DE3036692C2

DE3036692C2 - Gasimprägnierter Wickelkondensator

Info

Publication number: DE3036692C2
Application number: DE19803036692
Authority: DE
Inventors: Osamu Osaka Ebisu; Takyuki Noshinomiya Hyogo Yagitani
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 1980-09-29
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3036692A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Polypropylen-Wickel- bruches oder des Kurzschlusses wegschmilzt, auftreten, kondensator, bei dem der Kondensatorwickel mit einem ist eine Zerstörung der benachbarten Materialien, was elektronegativen Gas oder einer Mischung aus einem seinerseits wiederum einen weiteren Durchbruch auselektronegativen und einem weiteren Gas imprägniert 35 löst und dazu führt, daß eine lawinenartige Bewegung ist. ausgelöst wird. Material, wie z. B. Pflanzenöle sind ei-

Ein derartiger Kondensator ist aus dem Bulletin des nem Zerstören durch Durchbruch mehr als Materialien Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins wie beispielsweise SF₆ ausgesetzt.
Bull. SEV 64 (1973), Heft 21, S. 1384-1389, bekannt. In Der trockene Wickelkondensator mit SF₆ weist daher

dieser Druckschrift werden die elektrischen fiigenschaf- 40 hervorragende Ergebnisse in den elektrischen Eigenten, insbesondere die Koronaentladungsspannung, von schäften, der Koronaentladung und in der Durchbruch-Polypropylen-Wickel-Kondensatoren untersucht, die spannung auf. Weiterhin besitzt er feste Endverbindunmit einem elektronegativen Gas, nämlich Schwefelhexa- gen und eine wirkungsvolle Wärmeableitung,
fluorid (SF₆), imprägniert sind. Zusätzliche Kühlmittel Die Merkmale der Erfindung werden im folgenden im

zur Abführung der elektrischen Verlustleistung werden 45 Zusammenhang mit den Figuren weiter erläutert:
dort nicht erwähnt. F i g. 1 ist eine stark vergrößerte schematische

Aus der DE-OS 28 38 831 sind Polypropylen-Wickel- Schnittansicht der aufeinander folgenden Schichten des kondensatoren mit einem Imprägniermittel aus einem Kondensatorwickels.

öl, vorzugsweise Mineralöl, und einem darin in Sätti- F i g. 2 stellt ein Flußdiagramm des Verfahrens zur

gung gelösten elektronegativen Gas, beispielsweise SF₆, 50 Herstellung des trockenen Wickelkörpers und des bekannt. Das Öl-Gas-Gemisch wird jedoch zur Trän- Kühlmittels dar.

kung der Kondensatorwickel verwendet. F i g. 3 ist ein Diagramm, das die elektrischen Span-

Die Verwendung von pflanzlichem öl, wie Rizinusöl, nungen, bei denen eine Koronaentladung beginnt, für die Kondensatorimprägnierung ist beispielsweise aus einen metallisierten Polypropylen-Kondensator mit eider DE-OS 18 13 331 bekannt. 55 ner Foliendicke von 12 μηι gegen den Imprägniergas-

Im allgemeinen ist die Kühlwirkung eines Gasme- druck von trockener Luft und SF₆, wenn jedes Kühlmitdiums der eines flüssigen Mediums unterlegen. Somit tel weggelassen wird, zeigt.

kann der Temperaturanstieg in einem Wickelkörper ei- F i g. 4 zeigt die Durchbruchsspannungseigenschaften

nes trockenen Kondensators bei hohen Stromraten auf von metallisierten Polypropylen-Kondensatoren aus zu hohe Werte ansteigen, so daß er die erlaubten Gren- 60 trockenen Wickelkörpern und durchtränkten Wickelzen übersteigt, obwohl die dielektrischen Verluste von körpern über der Überlebenswahrscheinlichkeit des Polypropylen sehr niedrig sind. Kondensators.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gattungsge- F i g. 1 zeigt einen Abschnitt des Wickelkörpers eines

mäßen Kondensator die Kühlwirkung, d. h. die Abfüh- Kondensators im Querschnitt. Die Dielektrikumsschicht rung der elektrischen Verlustleistung zu verbessern. 65 aus Polypropylen 10 und 11 ist auf den Flächen mit

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im selbstheilenden Metallschichten 12 bzw. 13 versehen, Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen die die Elektroden bilden. Die metallisierte Polypropy-Merkmale gelöst. lenfolie wird mit der gewünschten Spannung gewickelt,

um einen Wickelkörper mit der erwünschten Kompaktheit zu erreichen.

