Untersuchungen zur Teilentladungsresistenz von Polymeren

Titelangaben

Müller, Niels:
Untersuchungen zur Teilentladungsresistenz von Polymeren.
Düren : Shaker Verlag , 2021 . - XVI, 147 S. - (Bayreuther Beiträge zu Materialien und Prozessen ; 17 )
ISBN 978-3-8440-8168-8
( Dissertation, 2021, Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl Funktionsmaterialien)

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Abstract

Die Leistungssteigerung bei Generatoren und anderen elektrisch rotierenden Maschinen führt zu einer höheren elektrischen Belastung des Isolationssystems: Teilentladungen schädigen das Isolationsmaterial und es kommt zu Ausfällen und zur frühzeitigen Alterung der Hochleistungsmaschinen. Ziel der Arbeit ist es, ein Imprägnierharz (Bestandteil des Isolationsmaterials) zu entwickeln, welches wesentlich resistenter gegenüber Teilentladungen als bisher verwendete Imprägnierharze ist. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Abschnitte: Zunächst werden anhand einer Standardharzformulierung die verschiedenen Einflussparameter auf die Teilentladungsaktivität bzw. auf die Teilentladungsresistenz ermittelt. Anschließend folgen Untersuchungen an verschiedenen Polymertypen, wobei der limitierende Faktor für die Teilentladungsresistenz herausgearbeitet und eine Verbesserung der Teilentladungsresistenz der Harzformulierung angestrebt wird. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden Demonstratoren mit einer verbesserten Imprägnierharzformulierung und einer höheren Teilentladungsresistenz hergestellt. Bei der Herstellung der Demonstratoren werden Kupferrohre mit einem standardmäßig eingesetzten Glimmerband bewickelt und anschließend imprägniert und thermisch gehärtet. Anhand der Demonstratoren wird die verbesserte elektrische Lebensdauer der polymeren Isolation nachgewiesen. Als Standardmaterial für die elektrischen Erosionstests dient eine Imprägnierharzformulierung mit Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA) als Harzkomponente und Methylhexahydrophthalsäure-Anhydrid (MHHPA) als Härterkomponente. Die Tests werden mit einer Toepler-Anordnung durchgeführt, die sich aus Gründen der Vergleichbarkeit und der Reproduzierbarkeit in einer Kunststoffbox befindet, in der sich verschiedene Umgebungsbedingungen einstellen lassen. Die Beurteilung der Teilentladungsresistenz erfolgt mit Hilfe der Erosionsvolumenrate, welche mit einem 3D-Oberflächenprofiliometer gemessen wird und ein Maß für die Erosion pro Zeiteinheit darstellt. Anhand des Standardmaterials wird der Einfluss der Alterungsdauer, der Alterungsspannung, der Umgebungsatmosphären und der Umgebungstemperatur auf die Teilentladungsresistenz der untersuchten Polymere gezielt analysiert.Aufgrund der gewonnenen Ergebnisse werden konstante Standardbedingungen für die elektrischen Erosionstests festgelegt. Unter konstanten, reproduzierbaren Umgebungsbedingungen werden verschiedene Polymertypen in unterschiedlichen Atmosphären elektrisch gealtert. Die Erosion der Polymere lässt sich dabei in eine mechanische und eine chemische Komponente aufteilen. Als kritischer Faktor stellt sich die chemische Beständigkeit der Polymere gegenüber oxidativen Prozessen heraus. Durch die Füllung der Probekörper wird mit SiO2-Nanopartikel eine Verbesserung der Teilentladungsresistenz erreicht. Es zeigt sich, dass die Ausbildung einer porösen Schicht aus „verschmolzenen“ Nanopartikeln vorwiegend gegen den chemischen Anteil der Erosion schützt. In einem weiteren Verbesserungsansatz wird durch eine partielle Harzsubstitution (mittels epoxidierter Siloxane) eine Erhöhung der Teilentladungsresistenz bis hin zur fast vollständigen Resistenz bei allen untersuchten Umgebungsbedingungen gegenüber Teilentladungen erzielt. Bei der Verwendung von epoxidierten Siloxanen als Harzsubstitution kann die Ausbildung einer SiOx-Schicht nachgewiesen werden, die das Polymer vor weiterer elektrischer Erosion schützt. Ein hoher Grad an Harzsubstitution führt demnach zu einer wesentlichen Verbesserung der Teilentladungsresistenz. Berücksichtigt man jedoch die industrielle Anwendung bzw. die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, insbesondere die Temperatur, so erweist sich eine geringe Harzsubstitution als vorteilhaft. Untersuchungen der Glasübergangstemperatur bzw. der
mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der Polymere zeigen weiteres Optimierungspotential: Die Verwendung von Spezialharzen ermöglicht bei gleichbleibender Teilentladungsresistenz eine Optimierung der Glasübergangstemperatur des elektrischen Verlustfaktors und der relativen Permittivität. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Teilentladungsresistenz, der dielektrischen Eigenschaften, der Verarbeitbarkeit sowie der Betriebsbedingungen und Glasübergangstemperatur wird für die Herstellung von Demonstratoren eine Imprägnierharzformulierung mit einem geringen Harzsubstitutionsgrad (Massenanteil von 20 %) an epoxidiertem Siloxan verwendet. Die Demonstratoren werden zusammen mit Referenzprüflingen einer elektrischen Alterung unterzogen. Im Lebensdauertest zeigt sich, dass durch die Harzsubstitution eine Steigerung der Teilentladungsresistenz der Probekörper und eine Erhöhung ihrer elektrischen Lebensdauer unter einsatznahen Bedingungen erzielt werden kann.

