DE2737863A1

DE2737863A1 - Elektrischer wickel- oder stapelkondensator

Info

Publication number: DE2737863A1
Application number: DE19772737863
Authority: DE
Inventors: Affalterbach Dipl In Grossmann; Helmut Dipl Ing Maylandt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-08-23
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1979-03-08
Also published as: US4306273A; GB1574202A; BR7805411A; DE2737863C2; CH632865A5

Description

R.
17.8.1977 Rs

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Elektrischer Wickel- oder Stapelkondensat or

Zusammenfassung

Es wird ein elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator, insbesondere ein selbstheilender Kondensator vorgeschlagen, mit Dielektrikumslagen aus Papier oder Kunststoff oder Mischungen aus Papier und Kunststoff zwischen den Belägen, die mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen Isolierstoff imprägniert sind. In ein das Kondensatorelement aufnehmendes Gehäuse ist ein bei Betriebstemeperatur flüssiges Imprägniermittel eingefüllt. Durch die Kombination unterschiedlicher Imprägnier- und Füllmittel mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen erreicht man eine hohe Kapazitätskonstanz über eine lange Betriebszeit.

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Wickel- oder Stapelkondensator nach der Gattung des Hauptanspruches. Nicht nur bei vielen Kondensatoren der Schwachstrom- und Hochfrequenztechnik, sondern auch bei Wechselspannungskondensatoren in Starkstromnetzen besteht die Forderung nach einer sich möglichst wenig ändernden Kapazität, um die Funktion des Gerätes oder der Anlage nicht zu gefährden. Zusätzlich zu einer zugestandenen Toleranz der Nennkapazität im Anfangszustand darf die Kapazitätsänderung beim Betrieb des Kondensators im allgemeinen nur wenige Prozent betragen. Dabei sind zwei verschiedene Kapazitätsänderungen zu unterscheiden, nämlich einerseits die überwiegend reversible Änderung der Kapazität mit der Temperatur, welche bestimmt ist durch die Temperaturkoeffizienten der verwendeten Dielektrika, und andererseits die überwiegend irreversible Änderung durch Alterungsvorgänge während der Betriebszeit.

Die Kapazitätsänderung mit der Temperatur kann in bekannter V/eise durch die Art und den Anteil der verwendeten festen und flüssigen Isolierstoffe beeinflußt werden, wobei Papier einen positiven, flüssige Imprägniermittel einen negativen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätszahl (D.Z.) haben. Eine v/eitere Kompensationsmöglichkeit für die temperaturabhängige Änderung der Kapazität von Kondensatoren besteht bei Mitverwendung von Kunststoffbändern mit zu Papier gegenläufigem Temperaturkoeffizienten in sogenannter Mischbauweise.

Ein bei Kondensatoren häufig verwendetes Imprägniermittel ist Mineralöl. Es ist jedoch auch bekannt, Kondensatoren statt mit Mineralöl mit einer für selbstheilende Kondensatoren geeigneten Isolierflüssigkeit höheher Dielektrizitätszahl, z. B. mit Dioctylphthalat (DOP) oder Dinonylphthalat (DNP) zu imprägnieren, um eine hohe spezifische Kapazität und eine hohe Glimmfestigkeit zu erreichen. Langzeitversuche bei erhöhter Temperatur und Spannung, z.B. bei 100⁰C und etwa 1,3 U_n haben gezeigt, daß die Kapazitätsänderung im Laufe der Betriebs zeit die Kapazitätsänderung mit der Temperatur weit übertreffen kann. Dabei ist es möglich, daß die gesamte Kapazitätsänderung die nach bestehenden Vorschriften zulässige Änderung überschreitet.

