DE2604004A1

DE2604004A1 - ELECTRIC CAPACITOR

Info

Publication number: DE2604004A1
Application number: DE2604004A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Maylandt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1977-08-04
Also published as: JPS5296400A; GB1571630A; FR2340604A1; IT1081702B; DD129011A5; SE7701128L

Description

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30.1.1976 Rs _R> 30 58
1/30/1976 Rs

Anlage zurAttachment to

Patent- undPatent and

Gebrauchsmuster-Hilf sanmeldungUtility model help registration

ROBERT BOSCH GMBK,
7000 Stuttgart 1 ROBERT BOSCH GMBK,
7000 Stuttgart 1

Elektrischer KondensatorElectric capacitor

Die Erfindung betrifft einen mit Tränkmittel imprägnierten, selbstheilenden. Kondensator mit Mischungen aus Papier- und Kunststoffbändern,· insbesondere für einen Spannungsbereich kleiner 1000 V.The invention relates to a self-healing one impregnated with an impregnating agent. Condenser with mixtures Made of paper and plastic tapes, in particular for a voltage range of less than 1000 V.

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Selbstheilende Kondensatoren "bestehen im allgemeinen aus Metallpapier allein oder in Verbindung mit weiteren, nicht metallisierten Papierlagen (ein- bis dreilagige Anordnung). Sie v/erden vor allem für Y/echselspannungsbelastung verwendet und mit Mineralölen oder anderen unpolaren flüssigkeiten mit einer Dielektrizitätszahl zwischen 2,0 und 2,5 imprägniert."Self-healing capacitors" generally exist Made of metal paper alone or in combination with other, non-metallized paper layers (one to three-layer Arrangement). They are grounded primarily for stress loads used and with mineral oils or other non-polar liquids with a dielectric constant between 2.0 and 2.5 impregnated.

Grundsätzlich wäre es vorteilhaft, Tränkrnittel mit einer größeren Dielektrizitätszahl zu verwenden, da hierdurch die Kapazität des Kondensators bei gleicher Baugröße gesteigert bzw. seine Baugröße bei gleichbleibender Kapazität verringert werden könnte. Außerdem können solche Kondensatoren elektrisch höher belastet werden, ohne daß schädliche Glimmentladungen im Tränkiaittel ihre Lebensdauer verkürzen. Tränkmittel mit größerer Dielektrizitätssahl v/erden bei nicht selbstheilenden Kondensatoren bereits seit längerer Zeit verwendet. Es handelt sich dabei vor allem um flüssige, chlorierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise polychlorierte Biphenyle. Diese Stoffe zeichnen sich durch eine relativ hohe Dielektrizitätszahl von 5,5 bis 6 aus und v/eisen daneben auch noch günstige Werte für die elektrische Leitfähigkeit und den Verlustfaktor auf.In principle, it would be advantageous to use impregnating agents with a higher dielectric constant, since as a result, the capacitance of the capacitor is increased for the same size or its size remains the same Capacity could be reduced. In addition, such capacitors can have a higher electrical load without damaging glow discharges in the impregnating agent shorten their service life. Impregnating agent with a higher dielectric constant v / ground in non-self-healing capacitors for a long time Time used. These are mainly liquid, chlorinated hydrocarbons, for example Polychlorinated biphenyls. These substances are characterized by a relatively high dielectric constant of 5.5 up to 6 from and v / iron also have favorable values for the electrical conductivity and the loss factor on.

Diese nicht nur für Kondensatoren geeigneten Stoffe sind biologisch kaum abbaubar. Wegen der Umweltge-These substances, which are not only suitable for capacitors, are hardly biodegradable. Because of the environmental

