VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON ISOLIERUNGEN ELEKTRISCHER LEITER MITTELS PULVERBESCHICHTUNG

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf die Isolierungen elektrischer Leiter von Apparaten im Nieder- bis Mittelspannungsbereich (d.h. bis etwa 50 kV) mittels Pulverbeschichtung. 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 Leiterbündeln rotierender elektrischer Maschinen. Weitere Beispiele für mögliche Anwendungen sind Schaltanlagen und Transformatoren.

Stand der Technik

[0002] 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 Alterungskurve beschrieben. Sehr oft kann diese Kurve mathematisch als Potenzgesetz 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 doppeltlogarithmischer Darstellung von E und t ergibt obiger Ausdruck eine Gerade mit der Steigung -1/n.

[0003] 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 Schalterbau n = 12 bis 16 und für zumeist im Extrusionsverfahren isolierte Hochspannungskabel n ≤ 35. Technisch wünschenswert ist eine möglichst geringe Alterung, das heisst eine flache Alterungskurve bzw. ein möglichst grosser Lebensdauerkoeffizient n, wie er beispielsweise bei Kabeln realisiert werden kann.

[0004] Das zur Herstellung von Kabelisolationen eingesetzte Extrusionsverfahren ist ein kontinuierliches Verfahren, welches sich besonders zur Herstellung quasiunendlicher, geometrisch einfacher Strukturen eignet. Jedoch sind weder das Herstellungsverfahren noch die dazu verwendeten Materialien - meist ungefülltes, reines Polyäthylen - in weitem Rahmen anwendbar. So können Isolierungen von komplexen und kleinen Strukturen, wie beispielsweise von Motorspulen oder von Verbindungen 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.

[0005] Als weitgehend geometrieunabhängiges Isolierverfahren ist die Pulverbeschichtung 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.

[0006] Die bereits bekannten Anwendungen der Pulverbeschichtung sind die Isolierung der Einzelleiter von Leiterbündeln im Generatorbau, sogenannten Roebelstäben, sowie die Isolierung von Sammelschinen. In beiden Fällen wird die fertige Isolation jedoch nur schwach beansprucht. Die Spannung, welche zwischen den Einzelleitern 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.

[0007] Sowohl aus der US 4040993 als auch aus der US 4088809 ist d.ie Herstellung von Epoxydharzpulvern bekannt, mit welchen durch elektrostatisches Spritzen oder Wirbelsintern eine solche Teilleiterisolation erzeugt werden kann. Diese Isolierungen 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.

[0008] Weil sich auf der Oberfläche der Isolierung keine Gegenelektrode befindet, ist die Isolierung bei Sammelschinen 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 Epoxidschicht weit weniger als bei der vorliegenden Anwendung. Versuche mit einem für Sammelschienen-Beschichtung verwendeten Pulver zeigten dementsprechend auch einen extremen Gehalt an Löchern.

[0009] 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 elektrisch nicht oder kaum belastet.

[0010] Kommerziell erhältlich sind Pulver welche den thermischen Anforderungen genügen, jedoch elektrisch ungeeignet sind. Solche Pulver werden meist für den Korrosionsschutz 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.

[0011] 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 erforderlich.

Darstellung der Erfindung

[0012] Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pulverbeschichtung bereitzustellen, welches ein gegenüber Glas-Glimmer- bzw. Giessharzisolierung verbessertes Alterungsverhalten aufweist.

[0013] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das Pulver bis zu einer Gesamtdicke der Isolierung 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.

[0014] 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 Gewichtsprozent, bezogen auf eine geschlossene Dichte des Füllstoffes von bis zu 4 g/cm³. Mindestens 3 Gewichtsprozent der Gesamtmischung des Pulvers bestehen 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 mindestens 25 mm und die Gelierzeit des aufgeschmolzenen Pulvers mindestens 40 s.

[0015] 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 deutlich verbesserten Lebensdauerkoeffizienten, welche andererseits durch das Auftragen weiterer Einzelschichten bis zur für die jeweilige Anwendung erforderlichen Schichtdicke verstärkt werden kann. Durch die Zwischenhärtung erreicht die jeweils äussere Einzelschicht eine hinreichend grosse Festigkeit zum Auftragen der nächsten Einzelschicht und behält gleichzeitig noch genügend ungebundenen Harter, um mit der nächsten Einzelschicht eine chemische Vernetzung einzugehen. Nicht zuletzt trägt auch die Zusammensetzung des Pulvers, insbesondere der erfindungsgemässe Anteil an Feinfüller, zur Erhöhung der Standzeit der Isolierung bei.

