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.
Capacitor and process for its manufacture
The invention relates to a capacitor with at least one polyolefin resin layer in the dielectric between electrodes arranged in a housing, which polyolefin resin layer is impregnated with a dielectric liquid, and a method for producing the capacitor, the strip-shaped electrodes of which are wound with the polyolefin resin layer and accommodated in the housing, which Housing is evacuated.
These are synthetic synthetic resin dielectrics, which have an extremely long service life and high dielectric strength. Following the current development trend, improvement of the electrical efficiency of electrical components and simultaneous miniaturization of the external dimensions, very high demands are placed on the dielectrics in particular. For example, alternating current capacitors with high dielectric strength and high starting or extinguishing voltages for corona discharges built into switchgear can greatly improve the efficiency of these systems.
It is therefore an object of the invention to provide an improved synthetic synthetic resin dielectric with very high dielectric strength and with large corona onset and extinction voltages while at the same time having a low power factor. Another aim of the invention is to ensure that the electrical components, for example a capacitor, are provided with this dielectric as a spacer and are reduced in terms of their spatial dimensions to a minimum while the electrical properties increase at the same time.
The capacitor of the invention is characterized in that the polyolefin is polypropylene which is at least approximately completely impregnated with a dielectric liquid, which dielectric liquid consists of a mixture containing chlorinated diphenyl.
The inventive method for its production is characterized in that the dielectric liquid is fed to the polypropylene under vacuum and exposed to a temperature of 65 to 100 "C, which temperature is maintained until at least approximately complete impregnation of the polypropylene and a Corona threshold voltage of more than 2000 volts AC voltage can be achieved, whereupon the temperature is lowered.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows an enlarged section of part of the essentially completely impregnated or saturated dielectric made of synthetic resin,
2 shows the perspective view of a wound capacitor,
3 shows the wound capacitor with housing,
4 shows the double-coated impregnated or soaked synthetic resin film of the dielectric spacer in the capacitor,
5 shows the impregnated or soaked films made of synthetic resin of the dielectric, which are coated in reverse,
6 shows the relatively heavily impregnated or saturated synthetic resin film of the dielectric in a single-coated structure,
7 shows a further single-coated dielectric consisting of several impregnated or soaked synthetic resin films lying next to one another, and FIG
Fig.
8 a dielectric, which consists only of impregnated or soaked synthetic resin films.
Fig. 1 shows the dielectric spacer 10, e.g. B. in a capacitor. This consists of a solid polyolefin resin 11 in which various recesses or openings 12 are present. As is well known, these openings are always present in synthetic resins.
This material is referred to as non-porous, even if there are some pores or holes in the side surfaces, which allow the movement of the pore-filling liquid through the opposite surface sides. The polyolefin resin is impregnated with a dielectric liquid. This penetrates the material of the resin and fills the above-mentioned recesses.
This creates a continuous and heterogeneous dielectric arrangement. Surprisingly, the impregnation leads to a kind of synergetic effect, as a result of which the dielectric strength of the combination increases. The electrical insulation values increase sharply and the impregnated material has a greater dielectric strength than air or gas in the recesses described above. Capacitors using other impregnated dielectrics have also been described in U.S. Patents 2,864,982 and 2,307,488.
There have been unexpectedly good results with the type of dielectric as shown in FIG. 1 for an AC capacitor for extremely high voltages.
Certain combinations of polyolefin materials and impregnating liquids are used in this dielectric. If, in addition to these polyolefins, other combinations are also described here, it is pointed out that the previously known combinations could not even remotely meet the requirements as they are required in complex electrical switching arrangements. The materials which have given the best results in accordance with the present invention are the synthetic resins known as polyolefins and particularly polypropylenes, polyethylenes, 4-methyl-pentene-1 and polystyrenes.
The generally excellent characteristics of polyolefins are their electrical properties as normal dielectrics (unlike capacitor components), good temperature stability, and easy processing and shaping, especially in thin layers. These excellent features have been found in various applications.
Use as a dielectric, e.g. B. in capacitors, however, is limited because of the very low dielectric strength and because of the low corona threshold voltage and because of the relatively short life under high voltage loads. However, the dielectric strength is of great importance and it is a measure of the material constant with respect to the high voltage stresses, e.g. B. Voltage difference along a dimensioned thick unit. CSV denotes the threshold voltage and CEV denotes the extinction voltage of the corona discharges. Other problems related to impregnation, as well as the degree of impregnation and the compatibility of the individual impregnation parts, prevented those skilled in the art from considering an impregnation method for improving the electrical characteristics of the polyolefin resin.
