ПРОВОДЯЩАЯ БУМАГА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВНЕШНЕГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА Российский патент 2018 года по МПК H01B7/295 H02K3/02 H01B3/52 

Изобретение относится к проводящей бумаге для защиты от тлеющего разряда для использования в системе защиты от тлеющего разряда для электрической машины, например машины высокого напряжения, такой как генератор для выработки электрической энергии, электрический двигатель, а также другое электрооборудование с высоким номинальным напряжением, такое как трансформаторы, проходные изоляторы, кабели и т.д.

Разрабатываются все более мощные машины, например генераторы, так как передовая технология требует все более высокой плотности мощности. Высокомощный генератор, такой как турбогенератор, в частности, содержит станину (статор) с листовым пакетом статора и множество генераторных пазов, в которых находится обмотка генератора.

Основная изоляция этой обмотки от листового пакета представляет собой электрически сильно нагруженную систему. При эксплуатации возникают высокие напряжения, которые должны быть снижены в объеме изоляции между проводящим стержнем, находящимся под высоким напряжением, и листовым пакетом, находящимся потенциале заземления. При этом на краях листов в листовом пакете возникают превышения напряженности поля, которые, в свою очередь, приводят к возникновению частичных разрядов. Эти частичные разряды приводят при попадании на систему изоляции к локально очень сильным нагревам. При этом органические материалы системы изоляции, включая материалы системы защиты от внешней тлеющего разряда, последовательно разлагаются на низкомолекулярные, летучие продукты, например на СО₂.

Важной составной частью системы изоляции является так называемая защита от внешней тлеющего разряда (AGS). В больших генераторах и электродвигателях она применяется непосредственно на поверхности изоляции обмоток. АGS в настоящее время состоит из бумаги для защиты от тлеющего разряда, содержащей сажу и графит.

Так как системно обусловленным образом, прежде всего граничная поверхность между AGS и основной изоляцией не может изготавливаться полностью свободной от пор, это приводит при соответственно высоких напряженностях электрического поля в системе изоляции к соответственно высокой электрической активности частичного разряда, которая с течением времени в процессе эксплуатации полностью выжигает защиту от внешнего тлеющего разряда и, таким образом, приводит к преждевременному старению изоляции и в худшем случае к замыканию на землю электрической машины. Это представляет собой непоправимый полный выход из строя машины.

Защита от внешнего тлеющего разряда должна иметь определенное сопротивление на квадрат, которое находится в определенном диапазоне. Если оно слишком низкое, листовые пакеты могут быть электрически короткозамкнутыми, что может привести к высоким индуцированным контурным токам, которые замыкаются через торцы листового пакета и защиту от внешнего тлеющего разряда и приводят к сильноточным электрическим дугам. При слишком высоком сопротивлении, это, в свою очередь, может привести к высоковольтной электроискровой эрозии. В идеале, сопротивление в системе защиты от внешнего тлеющего разряда было бы установлено так, что создавалась бы анизотропия, которая проявляет увеличенную проводимость в радиальном направлении, то есть от токоведущего проводника к листовому пакету, и повышенное сопротивление, т.е. низкую проводимость, в направлении стержня.

Задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники, чтобы создать устойчивую к частичным разрядам электропроводную бумагу для защиты от тлеющего разряда

Эта задача решается с помощью предмета настоящего изобретения, как он раскрыт в описании и формуле изобретения.

Таким образом, предметом настоящего изобретения является бумага для защиты от тлеющего разряда, содержащая планарные и снабженные электропроводным покрытием частицы, причем для целенаправленного регулирования электрической проводимости к планарным частицам дополнительно подмешиваются шаровидные частицы.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения, к бумаге для защиты от тлеющего разряда дополнительно добавляются армирующие волокна.

В соответствии с другой предпочтительной формой выполнения изобретения, при изготовлении бумаги для защиты от тлеющего разряда предоставляется ткань, вокруг которой и/или в ячейках которой формируется бумага для защиты от тлеющего разряда. Ткань может, в зависимости от размера ячеек, содержать бумагу для защиты от тлеющего разряда с армирующими волокнами или без них. В любом случае, требуемое для стабилизации бумаги количество армирующих волокон в присутствии ткани соответственно уменьшается.

