Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung
Gegenstand der Erfindung ist ein Kondensator mit mindestens einer Polyolefinharzschicht im Dielektrikum zwischen in einem Gehäuse angeordneten Elektroden, welche Polyolefinharzschicht mit einer dielektrischen Flüssigkeit getränkt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kondensators, dessen streifenförmige Elektroden mit der Polyolefinharzschicht aufgewickelt und im Gehäuse untergebracht werden, welches Gehäuse evakuiert wird.
Es handelt sich also um synthetische Kunstharzdielektrika, welche eine extrem lange Lebensdauer sowie hohe Spannungsfestigkeiten aufweisen. Der heutigen Entwicklungstendenz folgend, Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades bei elektrischen Bauteilen und gleichzeitige Miniaturisierung der äusseren Abmessungen, werden besonders an die Dielektrika sehr hohe Anforderungen gestellt. Zum Beispiel können Wechselstromkondensatoren mit hoher dielektrischer Festigkeit und hohen Start- bzw. Löschspannungen der Korona-Entladungen in Schaltanlagen eingebaut den Wirkungsgrad dieser Anlagen gewaltig verbessern.
Daher ist es ein Zweck der Erfindung, ein verbessertes synthetisches Kunstharzdielektrikum mit sehr hoher dielektrischer Festigkeit, sowie mit grossen Korona-Einsatz- und Löschspannungen bei gleichzeitigem niedrigem Leistungsfaktor zu schaffen. Weiterhin soll mit der Erfindung erreicht werden, dass die elektrischen Bauteile, zum Beispiel ein Kondensator, mit diesem Dielektrikum als Abstandshalter versehen, in den räumlichen Abmessungen auf ein Minimum reduziert sind bei gleichzeitigem Ansteigen der elektrischen Eigenschaften.
Der Kondensator der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Polyolefin Polypropylen ist, welches mindestens angenähert vollständig mit einer dielektrischen Flüssigkeit getränkt ist, welche dielektrische Flüssigkeit aus einer chloriniertes Diphenyl enthaltenden Mischung besteht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zu seiner Herstellung ist dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit dem unter Vakuum stehenden Polypropylen zugeführt wird und einer Temperatur von 65 bis 100 "C ausgesetzt wird, welche Temperatur so lange aufrechterhalten wird, bis eine mindestens angenähert vollständige Durchtränkung des Polypropylen und eine Korona-Einsatzspannung von mehr als 2000 Volt Wechselspannung erreicht werden, worauf die Temperatur gesenkt wird.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen vergrösserten Ausschnitt aus einem Teil des im wesentlichen vollständig imprägnierten bzw. getränkten Dielektrikums aus Kunstharz,
Fig. 2 die perspektivische Ansicht eines Wickelkondensators,
Fig. 3 den Wickelkondensator mit Gehäuse,
Fig. 4 den doppelt beschichteten imprägnierten bzw. getränkten Kunstharzfilm des dielektrischen Abstandshalters im Kondensator,
Fig. 5 die imprägnierten bzw. getränkten Filme aus Kunstharz des Dielektrikums, welche umgekehrt beschichtet sind,
Fig. 6 den verhältnismässig stark imprägnierten bzw. getränkten Kunstharzfilm des Dielektrikums in einfach beschichteter Struktur,
Fig. 7 ein weiteres einfach beschichtetes Dielektrikum bestehend aus mehreren aneinanderliegenden imprägnierten bzw. getränkten Kunstharzfilmen, und
Fig.
8 ein Dielektrikum, welches nur aus imprägnierten bzw. getränkten Kunstharzfilmen besteht.
Die Fig. 1 zeigt den dielektrischen Abstandshalter 10, z. B. bei einem Kondensator. Dieser besteht aus einem festen Polyolefinharz 11, in welchem verschiedene Ausnehmungen bzw. Öffnungen 12 vorhanden sind. Diese Öffnungen sind bekanntlich bei Kunstharzen immer vorhanden.
Dieses Material wird als nichtporös bezeichnet, wenn auch einige Poren oder Löcher bei den Seitenflächen vorhanden sind, welche die Bewegung der porenfüllenden Flüssigkeit durch die gegenüberliegenden Flächenseiten zulassen. Das Polyolefinharz wird mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert bzw. getränkt. Diese durchdringt das Material des Harzes und füllt die obenerwähnten Ausnehmungen auf.
Hierdurch wird eine kontinuierliche und heterogene dielektrische Anordnung geschaffen. Überraschenderweise führt die Imprägnation zu einer Art von synergetischem Effekt, wodurch die dielektrische Festigkeit der Kombination ansteigt. Die elektrischen Isolationswerte steigen stark an und das imprägnierte Material hat eine grössere dielektrische Festigkeit als Luft oder Gas in den oben beschriebenen Ausnehmungen. Kondensatoren, welche andere imprägnierte Dielektrika verwenden, sind auch in den US-Patentschriften 2864982 und 2 307488 beschrieben worden.
Es ergaben sich unerwartet gute Resultate mit der Art des Dielektrikums wie es in der Fig. 1 für einen Wechselstromkondensator für extrem hohe Spannungen gezeigt ist.
Bei diesem Dielektrikum werden gewisse Kombinationen von Polyolefinmaterialien und Imprägnierflüssigkeiten verwendet. Wenn auch ausser diesen Polyolefinen noch weitere Kombinationen hier beschrieben werden, so wird darauf hingewiesen, dass die vorbekannten Kombinationen nicht im entferntesten die Anforderungen erfüllen konnten, wie sie in komplexen elektrischen Schaltanordnungen verlangt werden. Die Materialien, welche gemäss vorliegender Erfindung die besten Ergebnisse ergaben, sind die synthetischen Harze, welche als Polyolefine und besonders als Polypropylene, Polyäthylene, 4-Methyl-Penten-1 sowie als Polystyrene bekannt sind.
Die allgemein hervorragenden Merkmale der Polyolefine sind ihre elektrischen Eigentümlichkeiten als normale Dielektrika (anders als Kondensatorbauteile), gute Stabilität der Temperatur und leichtes Bearbeiten und Formen besonders in dünnen Schichten. Diese hervorragenden Merkmale wurden bei verschiedenen Anwendungsfällen herausgefunden.
Die Anwendung als ein Dielektrikum, z. B. in Kondensatoren, ist allerdings wegen der sehr geringen dielektrischen Festigkeit und wegen der geringen Korona-Einsatzspannung sowie infolge der relativ kurzen Lebensdauer bei Hochspannungsbeanspruchungen begrenzt. Die dielektrische Festig- keit ist aber von grosser Bedeutung und sie ist ein Mass der Materialkonstante gegenüber den Hochspannungsbeanspruchungen, z. B. Spannungsdifferenz entlang einer dimensionierten dicken Einheit. Mit CSV wird die Einsatzspannung und mit CEV wird die Löschspannung der Korona-Entladungen bezeichnet. Andere mit der Imprägnierung, sowie mit dem Mass der Imprägnierung und der Verträglichkeit der einzelnen Imprägnierungsteile zusammenhängende Probleme verhinderten, dass die Fachwelt eine Imprägnierungsmethode zur Verbesserung der elektrischen Merkmale des Polyolefinharzes ins Auge fasste.
