DE102010020786A1

DE102010020786A1 - Electrical insulating material for insulation tape for electrical insulation of e.g. electromotor in power plant, has open-cell structure soaked with impregnation resin, where structure is made of melamine resin foam and aluminum oxide foam

Info

Publication number: DE102010020786A1
Application number: DE201010020786
Authority: DE
Inventors: Andre Gruebel; Dr. Gröppel Peter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-11-24

Abstract

The material (6) has an open-cell structure i.e. open cell foam body, soaked with an impregnation resin. The open-cell structure is made of a melamine resin foam (7) and an aluminum oxide foam (9), where the resin foam is made of plastic material, melamine, polyurethane, epoxy resin, polyethylene terephthalate, polyether sulfone and/or polyetheretherketone. The oxide foam is made of ceramic, glass, basalt and/or aluminum oxide. The impregnation resin is mixed with a filling drinking powder that is distributed in the impregnation resin.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Hochspannung und ein Isolationsband, das aus dem Isolationsmaterial hergestellt ist und für eine elektrische Isolation einer Hochspannungsrotationsmaschine geeignet ist.The invention relates to an electrical insulation material for electrical insulation of a high voltage and an insulating tape, which is made of the insulating material and is suitable for electrical insulation of a high-voltage rotary machine.

Für eine Hochspannungsrotationsmaschine, wie beispielsweise einen Turbogenerator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, ist ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Verfügbarkeit gefordert. Daraus resultiert in der Regel eine hohe mechanische, thermische und elektrische Beanspruchung der Bauteile des Turbogenerators. Der Turbogenerator weist insbesondere eine Ständerwicklung auf, an die eine besonders hohe Anforderung bezüglich Festigkeit und Zuverlässigkeit gestellt ist. Insbesondere ist das Isoliersystem der Ständerwicklung an der Grenzfläche zwischen der Hauptisolierung und dem Blechpaket der Ständerwicklung durch eine hohe thermische, thermomechanische, dynamische und elektromechanische Betriebsbeanspruchung stark belastet, wodurch das Risiko einer Beschädigung des Isoliersystems der Ständerwicklung durch Teilentladungen hoch ist, die beim Betrieb der Hochspannungsrotationsmaschine unablässig auftreten. Mit dem Isoliersystem sind elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe, Teilleiter) dauerhaft gegeneinander und gegen ein Ständerblechpaket oder die Umgebung isoliert. Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung), zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw. Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickelkopfbereich (Hauptisolierung).For a high-voltage rotary machine, such as a turbo-generator in a power plant for generating electrical energy, a high efficiency and high availability is required. This usually results in a high mechanical, thermal and electrical stress on the components of the turbogenerator. The turbogenerator has, in particular, a stator winding to which a particularly high requirement with regard to strength and reliability is set. In particular, the insulation system of the stator winding at the interface between the main insulation and the laminated core of the stator winding is heavily loaded by a high thermal, thermomechanical, dynamic and electromechanical operating stress, whereby the risk of damage to the stator winding insulation system is high due to partial discharges during operation of the high voltage rotary machine incessantly occur. With the insulation electrical conductors (wires, coils, rods, sub-conductors) are permanently isolated from each other and against a stator core or the environment. Within a high-voltage insulation, a distinction is made between the insulation between partial conductors (conductor insulation), between the conductors or windings (conductor or winding insulation) and between conductor and ground potential in the groove and winding overhang area (main insulation).

