DE3049732C2

DE3049732C2 -

Info

Publication number: DE3049732C2
Application number: DE3049732A
Authority: DE
Inventors: Asahi Mitsuyo; Enomoto Junzou; Tanaka Takao; Hashizume Amagasaki Hyogo Jp Aiichiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1990-06-13
Also published as: EP0036023A4; WO1981000306A1; GB2067287A; DE3049732A1; EP0036023B1; US4396719A; GB2067287B; EP0036023A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Isolierlebensdauer eines Harzisolators bei einem elektrischen Gerät durch Messung des oxidativen Abbaus des Harzisolators im Laufe der Zeit. Auf diese Weise wird der Grad der Zerstörung durch oxidativen Abbau des Harzisolators und damit die mögliche Lebensdauer des Harzisolators und letztendlich auch des elektrischen Gerätes bestimmt.

In Elektrogeräten wendet man feste, flüssige oder gasförmige Isolatoren an. In den meisten Fällen werden feste Isoliermaterialien, und zwar solche auf Basis von Kunstharzen, insbesondere organischen hochmolekularen Materialien, verwendet. Im Laufe der Zeit unterliegen diese Isoliermaterialien einer elektrischen oder mechanischen Zerstörung und einem thermisch oxidativen Abbau. Dadurch verringern sich die Isoliereigenschaften des Isolators und schlimmstenfalls findet ein elektrischer Kurzschluß in dem elektrischen Gerät statt. Ist ein solcher Kurzschluß erst eingetreten, dann ist damit eine gewisse Gefahr verbunden und es kostet Geld und Zeit, das Gerät zu reparieren. Es besteht deshalb ein erhebliches Bedürfnis nach einem Verfahren, mit dem man die Isolierlebensdauer eines Harzisolators bei einem elektrischen Gerät feststellen kann, um sicherzustellen, daß, bevor ein Kurzschluß eintritt, das Gerät aus dem Verkehr gezogen wird bzw. eine neue Harzisolierung eingesetzt wird.

Bei einem flüssigen Isoliermaterial kann man den Abbau des Isoliermaterials mit einem hochempfindlichen Gasanalysator feststellen. Dies gilt auch für gasförmige Isoliermaterialien. Bei festen Isoliermaterialien lassen sich jedoch nicht-gasförmige Abbauprodukte messen, um dadurch den Grad des Abbaus bzw. der Zerstörung des Isolators festzustellen. Man hat bereits zur Bestimmung der Lebensdauer einer Isolierung in einem elektrischen Gerät ein Verfahren entwickelt, bei dem man beispielsweise den Isolierwiderstand oder die dielektrischen Eigenschaften gemessen hat. Diese Eigenschaften entsprechen jedoch nicht den Kurzschlußeigenschaften in einem elektrischen Gerät.

Da die Lebensdauer einer Isolierung in einem elektrischen Gerät von der Kurzschlußspannung abhängt, ist es unter den gegenwärtigen Bedingungen nicht möglich, die Lebensdauer einer Isolierung eines elektrischen Gerätes in üblicher Weise zu bestimmen.

Aus der US 38 68 221 ist eine Vorrichtung bekannt, mit welcher man den Abbau von stabilisierten Polymeren durch Wärme und Oxidation messen kann. Diese Messung dient vor allen Dingen zur Überprüfung der Eignung von Stabilisatoren hinsichtlich der Verhinderung oder Verzögerung eines thermisch oxidativen Abbaus. Weiterhin ist aus der GB 8 88 443 ein Testverfahren für Isoliermaterialien bekannt, bei dem man nach einer längeren elektrischen Beanspruchung die auf einem solchen Isoliermaterial entwickelten Oberflächenströme mißt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Isolierlebensdauer eines Harzisolators bei einem elektrischen Gerät durch Messung des oxidativen Abbaus des Harzisolators im Laufe der Zeit zur Verfügung zu stellen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Es wurde festgestellt, daß das Verhältnis der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome oder das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome sich im Laufe der Betriebszeit eines in einem elektrischen Gerät verwendeten Isoliermaterials verändert, und daß man diese Veränderung in Relation zu der Abnahme der Kurzschlußspannung setzen kann.