Die Polyolefine und insbesondere die Polypropylene können in unerwartet guter Weise mit halogenierten aromatischen Flüssigkeiten imprägniert werden. Ein bevorzugtes Material der Polyolefine ist Polypropylenharz, insbesondere ein isotaktischer, biaxial orientierter Polypropylenfilm und eine komplette Beschreibung eines. Beispieles hiervon kann in der Zeitschrift Angewandte Kunststoffe vom November 1961, Seiten 35 bis 64, sowie in Moderne dielektrische Materialien von J. B. Beck, London, Heywood and Co., 1960, Seiten 140-142, nachgelesen werden.
Das polyolefine Material kann als lineares, von Anfang bis Ende der Kette polymeres Regular der ungesättigten Kohlenwasserstoffe der Formel CH2=CHR bezeichnet werden, z. B. Alphaolefine, wobei R ein gesättigtes aliphatisches, alizyklisches oder ein aromatisches Radikal ist und die Copolymeren der ungesättigten Kohlenwasserstoffe mit mindestens einem anderen Monomer copolymerisabel. Dieses Polyolefin kann auch als nichtporös bezeichnet werden, da im allgemeinen keine kontinuierlichen Durchgänge vorhanden sind, welche das bevorzugte flüssige Imprägniermittel der Erfindung hindurchlassen würden, und zwar unter den bei Kondensatoren allgemein bekannten Betriebsbedingungen.
Ein bevorzugtes Imprägnierungsmittel ist ein halogeniertes organisches Material, welches im allgemeinen eine Mischung aus 1 bis 5 Halogen-Substituenten wie Chlor und aus 1 bis 3 Arylgruppen besteht. Ganz besonders ist ein bevorzugtes lmprägnierungsmittel Trichlordiphenyl, welches als Pyranol 1499 (Handelsmarke der General Electric Company) im Handel erhältlich ist. Dieses Material besitzt eine sehr hohe Einsatz- und Löschspannung der Korona-Entladung.
Die besten Ergebnisse sind erzielt worden, wenn die dielektrische Flüssigkeit Pyranol 1499 mit einem nichtporösen Polypropylenfilm kombiniert wurde. Diese Materialien galten als unverträglich und wurden daher für Dielektrika nicht verwendet, da das Polypropylen leicht gelöst wird durch halogenierte organische Substanzen wie z. B. die Pyranol-1499 Flüssigkeit. Ausserdem ist es auch mit dieser Flüssigkeit nicht benetzbar. Das Lösen des Polypropylens in einer nichtpolaren Flüssigkeit führt zu plastizierenden Effekten sowie Aufschwemmen und geringe mechanische Spannungsbeanspruchungen. Man stellte fest, dass mit Ausnahme von sehr hohen Temperaturen oberhalb von 100 "C Polypropylen in halogenierten aromatischen Materialien nur bis zu einem bestimmten Ausmass lösbar ist.
Es ergab sich auch, dass die Teillösbarkeit überraschenderweise keine ungünstige Einwirkung auf die Charakteristika der Kondensatoren ausübte.
Diese teilweise Lösbarkeit des Polypropylenfilmes in Trichlorodiphenyl bei gesteuerten Temperaturen von weniger als 100 "C stellt ein bedeutendes Merkmal dieser bevorzugten Kombination dar. Die teilweise Löslichkeit, welche nach der Anfangsdurchdringung des Filmes auftritt, unterstützt das Wandern der Imprägnierungsflüssigkeit in den Film und somit in die Lücken desselben. Dieses günstige Verhalten der Imprägnierung kann man beweisen wegen der extrem hohen, sich hieraus ergebenden Einsatzspannung für die Korona-Entladung. Dieses gilt selbst bei Abwesenheit eines Wick oder einer porösen Schicht auf beiden Seiten des Filmes.
Elektrische Versuche, welche an mit Pyranol imprägnierten Polypropylenfilmen vorgenommen worden sind, ergaben eindeutig eine sehr enge Beziehung zwischen der Art und dem Mass der Imprägnierung und der Einsatzspannung der Korona-Entladung; weiterhin ergab sich, dass eine vollständige Imprägnierung äusserst wichtig ist. Die Kombination von Polypropylen und Pyranol ist eine Art der Imprägnierung, welche in der vorliegenden Beschreibung als eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung bezeichnet wird.
Wenn die Ausnehmungen oder Löcher des Materials im wesentlichen mit der Imprägnierungsflüssigkeit ausgefüllt sind und der Imprägnierungsprozess die Adsorption der Flüssigkeit durch das Material sowie die Teillösung des Materials in der Flüssigkeit beinhaltet, so bezeichnet man diesen Vorgang als eine vollständige Imprägnierung. Versuche mit besonderen Harzen bei verschiedenen Imprägnierungsgraden ergaben sehr hohe und konsistente Einsatzspannungen der Korona-Entladung (CSV), welche in der Nähe der gemessenen, bzw. der errechneten Werte lagen. Weiterhin ergaben diese Versuche Höchstspannungen bei Anordnungen, wo das Imprägnierungsverfahren verlängert worden. ist oder auf andere Art und Weise unterstützt wurde für eine vollständige Imprägnierung. Ein solches Verfahren ist z.
B. die komplette Imprägnierung infolge Untertauchens des Polypropylenfilmes in Pyranol 1499 bei einer Temperatur von über 90 "C. Relativ stabile Bedingungen wurden in ungefähr 1 Gewichtsprozent Polypropylen in Pyranol aufgelöst und ungefähr 11 Gewichtsprozent Pyranol wurde von dem Polypropylen aufgenommen. Die Art und auch das Mass der Imprägnierung kann also mittels der CSV gemessen werden.
Erreichen diese Werte ein Maximum, so zeigen sie eine vollständige Imprägnierung an.
Die bevorzugten Polypropylenfilme enthalten im allgemeinen isotaktische Polypropylene. Dies ist ein stereo-reguläres kristallines Material mit hohem Molekulargewicht, wel ches zu der überwiegend vorhandenen kristallinen Phase noch eine amorphe oder nichtkristalline Phase enthält. Bei einigen im Handel erhältlichen isotaktischen Polypropylenen beträgt die amorphe Phase z B. 30% des gesamten Harzes.
Von diesen Harzen können Filme für die Zwecke der Erfindung gebildet werden. Man kann dies z. B. durch Walzen, Ziehen, Pressen, Spritz- oder Schmelzguss vornehmen. Um nun die mechanischen Eigenheiten dieser Kunstharzfilme zu verbessern, ist es allgemein üblich, sie in bestimmte Formen mittels Streckziehen, bei gleichzeitiger Hitzeeinwirkung, zu bringen. Dieses Streckziehen wird in Senkrechtrichtungen vorgenommen, z. B. in Längsrichtung und Querrichtung des Filmes, so dass sich eine biaxiale Orientierung des Filmes ergibt. Filme können natürlich auch uniaxial orientiert sein, bzw. biaxial orientiert und abgeglichen.
