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Mit einem Zusatz-Dielektrikum getränkter selbstausheilender elektrischer
Kondensator. Die Erfindung betrifft einen selbstausheilfähigen elektrischen Kondensator
mit einem Diolektrikum aus Kunststoff-Folien, dessen Belöge so dünn sind,
dass sie bei einem Kurzschluss und dem dabei entstehenden Lichtbogen an der Durchschlagstelle
wegbrennen und verdampfen und somit den Kurzschlußstrox zwangsläufig unterbrechen.
Papier als Kondensator-Dielektrikum genügt im allgemeinen auch heute noch den an
einen Kondensator zu stellenden Anforderungen, weil insbesondere der niedrige Preis
die zu einer weiteren @erbesserung des Dielektrikums notwendigen Mittel und Maßnahmen
ermöglicht. Doch die ständig steigenden Ansprüche auf kleine Abmessungen, hohe DK,
geringen Verlustfaktor, hohe Spannungsfestigkeit, hohe Betriebstemperatur, hohe
Zuverlässigkeit und Lebensdauer und einfache Verarbeitung zwingen allmählich immer
stärker zu einem Ausweichen auf geeignete Kunststoffe. So sind auch im Laufe
der
Zeit neue Kunststoffe entwickelt, untersucht und geprüft worden, so dass
heute bereits Kunststoff-Folien mit guten dielektrisehen und auch mechanischen Eigenschaften
und mit gleichmässigen Dicken bis herab zu etwa 3 pa hergestellt und verarbeitet
werden können. Leider sind nur wenige davon den beim selbstausheilenden gonden-
. _sator auftretenden_Beanapruehungen gewachsen, um den Kondensator auch nach etwaigen
Durchschlägen ohne Verschlechterung der elektrisehen Eigenschaften betriabsfähig
zu erhalten. In dem beim Durchschlag auftretenden-elektrischen Lichtbogen werden
nicht nur die bewusst dünn. gehaltenen und deshalb ausbrenafähigen Kondensator-Beläge
an. der Kurzsehlußstelle verdampft, sondern. auch das im allgemeinen aus Kohlenwasserstoffen
oder -derivaten bestehende Dielektrikum, das bei der hohen Lichtbogen-Temperatur
(2000o0 bis 4000°0) gasförmige Zersetzungsprodukte abspaltet, die u. a. auch
elektrisch
leitende (kohlenstoffhaltige) Rückstände bilden, welche den Isolationswiderstand
und den Verlustfaktor verschlechtern und schliesslich zur Zerstörung des Kondensators
führen. Man hatte sich lange Zeit damit-abgefunden, dass gerade solche besonders
guten Dielektrika, also Kunststoffe mit guten dielektrischen Eigenschaften, grosser
Gleichmässigkeit und Dichte, glatter Oberfläche und ausserordentlich geringer Dicke,
für selbstausheilende Kondensatoren nicht brauchbar wären und man. sich deshalb
mit solchen begnügen müsste, die zwar dielektrisch nicht so gut, dafür aber beim
elektrischen Durchschlag keine leitenden Rückstände (Kohlenst-offbrücken oder dergleichen)
bildeten. Diese Richtlinien galten für das Dielektrikum ganz allgemein, d: h. sowohl
für feste als auch für flüssige Bestandteile. Es sei hier u. a. auf das dafür richtungsweisende
DBP 85.7.986-verwiesen.-Die Entwicklung auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente
konnte sich natürlich mit dieser bloßen Erkenntnis nicht abfinden und den ganzen
Pragenkomplez der Kunststoff-Dielektrika für selbstausheilende Kondensatoren ungelöst
lassen. Eingehende Untersuchungen der chemischen Vorgänge beim Selbstheilefiekt
ergaben, dass eine doppelte Aufgabe gelöst werden muss, nämlich erstens, die leitenden
Zersetzungsprodukte in nichtleitende umzuwandeln, und zweitens, die gasförmigen
Zersetzungsprodukte rechtzeitig in mehr oder weniger teste oder flüssige umzuwandeln
oder - wenn schon nicht gänzlich zu verhindern - dann doch in ihrer Ausdehnung ausreichend
klein zu halten. Zu diesem Zwecke muss an der jeweiligen Durchschlagstelle ausser
dem eigentlichen Kunststoff- Dielektrikum mindestens noch ein weiterer fester oder
flüssiger Isolierstoff (z. B. als Zusatzdielektrikum) vorhanden sein, der erst im
Lichtbogen die Bestandteile abspaltet, die zur Bindung und ünachädlichmachung der
Zersetzungsprodukte des Hauptdielektrikums notwendig sind. Hierzu sei auf die am
12.3.1953 bekanntgemachte-deutsche Patentanmeldung B 17422-21g-10/02 verwiesen.
