СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТИВОКОРОННОЙ ЗАЩИТЫ, БЫСТРООТВЕРЖДАЕМАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ КОРОННОГО РАЗРЯДА, И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
CORONA SHIELDING METHOD, FAST-SETTING CORONA DISCHARGE PROTECTION SYSTEM AND ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к способу получения противокоронной защиты, быстроотверждаемой системе защиты от коронного разряда и к электрической машине.
Противокоронная защита используется во многих вариантах применения электрических устройств, в частности для генераторов, как описано в патентном документе ЕР 1 995 850 В1.
Во избежание частичных разрядов, основная изоляция стержней обмотки генератора при рабочих напряжениях на уровне нескольких киловольт должна быть защищена внутренним и наружным проводящим слоем от полостей и отслоений. Величины напряженности электрических полей в основной изоляции сокращаются, начиная от внутреннего экрана 10 распределения потенциалов (Фиг. 1) (IPS) в радиальном направлении до наружного экрана 13 для защиты от коронного разряда (Фиг. 1) (AGS). На оконечности стержня обмотки генератора, в области места выхода стержня обмотки из пакета стальных листов статора, AGS оканчивается, тогда как основная изоляция продолжается по направлению к оконечности стержня. Это расположение представляет собой типичную конфигурацию подвижного рабочего узла с предельно низким напряжением порога частичного разряда. Электрическое поле в этой области, наряду с радиальным компонентом, имеет также высокий нелинейный тангенциальный компонент параллельно поверхности изоляционного материала/граничной поверхности. Наибольшие напряженности поля возникают на конце/на кромке AGS. Поэтому необходимо позаботиться о регулировании поля на кромке наружной противокоронной защиты и повышении прочности в окружении открытой основной изоляции. Обычно это достигается созданием концевой противокоронной защиты 16 (Фиг. 1). Для подавления скользящих разрядов обычно применяются резистивные экраны распределения потенциалов из полупроводящих лаков или лент, преимущественно на основе карбида кремния или других электрически полупроводящих наполнителей.
Назначение экрана распределения потенциалов состоит в том, чтобы выравнивать и в идеальном случае сделать линейным тангенциальное снижение потенциала вдоль поверхности изоляционного материала. Это достигается, когда величина напряжения в расчете на единицу длины все время равномерно снижается. Для этого создается зависящее от местоположения и зависящее от напряжения погонное сопротивление.
При этом продолжительность обработки до момента, чтобы в достаточной мере произошло отверждение и затвердевание промышленных материалов, в частности лаков, но также лент, является очень длительной, поскольку на протяжении многочисленных рабочих смен должны быть нанесены многочисленные слои лака, и между нанесениями должен быть выдержан известный интервал времени, чтобы можно было опять укладывать следующий слой.
В настоящее время концевая противокоронная защита выполняется либо посредством одно- или многослойных обматываний электрически полупроводящими лентами, либо нанесением одного или многих слоев электрически полупроводящего лака.
Полупроводящие ленты обычно состоят из электрически непроводящего материала носителя (например, сложнополиэфирного нетканого материала, сложнополиэфирной ткани, или ткани из стекловолокна), и термореактивной смолы (например, эпоксидированных фенольных новолаков, зачастую с дициандиамином для ускорения отверждения) в стадии предварительного реагирования (В-стадии). Для полного отверждения ленты этого типа должны быть выдержаны до затвердевания в течение 2 часов при температуре около 165°С, или до 12 часов при температуре только 120°С. В качестве наполнителя сейчас обычно используется карбид кремния, причем достигаемое электрическое сопротивление ленты определяется средним размером зерен.
Полупроводящие лаки, как правило, представляют собой системы на основе растворителей, такие как фенольные смолы, с полупроводящими или функционализированными для создания полупроводящих свойств наполнителями.
При этом для достижения пригодности к последующему нанесению покрытия при комнатной температуре требуется время в течение многих часов (до 4 и более). Поскольку часто нужно наносить до пяти последовательно наслоенных друг на друга покрытий, речь идет о занимающем длительное время процессе.
Большая продолжительность высыхания обусловливается необходимым высоким содержанием растворителя (до около 30%). Однако это должно быть исключено по соображениям защиты окружающей среды и охраны труда. Здесь также существует опасность создания скрытых дефектов. В дополнение, современные системы ограничены низкими классами термической устойчивости.
На рынке предлагаются готовые смешанные лаки только для определенного диапазона термической устойчивости. Но требуются дополнительные диапазоны термической устойчивости, материалы для которых изготавливаются специальным смешением вручную. Однако эти смеси имеют определенные недостатки, такие как осаждение/расслоение наполнителей, опасность неправильного смешения, плохие технологические характеристики (например, пригодность к намазыванию).
