用于高压旋转式机械的电绝缘体以及制造该电绝缘体的方法
【专利说明】用于高压旋转式机械的电绝缘体以及制造该电绝缘体的方法
[0001]本发明涉及用于高压旋转式机械的电绝缘体以及制造该电绝缘体的方法。
[0002]电机，例如发动机和发电机具有电导体、电绝缘系统以及定子铁芯堆(statorcore stack)。电绝缘系统的作用是使导体彼此相互电绝缘、与定子铁芯堆以及与环境电绝缘。在电机运行期间由于局部放电可能会出现火花，并且所述火花在绝缘材料(insulat1n)中可形成所谓的“电树枝”通道(“treeing”channels)。所述电树枝通道能够导致绝缘层的介电击穿(dielectric breakdown)。通过包含对局部放电极具抵抗力的云母的绝缘材料来提供针对局部放电的阻挡层(barrier)。以常规粒径为几百微米至几毫米的云母颗粒的薄片形式来使用云母，其中对所述云母进行处理以产生云母纸。为了使强度更大并且易于加工而使用胶带，其中使用粘合剂将云母纸粘合在基底上。
[0003]为了制造绝缘系统，对胶带进行进一步的所谓VPI (真空压力浸渍)(VacuumPressure Impregnat1n)过程的加工。在该VPI过程中，将胶带缠绕在导体上并且之后将其放入含合成树脂的浴中。通过使用真空以及随后的加压使所述胶带浸渍有合成树脂。由此，胶带中的空腔以及胶带和导体间的空腔由合成树脂所填充。然后将合成树脂在炉中通过加热来固化，从而生成绝缘系统。以这种方式，在制造单个绝缘系统的过程中仅使用了所述浴中1%?5%的合成树脂，从而所述浴中合成树脂的长的使用寿命是理想的。
[0004]为了提高绝缘系统对局部放电的抗性，习惯上使用分散在浴中的合成树脂中的无机纳米级颗粒。然而其缺点是，纳米级颗粒降低了浴中合成树脂的使用寿命。特别是在合成树脂的逐步聚合(progressive polymerizat1n)方面，这会导致合成树脂粘度的增加。然而，对于胶带的完全浸渍来说，反应树脂的低粘度是极为重要的。
[0005]本发明的目的在于提供用于高压旋转式机械(high-voltage rotary machine)的电绝缘体以及制造该电绝缘体的方法，其中所述方法易于实施且经济实惠。
[0006]本发明的用于高压旋转式机械的电绝缘体包括由环氧树脂(epoxy)与硬化剂反应而得的合成树脂，并且其中添加有包括颗粒的填料组分，其特征在于所述环氧树脂中的氯的质量分数小于lOOpprn。常规的市售环氧树脂通常具有约100ppm的氯质量分数。其中在制造电绝缘体之前纯化环氧树脂的实验已被进行。在这种情况下，令人惊奇的是，如果环氧树脂的总的氯含量小于lOOppm，那么包含环氧树脂、硬化剂和含颗粒的填料组分的混合物具有比包含常规的氯质量分数约为100ppm的环氧树脂的混合物明显更高的贮存稳定性。高贮存稳定性的特征在于，所述混合物在制造电绝缘体之前可被长时间地贮存，而合成树脂不会聚合至不能加工所述混合物以形成电绝缘体的程度。从而没有必要预先除去已预聚合的合成树脂，因此所述电绝缘体的制造是经济实惠的。
[0007]优选通过重结晶(recrystallizat1n)的方式来纯化环氧树脂，以使环氧树脂中的氯的质量分数小于lOOppm。出于重结晶的目的，在有机溶剂中搅拌经粉碎的环氧树脂晶体，从而使环氧树脂中的含氯杂质溶解在有机溶剂中。出于重结晶的目的，还可通过加热来溶解环氧树脂并且之后通过冷却使其结晶。然而，还可考虑其它的纯化方法，例如通过色谱法纯化。
[0008]所述环氧树脂优选为芳香族环氧树脂，特别是双酚A 二缩水甘油醚和/或双酚F二缩水甘油醚。这两种环氧树脂也被称为BADGE和BFDGE。
[0009]所述硬化剂优选为酸酐，特别是甲基六氢邻苯二甲酸酐(methylhexahydrophthalic acid anhydride)和/或六氢邻苯二甲酸酐。但是，还可使用由胺，例如乙二胺制成的硬化剂。优选将所述酸酐纯化，特别是通过蒸馏和/或色谱的方式来纯化，以使酸酐中游离酸分数小于0.1质量％，由此，在制造电绝缘体之前同样有利地抑制了合成树脂的逐步聚合。
