DE2718905A1

DE2718905A1 - Kondensator

Info

Publication number: DE2718905A1
Application number: DE19772718905
Authority: DE
Inventors: Ind Bloomington; Thomas W Dakin; Lyon Mandelcorn; George E Mercier; Robert L Miller; John H Pickett
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4054937B1; NO143772C; NO143772B; FR2349939B1; SE7704824L; DE2718905C2; AU2393077A; NO771412L; ZA772097B; IN146274B; AU508531B2; GB1583374A; BR7702581A; SE413565B; FR2349939A1; JPS52132400A; MX145211A; JPS546692B2; IT1072284B; CA1093294A

Description

Die Verwendung von polychlorinierten Biphenylen als dielektrische Flüssigkeiten, selbst in abgedichteten elektrischen Ausrüstungen, kann sehr eingeschränkt sein wegen möglicher Schädigung der Umwelt durch Verschmutzung, die noch durch die niedrige biologische Abbaufähigkeit erhöht wird. Bemühungen während der letzten Jahre, dielektrische Flüssigkeiten zu entwickeln, die Trichlorobiphenyl als Imprägnierungsmittel von Polypropylenfolien-Papier-Kondensatoren, reinen Papier-Kondensatoren sowie reinen Folien-Kondensatoren ersetzen können, richteten sich hauptsächlich auf Materialien, die aromatische Gruppen aufweisen. Hocharomatische Flüssigkeiten wurden als Alternativen angesehen, die es ermöglichen, auch weiterhin die Kondensatoren bei hohen Spannungen zu betreiben, da diese Flüssigkeiten gute Korona-Eigenschaften aufweisen und die Betriebsspannungen von Leistungskondensatoren von deren Resistenz gegenüber koronaerzeugenden Überspannungen abhängen. Beispiele für potentiell gute Leistungskondensator-Flüssigkeiten sind Lösungen eines Phthalatesters, Diisononylphthalat und ein Aromat, Lösungen eines aromatischen Kohlenwasserstoffs und

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eines aromatischen SuIfons und Isopropylnaphthalen, das in Japan verwendet wird.

Diese Flüssigkeiten sind biologisch abbaubar, besitzen aber nicht den außerordentlich großen Widerstand gegenüber Verbrennung, sind also weniger "nicht entflammbar¹¹ als polychlor inier te Biphenyle. Jedoch liegen ihre Entflammungs- und Brennpunkte ebenso hoch, wie die von Mineralölen, die in weitem Umfang als elektrisch isolierende Flüssigkeit verwendet werden. Bei den meisten Leistungskondensatoren stellen sie keine ernsthafte Feuergefahr dar, weil diese Kondensatoren gewöhnlich im Freien montiert sind oder weil pro Einheit nur eine geringe Flüssigkeitsmenge vorhanden ist, die geringer als z. B. 10 1 ist, die in bestimmten Ländern eine Feuersicherheitsgrenze für derartige Flüssigkeiten darstellt.

Die Bedeutung der Belastungen durch hohe Betriebsspannung ist besonders groß für die Nennwerte der Blindleistung von Folienpapier-Kondensatoren, wo die Größe der dielektrischen Konstante des Imprägnierungsmittels nicht sehr wichtig ist. Die Blindleistung ist proportional zum Produkt des Quadrates der Betriebsspannung und der Kapazität. Bei einem Folien-Papier-Dielektrikum wird die Kapazität nur unwesentlich von der dielektrischen Konstante des Imprägnierungsmittels beeinflußt, da die Kapazität von der Folie beherrscht wird, deren Dielektrizitätskonstante von dem Imprägnierungsmittel nicht wesentlich beeinflußt wird, weil nur eine kleine Menge Flüssigkeit von der Folie absorbiert wird. Die durchschnittliche dielektrische Konstante eines aus 75 % Folie und 25 % Papier bestehenden Dielektrikums wird nur um 10 % vermindert, wenn als Imprägnierungsmittel statt Tr1-chlorobiphenyl mit der relativen dielektrischen Konstante 4,9, ein Kohlenwasserstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2 bis 2,6, verwendet wird. Andererseits wird bei einem Imprägnierungsmittel, das eine nur mäßige Erhöhung der Betriebsspannungsbelastung ermöglicht, die Blindleistung um ungefähr das Zweifache des prozentualen Spannungsbelastungsanstieges erhöht.

