DE2737863C2

DE2737863C2 - Imprägnierter elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator

Info

Publication number: DE2737863C2
Application number: DE2737863A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 7151 Affalterbach Großmann; Helmut Dipl.-Ing. 7310 Plochingen Maylandt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-08-23
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB1574202A; DE2737863A1; US4306273A; BR7805411A; CH632865A5

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem imprägnierten elektrischen Wickel- oder Stapelkondensator nach der Gattung des Haiiptanspruches. Ein derartiger Kondensator ist bekannt aus der DE-OS 25 51 897. In dieser liieren Druckschrift ist ein Verfahren beschrieben zum Imprägnieren von Kondensatoren mit Kunststoffolien, welche zumindest teilweise vor oder während des Wickelprozesses mit einem ersten Imprägniermittel höherer Güte vorimprägniert und gegebenenfalls mit einem Imprägniermittel niedriger Güte nachimprägniert werden. Eine gezielte Regel zur Auswahl der
verschiedenen Imprägniermittel bezüglich ihrer Dielekirizitätszahlen enthält die Druckschrift nicht.

Nicht nur bei vielen Kondensatoren der Schwachstrom- und Hochfrequenztechnik, sondern auch bei Wechselspannungskondensatoren in Starkstromnetzen besteht die Forderung nach einer sich möglichst wenig Indernden 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 Weise 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 (DJL) haben. Eine weitere Kompensationsmöglichkeit für die temperaturabhängige Änderung der Kapazität von Kondensatoren besteht bei MitverwencJung von Kunststoffbänjern mit

ίο 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 relbstheilende Kondensatoren geeigneten Isolierflüssigkeit höherer Dielektrizitätszahl, z. B. mit Dioctylphthalat (DOP) oder Dir.onylphthalat (DNP) zu imprägnieren, um eine hohe spezifische Kapazität und eine hohe Glimmfestigkeit zu erreichen. Langzeitversuche bei erhöhter Temperatur und Spannung, z. B. bei 100° C und etwa 1,3 U.ν haben gezeigt, daß die Kapazitätsänderung im Laufe der Betriebszeit die Kapazitätsänderung mit der Temperatur weit übertreffen kann. Dabei ist es möglich, daß die gesamte Kapazitätsänderung die nach

bestehenden Vorschriften zulässige Änderung überschreitet.

Da bei den geschilderten imprägnierten Kondensatoren, bei denen die Kondensatorkörper jeweils zusammen mit einem Füllmittel in ein Gehäuse eingebracht 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 behndert. 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 irr. Dielektrikum und zu einer geringeren »Pumpwirkung«. Trotz dieser Verbesserung bei Verwendung eines Imprägniermittels mit hoher Dielektrizitätszahl (D.Z.) ist jedoch die Langzeit-Kapazitätskonstanz noch immer unbefriedigend. Als Dielektrizitätszahl {DZ. ist im folgenden die relative Dielektrizitätskonstante s_r bezeichnet im Gegensatz zur Dielektrizitätskonstanten (DK = ε).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, imprägnierte elektrische Wickel- oder Stapelkondensatoren

nach der Gattung des Hauptanspruches dahingehend zu verbessern, daß Kapazitätsänderungen, insbesondere irrversible, durch Alterungsvorgänge im Kondensator weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst.

Der imprägnierte elektrische Wickel- oder Stapelkondensator gemäß der Erfindung hat gegenüber herkömmlichen Kondensatoren den Vorteil, daß dieser Kondensator eine wesentlich verbesserte zeitliche Kapazitätskonstanz aufweist. Dabei ist es zweckmäßig, nur solche Stoffe unterschiedlicher Dielektrzitätszahl zu verwenden, deren Mischungen in weit variablem Verhältnis eine homogene Flüssigkeit ergeben.

Zeichnung

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

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Kondensator,

F i g. 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 Kondensators gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Betriebszeit.

Beschreibung der Erfindung

F i g. 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 KondensH-torwickel 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 F i g. 2 gezeigte, zu dem Kondensator gemäß F i g. 1 gehörende Änderung der Kapazität mit der Temperatur von weniger als ±05% zwischen -40⁰C und +100° C ist äußerst gering und kaum verbesserungsbedürftig.

F i g. 3 zeigt die Kapazitätsabnahme eines Kondensators gemäß Fig. 1 mit Mineralölimprägnierung (1) und eines {,!eichen Kondensators mit DNP-Imprägnierung (2). Die Kapazitätsänderung über der Betriebsdauer kann also die nach 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 pulsierenoe 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 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 Kondensatoren gemäß der Erfindung dargestellt. Die Auswirkung der Kombination von Imprägniermittel (I)und Füllmittel (/^dieser Kondensatoren 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% DNP. Weitere Gruppen wurden mit Mischungen aus jeweils 75%. 50% und 30% DNP und dem jeweiligen Restanteil aus Mineralöl gefüllt, wobei die Dielektrizitätszahlen in der genannten Reihenfolge 4,5-3,3-3,3 und 2,8 betrugen, also immer noch über der des Imprägniermittels Mineralöl von 2£ lagen. Anschließend wurden die Kondensatoren bei etwa 100⁰C Gehäusetemperatur und etwa 13facher Nennspannung betrieben. Wie F i g. 4 zeigt, steigt die Kapazität dieser 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 3000 Stunden Betriebszeit nur etwa ± 1 % des Anfangswertes und liegt damit weitaus besser als die in F i g. 3 aufgetragenen Werte für übliche bekannte Kondensatoren. Der Kurvenveriauf gemäß

is Fig.4 ist damit erklärbar, daß auch bei diesen Kondensatoren gemäß der Erfindung im Laufe der Betriebszeit immer mehr Imprägniermittel aus dem Wickel oder Stapel austritt als wiedei eindringen kann. Durch die höhere Dielektrizitätszahl des wieder eindringenden Teils wird jedoch der Kapazitätsrückgang erheblich verringert

Außer von der Dieiekiriziiätszahl drs Füilmittds hängt der in Fig.4 an einem Beispiel gezeigte Kurvenverlauf auch von der Art der verwendeten Papier- und Kunststoffbänder, insbesondere von deren Oberfläd'enrauhigkeit, Quellverhalten und Papierdichte ab, und weiterhin von der spezifischen Pressung der Bänder im Wickel oder Stapel.
Obwohl die Kondensatoren gemäß der Erfindung zunächst mit einem Stoff niedrigerer Ditltktrizitätszahl imprägniert worden sind, haben sie eine ähnlich hohe Glimmfestigkeit wie bei einer Imprägnierung mit einem Stoff höherer Dielektrizitätszahl. Dies ist darauf zurückzuführen, daß Glimmentladungen vorwiegend an

J5 den Randzonen der Beläge 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 einjedr; ngen, daß die Feldstärke im flüssigen Teil der Randgebiete des Dielektrikums reduziert wird.

Aujh diese Auswirkung der Erfindung beschränkt sich nicht auf selbstheilende Kondensatoren nach Fig. 1. sondern sie gilt auch für imprägnierte Kondensa-

4-, toren mit Metallfolien als Beläge, weil 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

v> Erfindung als Imprägnier- bzw. Füllmittel brauchbar, soweit sie nur in weiten Grenzen mischbar sind. Für selbstheilende Kondensatoren gilt die bekannte Forderung, daß die Isolierstoffe beim selbstheilenden Du'ch!:itlag keine leitfähigen Zersetzungsprodukte bilden dürfen. Eine Auswahl möglicher Imprägnier- und Füllmittelkombinaiicnen zeigt Tabelle 1. In ocr zweiter. 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 möglichi:n Füllmittel (F) angekreuzt. Bei den unter Nummer 9 bis 11 aufgeführten Mischungen kann jeweils einer oder mehrere Stoffe der Nummern 1 bis 3 mit einem oder mehreren Stoffen der Nummern 4 bis 8 gemischt sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Imprägnierter elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator insbesondere selbstheilender Kondensator, mit zwischen den aus auf Papierlagen aufgebrachten Metallschichten oder aus Metallfolien gebildeten Belägen vorgesehenen Dielektrikumslagen aus Papier oder Kunststoff, die mit einem ersten bei Betriebstemperatur flüssigen Imprägniermittel imprägniert sind, und mit einem den imprägnierten Kondensatorkörper aufnehmenden Gehäuse, in das ein anderes zweites bei Betriebstemperatur flüssiges, ein Füllmittel darstellendes Imprägniermittel eingefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätszahl (Di) des ersten Imprägniermittels (I) kleiner ist als die des als Füllmittel (F) dienenden zweiten Imprägniermittels.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätszahl (D.Z.) des Füllmittels (F) mindestens am 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 (OJL) miteinander kombiniert werden, deren Mischungen in weit variablem Verhältnis homogene Flüssigkeiten ergeben.

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorkörper mit Minr ~dlöl imprägniert und in das Kondensatorgehäuse Dioctylphthalat 'DOP) oder Dinonylphthalat (DN P) eingefüllt ist.