При изготовлении бумаги для защиты от тлеющего разряда чешуйчатые и снабженные электропроводным покрытием частицы расположены слоями, так что частицы в основном расположены параллельно друг другу, причем непосредственно наложенные друг на друга частицы перекрываются с образованием контактных поверхностей. Между контактными поверхностями образуются как следствие ван-дер-ваальсовых сил и водородных мостиковых связей взаимодействия, которые придают бумаге для защиты от тлеющего разряда высокую механическую прочность и, таким образом, стабильную форму. Следующие известные способы могут использоваться для изготовления бумаги для защиты от тлеющего разряда: способ формующего цилиндра и способ Фурдринье (Fourdrinier).

Для улучшения механических свойств (например, прочности, технологичности и т.д.) к бумаге для защиты от тлеющего разряда добавляются, например, еще волокна на органической или неорганической основе. Органические волокна могут, например, быть представлены мета-/пара-арамидом или полиэфиром (PET). Неорганические волокна могут представлять собой, например, стекловолокно.

В одной форме выполнения, размеры волокон, начиная от диаметра (поперечника), лежат в нанометровом диапазоне, то есть, например, от 1 до 500 нм и/или в микронном диапазоне, от 0,5 до 10 мкм. Длина волокон всегда выше на несколько порядков величины, например, в миллиметровом диапазоне, до, предпочтительно одноразрядного, сантиметрового диапазона.

В соответствии с одной формой выполнения изобретения, бумага для защиты от тлеющего разряда армируется тканью и/или волокнами, и в этом случае в результате получается, например, лента для защиты от тлеющего разряда. Способ изготовления ленты для защиты от тлеющего разряда включает в себя, например, следующие технологические этапы: смешивание дисперсии, которая включает в себя стойкие к частичному разряду и электропроводные планарные частицы, с флюидом-носителем; формирование осадка путем осаждения дисперсии, в результате чего планарные частицы размещаются по существу слоями плоскопараллельно в осадке; введение ткани в осадок и удаление флюида-носителя из осадка.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, ткань присутствует в форме сетки, так что в структуре сетки имеются ячейки, которые могут быть заполнены бумагой для защиты от тлеющего разряда. Например, в ячейках образуется область с бумагой для защиты от тлеющего разряда.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения, комплекс частиц включает в себя чешуйчатые и сферические частицы, причем чешуйчатые частицы, предпочтительно, присутствуют, в частности, с соотношением сторон по меньшей мере 10, то есть с отношением длины чешуйки к толщине чешуйки по меньшей мере 10.

Предпочтительно частицы содержат стойкую к частичному разряду сердцевину и стойкое к частичному разряду покрытие, которое является проводящим.

При этом термин ʺстойкие к частичному разрядуʺ относится к материалам, которые, например, устойчивы при частичных разрядах в воздухе к окислению или которые иным образом остаются стабильными при частичных разрядах, таким как керамика и/или стекла.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения, стойкая к частичному разряду сердцевина выполнена из керамического или стекловидного материала, который предпочтительно имеет низкую плотность и, предпочтительно, представляет собой слюду, кварцевую муку, оксид алюминия или стеклянные чешуйки.

При планарной структуре частиц достигается улучшенный контакт проводящих частиц между собой. Предпочтительным образом, материал покрытия частиц представляет собой оксид металла и выбирается из группы, включающей в себя оксид олова, оксид цинка, станнат цинка, диоксид титана, оксид свинца или неокисляемый карбид кремния. Легирующий элемент предпочтительно выбирается из группы, включающей в себя сурьму, индий, кадмий.

При изготовлении изоляции, бумага для защиты от тлеющего разряда наматывается вокруг изолируемого проводника и пропитывается смолой. Затем композит из смолы и бумаги для защиты от тлеющего разряда отверждается. Дополнительно или в качестве альтернативы, бумага для защиты от тлеющего разряда может наноситься на ткань-подложку из стекла, пластика, такого как полиэфир и/или PET, причем ткань в качестве подложки придает бумаге для защиты от тлеющего разряда дополнительную стабильность. Адгезив или полимерная матрица соединяет, при необходимости, ткань и бумагу для защиты от тлеющего разряда с образованием микаленты.

Особый аспект изобретения представляет собой смесь из сферических и планарных частиц. Из DE 102010009462.5 известно, что для изготовления защиты от внешнего тлеющего разряда используются планарные чешуйчатые частицы, которые за счет их ориентации в процессе изготовления и их проводящего покрытия создают дорожки проводимости, вдоль которых проводимость высока, а сопротивление низкое. Недостатком здесь является то, что проводимость перпендикулярно к ним, то есть в радиальном направлении, где чешуйчатые частицы имеют только очень незначительную протяженность, является довольно низкой. Однако, как упомянуто выше, была бы желательна проводимость именно в этом радиальном направлении.

