Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen [1. Aufl.] 978-3-211-81068-2;978-3-7091-4382-7

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XIV
Baustoffe der Wicklungen elektrischer Maschinen (R. Knobloch, W. Oburger, G. Neidhöfer, W. Mertens)....Pages 1-94
Ständerwicklungen für Synchron- und Induktionsmaschinen (M. Brüderlink, O. Haus, A. Wichmann)....Pages 95-168
Läuferwicklungen für Turbogeneratoren und Induktionsmaschinen (D. Lambrecht, M. Brüderlink, E. Feiten)....Pages 169-216
Wicklungen für Stromwendermaschinen (F. Maier)....Pages 217-281
Wicklungen für flache Ständer und Scheibenläufer (H. Sequenz)....Pages 282-290
Prüfung und Überwachung der Wicklungsisolation (A. Wichmann)....Pages 291-360
Back Matter ....Pages 361-375

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Herstellung der

Wicklungen Herstellung Herstellung

Herstellung Herstellung

Herstellung Herstellung

Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen Herausgegeben von

H. Sequenz Bearbeitet von M. Brüderlink, E. Feiten, O. Haus, R. Knobloch, D. Lambrecht, F. Maier, W. Mertens, G. Neidhöfer, W. Oburger, H. Sequenz, A. Wichmann

Springer-Verlag Wien GmbH

HEINRICH SEQUENZ

Dr. techno Dr.-Ing. Dr. phil. Dr.-Ing. E. h. Emer. O. Professor an der Technischen Hochschule in Wien

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. (Cl 1973 by Springer-Verlag Wien

Ursprünglich erschienen bei Springer'Verlag Wien - New York 1973 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1973 Library of Congress Catalog Card Number 73-75909

Mit 291 Abbildungen

ISBN 978-3-7091-4383-4 ISBN 978-3-7091-4382-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-7091-4382-7

Vorwort Dieses Buch über die Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen war ursprünglich als letzter, vierter Band meines Werkes über die Wicklungen elektrischer Maschinen gedacht. Der erste Band über die Wechselstrom-Ankerwicklungen erschien 1950, der zweite Band über die Wenderwicklungen zwei Jahre später, und der dritte Band über die Wechselstrom-Sonderwicklungen im Jahre 1954. Nun sind seit dem Erscheinen dieser Bände zwei Jahrzehnte vergangen. Aus diesem Grunde mußte das Buch über die Herstellung der Wicklungen als eigenständiges Werk geplant werden. . Immer wieder habe ich in diesen vergangenen Jahren mit der Arbeit an einem vierten Band begonnen, der die Herstellung der Wicklungen beschreiben sollte; habe Unterlagen gesammelt, Erfahrungen bei den Fertigungsstätten im In- und Auslande zusammengetragen; aber im:r;ner wieder kamen alle Bemühungen ins Stocken, so als fühlte ich, daß die Zeit für das Erscheinen eines solchen Buches noch nicht reif wäre. Zu stark war alles im Fluß, was die technologische Herstellung der Wicklungen betraf. Dies galt vor allem von der raschen Entwicklung der Isolierstofftechnik. HARTMuT MEYER gibt in seinem Buche über "Die Isolierung großer elektrischer Maschinen" (Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer-Verlag, 1962) einen guten überblick über die geschichtliche Entwicklung der Maschinenisolierung, angefangen von der Erfindung des Micanits und Mikafoliums um die Jahrhundertwende bis zu den synthetischen Kunstharzen. Die Vielfalt der stets neu sich anbietenden Isolierstoffe war oft geradezu verwirrend. Hand in Hand mit den immer wieder neu aufscheinenden Isolierstoffen gingen natürlich die Untersuchungen über das Alterungsverhalten der Isolierungen, die Isolationsprüfungen und die Überwachung im Betrieb. Wie fleißig gerade auf diesem Gebiete gearbeitet und geforscht wurde, zeigt schon ein Blick auf das Verzeichnis des Schrifttums zum Abschnitt von A. WICHMANN über Prüfung und überwachung der Wicklungsisolation. Ihm selbst sind viele wertvolle Beiträge zu diesem Fragenkreis zu verdanken. Eine andere Entwicklung, die erst in den fünfziger Jahren einsetzte und durch den zunehmenden Bedarf an Drehstrom- und Einphasen-Induktionsmotoren sowie an Universalmotoren immer mehr an Bedeutung gewann, war die Verwendung von Wickelmaschinen, vor allem von Ständerwickelmaschinen. Ende Februar und Anfang März des Jahres 1968 wurde sogar ein internationales Symposium "Statorwickeltechnik" in Dresden-Niedersedlitz veranstaltet, an dem sich 163 Gäste aus der Bundesrepublik Deutschland und der DDR, aus Frankreich, Italien, der Schweiz, aus der UdSSR, der CSSR, aus Polen, Ungarn, Bulgarien und

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Vorwort

Jugoslawien beteiligten (W. JORDAN: Das 1. Internationale Symposium "Statorwickeltechnik" ; EMA 47 (1968), H. 11, S. 323·· ·334 und H. 12, S. 355·· ·369). Schließlich erzwangen die stets größer werdenden Leistungen sowohl bei den Turbogeneratoren als auch bei den Wasserkraftgeneratoren höhere Anforderungen an die Kühlung von Ständer und Läufer. Die Entwicklung ging von der Luftkühlung über die Wasserstoffkühlung zur Kühlung mit Wasser. Ein weiterer Fortschritt war die unmittelbare Leiterkühlung. Auch hier mußte wohl abgewartet werden, bis ausgereifte Konstruktionen vorlagen. Nun aber ist nach diesen manchmal stürmischen Entwicklungen wie nach einem windreichen Tage ein stillerer Abend geworden. Und dies endlich ist die Zeit, an eine Darstellung des heutigen Standes der Wicklungsfertigung heranzugl:lhen. Doch mußte ich erkennen, daß diese Aufgabe das Wissen eines einzelnen übersteigt. Hier mußten die Sonderfachleute zu Worte kommen. Es ehrt mich, daß folgende Fachgenossen meinem Rufe zu einer Mitarbeit an diesem Buche gefolgt sind und die Bearbeitung von Abschnitten übernommen haben: Dr. M. BRÜDERLINK, Dr. F. MAlER und Dr. G. NEIDHöFER von der AG Brown Boveri & eie in Baden (Schweiz), Dr. E. FEITEN, Dipl.-Ing. O. HAus, Ing. R. KNOBLOCH und Dr. W. MERTENS vom Dynamowerk der Siemens AG in Berlin, Obering. D. LAMBREcHT und Dr. A. WICHMANN von der Kraftwerk Union AG in Mülheim (Ruhr) und Dr. W. OBURGER in Wien. Diese Fachleute haben neben ihrer Berufsarbeit sich die Zeit und die große Mühe genommen, ihr Wissen und ihre wertvollen Erfahrungen in den verschiedenen Teilen und Abschnitten dieses Buches niederzulegen, die lehrreichen Bilder zusammenzusuchen, die Fahnen und Umbrüche zu verbessern und schließlich noch den Briefwechsel mit mir und dem Verlage zu führen. Wie soll ich ihnen danken? Hoffentlich kann der Erfolg des Buches den Dank abstatten! Nicht unbedankt soll auch mein Mitarbeiter Dr. HERBERT FÜHRER sein, der mit mir den Umbruch des Buches genau prüfte. Möge die so gedeihliche und freundschaftliche Zusammenarbeit so vieler Fachgenossen aus Deutschland, der Schweiz und aus Österreich in der Fachwelt Beifall und Anerkennung finden. Da dieses Buch sicherlich meine letzte größere Veröffentlichung über die Wicklungen elektrischer Maschinen ist, so sei mir erlaubt, jener Fachgenossen zu gedenken, die mich bei meinen Arbeiten auf diesem Gebiete, die nun fast ein halbes Jahrhundert dauern, durch Belehrungen und Anregungen unterstützt haben und von denen mir einige ihre Freundschaft schenkten. Das sind vor allen die Altmeister der Wicklungstechnik E. ARNOLD und R. RICHTER, ferner R. DAHLANDER, K. FAYE-HANSEN, J. HAPL, F. HEILES, W. KAUDERS, E. W. KREBS, J. KUÖERA, K. KUNOTH, M. LIWSCHITZ-GARIK, H. DE PrSTOYE, W. H. POWELL, F. PUNGA, F. RASKOP, H. SCHACK-NIELSEN, T. SCHMITZ, TADASHI SEIKE, TAGE STRÖMBERG, J. TrTTEL, W. A. TOLWINSKI, H. TRAssL und H. WEINERT. Wien, im Spätwinter 1973

HEINRICH SEQUENZ

Inhaltsverzeichnis Baustoffe der Wicklungen elektrischer Maschinen. .

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1. Leiterwerkstoffe. Kupfer, Aluminium und Legierungen Von R. KNoBLocH . . . . . . . . . . .

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1.1 Einteilung der Leiterwerkstoffe

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1.1.1 Übliche Werkstoffe. 1.1.1.1 Kupfer. . . 1.1.1.2 Aluminium . 1.1.1.3 Legierungen 1.1.2 Einschlägige Normen. 1.1.3 Einteilung der Werkstoffe nach Leitfähigkeit 1.2 Physikalische und technologische Eigenschaften 1.2.1 Dauerfestigkeit und Zeitstandverhalten 1.2.1.1 Dauerschwingfestigkeit. 1.2.1.2 Dauerstandfestigkeit . . . . . 1.2.1.3 Zeitstandfestigkeit . . . . . . . 1.2.2 Kaltverfestigung durch mechanische Verformung 1.2.3 Wärmebehandlung . 1.2.4 Rekristallisation . 1.2.5 Warmfestigkeit . 1.2.6 Korrosion. . . . 1.3 Stoffliche Verbindungen 1.3.1 Weichlöten . . . 1.3.2 Hartlöten . . . . 1.3.3 Schmelzschweißen 1.3.4 Normen für Löt· und Schweißzusatzwerkstoffe Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. Isolierstoffe und Isolierstoffklassen. Isolierte Drähte

Von W. ÜBURGER • . . • . . . . . . . . . .

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2.1 Isolierstoffe und Isolierstoffklassen. 2.1.1 Aufgaben der Isolierstoffe. . . . . . 2.1.2 Aufbau der Isolierstoffe . . . . . . 2.1.3 Elektrische Eigenschaften der Isolierstoffe 2.1.3.1 Durchschlagfestigkeit . . . . . . 2.1.3.2 Dielektrizitätskonstante . . . . . 2.1.3.3 Verlustfaktor und dielektrische Verluste 2.1.3.4 Elektrische Widerstände . . 2.1.4 Chemische Eigenschaften . . . . . 2.1.5 Widerstand gegen Energiestrahlung 2.1.6 Thermische Eigenschaften. . . . . 2.1.7 Die Lebensdauer elektrischer Isolationen 2.1.7.1 Die Wärmebeständigkeitsklassen 2.1.7.2 Die Temperaturindizes . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

2.1.8 Zusammensetzung und Arten der Isolierstoffe 2.1.8.1 Schellack, Bitumen, Pflanzenöle 2.1.8.2 Glimmer und Glimmerpapiere 2.1.8.3 Asbest. . . . . . . . . 2.1.8.4 Papiere, Preßspan. . . . . . 2.1.8.5 Baumwolle, Seide, Leinen 2.1.8.6 Glasfasern, Glastextilien, Glasvliese 2.1.9 Kunststoffe . . . . . . . 2.1.9.1 Zellulosekunststoffe . . . 2.1.9.2 Phenoplaste . . . . . . 2.1.9.3 Glyptal- und Alkydharze . 2.1.9.4 Ungesättigte Polyesterharze und Epoxydharze 2.1.9.5 Polyurethane. . . . . . . . 2.1.9.6 Polyvinylchlorid, Polyäthylen. . . . . 2.1.9.7 Polyvinylazetale. . . . . . . . . . . 2.1.9.8 Polyäthylenterephthalat, Polycarbonate 2.1.9.9 Silicone . . . . . 2.1.9.10 Fluorpolymerisate . . . . . . . . . 2.1.9.11 Polyamide. . . . . . . . . . . . . 2.1.9.12 Polyimide und andere heterocyclische aromatische Polymere. 2.1.9.13 Zukünftige Kunststoffe . . . 2.1.10 Isolierstoffe für elektrische Maschinen. . . . . . . . 2.1.10.1 Isolierlacke . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.10.2 Imprägnierte Faserstoffe und Kombinationen 2.1.10.3 Schichtpreßstoffe . . . . . . . . . . 2.1.10.4 Glimmer· und Glimmerpapierisolierstoffe 2.2 Isolierte Drähte Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Kunststäbe (Roebelstäbe). Theorie und Aufbau Von G. N EIDHÖFER . . . . . . . . 3.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Der klassische Roebelstab . . . . . 3.3 Roebelstäbe mit erweitertem Feldausgleich 3.3.1 Sonderverdrillungen in Nut und Wickelkopf . 3.3.2 Verschränkung an den Stabenden . . . 3.4 Mehrfach-Roebelstäbe . . . . . . . . . . . 3.5 Wirbelstromverluste in Roebelstäben . . . 3.5.1 Stromverdrängungsverluste infolge Querfelder 3.5.2 Radialfeldverluste Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Tränkmittel Von W. MERTENs 4.1 Einleitung . 4.2 Tränkmittelsysteme 4.2.1 Tränkmittel für Wicklungen und Isolierungen 4.2.1.1 Tränklacke . . . . . . . . . 4.2.1.2 Tränkmassen . . . . . . . . . . . 4.2.1.3 Lösungsmittelfreie Tränkharze . . . 4.2.1.3.1 Harzsysteme für die Tauchimprägnierung 4.2.1.3.2 Harzsysteme für die Träufeltechnik . . . 4.2.1.3.3 Harzsysteme für die Vakuumimprägnierung 4.2.2 Harze für Verbund-Wickelstoffe . _ . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis 4.3 Prüfung von Tränkmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Einfluß der Elektroindustrie auf die Entwicklung von Tränkmittelsystemen . Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ständerwicklungen für Synchron- und Induktionsmaschinen. 1. Spulenwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV) Von M. BRÜDERLINK. . . . . . . . . . . 1.1.1 Allgemeine Übersicht. . . . . . . . . . . 1.1.1.1 Einteilung der Wicklungsarten . . . 1.1.1.1.1 Fädel- oder Durchziehwicklungen 1.1.1.1.2 Wicklungen mit U-Spulen in geschlossenen Nuten. 1.1.1.1.3 Wicklung mit Z-Spulen . . . . . . . . 1.1.1.2 Wahl der Wicklungsart. . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Wicklungen mit Runddraht (Runddraht-Träufelwicklung) . 1.1.2.1 Spulenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.2 Wicklungsmontage . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.3 Maschinell eingelegte Wicklungen und Wickelmaschinen 1.1.3 Wicklungen mit Profildrähten (Formspulen) . 1.1.3.1 Allgemeines 1.1.3.2 Leiteraufbau . 1.1.3.3 Formgebung . 1.1.3.4 Hauptisolation 1.1.3.5 Spuleneinbau . 1.1.3.5.1 Montage der Profildrahtträufelwicklung 1.1.3.5.2 Montage der Profildrahtwicklungen in offenen Nuten Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Hochspannungsmaschinen (6 kV) Von O. HAUS. . . . . . . . . . . . 1.2.1 Leiterwerkstoff und Leiterisolierung 1.2.2 Spulenformung . . . . . . . 1.2.3 Aufbringen der Hauptisolierung 1.2.4 Spuleneinbau . . . . . . . . 1.2.5 Wickelkopfversteifung . . . . 1.2.6 Schaltverbindungen und Verbindungstechnik 1.2.7 Einbau von Temperaturfühlern . . . 1.2.8 Wiederinstandsetzung von Wicklungen Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . 2. Stabwicklungen Von A. WICHMANN 2.1 Herstellen der Leiter . . . . . . . 2.1.1 Gitterstäbe mit indirekter Kühlung 2.1.2 Mehrleiterstäbe . . . . . . . 2.1.3 Stäbe mit direkter Gaskühlung . 2.1.4 Leiter mit Flüssigkeitskühlung . 2.1.5 Prüfungen . . . . . . . . . 2.2 Isolieren der Stäbe . . . . . . . 2.2.1 Diskontinuierliche Isolierung . 2.2.1.1 Aufbringen der Nutisolierung . 2.2.1.2 Isolieren der Stirnseiten . . . 2.2.2 Durchgehende Glimmerband-Isolierungen . 2.2.3 Vakuumgetränkte Glimmerbandisolierungen . 2.2.3.1 Bewickeln der Stäbe. . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis 2.2.3.2 Trocknen, Tränken, Formen und Härten . 2.2.3.3 Formtränkung . . 2.2.3.4 Ganztränkung. . . 2.2.4 Isolieren der Ringleitungen 2.2.5 Prüfungen. . . . 2.3 Glimmschutz . . . . . 2.3.1 Innenglimmschutz . 2.3.2 Außenglimmschutz . 2.3.3 Endenglimmschutz . 2.3.4 Prüfungen des Glimmschutzes . 2.4 Wicklungseinbau . . . . . . . . 2.4.1 Festlegung der Stäbe in der Nut . 2.4.2 Befestigung der Stirnseiten . . . 2.4.3 Herstellen und Isolieren der Schaltverbindungen . 2.4.4 Prüfungen beim Wicklungseinbau Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Läuferwicklungen für Turbogeneratoren und Induktionsmaschinen

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I. Läuferwicklungen für Turbogeneratoren Von D. LAMBREcHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Werkstoffe, Ausführungsformen und Kühlung der Wicklung. 1.1.1 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Ausführungsformen der Wicklung . . . . . 1.1.3 Ausführungsformen und Kühlung der Spulen 1.1.3.1 Kühlungsarten . . . . . . 1.1.3.2 Kühlmittel (Richtwerte) . . 1.2 Herstellung der Spulen und Leiter 1.2.1 Leiterherstellung . . . . . . . . 1.2.2 Ein- und Austrittsöffnungen in den Leitern für das Kühlmittel. 1.2.3 Spulenherstellung . . . . . . . 1.3 Isolierung der Spulen und Leiter 1.3.1 Nutisolierung . . . 1.3.2 Wickelkopfisolierung . 1.3.3 Windungsisolierung . . 1.4 Wicklungseinbau . . . . 1.4.1 Einlegen und Isolieren der Wicklung 1.4.2 Schaltverbindungen und Verbindungstechnik 1.4.3 Pressen und Befestigung der Wicklung 1.4.4 Prüfen der Wicklung . 1.5 Dämpferwicklung . . . . . . . . . 1.6 Wicklungsbefestigung . . . . . . . 1.6.1 Spulendistanzierung im Wickelkopf 1.6.2 Wicklungsbefestigung gegen Fliehkräfte . 1.7 Stromzuführung Schrifttum . . . . . . . . . . . . .

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2. Läuferwicklungen für Induktionsmaschinen 2.1 Schleifringläuferwicklungen Von M. BRÜDERLINK . . . . . 2.1.1 Allgemeine übersicht. . . . 2.1.2 Runddrahtwicklungen . . . 2.1.2.1 Die Spulenherstellung 2.1.2.2 Die Wicklungsmontage . 2.1.2.2.1 Die eingefädelte Wicklung 2.1.2.2.2 Die eingeträufelte Runddrahtwicklung .

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Inhaltsverzeichnis 2.1.3 Profildraht- und Stabwicklungen 2.1.3.1 Allgemeines . . . . . . 2.1.3.2 Die Herstellung der Stäbe 2.1.3.3 Der Einbau der Stäbe Schrifttum . . . . . . . . . . . . 2.2 Käfigläuferwicklungen Von E. FEITEN . . . . . . . . . . . 2.2.1 Allgemeines. . . . . . . . . . 2.2.2 Gegossene Käfigläuferwicklungen. 2.2.2.1 Druckguß . 2.2.2.2 Kokillenguß . . . . . 2.2.2.3 Prüfung . . . . . . . 2.2.3 Gefügte Käfigläuferwicklungen. 2.2.3.1 Vorbearbeitung der Stäbe und Ringe 2.2.3.2 Einbau und Verbindung 2.2.3.3 Prüfung . . . . . . . . . . . . .

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Wicklungen für Stromwendermaschinen Von F. MAlER . . . . . . . . 1. Ankerwicklungen. . . . . . . 1.1 Konstruktive Mllrkmale 1.1.1 Wicklungselemente 1.1.2 Unterscheidungsmerkmale in den Nuten und Stirnverbindungen . 1.2 Technologische Ausführung und Herstellungsverfahren . . 1.2.1 Zusammenfassende Darstellung der Herstellung und Einteilung der Wicklungen nach ihren Herstellungsverfahren 1.2.2 Von Hand geformte Wicklungen. 1.2.2.1 Fädelwicklungen 1.2.2.2 Handwicklungen . . . . 1.2.3 Maschinenwicklungen . . . . . . 1.2.3.1 Halbautomatische Wicklungsherstellung 1.2.3.2 Vollautomatische Wicklungsherstellung . 1.2.4 Schablonenwicklungen . . . . 1.2.4.1 Träufelwicklungen. . . 1.2.4.2 Formspulenwicklungen 1.2.5 Stabwicklungen . . 1.2.5.1 Massivstäbe. . . . . . 1.2.5.2 Kunststäbe . . . . . . 1.2.6 Ausgleichs- und Hilfswicklungen . 1.2.6.1 Als Quer- oder Ringverbinder angeordnete Ausgleichsverbindungen 1.2.6.1.1 Mehrgängige Wellenwicklungen . . . . . . . . . . . . 1.2.6.1.2 Mehrgängige Schleifenwicklungen . . . . . . . . . . . 1.2.6.2 Anordnung der Ausgleichsverbinder im feldfreien Raum des Ankereisens (Punga-Verbinder) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.6.3 Anordnung der Ausgleichsverbinder am Nutengrund als S-Verbinder 1.2.6.4 Hilfswicklungen . 2. Stromwender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Konstruktiver Aufbau und Merkmale. . . . . . 2.1.1 Anordnung des Stromwenderbelages als Trommel- oder Scheibenstromwender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Lamellenbefestigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.1 Schwalbenschwanzstromwender mit ausgeprägtem Gewölbe druck . 2.1.2.2 Schwalbenschwanzstromwender ohne ausgeprägten Gewölbedruck mit zweiseitig aufliegenden Lamellen 2.1.2.3 Schrumpfringstromwender . . . . .

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2.1.2.4 Preßstoffstromwender . . . . . . 2.1.3 Verbindung der Wicklung mit dem Stromwender . . . . . . 2.2 Technologische Ausführung und Herstellungsverfahren 2.2.1 Herstellung eines Schwalbenschwanzstromwenders mit Gewölbedruck 2.2.2 Herstellung eines Schrumpfring-Strom wenders .

3. Ständerwieklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Übersicht, konstruktive Merkmale . . . . . 3.2 Technologische Ausführung und Herstellungsverfahren 3.2.1 Spulenwicklungen . . . 3.2.1.1 Lagenspulen . . . 3.2.1.2 Scheibenwicklung . 3.2.1.3 Hochkantwicklung. 3.2.1.4 Hauptpolspulen . . 3.2.1.5 Wendepolspulen . . 3.2.2 Verteilte Wicklungen, Stabwicklungen Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . .

