DE102014203743A1

DE102014203743A1 - Corona protection system, in particular external corona protection system for an electrical machine

Info

Publication number: DE102014203743A1
Application number: DE102014203743.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Greiner; Steffen Lang
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Hochspannungsmaschine, wie einen Generator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, aber auch andere elektrische Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie Trafos, Durchführungen, Kabel etc. Das Glimmschutzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass ein Folienbandmaterial eingesetzt wird, das aus Kunststoffgranulat und teilentladungsresistivem, aber elektrisch leitfähigen Füllstoff extrudiert ist.The invention relates to a glow protection system for an electrical machine, for example a high-voltage machine, such as a generator in a power plant for generating electrical energy, but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc. The glow protection system is characterized that a film strip material is used, which is extruded from plastic granules and partially discharge-resistant, but electrically conductive filler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Hochspannungsmaschine, wie einen Generator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, aber auch andere elektrische Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie Trafos, Durchführungen, Kabel etc. The invention relates to a glow protection system for an electrical machine, for example a high-voltage machine, such as a generator in a power plant for generating electrical energy, but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc.

Es werden immer leistungsstärkere Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreitende Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leistungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenerator, weist insbesondere einen Turbogeneratorständer mit einem Ständerblechpaket und einer Mehrzahl an Generatorwicklungsstäben auf, die elektrische Leiter sind. Das Ständerblechpaket weist eine Mehrzahl an Nuten auf, in denen die Leiter gelagert sind. Die Leiter stehen dabei aus dem Ständerblechpaket hervor. More and more powerful machines, such as generators, are being developed as the advancing technology demands ever higher power densities. A high-performance generator, such as a turbogenerator, has in particular a turbogenerator stand with a stator core and a plurality of generator winding bars, which are electrical conductors. The stator core has a plurality of grooves in which the conductors are mounted. The ladder stand out of the stator core.

Die Hauptisolierung dieser Wicklung gegen das Blechpaket ist ein elektrisch hoch beanspruchtes System. Im Betrieb entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem Leiterstab und dem auf Erdpotential liegendem Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen Feldüberhöhungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen. Diese Teilentladungen führen zu lokal sehr starken Erhitzungen. Diese finden an Luft und in unmittelbarer Berührung mit den organisch basierten Materialien der Isoliersysteme, auch des Außenglimmschutzsystems, statt, so dass Umsetzungen der organischen Materialien in niedermolekulare, volatile Produkte, beispielsweie in CO₂, resultieren. The main insulation of this winding against the laminated core is an electrically highly stressed system. During operation, high voltages arise, which must be dissipated in the insulating volume between the conductor bar and lying at ground potential laminated core. At the edges of the sheets in the laminated core arise field peaks, which in turn cause partial discharges. These partial discharges lead to locally very strong heating. These take place in air and in direct contact with the organically based materials of the insulation systems, including the external corona protection system, so that reactions of the organic materials into low molecular weight, volatile products, for example in CO ₂ , result.

Ein wichtiger Bestandteil des Isolationssystems ist der so genannte Außenglimmschutz (AGS). Er wird bei größeren Generatoren und Elektromotoren direkt auf die Oberfläche der Wick- lungsisolation appliziert. Der AGS besteht aktuell aus Ruß und Graphit haltigen Bändern oder Lacken. An important component of the insulation system is the so-called external corona protection (AGS). For larger generators and electric motors, it is applied directly to the surface of the windings insulation. The AGS currently consists of soot and graphite-containing tapes or paints.

