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Verfahren zur Herstellung eines imprägnierten elektrischen Kondensators, dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines imprägnierten elektrischen Kondensators, dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht, insbesondere Wechselspannungskondensator.
Elektrische Kondensatoren, insbesondere solche für Wechselspannungsbetrieb, werden bekanntlich imprägniert, um Hohlräume im Kondensatorkörper, die zu Sprühentladungen führen, auszufüllen. Hohlräume befinden sich z. B. zwischen den Oberflächen der Dielektrikumsfolien und den Belegungen, da diese Oberflächen nie völlig glatt sind. Ausserdem befinden sich im Dielektrikum Poren - bei porösem Papier sehr viele, bei Kunststoffolien verhältnismässig wenige-die genau wie der Luftspalt zwischen Belegung und Dielektrikumsfolie mit Imprägniermittel ausgefüllt werden müssen.
Aus der deutschen Patentschrift Nr. 756622 ist ein imprägnierter elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum aus Celluloseverbindungen bekannt, bei welchem die Plastizität der Dielektrikumsfolien durch das Imprägniermittel wieder hergestellt wird. Der Kondensatorkörper wird dabei etwa bei 100 C imprägniert. Falls es sich um ein Imprägniermittel handelt, welches die Dielektrikumsfolien anquillt, werden die Kunststoffolien in den Bereichen, welche den Stirnseiten benachbart sind, zu Beginn des Imprägniervorganges zu quellen anfangen. Durch das Quellen werden die Luftspalte zwischen den Wickellagen in diesen Bereichen verschlossen. Dadurch wird der grösste Teil des Wickelinneren von der weiteren Imprägniermittelzufuhr abgetrennt.
Werden die Dielektrikumsfolien vom Imprägniermittel nicht angequollen, dann werden die Lufträume zwischen den Dielektrikumsfolien und den Belegungen mit Imprägniermittel ausgefüllt. Dabei entstehen folgende Nachteile. Die Durchschlagsfestigkeit der Imprägniermittel ist gegenüber derjenigen von Kunststoffolien gering. Wird darum eine gewisse Feldstärke im Kondensator überschritten, so finden in der Imprägniermasse, besonders im Spalt zwischen Belegung und Dielektrikumsfolie, Teildurchschläge statt. Von der Imprägniermasse (z. B. Isolieröl) wird dabei Gas abgespalten. Es entstehen gasgefüllte Hohlräume, in denen Sprühentladungen zu weiterer Gasbildung und schliesslich zur Zerstörung des Kondensators führen.
Die im elektrischen Feld befindliche und als Dielektrikum wirkende Imprägniermasse ist also bezüglich der Durchschlagsfestigkeit die schwächste Stelle im Kondensatordielektrikum.
Die Erfindung setzt sich deshalb zum Ziel, den vom Imprägniermittel ausgefüllten Spalt möglichst weitgehend zu beseitigen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Kondensatorkörper bei einer Temperatur imprägniert wird, bei der die Kunststoffolien praktisch nicht angequollen werden, und dass die Kunststoffolien nach der Imprägnierung bei erhöhter Temperatur angequollen werden.
Das Imprägniermittel, welches sich im Spalt zwischen den Folien befindet, diffundiert in die Folien, die infolgedessen zu quellen beginnen und den Spalt mehr und mehr ausfüllen. Bei genauer Betrachtung wird man feststellen, dass durch die Rauhigkeit der Oberfläche geringste Spalte, angefüllt mit Imprägniermittel, übrigbleiben, auch wenn aus der Oberfläche herausragende Spitzen und Kuppen zum grossen Teil durch das Aufeinanderpressen der Oberflächen flachgedrückt werden. Dieses restliche
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Imprägniermittel (auch in Poren des Dielektrikums sind Reste, die nie vermieden werden können) führt, wie Versuche gezeigt haben, zu keiner Schwächung der durch die Dielektrikumsfolien gegebenen Durchschlagsfestigkeit.
Der Grund dafür, dass diese geringen Ölvolumina keine merklichen Sprüherscheinungen zeigen, dürfte darin liegen, dass erstens die Durchschlagsfestigkeit dünner Ölschichten mit abnehmender Dicke zunimmt und zweitens die Sprüherscheinungen mit abnehmender Gasblasengrösse abnehmen.
Für jedes System von quellbarem Kunststoffelektrikum und Imprägniermittel besteht eine bestimmte maximale Quellung. Diese Quellung sollte ausreichen, um den gesamten Spalt auszufüllen. Anderseits kann man den Spalt durch die Wickelhärte des Kondensators beeinflussen. Mit zunehmender Wickelhärte wird der Spalt enger. Die Wickelhärte lässt sich aber nicht beliebig erhöhen, da der Spalt sonst so eng wird, dass Imprägnierschwierigkeiten entstehen. Man fordert deshalb eine Mindestquellung jeder quellbaren Dielektrikumsfolie, die 0, 3 jn beträgt.
Durch die Quellung der Kunststoffolien können Schwierigkeiten beim Imprägnieren auftreten. Sobald das Imprägniermittel in die Stirnseiten des Kondensators einfliesst, beginnt dort die Quellung. Dadurch wird der Spalt verengt und das Nachfliessen von Imprägniermittel praktisch unterbunden. Die Quellung darf also erst dann voll zur Wirkung kommen, wenn der Kondensator bereits voll durchimprägniert ist.