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Wickluugeu für flache Stäuder und Scheibenläufer Von H. SEQUENZ . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Wicklung für flache Ständer. . . . . . . . . . . 1.1 Scheibenmaschinen mit ringförmigen Ständern. 1.2 Wanderfeldmaschinen . 2. Wicklungen für Scheihenläufer . 2.1 Spulen wicklungen . . . 2.2 Gedruckte und gestanzte Wicklungen. Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Prüfung und Vberwachnng der Wicklungsisolation Von A. WICHMANN . . . . . . . . . . . . . . . 1. Ziel der Isolationsprüfung . . . . . . . . . . . . 1.1 Zerstörungsfreie Prüfungen mit Gleichspannung 1.1.1 Zeitabhängigkeit des Isolationsstromes und des Nachladestromes 1.1.2 Spannungsabhängigkeit von Nachladung und Isolationsstrom 1.1.3 Überlagerung von Kriechströmen . . . . . . 1.1.4 Temperaturabhängigkeit der Gleichstromwerte . 1.1.5 Spezifische Absorption . . . 1.1.6 Äußere Einflüsse. . . . . . 1.1.7 Trocknung von Wicklungen. 1.1.8 Isolationszeitkonstante . . . 1.1.9 Isolationswiderstand bei hoher Gleichspannung 1.2 Zerstörungsfreie Prüfungen mit Wechselspannung 1.2.1 Messung der dielektrischen Verluste . . . 1.2.2 Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktors . . . . . 1.2.3 Verlustfaktor bei thermischer Alterung. . . . . . . 1.2.4 Einfluß der Feuchtigkeit auf Verlustfaktor und Kapazität. 1.2.5 Spannungsabhängigkeit des Verlustfaktors 1.2.6 Verlustfaktoranstieg und Luftgehalt . . . 1.2.7 Verlustfaktor-Abnahmebedingungen . . . 1.2.8 Verlustfaktoranstieg als Alterungsmerkmal 1.3 Erfassung und Lokalisierung von Teilentladungen durch Hochfrequenzmeßmethoden . . . . . . . . 1.3.1 Teilentladung bei Wechselspannung 1.3.2 Lokalisierung von Teilentladungen .

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Inhaltsverzeichnis

XIII

1.3.3 Teilentladungen bei Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Die Spannungsprobe und ihre Bedeutung für die Isolationsprüfung 1.4.1 Nachweis des Isoliervermögens durch Spannungsprobe . . . . . . . . . 1.4.2 Elektrische Festigkeit und Lebensda).ler . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Elektrische Festigkeit und Lebensdauer nach Alterung einer Wicklungsisolierung . . . . . . . . . . . 1.4.4 Aussagen der Spannungsprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.5 Die Gleichspannungsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.6 Verhältnis der Durchschlagfestigkeit bei Gleich- und Wechselspannungsprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.7 Prüfungen mit geringer Frequenz (0,1 Hz). 1.4.8 Spannungsprobe mit 50-Hz-Halbwelle 1.4.9 Windungs- und Stoßspannungsprüfung Schrifttum. . . N amen verzeichnis Sach verzeichnis .

334 336 337 338 340 344 345 347 349 350 351 354 361 365

Mitarbeiter BRÜDERLINK, Dr.. lng. M., AG Brown, Boveri & Cie., Abteilung MMV, CH·5401 Baden, Schweiz. FEITEN, Dr..lng. E., Siemens AG, Bereich Energietechnik, Dynamowerk, Nonnendammallee 62-79, D-1000 Berlin (West) 13. HA.us, Dip!.-Ing. 0., Siemens AG, Bereich Energietechnik, Dynamowerk, Nonnendammallee 62-79, D-1000 Berlin (West) 13. KNOBLOOH, Ing. (grad.) R., Siemens AG, Bereich Energietechnik, Dynamowerk, Abteilung Materialprüfung, Nonnendammallee 62-79, D-1000 Berlin (West) 13. LAMBREOHT, Oberingenieur D., Leiter der Entwicklungsabteilung "Elektro-Maschinen" der Kraftwerk Union AG, Werk Mülheim, Wiesenstraße 35, D-4330 Mülheim (Ruhr), Bundesrepublik Deutschland. MArER, Dip!.-Ing. Dr. techno F., AG Brown, Boveri & Cie., Abteilung EIS, CH-5401 Baden, Schweiz. MERTENS, Dr. phi!. W., Siemens AG, Bereich Energietechnik, Dynamowerk, Nonnendammallee 62-79, D-1000 Berlin (West) 13. NEIDHÖFER, Dr. es sciences, Dipl.-Ing. G., AG Brown, Boveri & Cie., Abteilung MES, CH -5401 Baden, Schweiz. OBURGER, Baurat h. C. Dip!.-Ing. Dr. techno W., Trauttmansdorffgasse 13, A-1130 Wien, Österreich. SEQUENZ, Dr. techno Dr.-Ing. Dr. phi!. Dr.-Ing. E. h. H., Emer. O. Professor an der Technischen Hochschule in Wien, Gußhausstraße 25, A -1040 Wien, Österreich. WWHMANN, Dr. rer. nato A., Kraftwerk Union AG, Werk Mülheim, Wiesenstraße 35, D-4330 Mülheim (Ruhr), Bundesrepublik Deutschland.

Baustoffe der Wicklungen elektrischer Maschinen 1. Leiterwerkstoffel Kupfer, Aluminium und Legierungen Von

R. Knobloch 1.1 Einteilung der Leiterwerkstoffe Die wesentlichste Eigenschaft der Leiterwerkstoffe für elektrische Maschinen und Geräte ist ihre spezifische elektrische Leitfähigkeit bzw. ihr spezifischer elektrischer Widerstand. Außerdem werden an diese Werkstoffe aber noch mechanische und thermische Anforderungen gestellt, die bei ihrer Auswahl mitbestimmend sind. Schließlich ist auch noch an technologische Einflüsse zu denken, die die Einsatzmöglichkeit bestimmter Metalle oder Legierungen beeinflussen können, wie z. B. Spannungsrißkorrosion bei aggressiver Atmosphäre, Wasserstoffkrankheit beim Hartlöten sauerstoffhaitigen Kupfers, Kaltverfestigung durch mechanische Verformung, Versprödung durch Wärmebehandlung und dgl. Außer auf die technischen Notwendigkeiten sollte das Augenmerk auch auf wirtschaftliche Belange gerichtet werden, wobei die Methoden der Wertanalyse hilfreiche Dienste leisten. 1.1.1 Übliche Werkstoffe

1.1.1.1 Kupfer Kupfer (Cu) ist in der Elektrotechnik der wichtigste Leiterwerkstoff. Das aus Erz mit selten mehr als 4% Kupfergehalt erschmolzene Rohkupfer wird durch Raffination in das für die Herstellung von Halbzeugen erforderliche Ausgangsmaterial verwandelt. Man unterscheidet zwei Arten des raffinierten Kupfers: feuerraffiniertes Kupfer, das in Raffinieröfen durch geeignete Reaktionen von den Verunreinigungen befreit wird, und elektrolytisch raffiniertes Kupfer, das in der Elektrolyse als sogenanntes Elektrolytkupfer abgeschieden und dadurch 1 Die in diesem Abschnitt verwendeten Maßeinheiten entsprechen den Vereinbarungen der Meterkonvention und dem Deutschen Gesetz über Einheiten im Meßwesen vom 2. Juli 1969. Die aus Normen und anderen Quellen entnommenen Werte für Elastizitäts- und Festig. keitsangaben wurden mit dem Faktor 10 (statt 9,80665) vonkp/mm2 inN/mm2 umgerechnet, um weiterhin runde Zahlenwerte zu erhalten: Härteangaben behalten ihre bisherigen Zahlenwerte bei, ohne Bezug auf eine SI-Einheit oder sonstige Einheit zu nehmen.

1 Sequenz, Herstellung

R. KNOBLOCH: Leiterwerkstoffe

2

von den Verunreinigungen getrennt wird. Für Leiter in der Elektrotechnik wird in der Regel letzteres verwendet. Kupfer liegt in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur dicht hinter Silber an zweiter Stelle. Es hat ebenso eine hervorragende thermische Leitfähigkeit, besitzt gute Kalt- und Warmformbarkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit. Kupfer liegt normalerweise im Zustand "weich" vor, und es kann nur durch Kaltverformung auf höhere Festigkeitswerte und größere Härte gebracht werden. Die Festigkeitszunahme ist abhängig vom Verformungsgrad und reicht von aB = 200 NJmm2 (weich) bis aB = 370 N/mm2 (hart) bzw. die Brinellhärte von HB = 45 bis HB = 100. Durch kleine Zusätze von Silber (0,025-0,25 Gew.-% Ag) wird die Rekristallisationstemperatur des Kupfers erhöht und dadurch eine höhere Anlaß beständigkeit bewirkt. Insbesondere wird die Erweichungstemperatur nach Kaltverfestigung beträchtlich erhöht und der Kriechwiderstand bei erhöhten Temperaturen wesentlich verbessert. Die Leitfähigkeit wird dagegen nur unbedeutend beeinflußt. Gehalte über 0,25Gew.-% Ag ergeben praktisch keine weitere Verbesserung der Eigenschaften. Die Festigkeitswerte von Kupfer können durch geringe Zusätze, z. B. Cd, Mg, Mn, Cr u. a. erheblich verbessert werden. Die Leitfähigkeit nimmt dabei jedoch mehr oder weniger stark ab. Technisch reines Kupfer hat bei Raumtemperatur (20°C) die höchste elektrische Leitfähigkeit von 58· 106 S/m. Sie nimmt mit steigender Temperatur ab und beträgt bei 230°C etwa 30 . 106 S/m und bei 500°C nur noch etwa 20.106 S/m. Ebenso wird durch Legierungsbestandteile oder Verunreinigungen die Leitfähigkeit herabgesetzt [2, 3, 5]. Nach DIN 1708 und DIN 1787 wird das für Halbzeug verwendete Kupfer in drei Hauptgruppen unterteilt: Sauerstoffhaltige Kupfersorten, die eine kontrollierte Menge Sauerstoff in Form von Kupferoxydul (CU20) enthalten, das als selbständiger Gefügebestandteil an den Korngrenzen gelagert ist und im Mikroschliff sichtbar gemacht werden kann. Nur etwa 0,002% Sauerstoff sind im Kupfer löslich. Sauerstofffreie Kupfersorten, nicht desoxydiert; d. h., durch Umschmelzen von Kathodenkupfer in einer neutralen Atmosphäre wird jegliche Sauerstoffaufnahme verhindert. Sauerstofffreie Kupfersorten, mit Phosphor desoxydiert; mit einem Restgehalt an Phosphor von 0,002-0,05%. Phosphor kann ganz oder teilweise durch andere Oxydationsmittel, z. B. Lithium, ersetzt werden. Nach VDE 0201/1934 - Vorschriften für Kupfer für Elektrotechnik - gilt folgendes: § 2. Kupferleitungen müssen aus Kupfer für Elektrotechnik hergestellt sein. § 3. Für Kupfer für Elektrotechnik dürfen die folgenden Werte des spezifischen Widerstandes bei 20°C in Qmm 2/m nicht überschritten werden:

1. bei weichgeglühtem Draht 1/57 = 0,01754, 2. bei kaltgerecktem Draht mit einer Festigkeit von mehr als 30 kp/mm 2 (R::I300N/mm 2 ):

mit einem Durchmesser ~ 1,0 mm 1/56 = 0,01786, mit einem Durchmesser< 1,0 mm 1/55 = 0,01818. Diese Vorschrift gilt in erster Linie für Starkstromleitungen und Starkstromkabel.

Übliche Werkstoffe

3

1.1.1.2 Aluminium

Aluminium (Al) ist nach Kupfer eines der wichtigsten Metalle für Leiterwerkstoffe. Es ist nach Silizium das am stärksten in der Erdkruste vertretene Metall. Die wichtigsten Ausgangsstoffe für seine technische Gewinnung sind die Bauxite. Daraus wird in der ersten Stufe eine möglichst reine Tonerde (Aluminiumoxid A1 20 3 ) erzeugt und in der zweiten Stufe die Reduktion dieser Tonerde durch Elektrolyse zu metallischem Aluminium vorgenommen. Es zeichnet sich besonders durch seine niedrige Dichte, seine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und seine gute Formbarkeit aus. Die Festigkeitswerte von Aluminium liegen unterhalb deren von Kupfer und bewegen sich etwa zwischen (fB = 40 Njmm2 bis (fB = 170 Njmm 2 • Insbesondere neigt Aluminium unter mechanischer Beanspruchung stärker zum Kriechen als Kupfer. Wegen seiner großen Affinität zum Sauerstoff ist es stets mit einer Oxidschicht bedeckt, die es vor weiteren Angriffen schützt. Aus der Stellung des Aluminiums in der elektrochemischen Spannungsreihe ergibt sich, daß es nicht mit edleren Metallen oder Legierungen, z. B. Kupfer, Messing, Zinn, Eisen, Nickel, zusammengebaut werden darf, ohne besondere Schutzmaßnahmen zu treffen. Auch Verunreinigungen der Oberfläche mit diesen Metallen führt zu lokaler Korrosion (Lochfraß). Starke Lösungsmittel für Aluminium sind die Alkalilaugen und die Halogenwasserstoffsäuren, wie sie beispielsweise beim Beizen verwendet werden [3, 5, 6]. Aus DIN 1712, Blatt 1 und Blatt 3, ergeben sich die Sorten von Reinstaluminium und Reinaluminium, die zur Herstellung von Halbzeug verwendet werden. Aluminium für die Elektrotechnik (Leitaluminium E-AI) muß einen Reinheitsgrad von mindestens 99,5% aufweisen. Nach VDE 0202jVII.43 - Vorschriften für Aluminium für Elektrotechnik ergibt sich nach § 2 : Aluminiumleitungen müssen, soweit nicht Ausnahmen festgesetzt sind, aus Aluminium für Elektrotechnik hergestellt sein. Aluminium für Elektrotechnik muß einen Reingehalt von mindestens 99,5% nach DIN 1712 und einen spezifischen Widerstand im weich geglühten Zustande von höchstens 1j36 = 0,02778 Qmm 2 jm bei 20°0 haben. Diese Vorschrift gilt in erster Linie für Starkstromleitungen und Starkstromkabel. Für Wicklungen elektrischer Maschinen wird als Leiterwerkstoff in der Regel das hochleitfähige Kupfer verwendet. Reicht aus elektrischen Gründen die niedrigere Leitfähigkeit des Aluminiums aus, so kann unter Berücksichtigung der mechanischen Gütewerte unter Umständen ein wirtschaftlich günstiger Einsatz erreicht werden. 1.1.1.3 Legierungen In speziellen Fällen werden bei elektrischen Maschinen, z. B. zur Erreichung optimaler Verhältnisse beiDämpferstab-, Anlauf- oder Kurzschlußkäfigwicklungen, 1*

4

R.

KNOBLOCH:

Leiterwerkstoffe

als Leiterwerkstoffe Kupfer- oder Aluminium-Legierungen verwendet. Hierfür kommen in Betracht: Kupfer-Zink-Legierungen (Messing, Sondermessing), Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinn bronze ), Kupfer-Silizium -Legierungen (Siliziumkupfer ), Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen (z. B. KUPRODUR), Kupfer-Aluminium -L egierungen (Aluminium bronze), Aluminium -Magnesium -Silizium -Legierungen (Knetlegierungen), Aluminium-Silizium -Legierungen (Gußlegierungen, Druckguß ), Kupfer-Mangan-Legierungen (Mangankupfer ), Kupfer -Beryllium -Legierungen (Berylliumku pfer), Kupfer-Kadmium-Legierungen (Kadmiumkupfer ), Kupfer-Zirkon-Legierungen (Zirkonkupfer). 1.1.2 Einschlägige Normen

Die für Leiterwerkstoffe in Betracht zu ziehenden Normen sind: DIN 1708 Hüttenkupfer DIN 1787 Kupfer in Halbzeug DIN 40500 Kupfer für die Elektrotechnik Bl. 1 Bleche und Bänder, Technische Lieferbedingungen Bl. 2 Rohre, Technische Lieferbedingungen Bl. 3 Profile und Stangen, Technische Lieferbedingungen Bl. 4 Drähte, Technische Lieferbedingungen DIN 17670 Bleche und Bänder aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen Bl. 1 Festigkeitseigenschaften BI. 2 Technische Lieferbedingungen DIN 17671 Rohre aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen BI. 1 Festigkeitseigenschaften Bl. 2 Technische Lieferbedingungen DIN 17672 Stangen und Drähte aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen BI. 1 Festigkeitseigenschaften Bl. 2 Technische Lieferbedingungen DIN 17673 Gesenkschmiedestücke aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen Bl. 1 Festigkeitseig0nschaften Bl. 2 Technische Lieferbedingungen Bl. 3 Gestaltung Bl. 4 zulässige Abweichungen DIN 17674 Strangpreßprofile aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen Bl. 1 Festigkeitseigenschaften Bl. 2 Technische Lieferbedingungen BI. 3 Gestaltung Bl. 4 gepreßt, zulässige Abweichungen Bl. 5 gezogen, zulässige Abweichungen DIN 1712 Aluminium Bl. 1 Reinstaluminium und Hüttenaluminium Bl. 3 Reinstaluminium und Reinaluminium in Halbzeug

Einteilung der Werkstoffe nach Leitfähigkeit

DIN 40501 BI. BI. BI. BI.

1 2 3 4

DIN 1745 BI. 1 BI. 2 BI. 3 DIN 1746 BI. 1 BI. 2 DIN 1747 BI. 1 BI. 2 DIN 1748 BI. 1 BI. 2 DIN 1718 DIN 17662 DIN 17660 DIN 17665 DIN 17666 DIN 17655 DIN 1725 BI. 1 BI. 2

5

Aluminium für die Elektrotechnik Bleche und Bänder, Technische Lieferbedingungen Rohre, Technische Lieferbedingungen Profile, Stangen, Technische Lieferbedingungen Drähte, Technische Lieferbedingungen Bleche und Bänder aus Aluminium (Reinstaluminium, Reinaluminium und Aluminium -Knetlegierungen) Festigkeitseigenschaften Normalqualität, Technische Lieferbedingungen Eloxalqualität, Technische Lieferbedingungen Rohre aus Aluminium (Reinstaluminium, Reinaluminium und Aluminium -Knetlegierungen) Festigkeitseigenschaften Technische Lieferbedingungen Stangen und Drähte aus Aluminium (Reinstaluminium, Reinaluminium und Aluminium -Knetlegierungen) Festigkeitseigenschaften Technische Lieferbedingungen Strangpreßprofile aus Aluminium (Reinstaluminium, Reinaluminium und Aluminium-Knetlegierungen) Festigkeitseigenschaften Technische Lieferbedingungen Kupferlegierungen, Begriffe Kupfer-Knetlegierungen: Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinnbronze) Zusammensetzung Kupfer-Knetlegierungen: Kupfer-Zink-Legierungen (Messing Sondermessing) Zusammensetzung Kupfer-Knetlegierungen: Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminium-Bronze) Zusammensetzung Kupfer-Knetlegierungen, niedriglegiert Guß-Kupfer und Guß-Kupfer-Chrom-Legierungen, Gußstücke Aluminium -Legierungen Knetlegierungen Gußlegierungen

1.1.3 Einteilung der Werkstoffe nach Leitfähigkeit

Oftmals muß auf Grund elektrischer Gegebenheiten ein Leiterwerkstoff mit ganz bestimmter elektrischer Leitfähigkeit für die optimale Bemessung der Maschine eingesetzt werden. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt einen groben Überblick über die Einteilung der Werkstoffe nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Die genauen Werte sind aus der Tabelle 2 der physikalischen Eigenschaften ersichtlich. Die elektrische Leitfähigkeit nach internationalen Maßeinheiten wird in S/m oder in 1/(Qm) angegeben. Die bisher verwendeten praktischen Maßeinheiten waren S m/mm 2 oder m/(Q . mm 2 ), wobei 1 S m/mm2 = 106 S/m ist.

R.

6

KNOBLOCH:

Leiterwerkstoffe

Manchmalfindet man auch die Leitfähigkeit für Kupfer angegeben in %LA.C.S. (International Annealed Oopper Standard), wobei 100% LA.C.S. einer Leitfähigkeit von 58.10 6 Sjm (für die Bezugstemperatur 20°C bzw. 68°F) entspricht [4]. Tabelle 1. Werkstoffe nach elektrischer Leitfähigkeit geordnet Leitfähigkeit in S/m

Werkstoffe

63 X 106

Ag

57

E-Cu F 20, SE-Cu F 20

56

E-Cu F 25, SE-Cu F 25, E-CuAg F 25, SE-CuAg F 25 E-Cu F 30, SE-Cu F 30 E-CuAg F 30, SE-CuAg F 30

55

E-Cu F 37, SE-Cu F 37 E-CuAg F 37, SE-CuAg F 37 CuCd 0,2 CuCd 0,4 CuCd 0,7 CuMg 0,1 CuCd 1 CuMgO,4 CuCdSn CuSi 0,11

53 52 48 45 36

35

30

25

E-Al E-Al E-Al E-Al E-Al E-Al

F 6,5, E-Al F 7 F 8

F9 F 10 F 11 F 13 CuSi 0,18 E-AIMgSi E-AIMgSi 0,5 AIMgSi 0,5w AIMgSi 0,8w AIMgSi 1w CuSn 1 AIMgSi 0,5v AIMgSi 0,8v AIMgSi 1v CuSi 0,26 Leitbronze

23

CuZn 5

21

GD-AlSi 12

19

CuZn20 CuMn2 CuNi 1,5 Sihv CuNi 2 Si hv CuNi 3 Si hv CuSi 0,4

18

CuSn2 CuMgO,7

Physikalische und technologische Eigenschaften

7

Tabelle 1 (Fortsetzung) Leitfähigkeit in S/m

Werkstoffe

17 X 106

CuSi 0,5 CuBe 1,2 v

14

CuSn4 CuBe 1,7 v CuBe 2 v

13

CuZn28 Sn

13

CuZn20 Al CuNi 1,5 Si w, CuNi 1,5 Si h

11

CuNi 2 Si w, CuNi 2 Si h CuBe 1,2 w

9

CuSi1 CuBe 1,7 w CuNi 3 Si w, CuNi 3 Si h CuBe2w CuZn 31 Si CuZn 40 Mn CuSn6 CuAl5

8

CuSn8 CuAl8

6

CuSi2 CuMn5 CuZn 35 Ni

w= weich, h = kaltverformt, v = ausgehärtet, hv = kaltverformt und ausgehärtet.