Abstract in weiterer Sprache

The increase in performance of generators and other electrical rotating machines results in a higher electric stress for the insulation system. Partial discharges occur and damage the insulation material, causing electrical aging and breakdowns. The main goal of this thesis is to develop a new impregnation resin, with a higher partial discharge resistance. The thesis is divided into three parts: First, the various influencing factors on the partial discharge resistance and the partial discharge activity are examined, using a standard impregnation resin. Second, further experiments are conducted on different types of polymers, to investigate the main affecting process that leads to electrical aging. An approach is made to improve the partial discharge resistance of the standard impregnation resin. Finally, specimens are produced, using an impregnation resin with a higher partial discharge resistance, to demonstrate a longer lifetime of the insulation system.Therefore, standard mica-tapes are wrapped around copper tubes.Afterwards, the tubes are impregnated, thermally cured and subjected to an electrical aging test. In comparison to the standard specimens, a longer lifetime is demonstrated. The standard impregnation resin for the electrical aging tests consists of a bisphenol-A epoxy resin and a hardener component (methyl hexahydrophthalic acid anhydride). For electrical aging, the Toepler test arrangement is used. For reasons of comparability and reproducibility, it is located in a plastic box in which various ambient conditions can be adjusted. To determine the partial discharge resistance, a non-contact surface metrology system is used. For the assessment of the results, the specific eroded volume is defined as eroded volume per time. The influences of test duration, applied voltage, different test atmospheres and temperature on the partial discharge resistance are investigated. Based on the results obtained, constant test conditions for electrical aging are determined to guarantee a high degree of reproducibility. Under constant ambient conditions, different types of polymers are aged. The electrical erosion of the polymers consists of two parts. A mechanical and a chemical part. It is shownthat the ability to withstand oxidative processes during electrical aging has a decisive influence on the partial discharge resistance of polymers. An improvement of the partial discharge resistance occurs when using SiO₂-nanoparticels as a filler. Caused by electrical aging, newly formed, porous layer consisting of “fused” nanoparticles protects the polymer against further chemical attack. In a further approach to improve the partial discharge resistance, the impregnation resin is partially substituted by means of epoxy-siloxanes. Electrical aging tests of these materials show a major improvement up to a complete resistance against partial discharges under all testing conditions. After electrical aging, the formation of a protective layer consisting of silicon oxide is demonstrated. A high degree of resin substitution therefore leads to a significant improvement in artial discharge resistance. However, if the industrial application or the different environmental conditions, especially the temperature, are considered, a low degree of resin substitution proves to be advantageous. Investigations of the glass transition temperature and the dielectric properties of the polymers show further potential for optimization: The use of special resins allows - with constant partial discharge resistance - an optimization of the glass transition temperature, the electrical loss factor and the relative permittivity. Considering the results obtained, with regard to the partial discharge resistance, dielectric properties, processability as well as operating conditions and glass transition temperature, an impregnating esin formulation with a low degree of resin substitution of epoxidized siloxane is used for the production of demonstrators. The demonstrators are subjected to electrical aging together with standard test specimens. In the lifetime test it is shown, that an increase in the partial discharge resistance of the test specimens as well as an increase in their electrical lifetime can be achieved by resin substitution.