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Stosskondensator aus mehreren koaxialen, elektrisch hinter-
einander
geschalteten Rundwickeln
Stosskondensatoren aus mehreren koaxialen, elektrisch
hinter-
einander geschalteten Rundwickeln sind bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundes
den Aufbau einen der-
artigen Kondeneators konstruktiv und
elektrisch einfacher zu
gestalten und zwar no, dass er den während
der Entladung kurz-
zeitig fliessenden sehr grossen Strömen und den
daraus resultierenden
erheblichen mechanischen Beanspruchungen
der stromführenden Teile
die zusätzliche Zug- und Druckkräfte zur
Folge haben! gewachsen
ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht
darin, dass Einzelkondensato-
ren, je bestehend aus einem stirnflächenkontaktierten
Wickel
in einem nichtmagnetischen,dichten Metallgehäuse mit einem
an die Kontaktierung der einen Stirnfläche elektrisch angeschlossenen Boden und
einem von diesem isolierten, an die Kontaktierung der anderen Stirnfläche angeschlossenen
Deckel, unter leitender Verbindung zwischen dem Boden eines Gehäuses mit dem Deckel
des jeweils benachbarten Gehäuses lösbar zu einer Säule zusammengekuppelt und. der
Deckel des einen äußersten Gehäuses und der Boden des anderen äußersten Gehäuses
der Säule mit den Außenanschlüssen verbunden sind.
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Vorzugsweise ist dabei die Anordnung so getroffen, daß die Säule in
ein gemeinsames Außengehäuse eingebaut ist, dessen Innenmanteloberfläche gegenüber
den äußeren Manteloberflächen der Gehäuse der Einzelkondensatoren isoliert ist,.
'@#ubei bildet dieses gemeinsame Gehäuse die Stromrückleitung zu der zweiten äußeren
Anschlußfläche. Die Stirnflächenkontaktierungen der Wickel und innen der Boden und
Deckel der Gehäuse der Einzelkondensatoren sind plan geschliffen, um einen einwandfreien
Stromübergang zu ermöglichen.
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Da dia Stirnflächenkontaktierungen benachbarter Wickel sehr nahe aneinander
liegen, wird eine gegenseitige Kompensierung der magnetischen Felder erreicht, wie
sie aufgrund der starken Ströme in den leitenden Bahnen entstehen würden, wobei
letztere mit Strömen entgegengesetzter Richtungen beschickt werden.
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Diese Kompensation läßt sich noch steigern, wenn die Stirnflächenkontaktierungen
benachbarter Wickel weitgehend aufeinander ausgerichtet werden und dabei benachbarte
Wickel jeweils entgegeriaes#°tzten. -Ti ckelsinn haben.
Vor-allem
müssen die Kondensatoren der grundsätzlichen Anforderung eines möglichst steilen
Stromverlaufes bei der Entladung entsprechen, ihre Eigeninduktivität und ihr Serienwiderstand
müssen also sehr klein sein.
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Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Kondensator um eine Ausführung
handelt, bei der selbsttragende Metallfolien, z.B. Aluminiumfolie, als Beläge verwendet
werden - bei einem Spannungsdurchschlag also eine Selbstheilung nicht möglich ist
- wird der Kondensator, der zur Erzeugung sehr großer Energien bestimmt ist, z.B.
bei einer Nennspannung von 20 kV mit etwa vier Einzelwickeln von je 5 kV aufgebaut.
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Daßi in dem angenommenen Beispielsfalle eine elektrische Serienschaltung
von mehreren, z.B. vier Einzel-Kondensatoren, gewählt wurde, hat eine ganz beträchtliche
Steigerung: der Betriebssicherheit zum Ziel. Das Dielektrikum der Kondensatoren
so stark zu machen, daß mit absoluter Sicherheit auch über lange Zeit kein Spannungsdurchschlag
erfolgt, verbietet sich u.a. schon aus Gründen der erforderlichen Wirtschaftlichkeit.
