DE19963378A1

DE19963378A1 - Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pulverbeschichtung

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Publication number: DE19963378A1
Application number: DE19963378A
Authority: DE
Original assignee: Alstom Power Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-12
Also published as: AU1980301A; KR20020075387A; EP1250195A2; CN1437512A; DE50011136D1; ATE303871T1; CN1321749C; RU2002120489A; US20030113539A1; JP2003520664A; CZ20022253A3; WO2001048763A2; US6942900B2; EP1250195B1; WO2001048763A3

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pulverbeschichtung bereitzustellen, welches ein gegenüber Glas-Glimmer- bzw. Gießharzisolierung verbessertes Alterungsverhalten aufweist. Gleichfalls soll ein für ein solches Verfahren geeignetes Pulver angegeben werden. Dazu wird das Pulver bis zu einer Schichtdicke von 10 mm mehrmals nacheinander, in Form von aufeinander folgenden Einzelschichten aufgetragen und jede der Einzelschichten vor dem Auftragen der nächsten Einzelschicht thermisch zwischengehärtet. Beim Zwischenhärten jeder Einzelschicht wird eine Härtezeit eingehalten, welche dem 2-10fachen der Gelzeit des verwendeten Pulvers entspricht. Abschließend erfolgt eine Endhärtung der gesamten Isolierung. Das Resultat eines elektrischen Lebensdauertests verschiedener Prüflinge, isoliert mit erfindungsgemäß aufgebrachtem, feinfüllerhaltigem Epoxidharzpulver, ist in der einzigen Figur dargestellt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf die Isolierungen elektrischer Leiter von Apparaten im Nieder- bis Mittelspannungsbereich (d. h. bis etwa 50 kV) mittels Pulverbe schichtung. Ebenso ist die Isolierung im Hochspannungsbereich möglich, sofern die Leiter nicht mit dem vollen Potentialabfall beaufschlagt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere Isolierungen von elektrischen Leitern, die thermisch und elektrisch hoch belastet sind, wie Isolierungen von elektrischen Leitern oder Lei terbündeln rotierender elektrischer Maschinen. Weitere Beispiele für mögliche Anwendungen sind Schaltanlagen und Transformatoren.

Stand der Technik

Als elektrische Alterung wird das Phänomen bezeichnet, dass eine Isolation unter Belastung eine endliche Lebenszeit besitzt, welche im umgekehrten Verhältnis zur Höhe des wirkenden elektrischen Feldes steht. Dieser Zusammenhang zwischen Lebenszeit und elektrischer Feldstärke wird meist graphisch in Form einer Alte rungskurve beschrieben. Sehr oft kann diese Kurve mathematisch als Potenzge setz beschrieben werden, gemäss

wobei E das elektrische Feld in kV/mm, E₀ das elektrische Feld bei der Lebenszeit t₀, t die Zeit in h, mit t₀ = 1 h und n der Lebensdauerkoeffizient ist. In doppeltloga rithmischer Darstellung von E und t ergibt obiger Ausdruck eine Gerade mit der Steigung -1/n.

Der Lebensdauerkoeffizient n kann als charakteristisch für die Art der Isolierung bezeichnet werden. Beispielsweise gilt für Glas/Glimmer-Isolation bei elektrischen, rotierenden Maschinen n = 7 bis 9, für Epoxy-, Giessharz-Isolationen im Schalter bau n = 12 bis 16 und für zumeist im Extrusionsverfahren isolierte Hochspan nungskabel n ≦ 35. Technisch wünschenswert ist eine möglichst geringe Alterung, das heisst eine flache Alterungskurve bzw. ein möglichst grosser Lebensdauer koeffizient n, wie er beispielsweise bei Kabeln realisiert werden kann.

Das zur Herstellung von Kabelisolationen eingesetzte Extrusionsverfahren ist ein kontinuierliches Verfahren, welches sich besonders zur Herstellung quasiunend licher, geometrisch einfacher Strukturen eignet. Jedoch sind weder das Herstel lungsverfahren noch die dazu verwendeten Materialien - meist ungefülltes, reines Polyäthylen - in weitem Rahmen anwendbar. So können Isolierungen von komple xen und kleinen Strukturen, wie beispielsweise von Motorspulen oder von Verbin dungen in Schaltanlagen, mittels dieses Verfahrens nicht hergestellt werden. Ebenso ist die Verwendung von Polyäthylen für viele mögliche Anwendungsfälle nicht geeignet, weil solche PE-Isolationen nur bis ca. 90°C eingesetzt werden können.

Als weitgehend geometrieunabhängiges Isolierverfahren ist die Pulverbeschich tung bekannt. Im Gegensatz zur Extrusion eignet sich dieses Isolierverfahren selbst für sehr komplexe Leiterstrukturen. Theoretisch könnte damit eine Vielzahl von Mittelspannungsgeräten effektiv und kostengünstig isoliert werden, für welche das Extrusionsverfahren nicht in Frage kommt. Gegenwärtig steht einem weiten Einsatz jedoch entgegen, dass mit den bekannten Pulverbeschichtungsverfahren und mit den verfügbaren Beschichtungsmaterialien keine qualitativ ausreichenden Isolierungen erzielbar sind.

