DE1950593C3 - Elektrischer Kondensator - Google Patents
Elektrischer KondensatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Metall- und
Dielekirikumsschichten und mit einem undurchsichtigen, luftdichten Gehäuse, bei dem das Dielektrikum aus
mit Epoxidharz imprägniertem festem isolierendem Material besteht
Bei Kondensatoren dieser Art besteht das Dielektrikum aus poröser Zellulose, z. B. Holzfaserpapier, oder
aus Kunststoff, z. B. Polyethylenterephthalat, oder einer Kombination dieser Materialien, imprägniert mit
flüssigem Epoxidharz, das anschließend gehärtet wird. Da dieses Imprägniermittel eine relative Dielektrizitätskonstante hat, die höher als die der Luft ist, die anfangs
in den Poren des isolierenden Materials vorhanden ist, wird die endgültige Dielektrizitätskonstante verbessert
Aus der FR-PS 1415157 ist ein elektrischer -to
Kondensator bekannt, der als Imprägniermittel eine flüssige Halogenverbindung, insbesondere Trichlordiphenyl enthält der als Stabilisierungsmittel eine geringe
Menge Dipentendioxid zugesetzt worden ist. Dipentendioxid enthält zwar zwei Epoxidgruppen pro Molekül,
es handelt sich jedoch um eine monomere Verbindung (Molekulargewicht etwa 168), die wasserlöslich ist und
nicht den Epoxidharzen, sondern eher den Terpentinölen zuzuordnen ist.
Halogenhaltige synthetische UIe wie Chlordiphenyle
haben eine günstige Dielektrizitätskonstante, meist der Größenordnung 5, und die Verlustwinkel sind akzeptabel, aber sie lassen sich nicht für Gleichstrom benutzen,
da die Elektrolyse dieser Öle und die Lichtbogenwirkung Chlorionen auslösen würden, wodurch gegebenen-
falls Salzsäure entstehen könnte, die das Metall der Beläge und der Verbindungen und das Dielektrikum
schnell angreifen und den Kondensator vernichten würde.
Diese ölüe sind auch bei selbstheilenden Kondensate»- ho
ren mit aufgebrachten Metallschichten als Beläge nicht verwendbar, da die Entladungen während der Regenerierung des Dielektrikums ebenfalls Chlorverbindungen
auslösen würden. Diese Öle sind außerdem besonders polar und lassen sich nicht bei allen Frequenzen (ή
verwenden
Aus den FR-PS 13 60 65! und 13 79 409 ist es auch
bekannt, als Imprägniermittel Epoxidharze zusammen
mit verschiedenen Hilfsstoffen, insbesondere Härtungsund Beschleunigungsmitteln zu verwenden, wobei die
Epoxidharze nach der Imprägnierung polymerisiert werden. Das entstandene Dielektrikum ist daher
vollkommen fest In vielen Fällen wirkt jedoch ein festes Dielektrikum nicht zufriedenstellen. Bei hoher Wechselspannung und bei Entladungen hoher Energie ist
vielmehr eine niedrige Viskosität erwünscht, die z. B.
einem Maximum von 100 Pa · s bei der Umgebungstemperatur entspricht
Ein festes Dielektrikum überträgt die elektrodynamischen Kräfte infolge der Wechselperioden und der
Entladungen auf die Metallschichten der Beläge, wobei die geringe Dicke der Metallschichten diese besonders
verletzbar macht Außerdem bringen die Kontraktionen und die Bildung von Gasblasen während der Polymerisierung der Harze die Gefahr einer Gasionisierung mit
sich und die Schwellenspannung wird erniedrigt; hingegen werden bei einem flüssigen und flüssig
bleibenden Imprägniermittel die ausgelösten Gase entweder durch Abfuhr oder durch Absorption im
Imprägniermittel entfernt, während die Sehweilenspannung höher ist
Zudem ist die Erscheinung der dielektrischen Hysterese, die bei Wechselstrom ftoher Frequenz
Verluste hervorruft bei einem festen Dielektrikum beträchtlich stärken
Die Viskosität des Imprägniermittels soll auch nicht zu niedrig sein, da ein zu dünnflüssiger Stoff durch die
bei den Entladungen auftretenden Drücke aus dem porösen Feststoff verdrängt werden könnte. Eine
Viskosität von mehr als 03 Pa · s bei Umgebungstemperatur ist in den meisten Fällen vorteilhaft
Die polymerisierten Epoxidharze, die bisher bei Kondensatoren mit festem Dielektrikum verwendet
worden sind, genügen den vorerwähnten Anforderungen nicht
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das
Imprägniermittel eine erhebliche Kapazitätserhöhung herbeiführt ohne daß die Kondensatorverluste entsprechend erhöht werden, und dessen Viskosität bei Betrieb
mit Wechselstrom hoher Frequenz oder bei Hochleistungsentladungen in einem günstigen Bereich bleibt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Epoxidharz ein härtemittelfreies, lineares,
flüssiges Epoxidharz ist, dessen Polymerisierungsgrad zwischen 0 und 1,2 liegt, dessen Viskosität bei der
niedrigsten Betriebstemperatur des Kondensators gleich oder kleiner als 600 Pa ■ s <si und dessen
Viskosität bei der höchsten Betriebstemperatur des Kondensators kleiner als 100 Pa · s ist.
