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Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums mit verringerten dielektrischen Verlusten, insbesondere für Kondensatoren
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höheren Verlustfaktor als das Papier bzw. das Dielektrikum haben, kann bei höheren Gehalten ihre quantitative Beimischung die Wirkung beeinträchtigen oder sogar eine Verschlechterung des Verlustfaktors verursachen.
Mit höheren Mengen an Wirkstoff, z. B. mit 6-8% des Papiergewichtes und darüber, erhält man gute Ergebnisse, wenn man als Wirkstoff Metalloxyde verwendet, u. zw. vorwiegend solche, deren Verlustfaktor unterhalb desjenigen liegt, den die für das Papier verwendete Zellulose aufweist. Meist sind dies Stoffe, wie z. B. Siliziumdioxyd, Kieselgur oder geglühter Kaolinit, deren Dielektrizitätskonstante näherungsweise der des Dielektrikums entspricht, so dass sich ein gleichmässiges elektrisches Feld ergibt, wie es bei hochbelasteten Kondensatoren erforderlich ist.
Wenn man solche Metalloxyde aus den entsprechenden Hydroxyden oder Hydraten durch Wärmebehandlung herstellt, ist folgendes zu beachten : Es genügt nicht, die Wärmebehandlung nur bis zu Temperaturen auszudehnen, bei denen das Hydratwasser gerade abgespalten wird, sondern die Wärmebehandlung
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das Ausgangsprodukt zurück. Ein im wesentlichen beständiges Oxyd erhält man erst, wenn man die genannten Stoffe mehrere Stunden bei etwa 1000 C erhitzt. Im Falle des Aluminiumoxyds ist es zweckmä- ssig, nicht über 1100 C zu gehen, weil sich dann Korund bildet, der als hervorragendes Schleifmittel bei der Papierherstellung die metallischen Teile der Mahleinrichtung angreift, wobei die abgeschliffenen Metallteilchen in das Papier gelangen und die Isolation zerstören oder doch verringern.
Es ist bemerkenswert, dass bei den angegebenen höheren Gehalten der Wirkstoffe ausser der erfindungsgemässen Einwirkung derselben auf das Imprägniermittel noch eine andere Wirkung eintritt, die auch zur Verringerung der Verluste, insbesondere der dielektrischen Verluste, beiträgt. Bei der Messung der Verlustfaktoren der noch nicht imprägnierten, sondern nur aktivierten, d. h. nur wärme- und vakuumbehandelten, Dielektrika zeigt sich nämlich im Vergleich mit solchen aus dem gleichen Papier, jedoch ohne Wirkstoffe, dass die Verlustfaktoren bei dem Papier gemäss der Erfindung eindeutig niedriger lagen, u. zw.. in einem Masse, das nicht allein durch die mengenmässige Zugabe der Stoffe erklärt werden kann.
Die hier vorliegende Wirkungsweise ist noch nicht geklärt. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die feinkörnigen Wirkstoffe mit den Endgruppen der Zellulose unter dem Einfluss der Wärmebehandlung beim Trocknen des Papieres und beim Aktivieren der Wirkstoffe verlustvermindernde Bindungen eingehen. Für das Vorhandensein von Bindungen spricht auch, dass sich Wasser nicht trübt, wenn man darin Papier gemäss der Erfindung zerfasert.
Es bedarf nicht des Hinweises, dass die bereits im nichtimprägnierten Papier vorhandene Verringerung der Verluste sich im gleichen Sinne, d. h. verlustvermindernd, im imprägnierten Dielektrikum auswirkt und dadurch die Verlustverminderung vergrössert, die sich aus der Einwirkung der Wirkstoffe auf das Imprägniermittel ergibt. bs ist daher zweckmässig, die Wirkstoffe in einer solchen Menge und Feinheit zuzusetzen, dass bereits auch die Eigenschaften des noch nicht imprägnierten Papiers verbessert, d. h. die dielektrischen Verluste verringert werden.
Die Erfindung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass sie gleichzeitig von andern bekannten Mitteln oder Massnahmen Gebrauch macht, die bei einem aus Papier und Imprägniermitteln bestehenden Dielektrikum anwendbar sind und eine Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften, insbesondere eine Verringerung der Verluste des Dielektrikums, herbeiführen.