Polyolefinfilme, insbesondere Polypropylenfilme, sollten nur sehr wenig, wenn überhaupt, Restverschmutzungen haben, welche einen hohen Leistungsfaktor, z. B. das Mass des Leistungsbedarfes in einem gegebenen Material, der gesamten Anordnung mitteilen. Verschmutzungen können auch Fremdmaterialien sein, welche aus dem Filmherstellungsverfahren oder von Katalysatoren herrühren können.
Diese Verunreinigungen können durch entsprechendes Auflösen des Polyolefines entfernt werden. Die Entfernung der Verunreinigungen kann auch durch Ausfällen oder durch Adsorption vorgenommen werden. Besonders gute Ergebnisse ergaben sich, wenn das im Handel erhältliche Polypropylenharz Profax 6520F (Hercules Powder Co.) und das Shell 5500F (Shell Oil Co.) genommen wurde.
Die Kondensatoren der Fig. 2 und 3 können natürlich eine ähnliche Grundkonfiguration haben wie sie bei bekannten Kondensatoren vorliegt. Die Fig. 2 zeigt einen gewickelten Kondensator 14 mit getrennten Blattelektroden 15 und 16 und dazwischenliegenden dielektrischen Abstandshaltern 17 und 18. Die Endklemmen 19 und 20 besitzen vergrösserte Oberflächen 21 und 22 (nicht gezeigt) für eine bessere Kontaktgabe mit den Elektroden. Die Elektroden 15 und 16 können ein oder mehrere unterschiedliche Materialien enthalten, z. B. solche Metalle, welche Aluminium, Kupfer und Tantal enthalten. Die dielektrischen Abstandhalter 17 und 18 bestehen im allgemeinen aus einer sogenannten Sandwich Struktur, welche mindestens eine imprägnierte Kunstharzschicht 11 gemäss vorliegender Erfindung enthält. Mehr im einzelnen ergeben das Dielektrikum 17 und die Elektroden 15, 16 den Kondensator.
Die Fig. 3 zeigt einen zusammengebauten Kondensator 23, in welchem der Wickelkondensator der Fig. 2 eingebettet ist. Der Behälter 24 ist mit einem Deckel 25 hermetisch abgedichtet. Letzterer enthält ein kleines Einfülloch 26 für die dielektrische Flüssigkeit. Ausserdem sind die Klemmen 27, 28 vorgesehen. Innerhalb des Behälters 24 sind die Klemmen 27, 28 mit den Endpunkten 19, 20, wie es bereits in Fig. 2 gezeigt worden ist, verbunden. Obwohl nicht besonders gezeigt, enthält die Einheit 23 der Fig. 3 ebenfalls eine dielektrische Flüssigkeit. Diese ist in dem restlichen Raum innerhalb des Behälters 24, welcher nicht vom Kondensator selbst eingenommen wird, vorhanden. Diese Flüssigkeit imprägniert auch die dielektrischen Abstandhalter 17 und 18 der Fig. 2.
Bei einem allgemeinen Imprägnierungsverfahren, wie es z. B. in den obenerwähnten US-Patentschriften beschrieben worden ist, werden die Kondensatoren üblicherweise vakuumgetrocknet, so dass die restliche Feuchtigkeit aus diesen entfernt wird. Die einstellbare Trocknungstemperatur hängt von der Dauer der einzelnen Trocknungen ab. Sie liegt normalerweise im Gebiet zwischen 60 bis 150 "C. Bei zu geringer Trocknungstemperatur wird die Trocknungszeit übermässig verlängert, während eine zu hohe Trocknungstemperatur die Zersetzung einer Papierschicht des dielektrischen Abstandshalters bewirken könnte. Über das Loch 26 gelangt die Feuchtigkeit aus dem Inneren des Behälters 24 nach aussen, während des Trocknungsverfahrens.
Die Imprägnierungsflüssigkeit wird vorzugsweise noch während der Zeit, wo die gesamte Kondensatoranordnung noch im Vakuum ist, in das Kondensatorgehäuse eingegeben. Normalerweise wird soviel Flüssigkeit in das Gehäuse gegeben, bis der Kondensator in der Flüssigkeit untergetaucht ist. Der Druck innerhalb des Behälters steigt dann auf den atmosphärischen Druck an und die gesamte Anordnung bleibt für eine Reihe von Stunden stehen zur vollständigen Durchdringung der Flüssigkeit. Hiernach wird die gesamte Kondensatoreinheit durch Zulöten des Loches 26 hermetisch abgedichtet. Handelt es sich bei dem Imprägnierungsmittel um ein polymerisables Harz, so wird die gesamte Kondensatoranordnung anschliessend einer erhöhten Temperatur unterworfen, um auf diese Weise die Polymerisation und die Festigung dieses Materials zu bewerkstelligen.
Ausserdem können weitere Verfahren, welche in zyklischer Weise Druck und Temperaturen anwenden, für die Unterstützung der Imprägnierung genommen werden. Wärmeund Druckeinwirkung verbessern die Imprägnierbarkeit durch Änderung der relativen Benetzbarkeit, Viskosität und Lösbarkeit des Materials. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen der individuellen Komponenten der Anordnung, welche das Ergebnis der Wärme- und Druckeinwirkungen sein können, dient als weitere Kraft, um das Eindringen der Flüssigkeit in das feste Dielektrikum einzuleiten.
Besonders gute Ergebnisse wurden durch Einfügen eines Aufheizzyklus nach der Imprägnierung oder dem Abdichten erreicht, wodurch bessere Imprägnierungen und im wesentlichen vollständig imprägnierte dielektrische Anordnungen, insbesondere Kondensatoren, erlangt wurden. Zum Beispiel wurden die Wickelkondensatoren zuerst durch Hitzehärtung imprägniert und anschliessend evakuiert. Anschliessend wurden die Kondensatoren mit der dielektrischen Flüssigkeit aufgefüllt, bzw. die Kondensatoren wurden in diese Flüssigkeit eingetaucht, welche auf eine bestimmte Temperatur voraufgeheizt war, um auf diese Weise die Imprägnierung zu unterstützen. Nach der Imprägnierung werden die Kondensatoren abgedichtet und für eine längere Zeit einer erhöhten Temperatur unterworfen.
Eine bevorzugte Aufheizperiode gemäss der Erfindung ist als kontrollierte Aufheizperiode definiert und verwendet erhöhte Temperaturen im Gebiet von 65" bis 95 "C während Während einer Zeit von 4 bis 16 Stunden. Verfahrensänderungen, Druckanwendung sowie besondere Zusätze können die Zeitdauer kürzen. Die Wechselstromkondensatoren mit einem Dielektrikum aus Polypropylenfilmpapier und Pyranol 1499 als Flüssigkeit wurden in einem Temperaturbereich von 85" bis 95 "C aufgeheizt und zwar in der Zeit von 4 bis 16 Stunden. Es ergaben sich bei der Messung hohe konsistente Einsatzspannungen für die Korona-Entladung.
