DE2427812A1

DE2427812A1 - Stabilisierte esterimpraegnierungsmittel

Info

Publication number: DE2427812A1
Application number: DE19742427812
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Flanagan; Willis Osborne Solberg
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1974-06-08
Publication date: 1975-01-09
Also published as: IT1009956B; JPS5032500A; FR2233684A1; SE7407690L

Description

Die Erfindung betrifft stabilisierte"flüssige Esterimprägnierungsmittel für elektrische Vorrichtungen und insbesondere verbesserte stabilisierte aliphatische Esterimprägnierungsmittel, die insbesondere für die Verwendung in elektrischen Kondensatoren geeignet sind.

Aliphatische Ester unterscheiden sich im allgemeinen nicht nur durch ihre elektrische Wirksamkeit, sondern auch durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften voneinander.

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Rizinusöl unterscheidet sich beispielsweise chemisch von anderen ölen aus pflanzlichen Samen. Es ist auch ein flüssiges Material, das, wenn es al3 Imprägnierungsmittel in Kondensatoren verwendet wird, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt und durch hohe Spannun gen belastet sind, einen rapiden Anstieg im Leistungsfaktor und damit einen frühzeitigen Kondensatorausfall zeigt. Hauptsächlich aus diesem Grunde ist die Entwicklung von aliphatischen Estern als praktischen und wirtschaftlich annehmbaren Imprägnierungsmitteln für elektrische Kondensatoren in der Literatur nur von geringem Interesse gewesen.

In der älteren deutschen Patentanmeldung DT-OS 2 334 415 der Anmelderin ist beschrieben, dass aromatische Ester die Hauptester sind, die die wirksamste Stabilisierung mit Epoxiden zeigten. Es wurde nun jedoch gefunden,dass bestimmte aliphatisehe Ester, insbesondere Rizinusöl, durch Stabilisierungsadditive verbessert werden können, so dass sie als einziges oder Hauptimprägnierungsmittel in vielen Wechselstromkondensatoren, die ein Polypropylenfilmdielektrikum verwenden und die unter hohen Spannungsbelastungen stehen, verwendet werden können. Es wurde insbesondere gefunden, dass Epoxide, die bisher nur als Chlor- oder Chlorwasserstoff entfernungsmittel angesehen wurden, auf andere Art und Weise reagieren und gewisse aliphatisehe Ester in einer Kondensatorvorrichtung stabilisieren, in welchen Chlorwasser-' stoff oder Chlor im allgemeinen nicht in den Materialien zugegen ist oder daraus gebildet wird.

Die vorliegende Erfindung· hat daher die Aufgabe, ein verbessertes, durch Epoxid stabilisiertes aliphatisches Esterimprägnierungsmittel für elektrische Kondensatoren zu schaffen.

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Weiterhin soll.die. Erfindung einen verbesserten Kondensator, in dem ein durch Epoxid stabilisiertes aliphatisches Esterirnprägnierungsmittel verwendet wird, schaffen.

Eine v/eitere Aufgabe ist die Schaffung eines verbesserten, durch Epoxid -stabilisierten Fettsäureesters von Glyzerin als Imprägnierungsmittel für elektrische Kondensatoren, die Belastungen von hohen Spannungen unterworfen sind.

Die Erfindung soll ausserdem einen durch Epoxid stabilisierten Ester, einer dibasischen Säure als Imprägnierungsmittel für die Verwendung in elektrischen Kondensatoren schaffen.

Die Erfindung soll weiterhin einen verbesserten Wechselstrom/ Gleichstromkondensator, der durch Epoxid stabilisiertes Rizinusöl als Imprägnierungsmittel enthält, schaffen.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines verbesserten Wechselstrom/Gleichstromkondensators, der einen durch Epoxid stabilisierten Adipinsäuredibutylester als Imprägnierungsmittel enthält.

Eine Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung betrifft den Zusatz eines Epoxids zu einem flüssigen aliphatischen Ester für die Verwendung als Imprägnierungsmittel in elektrischen Kondensatoren. Der aliphatische Ester ist insbesondere ein Fettsäureester von Glyzerin oder ein Ester einer dibasischen Säure. Diese Ester mit zugesetzten Epoxidverbindungen sind wirksam stabilisiert und können zur Imprägnierung verschiedener Arten von elektrischen Kondensatoren verwendet

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werden. Rizinusöl wird wirksam für Wechselstromkondensatoren stabilisiert.

Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung und den Figuren betrachtet wird:

Fig. 1 ist ein Beispiel eines Wickelteiles für einen Kondensator, in welchem Papier als Dielektrikum verwendet wird.

Fig. 2 ist die Ansicht eines fertigen Kondensators, in Form eines abgedichteten Kanisters, der den Wickelteil von Fig. 1 enthält.

Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Teiles eines Kondensatorwickelteiles, in welchem ein Kunstharzfilm als Dielektrikum verwendet wird.

Fig. 4 ist die Ansicht eines Teiles eines Kondensatorwickelteilss, in welchem sowohl ein Kunstharzfilm als auch Papier als Dielektrikum benutzt werden.

Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Teiles eines Kondensatorwickelteiles, in welchem ein Kunstharzfilm in einer andersartigen Anordnung des Dielektrikums in dem Kondensator verwendet wird.

