DE2310807C2

DE2310807C2 - Imprägniermittel für Kondensatoren

Info

Publication number: DE2310807C2
Application number: DE2310807A
Authority: DE
Inventors: Ralph Howard Webster Groves Mo. Munch
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1973-03-05
Publication date: 1982-04-08
Also published as: BE796293A; GB1383133A; IT981133B; CH598688A5; SE381360B; FR2188259B1; CA1001838A; BR7301613D0; DE2310807A1; FR2188259A1; NL7303042A; ES412256A1; SU567179A1; AR198405A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Imprägniermittel für Kondensatoren, enthaltend ein Gemisch eines Diarylsüifons und einer aromatischen, organischen Verbindung.

Die üblichen elektrischen Kondensatoren enthalten eine Kombination von in räumlichem Abstand gehaltenen Metallfolien mit einem dazwischen angeordneten, flächenhaften Dielektrikum, das Papier, eine polymere Folie oder eine Kombination von Papier und polymerer Folie sein kann. Das Dielektrikum selbst und Zwischenräume innerhalb des Dielektrikums und zwischen dem Dielektrikum und den Metallfolien sind mit einem flüssigen, dielektrischen Mittel imurägniert. Eine solche Imprägnierung ist erforderlich, um die maximale Durchschlagfestigkeit des Kondensators λι erreichen.

Die bevorzugten dielektrischen Mittel zum Imprägnieren von Kondensatoren waren bisher polychlorierte Biphenyle, die eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante und gute Tieftemperatureigenschaften aufweisen.

Aus der CH-PS 2 68 032 ist ein Imprägniermittel für Kondensatoren bekannt, das ein Gemisch eines Diarylsulfons und einer aromatischen, organischen Verbindung enthält. In der DE-OS 15 89 549 wird ferner ein Kondensator aufgezeigt, der mit einer halogenfreien Flüssigkeit imprägniert ist, die aus einem Gemisch besteht, dessen einer Bestandteil eine halogenfreie, aromatische, organische Verbindung ist. Aus der DE-OS 14 89 927 ist es ferner bekannt, einer Imprägnierflüssigkeit für Kondensatoren ein Epoxidharz zuzusetzen. Schließlich zeigt die US-PS 34 24 957 einen Kondensator auf, der mit einem, dem aus der CH-PS 2 68 032 bekannten Gemisch entsprechenden Mittel imprägniert ist.

Es wurde nun neuerdings festgestellt, daß häufig als Imprägniermittel für Kondensatoren eingesetzte, polychlorierte Biphenyle gegenüber einem natürlichen Abbau resistent sind, und daß diese Materialien nach dem Deponieren in den Biozyklus eintreten und daher umweltschädlich sind. Obgleich Kondensatoren gut abgedichtet sind, werden im Freien abgelagerte, nicht mehr gebrauchsfähige Kondensatoren irgendwann schließlich doch zerstört und geben das Imprägniermittel an die Umwelt ab. Es wäre daher im Hinblick auf die immer schärfer werdende Gesetzgebung zum Schütze der Umwelt in hohem Maße erwünscht, ein Imprägniermittel für Kondensatoren zur Verfügung zu haben, welches die potentiell schädlichen, polychlorierten Biphenyle nicht enthält

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Imprägniermittel für Kondensatoren, enthaltend ein Gemisch eines Diarylsulfons und einer aromatischen, organischen Verbindung zu schaf-ο fen, das biologisch leicht abgebaut wird.

Diese Aufgabe wurde nun gemäß Erfindung so gelöst, daß das Imprägniermittel für Kondensatoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als aromatische, organische Verbindung eine halogenfreie Verbindung aufweist, die aus der Gruppe: Alkylbenzol, Alkylnaphthalin, Alkylbiphenyl, Alkylpolyphenyl, Alkylaryläther und deren alkylsubstituierte Derivate, Diarylalkane und deren alkylsubstituierte Derivate und Diarylether und deren alkylsubstituierte Derivate ausgewählt ist, wobei die Alkyl- und Alkangruppen 1 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisen, die Arylgruppen Phenyl, Naphthyl, Biphenyl oder Polyphenyl sind und die Polyphenyle 3 bis 5 Phenylgruppen besitzen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Imprägniermittel ein Gemisch aus Tolylxylylsulfon und Isopropylbiphenyl.

