ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ИЗОЛЯЦИОННАЯ БУМАГА И ИЗОЛЯЦИОННАЯ ЛЕНТА ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ РОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ
ELECTRICALLY INSULATING MATERIAL, INSULATING PAPER AND INSULATING TAPE FOR HIGH-VOLTAGE ROTARY MACHINE

Изобретение относится к электроизоляционному материалу для высоковольтной ротационной машины, изоляционной бумаге, которая изготовлена из данного изоляционного материала, и изоляционной ленте, которая изготовлена из данной изоляционной бумаги. Электроизоляционный материал, изоляционная бумага и изоляционная лента пригодны для электрического изолирования в высоковольтной ротационной машине.
Для высоковольтной ротационной машины, как, например,турбогенератора на силовой станции для производства электрической энергии, требуются высокая отдача и высокий коэффициент использования. Этим обусловлена, как правило, высокая механическая, термическая и электрическая нагрузка на составные части турбогенератора. Турбогенератор включает в себя, в частности, обмотку статора, к которой предъявляются особенно высокие требования в отношении прочности и надежности. В частности, сильной термической, термомеханической, динамической и электромеханической рабочей нагрузке подвергается изолирующая система обмотки статора на границе между лобовой изоляцией и пакетом железа обмотки статора, из-за чего велик риск повреждения изолирующей системы обмотки статора неполными разрядами, которые постоянно происходят во время работы высоковольтной ротационной машины. Посредством изолирующей системы электрические проводники (провода, секции обмотки, стержни, элементарные проводники) с долговечным действием изолированы друг от друга и от пакета железа обмотки статора или окружения. В высоковольтном изолировании различают изолирование между элементарными проводниками (изолирование элементарных проводников), между проводниками или витками (изолирование проводников или витков) и между проводником и массовым потенциалом в пазовой и обмоточной головной части (лобовое изолирование). Безопасность работы высоковольтной ротационной машины в значительной степени обусловлена надежностью изолирующей системы.
Одна из проблем изолирующей системы состоит в том, что изолирующий материал изолирующей системы из-за высокой электрической нагрузки подвержен вызываемому неполными разрядами разрушению. При этом в изолирующем материале образуются «древовидные» каналы, которые могут привести к электрическому пробою изолирующего материала. Как известно, добавлением слюды, например в виде слюдяной бумаги, к изолирующему материалу целенаправленно предотвращают распространение в нем «древовидных» каналов. При изготовлении слюдяной бумаги используются частицы слюды с аспектным отношением, равным по меньшей мере 50, т.е. отношение длины к ширине на одной стороне и толщине частицы слюды на другой стороне составляет по меньшей мере 50. В результате этого частицы слюды имеют большую площадь поверхности, причем они ориентированы относительно друг друга. Благодаря этому слюдяная бумага легко сгибается и выдерживает механические нагрузки. Обусловлено это зависящими от величины контактных площадей соседних частиц слюды силами сцепления, являющимися следствием взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса или связей водородными мостиками между поверхностями частиц слюды. Поэтому слюдяная бумага является гибкой и может, следовательно, обматываться вокруг электрического проводника. Кроме того, слюдяная бумага может пропитываться реактивной смолой и при этом являться хорошим барьером для «древовидных» каналов.
Частицы слюды подвержены действию неполных разрядов, поэтому желательно, чтобы они обладали высокой устойчивостью к ним, которая обусловлена органической структурой частиц слюды. Для увеличения механической прочности слюдяная бумага наносится на носитель из стеклянной или полиэфирной ткани, в результате чего образуется слоистый материал. Он изготовляется таким образом, что слюдяная бумага пропитывается и отверждается жидким и реактивным полимером. Слюдяная бумага в форме полосы представляет собой слюдяную ленту.
Известным является изготовление ленты для защиты от тлеющих разрядов в виде, например, ткани со слюдяной лентой, причем слюдяная лента посредством клея закреплена на ткани. Изоляционная система имеет ленту для защиты от тлеющих разрядов, посредством которой можно электрически изолировать электрические проводники в высоковольтной ротационной машине. Теплопроводность обычно пропитанной эпоксидной смолой слюдяной ленты со стеклотканью или полиэфирной тканью в качестве материала-носителя составляет при комнатной температуре примерно от 0,2 до 0,25 Вт/мК. По причине этой, оцениваемой как небольшая, теплопроводности ленты для защиты от тлеющих разрядов возможна лишь слабая отдача статору тепла, образующегося в проводнике работающей высоковольтной ротационной машины. Поэтому во время работы высоковольтной ротационной машины у ленты для защиты от тлеющих разрядов скапливается тепло. По этой причине, как правило, статоры больших генераторов охлаждаются, например, водородом или водой. Выходом из данной ситуации могло бы быть уменьшение толщины ленты для защиты от тлеющих разрядов, что привело бы к повышению эффективности и электрического коэффициента полезного действия высоковольтной ротационной машины.