The polyolefins and especially the polypropylenes can be impregnated with halogenated aromatic liquids in an unexpectedly good manner. A preferred material of the polyolefins is polypropylene resin, particularly an isotactic, biaxially oriented polypropylene film and a complete description of one. An example of this can be found in the journal Angewandte Kunststoffe from November 1961, pages 35 to 64, and in Modern Dielectric Materials by J. B. Beck, London, Heywood and Co., 1960, pages 140-142.
The polyolefin material can be referred to as a linear, polymeric regular from the beginning to the end of the chain of unsaturated hydrocarbons of the formula CH2 = CHR, e.g. B. alpha olefins, where R is a saturated aliphatic, alicyclic or an aromatic radical and the copolymers of the unsaturated hydrocarbons are copolymerizable with at least one other monomer. This polyolefin can also be referred to as non-porous since there are generally no continuous passages through which the preferred liquid impregnant of the invention would pass under the operating conditions well known for capacitors.
A preferred impregnating agent is a halogenated organic material which generally consists of a mixture of 1 to 5 halogen substituents such as chlorine and 1 to 3 aryl groups. Most particularly, a preferred impregnant is trichlorodiphenyl, which is commercially available as Pyranol 1499 (trademark of the General Electric Company). This material has a very high threshold and extinction voltage of the corona discharge.
The best results have been obtained when the Pyranol 1499 dielectric fluid is combined with a non-porous polypropylene film. These materials were considered incompatible and were therefore not used for dielectrics, since the polypropylene is easily dissolved by halogenated organic substances such as. B. the Pyranol-1499 liquid. In addition, it cannot be wetted with this liquid either. The dissolving of the polypropylene in a non-polar liquid leads to plasticizing effects as well as floating and low mechanical stresses. It was found that, with the exception of very high temperatures above 100 "C, polypropylene is only soluble to a certain extent in halogenated aromatic materials.
It was also found that, surprisingly, the partial solubility had no adverse effect on the characteristics of the capacitors.
This partial solubility of the polypropylene film in trichlorodiphenyl at controlled temperatures of less than 100 "C is a significant feature of this preferred combination. The partial solubility which occurs after initial penetration of the film aids the migration of the impregnation liquid into the film and thus into the gaps This favorable behavior of the impregnation can be proven because of the extremely high threshold voltage for the corona discharge resulting from this, which is true even in the absence of a wick or a porous layer on both sides of the film.
Electrical tests which have been carried out on polypropylene films impregnated with pyranol clearly showed a very close relationship between the type and degree of impregnation and the threshold voltage of the corona discharge; Furthermore, it was found that complete impregnation is extremely important. The combination of polypropylene and pyranol is a type of impregnation which is referred to in the present specification as an essentially complete impregnation.
If the recesses or holes in the material are essentially filled with the impregnation liquid and the impregnation process includes adsorption of the liquid by the material and partial dissolution of the material in the liquid, this process is referred to as complete impregnation. Tests with special resins at different degrees of impregnation resulted in very high and consistent corona discharge voltages (CSV), which were close to the measured or calculated values. Furthermore, these tests showed maximum voltages in arrangements where the impregnation process was extended. or has been supported in some other way for complete impregnation. Such a method is e.g.
B. the complete impregnation as a result of immersing the polypropylene film in Pyranol 1499 at a temperature of over 90 "C. Relatively stable conditions were dissolved in about 1 percent by weight of polypropylene in pyranol and about 11 percent by weight of pyranol was absorbed by the polypropylene. The type and also the measure the impregnation can therefore be measured using the CSV.
If these values reach a maximum, they indicate complete impregnation.
The preferred polypropylene films generally contain isotactic polypropylenes. This is a stereoregular crystalline material with a high molecular weight which, in addition to the predominantly present crystalline phase, contains an amorphous or non-crystalline phase. For example, for some commercially available isotactic polypropylenes, the amorphous phase is 30% of the total resin.
Films can be formed from these resins for the purposes of the invention. You can do this e.g. B. by rolling, drawing, pressing, injection molding or melt casting. In order to improve the mechanical properties of these synthetic resin films, it is common practice to bring them into certain shapes by means of stretch drawing with the simultaneous application of heat. This stretch drawing is done in vertical directions, e.g. B. in the longitudinal direction and transverse direction of the film, so that there is a biaxial orientation of the film. Films can of course also be uniaxially oriented, or biaxially oriented and balanced.