Um zu sehr niedrigen dielektrischen Verlusten zu kommen, ist es daher zweckmässig, bei der Herstellung eines Papiers gemäss der Erfindung von einer Zellulose auszugehen, die an sich niedrige Verluste hat. Ein solches Papier erhält man aus einer Papiermasse, die nach dem Sulfatverfahren hergestellt ist und wenn diese insbesondere einen hohen Gehalt an Alphazellulose hat und möglichst frei von Fremdbe-
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zum Imprägniermittel geändert und das Papier besonderen Anforderungen des Dielektrikums angepasst werden kann. Das Papier kann auch lackiert, metallisiert oder in anderer Weise behandelt sein.
Das erfindungsgemäss hergestellte Dielektrikum ist ausser für Kondensatoren auch für andere Anwendungen, z. B. für die Umhüllung von Kabeln, Leitungen, Spulen oder andern elektrischen Einrichtungen, geeignet. Es kann von Vorteil sein, das Dielektrikum in Kombination mit einem andern Dielektrikum, z. B. einer Kunststoffolie, anzuwenden.
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Es ist bekannt, Imprägniermittel zwecks Verbesserung ihrer dielektrischen Eigenschaften mit natürlichen oder aktivierten Stoffen, wie Bentonit, Bleicherde od. dgl. zu behandeln ; für chlorierte Kohlenwasserstoffe wurde auch Aluminiumhydroxyd oder Aluminiumoxyd vorgeschlagen. Alle diese Vorschläge bedeuten für die Erfindung kein Vorbild, da diese Wirkstoffe, nachdem sie ihre Wirkung ausgeübt haben, aus dem Imprägniermittel, z. B. durch Filtrierung, wieder entfernt werden. Da die dem Imprägniermittel entzogenen Fremdstoffe an die Wirkstoffe gebunden sind, werden die Fremdstoffe gleichzeitig mit den Wirkstoffen aus dem Imprägniermittel entfernt.
Bei dem Vorschlag zur Behandlung von chlorierten Kohlenwasserstoffen mit Aluminiumhydroxyd oder Aluminiumoxyd wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Aluminiumoxyd so grob sein muss, dass feine Oxydteilchen nicht in das Isoliermittel gelangen.
Demgegenüber muss beachtet werden, dass nach der Erfindung die Wirkstoffe mit den dem Imprägniermittel entzogenen und an sie gebundenen Fremdstoffen im Dielektrikum und bei der betrieblichen Anwendung im elektrischen Feld verbleiben. Es ist ein überraschendes Ergebnis der Erfindung, dass die hier verwendeten Wirkstoffe in der besonderen erfindungsgemässen Form mit extrem niedriger Teilchengrösse und grosser Oberfläche dem Imprägniermittel nicht nur verlustbringende Fremdstoffe entziehen, sondern eine Bindung dieser Fremdstoffteilchen an die Wirkstoffe in einer solchen Weise erfolgt, dass sie nicht mehr Verluste verursachen oder diese wenigstens wirksam vermindern.
Es ist ferner bemerkenswert, dass keine Verminderung der Durchschlagfestigkeit eintritt und dass vielmehr eine kleine Verbesserung
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sollen die verunreinigenden Salze in unlösliche Verbindungen bzw. verhältnismässig unschädliche lösliche Verbindungen übergeführt werden, so dass der Leistungsfaktor des fertigen Fasergutes verbessert wird.
Schliesslich ist es auch bekannt, der Papiermasse Calciumhydroxyd zuzugeben, um das spezifische Gewicht und die Festigkeit des fertigen Fasergutes zu erhöhen.
Beide Vorschläge berühren nicht den Gedanken der Erfindung, durch bestimmte Stoffe, zu denen auch Metallhydroxyde gehören können, in kolloidaler Korngrösse beim Imprägnieren auf das Imprägniermittel einzuwirken, um die dielektrischen Eigenschaften des Imprägniermittels bzw. des aus Papier und Imprägniermittel gebildeten Dielektrikums zu verbessern.
Demgegenüber stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die dielektrischen Anfangswerte überhaupt zu verbessern, u. zw. in einer ganz bestimmten Richtung : Es soll bei Kondensatoren die Verlustfaktorcharakteristik verbessert und insbesondere im Bereich von 60 bis 1200C gesenkt werden, um die Kippleistung der Kondensatoren zu erhöhen. Die Erfindung erreicht diese Verbesserung in erheblichem Ausmass durch eine ganz spezielle Behandlung des Imprägniermittels bereits beim Imprägnieren, also bei der Herstellung des Kondensators und vor seiner Inbetriebnahme.
