Verfahren zur Imprägnierung und Einbettung von elektrischen Wicklungen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Imprägnierung und Einbettung von elektrischen Wicklungen, insbesondere Spulen von Transformatoren, mittels Imprägnier- bzw. Giessharzen auf der Basis von Polyepoxid-Polyisocyanat-Gemischen in Gegenwart eines bei Verarbeitungsbedingungen latenten Reaktionsbeschleunigers.

[0002] Für die Elektrotechnik ist die Imprägnierung und der Verguss bzw. die Isolierung von Wicklungen in elektrischen Maschinen und in Spulen von Trockentransformatoren von grosser technischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Zur Verbesserung des Leistung/Gewichts-Verhältnisses und zur höheren thermischen Belastbarkeit werden für diesen Zweck Reaktionsharzformstoffe mit hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften benötigt. Besondere Anforderungen an die Formstoffe entstehen, wenn beispielsweise bei Transformatoren der Potentialabbau nicht durch Luft-Kühlstrecken unterstützt wird, sondern weitgehend in den Reaktionsharzformstoff verlegt werden soll. Hohen mechanischen und thermischen Belastungen sind die Reaktionsharzformstoffe andererseits dann ausgesetzt, wenn eine Temperaturwechselbeständigkeit bis -50°C gewährleistet werden soll und gleichzeitig, beispielsweise bei Transformatoren, den Anforderungen der Wärmeklassen F bis H entsprochen werden soll.

[0003] Gute Voraussetzungen zur Erhöhung des Eigenschaftsniveaus von Reaktionsharzformstoffen besitzen oxazolidinon- und isocyanurathaltige Formstoffe, welche aus Harzen auf der Basis von Polyepoxiden und Polyisocyanaten, im folgenden kurz EP/IC-Harze genannt, hergestellt werden; die entsprechenden Formstoffe werden im folgenden kurz als OX/ICR-Formstoffe bezeichnet. Es ist nämlich bekannt, dass EP/IC-Harze bei der Härtung, d.h. bei der Vernetzung, die im allgemeinen in Gegenwart von Beschleunigersystemen (Katalysatoren) erfolgt, OX/ICR-Formstoffe mit hervorragender Wärmeformbeständigkeit ergeben (siehe beispielsweise: DE-AS 1 115 922, DE-OS 1 963 900 und DE-AS 2 359 386). Es ist ferner bereits bekannt, EP/IC-Harze als lmprägnierharz für Wicklungen in elektrischen Geräten, insbesondere für rotierende elektrische Maschinen, zu verwenden, wobei auch auf die Verwendungsmöglichkeit bei Transformatoren hingewiesen wird (siehe beispielsweise: DE-OS 2 444 458, DE-PS 2 655 367 und DE-OS 2811 858). Bislang ist jedoch kein Weg aufgezeigt worden, auf dem im technischen Massstab und in wirtschaftlicher Weise eine lunkerfreie Imprägnierung und Einbettung von elektrischen Wicklungen, insbesondere in Spulen von Trockentransformatoren, mit EP/IC-Harzen durchgeführt werden kann.

[0004] Ein grundsätzliches Problem bei der Imprägnierung und Einbettung von Wicklungen mit EP/IC-Harzen besteht darin, dass die in den EP/IC-Harzen enthaltenen Polyisocyanate mit Wasser unter C0₂-Bildung reagieren; Kohlendioxid führt aber zu Lunker enthaltenden OX/ICR-Formstoffen. Derartige Imprägnierungen und Einbettungen von elektrischen Wicklungen sind jedoch, insbesondere wegen des Auftretens von Teilentladungen bei elektrischer Beanspruchung, nicht einsetzbar. Zur Entwicklung einer störenden Co_z-Gasbildung genügen bereits geringe Wassermengen. Diese können über Komponenten der EP/IC-Harze, wie Epoxidharze und Füllstoffe, eingeschleppt werden. Auch die in den Wicklungen vorhandenen geringen Wassergehalte reichen bereits zur Entwicklung einer störenden C0₂-Gasbildung aus.

[0005] Die bisher bei Epoxidharzen technisch üblichen Verarbeitungs- und Vernetzungsbedingungen sind zur lunkerfreien Imprägnierung und Einbettung von Wicklungen mit EP/IC-Harzen nicht geeignet. Es wurde festgestellt, dass die Bedingungen zur Trocknung und Entgasung weder zur vollständigen Entfernung von Restwassergehalten bei den Komponenten der EP/IC-Harze führen, noch dadurch die Restwassergehalte aus den Wicklungen entfernt werden können. Auch bei der Anwendung hoher Trocknungstemperaturen und von vermindertem Druck ist keine vollständige Entwässerung der Wiclungen zu erreichen. Hinzu kommt noch, dass die Trocknungsmassnahmen nicht beliebig aufwendig durchgeführt werden können, wenn eine wirtschaftliche Fertigung gewährleistet sein soll. Es wurde weiter festgestellt, dass mit der technisch üblichen Verfahrensweise, die imprägnierten und vergossenen Wicklungen in Temperöfen zu härten, beim Einsatz von EP/IC-Harzen keine gas- und schrumpflunkerfreien Imprägnierungen und Einbettungen hergestellt werden können, da bis zur Gelierung der Reaktionsharze im Temperofen für die imprägnierten und vergossenen Isolierungen Standzeiten entstehen, die viele Stunden betragen können. Je länger diese Standzeiten sind, desto ausgeprägter ist aber die C0₂-Bildung durch Reaktion der Isocyanatkomponente mit Restwasser in der Wicklung. Hinzu kommt, dass die Vernetzung der EP/IC-Harze im Temperofen, insbesondere bei grösseren Isolierwandstärken, keine temperaturwechselbeständige und stosstromfeste Einbettung der Wicklung ergibt, da die Vernetzung der EP/IC-Harze dabei von den Aussenzonen nach innen verläuft und dies bei den hochreaktiven, schnell vernetzenden (gelierenden) EP/IC-Harzen zu hohen inneren Spannungen und Schrumpflunkern führt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, fertigungstechnisch sichere und wirtschaftliche Bedingungen zu finden, mit denen bei der Imprägnierung und Einbettung von elektrischen Wicklungen unter vermindertem Druck mittels EP/IC-Harzen und deren Vernetzung zu OX/ICR-Formstoffen in Gegenwart eines latenten Reaktionsbeschleunigers die Bildung von Gas- und Schrumpflunkern verhindert wird.