Fig. 1 zeigt den Veränderungsgrad in der Isolierkurzschlußspannung an einem Teststück zu der thermisch oxidativen Zerstörungszeit an.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Überwachungsharzstück in bezug auf die thermisch oxidative Zerstörungszeit an.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Überwachungsharzstück in bezug auf die thermisch oxidative Zerstörungszeit an.

Die Zerstörung der Isolierung bei einem elektrischen Gerät ist im wesentlichen auf den thermisch oxidativen Abbau des Harzisolators zurückzuführen. Organische hochmolekulare Verbindungen, die hauptsächlich als Harzisolatoren in Frage kommen, bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen (C) und Wasserstoffatomen (H) und gegebenenfalls geringen Mengen an Sauerstoffatomen (O) und Stickstoffatomen (N). Durch den thermisch oxidativen Abbau im Laufe der Zeit werden Doppelbindungen in dem Harz ausgebildet, und weiterhin können sich an diesen Doppelbindungen durch Oxidation Sauerstoffatome binden. Bei dem thermisch oxidativen Abbau nimmt die Anzahl der Wasserstoffatome in bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome ab und die Anzahl der Sauerstoffatome in bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome nimmt zu.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine geeignete Anzahl von Überwachungsstücken, die aus dem gleichen Material hergestellt sind wie das in dem elektrischen Gerät als Isolator verwendete Harz, abnehmbar auf dem elektrischen Gerät angebracht, bevor das letztere in Betrieb genommen wird. Das oder die Harzstücke können dann in geeigneten Zeitabständen abgenommen werden und dann wird das Verhältnis der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome oder das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem als Probe entnommenen Harzstück gemessen. Statt eines Überwachungsharzstückes kann man auch direkt aus dem Isoliermaterial eine Probe entnehmen, wobei man das bei der Probenahme entstandene Defekt dann zweckmäßigerweise durch ein entsprechendes Isoliermaterial wiederauffüllt.

Nachfolgend wird die Erfindung genau unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben, bei denen ein typisches Epoxyharz als wärmehärtbares Harz in einem elektrischen Gerät verwendet wird.

Beispiel 1

Ein Papier aus einem aromatischen Polyamid wurde um einen Eisenkern gewickelt und durch Umwickeln mit Glasband fixiert. Darauf wurde im Vakuum eine Imprägnierung mit einem niedrig viskosen Epoxyharz aufgebracht und bei 135°C im Elektroofen gehärtet unter Erhalt eines Teststückes.

Der vorerwähnte Epoxylack wurde zwischen zwei Glasplatten gegossen und unter den gleichen Herstellungsbedingungen wie bei der Herstellung des vorerwähnten Teststückes erwärmt und gehärtet, wobei man eine Harzplatte von 1 mm Dicke erhielt. Von dieser Harzplatte wurden einige Überwachungsharzstücke von 1 × 10 × 22 mm abgeschnitten. Die Teststücke und die Harzstücke wurden in einen Elektroofen bei Temperaturen von 180°C, 210°C bzw. 233°C einem thermisch oxidativen Abbau unterworfen.

Nachdem eine gewisse Zeit vergangen war, wurden 5 Probestücke aus dem Ofen entnommen und die Kurzschlußspannungen mit 1 KV (Wechselstrom) bei Raumtemperatur an der Luft gemessen. Gleichzeitig wurden die Überwachungsharzstücke aus dem Ofen entnommen und pulverisiert. Eine gewisse Menge der so pulverisierten Überwachungsharzstücke wurde mit einem Elementanalysator analysiert, um das Gewicht der Wasserstoffatome und das Gewicht der Kohlenstoffatome zu messen. Diese Gewichte wurden durch das Atomgewicht 1,006 g von Wasserstoff und das Atomgewicht 12,011 g von Kohlenstoff dividiert, um die Anzahl der Wasserstoffatome und die Anzahl der Kohlenstoffatome zu erhalten, und dadurch wurde das Verhältnis (H/C) der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome berechnet. Die Kurzschlußspannung wurde mit dem Anfangswert standardisiert.