Polyolefin films, particularly polypropylene films, should have very little, if any, residual soiling which has a high power factor, e.g. B. the amount of power required in a given material, the entire arrangement. Contaminants can also be foreign materials, which can result from the film production process or from catalysts.
These impurities can be removed by dissolving the polyolefin appropriately. The impurities can also be removed by precipitation or adsorption. Particularly good results were obtained when the commercially available polypropylene resin Profax 6520F (Hercules Powder Co.) and the Shell 5500F (Shell Oil Co.) were used.
The capacitors of FIGS. 2 and 3 can of course have a basic configuration similar to that used in known capacitors. 2 shows a wound capacitor 14 with separate sheet electrodes 15 and 16 and interposed dielectric spacers 17 and 18. The end clamps 19 and 20 have enlarged surfaces 21 and 22 (not shown) for better contact with the electrodes. The electrodes 15 and 16 may contain one or more different materials, e.g. B. those metals which contain aluminum, copper and tantalum. The dielectric spacers 17 and 18 generally consist of a so-called sandwich structure which contains at least one impregnated synthetic resin layer 11 according to the present invention. In more detail, the dielectric 17 and the electrodes 15, 16 result in the capacitor.
FIG. 3 shows an assembled capacitor 23 in which the wound capacitor of FIG. 2 is embedded. The container 24 is hermetically sealed with a lid 25. The latter contains a small filling hole 26 for the dielectric liquid. In addition, the terminals 27, 28 are provided. Within the container 24, the clamps 27, 28 are connected to the end points 19, 20, as has already been shown in FIG. Although not specifically shown, the unit 23 of Figure 3 also contains a dielectric liquid. This is present in the remaining space within the container 24, which is not occupied by the condenser itself. This liquid also impregnates the dielectric spacers 17 and 18 of FIG. 2.
In a general impregnation process, as e.g. As described in the aforementioned US patents, the capacitors are usually vacuum dried so that the residual moisture is removed therefrom. The adjustable drying temperature depends on the duration of the individual drying. It is usually in the range of 60 to 150 "C. If the drying temperature is too low, the drying time will be extended excessively, while too high a drying temperature could cause the decomposition of a paper layer of the dielectric spacer to the outside, during the drying process.
The impregnation liquid is preferably introduced into the capacitor housing during the time when the entire capacitor arrangement is still in a vacuum. Normally enough liquid is added to the housing until the condenser is submerged in the liquid. The pressure inside the container then rises to atmospheric pressure and the entire assembly stands for a number of hours to allow the liquid to completely permeate. The entire capacitor unit is then hermetically sealed by soldering the hole 26. If the impregnating agent is a polymerizable resin, the entire capacitor arrangement is then subjected to an elevated temperature in order to effect the polymerization and the consolidation of this material in this way.
In addition, other processes that use pressure and temperature in a cyclical manner can be used to support the impregnation. The effects of heat and pressure improve the impregnability by changing the relative wettability, viscosity and solubility of the material. The expansion and contraction of the individual components of the assembly, which may be the result of the effects of heat and pressure, serve as a further force to initiate the penetration of the liquid into the solid dielectric.
Particularly good results have been achieved by inserting a heating cycle after the impregnation or the sealing, as a result of which better impregnations and essentially completely impregnated dielectric arrangements, in particular capacitors, were achieved. For example, the wound capacitors were first impregnated by heat curing and then evacuated. The capacitors were then filled with the dielectric liquid, or the capacitors were immersed in this liquid, which was preheated to a certain temperature in order to support the impregnation in this way. After the impregnation, the capacitors are sealed and subjected to an elevated temperature for a longer period of time.
A preferred heating period according to the invention is defined as a controlled heating period and uses elevated temperatures in the range of 65 "to 95" C during a period of 4 to 16 hours. Process changes, the application of pressure and special additives can shorten the time. The AC capacitors with a dielectric made of polypropylene film paper and Pyranol 1499 as a liquid were heated in a temperature range from 85 "to 95" C and in a time from 4 to 16 hours. The measurement showed high, consistent threshold voltages for the corona discharge.
The temperatures were set so that a partial solution of the polyolefin in the dielectric liquid took place and the impregnating agent was dissolved in the resin. This resulted in a complete impregnation.
