Fiberkompositer med ökad mekanisk och elektrisk prestanda för lindningskopplare Användning av fiberkompositmaterial i elektriska applikationer är väl etablerad. Det nya är materialegenskaperna inom elektrisk isolation för kompositer. Exempel på etablerad tillämpning är lindningskopplare i transformatorer, och exempel på ny tillämpning med stor tillväxtpotential är isolatorer för högspänningsställverk. Förbättrade materialprestanda och kvalitetssäkrade tillverkningsprocesser innebär att kompositmaterialen erbjuder fördelar som ökar kostnadseffektiviteten vid tillverkning av produkter med högt ställda tekniska krav. A BB Plast och ABB Components har i samarbete utvecklat fiberkompositmaterial med förbättrade elektrisk och mekanisk prestanda. Målet var inriktat på ökad elektrisk och mekanisk hållfasthet i materialet. Arbetet har styrts av kraven som ställs på lindningskopplarcylindrar för transformatorer. Lindningskopplarcylindrar är högt elektriskt belastade, och materialet måste klara denna belastning utan risk för elektriskt överslag. Kompositmaterialets beståndsdelar i en lindningskopplarcylinder är glasfiber och epoximatris 1. Flera egenskaper i denna typ av material är starkt kopplade till egenskaperna i gränsytan mellan fiber och matris. Det arbete som nu resulterat i ett material med förbättrade prestanda har varit fokuserat på optimering av gränsytan. Resultat har uppnåtts dels genom prov av ett större antal materialkombinationer och dels genom optimering av impregneringsdelen i tillverkningsprocessen. Lindningskopplarens funktion och montering på transformatorn ABB har tillverkat lindningskopplare sedan 1910. De används för att se till att spänningen på transformatorns sekundärsida hålls på önskad nivå. Det ska ske oberoende av last på transformatorn över dygnet. Lindningskopplaren reglerar förhållandet mellan varvtalen på primär- och sekundärsidan och styr spänningen på sekundärsidan till önskad nivå. Anders Strömbeck ABB Plast AB Tommy Larsson ABB Components AB Fysisk inkoppling av antal varv sker genom att lindningskopplaren kopplar in olika uttag på transformatorns reglerlindning. Denna omkoppling mellan olika uttag måste ske utan att lastströmmen bryts. Omkopplingen på mekaniska lindningskopplare alstrar ljusbågar, som oxiderar partiklar, vilka smutsar ner omgivande transformatorolja. Då transformatorn i övrigt ej klarar smutsig olja, placeras lindningskopplarens ljusbågsalstrande del i ett separat kärl. Lindningskopplare monteras i huvudsak på två olika sätt på en transformator, antingen inne i transformatorns låda 2 eller utvändigt på ena väggen 3. När lindningskopplaren monteras utanpå transformatorn, får den en naturlig barriär mot transformatorns övriga olja. Då lindningskopplaren monteras i transformatorn, måste ett separat oljekärl av isolermaterial användas. De senaste 20 åren har dessa kärl huvudsakligen tillverkats i fiberkompositmaterial. Ökad användning av fiberkompositer Fiberkompositer har även börjat användas mer och mer på andra delar av lindningskopplaren tack vare bättre mekaniska och elektriska egenskaper än materialen de ersätter. De fiberkompositer som är placerade i ren olja blir ofta ändå den svaga länken, p.g.a. de enormt goda elektriska egenskaper som ren transformatorolja har. Det innebär att alla förbättringar av de elektriska egenskaperna i kompositmaterialet direkt bidrar till bättre prestanda och en mer kompakt produkt. Det är viktigt att inte bara genomföra normenliga typ- och rutinprov på lindningskopplaren, utan att även statistiskt säkerställa att kompositmaterialet med god marginal och liten sprid- 38 ABB Tidning 5/1999
