CH654437A5

CH654437A5 - Elektrischer isolationskoerper.

Info

Publication number: CH654437A5
Application number: CH922/81A
Authority: CH
Inventors: Helmut Britsch
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-02-11
Filing date: 1981-02-11
Publication date: 1986-02-14
Also published as: JPS57185604A; JPS6254208B2; CA1173581A; US4433081A; DE3148147A1

Description

Aufgabe der Erfindung ist ein elektrischer Isolationskörper mit den im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen, bei welchem die zweite mineralische Komponente wirksamer zur Erhöhung der Beständigkeit des Isolationskörpers gegen SF;-Spaltprodukte, insbesondere Fluorwasserstoff, beiträgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als zweite mineralische Komponente des Füllstoffes ein Carbonat mindestens eines Erdalkalimetalls in einem Anteil von 5 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 30%, des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes verwendet wird.

Calcium und Magnesium sind hierbei die bevorzugten Erdalkalimetalle; ebenfalls bevorzugt werden die Carbonate der Erdalkalimetalle, insbesondere Calcium- und/oder Magnesiumcarbonat. Dolomit, das als Füllstoff für gegen SF6-Spaltproduk-te beständige Isolationskörper in praktischer Abwesenheit von SÌO2 aus der oben genannten DE-OS 2 810 035 bekannt ist und Calciumcarbonat sowie Magnesiumcarbonat in unterschiedlichen Anteilen, z.B. als Doppelcarbonat in annähernd stöchiometrischen Anteilen, enthält, ist für die Erfindung gut geeignet und bietet in relativ geringen und daher die durch Quarzmehl als Füllstoff erzielbare hohe Anfangsfestigkeit einer damit gefüllten Duroplastmatrix kaum verringernden Anteilen von 10 bis 30% des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes eine beachtlich vergrösserte Beständigkeit des Isolationskörpers gegen Fluorwasserstoff als besonders aggressives SFg-Spaltprodukt.

Als Duroplaste für die Matrix, d.h. die umgebende kontinuierliche Phase, erfindungsgemässer Isolationskörper sind allgemein Polymermassen geeignet, die durch Vernetzung praktisch unschmelzbar, in organischen Medien praktisch unlöslich und gegen chemische Einwirkungen — insbesondere Hydrolyse — weitgehend inert sind.

Duroplaste, wie sie aus den bekannten und technischen Po-lyepoxiden mit entsprechenden Vernetzungsmitteln oder Härtern, d.h. aus Giessharz- oder Reaktionsharzmassen erhältlich sind, werden für viele Anwendungszwecke bevorzugt. Spezielle Beispiele sind in den oben genannten Publikationen zum Stand der Technik zu finden. Andere für die Erfindung grundsätzlich brauchbare Duroplaste sind vernetzte Polyurethane und vernetzte Polyester.

Die jeweils zur Vernetzung der Duroplastvorstufen bzw. Vorpolymeren der genannten Duroplaste geeigneten Härter sind ebenfalls bekannt und technisch erhältlich. Im allgemeinen werden solche Duroplastbildungssysteme bevorzugt, die bei erhöhten Temperaturen z.B. im Bereich von 120 bis 180°C vernetzen.

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Erfindungsgemässe Isolationskörper können allgemein nach für die Duroplastverarbeitung bekannten Methoden hergestellt werden. Formgiessverfahren sind-als ein bevorzugtes Beispiel zu nennen.

Die für erfindungsgemässe Isolationskörper charakteristische mineralische Füllstoffmischung besteht zu 50 bis 95% und vorzugsweise zu 70 bis 90% des Gesamtgewichts der Füllstoffkomponente aus Quarzmehl, z.B. in gemahlener und gesiebter Form mit Teilchengrössen im Bereich von 2 bis 70 p.m. Die zweite Komponente des mineralischen Füllstoffes, z.B. gemahlener Dolomit, kann Teilchengrössen in dem für das Quarzmehl genannten Bereich oder darunter haben.

Das Gewichtsverhältnis von Duroplastmatrix zum mineralischen Füllstoff liegt meist im Bereich von 1 : 3 bis 3 : 1, wobei gegebenenfalls die für die gewählte Verarbeitungsmethode, z.B. die Giessformung, noch ausreichende Viskosität der Mischung aus Duroplastvorstufe (ohne Härter) und mineralischem Füllstoff sowie die gewünschte Festigkeit nach der Vernetzung der Matrix zu berücksichtigen sind.