1.2 Physikalische und technologische Eigenschaften Neben der elektrischen Leitfähigkeit, die für Leiterwerkstoffe von elektrischen Maschinen von ausschlaggebender Bedeutung ist, sind auch andere physikalische und technologische Eigenschaften wichtig, insbesondere die mechanische Festigkeit, der Längenausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die wichtigsten Werte zusammengestellt. Maßgebend dafür sind die einschlägigen Normen [1] und, soweit es sich um bisher nicht genormte Werkstoffe handelt, die Herstellerangaben, z. B. [3], oder einschlägige Handbücher [5-9]. Die Festigkeitseigenschaften des Kupfers werden verbessert durch geringe Beimengungen von z. B. Arsen (0,2-0,5% As) oder Kadmium (0,7-1,2% Cd) oder Magnesium (0,1-0,7% Mg). Eine Verminderung der Kerbempfindlichkeit wird durch Tellur (0,3-0,7% Te) erreicht. Geringe Beimengungen von Chrom (0,4-0,8% Cr) liefert eiue aushärtbare Gußlegierung. Zusätze von Silber (0,03 bis 0,2% Ag) ebenso wie Kadmium, Tellur und Zirkon (0,25-0,5% Zr) erhöhen die Erweichungstemperatur und verbessern damit die Warmfestigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit wird bei diesen niedrig legierten Kupfersorten nur unwesentlich, maximal bis zu 20%, vermindert. Höhere L3gierungszusätze, wie sie slch aus Tabelle 2 ergeben, verändern die Eigenschaften des Kupfers weitgehend.

R.

8

KNOBLOOH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2. PhY8ikali8che Eigen8chaften

Werkstoff

Normen

Zustand

elektrische

Dichte

I~eitfähig-

Q

keit

bei 20 e 0

>


35 23 18-28 (510)

::2: 50 ::2: 70 ::2: 70 -

~

70 ::2: 60 ~ 80

~

110

::2: 90 -

~

130

~

110

~

170

~

130

~

220-270

;:;; 130

270-330

~

190

>

22-32

10 6 (510)

25-35

> > > > > > > >

6 6 6

25-35 26-35 30-40

5

30-40

5

35-45

;:;; 150

330-400

~

200

~

310

> > > >

:;:>; 450

>

~

330

400

:;:>; 500

~

270

+

--

+

2 60

38

R:;

16

R:;

85

8

R:;

110

46

R:;

65

25

R:;

100

12

R:;

125

4

R:;

155

17

Dräht 18

+

+

- -- -

+ +

---- -- -

+

+ +

+

- -- -

+

95-120

15

I

----

85-105

18-25 20-26 20-30

16

Rohre

- -- -- -

70-90

> >

270-330

~

19,2

~

100 100 100

~

126

80

~ 90 90-130 ~

18,4

~

200-290 190-290

370 370

~

23,8

~

120

~

~

17

15

60-80

200-250 17

Stangen Bleche Profile Bänder

+

---+ - -- -

+

+

+ - -- + - -- -- -

1,5-3 4

10/ 120 3 )

- -- -- 10/ 60 3 )

+

+

- -- ---- - -+- -+5/40 3 )

+ ---+ -+- -+- + + -+--+- + + -+- -+- + -+- -+- -++ -+- -++ -+- -++

R.

10

KNOBLOCH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2

Werkstoff

Normen

Zustand

elektrische Leitfähig· keit

e

Schmelz· temperatur if s

Wärmespezif. leitfähig. Wärmekeit kapazität A c bei 20'0 bei 20'0

Sjm

kgjm'

'0

Wj(mK)

Jj(kgK)

4

5

6

7

8

xl0'

xl0'

15

8,4

900-915

113

389,4

15

8,4

875-885

113

410,3

12,5

8,3

960-1010

100,5

397,8

13,5

8,5

930-960

108,8

393,5

9,5

8,4

930-950

62,8

393,5

5,7

8,3

880-890

46,1

397,7

8,6

8,3

880-890

58,6

410,3

29

8,89

1060

187,6

18

8,86

1040

165,4

14

8,77

j

000

100,5

"

Dichte bei 20'0

bei 20'0

1

2

3

F30

CuZn 37

F 38 F45 F55 F 62 F 37

CuZn39 Pb 2

F44 F 51 F62 CuZn20AI

DIN 17660

P

DIN 17670 DIN 17671 DIN 17672

F34 F 35

CuZn28 Sn

F 33

CuZn 31 Si

F 38 F45 F50 F52 F60

CuZn 35 Ni

F45 F50 F55

CuZn 40 Mn

F45 F50

CuSn 1 1 )

CuSn2

DIN 17662 DIN 17670 DIN 17671 DIN 17672

w

h F 26 F28

CuSn 4 1 )

w

h

11

Physikalische und technologische Eigenschaften (Fortsetzung) Längenaus- Elastizitätsmodul dehnungsE koeffizient

Zugfestigkeit

0,2-Dehngrenze

(JB

G O• 2

Bruchdehnung (L,

6,

~

5d)

Lieferform

Brinellhärte HB

!XL

0-100'C K-l

Nimm'

Nimm'

Nimm'

%

9

10

11

12

13

300-380

;;;;; 200

380-450

~

450-550 550-620

X

10-

6

20,6

21

x 10'

112

95

stangenl Bleche Profile Bänder 15

14

45

R>i

70

200

> >

27

R>i

110

~

350

>

12

R>i

135

~

480

>

6

R>i

160

590

R>i

180

~

620

~

~

370

;;;;; 250

>

32

R>i

90

~

440

~

250

>

20

R>i

120

~

500

~

400

>

10

R>i

145

~

600

~

550

R>i

170

keine vorgeschriebenen Festigkeitswerte 19,8

20,2

17,5

105

105

100

~

340

;;;;; 160

>

35

R>i

85

~

350

~

140

>

30

R>i

85

~

330

~

100

>

40

R>i

80

380-450

;;;;; 300

>

35

R>i

95

450-520

~

200

>

22

R>i

120

~

300

15

R>i

150

~

340

> >

15

R>i

145

6

R>i

165

20

R>i

120

18

R>i

130

12

R>i

150

~

500

520-600

18,5

18,5

17

17

17

100

100

~

600

~

540

~

450

~

200

~

500

~

300

~

550

~

400

> > > >

~

450

~

180

>

20

R>i

120

~

500

~

280

>

18

R>i

135

270

70

>

40

R>i

55

320

280

>

10

R>i

100

~

260

;;;;; 150

>

50

R>i

60

~

280

;;;;; 150

>

35

R>i

60

320

80

>

45

R>i

65

450

350

>

8

120

120

115

"'" 120

I

Rohre

I

Drähte

-16- - - -1817

+ + + -------+ + + - -- -- + + + - -- -- + + + - - - -- + - -- -- + + + - -- -- + + + - -- -- + + -+- - - - + - -- -- -- + - -- -- -- + - -- -- + - -- -- -- + - -- -- + - -- -- + + + - -- -- + + - - - -- + - - - -- + - -- -- + - -- -- + + - -- -- + + - - - -- + + - -- -- -- + + - -- -- + + + - -- - - + + + -----+ - -- -- + - -- -- + + + - -- -- + + +

R.

12

KNOBLOOH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2

Werkstoff

Normen

Zustand

elektrische Leitfähig· keit

"

Dichte

e

bei 20'0

Schmelz· temperatur ffs

bei 20'0

2

1

3

F 35

CuSn6

Wärme· spez. leitfähig· Wärme· keit kapazität A

bei 20'e

Hjrn

kg/m'

'e

4

5

6

x 10'

x10'

9

8,73

c

bei 20'e

W/(mK) (J/(kgK) 7

8

F 41 F 48 F50 F56

975

67

F 62 F 65 F 75 CuSn8

-

F 38 F40 F 46 F 53

8

8,75

860 bis 1015

59,5

F 55 F 60 F70 CuMg 0,1

1)

CuMgO,4

DIN 17666 DIN 17672

CuMgO,7

h

48

8,92

1081

322,4

381

F 58

36

8,91

1076

242,8

381

F66

18

8,90

1070

19

8,8

1050

125,8

376,8

6

8,6

1055

41,9

376,8

9

8,3

1055

83,7

8

7,75

1030

58,6

CuMn5

DIN 17666 DIN 17670 DIN17671 DIN 17672

F36

CuAl5

DIN 17665

F35

DIN 17670 DIN 17671 DIN 17672

F45

CuMn2

CuAl8

F 27 F 30

F38 F 50

376,8

CuCd 0,2 1 )

h

55

8,9

1078

322,4

372,6

CuCd 0,4 1 )

h

53

8,9

1078

322,4

372,6

53

8,9

1078

322,4

372,6

h

52

8,9

1078

322,4

372,6

CuCd 1

F 35

45

8,9

1078

322,4

372,6

CuCdSn

F 56

36

8,8

1070

CuCd 0,5

DIN 17666

F 35

DIN 17672

F50 F 66

CuCd 0,71)

376,8

13

Physikalische und technologische Eigenschaften (Fortsetzung) Längenaus- Elastizitätsdehnungsmodul koeffizient E

Zugfestigkeit

0,2-Dehngrenze

55

~

85

410-480

~

200

> 30

R;

120

480-560

~

350

> 22

R;

155

500-620

~

400

> 12

R;

155

560-650

~

500

> 10

R;

175

~

520

>

7

R;

185

~

600

>

5

R;

195

~

700

>

5

~

220

380-460

~

300

> 60

R;

90

400-460

~

300

> 60

R;

90

460-530

~

250

> 35

R;

135

530-600

~

430

> 23

R;

160

~

470

> 10

R;

145

~

550

> 10

R;

185

~

650

>

R;

205

> 1,5 (1510 )

R;

115

(1510 )

R;

135 65

~

620

~

750

550

600-700

-

15

~

650-750

106,5

14

350-410

~

17,4

stangenl Bleche Rohre Profile Bänder

~

700

3

-

17,5

125

> 500

17,6

123

> 580

17,6

126

~

660

~

600

17,5

127

~

270

~

90

> 45

R;

~

300

~

120

> 50

~

65

21,2

125

~

360

~

160

> 35

R;

80

~

350

~

100

> 50

R;

80

;;;:: 450

~

250

> 18

R;

125

~

120

> 30

R;

90

~

280

> 15

R;

130

18 18

125 124

~

380-

~500

17

125

> 450

17

125

> 500

~500

>1

350-500

~

250

>

7

R;

90

500-660

~

450

>

1

R;

110

~

600

R;

135

320

R;

105

R;

115

17

125

17

125

> 500

17,5

121

~

350

~

17

125

~

560

~480

~

660

> 1 (1510 )

>

8

> 2 (610)

-16- -17-

+ -+- -++ -+- -++ -+- - - - -++ -+- - - - -++ -+- - -+- - -+- - + - - -++ -+- -++ -+- - - - -++ + -+ -+-- - - --,-

+ - -- + - -- + - --+-+- - + -+- -++ -+- -++ -+- - + -+- -++ - - -+-

Drähte 18

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

- -- - -- + - -- - + + - -- - + + - -- - +

- -- -

+- - - - - + -+ +

R.

14

KNOBLoeH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2

Werkstoff

Normen

Znstand

elektrische Leitfähigkeit x

Dichte p

bei 20'e

Schmelz· temperatur &s

E-AIMgSi E-AIMgSi 0,5 AIMgSi 0,5

2

3

DIN 1745 DIN 1746 DIN 1747 DIN 1748

kgjm'

ce

4

5

6

7

2,7

600-640

167,5 bis 209,3

2,7

600-640

167,5 bis 1046,7 209,3

2,7

600-640

167,5 bis 1046,7 209,3

2,7

600-640

167,5 bis 1046,7 209,3

570

30-32 w

e

bei 20'e

Sjm

x 10'

DIN 1725

J-

bei 20'e

bei 20'e

1

spez. Wärmeleitfähig- Wärmekeit kapazität

X

Wj(mK) Jj(kg K)

10'

8

921,1 1046,7

30-32

F 10 F 13 F22

AIMgSiO,8

AIMgSi 1

F25

23-28

F 20

30-32

F28

23-28

w

30-32

F 20 F 28 F32

23-28

DG-AlSi 12

20-22

2,65

CuSi 0,11 1)

34-38

8,9

CuSi 0,18 1)

29-34

8,9

CuSi 0,26 1)

24-26

8,9

CuSi 0,40 1)

17-20

8,9

CuSi 0,50 1)

15-18

8,9

CuSi 1 1 )

9-10

8,8

CuSi 2 1 )

6

8,8

159,1

15

Physikalische und technologische Eigenschaften (Fortsetzung) Längenaus- Elastizitätsmodul dehnungskoelfizient E

Zugfestigkeit

0,2-Dehngrenze

(JB

°0,2

Bruchdehnung 8. (L o ~ 5 d)

Lieferform

Brinellhärte HE

"L

0-100'0 K-l

Nimm'

Nimm'

Nimm'

%

9

10

11

12

13

x 10-'

22-23,4

Stangen Bleche Profile Bänder 15

14

23,7 bis 24,5

23,7 bis 24,5

19-22

Drähte

--- --- --16

17

18

x10'

60-63

--- --- ---

23-24

23,7 bis 24,5

Rohre

68-72

68-72

68-72

~

70

~

30

>

20

~

23

~

100

~

70

>

7

~

30

~

130

~

120

>

4

~

38

~

220

~

160

>

12

~

70

~

250

~

200

>

10

~

75

~

100

>

16

~

60

~

200

>

12

~

80

>

18

~

35

200-270 ~

280

~

150

200-270

~

100

>

15

~

60

~

280

~

200

>

12

~

80

~

320

~

260

>

10

~

95

200-280

120-180

1-3

70-90

--- --- ---

+ + --- --+ --+ + --+ --- --+ -+ - --+ + --+ ----- --- --+ ----- --- --+ + --+ --+ --+ + --+ --+ --+ --++ -+- - + -+ - --+ + --+ --+ --+ --+ + + + + Druckguß

Diese Legierungen sind durch Patentanmeldung geschützt (Auslegeschrift Nr_ 1271407, 1965/1968). Festigkeitswerte können hierfür nicht angegeben werden, sie liegen aber mit Sicherheit über denen des reinen Kupfers, da Silizium sowohl die Festigkeitseigenschaften als auch die Korrosionsbeständigkeit des Kupfers erhöht.

R.

16

KNOBLOCH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2

Werkstoff

Normen

Zustand

I ausge-

nicht ausgehärtet 1

Cu Be 1,7

3

2

DIN 17666 DIN 17670 DIN 17671 DIN 17672

härtet

F 110

--

F 115

--

-F60 ---

F 120

CuBe 1,2 1)

F 120

--

F 125

-(F65) --

F 120

--

-(F35) --(F50) -CuNi 1,5 Si

DIN 17666 DIN 17670 DIN 17671 DIN 17672

oe

Wj(mK)

Jj(kgK)

4

5

6

7

8

x 10'

xl0 3

I

13-14

13-14

8,4

900

113

380

12-13

-

13-14

13-14

8,3

870

113

380

8,6

940

138

380

12-13 11-12

(F80)

16-17 11-12

(F90)

16-17 10-11

(F95)

15-16

-

11-13

(F30)

Leitbronze 1)

kgjm 3

8-10

(F50)

--

c

bei 20 cU

Sjm

9-11

(F37)

--

Ä

bei 20 oe

9-11

F75

--

spez. WärmeSchmelztemperatur leitfähig- Wärmekapazität {}s keit

8-10

F42

CuBe2

e

9-11

F 70

--

"

Dichte bei 20 oe

bei 20 oe

9-11

F40

--F55 ---

elektrische Leitfähigkeit

(F60)

20-28 11-13

(F65)

20-28

8,8

1000

196,8

380

11-13 (F75) F45

- -- F42 -F 60 -F44 - -- F40 -F60

20-28

-

75,4

12-15 18-24

8,88

1050 bis

125,6

1070

12-15

75,4

18-24

125,6

376,8

17

Physikalische und technologische Eigenschaften (Fortsetzung) Längenaus- Elastizitätsdehnungsmodul E koeffizient

Zngfestigkeit

0,2-Dehngrenze

0-100°0 K- '

Nimm'

Nimm'

Nimm'

9

10

11

12

x 10-'

17

17

17

x10'

125

;;:;;

135

~

~

Brinell HB

13

I

Vickers Stangen HV Profile Bänder

14

15

> 35

~100

;;:;; 1100

>

2

;;:;;340

125

;;:;; 550

;;:;; 450

>

3

~180

135

;;:;; 1150

;;:;; 1050

>

1

;;:;;350

125

;;:;; 700

;;:;; 600

>

1

;;:;;200

135

;;:;; 1200

;;:;; 1100

>0,5

;;:;;360

125

;;:;; 420

;;:;; 220

> 35

~100

135

;;:;; 1200

;;:;; 1050

>

2

;;:;;360

125

;;:;; 600

;;:;; 500

>

3

~200

135

;;:;; 1250

;;:;; 1150

>

1

;;:;;370

125

;;:;; 750

;;:;; 650

>

1

;;:;;220

135

;;:;; 1300

;;:;; 1200

>0,5

;;:;;380

115

>

160

> 35

130

;;:;; 370 ;;:;; 800

>

700

>

6

~230

115

;;:;; 500

>

300

>

5

~145

130

>

800

>

3

~260

>

600

>

2

~190

130

;;:;; 900 ;;:;; 650 ;;:;; 950

>

900

>

2

~280

110

>

300

>

150

> 35

~

120

>

600

>

500

> 16

~185

110

>

350

>

200

>10

~110

120

>

650

>

520

> 15

~195

110

>

500

>

450

>

6

~150

120

>

750

>

550

> 15

~21O

450

;;:;; ;;:;; ;;:;; ;;:;;

300

> 15

~140

350

>

8

~120

>10

~180

-~

400

;;:;; 420 ;;:;; 600

16 143

2

11

;;:;; 200 ;;:;; 950

115

18

'""" * r.c~~ * 0

14

"0

LIeferform

Härte

~

~

aO,2

(JB

"'L

Bruchdehnnng

;;:;; 440 ;;:;; 400 ;;:;; 600

Sequenz, Herstellnng

550 300

~

> 17

~140

;;:;; 3000

>

9

~125

;;:;; 540

> 12

~180

+

RlOO"' """" -\16

17

+

Drähte 18

+

- -- -- -

+ + + + +

90

+

+

+

+

- - - -- - - - -- -

+

+

+

+

+

+

+

+

+

- -- -- -

- -- -- - -- -- - -- -- - -- -- -

- -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- - - - -- -- - -- -- - -- -- -

80

- -- -- -

-+- -+- - -

-+- -+- - -

-+--+- - + - -- - - + - -- -- +

R.

18

KNOBLOOH:

Leiterwerkstoffe Tabelle 2

Werkstoff

Normen

Zustand

I

nicht ausgehärtet 1

2

CuNi 2 Si

ausgehärtet

3

-F43 ---

F50 F65

F 27

--F42 --

F50 F65

F45

CuNi 3 Si

DIN 17666

--

e

spez. SchmelzWärmetemperatur leitfähig- Wärme{} kapazität kelt ;. c bei 20'0 bei 20'0

S/m

kg/m'

'0

W/(mK)

J/(kgK)

4

5

6

7

8

xl0'

xl0'

17-23

155

10-14

67

17-23

155

10-14

67

17-23

155

8,88

1040 bis 1060

67

17-23

155

17-23

155

10-14

67

F65

17-23

155

F 70

17-23

154,9

8-12

58,6

DIN 17670 F60 DIN 17671 - F80 DIN 17672 - - - F70

-F62

--

"

Dichte bei 20'0

bei 20'0

10-14

- -- F50 --

--

elektrische Leitfähigkeit

F85

17-23

8,88

1030 bis 1050

154,9

8-12

58,6

17-23

154,9

376,8

376,8

w weich h kaltverformt p gepreßt

Es ist jedoch unbedingt darauf hinzuweisen, daß durch Hartlöten, Schweißen oder andere Wärmebehandlungen im wärmebeeinflußten Bereich, der je nach Dauer des Wärmeeinflusses und der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes mehr oder weniger ausgedehnt sein kann, der Zustand "weichgeglüht" vorliegt. Dies ist bei Festigkeitsbetrachtungen stets zu berücksichtigen.

1.2.1 Dauerfestigkeit und Zeitstaudverhalten

Bei der Dauerfestigkeit ist zu unterscheiden zwischen der Dauerschwingfestigkeit - also der Spannung, die bei dynamischer Beanspruchung ein Werkstoff ohne Bruch dauernd ertragen kann, - und der Dauerstandfestigkeit - jener Spannung, bezogen auf den Anfangsquerschnitt, die ein Werkstoff unter kon-

19

Dauerfestigkeit und Zeitstandverhalten (Fortsetzung) Längenans- Elastizitätsmodul dehnungsE koeffizient

Zngfestigkeit

0,2-Dehngrenze

aB

0 0 ,2

Nimm'

Nimm'

Nimm'

9

10

11

12

xl0-'

x 10'

r.o"'l1

143

60

-

350

;:;:; 420

;;:0: -

350

650

;;:0: -

600

;;:0: -

500

;;:0: -

350

;;:0:

450

;;:0: -

380

;:;:; 650 ;:;:; 700

;;:0:

600

;;:0: -

600

;;:0: -

580

;;:0:

800

;;:0:

750

> 35 > 15 > 8 > 10 > 18 --> 10 -> 12 > 8 > 8 > 10

-

-

;:;:; 700 ;;:0: -

620

;:;:; 850

3 4

-

;:;:; 550 -

HB 14

;;:0:

-

Brinell

13

500

;;:0:

-

2

:3:

'*

;;:0:

-

143

JII

> 14 > 6 > 8

500

;:;:; 430 ;:;:; 650 ;:;:; 270

;;:0:

16

0

...;

~

;:;:; 350 ;:;:; 370 ;:;:; 600

;;:0: -

16

:3:

Härte

;:;:; 550 ;:;:; 560 ;:;:; 800

Lieferform

~

~

""'

!XL

0-100 'e K-l

1

Brnchdehnnng

> 8 > 8 > 8

~160 ~135 ~190 ~

70

~

160

~

140

~

190

~

160

~

140

~200

~

200

~

180

~

220

~

190

~

180

~

220

sm.T'·clre I I Profile 15

Bänder Rohre 16

17

Drähte 18

+ I --+1= ---±-~

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Nicht genormte Werkstoffe Leitfähigkeit für CuAg Maximale Dicke und Breite Durchmesserbereich

stanter statischer Beanspruchung und konstanter Temperatur ohne Bruch oder unzulässige Verformung auf die Dauer verträgt_

1.2.1.1 Dauerschwingfestigkeit Die Höhe der Dauerschwingfestigkeit wird beeinflußt durch den Zustand des Werkstoffes (Behandlungszustand, Gefüge), durch seine Oberflächenbeschaffenheit (metallurgischer Zustand, Bearbeitungszustand) und die äußeren Einflüsse (Amplitude, Frequenz, Temperatur). Als Grenzwert für die Dauerschwingfestigkeit von Kupfer und Aluminium gelten 108 Lastwechsel. Bei Dauerschwingfestigkeitsprüfungen begnügt man sich allgemein mit 50 . 106 Lastwechseln, um die Prüfdauer in erträglichen Grenzen zu halten.

