CH510325A

CH510325A - Elektrischer Wechselspannungs-Kondensator mit Kunststoffbänder enthaltendem Dielektrikum

Info

Publication number: CH510325A
Application number: CH1420668A
Authority: CH
Inventors: Helmut Dipl Ing Maylandt; Richard Dipl Chem Hoehn
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1967-10-18
Filing date: 1968-09-20
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR1579934A; DE1589549A1; DE1589549C3; DE1589549B2; GB1183155A; SE340639B

Description


  
 



  Elektrischer Wechselspannungs-Kondensator mit Kunststoffbänder enthaltendem Dielektrikum
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wechselspannungskondensator mit Kunststoffbänder enthaltendem Dielektrikum, der mit einem flüssigen Tränkmittel getränkt ist.



   Gleichspannungs-Kondensatoren, insbesondere solche mit kleinen Kapazitätswerten und für Spannungen unter 1000 V enthalten neuerdings anstelle des früher verwendeten imprägnierten Papiers ein Dielektrikum aus Kunststoffbändern ohne Imprägnierung. Dies gilt sowohl für Kondensatoren mit Belägen aus Metallfolien als auch für solche mit aufgedampften Belegungen.



   Obwohl Kunststoffbänder wegen ihrer zum Teil sehr niedrigen dielektrischen Verluste für Wechselspannungskondensatoren besonders geeignet erscheinen, geht die Umstellung von Papier auf Kunststoff insbesondere bei Leistungskondensatoren sehr langsam vor sich. Abgesehen von wirtschaftlichen Überlegungen liegt der Grund dafür darin, dass noch technische Schwierigkeiten im Wege stehen. Wegen der im Vergleich zu Papier kleineren Dielektrizitätskonstanten müssen Kunststoff-Kondensatoren gleicher spezifischer Leistung elektrisch höher belastet werden als Kondensatoren mit Papierdielektrikum.



  Kondensatoren mit Kunststoff-Dielektrikum müssen daher mit Rücksicht auf die hohen Betriebsfeldstärken   urrd    die meist hohen Betriebsspannungen von 380 V und darüber zwecks Vermeidung von schädlichen Glimmentladungen mit einem flüssigen Isoliermittel imprägniert werden, das die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lagen des Dielektrikums und den Kondensatorbelegungen ausfüllt.



   Imprägniermittel, die sich bei Kondensatoren mit Papier als Dielektrikum bewährt haben, sind jedoch für Kondensatoren mit Kunststoff-Dielektrikum vielfach ungeeignet oder nur bedingt geeignet, weil sich der Kunststoff in den gebräuchlichen Imprägniermitteln entweder vollständig auflöst oder seine mechanische und elektrische   Festig-    keit durch die Imprägniermittel so verschlechtert wird, dass die Kondensatoren nur eine kurze Lebensdauer haben. Besonders starke Zersetzungserscheinungen zeigen Kunststoffbänder in den für Kondensatoren mit Papierdielektrikum vielfach verwendeten chlorierten Diphenylen, deren polarer Charakter die Auflösung der Kunststoffe begünstigt. Andererseits sind aber auch Kondensator- und Transformatoröle auf Mineralölbasis nur bedingt als Tränkmittel für Kondensatoren mit Kunststoffdielektrikum verwendbar.

  Beispielsweise sind in   Kondensator-    Ölen, wie sie für selbstheilende MP-Kondensatoren verwendet werden, bei manchen Kunststoffen Auflösungserscheinungen zu beobachten.



   Ölimprägnierte Kunststoffdielektrika sind bei der Herstellung von Hochspannungskabeln versuchsweise schon verwendet worden. Die thermische und elektrische Beanspruchung der Kunststoffe ist bei Kabeln aber geringer als bei Leistungs-Kondensatoren.



   Bekannt sind auch Kondensatoren, deren Belegungen aus doppelseitig bedampften Papierbändern und deren Dielektrikum aus Kunststoffbändern bestehen. Das Imprägniermittel derartiger Kondensatoren ist bei Betriebstemperatur fest, Lösungsvorgänge verlaufen dabei daher wesentlich langsamer. Wegen vorhandener Schrumpfungshohlräume im Imprägniermittel neigen diese Kondensatoren jedoch zu Glimmentladungen und sind nur bedingt für Wechselspannungsbelastung geeignet.



