DE1589549B2

DE1589549B2 - Elektrischer wechselspannungs-kondensator mit kunststoffbaender enthaltendem dielktrium

Info

Publication number: DE1589549B2
Application number: DE1967B0095003
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing 7310 Plochingen Hohn Richard Dipl Chem 7000 Stuttgart Maylandt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1967-10-18
Filing date: 1967-10-18
Publication date: 1972-06-22
Also published as: GB1183155A; CH510325A; DE1589549C3; SE340639B; FR1579934A; DE1589549A1

Description

einander zum Teil widersprechenden Angaben nachzuprüfen und zu klären, welche flüssigen Imprägniermittel für Kondensatoren aus verschiedenen Kunststoffsorten im Hinblick auf Qualität und Wirtschaftlichkeit besonders geeignet sind. Untersuchungen über die Änderung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften verschiedener Kunststoffbänder, die verschiedenen flüssigen Imprägniermitteln unter Ausschluß von Luftsauerstoff mit und ohne elektrische Belastung ausgesetzt wurden, haben gezeigt, daß die Lebensdauer eines imprägnierten Kunststoffdielektrikums unter sonst gleichen Bedingungen von der chemischen Zusammensetzung des Imprägniermittels, und zwar vorwiegend von seinem Gehalt an aromatischen Verbindungen abhängt. Es gibt Kunststoffe, für die Imprägniermittel mit hohem Aromatengehalt in Frage kommen, und andere Kunststoffe, die nur mit Tränkmitteln behandelt werden können, deren Aromatengehalt sehr gering ist. Zieht man weiterhin die chemische Struktur der untersuchten Kunststoffe selbst in Betracht, so ergibt sich bei gleicher Lebensdauer ein Zusammenhang zwischen dem Aromatengehalt der Kunststoffe und der Imprägniermittel, der im folgenden erläutert werden soll.

Die Strukturformeln für Polycarbonat, Polystyrol, drei verschiedene Sorten von Terephthalsäureestern, Polyäthylen und Polypropylen sind mit Angabe der Anteile C_A an aromatisch gebundenen und C_P an paraffinisch gebundenen Kohlenstoffatomen in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Kunststoff

Strukturformel

O
H

_ V
O
Il

η

O O
Il Il

η

[-CH₂-CH₂-J_n

—

f tr f^T-T
UrI₂ ^rI

η

Aromatisch
gebundener
Kohlenstoff C_A

Parafmisch
gebundener
Kohlenstoff C_p

Il /—\ Ii
— O—C—S V-C-O-CH₂-CH₂-

— 0—C—<^~\-C—0—(CH₂-CH₂-)₂

Polycarbonat

O O
μ Ii

η

75

25

- O-C-<^>-C-O-(CH₂-CH₂-)₃

Polystyrol

CH₃ O

75

25

-o-^Q^-c^Qy-o-c-

CH₃ 1

Polyäthylenglycol-
terephthalat

CH₃

60

40

Polybutylenglycol-
terephthalat

50

Polyhexamethylenglycol-
terephthalat

43

57.

Polyäthylen

—

100

Polypropylen

—

100

Ferner ist in F i g. 1 der Zusammenhang zwischen C^-Wert, Cp-Wert und Kunststoffsorte in Diagrammform dargestellt. Auf der Abszisse sind von links nach rechts steigende C_p-Werte von 0 bis 100% aufgetragen und außerdem die Kunststoffe der Tabelle 1 bei ihrem Cp-Wert eingetragen. Auf der Ordinate sind ebenfalls von 0 bis 100% die C^-Werte aufgetragen. Auf einer

65 die Endwerte von C_p verbindenden von links nach rechts fallenden Geraden kann also für jeden Kunststoff über dem entsprechenden C_p-Wert der dazugehörige Q-Wert abgelesen werden, wobei C₄ = 1 — C_p ist. Da dieses Diagramm nur für Kunststoffe gilt, sind in F i g. 1 die C_A- und
Index (K) versehen.

