Isolierung von Hochspannungsmotorspulen

Die Spulenisolierung vonHochspannungsmotorDie Hochspannungsspule hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit des Motors und ist daher ein Aspekt, den jeder Konstrukteur und Techniker sorgfältig berücksichtigen muss. Sie kann gewissermaßen als Herzstück des Motors bezeichnet werden, da sie dessen Lebensdauer direkt bestimmt. Die Eigenschaften des Isoliermaterials, eines wichtigen Bestandteils der Spule, sind daher von entscheidender Bedeutung.
Die Isolationsstruktur und die Behandlungsprozesse von Hochspannungsmotoren in verschiedenen Ländern lassen sich grob wie folgt zusammenfassen:
(1) Das Mehrkomponenten-Glimmerband wird kontinuierlich gewickelt, vakuumgetrocknet und anschließend heiß gepresst (geformt oder hydraulisch).
(2) Das Mehrkomponenten-Glimmerband wird kontinuierlich gewickelt, ohne Vakuumtrocknung, und direkt durch Heißformen geformt.
(3) Weniger klebendes Glimmerband wird kontinuierlich umwickelt, vakuumiert in lösungsmittelfreies Harz und anschließend heißgepresst.
(4) Das Glimmerband (oder weißes Embryoband) wird fortlaufend umwickelt, d. h. die Linien werden gestreut, und dann wird das lösungsmittelfreie Harz als Ganzes imprägniert.
Darüber hinaus gibt es Silikonkautschuk-Isolierungen sowie Mischisolierungen aus Silikonkautschuk und Glimmerband. Silikonkautschuk zeichnet sich durch hervorragende Hitzebeständigkeit, Kältebeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus, weist jedoch geringe elektrische Eigenschaften und eine geringe Reißfestigkeit auf und wird daher nur für Hochspannungsmotoren in speziellen Umgebungen unter 6 kV eingesetzt.

Grundvoraussetzungen für HochspannungSpulenisolierung:
 Ausreichende elektrische Stärke
Einerseits ist eine möglichst dünne Motorisolierung wünschenswert, andererseits muss eine gewisse elektrische Festigkeitsreserve vorhanden sein. Im Betrieb ist der Motor atmosphärischen und betriebsbedingten Überspannungen ausgesetzt. Kurzschlüsse, die langfristige Einwirkung von Temperatur und Spannung führen zu einer allmählichen Alterung der Isolierung. Vibrationen und mechanische Belastungen schädigen die Isolierung zusätzlich. Darüber hinaus erzeugen die im Herstellungsprozess durchgeführten Spannungsfestigkeitsprüfungen mitunter subtile Verschleißspuren an der Isolierstruktur – den sogenannten kumulativen Effekt. All dies führt zu einer Verringerung der elektrischen Festigkeit der Isolierung. Daher muss bei der Auslegung der Spulenstruktur ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden.
 Geringe dielektrische Verluste
Dielektrische Verluste treten auf, wenn eine isolierende Struktur einem Wechselfeld ausgesetzt ist. Die dielektrischen Verluste in Form von Wärme sind zwar im Durchschnitt gering, konzentrieren sich jedoch an einzelnen Schwachstellen. Übersteigt die durch dielektrische Verluste verursachte Wärme an diesen Schwachstellen die abgegebene Wärmemenge, steigt die lokale Temperatur der Isolierung weiter an. Dieser Temperaturanstieg verstärkt die dielektrischen Verluste und führt zu einem starken Abfall der elektromechanischen Eigenschaften der Isolierung. Im schlimmsten Fall kann es an den Schwachstellen zu einem lokalen thermischen Durchschlag kommen. Daher dürfen die dielektrischen Verluste in Hochspannungsmotoren den vorgegebenen Wert nicht überschreiten.
Gute Koronaresistenz
Beim Betrieb von Hochspannungsmotoren kann es sowohl innerhalb als auch an der Oberfläche der Isolierung zu Koronaentladungen kommen, die deren Alterung und Korrosion beschleunigen. Daher sollten die Spulen von Generatoren ab 6,3 kV und Motoren ab 6 kV gegen Koronaentladungen geschützt werden. Die Spulen von 6-kV-Motoren benötigen im Allgemeinen keine spezielle Schutzbehandlung, jedoch ist diese für Motoren, die in rauen Umgebungen oder mit hoher Leistung eingesetzt werden, empfehlenswert.

Gute thermische Alterungsbeständigkeit
Die Wärmebeständigkeit der Wärmedämmkonstruktion muss der für das Produkt erforderlichen Wärmebeständigkeitsklasse entsprechen. Unter dauerhafter Einwirkung der Betriebstemperatur kann die normale Lebensdauer der Isolierung gewährleistet werden.
Die Motorisolierung wird üblicherweise in fünf Wärmebeständigkeitsklassen (A, E, B, F, H) eingeteilt. Im Betrieb darf die Temperatur des heißesten Punktes in der Motorwicklungsisolierung die in der jeweiligen Isolationsklasse angegebene Maximaltemperatur nicht überschreiten. Im Allgemeinen ist ein Sicherheitsabstand von 5–10 °C erforderlich. Besteht die Isolationsstruktur aus Isoliermaterialien unterschiedlicher Wärmebeständigkeitsklassen, lässt sich ihre Wärmebeständigkeit mithilfe eines Strukturmodells simulieren und umfassend bewerten.
Kann der Belastung durch mechanische Beanspruchung standhalten
Die Spulenisolierung muss einer gewissen mechanischen Belastung standhalten, ohne zu brechen oder sich schädlich zu verformen. Da sich Draht und Isolierung im Betrieb aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten sowie Temperaturänderungen stark ausdehnen, unterliegt die Isolierung Zugkräften. Je länger der Motor, desto größer die Belastung. Aufgrund der elektromagnetischen Kraft vibriert das Spulenende, insbesondere bei Kurzschluss, Anlauf- und Bremsstrom. Die elektromagnetische Kraft kann die Spule verformen. Daher muss die Isolierung eine gewisse Elastizität und mechanische Festigkeit aufweisen.