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PATENTANSPRÜCHE
1. Kondensator, bestehend aus Metallfolienschichten, die mit dielektrischen Abstandshaltern alternieren, imprägniert mit einer dielektrischen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit folgende Bestandteile enthält: 80-99 Gew.-% einer Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln
EMI1.1
oder Mischungen dieser Verbindungen, wobei die Symbole R gleiche oder verschiedene Alkylreste mit 2 bis 4 C-Atomen bedeutet; sowie 20-1 Gew.-% einer Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln
EMI1.2
oder Mischungen dieser Verbindungen, wobei die Symbole R gleiche oder verschiedene Alkylreste mit 2 bis 4 C-Atomen bedeuten.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gruppen Rund R, gleich sind.
3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass R und Ri Isopropyl bedeuten.
4. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass R und Ri n-Propyl darstellen.
5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit weniger als 0,5 Gew.-% Biphenyl enthält.
6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit bis zu 1 Gew.-% mindestens eines Antioxidationsmittels und bis zu 1 Gew.-% einer Wasserstoffakzeptor-Verbindung, bezogen auf die dielektrische Flüssigkeit, enthält.
7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 0,01-0,5 Gew.-% eines Antioxidationsmittels, das aus Di-tert.-butyl-p-cresol und/oder Di-tert- butylphenol besteht, bezogen auf die dielektrische Flüssigkeit, enthält.
8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit bis zu 2 Gew.-% einer Wasserstoffakzeptor-Verbindung, bezogen auf die dielektrische Flüssigkeit, enthält.
9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffakzeptor-Verbindung ein Anthrachinon ist, das in einer Menge von 0,1-0,5 Gew.-%, bezogen auf die dielek.
trische Flüssigkeit, vorhanden ist.
10. Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anthrachinon-Verbindung ss-Methylanthrachinon ist.
11. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 0,05-1 Gew.-% eines Epoxyharzes, bezogen auf die dielektrische Flüssigkeit, enthält.
12. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Abstandshalter aus Papier, aus Papier und Folie oder nur aus Folie bestehen.
13. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede zweite Schicht der Metallfolie schmaler ist.
14. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede schmalere Metallfolienschicht abgerundete Kanten aufweist.
Die Erfindung betrifft einen Kondensator.
Die Verwendung von polychlorierten Biphenylen als dielektrische Flüssigkeiten, selbst in abgedichteten elektrischen Ausrüstungen, kann sehr eingeschränkt sein wegen möglicher Schädigung der Umwelt durch Verschmutzung, die noch durch die niedrige biologische Abbaufähigkeit erhöht wird. Bemühen gen während der letzten Jahre, dielektrische Flüssigkeiten zu entwickeln, die Trichlorbiphenyl als Imprägnierungsmittel von Polypropylenfolien-Papier-Kondensatoren, reinen Papier-Kondensatoren sowie reinen Folien-Kondensatoren ersetzen können, richteten sich hauptsächlich auf Materialien, die aromatische Gruppen aufweisen.
Hocharomatische Flüssigkeiten wurden als Alternativen angesehen, die es ermöglichen, auch weiterhin die Kondensatoren bei hohen Spannungen zu betreiben, da diese Flüssigkeiten gute Korona-Eigenschaften aufweisen und die Betriebsspannungen von Leistungskondensatoren von deren Resistenz gegenüber koronaerzeugenden Überspannungen abhängen. Beispiele für potentiell gute Leistungskondensator-Flüssigkeiten sind Lösungen eines Phthalsäureesters, Diisononylphthalat und ein Aromat, Lösungen eines aromatischen Kohlenwasserstoffs und eines aromatischen Sulfons und Isopropylnaphthalin, das in Japan verwendet wird.
Diese Flüssigkeiten sind biologisch abbaubar, besitzen aber
nicht den ausserordentlich grossen Widerstand gegenüber Verbrennung, sind also weniger nicht entflammbar als polychlorierte Biphenyle. Jedoch liegen ihre Entflammungs- und Brennpunkte ebenso hoch, wie die von Mineralölen, die in weitem Umfang als elektrisch isolierende Flüssigkeit verwendet werden. Bei den meisten Leistungskondensatoren stellen sie keine ernsthafte Feuergefahr dar, weil diese Kondensatoren gewöhnlich im Freien montiert sind oder weil pro Einheit nur eine geringe Flüssigkeitsmenge vorhanden ist, die geringer als z. B.
101 ist, die in bestimmten Ländern eine Feuersicherheitsgrenze für derartige Flüssigkeiten darstellt.
Die Bedeutung der Belastungen durch hohe Betriebsspannung ist besonders gross für die Nennwerte der Blindleistung von Folien-Papier-Kondensatoren, wo die Grösse der Dielektrizitätskonstante des Imprägnierungsmittels nicht sehr wichtig ist. Die Blindleistung ist proportional zum Produkt des Quadrates der Betriebsspannung und der Kapazität. Bei einem Folien-Papier-Dielektrikum wird die Kapazität nur unwesentlich von der Dielektrizitätskonstanten des Imprägnierungsmittels beeinflusst, da die Kapazität von der Folie beherrscht wird, deren Dielektrizitätskonstante von dem lmprägnierungsmittel nicht wesentlich beeinflusst wird, weil nur eine kleine Menge Flüssigkeit von der Folie absorbiert wird.
Die durchschnitliche Dielektrizitätskonstante eines aus 75% Folie und 25% Papier bestehenden Dielektrikums wird nur um 10% vermindert, wenn als lmprägnierungsmittel statt Trichlorbiphenyl mit der relativen Dielektrizitätskonstante 4,9, ein Kohlenwasserstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2 bis 2,6, verwendet wird.
Andererseits wird bei einem Imprägnierungsmittel, das eine nur mässige Erhöhung der Betriebsspannungsbelastung ermöglicht, die Blindleistung um ungefähr das Zweifache des prozentualen Spannungsbelastungsanstieges erhöht. Die Höhe der Nennspannungsbelastung basiert auf der Erwartung, dass ein Leistungskondensator periodisch hohen Überspannungen ausgesetzt wird, die aufgrund von Schaltvorgängen und bestimmten Überschwingungsvorgängen der Kraftwerksleitungen entstehen und grössenordnungsmässig die dreifache Nennspannung erreichen können. Der Leistungskondensator muss den Einflüssen derartiger Überspannungen, die Korona-Entladungen in der Flüssigkeit erzeugen, in zweierlei Weise widerstehen. Die eine ist die, dass die Korona-Entladung nicht fortbestehen kann, dass sie erlischt, wenn die Nennspannung wieder erreicht wird.
Zum anderen sollte die bei Uberspannung auftretende Koronaentladung das Dielektrikum nicht zerstören und zu keinem vorzeitigen Versagen führen, wobei die Betriebslebensdauer des Kondensators üblicherweise 20 bis 30 Jahre beträgt. Derartige Effekte können durch die Spannungen bei Korona-Entladungsbeginn und -auslöschung gemessen werden, die sich durch die Art des Imprägnierungsmittels an den Stellen des Auftretens der Korona ergeben, sowie durch eine geeignete Auswahl der Abstandseinrichtungen des Kondensator Dielektrikums sowie der Folien-Elektroden-Geometrie.
Es ist nicht genau bekannt, warum aromatische Flüssigkeiten verhältnismässig gute Korona-Eigenschaften besitzen, insbesondere verglichen mit aliphatischen Flüssigkeiten. Ihre guten Korona-Eigenschaften werden durch einen höheren Kondensator-Korona-Entladungseinsatz und durch höhere Löschspannungen deutlich, sowie durch verhältnismässig niedrige Gasungsneigung der Flüssigkeit unter Hochspannung bei Testversuchen, wie sie beispielsweise die modifizierten Pirelli Gas-Testversuche (ASTM D2300) darstellen. Eine ähnliche Situation herrscht hinsichtlich der Additive, wie beispielsweise Anthrachinon und Epoxyharzen, die die Korona-Eigenschaften von Flüssigkeiten verbessern.