2*

R. KNOBLOCH: Leiterwerkstoffe

20

Normwerte für die Dauerschwingfestigkeit gibt es nicht. Für Kupfer mögen als Anhalt die beobachteten Werte [7] gelten: Tabelle 3. Biegewechselfe8tigkeit von Kupfer Werkstoff

Zustand

Kupfersorten nach DIN 1787

F F F F

20 25 30 37

Verformungsgrad

Biegewechselfestigkeit O'bW Njmm 2 (n = 108 )

o

65-77 80-100 90-135 80-130

%

(weichgeglüht) (kaltverformt) (kaltverformt) (kaltverformt)

10-20 25-45 50

(n = Lastwechselzahl)

Für Aluminium und Aluminium-Legierungen können als Anhalt folgende Werte [3, 6] dienen: Tabelle 4. Biegewech8elfe8tigkeit von Aluminium-Werkstoffen Werkstoff

Zustand

Biegewechselfestigkeit O'bW Njmm 2

Al 99,5

weich hart weich ausgehärtet

35 60 60 95 55-65

AlMgSi GD-AlSi 12

1.2.1.2 Dauerstandfestigkeit

Für die Dauerstandfestigkeit findet man nur sehr spärlich zuverlässige Angaben, da die Ermittlung dieser Werte wegen des großen Aufwandes an Prüfzeit und wegen der verschiedenen Parameter (Kaltverfestigungsgrad, Temperatur, Legierungsbestandteile) recht schwierig ist. Einige Werte für Kupfer sind aus nachfolgender Tab. 5 zu entnehmen [7]: Tabelle 5. Zeit- und Dauerstandfe8tigkeit bei 200 bzw. 300 und 350°0 von verschiedenen Kupfer80rten mit geringen Legierung8zusätzen Kupfersorte

Zeitstandfestigkeit

Dauerstandfestigkeit

O'B!IoOh

O'B/CO

115 126 137 150 155 196 332 69 40 75 52

(100) (110) 131 140 142 196 330 40 (15) 45 25

in Njmm 2

E-Cu (0,035% 0) SE-Cu ("OFHC") SE-Cu + Ag (0,054% Ag) Cu 0,1% Mn E-Cu + Ag (0,035% 0 + 0,029% Ag) Cu + 0,4-0,6% Cd Cu 0,9%Cr B-Cu (0,067% 0 + 0,34% As)

+

+

B-Cu + Ag (0,025% 0 0,072% Ag)

+

+ 0,31 % As

in Njmm 2

Prüftemperatur

°C

200

300 350 300 350

21

Dauerfestigkeit und Zeitstandverhalten

Da sowohl bei Kupfer als auch bei Aluminium durch Hinzulegierung anderer Elemente im allgemeinen die Festigkeitseigenschaften verbessert werden, trifft dies auch für die Dauerstandfestigkeit zu. 1.2.1.3 Zeitstandfestigkeit Für Bauteile, die insbesondere erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind und bei denen sich ein Kriechen des Werkstoffes bereits deutlich bemerkbar macht, sind die Zeitstandfestigkeit und die Zeitdehngrenze von großem Interesse. Zeitstandfestigkeit bei bestimmter Temperatur ist die auf den Anfangsquerschnitt der Probe bei Raumtemperatur bezogene ruhende Belastung, die nach Ablauf einer bestimmten Belastungszeit einen Bruch der Probe hervorruft.

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12Z.7

Abb. 1. Zeitstandfestigkeit verschiedener Kupfertypen im weichgeglühten Zustand bei erhöhten Temperaturen

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Abb. 2. Zeitdehngrenze

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°c

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von weichgeglühtem, sauerstofffreiem Kupfer (SE-Cu,

"OFHC") in Abhängigkeit von der Temperatur

22

R. KNoBLocH: Leiterwerkstoffe

Die Zeitdehngrenze (auch Kriechgeschwindigkeitsgrenze) bei einer bestimmten Temperatur ist die Spannung, bei der eine bestimmte prozentuale Dehnung in einer bestimmten Zeit erreicht wird, z. B. O"O,Ol!lOOOh (Zugspannung, die eine bleibende Dehnung von 0,01 % nach 1000 Stunden Belastungszeit hervorruft). In Tab. 5 sind Zeitstandfestigkeitswerte für Kupfer bei verschiedenen Temperaturen und einer Belastungszeit von 100 Stunden genannt [7]. Aus den Abb. 1, 2 und 3 ergeben sich Zeitstandfestigkeit und Zeitdehngrenze für verschiedene Kupfersorten in Abhängigkeit von der Temperatur [7]. Die gleichen Werte für Aluminium folgen aus den Abb. 4, 5 und 6 [6]. .J(J(J

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oe

Abb.6. Zeitstandverhalten Aluminium-Legierung AI Mg Si 1 F 32. Die Werte für 100000 Stunden sind extrapoliert (Daten nach WELLINGER, KEIL und MAlER)

1.2.2 Kaltverfestigung durch mechanische Verformung

Bei knetbaren metallischen Werkstoffen unterscheidet man bei der Verarbeitung zwischen Warm- und Kaltverformung. Größere Verformungen werden, soweit es der Werkstoff zuläßt, in der Wärme vorgenommen. Bei Kupfer sind Temperaturen zwischen 900 und 600 oe einzuhalten. Die Anfangstemperatur muß auf jeden Fall so hoch gewählt werden, daß eine Verformung unterhalb 500 oe nicht mehr stattfindet, weil sonst beim nachfolgenden Glühen Grobkornbildung eintritt. Durch Kaltverformung können einerseits Halbzeuge mit sehr genauen Abmessungen gefertigt werden, andererseits ist mit Ausnahme aushärtbarer Legie-

24

R. KNOBLOCH: Leiterwerkstoffe

rungen nur auf diesem Wege ein bestimmter Endzustand bezüglich Festigkeit und Härte zu erreichen. Aus Abb. 7 [5] ist die Zunahme der Festigkeit von Kupfer in Abhängigkeit vom Verformungsgrad ersichtlich. In Abb. 8 ist zum Vergleich die Kaltverfestigung von Aluminium, Kupfer und Messing aufgetragen. Es sei darauf hingewiesen, daß auch starke Kaltverformungen der Leiterwerkstoffe bei der Herstellung von Wicklungen zu ihrer Verfestigung führen. lZtl ,~

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2

Bis etwa 3000 V Nennspannung im allgemeinen nur in den Phasentrennungen. Hauptsächlich für Maschinennennspannungen über 3,3 kV.

Bänder vorimprägniert, daher keine Imprägnierung mehr notwendig, evtl. Schutzlack

Normalerweise keine zusätzliche Imprä· gnierung, lediglich Spritzen der fertigen Wicklung mit Schutz lack

Im Hinblick auf die Wickelkopfabstützung und als Feuchtigkeitsschutz meist Tauchung des fertig bewickelten Stators

Imprägnierung, Behandlung

1

155 bzw. 180°C

130°C

155-180°C je nach Wahl des Tränkmittels bzw. der verwendeten Isolierstoffe

Üblicherweise höchstzulässige Leitertem pera tur

Epoxidsysteme starr, Silastsysteme flexibel

Im allgemeinen flexibel (Abstützung mit Distanzelementen aus festem Isoliermaterial (z. B. Holz)

Im allgemeinen starr (imprägnierbare Kordeln usw.)

Wickelkopfbeschaffenheit

Imprägnieren der Einzelspule meist im VakuumfDruckverfahren, anschließend Spritzen der fertigen Wicklung

130-155°C

Im allgemeinen flexibel

Nach Einbau der gesamten Wicklung (Ganztränkung)

155°C

Starr

Keine, lediglich evtl. Spritzen mit Schutzlacken

180°C

Flexibel

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~

~

~

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E

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114

M.

BRÜDERLINK:

Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV)

1.1.3.4 Hauptisolation Auf die so vorbereitete Spule wird anschließend die Hauptisolation aufgebracht bzw. die Hauptisolation in die Nuten eingeschoben und die Spule dann in diese hineingelegt. Von den heute zur Anwendung kommenden Isolationsverfahren sind die wichtigsten in Tab. 12 zusammengestellt. Grundsätzlich ist dabei zu bemerken, daß es im allgemeinen bis zu Spannungen von etwa 1000 V ausreichend ist, wenn lediglich im Eisenteil eine zusätzliche Hauptisolation aufgebracht wird. Ab etwa 3000 V wird dann auch der ganze Wickelkopf mit einer solchen versehen, während es im Zwischengebiet meist genügt, im Wickelkopf nur die Phasentrennungen zu isolieren. Das einfachste Verfahren für die Herstellung der Hauptisolation besteht darin, daß die Nut lediglich mit einer zusätzlichen Folie ausgelegt wird, die nach dem Einbau der Spule gegenseitig überlappend um die Spule gelegt wird (System A, Tab. 12). Diese Lösung findet im allgemeinen nur Anwendung für Maschinenspannungen bis zu etwa 3300 V.

Abb.50. Maschinelles Aufwickeln eines Isolierbandes (Nutisolation) auf eine Formspule

Die bis vor wenigen Jahren wohl hauptsächlich verwendete Isolierung war die mit Schellackmicafolium (Gruppe B, Tab. 12), das in breiten Bahnen um die Leiterbündel im Eisenteil gewickelt und anschließend bei erhöhter Temperatur nachgezogen und satt auf diese gepreßt wurde. Diese Lösung war relativ wirtschaftlich, zeigt jedoch bei den gesteigerten Anforderungen an die Isolierung, bedingt durch die höheren Maschinenausnützungen, wesentliche Nachteile, wie nur begrenzte thermische Belastbarkeit, Gefahr von Luftspaltbildung und somit Verschlechterung des Wärmeüberganges, geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber äußerer Verschmutzung und Feuchtigkeit. Eine erste Verbesserung stellen die Systeme C dar, bei denen das Schellack durch ein thermohärtendes Kunstharz und die Papiere durch Kunststoffolien oder Glasseidegewebe ersetzt wurden, während der Fertigungsprozeß praktisch wenig geändert wurde.

Wicklungen mit Profildrähten (Formspulen)

115

Abb. 51. Statorpaket eines Drehstrom-Motors mit offenen Nuten während der Montage einer Zwei-Schicht-Wicklung

Abb. 52. Bewickelter Stator, fertig zum Imprägnieren nach der Ganztränkungsmethode

8*

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M.

BRÜDERLINK:

Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV)

Ein weiterer Schritt wurde mit den Systemen D gemacht, bei denen die Spulen mit einem Kunstharz in einem Vakuum/Druck-Verfahren imprägniert werden. Dadurch kann eine sehr homogene Isolierung im Eisenteil erzielt werden; mit Rücksicht auf den Spuleneinbau sind die Wickelköpfe durch Sondermaßnahmen verformbar zu gestalten. Das wohl in den letzten Jahren am meisten an Bedeutung gewonnene Verfahren E ist das der Ganztränkung. Dabei werden die Spulen im Nut- und Kopfteil durchgehend lagenweise mit einem porösen und imprägnierfähigen Isolierband umwickelt (Abb.50), dann in die Nuten eingelegt (Abb. 51), im Wickelkopf distanziert und gleichzeitig die Nuten mit Keilen verschlossen. Nach einem anschließenden Trocknungsprozeß, bei dem das ganze Magnetgestell mit der Wicklung in einen Ofen gebracht wird, erfolgt eine Vakuum/Druckimprägnierung mit einem lösungsmittelfreienKunstharz in einem entsprechend großen Autoklaven (Abb. 52). Anschließend wird der bewickelte Ständer wiederum in den Ofen gebracht, zur vollständigen Aushärtung des Kunstharzes. Dieses Verfahren stellt sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht einen deutlichen Fortschritt dar, gestattet es doch eine höhere dielektrische und thermische Ausnützung der Isolierung. Zudem konnte auf diese Weise die Wickelkopfabstützung wesentlich verbessert sowie erreicht werden, daß diese Systeme weitgehend unabhängig sind gegenüber äußeren Verschmutzungen und Feuchtigkeit. Gelegentlich kommen auch reine Silikonelastomersysteme zur Anwendung (Gruppe F), sofern hohe thermische Beständigkeit sowie gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Wassereinwirkung gefordert werden. Wegen der relativ hohen Kosten haben sich diese Systeme nicht richtig durchsetzt; zudem bleibt ihre Anwendung wegen der nicht sehr guten Glimmbeständigkeit dieses Materials auf Maschinen mit Nennspannungen unter etwa 5 kV beschränkt. 1.1.3.5 Spulenein bau Bis zu Betriebsspannungen von 3000 V können die Profildrahtspulen in halbgeschlossene Nuten eingelegt werden, bei größeren Spannungen, die eine kompakte Nutisolation erfordern, die vor dem Einbau auf die Spulen aufgebracht werden muß, können die Wicklungen nur in offenen Nuten montiert werden. 1.1.3.5.1 Montage der Profildrahtträufelwicklung (Abb. 53)

Der prinzipielle Aufbau der Nutfüllung einer Profildraht-Träufelwicklung wurde in Abb. 39c gezeigt. Im Gegensatz zu den Runddrähten können jetzt ganze Teilspulenseiten, d. h. alle übereinanderliegende Drähte einer Spulenseite gleichzeitig eingeschoben werden. Die Breite des Nutenschlitzes ist etwas größer als die des isolierten Einzelleiters, d. h. ungefähr gleich der halben bzw. ein Drittel der Nutbreite. Der Schlitz wird mit einer Schutzfolie abgedeckt, um Verletzungen der Drahtisolation zu vermeiden. Während des Einträufelns müssen die Drähte Seite für Seite geordnet werden. Dieser Vorgang ist aus Abb. 166, Kapitel 1.2.4.1 ersichtlich. Die Zwischenlage und der Nutenverschluß (Keil) wird ähnlich wie bei den Runddrahtwicklungen eingebaut; wegen des geordneten Aufbaus der Spule in

Wicklungen mit Profil drähten (Formspulen)

117

Abb. 53. Stator eines Niederspannungsmotors während des Einträufelns der Profildrahtwicklung

Abb. 54. Verlöten der Spulenverbindungen einer Profildrahtwicklung aus Ganzformspulen

118

M. BRÜDERLINK: Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV)

der Nut, kann hier im Gegensatz zu den Runddrahtspulen auf eine U-förmige Ausbildung der Zwischenlage verzichtet werden. Wicklungen aus Profildrahtspulen, d. h. also Wicklungen für größere Maschinen, werden heute immer als Zweischichtwicklungen ausgeführt. Der Einbau der Spulen geht dabei wie folgt vor sich: Zuerst werden für einen Schritt nur die Spulenseiten eingelegt bzw. eingeträufelt, die in der Unterschicht der Nut liegen; die anderen Spulenseiten bleiben außerhalb der Nuten liegen. Dann legt man nacheinander, um den ganzen Umfang herum, alle anderen Spulen ein und füllt abschließend die letzten Nuten mit den noch freiliegenden, hochgehaltenen Spulenseiten des ersten Schrittes auf. Die Wickelköpfe müssen nicht mehr besonders geformt werden, da die Spulen bereits ihre endgültige Form haben. Die Verbindungen zwischen den Spulen werden auf einer Seite, der sog. Schaltseite, nach Wicklungsschema durch Hartlöten hergestellt (Abb. 54). An und für sich genügen zur Isolation der Spannung die Luftabstände der Spulen voneinander im Wickelkopf ; trotzdem empfiehlt es sich, besonders bei Spannungen über 1000 V, nebeneinanderliegende Spulen verschiedener Phasen im Wickelkopf zusätzlich mit einem Band zu isolieren. Einen weiteren Schutz gegen Überschläge erhält man ferner, wenn man die Zwischenlagen in den Nuten an beiden Seiten in den Wickelkopf überstehen läßt und somit eine Distanzierung zwischen den Schenkeln der Ober- und Unterschicht auch in den Wickelköpfen in der Nähe des Nutaustritts erzwingt. Während des Einbaus der Spulen zieht man durch die Wickelköpfe dicke Glasfaserkordeln, die nach der Beendigung der Wicklungsmontage mit einem Epoxid-Harz eingestrichen werden und so eine anpassungsfähige, mechanisch feste Wickelkopfabstützung ergeben. Das abschließende Tränk- und Imprägnierungsverfahren wird in der gleichen Weise wie bei den Wicklungen mit Runddrähten durchgeführt.

1.1.3.5.2 Montage der Profildrahtwicklungen in offenen Nuten Werden die Wicklungen in offenen Nuten untergebracht, so vollzieht sich der Einbau wie unter 1.1.3.5.1 beschrieben, nur mit dem Unterschied, daß die Spulenseiten auf einmal eingelegt werden können und nicht eingeträufelt werden müssen, und daß, nicht wie bei den Träufelwicklungen, die Spulenseite der Oberschicht vorerst außerhalb der Nut liegen bleibt, sondern zugleich mit der Unterschicht eingelegt wird. Bevor allerdings die letzten Spulenseiten eingelegt werden können, müssen die oberen Spulenseiten der zuerst eingelegten Spulen (Schrittspulen) hochgebogen bzw. hochgebunden werden. Ganz zuletzt können dann auch diese oberen Spulenseiten fortlaufend in die Nuten verlegt werden. Bei Spannungen bis 3300 V, verwendet man teilweise bereits Spulen, auf die man vor dem Einbau die Spulenisolation aufgebracht hat, zum Teil kombiniert mit einer Nuteinlage aus glimmerhaltigem Material, die wie bei den Träufelwicklungen vorgefalzt in die Nut eingelegt und dann über der Spule umgeklappt wird, bevor man den Nutkeil einschiebt. Über 3300 V werden nur noch Spulen mit einer kompakten, vor der Montage aufgebrachten Nutisolation verwendet.

Wicklungen mit Profildrähten (Formspulen)

119

Abb.55. Einbau der letzten Spulen einer Zwei-Schicht-Wicklung

Abb.56. Fertig bewickelter Stator von der Schaltseite her gesehen; man erkennt die Wickelkopfabstützungen aus saugfähigen Kordeln

120

M. BRÜDERLINK: Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV)

Beim Einbau dieser Spulen werden, wie aus Abb. 55 deutlich hervorgeht, die Wickelköpfe relativ starken Verformungen unterworfen und dementsprechend die Isolation mechanisch stark beansprucht. Diese Verformung ist vor allem bei den zuletzt eingelegten oberen Spulenseiten von Zweischichtwicklungen sehr groß, da dann die eine Spulenseite dieser Spulen zum Einlegen der Nutgrundseite der vorgängig eingelegten Spulen nochmals stark angehoben werden muß. In der Nut werden die Spulenseiten durch einen dünnen Zwischenstreüen distanziert (Abb. 45), der entweder aus einem festen Isolierstoff (Holz, Glashartgewebe) oder einem saugfähigen Gewebe (bei den ganz getränkten Systemen) besteht. Das Verschließen der Nuten erfolgt mit Keilen aus z. B. Buchenholz oder glasfaserverstärkten Kunststoffen oder auch mit magnetisch leitenden Keilen (siehe Abschnitt 1.1.1.2), die im allgemeinen möglichst satt eingepreßt werden, so daß sich eine gute radiale Pressung auf die Spulen seiten ergibt. Die Spulen untereinander werden mit am Umfang verlaufenden Verbindungen nach dem Spuleneinbau verbunden (Abb. 56). Diese und die Spulenteile im Wickelkopf müssen zudem gegenseitig und bei größeren Maschinen auch in axialer Richtung abgestützt werden. Dies kann entweder mit zwischen die Spulenköpfe eingebundenen festen Distanzklötzchen geschehen oder aber mit anpassungsfähigen Kordeln oder Bändern (Abb. 56), die entweder vor dem Einbau vorimprägniert werden, oder erst nachträglich durch Imprägnieren der ganzen Wicklung (Ganzimprägnierung). Vor allem beim letzten Verfahren erhält man damit eine mechanisch feste und spielfreie Wickelkopfabstützung. Zur Überprüfung der Materialqualitäten und ständigen Kontrolle des Herstellungsverfahrens mußten besondere Prüfmethoden entwickelt werden, die vor allem bei den nach dem Prinzip der Ganztränkung hergestellten Wicklungen angewendet werden. Diese Prüfungen sind so aufeinander abgestimmt, daß jede Fertigungsstufe mit einer Prüfung abgeschlossen wird und eventuelle Fehler sofort beseitigt werden können. Damit ist die Gleichmäßigkeit der Produktion gesichert und Gewährleistung geschaffen, daß das Isolationsniveau den einschlägigen Prüfvorschriften genügt. Schrifttum 1. SCHULER, R.: Isolationssysteme für rotierende Hochspannungsmaschinen. Brown Boveri Mitt. 57 (1970), 15-24. 2. Thermalastic epoxy insulation for large AC motors. Westinghouse Engineer März 1965, 34-38. 3. BRITSCH, M., und R. SCHULER: Die ganzimprägnierte Statorisolierung. Micadur Compact für Hochspannungsmaschinen. Brown Boveri Mitt. 54 (1967), 531-538. 4. MÖLLER, W., und K. NYLUND: Oerlikon Isolationssysteme. Bulletin Oerlikon 1967, Nr. 377/378,11-23. 5. REIMER, C.: Protolastic, eine neue Hochspannungsisolierung für Maschinen bis zur mittleren Größe. Siemens Z. 40 (1966), Beiheft: Motoren für industrielle Antriebe, S. 60-64. 6. HEILES, F.: Wicklungen elektrischer Maschinen und ihre Herstellung. Berlin -Göttingen Heidelberg: Springer. 1953. 7. RICHTER, R.: Lehrbuch der Wicklungen elektrischer ::\Iaschinen. Karlsruhe: G. Braun. 1952. 8. BiLA, C., A. L. FETITA und V. LEFTER: Handbuch der Wickeltechnik elektrischer Maschinen. Theorie, Konstruktion und Technologie von Wicklungen rotierender elektrischer Maschinen. Berlin: VEB Verlag Technik. 1969. 9. Fachkunde Elektromaschinenbauer. Berlin: VEB Verlag Technik. 1967.

Leiterwerkstoff und Leiterisolierung

121

1.2 Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Von O. Haus 1.2.1 Leiterwerkstoff und Leiterisolierung

Für die Anfertigung von Spulenwicklungen wird wegen der bei der Verarbeitung durch mehrmaliges Biegen auftretenden Verhärtung normalerweise gezogenes, weiches Elektrolytkupfer E-Cu F20 mit einer Leitfähigkeit von 57· 104 Slcm verwendet. Die Materialeigenschaften müssen DIN 40500 genügen. Die Abmessungen von blankem und isoliertem Kupfer sind in DIN 46433-436 festgelegt. In Sonderfällen verwendet man zur Vermeidung von Wasserstoffkrankheitl sauerstofffreies Kupfer SE-Cu, das ebenfalls in DIN 40500 genormt ist. Als Leiterisolation werden verwendet: Papier und Baumwolle (PB, 2PB usw.) bei Mikafoliumtechnik. Glasseide oder Lack mit Glasseide (z. B. 2 Gs, L2 Gs ... ) Glasseide in Verbindung mit Folie (F 2 Gs, 2 F 2 Gs) Feinglimmer mit Glas, Vlies oder Folie als Träger.

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Abb.57. Anordnung der Teilleiter. (Vgl. Abb. 47)

Als Normalausführung ist heute die Zweischichtwicklung anzusehen, bei der die Seiten einer Spule nur je die halbe Nuttiefe ausfüllen. Die Leiter werden entsprechend der Schaltung einzeln oder gemeinsam von Lieferspulen abgezogen und maschinell zu Schleifen gewickelt. Maßgebend für die elektrische Beanspruchung der Leiterisolierung ist die Anordnung der Leiter als Längs- oder Querwicklung, seltener als Längslagenwicklung (Abb. 57). Die in dem Schema angegebenen Leiter können aus elektrischen (Zusatzverluste) und mechanischen

1

Siehe S. 138.