Die bereits bekannten Anwendungen der Pulverbeschichtung sind die Isolierung der Einzelleiter von Leiterbündeln im Generatorbau, sogenannten Roebelstäben, sowie die Isolierung von Sammelschienen. In beiden Fällen wird die fertige Isolation jedoch nur schwach beansprucht. Die Spannung, welche zwischen den Einzellei tern von Roebelstäben auftritt, liegt bei wenigen Volt. Somit ist die Isolation selbst bei einer Schichtdicke der Teilleiterisolation von 50-200 µm elektrisch nur schwach belastet, d. h. mit elektrischen Feldern von E < 1 kV/mm.

Sowohl aus der US 4040993 als auch aus der US 4088809 ist die Herstellung von Epoxydharzpulvern bekannt, mit welchen durch elektrostatisches Spritzen oder Wirbelsintern eine solche Teilleiterisolation erzeugt werden kann. Diese Isolierun gen sind jedoch nicht für hohe elektrische Belastungen ab E < 3 kV/mm geeignet. Zudem ist mit ihnen lediglich eine geringe Schichtdicke von ca. 120 µm (< 5 mils) realisierbar.

Weil sich auf der Oberfläche der Isolierung keine Gegenelektrode befindet, ist die Isolierung bei Sammelschienen ebenfalls nur schwach oder gar nicht belastet. Das elektrische Potential der Sammelschiene wird somit fast vollständig im Luftraum oberhalb der Schicht abgebaut. Infolgedessen stören Hohlräume in der Epoxid schicht weit weniger als bei der vorliegenden Anwendung. Versuche mit einem für Sammelschienen-Beschichtung verwendeten Pulver zeigten dementsprechend auch einen extremen Gehalt an Löchern.

Ähnliches gilt für Pulver, welche benutzt werden, um elektrische Kleinmotoren oder Teile von ihnen mit einer dünnen Schicht Epoxy zu versehen. Diese Schicht hat in erster Linie die Aufgabe eines Korrosionsschutzes zu erfüllen und ist elek trisch nicht oder kaum belastet.

Kommerziell erhältlich sind Pulver welche den thermischen Anforderungen genü gen, jedoch elektrisch ungeeignet sind. Solche Pulver werden meist für den Korro sionsschutz im Bereich des chemischen Anlagenbaus verwendet. Das Verfahren zur Herstellung solcher Pulver über Heissmischen, Schmelzen, Abkühlen und Mahlen entspricht dem allgemeinen Stand der Technik, wie er beispielhaft in der US 4040993 beschrieben ist.

Generell werden mit den bekannten Pulverbeschichtungsverfahren zur Herstellung von elektrischen Isolierungen Schichten mit Schichtdicken d ≦ 0,1 mm erzeugt (Pulverlackierung). Für die Isolierung thermisch und elektrisch stark belasteter Leiter sind jedoch deutlich grössere Schichtdicken (z. B. d = 6 mm für 30 kV bei einer Feldstärke von 5 kV/mm) und ein verbesserter Lebensdauerkoeffizient erfor derlich.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zu grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pulverbeschichtung bereitzustellen, welches ein gegenüber Glas-Glimmer- bzw. Giessharzisolierung verbessertes Alterungsverhalten aufweist. Gleichfalls soll ein für ein solches Verfahren geeignetes Pulver angegeben werden.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das Pulver bis zu einer Gesamtdicke der Isolie rung von ≦ 10 mm mehrmals nacheinander, in Form von aufeinander folgenden Einzelschichten aufgetragen und jede der Einzelschichten vor dem Auftragen der nächsten Einzelschicht thermisch zwischengehärtet wird. Beim Zwischenhärten jeder Einzelschicht wird eine Härtezeit eingehalten, welche dem 2-10fachen der Gelzeit des verwendeten Pulvers entspricht. Abschliessen erfolgt eine Endhärtung der gesamten Isolierung.

Dazu kommt ein Pulver zur Anwendung welches mindestens ein schmelz- und härtbares Harz-Härter-Hilfsstoffsystem sowie mindestens einen anorganischen Füllstoff enthält. Dabei beträgt der Gehalt an anorganischem Füllstoff 5-50 Ge wichtsprozent, bezogen auf eine geschlossene Dichte des Füllstoffes von bis zu 4 g/cm³. Mindestens 3 Gewichtsprozent der Gesamtmischung des Pulvers beste hen aus Feinfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 3 µm. Der restliche Füllstoff besteht aus Grobfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 30 µm. Dabei beträgt der Ablauf des zu einem geschlossenen Film aufschmelzenden Pulvers minde stens 25 mm und die Gelierzeit des aufgeschmolzenen Pulvers mindestens 40 s.

