DE1117215B

DE1117215B - Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit fuer Stossstromentladungen

Info

Publication number: DE1117215B
Application number: DEB48052A
Authority: DE
Inventors: Erwin Munk; Dipl-Ing Hermann Straeb; Dipl-Ing Gerhard Winter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1958-03-04
Filing date: 1958-03-04
Publication date: 1961-11-16
Also published as: CH371185A; GB855264A; NL6400234A; NL6400233A

Description

Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit für Stoßstromentladungen Die Erfindung bezieht sich auf eine in ein zylindrisches Gehäuse eingebaute elektrische Hochspannungskondensatoreinheit für Stoßstromentladungen, insbesondere mit einer Betriebsspannung von mindestens 25 kV und einer Kapazität von mindestens 0,5 p.tF. Kondensatoren für Stoßstromentladungen müssen kurzzeitig sehr hohe Stromstöße liefern können. Eine Voraussetzung dafür ist, daß sie eine geringe Induktivität und einen kleinen ohmschen Widerstand haben. Diese Bedingungen können bei Verwendung bekannter Kondensatoren mit Metallfolien als Kondensatorbelegungen nur unvollkommen erfüllt werden, weil Folienkondensatoren nur mit verhältnismäßig kleinen Feldstärken belastet werden können, wenn Durchschläge, die infolge bedeutender Energieumsetzungen zu explosionsartigenZerstörungen führen können, mit Sicherheit vermiedenwerden sollen.
Derartige Durchschläge und ihre Folgen treten nicht ein bei Hochspannungskondensatoreneinheiten für Stoßstromentladungen, welche gemäß der Erfindung aus selbstheilenden, gewickelten Kondensatorelementen bestehen mit einem Innendurchmesser von mindestens 40,°/o ihres Außendurchmessers und einem Außendurchmesser, der größer ist als ihre axiale Länge, welche in Hintereinanderschaltung koaxial angeordnet und an ihren Stirnflächen unlösbar, elektrisch leitend und elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind und deren Stromrückleitung über den Gehäusemantel geführt ist.
Wegen ihrer selbstheilenden Eigenschaften können derartige, mit dünnen ausbrennfähigen Belegungen versehene Kondensatoren mit um 20 bis 50% höheren Feldstärken belastet werden als Kondensatoren mit Metallfolien als Belegungen. Bei gleicher Kapazität und Betriebsspannung hat daher eine Kondensatoreinheit aus selbstheilenden Kondensatorelementen ein wesentlich kleineres Volumen und eine wesentlich geringere Induktivität als eine Kondensatoreinheit aus Kondensatorelementen mit Metallfolien als Kondensatorbelegungen. Da bei der Selbstheilung andererseits nur geringe Energien umgesetzt werden, treten mechanische Zerstörungen dabei nicht auf. Eine bekannte, für Stoßstromentladungen verwendete Kondensatoreinheit mit Kondensatorelementen mit Metallfolien als Kondensatorbelegungen hat zwar ebenfalls eine sehr geringe Induktivität, aber bei etwa gleichem Energieinhalt das fünffache Volumen wie die erfindungsgemäße Kondensatoreinheit.
In der Zeichnung ist eine Hochspannungs-Stoßstromkondensatoreinheit gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt, die sich z. B. zur Durchführung kernphysikalischer Reaktionen eignet. Die Kondensatoreinheit enthält in einem aus einem Messingrohr 10 bestehenden Gehäuse fünf gleichachsig übereinander angeordnete, elektrisch in Reihe geschaltete, für eine Betriebsspannung von je 5 kV bemessene Kondensatorelemente 11, die aus metallisiertem Papier gewickelt sind. Der Durchmesser der einzelnen Rundwickel ist dabei größer als ihre axiale Länge. Dadurch und durch eine Abgleichung des Verhältnisses von Außendurchmesser zu Innendurchmesser der Kondensatorwickel 11 auf einen Wert von höchstens 2,5 ist die Induktivität der Wickel in bekannter Weise denkbar klein gehalten. Gegenüber dem Gehäuse 10 sind die Kondensatorelemente 11 durch mindestens drei Lagen 12 einer elastischen, dünnen Kunststoffolie mit hoherDurchschlagfestigkeit isoliert. Bei einer Gesamtspannung an der Kondensatoreinheit von 25 kV genügt es vollauf, wenn zur Isolation der Kondensatorelemente 11 gegen das Gehäuse 10 beispielsweise eine Triazetatfolie mit einer Gesamtdicke von nicht mehr als 1 mm verwendet ist.