[0007] Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die EP/IC-Harze, gegebenenfalls einschliesslich Zusatzstoffe, unter vermindertem Druck und unter Rühren bei Temperaturen bis zu 110°C getrocknet werden, dass die elektrischen Wicklungen getrocknet und mit den getrockneten EP/IC-Harzen unter vermindertem Druck bei Temperaturen bis zu 110°C imprägniert bzw. vergossen werden, dass der verminderte Druck aufgehoben wird und eine Beaufschlagung mit Überdruck erfolgt und dass über durch Stromwärme im Leiter in der elektrischen Wicklung erzeugte Temperatur die Vernetzungsreaktion der EP/IC-Harze eigeleitet und - in Abhängigkeit von der Reaktionswärme - bis zur Entformung oder Nachhärtung der imprägnierten bzw. vergossenen Wicklungen gesteuert wird.

[0008] Beim erfindungsgemässen Verfahren werden die EP/IC-Harze zunächst getrocknet und entgast. Dabei erfolgt eine sogenannte chemische Trocknung oder Entwässerung, wozu die in den EP/IC-Harzen vorhandenen Polyisocyanate dienen, die mit Wasser unter CO_z-Abspaltung reagieren. In der Praxis wird dabei in der Weise verfahren, dass die EP/IC-Harze, einschliesslich sämtlicher Zusätze, bei erhöhter Temperatur unter vermindertem Druck und intensivem Rühren so lange behandelt werden, bis keine C0₂-Entwicklung mehr stattfindet. Der latente Reaktionsbeschleuniger kann dabei von Anfang an im EP/IC-Harz vorhanden sein oder diesem nach einer bestimmten Vorbehandlungszeit zugesetzt werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass Trocknungstemperaturen unter 50°C zwar möglich, aufgrund der dann erforderlichen langen Trocknungszeit aber unwirtschaftlich sind. Vorteilhaft wird deshalb die EP/IC-Harzmischung zur Entwässerung und Entgasung unter vermindertem Druck und Rühren bei Temperaturen von 50 bis 80°C behandelt; bei 80°C beispielsweise ist die Trocknung dann bereits nach ca. 1 h beendet. Nach erfolgter Trocknung werden die EP/IC-Harze bis zur weiteren Verarbeitung unter den während des Trockenvorganges herrschenden Bedingungen gehalten, d.h. bis zur Imprägnierung bzw. zum Verguss der elektrischen Wicklungen.

[0009] Die Wicklungen selbst werden vor der Imprägnierung oder dem Verguss mit den EP/IC-Harzen vorzugsweise bei Temperaturen bis 80°C und unter vermindertem Druck getrocknet und entgast, wobei die Trocknung und Entgasung vorteilhaft durch Stromwärme im elektrischen Leiter unterstützt werden kann. Die Wicklungen werden dann bis zur Imprägnierung und Einbettung mit den EP/IC-Harzen bei den genannten Bedingungen für Druck und Temperatur gehalten, die Wicklungsheizung dagegen wird abgeschaltet.

[0010] Die Imprägnierung und der Verguss der Wicklungen mit den EP/IC-Harzen wird beim erfindungsgemässen Verfahren unter vermindertem Druck bei Temperaturen bis zu 110° C durchgeführt; die Temperatur der EP/IC-Harze beträgt dabei vorzugsweise Raumtemperatur bis 80°C. Unmittelbar nach der Beendigung der Imprägnierung bzw. des Vergusses der Wicklungen wird der verminderte Druck aufgehoben und eine Druckbeaufschlagung, vorzugsweise mit 1 bis 3 bar Überdruck, herbeigeführt. Dann wird durch Stromwärme im Leiter die Vernetzung der EP/IC-Harze eingeleitet und bis zur Entformung bzw. Nachhärtung der Wicklungen gesteuert. Die durch Stromwärme im Leiter in den Wicklungen erzeugte Temperatur beträgt dabei vorzugsweise 60 bis 140°C. Schliesslich erfolgt noch eine Nachhärtung im Temperofen bei Temperaturen bis 220°C.

