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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, bei dem ein Bandwickel aus wechselweise aufeinanderfolgendem Elektrodenmaterial und aus Polyolefinharz gebildet wird, der Bandwikkel in ein Gehäuse eingebracht, das Gehäuse evakuiert und anschliessend mit einer chlorierten Diphenylverbindung gefüllt wird, wonach die Anordnung auf Atmosphärendruck gebracht und nach vollständiger Imprägnierung des Bandwickels das Gehäuse luftdicht verschlossen wird.
Das Aufkommen immer komplizierterer elektrischer Geräte und der Trend nach einer höheren Wirtschaftlichkeit der vorhandenen Geräte hat dazu geführt, dass an die Kondensatorteile solcher Geräte immer strengere Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise besteht ein starker Bedarf an höher belastbaren, kleineren und dazu billigeren Kondensatoren, wobei insbesondere Wechselstromkondensatoren mit einer be-
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Aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 079. 287 ist die Verwendung von biaxialen Kunstharzfolien als Isolerschichte in Kondensatoren bekanntgeworden. Diese bekannte Isolierschicht kann den heutigen hohen Anforderungen hinsichtlich hoher Durchschlagsspannung und hoher Koronaentladung nicht gerecht werden.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators, der eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit, eine hohe Koronaanfangs- und Löschspannung und einen geringen Leistungsfaktor besitzt und als Hochspannungskondensator verwendet werden kann.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass als Polyolefin ein Polypropylen verwendet wird, dass der Wickel beim Imprägnieren einer Temperatur von etwa 65 bis etwa 1000C ausgesetzt wird, und die Temperatur auf diesem Wert über eine Zeitspanne aufrecht erhalten wird, die Gleichgewichtszustände der Polypropylenlösung in dem chlorierten Diphenyl und eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung des Polypropylens gewährleisten, und dass danach die Temperatur herabgesetzt wird.
Dadurch wird eine Imprägnierung des Kunstharzes erzielt, welche, in Zusammenwirkung mit andern Eigenschaften des Materials, zu einer bedeutenden Verbesserung der wichtigsten elektrischen Eigenschaften von Kondensatoren, wie Durchschlagsfestigkeit, Koronaanfangs- und -löschspannung, lange Lebensdauer und hohe Spannungsbelastung und geringer Leistungsfaktor, führen.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen vergrösserten Querschnitt eines im wesentlichen vollkommen imprägnierten Kunstharzdielektrikums, Fig. 2 in schaubildlicher Darstellung einen teilweise abgewickelten Wickelkondensator, Fig. 3 einen fertig zusammengebauten Kondensator, welcher aus dem in Fig. 2 dargestellten Kondensator und einem Behälter hiefür besteht, Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil eines elektrischen Kondensators mit einem imprägnierten Harzfilm als eine Komponente des Dielektrikums, als Vollschichtkonstruktion bezeichnet, Fig. 5 einen Quer-
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Komponente des Dielektrikums, Fig. 6 einen Querschnitt eines Teils eines weiteren elektrischen Kondensators mit einem relativ dicken imprägnierten Harzfilm in seinem Dielektrikum, als Halbschichtkonstruktion bezeichnet, Fig.
7 eine abgeänderte Ausführungsform einer Halbschichtkonstruktion eines Kondensators mit mehreren nebeneinanderliegenden imprägnierten Harzfilmen als Komponenten des Dielektrikums und Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Teil eines elektrischen Kondensators, bei dem das Dielektrikum nur aus imprägnierten Harzfilmen besteht.
Die Fig. 1 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform eines Dielektrikums --10-- eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kondensators, wobei das dielektrische Material-12-- aus einein festen Polyolefinharz besteht, das zahlreiche inhomogene Stellen --11-- in Form von Öffnungen, Hohlräumen oder Lücken --13-- aufweist, deren Gegenwart für das Harz als charakteristisch gilt. Dieses Material wird als nicht porös bezeichnet, weil nur wenige oder überhaupt keine Poren oder Gänge vorhanden sind, die die Seitenflächen verbinden und eine Wanderung der Imprägnierflüssigkeit von einer Seite nach der andern ermöglichen würden.
Das Polyolefinmaterial wird mit einem dielektrischen flüssigen Imprägniermittel ge-
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schenderweise führt die Art der erfindungsgemässen Imprägnierung in Kombination mit den besonderen Materialien zu einer Art synergistischem Effekt, dessen Ergebnis die Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit des Materials ist. Die Imprägnierung erhöht die elektrischen Isoliereigenschaften des harzartigen Dielektrikums, wenn in das Harz ein die inhomogenen Stellen ausfüllendes Imprägniermaterial mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als Luft oder Gas eingebracht wird.
Unerwartet gute Ergebnisse werden mit dem in Fig. 1 gezeigten Dielektrikum bei dessen Verwendung in einem Kondensator erzielt, insbesondere für einen Hochspannungs-Wechselstromkondensator, wobei bestimmte Kombinationen von Polyolefinmaterial und Imprägniermitteln zur Anwendung gelangten. Obgleich bereits zahlreiche Kombinationen von andern Materialien als Polyolefinen und andern als bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Imprägniermitteln beschrieben wurden, haben diese Kombinationen nicht zu den gewünschten Eigenschaften und Ergebnissen geführt, welche für die Verwendung in den zurzeit hergestellten, hochentwickelten und komplizierten Geräten Voraussetzung sind.
Die Materialien, welche beim erfindungsgemässen Verfahren die besten Ergebnisse liefern, sind die synthetischen Harze aus der Gruppe der
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Polyolefinharze, u. zw. Polypropylen.
Die allgemein vorteilhaften Eigenschaften der Polyolefine sind ihre elektrischen Eigenschaften als ge- wöhnliche Dielektrika, eine gute Temperaturstabilität und gute mechanische Eigenschaften, wie leichte Ver- arbeitung und Verformung, insbesondere zu dünnen Filmen. Wenngleich diese vorteilhaften Eigenschaften zu 5 zahlreichen Verwendungsarten Anlass gaben, war die Verwendung in dielektrischen Systemen, wie z. B. Kon- densatoren, auf Grund der geringen Durchschlagsfestigkeit, geringen Koronaanfangsspannung und geringen
Lebensdauer unter Hochspannungsbelastung stark begrenzt. Die Durchschlagsfestigkeit ist von grösster Be- deutung und ist ein Mass für die Fähigkeit des Materials, Spannungsbelastungen zu widerstehen.
Die Korona- anfangsspannung und die Koronalöschspannung sind die Spannungen, bei denen schädliche Koronaentladungen ) beginnen und gelöscht werden können.
Es wurde gefunden, dass die Polyolefine, und insbesondere Polypropylen, in einem unerwartet hohen Aus- mass mit halogenierten Kohlenwasserstoffen imprägniert werden können und dassbei einer solchenimprägnie- rung die Einzelkomponenten zusammenwirken, um das verbesserte Dielektrikum bei einem nach dem erfin- dungsgemässen Verfahren hergestellten Kondensator zu bilden. Ein bevorzugtes Material aus der Gruppe der Polyolefine ist das Polypropylenharz, insbesondere ein isotaktischer, biaxial orientierter Polypropylenfilm, der beispielsweise in Applied Plastics, November 1961, S. 35 bis 64, und in Modem Dielectric Materials,
Beck, J. B., London Heywood and Co., 1959, S. 140 bis 142, genauer beschrieben ist.
Die in diesen Artikeln beschriebenen Polyolefinmateriallen können als lineare, reguläre Kopf-Schwanz-
Polymere von ungesättigten Kohlenwasserstoffen der Formel
CH2 = OHR d. s. Alphaolefine, wobei R ein gesättigter aliphatischer, ein alicyclischer oder ein aromatischer Rest ist, als Copolymere der ungesättigten Kohlenwasserstoffe untereinander und als Copolymere der ungesättigten
Kohlenwasserstoffe mit wenigstens einem andern damit copolymerisierbaren Monomeren, angesehen werden.
Dieses Polyolefinmaterial ist als nicht porös zu betrachten, weil im wesentlichen keine zusammenhängenden
Durchlässe vorhanden sind, durch welche die beim erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Imprägnier- mittel unter den derzeit bekannten Betriebsbedingungen von Kondensatoren hindurchtreten könnten.
Als bevorzugtes Imprägniermittel kann bei dem erfindungsgemässen Verfahren ein halogeniertes organi- sches Material, u. zw. gewöhnlich Verbindungen mit 1 bis 5 Halogensubstituenten, wie Chlor und 1 bis 3 Aryl- gruppen, wie insbesondere Trichlordiphenyl, welches im Handel unter der Warenbezeichnung "PyranoI1499" (Schutzmarke der Firma General Electric Company) erhältlich ist, verwendet werden. Dieses Material be- sitzt eine hohe Koronaanfangs- und -löschspannung.
Die Kombination von Pyranol 1499 als dielektrische Flüssigkeit mit einem nichtporösen Polypropylenfilm als imprägniertes diekeltrisches System führt zu den besten Ergebnissen. Diese Materialien wurden bisher als unverträglich oder ungeeignet betrachtet und daher bei dielektrischen Systemen nicht verwendet, da Po- lypropylen offensichtlich leicht von halogenierten organischen Verbindungen, wie flüssigem Pyranol 1499, gelöst und von den erwähnten Imprägniermitteln auch nicht benetzt wird. Weiters wurde angegeben, dass das
Lösen von Polypropylen in einer nicht polaren Flüssigkeit zu Plastifizierungseffekten, wie einer Quellung und Herabsetzung der Zugfestigkeit, Anlass gibt.
Es wurde jedoch gefunden, dass, ausgenommen bei sehr ho- hen Temperaturen, die oberhalb etwa 1000C liegen, Polypropylen in halogenierten aromatischen Stoffen nur in einem begrenzten Ausmass löslich ist und dass diese teilweise Löslichkeit überraschenderweise die Kon- densatoreigenschaften nicht nachteilig beeinflusst. Diese teilweise Löslichkeit des Polypropylenfilms in Tri- chlordiphenyl unter kontrollierten Temperaturbedingungen unterhalb etwa 1000C ist vielmehr ein wesentli- ches Merkmal der Erfindung. Die teilweise Löslichkeit, welche auf Grund von Versuchsergebnissen nach dem ersten Eindringen des Imprägniermittels in den Film stattfindet, unterstützt die Migration des Imprä- gniermittels in den Film und in die Löcher und Hohlräume desselben.
Diese bessere Imprägnierung zeigt sich in einer äusserst hohen Koronaanfangsspannung des imprägnierten Systems, u. zw. auch in Abwesenheit eines Dochtes oder einer porösen Schicht an beiden Seiten des Films.