Die an je einer Stirnseite jedes Kondensatorelementes überstehenden Windungen je einer der Kondensatorbelegungen sind durch die Kondensatorstirnflächen annähernd ganz überdeckende, aufgespritzte Kontaktbrücken 13 bzw. 14 zueinander parallel geschaltet. Zur Reihenschaltung der Kondensatorelemente untereinander sind an jeder der Kontaktbrücken 13 und 14 tellerförmige Blechringe 15 und 16 festgelötet, die zu diesem Zweck auf mindestens einem Teil ihrer Oberfläche, mit welchem sie auf den Kontaktbrücken aufliegen, mit in der Zeichnung nicht sichtbaren Löchern, zum Durchtritt des Lötmetalls versehen sind. Ganz außen haben die Blechringe 15 und 16 einen umgebogenen, von den Kondensatorstimflächen weggerichteten Rand 15' bzw. 16'. Dabei ist der Durchmesser der Blechringe 16 an ihrem umgebogenen Rand 16' etwa um das Doppelte der Blechstärke größer als der Durchmesser der Blechringe 15 an ihrem Rand 15'. Beim Zusammensetzen der Kondensatorelemente mit den aufgelöteten Kontaktringen greifen daher die umgebogenen Ränder 16' an den Kontaktringen 16 über die Ränder 15' an den Kontaktringen 15. Durch Verlöten der Ringe an den umgebogenen Rändern ist eine großflächige, induktivitätsarme Kontaktierung der in Reihe geschalteten Kondensatorelemente gewährleistet.
Zur Sicherung der Kontaktbrücken gegen mechanische Beschädigungen durch die bei den Stoßstromentladungen auftretenden großen elektromagnetischen Kräfte sind die Kontaktringe in der Achsrichtung der Wickel federnd ausgebildet. Ferner ist in eine Vertiefung der inneren Zone der Ringe je ein Dämpfungsring 17 aus elastisch nachgiebigem Stoff eingelegt.
Der Blechteller 16 des obersten Kondensatorelements ist an seinem Außenrand mit einem Teller 15, die Mittelzone des Tellers 15 mit einem Deckel 19 und der Rand des Deckels 19 mit dem oberen Rand des Gehäuses 10 verlötet. Auf diese Weise ist die eine der beiden Kondensatorbelegungen mit dem Gehäuse 10 elektrisch leitend verbunden. Durch eine mit einem Kragen 19' versehene Öffnung im Deckel 19 ist ein Isolator 20 hindurchgeführt, der an der Durchtrittstelle durch den Deckel außen metallisiert und mit dem Kragen 19' dicht verlötet ist.
Die andere Kondensatorbelegung ist über einen am untersten Kondensatorelement angelöteten Blechteller 15 und einen Teller 16 an eine Metallscheibe 21 angeschlossen, die durch ein unten in das Gehäuse 10 eingesetztes Isolierstoffrohr 22 gegenüber dem Gehäuse isoliert und in ihm zentriert ist.
Durch Gießharz 23, 25 ist der Rand der Metallscheibe 21 sowie ein am Gehäuse 10 festgelöteter Metallring 24 mit dem Isolierrohr 22 fest und dicht verbunden. Dadurch ist das Gehäuse 10 an seinem unteren Ende abgeschlossen.
Die Kontaktscheibe 21 dient bei der gezeichneten Kondensatoreinheit als Entladeelektrode. Die Rufladung der Kondensatorelemente erfolgt vom oberen Ende der Kondensatoreinheit her über Anschlußteile 27, 28, 29, 31, 32 und 33.
Von diesen ist das im Innern der Kondensatorelemente 11 angeordnete, durch mehrere Windungen 26 einer Triazetatfolie isolierte, dünnwandige Metallrohr 27 mit seinem einen Ende in eine Rille der Kontaktscheibe 21 eingelötet und annähernd bis zum oberen Ende des vierten Kondensatorelements hochgeführt. Hier ist in das Rohr 27 ein Kontaktring 28 eingepaßt und in dessen Bohrung ein Kontaktrohr 29 eingesetzt, das, mit einer Isolierstoffolie 30 umgeben, im Durchführungsisolator 20 endet. Durch ein Metallband 3 ist das Kontaktrohr 29 mit einem Kontaktbolzen 32 einer auf den Isolator 20 aufgesetzten Anschlußkappe 33 elektrisch gut leitend verbunden. Da diese im Innern der Kondensatoreinheit gleichachsig zu den Kondensatorelementen 11 verlegte Anschlußelektrode eine sehr geringe Induktivität besitzt, kann sie ohne Nachteil auch zum Parallelschalten mehrerer Kondensatoreinheiten verwendet werden.
Die beschriebene Hochspannungskondensatoreinheit für Stoßstromentladungen mit ihren fünf hintereinandergeschalteten Kondensatorelementen 11 ist bei einer Nennkapazität von 0,5 J für eine Nennspannung von 25 kV ausgelegt und hat einen Energieinhalt von 156,5 Ws. Auf Grund der bei ihrem Aufbau angewandten besonderen konstruktiven Maßnahmen konnte ihre Eigeninduktivität einschließlich des Isolators 20 mit der Durchführung 29, 31, 32, 33 auf 0,029 #tH gehalten werden, woraus sich eine Resonanzfrequenz von 1,33 MHz ergibt.
