DE2539781A1

DE2539781A1 - Kondensator mit einem kondensatorwickelelement und verfahren zur herstellung des kondensatorwickelelements

Info

Publication number: DE2539781A1
Application number: DE19752539781
Authority: DE
Inventors: Richard George Conners; Robert Joseph Flanagan; Richard Cardey Merrill
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-16
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1976-04-01
Also published as: JPS5156953A; CA1044340A; JPS5914883B2; USB506461I5; DE2539781C2; BR7505984A; GB1523892A; US3987348A; IT1042512B

Description

Dr. Horst Schüler 5. September 1975

Patentanwalt Bö/Dr. Sch.

6 Frankfurt/Main 1
Nidda.tr. 52 ₃₇₁₇.3₆__CA_3₂₃₂

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Kondensator mit einem Kondensatorwickelelement und Verfahren zur Herstellung des Kondensatorwickelelements

Die Erfindung betrifft einen metallisierten elektrischen Kondensator und insbesondere einen teilweise imprägnierten, metallisierten Kondensator, der für Spannungen oberhalb etwa 250 V Wechselspannung geeignet ist.

Ein wesentlicher Nachteil von Kondensatoren besteht in den schädlichen Wirkungen, die bei Koronaentladungen und der folgenden Lichtbogenbildung auftreten. Koronaentladungen treten im allgemeinen in Lücken und mit Luft gefüllten Zwischenräumen bei Kondensatorspannungen oberhalb etwa 400 V Wechselspannung auf und folgen dem Paschen-Gesetzt Jedoch sind Wechselspannungskondensatoren im allgemeinen so ausgebildet, daß sie einen Koronaschwellenwert besitzen, der gut oberhalb der Nennspannung in Hinblick auf vorübergehende Überbeanspruchungen oder Überspannungen liegt. So besitzt beispielsweise ein 250 V-Wechselspannungskondensator im allgemeinen einen Koronastartspannungs-Schwellenwert bzw. -grenzwert von oberhalb etwa 400 V. Um Koronaentladungen zu vermindern» sind Hochspannungskondensatoren im allgemeinen gänzlich und vollständig mit einem dielektrischen

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flüssigen Imprägniermittel imprägniert, das die meisten (wenn nicht alle) Lücken und Zwischenräume einnimmt, wo Koronaentladungen auftreten, und dadurch den Koronagrenzwert heraufsetzt.

Für einen Betrieb bei Spannungen unterhalb etwa 250 V Wechselspannung kann ein trockener oder nicht-imprägnierter, metallisierter Kondensator verwendet werden. Bei einem metallisierten Kondensator handelt es sich um einen Kondensator, dessen Elektrode im allgemeinen aus Metall, z.B. aus Aluminium besteht, das unter Vakuum als dünner Film auf einem festen Dielektrikum abgeschieden wurde. Diese Art Kondensator besitzt den Vorteil der "Selbstheilung",wenn ein elektrischer Kurzschluß oder Fehler auftritt, da das dünne Elektrodenmetall, das den Bogen unterstützt, verdampft, wodurch der Bogen erlischt bzw. der Fehler des Systems verschwindet. Metallisierte Kondensatoren sind auch aus dem Grund vorteilhaft, da bei den niederen Spannungen dünnere und nicht kritische Dielektrika verwendet werden, die bei geringeren Beanspruchungen arbeiten können.

Trockene,metallisierte Kondensatoren für Spannungen im Bereich von 250 bis 75O V Wechselspannung und insbesondere von etwa 350 bis 750 V Wechselspannung haben keine breite Aufnahme gefunden, da bei dünnen dielektrischen Filmen unter hoher Beanspruchung die Selbstheilung (self clearing feature) zu ausgeprägt auftritt und eine übermäßige Elektrodenerosion unter Kapazitätsverlust eintritt. Es tritt auch eine übermäßige Gaserzeugung bei diesen Spannungen auf und der Temperaturanstieg in diesen Kondensatoren ist zu groß. Eine dielektrische Flüssigimprägnierung dieser Hochbeanspruchungskondensatoren ist nicht nur wegen des erhöhten Kostenfaktors unerwünscht, sondern auch da die Imprägnierungsmittel beim Selbstheilen übermäßig Gas erzeugen und den metallisierten Film erodieren. Dementsprechend findet man trockene, metallisierte Kondensatoren nur für niedere Spannungen und stärkere dielektrische Systeme, d.h. Systeme mit einer Niederspannungsbeanspruchung, und flüssige, imprägnierte Kondensatoren für höhere Spannungen. Jedoch sind trockene, metallisierte Kondensatoren mit hoch beanspruchten dielektrischen

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Systemen wirtschaftlicher und andererseits für Mittelspannungssysteme (250 bis 750 V Wechselspannung) vorteilhaft.

