WO2011057905A1 - Beschichtete isolationsfolien für elektrische maschinen und herstellungsverfahren dazu - Google Patents

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    • H01B3/28—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances natural or synthetic rubbers

Definitions

  • the invention relates to a coated insulating film with increased corona resistance in the electric field.
  • Corona-stable PI films can be used for the conductor insulation. These films are very expensive and are only offered by one manufacturer. For the main insulation mica coated surface insulation materials are used. Again, this solution is expensive and difficult to handle. There is a risk in the winding that the mica particles peel off.
  • As polymer films, ie as a carrier for the mica particles mainly (polyethylene terephthalate) PET, (polyethylene naphthalate) PEN and (polyimide) PI films are used.
  • a disadvantage of the known solutions is that the herge ⁇ presented isolations are difficult to use and expensive. For example, in the winding around the conductor low bending radii of the mica coated films can not be realized because the mica otherwise peel off. Since the insulation films generally after the winding impregnated with resin for mechanical stability or, in the case of glimmering mer ambiencen materials already used as a resin-impregnated semi ⁇ imaging (so-called. Resin Rich materials) used ⁇ to, the danger of defect sites in the resin impregnation, the lower the corona resistance, and thus jeopardize the duration reliability of the insulation, at the Isola ⁇ functions after State of the art given.
  • Object of the present invention is, therefore, an iso-regulation ⁇ for electrical machines, in particular transformers reindeer, to produce motors generators which exhibit improved corona stability with good insulation of the electrical equipment.
  • the subject of the present invention is an electrical surface insulation with high corona stability ge ⁇ erosion in the electric field, a polymer film as a carrier, with one or both sides, partially or over the entire surface applied coating of a closely meshed and thus difficult to be converted into the gas phase inorganic or partially inorganic non-conductive material.
  • the subject of the present invention is a process for producing the improved insulation by gas deposition or by wet-chemical processes.
  • High corona resistance is present in this case, for example, with a local material removal of less than 250 ym, preferably less than 150 ym, preferably less than 100 ym, in particular be ⁇ preferred from less than 50 ym of mecanicnisolier fürs egg ⁇ ner electrode with a diameter of 6 mm at an E Field load of 6.5 V / ym for 240 hours, equated "Under" an electrode means that the electrode rests directly, but without pressure.
  • crosslinking points refers to the ato ⁇ centered centers, the chemical bond between two or more finished molecular parts, also called monomer units produce.
  • the inventive compact and smooth coating smaller bending radii can be achieved than is possible with ⁇ play, in the mica-coated films. Difficulties in defect-free impregnation of the mica-coated films can continue to occur in the coated films according to the invention, since the compact, smooth surface of the coating can be easily impregnated. This increases the reliability and durability of the insulation system in use. An improved Wettetz ⁇ ability of the film with the resin through the coating further promotes reliability.
  • the coating material of a refractory inorganic material such as a ceramic material such as a titanate or of a partially inorganic material such as the so-called non-metallic hybrid polymers.
  • the inorganic material is, for example, a nitride such as the trisilicon tetranitride S1 3 N 4 having a melting point of 1900 ° C.
  • phosphates or oxides Kings ⁇ NEN are used here to advantage.
  • Further materials may be: silicon carbide (SiC), barium titanate (BaTiO3), silicon nitride (SiN) or derivatives of these materials as well as all other ceramic compounds.
  • the inorganic or partially inorganic non-conductive coatings can be applied to the polymer films by means of low-pressure PVD or low-pressure CVD or atmospheric-pressure plasma polymer coating methods.
  • silanes and siloxanes can be applied as coatings to the polymer films by way of the sol-gel process, which form, for example, a SiO backbone framework, which is cross-linked and thus again the property that the coating is difficult to evaporate fulfilled.
  • Prepo- mers for the sol-gel synthesis come silanes, siloxanes, or ⁇ ganisch modified silanes or mixtures thereof in question.