Предпочтительно используются частицы с микроразмерами, например частицы имеют ширину и длину в микронном диапазоне, т.е., например, в диапазоне от 1 до 300 мкм, в частности, от 1 до 100 мкм и более предпочтительно от 1 до 40 мкм, в то время как их поперечник в направлении толщины лежит в нанометровом диапазоне, таким образом, в пределах от 50 до 1000 нм, в частности, в диапазоне от 100 нм до 1000 нм. Сферические частицы имеют, например, диаметр в интервале от 0,5 до 50 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм.

Шаровидные частицы подаются, например, в количестве до одной трети от общего количества частиц.

Планарная геометрия, а также ориентация наполнителя в защите от тлеющего разряда перпендикулярно к воздействию поля значительно продлевают путь эрозии через защиту от тлеющего разряда по сравнению с защитой от тлеющего разряда, которая состоит только из шаровидных наполнителей. Таким образом, количество добавляемых к чешуйчатым частицам сферических частиц следует выбирать в области противостояния конфликтных интересов между увеличением пути эрозии за счет применения по возможности полностью чешуйчатых частиц и установкой анизотропной проводимости за счет шаровидных частиц.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения способа, при смешивании дисперсии частиц с флюидом-носителем еще добавляется функционализирующий агент, который распределен во флюиде-носителе, и в дисперсии имеет массовую долю, которая по отношению к массовой доле частиц соответствует заранее определенному массовому отношению.

Перед смешиванием дисперсии, частицы предпочтительно выполняются с по существу мономолекулярным тонким слоем на поверхности частиц, причем тонкий слой изготавливается из дополнительного функционализирующего агента. В результате происходит химическая реакция для связывания частиц между тонким слоем и функционализирующим агентом.

К дисперсии из частиц с существенно мономолекулярным тонким слоем и флюида-носителя добавляются, в качестве альтернативы, предпочтительно частицы, имеющие, по существу, мономолекулярный тонкий слой, который отличается от тонкого слоя первоначально присутствующих в дисперсии частиц. В результате происходит химическая реакция для связывания частиц между двумя или более различными тонкими слоями.

В соответствии с другой предпочтительной формой выполнения способа, после удаления флюида-носителя из осадка, выполняется еще один этап способа, в котором в осадок вводится энергия для преодоления энергии активации той химической реакции функционализирующего агента с частицами, которая при связывании частиц через функционализирующий агент из осадка образует комплекс частиц, причем массовое отношение предварительно определяется таким образом, что комплекс частиц имеет пористую структуру. Подобным образом выполненное связывание частиц усиливает взаимодействия частиц между собой, так что комплекс частиц предпочтительно имеет достаточную прочность для изготовления бумаги.

Функционализирующий агент предпочтительно выбирают таким образом, что он представляет собой пластик, в частности, термопласт. Пластик предпочтительно выбирают таким образом, что он представляет собой полиолефиновый спирт, в частности, полиэтиленгликоль или не полностью гидролизованный поливиниловый спирт с молекулярной массой от 1000 до 4000, или полиалкилсилоксан, особенно метокси-терминированный полидиметилсилоксан или силиконовый полиэфир. Кроме того, функционализирующий агент предпочтительно выбирают таким образом, что он представляет собой алкоксисилан и образует по существу мономолекулярный тонкий слой на поверхности частиц. Алкоксисилан предпочтительно выбирают таким образом, что он имеет эпоксидные группы, особенно 3-глицидоксипропилтриметоксисилан, или аминогруппы, в частности 3-аминопропилтриэтоксисилан. Кроме того, функционализирующий агент предпочтительно выбирают таким образом, что он содержит частицы, в частности наночастицы диоксида кремния, которые несут поверхностные эпоксидные функциональности.

Способ согласно изобретению предпочтительно выполняется таким образом, что энергия для преодоления энергии активации в форме тепла и/или излучения подается в осадок с тканью. Кроме того, способ согласно изобретению предпочтительно выполняется таким образом, что удаление флюида-носителя осуществляется путем фильтрации и последующего подвода тепла. Удаление растворителя путем подачи тепла и подача тепла для преодоления энергии активации может осуществляться преимущественно в одном этапе способа. Флюид-носитель предпочтительно выбирается таким образом, что он представляет собой воду.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения, удаление осадка происходит после добавления ткани путем фильтрации так, что чешуйчатые частицы всасываются через ткань.