Aufgrund des mehrmaligen Auftragens von dünnen Einzelschichten des Pulvers und der anschliessenden thermischen Zwischenhärtung dieser Einzelschichten entsteht einerseits wegen der damit verbundenen Reduzierung der Blasenbildung eine Isolierung mit einer deutlich verbesserten Qualität und einem ebenfalls deut lich verbesserten Lebensdauerkoeffizienten, welche andererseits durch das Auf tragen weiterer Einzelschichten bis zur für die jeweilige Anwendung erforderlichen Schichtdicke verstärkt werden kann. Durch die Zwischenhärtung erreicht die je weils äussere Einzelschicht eine hinreichend grosse Festigkeit zum Auftragen der nächsten Einzelschicht und behält gleichzeitig noch genügend ungebundenen Härter, um mit der Nächsten Einzelschicht eine chemische Vernetzung einzuge hen. Nicht zuletzt trägt auch die Zusammensetzung des Pulvers, insbesondere der erfindungsgemässe Anteil an Feinfüller, zur Erhöhung der Standzeit der Isolierung bei.

Geeignete Beschichtungsverfahren zur Auftragen des Pulvers auf die zu be schichtenden elektrischen Leiter sind das Sprüh- oder Wirbelsintern oder das thermische Spritzen von Pulver im schmelzflüssigen Zustand. Dabei kann durch eine Auswahl von Harz-Härter-Hilfsstoffsystemen mit einer Glasumwandlungs temperatur des duroplastischen Kunststoffs von mindestens 130°C gewährleistet werden, dass die Isolierung für alle Anwendungsfälle des Mittelspannungsbereichs einsetzbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, die thermische Zwischenhärtung der Einzelschichten über eine Zeitdauer durchzuführen, welche dem 3-5fachen der Gelzeit des ver wendeten Pulvers entspricht. Auf diese Weise kann bei jeder Einzelschicht ein op timales Verhältnis von Festigkeit und Vermögen, mit der nächsten Einzelschicht eine chemische Vernetzung einzugehen, erreicht werden.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Einzelschichten mit einer möglichst ge ringen Schichtdicke von ≦ 0,5 mm bis hin zu einer optimalen Schichtdicke von 0,2 mm aufgetragen werden. Auf diese Weise kann eine vollständige, qualitativ hoch wertige Beschichtung selbst komplexer Oberflächen sowie eine für thermisch und elektrisch hoch belastete Leiter geeignete Schichtdicke realisiert werden.

Alternativ können entweder ausschliesslich Einzelschichten mit einer gleichmässi gen Schichtdicke oder Einzelschichten unterschiedlicher Schichtdicke in beliebiger Reihenfolge auf die zu isolierenden elektrischen Leiter aufgetragen werden. Zu dem kann zum Auftragen einzelner Einzelschichten Pulver unterschiedlicher Zu sammensetzung verwendet werden. Dadurch wird es möglich, eine Isolierung her zustellen, welche den zu erwartenden Anforderungen entsprechend den Einsatz bedingungen der isolierten elektrischen Leiter gerecht wird.

Die wichtigsten Anforderungen an die fertige Isolierung sind folgende:

1. Die Isolierung soll einsetzbar sein bis hin zu Wärmeklasse H, d. h. T_max = 180 °C im Dauerbetrieb. Da in der Elektrotechnik üblicherweise eine Wärmeklas se als Sicherheitsreserve verlangt wird, soll die Isolierung den Anforderungen der Wärmeklasse C, d. h. T_max = 205°C genügen. Normalerweise gilt diese Anforderung als erfüllt, wenn der Temperatur-Index (TI) < Betriebstemperatur (T_op) ist. Über die Bestimmung des Ti gibt die Norm IEC 218 Auskunft.
2. Die Isolierung soll im Dauerbetrieb elektrisch stark belastbar sein, d. h. mit E < 3 kV/mm, insbesondere E ≧ 5 kV/mm. Als Feldstärke E wird hier die effek tive Wechselspannung U_eff, dividiert durch die Dicke d der Isolierung auf der Flachseite des Leiters bezeichnet, also E = U_eff/d. Mit E = 5 kV/mm und einer angestrebten Maximalspannung von 50 kV ergibt sich, dass die Isolierung in Dicken bis zu 10 mm herstellbar sein soll.
3. Geringe elektrische Verluste (Richtwert tan δ < 0.3) bis hin zur Maximaltem peratur, da sich die Isolierung bei E = 5 kV/mm und grösseren dielektrischen Verlusten selbst aufheizt und ein Versagen durch Wärmedurchschlag auf treten kann.
4. Weitestgehend frei von Hohlräumen (meist Gaseinschlüsse), welche bei Be trieb zu elektrischen Teilentladungen (TE) und frühzeitigem dielektrischen Versagen führen können.
5. Resistent gegen TE oder Oberflächenentladungen kleiner Energie. Dadurch wird das Isoliersystem fehlertolerant gegenüber begrenzten Qualitäts schwankungen.
6. Frei von scharfkantigen leitfähigen Einschlüssen (z. B. Metallspänen), welche zu lokal stark überhöhten Feldern und ebenfalls zu frühzeitigem Versagen führen.