  • the properties of the sol-gel layers can be adapted.
  • layers can be realized which are based on interpenetrating networks of such sol-gel condensates and the organic polymers.
  • Suitable polymer films more may be enumerated, for example, is suitable standard materials such as polyethylene ⁇ (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyether terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate (PEN), as well as other thermoset and high temperature stable Fo ⁇
  • PE polyethylene ⁇
  • PVC polypropylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • PET polyether terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PI polyimide
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEI polyetherimide
  • PES polyethersulfone
  • LCP liquid crystal polymer
  • the thickness of the layer may vary, for example, it may be less than 500 ⁇ , in particular less than 100 ⁇ and more preferably between 5 nm and 150 ⁇ . It will be evident ⁇ Lich that applied Schich ⁇ th are significantly thicker by wet chemical methods than those applied by vacuum deposition in layers. The wet-chemically generated
  • PVD or CVD coatings of around 50 nm can produce a significant improvement in the corona resistance of the films against partial electrical discharge.
  • One possibility is the coating by means of wet-chemical materials, which are applied in the sol-gel process. Even in this case, significant improvements can already be achieved by thin layers in the range of a few ym. Both the gas phase deposition and the sol-gel coating can be easily automated, thus providing highly scalable coating processes.
  • Expensive erosion stable PI-foil or mica coated films of PET or PEN for the partial or Hauptleiterisolie ⁇ tion can be replaced by these low-cost coated films.
  • the handling of the films, for example, in a winding process is much easier than for a mica particle-coated film, since due to the compact coating flaking of the mica particles can not auftre ⁇ th. This also allows smaller bending radii to be realized.
  • the resin impregnation of the coated films is also more reliable than the impregnation of the mica particles.
  • a risk of life-reducing defects due to defective impregnation of the mica tape does not occur in the coated film. Due to the compact and smooth coating, depending on the version, in general even an improved resin wetting compared to the uncoated foil is achieved.
  • the figure shows the scheme of construction of an exemplary embodiment of the film according to the invention.
  • the coating 2 and 3 are made of finely crosslinked and difficult to be converted into the gas phase inorganic or partially inorganic non-conductive material.
  • This coating which is also referred to as the "electrical barrier layer” has a higher rigidity and brittleness than the polymer film, which usually also reduces the elongation at break of the polymer film elasticizing layer 4 or 5 is coated.
  • ⁇ are all suitable elastic polymeric Be Anlagenungssys- systems such as PU, epoxy resin, silicones and / or acrylates, etc.
  • These elasticizing compensating layer has, in a part before ⁇ exemplary embodiment, layer thicknesses in the range of 0.1 100 bi It is applied wet-chemically by means of printing, doctoring, dipping or other inline-capable processes advantageously in the roll-to-roll process.
  • This invention discloses for the first time a coating of standard PET films with inorganic or partially inorganic layers such as SiOx, Al 2 O 3, Si 3 N 4, etc., which can be applied by low pressure PVD, low pressure CVD, or atmospheric pressure plasma polymer coating processes , which simultaneously leads to increased corona stability of the film and an at least constant mechanical Festig ⁇ speed (even under thermal aging) as for the uncoated film.
  • inorganic or partially inorganic layers such as SiOx, Al 2 O 3, Si 3 N 4, etc.
  • the resistance to erosion in the electric field is significantly improved in the case of the polymer film under permanent partial discharge loading.
  • all non-metallic, non-conductive layers with high crosslinking density and inorganic proportions are suitable.

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Abstract

Durch die erfindungsgemässe Beschichtung einer Polymerfolie wird bei der Polymerfolie der Widerstand gegen Erosion im elektrischen Feld (sog. Koronastabilität) bei dauerhafter Teilentladungsbelastung deutlich verbessert.

Description

Beschreibung
Beschichtete Isolationsfolien für elektrische Maschinen und Herstellungsverfahren dazu
Die Erfindung betrifft eine beschichtete Isolationsfolie mit gesteigerter Koronabeständigkeit im elektrischen Feld.
