DE2704458A1 - Elektrischer kondensator - Google Patents

Elektrischer kondensator

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DE2704458A1
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Description

Elektrischer Kondensator
Die Erfindung betrifft einen verbesserten elektrischen Kondensator, der dielektrische flüssige Imprägnierungsmittel enthält, die mit einer Mischung zweier Additive kombiniert sind, von denen eines einen erwünschten Dampf im Kondensator abgibt und von denen das andere Wasserstoff im Kondensator absorbiert.
ölgefüllte elektrische Kondensatoren sind üblicherweise mit der Absicht bis zu einem hohen Grade imprägniert, alle Hohl- und Zwischenräume im wesentlichen vollständig mit einer dielektrischen Flüssigkeit zu füllen. Koronaentladungen können dort leicht auftreten, wo unter einer hohen dielektrischen Belastung Hohlräume in dem System vorhanden sind, da das in diesen Hohlräumen vorhandene Gas ionisiert wird. Trotz der Vakuumimprägnierung und
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der verbesserten dielektrischen Flüssigkeiten treten Schwierigkeiten verursachende Koronaentladungen noch immer allzu häufig auf. Eine Imprägnierung, mit der jeder Hohlraum in einem Kondensator gefüllt werden kann, ist bisher noch nicht erreicht worden. Hohe Belastung und dielektrische Durchbrüche führen fortgesetzt zur Entwicklang von gasförmigem Wasserstoff und zur Bildung von Hohlräumen, die dann Stellen für die Koronaentladung werden. In dem verbesserten Kondensator nach der vorliegenden Erfindung sind die Hohl- und Zwischenräume mit einem dielektrischen flüssigen Impagnierungsmittel gefüllt, zu dem ein Gemisch zweier Additive hinzugegeben ist, von denen eines einen hohen Dampfdruck aufweist und einen elektronegativeη Dampf abgibt und das andere ein Absorber für Wasserstoffgas ist.
Der elektrische Kondensator nach der vorliegenden Erfindung umfaßt die fulgenden Bestandteile:
a. ein Gehäuse
b. einen Konuensatorabschnitt in dem Gehäuse und
c. ein das Gehäuse füllendes flüssiges Imprägnierungsmittel, wobei
d. das Imprägnierungsmittel eine Grundflüssigkeit zusammen mit einer Audi t-iv-Miscnung umfaßt, bei der die Additiv-Mischung folgende Bestandteile aufweist,
1. eine mit dem Kondensator verträgliche halogenierte Flüssigkeit auf der Grundlage von Benzol, Toluol und/oder Naphthalin, wobei diese Flüssigkeit verschieden von der Grundflüssigkeit ist, und einen hohen Dampfdruck elektronegativen Dampfes aufweist, und
2. eine monoolefinische Flüssigkeit, die verschieden von der Grundflüssigkeit und der vorgenannten halogenierten Flüssigkeit ist, und die einen hohen negativen Wasserstoffgas-Wert hat.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird die vorgenannte Additiv-Mischung zusammen mit einem Ester als Grundflüssigkeit eingesetzt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die eine Komponente der Additiv-Mischung Trichlorbenzol und die andere Kom-
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Komponente ist Tetradecen-1.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeif>n:
Figur 1 einen Kondensator mit einer einzigen V/icklung und dem verbesserten flüssigen Imprägnierungsmittel nach der vorliegenden Erfindung und
Figur 2 einen Leistungskondensator für hohe Spannung mit mehreren Kondensatorwicklungs-Abschnitten, der mit dem verbesserten Imprägnierungsmittel nach der vorliegenden Erfindung imprägniert ist.
In Figur 1 ist ein typischer kleiner Kondensator 10 für industrielle oder Motoranwendung gezeigt, in dem das voiue^serte Imprägnierungsmittel 11 der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist. Der Kondensat *r 10 umfaßt ein Gehäuse 12, in dem sich eine Kondensatorwicklung/befindet, die durch geeignete, in der Zeichnung nicht dargestellte, Leitungen mit den äußeren Anschlüssen lh und 15 in einem Deckel 16 verbunden ist. Der Deckel 16 ist zum Gehäuse 12 hin abgedichtet und die Kondensatorwicklung 13 ist durch das Fülloch 17 mit dem verbesserten Imprägnierungsmittel 11 gefüllt und kann in dieses Imprägnierungsmittel 11, welches das Gehäuse 12 füllt, eingetaucht sein. Um ein Herauslecken des Imprägnierungsmittels zu verhindern, ist der Deckel gut zu dem Gehäuse 12 hin abgedichtet und das Fülloch 17 ist durch Verlöten dicht verschlossen.