Proben von mit Pyranol imprägnierten dielektrischen Polypropylenfilmen, die einem Kapazitätsversuch unterworfen wurden, zeigten, dass eine enge Beziehung zwischen der Art und dem Ausmass der Imprägnierung und der Koronaanfangsspannung besteht und dass eine im wesentlichen vollkommene Imprägnierung wichtig ist. Die Kombination von Polypropylen und Pyranol als dielektrische Flüssigkeit ist für eine Imprägnierungsart, welche im Zusammenhang mit der Erfindung als Vollimprägnierung bezeichnet wird, vorteilhaft. Wenn die Löcher und Hohlräume des Materials im wesentlichen mit dem flüssigen Imprägniermittel gefüllt sind und bei der Imprägnierung sowohl eine Adsorption des Imprägniermittels durch das Material als auch eine teilweise Lösung des Materials in der Imprägnierflüssigkeit stattfindet, wird das Material als im wesentlichen vollkommen imprägniert bezeichnet.
Versuche mit Polypropylen mit verschiedenem Imprägnierausmass haben gezeigt, dass sehr hohe Koronaanfangsspannungen nahe der gemessenen, berechneten oder absoluten
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Koronaanfangsspannung bei Dielektrika auftreten, bei denen der Imprägnierungsprozess verlängert oder anderswie bis zur Erzielung einer im wesentlichen vollkommenen Imprägnierung unterstützt wurde. Eine zu einer im wesentlichen vollkommenen Imprägnierung führende Methode besteht darin, dass man den Polypropylenfilm in Pyranol bei einer Temperatur von etwa 90 C taucht. Mit dieser Massnahme werden relativ stabile Bedingungen in etwa 6 bis 20 Tagen erreicht, wobei etwa 1, 0 Gew. -% Polypropylen im flüssigen Pyranol únd etwa 11 Gew.-% flüssiges Pyranol vom Polypropylen aufgenommen werden.
Die Art und das Ausmass der Imprägnierung können auch durch die Koronaanfangsspannung des Systems gemessen werden, wobei die sich einem Maximum nähernden Werte die vollkommene Imprägnierung anzeigen.
Der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Polypropylenfilm besteht aus isotaktischem Polypropylen. Dieses ist ein stereoreguläres kristallines Material mit hohem Molekulargewicht, welches zusätzlich zur vorherrschenden kristallinen Phase eine amorphe oder nicht kristalline Phase aufweist. In einigen handelsüblichen isotaktischen Polypropylenen kann die amorphe Phase bis zu 30% des gesamten Harzes ausmachen. Aus diesen Harzen können für die erfindungsgemässen Zwecke beispielsweise durch Walzen, Strangpressen, Pressen, Lösungsguss und Schmelzguss Filme hergestellt werden. Um die mechanischen Eigenschaften des Harzfilms zu verbessern, wird gewöhnlich solchen Filmen durch Strecken und Hitzehärtung eine Art einer orientierten Struktur vermittelt.
Die Streckung erfolgt vorzugsweise abwechselnd in zueinander senkrechten Richtungen, d. h. sowohl in Längs- als auch in Querrichtung des Films, um den Film biaxial zu orientieren. Die Filme können uniaxial, biaxial und ausgeglichen biaxial orientiert sein.
In den Polyolefinfilmen, insbesondere in den Polypropylenfilmen, sollen, wenn überhaupt, nur wenige Verunreinigungen vorhanden sein, welche dem Dielektrikum ein hohes Mass des Leistungsverbrauches in einem gegebenen Material verleihen können. Die Verunreinigungen können auch Fremdmaterialien, die während der Filmherstellung aufgenommen werden, oder Katalysatorrückstände sein. Diese Verunreinigungen können durch Lösen des Polyolefinmaterials und Entfernung der Verunreinigungen durch Fällung-, Extraktions-und Adsorptionsmethoden entfernt werden. Ausgezeichnete Ergebnisse werden jedoch bei der Verwendung von handelsüblichen Polypropylenharzen, wie z. B. Profax 6520 F Resin (Hercules Powder Co.) und Shell 5500 F Resin (Shell Oil Co.) erzielt.
Kondensatoren, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, wie z. B. die gemäss den Fig. 2 und 3 der Zeichnungen, können die gleiche allgemeine Form haben wie die derzeit bekannten Kondensatoren. Die Fig. 2 zeigt einen Wickelkondensator --14--, der aus getrennten Elektrodenfolien oder Be-
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--15trodenfolien --15 und 16-- können aus einem oder mehreren einer Anzahl verschiedener Materialien, gewöhnlich metallischer Natur, wie z. B. Aluminium, Kupfer und Tantal, bestehen. Die dielektrischen Einlagen --17 und 18-- bestehen gewöhnlich aus einem Schichtkörper, der wenigstens eine imprägnierte Harz- schicht --11-- (Fig. 1) aufweist. Das Kondensatorelement ist durch eine dielektrische Einlage --17-- und durch die metallischen Elektrodenfolien --15, 16-- gebildet.
Die Fig. 3 zeigt einen zusammengebauten Kondensator --23--, in den ein Wickelkondensator der in Fig. 2 gezeigten Art eingesetzt ist. Dieser Kondensator weist weiters ein Gehäuse --24--, einen hermetisch abgedichteten Deckel --25--, der ein kleines Fülloch --26-- für die dielektrische Flüssigkeit besitzt, sowie ein Paar Anschlüsse-27 und 28-auf, die durch den Deckel, gegen diesen isoliert, herausragen. Innerhalb des
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verbunden. Der in Fig. 3 gezeigte Kondensator enthält weiters eine (nichtdargestellte) dielektrische Flüssigkeit, welche den verbleibenden freien, nicht vom Komdensatorelement eingenommenen Raum im Behälter - 24-ausfüllt und die dielektrischen Einlagen --17 und 18-- (Fig. 2) imprägniert.
Gemäss einer allgemeinen Imprägniermethode, wie sie in den USA-Patentschriften Nr. 2, 864, 982 und Nr. 2, 307, 488 beschrieben ist, werden die erfindungsgemässenKondensatoreinheiten oder eingekapselte Kon- densatoren --23--, wie sie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt sind, gewöhnlich vakuumgetrocknet, um vorhandene Restfeuchtigkeit zu entfernen. Die Trockentemperatur schwankt in Abhängigkeit von der Länge des Trockenzyklus, liegt jedoch gewöhnlich in einem Bereich von 60 bis 150 C. Bei zu niedrigen Temperaturen ist eine zu lange TrockEn zeit erforderlich, wogegen zu hohe Temperaturen zu einer Zersetzung der Papierkomponente der dielektrischen Einlage führen können.
Das Loch --26-- ermöglicht die Entfernung der Feuchtigkeit aus dem Inneren des Gehäuses --24-- während des Trocknungsprozesses.
Die imprägnierte dielektrische Flüssigkeit wird in die Kondensatoranordnung durch das Loch --26--, vorzugsweise während sich die getrocknete Anordnung noch in einem entsprechend evakuieren Gefäss befindet, in einer solchen Menge eingebracht, dass zumindest die Kondensatorelemente im Behälter in ihr untertauchen. Der Druck in dem Gefäss wird sodann auf atmosphärischen Druck gebracht und die Anordnung mehrere Stunden stehen gelassen, um ein gutes Eindringen der Imprägnierflüssigkeit zu erzielen. Nach der Imprägnierung kann die Kondensatoreinheit durch Verlöten des Loches --26-- verschlossen werden.
Wenn das hnprägniermittel aus einem polymerisierbaren harzartigen Material besteht, so wird die Kondensatoranordnung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, um eine Polymerisation und Verfestigung des Materials
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herbeizuführen. Ausser der vorerwähnten Methode können andere Verfahren, bei denen gewöhnlich Wärme und/oder Druck angewendet wird, verwendet werden. Beispielsweise werden bei einer Anzahl von Verfahren
Druckzyklen, Temperaturzyklen oder beide angewendet, um den Imprägnierprozess zu unterstützen. Durch
Wärme und Druck kann die Imprägnierung durch Veränderung der relativen Benetzbarkeit, Viskosität und
Löslichkeit dieser Materialien beschleunigt werden.
Weiters kann eine Expansion und Kontraktion der ein- zelnen Komponenten des Systems, welche eine Folge der Anwendung von Wärme und Druck sein können, als
Treibkraft zur Bewirkung der Migration der Flüssigkeit in das feste Dielektrikum, insbesondere bei ver- schlossenem Loch --26--, wirken.
Ausgezeichnete Ergebnisse werden erzielt, wenn nach dem Imprägnieren und Verschliessen ein Erhit- zungszyklus angewendet wird, um ein höheres Ausmass an Imprägnierung oder eine im wesentlichen voll- kommene Imprägnierung des dielektrischen Systems, insbesondere des Kondensators, zu erreichen oder zu gewährleisten. Beispielsweise werden gewickelte und zusammengebaute Kondensatoren zuerst durch Erwär- men und Evakuieren der zusammengebauten Kondensatoren imprägniert und sodann mit einer dielektrischen
Imprägnierflüssigkeit, welche vorerwärmt sein kann oder nachher zur Förderung der Imprägnierung erwärmt wird, gefüllt oder in diese eingetaucht. Nach dieser Behandlung werden die Kondensatoren verschlossen und die verschlossenen Einheiten längere Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt.
Ein günstiger Erhitzungszyklus besteht in einer kontrollierten Erhitzungsperiode unter Anwendung er- höhter Temperaturen im Bereich von 65 bis 950C während einer Zeitdauer von 4 bis 6 h. HochspannungsWechselstromkondensatoren mit einer aus Polypropylenfilm und Papier aufgebauten dielektrischen Einlage und mit Pyranol 1499 als dielektrische Imprägnierflüssigkeit wurden in einem Temperaturbereich von 85 bis 950C 4 bis 16 h lang erhitzt. Diese Kondensatoren hatten eine konstant hohe Koronaanfangsspannung.
Die Dauer der Erhitzung und die Höhe der Temperatur werden derart gesteuert, dass eine teilweise Lö- sung des Polyolefins in der dielektrischen Flüssigkeit stattfindet und dielektrisches Imprägniermittel im Harz gelöst wird, um eine im wesentlichen vollkommene Imprägnierung zu erzielen. Eine bessere Durchdringung eines Polypropylenfilms kann beispielsweise dadurch gefördert werden, dass die amorphen oder niedermolekulargewichtigen Anteile des Polypropylens in der Flüssigkeit bei etwa 85 bis 95 C gelöst werden. Höhere und beständigere Koronaanfangsspannungen konnten festgestellt werden, wenn die Kondensatoren dem vorerwähnten Imprägnierverfahren mit Temperaturkontrolle unterworfen wurden.