[0011] Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Imprägnierung und Einbettung von Wicklungen mit EP/IC-Harzen wird die Bildung von Gas- und Schrumpflunkern sicher verhindert. Ausschlaggebend dafür sind folgende Massnahmen:

- Durch die Reaktion von Polyisocyanat mit Wasser, die unter C0₂-Abspaltung verläuft, erhält man - bei den angegebenen Entgasungsbedingungen - wasser- und gasfreie EP/IC-Harze auf technisch einfache und wirtschaftliche Weise.

- Die Bildung von gasförmigem Kohlendioxid durch Reaktion von Isocyanat mit Restwasser in der Wicklung wird weitgehend unterdrückt, da die Reaktionszeit zur Bildung des Co₂ erheblich reduziert wird, indem die Vernetzung der EP/IC-Harze unmittelbar nach dem Imprägnier-bzw. Giessvorgang über die Stromwärme im Leiter eingeleitet wird. Ausserdem wird die Reaktionsgeschwindigkeit der C0₂-Bildung durch den bestehenden Überdruck verringert. Ferner werden eventuell gebildete geringe C0₂-Mengen durch den bestehenden Überdruck im noch niedrigviskosen EP/IC-Harz verteilt und gelöst, da die Gelierung der EP/IC-harze von der Wicklung zu den Randzonen hin verläuft, d.h. nicht - wie sonst

- von aussen nach innen, sondern von innen nach aussen.

- Die Vernetzung der EP/IC-Harze läuft unter hoher Wärmetönung ab. Die Wärmetönung hängt dabei nicht nur von der Art und Konzentration des Reaktionsbeschleunigers ab, sondern auch von der Menge der IC-Komponente im EP/IC-Harz. Dabei liegen die Temperaturmaxima bei der Gelierung der EP/IC-Harze um so höher, je grösser der Anteil an Isocyanat ist. Beim erfindungsgemässen Verfahren kann aber die Vernetzung - über die selektiv auf die Wärmetönung der Vernetzungsreaktion abgestimmte Stromwärme im Leiter - so gesteuert werden, dass bei der von innen nach aussen verlaufenden Gelierung der EP/IC-Harze keine örtlichen Übertemperaturen entstehen und in der gesamten EP/IC_-Harzmasse nur geringe Temperaturgradienten auftreten. Die Bestimmung des Anteils der in den OX/ICR-Formstoffen gebildeten Oxazolidinon- und IsocyanuratRinge, gemessen in unmittelbarer Nähe der Wicklung und in den Aussenzonen, bestätigt den einheitlichen Vernetzungsverlauf in der gesamten EP/IC-Harzmasse, da sie nur geringe Unterschiede aufgezeigt.

- Aufgrund der kurzen Zeizspanne zwischen Verguss (der Wicklungen) und Gelierprozess wird die Sedimentation von gegebenenfalls vorhandenen Füllstoffen erheblich vermindert. Zu inneren Spannungen führende unterschiedliche Füllstoffverteilungen können auf diese Weise reduziert werden.

[0012] Das erfindungsgemässe Verfahren zur Imprägnierung und Einbettung von Wicklungen mit EP/IC-Harzen und deren Vernetzung zu OX/ICR-Formstoffen berücksichtigt in hervorragender Weise auch Anforderungen hinsichtlich des Umweltschutzes. Es ist bekannt, dass die in den EP/IC-Harzen enthaltenen Epoxid- und Isocyanatverbindungen aus toxischen Gründen nur unter besonderen Schutzmassnahmen technisch verarbeitet werden können. Für Isocyanate beispielsweise wird ein MAK-Wert von 0,02 ppm angegeben. Die kritischen Verfahrensschritte beim Einsatz von EP/IC-Harzen sind deren Aufbereitung sowie ihre Vernetzung bis zur Gelierung und Nachhärtung, da die Dampfdrücke der EP-und IC-Komponenten dabei zwangsläufig steigen und die Gefahr der Umweltbelastung besonders gross ist. Der Transport der mit EP/IC-Harzen imprägnierten oder vergossenen Wicklungen zum Härteofen könnte deshalb nur mit technisch aufwendigen Schutzmassnahmen erfolgen. Bei der erfindungsgemässen Verfahrensweise kann dagegen eine Umweltbealstung technischer sicher vermieden werden, da die Aufbereitung und Verarbeitung der EP/IC-Harze bis zur Nachhärtung in technisch üblichen, sowohl unter vermindertem Druck als auch bei Druckbeaufschlagung dichten Anlagen in einem Arbeitsgang durchgeführt wird. Die Nachhärtung der Wicklungen lässt sich dann unter den üblichen Schutzvorkehrungen durchführen, da zu diesem Zeitpunkt die EP/IC-Harze bereits hoch vernetzt sind.

[0013] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist die wirtschaftliche Verarbeitung der EP/IC-Harze. Die hochreaktiven und schnell vernetzenden EP/IC-Harze werden nämlich voll genutzt, um die Maschinen- und Formbelegungszeiten gegenüber dem derzeitigen Stand der Imprägnierung und Einbettung von Wicklungen mit Epoxidharzen drastisch zu reduzieren. Dies ist vor allem in der einfachen und schnell durchführbaren chemischen Trocknung und Entgasung der EP/IC-Harze begründet sowie in den sehr kurzen Formbelegungszeiten der mit den EP/IC-Harzen imprägnierten bzw. vergossenen Wicklungen. So liegen die Formbelegungszeiten mit EP/IC-Harzmengen bis über 100 kg, auch bei hohen lsolierwandstärken, innerhalb von 1 bis 3 Stunden.