Die Temperaturen wurden so eingestellt dass eine teilweise Lösung des Polyolefins in der dielektrischen Flüssigkeit stattfand und das Imprägniermittel in dem Harz gelöst ist Hierdurch erhielt man eine komplette Imprägnierung.
Eine erhöhte Durchdringung des Polypropylenfilmes zum Beispiel kann durch die Tatsache erreicht werden, dass einige der amorphen undloder der Teile mit geringem Molekulargewicht der Polypropylene in der Flüssigkeit bei 85" bis 95 "C gelöst werden. Höhere und bessere konsistente Einsatzspannungen der Korona-Entladung wurden festgestellt, sobald die Kondensatoren diesem Imprägnierungsverfahren unterworfen worden sind.
Die Imprägnierung kann auch ferner durch Änderung der physikalischen Merkmale der einzelnen Komponenten im Dielektrikum verbessert werden. Insbesondere können Mischungen von dielektrischen Flüssigkeiten oder Zusätze in dem flüssigen Imprägniermittel vorhanden sein oder das feste dielektrische Material kann so bearbeitet werden, dass die Imprägnierbarkeit der gesamten Anordnung erreicht wird. Zum Beispiel kann das Pyranol 1475, welches als dielektrische Flüssigkeit vor allem Trichlorbenzine enthält, den Pyranol 1499 (dielektrische Flüssigkeit) in 25 Gewichtsprozent beigemischt werden. Andere dielektrische Flüssigkeiten, welche wirkungsvoll in der Mischung mit Pyranol Verwendung finden können, sind z. B. flüssige Minderalöle und Siliconöle.
Die imprägnierten Dielektrika der vorliegenden Erfindung weisen bedeutsame dielektrische Eigentümlichkeiten auf, welche sehr günstig sind für viele Anwendungsfälle in der Elektrotechnik, z. B. bei Kabeln oder Transformatoren oder Kondensatoren. Diese Eigentümlichkeiten sind im allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt. Es handelt sich hierbei um die verbesserte dielektrische Festigkeit, den geringen Leistungsverlust im Dielektrikum, sowie die hohe Einsatzspannung der Korona-Entladung. Die Imprägnierung ist also sehr wesentlich, da die Art und das Mass dieser Imprägnierung die im Dielektrikum erreichbare Einsatzspannung für die Korona-Entladungen zwangsläufig ergibt. Die verbesserte dielektrische Festigkeit ist von grosser Bedeutung, da sie verbesserte Dielektrika mit wesentlich kleineren räumlichen Ausmassen, bzw. Gewichten ergibt.
Der Energieverlust ist von grosser Bedeutung, da er sich sehr ungünstig auf den elektrischen Wirkungsgrad einer Schaltungsanordnung auswirken kann und auch physikalische Verschlechterungen in dem Material hervorrufen kann, wenn infolge des hohen Energieverlustes grosse Verlustwärme auftritt.
Solch verbesserte Dielektrika können in Wechselstromkondensatoren Verwendung finden, welche für Hochspannungsbeanspruchungen dimensioniert sind. Diese, eine sehr lange Lebensdauer aufweisenden Kondensatoren sind für eine Überspannungsbeanspruchung bis über 1200 Volt pro 0,025 mm des imprägnierten Dielektrikums. Die Einsatzspannung für die Korona-Entladung liegt zwischen 750 Volt und erreicht Werte bis über 300 Volt. Die Entwicklung der bisher bekannten Hochspannungskondensatoren war sehr stark eingeschränkt wegen der relativ kurzen Lebensdauer des Dielektrikums unter den hohen Spannungsbeanspruchungen.
Zum Beispiel arbeiteten die bisherigen Kondensatoren im allgemeinen bei Spannungsbeanspruchungen von weniger als 500 Volt und erreichen bei kurzer Lebensdauer Impulsspitzen von nur 750 Volt
Weitere Beispiele von Kondensatorteilen, welche das Dielektrikum der Erfindung aufweisen, sind in den Figuren 4 bis 8 gezeigt. Die Fig. 4 zeigt den Teil 29 des Kondensators.
Dieses wird als sogenanntes doppelt beschichtetes Dielektrikum bezeichnet. Teil 29 besteht aus dem imprägnierten Harzfilm 11, welcher zwischen den imprägnierten porösen blattförmigen Dielektrika 30 und 31 angeordnet ist. Hieran schliessen sich die blattförmigen Elektroden 15 und 16. Die Dielektrika 30 und 31 können aus bekanntem Papier, z. B.
Kraftpapier bestehen und können auch mit einem flüssigen Dielektrikum, z. B. gemäss der vorliegenden Erfindung getränkt sein. Wenn für das Papier der Ausdruck porös verwendet wird, so bedeutet das, dass eine grössere Anzahl von kontinuierlichen Durchgängen oder Poren in diesem rapier vorhanden sind. Durch diese kann das flüssige Imprägni- mittel von einer Fläche zur andern treten. Die Merkmale der Einsatzspannungen für Korona-Entladungen des imprägnierten Harzfilmes sind zum grössten Teil abhängig von der wirklichen Imprägnierung der Löcher in dem Film. Die Einsatzspannung der Korona-Entladung steigt bei dem voll beschichteten Dielektrikum gemäss Fig. 4 an, wenn die anschliessende Fläche ein solches Papier aufweist.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel 32, welches als umgekehrt beschichteter oder Sandwich-Typ eines Dielektrikums bezeichnet wird. Es enthält einen einzigen Streifen vom imprägnierten porösen-Material 30 oder 31. Dieser liegt zwischen den imprägnierten Harzfilmen 11 und 11'.
Der aus diesen Teilen bestehende dielektrische Abstandshalter liegt zwischen den beiden blattförmigen Elektroden 15 und 16. Ein ausgeführter Kondensator dieses Typs enthält einen einzigen Streifen 0,017 mm starken Kraftpapiers für das zwischen den 0,013 mm starken Polypropylenschichten liegenden Materials. Diese normalerweise sehr schwierig zu imprägnierende Anordnung wurde bei diesem Beispiel mühelos und leicht imprägniert und ergab einen Kondensator von 0,9 mf, sowie eine Einsatzspannung der Korona-Entladung von mehr als 2650 Volt effektive Wechselspannung.
Die Kombination von Polypropylen und Pyranol 1499 ergibt eine leichte Imprägnation in einem sehr straff aufgewikkelten Kondensator, wohingegen früher eine bessere und stärkere Imprägnation nur bei lose aufgewickelten Kondensatoren möglich war. Ein wesentlicher Vorteil in dieser Kombination liegt auch darin, dass das Polypropylen das Imprägniermittel vollkommen durchlässt, so dass auf diese Weise die Löcher in den schwer zugänglichen Gebieten erreicht werden können, was bisher nicht möglich war. Dies gilt besonders für die Teile, welche entlang oder in der Nähe der Elektroden und der Filmzwischenfläche liegen.