Spezielle Eigenschaften des Pulvers können den abhängigen Ansprüchen ent nommen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt das Resultat eines elektrischen Lebensdauertests ver schiedener Prüflinge, isoliert mit erfindungsgemäss aufgebrachtem, feinfüllerhalti gem Epoxidharzpulver, wobei horizontal die Lebensdauer in Stunden, vertikal die Feldstärke in kV/mm abgebildet sind.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das erfindungsgemässe, auf Polymerbasis beruhende Pulver enthält mindestens ein nichtvernetztes System bestehend aus Harz, Härter und Hilfsstoffen sowie elektrisch isolierende anorganische Füllstoffe. Die Hilfsstoffe beeinflussen bei spielsweise die Härtezeit oder den Ablauf, wobei aus dem Stand der Technik be kannte Hilfsstoffe verwendet werden können. Elektrisch isolierende anorganische Füllstoffe sind in Mengen von etwa 5 bis etwa 50 Gewichtsprozent bezogen auf Füllstoffe mit geschlossener Dichte von bis zu 4 g/cm³ enthalten. Dabei liegt der Füllstoff entweder gänzlich als Feinfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 3 µm, insbesondere d₅₀ < 1 µm, speziell bevorzugt mit d₅₀ zwischen 0.01 und 0.3 µm, oder als Mischung von Feinfüller und Grobfüller mit d₅₀ < 30 µm, insbesonde re zwischen 3 und 20 µm, vor. Der Anteil Feinfüller an der Gesamtmischung des Pulvers sollte mindestens 3%, insbesondere mindestens 5%, betragen, und das aus Harz und Härter zu bildende Polymer ein Duroplast sein, der im vernetzten Zustand eine Glasumwandlungstemperatur von mindestens 130°C aufweist.

Bevorzugte Feinfüller haben einen mittleren Durchmesser d₅₀ von ca. 0.2 µm, wo bei auch feinere Füllstoffe eingesetzt werden können, was sich positiv auf die Co ronaresistenz aber negativ auf die Fliesseigenschaften (Thixotropie) des ge schmolzenen Isoliermaterials auswirkt.

Vorzugsweise beträgt der gesamte Füllstoffgehalt etwa 40%. Falls der Füllstoff eine gemittelte geschlossene Dichte von über 4 g/cm³ hat, können die hier vorste hend und nachfolgend angegebenen Grenz- und Vorzugswerte höher liegen.

Der Feinfüller und der Grobfüller können unterschiedliche Materialien sein, welche unterschiedliche Härte aufweisen. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Er findung, dass der Feinfüller oder der Grobfüller oder der Feinfüller und der Grob füller Mischungen von Füllstoffen gleicher oder unterschiedlicher Härte sind.

Um Abrieb bei der Produktion des Isoliermaterials oder dessen Verarbeitung zur Isolierung zu verhindern, was insbesondere bei der heute üblichen Verwendung von Stahl- oder Hartmetallgeräten bei der Compoundierung und dem Mahlen des Isoliermaterials wesentlich ist, muss der Grobfüller eine Mohs'sche Härte aufwei sen, die vorzugsweise mindestens eine Härteeinheit unter derjenigen von Stahl und Hartmetall (Mohs'scher Härtegrad von ca. 6) liegt. Bei Verwendung harter Füllstoffe, z. B. Quarzmehl (Härtegrad 7), führt die Verarbeitung zu metallischem Abrieb, bevorzugt in Form von Spänen im sub-mm Bereich. Diese werden in die Isolierung eingebaut und führen aufgrund ihrer nadelähnlichen Geometrie zu Stel len mit einer lokal sehr stark überhöhten elektrischen Feldstärke, von welchen er fahrungsgemäss ein elektrischer Durchschlag ausgelöst werden kann. Mikroskopi sche Untersuchungen ergaben eine Flächendichte derartiger metallischer Partikel von 1-3/100 mm² bei Verwendung von SiO₂ als Grobfüller.

Vermieden wird der Abrieb durch Verwendung von "weichen" Füllern (Mohs'scher Härtegrad ≦ 4) wie z. B. Kreidemehl und/oder durch Verwendung von feineren Füll stoffen mit d₅₀ << 1 µm. Derartige Feinfüller haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie selbst bei Vorliegen von Fehlstellen wie Hohlräumen oder metallischen Einschlüssen den elektrischen Durchbruch verhindern oder zumindest sehr stark verzögern können (siehe hierzu US 4760296, DE 40 37 972 A1). In diesen beiden Schriften wird die lebensdauererhöhende Wirkung durch gänzlichen oder teilwei sen Ersatz des Grobfüllers durch Füller mit Korngrössen im Nanometer-Bereich (0.005 bis 0.1 µm maximale Korngrösse) erzielt. Nanofüller haben jedoch die un angenehme Eigenschaft, die Schmelzezähigkeit der Pulvermischung stark zu er höhen (Thixotropie-Effekt). Dies stört sowohl bei der Herstellung des Pulvers als auch bei seiner Verarbeitung. Für die vorliegende Anwendung hat sich gezeigt, dass TiO₂-Pulver mit mittleren Korngrössen von ca. 0.2 µm als vollständiger oder teilweiser Ersatz für Grobfüller nicht zu einer nachteiligen Erhöhung der Schmel zeviskosität führt und trotzdem die lebensdauererhöhenden Wirkungen in der Art von Nano-Füllern besitzt. Auf diese Weise konnte eine Isolierung mit geringer elektrische Alterung realisiert werden.