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Die Höhe der Nennspannungsbelastung basiert auf der Erwartung, daß ein Leistungskondensator periodisch hohen Überspannungen ausgesetzt wird, die aufgrund von Schaltvorgängen und bestimmten Uberschwingungsvorgängen der Kraftwerksleitungen entstehen und größenordnungsmäßig die dreifache Nennspannung erreichen können. Der Leistungskondensator muß den Einflüssen derartiger Überspannungen, die Korona-Entladungen in der Flüssigkeit erzeugen, in zweierlei Weise widerstehen. Die eine ist die, daß die Korona-Entladung nicht fortbestehen kann, daß sie erlischt, wenn die Nennspannung wieder erreicht wird. Zum anderen sollte die bei überspannung auftretende Koronaentladung das Dielektrikum nicht zerstören und zu keinem vorzeitigen Versagen führen, wobei die Betriebslebensdauer des Kondensators üblicherweise 20 bis 30 Jahre beträgt. Derartige Effekte können durch die Spannungen bei Korona-Entladungsbeginn und -auslöschung gemessen werden, die sich durch die Art des Imprägnierungsmittels an den Stellen des Auftretens der Korona ergeben, sowie durch eine geeignete Auswahl der Abstandseinrichtungen des Kondensator-Dielektrikums sowie der Folien-Elektroden-Geometrie.

Es ist nicht genau bekannt, warum aromatische Flüssigkeiten verhältnismäßig gute Korona-Eigenschaften besitzen, insbesondere verglichen mit aliphatischen Flüssigkeiten. Ihre guten Korona-Eigenschaften werden durch einen höheren Kondensator-Korona-Entladungseinsatz und durch höhere Löschspannungen deutlich, sowie durch verhältnismäßig niedrige Gasungsneigung der Flüssigkeit unter Hochspannung bei Testversuchen, wie sie beispielsweise die modifizierten Pirelli-Gas-Testversuche (ASTM D23OO) darstellen. Eine ähnliche Situation herrscht hinsichtlich der Additive, wie beispielsweise Anthraquinon und Epoxiharzen, die die Korona-Eigenschaften von Flüssigkeiten verbessern. Hinsichtlich des Widerstandes gegenüber Effekten der Korona-Entladung, der Löschhochspannung und der niedrigen Gasung wird vermutet, daß die aromatischen Moleküle oder Bestandteile oder auch Additive mit den Produkten der Korona-Entladung reagieren und den Aufbau von Gasblasen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen an der ursprünglichen Stelle

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der Korona verhindern, so daß dort die Korona-Entladung nicht bestehen bleiben kann. (Ähnliche Vermutungen bestehen hinsichtlich der Korona-Entladungslöschspannung bei polychlorinierten Biphenylen insofern, als deren Korona-Produkte, Wasserstoffchlorid, löslich oder reaktiv sind.) Diese allgemeine Erläuterung reicht nicht aus, um eine systematische Ordnung hinsichtlich des Widerstandes gegenüber Korona-Entladung zu liefern, und auch nicht dazu, um sie als Basis für die Auswahl von gegenüber Korona-Entladung widerstandsfähigen Flüssigkeiten zu verwenden. Hinsichtlich der Höhe der Korona-Auslösespannung ist auch ziemlich unklar, welche Effekte die Molekularfaktoren haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator mit verbesserten Hochspannungseigenschaften zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also durch einen Kondensator, der aus mehreren Metallfolienschichten besteht, in die alternierend dielektrische Abstandshalter eingefügt sind, die mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert sind. Diese Flüssigkeit besteht erfindungsgemäß zu 80 - 99 Gew% aus einer Verbindung,der allgemeinen Formeln

oder auch Mischungen dieser Flüssigkeiten umfaßt, wobei jeder Rest R unabhängig aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Alkyle von C- bis C₄ umfaßt; sowie 1-20 Gew% einer Verbindung mit einer der allgemeinen Formeln

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oder auch Mischungen dieser Stoffe umfassen, wobei jeder Rest R₁ unabhängig ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Alkyle von C₂ bis C, umfaßt.

Alle hier angegebenen Prozentzahlen sind Gewichtsprozentwerte, die auf dem Gewicht der dielektrischen Flüssigkeit beruhen, wenn nicht anders angegeben. Alle R- und R--Gruppen sind vorzugsweise identisch, weil dann die Mono- und Dialky!verbindungen in der gleichen Charge hergestellt werden können. Die Mono- und Diisopropylbiphenyle können beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß Propylen mit Biphenyl in Anwesenheit eines Katalysators wie Aluminiumchlorid reagiert werden. Normale Alkylgruppen werden wegen ihrer festen thermischen Stabilität vorgezogen, obwohl Isopropyl wegen seiner leichteren Verfügbarkeit vorgezogen wird. Propylgruppen werden gegenüber Äthylgruppen bevorzugt, weil sie einen größeren Viskositätsbereich und einen niedrigeren Dampfdruck ergeben, gegenüber Butyl werden sie wegen ihres größeren Korona-WiderStandes bevorzugt. Methylverbindungen sind wegen ihres hohen Schmelzpunktes und des hohen Dampfdruckes nicht akzeptabel. Höhere Alkylgruppen als Butyl können aufgrund ihres hohen Gießpunktes unannehmbar sein.