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Da bei den geschilderten imprägnierten Kondensatoren, welche zusammen mit einem Füllmittel in ein Gehäuse eingebaut sind, keine Glimmentladungen und keine Zersetzungen von Imprägniermittel oder Metallschichten festgestellt werden konnte, liegt zur Erklärung des Kapazitätsrückgangs die Annahme nahe, daß durch Belagschwingungen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes im Laufe der Betriebszeit mehr Imprägniermittel aus dem Kondensatorwickel ausgetrieben wird als wieder zurückströmen kann. Hierbei wird der Imprägniermittelaustausch durch die im Imprägniermittel quellende mitgewickelte Kunststoffolie behindert. Belagschwingungen durch pulsierende elektrostatische Anziehungskräfte im Wechselfeld sind proportional dem Quadrat der Feldstärke. Damit ist auch die geringe Kapazitätsabnahme bei DOP-Imprägnierung erklärbar. Die gegenüber Mineralöl doppelte Dielektrizitätszahl führt zu einer günstigeren Feldverteilung im Dielektrikum und zu einer geringeren "Pumpwirkung". Ein Kondensator mit noch geringerer Kapazitätsabnahme müßte daher also mit einem Stoff noch höherer Dielektrizitätszahl imprägniert und gefüllt werden.

Vorteile der Erfindung

Entgegen dieser Folgerung und entgegen dem allgemeinen Brauch, durch Verwendung von Imprägniermitteln möglichst hoher Dielektrizitätszahl Kondensatoren hoher spezifischer Kapazität und hoher Glimmfestigkeit zu bauen, erreicht man durch die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, daß die Kondensatoren eine verbesserte zeitliche Kapazitätskonstanz erhalten. Dabei ist es zweckmäßig, nur solche Stoffe unterschiedlicher Dielektrizitätszahl zu verwenden, deren Mischungen in weit variablem Verhältnis eine homogene Flüssigkeit ergeben. Durch die in den Unteransprüchen enthaltenen vorteilhaften Kombinationen von Füll- und Imprägniermitteln erhält man Kondensatoren mit besonders hoher zeitlicher Kapazitätskonstanz.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend näher erläutert. Es zeigen

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Pig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Kondensator, Fig. 2 den Kapazitätsverlauf eines Kondensators in Abhängigkeit von der Temperatur, Fig. 3 den Kapazitätsverlauf herkömmlicher Kondensatoren in Abhängigkeit von der Betriebszeit und Fig. 4 den Kapazitätsverlauf eines erfindungsgemäßen Kondensators in Abhängigkeit von der Betriebszeit.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt den bekannten Aufbau eines Kondensators, der bei entsprechender Stoffauswahl auch bezüglich seines Temperaturganges der Kapazität zufriedenstellend ist. Zwei Papierbänder 1 und 2 mit beidseitig aufgedampften selbstheilenden Metallschichten 5 und 6 bzw. 7 und 8 jeweils desselben Potentials sind durch die Polycarbonatbänder 3 und 4 getrennt. Der Kondensatorwickel wird an den Stirnflächen durch aufgesprühte Metallbrücken 9 und 10 kontaktiert und mit Mineralöl 11 imprägniert. Bei Einbau der Wickel in ein Metallgehäuse werden die Kondensatoren mit dem als Imprägniermittel verwendeten Stoff je nach Bauart mit oder ohne Luftpolster gefüllt.

Die in Fig. 2 gezeigte, zu dem Kondensator gemäß Fig. 1 gehörende Änderung der Kapazität mit der Temperatur von weniger als ί 0,5 % zwischen -40⁰C und +100⁰C ist äußerst gering und kaum verbesserungsbedürftig.