Das Dielektrikum 33 ist in der Fig. 6 ähnlich wie es in der Fig. 5 bereits beschrieben ist. Das Teil 33, welches als einseitig beschichtet bezeichnet wird, unterscheidet sich von der umgekehrt beschichteten Anordnung durch Fortlassen einer der imprägnierten Filme 11 oder 11'.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 7. Dieser dielektrische Abstandshalter 34 ist in seiner einschichtigen Konstruktion etwas geändert. Es enthält zwei angrenzende imprängierte Harzfilme 11 und 11' und eine imprägnierte poröse Schicht 30, welche sich hier anschliesst. Genau wie bei den früheren Ausführungsbeispielen liegt dieses Dielektrikum zwischen den Elektroden 15 und 16. Der Zweck der beiden angrenzenden Harzfilmen 11 und 11' liegt darin, dass dielektrische Fehler, welche infolge der Unvollkommenheit einer einzigen Schicht vorkommen können, vermieden werden. Benachbarte Filme tendieren dazu, irgend eine Unvollkommenheit in einer der Filmschichten abzuriegeln, wodurch die oben erwähnten Fehler vermieden werden.
Die Fig. 7 zeigt also ein Kondensatorelement, in welchem zwei benachbarte Filmschichten sehr gute Charakteristiken der Imprägnierung ergeben, welche wesentlich besser sind, als bei einem einzigen Film gleicher Dicke.
Die Fig. 8 zeigt den dielektrischen Abstaridshalter 35, welcher aus zwei benachbarten imprägnierten Harzfilmen 11 und 11' besteht. Dieser ist zwischen den beiden Elektroden 15 und 16 angeordnet. Die beiden benachbarten dünnen Filme 11 und 11' werden eher verwendet als eine einzige Schicht gleicher Dicke, aus den gleichen Gründen wie in Fig. 7 erwähnt. Ein weiteres bedeutsames Merkmal der Fig.
8 ist das Nichtvorhandensein einer porösen Schicht 30 oder 31 (Fig. 4), welche als imprägnierungsfördernde Schicht normalerweise dient
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 8 können eine Reihe geringfügiger Änderungen ohne weiteres vorgenommen werden. Zum Beispiel können metallisierte Filme an den Aussenflächen des Dielektrikums Verwendung finden, um so als Elektroden zu dienen, anstatt der Elektrodenschichten 15 und 16. In ähnlicher Weise können die Harzfilme entweder selbsttragende Schichten oder als Belag oder Schicht auf ein anderes Element des Kondensators aufgetragen werden, so wie eine Elektrodenschicht oder die po röse dielektrische Schicht.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 bis 8 liegt mindestens eine Fläche des Harzfilmes an einer relativ nichtporösen Fläche der Elektrode oder eines anderen Harzfilmes.
Es ist sehr wichtig, eine Harzfläche vollständig zu imprägnieren. Allerdings ist dieses sehr schwierig, wenn die Oberfläche des Harzfilmes an einer relativ nichtporösen Fläche anliegt. Letztere Schwierigkeit wird durch die vorliegende Erfindung behoben. Infolgedessen haben die Ausführungsbeispiele der Fig. 4 bis 8 relativ hohe Einsatzspannungen der Korona-Entladungen.
Um nun diese verbesserten Eigenarten der Dielektrika der vorliegenden Erfindung besser darzustellen, wurden mehrere Kondensatoren zusammengebaut und den norma len elektrischen Kondensatorversuchen unterworfen, wobei die Lebensdauer geprüft wurde und Vergleichsmessungen angestellt worden sind.
Bekanntlich haben synthetische Harze eine extrem hohe innewohnende dielektrische Festigkeit pro kleiner Flächeneinheit. Zum Beispiel hat der imprägnierte Polypropylenfilm eine dielektrische Festigkeit von über 1200 Volt pro 0,025 mm, obwohl die innewohnende dielektrische Festigkeit über 20 000 Volt pro 0,025 mm betragen kann. Ersteres ist basiert auf einer Fläche von 0,0645 cm2. Imprägniertes Papier besitzt eine allgemeine dielektrische Festigkeit von ungefähr 400 Volt pro 0,025 mm. Inwieweit die Verwendung der Dielektrika mit der höheren dielektrischen Festigkeit die Quanti tät des dielektrischen Materials, welches bei verschiedenen Typen innerhalb eines vorgegebenen Systems verlangt wird, beeinflusst, kann durch Vergleich der Versuchsergebnisse verschiedener ähnlich imprägnierter Dielektrika gezeigt werden. Diese Typen, welche Papier enthalten, z.
B. nur Papierschichten zwischen Elektroden, Papierpolypropylenschichten und nur einen Polypropylenfilm zwischen den Elektroden, sind in den Tabellen I und II aufgeführt.
Tabelle I Bezeich- Zusammensetzung Ge- Harz- Spannung samt- anteil nungsbe dicke ( /0 anspru (0,025 des chung mm) Ge- (V/0,025 mm) samt anteils) Papier dreimal 0,9 0 400
0,0076 mm Papier Voll- 0,0076 mm Polypropy- 0,9 33 670 Sandwich lenfilm zwischen zwei 0,0076 mm
Papierschichten Halb- 0,0114 mm Papier + 0,9 50 800 Sandwich 0,0114 mm Polypropy lenfilm Umge- 0,0076 mm Papier 0,9 67 930 kehrtes zwischen zwei Sandwich 0,0076 mm Polypro pylenfilmen Film 0,0229 mm Polypro- 0,9 100 1200 pylenfilm oder zwei 0,0114 mm
Polypropylenfilme
In der Tabelle list die Gesamtdicke des Dielektrikums mit 0,9 x 0,025 mm angegeben worden,
da einige der Schich- ten drei Dicken eines Films oder eines Papierstreifens aufweisen und da die minimale praktische Dicke für einen Film oder eine Papierschicht bei 0,3 > < x 0,025 0,025 mm liegt. Die in der Tabelle aufgeführten Spannungen zeigen die Vorteile an, welche auftreten bei Verwendung eines Polyolefinfilmes entweder als Ergänzung oder als Ersatz für die normalen Papierschichten. Die dort angegebenen Werte können nun bei verschiedenen Anordnungen durch das Mass und durch die Art der Imprägnierung sowie infolge der Gleichförmigkeit der dielektrischen Eigentümlichkeit in der betreffenden Anordnung beeinflusst werden. Die angegebenen Werte enthalten ein angenähertes Verhältnis der dielektrischen Konstanten des imprägnierten Polypropylens. Insbesondere wurde ein Verhältnis von 3 :1 gewählt.
Die Spannungsverteilung in dieser Anordnung entsprechend diesem Verhältnis der dielektrischen Konstanten ergibt eine Spannungsbeanspruchung auf den Schichten von ungefähr 1200 Volt pro 0,025 mm. Dieser Wert liegt im Bereich der dielektrischen Festigkeit des Polypropylens, unter Berücksichtigung einer sehr langen Lebensdauer.