Die Hauptisolierung ist von einem Isolationsmaterial gebildet, das an dem zu isolierenden Leiter angebracht ist, wobei die Dicke des Isolationsmaterials an die Nennspannung der Hochspannungsrotationsmaschine und/oder den Betriebs- und Fertigungsbedingungen angepasst ist. Herkömmlich ist das Isolationsmaterial als Bahn bereitgestellt und mittels eines Applikationsprozess an dem Leiter angebracht. Beispielsweise wird die Isolationsmaterialbahn mehrlagig um den Leiter gewickelt und mittels eines Imprägnierharzes imprägniert, das anschließend in einem Härteprozess ausgehärtet wird. Herkömmliche Wickel- und Imprägnierprozesse zeichnen sich allerdings durch eine geringe Produktionsgeschwindigkeit und einen hohen Energieaufwand aus. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass beim Imprägnieren und Aushärten des Isolationsmaterials der Leiter mit dem Isolationsmaterial vollständig zu durchwärmen ist. Ferner sind eine Vielzahl an Produktionsschritten notwendig, wobei die für das Isolationsmaterial verwendeten Materialien kostenintensiv und nur in beschränktem Umfang verfügbar sind. Die notwendige Verwendung lösungsmittelhaltiger Materialien beim Imprägnier- und Aushärtungsprozess bedingt aufwändige Maßnahmen zur Reduzierung von Umweltbelastungen und ggf. Einschränkungen der Designfreiheit neuer Maschinenkonzepte zugunsten einer erhöhten Umweltverträglichkeit.The main insulation is formed by an insulating material attached to the conductor to be insulated, the thickness of the insulating material being adapted to the rated voltage of the high voltage rotary machine and / or the operating and manufacturing conditions. Conventionally, the insulating material is provided as a web and attached to the conductor by means of an application process. For example, the insulating material web is wound in multiple layers around the conductor and impregnated by means of an impregnating resin, which is then cured in a hardening process. However, conventional winding and impregnation processes are characterized by a low production speed and a high energy consumption. This is due in particular to the fact that during impregnation and curing of the insulating material, the conductor with the insulating material has to be thoroughly heated. Furthermore, a large number of production steps are necessary, with the materials used for the insulation material being cost-intensive and only available to a limited extent. The necessary use of solvent-containing materials in the impregnation and curing process requires complex measures to reduce environmental pollution and possibly restrictions on the design freedom of new machine concepts in favor of increased environmental compatibility.

Bei Hoch- und Mittelspannungsmaschinen werden herkömmlich geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen und Leiter mit Glimmerbändern umwickelt und in einem Vakuum-Druck-Imprägnierung Prozess (VPI) mit Kunstharz imprägniert. Der Verbund von Imprägnierharz und Trägermaterial des Glimmers definiert die mechanische Festigkeit der Isolierung. Ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen des isolierten Leiters basiert auf das Umwickeln des Leiters mit dem Glimmerband. Dieses Verfahren ist allerdings sehr material-, energie- und zeitaufwändig und kann nur in vielen, einzelnen Verfahrensschritten aufwändig durchgeführt werden. Herkömmlich wird Naturglimmer verwendet, der nur begrenzt als natürliches Vorkommen als Muskowit, Phlogopit beispielsweise in Madagaskar, Indien und Brasilien vorliegt. Der Abbau des Naturglimmers mit großem Aufwand an Zeit, Energie und Wasser verbunden. Ferner ist der Naturglimmer vor seiner Verarbeitung zu einem Feinglimmerpapier aufwändig einem Reinigungs-/Delaminationsprozess zu unterziehen. Das Feinglimmerpapier wird anschließend in mehreren Lagen zu dem Glimmerband gefertigt, das dann um den Leiter in einem speziellen Umwicklungsprozess gewickelt wird und schließlich in einem Imprägnierprozess mit einem Reaktionsharz imprägniert und ausgehärtet wird.In high and medium voltage machines conventionally layered mica insulations are used. In this case, the mold coils and conductors produced from the insulated partial conductors are wrapped with mica tapes and impregnated with synthetic resin in a vacuum pressure impregnation process (VPI). The combination of impregnating resin and carrier material of the mica defines the mechanical strength of the insulation. A conventional method of manufacturing the insulated conductor is based on wrapping the conductor with the mica tape. However, this process is very material-, energy- and time-consuming and can be carried out consuming only in many, individual process steps. Conventionally, natural mica is used, which is present only to a limited extent as a natural occurrence as Muskowit, phlogopite, for example in Madagascar, India and Brazil. The degradation of the natural mica with a great deal of time, energy and water connected. Furthermore, the natural mica is to undergo a purification / delamination process consuming prior to its processing into a fine mica paper. The fine mica paper is then made in several layers to the mica tape, which is then wrapped around the conductor in a special wrapping process and finally impregnated in a impregnation process with a reaction resin and cured.