Fig. 3 zeigt die Kapazitätsabnahme eines Kondensators gemäß Fig. mit Mineralölimprägnierung (1) und eines Kondensators mit ^DNF-Imprägnierung (2). Die Kapazitätsänderung über der Betriebsdauer kann also diemch bestehenden Vorschriften und entsprechend der Belastung zulässige Änderung von 5 % weit überschreiten und ist verbesserungsbedürftig. Der unterschiedliche Kurvenverlauf entsprechend den verschiedenen Imprägniermitteln ist dadurch zu erklären, daß Belagschwingungen durch pulsierende elektrostatische Anziehungskräfte im Wechselfeld und die hierdurch bedingte Verdrängung des Imprägniermittels aus den Zwischenräumen zwischen den Belägen proportional dem Quadrat der Feldstärke sind. Dadurch ergibt sich eine geringere Kapazitätsabnahme bei DNP-Imprägnierung aufgrund

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der höheren Dielektrizitätszahl gegenüber Mineralöl. Die gegenüber Mineralöl doppelt so hohe Dielektrizitätszahl führt zu einer günstigeren Feldverteilung im Dielektrikum und zu einer geringeren Verdrängung des Imprägniermittels aus den Belagzwischenräumen.

In Fig· 4 ist der Verlauf der Kapazität in Abhängigkeit von der Betriebsdauer t für erfindungsgemäße Kondensatoren dargestellt. Die Auaokuig der erfindungsgemäßen Kombination von Imprägniermittel (i) und Füllmittel (F) auf die zeitliche Konstanz der Kapazität ist aus dieser Abbildung deutlich zu ersehen. Dabei wurden Wickel nach Fig. 1 mit Mineralöl imprägniert, in Metallgehäuse eingebaut und in vier Gruppen geteilt. Die Füllung der ersten Gruppe bestand aus 100 % INp. Weitere Gruppen wurden mit Mischungen aus jeweils 75 %_t 50 % und 30 % DNp und dem jeweiligen Restanteil aus Mineralöl gefüllt, wobei die Dielektrizitätszahlen in der genannten Reihenfolge *l,5 - 3,9 - 3,3 und 2,8 betrugen, also immer noch über der des Imprägniermittels Mineralöl von 2,2 lagen. Anschließend wurden die Kondensatoren bei etwa 100⁰C Gehäusetemperatur und etwa 1,3facher Nennspannung betrieben. Wie Fig. 4 zeigt, steigt die Kapazität der erfindungsgemäßen Kondensatoren zuerst leicht an. Der anschließende geringe Rückgang kann durch das Mischungsverhältnis der Füllung bestimmt werden. Zum Beispiel beträgt die Kapazitätsänderung bei einer Füllung mit 50 % DOP und 50 % Mineralöl innerhalb von 3 000 Stunden Betriebszeit nur etwa - 1 % des Anfangswertes und liegt damit weitaus besser als die in Fig. 3 aufgetragenen Werte für übliche bekannte Kondensatoren. Der Kurvenverlauf gemäß Fig. 4 ist damit erklärbar, daß auch bei diesen erfindungsgemäßen Kondensatoren im Laufe der Betriebszeit immer mehr Imprägniermittel aus dem Wickel oder Stapel austritt als wieder eindringen kann. Durch die höhere Dielektrizitätszahl des wieder eindringenden Teils wird jedoch der Kapazitätsrückgang erheblich verringert.

Außer von der Dielektrizitätszahl des Füllmittels hängt der in Fig. 4 an einem Beispiel gezeigte Kurvenverlauf auch von der Art der verwendeten Papier- und Kunststoffbänder, insbesondere von deren Oberflächenrauhigkeit, Quellverhalten und Papierdichte ab, und weiterhin von der spezifischen Pressung der Bänder im Wickel

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oder Stapel. Die Anwendung des Erfindungsgedankens auf verschiedene Bauarten von Kondensatoren zur Erreichung spezieller Kurvenverläufe ist ohne v/eitere Angaben durch einfache Versuche und Überlegungen möglich.