Zur Vermeidung von Metallabrieb wäre es auch möglich, alle Kontaktflächen zum Isoliermaterial mit einem Schutzüberzug zu versehen, z. B. mit einem Keramik überzug, oder gewisse Produktionsmittel z. B. aus Keramik herzustellen. Ein sol cher Ersatz oder Teilersatz von Metallteilen ist aber zur Zeit sehr teuer. Obschon der Abrieb bei z. B. Keramikoberflächen das elektrische Feld und damit die Isolier wirkung nicht beeinflusst, gilt trotzdem die Regel, dass der Grobfüller eine Härte haben soll, die mindestens etwa einen Mohs'schen Härtegrad unter derjenigen des Produktionsmittels oder Behälters liegt, d. h. bei einer Keramikbeschichtung einer Härte von üblicherweise etwa 8 bei maximal einer Mohs'sche Härte von etwa 7.

Die elektrisch isolierenden anorganischen Füllstoffe sind vorzugsweise ausge wählt aus Karbonaten, Silikaten und Metalloxiden, die auch in Form zerkleinerter Mineralien vorliegen können. Beispiele solcher Füllstoffe sind z. B. TiO₂, CaCO₃, ZnO, Wollastonit, Ton und Talkum, wobei TiO₂, ZnO sowie Ton speziell als Fein füller und CaCO₃, Wollastonit sowie Talkum mit Korngrössen um ca. 10 µm (mitt lere Korngrösse d₅₀) speziell als Grobfüller geeignet sind.

Füllstoffe mit der gewünschten Korngrösse können auf verschiedene Arten erhal ten werden, z. B. durch spezielle Fällverfahren, Verbrennungsprozesse, etc. aber auch durch mechanisches Zerkleinern, wobei alle diese Verfahren gegebenenfalls mit einem Fraktionier- oder Siebverfahren gekoppelt werden können.

Die Gefahr von Abrieb durch die Verwendung von hartem Feinfüller ist weit weni ger kritisch, da feinkörnige Schleifmittel allgemein wesentlich weniger effektiv sind als grobkörnige Schleifmittel.

Die Anwesenheit von mindestens 5 Gewichtsprozent Füllstoff und mindestens 3 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 5 Gewichtsprozent Feinfüller ist we sentlich, da der Füllstoff elektrisch isolierend wirkt, die mechanische Festigkeit er höht, die Wärmeleitfähigkeit verbessert, den thermischen Ausdehnungskoeffizien ten erniedrigt, die UV-Beständigkeit erhöht und zur Viskositätseinstellung beiträgt. Der Feinfüller ist zudem wesentlich für die Erhöhung der Coronaresistenz, wäh rend der Grobfüller eine Erhöhung des Füllstoffgehalts bei geringerer Viskositäts erhöhung gestattet, als dies mit Feinfüller der Fall wäre. Füllstoffgehalte oberhalb 50 Gewichtsprozent bezogen auf Füllstoffe mit geschlossener Dichte von bis zu 4 g/cm³ und maximaler Korngrösse von 20 µm sowie zu hohe Feinfüllergehalte sind kritisch, da sich sowohl bei der Herstellung des Isoliermaterials als auch bei des sen Verarbeitung Probleme aufgrund zu hoher Viskosität einstellen.

Bevorzugte Duroplaste für die Matrix der Isoliermaterialien der vorliegenden Erfin dung weisen im ausgehärteten Zustand eine Glasumwandlungstemperatur von 130°C-200°C auf, bevorzugt 150°C-180°C.

Da das erfindungsgemässe Isoliermaterial für eine gute Isolierwirkung, wie sie für die bevorzugten Anwendungen erforderlich ist, blasenfrei oder zumindest weitest gehend blasenfrei sein muss, sollte das Harz-Härter-Hilfsstoffsystem des Duro plast derart sein, dass es ohne Freisetzung flüchtiger Substanzen aushärtet.

Um Blasen beim Aushärten zu vermeiden ist es zudem bevorzugt, dass das Harz- Härter-Hilfsstoffsystem eine Gelzeit hat, die es allenfalls darin oder an der zu be schichtenden Oberfläche adsorbiertem Wasser oder anderen leichtflüchtigen Sub stanzen ermöglicht, aus der Isolierschicht auszutreten, bevor sich diese zu sehr verfestigt hat, damit sich allenfalls bei diesem Austritt entstandene Poren respekti ve Blasen schliessen können.