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Angenommen, es käme in einem der vier in Serie geschalteten Einzel-Kondensatoren
zu einem Spannungsdurchschlag, dann blieben bei dem hiervon betroffenen Stoß-Kondensator
immer noch drei Einzel-Kondensatoren voll betriebsfähig, und die angenommene Betriebs-Nennspannung
von 20kV bräche keineswegs schlagartig bis auf diesen Wert gegenüber sehr kleines
Spannungswerte zusammen. Bei einer gewissen, unerläßlichen Reserve hinsichtlich
Spannungsfestigkeit des Dielektrikums jedes Einzel-Kondensators - diese Reserve
muß.
wie bei jedem anderen Kondensator, auch bei diesen Ausführungen
dimensionierungsmässig vorgesehen werden - kann selbst bei einem
mit
sehr niederohmigem Kurzschluss durchgeschlagenen Einzel-Kondensator
der nunmehr nur noch aus drei wirksamen Einzel-Kondensatoren
bestehende Stoss-Kondensator zumindest noch eine be-
grenzte Zeit
funktionsfähig bleiben. Diese, gegenüber der eigent-.lichen Stoss-Entladung
um viele Grössenordnungen längere Zeit
reicht dann völlig aus, um den
Stoss-Kondensator von der Batterie
abzuschalten.
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Da beim Durchschlagen eines der vier in Reihe geschalteten Einzel- Kondensatoren
eines derartigen Stoss-Kondensators nicht die ganze
elektrische Energie
aller parallelgeschalteten Stoss-Kondensatoren, sondern nur ein ganz wesentlich
kleinerer Anteil sich auf den
durchgeschlagenen Kondensator auswirkt,
besteht auch nicht die Ge-
fahr explosionsartiger Zerstörungen, wie
bei einem nur aus einem
einzigen Wickel aufgebauten Stoss-Kondensator.
Sofern es z.$, gegen
Ende der normalen Lebensdauer zu einem Durchschlag
kommen sollte,
wird in dem davon betroffenen Einzel-Kondensator an der Durchschlag-
stelle
eine grössere Gasmenge gebildet, die über das vorzugsweise
flüssige Imprägnierungsmittel
in relativ kurzer Zeit zu einer Er-
höhung des Druckes führt,
wodurch dann, etwa mittels eines auf
Druck ansprechenden Schalters
z.8, die Spannung der Anlage abge-
schaltet wird.
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Der Einzel-Kondensator als in sich völlig selbständiges
Element, dessen Dielektrikum aus imprägniertem Papier oder imprägniertem
Papier
mit Kunststoffolie oder auch aus Kunststoffolie allein be-
steht,
ist als Rundwickel ausgeführt, der in ein engschließendes metellisches Gehäuse aus
nichtmagnetischem Material, wie z.B. Messing oder Aluminium, eingebaut ist. Sofern
eine Imprägnierung in Frage kommt, wird vorzugsweise für den Einzel-Kondensator
ein flüssiges Imprägniermittel verwendet.
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Die Kontaktierung.der über die Dielektrikumsstirnseite des Rundwickels
überstehend gewickelten Metallbeläge, die vorzugsweise aus Aluminium bestehen, erfolgt
zwecks Erzielung ausreichend kleiner Induktivität mittels eines Reibelotes oder
auf die überstehenden Belagränder aufgespritzter Metallbrücken, die, auf die kreisförmige
Stirnfläche des Wickels bezogen, in jeder Beziehung voll symmetrisch angebracht
werden. Da es gerade bei Hochspannungs-Kondensatoren sehr wichtig ist, jeden zu
Spannungsunsicherheiten Anlaß gebenden Hohlraum im Dielektrikum zu vermeiden, ist
bei der angegebenen Kontaktierung, überhaupt bei dem ganzen Einbau des Wickels in
sein Metallgehäuse, darauf zu achten, daß sowohl eine ausgezeichnete Trocknung und
Entgasung, wie auch eine hohlraumfreie Imprägnierung des Dielektrikums ohne Schwierigkeit
möglich ist.
