DE2602765B2 - Transformator mit einem oelumlaufkuehlsystem und verfahren zur verhinderung des aufbaus statischer elektrischer ladungen aufgrund der oelstroemung - Google Patents

Description

Ladungen aufgrund der Strömung des isolierenden Öls verhindert wird, sowie ein Verfahren anzugeben zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung des isolierenden Mineralöls in einem Transformator mit einem ölumlaufkühlsystem.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche I und 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Das öl enthält normalerweise die gleiche Anzahl von Ionen mit positiver Ladung und von Ionen mit negativer Ladung. Wenn das öl in Berührung mit einem Festkörper steht, so werden die Ionen beider Polaritäten an der Fläche des Festkörpers adsorbiert. Der Grad der Adsorption ist für die Ionen der einen Polarität höher als für die Ionen der anderen Polarität, so daß die Ionen der entgegengesetzten Polarität im Überschuß im öl verbleiben. Die Ladungstrennung aufgrund einer Strömung des Öls entlang der Oberfläche des Festkörpers ist auf eine ionische Doppelschicht an der Grenzfläche zurückzuführen. Diese umfaßt (1) eine ionische Schicht an der Oberfläche des Festkörpers aufgrund von Unterschieden in den Adsorptionskräften der Anionen und der Kationen (Adsorptionsschicht) und (2) eine ionische Schicht im öl, deren Polarität der Adsorptionsschicht entgegengesetzt ist. Diese ionische Schicht wird durch Diffusion der im isolierenden öl verbleibenden Ladungsträger gebildet (Diffusionsschicht). Wenn eine Strömung des isolierenden Öls an der Fest-Flüssig-Grenzfläche stattfindet, so kommt es zu einer Trennung der Ionen der Diffusionsschicht von der Adsorptionsschicht und somit zu einem Aufbau statischer Elektrizität. Die Polarität der statischen Elektrizität, mit der das isolierende öl aufgeladen ist, hängt ab von dem Unterschied der Adsorptionskoeffizienten der Anionen und der Kationen an der Grenzfläche. Wenn man dem Grundmaterial der isolierenden Schicht oder des isolierenden Körpers ein Material zumischt, welches zu einer statischen Aufladung entgegengesetzter Polarität führt, so kann hierdurch die Aufladung mit statischer Elektrizität gesteuert werden.

Die vorliegende Erfindung wurde nach obigem Prinzip verwirklicht. Isolierende Schichten oder Folien oder Papierbahnen, welche in das isolierende öl der elektrischen Vorrichtung eintauchen, bestehen gewöhnlich aus Naturfasern, z. B. Kraftpulpe, Hanf, Baumwolle oder dgl. Wenn, das isolierende öl relativ zur isolierenden Folie strömt, so erhält das isolierende öl eine positive Aufladung. Anorganische Materialien, z. B. Oxyde, wie Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Titanoxid oder dgl. sowie Silikate, wie Aluminiumsilikat, Magnesiunisilikat oder dgl. führen zu einer negativen Ladung durch die Strömung des isolierenden Öls. Die Aufladung des isolierenden Öls (Mineralöl, Alkylbenzol oder dgl.) mit statischer Elektrizität kann leicht gesenkt werden, indem man Isolierschichten mit einem Gehalt an diesen anorganischen Materialien an der Oberfläche der Schichten, Bahnen oder Folien verwendet. Die anorganischen Materialien, welche der Strömung des isolierenden Öls eine negative Ladung verleihen, können dadurch an der Oberfläche der isolierenden Schicht vorgesehen werden, daß man dieses Material mit den Fasern während oder nach der Herstellung der Schicht (Papierschicht) vermischt. Das anorganische iö Material kann den Fasern in Pulverform zugemischt werden.

Die Menge des anorganischen Materials wird derart gewählt, daß der Strömung des isolierenden Öls eine für einen Ladungsausgleich sorgende negative Ladung erteilt wird, so daß die positive Aufladung des isolierenden Öls durch die Relativbewegung zwischen den F?sern und dem isolierenden öl durch eine negative Aufladung des isolierenden Öls aufgrund der Relativbewegung zwischen den anorganischen Materialien und dem isolierenden öl kompensiert wird. Die Menge der anorganischen Materialien, welche den Naturfasern zugemischt werden, beträgt vorzugsweise mehr als 1 Gew.-°/o und insbesondere 5 — 30 Gew.-%. Man kann auch derart vorgehen, daß man in der Oberflächenschicht eine höhere Konzentration des anorganischen Materials vorsieht und in der Innenschicht eine geringere Konzentration oder keinen Gehalt an dem anorganischen Material vorsieht.