Um die günstigste Kombination von Merkmalen zu erzielen, werden erfindungsgemäß Epoxidharze verwendet, die im allgemeinen als Ausgangsprodukt zur
Mischung mit einem Zusatzprodukt für die nachherige Polymerisation in einem Zustand benutzt werden, in
dem ihre lineare Struktur einer günstigen Viskosität entspricht und in dem sie thermoplastisch und nicht
thermohärtend sind, wobei jedes Härtungs- oder Beschleunigungsmittel, wie diese gewöhnlich benutzt
werden, und jedes andere Polymerisierungsmittel weggelassen werden.
Unter Epoxidharz soll hier ein Gießharz cies
Äthoxylintyps verstanden werden, das käuflich erhältlich ist und das meistens durch Kondensationsreaktion
eines Epihalohydrins, wie Epichlorhydrin mit Polyhydroxiverbindungen, wie Diphenylolpropan oder Glykol
hergestellt wird. Die Struktur dieser Harze läßt sich durch folgende Formel darstellen:
CH2-
\
\
-CH-R—
Ο — Ar— O — R-CH — CH2
OH — O — Ar—0 — R-CH —=— CH2
R ein aliphatisches Radikal,
Ar eine aromatische Gruppe und
π den Polymerisierungsgrad bezeichnen, der bei den
nach der Erfindung verwendeten Harzen wie gesagt zwischen 0 und 1,2 liegt
Die Bezeichnung »Epoxidharze« soll auch diejenigen Epoxidharze umfassen, die cycloaliphatische Harze
genannt werden und deren Epoxidfunktionen durch Oxidation von Doppelbindungen hergestellt werden.
Die relative Dielektrizitätskonstante der bei der Erfindung verwendeten Epoxidharze ist wenigstens
gleich 3 und liegt vorzugsweise zwischen 5 und 12. Die
Epoxy-Äquivaienz ist höchstens gleich 300. Der Verlustwinkel tg δ ist niedriger als 0,02 und vorzugsweise
niedriger als 0,01.
Ein Kondensator, dessen Dielektrikum aus Papier besteht, das nach der Erfindung mit einem nicht
polymerisierten Epoxidharz imprägniert ist, hat eine Reihe günstiger Eigenschaften. Die resultierende
Dielektrizitätskonstante des imprägnierten Dielektrikums ist beträchtlich höher als die des nicht
imprägnierten Dielektrikums und bei einem Füllfaktor des Dielektrikums vüt 0,25 kann die Kapazitätserhöhung
mehr als 65% erreichen, während die Erhöhung bei dem gleichen Kondensator mit Mineralölimprägnierung
nur 12% betragen würde. Außerdem bleiben die
Verluste niedrig, sogar bei hohen Frequenzen.
Im Vergleich zu den gleichen Harzen, die jedoch in bekannter Weise nach der Imprägnierung polymerisiert
worden sind, ist die relative Dielektrizitätskonstante besser, wobei die Ionisierungsschwelle erheblich höher
liegt, z. B. 1200 V anstatt 300 Veft bei 50 Hz bei einem
Kondensator mit drei Dielektrikumsschichten mit je einer mittleren Dicke von 10 (im.
Die Viskosität bei den Betriebstemperaturen liegt bei den Betriebsarten mit Wechselstromentladungen oder
Hochspannungen in einem günstigen Bereich.
Die chemische Stabilität der Harze ist vorzüglich, sie zeigen keine Oxidationsneigung und die meisten ihrer
physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften sind genauso gut wie die der Mineralöle oder
der bekannten synthetischen öle.
Ein Epoxid-Gießharz hat z. B. bei einer Frequenz von 50 Hz im flüssigen Zustand eine Dielektrizitätskonstante
von 8 bis 20, während dieses Harz im polymerisierten Zustand eine Dielektrizitätskonstante von etwa 4
aufweist.