Fig. 6 ist eine stark verkleinerte Ansicht eines Hochlei stungskondenaators, in welchem verschiedene

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Wickelteile verwendet werden und die üblich sind bei der Anwendung von Kondensatoren bei der Kompensation des Leistungsfaktors, bei der Induktions-. . heizung und bei der Hochfrequenzanwendung in grossem Masstab.

Rizinusöl ist ein Material, das in der Kondensatorliteratur sehr bekannt ist und im Handel aus verschiedenen Quellen erhältlich ist. Die typischen Charakteristiken dieses Produktes sind in der folgenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Typische Eigenschaften der Flüssigkeit

Spezifisches Gewicht (15,5°C) 0,953

Brechungsindex 1,45

Fließpunkt (°C) 7

Dielektrizitätskonstante (DK)(20°C) 4,8

Verlustfaktor (20°C) % e 8

Viskosität,CP (20°C) 400

Bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung wurde Rizinusöl als einziges Imprägniermittel in (a) Kondensatoren , in welchen nur Kunstharz als dielektrisches Material benutzt wurde und entweder eine Folie oder metallisierte überzüge als Elektroden benutzt wurden, und

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(b) Kondensatoren, in denen eine Kombination von Kunstharzen und papierdielektrischen Materialien benutzt w_urden, angewendet.

Typischerweise betrifft eine bevorzugte Kondensatorausführung der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Kondensatorwickelteile, die ziemlich dicht in einem engen geeigneten Behälter oder Vorrichtung, die mit einem flüssigen Imprägniermittel gefüllt und abgedichtet ist . , angeordnet sind. Ein Kondensatorwickelteil enthält abwechselnd Streifen von dielektrischem Material und Elektrodenmaterial, die in verschiedenartigen Laminaranordnungen oder-gefügen angeordnet sein können, wie beispielsweise in der US Patentschrift 3 363 156 von Cox angegeben wird.

Fig. 1 beschreibt beispielsweise einen Kondensatorwickelteil 10 einschliesslich eines Paares von Elektrodenfolien 11 und 12 und dielektrischen Streifen 13 und 14. Die Elektrodenfolien 11 und 12 können auch als metallisierte Überzüge auf den Streifen 13 und 14 oder auf getrennten und zusätzlichen dielektrischen Streifen verschiedener Materialien, einschliesslich von Papier und Plastik,ausgebildet sein. Geeignete elektrische Verbindungsstücke oder Zapfen 15 und 16 werden verwendetet™ die Elektrodenfolien 11 und 12 an die geeigneten Kondensatorenden 18 und 19 anzuschliessen. Der Wickelteil 10 wird in den Behälter 17 von Fig. 2 eingebracht und nach geeignetem Trocknen und Evakuieren wird der Kanister mit einem flüssigen Imprägniermittel gefüllt und abgedichtet. Verbindungsstücke 18 und 19 des Kanisters 17 verbinden mit Zapfen 1.5 und 16 des Wickelteils 10, um die elektrische Verbindung herzustellen.

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Jeder dielektrische Streifen 13 und 14 kann durch eine grössere Anzahl von Streifen ersetzt werden, um ein dickeres

um
Dielektrikum zu erhalten oder/die elektrischen Vorzüge bei der Verwendung von Vielfachstreifen auszunutzen. Jeder Streifen 13 und 14 kann auch durch einen oder mehrere Kunstharzstreifen 20 und 21, wie sie in Fig. 3 gezeigt werden, ersetzt werden (und Folien 11 und 12 können metallisierte überzüge sein) oder auch durch ein kombiniertes Dielektrikum von einem Papierstreifen 13 und einem Kunstharzstreifen 20, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt werden. Zusätzliche typische Konstruktionen und Vorrichtungen und deren Verfahren zur Imprägnierung werden in der US-PS 3 363 156 von Cox beschrieben.

Bei diesen typischen Ausführungsformen lässt man das dielektrische Elüssigimprägniermittel eindringen, durchdringen, bzw. durchsickern und füllt im allgemeinen alle Lücken, Hohlräume,

die
Zwischenräume/in und zwischen den dielektrischen Streifen und 14 vorhanden sind. Diese Art der Imprägnierung ist notwendig, um das Auftretender schädlichen Koronaentladung in Wechselstromkondensatoren bei der verwendeten Spannung zu reduzieren und eine Lichtbogenbildung zu verhindern. Das Imprägniermittel, das in dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden liegt, ist hohen elektrischen Belastungen, einem geringen Anteil einer Koronaentladung, erhöhten schwankenden Temperaturen und anderen schädlichen, durch die Umgebungsbedingungen ausgesetzt. In Leistungskondensatoren erwartet man beispielsweise, dass diese Bedingungen nicht zu einem Versagen des Kondensators innerhalb des aktiven Bereiches von 10 bis 20 Jahren führen.