ning klarar lovade märkdata samt att alla producerade kompositer klarar uppsatta kriterier. Kompositmaterial för lindningskopplarcylindrar uppbyggnad och tillverkning Cylindrarna tillverkas med fiberlindningsteknik och är i huvudsak uppbyggda av epoxi och glasfiber. 4 visar en principiell skiss på fiberlindningsprocessen. Utmärkande är att fibern, i form av roving (buntar av fiber), påförs ett roterande dorn (verktyg) med noggrann positionering av fiberns läge och riktning och med kontrollerad fiberspänning. Fiberns mekaniska styrka nyttjas optimalt då processen ger hög fiberhalt och förbestämda fiberriktningar i kompositmaterialet. En kritisk punkt i processen är impregneringen av fibern, d.v.s. där det flytande epoxihartset tillförs glasfibern. För att uppnå bra materialkvalitet krävs att glasfiberns yta impregneras till fullo och att luftinblandning i epoxin minimeras. ABB Plast har utvecklat en ny egen metod som löser dessa problem. Viktiga parametrar som påverkar impregneringen är bland annat hartsets viskositet, lindningshastighet och kompatibiliteten mellan fiber och epoxi. En optimerad gränsyta ska ha stark bindning mellan matris och fiber, men samtidigt ska området i gränsytans närhet klara de lokala spänningskoncentrationer som uppstår i materialet. Processen producerar rörämnen som sedan bearbetas maskinellt till färdig produkt. För att säkerställa materialets kvalitet utförs elektrisk provning av varje tillverkat rörämne. Produktens kvalitet kan därigenom garanteras. 5 visar elektrisk provning av rör på ABB Plast. Cylinder i fiberförstärkt kompositmaterial för lindningskopplare 1 Lindningskopplare typ UC monterad inne i transformatorlådan Lindningskopplare typ UZ monterad utvändigt på transformatorn 3 2 ABB Tidning 5/1999 39
Armering Glasfiber Kolfiber Aramidfiber Impregnering med epoxyharts Lindningsprocess Delen efter rensning och avlägsnande från stålkärnan Maskinbearbetning Färdig detalj Principskiss på fiberlindningsprocessen vid tillverkning av kompositcylindrar för lindningskopplare 4 Materialutveckling komposit möjligheter ges att skräddarsy och optimera materialets egenskap i en given Utveckling av kompositprodukter kräver bred teknisk kompetens avseende riktning till varje enskild produkt. tillverkning, material och design för att Ett kompositmaterials styvhet och ge bra resultat. Utmärkande för kompositmaterial är att de är anisotropa (rikt- av dess fiberinnehåll. Matrisen, som hållfasthet är i första hand en funktion ningsberoende) och att tillverkning av ofta är en härdplast, har flera andra viktiga funktioner, t.ex. att hålla fibrerna på materialet sker i direkt anslutning av produktens tillverkning. Detta är också plats i materialet, eller att fördela och en av kompositmaterialets styrkor att utjämna lasterna mellan fibrerna, samt Elektrisk provning av detaljer i kompositmaterial hos ABB Plast 5 att ge kompositmaterialet kontinuerlig yta och täthetsegenskaper. I elektriska isolermaterial har matrisen tillsammans med fibrerna också funktionen att motstå elektrisk belastning utan att skador uppstår i materialet. Egenskaperna i gränsytan mellan fiber och matris kan ha stor påverkan på materialets globala egenskaper. Exempelvis kan gränsytans egenskaper styra den belastningsnivå där mikrosprickor uppstår i matrisen. För komponenter med endast lastbärande funktion kan mikrosprickor accepteras i viss omfattning. Däremot kan mikrosprickor ge kraftig försämring av t.ex. åldrings-, utmattnings-, täthets- och elektriska egenskaper. I det utvecklingsarbete som presenteras här har fokus lagts på att förbättra gränsytan mellan fiber och matris, så att mikrosprickor inte ska uppträda vid definierad belastning. Det övergripande målet är att nå ökad och säkerställd elektrisk genomslagshållfasthet jämfört med ett känt referensmaterial. 40 ABB Tidning 5/1999
kraftigt påverkar den gränsyta som erhålls i kompositen, som i sin tur har stark koppling till när sprickor uppträder. Tabell 1: Exempel på materialegenskaper för lameller i fiberlindade rörmaterial Resultat av diffusionsprov i optimerade (I) och standard (II) materialkombinationer D D Blå Orange I Mätt diffusion Efter 1 timme Efter 4 timmar Förbättrade materialegenskaper Som komplement till direkt provning av elektrisk genomslagshållfasthet har en speciell provmetod tillämpats för att mäta skillnader i gränsytan mellan olika fiber/matris-kombinationer. Metoden är baserad på mätning av diffusion i kompositmaterialet och då särskilt längs fiberytan eller i området nära fiberytan, d.v.s. gränsytan. Metoden ger kvantitativa resultat kopplade till diffusion, men också kvalitativa resultat som kan kopplas till elektrisk genomslagshållfasthet. 