Diese Harze haben außerdem im nicht polymerisierten Zustand einen Verlustwinkel der Größenordnung
von 10~2 und die Viskosität liegt sowohl bei der
Imprägnierungstemperatur als auch bei der Betriebstemperatur im optimalen Bereich.
Wettere Vorteile bestehen darin, daß diese flüssigen
Harze keine Halogenionen auslösen, daß ihre Erstarrungstemperatur nötigenfalls beträchtlich niedriger als
die der synthetischen öle sein kann und daß ihre Dampfspannung stets sehr niedrig ist.
Die üblicherweise vor der Imprägnierung dem Harz zugesetzten Härtungsmittel, die gemäß der Erfindung
nicht verwendet werden, dürfen nicht durch irgendein anderes Polymerisierungsmittel ersetzt werden. Die
ίο Aufrechterhaltung des nicht polymerisierten Zustands
des Harzes nach der Imprägnierung erfordert es außerdem, daß das Imprägniermittel vor polymerisierend
wirkenden Einflüssen, wie Feuchtigkeit, Sonnenstrahlung, anderen Strahlungen, zu hohen Drücken oder
Temperaturen, geschützt wird. Diese Bedingungen
werden durch die undurchsichtigen, luftdichten Gehäuse
erfüllt, wie diese meistens bei Kondensatoren mit flüssigem Imprägniermittel benutzt werden, um das
Dielektrikum vor der Atmosphäre und äußeren Strahlungen zu schützea
Andererseits können die verwendeten Harze mehr oder weniger komplex sein und gegebenenfalls modifiziert
werden, sofern durch die Modifizierung kein Chlor eingeführt und keine Möglichkeit einer Polymerisierung
bewirkt wird. Das Harz kann z. B. durch Veresterung modifiziert werden; es kann z. B. mit einer sehr geringen
Menge eines anderen geeigneten Harzes vermischt werden. Diese Abänderungen oder Zusätze dürfen nicht
zu Viskositätswerten oder elektrischen Eigenschaften
jo außerhalb der vorerwähnten Grenzen führen.
Die Bedingung der Nlchtpolymerisierung sowie die vorerwähnten Grenzwerte gelten wenigstens für die
berechnete Lebensdauer des Kondensators.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert Ein elektrischer Kondensator besteht aus zwei streifenförmigen Dielektrikumsschichten mit je einer leitenden Metallschicht, die gemäß dem bekannten Herstellungsverfahren für Wickelkondensatoren gewickelt werden. Das imprägnierte, feste, biegsame, poröse Material des Dlslektrikams besteht z. B. aus Zellulosepapier und/oder Polyethylenterephthalat. Es lassen sich aber alle dielektrischen Materialien, die üblicherweise in imprägnierten Kondensatoren als festes Dielektrikum Anwendung finden, auch hier vorsehen. Die als Beläge dienende Metallschichten weisen die Form von Metallstreifen auf, die mit den dielektrischen Streifen zusammengewickelt werden. Sie können auch durch aufgebrachte Metallschichten gebildet werden. Im letzteren Falle kann der Kondensator so ausgelegt sein, daß er Selbstregenerierungseigenschaften aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert Ein elektrischer Kondensator besteht aus zwei streifenförmigen Dielektrikumsschichten mit je einer leitenden Metallschicht, die gemäß dem bekannten Herstellungsverfahren für Wickelkondensatoren gewickelt werden. Das imprägnierte, feste, biegsame, poröse Material des Dlslektrikams besteht z. B. aus Zellulosepapier und/oder Polyethylenterephthalat. Es lassen sich aber alle dielektrischen Materialien, die üblicherweise in imprägnierten Kondensatoren als festes Dielektrikum Anwendung finden, auch hier vorsehen. Die als Beläge dienende Metallschichten weisen die Form von Metallstreifen auf, die mit den dielektrischen Streifen zusammengewickelt werden. Sie können auch durch aufgebrachte Metallschichten gebildet werden. Im letzteren Falle kann der Kondensator so ausgelegt sein, daß er Selbstregenerierungseigenschaften aufweist.
Das Belagmetall ist z. B. Aluminium, aber andere Metalle wie Zink oder Zinn sind nach Wahl anwendbar.
Die Verwendung des Imprägniermittels bedeutet keinesfalls eine Beschränkung in bezug auf die Dicke
der Schichten der Beläge oder des Dielektrikums. In diesem Beispiel wird eine Papierschicht mit einer Dicke
zwischen 2 und 30 μηι sowie eine Metallschicht mit einer
Dicke bis zu 100 μΐη angewendet.
