ТВЕРДЫЙ ИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И ИЗГОТОВЛЕННАЯ ТЕМ САМЫМ СИСТЕМА ИЗОЛЯЦИИ

Изобретение относится к твердому, в частности, ленточному, изоляционному материалу, его применению в способе вакуумного импрегнирования, и к изготовленной тем самым системе изоляции, а также к электрической машине с системой изоляции, в частности, для диапазона среднего и высокого напряжения, а именно, для средне- и высоковольтных машин, в частности, вращающихся электрических машин в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также к полуфабрикатам для электрических распределительных устройств.

Электрические машины (двигатели, генераторы) в своих многочисленных продольных пазах пакета стальных пластин статора имеют специально сформированные катушечные обмотки или токопроводящие полосы, как правило, из меди или другого материала с высокой электропроводностью.

В случае электрического двигателя посредством селективной по времени подачи напряжения создается распространяющееся кругом магнитное поле, которое приводит в движение подвешенный в высверленных в статоре отверстиях и свободно вращающийся ротор, который, например, благодаря многочисленным нанесенным постоянным магнитам реагирует на индуцированное магнитное поле в форме принудительного вращения, и тем самым электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию. При этом листовой пакет электрически подключен на массу, к катушкам же, напротив, подведен высокий киловольтный потенциал. Соответственно этому, проложенные в пазах статора катушки должны быть электрически изолированы от потенциала земли. Для этого каждая катушка, например, многократно и с определенным перекрыванием изолируется специальной лентой, например, слюдяной лентой.

Предпочтительно применяется слюда, поскольку она в виде дисперсного, в особенности чешуйчатого, неорганического барьерного материала может эффективно и долго, например, на протяжении всего срока службы машины, замедлять электрическую эрозию при частичных разрядах, и имеет хорошую химическую, а также термическую устойчивость. Слюдяные ленты состоят из слюдяной бумаги и одной или многих подложек, например, ткани, пленки(-нок), которые с помощью липкой ленты соединены друг с другом. Слюдяные ленты необходимы, поскольку слюдяная бумага сама по себе не имеет требуемой для процесса нанесения изоляции механической прочности. В зависимости от варианта применения, в клей липкой ленты могут быть введены добавки, например, катализаторы отверждения, которые действуют как инициаторы термического отверждения подводимого снаружи пропиточного состава: после того, как изолированные слюдяной лентой катушки размещены в пакете стальных пластин статора и электрически соединены, для предотвращения частичных разрядов во время последующей эксплуатации удаляется воздух в полостях обмоток и в особенности в зазорах пазов пакета пластин статора. Поскольку это расстояние от находящейся под током изолированной катушки до пакета пластин, как правило, выдерживается настолько малым, насколько возможно, там нередкими являются напряженности полей, составляющие многие кВ/мм. Соответственно этому, материал изоляции подвергается воздействию высокого напряжения.

В качестве пропиточного состава согласно прототипу пригодными для процесса вакуумного импрегнирования оказались термически отверждаемые смеси эпоксидных смол и ангидридов.

Они используются для пропитки собранных из их отдельных деталей статоров электрических машин с точно размещенными и изолированными слюдяными лентами катушек и, соответственно, для отдельного импрегнирования катушек или токопроводящей полосы.

Во время специального процесса вакуумного импрегнирования способом VPI (вакуумной пропитки) эти статоры или катушки до сих пор целиком заливались жидкотекучей композицией из эпоксидной смолы и ангидрида фталевой кислоты в вакуумной камере, и затем с пропитывались с приложением давления. Как правило, окончательное отверждение выполняется при нормальном давлении в промышленной печи. При этом назначение катализатора отверждения состоит в том, что жидкотекучий пропиточный состав, обычно из эпоксидной смолы и ангидрида фталевой кислоты, подвергается гелеобразованию при заданной температуре в течение определенного времени. Промышленным стандартом для этого в качестве пропиточного состава до сих пор является смесь дистиллированного диглицидилового простого эфира бисфенола-А и ангидрида метилгексагидрофталевой кислоты. Эта смесь является в достаточной мере жидкотекучей, чтобы обеспечивать полную пропитку ленточной изоляции, с одной стороны, и длительный срок хранения в отсутствие катализатора отверждения, с другой стороны. Как правило, катализатор отверждения содержится по меньшей мере также в твердом изоляционном материале, например, в слюдяной ленте. Эта слюдяная лента удерживается на месте липкой лентой, так что безусловно необходимо, чтобы липкая лента и катализатор отверждения были инертными по отношению друг к другу.