For example, increased penetration of the polypropylene film can be achieved by the fact that some of the amorphous and / or low molecular weight parts of the polypropylenes are dissolved in the liquid at 85 "to 95" C. Higher and better consistent onset voltages of the corona discharge were found once the capacitors were subjected to this impregnation process.
The impregnation can also be improved by changing the physical characteristics of the individual components in the dielectric. In particular, mixtures of dielectric liquids or additives can be present in the liquid impregnating agent, or the solid dielectric material can be processed in such a way that the entire arrangement can be impregnated. For example, Pyranol 1475, which mainly contains trichlorobenzine as the dielectric liquid, can be mixed into Pyranol 1499 (dielectric liquid) in 25 percent by weight. Other dielectric liquids which can be used effectively in admixture with pyranol are e.g. B. liquid minor oils and silicone oils.
The impregnated dielectrics of the present invention have significant dielectric properties which are very beneficial for many electrical engineering applications, e.g. B. in cables or transformers or capacitors. These characteristics are generally divided into three categories. These are the improved dielectric strength, the low power loss in the dielectric, and the high threshold voltage of the corona discharge. The impregnation is therefore very important, since the type and degree of this impregnation inevitably results in the threshold voltage that can be achieved in the dielectric for the corona discharges. The improved dielectric strength is of great importance, since it results in improved dielectrics with significantly smaller spatial dimensions or weights.
The energy loss is of great importance, since it can have a very unfavorable effect on the electrical efficiency of a circuit arrangement and can also cause physical deterioration in the material if large heat losses occur as a result of the high energy loss.
Such improved dielectrics can be used in AC capacitors which are dimensioned for high voltage loads. These capacitors, which have a very long service life, are suitable for overvoltage loads of up to over 1200 volts per 0.025 mm of the impregnated dielectric. The threshold voltage for the corona discharge is between 750 volts and reaches values of over 300 volts. The development of the high-voltage capacitors known up to now was very limited because of the relatively short life of the dielectric under the high voltage loads.
For example, the previous capacitors generally worked at voltage loads of less than 500 volts and achieved pulse peaks of only 750 volts with a short service life
Further examples of capacitor parts which have the dielectric of the invention are shown in FIGS. 4 to 8. Fig. 4 shows part 29 of the capacitor.
This is called a so-called double-coated dielectric. Part 29 consists of the impregnated resin film 11 sandwiched between the impregnated porous sheet-like dielectrics 30 and 31. This is followed by the sheet-shaped electrodes 15 and 16. The dielectrics 30 and 31 can be made of known paper, e.g. B.
Kraft paper exist and can also be coated with a liquid dielectric, e.g. B. be soaked according to the present invention. When the term porous is used for paper, it means that there are a greater number of continuous passages or pores in this rapier. The liquid impregnant can pass through this from one surface to the other. The characteristics of the threshold voltages for corona discharges of the impregnated resin film depend for the most part on the actual impregnation of the holes in the film. The threshold voltage of the corona discharge rises in the case of the fully coated dielectric according to FIG. 4 if the adjoining surface has such a paper.
Fig. 5 shows an embodiment 32 which is referred to as an inverted coated or sandwich type of dielectric. It contains a single strip of the impregnated porous material 30 or 31. This lies between the impregnated resin films 11 and 11 '.
The dielectric spacer consisting of these parts lies between the two sheet-shaped electrodes 15 and 16. An implemented capacitor of this type contains a single strip 0.017 mm thick Kraft paper for the material lying between the 0.013 mm thick polypropylene layers. This arrangement, which is normally very difficult to impregnate, was effortlessly and easily impregnated in this example and resulted in a capacitor of 0.9 mf, as well as a corona discharge threshold voltage of more than 2650 volts effective AC voltage.
The combination of polypropylene and Pyranol 1499 results in a slight impregnation in a very tightly wound capacitor, whereas in the past better and stronger impregnation was only possible with loosely wound capacitors. A major advantage of this combination is that the polypropylene allows the impregnating agent to pass through completely, so that in this way the holes in the areas that are difficult to access can be reached, which was previously not possible. This is especially true of the parts that lie along or near the electrodes and the film interface.
The dielectric 33 in FIG. 6 is similar to that already described in FIG. 5. The part 33, which is referred to as being coated on one side, differs from the reverse-coated arrangement in that one of the impregnated films 11 or 11 'is omitted.