Die so entstandene Schichtung aus organischen und anorganischen Materialien bildet mikroskopische Feststoff-Feststoff-Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermischen Beanspruchungen von den Eigenschaften des Glimmers bestimmt werden. Ferner ist mit der Schichtung beim Einbau der isolierten Leiter in die Statornut vor der Durchführung der Imprägnierung zwischen Leiter und Blechpaket ein vorherbestimmter Abstand eingestellt. Durch den aufwändigen VPI-Prozess müssen auch kleinste Hohlräume in der Isolierung verhindert werden, die zu inneren Gas-Feststoff-Grenzflächen führen und die elektrische Festigkeit der Isolierung schwächen würden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig, da die gesamte rotierende Maschine (Generator, Motor) oder der vollständige Leiter bei der Imprägnierung und der Aushärtung aufgeheizt werden müssen.The resulting layering of organic and inorganic materials forms microscopic solid-solid interfaces whose resistance to partial discharges and thermal stresses are determined by the properties of the mica. Furthermore, with the stratification when installing the insulated conductor in the stator before the implementation of the impregnation between the conductor and the laminated core set a predetermined distance. Due to the complex VPI process even the smallest cavities in the insulation must be prevented, which would lead to internal gas-solid interfaces and weaken the electrical strength of the insulation. This process is very energy consuming, as the entire rotating machine (generator, motor) or the entire ladder must be heated during impregnation and curing.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Isolationsmaterial für eine elektrische Isolation einer Hochspannung zu schaffen, wobei mit dem Isolationsmaterial ein Isolationsband einfach und kostengünstig herstellbar ist.The object of the invention is to provide an electrical insulation material for electrical insulation of a high voltage, wherein with the Insulation material an insulation tape is easy and inexpensive to produce.

Das erfindungsgemäße elektrische Isolationsmaterial für eine Hochspannungsrotationsmaschine ist von einer offenen Zellenstruktur gebildet, die mit einem Imprägnierharz getränkt ist. Bevorzugt ist es, dass die offene Zellenstruktur ein offenzelliger Schaumkörper ist, der aus einem Schaum hergestellt ist. Dabei ist bevorzugt der Schaum ein Kunststoffmaterial, wobei bevorzugt der Schaum aus Melamin, Polyurethan, Epoxidharz, Polyethylenterephthalat, Polyethersulfon und/oder Polyetheretherketon ist. Ferner ist der Schaum bevorzugt aus Keramik, Glas, Basalt und/oder Aluminiumoxid ist. Das Imprägnierharz ist bevorzugt mit einem Füllsoffpulver versetzt, das in dem Imprägnierharz verteilt angeordnet ist. Außerdem ist es bevorzugt, dass die offenzellige Zellenstruktur derart eingerichtet ist, dass das Isolationsmaterial in Form vorfertigbar ist, insbesondere als ein Schlauch, eine Platte und/oder ein Streifen. Das erfindungsgemäße Isolationsband für eine Hochspannungsrotationsmaschine ist aus dem Isolationsmaterial hergestellt.The electrical insulation material for a high-voltage rotary machine according to the invention is formed by an open cell structure, which is impregnated with an impregnating resin. It is preferable that the open cell structure is an open-cell foam body made of a foam. In this case, the foam is preferably a plastic material, wherein the foam is preferably made of melamine, polyurethane, epoxy resin, polyethylene terephthalate, polyethersulfone and / or polyetheretherketone. Further, the foam is preferably of ceramic, glass, basalt and / or alumina. The impregnating resin is preferably mixed with a Füllsoffpulver, which is arranged distributed in the impregnating resin. Moreover, it is preferred that the open-cell structure is arranged such that the insulation material is prefabricated in shape, in particular as a tube, a plate and / or a strip. The insulation tape according to the invention for a high-voltage rotary machine is made of the insulating material.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Isolationsmaterial von einer offenen Zellenstruktur gebildet ist, hat das Isolationsmaterial für das Imprägnierharz vorteilhaft eine hohe Durchdringbarkeit. Die der offenen Zellstruktur innewohnende Porosität führt zu einem hohen Durchimprägnierungsgrad des Isolationsmaterials, was insbesondere für die füllstoffhaltigen Imprägnierharze gilt, d. h. für die Imprägnierharze, die mit dem Füllsoffpulver versetzt sind. Ferner hat das erfindungsgemäße Isolationsmaterial eine hohe Druckstabilität, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn ein mit dem Isolationsmaterial umhüllter Leiter beispielsweise in eine Statornut eines Stators eingebaut wird. Insbesondere ist die hohe Druckstabilität des Isolationsmaterials dann von Vorteil, wenn durch die Dicke des Isolationsmaterials der Abstand des mit dem Isolationsmaterials umhüllten Leiters in der Statornut definiert sein soll.Because the insulating material according to the invention is formed by an open cell structure, the insulating material for the impregnating resin advantageously has a high permeability. The inherent porosity of the open cell structure leads to a high degree of impregnation of the insulating material, which is especially true for the filler-containing impregnating resins, d. H. for the impregnating resins which are mixed with the filling powder. Furthermore, the insulating material according to the invention has a high pressure stability, which is particularly advantageous when a coated with the insulating material conductor is installed, for example, in a stator of a stator. In particular, the high pressure stability of the insulating material is advantageous if the distance between the insulating material enveloped with the conductor in the stator is to be defined by the thickness of the insulating material.