Die Imprägnierung kann weiters durchModifizierung der physikalischen Eigenschaften der Komponenten des imprägnierten dielektrischen Systems verbessert werden. Insbesondere können Gemische dielektrischer Flüssigkeiten oder Zusätze im dielektrischen flüssigen Imprägniermittel zugegen sein oder es kann das feste dielektrische Material in einer Weise behandelt werden, dass die Imprägnierfähigkeit des Systems beeinflusst wird. Beispielsweise kann das vorwiegend aus Trichlorbenzol bestehende Pyranol als dielektrische Flüssigkeit der dielektrischen Flüssigkeit Pyranol 1499 in einer Menge von beispielsweise 25 Gew.-% zugegeben werden. Andere im Gemisch mit Pyranol verwendbare dielektrische Flüssigkeiten sind beispielsweise Mineralöl und Silikonöl.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kondensatoren besitzen bestimmte dielektrisehe Eigenschaften. Diese Eigenschaften unterteilen sich allgemein in drei Kategorien, nämlich erhöhte Durchschlagsfestigkeit, geringer Energieverlust im Dielektrikum und hohe Koronaanfangsspannung, welche auf die Imprägnierung zurückzuführen ist. Die Imprägnierung ist von grösster Wichtigkeit, da durch die Art und das Ausmass der Imprägnierung die erreichbare Koronaanfangsspannung des Systems gesteuert wird. Die erhöhte Durchschlagfestigkeit ist insoferne wichtig, als dadurch ein wirksameres Dielektrikum erhalten und die Verwendung eines kleineren Volumens oder Gewichts an dielektrischem Material ermöglicht wird.
Der Energieverlust ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, da er im System den elektrischen Wirkungsgrad der Einheit nachteilig beeinflusst und zu einer physikalischen Beschädigung der Konstruktionsmaterialien auf Grund der Umwandlung der vernichteten Energie in Wärme führen kann.
Insbesondere können diese bedeutend verbesserten Eigenschaften in Wechselstromkondensatoren, die mitHochspannung belastbar und nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, ausgenutzt werden.
Es wurden Wechselstromkondensatoren hergestellt, die eine lange Lebensdauer bei einer Hochspannungsbelastung von mehr als etwa 48000 V/mm Dielektrikum und eine Koronaanfangsspannung von etwa 750 bis über 3000 V hatten. Bisher war die Entwicklung von Hochspannungs-Wechselstromkondensatoren wegen der relativ kurzen Betriebslebensdauer des Dielektrikums unter Hochspannungsbelastung stark beschränkt. Beispielsweise können die bisherbekanntenwechselstromkondensatoren für langdauemdenbetrieb Im allgernel- nen nur Spannungsbelastungen von weniger als etwa 500 V ausgesetzt werden und bei Stossbelastungen, welche eine nur kurze Lebensdauer ermöglichen, nur etwa 750 V erreichen.
Weitere Beispiele von Kondensatoren, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, sind in den Fig. 4 bis 8 dargestellt. Die Fig. 4 zeigt einen Abschnitt --29-- eines Kondensators, der aus einem imprägnierten dielektrischen Harzfilm --11--, welcher zwischen einem Paar von imprägnierten porösen dielektrischen Streifen --30 und 31-- liegt, und aus einem Paar von Elektrodenfolien --15 und 16-- besteht.
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mit relativ hohen Koronaanfangsspannungen erstmals hergestellt werden können.
Zur Veranschaulichung der verbesserten Eigenschaften der dielektrischen Systeme gemäss der Erfindung wurde eine Anzahl von Kondensatorelementen von der in den Fig. 1 bis 8 gezeigten Art hergestellt und genormten Tests für elektrische Kondensatoren unterworfen und auf ihre Betriebslebensdauer geprüft, wobei Vergleichsmessungen angestellt wurden.
Bekanntlich haben synthetische Harze eine hohe spezifische Durchschlagfestigkeit. Beispielsweise hat der in der Erfindung verwendete imprägnierte Polypropylenfilm eine Betriebsdurchschlagfestigkeit von über 48000 V Imm, obgleich seine spezifische Durchschlagfestigkeit über 800000 V Imm, bezogen auf eine Fläche von 0, 64 mm2, beträgt. Imprägniertes Papier, welches das derzeit in Wechselstromkondensatoren zumeist verwendete dielektrische Material ist, hat eine Betriebsdurchschlagfestigkeit von etwa 16 000 V/ mm.
Das Ausmass, bis zu welchem durch die Verwendung des erfindungsgemässen Harzdielektrikums mit höherer Durchschlagfestigkeit die Menge an dielektrischem Material reduziert werden kann, kann durch Vergleichsversuche mit verschiedenartigen gleich imprägnierten Dielektrika für elektrische Kondensatoren festgestellt werden. Die Kondensatoren, bei welchen nur Papierstreifen, Schichtgebilde aus Papier-Polypropylenfilm und nur Polypropylenfilm zwischen den Elektrodenfolien verwendet werden, sind in den Tabellen I und II zusammengefasst.
Tabelle I
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<tb>
<tb> Art <SEP> Zusammensetzung <SEP> Gesamtstärke <SEP> Harzanteil <SEP> Betriebsdurch <SEP> - <SEP>
<tb> (mm) <SEP> (% <SEP> der <SEP> gesamten <SEP> schlagfestigkeit
<tb> Einlagenstärke) <SEP> (V/mm)
<tb> Nur <SEP> Papier <SEP> Drei <SEP> Papiere <SEP> von <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 0 <SEP> 16000
<tb> 0, <SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> (0, <SEP> 9 <SEP> mils) <SEP>
<tb> Vollschicht <SEP> 0,0076 <SEP> mm <SEP> Poly-0, <SEP> 0228 <SEP> 33 <SEP> 26 <SEP> 800 <SEP>
<tb> propylenfilm <SEP> zwisehen <SEP> zwei
<tb> 0, <SEP> 0076 <SEP> mm
<tb> Papierstreifen
<tb> Halbschicht <SEP> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm <SEP> Papier <SEP> + <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 50 <SEP> 32 <SEP> 000 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm <SEP> Polypropylenfilm
<tb> Umkehr-0, <SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> Papier <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 67 <SEP> 37200
<tb> schicht <SEP> zwischen <SEP> zwei
<tb> 0,
<SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> Polypropylenfilmen
<tb> Nur <SEP> Film <SEP> 0,0228 <SEP> mm <SEP> Poly-0, <SEP> 0228 <SEP> 100 <SEP> 48000
<tb> propylenfilm <SEP> oder
<tb> zwei <SEP> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm
<tb> Polypropylenfilme
<tb>
In Tabelle I wurde eine Standardstärke des Dielektrikums von 0, 0228 mm verwendet, da einige der Schichteinlagen drei Gesamtstärken entweder von Film oder Papier erfordern und die praktisch erreichbare Minimalstärke sowohl beim Film als auch beim Papier 0, 0076 mm beträgt. Die Spannung, bei welcher jede dieser Kombinationen unter Erwartung einer langen Betriebslebensdauer arbeiten kann, ist in Tabelle H angegeben und zeigt den Vorteil der Verwendung eines Polypropylenfilms entweder als Zusatz zum oder als Ersatz des bisher verwendeten Papierdielektrikums.
Diese Werte können in den verschiedenen Systemen durch das Ausmass und die Art der Imprägnierung und durch die Gleichförmigkeit der dielektrischen Eigenschaften des Systems beeinflusst werden. Diese Werte beinhalten eine angenommene Annäherung des Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten von imprägniertem Papier und imprägniertem Polypropylen. Es wurde ein Verhältnis von 3 : 1 angewendet. In diesem Zusammenhang wird bemerkt, dass die aus diesem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten resultierende Spannungsverteilung im System in einer Belastung der Filmkomponenten von etwa 48 000 V/mm resultiert, welche eine tragbare Durchschlagfestigkeit von Polypropylen bei langer Lebensdauer darstellt.
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Tabelle II
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<tb>
<tb> Art <SEP> Zusammensetzung <SEP> Gesamtstärke <SEP> Spannungs- <SEP> Volumetri- <SEP> Betriebs- <SEP>
<tb> (mm) <SEP> belastbar-sehe <SEP> Wirk- <SEP> spannung <SEP>
<tb> keit <SEP> des <SEP> samkeit <SEP> (V/mm)
<tb> Systems <SEP> p. <SEP> (f/mm)
<tb> Nur <SEP> Papier <SEP> dreimal <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 075 <SEP> 1200 <SEP> 0, <SEP> 85. <SEP> 10 <SEP> 16000 <SEP>
<tb> Vollschicht <SEP> 0, <SEP> 0152 <SEP> mm <SEP> Film <SEP> 0, <SEP> 0456 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 4. <SEP> 10-5 <SEP> 26800
<tb> zwischen <SEP> zwei
<tb> 0, <SEP> 0152 <SEP> mm <SEP>
<tb> Papierstreifen
<tb> Halbschicht <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> mm <SEP> Film <SEP> 0, <SEP> 038 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 5.
<SEP> 10-5 <SEP> 32 <SEP> 000 <SEP>
<tb> + <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> mm <SEP>
<tb> Papierstreifen
<tb> Umkehr- <SEP> 0, <SEP> 0109 <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 0327 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 7. <SEP> 10-5 <SEP> 37200
<tb> schicht <SEP> Papierstreifen
<tb> zwischen <SEP> zwei
<tb> 0, <SEP> 0109 <SEP> mm <SEP>
<tb> Filmen
<tb> Nur <SEP> Film <SEP> Ein <SEP> 0, <SEP> 0254 <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 0254 <SEP> 1200 <SEP> 2, <SEP> 1. <SEP> 10-5 <SEP> 48000
<tb> Film
<tb>
In Tabelle Il sind dieselben Dielektrika und ihre Stärke, die erforderlich ist, eine Gesamtspannung im
System von 1200 V auszuhalten, angegeben. Für diese Berechnung wurde die Stärke eines jeden Films und
Papierstreifens in jeder angegebenen Schichtart als gleich angenommen.
Für eine Anzahl von Verwendung- gebieten wäre eine wirksamere Anordnung die, eine minimale Papierstärke vorzusehen und diese geringe
Papierstärke durch Verwendung etwas dickerer Kunstharzfilme auszugleichen. Die Angaben in Tabelle n zeigen, dass eine geringere Menge an dielektrischem Material erforderlich ist, um einer gegebenen Spannungsbelastung widerstehen zu können, wenn der Anteil an Harzmaterial im Dielektrikum erhöht wird. Die
Tabelle II zeigt weiters die zu erwartende volumetrische Wirksamkeit bei Kondensatoren mit den angegebenen Dielektrikumeinlagen.