Tabelle II Bezeich- Zusammensetzung Gesamte Span- Volume- Spannungsnung Dicke nungs- trischer beanspru (0,025 mm) fähigkeit Wirkungs- chung grad pf (V/0,025) (llf 25,4 mm3) Papier drei 0,025 mm 3,0 1200 0,14 400
Papierschichten Voll- 0,0152 mm Film 1,8 1200 0,22 670 Sandwich zwischen zwei
Papierschichten von 0,0152 mm Halb- 0,019-mm-Film 1,5 1200 0,26 800 Sandwich +0,01 9-mm-
Papierschicht Umgekehr- 0,0109 mm- 1,29 1200 0,29 930 tes Papierschicht Sandwich zwischen zwei
0,0109-mm-Filmen Film ein 0,025-mm-Film 1,0 1200 0,36 1200
In der Tabelle II sind die gleichen Dielektrika aufgeführt, um einer Gesamtspannung von 1200 Volt zu widerstehen.
Für die Berechnung wurde angenommen, dass die Stärken eines Filmes und eines Papierblattes in irgendeinem vorgegebenen zusammengesetzten Dielektrikum gleich ist. Eine weit wirkungsvollere Anordnung für eine Reihe von Anwendungsfällen liegt in der minimalen Papierstärke und in der Möglichkeit, zur Kompensation hierzu, dickere Filmschichten zu verwenden. Die Daten in der Tabelle II sind für den reduzierten Betrag des dielektrischen Materials und für den vermehrten Anteil des Harzmaterials bezeichnend. Die Tabelle gibt auch den volumetrischen Wirkungsgrad, bzw. den Füllungsgrad an bei Kondensatoren, die mit diesen Dielektrika ausgerüstet worden sind. Diese Werte sind in Microfarad pro 25,4 mm3 angegeben.
Es wurden Einheiten für 50 und 150 KVAR Blindleistung gebaut und im Dauerversuch untersucht Es ergab sich eine Lebensdauer von tausend Stunden. Diese Einheiten arbeiteten bei einer Spannungsbeanspruchung, deren Pegel in dem Spannungsstoss auf die Kunstharzkomponente des Dielektrikums ungefähr bei 1200 Volt pro 0,025 mm liegt. Die Form und Art sowie das Gewicht dieser Einheiten zeigen eindeutig, dass die Verbesserungen der Spannungsverhältnisse, wie sie in den Tabellen I und II gezeigt worden sind, auch in der Praxis ganz klar realisiert werden konnten.
Bei dem 50 KVAR-Kondensator besteht das Dielektrikum aus der umgekehrten Sandwich-Bauweise mit Polypropylenpapier, welches mit Pyranol 1499 getränkt worden ist, und einem Epoxymischungsstabilisator. Dieser Kondensator hat ein um 40% geringeres Volumen als die vorhergehenden Typen. Mit anderen Worten ist dieser etwas weniger als die Hälfte so gross wie die bisherigen Kondensatoren. Würde der 50 KVAR-Kondensator gleich gross gebaut wie z. B. die bisher bekannten 50 KVAR-Kondensatoren, so hätte der Kondensator gemäss der Erfindung einen wesentlich höheren, besseren Wirkungsgrad oder eine höhere Kapazität aufzuweisen. Der aus Papier bestehende Kondensator, der z. B.
die gleiche Art haben kann wie der 50 KVAR-Kondensator der Erfindung, besitzt nur eine Blindleistung von ungefähr 30 KVAR In entsprechender Weise ist auch bei dem Kondensator mit dem erfindungsgemässen Dielektrikum auf die sehr grosse Gewichtsersparnis hinzuweisen.
Vergleicht man einen 150 KVAR-Kondensator mit einem Dielektrikum aus Pyranol-Polypropylenpapier mit einem 100 KVAR-Kondensator, dessen Dielektrikum aus Pyranolpapier besteht, so stellt man fest, dass der erstere kleiner ist und pro KVAR 0,7 x 453 g Gewicht aufweist. Der zweite Kondensator hingegen, welcher einen typischen vorbekannten Kondensator darstellt, wiegt dagegen 1,29 x 453 g pro KVAR Blindleistung.
Bisher wurde davon geredet, dass bei den verbesserten, erfindungsgemässen Dielektrika die Gesamtgewichte und Gesamtvolumina der Kondensatoren entsprechend verringert werden können. Es ist auch ohne weiteres daran gedacht worden, dass infolge dieser verbesserten Dielektrika die Kondensatoren in ihren elektrischen Werten, wie z. B.
Blindleistung, gewaltig erhöht werden können, wesentlich so hoch wie es bisher noch nicht der Fall war.
Bei vielen Anwendungsfällen, wie z. B. Hochspannungskondensatoren ist es erforderlich, den Leistungsverlust in dem Dielektrikum soweit wie möglich zu verringern. Die imprägnierten Kunstharzdielektrika der vorliegenden Erfindung erfüllen in vorteilhafter Weise diese Erfordernisse. Der Leistungsverlustfaktor liegt im allgemeinen zwischen 0,05 und 0,15% der zugeordneten Spannung, selbst bei stark erhöhter Raumtemperatur. Diese Werte zeigen eine grosse Verbesserung durch die erfindungsgemässen Dielektrika, gegenüber den vorbekannten, wenn man bedenkt, dass bei den vorbekannten die Leistungsverlustfaktoren zwischen 0,2 bis 0,5 % der zugeordneten Spannung liegen. Wie bereits oben erwähnt, ist auch eine 40 /Oige Volumenreduzierung bei den Kondensatoren mit den verbesserten, erfindungsgemässen Dielektrika ohne weiteres möglich.
Im folgenden wird ein Versuch beschrieben, der als Beispiel für den reduzierten Energieverlust dienen soll. Ein Kondensator mit 50 KVAR Blindleistung, dessen Dielektrikum aus umgekehrt beschichteten Polypropylenschichten mit Pyranol 1499 getränkt besteht, wurde zu diesem Versuch genommen. Dieser Kondensator ist um 40 % kleiner als die Kondensatoren mit den bisher üblichen Dielektrika. Der
Betrag des Energieverlustes in diesem Kondensator wurde durch den dielektrischen Temperaturanstieg angezeigt (Be trag des Temperaturanstieges im Dielektrikum gegenüber der Umgebungstemperatur). Bei diesem Versuch wurde eine Temperaturerhöhung von 25 "C im erfindungsgemässen
Kondensator gemessen, wohingegen bei dem Kondensator, dessen Dielektrikum aus Papier besteht, 48 "C Temperaturer höhung gemessen worden war.
Ausserdem wurde nach einem 5000-Stunden-Dauerversuch bei 55 bis 70 "C der Lei stungsverlustfaktor des erfindungsgemässen Dielektrikums, welches umgekehrt beschichtet war, bei 0,05 /0 gemessen, während der Verlustfaktor des Kondensators, dessen Dielektrikum aus Papier bestand, mit 0,2 % gemessen wurde.
Zur Untersuchung der Leistungsstabilität oder des Leistungsverlustfaktors in einem Dielektrikum, welches mit Pyranol 1499 getränkt war und aus Polypropylen bestand, wurde eine Anzahl von Kondensatoren mit halbbeschichteten dielektrischen Abstandshaltern einer Versuchsreihe unterzogen. Diese Dielektrika bestanden aus benachbarten Schichten von 0,127 mm Polypropylen und 0,1 mm Kraftpapier. Diese waren mit Pyranol 1499 getränkt, welches 1 Gewichtsprozent 1 -Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan enthielt.