[0014] Für das erfindungsgemässe Verfahren zur Imprägnierung, Einbettung und Isolierung von elektrischen Wicklungen eignen sich EP/IC-Harzsysteme aus folgenden Komponenten. Als Polyepoxide sind relativ niedrigviskose aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Epoxide sowie deren Mischungen besonders geeignet. Bevorzugt werden Bisphenol-A-diglycidylether, Bisphenol-F-diglycidylether, 3.4--Epoxycyclohexylmethyl-3'.4'-epoxycyclohexan- carboxylat, Polyglycidylether von Phenol/Formaldehyd- bzw. Kresol/Formaldehyd-Novolak, Polyglycidylether von Polyalkylenglykolen, Polyglycidylether von linearen Polyurethanen, Polyglycidylesther von dimerisierten Fettsäuren sowie Mischungen aus diesen Epoxidharzen eingesetzt. Weitere verwendbare Polyepoxide sind hydrierte Bisphenol-A- bzw. Bisphenol-F-diglycidylether, Hydantoinepoxidharze, Triglycidylisocyanurat, Triglycidyl-p-aminophenol, Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Tetraglycidyldiaminodiphenylether und Tetrakis(4-glycidoxy- phenyl)-ethan. Weitere Epoxide sind im «Handbook of Epoxy Resins» von Henry Lee und Kris Neville, McGraw-Hill Book Company, 1967, und in der Monographie von Henry Lee «Epoxy Resins», American Chemical Society, 1970, beschrieben.

[0015] Als Polyisocyanate sind relativ niedrigviskose aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Isocyanate sowie deren Mischungen besonders geeignet. Bevorzugt werden Isomerengemische aus 4.4'- und 2.4'-Diphenytmethandiisocyanat, polyolmodifizierte Polyisocyanate und Gemische von flüssigen Polyisocyanaten mit höhermolekularen Polyisocyanaten oder Carbodiimid-Polyisocyanaten eingesetzt. Weitere verwendbare Polyisocyanate sind beispielsweise Hexan-1.6-diisocyanat, Cyclohexan-1.3-diisocyanat und Isomere davon, 4.4'-Dicyclohexylmethandiisocyanat, 3-lsocyanatome- thyl-3.5.5-trimethylcyclohexylisocyanat, 1.3-Di- methylbenzot-ω.ω-diisocyanat und Isomere, 1-Methylbenzol-2.4-diisocyanat und Isomere, Naphthalin-1.4-diisocyanat, Diphenylether-4.4'-diisocyanat und Isomere, Diphenylsulfon-4.4'-diisocyanat und Isomere sowie tri- oder höherfunktionelle Isocyanate, wie 3.3'-4..4'-Diphenylmethantetraisocyanat. Ferner können auch Isocyanate verwendet werden, die in üblicher Weise mit Phenol oder Kresol maskiert sind. Dimere und Trimere der genannten mehrwertigen Isocyanate sind ebenfalls einsetzbar. Derartige Polyisocyanate besitzen endständige freie Isocyanatgruppen und enthalten einen oder mehrere Uretdion- und/oder Isocyanuratringe. Verfahren zur Herstellung verschiedener Arten solcher Trimerer und Uretdione sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 494 888, 3 108 100 und 2 977 370 beschrieben.

[0016] Die beim erfindungsgemässen Verfahren eingesetzten EP/IC-Harze können auch weitere Komponenten, wie Füllstoffe, enthalten, die im allgemeinen jedoch nicht an den chemischen Reaktionen, die zum OX/ICR-Formstoff führen, beteiligt sind. Als Füllstoffe eignen sich insbesondere mineralische und faserförmige Füllstoffe, wie Quarzmehl, Quarzgut, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidtrihydrat, Glaspulver, Glimmer, Kaolin, Dolomit, Graphit und Russ sowie Kohlefasern, Glasfasern und Textilfasern. Farbstoffe, Stabilisatoren und Haftvermittler sowie andere Additive üblicher Art können den EP/IC-Harzen ebenfalls zugesetzt werden.

[0017] Beim erfindungsgemässen Verfahren spielt der bei der Vernetzung die OX- und ICR-Ringbildung fördernde Katalysator eine bedeutende Rolle; es wird hierbei nämlich ein bei Verarbeitungsbedingungen latenter Reaktionsbeschleuniger verwendet. Unter einem derartigen Reaktionsbeschleuniger wird ein Katalysator verstanden, der bei der Imprägnierung bzw. beim Verguss der Wicklungen eine ausreichende Gebrauchsdauer der EP/IC-Harze gewährleistet und bei der anschliessenden Vernetzung (Härtung) der EP/IC-Harze hochreaktiv reagiert. Als derartige latente Reaktionsbeschleuniger eignen sich insbesondere Bortrihalogenid-Aminkomplexe, wie die in der DE-PS 2 655 367 beschriebenen Additionskomplexe von Bortrichlorid und tertiären Aminen der Formel BCl₃· NR¹R²R³, in der R¹, R² und R³ gleiche oder verschiedene organische, d.h. aliphatische, aromatische, heterocyclische oder arylaliphatische Reste sind, die - gemeinsam oder paarweise - auch heterocyclischen Ringen angehören können. Ebenfalls geeignet sind die analogen Komplexe des Bortrifluorids der Formel BF₃ NR¹R²R³. Spezielle Beispiele für geeignete tertiäre Amine der BF₃- bzw. BC1₃-Komplexe sind Dimethyloctylamin und Dimethylbenzylamin; auch Morpholinverbindungen und Imidazole, wie n-Methylmorpholin, N-Ethylmorpholin, 1.2-Dimethylimidazol und 1-Benzyl-2-phenylimidazol, sind zur Bildung von BC1₃- bzw. BF₃-Komplexen geeignet.