Abgesehen davon ist Aluminiumhydroxyd oder Aluminiumoxyd mit einer Siebfeinheit entsprechend einer Maschenweite von 30 bis 60 Maschen je Zoll (5 - 10 Maschen je cm), wie sie für Zwecke der Stabilisierung vorgeschlagen wird, unanwendbar, wenn man die Erfindung verwirklichen will.
Bei chlorierten Imprägniermitteln ist die Erfindung auch mit andern Stoffen als Aluminiumhydroxyd oder Aluminiumoxyd durchführbar. Sie bezieht sich ferner auch auf solche Imprägnierungen, bei denen Mineralöl oder andere nicht chlorierte Isolieröle und Imprägniermittel Anwendung finden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend Messergebnisse mitgeteilt, die bei der Untersuchung von Kondensatoren erzielt wurden, bei denen Dielektrika gemäss der Erfindung angewendet wurden. Gleichzeitig wurden Kondensatoren untersucht, bei denen gleich dicke und gleichartige Dielektrika angewendet wurden, die jedoch keine Wirkstoffe enthielten. Für beide Ausführungsarten mit Wirkstoffen bzw. ohne solche wurden stets die gleiche Papiermasse, das gleiche Papierherstellungsverfahren, die gleiche Wärme- und Vakuumbehandlung sowie das gleiche Imprägniermittel angewendet. Die Grösse der
Elektrodenflächen bzw. die Kapazität der Kondensatoren war ebenfalls annähernd gleich gross.
Die ein- zelnen Kondensatorwickel mit Dielektrika gemäss der Erfindung bzw. ohne Wirkstoffe wurden in einem
Gestell gemeinsam zusammengepresst, in einem Behälter unter Vakuum und Wärme behandelt und dann in demselben Behälter gleichzeitig imprägniert.
Ein Teil der nachfolgend angeführten Beispiele bezieht sich auf Dielektrika mit Papieren, die ma- schinell unter den üblichen bekannten Produktionsbedingungen hergestellt wurden. In Anpassung an die
Verhältnisse der Praxis wurden diese Kondensatoren mit einer Feldstärke von etwa 10 V je li belastet.
Für die Kennzeichnung der besonderen, durch die Erfindung geschaffenen Verhältnisse erweist es sich jedoch sehr zweckmässig, mit extrem niedriger Feldstärke bzw. mit niedriger Messspannung zu arbeiten, z. B. mit 5 - 6 V für ein Dielektrikum von 100 j. [, sowie auch Papiere anzuwenden, die mit laboratoriumsmässigen Hilfsmitteln hergestellt werden, weil das spezifische Gewicht derartiger Papiere nur etwa
0, 4 beträgt. Das Mengenverhältnis des Imprägniermittels zum Papierstoff ist hiebei grösser als bei den üblichen maschinell hergestellten Papieren, so dass der Einfluss der Wirkstoffe auf das Imprägniermittel deutlicher in Erscheinung tritt.
Hiebei ist ferner von Bedeutung, dass bei sehr niedriger Feldstärke der Verlustfaktor sehr stark vom Zustand des Imprägniermittels abhängig ist. Bei imprägnierten Papieren üblicher Ausführung ergeben sich bei niedriger Feldstärke sehr hohe Verlustfaktoren.
Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, dass die im Imprägniermittel vorhandenen Ionen bei niedriger Spannung und kleinem elektrischem Feld auch eine geringe Geschwindigkeit haben. Diese erhöht sich mit einer Steigerung der Spannung, d. h. mit zunehmender Feldstärke. Die bei niedriger Feldstärke vorhandene Sinusform des Verluststromes ändert sich bei hoher Feldstärke, wobei die Gesamtenergie des Verluststromes geringer als bei niedriger Feldstärke ist.
Bei einem Dielektrikum gemäss der Erfindung verursachen die Wirkstoffe eine Verringerung der Verluste, u. zw. werden dem Imprägniermittel wahrscheinlich Ionen entzogen. Es ist daher typisch für ein Dielektrikum gemäss der Erfindung, dass sich bei der Messung mit niedrigen Feldstärken wesentlich geringere Verlustfaktoren ergeben als bei imprägnierten Papieren ohne Wirkstoff, und dass auch die Unterschiede der Verlustfaktoren beider Ausführungen ganz erheblich grösser sind als bei hoher Feldstärke. Daraus ergibt sich ferner als charakteristisches Merkmal der Erfindung, dass bei einem Dielektrikum mit Wirkstoffen die Abhängigkeit des Verlustfaktors von der Feldstärke wesentlich geringer ist als bei einem gleichartigen Dielektrikum ohne Wirkstoffe.