Ein erfindungsgemäßer Kondensator weist bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Paar von mit Aluminium metallisierten, sehr dünnen Polypropylenfilmstreifen auf, die sehr dicht auf einen festen, zylindrischen Kern zu einem runden, festen Kondensatorwickelelement gewunden sind, das im wesentlichen frei von inneren Luftzwischenräumen und Lücken ist. Das Wickelelement wird in einen Topf, einen Becher bzw. ein Gehäuse eingesetzt und der Topf wird mit einer geeigneten dielektrischen Flüssigkeit gefüllt, die im wesentlichen nur die Wicklungsenden überzieht, um das zu unterdrücken, was als Wicklungsendenkorona bezeichnet wird. Auf diese Weise wird ein trockener, metallisierter, stark beanspruchbarer Kondensator vorgesehen, der für eine Verwendung bei mehr als 250 V Wechselspannung geeignet ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei

Fig. 1 ein Beispiel für ein Kondensatorwickelelement gemäß der Erfindung zeigt, das zum Teil aufgewickelt ist, um die Ausbildung des Dielektrikums und die Elektrodenstruktur zu veranschaulichen;

Fig. 2 die feste Wicklung gemäß der Erfindung zeigt, mit der Kondensatorleitungen verbunden werden;

Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer Abwandlung des dielektrischen Systems der Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 eine doppelt metallisierte Elektrodenausbildung des Systems der ELg. 3 zeigt; und

Fig. 5 eine Kondensatorwicklung gemäß der Erfindung zeigt, die in geeigneter Weise in einem Becher untergebracht und verschlossen ist.

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In Fig. 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für ein Kondensatorwickelelement 10 gezeigt. Das Wickelelement 10 umfaßt ein Paar Streifen 11 und 12 aus einem dielektrischen Material, das metallisiert wurde, wie durch die Metallflächen bzw. Metallüberzüge 13 und Ik veranschaulicht wird. Wie es üblich ist, werden die Streifen 11 und 12 in einer Weise metallisiert, die metallfreie Ränder 15 und 16 an entgegengesetzten Enden der Wicklung 10 beläßt. Beim Wickeln der Wicklung 10 werden die Streifen 11 und 12 seitlich gegeneinander versetzt, so daß jede Wicklungsbegrenzung bzw. jedes Wicklungsende mit seinen metallischen Belägen am Ende des Streifens eine Verschiebung aufwedsfc. Deber können geeignete Anschlüsse mit den Wicklungsenden nach dem bekannten Schoop-Verfahren verbunden werden. Infolge der Ausbildung der freien Ränder besteht kaum die Gefahr, daß das Schoop-Material übermäßig in das Wicklungsende eintritt und die anderen metallischen Flächen elektrisch kurzschließt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Wicklung 10 äußerst dicht aufgewunden ist, so daß Luftzwischenräume auf ein Minimum herabgesetzt werden, die nachteilige Koronaentladungen fördern würden. Dieses Merkmal gemäß der Erfindung wird dadurch erzielt, daß man spezielle Materialien und Wicklungsverfahren anwendet. Insbesondere bestehen die dielektrischen Streifen 11 und 12 aus einem dichten, nichtporösen Material; sie können zu diesem Zweck aus verschiedenen synthetischen Harzfilmen bestehen, wie Polyestern, Polycarbonaten und Polyolefinen. Abgesehen von der Art des Materials des synthetischen Harzes, das für diese Streifen verwendet wird, sind sie erfindungsgemäß besser geeignet, wenn sie relativ glatt und für flüssigkeiten undurchlässig, d.h. nicht porös sind, einen niedrigen Elastizitätsmodul und gleichmäßige Dimensionen besitzen. Papiermaterialien und andere poröse Materialien sind erfindungsgemäß infolge ihrer bekannten Porosität ausgeschlossen, da erfindungsgemäß angestrebt wird, die Luftzwischenräume in der Wicklung herabzusetzen und zu Beginn die FLÜssigkeit nur sehr wenig, wenn überhaupt, in die Wicklungsstruktur eindringen zu lassen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung

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wird biaxial orientiertes isotaktisches Polypropylenmaterial für die Streifen 11 und 12 verwendet. Dieses Polypropylenmaterial ist frei von Taschen und Biegungen und Durchlässen (sags) gleichmäßiger Abmessungen und dimensionsstabil bei etwas erhöhten Temperaturen. Polypropylenstreifen, die in vielen Fällen verwendet wurden, besaßen eine Stärke von 0,08 cm (32 gauge) und eine Breite von etwa 5,1 bis 7,6 cm (2 bis 3 inch).