Diese Werte sind in Mikrofarad pro mm 3 der dielektrischen Einlage angegeben.
Einheiten mit einer Blindleistung sowohl von 50 als auch von 150 kVAr (Kilovoltampere reaktiv) wurden unter Anwendung der Erfindung konstruiert und über tausende Stunden in Betrieb genommen. Diese Einheiten wurden für Spannungsbelastungen ausgelegt und betrieben, welche in einer Belastung der Harzkomponenten des dielektrischen Systems von annähernd 48 000 V/mm resultieren. Die bedeutenden Verbesserungen, die aus den Tabellen I und If zu entnehmen sind, wurden tatsächlich erreicht.
Beispielsweise nimmt ein Kondensator mit einer Blindleistung von 50 kVAr, bestehend aus einer Konstruktion mit Polypropylen-Papier als Dielektrikum, imprägniert mit Pyranol 1499 als flüssigem Dielektrikum mit einem Gehalt an einer Epoxyverbindung als Stabilisator, ein um 40% geringeres Volumen ein als Vollpapierkonstruktionen ; ein solcher Kondensator ist also, mit andern Worten gesagt, etwas mehr als halb so gross. Wenn die erfindungsgemässen Kondensatoren so gross ausgelegt werden würden wie die bisherigen 50 kVAr-Kondensatoren, so hätten die erfindungsgemässen Kondensatoren eine bedeutend grössere Blindleistung. Beispielsweise hat eine nur mit Papierdielektrikum ausgeführte Einheit derselben Grösse wie der 50 kVAr-Kondensator mit Filmschichtaufbau eine Blindleistung von annähernd 30 kVAr.
Demgemäss wird durch die Erfindung eine bedeutende Gewichtsverminderung ermöglicht.
Ein Vergleich eines Kondensators mit einer Blindleistung von 150 kVAr mit Pyranol-Polypropylen-Papier-Dielektrikum mit einem 100 kVAr-Kondensator mit Pyranol-Papier-Dielektrikum zeigt, dass der erstere kleiner ist und 0, 315 kg pro kVAr wiegt. Der letzterwähnte Kondensator, der einen typischen Kondensator nach dem derzeitigen Stand der Technik darstellt, wiegt 0,580 kg/kVAr.
Obgleich das allgemeine Gewicht und Volumen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellter elektrischer Kondensatoren von einer beliebigen gegebenen Grösse reduziert werden können, kann sich auch der Fall ergeben, dass eine maximale praktische Abmessung für einen Kondensator vorhanden ist und eingehalten werden kann, in welchem Falle es das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht, Kondensatoren von dieser Grösse herzustellen, die dann eine höhere Blindleistung haben. Bei all den oben aufgezählten Fällen kann der grössere Vorteil hinsichtlich Gewicht und Volumen der Einheiten der Verwendung einer Kombination
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von Materialien zugeschrieben werden, wobei die Belastung der Harzkomponente sich deren maximaler praktischer Belastbarkeit nähert.
Bei vielen Verwendungszwecken, wie beispielsweise bei Hochspannungskondensatoren, Ist es von gro- ssem Vorteil, die Energieverluste im dielektrischen System so weit wie möglich zu reduzieren. Die erfin- i dungsgemass hergestellten Kondensatoren sind für solche Verwendungsgebiete besonders geeignet. Der Lei- stungsfaktor eines solchen Kondensators liegt auch bei Temperaturen von bis zu 1000C zwischen etwa 0, 05 und etwa 0, 15% bei einer Spannung von über 660 V. Diese Tatsache stellt einen bedeutenden Fortschritt ge- genüber typischen imprägnierten Systemen des Standes der Technik dar, welche Leistungsfaktoren von 0, 2 bis 0, 5% besitzen, und ermöglicht eine Reduktion der Abmessungen um bis zu 40% Im Vergleich zu den beI kannten Kondensatoren.
Als Beispiel der reduzierten Energieverluste In dem imprägnierten Dielektrikum wurde mit einem er- findungsgemäss hergestellten 50 kVAr-Kondensator mit einer mit Pyranol 1499 imprägnierten Polypropylen- einlage ein Test durchgeführt. Dieser Kondensator war, wie bereits ausgeführt wurde, um 40% kleiner als sein 50 kVAr-Gegenstück mit einer nur aus Papier bestehenden Einlage. Die Grösse der in diesem Konden- sator vernichteten Energie wurde durch die Temperaturerhöhung des Dielektrikums, d. h. durch den im Di- elektrikum des Kondensators gemessenen Temperaturanstieg über die Raumtemperatur, angezeigt.
Bei die- sem Test wurde ein Temperaturanstieg im Dielektrikum von 25 C beim Filmkondensator gemessen, wogegen bei dem Kondensator, bei dem die Einlage nur aus Papier bestand, der Temperaturanstieg 4SoC betrug. Wel- ters betrug nach einem 5000 h-Test bei 55 bis 700C Betriebstemperatur der Verlustleistungsfaktor bei der erfindungsgemäss hergestellten Einheit etwa 0, 05%, wogegen er bei der Papierdielektrikumeinheit etwa 0, 2% betrug.
Als Beispiel der Stabilität des Verlustleistungsfaktors eines in Pyranol 1499 getränkten dielektrischen
Systems wurde ein Versuch mit einer Reihe von Kondensatoren mit Halpschicht-Dielektrikumeinlagen, be- stehend aus Streifen von 0, 0125 mm starkem Polypropylen und 0, 01 mm starkem Kraftpapier, imprägniert mit Pyranol 1499 als dielektrische Flüssigkeit mit einem Gehalt von etwa 1 Gew. -% 1-Epoxyäthyl-3, 4-epo- xycyclohexan, durchgeführt.
Diese Kondensatoren wurden bei Temperaturzyklen getestet und gealtert, wo- bei die folgenden Verlustleistungsfaktormessungen bei der angegebenen Kondensatorspannung, 460 V Wech- selstrom, 60 Hz, erhalten wurden :
Tabelle III
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EMI8.2
<tb>
<tb> Zeit <SEP> (Stunden) <SEP> % <SEP> Verlustleistungsfaktor
<tb> 250C <SEP> I <SEP> 650C <SEP> I <SEP> 850C <SEP>
<tb> Betriebstemperatur
<tb> 0 <SEP> 0, <SEP> 143 <SEP> 0, <SEP> 113 <SEP> 0, <SEP> 119 <SEP>
<tb> 519 <SEP> 0,120 <SEP> 0,091 <SEP> 0,096
<tb> 1524 <SEP> 0,119 <SEP> 0,094 <SEP> 0,093
<tb> 5008 <SEP> 0, <SEP> 113 <SEP> 0,084 <SEP> 0,090
<tb>
Diese Ergebnisse zeigen die hohe Stabilisierung des Verlustleistungsfaktors im System über einen Temperaturbereich von 25 bis 850C Betriebstemperatur und einer Verwendungsdauer von mehr als 5000 h.
Da für die Verhinderung des Auftretens von Koronaentladungen in einem festen Dielektrikum die Imprägnierung wesentlich ist, sind die Imprägnierungseigenschaften des erfindungsgemässen Systems von grosser Wichtigkeit. Bei einigen Verwendungszwecken, wie etwa bei Hochspannungskondensatoren, werden Koronaanfangsspannungen von über 2000 V gefordert. Obgleich viele physikalische Eigenschaften sowohl des harzartigen Materials als auch der dielektrischen Imprägnierflüssigkeit für die Imprägnierfähigkeit des Systems massgeblich sind, steht die Durchlässigkeit des Harzes in bezug auf die Flüssigkeit in einem Verhältnis zur Löslichkeit des Harzes in der Flüssigkeit.
Dieses Verhältnis wurde in einem Test nachgewiesen, bei dem eine Menge an Pyranol 1499-Imprägnierflüssigkeit in eine Tasche oder einen Sack aus nicht porösem Polypropylen-Harzfilm, wie er erfindungsgemäss verwendet wird, eingebracht und der Sack in einem Ofen einer Temperatur von etwa 750C ausgesetzt wurde. Die Durchlässigkeit durch den Boden des Sackes wurde gegeprüft, indem der Boden des Sackes über einen Mikroskop-Objektträger gezogen wurde. Sobald die dielektrische Flüssigkeit den Boden durchsetzt, würde sich auf dem Objektträger ein schmieriger Rückstand bilden. Unter Anwendung dieses Tests wurde nachgewiesen, dass der Polypropylenfilm von Pyranol 1499 als dielektrische Flüssigkeit nach vielen Stunden bei Raumtemperatur nicht durchsetzt wurde.
Eine Durchlässigkeit kann erst nach einigen Stunden beobachtet werden, wenn die Temperatur des Systems auf 750C oder dar- über erhöht wird.
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Wenn die Imprägnierung mit Druckanwendung, wie z. B. der Anwendung eines Aussendruckes oder Anwendung eines durch Erhitzen erzeugten Innendruckes kombiniert wird, so wird eine im wesentlichen vollkommene Imprägnierung, wie die konstant über 2500 V liegende Koronaanfangsspannung zeigt, auch bei schwierig zu imprägnierenden Einheiten erreicht. Beispielsweise ermöglicht ein breit und straff gewickeltes Kondensatorsystem, bei dem das dielektrische System neben einem nicht porösen Material, wie etwa einer Elektrodenmetallfolie, liegt, einen nur beschränkten Zutritt der dielektrischen Flüssigkeit zum dielektrischen System. Es ist aus diesem Grund vorteilhaft, zusätzlich zur Temperatur auch Druck anzuwenden, um eine optimale Imprägnierung zu erreichen.
Es ist von Bedeutung, dass sowohl beim Taschendurchlässigkeitsversuch als auch beim Kondensatorimprägnierungsversuch mit Pyranol 1499 als dielektrische Flüssigkeit der Effekt der dielektrischen Flüssigkeit auf den dielektrischen Film bei Raumtemperatur ein ganz anderer ist als bei Temperaturen im Bereich von 75 bis 850C.
Um die anhaltenden hohen Koronaanfangsspannungen nachzuweisen, die mit den erfindungsgemäss hergestellten Kondensatoren erreicht werden können, wurden drei für je 40 kVAr gewickelte Schichtkondensatoren, von denen jeder einen 0, 0076 mm starken Papierstreifen zwischen zwei 0, 0125 mm starken Polypropylenstreifen enthielt, mit Pyranol 1499 als dielektrischer Flüssigkeit, welche einen geringen Gehalt an einem epoxyartigen Stabilisator aufwies, imprägniert. Diese Kondensatoren waren 26 cm breit und hatten eine Koronaanfangsspannung von 750 bis 1050 V Wechselspannung. Die Einheiten wurden auf 1000C mehrere Stunden lang erhitzt und im wesentlichen vollkommen imprägniert, wie die Koronaanfangsspannungen von über 3000V zeigten. Die Ergebnisse dieses Versuches sind in Tabelle IV zusammengefasst.