[0010]填料组分优选包含无机颗粒，特别是包括二氧化硅、二氧化钛和/或氧化铝的颗粒。无机颗粒的有利之处在于，其对局部放电具有高抗性。所述填料组分优选包含纳米级颗粒，特别是平均粒径小于50nm的纳米级颗粒。纳米级颗粒具有大的表面，从而在电绝缘体中形成多个固体-固体界面，由此电绝缘体对局部放电的抗性被显著提高。相对于合成树脂，填料组分的质量分数优选为15?30质量％，特别是22?24质量％。所述电绝缘体优选包括绝缘纸，特别是含云母的电绝缘纸，并且优选将所述电绝缘纸用合成树脂浸透(saturate)。还可借助粘着剂(adhesive)将绝缘纸粘附至基底，以使该绝缘纸具有更高的机械强度，这也更有利于加工。
[0011]本发明的制造电绝缘体的方法包括以下步骤:制备包含环氧树脂和硬化剂的合成树脂，并且向其中添加含颗粒的填料组分，其中环氧树脂中的氯的质量分数小于10ppm;围着导电体缠绕绝缘纸；用所述合成树脂将所述绝缘纸浸透，从而使合成树脂和颗粒分散在绝缘纸中；精加工所述电绝缘体。
[0012]在合成树脂的粘度小于一定阈值的情况下，才能实现所述电绝缘体的浸透。由于环氧树脂中的氯的质量分数小于lOOppm，可以在不超过所述阈值的情况下长时间地贮存该合成树脂。因此，有利的是，该方法可易于实施且经济实惠。此外，还能防止合成树脂任何突然的聚合，这样的聚合会强烈放热，因此有明显的安全隐患。
[0013]所述绝缘体的精加工优选包括使环氧树脂与硬化剂发生反应，从而固化所述合成树脂。特别地，通过在绝缘纸的区域中提供催化剂，特别是环烷酸锌来产生环氧树脂与硬化剂的反应。因此，合成树脂的聚合优选发生在绝缘纸的区域。
[0014]优选通过重结晶的方式来纯化环氧树脂，以使环氧树脂中的氯的质量分数小于10ppm0所述环氧树脂优选为芳香族环氧树脂，特别是双酚A 二缩水甘油醚和/或双酚F二缩水甘油醚。所述硬化剂优选为酸酐，特别是甲基六氢邻苯二甲酸酐和/或六氢邻苯二甲酸酐。优选将所述酸酐纯化，特别是通过蒸馏和/或色谱来纯化酸酐，以使酸酐中游离酸分数小于0.1质量％。所述填料组分优选包含无机颗粒，特别是包括二氧化硅、二氧化钛和/或氧化铝的颗粒。所述填料组分优选包含纳米级颗粒，特别是平均粒径小于50nm的纳米级颗粒。相对于所述合成树脂，填料组分的质量分数优选为15?30质量％。所述绝缘纸优选包含云母。
[0015]下文将参照示例性的附图对本发明进行更详细的说明，其中:
[0016]图1示出了合成树脂聚合的反应流程，
[0017]图2示出了含纳米级颗粒和不含纳米级颗粒的合成树脂的粘度的比较图，
[0018]图3示出了含纳米级颗粒和不含纳米级颗粒的电绝缘体的使用寿命的比较图，以及
[0019]图4示出了合成树脂的各种混合物的粘度的比较图。
[0020]参照三个化学反应，图1示出了合成树脂的聚合可发生的方式，所述合成树脂包括环氧树脂和酸酐。图1示出了可由环氧树脂开环产生的仲醇I和酸酐2的第一反应。该反应导致了包含酯基4和羧基5的半酯(sem1-ester) 3的形成。在第二反应中，半酯3和环氧树脂的环氧乙烷基团6的反应被示出。羧基5的羟基亲核进攻环氧树脂的环氧乙烷基团6，从而将环氧乙烷的环打开。现在同样由羧基5产生酯基4。所生成的具有两个酯基4的酯7可进一步与另外的酸酐分子或环氧乙烷基团反应。在另一可能的第三反应中，仲醇I可以和环氧树脂的环氧乙烷基团6反应。仲醇I同样以它的羟基亲核进攻环氧乙烷基团，从而通过环氧乙烷环的开环产生羟基醚8。
[0021]图2示出了两种不同的合成树脂的粘度曲线。70°C的温度下的以天为单位的合成树脂的贮存时间被标绘在X轴9上，而同样在70°C的贮存温度下的以mPas (毫帕斯卡秒)为单位的粘度被标绘在y轴10上。不含纳米级颗粒的合成树脂