122

O. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Gründen (leichtere Verformbarkeit) in Teilleiter unterteilt sein. Für die Ausführung der Wicklung wird die Leiteranordnung immer in der Reihenfolge NutbreitefNuthöhe angegeben. So bedeutet die Angabe 2x (1:2II) X (3:2II) eine Zweischichtwicklung mit einem Leiter nebeneinander, aber unterteilt in zwei Teilleiter. In der Nuttiefe liegen in einer Schicht 3 Leiter übereinander, bestehend aus 2 Teilleitern. Es handelt sich also um eine Längswicklung mit vierfach unterteiltem Leiter (Abb. 58).

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Abb. 58. Querschnitt einer Ständernut

1.2.2 Spulenformung

Als Ausgangsform für die Faßspule werden je nach Art der Spulenausziehmaschine Ovalspulen, Trapezspulen oder Sechseckspulen gewickelt (Abb. 59 und 66). Weitere Bezeichnungsformen sind Spulenschleife oder Spulenfisch. Die Trapezspule ergibt gleich große Abstände der Stirnseiten in Unter- und Oberschicht, da bei Faßspulen die Bogenlängen der Stirnseiten infolge der verschiedenen Radien für die Ober- und Unterschicht ungleich lang sind (Abb. 60). Sie erfordert jedoch mehr Aufwand beim Wickeln und Verfestigen, so daß meist die symmetrischen Spulen schleifen vorgezogen werden. Vor der weiteren Verarbeitung der Spulen schleife (Ziehen der Spule, Aufbringen der Hauptisolierung) kann eine Verfestigung des nutseitigen Leiterverbandes erfolgen. Sie ist meist bei mehr als einem Teilleiter nebeneinander in Abhängigkeit von der Spulenhöhe notwendig und erfolgt in Warmpressen nach dem Einbringen von unter Wärme aushärtendem Lack oder Harz. Das Einbringen des Verfestigers kann durch Einstreichen oder weitläufiges Umwickeln mit verfestigergetränktem Band erfolgen. Das Verfestigen kann auch nach dem Ziehvorgang erfolgen. Bei extremen Spulenquerschnitten wird das Leiterkupfer durch den Ziehvorgang stark gestaucht oder gedehnt. Um Windungsschlüsse durch die Beanspruchung der Leiterisolation zu vermeiden, können unverfestigte Spulenschleifen im

Spulenform ung

123

Bereich der größten Verformung (Ziehradien) eine Zusatzisolierung z. B. durch Einflechten oder Beilegen von Isoliermaterial erhalten. Das Ausziehen der Spulenschleife zur Faßspule geschieht auf Ziehmaschinen verschiedenster Konstruktion. Die Formung erfolgt entweder durch gleichzeitiges Ziehen und Drehen der Spulenschenkel (Nutseiten) oder durch getrennt steuerbare

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~::::::======-:::::::::::::.D. O//8/,sjlu/e

~::::~Tr:='3jle=z,sjl=u/e~:JJ-::::.L_ Abb. 59. Häufigste Ausgangsformen für Faßspulen

Abb.60. Eingelegte Faßspule

Bewegungen in den drei Dimensionen. Einen Spulenzieher in Aktion und Faßspulen zeigen die Abb. 61, 62 und 64. Günstig ist bei großen Querschnitten die in Abb. 61 gezeigte Möglichkeit der Formung der Spulenstirnseiten auf den einstellbaren Kurvenscheiben. Ohne solche Hilfsmittel erfolgt diese Formung von Hand.

124

o. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Abb.61. Spulenziehmaschine beim Formen einer Faßspule (Werkphoto Siemens)

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Abb. 62. Schema einer ausgezogenen Faßspule

Abb.63. Spulenrichtform (Werkphoto AEG)

Aufbringen der Hauptisolierung

125

Die gleichmäßige Formung dieses Teiles ist maßgebend für die Einhaltung gleicher und ausreichender Abstände der Spulenstirnseiten im Wickelkopf und damit auch für die genügende Belüftung dieses Bereiches. Die Einstellung des Spulenziehers hinsichtlich Hub- und Drehbewegung erfolgt nach Berechnungsdaten, die entsprechend dem Ziehergebnis mittels Korrekturfaktoren die Elastizität des Spulenverbandes , die wiederum vom Querschnitt der Spule und den Materialeigenschaften des Kupfers abhängt, berücksichtigen. Reicht die Formung durch den Spulenzieher nicht aus, erfolgt noch eine Korrektur mittels Richtform (Abb. 63). Die ersten gezogenen Spulen werden auf Maßhaltigkeit kontrolliert, wozu man auch einen Meßapparat benutzen kann (Abb. 64). Zusätzlich erfolgt nach Möglichkeit ein Einlegeversuch im Blechpaket.

Abb.64. Spulenmeßmaschine (Werkphoto Siemens)

1.2.3 Aufbriugeu der Hauptisolierung

Beim Aufbringen der Hauptisolierung unterscheidet man grundsätzlich kontinuierliche, d. h. über Nut- und Stirnseite durchgehende Bandbewicklung und diskontinuierliche Bewicklung, bei der die Nutseiten und Stirnseiten in getrennten Arbeitsgängen isoliert werden. Durch besondere Verfahren gelingt es auch mit der diskontinuierlichen Technik eine homogene, stoßstellenfreie Hauptisolierung herzustellen, die der kontinuierlichen Isolierung gleichwertig ist. Zu der diskontinuierlichen Methode gehört die von einigen Herstellern immer noch angewendete Mikafoliumtechnik mit thermoplastischem Bindemittel.

126

O. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Die mit Ausnahme großer Querschnitte unverfestigte, aber mit Band fest umwickelte Spulenschleife wird zur Faßspule gezogen. Die Spule wird nach Aufbringen einer Schutzbewicklung in Asphalt mit oder ohne Vakuumanwendung getränkt und anschließend, falls nötig, warm in Richtformen nachgerichtet. Das

Abb.65. Umwickeln der Nutseite mit Mikafolium (Werkphoto Siemens)

Abb.66. Umbügeln der Nutseitenisolierung an einer Sechseckspule (Werkphoto Siemens)

Mikafolium (Papierträger, Spaltglimmer und Schellack oder Asphalt als Bindemittel) wird als Breitbahn in vorbereiteten Bahnen von Hand oder mittels einfacher Vorrichtungen um die Nutseite gewickelt (Abb. 65) und anschließend in rotierenden Bügelmaschinen zwischen geheizten Bügelwangen festgezogen (entsprechend Abb. 66). Die Hülse wird dann in Kaltpressen auf Maß gepreßt.

Aufbringen der Hauptisolierung

127

Der Übergang zwischen Nutseitenumpressung (Hülse) und Stirnseiten kann ausgekittet werden und nach Aufbringen eines Außen- und EndengIimmschutzes werden die Stirnseiten mit Isolierbändern, z. T. auch unter Einstrich mit Lack oder Harz (Lackglasband, früher auch Lackbaumwollgewebe) umwickelt. Eine mehrfache Lackierung mit lufttrocknendem Isolierlack gibt den Spulen einen erhöhten Feuchtigkeitsschutz. Bei den Verfahren zur Herstellung moderner Kunstharzisolierungen werden ebenfalls kontinuierliche und diskontinuierliche Fertigungsmethoden mit oder ohne Vakuumtechnik angewendet. Wegen der Vielzahl der Ausführungsformen seien nur zwei der meist angewendeten Techniken angeführt. Aus der klassichen Mikafoliumtechnik wurde folgende Herstellung einer diskontinuierlichen Isolierung mit Kunstharzhülse entwickelt.

Abb. 67. Bewickeln einer Spulenseite von Hand (Werkphoto Siemens)

Auf die verfestigte Spulenschleife wird eine aus harzgefülltem Feinglimmer und einem Träger zusammengesetzte Breitbahnisolierung aufgebügelt (Abb. 66), anschließend in Heißpressen auf Maß gepreßt und ausgehärtet. Die Stirnseitenisolierung wird in Form von Bändern (z. B. FeingIimmer mit Vlies, Glas oder Folie als Trägermaterial) von Hand aufgewickelt. Das Imprägniermittel kann in den Bändern enthalten sein (gefülltes Band). Es kann während des Aufwickelns eingebracht werden (Naßwickeln) oder die Stirnseiten der eingelegten Wicklung werden im Tränkmittel getaucht. Je nach Art des Imprägniermittels bleibt der Wickelkopf weich oder wird durch Wärmebehandlung ausgehärtet. Hinsichtlich Bandbewicklung, Glimmschutz und Prüfung gilt dasselbe wie bei dem folgenden Beispiel einer kontinuierlichen Isolierung. Die durchgehende Bandbewicklung wurde bereits in USA ab etwa 1930 als "black-bond" in Verbindung mit Asphalt-Kompoundmasse und Vakuumtechnik

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O. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6kV)

allgemein angewandt. Ihre Eigenschaften entsprechen heute unter Verwendung von aushärtbaren, lösungsmittelfreien Harzen den höchsten Ansprüchen. Bei der kontinuierlichen Bewicklung erfolgt das Bewickeln mit Bändern noch weitgehend von Hand, obwohl auch schon Wickelmaschinen im Einsatz sind. Das meist von Frauen ausgeübte Bewickeln setzt wegen der notwendigen Gleichmäßigkeit des Isolationsaufbaues (einwandfreie überlappung der Bänder, gleichmäßige Zugkraft beim Wickeln) ein gut eingearbeitetes Personal und möglichst gleichbleibendes Bandmaterial voraus (Abb. 67). Die Bewicklung der verfestigten und gezogenen Spulen erfolgt mit Bändern von etwa 15-30 mm Breite, die Lagenzahl richtet sich nach der Nennspannung ; sie kann in den Stirnseiten gegenüber dem Nutteil reduziert sein. Gewickelt wird gegenläufig, meist 1/ 2 überlappt (Abb. 68), weil diese Anordnung im Verhältnis zum Isolierauftrag die längsten Kriechwege ergibt. Durch eine Mittenmarkierung der Bänder kann sie leicht kontrolliert werden. Obwohl auch noch Spaltglimmer verwendet wird, geht die Tendenz doch zu Feinglimmer. Als Trägermaterial werden Glas, Vlies oder Folie verwendet. Das Band wird von handlichen Rollen abgewickelt, wobei die richtige Zugkraft von der Erfahrung der Wicklerin abhängt.

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Abb. 68. Bewicklungsarten

Es werden auch Kasetten für Bandrollen verwendet, die mittels einer eingebauten mechanischen Bremse gleichmäßige Zugkraft garantieren sollen. Um einen zu dicken Auftrag auf der Innenseite von starken Krümmungen zu vermeiden, kann das Band an dieser Stelle durch Ausschneiden während des Wickelns schmaler gemacht werden. Die Schaltenden werden ebenfalls isoliert und in die Hauptisolierung mit eingewickelt, so daß ein stoßfreier übergang entsteht. Die Schaltendenisolierung wird in Richtung zur späteren Lötstelle hin abgetreppt, damit auch dort beim Nachisolieren keine Stoß stelle entsteht. Jede Spule wird hinsichtlich des Isolationsauftrages (Dichte der Bewicklung) und der Lagenzahl kontrolliert. Die Lagenzahl kann durch Messen der Spulenbreite mit einem vorgeschriebenen Meßdruck bestimmt werden. Sie muß der Summe aus Kupferabmessungen der verfestigten Spule und rechnerischem Auftrag der Bandlagen im Rahmen einer vorgeschriebenen Toleranz entsprechen. Die Dichte der Bewicklung kann mittels Umfangmaß kontrolliert werden.

Spuleneinbau

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Ab etwa 5 kV Nennspannung wird auf allen Spulen ein Außenglimmschutz und bei höheren Spannungen auch ein Endenglimmschutz aus halbleitenden Schichten aufgebracht, der gegen Beschädigung bei den weiteren Arbeitsgängen auch eine Schutzbewicklung bekommen kann. Sowohl beim Ziehen als auch beim Bewickeln wird die Spule mechanisch beansprucht und es kann zu Beschädigungen der Leiterisolation kommen. Jede Spule wird daher auf Windungsschluß geprüft. Dies kann z. B. durch eine Stoßspannungsprüfung erfolgen, bei der zwischen den Leitern eine Spannung von solcher Höhe angelegt wird, daß Schwachstellen in der Isolation mit Sicherheit gefunden werden. Bei allen Spulen kann auch in diesem Zustand eine Hochspannungsprüfung durchgeführt werden. Das Imprägnieren der mit einer durchgehenden Bewicklung versehenen einzelnen Spulen erfolgt nach vorhergehender Trocknung im allgemeinen in einem Vakuumkessel. Nach der Überflutung mit dem Imprägniermittel folgt eine Druckperiode ; anschließend erfolgt die Aushärtung durch Wärmebehandlung. Bei mehrteiligen Maschinen, die aus Transportgründen in Teilen zum Versand kommen, können die Teilfugenspulen erst auf der Baustelle endgültig eingelegt werden. Für diese Maschinen können die Einzelspulen in Vorrichtungen imprägniert und ausgehärtet werden, die der endgültigen Spulenform nachgebildet sind. Dabei können die Stirnseiten und Nasen der Spulen ebenso ausgehärtet werden wie der Nutteil, oder es kann durch besondere Maßnahmen erreicht werden, daß der Wickelkopfanteil (Stirnseiten und Nasen) ganz oder teilweise weich bleibt, was den Einbau der Spulen erleichtert. Aber auch der Einbau imprägnierter, unausgehärteter Spulen und die endgültige Aushärtung im Ständer ist möglich. Bei einteiligen Ständern werden die durchgehend bewickelten Spulen trocken in die Nuten eingelegt. Die Imprägnierung erfolgt durch Überfluten des ganzen Ständers im Vakuumkessel (Ganztränkung). Die Grenzen dieser Technik sind durch die Abmessungen des Imprägnierkessels gegeben.

1.2.4 Spuleneinbau

Die mit einer noch unimprägnierten, weichen oder bereits ausgehärteten Nutseitenisolierung versehenen Spulen müssen in die Nuten des Ständerblechpaketes eingelegt werden. Sowohl die Spulen als auch die Nuten weichen um fertigungsbedingte Toleranzen von den auf den Zeichnungen angegebenen Maßen ab. Mögliche Maßabweichungen bei den Spulen ergeben sich durch die Toleranzen der Leiter, durch Dickenschwankungen des Isoliermaterials und gegebenenfalls noch durch die Toleranzen von Preßformen. Bei den Nuten hat neben der Herstellgenauigkeit beim Stanzen das Packen der Blechpakete den größten Einfluß auf eine mögliche Nutmaßverengung. Ihre Maßhaltigkeit wird mittels eines Lehrdornes geprüft. Durch Sicherheitszuschläge bei der Rechnung und Maßkontrollen während der Fertigung kann ein ausreichendes Einlegespiel erreicht werden. Scharfe Kanten einzelner, vorstehender Bleche, die die Isolierung zerstören würden, müssen entfernt werden. Die Nutenden sind im 9 Sequenz, Herstellung

130

o. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

allgemeinen aufgeweitet, um auch dort eine Verletzung der Isolierung durch die Kantenwirkung beim Einbau und im Betrieb zu vermeiden. Die Spulen müssen zum Einbau in die Nuten zusammengedrückt werden (s. Abb. 60). Die Verformung ist um so größer, je kleiner die Polzahl der Maschine und je tiefer die Nuten sind.

Abb.69. Spuleneinbauvorrichtung (Werkphoto Siemens) Keils/vcK

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Abb.70. Mögliche Versteifungselemente

Wickelkopfversteifung

131

Für diese Verformung müssen die Spulennasen noch in einem gewissen Maße flexibel sein. Spulen mit ausgehärtetem Wickelkopfbereich sind daher nur für den Einbau bei vielpoligen Maschinen geeignet. Außer dieser Einbauverformung infolge der verschiedenen Radien ergibt sich eine weitere Verformung durch den Einbau der letzten Unterschichten. Auch hier ist die Verformung bei zweipoligen Maschinen am größten (Abb. 55). Beim Einlegen der Spulen ist örtliche Druckanwendung wegen der Gefahr der Isolationsbeschädigung unbedingt zu vermeiden. Ein Einklopfen mittels Hammer darf nur über Leisten erfolgen, die den Druck über die Nutseitenlänge verteilen. Es werden auch Einbauvorrichtungen nach Art eines Schuhlöffels oder Drückvorrichtungen mit einem Exzenter verwendet, die ein gleichmäßiges Einbauen ohne örtliche Druckbeanspruchung ermöglichen (Abb. 69). Unebenheiten am Nutgrund und die Kantenwirkung des Blechpaketes am Nutaustritt werden durch einen Nutgrundstreifen ausgeglichen. Zum leichten Einbau besonders weicher Isolierungen wird ein Nutkasten aus Graphitpapier verwendet, der auch als Außenglimmschutz dienen kann. Der Zwischenschieber bestimmt den Abstand zwischen Unter- und Oberschicht in der Nut und unmittelbar am Nutaustritt. Er kann ebenso wie der Füllstreifen zum Ausgleichen von fertigungsbedingten Maßabweichungen in der Nuttiefe verwendet werden. Durch entsprechend angepaßte Füllstreifen wird nach dem Eintreiben des Nutverschlußkeiles, der auf einem Rutschstreifen gleitet, ein fester Sitz der Spulenseiten in der Nuttiefe gewährleistet, der Bewegungen im Betrieb durch die Stromkräfte verhindert. Da in Richtung Nutverschlußkeil so gut wie kein Wärmetransport erfolgt, ist die Dicke des Höhenausgleiches nicht kritisch (Abb. 58). Die bei Asynchronmaschinen viel verwendeten ferromagnetischen Nutverschlußkeile werden entweder als Festkeile eingeklebt oder als pastenförmige Masse in die Nut gedrückt und durch Wärmebehandlung ausgehärtet. Der feste Sitz der Spulenseiten wird bis zum Aushärten der Keile durch Hilfsvorrichtungen oder durch kurze Nutverschlußkeilstücke üblicher Ausführung sichergestellt. In der Nutbreite wird wegen des Wärmetransportes zum Eisen eine möglichst dünne Isolierschicht und ein guter Kontakt zur Nutwand angestrebt. Der durch das Einlegespiel oder zusätzliche Maßabweichungen sich ergebende Spalt wird bei harten Nutseitenisolierungen durch das Einschieben von möglichst gut wärmeleitenden Beilagen gefüllt, die elektrisch halbleitend sein können. Bei noch weichen Isolierungen ist dies wegen des guten Anschmiegens an die Nutwand nicht nötig. Noch vorhandene Hohlräume werden durch das Imprägniermi~tel ausgefüllt. Beim Einbau werden sowohl die Windungsisolierung durch die Verformung der Spulen als auch die Außenlage der Hauptisolierung mechanisch beansprucht. Vor dem Schalten kann eine Windungs- und Hochspannungsprüfung erfolgen, um schadhafte Spulen noch mit geringem Aufwand auswechseln zu können.

1.2.5 Wickelkopfversteifung

Die Versteifung des Wickelkopfbereiches (Stirnseiten und Nase) wird von der Betriebsbeanspruchung bestimmt. Sie reicht von einer einfachen Verschnürung 9*

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o. HAUS:

Hochspannungsmaschinen (6 kV)

oder einer Reihe Distanzstücke, die nur als Abstandshalter der Spulenseiten dienen, bis zu schwersten Versteifungen mit Ringen, Nasenkeilen und kraftschlüssigen Verbindungen zwischen Ober- und Unterschicht (Abb. 70).

Abb.71. Strangverschnürung beim Einbau (Werkphoto BBC)

Abb. 72. Strangverschnürung im ausgehärteten Zustand (Werkphoto BBC). (Vgl. Abb. 56)

Wickelkopfversteifung

133

Abb.73. Ständerwicklungsversteifung eines Langsamläufers (Werkphoto AEG)

Abb. 74. Ständerwicklungsversteifung eines Schnelläufers (Werkphoto Siemens)

Die verwendeten Verstenungsmittel bestehen aus Isoliermaterial, dessen Eigenschaften sich nach der Isolierstoffklasse, nach der die Maschine ausgelegt ist, und nach den thermischen und mechanischen Beanspruchungen an der Einsatz-

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o. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

stelle richten. Es werden sowohl harte, genau angepaßte Isolierteile als auch weiche, saugfähige Polster mit hartem Kern oder saugfähige Stränge verwendet, die erst beim Imprägniervorgang aushärten und verkleben. Harte Isolierstücke müssen gegen Herausfallen durch Verschnürung gesichert werden. Keilstücke werden unmittelbar am Nutaustritt eingesetzt, um Biegebeanspruchungen der Spulen über die Blechpaketkante bei Stoßbeanspruchungen zu vermeiden. Distanzstücke sorgen für den nötigen Luftabstand der Stirnseiten, der besonders im Zonensprung wegen Glimmgefahr wichtig ist. Nasenkeile werden allgemein nur mehr in Ausnahmefällen bei besonders großen Beanspruchungen bei zwei- und vierpoligen Maschinen mit ihren weiten Wickelkopfausladungen eingesetzt, da die größten Stromkräfte etwa in der Mitte der Stirnseiten auftreten und gegen die Nase hin abnehmen. Durch das Einsetzen der Abstandstücke zwischen die Stirnseiten und Nasen entsteht ein Gewölbe, das sich gegen die Versteifungsringe kraftschlüssig abstützt. Diese werden entweder freitragend angeordnet oder stützen sich ihrerseits gegen das Blechpaket ab. Zwischenräume zwischen den Ringen und den nicht immer auf einem Kreisbogen liegenden Stirnseiten der Unterschicht werden ausgefüttert. An die Stelle von Ringen können auch nach der Imprägnierung aushärtende Verschnürungen treten (Abb. 71 und 72). Die Oberschicht kann z. B. durch einen auf der Luftspaltseite angeschnürten Ring versteift werden. Die Abstützung kann auch durch bei der Imprägnierung verklebende und aushärtende Polster erfolgen, die in der Unterschicht stecken und bis zur Oberschicht verlängert sind. Die Versteifungsringe für niedrigpolige Maschinen sind meist einteilig und bestehen selbst aus Isoliermaterial, z. B. Glasfaser-Polyester. Bei Langsamläufern werden saugfähige Stränge oder noch die bei der früheren Mikafoliumtechnik üblichen isolierten Metallrohre verwendet. Sie sind zur Vermeidung von Ringströmen mindestens an einer Stelle mit einem Isolierzwischenstück versehen. Die früher für die Verschnürung verwendeten Baumwollbänder sind fast durchweg durch feuchtigkeitsunempfindliche Glasgewebeschläuche und -bänder oder Diolenband ersetzt worden. Abb.73 und 74 zeigen ausgeführte Versteifungen an langsam und schnelllaufenden Maschinen. 1.2.6 Schaltverbindungen und Verbindungstechnik

Die Schaltung enthält die Gesamtheit aller elektrischen Verbindungen von den Schaltenden der Spulen bis zum Stromanschluß der Maschine am Klemmbrett. Mittels der Spulenverbindungen werden die Spulen hintereinander geschaltet. Zwei mögliche Arten von Spulenverbindungen zeigt Abb. 75. Ein oder mehrere Spulengruppen (Parallelschaltung von Wicklungszweigen) werden über die Schaltverbindungen an die Ringleitung angeschlossen, von der mit den Ableitungen die Verbindung mit dem Klemmbrett hergestellt wird. Die Ringleitung kann z. B. aus dem verlängerten Kupferleiter der Spule bestehen (Reihenschaltung) oder aus vorgeformten Cu-Leitern passenden Querschnittes. Sie wird freitragend unmittelbar über den Spulennasen verlegt (Abb. 76), wobei die Abstände durch eingeschnürte Distanzstücke und die Befestigung durch

Schaltverbindungen und Verbindungstechnik

135

Verschnürung erfolgt, oder sie wird in größerem radialen Abstand durch Isolierträger gehalten (Abb. 77). Die Verbindung zwischen Ringleitung und Schaltende kann in diesem Falle bei genügend großem Abstand auch flexibel (Litze) ausgeführt werden, wodurch eine Trennung zwischen der räumlich festen Ringleitung und dem Wickelkopf erreicht werden kann.