Cp-Werte mit dem zusätzlichen

: In Fig. 2 sind auf der Abszisse wie in Fig. 1 die Cp _(Ä)-Werte der Kunststoffe aufgetragen, auf der Ordinate jedoch die C_A _(T)-Werte, also der Anteil des aromatisch gebundenen Kohlenstoffs im Tränkmittel, welches bei Kunststoffen mit verschiedenen C_P(K)-Werten zu gleicher Lebensdauer führt. Über die Art der übrigen Anteile im Tränkmittel ist dadurch nichts ausgesagt, sie können aus aliphatischen und/oder naphthenischen Anteilen bestehen. Die zulässigen CAm'Werte des Tränkmittels liegen in dem schraffierten Streubereich. Ein Vergleich der Diagramme nach Fig. 1 und 2 zeigt das überraschende und theoretisch noch nicht völlig geklärte Ergebnis, daß bei abnehmendem C^_{4 (i0}-Wert eines Kunststoffes (Fig. I) der C^_{4 (T)}-Wert des Tränkmittels (Fig. 2) ansteigt. Der Zusammenhang zwischen C_A _(Γ)-Wert des Tränkmittels und C_P(K)-Wert eines Kunststoffes in Fig. 2 läßt sich durch die Beziehung darstellen:

A(T) ~

Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, ein Tränkmittel für Kondensatoren, deren Dielektrikum ganz oder teilweise aus Kunststoff besteht, so auszuwählen, daß die Beziehung

G A I ψ) = JV

-P(K)

erfüllt ist, wobei die Konstante K-Werte von 0,16 bis 0,33, vorzugsweise den Wert 0,2, und der Exponent n-Werte von 2,0 bis 3,0, vorzugsweise den Wert 2,5, hat. Aromatenanteile im Tränkmittel außerhalb der angegebenen Werte sind wegen der zunehmenden Verkürzung der Lebensdauer durch Auflösungserscheinungen, insbesondere bei höheren Aromatenanteilen, auszuschließen und niedrigere Aromatenanteile als die genannten Werte deshalb, weil mit zunehmendem Raffinationsgrad, also mit fallendem Aromatenanteil, der Preis des Imprägniermittels erheblich ansteigt.

Die erfindungsgemäße Auswahl des geeigneten Tränkmittels wird an folgenden Beispielen erläutert:

F i g. 3 zeigt, in gegenüber der Wirklichkeit verzerrten Größenverhältnissen den Aufbau eines Kondensators, dessen Belegungen aus Al-Folien 1 und 2 und dessen Dielektrikum aus je einem oder mehreren Polyäthylenglykolterephthalat-Bändern 3 und 4 bestehen. Der Anteil an paraffinisch gebundenem Kohlenstoff C_P(K) in diesem Kunststoff beträgt 40% gleich 0,4. Nach der angegebenen Beziehung errechnet oder aus Fig. 2 abgelesen ist für einen derartigen Kondensator ein flüssiges Tränkmittel mit einem Aromatengehalt C_A(T) von 1 bis 5%, vorzugsweise 2%, zu wählen. Als Tränkmittel kommt also gerade noch ein Transformatoröl mit einem Aromatengehalt von 5%, noch besser aber ein höher ausraffiniertes Mineralöl mit einem Aromatengehalt von 1 bis 2% in Frage. Der geforderte Aromatengehalt läßt sich auch durch Mischungen eines Tränkmittels mit höherem Aromatenanteil und eines höher ausraffiinierten Öls geringeren Aromatengehalts erreichen.

F i g. 4 zeigt den Aufbau eines selbstheilenden einlagigen Kondensators aus Polypropylenbändern 5 und 6, die jeweils auf einer Seite eine aufgedampfte Belegung 7 bzw. 8 tragen, und F i g. 5 den Aufbau eines ebenfalls verlustarmen selbstheilenden Kondensators, dessen einer Belag aus einer Al-Folie 10 und dessen anderer Belag aus einem doppelseitig bedampften Papierband 20 mit den aufgedampften Belägen 21 und 22 desselben Potentials besteht. Das Dielektrikum bilden Polypropylenbänder 13 und 14. Der Cj»_(JC)-Wert von Polypropylen beträgt 100% = 1,0. Für die Imprägnierung der Kondensatoren nach F i g. 4 und 5 ist erfindungsgemäß ein flüssiges Tränkmittel zu verwenden, dessen nach der angegebenen Beziehung errechneter oder aus F i g. 2 abgelesener C_MT)-Wert nicht höher als 33% und nicht kleiner als 16% ist. Als Tränkmittel kommt demnach beispielsweise ein Alkylbenzol mit 33% aromatisch gebundenem Kohlenstoff (z. B. Dodecylbenzol) oder ein Kondensatoröl mit einem C_A{T)-Wert von 16% in Frage. Auch Mischungen der beiden Stoffe mit einem Aromatengehalt zwischen 16 und 33% können verwendet werden.
Auch F i g. 6 zeigt den Aufbau eines verlustarmen selbstheilenden Kondensators, der zwei doppelseitig bedampfte Papierbänder 30 und 31 mit Belegungen 32 und 33 bzw. 34 und 35 jeweils gleichen Potentials und ein Dielektrikum aus Polycarbonatbändern 36 und 37 enthält. Gemäß F i g. 7 schließlich sind auf