In der Figur 2 ist ein Leistungskondensator 20 gezeigt, der ebenfalls das verbesserte Imprägnierungsmittel nach der vorliegenden Erfindung benutzt. Leistungskondensatoren, die Phasenschieberkondensatoren einschließen, werden üblicherweise nach Blind-kW eingeteilt und können in der Größenordnung von je 150 - 200 Blind-kW (kilovar) liegen. Ein solcher Kondensator 20 weist ein sehr großes Gehäuse 21 auf, indem eine Reihe einzelner Kondensatorwicklungsabschnitte 22 angeordnet ist. Diese Wicklungs-
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abschnitte sind in geeigneter Weise elektrisch mit den Anschlüssen 23 und 2h verbunden. Das Gehäuse ist mit dem verbesserten Imprägnierungsmittel 11 nach der vorliegenden Erfindung gefüllt, das die Kondensatorwicklungsabschnitte im wesentlichen vollständig imprägniert.
Ein über lange Zeit für die Kondensatoren der Figuren 1 und 2 zufriedenstellendes Imprägnierungsmittel ist chloriertes Diphenyl gewesen, das sehr gute Imprägnierungseigenschaften und hervorragende Koronastart- und Koronaauslösch-Spannungen aufweist. Probleme hinsichtlich der Reinhaltung der Umgebung haben jedoch dazu geführt, daß nach einem Imprägnierungsmittel gesucht wurde, das die chlorierten Diphenyle ersetzen kann.
Einige dieser Ersatzimprägnierungsmittel haben Probleme bei der Erzielung der gewünschten Koronastart- und Koronalösch-Spannungen, wie sie für Hochspannungskondensatoren und insbesondere Phasenschieberkondensatoren mit Blind-kW-Werten oberhalb von 100 erforderlich sind, gezeigt. Andere Ersatzimprägnierungsmittel sind wiederum nicht ausreichend koronabeständig.
Setzt man dagegen zusammen mit einem Grundimprägnierungsmittel eine Additiv-Mischung aus Trichlorbenzol (nachfolgend TCB genannt) und einem Decen ein, dann erhält man eine verbesserte Lebensdauer für den Kondensator sowie eine merkliche Zunahme bei der Koronastartspannung. Die Bezeichnung "Decen" wie sie in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, soll solche Monoolefine umfassen, die 10 - 20 Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten wie z. B. Decen, Undecen, Dodecen, Tridecen, Tetradecen usw. Die erhaltenen Verbesserungen sind überraschend, da die Zugabe von Decen zu einer Mischung aus TCB und Dioctylphthalat (nachfolgend DCP genannt) die Zunahme der Dielektrizitätskonstanten reduziert und sie weiter den TCB-Gehalt der Mischung reduziert. Das Decenmaterial mit seiner geringeren Dielektrizitätskonstante ersetzt das TCB, das eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist.
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Die Verbesserungen, die durch die Verwendung der Additiv-Mischung nach der vorliegenden Erfindung mit einem flüssigen Esterimprägnierungsmittel erhalten werden, sind durch die folgenden Beispiele veranschaulicht. In diesen Beispielen wurde in dem Imprägnierungsmittel ein Epoxid eingesetzt und zwar spezifisch 0,7 Gew.-? Dicyclohexandiepoxycarboxylat. Auch wurde ein Antic idationsmittel bei der Handhabung und Reinigung des Imprägnierungsmittels vor der Imprägnierung benutzt. Dieses Antioxidationsmittel war 2,6-Di-t-butylparacresol, das als Ionel-Antioxidationsmittel von der Shell Chemical Co. erhältlich ist. Dieses Antioxidationsmittel verbleibt im Kondensatorimprägnierungsmittel.