Abb.75. Einzelspulenverbindungen. a Werkphoto Siemens, b Werkphoto AEG

Bei den Spulen- und Schaltverbindungen ist auf große Biegeradien zu achten; zu scharfe Kanten lassen sich schlecht isolieren. Jede Verletzung der Leiteroberfläche durch scharfkantiges Werkzeug ist zu vermeiden. Ringleitung und Schaltverbindungen erhalten etwa denselben Isolierauftrag wie die Stirnseiten der Spulen.

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O. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Abb.76. Ringleitung unmittelbar über Spulennasen (Werkphoto Siemens)

Abb.77. Abgestützte Ringleitung (Werkphoto Siemens)

Schaltverbindungen und Verbindungstechnik

137

Die Ableitungen können ebenfalls aus angepaßten isolierten Cu-Leitern oder aus Kabel bestehen (Abb.78). Wenn keine Parallelschaltung vorliegt, können Ringleitung und Ableitung gemeinsam als Kabel mit einer der Spannungsstufe entsprechenden Isolierung ausgeführt werden. Die Kabel werden an dem Wickelkopf oder auf einem besonderen Träger festgeschnürt (s. auch Abb. 73). Die meist angewendete Verbindungstechnik ist das Löten, wobei zwischen Weichlöten mit Löttemperaturen unter 450° und Hartlöten mit Löttemperaturen ab etwa 600° unterschieden wird. Die Schaltenden der Spulen werden nach dem Ziehvorgang mit federnden Messerschneiden von Hand oder mittels rotierender Stahlbürsten maschinell ab-

Abb.78. Ableitung mittels Kabel (Werkphoto AEG)

isoliert. Spulenverbindungen bis zu vier Teilleitern werden meist hart gelötet. Bei mehr als vier Teilleitern erfolgt nach Aufschieben einer Hülse oder Umwickeln mit Kupferdraht meistens Weichlötung mittels Kolben, Flamme oder übergießen mit Lot unter Verwendung eines säurefreien Flußmittels. In diesem Falle sind die Schaltenden vorverzinnt. Weichlötung wird auch an all den Stellen angewendet, bei denen es auf eine leichte Trennbarkeit der Lötstelle und niedere Löttemperaturen ankommt (Teilfugenspulen). Das Hartlöten erfolgt mittels Flamme, als Widerstandslötung oder durch induktive Erwärmung der Lötstelle. Bei der Flammlötung von Kupfer besteht die

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O. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Gefahr der "Wasserstoffkrankheit" (Gefügeauflockerung durch eindiffundierten Wasserstoff). Bei mechanisch hochbeanspruchten Lötstellen muß sie verhindert werden. Dies kann durch die Verwendung von sauerstofffreiem Kupfer geschehen. Die Widerstandslötung erfolgt mit Kohle- oder Molybdänelektroden mittels Lötzangen, die mit z. B. pneumatischer Klemmvorrichtung und Wasserkühlung ausgerüstet sind. Während bei der Flammlötung stumpf mit gegebenenfalls zur Vergrößerung der Lötfläche schräg abgeschnitten angepaßten Enden oder überlappt gelötet wird, ist bei der Widerstandslötung nur die überlappung möglich. Bei mehreren Teilleitern werden die Lötstellen gegeneinander versetzt, so daß die Dicke der Lötstelle immer nur Zahl der Teilleiter 1 ist (Abb. 79). Bei der Widerstandslötung werden die Lötenden durch den Elektrodendruck fixiert; bei der Flammlötung werden die Enden passend zurechtgebogen und falls nötig - durch Zangen oder Vorrichtungen gehalten.

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Abb. 79. Anordnung der Teilleiter bei einer Henkelverbindung für Widerstandslötung

Abb.80. Induktive Hochfrequenzlötung (Werkphoto AEG)

Beim Löten mit induktiver Erwärmung der Lötstelle ist eine besondere Haltevorrichtung für die Lötenden nötig, da, wie beim Flammlöten, die Wärmeübertragung ohne Kraftwirkung erfolgt (Abb. 80). Die Schaltverbindungen und Ableitungen werden ebenfalls durchwegs hartgelötet. Bei allen Hartlötungen ist wegen der hohen Löttemperatur für genügenden

Einbau von Temperaturfühlern

139

Abstand von der Isolation bzw. für eine gute Wärmeabfuhr (Schutz durch nassen Asbest, Druckluftkühlung) zu sorgen. Eine weitere Verbindungsart ist die Quetschverbindung, die besonders beim Übergang Massivleiter-Litze angewendet wird, wenn es die Platz verhältnisse (massive Preßvorrichtung) erlauben. Die Quetschstellen selbst lassen sich schwer isolieren (Abb. 81). Die fertig geschaltete Wicklung wird nochmals einer Hochspannungsprüfung unterworfen und anschließend mit Lack imprägniert, oder sie geht zur Imprägnierung mit Harz in die Tränkanlage.

Abb. 81. Quetschverbindungen Voll kupfer-Litze (Werkphoto Siemens)

1.2.7 Einbau von Temperaturfühlern Als Thermofühler werden normalerweise nach DIN 43760 genormte Widerstandsthermometer in der Nut zwischen Ober- und Unterschicht eingebaut. Im Zwischenschieber wird ein entsprechender Ausschnitt für das Einlegen des Thermometers freigelassen. Die Zuleitungen werden ebenfalls im Zwischenschieberbereich verlegt und nach Austritt aus der Nut in Schlauch- oder Rohrleitungen bis zum Klemmbrett geführt. Die Leitungen können auch, auf einem Führungsring angeschnürt, bei Wickelkopfimprägnierung mit diesem fest verklebt werden. Defekte Widerstandsthermometer können bei Isolierarten mit Hülse durch Anheben der Oberschicht ausgebaut und ausgewechselt werden. Bei Maschinen mit harzimprägnierten Wicklungen ist der Aufwand wesentlich größer. Durch wiederholte Widerstandsmessungen während der Fertigung wird die Unversehrtheit der sehr empfindlichen Thermometer kontrolliert, um ein rechtzeitiges Erkennen von :Fehlern vor dem Imprägnieren sicherzustellen. Eine größere Sicherheit gegen Beschädigung kann auch durch Eingießen der Thermometer im Zwischenschieber mit Harz erreicht werden. Durch die Einbauweise der Nutthermometer bedingt ergibt sich ein Wärmewiderstand zum Leiterkupfer . Ein besserer Wärmekontakt wird durch kleine

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o. HAUS: Hochspannungsmaschinen (6 kV)

Thermofühler in der Form von Heiß- oder Kaltleitern erreicht, die im Wickelkopf möglichst nahe am Kupfer eingebaut werden. Die Isolierung besteht aus einem sehr gut wärmeleitenden Material ausreichender Durchschlagfestigkeit. Die Ableitungen werden in die Hauptisolierung mit eingebunden. Derartige Thermofühler lassen sich bei Defekten, auch bei im Ständer imprägnierten Wicklungen, auswechseln. 1.2.8 Wiederinstandsetzung von Wicklungen

Bei Schäden an neuen kunstharzimprägnierten Wicklungen handelt es sich fast nur um Transportschäden oder Fehler bei der Montage. Es ist üblich und zweckmäßig, Reservewicklungsteile vorzusehen, die im Schadensfall rasch zur Verfügung stehen. Sofern es sich nicht nur um oberflächliche Verletzungen der Isolierung handelt (Beschädigung der Lackierung oder äußersten Bandlage ), die durch örtliches Ausbessern beseitigt werden können, erfolgt die Reparatur immer durch Auswechseln der betroffenen Spulenseiten. Das Auswechseln von Spulen, die mit Hülse eingebaut worden sind, bereitet keine Schwierigkeiten. Ebenso wie bei gealterten konventionellen Isolierungen (z. B. Mikafoliumtechnik mit Asphalt oder Schellack) wegen der Gefahr weiterer Beschädigungen infolge Versprödung das Bewegen der Schrittspulen vermieden werden sollte, müssen auch bei Spulen der modernen Kunstharztechnik, die im Ständer imprägniert wurden, wegen der stärkeren Bindung mit dem Blechpaket und dem steifen \Vickelkopf andere Reparaturmethoden angewendet werden. Es werden nicht die ganzen Spulen, sondern nur die betroffenen Spulenseiten ersetzt. Die Ersatzspule erhält eine der Hauptisolierung gleichwertige Isolation, z. B. in Naßwickeltechnik mit anschließender Ofenaushärtung, oder der ganze Ständer wird nochmals imprägniert. Auch später ist eine Reparatur jederzeit möglich, jedoch ist der Aufwand und das Risiko gegenüber einer Neuwicklung von Fall zu Fall abzuwägen.

Schrifttum MEYER, H.: Die Isolierung großer elektrischer Maschinen. Berlin - Göttingen - Heidelberg: Springer. 1962.

2. Stabwicklungen Von A. Wichmann 2.1 Herstellen der Leiter 2.1.1 Gitterstähe mit indirekter Kühlung

Zum Aufbau der verdrillten Gitterstäbe wird heute überwiegend isolierter Kupfer-Flachdraht verwendet. Das Teilleiterkupfer muß gerichtet, auf Länge geschnitten und in der vorgesehenen Weise gekröpft (Abb. 82) und zum Leiter zusammengefügt werden. Als Isolierung dienen ausgehärtete Lackschichten, Umspinnungen aus Glasfaser, Polyesterfaser, Asbestfaser oder Mischungen aus diesen,

Abb.82. Kröpfen der Teilleiter für Gitterstäbe (Roebelstäbe), BBC

in Kombination mit Bindelacken oder Harzen, aber auch Umbandelungen aus Folien oder Feinglimmerbändern in einer Dicke von 0,1-0,35 mm beidseitig. Diese Teilleiter-Isolierungen müssen mit dem Kupfer fest verklebt und von ausreichender Widerstandsfähigkeit gegen Kröpfbeanspruchungen sein. Die Isolierung wird lediglich an den Enden der Leiter zur Vorbereitung der Schaltverbindungen entfernt. Nötigenfalls wird auch eine Verzinnung vorgenommen. Bei Verwendung von blankem Teilleiterkupfer erfolgt die Isolierung der Teilleiter gegeneinander durch Zwischenlegen von glimmerhaitigen oder auch glimmer-

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A.

WICHMANN:

Stabwicklungen

losen Isolierstoffstreifen, die häufig mit einem vorreagiertem Harz versehen sind, welches beim Zusammenfügen der Teilleiter zur Verklebung beiträgt. In die Mitte der beiden Teilleiterreihen wird ein als Schwert bezeichnetes Isoliermaterial, vorzugsweise aus Glimmer, Hartgewebe oder folien ähnlichen Materialien mit entsprechender Verklebung hineingeschoben. Es hat eine Dicke von etwa 0,3 mm und dient der zusätzlichen Isolierung zwischen den sich kreuzenden Teilleitern und liefert, wenn man es mit genügend härtbarem Bindemittel versieht, zumindest einen Teil des zur Verfestigung des Gitterstabes nötigen Harzes. Eine zusätzliche Isolierung ist auch an den Kröpfstellen erforderlich. Dort werden rechteckige oder rautenförmige Streifen eingeschoben, die von besonderer mechanischer Festigkeit, aber auch biegsam sein müssen, damit sie den beim Vorpressen der Stäbe entstehenden Scherbeanspruchungen wiederstehen können (Abb. 83).

Abb. 83. Isolieren eines Gitterstabes (KWU)

Das Verfestigen der Gitterstäbe zu einem Leiter wird heute durchweg unter Verwendung von Polyester- oder Epoxidharzen in heizbaren Pressen vorgenommen, die unter Erwärmlmg.-aui 130-180 oe in einigen Minuten bis zu einer Stunde härten. Das erforderliche Kunstharz wird von außen auf den Gitterstab aufgestrichen, oder es werden Schwertmaterialien verwendet, die eine ausreichende Menge lediglich vorreagierten Harzes von innen an die einzelnen Teilleiter zu ihrer Verfestigung abgeben können. Auf die Kröpfstellen an den Schmalseiten des Leiters wird zum Füllen der Unebenheiten ein formbares Material aus Kunstharzen mit geeigneten Füllstoffen oder Feinglimmer aufgelegt, das im Verbackungsvorgang ausgehärtet wird. Das nachträgliche Auskitten der Kröpfstellen wird nur noch selten verwendet, ist aber ebenfalls geeignet für die Vorbereitung des Leiters zum Aufbringen der Nutisolierung. 2.1.2 Mehrleiterstäbe

Der Aufbau eines Leiters aus mehreren, einzeln verdrillten Gitterstäben übereinander oder nebeneinander läßt sich verhältnismäßig einfach bewerkstelligen, wenn diese Gitterstäbe auf gleichem Potential innerhalb der Wicklung liegen und nur zur Verlustverminderung oder aus fertigungstechnischen Gründen unterteilt hergestellt werden. Dann bedarf es lediglich eines zweiten Verbackungsvorganges, nachdem die zu verklebenden Stabseiten mit einem geeigneten härtbaren Harz

143

Mehrleiterstäbe

eingestrichen oder mit einer isolierenden und Harz abgebenden Zwischenschicht aufeinandergelegt worden sind (vgl. 2.1.3. und 2.1.4.). Sind dagegen die Teil-Gitterstäbe auf unterschiedlichem Potential, so ist eine besondere Windungsisolierung von genügender Spannungsfestigkeit nötig. Im einfachsten Fall kann man die erforderlichen Isolierzwischenlagen zwischen beiden Leitern Z-förmig oder doppel-U-förmig herumlegen, daß dadurch ein ausreichend spannungsfester Abstand zwischen beiden Leitern entsteht (Abb.84a, b). Da aber im gekrümmten Stirnseitenteil die Windungsisolierung nur allseitig in Bandform aufgebracht werden kann, bevorzugt man auch im Nutteil eine allseitig auftragende Isolierung (Abb.84c) aus Glimmerbändern mit härtbaren Harzen

c Abb. 84. Windungsisolierung von Mehrleiterstäben a Z-Streifen, b U-förmige Einlagen, c allseitige Windungsisolierung mit Unterschnürung

oder aus Mikafoliumumpressungen und wertet sie gleichzeitig als Teil der Isolierung gegen das Blechpaket. Vor der Verbackung der so isolierten Einzelleiter im Nutteil muß ein kurzes Stück einer biegsam bleibenden Windungsisolierung des Stirnseitenteiles aufgebracht werden, die als Unterschnürung teilweise von der späteren Nutisolierung überdeckt wird. In beiden Fällen müssen die einzelnen Leiter durch ein besonderes oder wiederum als Teil der Nutisolierung dienendes Halteband mit einer distanzierenden Zwischenlage im Nutteil zusammengeschnürt werden, bevor sie in einer Härtepresse ausgebacken werden können. Bei dieser Herstellungsweise sind die Leiter, bevor sie mit der Nutisolierung versehen werden, zweimal in einer Presse gehärtet worden. Die Herstellung der

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A.

WICHMANN:

Stabwicklungen

Mehrleiterstäbe läßt sich fertigungstechnisch abkürzen, wenn man auf das Vorpressen der einzelnen Gitterstäbe verzichten und beides zu einem Härtevorgang zusammenziehen kann. Das setzt allerdings voraus, daß die Stäbe von handlicher Größenordnung sind und beim Einlegen in die Presse keine Verschiebung der Teilleiter und der zwischengelegten Isolier- und Verbackungsmaterialien auftritt. Die schwierigste Stelle dieser Mehrleiterstäbe ist der Übergang der Windungsisolierung von der Nut in den Wickelkopfteil des Leiters, die erst nach der Formgebung aufgebracht wird. Zum Isolieren der Einzelleiter werden die Wickelkopfenden jeweils ein wenig aufgebogen, um die Bänder zwischen den Stäben zu wickeln. Erst mit den danach um alle Leiter eines Stabes gemeinsam aufzubringenden Bändern werden sie in der gewünschten Lage zusammengebunden. 2.1.3 Stäbe mit direkter Gaskühlung

Die Gasinnenkühlung der Leiter vermeidet die Wärmeabfuhr über den hohen Wärmewiderstand der Nutisolierung, erfordert aber den Einbau von Kühlkanälen mit einem Querschnitt, der über demjenigen der Kupferteilleiter liegt (Abb. 85

Abb.85. Doppel-Gitterstab eines 400-MVA-Generators mit direkter Gaskühlung und 21 kV Nennspannung (KWU)

und Abb. 17, Abschnitt 3.1, S. 70). Die metallischen Kühlkanäle müssen gegen die Leiter in ähnlicher Weise elektrisch isoliert sein, wie die Teilleiter untereinander, ohne den Wärmeübergang nennenswert zu beeinträchtigen. Dazu werden die Kühlkanäle mit einer Glasgewebeumspinnung, mit Glas-Isolierschläuchen oder mit Glimmer-Bandisolierungen versehen , die mechanisch fest genug sind, um das Abbiegen der Kühlkanäle zusammen mit den Leitern zu erlauben (Abb.86). Während des Biegevorganges sind die Kühlkanäle selbst mit leicht schmelzendem Metall, mit wachs- oder harzähnlichen Stoffen, Sand oder anderem feinkörnigen Material zur Vermeidung von KnickstelIen gefüllt.

Leiter mit Flüssigkeitskühlung

145

Ist der direkt gekühlte Leiter aus zwei vollständigen Gitterstäben aufgebaut, zwischen denen eine Reihe von Kühlkanälen angeordnet ist, so lassen sich die Gitterstäbe auch einzeln abbiegen und anschließend im Nut- und Wickelkopfteil gleichzeitig verfestigen. Dazu werden die gegeneinander liegenden Seiten der Gitterstäbe und die isolierten Kühlkanäle mit geeigneten härtbaren Harzen (Polyester- oder Epoxidharze) bestrichen und in der Biegeform selbst ausgebacken.

Abb. 86. Abbiegen eines Doppel-Gitterstabes (SiemensjKWU)

Liegen die Kühlkanäle zwischen den beiden Teilleiterreihen eines mit verbreiterter Kröpfung verdrillten Stabes, wird vorteilhaft zunächst der Nutteil verbacken und anschließend der Wickelkopf geformt und verfestigt. Das Zusammenfügen von derartigen um die Kühlkanäle verdrillten Stäben zu einem Doppelstab erfolgt durch Einstreichen mit Harz und Verwendung von isolierenden Zwischenschichten oder Verbackungsfolien im Nut- und Wickelkopfteil. 2.1.4 Leiter mit Flüssigkeitskühlung

Die Flüssigkeitskühlung kommt mit sehr kleinen Strömungsquerschnitten aus. Deshalb werden Teilleiter aus rechteckförmigem Hohlkupfer verwendet oder Kühlrohre gleicher Abmessungen aus Widerstandsmaterial in den Gitterstab eingebaut (Abb. 16, Abschnitt 3.1, S. 70). Beide sind in derselben Art wie massive Teilleiter mit einer geeigneten Isolierung versehen. Auch der Aufbau des einzelnen Gitterstabes unterscheidet sich fertigungstechnisch nicht von demjenigen aus massiven Teilleitern (Abb. 87). Besonderes Augenmerk ist jedoch bei der Kröpfung der Leiter und beim Zusammenbau darauf zu richten, daß der Querschnitt des Hohlleiters erhalten bleibt und daß keine Leckstellen entstehen. Der Vorteil der Flüssigkeitskühlung liegt in der unmittelbaren und direkten Übertragung der Verlustwärme von Kupfer an das Kühlmedium. Aber auch ein nur teilweise aus Hohlleitern bestehender Stab führt die Wärme aus den massiven Teilleiteru über 10 Sequenz, Herstellung

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A.

WICHMANN :

Stabwicklungen

eine nur dünne (etwa 0,2-0,3 mm), thermisch gut leitende Isolierung mit hohem Glas- oder Glimmeranteil ab. Mit Wasser als Kühlmittel liegen die maximalen Kupfertemperaturen unter 100 °0 und sichern der meist für 130 °0 gemäß Isolierstoffklasse B ausgelegten Isolierung eine mäßige thermische Beanspruchung. Besonderen Aufwand erfordert jedoch das Einlöten der Hohlleiter in Wasserkammern, die den Anschluß an das Kühlsystem herstellen. Um eine zuverlässige

J

Abb. 87. Leiter mit Flüssigkeitskühlung. 1 Einleiterstab aus Hohl-Teilleitern, 2 Doppelgitterstab aus Hohl-Teilleitern. 3, 4 Doppelgitterstäbe aus Hohl- und Massiv-Teilleitern

Verbindung und Kontrolle der Teilleiterverlötung zu ermöglichen, werden die Wasserkammern meist zweiteilig hergestellt und der abdeckende Teil mit dem Schlauchverbinder erst zum Schluß aufgebracht. Die elektrische Verbindung wird über die Wasserkammern selbst oder mittels besonderer, aufgelöteter Kupferlaschen getrennt ausgeführt. 2.1.5 Prüfuugen

Der Aufbau der Leiter für große Maschinen aus zahlreichen Teilleitern und möglicherweise Kühlkanälen, die alle gegeneinander isoliert sein müssen , erfordert umfangreiche Prüfungen während der Herstellung der Leiter. Sie werden mit mindestens 110 V Wechselspannung, erstmalig nach dem Verbacken der Teilleiter zu einem Gitterstab, ausgeführt. Diese Prüfung wiederholt sich praktisch nach jedem Arbeitsgang, wie dem Abbiegen der Wickelkopfteile, dem Zusammensetzen zu Mehrleiterstäben und schließlich nach dem Aufbringen der Nutisolierung. Gemäß VDE 0530, Teil I, Par. 33, ist bei der Abnahmeprüfung von Wicklungen nachzuweisen, daß die Stäbe keine Teilleiterschlüsse enthalten. Spannungsproben werden außerdem an den für die Innenkühlung eingebauten Kühlkanälen untereinander und gegen die jeweils zugehörigen Leiter ausgeführt. Die Prüfung ausreichender Spannungsfestigkeit der Windungsisolierung bei Mehrleiterstäben kann in der Regel mit voller Prüfspannung gemäß VDE 0530 erst nach dem Aufbringen der Nutisolierung vorgenommen werden. Eine Vorprüfung ausreichender Höhe ist jedoch auch hier zweckmäßig.