Außen- und Endenglimmschutz kann entweder durch Anstriche aus trocknenden und härtbaren, mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgestatteten Harzen, welche unmittelbar auf die Hauptisolierung aufgebracht werden, oder zusammen mit Bändern realisiert werden. Diese Bänder entstehen durch Imprägnieren von Vliesen oder Geweben mit duroplastischen Bindemitteln und können, je nach Anforderung, elektrisch leitfähige Partikel, wie z.B. Ruß, in unterschiedlicher Konzentration enthalten. Die am Markt erhältlichen Glimmschutzsysteme sind aber nicht teilentladungsresistent und die Füllstoffe in den imprägnierten Vliesen und Geweben neigen zum Ausbrechen. Outer and Endenglimmschutz can be realized either by coatings of drying and curable, equipped with electrically conductive particles resins which are applied directly to the main insulation, or together with tapes. These tapes are made by impregnating nonwovens or fabrics with thermosetting binders and may, as required, comprise electrically conductive particles, such as e.g. Carbon black, contained in varying concentrations. However, the corona protection systems available on the market are not resistant to partial discharge and the fillers in the impregnated nonwovens and fabrics tend to break out.

Der Flächenwiderstand des Außenglimmschutzes ist relativ niedrig und darf eine gewisse Ober- und Untergrenze nicht über-bzw. unterschreiten (typische Werte 0,2 bis 10 kΩ). Ein idealer Außenglimmschutz sollte eine ausgeprägte Anisotropie im Widerstandsverhalten aufweisen. Der Widerstand in axialer Richtung sollte sehr hoch sein, in radialer Richtung sehr gering. Der Flächenwiderstand eines Endenglimmschutzes ist deutlich hochohmiger (typische Werte 10⁸–10¹⁰Ω). The surface resistance of the external corona protection is relatively low and must not exceed or exceed a certain upper and lower limit. below (typical values 0.2 to 10 kΩ). An ideal outer corona protection should have a pronounced resistance anisotropy. The resistance in the axial direction should be very high, very low in the radial direction. The sheet resistance of an end corona protection is significantly higher impedance (typical values 10 ⁸ -10 ¹⁰ Ω).

Bei entsprechend hohen elektrischen Feldstärken im Isolationssystem und damit bei entsprechend hoher elektrischer Teilentladungsaktivität kommt es vor, dass der Außenglimmschutz im Betrieb komplett verbrennt und somit zu einer vorzeitigen Alterung der Isolierung und im schlimmsten Fall zu einem Erdschluss der elektrischen Maschine, das entspricht einem irreparablen Komplettausfall der Maschine, führt. With correspondingly high electric field strengths in the insulation system and thus with correspondingly high electrical partial discharge activity, it can happen that the external corona protection burns completely during operation and thus leads to premature aging of the insulation and in the worst case to a ground fault of the electrical machine, which corresponds to an irreparable complete failure of the electrical system Machine, leads.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, ein stabiles Glimmschutzsystem zur Verfügung zu stellen. The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art, to provide a stable corona protection system.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst. This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed in the specification and the claims.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine auf Basis eines durch herkömmliche Maschinen extrudierten und verstreckten Wickelbandes, wobei zur Herstellung des Wickelbandes 85 bis 70 Vol% Kunststoffgranulat und 15 bis 30 Vol% eines teilentladungsresistiven und leitfähigen Füllstoffs eingesetzt und verarbeitet sind. Accordingly, the subject of the present invention is a glow protection system for an electric machine based on a stretched and stretched by conventional machines winding tape, wherein for the preparation of the winding tape 85 to 70 vol% plastic granules and 15 to 30% by volume of a partially discharge resistant and conductive filler are used and processed.

Als Kunststoffgranulat werden Thermoplaste eingesetzt, insbesondere eignen sich beispielsweise Polyamide (PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612 etc.), Polyolefine (PE-LD, PE-HD, PE-LLD, PE-HD-UHMW, PP, PMP, COC), Polyester (PC, PEC, PET, PBT, PEN), Polysulfone (PSU, PES, PPSU), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyaryletherketone (PEEK etc.). As plastic granules thermoplastics are used, in particular, for example, polyamides are suitable (PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, etc.), polyolefins (PE-LD, PE-HD, PE-LLD, PE-HD -UHMW, PP, PMP, COC), polyesters (PC, PEC, PET, PBT, PEN), polysulfones (PSU, PES, PPSU), polyetherimide (PEI), polyphenylene sulfide (PPS) and polyaryl ether ketones (PEEK etc.).