Vorzugsweise werden die anorganischen Stoffe der isolierenden Schicht dadurch einverleibt, daß man diese anorganischen Stoffe mit den Fasern vermischt, und zwar während einer Stufe der Herstellung der Schicht (des Papiers), z. B. einem Holländer oder Papiermaschine oder dgl. Es ist insbesondere bevorzugt, die anorganischen Materialien auf einer Seite der Oberfläche dicker Preßpappe zu konzentrieren, indem man diese Materialien lediglich der Laminarschicht an der Oberfläche der Preßpappe zumischt. Die isolierende Schicht kann hergestellt werden, indem man fällbare Teilchen mit einem Durchmesser von mehr als 0,005 μητι und vorzugsweise mehr als 0,5 μπι verwendet oder Fasern, deren Durchmesser mehr als 0,1 μπι und vorzugsweise mehr als 1 μπι beträgt und diese mit den Cellulosefasern vermischt. Da ein geringerer Durchmesser der Teilchen oder eine geringere Dicke der Fasern eine größere Oberfläche pro Gewichtseinheit des anorganischen Materials bedeutet, so hängt die Menge des anorganischen Materials von der Größe der Teilchen oder Fasern ab. Bei geringerer Teilchengröße oder bei dünneren Fasern benötigt man geringere Mengen des anorganischen Materials.

Anorganische Materialien in Form mehrwertiger Metallverbindungen sind besonders wirksam zur Erteilung einer negativen Aufladung. Dies gilt insbesondere für dreiwertige oder vierwertige Metallverbindungen, wie Aluminiumverbindungen und Siliciumverbindungen. Die Aufgabe der Erfindung kann dadurch gelöst werden, daß man das anorganische Material nur auf der Oberfläche der isolierenden Bahn oder Folie oder Papierschicht oder dgl. aufbringt. In diesem Falle wird die dielektrische Festigkeit der isolierenden Schicht nicht beeinträchtigt. Die mehrwertigen Metalloxide und insbesondere Siliciumoxid lind Aluminiumoxid zeigen ausgezeichnete elektrische Eigenschaften. Daher kann man durch Einverleiben dieser Materialien in die Isolierschicht die elektrischen Eigenschaften der Isolierschicht verbessern.

Bei einem Transformator mit einem ölumlaufkühlsystem fließt ein isolierendes öl über die Oberfläche der isolierenden Schicht. Wenn die Teilchen aus anorganischem Material von der isolierenden Schicht gelöst werden, so verschmutzen sie das isolierende Öl, und es kann zu einem Aufbau der negativen Aufladung und somit zu Störungen kommen. Es ist nicht bevorzugt, die Teilchen aus anorganischen Material in oder an der isolierenden Schicht mit einem Bindemittel zu binden, da diese Bindemittel zu einer Verschmutzung des isolierenden Öls führen können. Es ist bevorzugt, Papier zu verwenden, welches keine Zusatzstoffe enthält, die das isolierende öl verschmutzen können. Somit ist es

erforderlich, die Teilchen aus anorganischem Material durch die Pulpenfibrillen festzuhalten, so daß ein Austreten derselben aus der isolierenden Schicht verhindert wird. Es ist daher bevorzugt, Teilchen aus anorganischem Material zu verwenden, die aufgrund ihrer Konfiguration durch die Pulpenfibrillen festgehalten werden können. Bei diesen Teilchen handelt es sich um sekundär aggregierte Teilchen oder Teilchen, welche in dem isolierenden Öl aggregieren.