В особенности предпочтительно, когда все три компонента, то есть, клей липкой ленты, катализатор отверждения и подводимый пропиточный состав, реагируют между собой лишь в момент объединения в VPI-процессе. Так достигается наилучшее возможное сшивание, а также связывание, совместимость и отсутствие усадочных раковин в изоляции, что опять же приводит к оптимизированному сроку службы образованной в конечном итоге при отверждении «основной изоляции» электрической машины.

Из токсикологических соображений в отношении неограниченного использования ангидридов фталевых кислот, в будущем найдут применение не содержащие ангидриды фталевых кислот или вообще не включающие ангидриды пропиточные композиции на эпоксидной основе, которые полимеризуются введением катализаторов отверждения.

Новые катализаторы отверждения рассчитаны на не содержащие ангидриды пропиточные составы. Используются усиленные не содержащие ангидриды пропиточные составы, как известные из ранних заявок DE 102014219844.5; DE 102014221715.6; DE 102015205328.8, DE 102015202053.3; DE 102015208527.9; DE 102015204885.3, объем раскрытия которых тем самым включен в содержание данного описания. Там описывается, что используемые до сих пор катализаторы отверждения в случае безангидридных пропиточных смол на основе эпоксидной смолы, которые найдут применение в будущем, не оказывают достаточного каталитического действия, так что либо полученные формованные материалы являются слишком мягкими, то есть, имеют слишком низкие параметры механических, термомеханических и/или термических свойств, либо вообще не получаются никакие формованные изделия, поскольку традиционные катализаторы совсем не отверждают новые пропиточные смолы.

Так, было найдено, что азотистые гетероциклы, например, такие как имидазолы, представляет собой эффективные катализаторы гелеобразования и/или отверждения для не содержащих ангидриды кислот эпоксидных смол на основе простых диглицидиловых эфиров бисфенола-А и/или бисфенола-F.

Так, например, не содержащий ангидриды кислот простой диглицидиловый эфир бисфенола-F, который подвергается гелеобразованию с 3 вес.% прототипного катализатора отверждения, например, такого как N-алкилзамещенное производное пиперазина, и в течение 10 часов при температуре 145°С отверждается в условиях анионной полимеризации, проявляет температуру стеклования всего около 90°С, в то время как соответствующая стандарту содержащая ангидрид эпоксидная смола и катализатор отверждения в идентичных условиях отверждения характеризуется переходом в стеклообразное состояние при температуре около 160°С.

Напротив, когда в качестве катализатора гелеобразования и отверждения для безангидридной пропиточной смолы на основе эпоксидной смолы, например, такой как простой диглицидиловый эфир бисфенола-F, используются 2 вес.% 1,2-диметилимидазола, то переход в стеклообразное состояние достигается при температуре до 150°С.

Однако недостатком имидазолов является то, что давление паров имидазолов при повышенных температурах является относительно высоким, так что во время долговременных фаз вакуумирования при повышенных температурах, какие применяются при изготовлении электрических машин перед вакуумным импрегнированием статоров, например, для предварительного высушивания, следует опасаться частичной возгонки из связующего материала слюдяной ленты.

Кроме того, это также может неблагоприятным образом приводить к заносу летучих имидазолов в запас VPI-смолы во время фазы пропитки, что опять же сокращает стабильность самой пропиточной смолы при хранении.

Поэтому задача изобретения состоит в получении в распоряжение твердого изоляционного материала с катализатором отверждения, который преодолевает недостатки прототипа, в частности, в связи с использованием безангидридных пропиточных смол. Кроме того, задачей настоящего изобретения является применение твердого изоляционного материала в способе вакуумного импрегнирования, и, наконец, создание электрической машины с изготовленной таким путем системой изоляции, причем вообще избегается применение раздражающих дыхательные пути ангидридов фталевых кислот.