Diese Kondensatoren wurden Temperaturzyklen unterworfen und gealtert. Die in der folgenden Tabelle angegebenen Messerte des Verlustfaktors wurden bei der entsprechenden Kondensatorspannung, 460 Volt Wechselspannung, bei 60 Hz vorgenommen:
Tabelle III
Stunden Verlustfaktor o/0 250C 650C 85"C
0 0,143 0,113 0,119
519 0,120 0,091 0,096
1524 0,119 0,094 0,093
5008 0,113 0,084 0,090
Die Tabelle zeigt also die sehr hohe Stabilisierung des Leistungsfaktors in einem Temperaturbereich von 25 bis 85 "C und innerhalb von Orbis über 500SStunden-Betrieb.
Da die Imprängierung sehr bedeutungsvoll ist zur Verhütung der Bildung von Korona-Entladungen innerhalb eines festen Dielektrikums kommt den Merkmalen der Imprägnierung der dielektrischen Anordnung der vorliegenden Erfindung sehr grosse Bedeutung zu. Bei einigen Anwendungsfällen, wie z. B. bei Hochspannungsleistungskondensatoren, werden Einsatzspannungen für Korona-Entladungen von weit mehr als 2000 Volt verlangt. Obwohl viele physikalische Merkmale des Kunstharzes und der Imprägnierflüssigkeit bei der Bestimmung der Imprägnierbarkeit des gesamten Dielektrikums mit einbezogen werden können, wird die
Permeabilität des Kunstharzes zur Flüssigkeit auf die Lösbarkeit des Kunstharzes in der Flüssigkeit bezogen. Diese Beziehung wurde in einem Versuch demonstriert, in welchem Pyranol 1499 in einem Behälter aus nichtporösem Polypropylen-Kunstharz eingegeben worden war.
Anschliessend wurde dieses einer Temperatur von 75 "C ausgesetzt.
Die Durchdringung durch den Boden des Behälters wurde an einem mikroskopisch feinen Schlitz im Bodenteil des Be hälters beobachtet. Wenn die dielektrische Flüssigkeit diesen
Behälter durchdrungen hatte, bildete sich ein kleiner Auf strich an diesem mikroskopisch kleinen Schlitz. Dieser Ver such demonstrierte eindeutig, dass der Polypropylenfilm nicht von der Pyranol-1499-Flüssigkeit durchdrungen wird und zwar bei Raumtemperatur während vieler Stunden.. Eine
Durchdringung konnte aber nach nur wenigen Stunden beobachtet werden, wenn die Temperatur auf 75 "C und dar über anstieg.
Wenn die Temperaturimprägnierung mit Druck kombi niert, d. h. wenn z. B. Aussendruck oder ein Innendruck in folge Aufheizens verwendet wird, so ergibt sich eine voll ständige Imprägnierung, wie dies.durch die Einsatzspannun gen für die Korona-Entladung, die über 2500 Volt liegen, bewiesen wird. Dieser Vorgang ist sehr geeignet für schwierig zu imprägnierende Teile. In einem grossen und sehr straff gewickelten Kondensator mit einem Dielektrikum, welches an nichtporösem Material, wie z. B. Elektroden, anliegt, gestattet der Umfang der gesamten dielektrischen Anordnung nur eine begrenzte Zugänglichkeit der dielektrischen Flüssigkeit in das Dielektrikum selbst, so dass Druck und Temperatur gleichzeitig hier angewendet werden. Auf diese Weise wird eine optimale Imprägnierung erzielt.
Es ist bedeutsam dass sowohl in der Versuchsreihe mit dem Behälter als auch in der anderen Versuchsreihe mit der Kondensatorimprägnation die Wirkung der dielektrischen Flüssigkeit (in diesem Fall Pyranol 1499) auf den dielektrischen Film im wesentlichen unterschiedlich ist bei Raumtermperatur, als es bei Temperaturen von 75" bis 85 "C der Fall ist.
Zur Demonstration der sehr hohen Einsatzspannungen für Korona-Entladung in den Kondensatoren der Erfindung wurden drei 40 KVAR-Wickelkondensatoren mit umgekehrter Sandwich-Filmbauweise, deren Dielektrikum aus einer 0,076-mm-Papierschicht zwischen zwei 0,127 mm Polypropylenschichten besteht, mit Pyranol 1499 imprägniert, wobei letzteres einen geringen Betrag an Epoxystabilisierer enthielt. Diese Kondensatoren sind 26 cm breit und haben eine Einsatzspannung für die Korona-Entladung von 750 bis 1050 Volt Wechselspannung. Diese Einheiten wurden für mehrere Stunden auf 100 "C geheizt, so dass sich eine fast vollständige Imprägnierung ergab, welche durch die hohen Einsatzspannungen von über 3000 Volt für die Korona-Entladung angezeigt wurde.
Nach Prüfen der anderen elektrischen Merkmale der Kofidensatoren wurde die Einsatzspannung für Korona-Entladung, CSV genannt, noch einmal kontrolliert. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle IV wieder:
Tabelle IV Proben-Nr. Anfangs-CSV CSV nach Nachprüf
Hitzetränken CSV 1. 1050 > 3100 > 3100 2. 750 > 3050 > 3100 3. 950 > 3100 > 3100
Die besonders hohe CSV zeigt an, dass es sich hierbei um eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung han delt. Eine weitere Anzeige, dass eine vollständige Imprägnie rung erreicht worden ist, ist die, dass die gemessenen Werte der CSV sich dem Wert annähern, welcher aufgrund mathe matischer Berechnungen überhaupt erreichtbar ist.
Polypropylenpapier mit Pyranol 1499 getränkt ist sehr viel widerstandsfähiger gegenüber Korona-Zerstörungen als die herkömmlich imprägnierten Papierdielektrika. Insbeson dere wurden Prüfkondensatoren, wie sie z. B. in der Fig. 5 gezeigt sind, einer 300zeigen Überspannung für 30 Sekunden ausgesetzt. Man fand, dass diese nur eine relativ geringfü gige Korona-Zerstörung und sehr verbesserte Leistungsfak toren aufwiesen. Das Dielektrikum dieser Prüfkondensato ren enthielt Pyranol-1499-getränktes Polypropylenpapier. Be reits bekanntes Papier und andere Papier-Kunstharzkonden ,satoren wiesen bei gleicher Prüfung einen wesentlichen An stieg des Leistungsfaktors, sowie eine erhöhte Korona-Zer störung auf. Die Korona-Zerstörung wurde in beiden Fällen durch Demontage und visuelle Betrachtung der Dielektrika eingeschätzt.
Ausser den festen dielektrischen Materialien und der die lektrischen Imprägnierflüssigkeit können die Anordnungen der vorliegenden Erfindung auch mehrere andere Kompo nenten enthalten. Häufig ist es wünschenswert, eine Kompo nente als Stabilisator in der imprägnierten dielektrischen
Anordnung zu verwenden. Im allgemeinen hat der Stabilisa tor den Zweck, gewisse Verunreinigungen oder Fremdmaterialien, welche in der gesamten Anordnung vorhanden sind oder welche sich gebildet haben können, zu neutralisieren.
