CH632865A5 - Elektrischer wickel- oder stapelkondensator. - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Wickel- variablem Verhältnis eine homogene Flüssigkeit ergeben.

oder Stapelkondensator nach der Gattung des Patentanspru- Durch die in den abhängigen Patentansprüchen enthaltenen ches 1. Nicht nur bei vielen Kondensatoren der Schwachstrom- 35 vorteilhaften Kombinationen von Füll- und Imprägniermitteln und Hochfrequenztechnik, sondern auch bei Wechselspan- erhält man Kondensatoren mit besonders hoher zeitlicher nungskondensatoren in Starkstromnetzen besteht die Forde- Kapazitätskonstanz.

rung nach einer sich möglichst wenig ändernden Kapazität, um Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung die Funktion des Gerätes oder der Anlage nicht zu gefährden. dargestellt und anschliessend näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 Zusätzlich zu einer zugestandenen Toleranz der Nennkapazität 40 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Kon-im Anfangszustand darf die Kapazitätsänderung beim Betrieb densator, Fig. 2 den Kapazitätsverlauf eines Kondensators in des Kondensators im allgemeinen nur wenige Prozent betra- Abhängigkeit von der Temperatur, Fig. 3 den Kapazitätsvergen. Dabei sind zwei verschiedene Kapazitätsänderungen zu lauf herkömmlicher Kondensatoren in Abhängigkeit von der unterscheiden, nämlich einerseits die überwiegend reversible Betriebszeit und Fig. 4 den Kapazitätsverlauf eines erfindungs-Änderung der Kapazität mit der Temperatur, welche bestimmt 45 gemässen Kondensators in Abhängigkeit von der Betriebszeit, ist durch die Temperaturkoeffizienten der verwendeten Di- Fig. 1 zeigt den bekannten Aufbau eines Kondensators, der elektrika, und andererseits die überwiegend irreversible Ände- bei entsprechender Stoffauswahl auch bezüglich seines Temperung durch Alterungsvorgänge während der Betriebszeit. raturganges der Kapazität zufriedenstellend ist. Zwei Papier-

Die Kapazitätsänderung mit der Temperatur kann in bänder 1 und 2 mit beidseitig aufgedampften selbstheilenden bekannter Weise (Siemens-Zeitschrift, Heft 3/1965) durch die 50 Metallschichten 5 und 6 bzw. 7 und 8 jeweils desselben Poten-Art und den Anteil der verwendeten festen und flüssigen Iso- tials sind durch die Polycarbonatbänder 3 und 4 getrennt. Der lierstoffe beeinflusst werden, wobei Papier einen positiven, flüs- Kondensatorwickel wird an den Stirnflächen durch aufge-sige Imprägniermittel einen negativen Temperaturkoeffizien- sprühte Metallbrücken 9 und 10 kontaktiert und mit Mineralöl ten der Dielektrizitätszahl (D.Z.) haben. Eine weitere Kompen- \ 1 imprägniert. Bei Einbau der Wickel in ein Metallgehäuse sationsmöglichkeit für die temperaturabhängige Änderung der 55 werden die Kondensatoren mit dem als Imprägniermittel verKapazität von Kondensatoren besteht bei Mitverwendung von ' wendeten Stoff je nach Bauart mit oder ohne Luftpolster Kunststoffbändern mit zu Papier gegenläufigem Temperatur- gefüllt.

koeffizienten in sogenannter Mischbauweise. Die in Fig. 2 gezeigte, zu dem Kondensator gemäss Fig. 1

Ein bei Kondensatoren häufig verwendetes Imprägniermit- gehörende Änderung der Kapazität mit der Temperatur von tel ist Mineralöl. Es ist jedoch auch bekannt, Kondensatoren 60 weniger als ±0,5% zwischen -40 °C und +100 °C ist äusserst statt mit Mineralöl mit einer für selbstheilende Kondensatoren gering und kaum verbesserungsbedürftig.

geeigneten Isolierflüssigkeit höherer Dielektrizitätszahl, z. B. Fig. 3 zeigt die Kapazitätsabnahme eines Kondensators mit Dioctylphthalat (DOP) oder Dinonylphthalat (DNP) zu gemäss Fig. 1 mit Mineralölimprägnierung (1) und eines Konimprägnieren, um eine hohe spezifische Kapazität und eine densators mit DNP-Imprägnierung (2). Die Kapazitätsände-hohe Glimmfestigkeit zu erreichen. Langzeitversuche bei 65 rung über der Betriebsdauer kann also die nach bestehenden erhöhter Temperatur und Spannung, z. B. bei 100 °C und etwa Vorschriften und entsprechend der Belastung zulässige Ände-1,3 UN haben gezeigt, dass die Kapazitätsänderung im Laufe rung von 5% weit überschreiten und ist verbesserungsbedürftig, der Betriebszeit die Kapazitätsänderung mit der Temperatur Der unterschiedliche Kurvenverlauf entsprechend den ver-

schiedenen Imprägniermitteln ist dadurch zu erklären, dass Belagschwingungen durch pulsierende elektrostatische Anziehungskräfte im Wechselfeld und die hierdurch bedingte Verdrängung des Imprägniermittels aus den Zwischenräumen zwischen den Belägen proportional dem Quadrat der Feldstärke sind. Dadurch ergibt sich eine geringere Kapazitätsabnahme bei DNP-Imprägnierung aufgrund der höheren Dielektrizitätszahl gegenüber Mineralöl. Die gegenüber Mineralöl doppelt so hohe Dielektrizitätszahl führt zu einer günstigeren Feldverteilung im Dielektrikum und zu einer geringeren Verdrängung des Imprägniermittels aus den Belagzwischenräumen.