In appliziertem Zustand wird das Glimmschutzband noch imprägniert, also mit Harz getränkt. Dazu eignen sich folgende 1- und 2K- Harze, nämlich ungesättigte Poyester- und Polyesterimidharze (UP-Harze), Epoxidharze (EP-Harze), Vinyltoluolharze, Siliconharze, Alkyd-Phenolharze und diverse Harzmischungen aus den Vorgenannten. When applied, the corona protection tape is still impregnated, so impregnated with resin. For this purpose, the following 1- and 2K resins are suitable, namely unsaturated polyester and polyester imide resins (UP resins), epoxy resins (EP resins), vinyltoluene resins, silicone resins, alkyd phenolic resins and various resin mixtures of the abovementioned.

Als teilentladungsresistiver und leitfähiger Füllstoff eignen sich alle leitfähig beschichteten mineralischen oder keramischen Core-Shell Füllstoffe, insbesondere solche, die einen teilentladungsresistiven Kern mit einer leitfähigen Beschichtung, beispielsweise einer metalloxidischen Beschichtung, insbesondere einer dotierten metalloxidischen Beschichtung, kombinieren. As a partially discharge resistant and conductive filler are all conductive coated mineral or ceramic core-shell fillers, especially those that have a partially discharge resistant core with a conductive coating, for example, a metal oxide coating, in particular a doped metal oxide coating combine.

Die Füllstoff-Partikel sind dabei bevorzugt aus Glimmer, Siliziumcarbid und/oder einem undotiertem Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid. Bei einer planaren Struktur der Partikel wird eine verbesserte Kontaktierung der teilleitfähigen Partikel untereinander erreicht. Bevorzugtermaßen wird das die Partikel beschichtende Metalloxid aus der Gruppe gewählt:
Metalloxid in binärer und tertiärer Mischphase, insbesondere Zinnoxid, Zinkoxid, Zinkstannat, Titanoxid, Bleioxid, Siliziumcarbid. Das Dotierungselement wird bevorzugt aus der Gruppe gewählt: Antimon, Indium, Cadmium. The filler particles are preferably made of mica, silicon carbide and / or an undoped metal oxide, in particular aluminum oxide. In the case of a planar structure of the particles, an improved contacting of the partially conductive particles with one another is achieved. Preferably, the particle-coating metal oxide is selected from the group consisting of
Metal oxide in binary and tertiary mixed phase, in particular tin oxide, zinc oxide, zinc stannate, titanium oxide, lead oxide, silicon carbide. The doping element is preferably selected from the group: antimony, indium, cadmium.

Die Erfindung ermöglicht eine rationelle Realisierung von Außen- und Endenglimmschutzsystemen in Form von extrudierten und verstreckten, leitfähigen Wickelbändern. The invention enables a rational realization of outer and Endenglimmschutzsystemen in the form of extruded and stretched, conductive winding tapes.

Beispielsweise wird in einem Doppelschneckenextruder mit nachgeschalteter Granulierung werden Compounds auf Thermoplastbasis aufbereitet, die mit planaren oder einer Mischung von planaren und globularen, elektrisch leitfähigen und teilentladungsresistiven Füllstoffen versehen sind. For example, in a twin-screw extruder with subsequent granulation, thermoplastic-based compounds are prepared which are provided with planar or a mixture of planar and globular, electrically conductive and partially discharge-resistant fillers.