Tabelle IV
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<tb>
<tb> Probe <SEP> Nr. <SEP> ursprüngliche <SEP> Koronaanfangs- <SEP> neuerlich <SEP> geprüfte <SEP>
<tb> Koronaanfangs- <SEP> spannung <SEP> nach <SEP> Koronaanfangsspannung <SEP> der <SEP> Heisstränkung <SEP> spannung
<tb> 1. <SEP> 1050 <SEP> > 3100 <SEP> > 3100
<tb> 2.750 <SEP> > 3050 <SEP> > 3100
<tb> 3.950 <SEP> > 3100 <SEP> > 3100
<tb>
Die extrem hohen Koronaanfangsspannungen in diesen Kondensatoren zusammen mit der erreichten Dauerhaftigkeit zeigen an, dass eine im wesentlichen vollkommene Imprägnierung erreicht wurde. Ein anderes Anzeichen hiefür ist, dass die gemessenen Werte der Koronaanfangsspannung sich den Werten nähern, die auf Grund mathematischer Berechnungen zu erwarten waren.
Mit Pyranol 1499 imprägnierte Polypropylen-Papier-Dielektrikumeinlagen sind gegen Koronabeschädi- gung viel widerstandsfähiger als herkömmliche imprägnierte Papierdielektrika. Testkondensatoren, wie z. B. von der in Fig. 5 gezeigten Art, welche 30 sec lang einer 300%igen Überspannung (d. i. das Dreifache ihrer berechneten Spannungskapazität) ausgesetzt wurden, zeigten relativ geringe Koronaschäden und einen verbesserten Leistungsfaktor. Diese Testkondensatoren bestanden aus einem mit Pyranol 1499 imprägnierten Polypropylen-Papier-Dielektrikum. Herkömmliche Kondensatoren mit Papier- oder anderem Papier-Harzdielektrikum zeigten bei demselben Versuch einen bedeutenden Anstieg des Leistungsfaktors und starke Koronaschäden.
Die Koronaschäden wurden in beiden Fällen durch Auseinandernehmen des Kondensators und visuelle Beobachtung festgestellt.
Zusätzlich zu den festen dielektrischen Materialien und der dielektrischen Flüssigkeit, mit welcher diese imprägniert sind, können die erfindungsgemässen Systeme zahlreiche andere Komponenten enthalten. So ist es oftmals vorteilhaft, eine als Stabilisator im imprägnierten dielektrischen System wirkende Komponente zuzusetzen. Gewöhnlich ist der Zweck des Zusatzes eines Stabilisators zum System der, gewisse Verunreinigungen oder Fremdstoffe, welche im System zugegeben oder gebildet worden sein können, zu neutralisieren. Solche Verunreinigungen können Katalysatorrückstände oder Katalysatoraktivatoren oder-neutralisie- rungsstoffe sein, welche von der Harzerzeugung zurückgeblieben sind.
Eine andere Quelle solcher Verunreinigungen sind Abbauprodukte, welche sich durch von der Umgebung oder der Spannung ausgelöste chemische Reaktionen im System gebildet haben. Die Stabilisierungsmittel haben sich zur Stabilisierung des Leistungsfaktors eines imprägnierten dielektrischen Harzsystems als äusserst wirksam erwiesen.
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Bereich von 0, 001 bis etwa 8, 0 Gew.-% verwendet. Ein vorzugsweiser Bereich ist der von 0, 35 bis 1, 0 Gew. -%, wenn ein Polypropylenfilm und Pyranol als flüssiges Imprägnierungsmittel verwendet werden.
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Insbesondere anorganische Stoffe, wie Tonerde, können ebenfalls als Stabilisierungsmittel zugegen sein.
Die Wirksamkeit dieser Stoffe hinsichtlich langzeitiger Korrektur des Leistungsfaktorabfalls und Verbesse- rung der Lebensdauer des Kondensators sowie hinsichtlich Verbesserung der Imprägnierfähigkeit ist einge- hender in der USA-Patentschrift Nr. 3, 340, 440 beschrieben.
Eine weitere Komponente, welche oftmals in den imprägnierten dielektrischen Systemen gemäss der Er- findung verwendbar ist, ist ein Streifen aus porösem dielektrischem Material, welcher neben den Harzfilm- streifen gelegt wird, um als Docht zu wirken und auf Grund der Kapillarwirkung das dielektrische flüssige
Imprägniermittel zu der dem Bereich der Kontaktfläche zwischen dem porösen dielektrischen Material und dem festen harzartigen dielektrischen Materialstreifen zu führen. Bei einem harzartigen Filmdielektrikum mit einem grossen Oberflächenbereich ist wenigstens eine solche, die Imprägnierung erleichternde Schicht von Vorteil.
Die Wirksamkeit einer solchen Massnahme zeigt sich insbesondere dann, wenn bei relativ gro- ssen und straff gewickelten Kondensatoren eine im wesentlichen vollkommene Imprägnierung oder extrem ho- he Koronaanfangsspannung erreicht werden soll.
Als poröses Material wird vorzugsweise Kraft-Kondensatorpapier mit einer Stärke von nicht mehr als etwa 0, 025 mm, vorzugsweise 0, 0078 mm, verwendet. Ein solches Papier hat eine Durchschlagfestigkeit, die im Vergleich zu andern Dielektrika relativ gut ist, obgleich sie wesentlich unter der der meisten festen
Harzmaterialien liegt. Weiters besitzt es eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante, welche die Spannungs- verteilung in einem Schichtsystem verbessert, so dass ein grösserer Anteil der Spannung am harzartigen Ma- terial mit der grösseren Durchschlagfestigkeit liegt. Es kann als Dochtelement auch ein synthetisches Harz oder Glasfaserpapier verwendet werden.
Die Auswirkung der Veränderung der physikalischen Eigenschaften der dielektrischen Imprägnierflüssig- keit zur Erzielung einer besseren und intensiveren Imprägnierung wurde an Hand von Tests festgestellt, bei denen Kondensatoren, welche ein nur aus Film bestehendes Dielektrikum, gebildet durch zwei Polypropylen- filmstreifen von je 0, 0071 mm, mit epoxymodifiziertem Pyranol 1499 imprägniert wurden. Gleichartige
Kondensatoren wurden mit einem Gemisch desselben Imprägniermittels mit einer andern dielektrischen
Flüssigkeit, die unter dem Markennamen Pyranol 1478 bekannt ist, imprägniert, wobei ein Mischungsver- hältnis von 3 Teilen Pyranol 1499 zu 1 Teil Pyranol 1478 angewendet wurde. Das zuletzt erwähnte Imprä- gnierungsmittel ist eine im Handel erhältliche dielektrische Flüssigkeit, welche vorwiegend aus Trichlorbenzol besteht.
Während die mit Pyranol 1499 imprägnierten Kondensatoren Koronaanfangsspannungen im Bereich von 400 bis 1000 V Wechselspannung hatten, betrug die der Kondensatoren mit der gemischten dielektrischen Imprägnierflüssigkeit mehr als 1500 V Wechselspannung, was das wesentlich verbesserte Imprägnierungsausmass anzeigt.
Beispiele von Imprägnierungen mit andern dielektrischen Flüssigkeiten, insbesondere von solchen, die vorher mit flüssigem Pyranol gemischt wurden, wie Mineralöl, Silikonöl und andere Pyranolflüssigkeiten, zeigen, dass diese Flüssigkeiten das gesamte oder den grössten Teil des Imprägniermittels bilden können. Andere Öle, welche für begrenztere Anwendungsgebiete verwendet werden können, umfassen Baumwollsamen- öl. Andere Kombinationen können für besondere Anwendungszwecke imprägnierte, vernetzte Polyäthylenoder Papiermaterialien, welche erfindungsgemäss mit dem Polyolefin imprägniert sind, wie z. B. Papier, welches mit einer Polypropylen enthaltenden Schmelze oder Lösung und hierauf mit einem Pyranol-Dielektrikum imprägniert wurde, enthalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, bei dem ein Bandwickel aus wechselweise aufeinanderfolgendem Elektrodenmaterial und aus Polyolefinharz gebildet wird, der Bandwickel in ein Gehäuse eingebracht, das Gehäuse evakuiert und anschliessend mit einer chlorierten Diphenylverbindung gefüllt wird, wonach die Anordnung auf Atmosphärendruck gebracht und nach vollständiger Imprägnierung des Bandwikkels das Gehäuse luftdicht verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyolefin ein Polypropylen verwendet wird, dass der Wickel beim Imprägnieren einer Temperatur von etwa 65 bis etwa 100 C ausgesetzt wird, und die Temperatur auf diesem Wert über eine Zeitspanne aufrechterhalten wird,
die Gleichgewichtszustände der Polypropylenlösung in dem chlorierten Diphenyl und eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung des Polypropylens gewährleisten, und dass danach die Temperatur herabgesetzt wird.
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The invention relates to a method for producing a capacitor in which a tape roll is formed from alternately successive electrode material and from polyolefin resin, the tape roll is introduced into a housing, the housing is evacuated and then filled with a chlorinated diphenyl compound, after which the arrangement is brought to atmospheric pressure and After the tape roll has been completely impregnated, the housing is sealed airtight.
The emergence of increasingly complicated electrical devices and the trend towards greater economic efficiency of the existing devices has led to ever more stringent requirements being placed on the capacitor parts of such devices. For example, there is a strong need for more resilient, smaller and also cheaper capacitors, whereby in particular AC capacitors with a
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From the French In US Pat. No. 1,079,287, the use of biaxial synthetic resin films as an insulating layer in capacitors has become known. This known insulating layer cannot meet today's high requirements with regard to high breakdown voltage and high corona discharge.
The aim of the invention is to create a method for producing a capacitor which has a very high dielectric strength, a high initial and extinguishing corona voltage and a low power factor and which can be used as a high-voltage capacitor.
This object is achieved according to the invention in that a polypropylene is used as the polyolefin, that the winding is exposed to a temperature of about 65 to about 1000C during impregnation, and the temperature is maintained at this value for a period of time, the equilibrium states of the polypropylene solution in the ensure chlorinated diphenyl and an essentially complete impregnation of the polypropylene, and that the temperature is then reduced.
This results in an impregnation of the synthetic resin, which, in conjunction with other properties of the material, leads to a significant improvement in the most important electrical properties of capacitors, such as dielectric strength, initial and extinguishing corona voltage, long service life and high voltage load and low power factor.