Um die Streifen 11 und 12 zu einer sehr dichten Wicklung aufzuwickeln, muß die Wicklung mit einem festen Kern versehen sein, nicht nur, um die Wicklung als ganzes zu halten, sondern auch um ein Zusammenfallen der Wicklungswindungen zu verhindern. Wie man der Fig. 1 entnehmen kann, ist die Wicklung 10 mit einem festen Kern 17 versehen, der rohrförmig bzw. zylinderförmig oder njJLSsiv aisgebildet sein kann und koaxial (coextensive) durch die Wicklung verläuft. Der Kern 17 besteht vorzugsweise aus einem festen, nicht-leitenden Material, z.B. aus einem synthetischen Harz, wie Polypropylen. Der Kern 17 kann auch ein zusammengesetztes Element sein, d.h. ein Rohr, in das später ein .gewünschtes Material eingegossen wird. Für eine Ausführungsform der Erfindung wurde ein Kern 17 aus Polypropylenfolien bzw. -streifen einer Stärke von etwa 0,013 cm (5,0 mil) hergestellt, die dicht etwa 5 bis 15 mal umeinander gewickelt wurden, um eine geeignete Steifigkeit zu gewährleisten. Ein Vorteil dieses Kerns besteht darin, daß er auf einem Aufsteckhalter einer Standardvorrichtung gewickelt wird und daß der feste Wickelkondensator auf den Kern gewickelt wird, der danach leicht vom Aufsteckhalter der Vorrichtung entfernt wird. Zusätzlich werden die metallisierten dielektrischen Streifen und das Kernmaterial auf den Aufsteckhalter (arbor) der Vorrichtung zum gleichzeitigen Aufwickeln gesetzt; mit dieser Methode ist es nicht erforderlich, die Streifen an einem zuvor hergestellten Kern zu befestigen, wenn hohe Wicklungsspannungen angewendet werden. Erfindungsgemäß kann der Kern 17 als einmal zu verwendende Achse eingesetzt werden, auf die die feste Wicklung 10 etwa in der Weise gewickelt wird wie sie in der US-PS 3 153 l8o (Bellmore) beschrieben ist. Der WicklungsVorgang zum Wickeln einer festen Wicklung 10 kann

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mit verschiedenen Wickelmaschinen durchgeführt werden, wobei die Maschine der US-PS 2 328 520 (West) ein Beispiel darstellt.

Ein wichtiger Faktor für die Erfindung stellt die Definition eines festen Wickelkondensators dar. Die feste Wicklung stellt eine Wicklung dar, die so dicht gewickelt ist, daß ein späteres Eindringen oder Imprägnieren tief in die Wicklung durch die dielektrische Flüssigkeit ein äußerst schwieriger und langsamer Vorgang wird. Tatsächlich ist eine Imprägnierung, die zum WicklungsZentrum oder wesentlich von den Wicklungsenden wegführt, weder erforderlich noch erwünscht. Die feste Wicklung wird ausreichend dicht gewickelt, um im wesentlichen alle Luftzwischenräume oder Lücken zwischen den einzelnen Lagen auszuschließen und dadurch Stellen für eine mögliche Korona zu eliminieren. Diese Luftzwischenräume werden (wo sie auch immer auftreten) durch den Raumfaktor wiedergegeben, d.h. durch die prozentuale Volumendifferenz zwischen einer theoretisch festen Wicklung 10 und der tatsächlich gewickelten Wicklung 10. Erfindungsgemäß soll bei den bevorzugten Ausführungsformen der Raumfaktor im Bereich von etwa 0 bis 0,5 % und vorzugsweise von 0 bis etwa 0,3 % liegen. Das wird dadurch erzielt, daß man eine Wicklungsspannung von mindestens 200 g und vorzugsweise 600 bis 900 g je 25,4 mm (inch) Filmbreite je 0,25 mm (mil) Stärke eines biaxial orientierten isotaktischen Polypropylenfilms vorsieht. Z.B. beträgt bei einem Filmstreifen einer Breite von 76 mm (3 inch) und einer Stärke von 0,08 mm (0,32 mil) die minimale Spannung 192 g und die bevorzugte Spannung 576 bis 864 g.

Die feste Wicklung, die von der Wickelmaschine genommen wird oder beim Schoop-Verfahren anfällt, wird danach einem Wärmestabilisierungsverfahren bei hoher Temperatur zum weiteren Herabsetzen des Raumfaktors unterworfen. Z.B. werden bei Wicklungen 10 mit den vorstehend angeführten Polypropylenstreifen die Wicklungen in einen Ofen gegeben; die Ofentemperatur wird über etwa 105 ⁰C erhöht und bei diesem Wert mehrere Stunden lang, vorzugsweise etwa 4 Stunden bis 16 Stunden lang gehalten.

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Der obere Grenzwert dieser Behandlung liegt sicher unter der Erweichungstemperatur des Polypropylens, wobei ein Bereich von 110 bis 120 ⁰C als befriedigend ermittelt wurde. Es ist wichtig, daß es sich bei den angegebenen Temperaturen um solche handelt, die bis tief in die Wicklung gelten. Das gesamte Polypropylen in der Wicklung soll dem WarmeschrumpfVorgang unterworfen werden und die Temperatur soll auf diesen Paktor eingestellt werden. Die Temperaturbehandlung kann in einigen Fällen eine etwas höhere erhöhte Temperatur im Ofen oder eine höhere Ofentemperatur über eine längere Zeitspanne hinweg erfordern, damit alle Teil des Kondensators auf die gewünschte Temperatur in den angegebenen Bereichen gebracht werden. Jedoch kann die Temperatur etwas zwischen dem inneren und dem äußeren Bereich der Wicklung variieren. Der Zweck dieser Behandlung besteht darin, das Polypropylen in der Wicklung wärmezufixieren, um die Wicklung schrumpfen zu lassen, um weiter irgendwelche Lücken in der Wicklung unter den kritischen Wert bzw. die kritische Größe zu reduzieren, die durch das Paschen-Gesetz definiert wird.