При этом до сих пор едва ли имелись удовлетворительные композиции для ускорения переработки посредством явного сокращения продолжительностей отверждения. Продолжительности отверждения представляют собой самую медленную стадию на этом этапе приготовления, и тем самым являются скорость определяющими для технологического процесса.
Поэтому задача изобретения состоит в разрешении этой проблемы.
Задача решена с помощью противокоронной защиты согласно Пункту 1 патентной формулы, способа согласно Пункту 18 патентной формулы, и электрической машины согласно Пункту 35 патентной формулы.
В конкретных зависимых пунктах патентной формулы перечислены дополнительные предпочтительные варианты исполнения, которые могут быть любым образом скомбинированы между собой для достижения дополнительных преимуществ.
Как показано:
Фиг. 1 представляет оконечность стержня обмотки генератора (согласно прототипу).
Фиг. 2 схематически представляет принцип действий при нанесении противокоронной защиты.
Фиг. 4 - 6 представляют различные примеры осуществления изобретения.
Фиг. 7 представляет генератор.
Фигуры и описание представляют только примеры осуществления изобретения.
Фиг. 1 показывает оконечность стержня обмотки генератора. Такая оконечность имеет электрический проводник 7, вокруг которого имеется внутренний экран 10 распределения потенциалов (IPS). Вокруг него находится наружный экран 13 для защиты от коронного разряда (AGS), на конце которого присоединен концевой экран 16 для защиты от коронного разряда (EGS). Кодовым номером 4 позиции обозначен пакет стальных листов статора, в котором размещен проводник 7.
По обстоятельствам, на оконечности предусматривается заземление 19.
В отношении противокоронной защиты изобретение состоит в химических композициях, которые служат в качестве лаков или в качестве матричных материалов в ленточных системах.
Эта противокоронная защита может быть использована в качестве концевого экрана 16 для защиты от коронного разряда во вращающихся электрических машинах (генераторах, двигателях,...), кабельных концевых муфтах, или в других системах, в которых требуется контролируемо создаваемое по конструктивным соображениям снижение потенциала.
Противокоронная защита предпочтительно имеет наполнитель, который состоит из полупроводящего заполняющего материала, который делает систему пригодной для применения в качестве концевого экрана для защиты от коронного разряда.
Он предпочтительно представляет собой карбид кремния и/или графит.
При этом предпочтительно применяются уровни содержания наполнителя от 30% по весу до 90% по весу.
В отношении матричного материала для отверждаемого материала речь предпочтительно идет о мономере, сшивание которого предпочтительно достигается с помощью одного или многих инициаторов, которые выделяют реакционноспособные частицы, или же переходят в возбужденное состояние, которые(-ое) стимулируют(-ет) сшивание.
Активация таких инициаторов производится с помощью электромагнитного излучения, которое, например, может находиться в инфракрасной, рентгеновской, ультрафиолетовой и/или гамма-области спектрального диапазона.
В дополнение, могут быть применены вторичные ускорители, которые могут варьировать или усиливать возбуждение инициаторов в диапазоне длин волн.
В Фиг. 2 показана подложка 40, на которую в форме слоя 70 наносится такая отверждаемая смесь, которая затем используется для противокоронной защиты.
Под воздействием излучения, здесь представленного в виде волны, слой 70 отверждается и образует затвердевший слой 70'.
Сравнимый вариант изображен в Фиг. 3, в которой отверждение слоя 70 производится в результате повышения температуры (+Т).
Способы действий согласно Фиг. 2 и 3 могут сочетаться. Это может предпочтительно представлять однородную смесь материалов из Фиг. 2, 3 (не показано).
Фиг. 4 показывает один из подлежащих отверждению слоев 70 или отверждаемую противокоронную защиту, в которой в отверждаемой матрице присутствуют инициаторы 51, 52, 53,... различных типов. Инициаторы 51, 52, 53,... различных типов предпочтительно равномерно распределены в слое 70 или в противокоронной защите.
При облучении может быть использован широкий диапазон длин волн или многочисленные отдельные длины волн, которые могут проникать в слой 70 на разную его глубину «h». Так, наряду с инициаторами 51'', которые отдалены от облучаемой поверхности 60 на большее расстояние, и, по обстоятельствам, более не действуют или срабатывают в меньшей степени, чем находящиеся непосредственно на облучаемой поверхности 60, на нижнем участке вблизи дна 61 также присутствуют инициаторы типа 53'', где излучение с другой длиной волны (или в диапазоне длин волн) может глубже проникать до дна 61, и является особенно действенным для инициаторов 53''.