Bei der Entladung derartiger Kondensatoreinheiten wurden Stromstärken von mehr als 166 Amp. gemessen. Während des Betriebs vorkommende Durchschläge heilen ohne jede Störung aus. Die Gefahr der Zerstörung durch die bei selbstheilenden Durchschlägen frei werdende Energie ist dadurch ausgeschlossen worden, daß die ausbrennfähigen Belegungen der einzelnen Kondensatorelemente in an sich bekannter Weise in streifenförmige Teilflächen von beispielsweise 20 bis 30 mm Breite unterteilt wurden. Damit bei selbstheilenden Durchschlägen die Kondensatorbelegungen auch nicht von den Kontaktbrücken 13, 14 abgetrennt werden, ist ihre Schichtdicke an den Rändern, an denen sie mit den Kontaktbrücken in Verbindung stehen, in ebenfalls an sich bekannter Weise stetig auf ein Mehrfaches der Schichtdicke der übrigen Belegungsteile verstärkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. In ein zylindrisches Gehäuse eingebaute elektrische Hochspannungskondensatoreinheit für Stoßstromentladungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus selbstheilenden, gewickelten Kondensatorelementen mit einem Innendurchmesser von mindestens 40'°/a ihres Außendurchmessers und einem Außendurchmesser, der größer ist als ihre axiale Länge besteht, welche in Hintereinanderschaltung koaxial angeordnet und an ihren Stirnflächen unlösbar, elektrisch leitend und elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind und deren Strornrückleitung über den Gehäusemantel geführt ist.
2. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnfläche jedes Kondensatorwickels mit einer je eine Kondensatorbelegung in sich kurzschließenden Kontaktbrücke versehen und daß an jeder dieser Kontaktbrücken ein tellerförmiger Blechring festgelötet ist, der an seinem äußeren Rand mit dem Rand eines gleichartigen Kontaktringes des sich daran anschließenden Kondensatorwickels verlötet ist.
3. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechringe auf mindestens einem Teil ihrer Oberfläche, mit welchem sie auf den Kontaktbrücken aufliegen, mit Löchern zum Durchtritt des Lötmetalls versehen sind.
4. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechringe außen mit einem umgebogenen, von der Stirnfläche des Kondensatorwickels weggerichteten Rand versehen sind.
5. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der umgebogenen Ränder von zwei miteinander zu verlötenden Blechringen um das Doppelte der Blechstärke verschieden sind, so daß beim Zusammensetzen der Kondensatorwickel je ein Blechrand mit größerem Durchmesser über einen Blechrand mit kleinerem Durchmesser greift.
6. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechringe in Achsrichtung der Kondensatorwickel federnd ausgebildet sind.
7. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Blechringe zweier benachbarter Kondensatorwickel ein Dämpfungsring aus elastisch nachgiebigem Material eingelegt ist. B.
Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenzone der Blechringe gegenüber der Randzone vertieft ist und daß in diese Vertiefungen die Dämpfungsringe eingelegt sind.
9. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensatorwickeln und dem Gehäuse elastische Isolierstoffschichten angeordnet sind.
10. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehäuse aus nicht ferromagnetischem Material besteht.
11. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle ihre Metallteile aus nicht ferromagnetischem Werkstoff bestehen.
12. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite ihres Gehäuses die Anschlüsse für die Entladung und auf der anderen Seite ein Anschluß für die Ladung der Kondensatorelemente vorgesehen ist.
13. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeanschluß durch eine koaxiale Leitung mit der nicht an das Gehäuse angeschlossenen Entladungselektrode verbunden ist.
14. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeleitung als Rohr ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Kondensatorwickel angeglichen ist.
15. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgedampften selbstausheilenden Belegungen in Teilflächen unterteilt sind.
16. Elektrische Hochspannungskondensatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke an den Rändern der Belegungen, an denen sie mit den Kontaktbrücken in Verbindung stehen, stetig auf ein Mehrfaches der Schichtdicke der übrigen Belegungsteile verstärkt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 832 640, 867 889; schweizerische Patentschriften Nr. 156 878, 207 267; Nuclear Instruments, Bd. 1, Nr. 5 vom September 1957, S. 233 bis 241.