Die Schichten des Kondensators werden aufgewikkelt
und die Anschlüsse werden gemäß der gebräuchlichen Technik angebracht. Die erhaltene Wicklung wird
in einem Gehäuse untergebracht und mit einem reinen, flüssigen Harz imprägniert, das kein Härtungsmittel
enthält, so daß die zeitliche Stabilität der Viskosität lediglich in Abhängigkeit von der Temperatur sichergestellt
ist.
Die Imprägnierung erfolgt mit den bei solchen
Verfahren üblichen Vorkehrungen, Der Kondensator wird vorher im Vakuum bei einer Temperatur von
1000C oder höher getrocknet Das Imprägnierharz wird ebenfalls im Vakuum entgast, und zwar bei einer
Temperatur, bei der seine Dampfspannung niedriger als
der erreichte Minimaldruck bleibt. Diese Dampfspannung ist besonders niedrig, so daß die Entgasung einen
hohen Grad erreichen kann.
Die Imprägnierung wird sofort und ohne Druckerhöhung bei einer Temperatur durchgeführt, die von dem
verwendeten Material abhängt und die in den meisten Fällen etwa 85° C beträgt
Die für die Imprägnierung verwendeten Epoxidharze können übliche Ausgangsprodukte sein, die käuflich
erhältlich sind und die an sich anschließend polymerisiert werden können, aber es wird dabei kein einziges
üblicherweise zur Polymerisierung zugesetztes Produkt benutzt
Die so erhaltenen Hochleistungskondensatoren zeigen im allgemeinen bessere Eigenschaften im Vergleich
zu vergleichbaren Kondensatoren mit den bekannten Imprägniermitteln, die durch die bekannten Techniken
hergestellt werden.
Die nachstehende Tabelle zeigt vergleichsweise erhaltene Meßwerte für vier Kondensatoren mit
flüssigen Imprägniermittel für hohe Spannungen, die mit Ausnahme des Imprägniermittels identisch sind und die
ein komplexes Dielektrikum aus Papier und Poiyäthylenterephthalat sowie Beläge aus Aluminium mit einer
Dicke von 8 um enthalten.
Die Schichten des festen Dielektrikums und die Metallschichten der Beläge wurden aufgewickelt und in
einem luftdichten Gehäuse untergebracht
Die Kondensatoren wurden Aufladungs- und Entladungsprüfungen
in einem Widerstandskreis von 1 Ω mittels Reihen von Stoßen mit einer Frequenz von 10
pro Minute bei zunehmenden Spannungen bis zur Maximalspannung für jeden Kondensator unterworfen.
| Kondensator | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 4 | |
| Nr. 1 | Diphenylchlorid | Mineralöl | Polyiso | |
| Imprägniermittel | ein handelsübliches | butylen | ||
| Epoxidharz, rein, | ||||
| nicht polymerisiert | 13,8 | 12,1 | 12,2 | |
| Kapazität in μΡ | 13,8 | 23% | 7% | 8% |
| Erhöhung durch Imprä | 23% | |||
| gnierung | 5000 V | 5000V | 5000V | |
| Max. Prüfspannung | 7000 V | 60.10~4 | 25.10"4 | 30.10"4 |
| Verlustwinkel 50 Hz | 35. ΙΟ"4 | 14 000 | 50 000 | 40 000 |
| Zeitkonstante in Sekunden | 18 000 | |||
Es zeigt sich, daß der Kondensator Nr. 1, der erfindungsgemäß mit einem Harz imprägniert ist das
üblicherweise zur Polymerisierung bestimmt ist das aber nicht polymerisiert worden ist die günstigsten 40 versehen sind.
Eigenschaften aufweist Die Kapazität ist hoch und die
Verluste sind gering. Dieser Kondensator kann höheren Spannungen standhalten als die anderen Kondensatoren,
die mit bekannten flüssigen Imprägniermitteln
Claims (2)
1. Elektrischer Kondensator mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Metall- und Dielektrikumsschichten und mit einem undurchsichtigen, luftdichten Gehäuse, bei dem das Dielektrikum aus mit
Epoxidharz imprägniertem festem isolierendem Material besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß das Epoxidharz ein härtemittelfreies, lineares, flüssiges Epoxidharz ist, dessen Polymerisierungsgrad zwischen 0 und 1,2 liegt, dessen Viskosität bei
der niedrigsten Betriebstemperatur des Kondensators gleich oder kleiner als 600 Pa · s ist und dessen
Viskosität bei der höchsten Betriebstemperatur des Kondensators kleiner als 100 Pa · s ist
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz eine relative
Dielektrizitätskonstante zwischen 5 und 12 aufweist
20
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| FR169422 | 1968-10-10 |
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| Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=8655505
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Families Citing this family (2)
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
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- 1969-10-10 GB GB1230518D patent/GB1230518A/en not_active Expired
Also Published As
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