Введением ткани производится механическое сцепление осадка с тканью. Это не только упрощает процесс изготовления, но и создает лучшее сцепление частиц с тканью.

Флюид-носитель предпочтительно представляет собой растворитель, в котором функционализирующий агент может растворяться, причем функционализирующий агент растворяется в растворителе. Функционализирующий агент предпочтительно выбирают таким образом, что он образует по существу мономолекулярный тонкий слой на поверхности частиц. Между тонкими слоями осуществляется химическая реакция для связывания частиц.

Бумага для защиты от тлеющего разряда может наноситься без подложки, то есть без армирующих тканей. В этом случае, настоящее изобретение предоставляет преимущество, состоящее в том, что оформление без подложки электропроводящей бумаги на основе снабженных покрытием частиц оксида олова обеспечивает возможность свободного соединения на граничных поверхностях бумаги с основной изоляцией.

Добавление волокон для армирования может устанавливаться произвольно, например, волокна могут быть добавлены в количестве от 5 до 50% по массе, за счет этого получаются возможности варьирования, состоящие в том, что при высокой доле органических волокон обеспечивается возможность изготовления механически стабильной бумаги для применения в качестве пазовой проводящей обкладки низковольтной изолирующий системы с результирующим повышением ТЕ-напряжений эксплуатации (превышения поля на краях листов уменьшаются).

И наоборот, меньшая доля органических волокон приводит к изготовлению ленты для защиты от тлеющего разряда без подложки, в частности, ленты для защиты от внешнего тлеющего разряда для высоковольтных изолирующих систем.

В качестве альтернативы дискретному применению, проводящая бумага без подложки на основе частиц оксида олова может быть использована в качестве одностороннего полупроводящего слоя композитных материалов.

За счет подмешивания шаровидных частиц могут устанавливаться различные проводимости.

В форме выполнения изобретения с тканью, для изготовления ленты для защиты от тлеющего разряда, лента может подвергаться пропитке методом приложения давления в вакууме. За счет этого создается очень хорошее соединение обмотки микаленты и обмотки защиты от внешнего тлеющего разряда.

При изготовлении планарные частицы ориентированы, так что результатом является удлинение пути эрозии, которое продлевает срок службы всей системы изоляции.

Изобретение относится к бумаге для защиты от тлеющего разряда для использования в системе защиты от тлеющего разряда для электрической машины, например, машины высокого напряжения. Бумага для защиты от тлеющего разряда в простейшем случае изготавливается путем уплотнения планарных, стойких к частичному разряду проводящих частиц, но также может включать в себя как армирующие волокна, так и ткань.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к бумаге для защиты от тлеющего разряда, и может быть использовано в системе защиты от тлеющего разряда электрической машины, например машины высокого напряжения. Бумага для защиты от тлеющего разряда в простейшем случае изготавливается путем уплотнения планарных стойких к частичному разряду проводящих частиц, но также может включать в себя как армирующие волокна, так и ткань. Предложенная бумага содержит планарные и снабженные электропроводящим покрытием частицы, при этом для целенаправленного регулирования анизотропной электрической проводимости к планарным частицам дополнительно подмешиваются шаровидные частицы. Повышение устойчивости бумаги от тлеющего разряда является техническим результатом изобретения. 6 з.п. ф-лы.

1. Бумага для защиты от тлеющего разряда, включающая в себя планарные и снабженные электропроводным покрытием частицы, причем для установления анизотропной электрической проводимости к планарным частицам добавлены шаровидные частицы.

2. Бумага для защиты от тлеющего разряда по п. 1, причем частицы имеют стойкую к частичному разряду сердцевину и устойчивое к частичному разряду покрытие, которое является проводящим.

3. Бумага для защиты от тлеющего разряда по любому из предыдущих пунктов, причем в бумаге для защиты от тлеющего разряда дополнительно содержатся армирующие волокна.

4. Бумага для защиты от тлеющего разряда по п. 3, причем армирующие волокна имеют органическую или неорганическую основу.

5. Бумага для защиты от тлеющего разряда по любому из предыдущих пунктов, причем в бумаге для защиты от тлеющего разряда дополнительно содержится ткань для стабилизации и в качестве подложки.

6. Бумага для защиты от тлеющего разряда по любому из предыдущих пунктов, причем частицы покрыты оксидом металла.

7. Бумага для защиты от тлеющего разряда по любому из предыдущих пунктов, причем частицы покрыты легированным оксидом металла.