Nach dem Wickeln wird geschmolzenes Metall auf die Enden des gewickelten Körpers gesprüht, um die Elektroden zu den Anschlüssen herauszuführen. In F i g. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 14 und 15 das aufgesprühte Metall am Ende des gewickelten Körpers zum Anschluß an die Elektrode. Die gewickelten Körper sind innerhalb eines Metallgehäuses untergebracht

Entsprechend dem Flußdiagramm in F i g. 2 findet eine Imprägnierung mit SF₆ in die Wickelkörper und das Einbringen eines Pflanzenöles in das Kondensatorgehäuse statt Die Kondensatoreinheiten werden in einem Unterdrucktank evakuiert, um restliche Gase auf der Folie bei einem Unterdruck von weniger als 13 Pa abzuziehen, die Tanktemperatur wird dabei auf 80 bis 100° C gehalten. Nach der Beendigung des Entgasens wird SF₆-GaS in den Unterdrucktank bis zu einem Gasdruck von 133 bis 80 kPa eingeführt, je nach der Stärke und der Breite der metallisierten Schicht und der Gehäusegröße. Eine sorgfältige Impregnation des Gases kann in weniger als 2 Stunden erreicht werden. Vor dem Einführen eines Öles auf Pflanzenbasis in einen Unterdrucktank wird das öl in den Entgasungsraum, der auf dem Unterdruck von weniger als 133 Pa gehalten wird, eingesprüht, um die gelösten Gase aus dem öl zu entfernen. Nach dem Entgasungsprozeß wird das öl in einen Gaslösungstank gesprüht, der auf einem Gasdruck von etwa 80 bis 133 kPa gehalten wird. Das öl zirkuliert zu dem Auflösungstank und dem Speichertank, bis eine gesättigte Lösung von SF₆ in dem Öl erreicht wire". Das mit dem Gas gesättigte Pflanzenöl wird zu dem Unterdrucktank übertragen, in dem die Kondensatoren unter dem imprägnierenden Gasdruck angeordnet sind. Wenn das öl zum Unterdrucktank geführt wird, steigt der ölstand in dem Tank mit einer Vergrößerung des Gasdruckes in dem oberen Raum des Tankes. Dann ist die Regulierung des gewünschten Gasdruckes erforderlich. Am Ende des Prozesses steigt der ölstand genügend hoch über den öleinlaß der Kondensatoreneinheiten, so daß die Kondensatorgehäuse mit dem öl gefüllt werden können. Nach dem Beenden der Ölfüllung wird der Tank geöffnet, und das eingedrungene öl wird in so kurzer Zeit abgedichtet, daß das Gas nicht herausdiffundieren kann.

Das oben erwähnte Verfahren, das in F i g. 2 dargestellt ist, schafft einen Kondensator, der mit SF₆-GaS zwischen den metallisierten Polypropylenfolien der Wickelkörper imprägniert ist und mit einem öl auf pflanzlicher Basis als Kühlmittel in dem Raum zwischen dem Wickelkörper und dem Kondensatorgehäuse gefüllt ist.

In F i g. 1 stellen die Bereiche 16 und 17 SF₆-Gasgebiete zwischen den Schichten dar und die Gebiete 18 und 19 das Pflanzenöl. Wie durch das Bezugszeichen 18 angegeben, dringt das pflanzliche öl teilweise in die Schichten nahe den Enden ein. Insbesondere, wenn Spannungen an die Elektroden angelegt werden, wird das öl mehr und mehr in die Schichten, ddrch die elektrische Kraft eingezogen, bis die Kraft des Eindrückens im Gegengewicht ist mit der Abstoßkraft aufgrund des Gasdruckes innerhalb der Schichten.

Der Grund, warum SF₆ als Isoliersubstanz verwendet wird, ist, daß eine höhere Koronaentladungsspanung in dem Kondensator als bei herkömmlichen luftgetrockneten Kondensatoren erhalten wird.