Die Mischung aus Harz, Härter und organischen Hilfsstoffen sollte einen Schmelz punkt von maximal 200°C aufweisen, wobei vor allem wesentlich ist, dass der Schmelzpunkt unterhalb der Aktivierungstemperatur der Härtungsreaktion liegt, oder dass die Härtungsreaktion bei der Schmelztemperatur sehr langsam abläuft, und bei Abkühlung im wesentlichen gestoppt werden kann. Dies ist notwendig, um eine weitreichende Härtung bereits bei der Herstellung des Isoliermaterials zu ver hindern. Die Härtungseigenschaften können durch Zugabe geeigneter Stoffe ein gestellt werden, wobei darauf zu achten ist, dass solche Stoffe schwerflüchtig sind oder innerhalb der Gelzeit vollständig ausgasen. Vorzugsweise hat die Mischung aus Harz, Härter und organischen Hilfsstoffen einen Schmelzpunkt von minde stens 50°C, insbesondere von 70°C-120°C. In Ausnahmefällen kann der Schmelzpunkt von Harz und/oder Härter bei bis zu etwa 200°C liegen. Ein so ho her Schmelzpunkt ist aber wegen der Aktivierung der Härtungsreaktion, die übli cherweise in einem ähnlichen wenn nicht gar tieferen Bereich liegt, problematisch. Die Härtung erfolgt üblicherweise in einem Temperaturbereich von 70°C bis 250°C, vorzugsweise in einem Bereich von 130°C bis 200°C.

Um die hohen Anforderungen an den Glasumwandlungspunkt des Duroplasts er füllen zu können, ist es bevorzugt, dass der Duroplast stark quervernetzt ist, re spektive eine hohe Vernetzungsdichte aufweist. Ein bevorzugter Duroplast ist ein Epoxidharz. Epoxidharz ist u. a. deshalb bevorzugt, weil sowohl die Carbonsäure anhydrid- wie auch die Aminhärtung ohne Freisetzung flüchtiger Stoffe aus dem Harz resp. dem Härter erfolgt. Ferner ist Epoxidharz üblicherweise quervernetzend und die Vernetzungsdichte kann erhöht werden, indem als Härter Di- oder Polyan hydride oder Polyamine und/oder als Harz multifunktionelle, verzweigtkettige Epoxidharze eingesetzt werden. Um die Flüchtigkeit der Komponenten zu ernied rigen und den Glasumwandlungspunkt zu erhöhen sind aromatische Gruppen ent haltende Harze und/oder Härter bevorzugt.

Wie bereits oben angedeutet kann das erfindungsgemässe Isoliermaterial Zusatz stoffe respektive Hilfsstoffe enthalten, wie Aktivatoren, Beschleuniger, Pigmente etc., wobei solche Stoffe vorzugsweise schwerflüchtig sind.

Für einige Anwendungen der neuen Isolierung, insbesondere im Gebiet der rotie renden elektrischen Maschinen, ist eine Verwendung der Isolierung in Wärmeklas se H (T_max = 180°C) notwendig. Dafür sollte die Glasumwandlungstemperatur (T_g) in diesem Temperaturbereich liegen, bevorzugt zwischen 130°C und 200°C. Gla sumwandlungstemperaturen deutlich höher als 200°C sind einerseits schwer zu realisieren und führen andererseits zu einem Material, das im Bereich der Raum temperatur recht spröde ist. Zur Erfüllung der Anforderung mechanische Stabilität in Klasse H ist neben einer T_g im Bereich von 180°C zusätzlich der Füllstoffgehalt wichtig, der bei so hohen Anforderungen < 10 Volumenprozent betragen sollte, was bei einer geschlossenen Dichte von 4 g/cm³ etwa 23 Gewichtsprozent ent spricht.

Eine Isolierung für den Mittelspannungs- und unteren Hochspannungsbereich thermisch und elektrisch hoch belasteter elektrischer Leiter wird vorzugsweise da durch hergestellt, dass die zu beschichtenden elektrischen Leiter mindestens teil weise mit einem erfindungsgemässen Isoliermaterial bedeckt werden, worauf das Isoliermaterial auf eine Temperatur über der Schmelz- und Aktivierungstemperatur für die Aushärtung des Harz-Härter-Hilfsstoffsystems des Duroplasts gebracht und dort bis zur Gelierung gehalten wird. Das Aufbringen des Pulvers kann auf ver schiede Arten erfolgen, z. B. durch Besprühen mit und ohne elektrostatische Aufla dung oder im Wirbelbett.