Diese Art der Wärmebehandlung ist nur demonstrierbar und deutlich wirksam, wenn die Kondensatorelektrode gleichfalls eine Struktur aufweist, die eine Schrumpfung zuläßt. Es wurde festgestellt, daß selbsttragende Elektrodenfolien in Kombination mit separaten Polypropylenstreifen, d.h. Aluminiurafolien erfindungsgemäß nicht verwendet werden können, da die Folien nicht schrumpfen, und nicht dazu führen, daß die Wärmebehandlung den Harzfilm in der gewünschten Weise zum Eliminieren von Luftzwischenräumen schrumpfen läßt. Eine bevorzugte Elektrode weist eine metallisierte Struktur auf, bei der z.B. ein Metall, wie Aluminium oder Zink, unter Vakuum direkt auf den Filmstreifen aufgetragen ist. Diese Art von Elektrodenstruktur ist für das Filmschrumpfen der Wicklung geeignet. Es können andere Methoden des Beschichtens oder Überziehens oder andere Methoden, um einen Filmstreifen leitend zu machen, er'findungsgemäß so weit angewendet werden, als die Struktur nicht das Schrumpfen oder die Reduktion der Luftzwischenräume durch Schrumpfen verhindert.

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Dabei sind andere Arten von Polypropylenfilmen verfügbar, die stärker wärmefixierbar sind oder in einer Richtung stärker wärmefixierbar als in der anderen Richtung sind. Es ist erwünscht, daß das Wärmeschrumpfen vor allem in Richtung der Wicklungswindungen stattfindet, d.h. in Richtung einer Verkürzung der Längsausdehnung bzw. Länge der Streifen. Polypropylen ist stärker schrumpfbar, wenn es zuvor gestreckt, d.h. orientiert wurde, obgleich die hohe Wicklungsspannung zu diesem Effekt beiträgt. Das Ergebnis ist eine Wicklung mit beträchtlicher Ringspannung sowohl vor als nach der Wärmebehandlung.

Die feste Wicklung gemäß der Erfindung nach der Wärmebehandlung besitzt eine äußerst steife Struktur, die nicht leicht deformiert werden kann. Um die Steifigkeit und den kleinen Raumfaktor beizubehalten, wird die feste Wicklung in ihrer im wesentlichen zylindrischen Form verwendet. Sie ist nicht abgeflacht, wie es bei derartigen Kondensatoren im allgemeinen der Fall ist, und kann daher mit einem zylindrischen Becher verwendet werden, wenn es gewünscht ist.

Es können geeignete elektrische Anschlüsse an dem festen Wickelelement gemäß der Erfindung in verschiedener Weise angebracht werden. Eine bevorzugte Ausführungsform wird durch Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 sind elektrische Anschlüsse 18 und 19 an entgegengesetzten Enden der festen Kondensatorwicklung 21 durch eine Schoop-Verbindung 20 angebracht. Ein vorbildliches Schoop-Verfahren wird in der US-PS 3 256 472 (Centurioni) erläutert. Die Schoop-Verbindungen können in vorgegebener Weise so vorgesehen bzw. angebracht werden, daß öffnungen in einem rohrförmigen Kern 17 vorgesehen werden.

Es können andere Methoden zum Befestigen oder mechanischen Anbringen von Anschlüssen gleichfalls erfindungsgemäß angewandt werden. Es kann auch ein modifiziertes Belagelement bzw. Abdeckungselement so weit verwendet werden, als der Belag nicht eine große Lücke in der Wicklung mit sich bringt. Ein modifiziertes Belagelement, das Lücken reduziert, wird in Fig. 3

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erläutert.