Die Biphenyloxidverbindungen werden gegenüber den Biphenylverbindungen vorgezogen, weil sie höhere dielektrische Konstanten besitzen. Jedoch sind Bipheny!verbindungen praktischer anwendbar, weil Biphenyloxidverbindungen nur begrenzt zur Verfugung stehen.

Wegen des Herstellungsverfahrens kann die dielektrische

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Flüssigkeit etwas Biphenyl enthalten. Biphenyl ist ätzend und gasförmig und daher wird angestrebt, daß nicht mehr als 5 %, vorzugsweise weniger als 0,5 % vorhanden sind.

Die dielektrische Flüssigkeit umfaßt vorzugsweise bis zu ungefähr 1 % Antioxidationsmittel, um thermische Stabilität zu erreichen. Die vorzugsweise Menge beträgt etwa 0,01 - 0,2 %, wobei vorzugsweise Antioxidationsmittel Di-t-butyl-paracresol, Di-t-butylphenol oder Mischungen davon sind.

Die Flüssigkeit enthält vorzugsweise auch bis zu 2 %, noch günstiger 0,1 - 0,5 % Wasserstoffakzeptor, um einen verbesserten Widerstand gegen Korona-Bildung zu erreichen. Ein Anthraquinon wie A-Methylanthraquinon, Anthraquinon oder ρ-Chloranthraquinon können verwendet werden, ρ -Methylanthraquinon wird vorgezogen, da es leichter erhältlich ist und löslicher ist.

Das Antioxidationsmittel und der Wasserstoffakzeptor scheinen zusammenzuwirken und einen Verlust an Korona-Widerstand zu erzeugen, wenn einer von ihnen mit hoher Konzentration verwendet wird. Daher wird vorzugsweise keiner der beiden Bestandteile in einer höheren Konzentration als 1 % verwendet. Eine Zusammensetzung, bei der beide Bestandteile wirksam sind, enthält ungefähr 0,2 % Di-t-butyl-paracresol und ungefähr 0,5 % p-Methylanthraquinon.

Obwohl es nicht notwendigerweise vorgezogen wird, kann die Flüssigkeit bis zu etwa 2 %, vorzugsweise ungefähr 0,05 - 1 % Epoxi enthalten, wie beispielsweise Glycidylphenyläther, um Korona-Widerstand zu erhalten.

Im folgenden werden einige wichtige Eigenschaften einer Zusammensetzung aufgezählt, die von der Firma Sun Oil Company unter der Bezeichnung "X489-17" kommerziell erhältlich ist und zu 95,5 % aus Monoisopropylbiphenyl, 4 % Di-isopropylbiphenyl und 0,5 % Biphenyl besteht, wobei insbesondere die für Leistungskondensatoren wichtigen Eigenschaften erfaßt sind:

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Spezifisches Gewicht bei 25° C 0,98 g/cm³ Viskosität 10 es bei 23° C 2 es bei 81° C Gießpunkt -0,51° C Dampfdruck bei 100° C ungefähr 1 Torr^ Dielektrische Konstante, £.£ bei 100° C und 60 Hz 2,6 Verlustfaktor bei 10O° C 0,2 % Dielektrische Festigkeit (ASTM D877) > 60 kV Flammpunkt, CO.C. 150° C Brennpunkt 165 C

biologische Abbaufähigkeit: hoch, größer als Mineralöl Toxizität niedrig

* niedriger Gehalt an 2-Isorpopylbiphenylisomer, das höheren Dampfdruck als andere Isomere besitzt.

Die Kondensatoren sind vorzugsweise Folien-Papier-Kondensatoren (die Folie besteht beispielsweise aus Polypropylen), oder es handelt sich um zu 100 % aus Folie bestehende Kondensatoren, weil, wie schon erläutert, die dielektrische Konstante der Flüssigkeit für diese Art von Kondensatoren nicht wichtig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der einzigen Figur dargestellt ist.