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von

Deshalb wird bei der Herstellung / Kondensatoren sorgfältig darauf geachtet, hohe Reinheit und geeignete Materialien, wie beispielsweise Papier und chloriertes Diphenyl zu verwenden,und man bemüht sich sehr stark, Gase und Wasserdampf beim Trocknen bei hohen Temperaturen und beim Evakuieren zu entfernen. Verunreinigungen können in einem Kondensator in den Materialien und der Struktur in Form von Gasen, Wasserdampf und festen Verunreinigungen, wie beispielsweise gewisse chemische Elemente und Verbindungen, die in anderen Materialien, d.h. im Papier oder im Polypropylenfilm vorhanden sind, zugegen sein. Diese chemischen Elemente und Verbindungen können von äusserer Natur sein oder können bei der Herstellung der anderen Materialien verwendet worden sein und werden aus diesem Grunde in das System eingeführt. Eine Quelle für Verunreinigungen in einem Kondensator ist der Katalysator, der bei der Herstellung von Polypropylen verwendet wird. Ein typischer Katalysator -wird Verunreinigungen in Form von Aluminium- und Titansalzen einbringen. Schlafende Verunreinigungen können durch das Imprägniermittel freigesetzt werden. Beispielsweise ist ein chloriertes Diphenylimprägniermittel ein Lösungsmittel, das Verunreinigungen löst und transportiert und Verunreinigungen aus dem Dielektrikum herauslöst, die sich nachteilig auf den Kondensator auswirken. Die Verunreinigungen reagieren in unvorteilhafter Weise mit dem Imprägniermittel oder verbinden sich ,um dann mit dem Imprägniermittel zu reagieren, was sich im einem Verfall bemerkbar macht, der zuerst durch den Anstieg des Leistungsfaktors in dem Kondensator bemerkt werden kann.

Erhöhte Temperaturbedingungen in einem arbeitenden Kondensator

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und geringere elektrische Entladungen und Koronaentladungen, die auftreten, aktivieren die Verunreinigungen und resultieren in einem Abbau des Kondensators. Die am meisten bekannten Elemente,die solchen frühzeitigen Kondensatorabbau bewirken, sind Wasserstoff und Chlor, die sich vereinigen, um beispielsweise Chlorwasserstoff (HCl) zu bilden. Chlor wurde deshalb immer als unerwünschtes Element in einem Imprägniermittel für Kondensatoren oder als Bestandteil in anderen Kondensatormaterialien betrachtet. Aus anderen Gründen blieb Chlor jedoch unglücklicherweise eine kritische Verbindung, die in signifikanten- Mengen in dem am leichtesten erhältlichen Imprägniermittel für Wechse^stromkondensatoren, d.h. im

vorhanden ist
polychlorierten Diphenyl/ w^e9^en dieser Umstände wurden viele Additive für die chlorierten Diphenylimprägnierungsmittel vorgeschlagen, um als Abfangmittel für HCl, Chlor oder Wasser-^ stoff zu agieren und somit die Wirksamkeit und die Lebensdauer der Kondensatoren zu verlängern. Unter diesen Additiven befanden sich Zinntetraphenyl, Anthrachinon und Epoxide.

überraschenderweise wurde gefunden, dass der Zusatz einer Epoxidverbindung zu Rizinusöl wirksam einen mit Rizinusöl imprägnierten Kondensator stabilisiert und ihn vor frühzeitigem Ausfall und kurzer Lebensdauer schützt. Entsprechende Teste bei der Verwendung eines Epoxidadditivs zeigten eine dramatische Reduktion des Ausfalles, wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird. Für diese Beispiele wird das Rizinusöl durch ein Kolonnenfilterverfahren unter Verwendung von Tonerde oder Fuller-Erde als Filtermaterial gereinigt. Das Imprägnierverfahren betrifft im allgemeinen das Verfahren, wie es in der angegebenen US-PS 3 363 156 von.

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Cqx beschrieben wird, einschliesslich dem Trocknungsprozess der Kondensatoren, indem man sie erhöhten Temperaturen für

¹ inemlich

elich _o

mehrere Stunden aussetzt^.Temperaturen, die oberhalb von 100 C und gewöhnlich unterhalb von etwa 125°C liegen. Während dieser Periode standen die Kondensatoren unter Vakuum von weniger als 200 ,U Quecksilber. Nach der Imprägnierung mit Rizinusöl, die bei etwa- 70 bis 80°C durchgeführt wurde, wurden die Kondensatoren abgedichtet und dann mehrere Stunden, d.h. 4 bis 16 Stunden, bei etwa 100°C in der Hitze getränkt. In dieser» Tränkungszeit ist die Zeit, die notwendig ist, dass die Temperatur in dem Kondensator die gewünschte Höhe erreicht und die Abkühltemperatur auf Raumtemperatur nicht eingeschlossen. Die angegebenen Zeiten sind die Zeiten bei der Temperatur.

Beispiel I

Zwei Reihen von jeweils 13 Kondensatoren wurden gemäss den Fig. 1,2 und 3 zusammengesetzt. Die Streifen 11 und 20 umfassten einen metallisierten Polypropylenstreifen von 5,08 cm (two inches) Breite und 6,35 ,u (0,25 mil) Dicke. Streifen war 6,35 ,u (0,25 mil) dick und 5,08 cm (two inches) breit und war ein einfacher Polypropylenfilm. Unabgedichtete Kondensatoren gemäss Fig. 2 wurden für mehrere Stunden einer erhöhten Temperatur von 125°C und Vakuumbedingungen ausgesetzt. Danach wurden die Kondensatoren der Gruppe 1 mit gereinigtem Rizinusöl gefüllt und die Kondensatoren der Gruppe 2 mit dem gleichen gereinigten Rizinusöl angefüllt, zu welchem allerdings 1 Gew.% eines Epoxids, das als EP2O6 bekannt ist, zugesetzt wurde. Die Ergebnisse sind im folgenden angegeben .