Для еще большего увеличения теплопроводности ленты для защиты от тлеющих разрядов, как известно, в ней предусмотрены, кроме того, теплопроводные частицы, как, например, нитрид брома или алмаз. Поскольку эти материалы из-за их размеров и физических свойств практически не оказывают положительного влияния на электрическую прочность изолирующей системы, необходимо все-таки обогащение ленты для защиты от тлеющих разрядов слюдой. Доли дополнительных частиц и слюды в изолирующей системе необходимо устанавливать так, чтобы доля слюды была настолько высокой, чтобы теплопроводность ленты для защиты от тлеющих разрядов была достаточно высокой, а доля дополнительных частиц была настолько малой, чтобы после их дополнения электрическая прочность ленты для защиты от тлеющих разрядов была достаточно высокой. Обычная лента для защиты от тлеющих разрядов с дополнительными частицами нитрида бора обеспечивает максимальную теплопроводность 0,5 Вт/мК при комнатной температуре. При этом проявляется недостаток, заключающийся в том, что толщина слоя ленты для защиты от тлеющих разрядов велика, а частицы нитрида бора поперек ленты для защиты от тлеющих разрядов имеют меньшую теплопроводность, чем вдоль ленты для защиты от тлеющих разрядов. Как следствие этого, теплопроводность ленты для защиты от тлеющих разрядов анизотропна, что является недостатком, поэтому использование этой ленты для защиты от тлеющих разрядов ограничено.
Задачей изобретения является создание электрического изолирующего материла для высоковольтной ротационной машины, изолирующей бумаги, которая изготовлена из данного изолирующего материала, и изолирующей ленты, которая изготовлена из данной изолирующей бумаги, посредством которых обеспечивается эффективно электрическая изоляция высоковольтной ротационной машины.
Соответствующий изобретению электроизоляционный материал для высоковольтной ротационной машины состоит из базовой смолы и распределенного в базовой смоле в качестве единственного наполнителя порошка-наполнителя, который образован пластинчатыми частицами из оксида алюминия. Предпочтительно объемная доля порошка-наполнителя составляет от 50 до 75%, причем более предпочтительна объемная доля порошка-наполнителя около 70%. Кроме того, предпочтительно, что порошок-наполнитель представлен частицами с размерами в диапазоне от 0,002 мкм до 150 мкм. При этом порошок-наполнитель предпочтительно имеет мономодальное, бимодальное или мультимодальное распределение.
Соответствующая изобретению изоляционная бумага для высоковольтной ротационной машины содержит электроизоляционный материал. Соответствующая изобретению изоляционная лента для высоковольтной ротационной машины включает в себя ленту-носитель и ленту из изоляционной бумаги, причем лента из изоляционной бумаги находится на ленте-носителе и закреплена на ней. Предпочтительно, лента из изоляционной бумаги наклеена на ленте-носителе.
Единственный наполнитель в базовой смоле образован пластинчатыми частицами оксида алюминия, благодаря которым из-за их особой формы электрическая прочность изоляционного материала является высокой. Кроме того, благодаря включению лишь пластинчатых частиц оксида алюминия высокой является теплопроводность изоляционного материала, так как собственная проводимость оксида алюминия составляет от 25 до 40 Вт/мК, в то время как данный показатель для обычной слюды составляет 1 Вт/мК. За счет предусмотренного в изобретении включения пластинчатых частиц оксида алюминия в изоляционный материал возможно согласно предлагаемому изобретению отказаться от обычной добавки слюды в материал. Кроме того, из изоляционного материала может быть изготовлена изоляционная бумага, из которой согласно изобретению можно изготовить изоляционную ленту, которая преимущественно может использоваться в высоковольтной ротационной машине для электрической изоляции. Объемная доля пластинчатых частиц оксида алюминия в базовой смоле достигает предпочтительно 70% и при этом не ухудшаются механические и электрические свойства изоляционного материала. Чем выше степень объемного наполнения базовой смолы пластинчатыми частицами оксида алюминия, тем выше достигаемая теплопроводность изоляционного материала. При степени объемного наполнения базовой смолы пластинчатыми частицами оксида алюминия, равной 50% изоляционный материал имеет тепловую проводимость 0,8 Вт/мК.
Кроме того, благодаря плоскому выполнению пластинчатых частиц оксида алюминия в базовой смоле можно легко придать плоскую форму изоляционной ленте с изоляционной бумагой, которая изготовлена из изоляционного материала. Благодаря этому возможно преимущественно обматывать проводники высоковольтной ротационной машины изоляционной лентой, причем изоляционная лента, кроме того, может подвергаться пропитке, в частности сквозной пропитке. Кроме того, изоляционный материал очень устойчив к образованию «древовидных» каналов, за счет чего преимущественно допускаются большие степени объемного наполнения базовой смолы пластинчатыми частицами оксида алюминия. Благодаря этому изоляционный материал имеет высокую теплопроводность. Благодаря неорганической структуре пластинчатых частиц оксида алюминия в базовой смоле изоляционный материал имеет высокую термостойкость
Далее изобретение рассматривается подробнее на основе примера.
Электрический изоляционный материал для высоковольтной ротационной машины образован базовой смолой. В качестве единственного наполнителя в базовой смоле предусмотрен порошок-наполнитель, который по возможности равномерно распределен в базовой смоле. Другого наполнителя в форме частиц в базовой смоле не предусмотрено. Наполнитель является порошком-наполнителем, который состоит из пластинчатых частиц оксида алюминия.
Объемная доля порошка-наполнителя в базовой смоле составляет от 50% до 75%, предпочтительно около 70%. Порошок-наполнитель состоит из частиц размером от 0,002 мкм до 150 мкм. Кроме того, порошок-наполнитель имеет мономодальное, бимодальное или мультимодальное распределение (частиц по размеру).
Изоляционная бумага для высоковольтной ротационной машины изготовлена с электроизоляционным материалом. Кроме того, с изоляционной бумагой изготовлена изоляционная лента для высоковольтной ротационной машины. Изоляционная лента состоит из ленты-носителя и ленты изоляционной бумаги. Лента изоляционной бумаги размещена и закреплена на ленте-носителе, причем лента изоляционной бумаги приклеена на ленте-носителе.