je ein Papierband 40 und 41 Belegungen 42 und 43 aufgedampft. Die Papierbänder 40 und 41 sind ein Teil des Dielektrikums, dessen Rest ebenfalls aus je einem Polycarbonatband 44 und 45 besteht.

Der Anteil der in den Kondensatoren nach F i g. 6 und 7 enthaltenen Polycarbonatbänder an paraffinisch gebundenem Kohlenstoff beträgt C_P(K)25% =0,25. Erfindungsgemäß ist demnach ein Imprägnieröl mit einem Aromatengehalt C_MT) von 0,5 bis 2% zu verwenden, das z. B. aus einem hochausraffinierten Mineralöl mit einem Aromatengehalt von <ί 1 % bestehen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Kondensatoren mit Kunststoff-Dielektrikum müssen Patentansprüche: daher mit Rücksicht auf die hohen Betriebsfeldstärken und die meist hohen Betriebsspannungen von 380 V

1. Elektrischer Wechselspannungskondensator und darüber zwecks Vermeidung von schädlichen mit Kunststoffbänder enthaltendem Dielektrikum, 5 Glimmentladungen mit einem flüssigen Isoliermittel der mit einem flüssigen Imprägniermittel getränkt imprägniert werden, das die Zwischenräume zwischen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- den einzelnen Lagen des Dielektrikums und den sehen dem Anteil an paraffinisch gebundenem Kondensatorbelegungen ausfüllt.

Kohlenstoff C_P{K) im Kunststoff und dem Anteil Imprägniermittel, die sich bei Kondensatoren mit an aromatisch gebundenem Kohlenstoff C_A{T) im io Papier als Dielektrikum bewährt haben, sind jedoch Tränkmittel die Beziehung für Kondensatoren mit Kunststoff-Dielektrikum vielfach ungeeignet oder nur bedingt geeignet, weil sich der Kunststoff in den gebräuchlichen Imprägnierbesteht, wobei K-Werte von 0,16 bis 0,33, vor- mitteln entweder vollständig auflöst oder seine mechazugsweise den Wert 0,2, und n-Werte von 2,0 bis 15 nische und elektrische Festigkeit durch die Imprägnier-3,0 vorzugsweise den Wert 2,5 haben. mittel so verschlechtert wird, daß die Kondensatoren

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, nur eine kurze Lebensdauer haben. Besonders starke dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus Zersetzungserscheinungen zeigen Kunststoffbänder in Polycarbonat und das Tränkmittel aus einem den für Kondensatoren mit Papierdielektrikum vielhochausraffinierten Mineralöl mit einem Anteil 20 fach verwendeten chlorierten Diphenylen, deren polaan aromatisch gebundenem Kohlenstoff von 0,5 rer Charakter die Auflösung der Kunststoffe begünbis 2%, vorzugsweise ^ 1%, besteht. stigt. Andererseits sind aber auch Kondensator- und

3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, Transformatoröle auf Mineralölbasis nur bedingt dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus als Tränkmittel für Kondensatoren mit Kunststoff-Polyäthylenglykolterephthalat und das Tränk- 25 dielektrikum verwendbar. Beispielsweise sind in Konmittel aus einem Mineralöl mit einem Anteil densator-ölen, wie sie für selbstheilende MP-Kondenan aromatisch gebundenem Kohlenstoff von 1 bis satoren verwendet werden, bei manchen Kunststoffen 5%, vorzugsweise 2%, besteht. Auflösungserscheinungen zu beobachten.

4. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, ölimprägnierte Kunststoffdielektrika sind bei der dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus 30 Herstellung von Hochspannungskabeln versuchsweise Polypropylen und das Tränkmittel aus einer Isolier- schon verwendet worden. Die thermische und elekflüssigkeit mit einem Anteil an aromatisch gebun- irische Beanspruchung der Kunststoffe ist bei Kabeln denem Kohlenstoff von 16 bis 33% besteht. aber geringer als bei Leistungs-Kondensatoren.

5. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 Bekannt sind auch Kondensatoren, deren Belegunbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte 35 gen aus doppelseitig bedampften Papierbändern und Anteil an aromatisch gebundenem Kohlenstoff des deren Dielektrikum aus Kunststoffbändern bestehen Tränkmittels durch Mischung einer Isolierflüssig- (USA.-Patentschrift 3 346 789). Das Imprägniermittel keit mit höherem Anteil und einer Isolierflüssigkeit derartiger Kondensatoren ist bei Betriebstemperatur mit niedrigerem Anteil an aromatisch gebundenem fest, Lösungsvorgänge verlaufen dabei daher wesent-Kohlenstoff als der gewünschte Wert hergestellt 4° Hch langsamer. Wegen vorhandener Schrumpfungsist. . hohlräume im Imprägniermittel neigen diese Konden-

satoren jedoch zu Glimmentladungen und sind nur

bedingt für Wechselspannungsbelastung geeignet.

Bekannt sind auch Kondensatoren mit sogenanntem

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen 45 Mischdielektriukum, bei denen ein Teil des Papier-Wechselspannungskondensator mit Kunststoffbänder dielektrikums durch Kunststoff ersetzt ist, wobei über enthaltendem Dielektrikum, der mit einem flüssigen das Imprägniermittel nichts weiter ausgesagt ist, als Tränkmittel getränkt ist. daß es fest oder flüssig sein kann (deutsche Patent-Gleichspannungs-Kondensatoren, insbesondere sol- schrift 933 402). Hinsichtlich der geeigneten flüssigen ehe mit kleinen Kapazitätswerten und für Spannungen 50 Imprägniermittel für Kondensatoren wird lediglich unter 1000 V enthalten neuerdings an Stelle des früher ganz allgemein empfohlen, hoch ausraffinierte öle verwendeten imprägnierten Papiers ein Dielektrikum mit einem geringen Gehalt an aromatischen Verbinaus Kunststoffbändern ohne Imprägnierung. Dies gilt düngen zu verwenden. Solche öle sind auf Grund sowohl für Kondensatoren mit Belägen aus Metall- ihres Herstellungsverfahrens teuer. Man wird daher folien als auch für solche mit aufgedampften BeIe- 55 den Aromatengehalt einerseits nicht kleiner wählen gungen. ' als notwendig ist, andererseits hat sich aber gezeigt, Obwohl Kunststoffbänder wegen ihrer zum Teil daß es Kunststoffe gibt, für die gerade aromatenhaltige sehr niedrigen dielektrischen Verluste für Wechsel- öle geeignet sind.

Spannungskondensatoren besonders geeignet erschei- Aus den ausgelegten Unterlagen der am 12. 3. 1953 nen, geht die Umstellung von Papier auf Kunststoff 60 bekanntgemachten Patentanmeldung B 17 422 VIIIc/ insbesondere bei Leistungskondensatoren sehr lang- 21 g ist es bekannt, daß man vorteilhafterweise sam vor sich. Abgesehen von wirtschaftlichen über- Kondensatoren mit Kunststoffolien aus aromatischen legungen liegt der Grund dafür darin, daß noch Kohlenwasserstoffen mit aliphatischen Imprägniertechnische Schwierigkeiten im Wege stehen. Wegen mitteln, solche mit Kunststoffolien aus aliphatischen der im Vergleich zu Papier kleineren Dielektrizitats- 65 Kohlenwasserstoffen mit aromatischen Imprägnierkonstanten müssen Kunststoff-Kondensatoren glci- mitteln imprägniert.

eher spezifischer Leistung elektrisch höher belastet Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe

werden als Kondensatoren mit Papierdielektrikiim. gemacht, die Richtigkeit der bis jetzt bekannten,