Hinsichtlich des Widerstandes gegenüber Effekten der Korona-Entladung, der Löschhochspannung und der niedrigen Gasung wird vermutet, dass die aromatischen Moleküle oder Bestandteile oder auch Additive mit den Produkten der Korona-Entladung reagieren und den Aufbau von Gasblasen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen an der ursprünglichen Stelle der Korona verhindern, so dass dort die Korona-Entladung nicht bestehen bleiben kann.
(Ähnliche Vermutungen bestehen hinsichtlich der Korona-Entladungslöschspannung bei polychlorierten Biphenylen insofern, als deren Korona-Produkte, Chlorwasserstoff, löslich oder reaktiv sind.) Diese allgemeine Erläuterung reicht nicht aus, um eine systematische Ordnung hinsichtlich des Widerstandes gegenüber Korona-Entlandung zu liefern, und auch nicht dazu, um sie als Basis für die Auswahl von gegenüber Korona-Entladung widerstandsfähigen Flüssigkeiten zu verwenden. Hinsichtlich der Höhe der Korona-Auslösespannung ist auch ziemlich unklar, welche Effekte die Molekularfaktoren haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator mit verbesserten Hochspannungseigenschaften zu schaffen.
Es ist ausserordentlich teuer und zeitrauben, monoalkylsubstituierte Biphenyle in reinem Zustand herzustellen. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Verwendung von Isopropylbiphenyl in Sulfonen als dielektrische Flüssigkeit für Kondensatoren bekannt (US-PS Nr.3796934), während Monoisopropylbiphenyl als dielektrische Flüssigkeit in einem Glimmerkondensator vorgeschlagen worden ist (US-PS Nr.
3 275 914). Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass unerwartet gute Eigenschaften erzielt werden können, wenn man ein Gemisch aus mono- und di-alkyliertem Biphenyl, Biphenyloxid oder Biphenylmethan verwendet.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, also durch einen Kondensator, der aus mehreren Metallfolienschichten besteht, in die alternierend dielektrische Abstandshalter eingefügt sind, die mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert sind. Diese Flüssigkeit enthält erfindungsgemäss zu 80-99 Gew.-% eine Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln
EMI2.1
oder auch Mischungen dieser Verbindung, wobei die Symbole R gleiche oder verschiedene Alkylreste mit 2 bis 4 C-Atomen bedeuten; sowie zu 1-20 Gew.-% eine Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln
EMI3.1
oder auch Mischungen dieser Verbindungen, wobei die Symbole Rl gleiche oder verschiedene Alkylreste mit 2 bis 4 C-Atomen bedeuten.
Alle hier angegebenen Prozentzahlen sind Gewichtsprozentwerte, die auf dem Gewicht der dielektrischen Flüssigkeit beruhen, wenn nicht anders angeben. Alle R- und Ri-Gruppen sind vorzugsweise identisch, weil dann die Mono- und Dialkylverbindungen in der gleichen Charge hergestellt werden können. Die Mono- und Diisopropylbiphenyle können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass Propylen mit Biphenyl in Anwesenheit eines Katalysators wie Aluminiumchlorid umgesetzt wird. Normale Alkylgruppen werden wegen ihrer hohen thermischen Stabilität vorgezogen, obwohl Isopropyl wegen seiner leichteren Verfügbarkeit vorgezogen wird. Propylgruppen werden gegenüber Äthylgruppen bevorzugt, weil sie einen grösseren Viskositätsbereich und einen niedrigeren Dampfdruck ergeben, gegenüber Butyl werden sie wegen ihres grösseren Korona-Widerstandes bevorzugt.
Methylverbindungen sind wegen ihres hohen Schmelzpunktes und des hohen Dampfdruckes nicht akzeptabel. Höhere Alkylgruppen als Butyl können aufgrund ihres hohen Giesspunktes unannehmbar sein.
Die Biphenyloxidverbindungen werden gegenüber den Biphenylverbindungen vorgezogen, weil sie höhere Dielektrizitätskonstanten besitzen. Jedoch sind Biphenylverbindungen praktischer anwendbar, weil Biphenyloxidverbindungen nur begrenzt zur Verfügung stehen.
Wegen des Herstellungsverfahrens kann die dielektrische Flüssigkeit etwas Biphenyl enthalten. Biphenyl ist ätzend und gasformig, und daher wird angestrebt, dass im allgemeinen nicht mehr als 5 Gew.-% vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.-%, vorhanden sind.
Die dielektrische Flüssigkeit umfasst vorzugsweise bis zu 1 Gew;o/a Antioxidationsmittel, um thermische Stabilität zu erreichen. Die bevorzugte Menge beträgt etwa 0,01-0,2 Gew.-%, wobei bevorzugte Antioxidationsmittel Di-tert-butyl- p-cresol, Di-tert-butylphenol oder Mischungen davon sind.
Die Flüssigkeit enthält vorzugsweise auch bis zu 2 Gew.-%, noch günstiger 0,1-0,5 Gew;O/o einer Wasserstoffakzeptor-Verbindung, um einen verbesserten Widerstand gegen Korona-Bildung zu erreichen. Ein Anthrachinon wie ss-Methylanthrachi- non, Anthrachinon oder ss-Chloranthrachinon kann verwendet werden. ss-Methylanthrachinon wird vorgezogen, da es leichter erhältlich ist und löslicher ist.
Das Antioxidationsmittel und der Wasserstoffakzeptor scheinen zusammenzuwirken und einen Verlust an Korona Widerstand zu erzeugen, wenn einer von ihnen mit hoher Konzentration verwendet wird. Daher wird vorzugsweise keiner der beiden Bestandteile in einer höheren Konzentration als 1 Gew.-% verwendet. Eine Flüssigkeit, bei der beide Bestandteile wirksam sind, enthält vorzugsweise ungefähr 0,2 Gew.-% Di-tert.-butyl-p-cresol und ungefähr 0,5 Gew.-% ss-Methylanthra- chinon.
Obwohl es nicht notwendigerweise vorgezogen wird, kann die Flüssigkeit bis zu 2 Gew.-%, vorzugweise 0,05-1 Gew.-% Epoxyharz enthalten, wie beispielsweise Glycidylphenyläther, um Korona-Widerstand zu erhalten.
Im folgenden werden einige wichtige Eigenschaften eines Materials aufgezählt, das von der Firma Sun Oil Company unter der Bezeichung X489-17 kommerziell erhältlich ist und zu 95,5 Gew.-% aus Monoisopropylbiphenyl, 4 Gew.-% Diisopropylbiphenyl und 0,5 Gew.-% Biphenyl besteht, wobei insbesondere die für Leistungskondensatoren wichtigen Eigenschaften erfasst sind:
:
Spezifisches Gewicht bei 25 "C 0,98 g/cm3 Viskosität 10 cs bei 23 ob, 2 cs bei 81 "C Giesspunkt -0,51 C Dampfdruck bei 100 ungefähr 1 Torr (niedriger Gehalt an 2-lsopropylbiphenylisomer, das höheren Dampfdruck als andere Isomere besitzt) Dielektrizitätskonstante, erS bei 100 "C und 60 Hz 2,6 Verlustfaktor bei 100 "C 0,2% Dielektrische Festigkeit (ASTM D877) > 60 kV Flammpunkt, C.O.C. 150 "C Brennpunkt 165 "C biologische Abbaufähigkeit:
hoch, grösser als Mineralöl Toxizität niedrig
Die Kondensatoren sind vorzugsweise Folien-Papier-Kondensatoren (die Folie besteht beispielsweise aus Polypropylen), oder es handelt sich um zu 100% aus Folie bestehende Kondensatoren, weil, wie schon erläutert, die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit für diese Art von Kondensatoren nicht wichtig ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der einzigen Figur dargestellt ist.