Elektrische Maschinen (Transformatoren, Motoren, Generatoren) besitzen je nach Leistung und Konstruktionsprinzip ein komplexes Isolierungssystem. Dabei werden in unterschiedlichen Bereichen Folienwerkstoffe als Isolierung eingesetzt. Diese Folienisolierstoffe bestehen aus thermoplastischen oder chemisch vernetzten Polymerfolien. Es kommt eine überschaubare Anzahl von Folienwerkstoffen in Frage, welche die mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen erfüllen. Im Falle der Motoren und Generatoren werden entsprechende Folien für Haupt- und Teilleiterisolierung um den Leiter gewickelt .
Für die Teilleiterisolierung können koronastabile PI-Folien eingesetzt werden. Diese Folien sind sehr teuer und werden nur von einem Hersteller angeboten. Für die Hauptisolierung kommen glimmerbeschichtete Flächenisolierstoffe zum Einsatz. Auch diese Lösung ist teuer und zu dem im Handling schwierig. Es besteht bei der Wicklung die Gefahr, dass die Glimmerpartikel abblättern. Als Polymerfolien, also als Träger für die Glimmerpartikel, kommen hauptsächlich ( Polyethylenterephtha- lat) PET-, (Polyethylennaphthalat) PEN- und (Polyimid) PI- Fo- lien zum Einsatz.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass die so herge¬ stellten Isolierungen schwierig in der Handhabung und teuer sind. Beispielsweise können bei der Wicklung um den Leiter geringe Biegeradien der glimmerbeschichteten Folien nicht realisiert werden, weil die Glimmer sonst Abblättern. Da die Isolationsfolien ganz generell nach der Wicklung mit Harz zur mechanischen Stabilität imprägniert oder, im Falle der glim- merhaltigen Materialien, bereits als harzimprägniertes Halb¬ zeug verwendet (sog. Resin Rieh Materialien) eingesetzt wer¬ den, ist die Gefahr von Defektstellen in der Harzimprägnierung, die die Koronabeständigkeit herabsetzen und damit die Dauerzuverlässigkeit des Isolierung gefährden, bei den Isola¬ tionen nach dem Stand der Technik gegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Iso¬ lierung für elektrische Maschinen, insbesondere Transformato- ren, Motoren, Generatoren herzustellen, die bei guter Isolierung der elektrischen Maschinen eine verbesserte Koronastabilität zeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden An- sprüche zusammen mit der Beschreibung und den Figuren gelöst.
Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine elektrische Flächenisolierung mit hoher Koronastabilität ge¬ gen Erosion im elektrischen Feld, die eine Polymerfolie als Träger, mit ein- oder beidseitig, teilweise oder ganzflächig aufgebrachter Beschichtung aus einem engmaschig vernetztem und dadurch schwer in die Gasphase zu überführenden anorganischen oder teilweise anorganischem nichtleitendem Material umfasst. Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der verbesserten Isolation durch Gasabscheidung oder über nasschemische Verfahren.
„Hohe Koronabeständigkeit" wird vorliegend beispielsweise mit einem lokalen Materialabtrag von kleiner 250 ym, bevorzugt kleiner 150 ym , bevorzugt kleiner 100 ym, insbesondere be¬ vorzugt von kleiner 50 ym des Flächenisolierstoffes unter ei¬ ner Elektrode mit Durchmesser von 6 mm bei einer E- Feldbelastung von 6,5 V/ym für 240 Stunden, gleichgesetzt. „Unter" einer Elektrode heißt dabei, dass die Elektrode di- rekt, aber ohne Druck aufliegt.
Als „Vernetzungspunkte" werden innerhalb der Schicht die ato¬ maren Zentren bezeichnet, die chemische Bindung zwischen zwei oder mehr fertigen Molekülteilen, auch Monomereinheiten genannt, herstellen.