Eine möglichst homogene Verteilung der Füllstoffkörner in der Matrix, d.h. die Vermeidung von Aggregationen der Körner, wird bevorzugt. Es wird angenommen, dass die Teilchen der Erdalkalimetallverbindung die Teilchen des Quarzmehles gegen die Einwirkung von SFs-Spaltprodukten, insbesondere HF, durch Bildung von Erdalkalimetallfluorid abschirmen, d.h. als Abfangsmittel für die SFf)-Spaltprodukte wirken und dementsprechend mit Vorteil die Körner des Quarzmehls räumlich umgeben. Als diesem Grunde kann es zweckmässig sein, ein verhältnismässig grobes Quarzmehl und ein verhältnismässig feines Calcium- oder/und Magnesiumcarbonat für den Füllstoffanteil zu verwenden.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung. Prozente und Teile sind auf das Gewicht bezogen.

Beispiel

Zur Herstellung von Isolationskörpern mit den erfindungs-gegemässen Merkmalen sowie zur Herstellung entsprechender nicht erfindungsgemässer Körper zum Vergleich wird wie folgt gearbeitet:

Duroplastisch härtbares Vorpolymer auf Epoxidbasis (technisches Produkt) wird zunächst ohne Zusatz von Härter durch Erwärmung auf ca. 150°C verflüssigt. Die erhaltene klare

Schmelze wird mit dem mineralischen pulverförmigen Füllstoff vermischt. Das erhaltene Gemisch wird dann als warme Schmelze einer Vakuumbehandlung unterzogen, um flüchtige Anteile einschliesslich Feuchtigkeit praktisch vollständig zu ent-5 fernen.

Typisch beträgt die Temperatur dieser Vorbehandlung 140 ± 10°C und ihre Dauer 150 ± 30 min; der Unterdruck liegt meist zwischen 0,1 und 1,5 mbar, wobei man in der Regel mit höherem Druck von z.B. 1,5 mbar beginnt und den Druck im io Verlauf der Behandlung auf 0,1 mbar senkt. Ein Unterdruck im Bereich von 0,13 bis 1,3 mbar wird bevorzugt, aber es ist zu betonen, dass die optimalen Bedingungen in der Praxis der Menge des Harzes und den dielektrischen Anforderungen angepasst werden können.

15 Die der Vorbehandlung unterzogene Mischung wird dann auf etwa 130°C abkühlen gelassen, mit dem Epoxidhärter, hier Dicarbonsäureanhydrid, vermischt und in vorgeheizte (140 ± 20°C) Formen gegossen.

In einem auf 150 ± 30°C gehaltenen Ofen wird die Duro-20 plast/Füllstoff-Masse ausgehärtet, was je nach der speziellen Härtungstemperatur innerhalb des eben genannten Bereiches 180 Min. bis 24 Std. benötigen kann.

Nach dem Abkühlen werden die erhaltenen Körper entformt.

25 Zum Vergleich der mechanischen Eigenschaften erfindungsgemässer und nicht erfindungsgemässer Isolationskörper wurden entsprechende Probestücke nach den in der folgenden Tabelle I angegebenen Testmethoden auf die charakteristischen Parameter, wie Biegefestigkeit, Bruchbiegung, E-Modul (Bie-30 gung), Schlagzähigkeit und Wärmeformbeständigkeit untersucht.

Die variablen Herstellungs- und Zusammensetzungsparameter wurden mit Ausnahme der Zusammensetzung des Füllstoffanteiles bei allen Probestücken konstant gehalten. Das Ge-35 wichtsverhältnis von Duroplastmatrix zu mineralischem Füllstoff betrug 4 : 6.

Die Duroplastmatrix wurde jeweils aus 10 Gewichtsteilen Vorpolymer und 3,5 Gewichtsteilen Härter gebildet. Die Körnung aller mineralischen Füllstoffe bzw. Füllstoffkomponenten 40 betrug >2 <70 ± p.m. Die Messungen der mechanischen Eigenschaften der Proben wurden bei Raumtemperatur (20°C) durchgeführt.

TABELLE I

Zusammensetzung des mineralischen Füllstoffes

Eigenschaftsparameter

Testmethode

Messeinheit

Si02* (100%)

AI2O3** (100%)

90% SÌO2 und 10% Microdol

70% SÌO2 und 30% Microdol

Vergi.