The invention is explained in more detail with reference to the drawings. In the drawings, FIG. 1 shows an enlarged cross section of an essentially completely impregnated synthetic resin dielectric, FIG. 2 shows a partially developed winding capacitor in a diagrammatic representation, FIG. 3 shows a fully assembled capacitor consisting of the capacitor shown in FIG. 2 and a container for it , Fig. 4 shows a cross section through part of an electrical capacitor with an impregnated resin film as a component of the dielectric, referred to as a full-layer construction, Fig. 5 shows a transverse
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Component of the dielectric, Fig. 6 shows a cross-section of part of a further electrical capacitor with a relatively thick impregnated resin film in its dielectric, referred to as a half-layer construction, Fig.
7 shows a modified embodiment of a half-layer construction of a capacitor with a plurality of impregnated resin films lying next to one another as components of the dielectric; and FIG. 8 shows a cross section through a part of an electrical capacitor in which the dielectric consists only of impregnated resin films.
Fig. 1 shows a preferred embodiment of a dielectric --10-- of a capacitor manufactured by the method according to the invention, the dielectric material -12-- consisting of a solid polyolefin resin, which has numerous inhomogeneous locations --11-- in the form of openings , Voids or gaps --13-- whose presence is considered to be characteristic of the resin. This material is said to be non-porous because there are few or no pores or passages connecting the side surfaces and allowing the impregnating liquid to migrate from one side to the other.
The polyolefin material is coated with a dielectric liquid impregnant
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The type of impregnation according to the invention in combination with the special materials leads to a kind of synergistic effect, the result of which is the increase in the dielectric strength of the material. The impregnation increases the electrical insulation properties of the resin-like dielectric if an impregnation material which fills the inhomogeneous areas and has a higher dielectric strength than air or gas is introduced into the resin.
Unexpectedly good results are achieved with the dielectric shown in FIG. 1 when it is used in a capacitor, in particular for a high-voltage AC capacitor, with certain combinations of polyolefin material and impregnating agents being used. Although numerous combinations of materials other than polyolefins and impregnating agents other than those used in the process according to the invention have already been described, these combinations have not led to the desired properties and results which are a prerequisite for use in the currently manufactured, highly developed and complicated devices.
The materials which give the best results in the process according to the invention are the synthetic resins from the group of
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Polyolefin resins, etc. between polypropylene.
The generally advantageous properties of polyolefins are their electrical properties as ordinary dielectrics, good temperature stability and good mechanical properties, such as easy processing and deformation, in particular into thin films. While these beneficial properties have given rise to numerous uses, use in dielectric systems such as e.g. B. capacitors, due to the low dielectric strength, low initial corona voltage and low
Service life under high voltage load is severely limited. The dielectric strength is of the greatest importance and is a measure of the ability of the material to withstand voltage loads.
The initial corona voltage and the corona quenching voltage are the voltages at which harmful corona discharges begin and can be quenched.
It has been found that the polyolefins, and in particular polypropylene, can be impregnated to an unexpectedly high degree with halogenated hydrocarbons and that with such an impregnation the individual components work together to provide the improved dielectric in a capacitor produced by the process according to the invention form. A preferred material from the group of polyolefins is the polypropylene resin, in particular an isotactic, biaxially oriented polypropylene film, which is, for example, in Applied Plastics, November 1961, pp. 35 to 64, and in Modem Dielectric Materials,
Beck, J.B., London Heywood and Co., 1959, pp. 140-142.
The polyolefin materials described in these articles can be used as linear, regular head-to-tail
Polymers of unsaturated hydrocarbons of the formula
CH2 = EAR d. s. Alpha olefins, where R is a saturated aliphatic, an alicyclic or an aromatic radical, as copolymers of the unsaturated hydrocarbons with one another and as copolymers of the unsaturated ones
Hydrocarbons with at least one other monomer copolymerizable therewith.
This polyolefin material is to be regarded as non-porous because it is essentially not contiguous
There are passages through which the impregnating agents used in the method according to the invention could pass under the currently known operating conditions of capacitors.
A halogenated organic material and the like can be used as a preferred impregnating agent in the process according to the invention. Compounds with 1 to 5 halogen substituents, such as chlorine and 1 to 3 aryl groups, such as, in particular, trichlorodiphenyl, which is commercially available under the trade name “PyranoI1499” (trademark of the General Electric Company), can be used. This material has a high corona initial and extinction voltage.
The combination of Pyranol 1499 as the dielectric liquid with a non-porous polypropylene film as the impregnated dielectric system gives the best results. These materials were previously considered incompatible or unsuitable and therefore not used in dielectric systems, since polypropylene is obviously easily dissolved by halogenated organic compounds such as liquid Pyranol 1499 and is also not wetted by the impregnating agents mentioned. It was also stated that the
Dissolving polypropylene in a non-polar liquid gives rise to plasticizing effects, such as swelling and a reduction in tensile strength.
However, it has been found that, except at very high temperatures, which are above about 1000 ° C., polypropylene is only soluble to a limited extent in halogenated aromatic substances and that this partial solubility surprisingly does not adversely affect the condenser properties. This partial solubility of the polypropylene film in trichlorodiphenyl under controlled temperature conditions below about 1000 ° C. is rather an essential feature of the invention. The partial solubility, which takes place on the basis of test results after the first penetration of the impregnant into the film, supports the migration of the impregnant into the film and into the holes and cavities of the same.
This better impregnation is shown in an extremely high initial corona voltage of the impregnated system, u. also in the absence of a wick or a porous layer on both sides of the film.
Samples of polypropylene dielectric films impregnated with pyranol and subjected to capacitance testing indicated that there is a close relationship between the type and degree of impregnation and the initial corona stress, and that essentially perfect impregnation is important. The combination of polypropylene and pyranol as the dielectric liquid is advantageous for a type of impregnation which is referred to in connection with the invention as full impregnation. If the holes and cavities of the material are essentially filled with the liquid impregnation agent and during the impregnation both adsorption of the impregnation agent by the material and a partial dissolution of the material in the impregnation liquid take place, the material is said to be essentially completely impregnated.
Tests with polypropylene with different degrees of impregnation have shown that very high initial corona voltages close to the measured, calculated or absolute
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Corona initial voltage occur in dielectrics in which the impregnation process has been prolonged or otherwise assisted until an essentially perfect impregnation has been achieved. One method that results in a substantially perfect impregnation is to immerse the polypropylene film in pyranol at a temperature of about 90 ° C. With this measure, relatively stable conditions are achieved in about 6 to 20 days, about 1.0% by weight of polypropylene in the liquid pyranol and about 11% by weight of liquid pyranol being absorbed by the polypropylene.
The type and extent of the impregnation can also be measured by means of the initial corona voltage of the system, the values approaching a maximum indicating the complete impregnation.
The polypropylene film used in connection with the invention is made of isotactic polypropylene. This is a high molecular weight stereoregular crystalline material which, in addition to the predominant crystalline phase, has an amorphous or non-crystalline phase. In some commercially available isotactic polypropylenes, the amorphous phase can constitute up to 30% of the total resin. Films can be produced from these resins for the purposes according to the invention, for example by rolling, extrusion, pressing, solution casting and melt casting. In order to improve the mechanical properties of the resin film, such films are usually given a kind of oriented structure by stretching and thermosetting.
The stretching is preferably carried out alternately in mutually perpendicular directions, i. H. in both the longitudinal and transverse directions of the film to biaxially orient the film. The films can be uniaxially, biaxially, and balanced biaxially oriented.
In the polyolefin films, particularly in the polypropylene films, there should be few, if any, impurities which can give the dielectric a high level of power consumption in a given material. The impurities can also be foreign materials picked up during film production or catalyst residues. These impurities can be removed by dissolving the polyolefin material and removing the impurities by precipitation, extraction and adsorption methods. However, excellent results are obtained using commercially available polypropylene resins such as. B. Profax 6520 F Resin (Hercules Powder Co.) and Shell 5500 F Resin (Shell Oil Co.).
Capacitors which are produced by the process of the invention, such as. 2 and 3 of the drawings may have the same general shape as the currently known capacitors. Fig. 2 shows a wound capacitor --14--, which consists of separate electrode foils or
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--15trode foils --15 and 16 - can be made from one or more of a number of different materials, usually metallic, such as B. aluminum, copper and tantalum exist. The dielectric inserts --17 and 18-- usually consist of a laminated body which has at least one impregnated resin layer --11-- (Fig. 1). The capacitor element is formed by a dielectric insert --17-- and the metallic electrode foils --15, 16--.
Fig. 3 shows an assembled capacitor --23 - in which a wound capacitor of the type shown in Fig. 2 is inserted. This capacitor also has a housing --24--, a hermetically sealed cover --25--, which has a small filling hole --26-- for the dielectric liquid, and a pair of connections -27 and 28- that pass through the cover, insulated from it, protrude. Within the
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connected. The capacitor shown in Fig. 3 also contains a (not shown) dielectric liquid, which fills the remaining free space not occupied by the capacitor element in the container - 24 - and impregnates the dielectric inserts --17 and 18 - (Fig. 2).
According to a general impregnation method, as described in US Patents No. 2, 864, 982 and No. 2, 307, 488, the capacitor units or encapsulated capacitors according to the invention --23--, as shown for example in Fig. 3, usually vacuum dried to remove any residual moisture. The drying temperature varies depending on the length of the drying cycle, but is usually in a range of 60 to 150 C. If the temperature is too low, the drying time is too long, while too high a temperature may cause the paper component of the dielectric liner to decompose.
The hole --26-- allows moisture to be removed from the inside of the housing --24-- during the drying process.
The impregnated dielectric liquid is introduced into the capacitor arrangement through the hole --26--, preferably while the dried arrangement is still in an appropriately evacuated vessel, in such an amount that at least the capacitor elements in the vessel are submerged in it. The pressure in the vessel is then brought to atmospheric pressure and the arrangement is left to stand for several hours in order to achieve good penetration of the impregnating liquid. After impregnation, the capacitor unit can be closed by soldering the hole --26--.
If the impregnating agent consists of a polymerizable resinous material, the capacitor arrangement is exposed to an elevated temperature in order to polymerize and solidify the material
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bring about. In addition to the aforementioned method, other methods which usually use heat and / or pressure can be used. For example, a number of methods
Pressure cycles, temperature cycles or both applied to aid the impregnation process. By
Heat and pressure can affect the impregnation by changing the relative wettability, viscosity and
Solubility of these materials can be accelerated.
Furthermore, an expansion and contraction of the individual components of the system, which can be a consequence of the application of heat and pressure, can occur as
Driving force to cause the liquid to migrate into the solid dielectric, especially when the hole is closed --26--, act.