Hervorgerufen durch die bevorzugten Materialien der offenen Zellenstruktur, nämlich Melamin, Polyurethan, Epoxidharz, Polyethylenterephthalat, Polyethersulfon, Polyetheretherketon, Keramik, Glas, Basalt und/oder Aluminiumoxid, hat das Isolationsmaterial eine hohe Temperaturstabilität. So kann eine mit dem Isolationsmaterial ausgestattete Hochspannungsrotationsmaschine beispielsweise sicher bei einer Dauereinsatztemperatur von 150°C gefahren werden.Caused by the preferred materials of the open cell structure, namely melamine, polyurethane, epoxy resin, polyethylene terephthalate, polyethersulfone, polyetheretherketone, ceramic, glass, basalt and / or alumina, the insulating material has a high temperature stability. For example, a high-voltage rotary machine equipped with the insulating material can safely be driven at a continuous operating temperature of 150 ° C.

Ferner ist eine Applikation des erfindungemäßen Isolationsbands im Vergleich zur Bewicklung eines Leiters mit herkömmlichen Glimmerbändern einfach, da aufgrund der offenzelligen Struktur des Isolationsmaterials dieses in Form vorgefertigt sein kann, insbesondere als ein Schlauch, eine Platte, ein Streifen. Damit kann das Isolierband einfach etwa zwischen Leiter und Statornut eingelegt oder aufgeschoben werden. Das erfindungsgemäße Isolationsmaterial zeichnen sich dadurch aus, dass eine Verarbeitung in Analogie zu Kunststoffen mittels vereinfachter Applikationstechnologien möglich ist. Ferner ist mit dem erfindungsgemäßen Isolationsmaterial ein homogener Aufbau einer an dem Leiter geschaffenen, elektrischen Isolation erreicht, wodurch in dem Isolationsmaterial keine Grenzflächen vorhanden sind. Somit hat das Isolationsmaterial eine hohe elektrische und mechanische Beständigkeit und eine homogene Verteilung ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch in dem Isolationsmaterial auftretende thermische Spannungen gering sind. Der homogene Aufbau und die gute Durchimprägnierbarkeit des Isolationsmaterials bewirken ferner, dass Hohlräume und Lunker nach der Imprägnierung des Isolationsmaterials mit dem Imprägnierharz nur in geringem Umfang auftreten. Wahlweise ist das Isolationsmaterial bearbeitbar durch Spanen, Schneiden, Stanzen und Prägen, insbesondere mit einem Messer, einem Wasserstrahl, einem Laser oder einer Drahtsäge.Furthermore, an application of the invention isolation tape compared to the winding of a conductor with conventional mica tapes is easy because due to the open-cell structure of the insulating material this can be prefabricated in shape, in particular as a hose, a plate, a strip. Thus, the insulating tape can be easily inserted or postponed between the conductor and Statornut. The insulating material according to the invention is characterized in that a processing in analogy to plastics by means of simplified application technologies is possible. Furthermore, with the insulation material according to the invention, a homogeneous construction of an electrical insulation created on the conductor is achieved, as a result of which there are no interfaces in the insulation material. Thus, the insulating material has a high electrical and mechanical resistance and a homogeneous distribution of its coefficient of thermal expansion, whereby thermal stresses occurring in the insulating material are low. The homogeneous structure and the good Durchimprägnierbarkeit of the insulating material also cause cavities and voids occur after the impregnation of the insulating material with the impregnating resin only to a small extent. Optionally, the insulation material is machinable by machining, cutting, punching and embossing, in particular with a knife, a water jet, a laser or a wire saw.