Als „schwer in die Gasphase zu überführende" Materialien wer- den diese Beschichtungen bezeichnet, weil sie bei der während der Glimmentladung auftretenden Temperaturbelastung einen hohen Widerstand gegen Materialzersetzung oder Kettenspaltung aufweisen (Molmassenabbau) . Daher auch die Bevorzugung anorganischer oder Hybrid-anorganischer Materialien, die im Fol- genden auch als „teilanorganisch" bezeichnet werden.
Als anorganisch werden dabei alle nicht kohlenstoffhaltigen atomaren Zentren bezeichnet. Als „engmaschig" wird hier die im Vergleich zu organischen
Polymeren engere Verknüpfung anorganischer Polymere bezeichnet .
Durch die erfindungsgemäße kompakte und glatte Beschichtung können geringere Biegeradien realisiert werden, als dies bei¬ spielsweise bei den glimmerbeschichteten Folien möglich ist. Schwierigkeiten beim defektfreien Imprägnieren der glimmerbeschichteten Folien können weiterhin bei den erfindungsgemäßen beschichteten Folien nicht auftreten, da die kompakte, glatte Oberfläche der Beschichtung problemlos imprägniert werden kann. Dies steigert die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit des Isolationssystems im Einsatz. Eine verbesserte Benetzbar¬ keit der Folie mit dem Harz durch die Beschichtung fördert die Zuverlässigkeit weiterhin.
Durch die vorgeschlagene Beschichtung der Polymerfolie wird der Widerstand gegen Erosion im elektrischen Feld (sog. Koronastabilität) bei dauerhafter Teilentladungsbelastung deutlich verbessert. Dies wird unter anderem darauf zurückge- führt, dass die anorganische oder teilanorganische Beschich¬ tung vergleichsweise engmaschig vernetzt ist und auch schwer in die Gasphase überführbar ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Beschichtungsmaterial aus einem hochschmelzenden anorganisches Material wie einem keramischen Material z.B. ein Tita- nat oder aus einem teilanorganischen Material wie den so ge- nannten nichtmetallischen Hybridpolymeren. Nach einer anderen Ausführungsform ist das anorganische Material beispielsweise ein Nitrid wie das Trisiliciumtetranitrid S13N4 mit einem Schmelzpunkt von 1900°C. Aber auch Phosphate oder Oxide kön¬ nen hier vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere vorteil- haft ist Aluminiumoxid AI2O3 mit einem Schmelzpunkt von 2045°C und SiOx, das in einer engmaschig vernetzten Modifikation einen Schmelzpunkt der Quarz-Modifikation ß-Cristobalit (x = 2) von 1705°C hat. Weitere Materialien können sein: Siliziumcar- bid (SiC), Bariumtitanat (BaTi03) , Siliziumnitrid (SiN)oder Derivate dieser Materialien sowie alle weiteren keramischen Verbindungen .
Zur Herstellung der Beschichtung wird auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei Wege beschreiten, zum einen der nasschemische über das Sol-Gel-Beschichtungsverfahren und zum zweiten die Abschei- dungsverfahren aus der Gasphase, die teilweise unter Anwendung von Plasmaverfahren durchgeführt werden. Diese Verfahren dienen alle dazu, nichtleitende, anorganische oder teilanorganische Beschichtungen herzustellen, die engmaschig vernetzt und/oder sonst wie schwer in die Gasphase überführbar sind. Das erhöht die Koronabeständigkeit. So lassen sich beispielsweise über Niederdruck-PVD oder Nie- derdruck-CVD- oder Atmosphärendruck-Plasmapolymer- Beschichtungsverfahren die anorganischen oder teilanorganischen nichtleitenden Beschichtungen auf die Polymerfolien aufbringen .