Das Imprägniermittel gemäß der Erfindung kann bei nach Standardverfahren hergestellten Kondensatoren verwendet werden. Das dielektrische, flächenhafte

jo Material, das zwischen den Metallfolien angeordnet ist, kann Papier, eine Folie aus einem polymeren! Material, wie Polypropylen, oder eine Kombination von Papier und Folie sein. Derartige mit dem Imprägniermittel gemäß der Erfindung imprägnierte Kondensatoren haben einen niedrigen Verlustfaktor, eine hohe Dielektrizitätskonstante und ein gutes Tieftemperaturverhalten.

Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die begleitenden Zeichnungen erläutert, worin

F i g. 1 in graphischer Darstellung den Einfluß der Temperatur auf die Kapazität von typischen, Folien- und Papierdielektrika aufweisenden Kondensatoren zeigt, die mit einem Imprägniermittel dieser Erfindung imprägniert wurden, und

Fig.2 in einer graphischen Darstellung den Einfluß der Temperatur auf den Verlustfaktor von typischen, Folien- und Papierdielektrika aufweisenden Kondensatoren zeigt, die mit einem Imprägniermittel gemäß der Erfindung imprägniert wurden.

Die Diarylsulfonkomponente der Imprägniermittel gemäß der Erfindung ist vorzugsweise in einer Menge von etwa 10 bis etwa 80 Gewichtsprozent, bezogen auf das gesamte Mittel, zugegen. Die Diarylsulfone besitzen die nachfolgende allgemeine Formel

(R)-Ar-S-Ar-(R),,

worin jede Ar-Gruppe, unabhängig von der anderen, ein Phenyl-, Naphthyl- oder Indanrest ist, jede der R-Gruppen, unabhängig von den anderen, einen

_b5 Alkylrest mit 1 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen bedeutet, und jeder Index n, unabhängig von dem anderen, eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist.

Typische Diarylsulfone, die die oben angegebene

Struktur aufweisen, sind Diphenylsulfon, Ditolylsulfon, Dixylylsulfon, Phenylxylylsulfon, Tolylxylylsulfon, Phenyltolylsulfon, Indanphenylsulfon, Indantolylsulfon, Indandinaphthylsulfon, Naphthylphenylsu'fon, Naphthylxylylsulfon und Naphthyltolylsulfon.

Aromatische, organische, halogenfreie Verbindungen, die zur Mischung mit den Diarylsuliünen geeignet sind, wurden bereits oben angegeben. Zu typischen Beispielen solcher halogenfreier, aromatischer, organischer Verbindungen gehören:

C3_4-Alkylbenzol,

Cyclohexyläthylbenzol,

C3 -4-AIkylnaphthalin,

C3_4-Alkyltetralin,

Isopropylbiphenyl,

Cyclohexylbiphenyl,

C4 - 6-Alkylphenyläther,

Diphenylmethylpentan,

Benzyläthylbenzoi,

Diphenyläther und Phenoxybiphenyl.
Zusätzlich zu dem Diarylsulfon und der halogenfreien, organischen, aromatischen Verbindung kann das Imprägniermittel gemäß der Erfindung geringe Mengen von zahlreichen weiteren Komponenten enthalten. So ist es oftmals erwünscht, daß das Imprägniermittel einen Stabilisator enthält, der die Aufgabe hat, bestimmte ionisierbare Verunreinigungen oder Fremdstoffe, die vorhanden sein oder in dem System gebildet werden können, zu neutralisieren. Zu solchen Verunreinigungen können Katalysatorrückstände oder -aktivatoren gehören, die aus der Polymerisationsreaktion stammen. Zu Verunreinigungen können auch Abbauprodukte gehören, die durch umweltbedingte oder spannungsinduzierte chemische Reaktionen in dem System gebildet werden können. Diese unerwünschten Verunreinigungen und Fremdprodukte haben eine nachteilige Wirkung auf den Verlust- oder Leistungsfaktor der imprägnierter. Kondensators.

Beispiele für geeignete Stabilisatoren sind Epoxide, wie

t-Epoxyäthyl-S/t-epoxycyclohexan,

S^-Epoxycyclohexylmethyl-S^-epoxycyclohexancarboxylat,

S^-Epoxy-ö-methylcyclohexylmethyl-

S.'t-epoxy-ö-methylcyclohexancarboxylat
und dergleichen, die vorzugsweise in dem Imprägniermittel in Mengen im Bereich von 0,001 bis etwa 8 Gewichtsprozent, insbesondere von etwa 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent, enthalten sind.