[0018] Als latente Reaktionsbeschleuniger können beim erfindungsgemässen Verfahren auch Amine verwendet werden, wenn sie durch Zugabe von organischen Elektronenakzeptoren, die bei der Herstellung von EDA-Komplexen üblich sind, wie 1.2-Dinitrobenzol oder 7.7.8.8-Tetracyano-1.4-chinodimethan (TCNQ), desaktiviert sind. Auch nicht komplexierte Amine können verwendet werden, wenn sie einen genügenden Verarbeitungsspielraum ergeben, wie dies beispielsweise bei 1-Cyanoethyl-2-phenylimidazol, 1-Cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazol und N-Cyanoethylmorpholin der Fall ist. Ferner sind bei diesem Verfahren Oniumsalze, beispielsweise Tetraalkyl- und Tetraarylammoniumtetraphenylborate und -phosphoniumtetraphenylborate, geeignet.

[0019] Der latente Reaktionsbeschleuniger wird vorteilhaft in Anteilen von 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,25 bis 2,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Masse der Harzmatrix, verwendet. Durch die Art und Konzentration des Reaktionsbeschleunigers kann in an sich bekannter Weise die Härtungstemperatur und -dauer beeinflusst werden. Der Reaktionsbeschleuniger kann, wie die anderen Zusatzstoffe auch, dem EP/IC-Harz vor der chemischen Trocknung zugegeben werden. Es kann aber auch in der Weise vorgegangen werden, dass der Reaktionsbeschleuniger dem EP/IC-Harz nach der Trocknung, d.h. unmittelbar vor der Imprägnierung bzw. dem Verguss der Wicklung, zugesetzt wird, vorzugsweise gelöst in einer der EP/IC-Harzkomponenten.

[0020] Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren zu imprägnierenden bzw. zu vergiessenden elektrischen Wicklungen können beispielsweise aus folien-oder bandförmig isolierten Leitern oder isolierend beschichteten Leitern hergestellt sein. Diese Wicklungen können ferner mit Faserwerkstoffen, beispielsweise in Form von Geweben, Vliesen oder Rowings, mechanisch verstärkt oder gestützt sein.

[0021] Anhand von Ausführungsbeispielen wird das erfindungsgemässe Verfahren noch näher erläutert.

[0022] Die verschiedenen Komponenten der in den Beispielen verwendeten EP/IC-Harze bzw. die Zusammensetzungen der Harze ist in der Tabellen 1 und 2 angegeben. Im allgemeinen wurden käufliche Produkte eingesetzt; der Reaktionsbeschleuniger RB 1 wurde selbst hergestellt. Alle Reaktionsbeschleuniger wurden durch Umkristallisation gereinigt, da die latenten Eigenschaften der Reaktionsbeschleuniger stark vom Reinheitsgrad abhängen.

Beispiel 1

[0023] Aus vier Spulen bestehende Modelloberspannungswicklungen für Trockentransformatoren, nachfolgend Transformetten genannt, wurden aus mit Polyimidfolie (Dicke: 25 11m, Breite: 56 mm) als Lagenisolation versehenen Aluminiumleitern (0,1 mm dick, 50 mm breit) hergestellt und in Giessformen eingebaut. Die mit den EP/IC-Harzen zu vergiessenden Zwischenräume betrugen zwischen den Spulen sowie zwischen den Spulen und der Giessformwand 6 bis 8 mm und am Eingusskanai 12 bis 15 mm. Die Transformetten wurden mit den elektrischen Anschlüssen für die Wicklungsheizung versehen und in den Giesskessel gestellt, dann wurde der Druck im Giesskessel auf 0,1 mbar vermindert und eine Giessraumtemperaturvon 70 °C eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurden die Transformetten 1 bis 2 Stunden getrocknet und entgast, wobei die Trocknung der Wicklungen teilweise durch Stromwärme im Leiter unterstützt wurde. Nach beendeter Trocknung wurde die Wicklungsheizung abgestellt.

[0024] Die Aufbereitung des EP/IC-Harzes, in Mengen von 25 bis 100 kg, erfolgte in einem oberhalb des Giesskessels angebrachten Mischaggregat; verwendet wurde das EP/IC-Harz A. Das Polyepoxid, das Polyisocyanat, die Füllstoffe und gegebenenfalls Additive, wie Haftvermittler oder Farbstoffe, wurden nacheinander in das auf 80 ° C vorgeheizte Mischaggregat eingefüllt und unter Rühren bei vermindertem Druck (0,1 mbar) 1 Stunde getrocknet und entgast. Anschliessend wurde die Temperatur auf 50°C gesenkt, der Reaktionsbeschleuniger zugesetzt und das EP/IC-Harz weitere 2 Stunden bis zum Verguss der Transformetten unter Rühren bei vermindertem Druck entgast.