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Überlebenstest

440 Volt Wechselspannung CVAC) und bei 85⁰C

nach Anzahl Ausfall/Stunden

Gruppe 1 11 - 2009

Gruppe 2 (Epoxid) 0 - (erster Ausfall nach

7936 Stunden)

Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Ausfälle in grossem Umfange reduziert und die Lebensdauer in den Kondensatoren, die den Epoxidzusatz hatten, verlängert wurde. Im ersten Überlebenstest wurden die Kondensatoren unter äusserst schwierigen Bedingungen von 85⁰C und 440 V Wechselspannung getestet. Trotz dieser schwierigen Bedingungen gab es keine Ausfälle innerhalb der 7936 Stunden Testzeit, während 11 der Kondensatoren, die kein Epoxid enthielten, schon nach 2009 Stunden ausgefallen waren. Der bemerkenswerte Vorteil des Epoxidzusatzes zum Rizinusöl in metallisierten Polypropylenkondensatoren ist beachtlich.

Beispiel II

Zwei Gruppen von jeweils 20 nicht abgedichteten Kondensatoren wurden gemäss Fig. 1, 2 und 3 zusammengestellt. Ms Dielektrikum wurden biaxial orientierte isotaktische Polypropylenstreifen von 5,08 cm Breite (2 inches) und 9,65.u (0,38 mil) Dicke verwendet. Die Kondensatoren wurden erhöhten Temperaturen

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d.h. 75° bis 85 C, den Bedingungen einer Vakuumtrocknung und Imprägnierbedingungen bei erhöhten Temperaturen unterworfen. Die Kondensatoren der Gruppe 1 enthielten das gleiche gereinigte Rizinusöl aber mit dem Zusatz.von 1 Gew.% von EP2O6 Epoxid. Die Kondensatoren wurden danach abgedichtet, imprägniert und einer Hitzedurchtränkung bei etwa 85°C während etwa 4 Stunden ausgesetzt. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Überlebenstest

bei 350 VAC und -70°C

nach Anzahl Ausfall/Stunden

Gruppe 1 1-8151

Gruppe 2 (Epoxid) 0 - 8151

Beispiel III

In diesem Beispiel wurden zwei Gruppen von Kondensatoren mit jeweils 10 Kondensatoren gemäss den Anordnungen und Imprägnierungen von Beispiel II und Fig. 3 zusammengestellt. Das Dielektrikum war ein Polypropylenfilm von 5,08 cm (2 inches) Breite und 9,65 ,u (0,38 mil) Dicke, wie im Beispiel II, wobei die Oberflächen leicht erhaben ausgearbeitet waren. Der Überlebenstest ergab die folgenden Ergebnisse:

- 13 409882/083?

Überlebenstest

550 VAC/85°C

Anzahl getestet/ Anzahl Ausfälle/zStunden

Gruppe 1

Gereinigtes Rizinusöl

6 - 10 - 6872

Gruppe 2

Gereinigtes Rizinusöl 1 % Epoxid

1 - 10 - 6872

Beispiel IV · "

Die Anordnung und Imprägnierverfahren von Beispiel II wurden wiederholt mit der Ausnahme/ dass der verwendete Film ein wärmegehärteter Film war. Die Überlebensreste hatten die folgenden Resultate:

Anzahl getestet/ Anzahl Ausfälle/fstunden

Gruppe 1

Gereinigtes Rizinusöl

2- 5 - 5044

Gruppe 2

Gereinigtes Rizinusöl mit Epoxid

0- 10 - 6798

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Beispiel V

id In diesem Beispiel wurden. 1 Gew.% eines epoxp-erten Leinöls, das unter dem Handelsnamen Epoxol von Swift Chemical Company erhältlich ist, mitPolypropylenharz gemischt und anschliessend vermischt und in einen Film gepresst. Kondensatoren, die mit diesen Filmen hergestellt wurden, wurden anschliessend mit chloriertem Diphenyl als geeignetes Material für Kondensatoren imprägniert.

Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich, dass das Epoxid eine kritische Rolle bei der überlebensdauer der Kondensatoren darstelltr Der Zusatz ist in dieser speziellen Ausführungsform dadurch charakterisiert, dass er mit jenen chemischen Elementen oder Verbindungen, die im allgemeinen im Kondensator gefunden oder während des Betriebes des elektrischen Kondensators erzeugt werden, reagierenfiind somit verhindert, dass diese Verbindungen abgebaut^w?^r öder andererseits das Imprägniermittel zersetzen. Diese genannten Elemente und Verbindungen sind solche, die in einem Kondensator, der einen aliphatischen Ester als Imprägniermittel verwendet und

gebildet weraen. der ohne Materialien, die HCl erzeugen könnten, arbeitet _t /Die meisten der bekannten Epoxide, die andererseits für Kondensatoren geeignet sind, scheinen das gewünschte Resultat

einer aer Mecnanismen

mit variierendem Erfolg zu ergeben.Es wird angenommen ₃ nach welchem ein Epoxid mit einem aliphatischen Ester reagieren soll,darin besteht, dass in einer Kondensatorvorrichtung sowohl Wasser als auch Säureⁿzugegen sind oder gebildet werden und dass Ester sich unter Bildung einer Säure und eines Alkoholes zersetzen können. Das Epoxid reagiert mit der Säure

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und hindert diese somit daran, weiter auf den Ester oder Kondensator einzuwirken; die Säure kann auch mit Wasser reagieren. Das Hydrolyseproblem des Esters ist herabgesetzt. Jedoch sind nicht alle aliphatischen Ester nahe verwandt. Rizinusöl unterscheidet sich chemisch beispielsweise von anderen ölen aus pflanzlichen Samen. Diese Unterschiede zeigen, dass verschiedene Reaktionen stattfinden können oder dass nicht alle bevorzugten Reaktionen ablaufen.