Ein besonders bevorzugtes Imprägniermittel gemäß der Erfindung enthält ein Gemisch von etwa 10 bis 30 Gewichtsprozent Tolylxylylsulfon, von etwa 70 bis 90 Gewichtsprozent Isopropylbiphenyl und von etwa 0,1 bis 3 Gewichtsprozent S^-Epoxycyclohexylmethyl-S^- epoxycyclohexancarboxylat.

Das Dielektrikum, das in dem Kondensator zwischen den leitenden Schichten angeordnet und mit den Imprägniermittel dieser Erfindung imprägniert ist, kann aus einem festen, biegsamen, porösen Material, wie hochraffiniertem Cellulosepapier, oder aus einem im wesentlichen nichtporösen, polymeren Folienmaterial, wie z. B. einer Polyolefinfolie, oder aus einer Kombination von Papier und polymerer Folie bestehen. Das Papiermaterial enthält vorzugsweise zwei oder mehr Blätter oder Lagen von Kraft-Kondensatorpapier in einer Dicke des Einzelblattes von nicht mehr als etwa 0,025 mm, vorzugsweise von etwa 0,0076 mm, und einer Gesamtdicke entsprechend der Spannungsauslegung des Kondensators. Ein solches Papier hat eine Durchschlagfestigkeit, die im Vergleich zu anderen Dielektrika relativ gut ist, und eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante. Die polymere Folie besteht > vorzugsweise aus biaxial orientiertem Polypropylen, obgleich auch andere Polyolefine, besonders Polyäthylen und 4-Methylpenten-l, für Kondensatorzwecke eine gewisse Verwendung gefunden haben.
Zu weiteren brauchbaren polymeren Materialien

in gehören: Polyester, Polycarbonate, Polyvinylidenfluorid und Polysulfon. Obgleich sowohl Papier als auch die polymere Folie allein verwendet werden kann, können beide auch kombiniert eingesetzt werden. Das Papier ist dann der polymeren Folie benachbart angeordnet, wo

|-, es als Docht dient, um das dielektrische, flüssige Imprägniermittel in den Bereich zu leiten, der mit dem Kontaktbereich zwischen dem porösen Papier und dem im wesentlichen nichtporösen, polymeren Material übereinstimmt

:o Geeignete Kondensatoren, in denen das Imprägniermittel gemäß der Erfindung verwendet werden kann, sind beispielsweise Wickelkondensatoren. Die Imprägnierung des Kondensators wird mittels herkömmlicher Verfahren bewirkt, die dem Fachmann geläufig sind. Es

2; wurden verschiedene Wickelkondensatoren aus Aluminiumfolie und Papierschichten als festes Dielektrikum hergestell* und wie folgt behandelt.

Zunächst wurden die gewickelten Kondensatoren in einem abgedichteten Gehäuse untergebracht, das eine

jo kleine Einfüllöffnung für das Imprägniermittel aufwies, und im Vakuum zur Entfernung von Feuchtigkeitsrückständen getrocknet. Die Trocknungstemperatur hängt von der Länge des Trocknungszyklus ab, liegt jedoch gewöhnlich im Bereich von etwa 60 bis 15O⁰C. Bei zu

i", geringen Trocknungstemperaturen dauert die Trocknung übermäßig lang, während zu hohe Temperaluren den Abbau des Papiers und/oder das Schrumpfen der polymeren Folie, die als Dielektrikum dienen, bewirken. Die Feuchtigkeit wird durch die Einfüllöffnung entfeint.

