DE2441517C3

DE2441517C3 - Hochspannungs-Keramikkondensator

Info

Publication number: DE2441517C3
Application number: DE2441517A
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Oyamada; Minoru Tokyo Sato
Original assignee: Tdk Electronics Co Ltd Tokyo; TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE2462480A1; US3946290A; GB1428595A; DE2441517A1; DE2441517B2; DE2462480C2; FR2246953A1; FR2246953B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Keramikkondensator mit einem keramischen Dielektrikum, mit auf zwei parallelen Flächen des keramischen Dielektrikums aufgebrachten Metallschichten zweier Beläge mit an den Oberflächen der Metallschichten angebrachten Anschlußkörpern und mit einer das keramische Dielektrikum und mindestens einen Teil der Metallschichten umgebenden Umhüllung aus einem synthetischen Harz.

Es sind Leistungsunterbrecher für hohe Ströme und sehr hohe Spannungen bekannt, welche SFe-Gas als Extinktionsmedium enthalten. Bei diesen Unterbrechern werden Hochspannungs-Keramikkondensatoren verwendet, die eine große Zuverlässigkeit haben müssen.

Der Stand der Technik wird im Folgenden an Hand der F i g. 1 bis 3 dargelegt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Hochspannungs-Keramikkondensator,

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Teilbereiches des Hochspannungs-Keramikkondensators gemäß Fig. 1,

Fig.3 ein Aquivalentschaltbild des Kondensators gemäß F i g. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Hochspannungs-Keramikkondensator mit einem Keramik-Dielektrikum 1 aus Bariumtitanat, dessen parallele Endflächen mit Metallschichten 2 versehen wurden, und zwar durch Aufdrucken eines geschmolzenen Metalls χ E(V).

Da nun C_c< C₅ gilt, so liegt der größte Teil der Spannung an C_c an. Es kommt daher schon beim Anlegen einer geringen Spannung zu einer teilweisen Entladung. Daher ist die Zuverlässigkeit eines Unteren brechers mit einem solchen Höchst jnnungs-Keramikkondensator stark herabgesetzt.

Die FR-PS 21 66 437 beschreibt einen Kondensator, bei dem die Anschlußkörper nicht auf die Metallschichten des Kondensators aufgelötet sind. Der Kondensator •π ist vielmehr in axialer Richtung durch ein aufgeschrumpftes Glasrohr komprimiert, so daß die Anschlußkörper mit großer Kraft gegen die Metallschichten gepreßt werden. Auf Grund des komplizierten Aufbaus dieses bekannten Kondensators ist die Herstellung erheblich verteuert. Außerdem ist bei gleicher Kapazität der Raumbedarf erhöht und die mechanische Festigkeit ist gering.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen einfachen, zuverlässigen Hochspannungs-Keramikkondensator ι) der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher an den Grenzflächen zwischen den Metallschichten und dem keramischen Dielektrikum keine Ablösungserscheinungen zeigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst. daß die Anschlußkörper aus mit einer leitfähigen Schicht umhüllten Keramikkörpern bestehen und daß jeweils der Ausdehnungskoeffizient eines solchen Keramikkörpers gleich oder ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Dielektrikumskörpers 6ί ist.

Mit dieser Maßnahme werden die Ablösungserscheinungen an det Grenzfläche zwischen den Metallschichten und dem keramischen Dielektrikum während des

Anlöten? oder während eines Abküblungs7Erhitzungs-ZyWus vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig.4 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Hochspannungs-Keramikkondensators,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Hochspannungs-Keramikkondensators,

Fig.6 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines AbkuhlungS'/Erhitzungs-Zyklus, iu

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Wechselstrom-Koronazündspannung von der Anzahl der Zyklen, und

F i g. 8 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Kapazitätsänderungskoeffizienten von der Zahl der Zyklen.

Der Hochspannungs-Keramikkondensator gemäß F i g. 4 umfaßt einen keramischen Dielektrikumskörper 21 und Metallschichten 22 auf zwei parallelen Flächen desselben. Diese können aufgebracht werden, indem man geschmolzenes metallisches Silber oder eine mischung aus Silberoxid und einer Fritte aufdruckt oder indem man Nickel durch chemische P;<mierung aufbringt. Ferner sind Keramikkörper 23 vorgesehen, deren Ausdehnungskoeffizient ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Dielektrikumskörpers 21 ist. Sie sind mit einer leitfähigen Schicht aus Metall überzogen und auf die Metallschichten 22 aufgelötet oder mit einem Bindemittel aufgeklebt. Alle Teile des Kondensators außer den Enden der Anschluß- so körper sind mit einem synthetischen Harz 24 umgössen. Auf Grund des ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten werden mechanische Spannungen an der Grenzfläche zwischen der Metallschicht und dem keramischen Dielektrikum vermieden. ü

Der erfindungsgemäße Keramikkondensator sowie ein herkömmlicher Keramikkondensator gemäß Fig. 1 wurden einem Abkühlungs-/Erhitzungs-Test unterworfen. Dabei wurde gemäß F i g. 6 im Bereich von +90° C bis etwa -30° C gearbeitet. F i g. 7 zeigt die Abhängig- w keit der Koronazündspannung von der Anzahl der Abkühlungs7Erhitzungs-Zyklen. Die Koronazündspannung des herkömmlichen Keramikkondensators sinkt mit steigender Zahl der Abküh!ungs7Erhimmgs-Zyklen merklich ab. Bei dem Kondensator gemäß der Erfindung bleibt sie hingegen konstant auf 25 KV. -