Die Veränderungen des Veränderungsgrades (v) bei den Teststücken durch die Zeit des thermisch oxidierten Abbaus werden in Fig. 1 gezeigt, wo v = die Kurzschlußspannung nach dem thermischen Abbau/Anfangskurzschlußspannung ist.

Die Beziehung zwischen dem Verhältnis (H/C) der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome bei dem Überwachungsharzstück und die thermisch oxidative Abbauzeit werden in Fig. 2 gezeigt.

Aus den Fig. 1 und 2 geht hervor, daß die Veränderung der Kurschlußspannung bei dem Teststück mit der thermisch oxidativen Abbauzeit die gleiche Tendenz zeigt wie die Veränderung des Verhältnisses (H/C) die Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Harzstück, das als Überwachungsmaterial verwendet wird und die Zerstörung der Isolierung in dem Teststück kann aus dem Verhältnis der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Überwachungsharzstück bestimmt werden. Bestimmungsgemäß wird die Isolierlebensdauer des Teststückes beendet, wenn die Kurzschlußspannung in dem Teststück um die Hälfte des Anfangswertes verringert ist, denn wenn die Teststücke das Ende der Isolierlebensdauer bei 180°C, 210°C bzw. 230°C erreichen, beträgt das Verhältnis (H/C) der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in allen Fällen etwa 1,05. Daraus geht hervor, daß die Verhältnisse (H/C) nicht von den Temperaturen abhängen. Infolgedessen kann die Isolierlebensdauer bei einem elektrischen Gerät aus dem Verhältnis (H/C) der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome bei einem Überwachungsharzstück, das auf dem elektrischen Gerät angebracht ist, bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht von Elementen Gebrauch, nämlich den Kohlenstoffatomen und den Wasserstoffatomen, die in allen organischen Materialien vorhanden sind, und beruht auf deren Veränderung aufgrund eines oxidativen Abbaus. Deshalb könnten anstelle des verwendeten Epoxyharzes in dem vorherigen Beispiel zahlreiche wärmehärtbare Harze, wie Polyesterharze, Polyamidharze und Polyamidimidharze und auch in der Wärme weich werdende Harze und andere organische Materialien als Überwachungsharzstücke verwendet werden.

Die Konfiguration der Überwachungsharzstücke ist nicht auf die in dem vorerwähnten Beispiel beschränkt; d. h. daß man es in jeder gewünschten Form, z. B. als Teilchen, als Pulver oder als Granulat verwenden kann. Weiterhin können mit dem Harz organische Füllstoffe oder andere Füllstoffe vermischt sein.

Bei dem vorerwähnten Beispiel sind die Überwachungsharzstücke auf dem elektrischen Gerät zuvor angebracht worden. Wenn aber beispielsweise eine geringe Menge (beispielsweise 2 mg) des Harzes aus der Oberfläche eines Harzisolators, der den Isolierteil in einem elektrischen Gerät ausmacht, als Probe entnommen wird und dabei die Isolierung in dem elektrischen Gerät nicht verletzt wird, kann die Messung des Verhältnisses der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome bei einem so als Probe entnommenen Harz und die Bestimmung der Isolierlebensdauer in gleicher Weise wie bei dem vorher angegebenen Beispiel erfolgen. Obwohl die Menge des von der Oberfläche des Harzisolators bei dem elektrischen Gerät entnommenen Harzes sehr gering ist, sollte man aus Sicherheitsgründen den Teil, den man von dem Harz als Probe entnommen hat, durch ein Harz, das bei Raumtemperatur härtet, ersetzen.