Поэтому решением этой задачи и предметом настоящего изобретения является твердый изоляционный материал, который вместе с безангидридным пропиточным составом может быть использован для изготовления системы изоляции в способе вакуумного импрегнирования, причем он включает подложку, барьерный материал, катализатор отверждения и клей липкой ленты, причем катализатор отверждения и клей липкой ленты являются инертными друг относительно друга, но в условиях вакуумного импрегнирования активируются, взаимодействуя с безангидридным пропиточным составом при продолжительностях гелеобразования от 1 часа до 15 часов при температуре импрегнирования, причем катализатор отверждения представляет собой производное диимидазола с ковалентной мостиковой связью или производное дипиразола с ковалентной мостиковой связью.

Кроме того, предметом изобретения является применение изготовленной этим путем системы изоляции в электрических машинах, предпочтительно во вращающихся электрических машинах, в особенности предпочтительно во вращающихся электрических машинах в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также в электрических распределительных устройствах, в вариантах применения со средним и высоким напряжением, выводах обмоток, выводах обмоток трансформаторов, выводах обмоток генераторов, и/или выводах установок для передачи постоянного тока высокого напряжения (HGÜ), а также в соответствующих заготовках.

Наконец, предмет изобретения составляют еще и электрические машины, предпочтительно вращающиеся электрические машины, в особенности предпочтительно вращающиеся электрические машины в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также электрические распределительные устройства, варианты применения со средним и высоким напряжением, выводы обмоток, выводы обмоток трансформаторов, выводы обмоток генераторов, и/или выводы HGÜ-установок, а также соответствующие заготовки, которые включают систему изоляции такого рода.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, катализатор отверждения представляет собой диимидазол или дипиразол общей структуры I и/или II

причем

R₁, R₂, R₃=алкильные и/или арильные остатки, которые могут быть разветвленными или неразветвленными, циклическими или линейными, с числом С-атомов от 1 до 20, в частности, от 1 до 12;

центральный фрагмент

Х, например, равен

C=O

O=S=O

H-C-H

CH3-C-CH3

CH3-C-H

C=N-R

C=N-OR

C=N-NHR

C=N-NH-CO-NH2

OR-C-OR

SR-C-SR

Пригодные соединения могут быть получены, например, конденсацией или присоединением (алкил)имидазолов или (алкил)пиразолов по электрофильным центрам.

Так, оказались пригодными, например, следующие диимидазолы и дипиразолы из следующих (алкил)имидазолов или (алкил)пиразолов как исходных соединений:

1H-имидазол (CAS № 288-32-4),

1Η-2-метилимидазол (CAS № 693-98-1),

1Η-2-этилимидазол (CAS № 1072-62-4),

но также

1H-пиразол (CAS № 288-3-1),

1H-3,5-диметилпиразол (CAS № 67-51-6).

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, используются продукты конденсации (алкил)имидазолов или (алкил)пиразолов с фосгеном, которые образуются с отщеплением HCl. Благодаря дополнительным возможностям взаимодействия через карбонильный кислород летучесть этих продуктов может быть еще более снижена.

В Фигуре 1 на примере продукта конденсации фосгена и 2-метилимидазола показано, какое снижение летучести ди(алкил)имидазола с ковалентной мостиковой связью согласно настоящему изобретению может быть достигнуто по сравнению с традиционными производными алкилимидазолов, например, такими как 1,2-диметилимидазол.

Фигура 1 показывает результат термогравиметрического анализа 1,2-диметилимидазола и 1,1'-карбонил-бис(2-метил)имидазола.

Использованный здесь в качестве примера 1,1'-карбонил-бис(2-метил)имидазол также пригоден как катализатор отверждения для обсуждаемой здесь технологии потому, что он в состоянии, уже при низких уровнях содержания безангидридных пропиточных смол на основе эпоксидной смолы, обеспечивать гелеобразование и отверждение. Уже при 2 вес.% 1,1'-карбонил-бис(2-метил)имидазола, в расчете на безангидридный простой диглицидиловый эфир бисфенола-F, продолжительности гелеобразования при 70°С могут быть отрегулированы на период между 2 и 3 часами. К тому же Фигура 2 показывает продолжительности гелеобразования с 1,1'-карбонил-бис(2-метил)имидазолом в дистиллированном простом диглицидиловом эфире бисфенола-F (на приборе Gelnorm).