In Kondensatoren mit Dielektrika aus Papier kann das Epoxid mit der Zellulose reagieren^um das System zu stabilisieren.. Die Funktion des Epoxids scheint jedoch völlig anders zu sein, wenn nur ein Fi](aielektrikum verwendet wird, d.h. kein Papierdielektrikum in dem Kondensator zugegen ist. Ein Grund hierfür ist die Gegenwart von bestimmten Materialien in dem Film, wie beispielsweise Stearate und Antioxidations-

auaserdem mittel, die im Papier nicht zugegen sind und^oer niedrigere Wassergehalt des Filmes. Aus diesen Gründen kann eine Stabilisierung eines Kondensators, der nur mit Filmen arbeitet gemäss anderen Zwischenverfahren erreicht werden, die vorläufig noch nicht sehr gut verstanden werden. Auf jeden Fall erscheint das Ergebnis mit Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante besser zu sein als mit solchen mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante, d.h. 4 und darunter.

Während die Funktion des Epoxids letzten Endes von der Ausführungsart des arbeitenden Kondensators abhängt, spielt es eine wichtige Funktion insofern, als es im Ester, d.h. darin gelöst, zugegen ist. In diesem Falle reagiert das Epoxid mit dem Ester₇ um das Hydrolyseproblem zu minimieren. Es vereinigt

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sich auch mit Verunreinigungen in dem Ester oder mit solchen ,denen der Ester vor seiner Verwendung in dem Kondensator ausgesetzt ist, d.h. während der Lagerung, dem Transport und des Gebrauches.

Die erfindungsgemässe Epoxidverbindung kann dadurch charakterisiert werden, dass siedie Gruppe

- CH - CH -

enthält. Beispiele solcher Epoxide sind Glycidyläther und Derivate von Äthylenoxid. Spezifische Beispiele solcher Verbindungen sind Phenoxypropylenoxide (Phenylglycidyläther) Glycidylallyläther, Benzyläthylenoxid, Styroloxid, 1,3-Bis-(2,3-e.poxypropoxy) benzol und 4,4' -Bis (2,3-epoxypropoxy) diphenyldimethylmethan. Handelsüblich erhältliche Epoxidverbindungen, die für die erfindungsgemässe Verwendung geeignet sind, sind als EP1O7, das Di(2-äthylhexyl) 4,5 epoxytetrahydrophthalat ist, EP2O1, das 3,4-Epoxy-6-methylcyclohexylmethyl-2,4-epoxy-6-methylcyclohexancarboxylat ist und EP2O6, das l-Epoxyäthyl-3,4-epoxycyclohexan ist, bekannt. Mischungen von einer oder mehreren dieser Epoxidverbindungen können gewünschtenfalls verwendet werden. Einer oder mehrere dieser Epoxide sind in den US-Patenten3 362 908, 3 242 401, 3 242 402, 3 170 986 beschrieben.

Versuche zeigen, dass die spezifische Art der Epoxide nicht kritisch ist. Verschiedene Epoxide oder Mischungen von Epoxiden

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können verwendet werden, solange wirksame Mengen zugesetzt werden. Eine wirksame Menge ist primär von dem MoIe-

gss chwindigkeit; kulargewicht, der Reaktions / und der Löslichkeit in dem Imprägniermittel abhängig. Jene Epoxide mit höherem Molekulargewicht werden vorzugsweise in grösseren Mengen zugesetzt als jene Epoxide mit niedrigerem Molekulargewicht. Im allgemeinen können Mengen von mehr als etwa. 0,01 Gew.% bis zu etwa 10 Gew.% zugesetzt werden, um befriedigende Ergebnisse zu erhalten. Die Epoxide bewirkten eine Funktion, die, wie angenommen wird, allen Epoxiden infolge ihrer chemischen Struktur innewohnen. Ihre Reaktionszeit und ihre Wirksamkeit wirken sich günstig auf aliphatische Ester in Kondensatorausführungen aus. In den obigen Beispielen wurden die vergleichenden Versuche unter Verwendung oder unter Wegfall von Epoxiden für besonders wichtig gehalten.

Der erfindungsgemässe Zusatz kann auf verschiedenen Wegen dem Kondensator zugesetzt werden. Es kann dem Polypropylendielektrikummaterial während dessen Herstellung zugesetzt werden oder es kann dem flüssigen aliphatischen Ester vor oder nach Einfügung in die Kondensatorhülle zugegeben werden. Vorzugsweise wird der Zusatz zu dem aliphatischen Ester in Form einer Lösung zugegeben und die Lösung zum Imprägnieren des Kondensators verwendet. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass die Ester, einschliesslich die aliphatischen Ester, höheren Temperaturen gegenüber empfindlich sind, und weil sie bei steigenden Temperaturen ernsthaften Änderungen oder Veränderungen ausgesetzt sind. Dementsprechend bedeutet der Zusatz des Epoxides zu dem Ester vor dem Erhitzungsprozess, insbesondere während der Imprägnierung, die Stabilisierung des Esters, die etwas anderes ist als die Stabilisierung