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Die ersten zwei Beispiele beziehen sich daher auf Kondensatoren mit Papieren, die im Laboratorium mit bekannten Hilfsmitteln hergestellt wurden. Das spezifische Gewicht dieser Papiere betrug etwa 0, 4.
Die Aktivierung erfolgte stets durch eine gleichzeitige Wärme- und Vakuumbehandlung. Mit Rücksicht auf das niedrige spezifische Gewicht erwies sich für die Aktivierung eine Behandlung von 12 bis 18 h bei einer Temperatur von etwa 1100C und einem Vakuum mit einem Druck unter 0, 1 mm Hg als ausreichend für die Aktivierung. Die Dicke der Papiere betrug über 100 IL. Die Messspannung betrug 5 - 6 V und die Frequenz der Wechselspannung 50 Hz.
In allen nachfolgend angeführten Beispielen sind die Verlustfaktoren in 10 Einheiten angegeben, beispielsweise bedeutet der Wert 25 einen Verlustfaktor von 0, 0025.
Beispiel l : Im folgenden sind die Ergebnisse einer Versuchsserie wiedergegeben, bei der gleichartige Papiere mit verschiedenen Wirkstoffen gleichzeitig mit einem gleichartigen Papier, jedoch ohne Wirkstoffe untersucht wurden. Zur Imprägnierung wurde vorbehandeltes Clophen A 50 verwendet. Die jeweilige Wirkstoffmenge ist angegeben in Prozenten des Papiergewichtes einschliesslich etwa 0, 3% Aschebestandteile des Papierrohstoffes.
Die Kondensatoren hatten folgende Verlustfaktoren :
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<tb> Temperatur <SEP> OC <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100 <SEP> 120 <SEP>
<tb> Kondensatoren
<tb> ohne <SEP> Wirkstoff <SEP> 28 <SEP> 50 <SEP> 104 <SEP> 234
<tb> Kondensatoren
<tb> mit <SEP> dem <SEP> Wirkstoff
<tb> Kieselgur <SEP> 8, <SEP> 1 <SEP> o/ <SEP> 21 <SEP> 28 <SEP> 40 <SEP> 68
<tb> Kaolin <SEP> und
<tb> Aluminiumoxyd <SEP> 1, <SEP> 10/0 <SEP> 23 <SEP> 25 <SEP> 35 <SEP> 55
<tb> Tonmineral <SEP> 0, <SEP> 92% <SEP> 21 <SEP> 23 <SEP> 31 <SEP> 50
<tb> Kaolinit <SEP> 0, <SEP> 81% <SEP> 22 <SEP> 26 <SEP> 37 <SEP> 70
<tb> Bentonit <SEP> 1, <SEP> 1% <SEP> 22 <SEP> 26 <SEP> 36 <SEP> 60
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Beispiel 2: Dieses Beispiel zeigt die Ergebnisse einer andern Versuchsreihe, bei der jedoch die Imprägnierung mit vorbehandeltem Mineralöl erfolgte.
Die Verlustfaktoren hatten folgende Werte :
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<tb>
<tb> Temperatur <SEP> OC <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb> Kondensatoren
<tb> ohne <SEP> Wirkstoffe <SEP> 23 <SEP> 34 <SEP> 55 <SEP> 115
<tb> Kondensatoren
<tb> mit <SEP> den <SEP> Wirkstoffen
<tb> Kaolin <SEP> 0, <SEP> 810/0 <SEP> 21 <SEP> 22 <SEP> 23 <SEP> 40
<tb> Bentonit <SEP> 19-llo <SEP> 19 <SEP> 19 <SEP> 20 <SEP> 40
<tb> Bentonit <SEP> und
<tb> Aluminiumoxyd <SEP> 1, <SEP> 9% <SEP> 21 <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 26
<tb> Kieselgur <SEP> 6, <SEP> 1% <SEP> 16 <SEP> 17 <SEP> 22 <SEP> 40
<tb> Tonmineral <SEP> 0, <SEP> 92% <SEP> 21 <SEP> 24 <SEP> 29 <SEP> 68
<tb> Aluminiumoxyd <SEP> 3, <SEP> 6% <SEP> 17 <SEP> 18 <SEP> 21 <SEP> 39
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Alle nachstehend mitgeteilten Ergebnisse beziehen sich auf Papier mit und ohne Wirkstoff, das maschinell hergestellt und satiniert wurde.
Die Kapazität der mit Clophen imprägnierten Kondensatoren betrug etwa 1 Mikrofarad, bei Ölimprägnierung etwa 0, 065 Mikrofarad. Die Messungen erfolgten mit Wechselspannung von 50 Hz bei einer Feldstärke von etwa 10 V je IL.