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Um die letztgenannten Forderungen mit denen einer ausreichend geringen
Induktivität und hoher mechanischer Formfestigkeit zu verbinden, liegt der Boden
des Gehäuses, der mit dem einen Spannungspol, und der Deckel, der mit dem anderen
Spannungspol verbunden ist, unmittelbar auf vorgenannten, aufgebrachten Metallstrombahnen
auf. Letztere erfassen auf jeder Stirnseite in ausreichender Kontaktfläche alle
Belagbahnen in ausreichender Kontaktfläche, deren Breite nach der Mittellängsachse
des Kondensators zu vorzugsweise ansteigt.
Um einen besonders guten
Kontakt mit dem Boden bzw, mit dem Deckel des Gehäuses zu erreichen, wird die vorher
vorsichtig plan bearbeitete, z.B. geschliffene, auf jeder Stirnseite aufgebrachte
Metall-Kontaktierungsschicht mit dem zugehörigen Metallgehäuseteil mittels einer
Art Lötvorganges mechanisch und elektrisch einwandfrei verbunden, um die z.B. bei
einem Druckkontakt niemals ganz auszuschliessenden Kontaktierungs-Unsicherheiten
zu vermeiden. Erst dann wird der Deckel durch Umlegen des überstehenden Zylindermantel
Randes, gegen diesen isoliert, verdrehungsgeschützt festgebördelt.
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Da es aus Gründen einer rationellenQ°°-@ ;ung erforderlich ist, derartige
Einzel-Kondensatoren möglichst universell einsetzen zu können, ist jeder davon als
in sich abgeschlossene, selbständige Einheit aufgebaut. Der aus NE-Metall bestehende
Boden ist mit einem ebenfalls aus NE-Metall bestehenden Mantelrohr verlötet, dessen
zunächst freies Ende unter Zwischenschaltung einer ausreichenden Isolierschicht
auf eine als Deckel des Gehäuses dienende stärkere, die ganze Stirnfläche mit Ausnahme
des Wickeldornloches bedeckende NE-Metallscheibe aufgebördelt ist. In letzterer
befindet sich zentral ein Gewindeloch, während indem Bodenblech an der entsprechenden
Stelle ein Gewindebolzen angebracht ist.
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Die Einzel-Kondensatoren werden vakuumgetrocknet und über eine
Öffnung im Gehäuse imprägniert; zu diesem Zwecke sind die Bolzen durchbohrt. Nach
erfolgter Imprägnierung werden diese Öffnungen provisorisch verschlossen.
Der
Zusammenbau eines Stoss-Kondensators aus vier Einzel-Kondensatoren wird in folgender
Weise vorgenommen.
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Die'vier Einzel-gondensatoren werden mit Hilfe der erwähnten Gewindebolzen
und der Gewindelöcher zu einer Einheit zusammengeschraubt, nachdem der provisorische
Verschluss vorher entfernt wurde und Zwischenisolierungen eingelegt wurden.. Nach
entsprechender gemeinsamer Isolierung ihrer Gesamtmantelfläche werden sie in ein
metallisches Gehäuserohr gesteckt, das an seinem einen Ende mit einer keramischen
Isolierscheibe, die den einen Spannungspol trägt» dicht verschlossen ist,
während die andere Seite mit einem Metall-Wannenboden verschlossen ist, der zunächst
noch eine zentrale Öffnung für das Zuführen einer Isolierflüssigkeit des Stoss-Kondensators
aufweist.
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Nach dem Einbau wird an den im Boden befindlichen Anschlussbolzen
des unteren Einzel-Kondensators ein die Druckverhältnisse des Imprägnierungsmittels
überwachendes mechanisches Schaltorgan angeschlossen.
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Der Gegenspannungspol zu dem in der Isolierscheibe zentral befindlichen
Anschluss wird durch einen dazu konzentrischen Ringflansch-Anschluss gebildet,
der sich in Höhe der keramischen Isolierscheibe am gemeinsamen Metallrohr befindet.