In Pig. 3 ist ein Teil eines Wickelelements 22 durch die Ansicht eines Schnitts längs der Linie A-A der Fig. 1 wiedergegeben, jedoch begrenzt auf einen kleinen Bereich der Wicklung. In Fig. 3 weist die dielektrische Struktur versetzte, einzelne, metallisierte Polypropylenstreifen 13, 14, 13' > 14 · (usw.) auf, die in der gleichen Weise wie in Fig. 1 angeordnet sind. An je dem Wicklungsende 23 und 24 ragen von der Wicklung die seitlichen Enden zusätzlicher Folienstreifen bzw. Beläge bzw. Abdeckungen 25 und 26 vor. Bei den Streifen 25 und 26 handelt es sich um schmale Folienbänder, die in die Wicklung während des Wicklungsvorgangs eingesetzt oder dazwischengelegt wurden. Gemäß der Darstellung grenzen die Abdeckungsstreifen 25 und 26 an die Ränder der metallisierten Polypropylenstreifen 13 und an und schaffen in einem großen Bereich einen elektrischen Kontakt mit dem jeweils aufliegenden metallischen Belag. Da diese Abdeckungsstreifen nicht zwischen benachbarte Streifen 13 und 14· sondern zwischen den nächsten benachbarten Streifen 13. und 13' bzw. 14 und 14' eingesetzt sind und da sie an die Enden der Polypropylenstreifen 13 und 14 angrenzen, tragen sie nicht merklich zum Volumen der Wicklung bei. Dementsprechend ist eine Wärmeschrumpfung zum Entfernen und Reduzieren von Lücken in der Wicklung in gleicher Weise wirkungsvoll. Gleichzeitig werden Anschlußleitungen vorteilhafterweise an den Abdeckungen 25 und 26 vorgesehen. Man kann die gleichen Maßnahmen auch vorsehen, wenn die Streifen 13 und 14 nicht versetzt sind, das erfordert jedoch, daß die Abdeckungen zwischen benachbarten Schichten eingesetzt werden, wobei eine gewisse Zunahme des Durchmessers und Lücken auftreten.

Es wurde festgestellt, daß feste Wickelkondensatoren, die nach der erfindungsgemäßen Lehre entsprechend den Fig. 1 und 2 hergestellt wurden, wirkungsvoll bei Wechselspannungen von 250 V und mehr arbeiteten, überraschenderweise beeinflußten Koronaentladungen diese Kondensatoren nicht nachteilig trotz der Verwendung sehr dünner Polypropylenfilme bei Beanspruchungen

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oberhalb 1200 V je 0,025 mm (mil). Bisher wurde angenommen, daß derartige Kondensatoren ungeeignet sind, da eine Kurzlebigkeit aus Koronaentladungen resultiert. Erfindungsgemäß weist die feste Wicklung jedoch einen reduzierten Raumfaktor unter dem Wert auf, der nachteilige Koronaentladungen fördert, und zusätzlich werden Kräfte beim Wickeln und eine Schrumpfung der Wicklung hervorgerufen, die zu einer weiteren Begrenzung der Luftzwischenräume führen.

Jedoch treten bei manchen Anwendungen, insbesondere bei höheren Spannungen, gewisse Koronaprobleme an den Wicklungsrändern bzw. -enden auf. Die Wicklungsränder von Kondensatorwicklungen sind kritische Stellen für Koronaerscheinungen infolge der Nähe der scharfen Ränder, die zu größeren Beanspruchungen (stress concentrations) beitragen. Dieses Problem wurde dadurch überwunden, daß man das feste Wickelelement 10 in ein Gehäuse oder in einen Becher setzte und eine geeignete, mit dem Kondensator verträgliehe dielektrische Flüssigkeit zum überziehen bzw. Versiegeln der Wicklungsränder verwendete. Bei der Verwendung dieser dielektrischen Flüssigkeit ist es nicht beabsichtigt, daß die Flüssigkeit von Beginn an tief in die Wicklung eintritt. Eine Imprägnierung in üblicher Weise oder eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung, wie sie in der US-PS 3 363 (Cox) beschrieben ist, ist erfindungsgemäß nicht erforderlich und auch unerwünscht.

Die dielektrische Flüssigkeit wird nur zum überziehen, Versiegeln bzw. Isolieren der Wicklungsränder verwendet und soll als Wärmeübertragungsmittel beim Betrieb des Kondensators wirken. Diese letzte Funktion ist besonders erwünscht und erforderlich, um eine lange Betriebsdauer für einen Kondensator zu gewährleisten, der von einem Gehäuse eingeschlossen wird. Wenn der Kondensator keinen guten Wärmekontakt im Becher hat, ist der Temperaturstau beträchtlich. Die dielektrische Flüssigkeit schließt nicht nur Koronastellen an den Wicklungsrändern aus sondern wirkt auch als ausgezeichnetes Wärmeubertragungsmedium zwischen den Elektroden und dem Gehäuse. Wenn ein rohrförmigen

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Kern 17 verwendet wird, ist er mit der imprägnierenden Flüssigkeit gefüllt, wobei ein weiterer Wärmeübertragungsweg gebildet wird.

Zu bevorzugten Flüssigkeiten für die Ränder metallisierter Polypropylenfilme gehören Ester, insbesondere Rizinusöl und Phthalatester, wie Dioctylphthalat. Die Wirksamkeit dieser Materialien wird erhöht, wenn in ihnen ein Epoxidreinigungsmaterial gelöst ist. Chlorierte Diphenyle sind äußerst unerwünscht und erfindungsgemäß nicht brauchbar, da sie in den Film eindringen und ihn erweichen und eine Ablösung der Elektrode bewirken. Die übliche Selbstheilung beim Auftreten von Lichtbögen bei metallisierten Kondensatoren führt auch zu außerordentlich leitenden Nebenprodukten der chlorierten Diphenyle.