[0025] Der Verguss der Transformetten erfolgte bei einem Druck von 0,06 bis 0,1 mbar innerhalb von 15 min. Anschliessend wurde der verminderte Druck aufgehoben und mit trockenem Stickstoff im Giesskessel ein Überdruck von 3 bar erzeugt . Unmittelbar danach wurde die Vernetzungsreaktion des EP/IC-Harzes durch Gleichstromheizung der in Serie geschalteten Wicklungen eingeleitet.

[0026] Die auf die Reaktionswärme bei der EP/IC-Harzvernetzung abgestimmte Heizstromsteuerung erfolgte über einen Rechner, dem laufend die mittlere Wicklungstemperatur eingespeist wurde. Vorgegeben wurde dabei eine mittlere Wicklungstemperatur von 130 °C mit einer Einstellzeit von 10 Minuten und einer Laufzeit von 60 Minuten.

[0027] In Fig. 1 ist der Temperaturverlauf bei der Vernetzung von EP/IC-harzen in Modellspulen (mittels rechnergesteuerter Wicklungsheizung) beispielhaft dargestellt; Kurve 10 gibt dabei den Temperaturverlauf an der Wicklung wieder und Kurve 11 den Temperaturverlauf in den Aussenzonen, d.h. in der Nähe der Giessform (Umgebungstemperatur: 60 bis 70°C).

[0028] Nach Abschalten der Wicklungsheizung wurde der Überdruck im Giesskessel aufgehoben, dann wurden die Transformetten entformt und bei 180 bis 200°C im Temperhofen 6 bis 8 Stunden nachgehärtet. Die nachgehärteten Transformetten wurden auf ihre elektrischen Eigenschaften und Temperaturwechselbeständigkeit geprüft. Danach wurden aus den Transformetten Teilstücke herausgeschnitten oder herausgeschlagen und auf Gas- und Schrumpflunker untersucht. Die Prüfwerte bzw. die Untersuchungsergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Beispiel 2 (Vergleichsversuch)

[0029] Verwendet wurde das EP/IC-Harz A. Die Vorbehandlung der Transformetten sowie die Aufbereitung und der Verguss des EP/IC-Harzes erfolgten analog Beispiel 1. Entsprechend dem bislang praxisüblichen Vorgehen wurden die eingegossenen Transformetten jedoch im Umluftofen geliert, entformt und nachgehärtet. Die Temperatur im Umluftofen wurde auf 130°C eingestellt; die Nachhärtung der nach 3 Stunden entformten Transformetten erfolgte für die Dauer von 5 Stunden bei 150°C und danach für 8 Stunden bei 180°C.

[0030] In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf im EP/IC-Harz bei der Vernetzung in unmittelbarer Nähe der Giessform (Kurve 20) und in unmittelbarer Nähe der Wicklung (Kurve 21) sowie für die Ofentemperatur (Kurve 22) dargestellt. Während der ersten 30 Minuten liegt die Kurve 20 (Giessformtemperatur) deutlich höher als die Kurve 21 (Wicklungstemperatur). Die Giessformtemperatur überläuft dann die Ofentemperatur (Kurve 22) und erreicht eine Höhe von ca. 140°C; durch die Wärmeabstrahlung erhöht sich die Ofentemperatur ebenfalls, und zwar auf ca. 135°C. Nach ca. 1 Stunde überläuft die Wicklungstemperatur (Kurve 21) nacheinander die Giessform- und die Ofentemperatur und steigt auf ca. 140°C an.

[0031] Unter den geschilderten Bedingungen ist es verständlich, dass in den OX/ICR-Formstoffen der gehärteten Transfometten hohe innere Spannungen vorliegen und die Transformetten schon beim Abkühlen auf Raumtemperatur Risse bekommen. Die Transformetten zeigen ausserdem, insbesondere am Eingusskanal, einen deutlichen Schwund. Die aus den Transformetten herausgeschnittenen Teilstücke zeigen ferner vielfach Lunker, so dass sie für elektrische Prüfungen nicht mehr verwendbar sind. Eine Senkung der Ofentemperatur von 130°C auf 110°C oder eine Verringerung des Gehaltes an Reaktionsbeschleunigervon 1,5% auf 1 % sowie der Austausch des Reaktionsbeschleunigers RB 1 durch den reaktionsträgeren Beschleuniger RB II (1-Cyanoethyl-2-phenylimidazol) ergibt ebenfalls unbrauchbare Transformetten.

Beispiel 3 (Vergleichsversuch)

[0032] Es wurden die Versuche entsprechend Beipiel 2 wiederholt, die Vernetzung der EP/IC-Harze im Temperofen wurde jedoch nach Beaufschlagung mit einem Überdruck von 3 bar bis zur Entformung durchgeführt. Die nachgehärteten Transformetten zeigen hier zwar beim Abkühlen auf Raumtemperatur eine geringere Spannungsrissanfälligkeit, doch es treten dann meistens bei derTemperaturwechselbeanspruchung Risse auf. Ferner zeigen die herausgeschnittenen Teilstücke im OX/ICR-Formstoff, insbesondere in der Nähe der Wicklung, häufig kleine Lunker, so dass auch diese Transformetten nur teilweise elektrisch geprüft werden konnten.