Erfindung

Erfindung***

Biege

festigkeit

ISO 178

MPa

130

119

132

121

E-Modul

(Biegung)

ISO 178

MPa x 103

10

9

10

Schlag

zähigkeit

ISO 179

KJ/m2

8

7

Wärmeform

beständigkeit

VSM 77116

°C

108

110

106

104

nach Martens

* SÌO2 als Quarzmehl

** AI2O3 als technisches Korundpulver

*** Microdol ist Handelsbezeichnung für Dolomitpulver (CaCOî/MgCOs)

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Die in Tabelle I zusammengestellten Werte zeigen, dass sich die charakteristischen mechanischen Werte erfindungsgemässer Isolationskörper mit einem Microdolanteil von 10% des Gewichtes des Gesamtfüllstoffes von den vorteilhaften Eigenschaften einer nur mit Quarzmehl gefüllten Duroplastmatrix praktisch nicht unterscheiden und bei einem Microdolanteil von 30% des Gewichtes des Gesamtfüllstoffes immer nocht besser sind als diejenigen einer mit Korundpulver gefüllten Duroplastmatrix.

Um nun die Wirkungen der erfindungsgemässen zweiten mineralischen Pulverkomponente auf die Erhöhung der Beständigkeit des Füllstoffes gegen SFg-Spaltprodukte zu prüfen, wurden die gemäss Tabelle I getesteten Isolationskörper in gegen Flussäure beständigen diffusionsdichten Testkammern über 30%iger wässriger Fluorwasserstoff (HF)-lösung längere Zeit bei Raumtemperatur gelagert und auf Veränderung der Biegefe-5 stigkeit getestet.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt und zeigen, dass die erfindungsgemässe Verwendung von Calciumcarbonat/Magnesiumcarbonat (in Form von Dolomitpulver) in Mischung mit Quarzpulver eine deutliche io Verbesserung sowohl gegenüber Qüarzpulver (100% des Füllstoffes) als auch gegenüber Korundpulver (100% des Füllstoffes) bietet.

TABELLE II

Lagerungsdauer

Eigenschafts

Mess

Zusammensetzung des mineralischen Füllstoffes in 30% HF

parameter

(ISO 178, gemessen bei Raumtemperatur)

einheit

Si02* (100%)

AI203** (100%)

90% S1O2 und 10% Microdol

70% SÌO2 und 30% Microdol***

Neuzustand

Biegefestigkeit

MPa

130

119

132

121

1 Tag

»

123

115

124

123

1 Woche

»

106

105

114

113

4 Wochen

»

86

79

95

107

* SÌO2 als Quarzmehl

** AI2O3 als technisches Korundpulver

*** Microdol ist Handelsbezeichnung für Dolomitpulver (CaCC>3/MgC03)

Es ist zu betonen, dass die für die Ermittlung der Testdaten 35 von Tabelle II verwendeten Bedingungen um mehrere Grössen-ordnungen strenger, d.h. korrosiver, sind, als die durch Zersetzung von SF6 im Lichtbogen einer elektrischen Schaltanlage entstehenden Konzentrationen an HF, dem für SÌO2 weitaus korrosivsten SF6-Spaltprodukt.

40 Aber gerade die im Vergleich zu realen Betriebsbedingungen extreme HF-Konzentration beim Test gemäss Tabelle II zeigt, dass durch Zusatz schnell reagierender Erdalkalimetallverbindungen zu Quarzmehl als Füllstoff die durch Fluorwasserstoff bedingte Korrosion des Füllstoffes signifikant vermindert wird, 45 was wahrscheinlich durch die Bildung unlöslicher Fluoride und den dadurch bedingten Schutz der Matrix begründet ist. Auf diese Weise wird die Verwendbarkeit von Quarzmehl als hauptsächlichem Füllstoff für Giessharzformstoffe zur Herstellung von elektrischen Isolationskörpern mit erhöhter Beständigkeit 50 gegen SFö- Spaltprodukte in einer kommerziell sehr vorteilhaf- ten Weise möglich.

Claims

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1. Elektrischer Isolationskörper für elektrische Anlagen zum Betrieb mit SF6 als Lösch- oder/und Isoliergas, welcher Isolationskörper eine Duroplastmatrix mit darin verteiltem mineralischem Füllstoff aus Quarzmehl als überwiegendem Füllstoffanteil und einer zweiten mineralischen Pulverkomponente zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber SFo-Spaltprodukten besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente des Füllstoffes ein Carbonat mindestens eines Erdalkalimetalls ist und 5 bis 50% des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes bildet.

2. Isolationskörper nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente 10 bis 30% des Gewichtes des mineralischen Füllstoffes bildet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Isolationskörper nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente aus Calciumcarbonat oder/und Magnesiumcarbonat besteht.

4. Isolationskörper nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mineralische Pulverkomponente aus pulverförmigem Dolomit besteht.

5. Isolationskörper nach einem der Patentansprüche 1-4. dadurch gekennzeichnet, dass die Duroplastmatrix eine solche aus vernetztem Epoxidharz ist.