Beispiel 1
Die in diesem Beispiel 1 eingesetzte Estergrundflüssigkeit ist die in der US-PS 3 751* 173 beschriebene Flüssigkeit. Z. B. ist die Flüssigkeit ein Phthalatester, der als 2-Äthylhexylphthalat bekannt ist und manchmal als Dioctylphthalat oder abgekürzt DOP bezeichnet wird. Zu dieser Grundflüssigkeit gab man das Additiv-Gemisch aus etwa 20 Vol.-? Trichlorbenzol und etwa 10 Vol.-t Tetradecen-1. Die Mischung aus Es ter^ Trichlorbenzol und Decen, die nachfolgend abgekürzt als ETD bezeichnet ist, wurde gereinigt und zum Imprägnieren von 10 Kondensatoren der in Figur 1 gezeigten Art benutzt, in denen das dielektrische System zwei Folien aus etwa 0,012 bis etwa 0,013 dickem Polypropylen und einer Zwischenfolie aus etwa 0,01 mm dickem Papier umfaßte. Diese Kondensatoren hatten in einem ovalen Gehäuse mit Abmessungen von etwa 3,2 χ 10 cm eine Kapazität von 0,8 Mikrofarad und eine Spannung von 1400 Volt. Weitere Gruppen von 10 Kondensatoren wurden mit DOP oder DOP plus TCB und mit einem im Handel erhältlichen polychlorierten Diphenyl, das als Monsanto 1016 von der Monsanto Company USA erhältlich ist, imprägniert.
Es wurden folgende Werte erhalten:
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- $ - Koronalösch-
i' Spannung
Koronastart- _
Spannung 500 Volt
3200 Volt 1620 Volt
2100 Volt 1270 Volt
2750 Volt
2600 Volt
mittel
DOP + TCB
Wie die vorstehenden Ergebnisse zeigen, bewirkt das (.-rfindungsgemäße Imprägnierungsmittel eine merkliche Zunahme in der Koronastartspannung. Die Versuchsergebnisse wurden mit Kondensatoren erhalten, die die gleiche Konstruktion aufwiesen, und vergleichbar behandelt wurden. Unter Anwendung der vorliegenden Erfindung können daher kleinere wirtscha i't liehe und wirksamere Kondensatoren gebaut werden. Für das Imprägnierungsmittel ETD ist keine Koronalöschspannung angegeben, da bis zu dem Meßwert von 3200 Volt keine Koronaentladung aufgetreten war.
Beispiel 2
Die Kondensatoren dieses Beispiels waren ähnlich denen im Beispiel 1. Zu Vergleichs zwecken wurde als Imprägnierungsmittel das von der Monsanto Company erhältliche M 1238 eingesetzt, das ein Isoprcpylbiphenyl vermischt mit einem Sulfon umfaßt, das in der US-PS 3 796 93^ angegeben ist. Das M 1238 wurde zusammen mit 20 Vol.-? TCB und 10 Vol.-? Tetradecen-1 eingesetzt.
Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:
Flüssiges Imprägnierungs- Koronastart- Koronalöschmittel Spannung Spannung
ETD 3100 Volt 23OO Volt
1016 283O Volt 2100 Volt
M 1238 26OO Volt 1800 Volt
M 1238 + TCB + DOP 29OO Volt I9OO Volt
Auch den obigen Ergebnissen kann entnommen werden, daß das verbesserte Imprägnierungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung
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im Vergleich mit ähnlichen Kondensatoren eine verbesserte Koronastartspannung gegenüber dem Imprägnierungsmittel 1016 ebenso wie gegenül r M 1238 ergibt. Bei der Auswahl eines olefinischen Materials sollte darauf geachtet werden, daß eine Kondensatorverträglichkeit vorhanden ist, insbesondere wenn es in einer Menge von 30 Vol.-J? des Imprägnierungsmittels eingesetzt wird. Weiter* sollte das olefinische Material deutlich gasnegativ, d. h. Gas-absorbierend gegenüber dem Grundimprägnierungsmittel sein und bei der Betriebstemperatur des Kondensators bleiben. So hat z. B. Hexadecen einen gasnegativen Wert von -16 bis -18 bei einer Temperatur im Bereich von 40 - 60 0C, während DOP im gleichen Temperaturbereich einen_negativen Gaswert von -4,4 bis-3,9 hat. Ein Unterschied von -5v -10 ist ein bevorzugter Bereich zwischen den beiden Materialien. Dieser Unterschied hängt auch von der Art und Menge des verwendeten Materials mit gasnegativem Wert au. Von einem reinen Olefin oder einer einzigen Komponente/wie den Decenen^ sollten mindestens 5 Vol.-? eingesetzt werden.