[0016] Geeignete Beschichtungsverfahren zur Auftragen des Pulvers auf die zu beschichtenden 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 Glasumwandlungstemperatur des duroplastischen Kunststoffs von mindestens 130°C gewährleistet werden, dass die Isolierung für alle Anwendungsfälle des Mittelspannungsbereichs einsetzbar ist.

[0017] Besonders vorteilhaft ist es, die thermische Zwischenhärtung der Einzelschichten über eine Zeitdauer durchzuführen, welche dem 3-5fachen der Gelzeit des verwendeten Pulvers entspricht. Auf diese Weise kann bei jeder Einzelschicht ein optimales Verhältnis von Festigkeit und Vermögen, mit der nächsten Einzelschicht eine chemische Vernetzung einzugehen, erreicht werden.

[0018] Es ist besonders zweckmässig, wenn die Einzelschichten mit einer möglichst geringen Schichtdicke von ≤ 0,5 mm bis hin zu einer optimalen Schichtdicke von 0,2 mm aufgetragen werden. Auf diese Weise kann eine vollständige, qualitativ hochwertige Beschichtung selbst komplexer Oberflächen sowie eine für thermisch und elektrisch hoch belastete Leiter geeignete Schichtdicke realisiert werden.

[0019] Alternativ können entweder ausschliesslich Einzelschichten mit einer gleichmässigen Schichtdicke oder Einzelschichten unterschiedlicher Schichtdicke in beliebiger Reihenfolge auf die zu isolierenden elektrischen Leiter aufgetragen werden. Zudem kann zum Auftragen einzelner Einzelschichten Pulver unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden. Dadurch wird es möglich, eine Isolierung herzustellen, welche den zu erwartenden Anforderungen entsprechend den Einsatzbedingungen der isolierten elektrischen Leiter gerecht wird.

[0020] 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 Wärmeklasse 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 effektive 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 Maximaltemperatur, da sich die Isolierung bei E=5 kV/mm und grösseren dielektrischen Verlusten selbst aufheizt und ein Versagen durch Wärmedurchschlag auftreten kann.

4. Weitestgehend frei von Hohlräumen (meist Gaseinschlüsse), welche bei Betrieb 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 Qualitätsschwankungen.

6. Frei von scharfkantigen leitfähigen Einschlüssen (z.B. Metallspänen), welche zu lokal stark überhöhten Feldern und ebenfalls zu frühzeitigem Versagen führen.

[0021] Spezielle Eigenschaften des Pulvers können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0022] Die einzige Figur zeigt das Resultat eines elektrischen Lebensdauertests verschiedener Prüflinge, isoliert mit erfindungsgemäss aufgebrachtem, feinfüllerhaltigem Epoxidharzpulver, wobei horizontal die Lebensdauer in Stunden, vertikal die Feldstärke in kV/mm abgebildet sind.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0023] 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 beispielsweise die Härtezeit oder den Ablauf, wobei aus dem Stand der Technik bekannte 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, insbesondere 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.

[0024] Bevorzugte Feinfüller haben einen mittleren Durchmesser d₅₀ von ca. 0.2 µm, wobei auch feinere Füllstoffe eingesetzt werden können, was sich positiv auf die Coronaresistenz aber negativ auf die Fliesseigenschaften (Thixotropie) des geschmolzenen Isoliermaterials auswirkt.

[0025] Vorzugsweise beträgt der gesamte Füllstoffgehalt etwa 40 %. Falls der Füllstoff eine gemittelte geschlossene Dichte von über 4 g/cm³ hat, können die hier vorstehend und nachfolgend angegebenen Grenz- und Vorzugswerte höher liegen.

[0026] Der Feinfüller und der Grobfüller können unterschiedliche Materialien sein, welche unterschiedliche Härte aufweisen. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Feinfüller oder der Grobfüller oder der Feinfüller und der Grobfüller Mischungen von Füllstoffen gleicher oder unterschiedlicher Härte sind.

[0027] 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 aufweisen, 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 Stellen mit einer lokal sehr stark überhöhten elektrischen Feldstärke, von welchen erfahrungsgemäss ein elektrischer Durchschlag ausgelöst werden kann. Mikroskopische Untersuchungen ergaben eine Flächendichte derartiger metallischer Partikel von 1-3/100 mm² bei Verwendung von SiO₂ als Grobfüller.