In Fig. 4 ist der Verlauf der Kapazität in Abhängigkeit von der Betriebsdauer t für erfindungsgemässe Kondensatoren dargestellt. Die Auswirkung der erfindungsgemässen Kombination von Imprägniermittel (I) und Füllmittel (F) auf die zeitliche Konstanz der Kapazität ist aus dieser Abbildung deutlich zu ersehen. Dabei wurden Wickel nach Fig. 1 mit Mineralöl imprägniert, in Metallgehäuse eingebaut und in vier Gruppen geteilt. Die Füllungen der ersten Gruppe bestand aus 100% DNP. Weitere Gruppen wurden mit Mischungen aus jeweils 75%, 50% und 30% DNP und dem jeweiligen Restanteil aus Mineralöl gefüllt, wobei die Dielektrizitätszahlen in der genannten Reihenfolge 4,5 - 3,9 - 3,3 und 2,8 betrugen, also immer noch über der des Imprägniermittels Mineralöl von 2,2 lagen. Anschliessend wurden die Kondensatoren bei etwa 100 °C Gehäusetemperatur und etwa l,3facher Nennspannung betrieben. Wie Fig. 4 zeigt, steigt die Kapazität der erfindungsgemässen Kondensatoren zuerst leicht an. Der anschliessende geringe Rückgang kann durch das Mischungsverhältnis der Füllung bestimmt werden. Zum Beispiel beträgt die Kapazitätsänderung bei einer Füllung mit 50% DOP und 50% Mineralöl innerhalb von 3000 Stunden Betriebszeit nur etwa + 1% des Anfangswertes und liegt damit weitaus besser als die in Fig. 3 aufgetragenen Werte für übliche bekannte Kondensatoren. Der Kurvenverlauf gemäss Fig. 4 ist damit erklärbar, dass auch bei diesen erfindungsgemässen Kondensatoren im Laufe der Betriebszeit immer mehr Imprägniermittel aus dem Wickel oder Stapel austritt, als wieder eindringen kann. Durch die höhere Dielektrizitätszahl des wieder eindringenden Teils wird jedoch der Kapazitätsrückgang erheblich verringert.

Ausser von der Dielektrizitätszahl des Füllmittels hängt der in Fig. 4 an einem Beispiel gezeigte Kurvenverlauf auch von der Art der verwendeten Papier- und Kunststoffbänder, insbesondere von deren Oberflächenrauhigkeit, Quellverhalten und Papierdichte ab, und weiterhin von der spezifischen Pressung der Bänder im Wickel oder Stapel. Die Anwendung des Erfindungsgedankens auf verschiedene Bauarten von Konden-

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satoren zur Erreichung spezieller Kurvenverläufe ist ohne weitere Angaben durch einfache Versuche und Überlegungen möglich.

Obwohl die erfindungsgemässen Kondensatoren zunächst mit einem Stoff niedrigerer Dielektrizitätszahl imprägniert worden sind, haben sie eine ähnlich hohe Glimmfestigketi wie bei einer Imprägnierung mit einem Füllstoff höherer Dielektrizitätszahl. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Glimmentladungen vorwiegend an den Randzonen der Belegungen an den Stellen höchster Feldstärke einsetzen, also nur wenig hinter den Wickelstirnflächen. Gerade dorthin ist aber schon in den ersten Betriebsstunden der Kondensatoren so viel Füllmittel mit höherer Dielektrizitätszahl eingedrungen, dass die Feldstärke im flüssigen Teil der Randgebiete des Dielektrikums reduziert wird.