Diese Figur stellt eine abgeschnittene perspektivische Ansicht eines Kondensators dar, bei dem ein hermetisch abgedichteter Behälter 1 eine oder mehrere Wicklungen gerader leitender Folie 2 sowie eine leitende Folie 3 enthält, die schmä ler ist und abgerundete Kanten besitzt. Diese Folien alternieren mit Schichten aus Isolation 4, hier als Folie 5, Papier 6 und Folie 7 dargestellt. Eine erfindungsgemässe vorgesehene dielektrische Flüssigkeit 8 füllt den Behälter 1 und imprägniert den Kondensatorwickel. Elektrodenanschlüsse können gemäss üblicher Verfahren vorgesehen sein. Die dielektrischen Schich- ten werden dazu neigen, sich an die zur Verfügung stehenden Räumlichkeiten anzupassen, so dass die in der Zeichnung dargestellten grossen Leerräume wesentlich vermindert werden.
Die Erfindung wird nunmehr bezüglich der folgenden Beispiele noch näher erläutert: Beispiel 1
Es wurden Experimente mit kleinen Kondensatoren mit einer Kapazität von ungefähr 0,1311F durchgeführt. Die Kondensatoren besassen einen Folie-Papier-Folie-Wickel (AFPFA) aus 0,019 mm dicker Polypropylen-Folie mit einer Breite von 63,5 mm, verkauft von der Firma Herkules unter der Handelsbezeichnung EK500 , aus 0,011 mm dickem, 66 mm breitem Papier mit einer Dichte von 0,9 und einer Aluminiumfolie mit einer Breite von 38,1 mm. Die Kondensatoren wurden erst unter Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 145 "C zwei Tage lang erhitzt, dann bei ungefähr 90 "C imprägniert und dann etwa 20 Stunden lang auf einer Temperatur von 100 "C gehalten.
Die folgenden Flüssigkeiten wurden für diese Testkonden satoren als lmprägnierungsmittel untersucht: 1. Trichlorbiphenyl, verkauft von Monsanto unter der Handelsbezeichnung MCS 1016 .
2. Isopropylbiphenyl, verkauft von Sunoco unter der Bezeichnung X489-17 .
3. lsopropylnaphthalin, verkauft von Sunoco unter der Bezeichnung X489-8 .
4. Diisononylphthalat, verkauft von Exxon unter dem Handels namen ENJ-2065 .
5.80% Isopropylbiphenyl und 20 % Xylyltolylsulfon, verkauft von Monsanto unter der Handelsbezeichnung MSC1238 (siehe US-Patent 3 796934.
6.40% Diisononylphthalat und 60% Isopropylbiphenyl.
Zu dem Trichlorbiphenyl wurde 0,3% ss-Methylanthrachi- non hinzugefügt. Kein Antioxidationsmittel wurde verwendet, weil Trichlorbiphenyl gegenüber Oxidation nicht empfindlich ist.
Zu den anderen Flüssigkeiten wurde 0,2% Di-tert.-butyl-pcresol und 0,5% ss-Methylanthrachinon hinzugefügt. Es ist wichtig, dass die Konzentrationen der zwei Additive sich auf den für die beiden Additive angegebenen Höhen befinden, damit sie wirksam sind. Sie scheinen miteinander zu reagieren, und bei unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen kann es sein, dass nur das Additiv mit der erhöhten Konzentration wirksam ist.
Die Korona-Eigenschaften der Kondensatoren wurden hinsichtlich der Spannungen für den Korona-Entladungseinsatz und die Auslöschung (DIV und DEV) sowie hinsichtlich des Überspannungswiderstandes bestimmt. Bei dem Überspannungstest wurden Überspannungen zu drei Zeiten angelegt, und zwar eine konstante Spannung für eine Zeitdauer von 0,1 Sekunde (d. h. 6 von 60-Hz-Zyklen). Diese Überspannungen wurden an den Testkondensator jeweils nach 3 Minuten unter fortlaufender Erregung angelegt. Korona-Impulsmessungen wurden fortlaufend durchgeführt und während der Uberspannung und nachfolgend beim zweiten 60-Hz-Zyklus und nach etwa 1-2 Minuten durchgeführt. Die Anzahl derartiger Überspannungen bis zum Versagen, die primäre Messung des Überspannungswiderstandes, können mit den Korona-Impulsen korreliert werden, möglicherweise auch mit den DIV- und DEV Spannungen.
Die Überspannung in diesen Testen betrug 8,1 kV, während die Ruhespannung 2,7 kV war, was für kohlenwasserstoffimprägnierte Dielektrika zumindest 10% oberhalb der Spannung liegt, die erforderlich ist, um ihnen die gleiche Blindleistung pro Volumeneinheit zu geben, wie dem gegenwärtigen mit Trichlorbiphenyl imprägniertem Dielektrikum.
Die Spannung für den Korona-Entladungseinsatz und die Auslöschung bei den Kondensatoren bei einer Temperatur von 25 "C ist in Tabelle la aufgelistet, während die gleichen Werte bei einer Temperatur von -25 "C aus Tabelle 1b hervorgehen.
Entsprechende Impulshöhen mit den Einsatzspannungen sind angeschlossen. Die Auslöschungsspannungen wurden bestimmt, sobald die Pulse auf weniger als 3-5 Pico-Coulomb abgefallen waren, das war die Empfindlichkeitsgrenze des Korona-Detektors bei diesen Kondensatoren. Die höchsten Korona-Einsatzspannungen wurden bei Kondensatoren festgestellt, die mit Isopropylbiphenyl imprägniert waren. Bei einer Temperatur von -25 "C und 2,7 kV zeigte der Kondensator mit diesem Imprägnierungsmittel sehr wenig Korona-Bildung, wäh- rend andere Kondensatoren mit Trichlorbiphenyl und der Lösung von Isopropylbiphenyl und Xylyltolylsulfon beachtliche Korona-Erscheinungen aufwiesen.
Die Ergebnisse des Überspannungstestes ergeben sich aus Tabelle 2, die die Korona-Impulshöhen und die Versagungszeiten umfasst. Es ist zu erkennen, dass die mit Isopropylbiphenyl imprägnierten Kondensatoren im allgemeinen in diesem Test besser abschneiden als die mit anderen Imprägnierungen. Ihre Versagungszeiten waren die höchsten, die erhalten wurden.
Eine solche Einheit zeigte tatsächlich nicht einmal Korona-Bildung bei den Überspannungen und es überlebte 2960 Überspannungsversuche ohne Versagen. Es ist wesentlich, dass dieser Kondensator eine Korona-Einsatzspannung oberhalb der Testgrenze während der gesamten aufeinanderfolgenden Überspannungsanwendungen behielt.