Das in dex1 vorliegenden Erfindung eingesetzte Trichlorbenzol ist repräsentativ für eine Klasse von Materialien mit hohem Dampfdruck bei den Betriebstemperaturen des Kondensators und in der KondensatorumgeLung. Der Dampfdruck des TCB in einem Temperaturbereich für einen Transformator, d. h. von 0 - 70 0C liegt im Bereich von 0 - 4 mm Hg. TCB als im Handel erhältliches Material ist eine Mischung von Isomeren und wird im allgemeinen als 1,2,4-Trichlorbenzol bezeichnet. Seine Dielektrizitätskonstante bei 25°C und 100 Hz liegt bei etwa 5 und der Dampf ist elektronegativ. Diese Charakteristiken werden hauptsächlich in den halogenierten Materialien mit Ausnahme der halogenierten Biphenyle gefunden. Typische andere Materialien sind halogenierte Toluole, Naphthaline usw. Werden in dem Imprägnierungsmittel chlorierte Materialien eingesetzt, dann wird,wie auf diesem Gebiete bekannt, vorzugsweise auch ein Epoxid hinzugegeben.
Sowohl das Decen als auch der halogenierte Kohlenwasserstoff sollten kondensatorverträglich sein, insbesondere im Bereich der
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-M-
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Betriebstemperatur des Kondensators, z. B. zwischen l\0 und 1000C. Da das TCB in relativ großen Mengen eingesetzt wird, d. h. von 30 - 10 Vol.-?, sollte es elektrische Eigenschaften ähnlich oder besser als die Grundf]üssigkeit haben. So hat z. B. das DOP eine Dielektrizitätskonstante von etwa 5,2 und auch TCB hat eine solche von etwa 5,2. Während die Mischung von TCB und DOP eine verbesserte Dielektrizitätskonstante ergibt, verringert die Zugabe von 10 Vol.-? Decen zu der Mischung die Gesamtdielektrizitätskonstante in Übereinstimmung mit der Regel, das sich die Dielektrizitätskonstante linear mit dem Volumenanteil des zugemischten stoffes ändert.
Ein Grund für die so deutlich verbesserten Werte bei der Koronastartspannung, wenn man das erfindungsgemäße Imprägnierungsmittel einsetzt, ist der, daß bisher eine der Hauptursaehen für das Auftreten der Koronaentladung in einem Kondensator das Vorhandensein ungefüllter Hohlräume in dem dielektrischen System war. Dieser Hohlraum konnte bereits bei der Kondensatorimprägnierung vorhanden sein oder während des Kondensatorbetriebes erzeugt werden. Üblicherweise gelangen dann Gasmoleküle in den Hohlraum, die unter den Bedingungen hoher Spannung ionisiert werden, und somit beginnt die Koronaentladung. Durch das Vorhandeiv-sein des TCB gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Hohlraum mit TCB-Dampf gefüllt, da das TCB ein Material mit niedrigem Siedepunkt und hohem Dampfdruck ist. Da es einen elektronegativen Dampf abgibt, unterdrückt oder verringert es die Koronaentladung und die Lichtbogenbildung.
Wie bekannt führen die Bedingungen hoher Belastung und hoher Temperatur zur Erzeugung von Wasserstoffgas im Kondensator, das sich sehr nachteilig auswirkt. Dieses Wasserstoffgas verbindet sich mit anderen Elementen unter Bildung von Säuren und Wasser, die zu einem Kondensatorversagen führen. Wichtiger jedoch ist, daß das Wasserstoffgas leicht ionisiert wird und dann eine Koronaentladung auftritt. Mit dem Beginn der Koronaent-
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' 4/1.