Ebenso lassen sich über das Sol-Gel-Verfahren Silane und Si- loxane als Beschichtungen auf die Polymerfolien aufbringen, die beispielsweise ein SiO-backbone-Gerüst bilden, das engma- schig vernetzt ist und somit wieder die Eigenschaft, dass die Beschichtung nur schwer verdampfbar ist, erfüllt. Als Prepo- lymere für die Sol-Gel-Synthese kommen Silane, Siloxane, or¬ ganisch modifizierte Silane bzw. deren Mischungen in Frage. Durch die Einstellung des Anorganik- zu Organik-Anteil über die geeignete Wahl der Prepolymere können die Eigenschaften der Sol-Gel-Schichten angepasst werden. Weiterhin können Schichten realisiert werden, die auf interpenetrierenden Netzwerken solcher Sol-Gel-Kondensate und der organischen Po- lymere basieren.
Als geeignete Polymerfolien können mehrere aufgezählt werden, beispielsweise geeignet ist Standardmaterialien wie Polyethy¬ len (PE), Polypropylen (PP) , Polyvinylchlorid (PVC) , Polye- thylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN), aber auch andere duroplastische und hochtemperaturstabile Fo¬ lien wie Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK) , Polyethe- rimid (PEI), Polyethersulfon (PES) , Liquid Crystal Polymer (LCP) , etc. sind einsetzbar.
Die Dicke der Schicht kann variieren, beispielsweise kann sie kleiner 500μη sein, insbesondere kleiner 100 μιη und besonders bevorzugt zwischen 5 nm und 150 μιη. Dabei ist es offensicht¬ lich, dass durch nasschemische Methoden aufgebrachte Schich¬ ten deutlich dicker sind als die durch Abscheidungen in Vakuum aufgebrachten Schichten. Die nasschemisch erzeugten
Schichten bewegen sich daher im Bereich von 0,1 bis 150 μιτι, während die durch Abscheidung erzeugten Schichten durchaus schon im Bereich von 1 bis 50 nm Dicke einen Effekt zeigen können .
So kann bereits durch sehr dünne PVD - bzw. CVD- Beschichtungen um 50 nm eine deutliche Verbesserung der Koronabeständigkeit der Folien gegen elektrische Teilentladung erzeugt werden. Eine Möglichkeit ist die Beschichtung mittels nasschemischer Materialien, die im Sol-Gel-Prozess aufgebracht werden. Auch in diesem Fall können bereits durch dünne Schichten im Bereich von wenigen ym deutliche Verbesserungen erreicht wer- den. Sowohl die Abscheidung aus der Gasphase als auch die Sol-Gel-Beschichtung können gut automatisiert werden und stellen somit gut skalierbare Beschichtungsprozesse dar.
Teure erosionsstabile PI-Folien oder glimmerbeschichtete Fo- lien aus PET oder PEN für die Teil- bzw. Hauptleiterisolie¬ rung können durch diese kostengünstigen beschichteten Folien ersetzt werden. Zudem ist das Handling der Folien beispielsweise in einem Wickelprozess deutlich einfacher als für eine glimmerpartikelbeschichtete Folie, da aufgrund der kompakten Beschichtung ein Abblättern der Glimmerpartikel nicht auftre¬ ten kann. So können auch kleinere Biegeradien realisiert werden .
Die Harzimprägnierung der beschichteten Folien ist weiterhin zuverlässiger möglich als die Durchimprägnierung der Glimmerpartikel. Eine Gefahr von lebensdauerreduzierenden Fehlstellenbildung infolge defekthaltiger Durchimprägnierung des Glimmerbandes tritt bei der beschichteten Folie nicht auf. Durch die kompakte und glatte Beschichtung wird - je nach Ausführung - in der Regel sogar eine verbesserte Harzbenet- zung im Vergleich zur unbeschichteten Folie erreicht.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von einer Figur verdeutlicht :
Die Figur zeigt das Schema des Aufbaus einer beispielhaften Ausführungsform der Folie gemäß der Erfindung.