Solche Verunreinigungen können Katalytreste oder Katalyt Aktivatoren bzw. Neutralisatoren sein, welche von der kunstharzbildenden Reaktion übrigbleiben. Eine andere Quelle dieser Verunreinigungen kann Abbauprodukte einschliessen, welche durch umgebungs- bzw. spannungsinduzierte chemische Reaktionen in der Anordnung entstanden sind. Diese unerwünschten Verunreinigungen und Fremdprodukte haben einen schlechten Effekt auf den Verlust bzw.
den Leistungsfaktor des imprägnierten- dielektrischen Systems. Stabilisierende Mittel sind gefunden worden zur höchst wirkungsvollen Stabilisierung des Leistungsfaktors innerhalb des imprägnierten Kunstharzdielektrikums.
Beispiele dieser Stabilisierungsmittel sind Dipentendioxyd und 1-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan, welche in den US-Patentschriften 3 242401 und 3 342402 bereits beschrieben worden sind. Insbesondere wurde bei der erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeit l-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycy- clohexan mit im Bereich von 0,001 bis 8,0 Gewichtsprozenten liegenden Anteilen in den dielektrischen Flüssigkeiten verwendet. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 0,35 bis 1,0 Gewichtsprozent, wobei Polypropylenfilm und eine Pyranol-Flüssigkeit verwendet worden sind.
Insbesondere anorganisches Material, wie z. B. Aluminiumoxyd, kann als Stabilisierungsmittel Verwendung finden.
Die Wirksamkeit dieses Materials zur Korrektur der Verschlechterung des Leistungsfaktors und zur Verbesserung der Lebensdauer des Kondensators, wie auch die Verbesserung der Imprägnierbarkeit, ist in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 340 446 vollständig beschrieben worden.
Eine weitere Komponente, welche häufig in dem imprägnierten Dielektrikum der vorliegenden Erfindung Verwendung findet, ist ein poröses dielektrisches Material, welches als Schicht am Kunstharzfilm anliegt und als Docht infolge der kapillaren Wirkung wirkt, so dass die dielektrische Flüssigkeit in das Gebiet eindringen kann, welches von der Kontaktfläche zwischen dem porösen dielektrischen Material und dem festen dielektrischen Material gleich weit entfernt ist. In einem Dielektrikum mit Kunstharzfilm, welches eine grosse Oberfläche besitzt, ist mindestens eine solche imprägnierfördernde poröse Schicht von sehr grossem Vorteil.
Dies ist besonders wirkungsvoll bei grossen, sehr straff gewickelten Kondensatoren, bei welchen eine vollständige Imprägnierung bzw. extrem hohe Startspannungen für die Korona-Verluste (CSV) verlangt sind.
Als poröses Material wird vorzugsweise Kraft -Kondensatorpapier mit einer Stärke nicht grösser als 0,0254 mm und vorzugsweise bis zu 0,076 mm verwendet. Diese Papier besitzt eine dielektrische Festigkeit, welche im Vergleich zu anderen Dielektrika relativ gut ist, obwohl sie im wesentlichen kleiner ist als die der meisten festen Kunstharzmaterialien. Zusätzlich besitzt es eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante, welche die Spannungsverteilung in dem zusammengesetzten System unterstützt, so dass ein grösseres Spannungsverhältnis an dem Kunstharzmaterial mit der höheren dielektrischen Festigkeit untergebracht wird. Papiere aus synthetischem Kunstharz oder Glasfiber können ebenso als sogenannte Dochtelemente in der vorliegenden Erfindung Verwendung finden.
Die Wirkung der Änderung der physikalischen Charakteristiken der dielektrischen Flüssigkeit wurden durch Prüfungen gezeigt, in welchem die Kondensatoren ein Dielektrikum aufwiesen, welches aus zwei Schichten 0,071 mm Polypropylen besteht, und mit Epoxy-modifiziertem Pyranol 1499 getränkt ist Ähnliche Kondensatoren wurden mit einer Mischung zwischen der gleichen Flüssigkeit und einer anderen Flüssigkeit, Pyranol 1478, in einem Verhältnis von drei Teilen Pyranol 1499 auf ein Teil Pyranol 1478 getränkt. Dieses Imprägniermittel ist im Handel erhältlich und besteht vor allem aus Trichlorbenzin.
Während die Kondensatoren, welche mit Pyranol 1499 getränkt worden sind, CSV-Werte im Bereiche von 400 bis 1000 Volt Wechselspannung aufwiesen, hatten die Kondensatoren, welche mit der gemischten dielektrischen Flüssigkeit getränkt worden waren, CSV-Werte oberhalb von 1500 Volt Wechselspannung aufzuweisen. Dies ist ein eindeutiges Zeichen für die im wesentlichen verbesserte Imprägnierung.
Während diese Beschreibung beispielsweise Polypropylen als ein Polyolefin-Beispiel verwendete, kann die Erfindung aber auch mit- anderen Gliedern der Polyolefin-Familie praktisch ausgeführt werden. Insbesondere handelt es sich hierbei um Polyäthylene und 4-Methylpentene-1. Prüfungen ergaben, dass diese Materialien auch mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert werden können und zwar in der gleichen Weise wie Polypropylen, allerdings mit etwas unterschiedlichen Ergebnissen. Zum Beispiel wurde ein sehr dichter Polyäthylenfilm mit Pyranol getränkt und zwar in einem Verfahren, das ähnlich ist wie es bei Polypropylen bereits beschrieben worden ist. Die Imprägnierung bei Temperaturen im Bereich von 85 "C bis 100 "C während 16 Stunden ergab einen bemerkenswerten Anstieg der CSV der gesamten Anordnung.
Repräsentative Beispiele der Imprägnation mit anderen dielektrischen Flüssigkeiten wie diese vorhergehenden in Mischungen mit Pyranol, z. B. Mineralöl, Siliconöl und andere Pyranolflüssigkeiten, zeigen, dass diese Flüssigkeiten den gesamten oder den hauptsächlichen Teil des Imprägniermittels darstellen können. Andere Öle, welche für entsprechend eingeschränkte Anwendungsfälle benutzt werden können, enthalten auch Baumwollsaatöl.
Andere Kombinationen für besondere Anwendungsfälle können auch imprängiertes, kreuzweise verbundenes Polyäthylen oder auch Papiermaterialien sein, welche mit dem Polyolefin vorliegender Erfindung getränkt sind. Zum Beispiel kann das Papier mit einer Schmelze oder mit einer Lösung imprägniert sein, welche Polypropylen mit dem resultierenden Material enthält und mit dem Pyranol-Dielektrikum imprägniert ist.
Obwohl die vorliegende Beschreibung lediglich einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erklärt hat, sind eine Reihe von Modifikationen ohne weiteres möglich und liegen im Sinne dieser Erfindung.