Andererseits können Teilchen des anorganischen Materials mit einer hohen spezifischen Oberfläche eine starke Wirkung im Sinne einer Verminderung der positiven Aufladung aufgrund der Strömung des isolierenden Öls entfalten. Feine Teilchen haben eine hohe spezifische Oberfläche. Es ist jedoch relativ schwierig, solche feinen Teilchen ohne Verwendung eines Bindemittels in Papier festzuhalten. Aggregierte Teilchen, hergestellt durch Aggregation feiner Teilchen mit einer hohen spezifischen Oberfläche können durch das Papier sehr gut festgehalten werden. Aluminiumoxidgel, Siliciumoxidgel, Silikatgel und anderes Gel umfaßt aggregierte Teilchen mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Solche Gele werden bei der Erfindung bevorzugt eingesetzt. Die aggregierten Teilchen des Gels mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 — 100 μ (bei mikroskopischer Beobachtung der aggregierten Teilchen) und mit einem wahren Durchmesser von weniger als 1 μ (echte Teilchen) sind bevorzugt. Die Aggregation der feinen Teilchen kann in dem isolierenden öl erreicht werden. Es ist aber bevorzugt, die Teilchenaggregation während der Papierherstellung vorzunehmen, um so einen Teilchenverlust zu verhindern. Die Gele, z. B. Aluminiumoxidgel, Siliciumoxidgel und Silikatgel, können nach herkömmlichen Methoden, z. B. nach Naßverfahren, hergestellt werden. In vorliegender Beschreibung bedeutet der Ausdruck »Gel« Teilchen, welche im kolloidalen Bereich als Primärteilchen einen geringen Durchmesser haben, welche aber außerhalb des kolloidalen Bereichs als Sekundärteilchen mit einem relativ großen Durchmesser, d. h. in aggregierter Form, vorliegen. Man kann ferner faserige anorganische Materialien zur Ausbildung der negativen Ladung zumischen. Solche faserigen anorganischen Materialien umfassen Glasfasern, Glimmer und faserige Keramikmaterialien. Die faserigen anorganischen Materialien können durch die Pulpenfibrillen oder Pulpenfasern des Papiers festgehalten werden, und sie liegen an dei Oberfläche des Papiers in wirksamer Weise frei. Wenr man die aggregierten Teilchen des anorganischer Materials oder die faserigen anorganischen Teilchen be der Papierherstellung der Pulpe zumischt und da! gewonnene Papier, dessen Oberfläche teilweise durch anorganisches Material gebildet ist, als Isolierschicht ir einem Transformator mit einem ölumlaufkühlsysterr verwendet, so besteht der erhebliche Vorteil einei Verhinderung des Aufbaues statischer Aufladungen unc einer Verhinderung der Verschmutzung des isolieren den Öls.

Im folgenden wird die Erfindung anhand vor Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel

Bei der herkömmlichen Herstellung von Kraftpapiei für Isolierzwecke mischt man Aluminiumoxid mit einerr Teilchendurchmesser von 1 — 3 μηι Siliciumoxid mil einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,3 μιτι, Zinkoxid mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 — 5 μπι oder Aluminiumsilikat mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 — 5 μηι in den in den Fig. 1, 2, 3 und 4 angegebenen Mengen während der Papierherstellung zu, wobei jeweils eine Probe von isolierendem Papier mit einer Dicke von 0,8 mm erhalten wird. Jede der Proben der erhaltenen Isolierfolien wird in Mineralöl mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2,4 χ 10¹³ Ohm · cm bei 25°C eingetaucht, welches mit einer Geschwindigkeit von lOcm/sec vorbeiströmt. Die jeweilige Aufladung (pC/cm³) des Mineralöls aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Mineralöl und der isolierenden Schicht ist in den Fig. 1,2,3 und 4 eingetragen. Die Fi g. 1,2,3 und 4 zeigen graphische Darstellungen der Abhängigkeit der Aufladung des jeweiligen Mineralöls von der Menge der Teilchen des Aluminiumoxids, des Siliciumoxids, des Zinkoxids oder des Aluminiumsilikats, welches dem Papier zugemischt wurde. Man erkennt aus den graphischen Darstellungen, daß die in dem Mineralöl erzeugte Aufladung recht gering ist, wenn die Isolierfolie oder Isolierbahn 10 bis 30 Gew.-% Teilchen enthält. Die statische elektrische Aufladung des Isolieröls hängt ab von dem spezifischen Widerstand und von der Strömungsgeschwindigkeit des isolierenden Öls.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Transformator mit einem ölumlaufkühlsystem, bei dem die ölströmung an einem flächigen Isoliermaterial vorbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Isoliermaterial partiell von einem anorganischen Material in Teilchenform, Faserform oder dgl. bedeckt ist, welches aufgrund der Relativbewegung des strömenden Isolieröls zu einer statischen Aufladung führt, deren Polarität der durch das Grundmaterial des flächigen Isoliermaterial hervorgerufenen Aufladung entgegengesetzt ist.

2. Transformator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Isoliermaterial ein Isolierpapier ist, welches ein mehrwertiges Metalloxid, Siliciumoxid oder ein Metallsilikat in Teilchenform, Faserform oder dgl. enthält, welches zu einer negativen Aufladung führt.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier aggregierte Teilchen eines Gels, eines mehrwertigen Metalloxids, des Siliciumoxids oder eines Metallsilikats mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser der aggregierten Teilchen von 0,1 — 100 μ und mit einem wahren Durchmesser der wahren Teilchen von weniger als 1μ (bei mikroskopischer Beobachtung) enthält.

4. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier Glasfasern oder Keramikfasern enthält.

5. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierpapier aggregierte Teilchen von Siliciumoxidgel, Aluminiumoxidgel oder Silikatgel enthält.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Papier eine Oberflächenschicht mit einem höheren Gehalt des anorganischen Materials aufweist sowie eine Innenschicht mit einem niedrigeren Gehalt des anorganischen Materials, wobei die Oberflächenschicht an die Strömung des isolierenden Öls angrenzt.