Excellent results are achieved if, after the impregnation and sealing, a heating cycle is used in order to achieve or ensure a higher degree of impregnation or an essentially complete impregnation of the dielectric system, in particular the capacitor. For example, wound and assembled capacitors are first impregnated by heating and evacuating the assembled capacitors and then with a dielectric
Impregnating liquid, which can be preheated or subsequently heated to promote the impregnation, is filled or immersed in it. After this treatment, the capacitors are closed and the closed units are exposed to an elevated temperature for a longer period of time.
A favorable heating cycle consists of a controlled heating period using elevated temperatures in the range of 65 to 950 ° C. for a period of 4 to 6 hours. High-voltage AC capacitors with a dielectric insert made up of polypropylene film and paper and with Pyranol 1499 as the dielectric impregnation liquid were heated in a temperature range of 85 to 950 ° C. for 4 to 16 hours. These capacitors had a constantly high initial corona voltage.
The duration of the heating and the level of the temperature are controlled in such a way that the polyolefin is partially dissolved in the dielectric liquid and the dielectric impregnant is dissolved in the resin in order to achieve an essentially perfect impregnation. Better penetration of a polypropylene film can be promoted, for example, by dissolving the amorphous or low molecular weight components of the polypropylene in the liquid at about 85 to 95.degree. Higher and more stable initial corona voltages could be determined when the capacitors were subjected to the aforementioned impregnation process with temperature control.
Impregnation can be further improved by modifying the physical properties of the components of the impregnated dielectric system. In particular, mixtures of dielectric liquids or additives can be present in the dielectric liquid impregnating agent, or the solid dielectric material can be treated in such a way that the impregnability of the system is influenced. For example, the pyranol, consisting predominantly of trichlorobenzene, can be added as dielectric liquid to the dielectric liquid Pyranol 1499 in an amount of, for example, 25% by weight. Other dielectric liquids that can be used in a mixture with pyranol are, for example, mineral oil and silicone oil.
The capacitors produced by the process according to the invention have certain dielectric properties. These properties are generally divided into three categories, namely increased dielectric strength, low energy loss in the dielectric and high initial corona voltage, which can be attributed to the impregnation. The impregnation is of the greatest importance, as the type and extent of the impregnation control the attainable initial corona voltage of the system. The increased dielectric strength is important in that it provides a more effective dielectric and enables a smaller volume or weight of dielectric material to be used.
Energy loss is also an important factor as it adversely affects the electrical efficiency of the unit in the system and can result in physical damage to the materials of construction due to the conversion of the lost energy into heat.
In particular, these significantly improved properties can be used in AC capacitors which can be loaded with high voltage and which are manufactured according to the method according to the invention.
AC capacitors were produced which had a long service life at a high voltage load of more than about 48,000 V / mm of dielectric and an initial corona voltage of about 750 to over 3000 V. Heretofore, the development of high voltage AC capacitors has been severely limited because of the relatively short service life of the dielectric under high voltage loads. For example, the previously known AC capacitors for long-term operation can generally only be exposed to voltage loads of less than about 500 V and only reach about 750 V in the case of shock loads which only allow a short service life.
Further examples of capacitors which are produced by the method according to the invention are shown in FIGS. 4 to 8. Fig. 4 shows a portion --29-- of a capacitor composed of an impregnated dielectric resin film --11-- sandwiched between a pair of impregnated porous dielectric strips --30 and 31--, and a pair of Electrode foils --15 and 16--.
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can be produced for the first time with relatively high initial corona voltages.
To illustrate the improved properties of the dielectric systems according to the invention, a number of capacitor elements of the type shown in FIGS. 1 to 8 were manufactured and subjected to standardized tests for electrical capacitors and checked for their service life, with comparative measurements being made.
It is known that synthetic resins have a high specific dielectric strength. For example, the impregnated polypropylene film used in the invention has an operational dielectric strength of over 48,000 V Imm, although its specific dielectric strength is over 800,000 V Imm, based on an area of 0.64 mm 2. Impregnated paper, which is currently the most widely used dielectric material in AC capacitors, has an operational dielectric strength of about 16,000 V / mm.
The extent to which the amount of dielectric material can be reduced by using the resin dielectric according to the invention with a higher breakdown strength can be determined by comparative tests with different types of, identically impregnated dielectrics for electrical capacitors. The capacitors, in which only paper strips, layers of paper-polypropylene film and only polypropylene film are used between the electrode foils, are summarized in Tables I and II.
Table I.
EMI6.1
<tb>
<tb> Type <SEP> Composition <SEP> Total thickness <SEP> Resin content <SEP> Operated by <SEP> - <SEP>
<tb> (mm) <SEP> (% <SEP> of the <SEP> total <SEP> impact strength
<tb> insert thickness) <SEP> (V / mm)
<tb> Only <SEP> paper <SEP> Three <SEP> papers <SEP> from <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 0 <SEP> 16000
<tb> 0, <SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> (0, <SEP> 9 <SEP> mils) <SEP>
<tb> Full layer <SEP> 0.0076 <SEP> mm <SEP> Poly-0, <SEP> 0228 <SEP> 33 <SEP> 26 <SEP> 800 <SEP>
<tb> propylene film <SEP> between <SEP> two
<tb> 0, <SEP> 0076 <SEP> mm
<tb> strips of paper
<tb> Half-shift <SEP> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm <SEP> paper <SEP> + <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 50 <SEP> 32 <SEP> 000 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm <SEP> polypropylene film
<tb> Reverse 0, <SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> paper <SEP> 0, <SEP> 0228 <SEP> 67 <SEP> 37200
<tb> layer <SEP> between <SEP> two
<tb> 0,
<SEP> 0076 <SEP> mm <SEP> polypropylene films
<tb> Only <SEP> film <SEP> 0.0228 <SEP> mm <SEP> Poly-0, <SEP> 0228 <SEP> 100 <SEP> 48000
<tb> propylene film <SEP> or
<tb> two <SEP> 0, <SEP> 0114 <SEP> mm
<tb> polypropylene films
<tb>
In Table I, a standard dielectric thickness of 0.0228 mm was used because some of the liners require three total thicknesses of either film or paper and the minimum practical thickness for both film and paper is 0.076 mm. The voltage at which each of these combinations can operate in anticipation of long service life is given in Table H and demonstrates the benefit of using a polypropylene film either as an additive to or as a replacement for the previously used paper dielectric.
These values can be influenced in the various systems by the degree and type of impregnation and by the uniformity of the dielectric properties of the system. These values include an assumed approximation of the ratio of the dielectric constants of impregnated paper and impregnated polypropylene. A ratio of 3: 1 was used. In this connection it is noted that the voltage distribution in the system resulting from this ratio of the dielectric constant results in a stress on the film components of about 48,000 V / mm, which is a sustainable dielectric strength of polypropylene with a long service life.
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Table II
EMI7.1
<tb>
<tb> Type <SEP> Composition <SEP> Total strength <SEP> Voltage <SEP> Volumetri- <SEP> Operating <SEP>
<tb> (mm) <SEP> loadable-see <SEP> active <SEP> voltage <SEP>
<tb> ability <SEP> des <SEP> sameness <SEP> (V / mm)
<tb> Systems <SEP> p. <SEP> (f / mm)
<tb> Only <SEP> paper <SEP> three times <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 075 <SEP> 1200 <SEP> 0, <SEP> 85. <SEP> 10 <SEP > 16000 <SEP>
<tb> full shift <SEP> 0, <SEP> 0152 <SEP> mm <SEP> film <SEP> 0, <SEP> 0456 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 4th <SEP> 10-5 <SEP> 26800
<tb> between <SEP> two
<tb> 0, <SEP> 0152 <SEP> mm <SEP>
<tb> strips of paper
<tb> Half-shift <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> mm <SEP> Film <SEP> 0, <SEP> 038 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 5.
<SEP> 10-5 <SEP> 32 <SEP> 000 <SEP>
<tb> + <SEP> 0, <SEP> 019 <SEP> mm <SEP>
<tb> strips of paper
<tb> Reverse <SEP> 0, <SEP> 0109 <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 0327 <SEP> 1200 <SEP> 1, <SEP> 7. <SEP> 10-5 <SEP> 37200
<tb> layer <SEP> paper strips
<tb> between <SEP> two
<tb> 0, <SEP> 0109 <SEP> mm <SEP>
<tb> films
<tb> Only <SEP> film <SEP> on <SEP> 0, <SEP> 0254 <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 0254 <SEP> 1200 <SEP> 2, <SEP> 1. <SEP > 10-5 <SEP> 48000
<tb> film
<tb>
In Table II, the same dielectrics and their strength required are a total voltage im
System of 1200 V withstand, specified. For this calculation, the strength of each film and
Paper strip in each specified layer type is assumed to be the same.
For a number of uses, a more effective arrangement would be to have a minimum paper thickness and a small one
Compensate for paper thickness by using somewhat thicker synthetic resin films. The data in Table n show that a smaller amount of dielectric material is required to withstand a given voltage load as the proportion of resin material in the dielectric is increased. The
Table II also shows the expected volumetric effectiveness for capacitors with the specified dielectric inserts.
These values are given in microfarads per mm 3 of the dielectric insert.
Units with reactive power of both 50 and 150 kVAr (kilovolt ampere reactive) were constructed using the invention and put into operation for thousands of hours. These units were designed and operated for voltage loads which result in a load on the resin components of the dielectric system of approximately 48,000 V / mm. The significant improvements shown in Tables I and If have actually been achieved.
For example, a capacitor with a reactive power of 50 kVAr, consisting of a construction with polypropylene paper as the dielectric, impregnated with Pyranol 1499 as the liquid dielectric with an epoxy compound as a stabilizer, takes up 40% less volume than solid paper constructions; In other words, such a capacitor is a little more than half the size. If the capacitors according to the invention were designed as large as the previous 50 kVAr capacitors, the capacitors according to the invention would have a significantly greater reactive power. For example, a unit made only with paper dielectric and of the same size as the 50 kVAr capacitor with a film layer structure has a reactive power of approximately 30 kVAr.
Accordingly, the invention enables a significant reduction in weight.
A comparison of a capacitor with a reactive power of 150 kVAr with pyranol-polypropylene-paper-dielectric with a 100 kVAr capacitor with pyranol-paper-dielectric shows that the former is smaller and weighs 0.315 kg per kVAr. The last mentioned capacitor, which is a typical state of the art capacitor, weighs 0.580 kg / kVAr.
Although the general weight and volume of electrical capacitors manufactured by the method of the invention can be reduced by any given size, the case may also arise that a maximum practical dimension for a capacitor is present and can be maintained, in which case it is that of the invention Process enables capacitors of this size to be produced, which then have a higher reactive power. In all of the cases enumerated above, the greater advantage in terms of weight and volume of the units can be found in the use of a combination
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of materials, with the load on the resin component approaching its maximum practical load capacity.