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Die Aktivierung dauerte 1 - 2 Tage und wurde durchgeführt bei einer Temperatur von 110 bis 120 C und bei einem Vakuumdruck unter 0, 1 mm Hg. Die Kondensatoren waren zweilagig gewickelt und mit einem Druck von 3 kg/m2 flachgepresst.
Beispiel 3 : Das Papier mit Wirkstoffen hatte eine Dicke von 12, 8). t und ein spezifisches Gewicht von 0, 98. Als Wirkstoff wurde ein gegen Rehydratation praktisch beständiges Aluminiumoxyd angewandt.
Die Teilchengrösse betrug im Mittel 0, 02 IL und die Menge war 8% des Papiergewichtes. Das gleichartige Papier ohne Wirkstoffe war 12, 2 IL stark und das spezifische Gewicht 1, 02.
Verlustfaktoren unimprägniert. Messspannung 50 V.
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Temperatur <SEP> OC <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100 <SEP> 120
<tb> Kondensatoren
<tb> ohne <SEP> Wirkstoffe <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 18 <SEP> 28
<tb> Kondensatoren
<tb> mit <SEP> Wirkstoffen <SEP> 14 <SEP> 13 <SEP> 16 <SEP> 21
<tb>
Verlustfaktoren imprägniert mit vorbehandeltem Clophen A 50. Messspannung 240 V.
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<tb> Temperatur <SEP> C <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100 <SEP> 120 <SEP>
<tb> Kondensatoren
<tb> ohne <SEP> Wirkstoffe <SEP> 27 <SEP> 29 <SEP> 39 <SEP> 62
<tb> Kondensatoren
<tb> mit <SEP> Wirkstoffen <SEP> 24 <SEP> 24 <SEP> 29 <SEP> 39
<tb>
Verlustfaktoren imprägniert mit vorbehandeltem Mineralöl, Messspannung 240 V.
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<tb> Temperatur <SEP> OC <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb> Kondensatoren
<tb> ohne <SEP> Wirkstoffe <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 25 <SEP> 32
<tb> Kondensatoren
<tb> mit <SEP> Wirkstoffen <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP> 19 <SEP> 25
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Bei diesem Versuch wurde auch die Durchschlagfestigkeit mit steigender Gleichspannung gemessen.
Je 20 Stück der mit Öl imprägnierten 2-lagigen Kondensatoren ergaben im Mittel folgende Werte :
Kondensatoren ohne Wirkstoffe 126 kV/mm
Kondensatoren mit Wirkstoffen 141 kV/mm
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<tb> Temperatur <SEP> Oc <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100 <SEP> 120
<tb> unimprägniert
<tb> Messspannung <SEP> 8 <SEP> V <SEP> 17 <SEP> 17 <SEP> 18 <SEP> 20
<tb> imprägniert <SEP> mit
<tb> Clophen <SEP> A <SEP> 50 <SEP>
<tb> Messspannung <SEP> 240 <SEP> V <SEP> 27 <SEP> 26 <SEP> 28 <SEP> 32
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<tb> Temperatur <SEP> C <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb> imprägniert <SEP> mit
<tb> Mineralöl
<tb> Messspannung <SEP> 240 <SEP> V <SEP> 23 <SEP> 22 <SEP> 21 <SEP> 23
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PATENTANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums mit verringerten dielektrischen Verlusten, insbesondere für Kondensatoren, das aus Papier, einem Imprägniermittel niedriger Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Mineralöl oder Chlordiphenyl, und dem Papier beigemischten Stoffen, wie z. B.
Metalloxyden, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass man für die dem Papier beigemischten Stoffe adsorbierende Oxyde, Hydroxyde oder Oxyhydrate des Aluminiums, des Siliziums oder deren Kombinationen mit einer gro- ssen Oberfläche und einer mittleren kolloidalenTeilchengrösse von etwa 5. 10-4 mm und darunter verwendet, die man dem Papier zuerst beimischt, zum Festhaften an den Papierfasern bringt und dann durch Wärme- und Vakuumbehandlung aktiviert und schliesslich mittels dieser beigemischten Stoffe beim Imprägnieren des Papiers die Verunreinigungen des Imprägniermittels adsorbiert, so dass die Verunreinigun- gen an den beigemischten Stoffen gebunden bleiben und hinsichtlich ihrer dielektrischen verlustbringenden Eigenschaften unwirksam werden.