147

Isolieren der Stäbe

Hohlleiter für Flüssigkeitskühlung werden bereits im Herstellerwerk mit einem Wirbelstrom-Rißprüfgerät auf Fehler im Material und Abweichungen in den geometrischen Abmessungen kontrolliert. Während der Verarbeitung zum Gitterstab werden Druckproben mit etwa 15 atü und Durchflußmengenmessungen mit Wasser vorgenommen. Die abschließenden Dichtproben erfolgen nach dem Auflöten der Wasserkammern durch Eintauchen in Wasser bei erhöhtem Gasdruck im Innern. Von großer Bedeutung ist auch die wiederholte Kontrolle der Abmessungen der Leiter. Es muß nicht nur sichergestellt werden, daß im Nutteil der vorgesehene Stab querschnitt erreicht und weder unter- noch überschritten wird, sondern daß auch die Evolventen und Wickelkopfteile genau geformt sind, damit beim Einbau der Wicklung die vorgesehenen Schaltverbindungen ohne Schwierigkeiten auszuführen sind.

2.2 Isolieren der Stäbe Während beim Herstellen der Leiter in erster Linie eine hohe mechanische Festigkeit der Verbackung erzielt werden muß und die Isolierung lediglich geringe Isolationssysteme

d.iskontinuier-

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Einlegen, Versteifen, Verbinden der Wicklung

Firmenbezeichnung

Orlitea Epitherm Protolsetic

Micapal Epitherm Isotenax Thermodel

Thermalsstic Micalastic Micadur Orlitherm Micspact

Micalastic

Thermalastic Micalsstic Micsdur-Compact

Abb.88. Isolierverfahren und Isolationssysteme für Hochspannungswicklungen [37]

elektrische Spannungen bei Prüfung und Betrieb auszuhalten hat, kommt es bei der Isolierung des Leiters gegen das geerdete Bleckpaket entscheidend auf die elektrischen Eigenschaften der Isolierung an. Bei Nennspannungen von einigen 100 bis zu 30000 V varüert die Isolationsdicke bei einer Beanspruchung von etwa 2 kVjmm im Bereich von 0,5 - 8 mm_ Hinzu kommen die hohen Anforderungen 10*

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WICHMANN:

Stabwicklungen

an die Isolierung, die aus der thermischen Beanspruchung und bei langen Maschinen aus thermomechanischen Dehnungskräften in der Längsrichtung der Nut resultieren. Die NutisoIierung muß deshalb möglichst luftfrei und in fester Verbindung mit dem Leiter aufgebracht werden. Dafür sind heute bei Stabwicklungen zwei Isolationssysteme in Gebrauch, deren Aufbau und Herstellungsweise in Abb. 88 angegeben sind. Das diskontinuierliche System besteht in der Nut aus einem in breiter Bahn aufgebügelten Mikafolium und erhält anschließend eine aus Bändern bestehende Wickelkopfisolierung. Das kontinuierliche System dagegen wird aus Glimmerbändern hergestellt, die über Nut- und Wickelkopftteil durchgehend aufgebracht werden. Bänder mit vollem Bindemittelgehalt werden mit oder ohne Evakuierung bei der Ganztränkung gehärtet. Bänder mit geringem Bindemittelgehalt sind für die Vakuumtränkung erforderlich, die in den verschiedenen Herstellungsvarianten die endgültige Qualität bestimmt. Alle Systeme enthalten mit Rücksicht auf die hohen Beanspruchungen als Hauptisolierstoff hochwertigen Glimmer, der in der natürlichen Form großer Blätter oder aufbereitet als Feinglimmer mit Trägern wie Papier, Glasgewebe, Polyestervlies oder PolyesterfoIien und geeigneten Harzen oder Klebern verarbeitbar gemacht worden ist.

2.2.1 Diskontinuierliche Isolierung

2.2.1.1 Aufbringen der Nutisolierung Lediglich kleinere Stäbe können bei diesem Isoliervorgang bereits fertig abgebogen sein. Auf Stäben größerer Länge dagegen wird die Nutisolierung vor dem Abbiegen der Evolventen aufgebracht, damit das Drehen und Bewegen der Stäbe auf den Einrollvorrichtungen nicht unnötig erschwert wird. Die Oberfläche des Leiters wird oft mit besonderen füllstoffhaltigen Harzen bestrichen, die alle vom Verfestigen verbliebenen Unebenheiten ausfüllen und eine gute und weitgehend luftfreie Anlage des Mikafoliums fördern sollen. Das Mikafolium, welches in Rollen von etwa 1 m Breite hergestellt wird, wird in Bahnen von der Länge der vorgesehenen Nutisolierung geschnitten und auf entsprechend langen Vorrichtungen in der vollen Breite auf den Leiter gewickelt. Unter den möglichen Kombinationen von Träger, Glimmer und Harz haben sich FeinglimmerfoIien auf Glasgewebe, Polyestervlies oder Polyesterfolie mit Epoxidharzbindung durchgesetzt. Bei Glimmeranteilen von 90-240 gJm 2 auf Trägern von 20-40 gJm 2 mit 30-40% Bindemittel lassen sich damit Nutisolierungen mit einem GIimmergehalt zwischen 45 und 60% herstellen. Zur Verarbeitung werden die Einrollwerkzeuge und die Leiter häufig angewärmt, damit weniger weiche Bindemittel fließfähig werden und ein faltenfreies Aufbringen des Mikafoliums ermöglichen. Auch Lösungsmittelreste werden dabei entfernt. Die für eine luftfreie Umpressung erforderliche Mikafoliummenge wird nach der Lagenzahl oder nach dem Gewicht vorgegeben. Je nach Zusammensetzung müssen Dichten von 1,65-1,95 gJcm3 zugrunde gelegt und erreicht werden. Dazu wird die Aushärtung und Formgebung unter Drücken bis 30 kpJcm 2 in beheizbaren hydraulischen Pressen bei Temperaturen zwischen 120-180°C über mehrere Stunden vorgenommen. Nach der Entnahme der im Nutteil isolierten

Durchgehende Glimmerband-Isolierungen

149

Stäbe aus der Presse erfolgt die Formgebung der Stirnseiten der Wicklung und die Vorbereitung für das Aufbringen der Stirnseitenisolierung. Abb. 89 zeigt Gitterstäbe in diesem Fertigungszustand.

Abb.89. Einleiter-Gitterstäbe mit Mikafolium-Nutisolierung nach dem Abbiegen (SiemensjKWU)

2.2.1.2 Isolieren der Stirnseiten Zur Schaffung eines möglichst gleichmäßigen überganges von der Nut zur Stirnseitenisolierung werden die Umpressungen des Nutteils abgeschrägt und die Kanten mit geeigneten formbaren Kitten oder auch härtbaren , füllstoffhaitigen Harzen ausgefüllt. Von dieser übergangsstelle an erfolgt die Umbandelung des Wickelkopfteiles unter Einstreichen von abdichtenden Harzen, Lacken oder geeigneten anderen Stoffen (z. B. Silikonkautschuk) zunächst bis zum Höhenausgleich mit der Nutisolierung, und schließlich werden einige Lagen der Wickelkopfumbandelung über das Nuthülsenende gewickelt. Der übergang zwischen der Nutund Stirnseitenisolierung bedarf sorgfältiger Ausfüllung, um ihn elektrisch sicher und von Fremdeinflüssen unabhängig zu machen. Insbesondere bei luftgekühlten Maschinen, bei denen Feuchtigkeitszutritt möglich ist, spielt die übergangsstelle eine entscheidende Rolle für die Sicherheit der Maschine. Die für die Stirnseitenisolierung geeigneten Bänder werden in der Regel in Breiten von 20-30 mm bei einer Dicke von 0,1-0,25 mm halbüberlappt aufgewickelt. Die Lagenzahl richtet sich nach der Nennspannung und nach den im Stirnseitenraum vorgesehenen Luftabständen. Vorteilhaft ist bei dieser Isolationsausführung, daß für den Einbau der Wicklung eine gewisse Biegsamkeit in den Evolventen erhalten bleibt, die das Nachrichten der Stirnseiten beim Einlegen und Versteifen der Wicklung ermöglicht. 2.2.2 Durchgehende Glimmerband-Isolierungen

Bereits zu den kontinuierlichen Isolierungen (Abb. 88) führt eine H erstellungsart, bei der Glimmerbänder mit vollem Bindemittelgehalt, aber ungehärtet und

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WICHMANN:

Stabwicklungen

schmiegsam auf den gesamten, bereits vorgeformten und abgebogenen Stab aufgebracht werden. Wegen der erforderlichen hohen Zugfestigkeit sind dafür naturgemäß vorzugsweise Feinglimmerbänder mit Glasgewebe als Träger geeignet. Aber auch doppellagige Träger aus verschiedenem Material kommen vor. Die bei dieser sog. Naßwickeltechnik (full loaded tape) eingesetzten Bänder enthalten vorzugsweise Epoxidharze als Bindemittel. Sie erfordern eine Aushärtung und Formgebung unter hoher Temperatur und hohem Druck. Sie kann in Pressen, die auch dem Wickelkopf die nötige Form sichern, vorgenommen werden. Für höhere Nennspannungen ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem die mit harzhaItigen Bändern bewickelten Stäbe zunächst zum Entfernen von Luftresten evakuiert und dann mit heißem Asphalt überschwemmt und unter Druck ausgehärtet werden. Mit dieser Härte-Technik werden Spalt- und Feinglimmerbänder mit Epoxidharzbindungen zu Isolierungen selbst für die größten Turbogeneratoren verarbeitet. Der Aufwand unterscheidet sich allerdings kaum noch von demjenigen für die Vakuumimprägnierung. 2.2.3 Vakuumgetränkte Glimmerbandisolierungen

Für die Herstellung kontinuierlicher Wicklungsisolierungen hat sich in den letzten Jahren bei Stabwicklungen in großem Umfang die Vakuumtränkung mit härtbaren, lösungsmittelfreien Harzen eingeführt. Sie ermöglicht die Verwendung von Fein- oder Spaltglimmerbändern verschiedenster Art, die zunächst in nahezu trockener Form mit einem geringen Bindemittelanteil auf die Stäbe aufgewickelt werden können. Erst die Imprägnierung und das Imprägnierharz bestimmen die endgültige Qualität der Isolierung und tragen außerdem zur zusätzlichen Verfestigung der Leiter und Teilleiter bei, weil alle restlichen Hohlräume mit Tränkharz ausgefüllt werden. Als besonders vorteilhaft erwies sich diese Technik zunächst bei sehr großen Stäben für hohe Spannungen mit kompliziertem Leiteraufbau, bei denen eine Isolierung auf den herkömmlichen Bügelmaschinen ohnehin erschwert war. An die Vorbehandlung und Glättung der Oberflächen der Stäbe werden bei einer Vakuumtränkung nicht so hohe Ansprüche gestellt, wie sie bei Isolierungen ohne Vakuum zur Vermeidung von Lufteinschlüssen erforderlich sind. Jedoch muß der Stab so beschaffen und an den Kröpfstellen genügend ausgefüllt sein, daß beim Aufbringen des Glimmerbandes Beschädigungen durch Unebenheiten nicht möglich sind. 2.2.3.1 Bewickeln der Stäbe Es werden Glimmerbänder zwischen 20 und 40 mm Breite in Dicken von 0,12 bis 0,3 mm von Hand oder maschinell überlappend in genau vorgegebener Lagenzahl aufgebracht (Abb.90). Spaltglimmerbänder werden in der Regel mit zwei Trägerlagen verarbeitet. üblich sind solche aus Papier, Polyestervlies oder Glasgewebe. Feinglimmerbänder lassen sich auch mit einer Trägerlage verwenden, die aber nur so weit dehnbar sein darf, daß die Feinglimmerfolie beim Aufwickeln nicht zerreißt. Auch Kombinationen von Spalt- und Feinglimmerbändern zur Erreichung besonderer Eigenschaften der Isolierung werden angewendet.

Vakuumgetränkte Glimmerbandisolierungen

151

Die Bewicklung des Stirnseitenteiles der Stäbe kann je nach der Spannungsbeanspruchung und Anordnung reduziert werden. Neben der Vorgabe der Lagenzahl für die Bewicklung eines Leiters wird noch eine Kontrolle durch Dickenmessungen unter bestimmtem Andruck oder durch zusätzliche Gewichtsvorgabe ermöglicht. Zur Erzielung der nötigen Wickelfestigkeit werden bei manchen

Abb. 90. Maschinelle Bewicklung eines Stabes mit Glimmerband (KWU)

Bandsorten auch Haltebänder eingefügt oder Glasgewebelagen zur Verstärkung der mechanischen Festigkeit in Stabrichtung eingelegt. Als abdeckende Lage wird bevorzugt ein glimmerloses Band aufgebracht, das für eine gleichmäßige und glatte Oberfläche nach dem Härten sorgt. 2.2.3.2 Trocknen, Tränken, Formen und Härten Die so bewickelten Leiter werden nach einer Vortrocknung im Ofen in eine Vakuumanlage gebracht und für die Imprägnierung entgast. An Stelle einer besonderen Vortrocknung im Ofen werden auch beheizbare Tränkanlagen verwendet, in denen eine Trocknung und Evakuierung gleichzeitig vorgenommen werden kann. Dies verkürzt den Herstellgang besonders dann, wenn das Harzsystem eine Imprägnierung der noch warmen Stäbe erlaubt. Nach Erreichen des gewünschten Vakuums wird das in einem Imprägnierbehälter befindliche Tränkgut mit dem gegebenenfalls vorgewärmten und entgasten Tränkharz überschwemmt. In der Regel schließt sich daran eine ausreichend lange Druckperiode an, die das Eindringen des Harzes in die Glimmerband-

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Stabwicklungen

bewicklung fördert. Zu diesem Zweck sind die Vakuumanlagen auch druckfest bis zu 25 kp/cm 2 ausgelegt. Der zeitliche Ablauf der Imprägnierung und Druckgabe ist im einzelnen auf die Dicke und Durchtränkbarkeit der Glimmerbandbewicklung und das verwendete Harzsystem abgestimmt. Zunächst wurden für diese Technik Polyesterharze verwendet, die mit Styrol verdünnt für die Imprägnierung bei Raumtemperatur ausreichend flüssig waren. Sie wurden jedoch in der Folgezeit durch geeignete, dünnflüssige Epoxidharze wegen ihrer besseren Eigenschaften im ausgehärteten Zustand weitgehend verdrängt. Nach der Entnahme der Stäbe aus der Tränkwanne werden auf der nunmehr imprägnierten und deshalb mechanisch sehr empfindlichen Bewicklung Trenn-

Abb. 91. Formpresse für getränkte Isolierungen (BBC) [8]

folien angebracht, die das Verkleben mit der Form bei der Härtung verhindern sollen. Da bei der Formgebung überschüssiges Imprägnierharz wieder aus der Bandbewicklung herausgedrückt werden muß, sind hohe Preßdrücke erforderlich, um die Formen zu schließen und die Leiterisolierung auf das vorgesehene Maß zu bringen (Abb. 91). Dabei werden auch die Glimmerschichten in ihre endgültige Lage gebracht. Die getränkte Isolierung der Stäbe wird in heizbaren Formen oder Pressen unmittelbar oder mit diesen in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 120 und 150 oe über mehrere Stunden ausgehärtet.

Vakuumgetränkte Glimmerbandisolierungen

153

2.2.3.3 Form tränkung Den Umbau der Stäbe mit imprägnierter Bewicklung von der Tränkwanne in die formgebenden Pressen vermeiden neuerdings entwickelte Verfahren, bei denen die Stäbe mit der trockenen Isolierung in eine Form gelegt werden, in der sie während der Tränkung und Härtung verbleiben. Da zur Formgebung der trockenen Glimmerbandbewicklung eine weniger große Kraft erforderlich ist, können derartige Formen weniger schwer ausgeführt sein. Sie erlauben außerdem die gleichzeitige Imprägnierung einer größeren Anzahl von Stäben, wenn man sie in geeigneter Weise unter Ausnutzung des vorhandenen Volumens eng zusammenschichtet. Abb. 92 zeigt eine mit 20 tränkfertigen

Abb. 92. Tränk- und Härteform mit 20 Generatorstäben (KWU)

Stäben beschichtete Form vor dem Einbringen in die Tränkanlage. Die erforderlichen Trennmittel und Trennfolien sind schon vor dem Einbau aufgebracht und die Reinigung der Form ist durch ihre leichte Demontierbarkeit und Verwendung von baukastenähnlich aufsetzbaren Zwischenteilen und Leisten sehr erleichtert.

2.2.3.4 Ganztränkung Beide Verfahren , Einzel- und Formtränkung, bedingen, daß der Stab anschließend mit verhältnismäßig wenig beweglichem Evolvententeil in die Ständernuten eingelegt werden muß. Diesen Nachteil vermeidet ein weiteres Herstellverfahren, bei dem die mit Glimmerband bewickelten Leiter unmittelbar in die Nuten des Stators eingelegt, fertig verschaltet, distanziert, verschnürt und als Ganzes imprägniert werden. Das ermöglicht auch eine zusätzliche Versteüung der vorher angebrachten Distanzstücke und Verschnürungen im Stirnseitenteil. Diese Herstellungsart ist grundsätzlich für alle Maschinen die vorteilhafteste, wird aber in ihrer Anwendung durch die Größe der Tränkanlagen und die Gewichte der Ständer begrenzt. Die damit erzielbare hohe mechanische Einbaufestigkeit erschließt der Ganztränkung auch Anwendungsbereiche für Niederspannungsstabwicklungen, bei denen nicht die elektrische Festigkeit ausschlaggebend ist. Als Beispiel ist dafür in Abb. 93 die Drehstromerregerwicklung für eine rotierende Gleichrichteranordnung dargestellt, deren Gitterstäbe mit 2 Lagen Feinglimmerband bewickelt, lediglich unter Verwendung eines Nutkastens aus

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Stab wicklungen

dünnem Folienmaterial in die Nuten eingelegt, verkeilt und verbunden worden sind. Nach der Imprägnierung mit Epoxidharz ist die Wicklung von so hoher Qualität, daß das gesamte Blechpaket mit einer Temperatur von annähernd 200°C auf die Rotorwelle aufgeschrumpft werden kann.

Abb. 93. Drehstrom-Erregeranker mit Stabwicklung für Ganztränkung 3,74 MVA, 480 V, 4,5kA (KWU)

2.2.4 Isolieren der Ringleitungen

Die Isolationsart der Ringleitungen und der Schaltverbindungen entspricht in der Regel derjenigen des gesamten Stirnseitenteiles. Das gilt für alle diskontinuierlichen Isoliersysteme, deren Bänder ohne Schwierigkeiten gleichartig auch an der eingelegten Wicklung nachträglich aufgebracht werden können. Bei vakuumgetränkten Isoliersystemen erschweren die unhandlichen Formen der Ringleitungen die Behandlung unter Vakuum. Deshalb wird nötigenfalls eine Naßwickelbandisolierung in größerer Dicke verwendet, die der übrigen Isolationsqualität angemessen ist, aber mit geringerer Feldstärke beansprucht wird. Die Formgebung dieser Ringleitungsisolierungen beim Aushärten wird durch Auflegen von Gummiformteilen, die einen gleichmäßigen Druck ermöglichen, und Anwendung von schrumpfenden Folien vorgenommen . Bei Nennspannungen über 20 kV kommen aus Platzgründen aber auch Ringleitungsisolierungen vor, die mit Potentialfestlegung auf der Oberfläche (vgl. 2.4 Wicklungseinbau) die volle Spannung der Maschine gegen Erde tragen müssen. 2.2.5 Prüfungen

Als entscheidendes Qualitätsmerkmal für die Beurteilung der Herstellungsgüte einer Nutisolierung hat sich die Verlustfaktormessung durchgesetzt. Sie ist in VDE 0530, Teil 1, Par. 33, für die Abnahme von Wicklungen vorgeschrieben. Der Verlustfaktor darf mit steigender Spannung eine bestimmte Zunahme je Meß-

Innenglimmschutz

155

intervall von 0,2 UN nicht überschreiten. Im Bereich bis zur Nennspannung ist ein Grenzwert von 6%0 je 0,2 UN und bis 0,6 UN ein mittlerer Anstieg von maximal 3%0 je 0,2 U N zugestanden. An diesen Daten orientieren sich auch die in der Fertigung selbst angewendeten Qualitätsmaßstäbe für die Hochspannungsisolierung. Je nach Herstellungsart und Isolationsaufbau der Wicklungen sind jedoch für die interne Kontrolle der Herstellungsqualität gelegentlich auch schärfere Anforderungen üblich. Neben dieser Einzelprüfung von isolierten Stäben werden Stichprobenprüfungen ausgeführt, die nachweisen sollen, daß die Isolierungen unter Erwärmung nicht aufgehen. Auch das wird mittels Verlustfaktormessung abhängig von der Spannung kontrolliert. Die Wickelkopfisolierung wird vorzugsweise dann besonders geprüft, wenn sie nicht in gleicher Art wie die Nutisolierung ausgeführt ist. Dafür schreibt VDE 0530 eine Spannungsprobe mit zweifacher Nennspannung unmittelbar an der Isolierung, ohne Berücksichtigung von Luftabständen, vor. Spannungsproben zur internen Qualitätskontrolle an der Isolierung von Stäben werden mit bestimmten Vielfachen der VDE-Prüfspannung für fertige Wicklungen vorgenommen und reichen bis zum doppelten Prüfwert.