Obwohl die erfindungsgemäßen Kondensatoren zunächst mit einem Stoff niedrigerer Dielektrizitätszahl imprägniert worden sind, haben sie eine ähnlich hohe Glimmfestigkeit wie bei einer Imprägnierung mit einem Füllstoff höherer Dielektrizitätszahl. Dies ist darauf zurückzuführen, daß Glimmentladungen vorwiegend an den Randzonen der Belegungen an den Stellen höchster Feldstärke einsetzen, also nur wenig hinter den Wickelstirnflächen. Gerade dorthin ist aber schon in den ersten Betriebsstunden der Kondensatoren so viel Füllmittel mit höherer Dielektrizitätszahl eingedrungen, daß die Feldstärke im flüssigen Teil der Randgebiete des Dielektrikums reduziert wird.

Auch diese Auswirkung der Erfindung beschränkt sich nicht auf selbstheilende Kondensatoren nach Fig. 1, sondern sie gilt auch für imprägnierte Kondensatoren mit Metallfolienbelegungen, v/eil dort an den Belagrändern wegen der Ausdehnung der Flüssigkeitsfilme die Randgebiete besonders glimmgefährdet sind. Für solche Kondensatoren sind alle Isolierflüssigkeiten mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl im Sinne der Erfindung als Imprägnierbzw. Füllmittel brauchbar, soweit sie nur in weiten Grenzen mischbar sind. Für selbstheilende Kondensatoren gilt die bekannte Forderung, daß die Isolierstoffe beim selbstheilenden Durchschlag keine leitfähigen Zersetzungsprodukte bilden dürfen. Eine Auswahl möglicher Imprägnier- und Füllmittelkombinationen zeigt Tabelle 1. In der zweiten Spalte sind als Imprägnier- bzw. Füllmittel günstige in Frage kommende Stoffe mit von oben nach unten steigender Dielektrizitätszahl aufgeführt. In der linken Hälfte jeder nach rechts anschließenden Doppelspalte ist jeweils einer dieser Stoffe als Imprägniermittel (i), in der rechten Hälfte jeweils die dabei möglichen Füllmittel (F) angekreuzt. Bei den unter Kummer 9 bis H aufgeführten Mischungen kann jeweils einer oder mehrere Stoffe der Nummern 1 bis 3 mit einem oder mehreren Stoffen der Nummern 4 bis gemischt sein.

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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf Anord nungen des Dielektrikums nach Bild 1, sondern gilt für alle bekannten und möglichen Kombinationen von Papier mit mehr oder weniger quellenden Kunststoffen wie Polypropylen, Polycarbonat und ebenso für reine Papierdielektrika. Die erfindungsgemäße Imprägnier- und Füllmittelkombination gilt nicht für Kondensatoren aus metallisierten Kunststoffbändern, weil sich solche Köndensatorwickel oder -stapel nur sehr schwer imprägnieren lassen.

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Leerseite

Claims

( 1. !Elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator, insbesondere selbstheilender Kondensator, mit Dielektrikumslagen aus Papier oder Kunststoff oder Mischungen aus Papier und Kunststoff zwischen den Belägen, die mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen Isolierstoff imprägniert sind, und mit einem das Kondensatorelement aufnehmenden Gehäuse, in das ein bei Betriebstemperatur flüssiges Imprägniermittel eingefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätszahl (D.Z.) des Imprägniermittels (I) kleiner ist als die des Füllmittels (P).
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätszahl (D.Z.) des Füllmittels (F) mindestens um 0,5 größer ist als die des Imprägniermittels (i).
3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Imprägniermittel (I) und Füllmittel (F) unterschiedlicher Dielektrizitätszahl (D.Z.) gemäß Tabelle 1 miteinander kombiniert werden, deren Mischungen in weit variablem Verhältnis homogene Flüssigkeiten ergeben.
4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensator-Element mit Mineralöl imprägniert und der Kondensator mit Dioctylphthalat (DOP) oder Dinonylphthalat (DNP) gefüllt ist.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensator-Element mit einem Mineralöl imprägniert und der Kondensator mit einer Mischung aus 50 Volumen-? Mineralöl und 50 Volumen-^ Dioctylphthalat (DOP) oder Dinonylphthalat (DNP) gefüllt ist.

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