Zu erkennen ist mittig eine Polymerfolie 1, die in der hier gezeigten Ausführungsform beidseitig und nicht nur einseitig beschichtet ist. Auf beiden Seiten der Folie 1 befindet sich daher die Be- schichtung 2 und 3 aus engmaschig vernetztem und schwer in die Gasphase zu überführenden anorganischen oder teilanorganischen nichtleitendem Material. Diese auch als „elektrische Barriereschicht" bezeichnete Beschichtung weist im Vergleich zur Polymerfolie eine höhere Steifigkeit und Sprödigkeit auf. Dadurch wird in der Regel auch die Reißdehnung der Polymerfolie verringert. Um diesem negativen Effekt entgegen zu wirken, wird diese in einer besonders vorteilhaften Ausführung mit einer elastifizierenden Schicht 4 oder 5 beschichtet. Da¬ für eignen sich alle elastischen polymeren Beschichtungssys- teme wie PU, Epoxidharz, Silikone und/oder Acrylate, etc. Diese elastifizierende Ausgleichsschicht weist in einer vor¬ teilhaften Ausführung Schichtdicken im Bereich von 0,1 bi 100 ym auf. Sie wird nasschemisch über Druck-, Rakel-, Tauchoder andere inlinefähige Verfahren vorteilhaft im Rolle-zu- Rolle-Prozess aufgetragen.
Durch diese Erfindung wird erstmals eine Beschichtung von Standard-PET-Folien mit anorganischen oder teilanorganischen Schichten wie SiOx, A1203, Si3N4 etc., die über Niederdruck- PVD-, Niederdruck-CVD- , oder Atmosphärendruck-Plasmapolymer- Beschichtungsverfahren aufgebracht werden können, offenbart, welche gleichzeitig zu einer erhöhten Koronastabilität der Folie und einer zumindest gleichbleibende mechanische Festig¬ keit (auch unter thermischer Alterung) wie für die unbeschichtete Folie führt.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung einer Polymerfolie wird bei der Polymerfolie der Widerstand gegen Erosion im elektrischen Feld (sog. Koronastabilität) bei dauerhafter Teilentladungsbelastung deutlich verbessert. Es eignen sich prinzipiell alle nichtmetallischen, nichtleitenden Schichten mit hoher Vernetzungsdichte und anorganischen Anteilen.
Ebenso kann durch hochvernetzte nasschemische Siloxan-
Schichten bzw. alle Arten von anorganischen oder hybridpoly- meren Sol-Gel-Schichten die Koronabeständigkeit deutlich gesteigert werden. Ein typisches Beispiel für die Beständigkeitssteigerung einer mit Sol-Gel-Beschichtung beschichteten 50 ym dicken PET-Folie gegen elektrische Erosion durch Teilentladung ist optisch nachweisbar.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Flächenisolierung mit hoher Koronastabili¬ tät gegen Erosion im elektrischen Feld, die eine Polymerfolie als Träger, mit ein- oder beidseitig, teilwei¬ se oder ganzflächig aufgebrachter Beschichtung aus einem engmaschig vernetztem und dadurch schwer in die Gasphase zu überführenden anorganischen oder teilweise anorganischem nichtleitendem Material umfasst.
2. Flächenisolation nach Anspruch 1, wobei die Polymerfolie eine duroplastische Folie ist.
3. Flächenisolation nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Polymerfolie eine thermoplastische Folie ist.
4. Flächenisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Polymerfolie eine Elastomerfolie ist.
5. Flächenisolation nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen der Beschichtung und der Polymerfolie eine Ausgleichsschicht angeordnet ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Flächenisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durch nasschemische Ab- scheidung und Bildung der Beschichtung auf der Polymerfolie im Sol-Gel-Verfahren oder durch bekannte Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Physical Vapor Deposition (PVD) Methoden.
7. Verfahren nach Anspruch 7, unter Einbeziehung von plasmagestützten Verfahren und/oder Plasmapolymerisierung.
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