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Die Stromzuführung zu diesem Ringflansch erfolgt von dem Metallboden
des Stoss-Kondensators aus über das Metallrohr.
Aufgrund der koaxialen
Stromführung, die damit für das Gesamtgehäuse, wie übrigens auch für jeden der vier
Ei.nzel-Kondensatoren gegeben ist, wird eine ausreichend geringe Induktivität des
Stoß-Kondensators erzielt. Sie ergibt sich u.a. auch dadurch, daß die radialen Stirnflächen-Kontaktierungen
auf den mit sehr geringem 'abstand nebeneinanderliegenden Boden- bzw. Stirnflächen
zweier Einzel-Kondensatoren bei. der Montage des Stoß-Kondensators weitgehend zur
Dec?rung gebracht werden.
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Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen der Serienschaltung
mehrerer Einzel-Kondensatoren ergibt sich als weiterer Verteil, daß letztere vor
dem i usammenbau einzeln geprüft und bei ihrem Zusammenbau durch Wahl entsprechender
Kapazitätswerte die IJennkapazitätstoleranz des Stoß-Kondensators ausreichend klein
gehalten werden kann.
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In der beifolgenden Figur ist in schematischer Weise ein derartiger
Iiochspannungs-Stoß-Kondensator 1 dargestellt, der in diesem Falle aus vier elektrisch
hintereinandergeschalteten Einzel-Kondensatoren 2, 2t usw. besteht, wobei. letztere
jeweils Rundwickel besitzen.
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Das gemeinsame zylindrische Einbaurohr 3 für die vier Ei.nzel-Kondensatoren
besteht aus Metall, z.B. Stahl, vorzugsweise aber aus nichtmagnetischem Metall.
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An seiner oberen Seite ist das Rohr mit einer keramischen Isolierscheibe
4 über ein federndes Ringteil 5, das sowohl mit Teil 4 wie auch mit Teil 3 dicht
verlötet ist, verschlossen.
Der. äussere Spannungsanschluss 6 ist
koaxial in der Keramikscheibe 4 dicht befestigt und z.B. an seinen Enden als Gewindebolzen
ausgebildet. Der zweite# äussere Spannungsanschluss ist ein zu 6 koaxialer Flanschanschluss
7, der z.B. mittels Verlötung mit dem zylindrischen Rohr 3 auf seinem ganzen Umfang
verbunden ist.
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Der Flanschanschluss 7 kann z.$. mittels der Gewindelöcher 8 an die
äussere Stromleitung des einen Spannungspoles angeschlossen werden. Diese Gewindelöcher
8 können auf einem zur Mittellängsachse des Stoss-Kondensators koaxialen Kreis in
der erforderlichen Anzahl angeordnet sein; sie können aber auch in einer anderen,
möglichst symmetrischen Verteilung vorgesehen sein.
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Am entgegengesetzten Ende ist das zylindrische Rohr 3 mittels eines
wannenförmig ausgebildeten Bodens 9 dicht verschlossen. In dem dadurch gebildeten
Hohlraum 10 kann ein auf Druckänderung des Imprägniermittels ansprechender Druckschalter
(nicht gezeichnet) untergebracht werden.
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Jeder Einzel-Kondensator 2, 2' usw. besteht aus einem Wickel 15, 15'
usw., der in ein aus einem Boden 16, 16' usw. und mit einem mit diesem dicht verlöteten
Mantelrohr 179 17' usw., beide vorzugsweise aus NE-Metallg bestehendes Gehäuse eingesetzt
ist.
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Der Verschluss des Einzel-Kondensators an seiner noch freien Gehäuseseite
erfolgt mittels einer mit zentralem Gewindeloch versehenen Metallscheibe 18, 18'
usw., die ebenfalls aus nichtmagnetischem Material gefertigt ist. Eine Isolierung
19 wird vor dem Umbördeln des zunächst überstehenden Randes des Mantels 17 auf 18
eingelegt.