7. Verfahren zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung von Isolieröl in einem ölumlaufgekühlten Transformator, bei dem ein flächiges Isoliermaterial in Form von Isolierpapier vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des Isolierpapiers partiell durch Teilchen oder Fasern eines anorganischen Materials modifiziert wird, welches aufgrund der Strömung des Isolieröls zu einer negativen Aufladung führt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers partiell aggregierte Teilchen eines Gels eines mehrwertigen Metalloxids, des Siliciumoxids oder eines Metallsilikats aufbringt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers partiell Glasfasern oder Keramikfasern aufbringt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche des Isolierpapiers aggregierte Teilchen von Siliciumoxidgel, Aluminiumoxidgel oder Silikatgel aufbringt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator

mit einem ölumlaufkühlsystem, bei dem die ölströmung an flächigem Isoliermaterial vorbeiführt, sowie auf ein Verfahren zur Verhinderung des Aufbaus statischer elektrischer Ladungen aufgrund der Strömung von Isolieröl in einem ölumlaufgekühltem Transformator, bei dem ein flächiges Isoliermaterial in Form von Isolierpapier vorgesehen ist.

Wenn Isolieröl in Berührung mit der Oberfläche eines Festkörpers steht, so kommt es zu einer Auftrennung von positiven und negativen Ladungen im öl, und es wird eine Doppelschicht dieser Ladungen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche ausgebildet. Wenn nun an dieser Grenzfläche eine Strömung des isolierenden Öls

vorliegt, so wird die Ladungsschicht im öl durch die ölströmung transportiert und von der Ladung an der Oberfläche des Festkörpers, welche entgegengesetzte Polarität hat, getrennt. Das Ausmaß des Ladungsaufbaus während dieses Vorganges hängt ab von der Geschwindigkeit der Ladungstrennung und der Geschwindingkeit des Ladungsausgleichs (Relaxation) gegen Erde. Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung ist um so höher je niedriger der Wert des spezifischen Widerstandes des isolierenden Öls ist, während die Ladungsrelaxation mit dem spezifischen Widerstand des isolierenden Öls abnimmt. Demzufolge hat die durch die ölströmung hervorgerufene Ladung ihren höchsten Wert im Bereich von 10¹² bis 10^H Ohm · cm des spezifischen Volumenwiderstandes des isolierenden Öls.

Die meisten isolierenden Mineralöle, welche für elektrische Einrichtungen verwendet werden, liegen innerhalb dieses Bereiches des spezifischen Volumenwiderstandes, so daß die isolierenden Mineralöle zu einem hohen Ladungsaufbau neigen. Wenn die statische Elektrizität, mit der das isolierende Mineralöl oder der Festkörper aufgeladen ist, einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, so kommt es zu einer Entladung, und es kann dabei zu einer Beschädigung der Einrichtung kommen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, in der petrochemischen Industrie die Explosionsgefahr durch den Aufbau statischer Ladungen dadurch zu vermeiden, daß man den spezifischen Volumenwiderstand des Öls durch Einverleibung eines ionischen Zusatzstoffes auf einen Weit unterhalb 10¹²Ohm · cm senkt. Bei elektrischen Anwendungen ist es jedoch nicht bevorzugt, den spezifischen Volumenwiderstand des Öls zu senken, da hierdurch das elektrische Verhalten beeinträchtigt wird. Andererseits ist es schwierig, den spezifischen Volumenwiderstand des isolierenden Mineralöls zu erhöhen und auf einem Wert oberhalb 10^l5Ohm-cm zu halten. Theoretisch könnte man an eine Erhöhung des spezifischen Volumenwiderstandes des isolierenden Mineralöls über den Bereich von 10¹² bis 10¹⁴ Ohm · cm hinaus durch eine Reinigung des Mineralöls denken. Selbst wenn es gelingen sollte, bei einer bestimmten Temperatur einen spezifischen Volumenwiderstand des isolierenden Mineralöls von mehr als 10¹⁵ Ohm · cm zu verwirklichen, so kommt es jedoch sehr leicht zu einem

6u Abfall des spezifischen Volumenwiderstandes durch Verschmutzung oder einfach durch Temperaturerhöhung. Der Weg einen elektrostatischen Ladungsaufbau durch Änderung des spezifischen Volumenwiderstandes des isolierenden Mineralöls einer elektrischen Einrich-

hi tung zu verhindern, ist daher nicht gangbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator mit einem ölumlaufkühlsystem zu schaffen, bei dem ein Aufbau statischer elektrischer