Ein Kondensatordielektrikum muss ausreichende thermische Stabilität bei Betriebsspannung aufweisen, neben guten Korona-Eigenschaften. Tabelle 3 ist eine Zusammenfassung der relativen Lebensergebnisse, die mit Folie-Papier-Folie-Test Kondensatoren erhalten wurden, die mit den verschiedenen hier berücksichtigten Flüssigkeiten imprägniert waren. Diese Kondensatoren wurden bei 115 "C mit 3,0 kV gealtert und die Effekte der Alterung auf ihren Leistungsfaktoren basiert, die periodisch gemessen wurden. Die Kondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln besassen alle ungefähr die gleiche thermische Stabilität. Es kann daher erwartet werden, dass die zu erwartende Betriebslebensdauer der mit Isopropylbiphenyl imprägnierten Kondensatoren die gleiche ist, wie die mit Trichlorbiphenyl imprägnierten Kondensatoren, wenn man auf die thermischen Effekte abstellt.
Tabelle 1
Korona-Entladungseinsatz und -auslöschung bei verschiedenen Imprägnierungsmitteln in
Folie-Papier-Folie-Test-Kondensatoren; 0,019 mm
Polypropylen-Folie,0,011 mm Papier mit 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13 um a) bei 25 "C Imprägnierungmittel DIV, Pulshöhe, DEV, kV pC kV Trichlorbiphenyl 4,2 90 3,2 Isopropylbiphenyl 6,7 80 3,8 Isopropylnaphthalin 6,7 120 3,8 Diisononylphthalat, DINP 4,4 150 1,3 Isopropylbiphenyl + 20 Gew.-% 2,7 95 4,6 Xylyltolylsulfon DINP + 60 Gew.-% 6,4 140 2,6 Isopropylbiphenyl wobei -25 C Imprägnierungsmittel DIV, kV Trichlorbiphenyl 2,5 Isopropylbiphenyl 2,9 Isopropylbiphenyl + 20 Gew.-% 2,9 Xylyltolylsulfon
Tabelle 2
Effekte von 60-Hz-Überspannungsspitzen an Testkondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln;
Folie-Papier-Folie,
0,019 mm Polypropylen-Folie, 0,011 mm Papier von 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13,um
Die Überspannung von 8,1 kV ist dreifache Ruhespannung von 2,7 kV, angelegt während 6 Zyklen alle
3 Minuten Pulshöhe, pC Imprägnierungsmittel während der 2 Zyklen nach der während 3 Minuten Anzahl der Überspannung Überspannung Überspannungsspitzen bis zum
Versagen Trichlorbiphenyl 1000 200 100 10,35,40,45,105 Isopropylbiphenyl < 6-400 < 5-40 < 5 200,400, > 2960 Isopropylnaphthalin 400 1000 < 5-6000 80, 120 Diisononylphthalat, DINP 12000 4000 200 10 Isopropylbiphenyl + 20 Gew.-% 5000 1000-200 100-1000 360,620 Xylyltolylsulfon DlNP+60Gew.-% 3000 20-1000 1000 > 450 Isopropylbiphenyl
Tabelle 3
Thermische Lebensdauer der Test-Kondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln,
bei 115 "C und 3 kV;
Folie-Papier-Folie 0,019 mm Polypropylen-Folie, 0,011 mm
Papier von 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13 pF Imprägnierungsmittel relative Lebensdauer Trichlorbiphenyl 1 Isopropylbiphenyl 1 Isopropylnaphthalin 1,4 Diisononylphthalat; DINP 1,7 Isopropylbiphenyl + 20 Gew.-% 0,6 Xylyltolylsulfon DlNP + 60Gew.-% 1,1
Isopropylbiphenyl Beispiel 2
Leistungskondensatoren voller Grösse mit einer Nennleistung von 50 kVA wurden ebenfalls unter Verwendung von Isopropylbiphenylflüssigkeit gemäss Beispiel 1 getestet, wobei 0,2% Di-tert.-butyl-p-cresol und 0,5% p-Methylanthrachinon als Stabilisatoren zugefügt wurden.
Die verwendeten festen dielektrischen Materialien waren verschiedene Kombinationen von Polypropylen-Folie, Kraftpapier, synthetischem Papier, jeweils Kondensatorqualität, sowie oberflächenmodifizierte Polypropylen-Folien einer Qualität, die für nur aus Folien aufgebaute dielektrische Systeme geeignet ist. Die verwendeten Aluminium-Folien-Elektroden waren in herkömmlicher Weise Folien gleicher Breite und Folien ungleicher Breite, wobei die schmalere Folie umgelegte Kanten besass, um die normalerweise scharfen und unebenen Schnittkanten zu beseitigen (siehe Fig. 1).
Diese Kondensatoren voller Grösse wurden mit herkömmlichen Kondensatoren gleicher Nennleistung und Konstruktion wie Typen mit Isopropylbiphenyl verglichen, die mit Trichlorbiphenyl plus Stabilisator imprägniert waren. Die folgende Tabelle vergleicht die Kapazitätsänderungen der zwei Systeme im Temperaturbereich von -40 bis + 100 "C. Die Bauart mit Isopropylbiphenyl ist viel stabiler hinsichtlich Temperaturänderungen über den gesamten Temperaturbereich und kann bei niedrigeren minimalen Betriebstemperaturen verwendet werden, als dies bei Trichlorbiphenyl der Fall ist.
Temperatur ("C) % der Kapazität bei 25 C des Dielektrikums Trichlorbiphenyl Isopropylbiphenyl -40 99 101,2 -30 102,5 101,1 -20 103 101
0 102 100,7 100 94 95,5
Der Leistungsfaktor über der Temperaturcharakteristik wurde ebenfalls gemessen und ermittelt, dass er für isopropylbiphenyl-imprägnierte Kondensatoren im gesamten Temperaturbereich niedriger ist Dieser Vergleich ergibt sich aus der folgenden Tabelle.
Temperatur ("C) % des Leistungsfaktors bei Nennspannung des Dielektrikums Trichlorbiphenyl Isopropylbiphenyl -40 1,000 0,100 -20 0,500 0,068
0 0,200 0,050
20 0,070 0,040
60 0,045 0,035 100 0,048 0,037
Eine andere wichtige elektrische Kondensatoreigenschaft ist die Beziehung zwischen Leistungsfaktor und Spannungsbelastung, insbesondere bei hohen Temperaturen des Dielektrikums. Messungen des Leistungsfaktors über der Spannungsbelastung wurden bei 100 "C für Kondensatoreinheiten gemacht, die Isopropylbiphenyl und die Trichlorbiphenyl enthielten.
Diese Messwerte sind in der folgenden Tabelle einander gegen übergestellt. Die Daten zeigen die grössere Stabilität der Iso propylbiphenyl-Imprägnierung.
% der % des Leistungsfaktors bei 100 "C Nennspannungsbelastung Trichlorbiphenyl Isopropylbiphenyl
10 0,050 0,050
30 0,045 0,042
50 0,040 0,040
70 0,041 0,038 100 0,048 0,037 130 0,060 0,037 Überspannungs-Ausdauer-Teste wurden durchgeführt, um die Fähigkeit der Kondensatoren zu ermitteln, kurzzeitigen Überspannungen zu widerstehen, die bei normalen Kondensatoranwendungen auftreten. Es wurden zwei Arten von Testen durchgeführt. Die erste Testart war ein Raumtemperatur-Test, bei dem der Kondensator einer kurzzeitigen Stufenbelastung ausgesetzt wurde, und zwar einmal pro 30 Minuten, wobei jeden Tag die Spannungsbelastung höher geschraubt wurde.