A further embodiment is shown in FIG. 7. This dielectric spacer 34 is slightly changed in its single-layer construction. It contains two adjoining impregnated resin films 11 and 11 'and an impregnated porous layer 30, which adjoins here. Just as in the previous embodiments, this dielectric lies between the electrodes 15 and 16. The purpose of the two adjacent resin films 11 and 11 'is to avoid dielectric defects which can occur as a result of the imperfection of a single layer. Adjacent films tend to seal off any imperfection in one of the film layers, thereby avoiding the above mentioned defects.
7 shows a capacitor element in which two adjacent film layers give very good impregnation characteristics which are significantly better than with a single film of the same thickness.
Fig. 8 shows the spacer dielectric holder 35 which is composed of two adjacent impregnated resin films 11 and 11 '. This is arranged between the two electrodes 15 and 16. The two adjacent thin films 11 and 11 'are used rather than a single layer of the same thickness for the same reasons as mentioned in FIG. Another significant feature of Fig.
8 is the absence of a porous layer 30 or 31 (FIG. 4), which normally serves as an impregnation-promoting layer
A number of slight changes can readily be made in the embodiments of FIGS. 4 through 8. For example, metallized films can be used on the outer surfaces of the dielectric to act as electrodes instead of the electrode layers 15 and 16. Similarly, the resin films can be either self-supporting layers or applied as a covering or layer to another element of the capacitor, such as an electrode layer or the porous dielectric layer.
In the embodiments of Figures 5 to 8, at least one surface of the resin film abuts a relatively non-porous surface of the electrode or other resin film.
It is very important to fully impregnate a resin surface. However, this is very difficult when the surface of the resin film is in contact with a relatively non-porous surface. The latter difficulty is overcome by the present invention. As a result, the exemplary embodiments in FIGS. 4 to 8 have relatively high threshold voltages for the corona discharges.
Now, in order to better illustrate these improved characteristics of the dielectrics of the present invention, several capacitors were assembled and subjected to the normal electrical capacitor tests, the life was checked and comparative measurements were made.
It is known that synthetic resins have extremely high inherent dielectric strength per small unit area. For example, the impregnated polypropylene film has a dielectric strength in excess of 1200 volts per 0.025 mm, although the inherent dielectric strength can be in excess of 20,000 volts per 0.025 mm. The former is based on an area of 0.0645 cm2. Impregnated paper has a general dielectric strength of about 400 volts per 0.025 mm. The extent to which the use of dielectrics with the higher dielectric strength influences the quantity of dielectric material required for different types within a given system can be shown by comparing the test results of different similarly impregnated dielectrics. These types, which contain paper, e.g.
B. only paper layers between electrodes, paper polypropylene layers and only a polypropylene film between the electrodes are listed in Tables I and II.
Table I designation- Composition Ge Resin- Tension total proportion of the thickness (/ 0 demands (0.025 des chung mm) Ge (V / 0.025 mm) total proportion) paper three times 0.9 0 400
0.0076 mm paper full 0.0076 mm polypropylene 0.9 33 670 sandwich film between two 0.0076 mm
Layers of paper half-0.0114 mm paper + 0.9 50 800 sandwich 0.0114 mm polypropylene film reverse 0.0076 mm paper 0.9 67 930 reversed between two sandwich 0.0076 mm polypropylene films film 0.0229 mm polypropylene film 0.9 100 1200 pylene film or two 0.0114 mm
Polypropylene films
In the table list the total thickness of the dielectric was given as 0.9 x 0.025 mm,
since some of the layers have three thicknesses of a film or a paper strip, and since the minimum practical thickness for a film or a paper layer is 0.3 x 0.025 0.025 mm. The voltages listed in the table indicate the advantages that occur when using a polyolefin film either as a supplement or as a replacement for the normal paper layers. The values given there can now be influenced in different arrangements by the degree and type of impregnation and as a result of the uniformity of the dielectric peculiarities in the arrangement in question. The values given contain an approximate ratio of the dielectric constants of the impregnated polypropylene. In particular, a ratio of 3: 1 was chosen.
The voltage distribution in this arrangement corresponding to this ratio of the dielectric constants results in a voltage stress on the layers of approximately 1200 volts per 0.025 mm. This value is in the range of the dielectric strength of polypropylene, taking into account a very long service life.