Über einen Extruder, der mit einer dickenverstellbaren Breischlitzdüse ausgestattet ist, wird zunächst ein Folienband extrudiert, das gegebenenfalls dann in einer sich anschließenden Reckeinrichtung in Längsrichtung auf die angestrebte endgültige Dicke verstreckt wird. Optional besteht noch die Möglichkeit, das Folienband zu perforieren, um eine bessere Durchimprägnierung zu erreichen. In der Anwendung als Glimmschutz wird das Band um die Hauptisolierung, also beispielsweise das Ständerpaket, gewickelt und dann mit einem elektrisch isolierenden Harz durch imprägniert. An extruder, which is equipped with a thickness-adjustable prismatic die nozzle, first extrudes a film strip, which is then optionally stretched in a subsequent stretching device in the longitudinal direction to the desired final thickness. Optionally, there is still the possibility to perforate the foil strip to achieve a better Durchimprägnierung. When used as corona, the tape is wrapped around the main insulation, so for example, the stator core, and then impregnated with an electrically insulating resin through.

Bei der Herstellung werden zunächst der Füllstoff und das Kunststoffgranulat einzeln oder als Mischung in einen Doppelschneckenextruder eingebracht. Der resultierende Compound wird beispielsweise in einem Folienbandextruder zum Band verarbeitet. Dabei findet eine – zumindest teilweise – Ausrichtung des Füllstoffs, insbesondere natürlich des plättchenförmigen Anteils davon, durch die Scherkräfte in der Breitschlitzdüse statt. In the production of the filler and the plastic granules are first introduced individually or as a mixture in a twin-screw extruder. For example, the resulting compound is processed into a belt in a film belt extruder. In this case takes place - at least partially - alignment of the filler, in particular of course the platelet-shaped portion thereof, by the shear forces in the slot die instead.

Das durch den Folienextruder erhaltene Bandmaterial, das den Thermoplasten und den elektrisch leitfähigen, aber teilentladungsresistenten Füllstoff umfasst, kann anschließend noch durch Verstreckung weiter verdichtet werden, wobei eine weitere Ausrichtung des Füllstoffs erzielt wird. The strip material obtained by the film extruder, which comprises the thermoplastic and the electrically conductive, but partially discharge-resistant filler can then be further densified by drawing, wherein a further orientation of the filler is achieved.

Das fertige Bandmaterial kann zur Optimierung der Imprägnierung noch perforiert werden. The finished strip material can be perforated to optimize the impregnation.

Die Porengröße bei der Perforation beträgt beispielsweise 0,1–0,5 mm. The pore size at the perforation is for example 0.1-0.5 mm.

Aus dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren von Folienleitbändern ergeben sich gleich mehrere Vorteile:
Die in der Compoundschmelze unregelmäßig orientierten planaren Füllstoffe werden in der Breischlitzdüse des Folienextruders durch Scherkräfte in Fließrichtung parallel zur x-(Bandlänge)-y(Bandbreite) Ebene ausgerichtet. From the above-described production method of Folienleitbändern there are several advantages:
The irregularly oriented in the compound melt planar fillers are aligned in the Breischlitzdüse the film extruder by shear forces in the flow direction parallel to the x (band length) -y (bandwidth) level.

Die planaren Füllstoffpartikel werden durch das Herstellungsverfahren ausgerichtet und sind dann vergleichbar mit den Glimmerplättchen eines Glimmschutzbandes angeordnet und bilden in der Anwendung eine Erosionswegverlängerung im Fall von Teilentladungen. The planar filler particles are aligned by the manufacturing process and are then arranged comparable to the mica flakes of a corona shielding tape and in use form an erosion path extension in the case of partial discharges.

Durch die Zugabe von globularen Partikeln, also kugelförmigen Partikeln, wird die Erosionswegs-Verlängerung zwar teilweise wieder kompensiert, andererseits eignet sich die Zugabe von globularen Füllstoffpartikeln um die Leitfähigkeit des Bandes in bestimmte Raumrichtungen zu steuern, da bei rein planaren Füllstoffen die Leitfähigkeit in radialer Richtung nur schwach ausgeprägt ist. By adding globular particles, ie spherical particles, although the erosion path extension is partially compensated again, on the other hand, the addition of globular filler particles to the conductivity of the band in certain directions can be controlled, as with purely planar fillers, the conductivity in the radial direction only weak.