ladung verschlechtern sich die Materialien, weitere Gase entwickeln sich und die Koronaentladung nimmt immer mehr zu. Dies ist besonders bedeutsam, wo Wasserstoff in einen der Hohlräume gelangt und diese Gefahr wird durch die Anwesenheit von TCB-Dampf in diesen Hohlräumen nicht ausreichend gemildert. Durch die vorliegende Erfindung wird die Gasbildung durch das Decenmaterial unterdrückt, während gleichzeitig ein zu Beginn der Koronaentladung erzeugter Hohlraum mit TCB-Dampf gefüllt wird, der nicht durch das Decen absorbiert wird. Ein Hohlraum in einem Kondensator, in dem Wasserstoff vorhanden ist, wird im Hinblick auf das Gesetz von Paschen am besten mit einem elektronegativen Gas gefüllt, um die Ionisation des Wasserstoffes zu unterdrücken und Zeit zu gewinnen, in der Wasserstoff absorbiert wird. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Additivmischung wird das Waaserstoffgas daher absorbiert, um die Koronaentladung zu verhindern oder möglichst gering zu halten. Es findet daher eine kombinierte Wirkung sowohl gegen einen Hohlraum als auch gegen Wasserstoffgas statt unabhängig davonrob sie zu einer gegebenen Zeit an der gleichen oder an verschiedenen Stellen vorhanden sind.
Die Additivmischung aus Decen und TCB gemäß der vorliegenden Erfindung sollte als integrale Kombination verwendet werden und sie kann zu vielen dielektrischen Grundflüssigkeiten hinzugegeben werden, die geeignet sind für die Verwendung in elektrischen Kondensatoren. Das Grundmaterial ist im weiten Rahmen definiert als eines, in dem in einem Kondensator wahrscheinlich Hohlräume vorhanden sind oder durch den Betrieb des Kondensators verursacht werden und in dem wahrscheinlich Wasserstoff gas entwickelt wird. Beispielhaft für diese Grundflüssigkeiten sind die Mineralöle, als Akarelle bekannte nicht brennbare, synthetische, elektrisch isolierende Flüssigkeiten, Ester, Silikone und synthetische Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche, die einige für Kondensatorimprägnierungsmittel brauchbare Eigenschaften haben. Die Additivmischung kann auch zu Grundflüssigkeiten hinzugegeben werden, die oine Mischung sind, z. B. eine aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff und einem SuIfon.
709I40/II3S
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Claims (11)

-UO-Ansprtiche (\J Elektrischer Kondensator mit einem Gehäuse, einem Kondensatorabschnitt in dem Gehäuse und einem das Gehäuse füllenden flüssigen Imprägnierungsmittel, dadurch gekennzeichnet , daß das Imprägnierungsmittel eine Grundflüssigkeit und ein Gemisch der beiden folgenden Additive umraßt:
1. einer kondensatorverträglichen halogenierten Flüssigkeit auf der Grundlage von Benzol, Toluol und/oder Naphthalin, wobei diese Flüssigkeit von der Grundflüssigkeit verschieden ist und einen hohen Druck elektronegativen Dampfes aufweist und
2. einer monoolefinischen Flüssigkeit, die von der Grundflüssig-
Jind
keitYder vorgenannten halogenierten Flüssigkeit verschieden ist und einen hohen Wasserstoffgas-negativen Wert aufweist .
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenierte Flüssigkeit eine chlorierte Verbindung ist.
3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halogenierte Flüssigkeit ein Benzol ist.
4. Kondensa or nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die olefinische Flüssigkeit ein Decen ist.
5. Kondensator nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Additiv-Mischung aus Trichlorbenzol und einem Decen besteht.
709840/0636 ORIGINAL INSPECTED
27QU58
6. Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trichlorbenzol in einer Menge im Bereich von 10 bis 30 Vol.-# vom Imprägnierungsmittel und das Decen in einer Menge im Bereich von 10 bis 20 Vol.-% vom Imprägnierungsmittel vorhanden ist.
7. Kondensator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflüssigkeit einen Ester einschließt.
8. Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflussigkeit ein Phthalatester ist.
9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Grundflüssigkeit Dioctylphthalat ist.
10. Kondensator nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Grundflüssigkeit Sulfon einschließt.
11. Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflussigkeit ein nicht-halogeniertes Biphenyl vermischt mit einem Sulfon ist.
709840/0636
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SE7703351L (sv) 1977-09-25
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