用于高壓旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的電絕緣體以及制造該電絕緣體的方法
【專利說明】用于高壓旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的電絕緣體以及制造該電絕緣體的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于高壓旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的電絕緣體以及制造該電絕緣體的方法。
[0002]電機(jī)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)具有電導(dǎo)體、電絕緣系統(tǒng)以及定子鐵芯堆(statorcore stack)。電絕緣系統(tǒng)的作用是使導(dǎo)體彼此相互電絕緣、與定子鐵芯堆以及與環(huán)境電絕緣。在電機(jī)運(yùn)行期間由于局部放電可能會(huì)出現(xiàn)火花，并且所述火花在絕緣材料(insulat1n)中可形成所謂的“電樹枝”通道(“treeing”channels)。所述電樹枝通道能夠?qū)е陆^緣層的介電擊穿(dielectric breakdown)。通過包含對(duì)局部放電極具抵抗力的云母的絕緣材料來提供針對(duì)局部放電的阻擋層(barrier)。以常規(guī)粒徑為幾百微米至幾毫米的云母顆粒的薄片形式來使用云母，其中對(duì)所述云母進(jìn)行處理以產(chǎn)生云母紙。為了使強(qiáng)度更大并且易于加工而使用膠帶，其中使用粘合劑將云母紙粘合在基底上。
[0003]為了制造絕緣系統(tǒng)，對(duì)膠帶進(jìn)行進(jìn)一步的所謂VPI (真空壓力浸漬)(VacuumPressure Impregnat1n)過程的加工。在該VPI過程中，將膠帶纏繞在導(dǎo)體上并且之后將其放入含合成樹脂的浴中。通過使用真空以及隨后的加壓使所述膠帶浸漬有合成樹脂。由此，膠帶中的空腔以及膠帶和導(dǎo)體間的空腔由合成樹脂所填充。然后將合成樹脂在爐中通過加熱來固化，從而生成絕緣系統(tǒng)。以這種方式，在制造單個(gè)絕緣系統(tǒng)的過程中僅使用了所述浴中1%?5%的合成樹脂，從而所述浴中合成樹脂的長(zhǎng)的使用壽命是理想的。
[0004]為了提高絕緣系統(tǒng)對(duì)局部放電的抗性，習(xí)慣上使用分散在浴中的合成樹脂中的無機(jī)納米級(jí)顆粒。然而其缺點(diǎn)是，納米級(jí)顆粒降低了浴中合成樹脂的使用壽命。特別是在合成樹脂的逐步聚合(progressive polymerizat1n)方面，這會(huì)導(dǎo)致合成樹脂粘度的增加。然而，對(duì)于膠帶的完全浸漬來說，反應(yīng)樹脂的低粘度是極為重要的。
[0005]本發(fā)明的目的在于提供用于高壓旋轉(zhuǎn)式機(jī)械(high-voltage rotary machine)的電絕緣體以及制造該電絕緣體的方法，其中所述方法易于實(shí)施且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
[0006]本發(fā)明的用于高壓旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的電絕緣體包括由環(huán)氧樹脂(epoxy)與硬化劑反應(yīng)而得的合成樹脂，并且其中添加有包括顆粒的填料組分，其特征在于所述環(huán)氧樹脂中的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于lOOpprn。常規(guī)的市售環(huán)氧樹脂通常具有約100ppm的氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其中在制造電絕緣體之前純化環(huán)氧樹脂的實(shí)驗(yàn)已被進(jìn)行。在這種情況下，令人驚奇的是，如果環(huán)氧樹脂的總的氯含量小于lOOppm，那么包含環(huán)氧樹脂、硬化劑和含顆粒的填料組分的混合物具有比包含常規(guī)的氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為100ppm的環(huán)氧樹脂的混合物明顯更高的貯存穩(wěn)定性。高貯存穩(wěn)定性的特征在于，所述混合物在制造電絕緣體之前可被長(zhǎng)時(shí)間地貯存，而合成樹脂不會(huì)聚合至不能加工所述混合物以形成電絕緣體的程度。從而沒有必要預(yù)先除去已預(yù)聚合的合成樹脂，因此所述電絕緣體的制造是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。
[0007]優(yōu)選通過重結(jié)晶(recrystallizat1n)的方式來純化環(huán)氧樹脂，以使環(huán)氧樹脂中的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于lOOppm。出于重結(jié)晶的目的，在有機(jī)溶劑中攪拌經(jīng)粉碎的環(huán)氧樹脂晶體，從而使環(huán)氧樹脂中的含氯雜質(zhì)溶解在有機(jī)溶劑中。出于重結(jié)晶的目的，還可通過加熱來溶解環(huán)氧樹脂并且之后通過冷卻使其結(jié)晶。然而，還可考慮其它的純化方法，例如通過色譜法純化。
[0008]所述環(huán)氧樹脂優(yōu)選為芳香族環(huán)氧樹脂，特別是雙酚A 二縮水甘油醚和/或雙酚F二縮水甘油醚。這兩種環(huán)氧樹脂也被稱為BADGE和BFDGE。