Die Verstreckung des Bandes führt zu einer Ausrichtung der planaren Partikel bei gleichzeitiger Verdichtung. Insbesondere bei Mischungen von planaren und globularen Partikel wird vor allem die Leifähigkeit in z-Richtung (Banddicke) deutlich erhöht, was für einen wirksamen Glimmschutz unbedingt anzustreben ist. The stretching of the strip leads to an alignment of the planar particles with simultaneous compaction. Especially in the case of mixtures of planar and globular particles, in particular the conductivity in the z-direction (strip thickness) is markedly increased, which is absolutely essential for effective corona protection.

Über den Grad der Verstreckung kann zusätzlich auch eine Feinabstimmung der Leitfähigkeit erreicht werden. In addition, fine tuning of the conductivity can be achieved via the degree of stretching.

Während der Extrusion durch die Breitschlitzdüse und der nachfolgenden Verstreckung werden aber auch die Molekülketten der Polymermatrix in Längsrichtung orientiert. Wird dann der mit einem derartigen Folienband bewickelte Ständerstab einer elektrischen Maschine einer Erwärmung unterworfen, z.B. IR- Bestrahlung oder Härtungsprozess des Imprägnierharzes, werden die orientierten Polymermoleküle versuchen, in den entropisch günstigeren, unorientierten Zustand zu kommen und sich zusammenziehen. Dies bewirkt, ähnlich wie bei der Wirkung eines Schrumpfschlauches, dass das Band sich fester auf die Hauptisolierung zieht und zu einer verbesserten Haftung und einem verbesserten Kontakt führt. During the extrusion through the slot die and the subsequent drawing, however, the molecular chains of the polymer matrix are also oriented in the longitudinal direction. Then, the stator post wound with such a foil strip is subjected to heating of an electric machine, e.g. IR irradiation or hardening process of the impregnating resin, the oriented polymer molecules will try to get into the entropically more favorable, unoriented state and contract. This, similar to the effect of a heat shrink tube, causes the tape to pull tighter onto the main insulation, resulting in improved adhesion and improved contact.

Nach der Erfindung sind die Füllstoffpartikel grundsätzlich in der Kunststoffmatrix eingeschlossen, so kann es nicht zum Ausbrechen elektrisch leitender Partikel kommen, die im Betrieb die Isolierung beschädigen oder einen Kurzschluss auslösen könnten. According to the invention, the filler particles are basically enclosed in the plastic matrix, so it can not come to breaking out of electrically conductive particles that could damage the insulation during operation or cause a short circuit.

Das Verfahren offenbart eine rationelle Fertigung eines optimierten Glimmschutzbandes in einem Arbeitsgang. The method discloses a rational production of an optimized corona protection strip in a single operation.

Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Hochspannungsmaschine, wie einen Generator in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie, aber auch andere elektrische Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie Trafos, Durchführungen, Kabel etc. Das Glimmschutzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass ein Folienbandmaterial eingesetzt wird, das aus Kunststoffgranulat und teilentladungsresistivem aber elektrisch leitfähigen Füllstoff extrudiert ist. The invention relates to a glow protection system for an electrical machine, for example a high-voltage machine, such as a generator in a power plant for generating electrical energy, but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc. The glow protection system is characterized that a film strip material is used, which is extruded from plastic granules and partially discharge-resistant but electrically conductive filler.

Claims

Corona protection system for an electrical machine based on an extruded, stretched and fully impregnated winding tape, wherein for the production of the winding tape, a plastic granulate and a partially discharge-resistant and conductive filler are extruded together and processed into strip material.

Corona protection system according to claim 1, wherein for the production of the strip material from 85 to 70% by volume of plastic granules are mixed with 15 to 30% by volume of filler and extruded.

A process for producing a corona protective strip, wherein in a process step, a mixture of a plastic granules mixed with filler extruded and processed into a film strip.

The method of claim 3, wherein after extrusion, the film strip is still stretched.

Method according to one of claims 3 or 4, wherein the film strip is perforated.

Method according to one of claims 3 to 5, wherein the film strip is extruded through a slot die.