DE4037972A1

DE4037972A1 - Bauteil hoher elektrischer feldbelastbarkeit und langzeitstabilitaet fuer verwendung als isolierkoerper

Info

Publication number: DE4037972A1
Application number: DE19904037972
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Baumann; Bernhard Dr Fruth
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1991-06-27

Description

Technisches Gebiet

Isolierkörper für Hochspannungsanlagen auf der Basis orga nischer Dielektrika mit oder ohne anorganischem Füllstoff. Von den hierzu verwendeten Werkstoffen werden gute Festig keitseigenschaften und hohe elektrische Belastbarkeit gefordert.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung, Ver besserung und Auswahl von Werkstoffen für Isolierkörper und deren konstituierenden Komponenten. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere das Verhalten in elektrischen Feldern sollen optimiert werden.

Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Bauteil hoher elektrischer Feldbelastbarkeit und Langzeitstabilität für Verwendung als Isolierkörper in Hochspannungsanlagen auf der Basis eines organischen Dielektrikums als Matrix und einem anorganischen Zusatzstoff in Form von feinkörnigen, feindispers eingelagerten Partikeln.

Stand der Technik

Die Alterung eines organischen Dielektrikums (Isolator aus Kunststoff) setzt ein, wenn irgendwo im Isolatorkörper ein werkstoffspezifischer Schwellenwert für die vorhandene elektrische Feldstärke überschritten wird. Bei den üblichen Konstitutionen herkömmlicher Isolierkörper für Hochspannung wird dieser kritische Wert der elektrischen Feldstärke von einigen MV/cm nur an exponierten Stellen beträchtlicher lo kaler Feldverstärkung erreicht. Dies kann der Fall sein an scharfen metallischen vorspringenden Teilen wie Ecken und Kanten von elektrischen Leitern (Elektroden), an leitenden Einschlüssen oder an Spitzen der Verästelungen von bereits vorhandenen "Bäumchen" (beginnende Defektstrukturen unter dem Einfluß starker lokaler elektrischer Felder: Sogenann tes "Treeing"). Der zugrundeliegende physikalische Prozeß besteht in einem Übergang von der sehr geringen Hüpf-Leit fähigkeit des Materials zur Band-Leitfähigkeit, welche meh rere Größenordnungen höher liegt als erstere. Dadurch wer den die Voraussetzungen zu einer Ladungsträger-Injektion geschaffen, welche ihrerseits eine Reihe von Verschlechte rungs- und Abwertungs-Vorgängen des Werkstoffs auslöst, was letztlich zum "Bäumchen-Wachstum" und zur Zerstörung führt.

Ein Feldstärke-Schwellenwert von ca. 3 MV/cm ist typisch für eine Reihe von polymeren Kunststoffen, z. B. Epoxy-Har zen und Polyäthylen. In anorganischen Dielektrika wurden demgegenüber Schwellenwerte für beginnende Ladungsträger- Injektion und darauffolgenden elektrischen Durchbruch von mehr als 20 MV/cm beobachtet (gute SiO₂-Filme). Die Er fahrung zeigt indessen, daß die elektrische Alterungsbe ständigkeit der Kunststoffe durch ledigliches Mischen mit kommerziell verfügbaren Pulvern (Füllstoffe) von 5 bis 50 µm Partikelgröße aus anorganischen Dielektrika nicht verbes sert werden kann. Eine Übertragung der verbesserten Stabi lität (Hochfeld-Stabilisierung) der Anorganika auf Organika ist also mit der Verwendung üblicher Füllstoffe nicht mög lich: Epoxy-Harze mit mehr als 50 Gew.-% Al₂O₃, was übli chen Mischungen für Hochspannungs-Isolatoren entspricht, zeigen gegenüber dem ungefüllten Kunststoff keine Verbesse rung ihrer Alterungsbeständigkeit.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Koronafestigkeit von organischem Isoliermaterial, das in Bandform zur Be wicklung von Leitern elektrischer Maschinen verwendet wird, durch Einlagerung von sehr feinen Partikeln aus Organoalu minaten, Organosilikaten, SiO₂ oder Al₂O₃ zu verbessern. Über einen Einfluß auf die Alterungsbeständigkeit und Langzeitstabilität von kompaktem Isoliermaterial bezüglich deren Volumeneigenschaften ist indessen nichts bekannt.

Zum Stand der Technik werden die nachfolgenden Druckschrif ten zitiert:
US-A-47 60 296,
US-A-37 42 084,
US-A-26 97 467,
US-A-41 02 851.