For many purposes, such as high-voltage capacitors, it is of great advantage to reduce the energy losses in the dielectric system as much as possible. The capacitors produced in accordance with the invention are particularly suitable for such areas of use. The power factor of such a capacitor is between about 0.05 and about 0.15% at temperatures of up to 1000C at a voltage of over 660 V. This fact represents a significant advance compared to typical impregnated systems of the prior art shows which power factors from 0.2 to 0.5% have, and enables a reduction in dimensions of up to 40% compared to the known capacitors.
As an example of the reduced energy losses, a test was carried out in the impregnated dielectric with a 50 kVAr capacitor manufactured according to the invention with a polypropylene insert impregnated with Pyranol 1499. As already mentioned, this capacitor was 40% smaller than its 50 kVAr counterpart with an insert made only of paper. The amount of energy destroyed in this capacitor was determined by the increase in temperature of the dielectric, ie. H. indicated by the temperature rise above room temperature measured in the dielectric of the capacitor.
In this test, a temperature rise of 25 C in the dielectric was measured for the film capacitor, whereas for the capacitor in which the insert consisted only of paper, the temperature rise was 4SoC. Furthermore, after a 5000 h test at an operating temperature of 55 to 700 ° C., the power loss factor for the unit produced according to the invention was about 0.05%, whereas it was about 0.2% for the paper dielectric unit.
As an example of the stability of the power dissipation factor of a dielectric soaked in Pyranol 1499
Systems, a test was carried out with a series of capacitors with half-layer dielectric inserts, consisting of strips of 0.0125 mm thick polypropylene and 0.01 mm thick kraft paper, impregnated with Pyranol 1499 as a dielectric liquid with a content of about 1 wt. % 1-epoxyethyl-3, 4-epoxycyclohexane carried out.
These capacitors were tested and aged during temperature cycles, with the following power dissipation factor measurements obtained at the stated capacitor voltage, 460 V AC, 60 Hz:
Table III
EMI8.1
EMI8.2
<tb>
<tb> time <SEP> (hours) <SEP>% <SEP> power loss factor
<tb> 250C <SEP> I <SEP> 650C <SEP> I <SEP> 850C <SEP>
<tb> operating temperature
<tb> 0 <SEP> 0, <SEP> 143 <SEP> 0, <SEP> 113 <SEP> 0, <SEP> 119 <SEP>
<tb> 519 <SEP> 0.120 <SEP> 0.091 <SEP> 0.096
<tb> 1524 <SEP> 0.119 <SEP> 0.094 <SEP> 0.093
<tb> 5008 <SEP> 0, <SEP> 113 <SEP> 0.084 <SEP> 0.090
<tb>
These results show the high stabilization of the power dissipation factor in the system over an operating temperature range of 25 to 850C and a period of use of more than 5000 hours.
Since the impregnation is essential for preventing the occurrence of corona discharges in a solid dielectric, the impregnation properties of the system according to the invention are of great importance. For some uses, such as high-voltage capacitors, corona initial voltages of over 2000 V are required. Although many physical properties of both the resinous material and the dielectric impregnation liquid are decisive for the impregnability of the system, the permeability of the resin to the liquid is related to the solubility of the resin in the liquid.
This ratio was demonstrated in a test in which an amount of Pyranol 1499 impregnation liquid was placed in a bag or sack made of non-porous polypropylene resin film, as used in the invention, and the sack was exposed in an oven to a temperature of about 750C . The permeability through the bottom of the bag was tested by dragging the bottom of the bag over a microscope slide. Once the dielectric liquid penetrated the soil, a greasy residue would form on the slide. Using this test, it was demonstrated that the polypropylene film of Pyranol 1499 as a dielectric liquid did not penetrate after many hours at room temperature.
Permeability can only be observed after a few hours, when the temperature of the system is increased to 750C or above.
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When the impregnation is carried out with the application of pressure, e.g. B. the application of an external pressure or the application of an internal pressure generated by heating is combined, an essentially perfect impregnation, as the corona initial voltage, which is constantly above 2500 V, shows, even with units that are difficult to impregnate. For example, a broad and tightly wound capacitor system, in which the dielectric system lies next to a non-porous material such as an electrode metal foil, allows only limited access of the dielectric liquid to the dielectric system. For this reason, it is advantageous to use pressure in addition to the temperature in order to achieve an optimal impregnation.
It is important that in both the pocket permeability test and the capacitor impregnation test with Pyranol 1499 as the dielectric liquid, the effect of the dielectric liquid on the dielectric film is very different at room temperature than at temperatures in the range of 75 to 850C.
In order to demonstrate the sustained high initial corona voltages that can be achieved with the capacitors produced according to the invention, three film capacitors wound for 40 kVAr each, each of which contained a 0.076 mm thick paper strip between two 0.0125 mm thick polypropylene strips, with Pyranol 1499 as dielectric liquid, which had a low content of an epoxy-type stabilizer, impregnated. These capacitors were 26 cm wide and had an initial corona voltage of 750 to 1050 VAC. The units were heated to 1000C for several hours and were essentially completely impregnated, as indicated by the initial corona voltages in excess of 3000V. The results of this experiment are summarized in Table IV.
Table IV
EMI9.1
<tb>
<tb> sample <SEP> no. <SEP> original <SEP> initial corona <SEP> <SEP> tested <SEP> again
<tb> Corona initial <SEP> voltage <SEP> after <SEP> Corona initial voltage <SEP> of the <SEP> hot impregnation <SEP> voltage
<tb> 1. <SEP> 1050 <SEP>> 3100 <SEP>> 3100
<tb> 2.750 <SEP>> 3050 <SEP>> 3100
<tb> 3,950 <SEP>> 3100 <SEP>> 3100
<tb>
The extremely high initial corona voltages in these capacitors, together with the durability achieved, indicate that an essentially perfect impregnation has been achieved. Another sign of this is that the measured values of the initial corona voltage approach the values that were to be expected on the basis of mathematical calculations.
Polypropylene-paper dielectric inserts impregnated with Pyranol 1499 are much more resistant to corona damage than conventional impregnated paper dielectrics. Test capacitors, such as Of the type shown in Fig. 5, which were subjected to a 300% overvoltage (i.e. three times their calculated voltage capacity) for 30 seconds, exhibited relatively little corona damage and improved power factor. These test capacitors consisted of a polypropylene-paper dielectric impregnated with Pyranol 1499. Conventional capacitors with paper or other paper-resin dielectric showed a significant increase in power factor and severe corona damage in the same experiment.
The corona damage in both cases was determined by disassembling the condenser and visual observation.
In addition to the solid dielectric materials and the dielectric liquid with which they are impregnated, the systems of the invention can contain numerous other components. It is often advantageous to add a component that acts as a stabilizer in the impregnated dielectric system. Usually the purpose of adding a stabilizer to the system is to neutralize certain impurities or foreign matter which may have been added or formed in the system. Such impurities can be catalyst residues or catalyst activators or neutralizers that have been left over from resin production.
Another source of such impurities are degradation products that have formed in the system as a result of chemical reactions triggered by the environment or voltage. The stabilizers have been found to be extremely effective in stabilizing the power factor of an impregnated dielectric resin system.
EMI9.2
Range from 0.001 to about 8.0 wt% used. A preferable range is from 0.35 to 1.0 wt% when a polypropylene film and pyranol are used as the liquid impregnating agent.
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Inorganic substances in particular, such as clay, can also be present as stabilizers.
The effectiveness of these substances with regard to long-term correction of the drop in power factor and improvement of the service life of the capacitor as well as with regard to improving the impregnability is described in more detail in US Pat.
Another component which can often be used in the impregnated dielectric systems according to the invention is a strip of porous dielectric material which is placed next to the resin film strip to act as a wick and, due to the capillary action, the dielectric liquid
To deliver impregnating agent to the area of the contact surface between the porous dielectric material and the solid resinous dielectric material strip. In the case of a resinous film dielectric with a large surface area, at least one such layer that facilitates impregnation is advantageous.
The effectiveness of such a measure is particularly evident when an essentially complete impregnation or an extremely high initial corona voltage is to be achieved with relatively large and tightly wound capacitors.
Kraft capacitor paper with a thickness of not more than about 0.025 mm, preferably 0.0078 mm, is preferably used as the porous material. Such paper has a dielectric strength which is relatively good compared to other dielectrics, although it is well below that of most solid dielectrics
Resin materials lies. Furthermore, it has a relatively high dielectric constant, which improves the stress distribution in a layer system, so that a larger proportion of the stress is on the resinous material with the greater dielectric strength. A synthetic resin or fiberglass paper can also be used as the wick member.
The effect of the change in the physical properties of the dielectric impregnation liquid to achieve better and more intensive impregnation was determined on the basis of tests in which capacitors, which consist only of a dielectric, formed by two polypropylene film strips, each 0.071 mm , impregnated with epoxy-modified pyranol 1499. Similar
Capacitors were made with a mixture of the same impregnant with another dielectric
Liquid known under the brand name Pyranol 1478, impregnated using a mixing ratio of 3 parts Pyranol 1499 to 1 part Pyranol 1478. The last-mentioned impregnation agent is a commercially available dielectric liquid, which mainly consists of trichlorobenzene.
While the capacitors impregnated with Pyranol 1499 had initial corona voltages in the range from 400 to 1000 V AC, that of the capacitors with the mixed dielectric impregnation liquid was more than 1500 V AC, which indicates the significantly improved degree of impregnation.
Examples of impregnations with other dielectric liquids, particularly those previously mixed with liquid pyranol, such as mineral oil, silicone oil and other pyranol liquids, show that these liquids can form all or most of the impregnant. Other oils that can be used for more limited applications include cottonseed oil. Other combinations can be impregnated, crosslinked polyethylene or paper materials, which are impregnated according to the invention with the polyolefin, such as. B. paper, which was impregnated with a polypropylene-containing melt or solution and then with a pyranol dielectric, contain.
PATENT CLAIMS:
1. A method of manufacturing a capacitor in which a tape roll is formed from alternately successive electrode material and from polyolefin resin, the tape roll is introduced into a housing, the housing is evacuated and then filled with a chlorinated diphenyl compound, after which the arrangement is brought to atmospheric pressure and after complete Impregnation of the tape roll, the housing is hermetically sealed, characterized in that a polypropylene is used as the polyolefin, that the roll is exposed to a temperature of about 65 to about 100 C during impregnation, and the temperature is maintained at this value for a period of time,
ensure the equilibrium of the polypropylene solution in the chlorinated diphenyl and an essentially complete impregnation of the polypropylene, and that the temperature is then reduced.