   Bekannt sind auch Kondensatoren mit sogenanntem Mischdielektrikum, bei denen ein Teil des Papierdielektrikums durch Kunststoff ersetzt ist, wobei über das Imprägniermittel nichts weiter ausgesagt ist, als dass es fest oder flüssig sein kann. Hinsichtlich der geeigneten flüssigen Imprägniermittel für Kondensatoren wird lediglich ganz allgemein empfohlen, hoch ausraffinierte Öle mit einem geringen Gehalt an aromatischen Verbindungen zu verwenden. Solche Öle sind auf Grund ihres Herstellungsverfahrens teuer. Man wird daher den Aromatengehalt einerseits nicht kleiner wählen als notwendig ist, andererseits hat sich aber gezeigt, dass es Kunststoffe gibt, für die gerade aromatenhaltige Öle geeignet sind.



   Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die Richtigkeit der bis jetzt bekannten, einander z. T. widersprechenden Angaben nachzuprüfen und zu klären, welche flüssigen Imprägniermittel für Kondensatoren aus verschiedenen Kunststoffsorten im Hinblick auf Qualität und Wirtschaftlichkeit besonders geeignet sind. Untersuchungen über die Änderung der mechanischen und elek  trischen Eigenschaften verschiedener Kunststoffbänder, die verschiedenen flüssigen Imprägniermitteln unter Ausschluss von Luftsauerstoff mit und ohne elektrische Belastung ausgesetzt wurden, haben gezeigt, dass die Lebensdauer eines imprägnierten Kunststoffdielektrikums unter sonst gleichen Bedingungen von der chemischen Zusammensetzung des Imprägniermittels, und zwar vorwiegend von seinem Gehalt an aromatischen Verbindungen abhängt.

  Es gibt Kunststoffe, für die Imprägniermittel mit hohem Aromatengehalt in Frage kommen, und andere Kunststoffe, die nur mit Tränkmitteln behandelt werden können, deren Aromatengehalt sehr gering ist. Zieht man weiterhin die chemische Struktur der untersuchten Kunststoffe selbst in Betracht, so ergibt sich bei gleicher Lebensdauer ein Zusammenhang zwischen dem Aromatengehalt der Kunststoffe und der Imprägniermittel, der im folgenden erläutert werden soll.



   Die Strukturformeln für Polycarbonat, Polystyrol, drei verschiedene Sorten von Terephthalsäureestern, Polyäthylen und Polypropylen sind mit Angabe des Gehalts CA an aromatisch gebundenen und Cp an paraffinisch gebundenen Kohlenstoffatomen in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
EMI2.1     


<tb>



   <SEP> aromatisch <SEP> ge- <SEP> paraffinisch <SEP> ge
<tb>  <SEP> Kunststoff <SEP> Strukturformel <SEP> bundener <SEP> Koh- <SEP> bundener <SEP> Koh  <SEP> lenstoff <SEP> CA <SEP> % <SEP> lenstoff <SEP> Cp <SEP> Öle
<tb>  <SEP> Polycarbonat <SEP> | <SEP> -0- <SEP> C; > -C- <SEP> O <SEP> -0-C- <SEP> 1 <SEP> 75 <SEP> j <SEP> 25
<tb> I <SEP> I
<tb>  <SEP> CK-3 <SEP> n
<tb> Polystyrol <SEP> Cll-CH2- <SEP> 75 <SEP> 25
<tb>  <SEP> ¯ <SEP> I <SEP> F
<tb>  <SEP> II <SEP> II
<tb>  <SEP> Polyäthylenglycolterephthalat <SEP> j <SEP> O-C- <SEP> O <SEP> -C-O-CH2-CH2- <SEP> 60 <SEP> ¯| <SEP> 60 <SEP> 40
<tb>  <SEP> ¯
<tb>  <SEP> n
<tb>  <SEP> O <SEP> 0
<tb>  <SEP> Polybutylenglycolterephthalat <SEP> -0- <SEP> li <SEP> O <SEP> II <SEP> 50 <SEP> ( <SEP> C112-CH <SEP> - <SEP> ) <SEP> 21 <SEP> 50
<tb>  <SEP> -O-C- <SEP> -c-0-(cii2-cn2-)2
<tb>  <SEP> n
<tb>  <SEP> ¯ <SEP> 0
<tb>  <SEP> 

   Polyhexamethylenglycolterephthalat <SEP> ¯0-C- <SEP> O <SEP> -C-0- <SEP> (CH2-CH2- <SEP> ) <SEP> ) <SEP> II <SEP> II
<tb> I <SEP> c-o-(cH2-cH2-) <SEP> 43 <SEP> 57
<tb>  <SEP> Polyäthylen <SEP> [-ClI2-CtI2- <SEP> 100
<tb> I <SEP> -n
<tb>  <SEP> Polypropylen <SEP> - <SEP> L-CII2-CH- <SEP> | <SEP> X <SEP> 1 <SEP> UU
<tb>   
Ferner ist in Fig. 1 der Zusammenhang zwischen    CA-Wert,    Cp-Wert und Kunststoffsorte in Diagrammform dargestellt. Auf der Abszisse sind von links nach rechts steigende   Cp-Werte    von 0-100 % aufgetragen und ausser dem die Kunststoffe der Tabelle 1 bei ihrem Cp-Wert ein getragen. Auf der Ordinate sind ebenfalls von 0-100    /o    die    CA-Werte    aufgetragen.