[0028] Vermieden wird der Abrieb durch Verwendung von "weichen" Füllern (Mohs'scher Härtegrad ≤ 4) wie z.B. Kreidemehl und/oder durch Verwendung von feineren Füllstoffen 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 teilweisen Ersatz des Grobfüllers durch Füller mit Korngrössen im Nanometer-Bereich (0.005 bis 0.1 µm maximale Korngrösse) erzielt. Nanofüller haben jedoch die unangenehme Eigenschaft, die Schmelzezähigkeit der Pulvermischung stark zu erhöhen (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 Schmelzeviskosität 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.

[0029] Zur Vermeidung von Metallabrieb wäre es auch möglich, alle Kontaktflächen zum Isoliermaterial mit einem Schutzüberzug zu versehen, z.B. mit einem Keramiküberzug, oder gewisse Produktionsmittel z.B. aus Keramik herzustellen. Ein solcher Ersatz oder Teilersatz von Metallteilen ist aber zur Zeit sehr teuer. Obschon der Abrieb bei z.B. Keramikoberflächen das elektrische Feld und damit die Isolierwirkung 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.

[0030] Die elektrisch isolierenden anorganischen Füllstoffe sind vorzugsweise ausgewählt 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 Feinfüller und CaCO₃, Wollastonit sowie Talkum mit Korngrössen um ca. 10 µm (mittlere Korngrösse d₅₀) speziell als Grobfüller geeignet sind.

[0031] Füllstoffe mit der gewünschten Korngrösse können auf verschiedene Arten erhalten 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.

[0032] Die Gefahr von Abrieb durch die Verwendung von hartem Feinfüller ist weit weniger kritisch, da feinkörnige Schleifmittel allgemein wesentlich weniger effektiv sind als grobkörnige Schleifmittel.

[0033] Die Anwesenheit von mindestens 5 Gewichtsprozent Füllstoff und mindestens 3 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 5 Gewichtsprozent Feinfüller ist wesentlich, da der Füllstoff elektrisch isolierend wirkt, die mechanische Festigkeit erhöht, die Wärmeleitfähigkeit verbessert, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten erniedrigt, die UV-Beständigkeit erhöht und zur Viskositätseinstellung beiträgt. Der Feinfüller ist zudem wesentlich für die Erhöhung der Coronaresistenz, während der Grobfüller eine Erhöhung des Füllstoffgehalts bei geringerer Viskositätserhöhung 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 dessen Verarbeitung Probleme aufgrund zu hoher Viskosität einstellen.

[0034] Bevorzugte Duroplaste für die Matrix der Isoliermaterialien der vorliegenden Erfindung weisen im ausgehärteten Zustand eine Glasumwandlungstemperatur von 130°C - 200°C auf, bevorzugt 150°C - 180°C.

[0035] Da das erfindungsgemässe Isoliermaterial für eine gute Isolierwirkung, wie sie für die bevorzugten Anwendungen erforderlich ist, blasenfrei oder zumindest weitestgehend blasenfrei sein muss, sollte das Harz-Härter-Hilfsstoffsystem des Duroplast derart sein, dass es ohne Freisetzung flüchtiger Substanzen aushärtet.

[0036] 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 beschichtenden Oberfläche adsorbiertem Wasser oder anderen leichtflüchtigen Substanzen ermöglicht, aus der Isolierschicht auszutreten, bevor sich diese zu sehr verfestigt hat, damit sich allenfalls bei diesem Austritt entstandene Poren respektive Blasen schliessen können.

[0037] Die Mischung aus Harz, Härter und organischen Hilfsstoffen sollte einen Schmelzpunkt 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 verhindern. Die Härtungseigenschaften können durch Zugabe geeigneter Stoffe eingestellt 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 mindestens 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 hoher Schmelzpunkt ist aber wegen der Aktivierung der Härtungsreaktion, die üblicherweise 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.

[0038] Um die hohen Anforderungen an den Glasumwandlungspunkt des Duroplasts erfüllen zu können, ist es bevorzugt, dass der Duroplast stark quervernetzt ist, respektive eine hohe Vernetzungsdichte aufweist. Ein bevorzugter Duroplast ist ein Epoxidharz. Epoxidharz ist u.a. deshalb bevorzugt, weil sowohl die Carbonsäureanhydrid- 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 Polyanhydride oder Polyamine und/oder als Harz multifunktionelle, verzweigtkettige Epoxidharze eingesetzt werden. Um die Flüchtigkeit der Komponenten zu erniedrigen und den Glasumwandlungspunkt zu erhöhen sind aromatische Gruppen enthaltende Harze und/oder Härter bevorzugt.