Die oben erwähnte Blasenfreiheit ist sowohl durch die Wahl der Prozessführung als auch durch verschiedene Materialeigenschaften bestimmt. Wichtig ist, dass das Isoliermaterial im flüssigen Zustand eine hinreichend niedrige Viskosität hat, um gut zu verlaufen, und dass die Gelzeit lang genug ist, damit alle blasenbilden den Beimischungen (z. B. adsorbiertes Wasser) verdampfen können. Diese Forde rung nach langen Gelzeiten ist dem Trend der Pulverlackierer entgegengesetzt, welche zur Erzielung hohen Durchlaufzeiten beim Dünnschicht-Lackieren die Gel zeiten durch Zugabe von Beschleunigern gezielt niedrig einstellen (typischerweise 15 Sekunden (s)). Durch Verringerung des Beschleunigeranteiles lassen sich je doch die Gelzeiten handelsüblicher Pulver ohne Schwierigkeiten auf Zeiten von ≧ 60 s bringen, vorzugsweise 80-160 s, welche für die vorliegende Anwendung aus reichend lang sind. Die Viskosität wird bei Sprühpulvern meist nicht als separate Grösse gemessen und spezifiziert; sondern statt dessen wird der sogenannte Ab lauf, welcher sich aus Viskosität und Gelzeit ergibt, spezifiziert. Blasenfreie Schichten werden danach erzielt, wenn der Ablauf < 25 mm, vorzugsweise 30-50 mm, ist.

Um Blasenbildung durch allenfalls auf der Oberfläche des zu beschichtenden elektrischen Leiters bzw. im Isoliermaterial vorhandene leichtflüchtige Stoffe (z. B. adsorbiertes und absorbiertes Wasser) zusätzlich zu minimieren und vorzugswei se vollständig zu verhindern, hat sich ein schichtweiser Auftrag der Isolierung als äusserst vorteilhaft erwiesen, wobei die Dicke einer Einzelschicht 0.05-0.3 mm, vorzugsweise 0.2 mm beträgt.

Zum Aufbau von Schichten mit d < 0,2 mm wird das Aufbringen der Einzelschich ten bis zur gewünschten Schichtdicke wiederholt. Nach jeder Schichtaufbringung wird das System bestehend aus Harz, Härter, Milfsstoffen und Füllern entspre chend seiner Gelzeit ca. 60-300 s getempert, wobei es zum Aufschmelzen, zur Wasserabgabe und zu einer teilweisen Härtung kommt. Zudem können durch den Einsatz unterschiedlicher Pulverzusammensetzungen lokal unterschiedliche Pas sagen innerhalb der Einzelschichten oder lokal unterschiedliche Schichtdicken der gesamten Isolierung erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich die Isolierung op timal an die zu beschichtende Oberfläche anpassen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Ein Epoxidharzpulver, welches 40 Masseprozent TiO₂ mit einer mittleren Korngrö sse d₅₀ = 0.2 µm enthält, wurde benutzt um eine Isolierung mit d = 0.5 mm auf Cu Platten von 200 mm × 200 mm aufzubringen. Das Pulver war nicht optimiert hin sichtlich langsamer Gelzeiten und enthielt deshalb Blasen mit Durchmessern bis 0.3 mm Durchmesser. Auf die Platten wurden Elektroden mit 80 mm Durchmesser aufgebracht. Anschliessend wurden die Proben bei 16 kV/mm unter Öl gealtert. Aufgrund der Blasen waren die Proben während des Tests teilentladungs(TE)- aktiv. Nach 2600 Stunden (h) wurden die Tests abgebrochen, ohne dass ein Durchschlag beobachtet wurde.

Im Gegenbeispiel wurde als Füller Quarzmehl mit d₅₀ = 10 µm verwendet. Keine der Proben erreicht im Alterungstest eine Lebensdauer von mehr als 1 h.

Beispiel 2

Cu-Profile mit l × b × h = 600 × 15 × 50 mm und Kantenradius 2,5 mm wurden mit Epoxidharzpulver (mit TiO₂- Füller 35%) und einem Ablauf von 50 mm beschich tet. Die Schichtdicke betrug 0.5-1 mm. Bis auf wenige und sehr kleine Blasen (< 50 µm) ist die Isolierung vollkommen hohlraumfrei, wie mikroskopische Untersu chungen an Schnitten ergaben. Die TE-Einsatzfeldstärken, definiert über die De tektion eines TE-Pegels von < 5 pC, lagen bei 18-25 kV/mm. Der tan δ des Mate rials blieb im Bereich von Raumtemperatur bis zu 200°C unter 10%, so dass le diglich geringe elektrische Verluste auftraten.

Beispiel 3

Wie Beispiel 2, als Füller wurden jedoch 35% CaCO₃ mit d₅₀ ca. 7 µm und ledig lich 5% Feinfüller (TiO₂) verwendet. Die Ergebnisse der TE-Messung waren gleich gut wie bei Beispiel 2

Beispiel 4

Die in 2 und 3 gefertigten Prüflinge wurden einem elektrischen Lebensdauertest unterworfen. Das Ergebnis des Tests ist in der einzigen Figur dargestellt. Es be steht hinsichtlich der beiden Füllerarten kein signifikanter Unterschied. Ein Gross teil der abgebildeten Datenpunkte entsprechen Proben, welche noch nicht durch geschlagen sind; die endgültig erreichbare Lebensdauerkurve ist also noch flacher als die in der Figur dargestellte. In den Fällen, wo es zu einem Durchschlag kam, befand sich dieser in der Regel an der Kante des Profils, wo die angegebene Feld stärke um den Faktor 1.7 gegenüber der Homogenfeldstärke (bezogene Span nung U/d mit d = Schichtdicke) überhöht ist (in der dargestellten Kennlinie ist die ser Feldüberhöhungsfaktor noch nicht enthalten). Die Lebensdauerkennlinie ist ausserordentlich flach, was bedeutet, dass das Material nur eine geringe elektri sche Alterung erfährt und die Dauerfeldstärke, die zu einer erwarteten Lebens dauer von 20 Jahren führt, nicht wesentlich niedriger liegt, als die im Kurzzeittest gemessene Durchschlagfeldstärke. Der Lebensdauerkoeffizient n betrug ca. 33.