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Obwohl man sich klar darüber geworden war, dass nur bei gleichzeitiger
Verhinderung von-leitenden Rückständen und Gasblasen oder
wenigstens
Beschränkung auf ein tragbares Maß ein brauchbarer,
selbstausheilender
Kondensator geschaffen-werden kann, ging man .do.ch zunächst
den beiden Problemen einzeln.zu Leibe, wobei die
Gasbildung ;im Vordergrund
stand. Von den diesbezüglichen Vorschlä-
gen sei die bereite erwähnte
Patentanmeldung B 17422 genannt. Ande-re Veröffentlichungen berichten
von der Bedeutung der ungesättigten
aromatischen Kohlenwasseratoffe
oder Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die besonders leicht die im elektrischen
Lichtbogen entstehenden
gasförmigen Zersetzungsprodukte anzulagern vermögen
(vgl: u. a. . DAS 1085968, DAS 1031889 und in gewisser Beziehung
auch DAS 1149823) Es wurde auch schon vorgeschlagen, wenigstens eine Ausdehnung
der
bei der Zersetzung im elektrischen Lichtbogen entstehenden Gasbla-
sen
dadurch*zu verhindern oder zu beschränken, dass dem Tränkmittel
Stoffe beigemischt werden, die nach der Aufspaltung Kristalle bil-
den
(vgl. DBP 827664 und DAS 1047315'). Schliesslich ist auch ein selbstausheilender
Kondensator bekannt geworden, der aus-zusammengesetzten Kunststoffschichten
aufgebaut ist, wovon das eigentliche
Kondensator-Dielektrikum (u.a.)
aus einer dielektrisch guten Kunststoff(Lack)-Schicht besteht,
der eine. weitere, insbesondere gas-
abgebende Kunatstoff(Lack)-Sehicht
zugeordnet ist, deren Bestandteile die schädlichen Zersetzungprodukte
zu binden vermögen. Hier-
zu seien die DAS 1181326, 1158178, 1167984
und 1226210 genannt.
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Das andere Problem, nämlich die Umwandlung der bei der Zersetzung im
Lichtbogen entstehenden leitenden Rückstände in nichtleitende
Verbindungen,
glaubte man durch die bloße Zugabe eines entsprechen-
den Zusatz-Dielektrikume
gelöst zu haben (vgl. u. a. DAS 1022694), aber neuere Untersuchungen haben ergeben,
dass die im Lichtbogen
aus dem Zusatz-Dielektrikum abgespalteten Zersetzungsprodukte
für
die Umwandlung der leitenden Rückstände such im ausreichenden Um-
fange
vorhanden sein müssen. Hierzu sei auf die DAS 1166174, DAS
1171532 und
DAS 1223059 verwiesen, wonach im Palle der Zersetzung
an der
Durchschlagstelle eine ausreichende Menge von Sauerstoff und/oder Wasserstoff
für die vollständige Bindung der abgespaltenen
Kohlenstoffatome (leitende
Rückstände) und gegebenenfalls auch gleichzeitig für die Bindung der freien Wasserstoffatome
(Gasblasen;
zur Verfügung stehen muss. Inder DAS 1166374
wird zum Beispiel eine Deckschicht aus Acetylcellulose, Äthylcellulose, Acetobutyrat
oder Polyäthylenterephthalat für die das Hauptdielektrikum bilden-de Kunststoff-Folie
aua Polystyrol oder Polycarbonat vorgeschlagen. In der DAS 1171532 ist-dieser Vorschlag
dahingehend erweitert, dass, um eine Verschlechterung der DK des Dielektrikums zu
vermeiden, dieser_ausgesprbchene zwar auch in unmittelbarer Nachbarschaft des ausbrennfähigen
Belags, jedoch im feldfreien Raum, z. B. zwischen zwei auf gleichem elektrischen
Potential liegenden Belägen, als Schicht oder Folie untergebracht werden soll. Nach
der DAS 1223059 soll als "Sauerstoff/-Wasserstoff-Speicher" die durch entsprechende
Behandlung mit Sauerstoff und/öder Wasserstoff angereicherte Oberfläche der dielektrischen
Kunststoff-Folie dienen, so dass damit eine zusätzliche Kunststoffschicht oder -folie
eingespart werden kann. Aber auch diese Lösungen haben bisher noch keinen Weg in
die Praxis finden könneng- weil sie mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden
sind und der komplizierte Aufbau des Kondensators zusätzliche Arbeitsgänge
und besondere Vorrichtungen erfordert, so dass allein schon aus wirtschaftlichen
Gründen solche Kondensatoren keinen vernünftigen Ersatz für den Papierkondensator
bieten können.