В Фиг. 5, в отличие от Фиг. 4, инициаторы 51, 52, 53 различных типов не распределены равномерно, а размещены избирательно по глубине «h» слоя 70. Инициаторы 51, 52, 53,... различных типов предпочтительно расположены сообразно своему действию в зависимости от длины волны. На верхнем участке вблизи облучаемой поверхности 60 расположены инициаторы типа 51, к которым может легко проникать излучение с данной длиной волны. На втором, или срединном, участке слоя 10 присутствуют инициаторы типа 52, до которых может достигать излучение другой, или, соответственно, второй длины волны (диапазона длин волн), проникающее до срединного участка слоя 70, и в нижней части слоя 70 имеются только инициаторы типа 53, к которым может проникать излучение дополнительной, или, соответственно, третьей длины волны, хорошо доходящее до дна 61.
Равным образом, вблизи дна 61 или в области, более отдаленной от облучаемой поверхности 60, может повышаться концентрация одного или многих инициаторов, чтобы компенсировать уменьшающуюся интенсивность облучения (концентрационный градиент (не показан)).
Фиг. 6 показывает дополнительный пример осуществления изобретения. Здесь в слое 70 по высоте «h» также избирательно размещены инициаторы 51, 54 различных типов, будучи здесь предпочтительно распределенными на двух участках слоя 70. Однако инициаторы типа 51 реагируют на электромагнитное излучение, и в более глубокой области слоя 70, куда излучение может проникать хуже, присутствуют инициаторы 54, которые реагируют на теплоту (неоднородная комбинация Фиг. 2, 3).
Предпочтительной является возможность постепенного изменения концентрации инициаторов различных типов.
Нагревание нижних участков слоя может быть легко осуществимым, в отличие от проникновения электромагнитного излучения в глубинные области массивного материала, так как в массивном материале всегда происходит поглощение электромагнитного излучения.
Противокоронная защита имеет наполнитель (Фиг. 2-6), который состоит из полупроводящего заполняющего материала, который делает систему пригодной для применения в качестве концевого экрана для защиты от коронного разряда.
В отношении матричного материала для отверждаемого материала речь идет о мономере, сшивание которого предпочтительно достигается с помощью одного или многих инициаторов, которые выделяют реакционноспособные частицы, или же переходят в возбужденное состояние, которые(-ое) стимулируют(-ет) сшивание.
Активация таких инициаторов производится с помощью электромагнитного излучения, которое, например, может находиться в инфракрасной, рентгеновской, ультрафиолетовой и/или гамма-области спектрального диапазона.
В дополнение, могут быть применены вторичные ускорители, которые могут варьировать или усиливать возбуждение инициаторов в диапазоне длин волн.
При инициировании с помощью ультрафиолетового излучения активация может быть проведена, например, согласно свободнорадикальному или катионному механизму сшивания. Активация таких инициаторов ограничивается соответственно выбранным сортом ускорителя и производится исключительно с помощью электромагнитного излучения.
Также возможно применение варианта «двойного отверждения», то есть, примешивание дополнительного инициатора, который обеспечивает сшивание в результате термической обработки, и тем самым позволяет выбрать способ активации в особенных ситуациях применения.
Активируемые с помощью электромагнитного излучения ускорители выбираются таким образом, чтобы облучение и активация ускорителей были возможными в глубине. Обычно здесь выбираются системы, проявляющие реакционную способность при облучении в ультрафиолетовой области спектра. Они по большей части очень четко отличаются от термически отверждаемых систем, поскольку обычные фотоинициаторы реагируют только на падающий свет. При этом концентрация самого реакционноспособного ускорителя является соответственно низкой, так что падающее излучение неодинаково полностью поглощается на поверхности.
Соответственно этому, может иметь место комбинация из нескольких инициаторов, которые тем самым обеспечивают возможность глубокого просвечивания и глубокого отверждения. Тем самым возможно отверждение относительно толстых слоев вплоть до одного миллиметра. Подобная катализируемая система также может быть инициирована и отверждена, будучи в форме слоя с наполнителем, при обычной толщине лакового покрытия до 0,5 мм, поскольку состав инициаторов действует так, что отверждение матрицы продолжается также в затененной частицами наполнителя зоне.
Если, например, в отверждаемой излучением химической композиции содержится один процент инициатора, то нужно также уже для систем с невысоким содержанием наполнителя выбирать инициаторы с более высокой эффективностью, то есть, с более высоким квантовым выходом.