6 visar resultat av diffusionsprov i ett flertal olika materialkombinationer. Stora skillnader syns mellan olika materialkombinationer. För att testa motståndet mot sprickor i olika material har en provmetod tilllämpats, där korsfiberlaminat provas i dragprov med samtidig mätning av när första sprickan uppkommer i materialet. Mätningarna har visat stora skillnader i lastnivå för sprickinitiering. Resultaten är mycket intressanta, då t.ex. variation av fibertyp i lika matris och lika tillverkning uppvisar stora skillnader i sprickinitiering 7. Dessa resultat visar att glasfiberytans kemiska uppbyggnad II 6 Fiberlindningsprocessen Fiberlindningsteknik är en tillverkningsteknologi i första hand lämpad för slutna och symmetriska strukturer som olika typer av rör och cylindrar. Fördelarna med tekniken är flera: Hög prestanda i kompositmaterialet Flexibilitet i fiber och matrisval Hög repeterbarhet i produktionsprocessen genom datoriserad styrning Fiberlindade produkter tillhör därför de mest högpresterande kompositmaterialen. Tabell 1 visar exempel på materialegenskaper för lameller i fiberlindade rörmaterial. Alternativa tillverkningstekniker för kompositcylindrar ABB Plast använder flera olika metoder för framställning av kompositprodukter. CD 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 E Materialegenskap Elasticitetsmodul GPa 45 Hållfasthet MPa 1,100 Densitet kg/m 3 2.0 För tillverkning av högpresterande rör nyttjas, förutom fiberlindning, också vakuuminjiceringsteknik 8. Valet mellan fiberlindning och injicering avgörs bland annat av produktens geometri. Fiberlindning är effektivt för raka cylindriska rör men har begränsningar för mer komplicerade geometrier. Injiceringsteknik kan anpassas för komplicerade geometrier med bibehållna höga materialprestanda. Tillverkning med injicering sker Provning av motståndet mot sprickor i olika material. Korsfiberlaminat testas i dragprov med samtidig mätning av när första sprickan uppkommer i materialet. CD Spricktäthet Blå Harts A E Förlängning Röd Harts B Grön Harts C 1.0 1.2 1.4 1.6 7 ABB Tidning 5/1999 41
Hartsinlopp Luft ut Armering Glasfiber Kolfiber Aramidfiber Torr förstärkning Färdig detalj Harts Form Vakuuminjiceringsprocessen 8 genom att först tillverka en förform av fibermaterial som sedan impregneras med ett polymerharts i ett slutet verktyg. Under impregneringen används undertryck i formrummet. Undertrycket nyttjas som drivkraft för formfyllnaden och impregnering av glasfibern på mikronivå. Användning av vakuum garanterar dessutom att kompositmaterialet får mycket lågt luftinnehåll. Elprovning av lindningskopplare med optimerat kompositmaterial En mängd fullskaleprov har utförts för att studera det optimerade kompositmaterialets egenskaper att motstå Relativ förmåga att motstå 9 stötspänning för normal (brun) respektive optimerad (grön) komposit U U Spänning 1000 kv 800 600 400 200 0 de stötspänningar som uppkommer under åskväder i närheten av transformatorn. Fullskaleproven har utförts som gränsprov, där ett stort antal lindningskopplare utsatts för spänningar långt över märkdata ända till det att överslag slutligen inträffat. I 9 jämförs förmågan att motstå stötspänningar för normala kommersiella elektrokompositer med denna optimerade komposit. Denna förbättring innebär att lindningskopplarnas prestanda ytterligare kan ökas samt att en möjlighet till ännu kompaktare lindningskopplare finns. Framåtblick för kompositer i högspänningstillämpning Behovet av effektiva isolationsmaterial ökar bland annat för isolerande komponenter i nya elektriska apparater. ABB Plast och ABB Components har i samarbete utvecklat kompositmaterial med höga elektriska isoleregenskaper för användning i lindningskopplare. Dessa lindningskopplare tillverkas med fiberlindningsteknik. Med nya materialkombinationer och optimerade tillverkningstekniker kan högt ställda tekniska krav uppfyllas. Detta leder till effektivare komponenter i befintliga elektriska apparater och ökar användningsområdena för kompositmaterial för elektrisk isolation i högspänningsutrustningar. Författarnas adresser Anders Strömbeck ABB Plast AB Box 273 SE-941 26 Piteå Fax: +46 (0) 911 663 75 E-mail: anders.stromback@sepla.mail.abb.com Tommy Larsson ABB Components AB SE-771 80 Ludvika Fax: +46 (0) 240 80078 E-mail: tommy.larsson@se.abb.com 42 ABB Tidning 5/1999