Beispiele 4 und 5

[0033] Verwendet wurde das EP/IC-Harz B bzw. C. Die Vorbehandlung der Transformetten und die Aufbereitung der EP/IC-Harze erfolgten analog Beispiel 1. Wegen der erhöhten Viskosität der EP/IC-Harze, bedingt durch die Verwendung von Quarzgut als Füllstoff, wurde die Temperatur im Mischaggregat vor Zugabe des Reaktionsbeschleunigers von 80°C nur auf 60 bis 65°C gesenkt; dies war aufgrund der hervorragenden latenten Eigenschaften des Beschleunigers RB I bis 70°C auch möglich (siehe dazu Fig. 3, in welcher der Viskositätsanstieg als Funktion der Temperatur dargestellt ist). Für die Steuerung des Heizstromes in der Wicklung wurde ein gegenüber Beispiel 1 folgendermassen geändertes Programm vorgegeben: Wicklungstemperatur 110°C, Einstellzeit 10 min, Laufzeit 30 min, und anschliessend Wicklungstemperatur 140°C, Einstellzeit 10 min, Laufzeit 30 min. Die Prüfergebnisse an den Transformetten enthält Tabelle 3.

Beispiele 6 und 7

[0034] Verwendet wurden die EP/IC-Harze D und E. Die Vorbehandlung der Transformetten erfolgte analog Beispiel 1, jedoch wurde die Temperatur im Giesskessel vor dem Verguss von 70°C auf 50°C gesenkt. Die Aufbereitung des EP/IC-Harzes (Komponente a) erfolgte analog Beispiel 1, aber ohne Zugabe des Reaktionsbeschleunigers. Der Reaktionsbeschleuniger wurde bei Raumtemperatur in einem zweiten kleinen Mischaggregat in Polyisocyanat gelöst (Komponente b). Diese Vorgehensweise wurde gewählt, weil der hierbei verwendete Reaktionsbeschleuniger RB 11 keine so ausgeprägten latenten Eigenschaften wie der Beschleuniger RB I besitzt. Der Verguss der Wicklungen erfolgte unter vermindertem Druck, wobei die Komponenten a und b über ein statisches Mischrohr vereinigt und dosiert wurden. Die Vernetzung und Nachhärtung der EP/IC-Harze erfolgte analog Beispiel 1. Die Prüfwerte der Transformetten sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Beispiel 8

[0035] Verwendet wurde das EP/IC-Harz F. Der Aufbau der Transformetten (entsprechend Beispiel 1) wurde dahingehend geändert, dass die vier Spulen als Lagenisolation Folien aus aromatischem Polyamid enthielten, die Spulen durch Glasgewebebänder mechanisch verstärkt waren und der Abstand zwischen den Spulen und der Giessformwand auf 2 mm reduziert wurde. Die Trocknung und Entgasung der Transformetten erfolgte analog Beispiel 1. Die Aufbereitung, Trocknung und Entgasung des EP/IC-Harzes im Mischaggregat erfolgte 3 Stunden lang unter Rühren und vermindertem Druck (0,1 mbar) bei 60°C, wobei der Reaktionsbeschleuniger nach einer Stunde zugegeben wurde. Der Verguss und die Vernetzung der EP/IC-Harze erfolgte analog Beispiel 1. Für die Steuerung des Heizstromes in der Wicklung wurde folgendes Programm vorgegeben: Wicklungstemperatur 100°C, Einstellzeit 10 min, Laufzeit 30 min, anschliessend Wicklungstemperatur 130°C, Einstellzeit 15 min, Laufzeit 30 min, und dann Wicklungstemperatur 150°C, Einstellzeit 15 min, Laufzeit 30 min.

Ansprüche

1. Verfahren zum Imprägnieren und Einbetten von elektrischen Wicklungen, insbesondere Spulen von Transformatoren, unter vermindertem Druck mittels Imprägnier- bzw. Giessharzen auf der Basis von Polyepoxid-Polyisocyanat-Gemischen (EP/IC-Harze) in Gegenwart eines latenten Reaktionsbeschleunigers, dadurch gekennzeichnet, dass

die EP/IC-Harze, gegebenenfalls einschliesslich Zusatzstoffe, unter vermindertem Druck und unter Rühren bei Temperaturen bis zu 110°C getrocknet werden,

die elektrischen Wicklungen getrocknet und mit den getrockneten EP/IC-Harzen unter vermindertem Druck bei Temperaturen bis zu 110°C imprägniert bzw. vergossen werden,

der verminderte Druck aufgehoben wird und eine Beaufschlagung mit Überdruck erfolgt, und

über durch Stromwärme im Leiter in der elektrischen Wicklung erzeugte Temperatur die Vernetzungsreaktion der EP/IC-Harze eingeleitet und - in Abhängigkeit von der Reaktionswärme - bis zur Entformung oder Nachhärtung der imprägnierten bzw. vergossenen Wicklungen gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EP/IC-Harze bei 50 bis 80°C getrocknet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Wicklungen bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 80°C mit dem EP/IC-Harz imprägniert bzw. vergossen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruck von 1 bis 3 bar angewendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzungsreaktion der EP/IC-Harze mittels einer im Leiter erzeugten Temperatur von 60 bis 140°C eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Wicklungen - vor dem Imprägnieren bzw. Vergiessen - bei Temperaturen bis 80°C unter vermindertem Druck getrocknet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Wicklungen durch Stromwärme im Leiter getrocknet werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als latente Reaktionsbeschleuniger Additionskomplexe von Bortrihalogeniden mit tertiären Aminen oder Imidazolen, Oniumsalze oder mit organischen Elektronenakzeptoren desaktivierte Amine eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als latente Reaktionsbeschleuniger N-Cyanoethylmorpholin oder substituierte 1-Cyanoethylimidazole eingesetzt werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des latenten Reaktionsbeschleunigers im EP/IC-Harz 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,25 bis 2,5 Gew.-%, beträgt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachhärtung bei Temperaturen bis zu 200⁰C durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass den EP/IC-Harzen mineralische und/oder faserförmige Füllstoffe zugesetzt werden.