4(i Das Imprägniermittel wird dann in das Kondensatorgehäuse durch die Einfüllöffnung zugegeben, und zwar vorzugsweise, solange der getrocknete Kondensator noch unter Vakuum steht, wobei das Gehäuse vollständig gefüllt und die gesamte Luft aus diesem

■r, verdrängt wird. Dann wird belüftet und der Kondensatorkörper einige Stunden lang zum gründlichen Eindringen des Imprägniermittels stehengelassen. Nach der Imprägnierung wird die Einfüllöffnung des Kondensatorgehäuses verschlossen. Der eingekapselte Kon-

■)0 densator kann danach auf erhöhter Temperatur gehalten werden, um den Druck im Inneren zu erhöhen und dadurch die Imprägnierung zu unterstützen. Wärmr und Druck können die Imprägnierfähigkeit dadurch erhöhen, daß sie die relative Benetzbarkeit, Viskosität und Löslichkeit der Materialien ändern. Zusätzlich können Expansion und Kontraktion der einzelnen Komponenten des Systems als Folge von Wärme und Druck als treibende Kraft wirken, um die Wanderung der Flüssigkeiten in die Zwischenräume der dielektri-

W) sehen Bestandteile auszulösen Das zur Imprägnierung eingesetzte Imprägniermittel enthielt 23,1% Tolylxylylsulfon, 76,6% Monoisopropylbiphenyl und 0,3% 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-S^-epoxycyclohexancarboxylat. Eine Gruppe von 8 dieser Kondensatoren, hier als

to »Versuchskondensatoren« bezeichnet, mit Papierschichten als festem Dielektrikum, wurden Arbeits- und Haltbarkeitsuntersuchungen unterworfen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit denen einer

gleichbehandelten Gruppe von ähnlichen Kondensatoren verglichen, die in gleicher Weise mit einem polychlorierten Biphenyl elektrischer Qualität, das etwa

42% Chlor enthielt, imprägniert worden waren (»Vergleichskondensatoren«). Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I	Kondensatoren*)	70°	^'.bedingungen	70°	70°	80°	90°	100°
Papierisolierte		900	70°	960	1000	1000	1000	1000
		168	930	168	168	168	168	168
	Haltbarke itsiinlersiich im		168
	Temp. ( O 22° 70°
	Spannung (V) 600 870
	Zeit (h) 0 744

Versuchskondensatoren* tan <5

- 8 Einheiten Kapazität (μ F) Anzahl der Versager

Vergleichskondensatoren tan<5

- 8 Einheiten Kapazität (μ F) Anzahl der Versager

0,00367 0,00347 0,00359 0,00365 0,00359 0,00366 0,00373 0,00412 0,00475

1,988 1,910 1,910 1,910 1.910 1,910 1,900 1,877 1,889 000000004

0,00351 0,00315 0,00314 0,00316 0,00319 0,00320 0,00336 0,00378 -

1,974 1,885 1,884 1,883 1,883 1,883 1,873 1,864 000000008

*) Zwei Bahnen aus 0,0167 mm dickem Kraft-Papier.

Die Haltbarkeitsuntersuchungen wurden unter Ver- von Papier Folien aus biaxial orientiertem Polypropylen wendung von zwei weiteren Kondensatorgruppen aufwiesen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind wiederholt, wobei diese als festes Dielektrikum anstelle in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Folienisolierte Kondensatoren*)

	Haltbarkeitsuntersuchungsbedingungen Temp. ( C) 22° 70° 70° Spannung (V) 500 450 500 Zeit (h) 0 504 168	0,00132	0,00128	70° 550 168	70° 600 168
Versuchskondensatoren tan <5	0,00142	2,321 0	2,320 0	0,00128	0,00129
- 6 Einheiten - Kapazität (μ F) Anzahl der Versager	2,411 0	0,00154	0,00156	2,318 0	2^15 0
Vergleichskondensatoren tan<5	0,00119	2,403 0	2,404 0	0,00156	0,00136
- 6 Einheiten - Kapazität (μ F) Anzahl der Versager	2,485 0	2,403 0	2,376 2

Tabelle II (Fortsetzung)

I lallbarkcitsuntc	rsuchungshcil indungen	70°	70°
Tc nip. ( C) 70°	70°	750	800
Spannung (V) 650	700	168	169
Zeit (h) 168	168

70° 850 120

Versuchskondensatoren
tan δ

- 6 Einheiten Kapazität (μ F)
Anzahl der Versager

0,00142

2,314
0

0,00142

2,312 0

0,00154

3,310
0

0,00162 0,00183

2,309
0

2,305
0

Vergleichskondensatoren
tan<5 0,00139 0,00127 0,00118 0,00120

- 6 Einheiten -

Kapazität (μF) 2,376 2,309 2,229 2,293

Anzahl der Versager 0 2 10

0,00128

2,291
0

Zwei Bahnen aus biaxial orientierter Polypropylenfolie mit einer Dicke von 0,0063 mm.