Man nimmt an, daß der thermisch oxidative Abbau bei einem Harzisolator dadurch bedingt ist, daß die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in dem Molekül gespalten werden und Wasserstoffatome abgetrennt werden, so daß sich in dem Molekül Doppelbindungen bilden und die gebildeten Doppelbindungen werden dann durch den Luftsauerstoff angegriffen und dadurch werden Sauerstoffatome daran gebunden. Als Ergebnis des thermisch oxidativen Abbaus nimmt die Anzahl der Wasserstoffatome in bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome ab, d. h. daß die Anzahl der Sauerstoffatome in bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome zunimmt. Deshalb kann man die Isolierlebensdauer bewerten, indem man das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome anstelle des Verhältnisses der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome mißt.

Beispiel 2

Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Überwachungsharzstücke wurden in Elektroöfen von 180°C, 210°C und 230°C gelegt und einem thermisch oxidativen Abbau unterworfen. Nachdem eine gewisse Zeit vergangen war, wurden die Überwachungsharzstücke herausgenommen und pulverisiert. Eine bestimmte Menge der so pulverisierten Harzstücke wurden zur Messung des Gewichtes der Wasserstoffatome und der Kohlenstoffatome analysiert. Das Gewicht der Sauerstoffatome erhielt man, indem man das Gewicht der Wasserstoffatome und Kohlenstoffatome von dem für die Analysierung verwendeten Harz abzog. Das Gewicht der Kohlenstoffatome und das Gewicht der Sauerstoffatome wurde durch das Atomgewicht des Kohlenstoffs von 12,011 g und das Atomgewicht des Sauerstoffes von 16,000 g dividiert, wodurch man die Anzahl der Kohlenstoffatome bzw. die Anzahl der Sauerstoffatome erhielt und daraus wurde das Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome berechnet. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Überwachungsharzstück und der Zeit für den thermisch oxidativen Abbau wird in Fig. 3 gezeigt.

Die Veränderung der Kurzschlußspannung bei dem Probestück mit der thermisch oxidativen Abbauzeit im Beispiel 1 wird in Fig. 1 gezeigt. Aus einem Vergleich von Fig. 1 mit Fig. 3 geht hervor, daß die Kurve in Fig. 3 zunehmende Veränderungen im Vergleich zu den abnehmenden Veränderungen der Kurve in Fig. 1 zeigt. Man kann also erkennen, daß der Isolierungsbau in dem Teststück (entsprechend dem in einem wirklichen elektrischen Gerät) aus dem Verhältnis des Überwachungsharzstückes berechnet werden kann. Bestimmungsgemäß endet die Isolierlebensdauer des Teststückes, wenn die Kurzschlußspannung in dem Teststück auf die Hälfte des Anfangswertes gesunken ist, wobei, wenn die Teststücke ihre Isolierlebensdauern bei 180°C, 210°C bzw. 230°C erreichen, das Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Überwachungsharzstück in allen Fällen etwa 0,55 beträgt. Infolgedessen kann man die Isolierlebensdauer eines elektrischen Gerätes aus dem Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Überwachungsharzstück, das auf dem elektrischen Gerät angebracht ist, berechnen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Isolierlebensdauer eines Harzisolators bei einem elektrischen Gerät durch Messung des oxidativen Abbaus des Harzisolators im Laufe der Zeit, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Stück aus dem Harzisolator des elektrischen Gerätes als Probe entnimmt, das Verhältnis der Anzahl der Wasserstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome oder das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffatome zu der Anzahl der Kohlenstoffatome in dem als Probe entnommenen Harzstück mißt, das Ergebnis in Beziehung zu den Werten beim nicht abgebauten Harzisolator setzt und so den Grad der Zerstörung durch oxidativen Abbau und damit die mögliche Lebensdauer des Harzisolators bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überwachungsharzstück, das dem Harz des Harzisolators in dem elektrischen Gerät entspricht, auf dem elektrischen Gerät angebracht und zur Bestimmung der Isolierlebensdauer dann abgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Überwachungsharzstücken auf dem elektrischen Gerät angebracht ist.