In zweifacher Weise lässt sich das Zusammenspiel von Imprägniergeschwindigkeit und Quellgeschwindigkeit so steuern, dass immer eine gute Durchimprägnierung gewährleistet ist : Erstens lässt sich der Imprägniervorgang durch die Temperatur beeinflussen, denn die Quellgeschwindigkeit und die Viskosität des Imprägniermittels sind temperaturabhängig ; man muss also eine Imprägniertemperatur suchen, bei der die Quellung im Vergleich zur Fliessgeschwindigkeit des Imprägniermittels im Spalt langsam verläuft. Zweitens kann man auf den Imprägniervorgang durch die Wickelhärte, also über die Luftspaltdicke, einen Einfluss ausüben.
Da die Quellgeschwindigkeit und Fliessgeschwindigkeit in den Spalten in Konkurrenz stehen, nehmen die Imprägnierschwierigkeiten mit zunehmender Wickellänge beträchtlich zu. Längere Wickel brauchen erheblich längere Imprägnierzeiten, so dass die Quellung am Wickelanfang schon zu stark fortgeschritten ist, ehe die Durchimprägnierung beendet ist. Genauere Untersuchungen der Quellung bei Kunststofffolien hatten zum Ergebnis, dass nicht nur die Quellgeschwindigkeit von der Temperaturhöhe beeinflusst wird, sondern auch die Stärke der Quellung.
Einige Werte sind für Polypropylenfolien folgender Tabelle zu entnehmen :
EMI2.1
<tb>
<tb> Temperatur <SEP> 200C <SEP> 400C <SEP> 750C <SEP> 950C <SEP> 1250C <SEP>
<tb> Dauer <SEP> des
<tb> Quellvorganges <SEP> 150 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min
<tb> relative
<tb> Dickenzunahme <SEP> 3% <SEP> 4% <SEP> 7% <SEP> 11% <SEP> 20%
<tb>
Daraus ergibt sich eine abgewandelte Imprägniermöglichkeit. Man imprägniert bei so niedrigen Temperaturen, bei denen die Grösse der Quellung noch relativ gering ist und sich der Spalt nicht schliesst.
Eine gute Durchimprägnierung ist damit immer gewährleistet, auch wenn infolge der erhöhten Viskosität des Imprägniermittels grössere Zeiten dazu verstreichen, die aber nicht notwendigerweise in der Imprägnieranlage verbracht werden müssen. Auch im fertigen Kondensator, der unter Öl steht, kann die endgültige Durchimprägnierung erfolgen. Um restliche Ölspalte völlig zu verdrängen, kann der Kondensator nach dem Durchimprägnieren auf eine höhere Temperatur erwärmt werden. Dadurch nimmt die Grösse der Quellung der Kunststoffolie zu, das Öl wird absorbiert und wenn die Temperatur hoch genug ist, verschwindet der Ölspalt vollkommen. Diese Quellung ist irreversibel. Bei Abkühlung tritt der 01spalt also nicht wieder auf.
Dabei ist wichtig, dass beim Imprägniervorgang das Volumen der Kunststofffolie zusammen mit dem Ölspalt vor derQuellung möglichst genau so gross ist wie später die gequollene Kunststoffolie. Nimmt das Volumen der imprägnierten Folie gegenüber dem Ausgangsvolumen der ungequollenen Folie plus Ölspalt ab, so können Hohlräume entstehen, die zum Sprühen im Kondensator führen. Nimmt das Volumen an gequollener Folie gegenüber dem Volumen der ungequollenen Folie plus Ölspalt zu, so wird restliches Öl aus dem Kondensator herausgedrückt und es entstehen mechanische Spannungen im Wickel. Es ist also am günstigsten, wenn das Volumen der gequollenen Folie identisch mit dem Volumen der unimprägnierten Folie plus Ölspalt oder geringfügig grösser ist.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Zwischen den Oberflächen einer quellbaren Folie-l-und einer nicht quellbaren Folie --2--, die die Belegung oder eine weitere Dielektrikumsfolie sein kann, bilden sich Hohlräume und Spalte --3-- aus, die beim Imprägnieren ganz oder teilweise mit Imprägniermittel angefüllt sind. Beim Quellen der Folie--l-werden die aus der Oberfläche der Folie --2-- ragenden Kuppen und Spitzen --4-- flachgedrückt. Die Oberflächen der Folien schmiegen sich, wie es durch die strichlierten Linien schematisch dargestellt ist, aneinander. Geringe Imprägniermittelreste --5-- schwächen die Durchschlagsfestigkeit des Kondensators nicht merklich, wie oben schon dargestellt ist.
Bei einer speziellen Anwendung der Erfindung besteht das Dielektrikum aus Polypropylenfolie und als Imprägniermittel wird ein Isolieröl verwendet. Das Isolieröl enthält 15 bis 20% aromatische Anteile, die insbesondere Wasserstoff binden können, etwa 30% naphthenische Anteile und zwischen 50 und 60%
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peratur sehr niedrigen Viskosität des Öls sich die Stirnseiten dicht schlossen, bevor das Kondensatorinnere mit Öl vollgelaufen war.
Eine bevorzugte Anwendung findet die Erfindung bei Kondensatoren, deren Dielektrikum aus selbständigen Kunststoffolien besteht und bei denen eine beidseitig metallisierte Isolierstoffeinlage als Belegung dient. Die Isolierstoffeinlage kann z. B. aus Papier bestehen und liegt während des Betriebes im feldfreien Raum.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines imprägnierten elektrischen Kondensators, dessen Dielektrikum aus Kunststoffolien besteht, insbesondere Wechselspannungskondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorkörper bei einer Temperatur imprägniert wird, bei der die Kunststoffolien praktisch nicht angequollen werden, und dass die Kunststoffolien nach der Imprägnierung bei erhöhter Temperatur angequollen werden.