Die bekannten Verbundwerkstoffe auf der Basis von organi schen Dielektrika genügen vielfach den an neuzeitliche Iso latorkörper gestellten Anforderungen nicht mehr. Es ist deshalb ein Bedürfnis, derartige Werkstoffe weiter zu ent wickeln und zu verbessern.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil auf der Basis eines organischen Dielektrikums und eines organi schen Zusatzstoffes für Verwendung als Isolierkörper in Hochspannungsanlagen anzugeben, das eine hohe elektrische Feldbelastbarkeit besitzt und unter den im Betrieb herr schenden Bedingungen langzeitstabil ist. Dabei liegt der Zusatzwerkstoff in Form von feinkörnigen, feindispers in der Matrix eingelagerten Partikeln vor. Einer hinreichend guten Verarbeitbarkeit des Materials unter industriellen Fabrikationsbedingungen ist Rechnung zu tragen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähn ten Bauteil der anorganische Zusatzstoff zu mindestens 80 Gew.-% aus anorganischen Oxiden besteht und daß dessen Ge halt 1 bis 40 Gew.-% der totalen Masse ausmacht, und daß ferner die Partikel des Zusatzstoffes höchstens eine Größe von 1 µm aufweisen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit niedrigem Füll stoffanteil (globulitische Partikel),

Fig. 2 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit niedrigem Füllstoffanteil,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit hohem Füllstoffan teil (kantige und stäbchenförmige Partikel),

Fig. 4 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit hohem Füllstoffanteil,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen Prüfkör per unter elektrischer Belastung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch den das Bau teil konstituierenden Werkstoff mit niedrigem Füllstoffan teil dargestellt. 1 ist die Grundmasse (Matrix) aus einem organischen Dielektrikum (Polymer). 2 sind globulitische Partikel aus mineralischem Füllstoff (anorganisches Oxid), im vorliegenden Fall Al₂O₃. Mit 3 sind Partikel aus anor ganischem, ultrafeinkörnigem Zusatzstoff bezeichnet. In diesem Fall handelt es sich um TiO₂. Die Partikel 3 haben eine maximale Größe von 0,1 µm. Im dargestellten Fall sind sowohl die Partikel 2 wie die Partikel 3 in relativ gerin ger Konzentration vorhanden.

Fig. 2 stellt einen vergrößerten schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit nied rigem Füllstoffanteil dar. Auch der Anteil an Zusatzstoff ist gering. Die Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Fig. 1.

Fig. 3 bezieht sich auf einen schematischen Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit hohem Füll stoffanteil. 1 stellt die Grundmasse (Matrix) aus einem or ganischen Kunststoff (Epoxy-Harz) dar. 4 sind kantige und stäbchenförmige Partikel aus mineralischem Füllstoff in Form eines Metalloxids: Al₂O₃. 3 sind Partikel aus anorga nischem, ultrafeinkörnigem Zusatzstoff: TiO₂. Die Partikel 3 haben im vorliegenden Fall eine durchscnittliche Größe von 0,03 µm. Es ist der Fall dargestellt, wo sowohl die Partikel 4 (mindestens 50 Gew.-%) wie die Partikel 3 (ca. 10 Gew.-%) in relativ hoher Konzentration in der ein ver gleichsweise gegenüber Fig. 1 geringeres Volumen einneh menden Grundmasse 1 eingebettet sind.

In Fig. 4 ist ein vergrößerter schematischer Schnitt durch den das Bauteil konstituierenden Werkstoff mit hohem Füll stoffanteil dargestellt. Die Fig. 4 entspricht ungefähr maßstäblichen Verhältnissen. Der mittlere freie Abstand zwischen zwei anorganischen Oxidpartikeln in Richtung des elektrischen Feldes ist kleiner als die Streulänge der Elektronen, die unter einer elektrischen Feldstärke von ei nigen MV/cm den Wert von ca. 0,01 bis 0,1 µm aufweist. Auf diese Weise wird die mittlere kinetische Energie der freien Elektronen begrenzt und eine Lawinenbildung wirksam unter bunden.

Fig. 5 stellt einen schematischen Schnitt durch einen Prüf körper unter elektrischer Belastung dar. 5 ist der eigent liche Probekörper aus Isolierwerkstoff. Letzterer besteht entweder aus einem Kunststoff mit ultrafeinkörnigem Zu satzstoff (TiO₂) allein oder aus einem Kunststoff + Füll stoff (Al₂O₃) mit ultrafeinkörnigem Zusatzstoff (TiO₂) gemäß Fig. 1 und 2 oder 3 und 4. 6 ist eine im Isolier werkstoff 5 eingebettete Plattenelektrode aus Metall. 7 stellt die ebenfalls metallische, im Isolierwerkstoff 5 eingebettete Gegenelektrode in Form einer Spitzenelektrode (Nadel) dar. 8 ist die Spitze der Nadel. Der Durchmesser des eigentlichen Probekörpers 5 beträgt 50 mm. Der Abstand zwischen der Plattenelektrode 6 und der Spitzenelektrode 7 beträgt 2 mm, der Abrundungsradius an der Spitze 8 der Na del ca. 5 µm. Für diese Geometrie gilt in guter Näherung für ein Wechselfeld folgende Beziehung:

