatrix, die schwer
entflammbar ist und die das darunterliegende Harz thermisch und gegen Zutritt von
Sauerstoff isoliert. Nach Beendigung einer äußeren Flammeinwirkung sind die
entsprechend hergestellten Gießharztransformatoren selbstverlöschend.
Im einfachsten Fall könnte eine Nachrüstung von bereits mit einem der genannten
Harze hergestellten Transformatoren darin bestehen, daß deren Außenflächen mit einer
Phenolharzschicht versehen werden, indem etwa ein Phenolharzlack oder ein
Phenolharz-Laminat auf die Außenfläche aufgebracht würde.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden jedoch die Gießharztransformatoren direkt bei
der Herstellung mit einer Phenolharzschicht versehen. Dies kann dadurch erfolgen, daß
die Innenwände der metallenen Gießform ganz oder nur insoweit, als sie die
Außenflächen der Gießharzformkörper betreffen, mit einer Phenolharzschicht versehen
werden, wobei diese Phenolharzschicht eine neue Form darstellt, in die die
Gießharzmischung gefüllt wird und die nach dem Aushärten des Gießharzformkörpers
auf diesem verbleibt.
Diese Phenolharzschicht kann eine an sich bekannte Phenolharz-Lackschicht sein oder
eine in dünner Schicht gleichmäßig aufgebrachte gefüllte Phenolharz-Masse. In beiden
Fallen ist das Phenolharz noch nicht vollstandig vernetzt, sondern wird nach dem
Gießvorgang zusammen mit dem Gießharz gehärtet.
Bevorzugt aber besteht die Phenolharzschicht aus einem mit Phenolharz imprägnierten
flächigen Material, das unvernetzt, vorvernetzt oder vollständig ausgehärtet sein kann.
Beispiele hierfür sind unvernetzte oder gehärtete phenolharzimprägnierte Papiere,
Faservliese oder Gewebe, die gegebenenfalls vor der Hartung schon vorgeformt sind.
Bevorzugt eingesetzt werden vorgeformte, d. h., der äußeren Form des
Gießharzkörpers entsprechende, Phenolharzpapiere oder phenolharzimprägnierte
Prepregs aus bevorzugt Glasfaservliesen, die ein oder mehrlagig verwendet werden
können, aus derartigen Prepregs hergestellte, der äußeren Form des Gießharzkörpers
entsprechend vorgeformte und gehärtete Laminate, die ebenfalls ein- oder mehrlagig
sein können oder mittels Laminiertechnologie wie z. B. im Filament Winding-
Verfahren hergestellte gewickelte Rohrabschnitte, die insbesondere als Außenhülle der
Transformatoren dienen.
Die entsprechend mit einer Phenolharzschicht versehenen Metallformen werden dann
in an sich bekannter Weise mit den Wicklungen bestückt und in an sich bekannter
Weise entweder in Vakuumkammern nach Vakuumgießverfahren oder in
entsprechenden Druckvorrichtungen nach dem Druckgelierverfahren oder mit
kombinierten Vakuum-Druck-Verfahren mit dem duroplastischen
Gießharz-Härter-Gemisch gefüllt und dann einer für das jeweilige
Gießharz-Härter-System notwendigen thermischen Behandlung unterworfen, bei der
das Gießharz härtet. Nach dem Entformen bilden der Gießharzformkörper und die
Phenolharzschicht eine feste Einheit.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die
Gießform aus einem vorgeformten Laminat besteht und nach dem Gieß- und
Härtungsvorgang als verlorene Form auf dem Gießharzformkörper verbleibt. Diese
Verfahrensvariante stellt zwar höhere Anforderungen an die aus phenolharzhaltigem
Material vorgefertigte Gießform, jedoch wird der damit verbundene Aufwand dadurch
ausgeglichen, daß die teure Herstellung von Metallformen unterbleiben kann.
Außerdem hat diese Verfahrensvariante den weiteren Vorteil, daß die Herstellung der
Gießharztransformatoren nicht an Taktzeiten gebunden ist, innerhalb deren die
Metallformen wieder für einen neuen Guß bereitgestellt werden müssen. Da dieser
Zeitdruck entfällt, kann man als Gießharzsysteme solche einsetzen, die sehr lange
Härtungszeiten und damit sehr geringe Temperaturspitzen während der Härtung
aufweisen. Die dadurch hergestellten Gießharzformkörper sind daher weitgehend frei
von inneren Spannungen.
Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die
verlorenen Formen aus Röhren auf Basis von Phenolharzen mit unterschiedlichen
Durchmessern herzustellen, die an ihren Ober und Unterseiten vakuumdicht
abgedichtet werden. Die so hergestellten Formen können auch ohne aufwendige
Vakuumkammer evakuiert und im Vakuumgießverfahren mit Gießharz gefüllt werden.
Als Phenolharze für die erfindungsgemäß hergestellten Phenolharzschichten können
alle handelsüblichen Kondensationsprodukte aus Aldehyden und phenolischen
Produkten verwendet weiden. Die brandtechnisch günstigsten Eigenschaften werden
jedoch bei Verwendung von Phenol-Formaldehyd-Harzen erzielt. Eingesetzt werden
sowohl alkalisch kondensierte Resole, die selbsthärtend sind, als auch sauer
kondensierte Novolake, die in an sich bekannter Weise mit einem Härtungsmittel
eingesetzt werden. Bevorzugte Härtungsmittel für Novolake sind Resole und/oder
Hexamethylentetramin (Hexa). Da Novolak-Hexa-Gemische erst bei Temperaturen
härten, die oberhalb der bei der Härtung der Gießharze auftretenden
Temperaturspitzen liegen, werden derartige Systeme nur dann verwendet, wenn als
Formen ausgehärtete Laminate oder Rohre eingesetzt werden.
Durch Gießen von flüssigen Epoxidharz-Härter-Mischungen in eine Metallform und
anschließendes Aushärten bei erhöhter Temperatur werden Prüfstäbe hergestellt mit
den Abmessungen 100 × 15 × 10 mm. Diese Prüfstäbe werden gemäß UL 94 vertikal
eingespannt und 2 × 10 s lang beflämmt. Während dieser Beflammung wird die
Rauchgasdichte beobachtet. Danach wird die Nachbrennzeit ermittelt.
Eingesetzt wird in allen Versuchen das gleiche Epoxidharz-Härter-System
(Diglycidylether auf Basis Bisphenol A und Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid).
Die einzelnen Varianten und die Ergebnisse sind in der folgenden Aufstellung
angegeben:
- a. Füllstofffreies Epoxidharz
Prüfstab brennt mit starker Rauchgasentwicklung.
Nach Beflammung brennt der Prüfstab vollständig ab. - b. Epoxidharz mit 65% Quarzmehl
Prüfstab brennt mit deutlicher Rauchgasentwicklung.
Nachbrennzeit: < 10 s. - c. Epoxidharz mit 35% Quarzmehl und 30% Aluminiumoxid-hydrat
Prüfstab brennt mit deutlicher Rauchgasentwicklung
Nachbrennzeit: 2 s - d. Epoxidharz mit 65% Quarzmehl wird in eine Metallform gegossen, deren
Innenwände einlagig mit ausgehärtetem Phenolharz-Glaslaminat verkleidet sind. Die
Außenflächen des resultierenden Prüfstabs sind mit einer verstärkten
Phenolharzschicht versehen.
Prüfstab brennt nahezu ohne Rauchgasentwicklung.
Nachbrennzeit: <2 s.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Gießharztransformatoren durch Vergießen der
Wicklungen mit einer gefüllten oder ungefüllten duroplastischen Harzmischung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen oder die gesamten Oberflächen der
Gießharzformkörper mit einer verstärkten oder unverstärkten Phenolharzschicht
versehen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der
Gießform vollständig oder partiell mit einer Phenolharzschicht versehen werden,
wobei diese Phenolharzschicht eine neue Form darstellt, in die die
Gießharzmischung gefüllt wird und die nach Aushärten des Gießharzformkörpers
auf diesem verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der
Metallform befindliche Phenolharzschicht noch nicht vollständig ausgehärtet ist und
ihre vollständige Aushärtung zusammen mit der Aushärtung des
Gießharzformkörpers erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Metallform
befindliche Phenolharzschicht ein vorgeformtes, der äußeren Form des
Gießharzkörpers entsprechendes phenolharzimprägniertes Prepreg ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phenolharzschicht bereits vor dem Vergießen vollständig ausgehärtet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Metallform
befindliche Phenolharzschicht ein vorgeformtes, der äußeren Form des
Gießharzformkörpers entsprechendes phenolharzhaltiges Laminat ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform aus einem
vorgeformten phenolharzhaltigen Laminat besteht und nach dem Gieß- und
Härtungsvorgang als verlorene Form auf dem Gießharzformkörper verbleibt.
8. Gießharztransformator auf Epoxidharzbasis, dadurch gekennzeichnet, daß seine
Außenflächen oder seine gesamte Oberfläche mit einer verstärkten oder
unverstärkten Phenolharzschicht versehen sind.
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