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Die Erfindung gibt nun eine Lehre für die Herstellung eines
selbstausheilenden Kondensators mit einem Dielektrikum aus Kunststoff-Folien, beidem
sowohl die guten dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe
nutzbar gemacht werden als auch in ihrem Zusammenwirken eine gute Ausheilfähigkeit
gewährleistet ist, der jedoch die vorerwähnten Nachteile des bekannten Kondensators
nicht .
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aufweist, sondern im Aufbau einfach und billig und zuverlässig . ist.
Ausgehend von der Erkenntnis, dass für eine gute Regenerierfähigkeit der'Sauerstoff/Wasserstoff-Haushalt
("Sauerstoffbilanz") der-an der jeweiligen Durchschlagstelle vorhandenen Stoffe
entscheidende -Bedeutung-besitzt und es darauf ankommt, dass im elektrischen hichtbogen-mindestens,soviel
.Sauerstoff oder Wasserstoff abgespalten.wird, wie zur,volletändigen Anlagerung
.der gleichzeitig abge.spaltenen.Kohlenstoffatome zur Bildung von unschädlichen
Verbindungen
erforderlich ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen;
den .Kondensator mit einem (festen) Kunststoff-Dielektrikum in Form von metallisierten
Kunststoff-F0lien mit guten dielektrischen (und mechanischen) Eigenschaften aufzubauen
und mit einem (flüssigen) Zusatz=Dielektrikum zu tränken, das nicht nur die mehr
oder ;weniger unvermeidbaren Zwischenräume in den einzelnen Wicklungslagen ausfüllen
soll, sondern außerdem im elektrischen Lichtbogen Sauerstoff-und/oder Wasserstoff
in ausreichendem Maße abspaltet. Umfangreiche und über längere Zeiträume durchgeführte
Versuche mit aus met allisierten-Polycarbonat-Folien gewickelten und mit Methyl-Poly=
siloxanen mit verhältnismäßig niedrigem Polymerisationsgrad (etwa 300) getränkten
Kondensatoren haben selbst höchste Erwartungen noch übertroffen. Da das Herstellungs-Verfahren
rein arbeitsmäßig praktisch das gleiche wie bei den Papier(MP)-Kondensatoren ist
und der geringe Mehrpreis des verwendeten Tränkmittels durch die viel geringere
Menge (weil im Gegensatz zu MP-Kondensatoren bei Kunststoff-Pol-ien-Kondensatoren
nur die Zwischenräume in den einzelnen''Nicklungslagen ausgefüllt zu werden brauchen)
mehr als ausgeglichen wird, ist mit der Erfindung ein -selbstausheilfähiger Kondensator
herstellbar, der außer wesentlich besseren und stabileren elektrischen und mechanischen
Eigenschaften gegenüber dem MP-Kondensator gleicher Leistung (Kapazität, Betriebsspannung
usw:) wesentlich kleinere Abmessungen besitzt.-Obwohl der erfindungsgemäße Kondensator
sich rein äußerlich von dem-bekannten grundsätzlich nicht unterscheidet, weil die
Erfindungsmerkmale in der Art der verwendeten Werkstoffe begründet sind, soll doch
einzeichnerisch wiedergegebenes Ausführungsbeispiel kurz erläutert werden:' In diesem
Falle handelt es sich um einen Kondensator mit-einem zylinderförmigen Metallgehäuse
(1), das an einem Ende.geschlossen ist und in einen-zentralen, im allgemeinen
mit dem Gehäuse in einem Stück gespritzten Anschlußbolzen (2) mündet. Unter den
Rand des zunächst offenen anderen Endes des Zylinder-Bechers ist nach erfolgten
Einbau des (nachträglich) zu tränkenden Kondensator-Wickels (3) der Abschlußdeckel
(4) feuchtigkeitsdicht untergebÖrdelt. Dieser (Isolierstoff-)Deckel trägt die Kondensator-Anschlußteile,
die
mit durch den Deckel Teichenden Hohlnieten (5) befestigt sind. Durch diese Hohlniete
sind die anschliessend mit ihnen feuchtigkeitsdicht verlöteten Wickel-Anachlusaleiter(-Drähte)
geführt. Soweit keine besonderen Öffnungen im Deckel vorgesehen sind, dienen die.
zunächst noch offenen Hohlniete gleichzeitig für die Evakuierung, Trocknung und
Tränkung des Kondensator-Inneren, insbesondere des eingebauten Kondensator-Wickeln.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit der Erfindung die hervorragenden
Eigenschaften bestimmter Kunststoffe für selbstausheilende Kondensatoren erstmalig
ohne besonderen Aufwand voll ausgenutzt werden können, so dass damit sowohl in technischer
als auch in wirtschaftlicher Hinsicht ein wesentlicher Fortschritt in der Kondensator-Technik
erreicht worden ist.