E_max = Scheitelwert der elektrischen Feldstärke an der Spitze der Nadel
Û = Scheitelwert der Wechselspannung
d = Abstand Platte/Spitze
r = Abrundungsradius der Spitze

9 ist der Ort der maximalen Feldstärke im Isolierwerkstoff 5 von der Spitze 8 der Nadel 7. 10 stellt den ungefähren Verlauf der elektrischen Feldlinien dar.

Ausführungsbeispiel 1 Siehe Fig. 1 bis 4!

Es wurden Proben in Form von zylindrischen Gußkörpern aus einem mit Al₂O₃-Pulver gefüllten Epoxyharz hergestellt.

Eine abgewogene Menge von Bisphenol-A-Epoxyharz (Zwei-Kom ponentensystem Araldit D mit Härter 956 con Ciba Geigy im Mischungsverhältnis 100 : 20) wurde mit Al₂O₃-Pulver von ma ximal 1 µm Korngröße (α-Aluminiumoxid von Leco Corp., Michigan, USA) bis zu einem Gehalt von 40 Gew.-% gefüllt. Gängige Mischverfahren, z. B. mit einem Rührmischer mit ca. 100 Upm, stellten sich als nicht praktikabel heraus, da schon bei Zugabe von wenigen Gew.-% Pulver zum Harz sich das Gemisch verfestigte. Eine derartige Erhöhung der Visko sität um Größenordnungen ist bekannt unter dem Namen Thixotropieeffekt. Bei thixotropen Mischungen ist die Vis kosität dergestalt abhängig von äußeren Scherkräften, daß die Viskosität mit zunehmender Scherkraft abnimmt. Deshalb war es im vorliegenden Fall nur möglich, das Material bis zu ca. 40% Partikelgehalt ohne Verlust der Fließfähigkeit zu füllen, indem der Mischvorgang mit dem wesentlich effek tiveren Schlagrührer erfolgte. Das Vergießen der Proben hatte dann jedoch rasch zu erfolgen, da das Gemisch sich rasch verfestigte und nur ca. 20 min gießfähig blieb. Auch bei sofortigem Guß entstanden Blasen in der Probe, wie nachträgliches Zerschneiden der Probe ergab.

Die Proben bestanden aus runden Gußkörpern mit 40 mm Durchmesser und 10 mm Dicke, in die Nadelelektroden defi nierter Form mit Spitzenradien von 3-8 µm in 2 mm Abstand zu einer Plattenelektrode vergossen waren (siehe Fig. 5). Das maximale elektrische Feld in einer solchen Probe herrscht an der Nadelspitze und war aus Nadelradius, Plat tenabstand und angelegter äußerer Spannung einfach zu be rechnen.

Die bei diesen Proben durchschnittlich erreichte elektri sche Stabilität ergab sich wie folgt. Während Vergleichs messungen mit einem Isolierkörper ohne Zusatzstoff Schwel lenwerte der elektrischen Feldstärke von 2,6 bis 3,0 MV/cm zeigten, wurden an den erfindungsgemäßen Probekörpern diesbezüglich Werte von 6 bis 6,5 MV/cm gemessen.

Ausführungsbeispiel 2

Es wurden Proben der gleichen Abmessungen wie in Beispiel 1 angefertigt. Eine aus 3 Phasen bestehende Mischung wurde wie folgt zusammengestellt:

Epoxyharz:
40 Gew.-%
Füllstoff (Al₂O₃):	58 Gew.-%
Zusatzstoff (TiO₂):	2 Gew.-%

Das Al₂O₃-Pulver hatte eine Partikelgröße von 2 bis 40 µm, das TiO₂-Pulver eine solche von durchschnittlich 0,03 µm. Es wurde wie folgt vorgegangen:
Araldit D (Ciba-Geigy) wurde mit TiO₂ Typ P25 (Degussa) bis zur maximalen Aufnahmefähigkeit von ca. 40 Gew.-% gefüllt. Diese Mischung wurde nach speziellen Mischverfahren, bei denen auf das Mischgut hohe Scherkräfte ausgeübt werden, homogenisiert. Im vorliegenden Fall wurde die Methode des Reibmischens gewählt. Ähnliche Resultate erzielt man bei Verwendung eines sogenannten Dreiwalzen-Stuhls. Anschließend wurde durch Zugabe von weiterem Araldit D und Härter HY 956 (Ciba-Geigy) im vorgeschriebenen Mengenverhältnis der für das Endprodukt geforderte TiO₂-Gehalt eingestellt. Die auf diese Weise hergestellte Monomer/TiO₂-Mischung ver hält sich rheologisch gleich wie eine entsprechende reine Monomer-Mischung ohne Zusatzstoff. Sie kann deshalb in üb licher Weise weiterverarbeitet, d. h. nach herkömmlichen Mischverfahren mit Füllstoff (Al₂O₃) gefüllt und in ent sprechende Formen gegossen werden.