Фигура 3 показывает результат измерения теплового потока на изготовленном согласно вышеописанному примеру формованном материале. Можно видеть температуру стеклования формованного материала, отвержденного при 3 вес.% 1,1'-карбонил-бис(2-метил)имидазола в дистиллированном простом диглицидиловом эфире бисфенола-F в течение 1 часа при температуре 180°С.

В качестве клея липкой ленты при наличии указанных производных диимидазола с ковалентной мостиковой связью и/или производных дипиразола с ковалентной мостиковой связью в качестве катализатора отверждения предпочтительно используется клей липкой ленты, каковой описан в патентном документе DE 102015205328.8, объем раскрытия которого тем самым включен в содержание данного описания.

Кроме того, в твердом изоляционном материале в качестве клея липкой ленты может быть применено соединение, например, выбранное из следующей группы:

трициклодекандиметанол (CAS № 26896-48-0 или 26160-83-8),

триметилолпропан (CAS № 77-99-6),

дендритные полимеры с гидроксильными функциональными группами (CAS № 326794-48-3 и, соответственно, 462113-22-0),

поликапролактонтриол (CAS № 37625-56-2),

поликапролактонтетраол (CAS № 35484-93-6).

Клей липкой ленты соединяет по меньшей мере подложку и барьерный материал в твердом изоляционном материале. Он содержится в твердом изоляционном материале в количестве в диапазоне от 1 до 30 вес.%, предпочтительно от 2 до 15 вес.%, в особенности предпочтительно от 5 до 10 вес.%.

Подложка находится в твердом изоляционном материале в форме тканевого материала, например, такого как стеклоткань, бестканевого («нетканого»), например, такого как нетканый материал, в частности, сложнополиэфирный нетканый материал, бумаги и/или пленки. При этом подложка в форме пленки также может быть перфорированной.

При этой подложке, в ней и/или на ней в твердом изоляционном материале находится барьерный материал, предпочтительно в форме частиц.

Барьерный материал предпочтительно, по меньшей мере частично, присутствует в виде чешуек. В частности, в качестве барьерного материала может быть, например, применена слюда.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, используется покрытый барьерный материал в форме частиц. В частности, речь может идти о дисперсном барьерном материале с металлоксидным покрытием, например, о частицах с покрытием из оксида олова, оксида цинка, оксида титана.

При этом, согласно одному дополнительному варианту исполнения, предусматривается, что речь идет о легированном покрытии дисперсного, в особенности чешуйчатого барьерного материала.

Клей липкой ленты соединяет по меньшей мере подложку и барьерный материал в твердом изоляционном материале. Он содержится в твердом изоляционном материале в количестве в диапазоне от 1 до 30 вес.%, предпочтительно от 2 до 15 вес.%, в особенности предпочтительно от 5 до 10 вес.%.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, катализатор отверждения, называемый также «катализатором отверждения ленты» или «ускорителем формирования ленты», находится в твердом изоляционном материале в концентрации менее 10 вес.%, например, от 0,001 вес.% до 7,5 вес.%, предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 5 вес.%, в особенности предпочтительно от 0,1 вес.% до 3,5 вес.%, так что гелеобразование может быть выполнено на протяжении многих часов.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, катализатор отверждения инициирует полимеризацию импрегнирующей смолы при температурах в диапазоне от 20°С до 100°С, предпочтительно от 50°С до 80°С, и в особенности предпочтительно от 55°С до 75°С.

Для достижения требуемой стабильности при хранении в твердом изоляционном материале, например, при комнатной температуре, и в особенности при температуре продолжительного в течение многих часов выдерживании в вакууме и импрегнирования, катализатор отверждения является сравнительно инертным в отношении материала клея липкой ленты. Это действительно также в условиях температуры выдерживании в вакууме и импрегнирования, которая варьирует, например, в диапазоне между 20°С и 100°С, в частности, от 50°С до 80°С, наиболее предпочтительно от 55°С до 75°С. Например, в качестве клея липкой ленты пригодны диолы, триолы и/или полиолы.

Изобретение относится к твердому, в частности, ленточному, изоляционному материалу, его применению в способе вакуумного импрегнирования, и к изготовленной этим путем системе изоляции, а также к электрической машине с системой изоляции, в частности, для диапазона среднего и высокого напряжения, а именно, для средне- и высоковольтных машин, в частности, вращающихся электрических машин в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также к полуфабрикатам для электрических распределительных устройств. Твердый изоляционный материал и выполненная из него система изоляции отличаются тем, что могут быть изготовлены не содержащими ангидрид.