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fährdung - sei es beim Betrieb undichter Geräte oder deren unsachgemäßer Verschrottung - werden Herstellung und Anwendung immer mehr eingeschränkt. In Japan und Skandinavien ist beispielsweise die Verwendung für Kleinkondensatoren inzwischen untersagt worden. Aus diesem Grund wurde auch eine Reihe von Ersatzstoffen für die Imprägnierung von Kondensatoren vorgeschlagen, beispielsweise Mischungen aus halogenierten Äthem (DT-OS Kr.2 321 4-38), aus Diarylsulfon und halogenfreien, aromatischen Verbindungen (DT-OS Nr.2 310 807), Mischungen halogenfreier Ester und Äther (PR-PS Nr.2 193 234), Ester (US-PS Nr.3,855,508) oder Mischungen von Estern mit polaren (DT-OS ITr. 2 500 517) bzw. mit nicht polaren Stoffen (DT-OS Nr.2 341 356). Diese Ersatzstoffe weisen zwar im Vergleich zu den chlorierten Kohlenwasserstoffen eine geringere Lielektrizitätszahl von et v/a 4,1 bis 4,9 auf, Dies wäre aber für ihre Anwendung bei selbstheilenden Kondensatoren kein Nachteil, da man dort bisher mit Tränkmitteln einer Dielektrizitätszahl von 2 bis 3 auskommen muß. Entscheidend ist vielmehr die Tatsache, daß die Leitfähigkeit- und der Verlustfaktor dieser Ersatzstoffe wesentlich schlechter sind als bei den für selbstheilende Kondensatoren üblichen mineralischen oder synthetischen Ölen. Versuche mit ein- und zv/eilagigen Metallpapierkondensatoren, die vergleichsweise mit Mineralöl einer Dielektrizitätszahl von etwa 2,5 bzw. mit einen: halogenfreien Ester einer Dielektrizitätszahl von etwa 4,5 imprägniert wurden, v/aren daher auch alles andere als ermutigend.endangerment - be it when operating leaky devices or their improper scrapping - production and application are increasingly restricted. In Japan and In Scandinavia, for example, the use of small capacitors has now been banned. the end For this reason, a number of substitutes for the impregnation of capacitors have been proposed, e.g. mixtures of halogenated ethers (DT-OS Kr.2 321 4-38), of diarylsulfone and halogen-free, aromatic compounds (DT-OS No. 2 310 807), mixtures halogen-free esters and ethers (PR-PS No. 2,193,234), esters (US-PS No. 3,855,508) or mixtures of esters with polar (DT-OS ITr. 2 500 517) or with non-polar substances (DT-OS No. 2 341 356). These substitutes have a lower dielectric constant of et v / a compared to the chlorinated hydrocarbons 4.1 to 4.9, but this would not be a disadvantage for their use in self-healing capacitors, since one So far there has had to make do with impregnating agents with a dielectric constant of 2 to 3. Rather, what matters is the fact that the conductivity and dissipation factors of these substitutes are much worse than with the mineral or synthetic oils customary for self-healing capacitors. Try with single- and double-layer metal paper capacitors, which comparatively with mineral oil have a dielectric constant of about 2.5 or with a: halogen-free ester impregnated with a dielectric constant of about 4.5 were therefore anything but encouraging.

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Pig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Verlustfaktors der günstigeren zv/eilagigen Ausführung in Abhängigkeit von der Temperatur bei zwei verschiedenen Spannungen. Die Werte der m.i t dem Ersatzstoff höherer Dielektrizitätszahl imprägnierten Kondensatoren sind, wie vorauszusehen war, erheblich schlechter als die der ölgetränkten Kondensatoren mit geringerer Melektrizitätszahl. Schon bei einer Betriebsfeldstärke von ca. 20 V/um würde die höhere spezifische Kapazität des mit dem Ester imprägnierten Kondensators durch ein schlechteres Betriebsverhalten, insbesondere höhere Betriebstemperatur und geringe Lebensdauer, erkauft. Der G-rund für den höheren Verlustfaktor liegt in den schlechteren Stoffwerten des Trankmittels. Fig. 2.zeigt den Verlustfaktor bei verschiedenen Temperaturen, Pig. 3 den Gleichstromwiderstand bei 80⁰C des Mineralöles bzw. des halogenfreien Esters. Der Verlustfaktor des Esters liegt um über zv/ei Zehnerpotenzen höher, der Gleichstromwiderst and mehr als drei Zehnerpotenzen niedriger als bei dem hineralöl.Pig. 1 shows the dependency of the loss factor of the cheaper double / single-layer design as a function of the temperature at two different voltages. The values of the capacitors impregnated with the substitute with a higher dielectric constant are, as was to be expected, considerably worse than those of the oil-soaked capacitors with a lower dielectric constant. Even at an operating field strength of approx. 20 V / μm, the higher specific capacity of the capacitor impregnated with the ester would be bought at the cost of poorer operating behavior, in particular a higher operating temperature and a short service life. The reason for the higher loss factor lies in the poorer physical properties of the drinkable substance. Fig. 2 shows the loss factor at different temperatures, Pig. 3 the direct current resistance at 80 ⁰ C of the mineral oil or the halogen-free ester. The loss factor of the ester is over zv / ei powers of ten higher, the direct current resistance and more than three powers of ten lower than that of the oil.