В случае бис-гексафторантимоната бис-[4-(дифенилсульфоний)фенил]сульфида в качестве катионного фотоинициатора отношение падающих фотонов к числу образующихся реакционноспособных частиц почти равно единице. Это приводит к тому, что поверхность отверждается с более высокой скоростью, и инициатор перехватывает/поглощает почти все фотоны уже на поверхности.
Но композиция может быть также составлена таким образом, что вместо одного инициатора применяются многочисленные инициаторы в сочетании. При этом совсем не обязательно требуется повышение общего процентного содержания инициатора. Инициаторы при этом выбираются так, что каждый поглощает излучение в определенном диапазоне длин волн УФ-света.
Например, 2,4,6-триметилбензоилдифенилфосфиноксид (ТРО) в качестве фотоинициатора проявляет сильное поглощение излучения с максимумом при ~370 нм, для излучения же с меньшей длиной волны он прозрачен. Фотоинициатор метил-орто-бензоилбензоат (MOBB) поглощает в более коротковолновой УФ-области.
С помощью синергиста можно усилить возбуждение также при промежуточных волновых числах, так что для отверждения может быть эффективно использован почти весь УФ-диапазон спектра. Благодаря этому тогда могут быть отверждены насквозь даже материалы с высоким содержанием наполнителя.
При этом отверждение может быть инициировано, например, с помощью радиочастотного (F) излучателя или гамма-излучателя (G), или с использованием обоих подключенных последовательно излучателей.
Отверждение материалов с высоким содержанием наполнителя еще никогда не было удовлетворительно достигнуто при применении электромагнитного излучения. Поэтому до сих пор также никогда не было возможности получить подобный быстроотверждаемый лак, который одновременно имеет высокое содержание функционализированного для создания полупроводящих свойств наполнителя и тем самым может найти применение в качестве концевой противокоронной защиты.
Теперь же это может быть достигнуто сочетанием соответствующей высокореакционной УФ-отверждаемой смолы с функционализированным наполнителем.
При такой системе очень важна точно подобранная комбинация фотоинициаторов. Чтобы иметь возможность оптимально использовать диапазон длин волн спектра, различные фотоинициаторы сочетаются друг с другом. Они реагируют на различные длины волн возбуждения и обеспечивают возможность частичного проникновения излучения вглубь системы. Даже когда наполнитель улавливает большую часть излучения, все еще может быть достигнуто отверждение в глубине. Таким образом, в конечном итоге достигаются хорошая твердость и также сцепление. Добавлением дополнительных компонентов, так называемых добавок, могут быть отрегулированы специальные свойства, такие как гибкость и прочность сцепления.
В то время как 2,4,6-триметилбензоилдифенилфосфиноксид (ТРО) инициирует отверждение по свободнорадикальному механизму, в принципе возможны также композиции, которые начинают процесс по катионному механизму реакции. Для этого могут быть составлены обычные эпоксидные смолы, и тем самым достигнуты хорошо сшитые покровные системы.
Путем добавления фосфорных соединений можно дополнительно сократить самозатухание в случае возгорания.
Примеры термического и фотосенсибилизированного инициатора (бис-гексафторантимонат бис-[4-(дифенилсульфоний)фенил]сульфида), которые могут быть смешаны также для «двойного отверждения», показан в Пункте 4 патентной формулы также только в качестве примерного списка молекул матрицы. Из этого можно понять, что отверждаемые излучением системы полностью свободны в выборе не только их инициаторов, синергистов, стабилизаторов и прочих добавок, но и в выборе собственно матрицы из термореактивной смолы, и вместе с этим обеспечивают очень хорошую возможность разработать композиции с заданными свойствами.
Пригодные для использования системы при этом охватывают почти каждую возможную доступную в промышленном масштабе группу химически сшиваемых молекул.
Очевидными достоинствами новой композиции являются:
путем отверждения с помощью излучения можно сократить время до последующего нанесения покрытия примерно до 180 секунд, тогда как стандартные общеупотребительные системы требуют продолжительности отверждения около 4 часов на каждый слой покрытия. То есть, расход времени до состояния готовности концевой противокоронной защиты, например, статора генератора, сокращается от многих дней и распределения на многочисленные производственные рабочие смены до нескольких минут.
Благодаря регулируемой вязкости лак может быть составлен пригодным для нанесения как распылением, так и намазыванием.
Система может быть выполнена более устойчивой к воспламенению, и тем самым удовлетворяются стандарты пожарной безопасности UL-94 V-Q и прочие ограничения и нормативы в отношении воспламеняемости.