[0009]所述硬化劑優(yōu)選為酸酐，特別是甲基六氫鄰苯二甲酸酐(methylhexahydrophthalic acid anhydride)和/或六氫鄰苯二甲酸酐。但是，還可使用由胺，例如乙二胺制成的硬化劑。優(yōu)選將所述酸酐純化，特別是通過蒸餾和/或色譜的方式來純化，以使酸酐中游離酸分?jǐn)?shù)小于0.1質(zhì)量％，由此，在制造電絕緣體之前同樣有利地抑制了合成樹脂的逐步聚合。
[0010]填料組分優(yōu)選包含無機(jī)顆粒，特別是包括二氧化硅、二氧化鈦和/或氧化鋁的顆粒。無機(jī)顆粒的有利之處在于，其對(duì)局部放電具有高抗性。所述填料組分優(yōu)選包含納米級(jí)顆粒，特別是平均粒徑小于50nm的納米級(jí)顆粒。納米級(jí)顆粒具有大的表面，從而在電絕緣體中形成多個(gè)固體-固體界面，由此電絕緣體對(duì)局部放電的抗性被顯著提高。相對(duì)于合成樹脂，填料組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為15?30質(zhì)量％，特別是22?24質(zhì)量％。所述電絕緣體優(yōu)選包括絕緣紙，特別是含云母的電絕緣紙，并且優(yōu)選將所述電絕緣紙用合成樹脂浸透(saturate)。還可借助粘著劑(adhesive)將絕緣紙粘附至基底，以使該絕緣紙具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，這也更有利于加工。
[0011]本發(fā)明的制造電絕緣體的方法包括以下步驟:制備包含環(huán)氧樹脂和硬化劑的合成樹脂，并且向其中添加含顆粒的填料組分，其中環(huán)氧樹脂中的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10ppm;圍著導(dǎo)電體纏繞絕緣紙；用所述合成樹脂將所述絕緣紙浸透，從而使合成樹脂和顆粒分散在絕緣紙中；精加工所述電絕緣體。
[0012]在合成樹脂的粘度小于一定閾值的情況下，才能實(shí)現(xiàn)所述電絕緣體的浸透。由于環(huán)氧樹脂中的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于lOOppm，可以在不超過所述閾值的情況下長(zhǎng)時(shí)間地貯存該合成樹脂。因此，有利的是，該方法可易于實(shí)施且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。此外，還能防止合成樹脂任何突然的聚合，這樣的聚合會(huì)強(qiáng)烈放熱，因此有明顯的安全隱患。
[0013]所述絕緣體的精加工優(yōu)選包括使環(huán)氧樹脂與硬化劑發(fā)生反應(yīng)，從而固化所述合成樹脂。特別地，通過在絕緣紙的區(qū)域中提供催化劑，特別是環(huán)烷酸鋅來產(chǎn)生環(huán)氧樹脂與硬化劑的反應(yīng)。因此，合成樹脂的聚合優(yōu)選發(fā)生在絕緣紙的區(qū)域。
[0014]優(yōu)選通過重結(jié)晶的方式來純化環(huán)氧樹脂，以使環(huán)氧樹脂中的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10ppm0所述環(huán)氧樹脂優(yōu)選為芳香族環(huán)氧樹脂，特別是雙酚A 二縮水甘油醚和/或雙酚F二縮水甘油醚。所述硬化劑優(yōu)選為酸酐，特別是甲基六氫鄰苯二甲酸酐和/或六氫鄰苯二甲酸酐。優(yōu)選將所述酸酐純化，特別是通過蒸餾和/或色譜來純化酸酐，以使酸酐中游離酸分?jǐn)?shù)小于0.1質(zhì)量％。所述填料組分優(yōu)選包含無機(jī)顆粒，特別是包括二氧化硅、二氧化鈦和/或氧化鋁的顆粒。所述填料組分優(yōu)選包含納米級(jí)顆粒，特別是平均粒徑小于50nm的納米級(jí)顆粒。相對(duì)于所述合成樹脂，填料組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為15?30質(zhì)量％。所述絕緣紙優(yōu)選包含云母。
[0015]下文將參照示例性的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中:
[0016]圖1示出了合成樹脂聚合的反應(yīng)流程，
[0017]圖2示出了含納米級(jí)顆粒和不含納米級(jí)顆粒的合成樹脂的粘度的比較圖，
[0018]圖3示出了含納米級(jí)顆粒和不含納米級(jí)顆粒的電絕緣體的使用壽命的比較圖，以及
[0019]圖4示出了合成樹脂的各種混合物的粘度的比較圖。
[0020]參照三個(gè)化學(xué)反應(yīng)，圖1示出了合成樹脂的聚合可發(fā)生的方式，所述合成樹脂包括環(huán)氧樹脂和酸酐。圖1示出了可由環(huán)氧樹脂開環(huán)產(chǎn)生的仲醇I和酸酐2的第一反應(yīng)。該反應(yīng)導(dǎo)致了包含酯基4和羧基5的半酯(sem1-ester) 3的形成。在第二反應(yīng)中，半酯3和環(huán)氧樹脂的環(huán)氧乙烷基團(tuán)6的反應(yīng)被示出。羧基5的羥基親核進(jìn)攻環(huán)氧樹脂的環(huán)氧乙烷基團(tuán)6，從而將環(huán)氧乙烷的環(huán)打開。現(xiàn)在同樣由羧基5產(chǎn)生酯基4。所生成的具有兩個(gè)酯基4的酯7可進(jìn)一步與另外的酸酐分子或環(huán)氧乙烷基團(tuán)反應(yīng)。在另一可能的第三反應(yīng)中，仲醇I可以和環(huán)氧樹脂的環(huán)氧乙烷基團(tuán)6反應(yīng)。仲醇I同樣以它的羥基親核進(jìn)攻環(huán)氧乙烷基團(tuán)，從而通過環(huán)氧乙烷環(huán)的開環(huán)產(chǎn)生羥基醚8。
[0021]圖2示出了兩種不同的合成樹脂的粘度曲線。70°C的溫度下的以天為單位的合成樹脂的貯存時(shí)間被標(biāo)繪在X軸9上，而同樣在70°C的貯存溫度下的以mPas (毫帕斯卡秒)為單位的粘度被標(biāo)繪在y軸10上。不含納米級(jí)顆粒的合成樹脂