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— Ιο —

in der Kondensatorvorrichtung. Epoxidierte Ester, wie beispielsweise epoxidiertes Leinöl, können erfindungsgemäss verwendet werden.

der

Es wurde gefunden, dass Rizinusöl geeignet ist bei/Verwendung von Polypropylenfilmen als Dielektrika allein oder in Kombination mit Papier. Die bevorzugte Art der Imprägnierung ist in der ÜS-PS 3 363 156 von Cox beschrieben und wird als im"wesentlichen vollständige Imprägnierung"bezeichnet. In einer Ausführungsart bedeutet"im wesentlichen vollständige Inprägnierung" die Unterwerfung des imprägnierten Kondensators höheren Temperaturen, vorzugsweise Temperaturen von mehr als etwa 85°C über einen längeren Zeitraum hin (Hitzetränkung) . Durch diesen Vorgang soll das Rizinusöl nicht nur die Molekularstruktur des Polypropylens durchdringen, sondern soll bewirken, dass das Polypropylen etwas wie eine semipermeable Membran für Rizinusöl wird und dass das Rizinusöl durch den Film hindurchtreten kann. Es wurde gefunden, dass Rizinusöl den Polypropylenfilm langsamer durchdringt als chloriertes Diphenyl und deshalb werden die besten Ergebnisse dann erzielt,, wenn eine intensivere Evakuierung oder ein Trockenzyklus verwendet werden. Die Hitzetränkung kann als ein spezieller Zyklus nach der Imprägnierung und dem Abdichten des Kondensators fortgesetzt werden. Die Hitzetränkung kann bei Temperaturen im Bereich von 100⁰C bis etwa 120°C durchgeführt werden.

Der in der ÜS-PS 3 363 156 von Cox beschriebene Polypropylenfilm, d.h. ein stereo-regulär kristalliner, biaxial orientierter Film, wird erfindungsgemäss bevorzugt und wird in

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allen Beispielen verwendet. Rizinusöl ist nicht beschränkt anwendbar auf die Dielektrika, die hierin genannt sind, oder auf andere Verbindungen der Polyolefingruppe sowie andere synthetische Harze wie Polycarbonate, Polysulfone und Polyester, die brauchbare Dielektrika sind.

Das stabilisierte Imprägnierungsmittel der vorliegenden Erfindung, insbesondere Rizinusöl, ist ein verbessertes Imprägnierungsmittel für solche Wechselstromkondensatoren, die hohen Spannungen und hohen Temperaturen unterworfen sind. Besonders hohe Belastungen für das Dielektrikum mit hohen Spannungen, wenn das Dielektrikum ein Kunstharzfilm wie beispielsweise Polypropylen ist, sind beispielsweise etwa 750 Volt/25,4 .u (one mil) Dicke des Polypropylens bis zu mehr als 1200 Volt/25,4 ,u (mil), wobei der kritischere Teil der hohen Belastung bei etwa 900 Volt/25,4 /U Cl mil) beginnt und bis zu einem Bereich von etwa 1400 Volt/25,4 _f\x (1 mil) reicht. Gleichzeitig werden Kondensatoren mit diesen Belastungen einer Art Imprägnierung unterworfen, die als im wesentlichen vollständige Imprägnierung in der US-PS 3 363 156 beschrieben- ist, die reproduzierbare Ergebnisse liefert, d. h. die ständig eine hohe Koronastartspannung in Abhängigkeit von der Dicke des Dielektrikums bewirkt. In Leistungskondensatoren hoher Spannung für Shunt-Verwendungen, in welchen die gesamte Dicke des Dielektrikums zwischen den Elektroden in der Größenordnung von 25,4 ,u (1,0 mil) liegt, muß die Koronastartspannung im allgemeinen bei über 2000 Volt (bei Raumtemperatur) liegen und in vielen Fällen wird· sie|etwa 2500 Volt übersteigen. Bei der Verwendung von niedrigen Spannungen, bei denen -

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dünnere Dielektrika verwendet werden, kann die Koronastartspannung niedriger liegen. Die Koronastartspannung liegt gewöhnlieh von 1 1/2 bis 2 1/2 mal so hoch als die höchste Spannungsbelastung in dem Dielektrikum bei der verwendeten Kondensatorspannung bei Raumtemperatur und ist unter Variation der Arbeitsbedingungen des Kondensators stabil.

Rizinusöl kann in verschiedenen Arten von dielektrischen Systemen mit einem einzigen dielektrischen Material verwendet werden, wie beispielsweise solchen, die ganz aus Papier, ganz aus Filmen oder deren Mischungen bestehen. Ein Beispiel für ein gemischtes dielektrisches System ist in Fig. 4 gezeigt, in welchem ein Blatt Papier 13 einer Elektrode 11 benachbart ist. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß andere gemischte Dielektrika, wie zwei Blätter von Filmen 20 und 21 mit einem dazwischenliegenden Blatt Papier 13 oder umgekehrt zwei Blätter von Papier und ein dazwischenliegendes Blatt Film, verwendet werden können.