Diese Figur stellt eine abschnittene perspektivische Ansicht eines Kondensators dar, bei dem ein hermetisch abgedichteter Behälter 1 eine oder mehrere Wicklungen gerader leitender Folie sowie eine leitende Folie 3 enthält, die schmäler ist und abgerundete Kanten besitzt. Diese Folien alternieren mit Schichten aus Isolation 4, hier als Folie 5, Papier 6 und Folie 7 dargestellt. Eine erfindungsgemäße dielektrische Flüssigkeit 8 füllt den Behälter 1 und imprägniert den Kondensatorwickel. Elektrodenanschlüsse können gemäß üblicher Verfahren vorgesehen sein. Die dielektrischen Schichten werden dazu neigen, sich an die zur Verfügung stehenden Räumlichkeiten anzupassen, so daß die in der Zeichnung dargestellten großen Leerräume wesentlich

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vermindert werden.

Die Erfindung wird nunmehr bezüglich der folgenden Beispiele noch näher erläutert:

Beispiel I

Es wurden Experimente mit kleinen Kondensatoren mit einer Kapazität von ungefähr 0,13 /UF durchgeführt. Die Kondensatoren besaßen einen Folie-Papier-Folie-Wickel (AFPFA) aus 0,019 mm dicker Polypropylen-Folie mit einer Breite von 63,5 mm, verkauft von der Firma Herkules unter der Handelsbezeichnung "EK5OO", aus 0,011 mm dickem, 66 mm breitem Papier mit einer Dichte von 0,9 und einer Aluminiumfolie mit einer Breite von 38,1 mm. Die Kondensatoren wurden erst unter Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 145 C zwei Tage lang erhitzt, dann bei ungefähr 90° C imprägniert und dann etwa 20 Stunden lang auf einer Temperatur von 1OO° C gehalten.

Die folgenden Flüssigkeiten wurden für diese Testkondensatoren als Imprägnierungsmittel untersucht.

(1) Trichlorobiphenyl, verkauft von Monsanto unter der Handelsbezeichnung "MCS1016".

(2) Isopropylbiphenyl, verkauft von Sunoco unter der Bezeichnung "X489-17".

(3) Isopropylnaphthalen, verkauft von Sunoco unter der Bezeichnung "X489-8".

(4) Diisononylphthalat, verkauft von Exxon unter dem Handelsnamen "ENJ-2065".

(5) 80 % Isopropylbiphenyl und 20 % Xylyltolylsulfon, verkauft von Monsanto unter der Handelsbezeichnung "MSC1238" (siehe US-Patent 3 796 934).

(6) 40 % Diisononylphthalat und 60 % Isopropylbiphenyl.

Zu dem Trichlorobiphenyl wurde 0,3 % /&-Methylanthraquinon hinzugefügt. Kein Antioxidationsmittel wurde verwendet, weil

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Trichlorobiphenyl gegenüber Oxidation nicht empfindlich ist.

Zu den anderen Flüssigkeiten wurde 0,2 % Di-tert-butylparacresol und 0,5 %Ä-Methylanthraquinon hinzugefügt. Es ist wichtig, daß die Konzentrationen der zwei Additive sich auf den für die beiden Additive angegebenen Höhen befinden, damit sie wirksam sind. Sie scheinen miteinander zu reagieren und bei unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen kann es sein, daß nur das Additiv mit der erhöhten Konzentration wirksam ist.

Die Korona-Eigenschaften der Kondensatoren wurden hinsichtlich der Spannungen für den Korona-Entladungseinsatz und die Auslöschung (DIV und DEV) sowie hinsichtlich des überspannungswiderStandes bestimmt. Bei dem Uberspannungstest wurden Überspannungen zu drei Zeiten angelegt, und zwar eine konstante Spannung für eine Zeitdauer von 0,1 Sekunde (d. h. 6 von 60 Hz-Zyklen) . Diese Überspannungen wurden an den Testkondensator jeweils nach 3 Minuten unter fortlaufender Erregung angelegt. Korona-Impulsmessungen wurden fortlaufend durchgeführt und während der Überspannung und nachfolgend beim zweiten 60 Hz-Zyklus und nach etwa 1-2 Minuten durchgeführt. Die Anzahl derartiger Überspannungen bis zum Versagen, die^ primäre Messung des Überspannungswiderstandes, können mit den Korona-Impulsen korreliert werden, möglicherweise auch mit den DIV- und DEV-Spannungen. Die Überspannung in diesen Testen betrug 8,1 kV, während die Ruhespannung 2,7 kV war, was für kohlenwasserstoffimprägnierte Dielektrika zumindest 10 % oberhalb der Spannung liegt, die erforderlich ist, um ihnen die gleiche Blindleistung pro Volumeneinheit zu geben, wie dem gegenwärtigen mit Trichlorobiphenyl imprägniertem Dielektrikum.