[0039] Wie bereits oben angedeutet kann das erfindungsgemässe Isoliermaterial Zusatzstoffe respektive Hilfsstoffe enthalten, wie Aktivatoren, Beschleuniger, Pigmente etc., wobei solche Stoffe vorzugsweise schwerflüchtig sind.

[0040] Für einige Anwendungen der neuen Isolierung, insbesondere im Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen, ist eine Verwendung der Isolierung in Wärmeklasse H (T_max = 180°C) notwendig. Dafür sollte die Glasumwandlungstemperatur (T_g) in diesem Temperaturbereich liegen, bevorzugt zwischen 130°C und 200°C. Glasumwandlungstemperaturen deutlich höher als 200°C sind einerseits schwer zu realisieren und führen andererseits zu einem Material, das im Bereich der Raumtemperatur 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 entspricht.

[0041] Eine Isolierung für den Mittelspannungs- und unteren Hochspannungsbereich thermisch und elektrisch hoch belasteter elektrischer Leiter wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass die zu beschichtenden elektrischen Leiter mindestens teilweise 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 verschiede Arten erfolgen, z.B. durch Besprühen mit und ohne elektrostatische Aufladung oder im Wirbelbett.

[0042] 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 blasenbildenden Beimischungen (z.B. adsorbiertes Wasser) verdampfen können. Diese Forderung nach langen Gelzeiten ist dem Trend der Pulverlackierer entgegengesetzt, welche zur Erzielung hohen Durchlaufzeiten beim Dünnschicht-Lackieren die Gelzeiten durch Zugabe von Beschleunigern gezielt niedrig einstellen (typischerweise 15 Sekunden (s)). Durch Verringerung des Beschleunigeranteiles lassen sich jedoch die Gelzeiten handelsüblicher Pulver ohne Schwierigkeiten auf Zeiten von ≥ 60s bringen, vorzugsweise 80-160s, welche für die vorliegende Anwendung ausreichend lang sind. Die Viskosität wird bei Sprühpulvern meist nicht als separate Grösse gemessen und spezifiziert; sondern statt dessen wird der sogenannte Ablauf, welcher sich aus Viskosität und Gelzeit ergibt, spezifiziert. Blasenfreie Schichten werden danach erzielt, wenn der Ablauf > 25 mm, vorzugsweise 30 - 50 mm, ist.

[0043] 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 vorzugsweise 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.

[0044] Zum Aufbau von Schichten mit d > 0,2 mm wird das Aufbringen der Einzelschichten bis zur gewünschten Schichtdicke wiederholt. Nach jeder Schichtaufbringung wird das System bestehend aus Harz, Härter, Hilfsstoffen und Füllern entsprechend 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 Passagen innerhalb der Einzelschichten oder lokal unterschiedliche Schichtdicken der gesamten Isolierung erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich die Isolierung optimal an die zu beschichtende Oberfläche anpassen.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1:

[0045] Ein Epoxidharzpulver, welches 40 Masseprozent TiO₂ mit einer mittleren Korngrösse d₅₀= 0.2 µm enthält, wurde benutzt um eine Isolierung mit d = 0.5 mm auf Cu Platten von 200 mm x 200 mm aufzubringen. Das Pulver war nicht optimiert hinsichtlich 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.

[0046] 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:

[0047] Cu-Profile mit l x b x h = 600 x 15 x 50 mm und Kantenradius 2,5 mm wurden mit Epoxidharzpulver (mit TiO₂- Füller 35 %) und einem Ablauf von 50 mm beschichtet. Die Schichtdicke betrug 0.5 - 1 mm. Bis auf wenige und sehr kleine Blasen (< 50 µm) ist die Isolierung vollkommen hohlraumfrei, wie mikroskopische Untersuchungen an Schnitten ergaben. Die,TE-Einsatzfeldstärken, definiert über die Detektion eines TE-Pegels von > 5 pC, lagen bei 18 - 25 kV/mm. Der tan δ des Materials blieb im Bereich von Raumtemperatur bis zu 200 °C unter 10%, so dass lediglich geringe elektrische Verluste auftraten.