Der Kurzzeitbelastung folgte das Anlegen von 150% der Nennspannung für 5 Minuten, gefolgt von 100% der Nennspannung für 25 Minuten. Die zweite Testgruppe hinsichtlich der Spannungsfestigkeit ist ein Niedrigtemperatur-Test, bei dem der Testkondensator über Nacht auf eine Temperatur von -25 "C abgekühlt und dann einer kurzzeitigen Stufenspannungsbelastung einmal pro 30 Minuten für etwa 8 Stunden pro Tag ausgesetzt wurde und dann entregt und wieder über Nacht auf -25 "C abgekühlt wurde. Am folgenden Tag wurde dann jeweils eine höhergestufte Spannung angelegt. In diesem Test folgte der kurzzeitigen Stufenbelastung eine 25minütige Belastung mit 110% der Nennspannung. Bei jedem dieser Teste wurde die Kurzzeitspannung jeweils um einen Schritt von 10% pro Tag erhöht, bis der Kondensator versagte.
Ein spezieller Schaltdetektor wurde in Verbindung mit dem Test verwendet, um die relative Intensität der in dem Flüssigkeitssystem an den Elektrodenkanten auftretenden Teilentladungen zu messen.
Am Kondensatorgehäuse wurde ein Wandler befestigt und dessen Signal verstärkt und während der Überspannungsteste aufgezeichnet.
Bei den Überspannungs-Belastungs-Testen bei Raumtemperatur wurde ein Kondensator mit ungleich breiten Folien Elektroden mit bei der schmaleren Folie umgefalteten Kanten, einem Folie-Papier-Dielektrikum (AFPar) und einer Isopropylbiphenyl-Flüssigkeit verglichen mit einem ähnlich konstruierten Kondensator, der mit Trichlorbipenyl imprägniert war. Die Daten werden in der folgenden Tabelle wiedergegeben, woraus zu entnehmen ist, dass die Isopropylbiphenyl-Einheiten die Fähigkeit aufweisen, höheren Überspannungen zu widerstehen, bevor sie versagen, wobei die gemessenen Teil-Entladungs-Intensitäten auf jeder Testhöhe für das Isopropylbiphenyl-System niedriger sind.
Überspannungsteste bei 25 "C
Intensität der relativen Teilentladung % Nennspannung Trichlorbiphenyl Isopropylbiphenyl (AFPar) (AFPar) 200 14 210 14 220 20 (versagte) 230 20 240 50 250 500 260 10000 270 20000 280 100 000 (versagte)
Bei den Niedrigtemperatur-Testen ist der Unterschied zwischen Isopropylbiphenyl und Trichlorbiphenyl noch dramatischer. Dies liegt wahrscheinlich an dem bekannten Minimum in der Charakteristik der Teil-Entladungs-Einsatzspannung über der Temperatur, wobei dieses Minimum bei ungefähr -20 bis - 10 "C für Trichlorbiphenyl auftritt. Kondensatoren von identischer Konstruktion, die sowohl gleichen Folienbreiten (AFPFA) als auch ungleiche Folienbreiten (AFPar) verwendeten, wurden untersucht. Die Testdaten sind in der folgenden Tabelle wiedergeben.
Wiederum überstanden isopropylbiphenylhaltige Einheiten höhere Überspannungen, bevor sie versag- ten, und die Teil-Entladungs-Intensitäten sind bei jeder Test spannungshöhe niedriger.
Überspannungsteste bei Vorbehandlung -25 "C relative
Teil-Entladungs-Intensität % Nenn- Trichlorbiphenyl Isopropylbiphenyl spannung AFPFA AFPa, AFPFA AFPar 170 (Teilent- 6 2000 8 180 ladungs- 20 800 8 190 intensität 12 900 12 200 wurde nicht 10 4000 10 210 aufgezeich- 40 4000 12 220 net 18 2000 14 versagte versagte versagte 230 200 240 1 000 250 7000 260 15000 270 versagte
Die Vorteile der Erfindung können auch bei anderen dielektrischen Strukturen erhalten werden, z. B. bei Aluminium-Folie Papier-Aluminium, Aluminium-Folie-Papier-Folie-Aluminium und Aluminium-Folie-Papier-Folie-Papier, bei Aluminium usw., unter Anwendung von alternierenden Schichten mit engeren Folien mit oder ohne gefaltete oder abgerundete Kanten.
Beispiel 3
Zahlreiche Zusammensetzungen von Mono- und Diisopropylbiphenyl sowie eine kleine Menge von Triisopropylbiphenyl wurden gemischt, und zwar von 95%gen Monoisopropylbiphenyl- und einem 93,5 %igen Diisopropylbiphenyl-Vorrat, und die entsprechenden Viskositäten und Giesspunkte der Zusammensetzungen bestimmt. Die folgende Tabelle gibt die Resultate wieder.
Mono (%) Di (%) Tri (%) Viskosität (cs)Giesspunkt bei100"F ( C) 95 3 - 4,64 -51 76 22,7 1,3 5,37 -51 57 39 2,6 6,08 -48 38 57,3 3,9 8,07 -47
Die obige Tabelle zeigt, dass eine sehr geringe Änderung der Viskosität und des Giesspunktes über dem untersuchten Mischungsbereich auftrat, insbesondere bei Konzentrationen von etwa 20% und weniger für das Diisopropylbiphenyl.
Es wurde gefunden, dass ein Kondensator mit einer dielektrischen Flüssigkeit, die aus einer Mischung von mono- und dialkyliertem Biphenyl, Biphenyloxid oder Biphenylmethan bestand, unerwartet gute Eigenschaften aufwies. Die Kondensatoren besassen hohe Korona-Anlaufspannung und hohe Auslöschungsspannungen, typischerweise etwa 7 kV bei einer 0,038 mm dicken Polypropylen-Folie plus einem 0,013 mm dicken Papier sowie niedrige Leistungsfaktorwerte. Sie zeigten gute thermische Stabilität und konnten bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden als Kondensatoren, die Trichlorobiphenyl enthielten.
Die bei den Kondensatoren verwendete dielektrische Flüssigkeit ist leicht erhältlich, nicht giftig, besitzt einen weiten Fluiditätsbereich und kann bei Bedarf leicht gereinigt werden. Ihre Entflammbarkeit ist annehmbar.
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PATENT CLAIMS
1. capacitor, consisting of metal foil layers that alternate with dielectric spacers, impregnated with a dielectric liquid, characterized in that the liquid contains the following components: 80-99 wt .-% of a compound having one of the following general formulas
EMI1.1
or mixtures of these compounds, the symbols R denoting identical or different alkyl radicals having 2 to 4 carbon atoms; and 20-1% by weight of a compound having one of the following general formulas
EMI1.2
or mixtures of these compounds, where the symbols R denote identical or different alkyl radicals having 2 to 4 carbon atoms.
2. Capacitor according to claim 1, characterized in that all round R groups are the same.
3. A capacitor according to claim 2, characterized in that R and Ri are isopropyl.
4. A capacitor according to claim 2, characterized in that R and Ri represent n-propyl.
5. A capacitor according to claim 1, characterized in that the dielectric liquid contains less than 0.5 wt .-% biphenyl.
6. A capacitor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the dielectric liquid contains up to 1 wt .-% of at least one antioxidant and up to 1 wt .-% of a hydrogen acceptor compound, based on the dielectric liquid.
7. A capacitor according to claim 6, characterized in that the dielectric liquid 0.01-0.5 wt .-% of an antioxidant consisting of di-tert-butyl-p-cresol and / or di-tert-butylphenol, based on the dielectric liquid.
8. Capacitor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the dielectric liquid contains up to 2% by weight of a hydrogen acceptor compound, based on the dielectric liquid.
9. A capacitor according to claim 8, characterized in that the hydrogen acceptor compound is an anthraquinone, in an amount of 0.1-0.5 wt .-%, based on the dielek.
tric liquid, is present.
10. A capacitor according to claim 9, characterized in that the anthraquinone compound is ss-methylanthraquinone.
11. A capacitor according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the dielectric liquid contains 0.05-1 wt .-% of an epoxy resin, based on the dielectric liquid.