Die Spannung für den Korona-Entladungseinsatz und die Auslöschung bei den Kondensatoren bei einer Temperatur von 25° C ist in Tabelle 1a aufgelistet, während die gleichen Werte bei einer Temperatur von -25° C aus Tabelle 1b hervorgehen. Entsprechende Impulshöhen mit den Einsatzspannungen sind angeschlossen. Die Auslöschungsspannungen wurden bestimmt, sobald die Pulse auf

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weniger als 3-5 Pico-Coulomb abgefallen waren, das war die Empfindlichkeitsgrenze des Korona-Detektors bei diesen Kondensatoren. Die höchsten Korona-Einsatzspannungen wurden bei Kondensatoren festgestellt, die mit Isopropylbiphenyl imprägniert waren. Bei einer Temperatur von -25° C und 2,7 kV zeigte der Kondensator mit diesem Imprägnierungsmittel sehr wenig Korona-Bildung, während andere Kondensatoren mit Trichlorobiphenyl und der Lösung von Isopropylbiphenyl und Xylyltolylsulfon beachtliche Korona-Erscheinungen aufwiesen.

Die Ergebnisse des Uberspannungstestes ergeben sich aus Tabelle 2, die die Korona-Impulshöhen und die Versagungszeiten umfaßt. Es ist zu erkennen, daß die mit Isopropylbiphenyl imprägnierten Kondensatoren im allgemeinen in diesem Test besser abschneiden, als die mit anderen Imprägnierungen. Ihre Versagungszeiten waren die höchsten, die erhalten wurden. Eine solche Einheit zeigte tatsächlich nicht einmal Korona-Bildung bei den Überspannungen und es überlebte 2960 Überspannungsversuche ohne Versagen. Es ist wesentlich, daß dieser Kondensator eine Korona-Einsatzspannung oberhalb der Testgrenze während der gesamten aufeinanderfolgenden Überspannungsanwendungen behielt.

Ein Kondensatordielektrikum muß ausreichende thermische Stabilität bei Betriebsspannung aufweisen, neben guten Korona-Eigenschaften. Tabelle 3 ist eine Zusammenfassung der relativen Lebensergebnisse, die mit Folie-Papier-Folie-Test-Kondensatoren erhalten wurden, die mit den verschiedenen hier berücksichtigten Flüssigkeiten imprägniert waren. Diese Kondensatoren wurden bei 115° C mit 3,0 kV gealtert und die Effekte der Alterung auf ihren Leistungsfaktoren basiert, die periodisch gemessen wurden. Die Kondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln besaßen alle ungefähr die gleiche thermische Stabilität. Es kann daher erwartet werden, daß die zu erwartende Betriebslebensdauer der mit Isopropylbiphenyl imprägnierten Kondensatoren die gleiche ist, wie die mit Trichlorobiphenyl imprägnierten Kondensatoren, wenn man auf die thermischen Effekte abstellt.

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Tabelle 1

Korona-Entladungseinsatz und -auslöschung bei verschiedenen Imprägnierungsmitteln in Folie-Papier-Folie-Test-Kondensatoren; 0,019 mm Polypropylen-Folie, 0,011 mm Papier mit 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13 ,uF

a. bei 25° C	DIV,	Pulshöhe	90	DEV,
Imprägnierungsmittel	kV	PC	80	kV
	4,2	120	3,2
Trichlorobiphenyl	6,7	150	3,8
Isopropylbiphenyl	6,7	95	3,8
Isopropylnaphthalen	4,4	140	1,3
Diisononylphthalat, DINP	2,7		4,6
Isopropylbiphenyl + 20 Gew% Xylyltolylsulfon	6,4		2,6
DINP + 60 Gew% Isopropyl biphenyl
b. bei -25° C	DIV,
Imprägnierungsmittel	kV
	2,5
Trichlorobiphenyl	2,9
Isopropylbinphenyl
Isopropylbiphenyl + 20 Gew%

Xylyltolylsulfon 2,9

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Tabelle 2

Effekte von 60 Hz überspannungspitzen an Testkondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln; Folie-Papier-Folie, 0,019 mm Polypropylen-Folie, 0,011 mm Papier von 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13 /uF.