Table II Designation Composition Total Chip Volume Tension Thickness Thermal stress (0.025 mm) ability Efficiency degree pf (V / 0.025) (llf 25.4 mm3) paper three 0.025 mm 3.0 1200 0.14 400
Layers of paper full 0.0152 mm film 1.8 1200 0.22 670 sandwiched between two
Paper layers of 0.0152 mm half-0.019 mm film 1.5 1200 0.26 800 sandwich +0.01 9 mm-
Paper layer reverse - 0.0109 mm- 1.29 1200 0.29 930 th paper layer sandwich between two
0.0109mm film one 0.025mm film 1.0 1200 0.36 1200
Table II lists the same dielectrics to withstand a total voltage of 1200 volts.
The calculation assumed that the thicknesses of a film and a sheet of paper in any given composite dielectric are the same. A far more effective arrangement for a number of applications is the minimum paper thickness and the ability to use thicker layers of film to compensate for this. The data in Table II is indicative of the reduced amount of dielectric material and the increased amount of resin material. The table also gives the volumetric efficiency or the degree of filling for capacitors that have been equipped with these dielectrics. These values are given in microfarads per 25.4 mm3.
Units for 50 and 150 KVAR reactive power were built and tested in endurance tests. The result was a service life of a thousand hours. These units operated at a voltage stress whose level in the surge on the resin component of the dielectric is approximately 1200 volts per 0.025 mm. The shape and type as well as the weight of these units clearly show that the improvements in the voltage ratios, as shown in Tables I and II, could also be clearly achieved in practice.
The dielectric of the 50 KVAR capacitor consists of an inverted sandwich construction with polypropylene paper, which has been soaked with Pyranol 1499, and an epoxy mixture stabilizer. This capacitor has a volume 40% less than the previous types. In other words, it is a little less than half the size of the previous capacitors. If the 50 KVAR capacitor were built the same size as z. B. the previously known 50 KVAR capacitors, the capacitor according to the invention would have a significantly higher, better efficiency or a higher capacity. The existing paper capacitor, the z. B.
can be of the same type as the 50 KVAR capacitor of the invention, has only a reactive power of approximately 30 KVAR. In a corresponding manner, reference should also be made to the very large weight saving for the capacitor with the dielectric according to the invention.
If one compares a 150 KVAR capacitor with a dielectric made of pyranol polypropylene paper with a 100 KVAR capacitor with a dielectric made of pyranol paper, one finds that the former is smaller and weighs 0.7 x 453 g per KVAR. The second capacitor, on the other hand, which is a typical known capacitor, weighs 1.29 x 453 g per KVAR of reactive power.
Up to now it has been said that in the case of the improved dielectrics according to the invention, the total weights and total volumes of the capacitors can be reduced accordingly. It has also readily been considered that as a result of these improved dielectrics, the capacitors in their electrical values, such as e.g. B.
Reactive power can be increased tremendously, much as high as it has not been the case before.
In many applications, such as B. high-voltage capacitors, it is necessary to reduce the power loss in the dielectric as much as possible. The impregnated resin dielectrics of the present invention advantageously meet these requirements. The power loss factor is generally between 0.05 and 0.15% of the assigned voltage, even at a greatly increased room temperature. These values show a great improvement as a result of the dielectrics according to the invention, compared to the previously known ones, if one considers that in the previously known dielectrics the power loss factors are between 0.2 to 0.5% of the assigned voltage. As already mentioned above, a 40% volume reduction in the capacitors is also easily possible with the improved dielectrics according to the invention.
An experiment is described below which is intended to serve as an example of the reduced energy loss. A capacitor with 50 KVAR reactive power, the dielectric of which consists of reverse-coated polypropylene layers impregnated with Pyranol 1499, was used for this experiment. This capacitor is 40% smaller than the capacitors with the usual dielectrics. Of the
The amount of energy loss in this capacitor was indicated by the dielectric temperature rise (Be the amount of the temperature rise in the dielectric compared to the ambient temperature). In this experiment, a temperature increase of 25 "C in the inventive
Capacitor measured, whereas the capacitor, whose dielectric is made of paper, had a temperature increase of 48 "C measured.
In addition, after a 5000 hour long-term test at 55 to 70 "C, the power loss factor of the dielectric according to the invention, which was coated in reverse, was measured at 0.05 / 0, while the loss factor of the capacitor, whose dielectric was made of paper, was 0, 2% was measured.