Das Eindringen von dielektrischer Flüssigkeit soll nur bis leicht hinter den Wicklungsrand führen und es braucht kein Eindringen in die Wicklung stattzufinden. Um dieses Eindringen weiter zu begrenzen, können geeignete Geliermittel zum Imprägniermittel zugegeben werden. Eine Untersuchung einer Anzahl von festen Wicklungen gemäß der Erfindung, die aufgewickelt wurden, hat gezeigt, daß die dielektrische Flüssigkeit nicht merklich eindrang und daß das Innere der Wicklungen recht trocken war. So wurde festgestellt, daß derartige dielektrische, flüssige Imprägniermittel, wie Rizinusöl und Phthalatester, nur einige 0,025 mm (mil) in die Wicklung eindringen. Die feste Wicklung gemäß der Erfindung schließt infolge ihrer Festigkeit und der Wärmebehandlung und des Ausschlusses von porösen Materialien ein Imprägnieren aus, bei dem das Imprägniermittel die Wicklung entweder durch die verschiedenen Streifen oder durch die Streifenmaterial! en passiert. Beim Aufwickeln einer festen Wicklung gemäß der Erfindung beobachtet man bei der Untersuchung des Bereichs zwischen den Wicklungsrändern einen zentralen Abschnitt, der sich über die größte Strecke zwischen den Wicklungsrändern erstreckt und trocken und unimprägniert ist. Άχι den Wicklungsrändern kann man ein sehr schmales Band bzw. einen sehr schmalen Streifen einer Breite von einigen 0,025 mm (mil) eines Abschnitts

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finden, der mit der dielektrischen Flüssigkeit benetzt ist.

Es wurde festgestellt, daß ein übermäßiges Eindringen der dielektrischen Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen nicht nachteilig ist. Bei einigen Kondensatoren, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, zeigt sich nach Langzeitprüfungen und beim Auseinanderreißen, daß die dielektrische Flüssigkeit in die Streifenenden der Wicklung beim iimah der Wicklung eingesickert ist. Dieses Einsickern kann durch mehrere Wicklungslagen stattfinden. Wenn ein gewisser Defekt oder ein lockerer Bereich in der Wicklung vorliegt, kann das Einsickern ferner vom Wicklungsrand recht tief in die Wicklung an der defekten Stelle stattfinden. Es wurde nicht festgestellt, daß diese Art eines begrenzten und isolierten Eindringens für den Kondensator nachteilig ist.

Ferner läuft bei der Benutzung des Kondensators bei Arbeitstemperaturen und Arbeitsspannungen das Eindringen der dielektrischen Flüssigkeit mit einer sehr begrenzten Rate bei einem sehr begrenzten Volumen ab; es kann nach vielen hundert oder tausend Betriebsstunden übermäßig aussehen, obgleich das verfügbare Flüssigkeitsvoluraen recht begrenzt ist. Wegen der geringen Rate des Eindringens und da es zu Beginn für eine v/irksame Kondensatorbenutzung nicht erforderlich ist, wurde dieses Eindringen nicht als nachteilig ermittelt und es wurde nicht auf ihm aufgebaut.

Ein wesentlicher Vorteil des festen Wickelkondensators gemäß der Erfindung besteht darin, daß der eingesetzte Film in geringerer Stärke und bei höheren Spannungen verwendet werden kann. Z.B. verwenden Kondensatoren, die gemäß der Lehre der Erfindung hergestellt wurden, Polypropylenfilme bei Wechselspannungsbeanspruchungen im Bereich von 1200 bis 1750 V je 0,025 mm (mil) Stärke des Films. Dadurch wird ein viel kleinerer und wirtschaftlicherer Kondensator bei Beanspruchungen erhalten, die im allgemeinen als unerreichbar angesehen wurden, es sei denn, daß die Einheit vollständig imprägniert wurde. Der feste Wickelkondensator ist äußerst brauchbar, wenn die Filmbeanspruchung ober-

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halb etwa 1200 V je 0,025 mm (mil) Stärke liegt und die Nennspannung des Kondensators mindestens etwa 350 V Wechselspannung beträgt.

Die erfindungsgemäße Lehre kann auf verschiedene dielektrische Systeme zusätzlich zu den Systemen angewendet werden, die bisher angesprochen wurden. Ein weiteres modifiziertes System ist in Fig. ¹I dargestellt. Fig. 4 zeigt ein dielektrisches System 27 mit in Abstand angeordneten Polypropylenetreifen 28, deren beide Seiten mit einem Metallbelag 29 überzogen sind (doppelt metallisiert), und einem dazwischen angeordneten Polypropylenstreifen 30. Es kann sowohl die Anschlußanordnung der Fig. 2 als auch die der Fig. 3 bei dieser Struktur vorgesehen werden.