Die Überspannung von 8,1 kV ist dreifache Ruhespannung von 2,7 kV, angelegt während 6 Zyklen alle 3 Minuten

PuIshöhe, pC

Imprägnierungsmittel

während der Überspannung

Trichlorobiphenyl 1000

Isopropylbiphenyl < 6-400

Isopropylnaphthalen 400

Diisononylphthalat, DINP 12000

Isopropylbiphenyl

+ 20 Gew% Xylyltolylsulfon 5000 DINP + 60 Gew% Isopropylbiphenyl 3000

2 Zyklen nach der überspannung

200

< 5-40

1000

4000

1000-200 20-1000

während Minuten

100 < 5

< 5-6000 200

100-1000 1000

ANzahl der Überspannungsspitzen bis zum Versagen

10, 35, 40, 45, 200, 400,>2960 80, 10

360, >

Tabelle 3

Thermische Lebensdauer der Test-Kondensatoren mit verschiedenen Imprägnierungsmitteln, bei 115 C und 3 kV; Folie-Papier-Folie 0,019 mm Polypropylen-Folie, 0,011 mm Papier von 0,9 Dichte, Kapazität ungefähr 0,13 ,uF

Imprägnierungsmittel relative Lebensdauer

Trichlorobiphenyl 1

Isopropylbiphenyl 1

Isopropylnaphthalen 1 ,4

Diisononylphthalat, DINP 1,7

Isopropylbiphenyl _o , + 20 Gew% Xylyltolylsulfon '

DINP + 60 Gew% Isopropylbiphenyl 1,1

Beispiel II

Leistungskondensatoren voller Größe mit einer Nennleistung von 50 kVA wurden ebenfalls unter Verwendung von Isopropylbiphenylflüssigkeit gemäß Beispiel I getestet, wobei 0,2 % Ditert-butylparacresol und 0,5 % ρ -Methylanthraquinon als Stabilisatoren zugefügt wurden. Die verwendeten festen dielektrischen Materialien waren verschiedene Kombinationen von Polypropylen-Folie, Kraftpapier, synthetischem Papier, jeweils Kondensatorqualität, sowie oberflächenmodifizierte Polypropylen-Folien einer Qualität, die für nur aus Folien aufgebaute dielektrische Systeme geeignet ist. Die verwendeten Aluminium-Folien-Elektroden waren in herkömmlicher Weise Folien gleicher Breite und Folien ungleicher Breite, wobei die schmalere Folie umgelegte Kanten besaß, um die normalerweise scharfen und unebenen Schnittkanten zu beseitigen (siehe Fig. 1).

Diese Kondensatoren voller Größe wurden mit herkömmlichen Kondensatoren gleicher Nennleistung und Konstruktion wie Typen

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mit Isopropylbiphenyl verglichen, die mit Trichlorobiphenyl plus Stabilisator imprägniert waren. Die folgende Tabelle vergleicht die Kapazitätsänderungen der zwei Systeme im Temperaturbereich von -40 bis +100° C. Die Bauart mit Isopropylbiphenyl ist viel stabiler hinsichtlich Temperaturänderungen über den gesamten Temperaturbereich und kann bei niedrigeren minimalen Betriebstemperaturen verwendet werden, als dies bei Trichlorobiphenyl der Fall ist.

_o % der Kapazität bei 25° C

Temperatur ( C) des Dielektrikums

-40 -30 -20 0 100

Der Leistungsfaktor über der Temperaturcharakteristik wurde ebenfalls gemessen und ermittelt, daß er für isopropylbiphenylimprägnierte Kondensatoren im gesamten Temperaturbereich niedriger ist. Dieser Vergleich ergibt sich aus der folgenden Tabelle

Trichlorobiphenyl	Isopropylbiphenyl
99	101,2
102,5	101,1
103	101
102	100,7
94	95,5

% des Leistungsfaktors bei Nennspannung des Dielektrikums

Temperatur ( C)

Trichlorobiphenyl	Isopropylbipheny1
1 ,00	0,100
0,500	0,068
0,200	0,050
0,070	0,040
0,045	0,035
0,048	0,037

-40

-20

100

Eine andere wichtige elektrische Kondensatoreigenschaft ist die Beziehung zwischen Leistungsfaktor und Spannungsbelastung, insbesondere bei hohen Temperaturen des Dielektrikums. Messungen

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des Leistungsfaktors über der Spannungsbelastung wurden bei 100 C für Kondensatoreinheiten gemacht, die Isopropylbiphenyl und die Trichlorobiphenyl enthielten. Diese Meßwerte sind in der folgenden Tabelle einander gegenübergestellt. Die Daten zeigen die größere Stabilität der Isopropylbiphenyl-Imprägnierung.

% des Leistungsfaktors bei 100° C

% der Nennspannungs belastung	Trichlorobiphenyl	Ispropylbiphenyl
10	0,050	0,050
30	0,045	0,042
50	0,040	0,040
70	0,041	0,038
100	0,048	0,037
130	0,060	0,037

Überspannungs-Ausdauer-Teste wurden durchgeführt, um die Fähigkeit der Kondensatoren zu ermitteln, kurzzeitigen Überspannungen zu widerstehen, die bei normalen Kondensatoranwendungen auftreten. Es wurden zwei Arten von Testen durchgeführt. Die erste Testart war ein Raumtemperatur-Test, bei dem der Kondensator einer kurzzeitigen Stufenbelastung ausgesetzt wurde, und zwar einmal pro 30 Minuten, wobei jeden Tag die Spannungsbelastung höher geschraubt wurde. Der Kurzzeitbelastung folgte das Anlegen von 150 % der Nennspannung für 5 Minuten, gefolgt von 100 % der Nennspannung für 25 Minuten. Die zweite Testgruppe hinsichtlich der Spannungsfestigkeit ist ein Niedrigtemperatur-Test, bei dem der Testkondensator über Nacht auf eine Temperatur von -25 C abgekühlt und dann einer kurzzeitigen Stufenspannungsbelastung einmal pro 30 Minuten für etwa 8 Stunden pro Tag ausgesetzt wurde und dann entregt und wieder über Nacht auf -25° C abgekühlt wurde. Am folgenden Tag wurde dann jeweils eine höhergestufte Spannung angelegt. In diesem Test folgte der kurzzeitigen Stufenbelastung eine 25minütige Belastung mit 110 % der Nennspannung. Bei jedem dieser Teste wurde die Kurzzeitspannung jeweils um einen Schritt von 10 % pro Tag

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erhöht, bis der Kondensator versagte. Ein spezieller Schaltdetektor wurde in Verbindung mit dem Test verwendet, um die relative Intensität der in dem Flüssigkeitssystem an den Elektrodenkanten auftretenden Teilentladungen zu messen. Am Kondensatorgehäuse wurde ein Wandler befestigt und dessen Signal verstärkt und während der überspannungsteste aufgezeichnet.

Bei den Überspannungs-Belastungs-Testen bei Raumtemperatur wurde ein Kondensator mit ungleich breiten Folien-Elektroden mit bei der schmaleren Folie umgefalteten Kanten, einem Folie-Papier-Dielektrikum (AFPa ) und einer Isopropylblphenyl-Flüssigkeit verglichen mit einem ähnlich konstruierten Kondensator, der mit Trichlorobiphenyl imprägniert war. Die Daten werden in der folgenden Tabelle wiedergegeben, woraus zu entnehmen ist, daß die Isopropylbiphenyl-Einheiten die Fähigkeit aufweisen, höheren Überspannungen zu widerstehen, bevor sie versagen, wobei die gemessenen Teil-Entladungs-Intensitäten auf jeder Testhöhe für das Isopropylbiphenyl-System niedriger sind.

überspannungsteste bei 25 C Intensität der relativen Teilentladung

% Nennspannung	Tr ichlorobipheny1	Isopropylbipheny1	20
	(AFPa_r)	(AFPa_x)	50
200	14		500
210	14		10.000
220	20 (versagte)		20.000
230		100.000 (versagte)
240
250
260
270
280

Bei den Niedrigtemperatur-Testen ist der Unterschied zwischen Isopropylbipheny1 und Trichlorobiphenyl noch dramatischer. Dies liegt wahrscheinlich an dem bekannten Minimum in der Charak teristik der Teil-Entladungs-Einsatzspannung über der Temperatur,

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XO

wobei dieses Minimum bei ungefähr -20 bis -10 C für Trichlorobiphenyl auftritt. Kondensatoren von identischer Konstruktion, die sowohl gleichen Folienbreiten (AFPFA) als auch ungleiche Folienbreiten (AFPa_r) verwendeten, wurden untersucht. Die Testdaten sind in der folgenden Tabelle wiedergeben. Wiederum überstanden isopropylbiphenylhaltige Einheiten höhere Überspannungen, bevor sie versagten, und die Teil-Entladungs-Intensitäten sind bei jeder Testspannungshöhe niedriger.