По сравнению с содержащей ангидрид пропиточной смолой согласно прототипу, как например, N-алкилзамещенным производным пиперазина, продукты конденсации, такие как производные диимидазола и/или производные дипиразола, в частности, из имидазола, 2-метилимидазола и 2-этилимидазола, являются в особенности пригодными соединениями в качестве катализаторов отверждения, так как

а) достигаемые путем анионной полимеризации температуры стеклования с безангидридными пропиточными смолами на основе простых диглицидиловых эфиров являются гораздо более высокими, чем при применении N-алкилзамещенного производного пиперазина.

b) 1,2-замещенные имидазолы обеспечивают гелеобразование и отверждение (!) безангидридных пропиточных смол при меньших уровнях содержания, нежели N-алкилзамещенное производное пиперазина.

«Простые» (алкил)имидазолы (например, 1,2-алкилимидазолы, такие как 1,2-диметилимидазол) сами по себе нестабильны в вакууме и часто, уже при комнатной температуре, представляют собой очень легкотекучие жидкости; поэтому они могут очень легко мигрировать из связующего материала слюдяной ленты в вакууме при повышенной температуре во время фазы вакуумирования и предварительного высушивания пропитываемых статоров, и в наихудшем случае, во время фазы заливания VPI-пропитки приводить к загрязнению пропиточной смолы. Пропиточная смола обычно составляет около 20 тонн и не должна претерпевать никакого заметного повышения вязкости вследствие загрязнения, так как в противном случае нужно было бы сокращать фазы освежения смолы. Соответственно этому, безусловно нужно избегать загрязнения ускорителем из слюдяных лент.

В результате ковалентного связывания двух 1Н-2-алкилимидазолов по 1Н-положению N-гетероциклов, в частности, 1Н-2-метилимидазола или 1Н-2-этилимидазола, на центральном фрагменте Х, отныне можно получить в распоряжение катализатор отверждения, который удовлетворяет требованиям различных классов пропиточных материалов и имеет достаточно низкую летучесть. Кроме того, диимидазолы могут быть целенаправленно модифицированы дополнительно, чтобы, например, улучшить такие свойства, как устойчивость к гидролизу.

В многочисленных опытах было показано, что, например, 1,2-диметилимидазол в количестве 2 вес.% в расчете на безангидриднуюю эпоксидную смолу дает высокую температуру стеклования до 150°С при идентичных в остальном параметрах отверждения, тогда как катализатор отверждения согласно прототипу обеспечивает в безангидридных эпоксидных смолах на основе простых глицидиловых эфиров только около 90°С как температуру перехода в стеклообразное состояние. Однако вследствие высокого давления паров 2-алкилимидазола и высокой текучести диспергирование чистого имидазола в связующем материале слюдяной ленты связано с возникающей впоследствии опасностью, что фаза вакуумирования (70°С, 0,1 мбар (10 Па) в течение до 72 часов) приведет к испарению и, соответственно, миграции летучего алкилимидазола, и к скоплению в более холодных местах установки для импрегнирования. Тем самым при проведении фазы заливки смолой приходится считаться с загрязнением.

В результате ковалентного связывания двух алкилимидазолов на центральном фрагменте Х достигается снижение летучести. Благодаря этому миграция из связующего материала слюдяной ленты эффективно замедляется.

Согласно раскрытым здесь производным диимидазола с ковалентной мостиковой связью и/или производным дипиразола с ковалентной мостиковой связью в качестве катализаторов отверждения, которые, например, представляют собой продукты конденсации и/или продукты присоединения, катализаторы отверждения в твердых изоляционных материалах, благодаря увеличению молекулярной массы и, по обстоятельствам, дополнительным взаимодействиям на прежде электрофильном центре, имеют меньшую летучесть, чем простые (алкил)имидазолы. Несмотря на эту меньшую летучесть, негативное влияние на реакционную способность в отношении безангидридных пропиточных смол на основе эпоксидной смолы не проявляется или имеет место только в незначительной мере, сравнительно с простыми (алкил)имидазолами. Тем самым эти системы представляют собой отличные катализаторы отверждения безангидридных пропиточных смол на основе эпоксидной смолы.