Elektrische Anlagen für Mittel- oder Hochspannungsbetrieb, wie insbesondere Schalter, aber auch Wandler oder Transformatoren werden häufig mit Schwefelhexafluorid (SF6) als Lösch- oder Isoliergas solcher zur Rückhaltung des SF6-Gases entsprechend verkapselter Anlagen verwendet.

Die Isolatoren in solchen Anlagen müssen im Vergleich zu offenen, d.h. nicht verkapselten Anlagen ohne SFö vergleichsweise höhere Feldstärken bewältigen, weil nur dann die im Verhältnis zu Luft sehr viel höhere Durchschlagfestigkeit von SF6 ausgenützt werden kann; das SFé in solchen Anlagen kann aber unter der Wirkung von Lichtbögen oder anderen Entladungsformen und durch Hydrolyse der Zersetzungsprodukte wegen der praktischen Unmöglichkeit eines absoluten Feuchtigkeitsausschlusses Spaltprodukte bilden, von denen Fluorwasserstoff (HF) besondere Probleme für den Isolator verursachen kann.

Aus der CH-PS 466 391 ist zur Ausschaltung dieser Probleme die Verwendung von Isolatorkörpern aus gehärtetem Giess-harz, wie Epoxidharz, bekannt, das frei ist von mit den Spaltprodukten des Isolatorgases reaktionsfähigen Komponenten, insbesondere von Siliciumverbindungen. Anstelle des für Giess-harze an sich sehr vorteilahften Füllstoffes SÌO2, insbesondere in Form von Quarzmehl, wird z.B. AI2O3 in Form von technischem Korundpulver oder als Tonerde verwendet.

Aus der US-PS 4 102 851 sind ferner Isolationskörper zur Verwendung in Gegenwart von SFs bekannt, die eine Duroplastmatrix aus cycloaliphatischem Epoxydharz mit Àlumini-umhydroxid Al(OH)j oder/und natürlichem Magnesit (MgCOs) als Zusatz zu dem überwiegend aus extrem feinteiligem AI2O3 bestehenden mineralischen Füllstoff besitzen. Die Verwendung von SÌO2 als mineralische Füllstoffkomponente ist dabei nur für eine Vergleichsprobe erwähnt.

Aus der DE-OS 2 810 035 ist ferner der Vorschlag bekannt, als Füllstoff in Epoxidharzformstoffen für Isolatoren, die in SFf, betrieben werden, Dolomitpulver (MgCC>3 ■ CaCOî in unterschiedlichen, z.B. stöchiometrischen Anteilen) zu verwenden und die durch das Dolomitpulver verursachte Festigkeitsverminderung (im Vergleich zu SÌO2 als Füllstoff) durch bestimmte organische Verarbeitungshilfsmittel teilweise zu kompensieren. Ein allfälliger SiC^-Anteil des Minerals Dolomit soll dabei unter 1 Gew.-% liegen.

Schliesslich ist aus der US-PS 4 104 238 der Vorschlag bekannt, die Nachteile von pulverförmigem SÌO2 (in Form von

Quarzgut) als Hauptkomponente des mineralischen Füllstoffes bei Isolatoren zum Betrieb in SFö mit Hilfe einer zweiten mineralischen Pulverkomponente, und zwar Aluminiumhydroxid AI(OH)3, zu kompensieren. Als Duroplastmatrix dient dabei ein Hydantoinepoxyharz.

Bedeutsame Veröffentlichungen sind ferner FR-A-2014717, DE-B-1 189 277 und DE-B-1 243 762.

Gemäss Stand der Technik gibt es also zwei Methoden zur Erhöhung der Beständigkeit von isolationskörpern gegen SF6-Spaltprodukte: bei der einen Methode wird das SÌO2 praktisch vollständig als Füllstoffanteil der Duroplastmatrix ausgeschaltet und durch andere mineralische Füllstoffe ersetzt. Diese sind aber vergleichsweise teuer oder/und vermindern im Vergleich zu SÌO2 die Festigkeit.

Bei der anderen Methode dient das SÌO2 nach wie vor als überwiegender, d.h. mindestens hälftiger Anteil (^50%) des mineralischen Füllstoffes, wobei aber eine zweite mineralische Pulverkomponente zur Erhöhung der Beständigkeit des Isolationskörpers gegen SFe-Spaltprodukte verwendet wird. Die Wirksamkeit des als zweite mineralische Komponente neben SÌO2 vorgeschlagenen Aluminiumhydroixid' zur Erhöhung c^er Beständigkeit des Isolationskörpers gegen SF2-Spaltprodukte ist aber begrenzt.