Von diesem Gegebenheiten ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen selbstheilenden Kondensator zu entwickeln, der eine höhere spezifische Kapazität und eine höhere Glirnmeinsatzspannung als die bisher bekannten Bauarten aufweist, ohne daß sich seine Werte für den Verlustfaktor und die Leitfähigkeit verschlechtern. Der erfindungsgemäßeProceeding from these circumstances, the present invention is based on the object of providing a self-healing To develop a capacitor with a higher specific capacitance and a higher incandescent voltage than the previously known types without affecting its values for the loss factor and deteriorate conductivity. The inventive

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R Γ O Γ: CR Γ O Γ: C

Kondensator soll sich außerdem durch besondere Umweltfreundlichkeit auszeichnen.Capacitor should also be particularly environmentally friendly distinguish.

Biese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der beiden folgenden Merkmale gelöst:This object is achieved according to the invention by the combination of the following two features:

a) Das Tränkmittel ist ein bei Raumtemperatur flüssiger, halogenfreier Stoff mit einer DielektrizitätBzahl von etwa 4,0 bis 5,0 unda) The impregnating agent is a halogen-free substance that is liquid at room temperature and has a dielectric constant from about 4.0 to 5.0 and

b) zwischen Belegungen verschiedener Polarität befindet sich zumindest eine Kunststofflage.b) is located between assignments of different polarity at least one plastic layer.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei Anwendung einer Kunststoffzwischenlage der ungünstige Einfluß, den Stoffe höherer Dielektrizitätszahl auf den Verlustfaktor und die Leitfähigkeit des Kondensators ausüben, praktisch vollkommen beseitigt wird. Bei Verwendung eines als Ersatzstoff für den umweltgefährlichen, chlorierten Kohlenwasserstoff vorgeschlagenen Esters als Imprägniermittel ergibt sich sogar ein geringerer Verlustfaktor als bei der Mineralölimprägnierung, obwohl dieser Ester allein die tausendfache Leitfähigkeit und den hundertfachen Verlustfaktor aufweist.The invention is based on the surprising finding that when using a plastic intermediate layer the unfavorable influence of materials with a higher dielectric constant on the dissipation factor and the conductivity of the capacitor, practically perfectly is eliminated. When using one as a substitute for the environmentally hazardous, chlorinated hydrocarbon proposed ester as an impregnating agent results in even a lower loss factor than with the mineral oil impregnation, although this ester alone has a thousand times the conductivity and a hundred times Has loss factor.

Die Ursache für dieses überraschende Ergebnis dürfte in folgendem liegen: Die elektrische Feldstärke im Imprägniermittel, im Papier und im Kunststoff (falls diese im elektrischen Feld liegen) verhält sich umgekehrt proportional zur üielektrizitätszahl des einzel-The reason for this surprising result is likely to be as follows: The electric field strength im Impregnation agent, in paper and in plastic (if these are in the electric field) behave the other way around proportional to the dielectric constant of the individual