12. Capacitor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the dielectric spacers consist of paper, paper and film or only of film.
13. Capacitor according to one of claims 1 to 12, characterized in that every second layer of the metal foil is narrower.
14. A capacitor according to claim 13, characterized in that each narrower metal foil layer has rounded edges.
The invention relates to a capacitor.
The use of polychlorinated biphenyls as dielectric liquids, even in sealed electrical equipment, can be very limited due to possible environmental damage from pollution, which is further increased by the low biodegradability. Efforts over the past few years to develop dielectric liquids that can replace trichlorobiphenyl as an impregnant for polypropylene film-paper capacitors, pure paper capacitors, and pure film capacitors have focused primarily on materials that have aromatic groups.
Highly aromatic liquids were seen as alternatives that make it possible to continue to operate the capacitors at high voltages, since these liquids have good corona properties and the operating voltages of power capacitors depend on their resistance to corona-generating overvoltages. Examples of potentially good power condenser liquids are solutions of a phthalate, diisononyl phthalate and an aromatic, solutions of an aromatic hydrocarbon and aromatic sulfone and isopropylnaphthalene used in Japan.
These liquids are biodegradable but have
not the extraordinarily high resistance to combustion, so they are less non-flammable than polychlorinated biphenyls. However, their ignition and focal points are as high as those of mineral oils, which are widely used as an electrically insulating liquid. Most power capacitors do not pose a serious fire hazard because these capacitors are usually installed outdoors or because there is only a small amount of liquid per unit, less than e.g. B.
101, which is a fire safety limit for such liquids in certain countries.
The importance of the loads caused by high operating voltage is particularly great for the nominal values of the reactive power of film-paper capacitors, where the size of the dielectric constant of the impregnating agent is not very important. The reactive power is proportional to the product of the square of the operating voltage and the capacity. In the case of a film-paper dielectric, the capacitance is only insignificantly influenced by the dielectric constant of the impregnating agent, since the capacitance is dominated by the film, the dielectric constant of which is not significantly influenced by the impregnating agent, because only a small amount of liquid is absorbed by the film.
The average dielectric constant of a dielectric consisting of 75% foil and 25% paper is only reduced by 10% if, instead of trichlorobiphenyl with the relative dielectric constant 4.9, a hydrocarbon with a dielectric constant of 2.2 to 2.6 is used as the impregnating agent .
On the other hand, in the case of an impregnating agent which allows only a moderate increase in the operating voltage load, the reactive power is increased by approximately twice the percentage increase in voltage load. The level of the nominal voltage load is based on the expectation that a power capacitor will be periodically exposed to high overvoltages, which arise due to switching operations and certain overshoot processes of the power plant lines and can reach three times the nominal voltage in terms of magnitude. The power capacitor must withstand the effects of such overvoltages that produce corona discharges in the liquid in two ways. One is that the corona discharge cannot continue, that it goes out when the nominal voltage is reached again.
On the other hand, the corona discharge occurring in the event of overvoltage should not destroy the dielectric and should not lead to premature failure, the operating life of the capacitor usually being 20 to 30 years. Such effects can be measured by the voltages at the start and extinction of the corona, which result from the nature of the impregnation agent at the points where the corona occurs, and by a suitable selection of the spacer devices of the capacitor dielectric and the foil-electrode geometry.
It is not known exactly why aromatic liquids have relatively good corona properties, especially when compared to aliphatic liquids. Their good corona properties are evident from a higher capacitor-corona discharge insert and from higher extinguishing voltages, as well as from a relatively low tendency of the liquid to gas under high voltage in test trials, such as the modified Pirelli gas test trials (ASTM D2300). A similar situation exists with regard to additives, such as anthraquinone and epoxy resins, which improve the corona properties of liquids.
With regard to the resistance to the effects of corona discharge, the high-voltage quenching and the low gassing, it is assumed that the aromatic molecules or constituents or additives react with the products of the corona discharge and the formation of gas bubbles from hydrogen and hydrocarbons at the original location of the Prevent corona so that the corona discharge cannot persist there.
(Similar assumptions exist regarding the corona discharge quenching voltage in polychlorinated biphenyls in that their corona products, hydrogen chloride, are soluble or reactive.) This general explanation is not sufficient to provide a systematic order in terms of resistance to corona discharge, and not even to use them as a basis for the selection of liquids resistant to corona discharge. With regard to the level of the corona trigger voltage, it is also rather unclear what effects the molecular factors have.
The object of the invention is to provide a capacitor with improved high-voltage properties.
It is extremely expensive and time consuming to produce monoalkyl substituted biphenyls in the pure state. For example, the use of isopropylbiphenyl in sulfones as a dielectric liquid for capacitors is known from the prior art (US Pat. No. 3796934), while monoisopropylbiphenyl has been proposed as a dielectric liquid in a mica capacitor (US Pat. No.
3 275 914). An important advantage of the present invention lies in the recognition that unexpectedly good properties can be achieved if a mixture of mono- and di-alkylated biphenyl, biphenyl oxide or biphenylmethane is used.
According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1, that is to say by a capacitor which consists of a plurality of metal foil layers into which alternating dielectric spacers are inserted, which are impregnated with a dielectric liquid. According to the invention, this liquid contains 80-99% by weight of a compound with one of the following general formulas
EMI2.1
or also mixtures of this compound, where the symbols R denote the same or different alkyl radicals having 2 to 4 carbon atoms; and 1-20% by weight of a compound with one of the following general formulas
EMI3.1
or also mixtures of these compounds, the symbols R 1 denoting identical or different alkyl radicals having 2 to 4 carbon atoms.
All percentages given here are percentages by weight based on the weight of the dielectric liquid unless otherwise stated. All R and Ri groups are preferably identical, because then the mono- and dialkyl compounds can be produced in the same batch. The mono- and diisopropylbiphenyls can be prepared, for example, by reacting propylene with biphenyl in the presence of a catalyst such as aluminum chloride. Normal alkyl groups are preferred for their high thermal stability, although isopropyl is preferred for its easier availability. Propyl groups are preferred over ethyl groups because they have a larger viscosity range and lower vapor pressure, but over butyl they are preferred because of their greater corona resistance.
Methyl compounds are not acceptable because of their high melting point and high vapor pressure. Alkyl groups higher than butyl may be unacceptable due to their high pour point.
The biphenyl oxide compounds are preferred over the biphenyl compounds because they have higher dielectric constants. However, biphenyl compounds are more practical because biphenyl oxide compounds are only available to a limited extent.
Because of the manufacturing process, the dielectric liquid may contain some biphenyl. Biphenyl is corrosive and gaseous, and it is therefore desirable that there be generally no more than 5% by weight, preferably less than 0.5% by weight.
The dielectric liquid preferably comprises up to 1% by weight of antioxidant to achieve thermal stability. The preferred amount is about 0.01-0.2% by weight, with preferred antioxidants being di-tert-butyl-p-cresol, di-tert-butylphenol, or mixtures thereof.
The liquid preferably also contains up to 2% by weight, more preferably 0.1-0.5% by weight, of a hydrogen acceptor compound in order to achieve improved resistance to corona formation. An anthraquinone such as ss-methylanthraquinone, anthraquinone or ss-chloroanthraquinone can be used. ss-methylanthraquinone is preferred because it is more readily available and more soluble.
The antioxidant and hydrogen acceptor appear to work together and produce a loss of corona resistance when one of them is used at high concentration. Therefore, neither of the two components is preferably used in a concentration higher than 1% by weight. A liquid in which both components are effective preferably contains about 0.2% by weight of di-tert-butyl-p-cresol and about 0.5% by weight of ss-methylanthraquinone.