Fig. 6 zeigt einen Kondensator mit hoher Spannung mit Kompensation des Leistungsfaktors, in welchem ein niedriger Leistungsfaktor für die Abnahme wesentlich ist. In Fig. 6 enthält Kondensator 22 einen großen Kanister oder Gehäuse 23 von beispielsweise 0,007264 m* (0,8 cu. feet) Volumen, in welchem eine große Anzahl (10 - 40) von gestreckten Wickelteilen 10 verwendet werden. Diese Wickelteile 10 können von 25,40 cm bis 63,50 cm (10 bis 25 inches) lang sein. Um wirksam zu sein, muß das Rizinusimprägniermittel und der Zusatz in jedes einzelne Wickelteil 10 eingedrungen sein, weil der Ausfall

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nur eines einzigen Teiles 10 den Ausfall des gesamten Kondensators bewirken würde. Deshalb unterliegen diese Leistungskondensatoren 22 ausgedehnten Trocknungsbedingungen. Sie werden beispielsweise einem niedrigen Druck von weniger als 200 ,u und erhöhten Temperaturen von 100°C bis 150°C 15 bis 30 Stunden lang ausgesetzt. Sie werden mit dem Imprägniermittel angefüllt während sie noch unter Vakuum stehen und die Temperatur noch etwas erhöht ist. Im allgemeinen wird das Imprägniermittel auch bei 70 bis 80⁰C während des Auffüllens der Behälter gehalten. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kondensator im allgemeinen abgedichtet und erneut erhöhten Temperaturen von etwa 80 bis 120⁰C für lange Zeiträume unterworfen, was von der Grosse des Kondensators und der Art des verwendeten Dielektrikums abhängt. Kondensatoren, die nur Dielektrika

eine

aus Papier enthalten ₍erforderrfminimale Zeit und können gegebenenfalls einen anschliessenden Erhitzungsprozess hinfällig machen. Kondensatoren mit ausschliesslich Filmen als Dielektrika können eine Hitzetränkung für mindestens 16 bis 24 Stunden erforderlich machen.

Nicht alle aliphatischen Ester ergeben zufriedenstellende Kondensatorimprägnierungsmittel. Ein Kondensatorimprägnierungsmittel sollte als allgemeine Eigenschaften die folgenden haben-.

sollte

Es /entweder in reinerForm oder in einer Form vorliedie reinif±>ar ist · ■ , , ,, ,

gen₃[und sollte einen Siede-und Erstarrungspunkt ausserhalb des für den Kondensator zu verwendenden Temperaturbereiches während des Betriebes haben und einen Flammpunkt von oberhalb etwa 175°C. Ausserdem sollte die Flüssigkeit einen Dampfdruck

und zwar unterhalb des atmosphärischen Druckes haben, bei Temperaturen

_ sollte
bis zu etwa 300 C undYeine Dielektrizitätskonstante oberhalb

2, insbesondere für Kunstharzfilmdielektrika, wie beispielsweise

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Polypropylen, und vorzugsweise von 4 und darüber, für Papierdielektrika/ Aus serdem sollte die Flüssigkeit eine relativ niedrige Viskosität haben, d.h. weniger als etwa 1000 centistokes bei 25°C und sie sollte bis etwa -40°C flüssig bleibeaoer Leistungsfaktor des gereinigten Imprägnierungsmittels selbst sollte wesentlich niedriger als 10 % und vorzugsweise weniger als 5 % betragen, gemessen bei 1OO°C und 100 Hertz, so dass der in dem fertigen Kondensator sich ergebende Leistungsfaktor auf weniger als etwa 1 % reduziert werden kann. Der niedrige Leistungsfaktor muss für einen langen Zeitraum, der sich über mehrere Jahre erstreckt, erhaltenbleiben .

Weiterhin sollte das Imprägniermittel mit anderen Materialien in der Kondensatorstruktur verträglich sein und sollte fähig sein, wechselnden Temperaturen während des"Betriebes des Kondensators bei Belastungen mit hohen Spannungen zu widerstehen. Leichte Handhabung, leichte Imprägnierung und andere physikalische Charakteristika sind erwünscht. Ausserdem ist es wünschenswert, dass das Imprägniermittel sich biologisch zu einem hohen Grad abbauen lässt, im Vergleich mit chlorierten Biphenylen, und dass es eine niedrige Toxizität hat.

Bevorzugte Ester, die angemessene Resultate in Dielektrizitätstesten ergeben, sind Fettsäureester von Glyzerin und die dibasischen Säureester. Rizinusöl ist ein typischer Fettsäureester und ist , .wie andere öle aus pflanzlichen Samen , die als Kondensatorimprägnierungsmittel vorgeschlagen wurden, Andere solche öle sind" beispielsweise Baumwollsamenö1. Rapsöl, Erdnussöl, Sojabohnenöl und dergleichen. Die Ähnlichkeiten dieser öle für Kondensatoren für den Zweck

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der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen vorhersehbar. Sebacinsäuredibutylester und Adipinsäuredibutylester sind typische dibasische Säureester, die erfindungsgemäss verwendet werden können.

Die erfindungsgemässen aliphatischen Ester können Mischungen

en

von Estern oder Mischungrvon Estern und anderen Imprägnierungsmitteln, die zufriedenstellende Ergebnisse ergeben, enthalten. Für den erfindungsgemässen Zweck kann eine Mischung Mischungen der erfindungsgemässen aliphatischen Ester oder einen aliphatischen Ester enthalten. Die Mischung kann ausserdem den erfindungsgemässen aliphatischen Ester und allgemein einen Konlenwasserstoff enthalten.

