DE19758213A1

DE19758213A1 - Verfahren zur Herstellung von Gießharztransformatoren

Info

Publication number: DE19758213A1
Application number: DE19758213A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Foltes; Christoph Scheuer; Heinz-Guenter Reichwein
Original assignee: Bakelite AG
Current assignee: Hexion Specialty Chemicals AG
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 1999-07-01
Also published as: EP0928011A2; EP0928011B1; CN1230757A; BR9805694A; DE59811791D1; EP0928011A3; TW590867B

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.

Beispiele

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

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.