Although not necessarily preferred, the liquid may contain up to 2%, preferably 0.05-1%, by weight epoxy resin, such as glycidylphenyl ether, to provide corona resistance.
Some important properties of a material which is commercially available from the Sun Oil Company under the designation X489-17 and are 95.5% by weight of monoisopropylbiphenyl, 4% by weight diisopropylbiphenyl and 0.5% by weight are listed below. % Biphenyl exists, whereby in particular the properties important for power capacitors are recorded:
:
Specific weight at 25 "C 0.98 g / cm3 viscosity 10 cs at 23 ob, 2 cs at 81" C pour point -0.51 C vapor pressure at 100 approximately 1 Torr (lower content of 2-isopropylbiphenyl isomer, the higher vapor pressure than others Isomer has) dielectric constant, erS at 100 "C and 60 Hz 2.6 loss factor at 100" C 0.2% dielectric strength (ASTM D877)> 60 kV flash point, COC 150 "C focus 165" C biodegradability:
high, greater than mineral oil toxicity low
The capacitors are preferably film-paper capacitors (the film is made of polypropylene, for example), or they are 100% film-based capacitors because, as already explained, the dielectric constant of the liquid is not important for this type of capacitor.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment which is shown in the single figure.
This figure shows a cut-off perspective view of a capacitor in which a hermetically sealed container 1 contains one or more windings of straight conductive foil 2 and a conductive foil 3 which is narrower and has rounded edges. These foils alternate with layers of insulation 4, shown here as foil 5, paper 6 and foil 7. A dielectric liquid 8 provided according to the invention fills the container 1 and impregnates the capacitor winding. Electrode connections can be provided according to customary methods. The dielectric layers will tend to adapt to the available space, so that the large empty spaces shown in the drawing are significantly reduced.
The invention will now be explained in more detail with reference to the following examples: Example 1
Experiments with small capacitors with a capacitance of approximately 0.1311F were carried out. The capacitors had a film-paper-film winding (AFPFA) made of 0.019 mm thick polypropylene film with a width of 63.5 mm, sold by the Herkules company under the trade name EK500, made of 0.011 mm thick, 66 mm wide paper a density of 0.9 and an aluminum foil with a width of 38.1 mm. The capacitors were first heated under vacuum at a temperature of about 145 "C for two days, then impregnated at about 90" C and then kept at a temperature of 100 "C for about 20 hours.
The following liquids were tested as impregnants for these test capacitors: 1. Trichlorobiphenyl, sold by Monsanto under the tradename MCS 1016.
2. Isopropylbiphenyl, sold by Sunoco under the designation X489-17.
3. Isopropylnaphthalene, sold by Sunoco under the designation X489-8.
4. Diisononyl phthalate, sold by Exxon under the trade name ENJ-2065.
5.80% isopropyl biphenyl and 20% xylyltolyl sulfone sold by Monsanto under the trade designation MSC1238 (see U.S. Patent 3,797,334.
6.40% diisononyl phthalate and 60% isopropyl biphenyl.
0.3% ss-methylanthraquinone was added to the trichlorobiphenyl. No antioxidant was used because trichlorobiphenyl is not sensitive to oxidation.
0.2% di-tert-butyl-pcresol and 0.5% ss-methylanthraquinone were added to the other liquids. It is important that the concentrations of the two additives are at the levels specified for the two additives in order for them to be effective. They seem to react with each other, and with different concentration ratios it may be that only the additive with the increased concentration is effective.
The corona properties of the capacitors were determined with regard to the voltages for corona discharge use and extinction (DIV and DEV) and with regard to the overvoltage resistance. In the overvoltage test, overvoltages were applied at three times, namely a constant voltage for a period of 0.1 second (i.e. 6 out of 60 Hz cycles). These overvoltages were applied to the test capacitor after 3 minutes with continuous excitation. Corona pulse measurements were carried out continuously and during the overvoltage and subsequently on the second 60 Hz cycle and after about 1-2 minutes. The number of such overvoltages until failure, the primary measurement of the overvoltage resistance, can be correlated with the corona pulses, possibly also with the DIV and DEV voltages.
The overvoltage in these tests was 8.1 kV while the quiescent voltage was 2.7 kV, which for hydrocarbon impregnated dielectrics is at least 10% above the voltage required to give them the same reactive power per unit volume as the current one Trichlorobiphenyl impregnated dielectric.
The voltage for the corona discharge insert and the extinction of the capacitors at a temperature of 25 "C is listed in Table la, while the same values at a temperature of -25" C are shown in Table 1b.
Corresponding pulse heights with the threshold voltages are connected. The extinction voltages were determined as soon as the pulses dropped to less than 3-5 pico-coulombs, which was the sensitivity limit of the corona detector for these capacitors. The highest corona threshold voltages were found for capacitors impregnated with isopropylbiphenyl. At a temperature of -25 "C and 2.7 kV, the capacitor with this impregnation agent showed very little corona formation, while other capacitors with trichlorobiphenyl and the solution of isopropylbiphenyl and xylyltolyl sulfone showed considerable corona phenomena.
The results of the overvoltage test are shown in Table 2, which includes the corona pulse heights and the failure times. It can be seen that the capacitors impregnated with isopropylbiphenyl generally perform better in this test than those with other impregnations. Their failure times were the highest that were preserved.
In fact, such a unit did not even show corona formation in the overvoltages and survived 2960 overvoltage attempts without failure. It is essential that this capacitor maintain a corona cutoff voltage above the test limit throughout successive surge applications.
A capacitor dielectric must have sufficient thermal stability at operating voltage, in addition to good corona properties. Table 3 is a summary of the relative life results obtained with film-paper-film test capacitors impregnated with the various liquids considered here. These capacitors were aged at 115 "C at 3.0 kV and the effects of aging were based on their power factors, which were measured periodically. The capacitors with different impregnants all had approximately the same thermal stability. It can therefore be expected that the The expected service life of the isopropylbiphenyl impregnated capacitors is the same as that of the trichlorobiphenyl impregnated capacitors, if the thermal effects are taken into account.
Table 1
Corona discharge use and extinction with various impregnants in
Film-paper-film test capacitors; 0.019 mm
Polypropylene film, 0.011 mm paper with 0.9 density, capacity approx. 0.13 µm a) at 25 "C impregnating agent DIV, pulse height, DEV, kV pC kV trichlorobiphenyl 4.2 90 3.2 isopropylbiphenyl 6.7 80 3, 8 isopropylnaphthalene 6.7 120 3.8 diisononyl phthalate, DINP 4.4 150 1.3 isopropylbiphenyl + 20% by weight 2.7 95 4.6 xylyltolyl sulfone DINP + 60% by weight 6.4 140 2.6 isopropylbiphenyl where -25 C impregnating agent DIV, kV trichlorobiphenyl 2.5 isopropylbiphenyl 2.9 isopropylbiphenyl + 20% by weight 2.9 xylyltolyl sulfone
Table 2
Effects of 60 Hz surge peaks on test capacitors with various impregnation agents;
Foil paper foil,
0.019mm polypropylene film, 0.011mm 0.9 density paper, capacity about 0.13 µm
The 8.1 kV overvoltage is triple the 2.7 kV quiescent voltage, applied during 6 cycles all
3 minute pulse height, pC impregnation agent during the 2 cycles after the overvoltage over 3 minutes overvoltage peaks up to
Failure trichlorobiphenyl 1000 200 100 10.35.40.45.105 isopropylbiphenyl <6-400 <5-40 <5 200.400,> 2960 isopropylnaphthalene 400 1000 <5-6000 80, 120 diisononylphthalate, DINP 12000 4000 200 10 isopropylbiphenyl + 20% by weight % 5000 1000-200 100-1000 360.620 xylyltolylsulfone DlNP + 60 wt.% 3000 20-1000 1000> 450 isopropylbiphenyl
Table 3
Thermal life of the test capacitors with various impregnation agents,
at 115 "C and 3 kV;
Foil-paper-foil 0.019 mm polypropylene foil, 0.011 mm
0.9 density paper, capacity about 0.13 pF impregnant, relative life trichlorobiphenyl 1 isopropyl biphenyl 1 isopropyl naphthalene 1.4 diisononyl phthalate; DINP 1.7 isopropylbiphenyl + 20% by weight 0.6 xylyltolyl sulfone DlNP + 60% by weight 1.1
Isopropylbiphenyl Example 2
Full-size power capacitors with a nominal power of 50 kVA were also tested using isopropylbiphenyl liquid according to Example 1, with 0.2% di-tert-butyl-p-cresol and 0.5% p-methylanthraquinone being added as stabilizers.