To investigate the power stability or the power loss factor in a dielectric which was impregnated with Pyranol 1499 and consisted of polypropylene, a number of capacitors with semi-coated dielectric spacers were subjected to a series of tests. These dielectrics were made up of adjacent layers of 0.127 mm polypropylene and 0.1 mm kraft paper. These were impregnated with Pyranol 1499, which contained 1 percent by weight of 1-epoxyethyl-3,4-epoxycyclohexane.
These capacitors were temperature cycled and aged. The measured values of the loss factor given in the following table were made with the corresponding capacitor voltage, 460 volts alternating voltage, at 60 Hz:
Table III
Hour dissipation factor 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
The table shows the very high stabilization of the power factor in a temperature range of 25 to 85 "C and within Orbis over 500S hours of operation.
Since the impregnation is very important in preventing the formation of corona discharges within a solid dielectric, the features of the impregnation of the dielectric structure of the present invention are very important. In some applications, such as B. in high-voltage power capacitors, threshold voltages for corona discharges of far more than 2000 volts are required. Although many physical characteristics of the resin and the impregnating liquid can be taken into account in determining the impregnability of the entire dielectric, the
Permeability of the synthetic resin to the liquid related to the solubility of the synthetic resin in the liquid. This relationship was demonstrated in an experiment in which Pyranol 1499 was placed in a container made of non-porous polypropylene resin.
This was then exposed to a temperature of 75 "C.
Penetration through the bottom of the container was observed through a microscopic slit in the bottom of the container. If the dielectric fluid is this
After it had penetrated the container, a small smear formed on this microscopic slit. This experiment clearly demonstrated that the polypropylene film is not penetrated by the Pyranol-1499 liquid and that at room temperature for many hours .. One
However, penetration could be observed after only a few hours when the temperature rose to 75 "C and above.
If the temperature impregnation is combined with pressure, i. H. if z. B. external pressure or an internal pressure is used as a result of heating, the result is a complete impregnation, as this is proven by the application voltages for the corona discharge, which are above 2500 volts. This process is very suitable for parts that are difficult to impregnate. In a large and very tightly wound capacitor with a dielectric, which is attached to non-porous material, such as. B. electrodes, the scope of the entire dielectric arrangement allows only limited accessibility of the dielectric liquid in the dielectric itself, so that pressure and temperature are applied here simultaneously. In this way an optimal impregnation is achieved.
It is significant that both in the test series with the container and in the other test series with the capacitor impregnation the effect of the dielectric liquid (in this case Pyranol 1499) on the dielectric film is essentially different at room temperature than it is at temperatures of 75 " up to 85 "C is the case.
To demonstrate the very high threshold voltages for corona discharge in the capacitors of the invention, three 40 KVAR wound capacitors with an inverted sandwich film design, the dielectric of which consists of a 0.076 mm paper layer between two 0.127 mm polypropylene layers, were impregnated with Pyranol 1499, the latter contained a small amount of epoxy stabilizer. These capacitors are 26 cm wide and have a threshold voltage for corona discharge of 750 to 1050 volts AC. These units were heated to 100 ° C. for several hours, so that almost complete impregnation resulted, which was indicated by the high threshold voltages of over 3000 volts for the corona discharge.
After checking the other electrical characteristics of the cofidensers, the threshold voltage for corona discharge, called CSV, was checked again. The results can be found in the following table IV:
Table IV Sample No. Initial CSV CSV after verification
Hot drinks CSV 1. 1050> 3100> 3100 2. 750> 3050> 3100 3. 950> 3100> 3100
The particularly high CSV indicates that this is essentially complete impregnation. Another indication that complete impregnation has been achieved is that the measured values of the CSV are approaching the value that can be achieved at all based on mathematical calculations.
Polypropylene paper impregnated with Pyranol 1499 is much more resistant to corona damage than conventionally impregnated paper dielectrics. In particular, test capacitors as they were z. For example, as shown in Fig. 5, exposed to an overvoltage of 30 seconds. It was found that these had only relatively minor corona destruction and very improved performance factors. The dielectric of these Prüfkondensato ren contained pyranol-1499-soaked polypropylene paper. Already known paper and other paper-synthetic resin capacitors showed a significant increase in the power factor in the same test, as well as increased corona destruction. Corona destruction was assessed in both cases by dismantling and visual inspection of the dielectrics.