Auch diese Auswirkung der Erfindung beschränkt sich nicht auf selbstheilende Kondensatoren nach Fig. 1, sondern sie gilt auch für imprägnierte Kondensatoren mit Metallfolienbelegungen, weil dort an den Belagrändern wegen der Ausdehnung der Flüssigkeitsfilme die Randgebiete besonders glimmgefährdet sind. Für solche Kondensatoren sind alle Isolierflüssigkeiten mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl im Sinne der Erfindung als Imprägnier- bzw. Füllmittel brauchbar, soweit sie nur in weiten Grenzen mischbar sind. Für selbstheilende Kondensatoren gilt die bekannte Forderung, dass die Isolierstoffe beim selbstheilenden Durchschlag keine leitfähigen Zersetzungsprodukte bilden dürfen. Eine Auswahl möglicher Imprägnier- und Füllmittelkombinationen zeigt Tabelle 1. In der zweiten Spalte sind als Imprägnier- bzw. Füllmittel günstige in Frage kommende Stoffe mit von oben nach unten steigender Dielektrizitätszahl aufgeführt. In der linken Hälfte jeder nach rechts anschliessenden Doppelspalte ist jeweils einer dieser Stoffe als Imprägniermittel (I), in der rechten Hälfte jeweils die dabei möglichen Füllmittel (F) angekreuzt. Bei den unter Nummer 9 bis 11 aufgeführten Mischungen kann jeweils einer oder mehrere Stoffe der Nummern 1 bis 3 mit einem oder mehreren Stoffen der Nummern 4 bis 8 gemischt sein.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf Anordnungen des Dielektrikums nach Bild 1, sondern gilt für alle bekannten und möglichen Kombinationen von Papier mit mehr oder weniger quellenden Kunststoffen wie Polypropylen, Polycarbonat und ebenso für reine Papierdilektrika. Die erfindungsgemässe Imprägnier- und Füllmittelkombination gilt nicht für Kondensatoren aus metallisierten Kunststoffbändern, weil sich solche Kondensatorwickel oder -Stapel nur sehr schwer imprägnieren lassen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

632865 2 PATENTANSPRÜCHE weit übertreffen kann. Dabei ist es möglich, dass die gesamte

1. Elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator mit einem Kapazitätsänderung die nach bestehenden Vorschriften zuläs-Kondensatorelement mit Dielektrikumslagen aus Papier oder sige Änderung überschreitet.

Kunststoff oder Mischungen aus Papier und Kunststoff zwi- Da bei den geschilderten imprägnierten Kondensatoren,

sehen den Belägen, die mit einem bei Betriebstemperatur flüssi- 5 welche zusammen mit einem Füllmittel in ein Gehäuse einge-gen isolierenden Imprägniermittel imprägniert sind, und mit baut sind, keine Glimmentladungen und keine Zersetzungen einem das Kondensatorelement aufnehmenden Gehäuse, in das von Imprägniermittel oder Metallschichten festgestellt werden ein bei Betriebstemperatur flüssiges isolierendes Füllmittel ein- konnte, liegt zur Erklärung des Kapazitätsrückgangs die gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätszahl Annahme nahe, dass durch Belagschwingungen unter dem Ein-(D.Z.) des Imprägniermittels (I) kleiner ist als die des Füllmittels io fluss des elektrischen Feldes im Laufe der Betriebszeit mehr (F). Imprägniermittel aus dem Kondensatorwickel ausgetrieben

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wird, als wieder zurückströmen kann. Hierbei wird der Impräg-dass die Dielektrizitätszahl (D.Z.) des Füllmittels (F) mindestens niermittelaustausch durch die im Imprägniermittel quellende um 0,5 grösser ist als die des Imprägniermittels (I). mitgewickelte Kunststoffolie behindert. Belagschwingungen

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 15 durch pulsierende elektrostatische Anziehungskräfte im Wech-zeichnet, dass Imprägniermittel (I) und Füllmittel (F) unter- selfeld sind proportional dem Quadrat der Feldstärke. Damit ist schiedlicher Dielektrizitätszahl (D.Z.) miteinander kombiniert auch die geringe Kapazitätsabnahme bei DOP-Imprägnierung sind, deren Mischungen homogene Flüssigkeiten ergeben. erklärbar. Die gegenüber Mineralöl doppelte Dielektrizitäts-

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch zahl führt zu einer günstigeren Feldverteilung im Dielektrikum gekennzeichnet, dass das Kondensatorelement mit Mineralöl 20 und zu einer geringeren «Pumpwirkung». Ein Kondensator mit imprägniert und im Gehäuse Dioctylphthalat (DOP) oder Di- noch geringerer Kapazitätsabnahme müsste daher also mit nonylphthalat (DNP) eingefüllt ist. einem Stoff noch höherer Dielektrizitätszahl imprägniert und

5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gefüllt werden.

gekennzeichnet, dass das Kondensatorelement mit einem Entgegen dieser Folgerung und entgegen dem allgemeinen

Mineralöl imprägniert und im Gehäuse eine Mischung aus 50 25 Brauch, durch Verwendung von Imprägniermitteln möglichst Volumen-% Mineralöl und 50 Volumen-% Dioctylphthalat hoher Dielektrizitätszahl Kondensatoren hoher spezifischer

(DOP) oder Dinonylphthalat (DNP) eingefüllt ist. Kapazität und hoher Glimmfestigkeit zu bauen, erreicht man durch die erfindungsgemässe Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, dass die Kondensa-30 toren eine verbesserte zeitliche Kapazitätskonstanz erhalten. Dabei ist es zweckmässig, nur solche Stoffe unterschiedlicher Dielektrizitätszahl zu verwenden, deren Mischungen in weit