Claims

1. A method of impregnating and enveloping electrical coils, particularly but not exclusively transformer coils, under reduced pressure using impregnating and casting resins having a basis of poly- epoxy-polyisocyanate mixtures (EP/IC-resins) in the presence of a latent reaction accelerator, characterised in

that the EP/IC resins, if desired, including added materials, are dried under reduced pressure and agitation at temperatures of up to 110°C;

that the electrical coils are dried and impregnated or cast using the dried EP/IC resins under reduced pressure at temperatures of up to 110°C;

that the reduced pressure is cancelled and an excess pressure is established; and

that the cross-linking reaction of the EP/IC-resins is initiated by heat produced by an electric current in the conductor in the electrical coil and, in dependence upon the heat of reaction, controlled until the release from the mould or subsequent hardening of the impregnated or cast coils.

2. A method as claimed in Claim 1, characterised in that the EP/IC-resins are dried at 50 to 80°C.

3. A method as claimed in Claim 1 or Claim 2, characterised in that the electrical coils are impregnated or cast using the EP/IC-resins at temperatures of from room temperature to 80°C.

4. A method as claimed in one of Claims 1 to 3, characterised in that an excess pressure of 1 to 3 bar is used.

5. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 4, characterised in that the crosslinking reaction of the EP/tC-resins is initiated by a temperature of 60 to 140°C which is produced in the conductor.

6. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 5, characterised in that, prior to the impregnating or casting, the electrical coils are dried at temperatures of up to 80°C under reduced pressure.

7. A methof as claimed in Claims 6, characterised in that the electrical coils are dried by heat produced by an electric current in the conductor.

8. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 7, characterised in that addition complexes of boron trihalides with tertiary amines or imidazoles, onium salts or amines which are deactivated with organic electron acceptors, are used as latent reaction accelerators.

9. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 7, characterised in that N-cyanoethylmorpholine or substituted 1-cyanoethylimidazoles are used as latent reaction accelerators.

10. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 9, characterised in that the latent reaction accelerator content in the EP/IC-resin is from 0.01 to 5% by weight, preferably 0.25 to 2.5% by weight.

11. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 10, characterised in thatthe subsequent hardening is carried out at temperatures of up to 200°C.

12. A method as claimed in one or more of Claims 1 to 11, characterised in that mineral and/or fibrous fillers are added to the EP/IC-resins.

Revendications

1. Procédé pour imprégner et pour enrober des enroulements électriques, notamment des bobines de transformateurs, sous pression réduite, au moyen de résines d'imprégnation ou de scellement à base de mélanges de polyépoxydes et de polyisocyanates (résines EP/IC), en présence d'un accélérateur latent de réaction, caractérisé en ce qu'il consiste

à sécher les résines EP/IC, y comprids le cas échéant des additifs, sous pression réduite et sous agitation, à des températures allant jusqu'à 110°C,

à sécher les enroulements électriques et à les imprégner ou à les sceller, sous pression réduite, à des températures allant jusqu'à 110°C, à l'aide des résines EP/IC séchées,

à supprimer la pression réduite et à effectuer une alimentation en suppression, et

à amorcer, par la température produite, par effet Joule, dans le conducteur de l'enroulement électrique, la réaction de réticulation des résines EPIIC et à s'en rendre maître - en fonction de la chaleur de réaction - jusqu'au démoulage ou jusqu'au post-durcissement des enroulements imprégnés ou scellés.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à sécher les résines EP/IC entre 50 et 80°C.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à imprégner ou à sceller les enroulements électriques à l'aide de la résine EP/IC, à des températures allant de la température ambiante à 80°C.

4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une surpression de 1 à 3 bar.

5. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à amorcer la réaction de réticulation de la résine EP/IC au moyen d'une température de 60 à 140°C produite dans le conducteur.

6. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à sécher les enroulements électriques - avant l'imprégnation ou le scellement - à des températures allant jusqu'à 80°C et sous pression réduite.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à sécher les enroulements électriques par effet Joule dans le conducteur.

8. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en oeuvre, comme accélérateur latent de réaction, des complexes d'addition de trihalo- génures de bore avec des amines tertiares ou avec des imidazoles, des sels en onium ou des amines décactivées par des accepteurs d'électrons organiques.

9. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en oeuvre, comme accélérateur latent de réaction, la N-cyanoéthylmorpholine ou un 1-cyanoéthylimid- azole substitué.

10. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la teneur en l'accélérateur latent de réaction de la résine EP/IC est comprise entre 0,01 et 5% en poids et, de préférence, entre 0,25 et 2,5% en poids.

11. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer le post-durcissement à des températures allant jusqu'à 200°C.

12. Procédé suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter aux résines EP/IC des matières de charges minérales et/ou fibreuses.

Zeichnung