  Auf einer die Endwerte von Cp verbindenden von links nach rechts fallenden Geraden kann also für jeden Kunststoff über dem entsprechenden    Cp-Wert    der dazugehörige   Wert    abgelesen werden, wobei   CA =    1-Cp ist. Da dieses Diagramm nur für Kunst stoffe gilt, sind in Fig. 1 die CA- und Cp-Werte mit dem zu sätzlichen Index (K) versehen.



   In Fig. 2 sind auf der Abszisse wie in Fig. 1 die   CP(K)   
Werte der Kunststoffe aufgetragen, auf der Ordinate je doch die   C,o-Werte,    also der aromatisch gebundene Koh lenstoffgehalt im Tränkmittel, welches bei Kunststoffen mit verschiedenen   Cp(K)-Werten    zu gleicher Lebensdauer führt. Über die Art der übrigen Komponenten der Tränk mittel ist dadurch nichts ausgesagt, sie können aus alipha tischen und/oder naphthenischen Komponenten bestehen.



   Die zulässigen   CA(T)-Werte    des Tränkmittels liegen in dem schraffierten Streubereich. Ein Vergleich der Diagramme nach Fig. 1 und 2 zeigt das überraschende und theoretisch noch nicht völlig geklärte Ergebnis, dass bei abnehmen dem   C,(wWert    eines Kunststoffes (Fig. 1) der   C,o,-Wert    des Tränkmittels (Fig. 2) ansteigt.

  Der Zusammenhang zwi schen   CA(T)-Wert    des Tränkmittels und   Cp,,rWert    eines
Kunststoffes in Fig. 2 lässt sich nur durch die Beziehung darstellen:
CA(T)   = K Cp(K)n   
Gemäss der Erfindung wird daher vorgeschlagen, ein
Tränkmittel für Kondensatoren, deren Dielektrikum ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht, so auszuwählen, dass die Beziehung    CA(T)    = K   Cp(Kçn    erfüllt ist, wobei die Konstante K Werte von 0,16 bis 0,33 und der Exponent n Werte von 2,0 bis 3,0 hat.

  Aromaten anteile im Tränkmittel ausserhalb der angegebenen Werte sind wegen der zunehmenden Verkürzung der Lebens dauer durch Auflösungserscheinungen, insbesondere bei höheren Aromatenanteilen, auszuschliessen und niedrigere
Aromatenanteile als die genannten Werte deshalb, weil mit zunehmendem Raffinationsgrad, also mit fallendem
Aromatenanteil, der Preis des Imprägniermittels erheblich ansteigt. Ein bevorzugter Wert für die Konstante K ist 0,2 und für den Exponenten n 2,5.



   Die erfindungsgemässe Auswahl des geeigneten
Tränkmittels wird an folgenden Beispielen erläutert:
Fig. 3 zeigt, in gegenüber der Wirklichkeit verzerrten
Grössenverhältnissen den Aufbau eines Kondensators, des sen Belegungen aus Al-Folien 1 und 2 und dessen Dielek trikum aus je einem oder mehreren Polyäthylenglykoltere phthalat-Bändern 3 und 4 bestehen.



   Der paraffinisch gebundene Kohlenstoff CP(K) in die sem Kunststoff beträgt 40   0/0    gleich 0,4. Nach der angege benen Beziehung errechnet oder aus Fig. 2 abgelesen ist für einen derartigen Kondensator ein flüssiges Tränkmit tel mit einem Aromatengehalt   CMT)    von 1-5 %, vorzugs weise 2   0/0    zu wählen. Als Tränkmittel kommt also gerade noch ein Transformatoröl mit einem Aromatengehalt von
5    /0,    noch besser aber ein höher ausraffiniertes Mineralöl mit einem Aromatengehalt von 1-2    /o    in Frage. Der ge forderte Aromatengehalt lässt sich auch durch Mischungen eines Tränkmittels mit höherem Aromatenanteil und eines höher ausraffinierten Öls geringeren Aromatengehalts erreichen.



   Fig. 4 zeigt den Aufbau eines selbstheilenden einlagigen Kondensators aus Polypropylenbändern 5 und 6, die jeweils auf einer Seite eine aufgedampfte Belegung 7 bzw.