Es wurden Probekörper gemäß Fig. 2 hergestellt. Die Dauer prüfung unter Wechselspannung zeigte, daß die mit Zusatz stoff (TiO₂) und Füllstoff (Al₂O₃) gefüllten Proben bei ma ximalen Feldstärken von 5 bis 12 MV/cm an der Nadelspitze eine gegenüber konventionellen gefüllten Proben mit 60 Gew.-% Al₂O₃ eine um 3 bis 5 Mal erhöhte Lebensdauer auf wiesen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele be schränkt.

Das Bauteil hoher elektrischer Feldbelastbarkeit und Lang zeitstabilität für Verwendung als Isolierkörper in Hoch spannungsanlagen auf der Basis eines organischen Dielektri kums als Matrix und einem anorganischen Zusatzstoff in Form von feinkörnigen, feindispers eingelagerten Partikeln be steht darin, daß der anorganische Zusatzstoff zu minde stens 80 Gew.-% aus anorganischen Oxiden besteht und dessen Gehalt 1 bis 40 Gew.-% der totalen Masse ausmacht, wobei die Partikel des Zusatzstoffes höchstens eine Größe von 1 µm aufweisen. Das anorganische Oxid ist vorzugsweise Al₂O₃ von höchstens 1 µm Partikelgröße oder TiO₂ von höchstens 0,1 µm Partikelgröße. Das organische Dielektrikum besteht im allgemeinen aus einem Kunststoff, wobei Polyäthylen oder ein Epoxy-Harz bevorzugt Verwendung finden. Vorzugsweise besteht der Zusatzstoff aus reinem TiO₂ und seine Partikel weisen einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,03 µm, höchstens einen solchen von 0,05 µm auf.

In einer bevorzugten Ausführung enthält die Matrix aus Kunststoff bis zu 60 Gew.-% Füllstoff, der aus einem anor ganischen Oxid, einem keramischen Material oder einem Glas oder einem anderen eine eigene Phase bildenden Kunststoff in Form von globulitischen oder stäbchenförmigen Partikeln von bis zu 200 µm Durchmesser oder in Form von wirr durch einanderliegenden Fasern besteht.

In einer weiteren Ausführung liegt der Füllstoff in einer Menge von 30 bis 60 Gew.-% und der Zusatzstoff in einer Menge von 1 bis 5 Gew.-% in Form von TiO₂-Partikeln von 0,01 bis 0,03 µm Durchmesser vor.

Claims

1. Bauteil hoher elektrischer Feldbelastbarkeit und Lang zeitstabilität für Verwendung als Isolierkörper in Hochspannungsanlagen auf der Basis eines organischen Dielektrikums als Matrix und einem anorganischen Zu satzstoff in Form von feinkörnigen, feindispers einge lagerten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Zusatzstoff zu mindestens 80 Gew.-% aus anorganischen Oxiden besteht und daß dessen Gehalt 1 bis 40 Gew.-% der totalen Masse ausmacht, und daß ferner die Partikel des Zusatzstoffes höchstens eine Größe von 1 µm aufweisen.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Oxid Al₂O₃ ist und daß dessen Parti kelgröße höchstens 1 µm beträgt.

3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Oxid TiO₂ ist und daß dessen Parti kelgröße höchstens 0,1 µm beträgt.

4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Dielektrikum aus einem Kunststoff be steht.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus Polyäthylen oder aus einem Epoxy- Harz besteht.

6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff aus reinem TiO₂ besteht und daß seine Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,03 µm, höchstens eine solchen von 0,05 µm aufweisen.

7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Kunststoff bis zu 60 Gew.-% Füllstoff enthält, der aus einem anorganischen Oxid, einem kera mischen Material oder einem Glas oder einem anderen eine eigene Phase bildenden Kunststoff in Form von globulitischen oder stäbchenförmigen Partikeln von bis zu 200 µm Durchmesser oder in Form von wirr durch einanderliegenden Fasern besteht.

8. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in einer Menge von 30 bis 60 Gew.-% und der ultrafeinkörnige Zusatzstoff in einer Menge von 1 bis 5 Gew.-% in Form von TiO₂-Partikeln von 0,01 bis 0,03 µm Durchmesser vorliegt.