Beispiel 5

Mit Epoxidharzpulvern, enthaltend 40% TiO₂ Feinfüller, wurde in 56 Lagen eine Isolierung von 10 mm Gesamtdicke hergestellt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pul verbeschichtung, auf Basis von duroplastischen Kunststoffen, dadurch ge kennzeichnet, dass

a) das Pulver bis zu einer Gesamtdicke der Isolierung von 10 mm mehrmals nacheinander, in Form von aufeinander folgenden Einzel schichten aufgetragen wird,
b) jede der Einzelschichten vor dem Auftragen der nächsten Einzelschicht thermisch zwischengehärtet wird,
c) beim Zwischenhärten jeder Einzelschicht eine Härtezeit eingehalten wird, welche dem 2-10fachen der Gelzeit des verwendeten Pulvers ent spricht,
d) eine abschliessende Endhärtung der gesamten Isolierung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Zwischenhärtung über eine Zeitdauer durchgeführt wird, welche dem 3-5fa chen der Gelzeit des verwendeten Pulvers entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein zelschichten mit einer Schichtdicke von ≦ 0,5 mm aufgetragen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel schichten mit einer Schichtdicke von ≦ 0,3 mm, insbesondere mit einer Schichtdicke von 0,2 mm aufgetragen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich Einzelschichten mit einer gleichmässigen Schichtdicke aufgetragen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelschichten mit unterschiedlichen Schichtdicken aufgetragen wer den.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zum Auftragen der Einzelschichten Pulver unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mittels Sprüh- oder Wirbelsintern aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver im schmelzflüssigen Zustand mittels thermischen Spritzens aufgetragen wird.

10. Pulver zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels eines Verfahrens gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Pulver mindestens ein schmelz- und härtbares Harz-Härter- Hilfsstoffsystem sowie mindestens einen anorganischen Füllstoff ent hält,
b) der Gehalt an anorganischem Füllstoff 5-50 Gewichtsprozent beträgt, bezogen auf eine geschlossene Dichte des Füllstoffes von bis zu 4 g/cm³,
c) mindestens 3 Gewichtsprozent der Gesamtmischung des Pulvers aus Feinfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 3 µm bestehen und der restliche Füllstoff aus Grobfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 30 µm besteht,
d) wobei der Ablauf des zu einem geschlossenen Film aufschmelzenden Pulvers mindestens 25 mm und die Gelierzeit des aufgeschmolzenen Pulvers mindestens 40 s beträgt.

11. Pulver nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz-Härter- Hilfsstoffsystem so ausgewählt ist, dass sich eine Glasumwandlungs temperatur des duroplastischen Kunststoffs von mindestens 130°C ergibt.

12. Pulver nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass minde stens 5 Gewichtsprozent der Gesamtmischung des Pulvers aus Feinfüller mit einer mittleren Korngrösse d₅₀ < 1 µm bestehen.

13. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Grobfüller eine mittlere Korngrösse d₅₀ von etwa 10 µm auf weist.

14. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Gehalt an anorganischem Füllstoff etwa 40 Gewichtsprozent beträgt.

15. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Feinfüller und der Grobfüller Füllstoffe unterschiedlicher Härte sind.

16. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Feinfüller und/oder der Grobfüller Mischungen von Füllstoffen gleicher oder unterschiedlicher Härte sind.

17. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Grobfüller eine Mohs'sche Härte von maximal 7 aufweist.

18. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Grobfüller eine Mohs'sche Härte von ≦ 4 aufweist.

19. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Feinfüller ausgewählt ist aus TiO₂, ZnO oder SiO₂ und dass der Grobfüller ausgewählt ist aus CaCO₃, Wollastonit und Talkum.

20. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Duroplast im ausgehärteten Zustand eine Glasumwandlungs temperatur von mindestens 150°C aufweist.

21. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Harz-Härter-Hilfsstoffsystem des Duroplast derart ist, dass er ohne Freisetzung flüchtiger Substanzen aushärtet.

22. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Duroplast ein Epoxidharz ist.

23. Pulver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der Grobfüller eine Härte aufweist, die um etwa einen Mohs'schen Härtegrad unter jener der damit in Kontakt stehenden Materialien der För der- und Verarbeitungsmittel liegt.

24. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und des Pulvers nach einem der Ansprüche 10 bis 23 zur Herstellung von elektri schen Isolierungen für thermisch und elektrisch stark belastete Leiter im Mittelspannungsbereich.