Der feste Wickelkondensator gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in einen Becher bzw. in ein Gehäuse eingeschlossen. Eine typische Einheit wird in Fig. 5 wiedergegeben. Gemäß Fig. 5 umfaßt die Kondensatoreinheit 31 einen Metallbecher bzw. ein Metallgehäuse 32, das mit Anschlüssen 33 und 3*» versehen ist. Die Kondensatorwicklung der Fig. 1 und 2 befindet sich im Becher und eine der Leitungen der Fig. 2 kann zum Durchführen durch das Kernzentrum umgebogen sein oder kann nach oben entlang der Seite der Wicklung geführt sein, so daß beide Leitungen 18 und 19 mit den Anschlüssen 33 und 3¹* in Kontakt kommen können.

Ein metallisierter Kondensator unterliegt einer Gasentwicklung bei der Benutzung. Verschiedenartige Bogenerscheinungen, die bei einem metallisierten Kondensator auftreten, brennen die metallische Fläche weg oder verdampfen sie, so daß die Bögen selbstlöschend sind. Bei diesem Verbrennen bzw. Erodieren wird Gas im Kondensator gebildet, das entweichen können muß. Zu diesem Zweck sind die meisten metallisierten Kondensatoren entweder nicht verschlossen, oder es ist ein beträchtlicher Raum im Gehäuse vorgesehen, um die Druckzunahme aufzufangen. Es wurde festgestellt, daß bei der vorliegenden Erfindung, bei der der Kondensator in einem kleinen, nicht evakuierten Gehäuse verschlossen ist, eine Gasentwicklung zu einer Druckzunahme brenn-

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oarer Gase führen kann. In diesem Fall neigt der Kondensator zu einem Zerplatzen infolge innerer Verbrennung dieser Gase. Wenn andererseits der Kondensator gemäß der Erfindung in einem Gehäuse verschlossen wird, das vollständig mit der dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, hat ein Bruch eine weitaus geringere Wirkung, da vor allem eine viel geringere Menge einer brennbaren Mischung vorliegt. Erfindungsgemäß wird daher bevorzugt, daß das Gehäuse völlig mit der dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn' das Füllen unter Vakuum vorgenommen wird, kann ferner eine beträchtliche Menge an unerwünschtem Sauerstoff aus dem Gehäuse entfernt werden.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden verschiedene Kondensatoren hergestellt, wie sie im vorliegenden Zusammenhang beschrieben wurden. Bei dem Kern handelte es sich um einen festen Harzzylinder mit einem Durchmesser von 0,95 cm (3/8"). Die Struktur der Kondensatorwicklungseinheit war die der Pig. 1 mit Aluminium metallisierten Polypropylenfilmstreifen einer Breite von 6,4 cm (2 1/2") und einer Stärke von 0,01 cm (0,40 mil). Die Kondensatoren wurden £wie im vorstehenden Zusammenhang beschrieben wurde) wärmebehandelt, indem man sie unter Vakuum bei 115 °C 16 Stunden lang trocknete. Einige dieser Kondensatoren wurden in Becher gegeben und die Becher wurden entweder mit Dioctylphthalat oder mit Rizinusöl gefüllt, so daß die Wicklung s rand er unter einer dielektrischen Flüssigkeit lagen. Es wurde ein Gewichtsprozent eines Epoxide (Dow 330) zum flüssigen Imprägniermittel zugegeben. Die Nennkapazität dieser Einheiten betrug 13 yuf. Sie wurden mit befriedigenden Ergebnissen bei 550 V Wechselspannung und 80 ⁰C getestet; sie zeigten nach einem 280 stündigen Test eine leichte Zunahme der Kapazität.

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Beispiel 2

Das vorstehende Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Kondensatoren unter Vakuum bei 75 °C 16 Stunden lang getrocknet wurden. Danach wurden die Einheiten mit Rizinusöl und Epoxid bei 75 °C aufgefüllt; sie wurden bei dieser Temperatur 16 Stunden lang gehalten. Die Kondensatoren wurden bei 550 V Wechselspannung bei 80 ⁰C getestet. Die Beanspruchung des Films betrug 1375 V je 0,025 mm. Eine Analyse nach dem Auseinanderreißen zeigte, daß sich das Eindringen des Rizinusöls auf die Wicklungsränder beschränkte und daß das Innere der Wicklung trocken war.

Beispiel 3

Es wurde eine weitere Anzahl von Einheiten, wie sie im vorliegenden Zusammenhang beschrieben wurden, unter Verwendung von Filmbreiten von 4,75 bis 9,83 cm (1,87 bis 3,87 inch) und Filmstärken von 0,063, 0,081, 0,097 und 0,102 cm (25, 32, 38 und MO gauge) hergestellt. Die Beanspruchungen des Films betrugen 1370 V je 0,025 mm bis 1720 V je 0,025 mm (mil). Diese Kondensatoren wurden mit Rizinusöl und Epoxid gefüllt und einem tausend-stündigen Test bei 80 ⁰C unterworfen. Der Kapazitätsabfall im Verlauf dieser Zeit war gering.