2.3 Glimmschutz 2.3.1 Innenglimmschutz

Bei Wicklungen von einigen 1000 V Nennspannung aufwärts sind besondere Maßnahmen zu treffen, um zerstörend wirkende Glimmentladungen in und an der Isolierung zu verhindern. Innere Entladungen können auftreten, wenn die Isolierung nicht genügend luftfrei aufgebracht ist oder sich im Betrieb vom Leiter abheben und Luftspalte bilden kann. Diese Möglichkeit bestand vorwiegend bei Verwendung von Spaltglimmer-Umpressungen mit Bindemitteln, deren thermische Dauerbeständigkeit nicht ausreichte, um eine der Spaltbildung des großflächigen Glimmers entgegenwirkende, dauerhafte Verbindung der Schichten zu ermöglichen. Gegen die Ablösung vom Grund wurden dazu Anordnungen ausgeführt, bei denen insbesondere Schichten aus halbleitenden Papieren oder Metallfolien angebracht wurden, die für einen Kurzschluß möglicherweise entstehender Luftspalte am Stabgrund sorgten. Hier war die Gefahr der Glimmentladungen besonders groß, weil sie durch Zerstörung der Stabverbackung mechanische Schwingungen der einzelnen Teilleiter und dadurch bedingte mechanische Zerstörung der Hauptisolierung einleiten konnten. Derartige Anordnungen, die bei Verwendung von Metallfolien auf Kupferpotential gelegt werden konnten und sich mit der Isolierung abhoben, haben sich in jahrelangem Betrieb gut bewährt, so daß sich derartige Wicklungen auch heute noch durch einen außerordentlich geringen Verlustfaktoranstieg mit der Spannung auszeichnen gegenüber solchen, bei denen Innenglimmschutz-Anordnungen nicht vorhanden sind. Bei der heutigen Isolationstechnik sind derartige Ablösungen kaum noch zu befürchten. Deshalb beschränkt sich die Anwendung von InnenglimmschutzMaßnahmen darauf, an Kanten und Kröpfstellen für eine Homogenisierung des

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Stabwicklungen

elektrischen Feldes zu sorgen. Dazu werden graphit- oder rußhaltige Harze auf die entsprechenden Stellen aufgetragen und genügend geglättet, bevor die Hochspannungsisolierung aufgebügelt oder aufgewickelt wird. 2.3.2 Außenglimmschutz

Jede fertige Hochspannungsisolierung erhält im Nutteil einen Außenglimmschutz, der entweder aus einer schon beim Isoliervorgang aufgebügelten halbleitenden Folie (Graphitpapier oder leitfähiges Polyestervlies, vgl. Abb. 89) oder aus einem nachträglich aufgebrachten Leitlackanstrich besteht. Der Außenglimmschutzbelag muß genügend leitfähig sein, um einen sicheren Potentialausgleich über den gesamten Stab in Länge und Umfang zu garantieren. Die Leitfähigkeit darf jedoch bestimmte Werte nicht überschreiten, um aus der Nutenlängsspannung oder dem Nutenquerfeld resultierende Ströme zu verhindern, die die Anstriche zerstören und schließlich auch die Isolierung beeinträchtigen können. Deshalb werden in der RegelOberflächenwiderstände im Bereich von 1 - 25 kQ vorgeschrieben. Der Außenglimmschutz muß über die Blechpaketlänge so weit hinausgeführt werden, daß auch bei geringen Abständen gegen Druckplatten und Druckfinger des Blechpaketes keine Entladungen auftreten können. Er dient für die Fertigungskontrolle der Wicklungsisolierung gleichzeitig als lVleßbelag für die Verlustfaktormessung. Für eine gute Kontaktgabe mit dem geerdeten Blechpaket muß beim Einlegen der Stäbe in die Nuten gesorgt werden. Vielfach werden schon vorher Bewicklungen aus faserigen Bändern, z. B. Asbestband, Polyestervliesband oder ähnliches aufgebracht, die wiederum mit Leitlack eingestrichen werden und eine gewisse Nachgiebigkeit besitzen, um sich den Blechkonturen des geschichteten Stators anzupassen. 2.3.3 Endenglimmschutz

Am Nutaustritt muß sich bei Nennspannungen über 6 kV an den Außenglimmschutz ein Endenglimmschutz anschließen, der dafür sorgt, daß der Abbau des Potentials am Leiter gegen das geerdete Blechpaket ohne die Möglichkeit von Gleit- und Glimmentladungen erfolgt. Dieser Endenglimmschutz muß nicht nur für die Betriebsbeanspruchung, sondern vor allem auch für die zur Kontrolle der Wicklungsgüte anzuwendenden Prüfspannungen berechnet und ausgelegt sein. Für den Spannungsabbau mittels eines solchen Endenglimmschutzes ist eine bestimmte Isolierungslänge erforderlich. Deshalb muß bei Umpressungen, die lediglich im Nutteil eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen, die Ausladung des geraden Teiles gnügend lang sein, um die Spannungen zu beherrschen. Kontinuierliche Isolierungen dagegen lassen sich so ausführen, daß die Glimmschutzanordnung auch in der Evolvente aufgebracht werden kann. Das ermöglicht eine kürzere Ausladung des Nutteiles, erfordert aber auch die volle Isolationsdicke bis zum Ende des Glimmschutzes. Zur Spannungssteuerung werden entweder Oberflächenbeläge mit einem bestimmten Leitfähigkeitswert aufgebracht oder in Einzelfällen auch kapazitive Steuereinlagen verwendet. Kurve 1 in Abb. 94 gibt eine Vorstellung von der notwendigen Länge des spannungssteuernden Endenglimmschutzes, wenn man davon ausgeht, daß kaum mehr als 4-5 kV je cm

157

Endenglimmschutz

Länge abgebaut werden können. Die Ohmsehen Oberflächenbeläge bestehen entweder aus Anstrichen, die mit einem trocknenden und härtbaren Harz unmittelbar auf die Isolierstoffoberfläche aufgestrichen werden, oder zusammen mit geeigneten Bändern verarbeitbar sind. Sie enthalten als Füllstoff, der die Leitfähigkeit des Belages bestimmt, in der Regel Siliziumkarbid verschiedener Körnung. Als geeignete Bänder, die ihrerseits selbst zur Spannungssteuerung beitragen, sind häufig Asbestgewebebänder, auch in Mischungen mit Glasfadenverstärkung, üblich. Die erforderlichen Widerstände liegen im Bereich von 108 -1010 0 bei mm

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b Abb.257. Maximaler Verlustfaktoranstieg der Ständerstabisolierungen eines 50-MW-Generators [92]. a Häufigkeits- und Summenhäufigkeitsverteilung aller gefertigten Stäbe, b Summenhäufigkeitsverteilung der zum Einbau freigegebenen Stäbe mit Vertrauensbereich für P = 0,01 cZ

Zerstörungsfreie Prüfungen mit Wechselspannung

325

[67, 91]. In welcher Weise sich ungenügende Gleichmäßigkeit einer Fertigung äußert, ist in Abb. 257 zu sehen, welches ein bei der Erstfertigung eines neuen Isoliersystems durch Einführungsschwicrigkeiten entstandenes Sonderkollektiv erkennen läßt [92], oder in Abb. 258, das offensichtlich Unterschiede in der Handhabung durch verschiedene Personen zeigt [85]. Als Stichprobenprüfung sind für die Abnahme von Wicklungefl auch Erwärmungsproben an 2 Stäben vorgesehen, die bis 90 oe (VDE) oder einer höheren,

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Abb. 258. Häufigkeitsverteilung der Verlustfaktoren bei 2 k V; Meßwerte, für einen Generator, getrennt nach Wicklern ausgewertet [35]

der Wicklungserwärmung im Betrieb entsprechenden Temperatur (KEMA) auszuführen sind. Dabei soll die Temperaturabhängigkeit des Verlustfaktors als Kennzeichen für die Art des verwendeten Bindemittels bestimmt und nach Wiederabkühlung der Verlustfaktoranstieg über der Spannung überprüft werden. Sein Anstieg darf durch die Erwärmung nur um einen bestimmten geringfügigen Betrag zugenommen haben. Damit soll belegt werden, daß die Isolierung die feste Verbackung der Glimmerschichten auch bei Betriebstemperatur behält. 1.2.8 Verlustfaktoraustieg als Alterungsmerkmal

Der Verlustfaktoranstieg ist als Bewertungskriterium allgemein für jegliche Art von Alterungsprüfungenan Isolierungen üblich [69, 70, 82, 93, 94]. Er gibt Aufschluß über das Aufgehen auch bei langdauernder thermischer Alterung, bei der das Verharren auf einem asymptotisch erreichten Endwert die Eignung und ein ständiges Anwachsen des Verlustfaktoranstiegs innerhalb einer festgelegten Zeit eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur anzeigen (Abb.259) [70]. Neben dem maximalen Anstieg in einem bestimmten Meßintervall wird auch der gesamte Anstieg bis zu einer vorgegebenen Prüfspannung als Maßstab angewendet [95]. Verlustfaktormessungen an der Isolierung einzelner Spulen und Stäbe werden in der Regel in Schutzringanordnung vorgenommen, um Störungen durch Randeffekte an den Meßbelagenden auszuschalten. Eingebaute Wicklungen enthalten an den Nutenden Widerstands beläge für den Spannungsabbau, die in die Verlust-

326

A. WIOHMANN: Prüfung und Überwachung der Wicklungsisolation

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Abb. 259. Verlustfaktoranstieg von MICALASTIC-Isolierungen bei Raumtemperatur, nach Lagerung bei 130°C ohne Einspannung. 1 Spaltglimmer-Polyestervlies, 2 SpaltglimmerPapier, 3 Feinglimmer-Glasgewebe, 4 Feinglimmer-Polyestervlies

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Abb. 260 a. Änderung des maximalen Verlustfaktoranstieges LI tan 0/LI U für eine Spannungsänderung LI U = 2 kV von Wicklungen mit verschiedenem Bindemittel für die Isolierungen während der Fertigung, Montage und des ersten Betriebsjahres. 1 Mittelwerte x der WiekI ungsstäbe bei der Abnahme, 2 Mittelwert der eingebauten Wicklung im Herstellerwerk, 3 Mittelwert der eingebauten Wicklung im Kraftwerk vor dem Ausheizen, 4 Mittelwert der eingebauten Wicklung im Kraftwerk nach dem Ausheizen, 5 Mittelwert der eingebauten Wicklung während der ersten 5000 Vollastbetriebsstunden

Zerstörungsfreie Prüfungen mit Wechselspannung

327

faktormessung eingehen und mit steigender Prüfspannung den Verlustfaktoranstieg erhöhen können (vgl. Abb. 243). Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß dieser Einfluß sowohl bei der Messung einer alten Wicklung [69] als auch bei neuen Maschinen im Vergleich mit den Meßergebnissen der Einzelstäbe abgeschätzt (Abb. 260a) und nötigenfalls berücksichtigt werden kann [83, 87].

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Abb. 260 b. Verlustfaktoranstieg von Generatorwicklungen, abhängig von der Betriebszeit [70]. X Hz-Kühlung, gemessen in Luft, ® Hz-Kühlung, gemessen in Hz, • Luftkühlung über 10 kV Nennspannung, 0 Luftkühlung unter 10 kV Nennspannung, 1 Neue Isolierung, 2 nach 37000 Betriebsstunden, a Oberlagestäbe, bUnterlagestäbe

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Abb.261. Verlustfaktoranstieg einer Wicklungsisolierung bei Alterung [97]. 1 Neu, 2 nach 5000 h, 3 nach 8000 h, 4 nach 12000 h, 5 nach 17000 h

Die Anwendung des Verlustfaktoranstiegs als Alterungskriterium einer Wicklungsisolierung wird dadurch nicht beeinträchtigt, wenn nicht besondere Umstände (starke Verschmutzung, hohe Luftfeuchtigkeit) an Einfluß überwiegen. Die Zusammenstellung der Verlustfaktoranstiegswerte zahlreicher Maschinen in Abb. 260 b zeigt, daß bei geringer Änderung in der Betriebszeit keine nennens-

328

A. WICHMANN: Prüfung und Überwachung der Wicklungsisolation

werte Zunahme des Luftgehaltes der Isolierungen stattgefunden hat. Selbst solche mit einem hohen tan t5-Anstieg scheinen sich - wie die durch Striche verbundenen Wiederholungsmessungen zeigen - nicht zu verändern [70]. Andere Untersuchungen ergaben eine starke Zunahme des Verlustfaktoranstiegs der Isolierung während der ersten Betriebsjahre, bevor sich ein stabiler Zustand einstellt [83, 96, 97]. Ein prägnantes Beispiel dafür geben die Messungen an einem Turbogenerator (Abb.261), dessen Wicklungsisolierung durch tägliche An- und Abfahrten,starken Temperaturschwankungen ausgesetzt war [97, 98]. Mit dem Aufgehen der Isolierung verbunden ist eine Verminderung der Glimmeinsetzspannung, die sich aber nach der ersten Betriebsperiode nicht weiter vermindert und damit auch kein gutes Merkmal für den Alterungsgang der Isolierung zu sein scheint. Sie zeigt lediglich, in welchem Umfang die Wicklungsisolierung beim Betrieb Teilentladungen aufweist, erlaubt aber kaum weitergehende Aussagen über den Isolationszustand. Beachtung verdient die Abhängigkeit der Glimm-

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Abb.262. Verlustfaktoranstieg einer Wicklungsisolierung bei Alterung und verschiedenem Gasdruck [97]. 1 Neu bei 3 kp/cm2 Ha. 2 neu bei 2 kp/cm2 H 2 • 3 nach 19000 h bei 3 kp/cm2 H 2 • 4 nach 19000 h bei 2 kp/cm2 H 2

einsetzspannung und des Verlustfaktoranstiegs vom Druck in den geprüften Maschinen, wie Abb.262 für einen wasserstoffgekühlten Turbogenerator bei 3 und 2 kp/cm2 zeigt [96]. Vergleichende Bewertungen nach dem Glimmeinsatz und Verlustfaktoranstieg erfordern also immer eine Messung unter gleichem Druck oder eine entsprechende Korrektur. Da Druckänderungen sich nur allmählich den inneren Gaseinschlüssen mitteilen, ist auch der Zeitpunkt der Messung nach einer Druckänderung wichtig.

1.3 Erfassung und Lokalisierung von Teilentladungen durch Hochfrequenz. meßmethoden 1.3.1 TeiIentladung bei Wechselspannung

Die im vorigen Abschnitt beschriebene Verlustfaktormessung erfaßt summarisch die in den Luftspalten einer Isolierung durch Teilentladungen entstehenden Verluste. Da es sich bei den Glimmentladungen um hochfrequente Vorgänge handelt, eröffnet sich die Möglichkeit, diese mit Hochfrequenzmeßmethoden zu registrieren.

Teilentladungen durch Hochfrequenzmeßmethoden

329

Zur Klärung der Entstehung solcher Entladungsimpulse wird eine einfache Modellvorstellung herangezogen [12]. Man betrachtet den Luftspalt als Kondensator 0 1 mit parallel liegender Entladestrecke, die bei der Zündspannung Z zündet und den Kondensator entlädt. Hierzu in Reihe liegt das Dielektrikum O2 und parallel dazu das übrige gesunde Dielektrikum des Isolierstoffes. An 0 1 O2 U . sin wt. Der Luftspalt entlädt 01 O2 sich, sobald die Spannung U1 den Wert Z erreicht hat, auf annähernd O. U 1 folgt weiterhin von hier aus dem sinusförmigen Verlauf der Spannung und erreicht bei wt = 180 0 die Zündspannung Z. Es erfolgt eine zweite Entladung. Hierauf wiederholt sich der gleiche Vorgang in der negativen Halbwelle (Abb.263b). Einer jeden Entladung entspricht ein hochfrequenter Stromimpuls im äußeren Stromkreis, der mit Hilfe der Luftspaltnachbildung (Abb.263a) auf einfache wechselt dann die Spannung

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Modell Abb.263. Spannungsverlauf am glimmenden Luftspalt [12]

Weise erzeugt, gemessen und in Oszillogrammen (Abb.264) dargestellt werden kann. Die Oszillogramme zeigen eindeutig die Zunahme der einzelnen Impulse bei steigender Spannung. Die zu messenden Impulse können über einen Widerstand in der Erdleitung ausgekoppelt und über einen Verstärker nach Aussiebung der Prüfspannung auf dem Oszülographenschirm sichtbar gemacht werden. Ein anderes Verfahren [99, 100] ermöglicht die Auskopplung der zu oszillographierenden Impulsströme in der Diagonalen einer ganz oder teilweise abgeglichenen Schering brücke. Die besonders in den letzten Jahren rapide fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der elektronischen Datenerfassung hat die Möglichkeit geschaffen, Teilentladungen in technischen Isoliersystemen sehr genau bei weitgehender Ausschaltung fremder Störeinflüsse zu messen, zu zählen und zu analysieren. Dadurch nimmt diese Meßmethode, die als summarische Messung seit längerer Zeit vorwiegend für Kabel, aber auch für Wandler und Transformatoren benutzt wird, für die in ihrem inneren Aufbau komplizierteren Isoliersysteme von Hoch-

330

A. WWHMANN: Prüfung und Überwachung der Wicklungsisolation

spannungswicklungen umlaufender elektrischer Maschinen neben der Verlustfaktormessung an Bedeutung zu [101, 102). Eine der Verlustfaktormessung in der Scheringbrücke ähnliche summarische Messung der Ionisationsverluste kann mit verschiedenen Schaltungen und Geräten vorgenommen werden, in denen die Frequenz der Prüfspannung (50 Hz oder 60 Hz) eliminiert wird. Oft wird in die Erdleitung der an Hochspannung liegenden Wicklungsteile ein auf Hochfrequenz abgestimmter Resonanzkreis geschaltet, an dem die Glimmimpulse abgegriffen und auf Störspannungsmeßgeräte gegeben werden. Die An-

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Abb. 264. Glimmoszillogramme [12]

zeige des Störspannungsmeßgerätes gilt als quantitatives Maß für die in der gemessenen Wicklung auftretende Glimmintensität [103-109). Störspannungsmeßgeräte dieser Art arbeiten selektiv bei Frequenzen bis zu einigen MHz und liefern für Messungen an einzelnen Wicklungselementen [12] und ganzen Wicklungen vergleichbare Störgrößen mit ähnlichem Aussagewert wie die Verlustfaktormessung bei steigender Spannung (Abb. 265). Genauere und aussagekräftigere Ergebnisse werden durch breitbandige Meßgeräte erzielt, die einen Frequenzbereich bis zu mehreren MHz umfassen [102, 111]. In dieser Gruppe befinden sich Meßeinrichtungen, die den arithmetischen oder quadratischen Mittelwert des Impulsstromes messen. Bei diesen Meßverfahren werden naturgemäß die großen Impulse stärker bewertet, während die meist höhere·Anzahl kleiner und kleinster Entladungen nur geringfügig in das Meßergebnis eingeht [112, 113). Eine bessere Beurteilung läßt eine gleichzeitige Zählung der Impulse bei Aufteilung der Ent-

Teilentladungen durch Hochfrequenzmeßmethoden

331

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Abb.265. Störgröße I und Verlustfaktorverlauf, abhängig von der Spannung für verschiedene im Betrieb stehende Maschinen. 1 12 kV, 32 MVA, 600 min-l, (AF) nach 11 Jahren Betrieb, 2 12 kV, 80 MVA, 333 min-l, (AF) nach 6 Jahren Betrieb, 3 10,5 kV, 32,5 MVA, 75 min-l, (SM) nach 34 Jahren Betrieb, 4 10,5 kV, 19,5 MVA, 75 min-l, (SM) nach 30 Jahren Betrieb, 5 10 k V, 220 MVA, 3000 min-l, (M) nach 25000 Betriebsstunden

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s-, 17 kV (24 kV)l Fremderregte Erregerwicklungen von Gleichstrommaschinen

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2U+1000V mindestens 1 500 V 2U+1000V

U~2kV

5

Erregerwicklungen von Synchrongeneratoren, Synchronmotoren und Blindleistungsmaschinen

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2 UEmax 1000 V mindestens ·1 500 V 10 U mindestens 1 000 V höchstens 3500 V

1 Vorgesehen für die Neuauflagen von IEC-Publication 34-1 und VDE 0530, Entwurf 1 Teil 1/71. .

Bei Serienprüfungen von Maschinen mit einer Leistung unter 5 kW kann die Ein-Minuten-Prüfung durch eine Fünf-Sekunden-Prüfung oder durch eine EinSekunden-Prüfung mit 120% der vorgeschriebenen Spannung ersetzt werden. Das trägt der Tatsache Rechnung, daß es bei kleinen Maschinen im Grunde nur um den Nachweis der Fehlerfreiheit im Prüfzeitpunkt geht. Um die erforderliche Prüfwirkung auch bei sehr kIemen Nennspannungen zu garantieren, sind teilweise Mindestwerte vorgeschrieben (Tab. 16, Zeile 2, 4, 5). Bei größeren Maschinen mit vorwiegend höheren Nennspannungen dagegen sind Wiederholungsprüfungen mit 80% der Prüfspannung durchzuführen und teilweise erneuerte Wicklungen nur mit 75% der für neue Wicklungen geltenden Spannung zu prüfen. Spannungsprüfungen bei Revisionen sind auf die 1,5fache Nennspannung, jedoch mindestens 1000 V festgelegt. Diese reduzierten Werte bringen zum Ausdruck, daß durch die Prüfungsbelastung selbst mögliche Schwächungen vermieden werden sollen. 22 Sequenz, Herstellung

338

A. WWBMANN: Prüfung und Überwachung der Wicklungsisolation

Um die vorgesehenen Endprüfungen sicher zu bestehen, wird bei der Fertigung einer Wicklung in zahlreichen Zwischenprüfungen überwacht, daß alle isolierten Teile die gewünschte elektrische Festigkeit aufweisen (vgl. Herstellung der Wicklungen, S. 155, Stabwicklungen). 1.4.2 Elektrische Festigkeit und Lebensdauer

Durch den Nachweis des Isoliervermögens einer betriebsfertigen Wicklung durch eine 1-min-Spannungsprobe wird lediglich festgestellt, daß die Isolierung nach der konstruktiven Auslegung, der Fertigung und dem Einbau der Wicklung keine groben Fehler und Schwachstellen aufweist. Die Aussage und Bedeutung dieser Prüfung kann nur an der für das jeweilige Isoliersystem festgestellten elektrischen Durchschlagsfestigkeit und Lebensdauer gemessen werden.

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Abb.273. Dauerspannungsfestigkeit von Generatorstab-Isolierungen. 1 Asphaltimprägnierte Glimmer-Bandisolierungen [123], 2 Thermalastic-Isolierung nach [123], 3 Schellack-Mikafolium-Isolierung [45], 4 MICALASTIC-Isolierung [67], 5 Micadur-Isolierung [124]

In Abb. 273 sind die Lebensdauerkurven von 5 verschiedenen Isoliersystemen dargestellt, die an nicht vorbeanspruchten Wicklungselementen oder deren Nachbildungen ermittelt wurden. Sie lassen sich in halblogarithmischen Koordinaten angenähert als Geraden darstellen, die durch folgende analytische Formel beschrieben werden: E (22) log t = a - -. b Hierin gibt a die Neigung der Geraden und b ihren Schnittpunkt mit der Zeitachse des Koordinatensystems bei E = 0 an. Durch diese beiden Konstanten ist die elektrische Lebensdauer eines Isolationssystemes gekennzeichnet. Die Ein-Minuten-Spannungsprobe ergibt für die Prüfung der Nutisolierung bei einer Auslegung der heutigen Isoliersysteme für eine maximale Beanspruchung mit etwa 2-2,5 kV/mm eine Feldstärke von 8-10 kV/mm. Die 1-min-Durch-

Die Spannungsprobe und ihre Bedeutung für die Isolationsprüfung

339

schlagsfestigkeit liegt bei dem 2-3fachen dieses Wertes (vgl. Abb. 273, Kurven 2 bis 5). Es werden mit der Spannungsprobe also lediglich Schwachstellen in einer Isolierung ausgeschieden, deren elektrische Ein-Minuten-Festigkeit auf die Hälfte bis ein Drittel des normalen Wertes verringert ist. An einer fehlerfreien Isolierung könnte diese Prüfbeanspruchung sehr oft wiederholt werden, bevor ein Durchschlag eintritt, weil sie nur jeweils einen geringfügigen Teil des "Lebensdauervorrates" verbraucht. Die Spannungsdauerfestigkeit technischer Isolierungen ist von mehreren Faktoren abhängig, die beim Vergleich der Lebensdauerkurven verschiedener Isoliersysteme berücksichtigt werden müssen. Zunächst sind Unterschiede im Aufbau und der Zusammensetzung der Isolierung von Bedeutung. Anteil und Größe der Glimmerplättchen können sich in der aus Abb. 274a und 274 b entnehmbaren Weise auf die elektrische Festigkeit auswirken. l!t7

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