Überspannungsteste bei Vorbehandlung bei -25 C relative Teil-Entladungs-Intensität

% Nennspannung

170 180 190 200 210 220

230 240 250 260 270

Trichlorobiphenyl AFPFA AFPa_

(Teilentladung sintensität wurde nicht aufgezeichnet) versagte

Isopropylbiphenyl AFPFA AFPa_

6	2000	8
20	800	8
12	900	12
10	4000	10
40	4000	12
18	2OOO	14
sagt	e versagte
		200
		1000
		7000
		15000
		versagte

Die Vorteile der Erfindung können auch bei anderen dielektrischen Strukturen erhalten werden, z. B. bei Aluminium-Folie-Papier-Aluminium, Aluminium-Folie-Papier-Folie-Aluminium und Aluminium-Folie-Papier-Folie-Papier, bei Aluminium, usw., unter Anwendung von alternierenden Schichten mit engeren Folien mit oder ohne gefaltete oder abgerundete Kanten.

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Beispiel III

Zahlreiche Zusammensetzungen von Mono- und Diisopropylbiphenyl sowie eine kleine Menge von Triisopropylbiphenyl wurden gemischt, und zwar von 95 %igen Monoisopropylbiphenyl- und einem 93,5 %igen Diisopropylbiphenyl-Vorrat, und die entsprechenden Viskositäten und Gießpunkte der Zusammensetzungen bestimmt. Die folgende Tabelle gibt die Resultate wieder.

Mono (%) Di (%) Tri (%) Viskosität Gießpunkt (° C)

(csl bei 100° F

95 3 — 4,64 -51

76 22,7 1,3 5,37 -51

57 39 2,6 6,08 -48

38 57,3 3,9 8,07 -47

Die obige Tabelle zeigt, daß eine sehr geringe Änderung der Viskosität und des Gießpunktes über dem untersuchten Mischungsbereich auftrat, insbesondere bei Konzentrationen von etwa 20 % und weniger für das Diisopropylbiphenyl.

Es wurde gefunden, daß ein Kondensator mit einer dielektrischen Flüssigkeit, die aus einer Mischung von mono- und di-alkyliertem Biphenyl, Biphenyloxid oder Biphenylmethan bestand, unerwartet gute Eigenschaften aufwies. Die Kondensatoren besaßen hohe Korona-Anlaufspannung und hohe Auslöschungsspannungen, typischerweise etwa 7 kV bei einer 0,038 mm dicken Polypropylen-Folie plus einem 0,013 mm dicken Papier, sowie niedrige Leistungsfaktorwerte. Sie zeigten gute thermische Stabilität und konnten bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden, als Kondensatoren, die Trichlorobiphenyl enthielten.

Die bei den Kondensatoren verwendete dielektrische Flüssigkeit ist leicht erhältlich, nicht giftig, besitzt einen weiten Fluiditätsbereich und kann bei Bedarf leicht gereinigt werden. Ihre Entflammbarkeit ist annehmbar.

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ES/jn 3

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Claims

. Patentansprüche :

1. J Kondensator, bestehend aus Metallfolienschichten, die mit dielektrischen Abstandshaltern alternieren, imprägniert mit einer dielektrischen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit folgende Zusammensetzung aufweist: 80 - 99 Gew% einer Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln

oder Mischungen dieser Verbindungen, wobei jeder Rest R unabhängig ausgewählt ist aus Alkylen von C₂ bis C*; sowie 20-1 Gew% einer Verbindung mit einer der folgenden allgemeinen Formeln

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ORIGINAL INSPECTED

oder Mischungen dieser Verbindungen, wobei jeder Rest R- unabhängig ausgewählt ist von einem Alkyl von C₂ bis ^C4·

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gruppen R und R- gleich sind.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R und R₁ Isopropyl ist.

4. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R und R- normales Propyl darstellen.

5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit weniger als 0,5 Gew% Biphenyl enthält.

6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit bis zu

1 Gew% eines Antioxidationsmittels und bis zu 1 Gew% einer Wasserstoffakzeptor-Verbindung enthält.

7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit 0,01 - 0,5 Gew% eines Antioxidationsmittels enthält, das aus Di-t-butylparacresol und/oder Di-t-butylphenol besteht.

8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit bis zu

2 Gew% einer Wasserstoffakzeptor-Verbindung enthält.

9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffakzeptor-Verbindung ein Anthraquinon ist, das in einer Menge von 0,1 - 0,5 Gew% vorhanden ist.

10. Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anthraquinon-Verbindung β -Methylanthraquinon ist.

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11. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit 0,05 -

1 % eines Epoxiharzes enthält.

12. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 -11, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Abstandhalter aus Papier, aus Papier und Folie oder nur aus Folie besteht.

13. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 -12, dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite Schicht der Metallfolie schmaler ist.

14. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede schmalere Metallfolienschicht abgerundete Kanten besitzt.

Beschreibung;

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