Mischungen werden verwendet, um ein fertiges Imprägnierungsmittel herzustellen, das charakteristische Unterschiede im Vergleich mit dem Ester der Erfindung aufweist, wie beispielsweise eine erhöhte Dielektrizitätskonstante. Das zugesetzte Material kann auch in Form eines Verdünnungsmittels oder als Imprägnierungshilfe, z.B. als Benetzungsmittel verwendet werden. Ein Beispiel einer Verbindung, die verschiedenartige Funktionen erfüllt, ist Dodecylbenzol, das als Benetzungsmittel und als Imprägnierungsmittel reagiert und deshalb in relativ grossen Mengen verwendet werden kann. Obwohl vorzugsweise der erfindungsgemässe Ester die Mischung insoweit, als die elektrischen Charakteristika betröffen sind, bestimmt, liegt es innerhalb des Umfanges der vorliegenden Erfindung, dass kleinere Mengen des aliphatischen Esters der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise können von etwa 10 bis etwa 40 Gew.% eines aliphatischen Esters der vorliegenden Erfindung zu anderen Imprägnierungsmitteln

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zugesetzt werden, um deren Charakteristika zu ändern. Im Zusammenhang mit den erfindungsgemassen Mischungen kann die Mischung grosse Mengen eines geeigneten Epoxids enthalten, wobei das Epoxid beide Funktionen inne hat, d.h. es ist sowohl ein Stabilisator als auch ein Imprägnierungsmittel.

Obwohl diese Erfindung im Hinblick auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, können zahlreiche Modifikationen von den Fachleuten auf diesem Gebiet durchgeführt werden, ohne dass sie dabei von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die anschliessenden Ansprüche alle solche Modifikationen und Variationen, die innerhalb des Umfanges der vorliegenden Erfindung liegen, schützen.

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Claims

Patent ans ρ rü ehe

1. Dielektrisches flüssiges Imprägniermittel zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet , dass es einen flüssigen Ester einer aliphatischen Säure, zu welchem ein Epoxidstabilisator, der mit unerwünschten Verunreinigungen reagieren kann und dadurch die Auswirkungen der Zersetzung des genannten Esters verhindert, zugesetzt wurde, enthält.

2. Dielektrische flüssige Zubereitung zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, die als Hauptkomponente einen Ester einer aliphatischen Säure der Formel

R -

in der R ein aliphatischer Substituent und R¹ eine Alkyl- oder eine Arylgruppe bedeuten, sowie einen in dem besagten Ester gelösten Stabilisator enthält, der dadurch charakterisiert ist, dass er die Gruppe

enthält, die die Fähigkeit hat, chemisch mit Säuren und Säure-Konstituenten und -Vorstufen sowie mit anderen Verunreinigungen in elektrischen Kondensatoren, die deren

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Leistungsfaktor erhöhen können, zu reagieren.

3. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der aliphatische Ester ein Ester einer Fettsäure und Glyzerin ist.

4. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der aliphatische Ester ein Ester einer dibasischen Säure ist.

5. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Ester ein Ul aus pflanzlichen Samen ist.

6. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Ester Rizinusöl ist.

7. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Ester Adipinsäure^-dibutylester ist.

8. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Ester Sebacinsäuredibutylester ist.

9. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass ein stabilisierendes Epoxid in einer Menge, die grosser ist als etwa 0,01 Gew.%, zugesetzt wird.

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10. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Epoxidstabilisator ein Derivat eines Glycidylester ist.

11. Dielektrische Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die flüssige Zubereitung besagten Ester, in Mischung mit dem Ester, der in der Mischung als Imprägniermittel dient, enthält.

12. Dielektrisches flüssiges Imprägniermittel zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet , dass es Rizinusöl, zu welchem ein Derivat eines GIycidyläthers in einer Menge von etwa 0,01 bis 10 Gew.-% als Stabilisator zugegeben wurde, enthält.

13.!Kondensator, dadurch gekennzeichnet , dass

r (a) einen abgedichteten Behälter enthält, (b) wenigstens einen in den Behälter eingeschlossenen Kondensatorwickel-,te-il enthält, (c) der Wickelteil ein Paar von Elektroden und dazwischen ein dielektrisches Material enthält, (d) ein nicht halogeniertes Imprägniermittel in dem Behälter enthält, der den Wickelteil imprägniert, wobei (e) das Imprägniermittel einen flüssigen aliphatischen Ester enthält, zu welchem ein Epoxid zugesetzt wurde, das fähig ist, chemisch mit Verunreinigungen, die entweder zugegen sind oder im Kondensator während des Betriebes erzeugt "werden, reagiert, um den elektrischen Abbau des Kondensators zu verhindern.

Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Elektrodenpaar metallisierte Oberflächen von Polypropylenstreifen umfasst.

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15. Kondensator nach. Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägniermittel ein Fettsäureester des Glyzerins ist und dass das Epoxid ein Derivat von Äthylenoxid ist.

16. Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass das Imprägniermittel ein Ester einer dibasischen Säure ist.

17. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aliphatische Ester ein
Fettsäureester des Glyzerins und das Epoxid ein Derivat von Äthylenoxid ist.

18. Kondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass der aliphatische Ester ein Ester einer dibasischen Säure ist.

19. Kondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aliphatische Ester Rizinusöl ist.

20. Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der aliphatische Ester Sebacinsäuredibutylester ist.

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