Die Zahlenwerte der Tabelle I und II erläutern das ausgezeichnete Verhalten und die Zuverlässigkeit von Kondensatoren, die mit einem Imprägniermittel dieser Erfindung imprägniert sind, im Vergleich zu ähnlichen Kondensatoren nach dem Stand der Technik. Insbesondere zeigt die Tabelle I, daß bei den Versuchskondensatoren, wenn sie extremen Versuchsbedingungen, wie 100⁰C und 1000 V, unterworfen wurden, die Ausfallquote nach 168 Stunden bei diesen Bedingungen nur 50% betrug. Demgegenüber hatten die Kontrollkondensatoren bei den Endbedingungen des Versuchs eine 100%ige Ausfallquote.

Ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der Gebrauchsdauer sind der vorstehenden Tabelle II zu entnehmen. Die Versuchskondensatoren blieben intakt, bis die den Endversuchsbedingungen bei 70⁰C und 900 V unterworfen wurden, wobei sie bei diesen Bedingungen eine 100%ige Ausfallquote aufwiesen. Im Vergleich dazu begannen jedoch die Kontrollkondensatoren bereits viel früher auszufallen, wobei nur ein Kondensator die Endversuchsstufe erreichte, wo er dann ausfiel.

Aus den Werten der Tabellen I und II ist zu erkennen, daß die relative erwartete Gebrauchsdauer und Zuverlässigkeit der Versuchskondensatoren immer größer ist als die der Kontrollkondensatoren, und zwar sowohl bei papier- als auch bei folienisolierten Kondensatoren. Ahnliche Ergebnisse erhält man, wenn man eine Kombination von Papier und polymerer Folie als dielektrisches Einlagematerial verwendet

Die Wirkung der Temperatur auf die Kapazität und den Verlustfaktor von papier- und folienisolierten Kondensatoren, ähnlich denen, die bei den oben angegebenen Gebrauchsdauer- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen verwendet wurden, wurde über einen weiten Temperaturbereich bestimmt, und ist graphisch in den F i g. 1 und 2 der Zeichnung festgehalten. Wie dargestellt, trat der Kapazitätszusammenbruch bei beiden Arten von Kondensatoren bei etwa —55° C auf. Die Verlustfaktoren bei Papierkondensatoren, bei 600 V gemessen, und bei Folienkondensatoren, bei 500 V gemessen, erreichten ihre Spitze bei etwa — 50⁰C bzw. -55° C. Das ausgezeichnete Verhalten, das man bei Temperaturen von — 30⁰C und darunter, sowohl bei folien- als auch bei papierisolierten Kondensatoren erhält, ist ein besonders erwünschtes Ergebnis, das im allgemeinen nicht mit polychlorierten Biphenylen erreicht wird, da bei diesen der Kapazitätszusammenbruch typischerweise bei ungefähr — 30⁰C auftritt und der Verlustfaktor bei -40⁰C seinen höchsten Wert erreicht

so Die vorausgehenden Beispiele und Zahlen der Tabellen I und II dienen der Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei jedoch die Erfindung nicht auf die in diesen Beispielen angegebenen Imprägniermittel beschränkt ist Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß, obgleich sich die Beispiele und die Beschreibung auf Kondensatoren beziehen, die aus einzelnen Lagen von leitenden und von dielektrischen Schichten gebaut sind, ebenso metallisierte Folien zusammen mit den Imprägniermitteln dieser Erfindung verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Imprägniermittel für Kondensatoren, enthaltend ein Gemisch eines Diarylsulfons und einer aromatischen, organischen Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß es als aromatische, organische Verbindung eine halogenfreie Verbindung aufweist, die aus der Gruppe: Alkylbenzol, Alkylnaphthalin, Alkylbiphenyl, Alkylpolyphenyl, Alkylaryläther und deren alkylsubstituierte Derivate, Diarylalkane und deren alkylsubstutierte Derivate und Diarylether und deren alkylsubstituierte Derivate ausgewählt ist, wobei die Alkyl- und Alkangruppen 1 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisen, die Arylgruppen Phenyl, Naphthyl, Biphenyl oder Polyphenyl sind und die Polyphenyle 3 bis 5 Phenylgruppen besitzen.

2. Imprägniermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gemisch aus Tolylxylylsulfon und Isopropylbiphenyl enthält.