  8 tragen, und Fig. 5 den Aufbau eines ebenfalls verlustarmen selbstheilenden Kondensators, dessen einer Belag aus einer Al-Folie 10 und dessen anderer Belag aus einem doppelseitig bedampften Papierband 20 mit den aufgedampften Belägen 21 und 22 desselben Potentials besteht.



  Das Dielektrikum bilden Polypropylenbänder 13 und 14.



  Der   Cp(K)-Wert    von Polypropylen beträgt 100    /o    = 1,0. Für die Imprägnierung der Kondensatoren nach Fig. 4 und Fig. 5 ist erfindungsgemäss ein flüssiges Tränkmittel zu verwenden, dessen nach der angegebenen Beziehung errechneter oder aus Fig. 2 abgelesener   CA(T)-Wert    nicht höher als 33 % und nicht kleiner als 16   0/0    ist. Als Tränkmittel kommt demnach beispielsweise ein Alkylbenzol mit 33    /o    aromatisch gebundenem Kohlenstoff (z. B. Dodecylbenzol) oder ein Kondensator-Öl mit einem   CA(T)-Wert    von 16    /o    in Frage. Auch Mischungen der beiden Stoffe mit einem Aromatengehalt zwischen 16 und 33 % können verwendet werden.



   Auch Fig. 6 zeigt den Aufbau eines verlustarmen selbstheilenden Kondensators, der zwei doppelseitig bedampfte Papierbänder 30 und 31 mit Belegungen 32 und 33 bzw. 34 und 35 jeweils gleichen Potentials und ein Dielektrikum aus Polycarbonatbändern 36 und 37 enthält.

 

   Gemäss Fig. 7 schliesslich sind auf je ein Papierband 40 und 41 Belegungen 42 und 43 aufgedampft. Die Papierbänder 40 und 41 sind ein Teil des Dielektrikums, dessen
Rest ebenfalls aus je einem Polycarbonatband 44 und 45 besteht.



   Der in den Polycarbonatbändern der Kondensatoren nach Fig. 6 und 7 enthaltene paraffinisch gebundene Koh lenstoff beträgt   Cp(K    25    /o    = 0,25. Erfindungsgemäss ist demnach ein   Imprägnieröl    mit einem Aromatengehalt   CA(T)    von 0,5 bis 2   0/0    zu verwenden, das z. B. aus einem hochausraffinierten Mineralöl mit einem Aromatengehalt von  <  1    /o    bestehen kann.

Claims

PATENTANSPRUCH

Elektrischer Wechselspannungskondensator mit Kunst stoffbänder enthaltendem Dielektrikum, das mit einem flüssigen Imprägniermittel getränkt ist, wobei der Kunst stoff paraffinisch gebundenen Kohlenstoff und das Imprägniermittel aromatisch gebundenen Kohlenstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem paraffinisch gebundenen Kohlenstoff CP(K) im Kunststoff und dem aromatisch gebundenen Kohlenstoff CA(T) im Imprägniermittel die Beziehung CA(T) = K Cp,K,n besteht, wobei K Werte von 0,16 bis 0,33 und n Werte von 2,0 bis 3,0 hat.

UNTERANSPRÜCHE 1. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass K den Wert 0,2 und n den Wert 2,5 hat.

2. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus Polycarbo nat und das Imprägniermittel aus einem hochausraffinierten Mineralöl mit einem aromatisch gebundenen Kohlen stoffgehalt von 0,5 bis 2 /0, vorzugsweise < 1 % besteht.

3. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus Polyäthylenglykolterephthalat und das Imprägniermittel aus einem Mineralöl mit einem aromatisch gebundenen Kohlenstoff gehalt von 1-5 %, vorzugsweise 2 /o besteht.

4. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus Polypropylen und das Imprägniermittel aus einer Isolierflüssigkeit mit einem Anteil an aromatisch gebundenem Kohlenstoff von 16 bis 33 % besteht.

5. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem gewünschten aromatisch gebundenen Kohlenstoffgehalt Imprägniermittel durch Mischung einer Isolierflüssigkeit mit höherem und einer Isolierflüssigkeit mit niedrigerem aromatisch gebundenem Kohlenstoffgehalt als dem gewünschten Wert hergestellt ist.

6. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belegungen aus Metallfolien bestehen.

7. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Belegung aus einem doppelseitig bedampften Papier- oder Kunststoffband besteht.

8. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass je eine der selbstheilenden Belegungen auf ein Kunststoffband aufgebracht ist.

9. Elektrischer Kondensator nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass je eine der selbstheilenden Belegungen auf ein Papierband aufgebracht ist, das einen Teil des Dielektrikums bildet.