Vor dem elektrisch-mechanischen Verbinden der Einzel-Kondensatoren
2, 2' usw. mittels Gewindebolzen 21, 211 usw., die eine zentrale, durchgehende Bohrung
24, 24' usw. besitzen, wird zwecks gegenseitiger Isolierung des Gehäusebodens 16
gegen den umgebördelten Rand des Mantels 17 des danebenliegenden Kondensators eine
Isolierung 20, 20' usw. eingelegt.
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Die Gewindebolzen 21, 21' usw. sind jeweils mit dem zugehörigen Becherboden
16, 16' usw. fest verbunden; ihr nach aussen freies Gewindeteil wird jeweils in
das zugehörige Gewindeloch der Scheibe 18 usw. hineingeschraubt.
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Ausserdem ist es zweckmässig, in den freibleibenden Spalt zwischen
der Isolierschicht 19 und der Isolierschicht 20, die beide zweckmässigerweise aus
einem Material, das mit dem Handelsnamen Teflon bezeichnet wird, bestehen können,
eine diesen Spalt ausfüllende zusätzliche Isoliereinlage 25 einzubringen.
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Zwecks Isolierung der Teile 17, 17' usw. gegen das gemeinsame Einbaurohr
3 werden alle in Reihe geschalteten Einzel-Kondensatoren an ihrem Zylinderumfang
mit einer gemeinsamen Isolierschicht 22, z.$. aus übereinandergewickelten,
über die ganze Breite reichenden Papierlagen bestehend, abgedeckt.
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Auch ist es zweckmässig, zwischen der Keramik-Isolierungsscheibe 4
und der äusseren Isolierung 20 des Ihr nächstliegenden Einzel-Kondensators 2 eine
zusätzliche Isolierung 23, z.B. aus einer Pressspanscheibe bestehend, vorzusehen.
| Sofern es erforderlich ist, wird zusätzlich zu dem federnden
Ring |
| z.B. an dem entgegengesetzten %de des Stoß-Kondensators zwischen |
| dem Boden der Verschlufwanne Q? und dem Boden 16=1I des zugehörigen |
| Einzel-Kondensators ein weiteres metallisches Federungsorgan
einge- |
| legt, das sowohl unterschiedlichen Längenänderungen der vier
EinZel- |
| I'ondensatoren. gegeniiber ihrem _i.nbaurohr 3 aufzunehmen,
als auch |
| einen einwandfreien, ele?-trisch 1roayialen honta'~_t gegenüber
dem .,Jan- |
| nenboden und damit über das Rohr 3 gegenüber dem äußeren Spannungs- |
| anschluß 7 zu vermitteln vermag. |
| Die Imprägnierung der 'Einzel-Kondensatoren erfolgt, wie üblich, |
| nach vorgenommenem Trockeneinbau; das Imprägnierungsmittel
selbst |
| ist zeichnerisch nicht dargestellt. |
| Nach erfolgtem Einbau der ;:-ii.üzel-J.ondensatoren in das
auch der |
| Stromrüclrführung dienende 2ohr 3 erfolgt dessen huffizllung
mit |
| entgaster Isolierflüssigkeit, die in der Zeichnung nicht darge- |
| stellt ist. |
| Die auf die Stirnseiten der ;J3ckel 15 usw. z.B. mittels Reiblotes |
| aufgebrachten Metall-Kontaktierungsschichten, diese etwa in
Kreuz- |
| form, sind nicht dargestellt. |
| Wie bereits erwähnt, sind die z.B. vorsichtig plan geschliffenen |
| Kontaktflächen dieser Schichten unter entsprechendem Preßdruc?t
un- |
| mittelbar an den Metalldeckel 18 bzw. den Metallboden 16 angedrückt |
| und mit diesen durch einen Lötvorgang einwandfrei kontaktsicher |
| verbunden. |
Auf Grund dieser Kontaktierungsart lässt sich eine geringe Eigeninduktivität
für den Einzel-Kondensator erreichen, dessen Rundwickel aus eben diesem Grunde einen
Durchmesser besitztg der grösser als seine Höhe ist.