Beispiel 3:

[0048] Wie Beispiel 2, als Füller wurden jedoch 35 % CaCO₃ mit d₅₀ ca. 7 µm und lediglich 5 % Feinfüller (TiO₂) verwendet. Die Ergebnisse der TE-Messung waren gleich gut wie bei Beispiel 2

Beispiel 4:

[0049] Die in 2 und 3 gefertigten Prüflinge wurden einem elektrischen Lebensdauertest unterworfen. Das Ergebnis des Tests ist in der einzigen Figur dargestellt. Es besteht hinsichtlich der beiden Füllerarten kein signifikanter Unterschied. Ein Grossteil der abgebildeten Datenpunkte entsprechen Proben, welche noch nicht durchgeschlagen 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 Feldstärke um den Faktor 1.7 gegenüber der Homogenfeldstärke (bezogene Spannung U/d mit d = Schichtdicke) überhöht ist (in der dargestellten Kennlinie ist dieser Feldüberhöhungsfaktor noch nicht enthalten). Die Lebensdauerkennlinie ist ausserordentlich flach, was bedeutet, dass das Material nur eine geringe elektrische Alterung erfährt und die Dauerfeldstärke, die zu einer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren führt, nicht wesentlich niedriger liegt, als die im Kurzzeittest gemessene Durchschlagfeldstärke. Der Lebensdauerkoeffizient n betrug ca. 33.

Beispiel 5:

[0050] Mit Epoxidharzpulvern, enthaltend 40% TiO₂ Feinfüller, wurde in 56 Lagen eine Isolierung von 10 mm Gesamtdicke hergestellt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Isolierungen elektrischer Leiter mittels Pulverbeschichtung, auf Basis von duroplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Pulver bis zu einer Gesamtdicke der Isolierung von ≤ 10 mm mehrmals nacheinander, in Form von aufeinander folgenden Einzelschichten 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 entspricht,

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 3-5fachen der Gelzeit des verwendeten Pulvers entspricht.

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

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschichten 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 werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.

Claims

1. Process for production of insulation for electrical conductors by means of powder coating, based on thermoplastics, characterized in that

a) the powder is applied a number of times successively, up to a total insulation thickness of ≤ 10 mm, in the form of successive individual layers,

b) each of the individual layers is thermally intermediately cured before the application of the next individual layer,

c) during the intermediate curing of each individual layer, a curing time is complied with which corresponds to 2-10 times the gelling time of the powder being used,

d) the final curing of the overall insulation is carried out.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the thermal intermediate curing is carried out over a time period which corresponds to 3-5 times the gelling time of the powder that is used.

3. Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the individual layers are applied with a layer thickness of ≤ 0.5 mm.

4. Process according to Claim 3, characterized in that the individual layers are applied with a layer thickness of ≤ 0.3 mm, in particular with a layer thickness of 0.2 mm.

5. Process according to one of Claims 1 to 4, characterized in that only individual layers with a uniform layer thickness are applied.

6. Process according to one of Claims 1 to 4, characterized in that individual layers with different layer thicknesses are applied.

7. Process according to one of the preceding claims, characterized in that powders of different composition are used for application of the individual layers.

8. Process according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the powder is applied by means of spray or swirl sintering.

9. Process according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the powder is applied in the liquid state by means of thermal sprays.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'isolations de conducteurs électriques par revêtement par poudre à base de matières synthétiques duroplastiques, caractérisé en ce que :

a) la poudre est appliquée successivement et plusieurs fois sous la forme de couches individuelles successives jusqu'à obtenir une isolation d'une épaisseur totale ≤ 10 mm,

b) chacune des couches individuelles subit un durcissement thermique intermédiaire avant l'application de la couche individuelle suivante,

c) lors du durcissement intermédiaire de chaque couche individuelle, on respecte un temps de durcissement qui correspond à 2 à 10 fois la durée de gélification de la poudre utilisée et

d) on réalise enfin un durcissement final de l'ensemble de l'isolation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le durcissement thermique intermédiaire est réalisé pendant une durée qui correspond à 3 à 5 fois la durée de gélification de la poudre utilisée.

3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les couches individuelles sont appliquées en couches d'une épaisseur ≤ 0,5 mm.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les couches individuelles sont appliquées en couches d'une épaisseur ≤ 0,3 mm et en particulier en couches d'une épaisseur de 0,2 mm.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on applique uniquement des couches individuelles de même épaisseur.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on applique des couches individuelles de différentes épaisseurs.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour appliquer les couches individuelles, on utilise des poudres de différentes compositions.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la poudre est appliquée par frittage par pulvérisation ou en lit fluidisé.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la poudre est appliquée à l'état fondu par pulvérisation thermique.

Zeichnung