Das erfindungsgemäße Isolationsmaterial ist für die Herstellung einer Isolation für eine Hochspannungsrotationsmaschine, insbesondere einen Elektromotor, einen Generator sowie eines elektrotechnischen Systems zur Umwandlung, Nutzung und Verteilung von elektrischer Energie geeignet. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Isolationsmaterial eine Vereinfachung des Produktionsprozesses von Hochspannungsbetriebenen Anlagen und Systemen was zur Realisierung neuer Systeme mit verbesserten Eigenschaften genutzt werden kann. Dies bringt neben verbesserten elektrischen Eigenschaften, Kosteneinsparungen in der Herstellung, eine Erhöhung der Designfreiheit in der Auslegung und Konstruktion von elektrotechnischen Systemen vorteilhaft mit sich.The insulating material according to the invention is suitable for the production of an insulation for a high-voltage rotary machine, in particular an electric motor, a generator and an electrical system for the conversion, use and distribution of electrical energy. Furthermore, the insulation material according to the invention makes it possible to simplify the production process of high-voltage-operated systems and systems, which can be used to implement new systems with improved properties. This, in addition to improved electrical properties, cost savings in manufacturing, an increase in design freedom in the design and construction of electrical systems advantageous.

Im Folgenden wird die Erfindung Anhand eines Ausführungsbeispiels anhand einer schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur eine Detailansicht eines Querschnitts eines Teilleiters in einer Nut eines Blechpaktes, wobei der Teilleiter mit einem erfindungsgemäßen Isolationsband aus erfindungsgemäßem Isolationsmaterial isoliert ist.In the following the invention will be explained with reference to an embodiment with reference to a schematic drawing. The figure shows a detailed view of a cross section of a sub-conductor in a groove of a sheet metal pact, wherein the sub-conductor is insulated with an inventive insulating tape of insulating material according to the invention.

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, ist in einem Blechpaket 1 eine Nut 2 vorgesehen. In der Nut 2 ist ein Teilleiterpaket 3 untergebracht, wobei die Nut 2 mit einem Nutverschluss 4 verschlossen ist. Um den Teilleiter 3 ist ein Isolationsband 5 appliziert, so dass der Teilleiter 3 gegen das Blechpaket 1 elektrisch isoliert ist.As can be seen from the figure is in a laminated core 1 a groove 2 intended. In the groove 2 is a leader package 3 housed, with the groove 2 with a slot closure 4 is closed. To the leader 3 is an isolation tape 5 applied, so that the sub-conductor 3 against the laminated core 1 is electrically isolated.

Das Isolationsband 5 ist von einem Isolationsmaterial 6 aufgebaut, das von einer offenen Zellenstruktur gebildet ist, die mit einem Imprägnierharz getränkt ist. Das Isolationsmaterial 6 ist abschnittsweise von einem Melaminharzschaum 7 und einem Aluminiumoxidschaum 9 gebildet. Der Aluminiumoxidschaum 9 ist zwischen dem Teilleiterpaket 3 und der Nutwandung derart angeordnet, dass der Aluminiumoxidschaum 9 als ein Abstandshalter 9 für das Teilleiterpaket 3 in der Nut 2 wirkt. Der Aluminiumoxidschaum 8 ist mit dem Imprägnierharz durchimprägniert und der Melaminharzschaum 7 ist beispielsweise BASOTECT^®, BASF.The isolation band 5 is from an insulation material 6 constructed, which is formed by an open cell structure, which is impregnated with an impregnating resin. The insulation material 6 is in sections of a melamine resin foam 7 and an alumina foam 9 educated. The alumina foam 9 is between the subcontractor package 3 and the groove wall arranged such that the alumina foam 9 as a spacer 9 for the sub-conductor package 3 in the groove 2 acts. The alumina foam 8th is impregnated with the impregnating resin and the melamine resin foam 7 For example, BASOTECT ^®, BASF.

Claims

Electrical insulation material for a high-voltage rotary machine, the insulation material ( 6 ) of an open cell structure ( 7 . 9 ) impregnated with an impregnating resin.

Insulation material according to claim 1, wherein the open cell structure is an open-cell foam body ( 7 . 9 ), which is made of a foam.

Insulating material according to claim 2, wherein the foam ( 7 ) is a plastic material.

Insulating material according to claim 3, wherein the foam ( 7 ) of melamine, polyurethane, epoxy resin, polyethylene terephthalate, polyethersulfone and / or polyetheretherketone.

Insulation material according to claim 3 or 4, wherein the foam ( 9 ) is made of ceramic, glass, basalt and / or alumina.

An insulating material according to any one of claims 1 to 5, wherein the impregnating resin is mixed with a filler powder dispersed in the impregnating resin.

Insulation material according to one of claims 1 to 6, wherein the open-cell structure ( 7 . 9 ) is set up such that the insulation material ( 6 ) is preformable in shape, in particular as a tube, a plate and / or a strip.

Insulating tape for a high-voltage rotary machine, the insulating tape ( 5 ) of an insulating material ( 6 ) is produced according to one of claims 1 to 7.