In addition to the solid dielectric materials and the electrical impregnation fluid, the assemblies of the present invention can contain several other components. It is often desirable to use a component as a stabilizer in the impregnated dielectric
Arrangement to use. In general, the purpose of the stabilizer is to neutralize certain impurities or foreign materials which are present in the entire arrangement or which may have formed.
Such impurities can be catalyst residues or catalyst activators or neutralizers, which remain from the synthetic resin-forming reaction. Another source of these contaminants can include degradation products that have arisen in the assembly as a result of environmental or stress-induced chemical reactions. These undesirable impurities and foreign products have a bad effect on the loss or
the power factor of the impregnated dielectric system. Stabilizing agents have been found to be most effective in stabilizing the power factor within the impregnated resin dielectric.
Examples of these stabilizing agents are dipentenedioxide and 1-epoxyethyl-3,4-epoxycyclohexane, which have already been described in US Patents 3,242,401 and 3,342,402. In particular, 1-epoxyethyl-3,4-epoxycyclohexane was used in the dielectric liquids with proportions in the range from 0.001 to 8.0 percent by weight in the dielectric liquid according to the invention. The preferred range is 0.35 to 1.0 weight percent using polypropylene film and a pyranol liquid.
In particular, inorganic material, such as. B. aluminum oxide can be used as a stabilizer.
The effectiveness of this material in correcting the deterioration in the power factor and in improving the life of the capacitor, as well as improving the impregnability, is fully described in US Pat. No. 3,340,446.
Another component which is frequently used in the impregnated dielectric of the present invention is a porous dielectric material which is applied as a layer to the synthetic resin film and acts as a wick due to the capillary action, so that the dielectric liquid can penetrate into the area which is covered by the contact area between the porous dielectric material and the solid dielectric material is equidistant. In a dielectric with synthetic resin film, which has a large surface, at least one such impregnation-promoting porous layer is of great advantage.
This is particularly effective with large, very tightly wound capacitors, which require complete impregnation or extremely high starting voltages for corona losses (CSV).
Kraft capacitor paper with a thickness of no greater than 0.0254 mm and preferably up to 0.076 mm is preferably used as the porous material. This paper has a dielectric strength which is relatively good compared to other dielectrics, although it is substantially smaller than that of most solid synthetic resin materials. In addition, it has a relatively high dielectric constant, which assists stress distribution in the composite system, so that a larger stress ratio is accommodated on the synthetic resin material having the higher dielectric strength. Papers made of synthetic resin or fiberglass can also be used as so-called wick elements in the present invention.
The effect of changing the physical characteristics of the dielectric fluid was demonstrated by tests in which the capacitors had a dielectric consisting of two layers of 0.071 mm polypropylene and impregnated with epoxy-modified pyranol 1499. Similar capacitors were made with a mixture between the same Liquid and another liquid, Pyranol 1478, soaked in a ratio of three parts Pyranol 1499 to one part Pyranol 1478. This impregnating agent is commercially available and consists mainly of trichloro benzine.
While the capacitors which had been soaked with Pyranol 1499 had CSV values in the range from 400 to 1000 volts alternating voltage, the capacitors which had been soaked with the mixed dielectric liquid had CSV values above 1500 volts alternating voltage. This is a clear indication of the substantially improved impregnation.
For example, while this description used polypropylene as an example of a polyolefin, the invention can be practiced with other members of the polyolefin family. In particular, these are polyethylene and 4-methylpentene-1. Tests have shown that these materials can also be impregnated with a dielectric liquid in the same way as polypropylene, but with slightly different results. For example, a very dense polyethylene film was impregnated with pyranol in a process similar to that described for polypropylene. Impregnation at temperatures in the range of 85 "C to 100" C for 16 hours resulted in a remarkable increase in the CSV of the entire assembly.
Representative examples of impregnation with other dielectric liquids such as these preceding in mixtures with pyranol, e.g. B. mineral oil, silicone oil and other pyranol liquids, show that these liquids can represent all or the major part of the impregnation agent. Other oils that can be used for limited applications also contain cottonseed oil.
Other combinations for special applications can also be impregnated, cross-linked polyethylene or else paper materials which are impregnated with the polyolefin of the present invention. For example, the paper can be impregnated with a melt or with a solution containing polypropylene with the resulting material and impregnated with the pyranol dielectric.
Although the present description has only explained a few exemplary embodiments of the inventive concept in more detail, a number of modifications are readily possible and are within the meaning of this invention.