Выбором уретанового производного акрилата в качестве матричного материала можно, например, повысить термическую устойчивость и тем самым классы термостойкости (WBK) до температуры 180°С.
Дополнительно получается повышение стойкости к процарапыванию.
Может быть достигнуто почти или совсем полное отсутствие растворителя.
Согласно Фиг. 7, конструкция роторной машины, в частности конструкция генератора 2, является протяженной вдоль продольной оси 4 от обращенной к турбине концевой области 6 до обращенной к возбудителю концевой области 8. Конструкция генератора 2 имеет корпус 10. В обращенной к турбине концевой области 6 размещено охлаждающее устройство 12. А именно, в охлаждающем радиаторе 14, который составляет часть корпуса 10, размещены два охладителя 16 и компрессор в форме вентилятора 18 со ступицей 20 компрессора. Ступица 20 компрессора посажена на ротор 22, который является протяженным вдоль продольной оси 4 через конструкцию генератора 2. После охлаждающего устройства 12 по направлению продольной оси 4 размещен собственно генераторный участок 23. На этом участке ротор 22 окружен статором 24 с образованием воздушного зазора 26. Статор 24 имеет статорную обмотку с лобовой частью 28А обмотки статора на обращенной к турбине стороне и с лобовой частью 28В обмотки статора на обращенной к возбудителю стороне. Между обеими лобовыми частями 28А, 28В обмотки статора размещен так называемый пакет 30 стальных пластин. Аналогично статору 24, ротор 22 имеет лобовую часть 32А обмотки ротора на обращенной к турбине стороне и лобовую часть 32В обмотки ротора на обращенной к возбудителю стороне.
Вследствие обычно высокой для турбогенераторов плотности мощности необходимо охлаждение конструкции генератора 2 на генераторном участке 23. При этом особенно высокую потребность в охлаждении имеют лобовые части 28А, 28В обмотки статора, а также лобовые части 32А, 32В обмотки ротора. Для охлаждения генераторного участка 23 он имеет систему 34 охлаждения, которая снабжается охлаждающим газом от охлаждающего устройства 12. Система 34 охлаждения имеет ряд каналов 36А-D, 48 для охлаждающего газа, через которые охлаждающий газ вовлекается в рециркуляцию. При этом первый канал 36А для охлаждающего газа проходит в осевом направлении и располагается между статором 24 и корпусом 10. Второй канал 36В для охлаждающего газа образован воздушным зазором 26. Дополнительные протяженные в осевом направлении каналы 36С для охлаждающего газа проходят через пакет 30 стальных пластин. Для охлаждения ротора 22 через него проложен канал 36D для охлаждающего газа. Поток охлаждающего газа на генераторном участке 23, а также в охлаждающем устройстве 12 в каждом случае обозначен стрелками, причем пунктирные стрелки обозначают путь течения холодного охлаждающего газа, и сплошные стрелки показывают путь течения нагретого охлаждающего газа (теплого газа).
Для охлаждения лобовых частей 28А, 28В обмотки статора поступающий от охладителей 16 поток охлаждающего газа разделяется в концевой области 6 на обращенной к турбине стороне. Один частичный поток служит для охлаждения лобовой части 28А обмотки статора на обращенной к турбине стороне, и другой частичный поток пропускается дальше через канал 36А для охлаждающего газа к лобовой части 28В обмотки статора на обращенной к возбудителю стороне, и опять разделяется. Одна часть служит для охлаждения лобовой части 28В обмотки статора, и оттуда опять возвращается в виде теплого газа через воздушный зазор 26. Другая часть проходит через канал 36С для охлаждающего газа в пакете 30 стальных пластин и выходит в концевую область 6 на обращенной к турбине стороне в виде теплого газа, и поступает в охладители 16. Для охлаждения лобовых частей 32А, 32В обмотки ротора охлаждающий газ поступает в канал 36D для охлаждающего газа ротора 22 как от концевой области 6 на обращенной к турбине стороне, так и из концевой области 8 на обращенной к возбудителю стороне. Частичный поток охлаждающего газа протекает через данные лобовые части 32А, 32В обмотки ротора и затем в воздушный зазор 26 как теплый газ, и возвращается в охладители 16. Остальной частичный поток проходит дальше в канал 36D для охлаждающего газа через ротор 22, а именно таким образом, что охлаждающий газ от обеих лобовых частей 32А, 32В обмотки ротора натекает один за другим и примерно в средней части 38 генераторного участка 23 поступает в воздушный зазор 26.