Beispiel 4

Es wurde eine repräsentative Anzahl bevorzugter, fester Wickelkondensatoren gemäß der Erfindung, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, hergestellt und in Hinblick auf die Vorteile einer Wärmeschrumpfung getestet, wie in der folgenden Tabelle I angegeben ist.

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Tabelle

keine Wärmeschrumpfung
Wärmeschrumpfung bei 120 ^WC

Anzahl der	Kapazitäts	Lebens
Mißerfolge/	verlust	dauer
Anzahl der	(%)	(Std.)
Tests
0/5	2,9	500
0 ⁰C 0/5	1,8	500
Tabelle II

keine Wärmeschrumpfung, jedoch gefüllt bei 75 bis 8.5 ⁰C
Wärmesehrumpfung bei 100 C Warmesehrumpfung bei 125 °C

6/10	1,75	5000
4/10	0,45	5000
2/9	0,33	5000

⁺über Funkenbildung in Luft, Wasserstoff und Kohlendioxid unter den Potentialen, die verschiedenen Drucken entsprechen; Friedrich Paschen, Wiedemann Annalen der Physik und Chemie, Bd. 37 (1889) 69~96·

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

" ¹⁷ " 2^ <9

Patentansprüche

Langlebiger Kondensator für Wechselspannungen im Bereich von oberhalb etwa 350 bis 750 V, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

(a) ein Kondensatorwickelelement mit einem dielektrischen System und Elektrodensystem, das im wesentlichen aus Streifen eines synthetischen Harzes besteht, von denen einige Mecallfilmbeläge aufweisen,

(b) wobei die dielektrischen Streifen eine Stärke von weniger als 0,0125 nun (0,5 mil) besitzen und eine Spannungsbeanspruchung von mehr als etwa 1200.bis 1750 V je 0,025 mm (mil) bei der Nennspannung des Kondensators tragen können,

(c) wobei die Streifen unter starker Spannung auf einen festen, zylindrischen Kern gewunden sind und ein festes, rundes Kondensatorwickelelement vorgesehen wird, das einem Eindringen dielektrischer Flüssigkeit an den Wicklungsrändern einen großen Widerstand entgegensetzt,

(d) ein verschlossenes Gehäuse, das das Wickelelement .enthält,

und

(e) yeine nicht-halogenierte, dielektrische Flüssigkeit, die das

Gehäuse füllt und die Wicklungsränder bedeckt, und

(f) wobei das Wickelelement einen im wesentlichen trockenen zentralen Bereich, der die größte Distanz zwischen den Wicklungsrändern ausmacht und nicht von der dielektrischen Flüssigkeit durchdrungen ist, und schmale Randabschnitte an den Rändern aufweist, die von der dielektrischen Flüssigkeit benetzt sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Streifen in der Wärme schrumpfbares Polypropylen umfaßt.

3. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung unter beträchtlicher Ringspannung steht.

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4. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kern um einen festen Kern eines dichten, nicht-leitenden Materials handelt.

5. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Polypropylenrohr als Kern.

6. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

7. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Ester als Flüssigkeit.

8. Kondensator nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Epoxidstabilxsator als Zusatz zur dielektrischen Flüssigkeit.

9. Verfahren zur Herstellung eines festen Wickelkonde.nsatorelements, dadurch gekennzeichnet, daß man in Kombination

(a) eine Kondensatorwicklung wickelt, wobei.man nur Streifen aus synthetischem Harz verwendet, die in der Wärme schrumpfbar sind und von denen einige metallisiert sind,

(b) eine Spannung an den Streifen während des Wickeins von mehr als etwa 200 g je 2,54 cm (i inch) Streifenbreite je 0,025 mm (mil) Streifenstärke aufrechterhält,

(c) die Wicklung einer erhöhten Temperatur eine Zeit lang unterwirft und das synthetische Harz beträchtlich in der Wärme schrumpft und die Wicklung versteift und

(d) die versteifte Wicklung in ein Gehäuse einsetzt und die Enden der Wicklung mit einer dielektrischen Flüssigkeit bedeckt.

lü. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Streifen verwendet, von denen einige Polypropylenstreifen sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Spannung von etwa 600 bis etwa 900 g je 2,5¹J cm (linch)

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Streifenbreite je 0,025 mm (mil) Streifenstärke anwendet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer erhöhten Temperatur von oberhalb etwa 105 bis etwa 120 ⁰C arbeitet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man bei e;

arbeitet.

man bei einer Temperatur im Bereich von etwa 110 bis etwa 120 ⁰C

IH. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das imprägnierende Bedecken bei Raumtemperatur durchführt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Spannung anlegt und in der Wärme schrumpft und eine feste Wicklung mit einem Raumfaktor von weniger als etwa 0,3 % herstellt.

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