Für den keramischen Dielektrikumskörper wird vorzugsweise ein Material von der Zusammensetzung
SrTiO₃-Bi₂O₃ · 3 TiO₂-BaTiO₃ oder
BaTiO₃-Bi₂(SnOj)₃-La₂O

verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient β beträgt bei diesen Materialien 8,47 χ 10~⁶ bzw. 7,53 χ ΙΟ-⁶. Der kubische Ausdehnungskoeffizient λ ist gleich 3 ß. Der Keramikkörper 23 besteht vorzugsweise aus dem Material des keramischen Dielektrikumskörpers 21 oder aus AI₂O₃. Der lineare Ausdehnungskoeffizient ß'von AI₂O₃ beträgt 7,3 bis 7,6 χ 10-⁶ und ist somit ähnlich dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Dielektrikums.

Ferner wurde die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Anzahl der Abkühlungs-/Erhitzungs-Zyklen gemäß Fig.6 gerne-.,in. Als Material für den keramischen Dielektrikumskörper 21 wurde dabei eines der beiden genannten Materialien ausgewählt und der Keramikkörper 23 besteht aus Al₂Oi oder aus dem Keramikmaterial des keramischen Dielektrikumskörpers 21. In Fig.8 ist der Koeffizient der Änderung der Kapazität auf der Ordinate aufgetragen. Man beobachtet keine wesentliche Änderung der Kapazität des Keramikkondensators gemäß der Erfindung. Demgegenüber beobachtet man bei einem herkömmlichen Kondensator mit einem Anschlußkörper aus Metall eine erhebliche Änderung der Kapazität.

Fig.5 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein dünner, mit einer leitfähigen Schicht umgebener Keramikkörper 23 auf die Metallschicht 22 aufgelötet ist und je ein Anschlußkörper 25 aus Metall auf den Keramikkörper 23 aufgelötet ist. Dieser Kondensator zeigt im wesentlichen die gleichen Vorteile wis der Kondensator gemäß F i g. 4.

2 ßliiit Zcidiiniimen

Claims

Patentansprüche;

1. Hoehspannungs-Keramikkondensator mit einem keramischen Dielektrikum, mit auf zwei parallelen Flächen des keramischen Dielektrikums aufgebrachten Metallschichten zweier Beläge mit an den Oberflächen der Metallschichten angebrachten Anschlußkörpern und mit einer das keramische Dielektrikum und mindestens einen Teil der Metallschichten umgebenden Umhüllung aus einem synthetischen Harz, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkörper aus mit einer leitfähigen Schicht umhüllten Keramikkörpern (23) bestehen und daß jeweils der Ausdehnungskoeffizient eines solchen Keramikkörpers (23) gleich oder ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Dielektrikumskörpers (21) ist.

2. Hochspannungs-Keramikkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mit den leitfähigen, die Keramikkörper (23) umgebenden Schichten der Anschiußkörper verlötete oder auf andere Art leitfähig verbundene, metallische Anschlußteile (25) vorgesehen sind.

3. Hochspannungs-Keramikkondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Dielektrikumskörper (21) aus einem Keramikmaterial von der Zusammensetzung

SrTiO₃ - Bi₂O₃ · 3 TiO₂ - BaTiO₃ oder

BaTiO₃ - Bi₂(SnO₃J₃ - La₂O

besteht und daß der Keramikkörper (23) des Anschlußkörpers aus dem Keramikmaterial des keramischen Dielektrikumskörpers (21) oder aus AI₂O₃ besteht.

(Silber) oder einer Mischung von Silberoxjd und einer Fritte oder durch chemisches Plattieren mit Nickel Ein mit Gewinde versehener metallischer Anschlußkörper 3 (aus Messing) ist mit einem Lot 4 oder einem elektrisch leitfähigen Kleber auf die Metallschicht 2 aufgelötet bzw, aufgeklebt. Alle Teile des Kondensators außer den Enden der Ansehlußkörper 3 sind mit einem synthetischen Harz 5 umgeben oder vergossen.

Der Messinganschlußkörper 3 hat efnen Ausdehnungskoeffizienten von 20—23xlO-^e. Demgegenüber hat das keramische Dielektrikum einen Ausdehnungskoeffizienten von nur 7 -9 χ 10-⁶. Dies führt nach dem Anlöten des Anschlußkörpers beim Abkühlen zu einer bleibenden mechanischen Spannung in der Metallschicht, die zur Mitte hin wirkt Wenn nun der iveramikkondensator einem Temperaturwechsel-Beständigkeitstest unterworfen wird, wobei Kühlungs- und Erhitzungszyklen im Temperaturbereich von —30° C bis 90⁰C durchlaufen werden, so ergibt sich zusätzlich zu der bei Zimmertemperatur bestehenden bleibenden Spannung eine Spannung auf Grund des Abkühiungs-ZErhitzungs-Zyklus. Dies führt zu einer Ablösungserscheinung, und es bildet sich ein Hohlraum 6 (F i g. 2). Bei einem solchen Kondensator entsprechen die einen Hohlraum 6 aufweisenden Abschnitte jeweils elektrisch einer Reihenschaltung eines Luftkondensators mit kleiner Kapazität C_cmit der elektrostatischen Kapazität C_s des keramischen Dielektrikums. Dadurch ergibt sich eine Äquivalenzschaltung gemäß F i g. 3.

Wenn nun eine Spannung E(V) angelegt wird, so liegt am Luftkondensator mit der Kapazität C_cdie Spannung: