DE2539781C2

DE2539781C2 -

Info

Publication number: DE2539781C2
Application number: DE2539781A
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Hudson Falls N.Y. Us Flanagan; Richard George Conners; Richard Cardey Glens Falls N.Y. Us Merrill
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-16
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1989-07-20
Also published as: GB1523892A; JPS5914883B2; CA1044340A; DE2539781A1; IT1042512B; BR7505984A; JPS5156953A; USB506461I5; US3987348A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines teilweise imprägnierten festen Wickelkondensators, in dem die Imprägnierungsflüssigkeit nicht über enge Randbereiche des Wickels hinaus eindringt und einen im wesentlichen trockenen Zentralbereich beläßt mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Aufwickeln eines Kondensatorwickels auf einen harten Kern unter Verwendung von wärmeschrumpfbaren Kunstharzstreifen, von denen einige metallisiert sind, wobei während des Aufwickelvorganges eine Zugspannung an den Streifen aufrechterhalten wird,
b) Unterwerfen des Wickels eine Zeit lang einer erhöhten Temperatur, um die Kunstharzstreifen zu schrumpfen und die Wicklung zu versteifen,
c) Einsetzen der versteiften Wicklung in ein Gehäuse und Füllen des Gehäuses mit einer nichthalogenierten dielektrischen Imprägnierflüssigkeit und
d) Abdichten des Gehäuses.

Ein solches Verfahren, zu dem als Stand der Technik auf die folgenden Schriften DE-OS 23 16 414, DE-PS 9 60 654, DE-OS 22 08 602 und DE-AN N 8757 VIII c/21 g verwiesen wird, führt zu Kondensatoren, deren wesentlicher Nachteil in den schädlichen Wirkungen besteht, 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-Gesetz ("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], S. 69-96). 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 Koronastartspannungsschwellenwert bzw. -grenzwert von oberhalb etwa 400 V. Um Koronaentladungen zu vermindern, sind Hochspannungskondensatoren im allgemeinen gänzlich und vollständig mit einem dielektrischen 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 nichtimprägnierter, 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 kann den Vorteil der "Selbstheilung" besitzen, wenn ein elektrischer Kurzschluß oder Fehler auftritt, da das dünne Elektrodenmetall, von dem der Bogen ausgeht, verdampft, wodurch der Bogen erlischt bzw. der Fehler des Systems verschwindet. Metallisierte Kondensatoren sind auch aus dem Grund vorteilhaft, daß bei niederen Spannungen dünnere und nicht kritische Dielektrika, die bei geringeren Beanspruchungen arbeiten verwendet werden können.

Trockene, metallisierte Kondensatoren für Spannungen im Bereich von 250 bis 750 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 zu ausgeprägt auftritt und dadurch 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 Systemen wirtschaftlicher und andererseits für Mittelspannungssysteme (250 bis 750 V Wechselspannung) vorteilhaft.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von nur teilweise imprägnierten festen Wickelkondensatoren zu schaffen, die sich durch einen besseren Raumfaktor auszeichnen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs definierten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß während des Wickelns die Zugspannung auf dem Streifen mehr als etwa 2 Newton pro 2,54 cm Streifenbreite und 0,025 mm Streifendicke beträgt und mit der erhöhten Temperatur in einer solchen Wechselbeziehung steht, daß ein Raumfaktor von etwa 0 bis 0,5% erhalten wird.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter 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 Wicklungsränder überzieht, um das zu unterdrücken, was als Wicklungsrandkorona bezeichnet wird. Auf diese Weise wird ein trockener, metallisierter, stark beanspruchbarer Kondensator erhalten, der für eine Verwendung bei mehr als 250 V Wechselspannung geeignet ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei

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

Fig. 2 die feste Wicklung des Kondensatorwickelelements zeigt, mit der Kondensatorleitungen verbunden werden;

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

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

Fig. 5 eine Kondensatorwicklung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt, die in geeigneter Weise in einem Becher untergebracht und verschlossen ist.

In Fig. 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Kondensatorwickelelements 10 gezeigt. Das Wickelelement 10 umfaßt ein Paar Streifen 11 und 12 aus einem dielektrischen Material, das metallisiert wurde, wie durch Metallflächen bzw. Metallüberzüge 13 und 14 veranschaulicht wird. Wie es üblich ist, werden die Streifen 11 und 12 in einer Weise metallisiert, die metallfreie Ränder 15 und 16 an entgegengesetzten Rändern der Wicklung 10 beläßt. Beim Wickeln der Wicklung 10 werden die Streifen 11 und 12 seitlich-gegeneinander versetzt, so daß jede Wicklungsbegrenzung seinen metallischen Belägen am Rande des Streifens eine Verschiebung aufweist. Daher können geeignete Anschlüsse mit den Wicklungsrändern nach dem bekannten Schoop-Verfahren verbunden werden. Infolge der Ausbildung der freien Ränder besteht kaum die Gefahr, daß das Schoop-Material übermäßig in die Wicklung eintritt und die anderen metallischen Flächen elektrisch kurzschließt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Wicklung 10 äußerst dicht aufgewunden wird, so daß Luftzwischenräume auf ein Minimum herabgesetzt werden, die nachteilige Koronaentladungen fördern würden. Dieses Merkmal gemäß der Erfindung wird dadurch erzielt, daß man ein spezielles Wicklungsverfahren anwendet.

Die dielektrischen Streifen 11 und 12 bestehen 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 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 infolge ihrer bekannten Porosität ausgeschlossen, da 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 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird biaxial orientiertes isotaktisches Polypropylenmaterial für die Streifen 11 und 12 verwendet. Dieses Polypropylenmaterial ist frei von Taschen und Biegungen und Durchlässen gleichmäßiger Abmessungen und dimensionsstabil bei etwas erhöhten Temperaturen. Polypropylenstreifen, die in vielen Fällen verwendet wurden, besaßen eine Stärke von 0,08 cm und eine Breite von etwa 5,1 bis 7,6 cm.

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 massiv ausgebildet sein kann und koaxial durch die Wicklung verläuft. Der Kern 17 besteht vorzugsweise aus einem festen, nichtleitenden 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 wurde ein Kern 17 aus Polypropylenfolien bzw. -streifen einer Stärke von etwa 0,013 cm hergestellt, die dicht etwa 5- bis 15mal 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 Vorichtung entfernt wird. Zusätzlich werden die metallisierten dielektrischen Streifen und das Kernmaterial auf den Aufsteckhalter 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. Der Kern 17 kann 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 31 53 180 beschrieben ist. Der Wicklungsvorgang zum Wickeln einer festen Wicklung 10 kann mit verschiedenen Wickelmaschinen durchgeführt werden.

Ein wichtiger Faktor für das erfindungsgemäße Verfahren 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 Wicklungsrändern 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 2 Newton und vorzugsweise 6 bis 9 Newton je 25,4 mm Filmbreite je 0,025 mm Stärke eines biaxial orientierten isotaktischen Polypropylenfilms vorsieht. Z. B. beträgt bei einem Filmstreifen einer Breite von 76 mm und einer Stärke von 0,008 mm die minimale Spannung 1,92 Newton und die bevorzugte Spannung 5,76 bis 8,64 Newton.

Die feste Wicklung, die von der Wickelmaschine genommen wird oder beim Schoop-Verfahren anfällt, wird danach einem Wärmestabilisierungsverfahren bei hoher Temperatur zum weiteren Herabgesetzen 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°C erhöht und bei diesem Wert mehrere Stunden lang, vorzugsweise etwa 4 Stunden bis 16 Stunden lang, gehalten.

Der obere Grenzwert dieser Behandlung liegt sicher unter der Erweichungstemperatur des Polypropylens, wobei ein Bereich von 110 bis 120°C 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 Wärmeschrumpfvorgang unterworfen werden, und die Temperatur soll auf diesen Faktor 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 Teile 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 wirksam durchführbar, wenn die Kondensatorelektrode gleichfalls eine Struktur aufweist, die eine Schrumpfung zuläßt. Es wurde festgestellt, daß selbsttragende Elektrodenfolien in Kombination mit separaten Polypropylenstreifen, d. h. Aluminiumfolien, 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 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, so weit angewendet werden, als die Struktur nicht das Schrumpfen oder die Reduktion der Luftzwischenräume durch Schrumpfen verhindert.

Dabei sind weitere 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 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.

Es können geeignete elektrische Anschlüsse an dem erhaltenen festen Wickelelement 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. Die Schoop-Verbindungen können angebracht werden, daß Öffnungen in dem rohrförmigen Kern 17 vorgesehen werden.

Es können auch andere Methoden zum Befestigen oder mechanischen Anbringen von Anschlüssen 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 erläutert.

In Fig. 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 jedem Wicklungsende 23 und 24 ragen von der Wicklung die seitlichen Enden zusätzlicher Folienstreifen 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. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, grenzen die Folienstreifen 25 und 26 an die Ränder der metallisierten Polypropylenstreifen 13 und 14 an und schaffen in einem großen Bereich einen elektrischen Kontakt mit dem jeweils aufliegenden metallischen Belag. Da diese Folienstreifen 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 Ränder 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. Man kann die gleichen Maßnahmen auch vorsehen, wenn die Streifen 13 und 14 nicht versetzt sind, das erfordert jedoch, daß die Folienstreifen zwischen benachbarten Schichten eingesetzt werden, wobei eine gewisse Zunahme des Durchmessers und Lücken auftreten.

Es wurde festgestellt, daß feste Wickelkondensatoren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 oberhalb 1200 V je 0,025 mm. Bisher wurde angenommen, daß derartige Kondensatoren ungeeignet sind, da eine Kurzlebigkeit aus Koronaentladungen resultiert. Die feste Wicklung weist 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 oder -enden auf. Die Wicklungsränder von Kondensatorwicklungen sind kritische Stellen für Koronaerscheinungen infolge der Nähe der scharfen Ränder, die zu größeren Beanspruchungen 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 verträgliche 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 33 63 156 beschrieben ist, ist nicht erforderlich und auch unerwünscht.

Die dielektrische Flüssigkeit wird nur zum Überziehen, Versiegeln oder 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 Wärmeübertragungsmedium zwischen den Elektroden und dem Gehäuse. Wenn ein rohrförmiger 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 im erfindungsgemäßen Verfahren 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 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 in die Wicklung eindringen. Die feste Wicklung 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 Streifenmaterialien 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 Wicklungsränder erstreckt und trocken und unimprägniert ist. An den Wicklungsrändern kann man ein sehr schmales Band bzw. einen sehr schmalen Streifen einer Breite von einigen 0,025 mm eines Abschnitts finden, der mit der dielektrischen Flüssgkeit benetzt ist.

Es wurde festgestellt, daß ein übermäßiges Eindringen der dielektrischen Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen nicht nachteilig ist. Bei einigen Kondensatoren, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hegestellt wurden, zeigt sich nach Langzeitprüfungen und beim Auseinanderreißen, daß die dielektrische Flüssigkeit in die Streifenenden 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 dieser 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 Flüssigkeitsvolumen recht begrenzt ist. Wegen der geringen Rate des Eindringens und da es zu Beginn für eine wirksame Kondensatorbenutzung nicht erforderlich ist, wurde dieses Eindringen nicht als nachteilig ermittelt.

Ein wesentlicher Vorteil des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen festen Wickelkondensators 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 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 oberhalb etwa 1200 V je 0,025 mm Stärke liegt und die Nennspannung des Kondensators mindestens etwa 350 V Wechselspannung beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene dielektrische Systeme zusätzlich zu den Systemen angewendet werden, die bisher angesprochen wurden. Ein weiteres modifiziertes System ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt ein dielektrisches System 27 mit in Abstand angeordneten Polypropylenstreifen 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 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene feste Wickelkondensator wird in einen Becher bzw. in ein Gehäuse eingeschlossen. Eine typische Einheit wird in Fig. 5 wiedergegeben. Gemäß Fig. 5 umfaßt eine Kondensatoreinheit 31 einen Metallbecher bzw. ein Metallgehäuse 32, das mit Anschlüssen 33 und 34 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 34 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 dem Kondensator, bei der der Kondensatorwickel in einem kleinen, nichtevakuierten Gehäuse verschlossen ist, eine Gasentwicklung zu einer Druckzunahme brennbarer Gase führen kann. In diesem Fall neigt der Kondensator zu einem Zerplatzen infolge innerer Verbrennung dieser Gase. Wenn andererseits der Kondensator 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. Es 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.

Spezielle Beispiele werden im folgenden 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. Die Struktur der Kondensatorwicklungseinheit war die der Fig. 1 mit Aluminium metallisierten Polypropylenfilmstreifen einer Breite von 6,4 cm und einer Stärke von 0,01 mm. 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 Wicklungsränder unter einer dielektrischen Flüssigkeit lagen. Es wurde ein Gewichtsprozent eines Epoxids zum flüssigen Imprägniermittel zugegeben. Die Nennkapazität dieser Einheiten betrug 13μF. Sie wurden mit befriedigenden Ergebnissen bei 550 V Wechselspannung und 80°C getestet; sie zeigten nach einem 280stündigen Test eine leichte Zunahme der Kapazität.

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 Wechselspannungen bei 80°C 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 und Filmstärken von 0,063, 0,081, 0,097 und 0,102 cm hergestellt. Die Beanspruchungen des Films betrugen 1370 V je 0,025 mm bis 1720 V je 0,025 mm. Diese Kondensatoren wurden mit Rizinusöl und Epoxid gefüllt und einem tausendstündigen Test bei 80°C unterworfen. Der Kapazitätsabfall im Verlauf dieser Zeit war gering.

Beispiel 4

Es wurde eine repräsentative Anzahl bevorzugter, fester Wickelkondensatoren, 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.

Tabelle I

Tabelle II

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines teilweise imprägnierten festen Wickelkondensators, in dem die Imprägnierungsflüssigkeit nicht über enge Randbereiche des Wickels hinaus eindringt und einen im wesentlichen trockenen Zentralbereich beläßt, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Aufwickeln eines Kondensatorwickels auf einen harten Kern unter Verwendung von wärmeschrumpfbaren Kunstharzstreifen, von denen einige metallisiert sind, wobei während des Aufwickelvorganges eine Zugspannung an den Streifen aufrechterhalten wird,
b) Unterwerfen des Wickels eine Zeit lang einer erhöhten Temperatur, um die Kunstharzstreifen zu schrumpfen und die Wicklung zu versteifen,
c) Einsetzen der versteiften Wicklung in ein Gehäuse und Füllen des Gehäuses mit einer nichthalogenierten dielektrischen Imprägnierungsflüssigkeit und
d) Abdichten des Gehäuses,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Wickelns die Zugspannung auf dem Streifen mehr als etwa 2 Newton pro 2,54 cm Streifenbreite und 0,025 mm Streifendicke beträgt und mit der erhöhten Temperatur in einer solchen Wechselbeziehung steht, daß ein Raumfaktor von etwa 0 bis 0,5% erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Streifen aus Polypropylen bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannung von etwa 6 bis etwa 9 Newton pro 2,54 cm Streifenbreite und 0,0254 mm Streifendicke beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Temperatur mehr als etwa 105°C bis etwa 120°C beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich von etwa 110°C bis etwa 120°C beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierflüssigkeit bei Raumtemperatur eingefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannung und die erhöhte Temperatur so in Wechselbeziehung stehen, daß in dem Wickel ein Raumfaktor von weniger als etwa 0,3% erhalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern ein fester Kern aus einem dichten und nichtleitfähigen Material verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Polypropylenrohr ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator im wesentlichen zylindrisch ausgebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Imprägnierungsflüssigkeit ein Ester ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrischen Imprägnierungs- Flüssigkeit ein Epoxid-Stabilisator zugesetzt ist.

13. Verwendung eines Wickelkondensators, der nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt worden ist, im Bereich von 350 Volt bis 750 Volt Wechselspannung