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Γ C i; 3Γ C i; 3

nen Stoffes. Bei Ölimprägnierung sind die Feldstärken im Öl und im Kunststoff annähernd gleich, da auch die jeweiligen Dielektrizitätszahlen etwa gleich sind. Bei Imprägnierung mit einem Stoff höherer Dielektrizitätszahl, beispielsweise zwischen 4 und 5, sinkt die Feldstärke im Imprägniermittel, steigt dafür aber im Kunst stoff an. Da der !kunststoff die niedrigeren, das Tränk mittel die höheren Verluste hat, ist der Gesamtverlustfaktor des Dielektrikums um so geringer, ie höher die elektrische Belastung im Kunststoff ist bzw. je geringer die Feldstärke im Imprägniermittel ist. Dadurch kann der Beitrag des verlustbehafteten Imprägniermittels zum Gesamtverlustfaktor völlig kompensiert und sogar auch überkompensiert werden. a substance. With oil impregnation, the field strengths in the oil and in the plastic are approximately the same, since the respective dielectric constants are also approximately the same. When impregnated with a material with a higher dielectric constant, for example between 4 and 5, the field strength in the impregnating agent decreases, but increases in the plastic. Since the plastic has the lower losses and the impregnating agent the higher, the total loss factor of the dielectric is lower, the higher the electrical load in the plastic or the lower the field strength in the impregnation agent. As a result, the contribution of the lossy impregnating agent to the total loss factor can be fully compensated and even overcompensated.

Zwar ist es bei mineralölimprägnierten Metallpapierkondensatoren bereits bekannt, ein Kischdielektrikum zu verwenden, so werden beispielsweise einseitig bedampfte Papiere mit unbedampften Kunststoffbändern zusammengewickelt (DAS Nr.1 639 212) oder doppelseitig metallisierte Papiere durch eine nicht metallisierte Kunststoffla,ge getrennt. Diesen Kondensatoren gemeinsam ist die Möglichkeit aber auch die wirtschaftliche Notwendigkeit, sie mit einer im Gegensatz zu den bisher erwähnten Kondensatoren wesentlich höheren Feldstärke von 4-0 bis 80 V^um zu betreiben. Um so unwahrscheinlicher mußte aufgrund der ungünstigen Stoffv/erte von Imprägniermitteln mit höherer Dielektrizitätszahl der Gedanke sein, so hochbelastete Kondensatoren mitA Kisch dielectric is already known for mineral oil-impregnated metal paper capacitors To use, for example, papers that have been vaporized on one side are wrapped together with non-vaporized plastic tapes (DAS Nr.1 639 212) or double-sided metallized papers by a non-metallized one Plastic layer separated. Common to these capacitors is the possibility but also the economic necessity of dealing with them as opposed to the previous one The capacitors mentioned above operate with a much higher field strength of 4-0 to 80 V ^ to operate. All the more unlikely had to because of the unfavorable material values of impregnating agents with a higher dielectric constant the thought of using such highly loaded capacitors

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einem solchen Stoff zu imprägnieren, der schon bei wesentlich geringer belasteten Kondensatoren zu einer untragbaren Verschlechterung führt.to impregnate such a substance that is already in significantly lower loaded capacitors leads to an intolerable deterioration.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß das Tränkmittel ein mit Zusätzen stabilisierter Ester, insbesondere ein Bioctylphthalat mit Zusätzen aus Epoxid und Hydrochinon ist. Me Kunststoff lagen können beispielsweise aus Polycarbonat oder Polypropylen bestehen. It has proven to be particularly useful that the impregnating agent is an ester stabilized with additives, in particular is a bioctyl phthalate with additions of epoxy and hydroquinone. Me plastic layers can consist for example of polycarbonate or polypropylene.

Zur Herstellung eines solchen Kondensators ist es vorteilhaft, daß der Wickel separat imprägniert und sodann in das Kondensatorgehäuse eingebaut wird und die Kondensatoren nach einer kurzen Vakuumbehandlung durch eine Füllöffnung im Gehäuse gefüllt und anschließend dicht verschlossen werden.To produce such a capacitor, it is advantageous that the winding is impregnated separately and then is built into the capacitor housing and the capacitors after a short vacuum treatment a filling opening in the housing can be filled and then sealed tightly.

Weitere Einzelheiten der Erfindung folgen aus der nachfolgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen« Dabei zeigt Pig. 4 den Verlauf des Verlustfaktors in Abhängigkeit von der Temperatur für einen Kondensator, der mit Mineralöl (Shell K 8) und für einen Kondensator*, der mit einem Ester (Bayer OC 4200) imprägniert wurde. Die Dielektrizitätszahl betrug im ersten Fall etwa 2,3, im zweiten Pail etwa 4,5. Der Kondensatoraufbau ist in der rechten oberen Ecke von Fig. 4 dargestellt. Er bestand aus zwei doppelseitig bedampften Metallpapieren, die mit zwei Polycarbonatlagen ver-Further details of the invention follow from the following description of test results « Pig shows. 4 the course of the dissipation factor as a function of the temperature for a capacitor, the one with mineral oil (Shell K 8) and for a condenser *, impregnated with an ester (Bayer OC 4200). The dielectric constant was in the first case about 2.3, in the second pail about 4.5. The capacitor structure is shown in the upper right corner of FIG. It consisted of two steamed on both sides Metal papers coated with two polycarbonate layers