The solid dielectric materials used were various combinations of polypropylene film, kraft paper, synthetic paper, in each case capacitor quality, and surface-modified polypropylene films of a quality which is suitable for dielectric systems composed only of films. The aluminum foil electrodes used were conventionally foils of the same width and foils of the same width, the narrower foil having folded edges in order to eliminate the normally sharp and uneven cut edges (see FIG. 1).
These full size capacitors were compared to conventional capacitors of the same rating and design as types with isopropylbiphenyl impregnated with trichlorobiphenyl plus stabilizer. The following table compares the capacitance changes of the two systems in the temperature range from -40 to + 100 "C. The design with isopropylbiphenyl is much more stable with regard to temperature changes over the entire temperature range and can be used at lower minimum operating temperatures than is the case with trichlorobiphenyl.
Temperature ("C)% of capacity at 25 C of dielectric trichlorobiphenyl isopropylbiphenyl -40 99 101.2 -30 102.5 101.1 -20 103 101
0 102 100.7 100 94 95.5
The power factor over the temperature characteristic was also measured and found to be lower for isopropylbiphenyl impregnated capacitors over the entire temperature range. This comparison is shown in the following table.
Temperature ("C)% of power factor at nominal dielectric voltage trichlorobiphenyl isopropylbiphenyl -40 1,000 0.100 -20 0.500 0.068
0 0.200 0.050
20 0.070 0.040
60 0.045 0.035 100 0.048 0.037
Another important electrical capacitor property is the relationship between the power factor and the voltage load, especially at high temperatures of the dielectric. Power factor versus voltage load measurements were made at 100 ° C for capacitor units containing isopropylbiphenyl and trichlorobiphenyl.
These measured values are compared in the table below. The data show the greater stability of the isopropylbiphenyl impregnation.
% of the% of the power factor at 100 "C nominal voltage load trichlorobiphenyl isopropylbiphenyl
10 0.050 0.050
30 0.045 0.042
50 0.040 0.040
70 0.041 0.038 100 0.048 0.037 130 0.060 0.037 Overvoltage endurance tests were performed to determine the capacitors' ability to withstand short-term overvoltages that occur in normal capacitor applications. Two types of tests were carried out. The first type of test was a room temperature test in which the capacitor was subjected to a brief step load, once every 30 minutes, with the voltage load being screwed up higher every day.
The short-term exposure was followed by the application of 150% of the nominal voltage for 5 minutes, followed by 100% of the nominal voltage for 25 minutes. The second test group with regard to dielectric strength is a low temperature test in which the test capacitor was cooled to a temperature of -25 ° C. overnight and then subjected to a brief step voltage exposure once every 30 minutes for about 8 hours per day and then de-energized and then over again Night was cooled to -25 "C. The next day, a higher level voltage was applied. In this test, the short-term step load was followed by a 25 minute load with 110% of the nominal voltage. In each of these tests, the short-time voltage was increased by one step of 10% per day until the capacitor failed.
A special switching detector was used in conjunction with the test to measure the relative intensity of the partial discharges occurring at the electrode edges in the liquid system.
A converter was attached to the capacitor housing and its signal was amplified and recorded during the overvoltage tests.
In the overvoltage stress tests at room temperature, a capacitor with unevenly wide foils electrodes with edges folded over in the narrower foil, a foil-paper dielectric (AFPar) and an isopropylbiphenyl liquid was compared with a similarly constructed capacitor that was impregnated with trichlorobipenyl was. The data are presented in the following table, from which it can be seen that the isopropylbiphenyl units have the ability to withstand higher overvoltages before they fail, with the measured partial discharge intensities at each test level being lower for the isopropylbiphenyl system .
Overvoltage tests at 25 "C
Intensity of the relative partial discharge% Nominal voltage Trichlorobiphenyl Isopropylbiphenyl (AFPar) (AFPar) 200 14 210 14 220 20 (failed) 230 20 240 50 250 500 260 10000 270 20000 280 100 000 (failed)
In the low temperature tests, the difference between isopropylbiphenyl and trichlorobiphenyl is even more dramatic. This is probably due to the known minimum in the characteristic of the partial discharge threshold voltage over temperature, this minimum occurring at approximately -20 to -10 "C for trichlorobiphenyl. Capacitors of identical construction, both of equal foil widths (AFPFA) and uneven film widths (AFPar) were investigated and the test data are shown in the following table.
Again, units containing isopropylbiphenyl survived higher overvoltages before they failed, and the partial discharge intensities are lower with each test voltage level.
Overvoltage tests with pretreatment -25 "C relative
Partial discharge intensity% nominal trichlorobiphenyl isopropylbiphenyl voltage AFPFA AFPa, AFPFA AFPar 170 (partial discharge 6 2000 8 180 charge 20 800 8 190 intensity 12 900 12 200 was not recorded 10 4000 10 210 40 4000 12 220 net 18 2000 14 failed failed failed 230 200 240 1,000 250 7000 260 15,000 270 failed
The advantages of the invention can also be obtained with other dielectric structures, e.g. B. with aluminum-foil paper-aluminum, aluminum-foil-paper-foil-aluminum and aluminum-foil-paper-foil-paper, with aluminum, etc., using alternating layers with narrower foils with or without folded or rounded edges .
Example 3
Numerous compositions of mono- and diisopropylbiphenyl as well as a small amount of triisopropylbiphenyl were mixed, namely from 95% gene monoisopropylbiphenyl and a 93.5% diisopropylbiphenyl stock, and the corresponding viscosities and pour points of the compositions were determined. The following table shows the results.
Mono (%) Di (%) Tri (%) Viscosity (cs) pour point at 100 "F (C) 95 3 - 4.64 -51 76 22.7 1.3 5.37 -51 57 39 2.6 6, 08 -48 38 57.3 3.9 8.07 -47
The table above shows that there was very little change in viscosity and pour point over the range of mixtures examined, especially at concentrations of about 20% and less for diisopropylbiphenyl.
It was found that a capacitor with a dielectric liquid consisting of a mixture of mono- and dialkylated biphenyl, biphenyl oxide or biphenyl methane had unexpectedly good properties. The capacitors had high corona starting voltage and high extinction voltages, typically around 7 kV with a 0.038 mm thick polypropylene film plus a 0.013 mm thick paper, and low power factor values. They showed good thermal stability and could be operated at lower temperatures than capacitors that contained trichlorobiphenyl.
The dielectric liquid used in the capacitors is readily available, non-toxic, has a wide fluid range and can be easily cleaned if necessary. Its flammability is acceptable.