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wickelt wurden. Der Kurvenverlauf zeigt deutlich, daß der Verlustfaktor des mit Ester Imprägnierten Kondensators im großen und ganzen unter dem des mit Mineralöl Imprägnierten Kondensators liegt. Die an sich um
Größenordnungen schlechteren Stoffwerte "bezüglich des Verlustfaktors kommen also nicht mehr zum Tragen.were wrapped. The course of the curve clearly shows that the loss factor of the capacitor impregnated with ester is by and large below that of the capacitor impregnated with mineral oil. The in itself around
Orders of magnitude poorer physical properties "with regard to the loss factor are no longer relevant.

Hoch günstiger liegen die Verhältnisse bei I¹Ig. 5, wo zwei einseitig bedampfte I-ietallpapiere mit zwei Poly— propylenlagen verwickelt wurden. Die Imprägniermittel waren dieselben wie in Fig. 4. Der Verlustfaktor liegt bei Imprägnierung mit Ester im Schnitt um etwa 25 fo
unter dem bei Imprägnierung"mit Mineralöl, wie Fig. 5 deutlich zeigt.The ratios are much more favorable for I ¹ Ig. 5, where two metal papers steamed on one side were entangled with two layers of polypropylene. The impregnating agents were the same as in FIG. 4. The loss factor for impregnation with ester is on average around 25 fo
below that for impregnation "with mineral oil, as FIG. 5 clearly shows.

Die erfindungsgemäße Merkmalskombination gestattet es also, mit Tränkmitteln zu arbeiten, deren hohe Dielektrizitätszahl eine höhere spezifische Kapazität und
eine höhere elektrische Belastung des Kondensatοε erlaubt, wobei die V/erte für den Verlustfaktor gleich,
gut oder besser wie bei Mineralölen liegen.The combination of features according to the invention therefore makes it possible to work with impregnating agents whose high dielectric constant has a higher specific capacity and
allows a higher electrical load on the condensate, whereby the values for the loss factor are the same,
good or better than with mineral oils.

Es liegt auch innerhalb des Rahmens der vorliegenden
Erfindung und der damit erslelbaren Vorteile, dex*art
saugfähige Kunststoffwickel zu verwenden, daß auf Papierlagen verzichtet werden kann. Hierfür kommen beispielsweise Kunststoffbänder mit aufgerauhter Oberfläche oder Kunststoff-Vliese In Betracht.It is also within the scope of the present
Invention and the advantages that can be achieved with it, dex * art
to use absorbent plastic wrap that can be dispensed with paper layers. For example, plastic strips with a roughened surface or plastic fleeces come into consideration for this purpose.

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Claims

R Γ C

Expectations

1. 'Kit impregnating agent impregnated, self-healing capacitor, especially üetaj! paper capacitor with mixtures Made of paper and plastic tapes, in particular for a voltage range less than 1000 V, identified by the combination of the following features:

a.) The impregnating agent is a liquid at room temperature, halogen-free substance with a dielectric constant of about 4.0 to 4.5 and.

b) is located between assignments of different polarity at least one plastic layer.

2. Capacitor according to claim 1, characterized in that the impregnating agent is a stabilized with additives Ester is.

3. Capacitor according to claim 2, characterized in that the ester is a dioctyl phthalate.

4. Capacitor according to claim 2, characterized in that that the additives consist of epoxy and hydroquinone.

b. Capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic la ^ on

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consist of polycarbonate.

6. Capacitor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the plastic layers made of poly consist of propylene.

7. Capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the impregnating agent used substance also serves as a filler.

8. Process for the production of a condenser according to One of the preceding claims, characterized in that the capacitor winding is impregnated separately and then, is built into the capacitor housing and the capacitors after a short vacuum treatment filled through a filling opening in the housing and then sealed tightly.

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