F i g. 3 zeigt als Beispiel die Untergrenze der Koronaentladungsspannung abhängig vom Gasdruck von trokkener Luft bzw. SF₆, bei metallisierten Polypropylenkondensatoren, die mit einer Folienstärke von 12 .um gewickelt sind. Die Bezugszeichen 29 und 21 stellen die Kurven der Koronarstartspannung für SF₆ bzw. trockene Luft dar. Aus F i g. 3 ist der Vorteil der Verwendung von SF₆ zur Verwirklichung von höheren Koronastartspannungen deutlich zu erkennen. Andere elektronegative Gase als SF₆ können als Isoliersubstanz für dieses Ziel ebenfalls verwendet werden. Jedoch erweist sich

ίο SF₆ als die an zu bevorzugende Substanz im Hinblick auf ihre elektrischen und chemischen Stabilitätseigenschaften, und weiterhin aus wirtschaftlichen und Verarbeitungsgründen. Weiterhin sind manchmal Gasgemische, die mit anderen Isoliergasen und SF₆ zusammengesetzt sind, ebenfalls geeignet Beispielsweise besitzt eia Wickelkondensator aus einer metallisierten Polypropylenfolie einer Stärke von 9 μπι und einem Gasgemisch aus 50% Stickstoff, 50% SF₆ lediglich einen Koronastartspannungswert, der gegenüber einem Kondensator, der mit 100% SF₆ imprägniert ist, um 6% verringert ist während die Gaskosten des Gasgemisches im Verhältnis von 48% gegenüber 100% bei SF₆-GaS verringert werden können.
Zu Vergleichszwecken wurden drei Gruppen von Kondensatoren, von denen jede 20 Kondensatoren enthält, für einen Spannungs- und Stromtest hergestellt Jede Kondensatoreinheit ist mit einem Wickelkörper versehen, der konvolutisch aus zwei metallisierten PoIypropylenfolien von 9 μπι zusammengerollt ist und der eine Kapazität von 20 Mikrofarad besitzt. Alle Kondensatoren wurden in der gleichen Weise zusammengesetzt und aufgebaut mit Ausnahme unterschiedlicher Imprägnation. Zur einfachen Bezugnahme sind die drei Gruppen mit A, B und Cbezeichnet

Die Gruppe A ist in Übereinstimmung mit dem Verfahren, das gemäß F i g. 2 beschrieben wurde, behandelt. In dieser Gruppe wird als Kühlmittel Rübsamenöl, ein pflanzliches Öl verwendet. Die Wickelkörper sind bei 66,5 kPa Gasdruck mit SF₆-GaS imprägniert.

Die Gruppe B ist in der gleichen Weise wie die Gruppe A hergestellt mit der Ausnahme eines anderen Kühlmittels. Es wird ein Polyisobutylen niedriger Viskosität verwendet. Das ist ein synthetisches Hydrocarbonöl, das auf Erdölbasis gewonnen ist. Der Gasdruck des SF₆ bei der Imprägnierung ist der gleiche wie in der Gruppe A. Vor dem Einfüllen des Kühlmittels in den Kondensator ist dieses bis zum Sättigungsgrad in'SF₆ gelöst.

Die Gruppe C ist wie herkömmliche imprägnierte Kondensatoren hergestellt. In dieser Gruppe wurde

so kein SF₆ verwendet. Ein Polyisobutylenöl niedriger Viskosität, das das gleiche Material ist, das als Kühlmittel in der Gruppe B verwendet wurde, ist sorgfältig in den gewickelten Körper als Isolier- und Kühlöl in diesem Falle imprägniert worden.

Sechszehn Kondensatoreneinheiten von den jeweils zwanzig aus jeder der drei Gruppen wurden einem Spannungstest unterzogen. Alle Testeinheiten wurden dann einer langsam ansteigenden Spannung unterworfen. Bei etwa 1500 V wurde in allen Einheiten ein Überschlagen hörbar. Nach einer Stabilisierung wurde die Spannung weiter angehoben, wobei zufälliges Überschlagen in allen Einheiten jeder Gruppe auftrat. Bei etwa 2500 V hatte die Hälfte der Einheiten der C-Gruppe einen vollständigen Kurzschluß, während in keiner der Einheiten der Gruppen A und B ein Fehler auftrat. Bei 3100 V waren sämtliche Einheiten der Gruppen A und B zerstört. Das Verhalten des Spannungsdurchbruches der Gruppen A und B ist verhältnismäßig ähnlich,

während die Gruppe C deutlich unterschiedliche Neigungen gegenüber den Gruppen A und B zeigt.

Alle Spannungsdurchbruchwerte, die aus den Gruppen A und C erhalten wurden, wurden in F i g. 4 aufgetragen. In dieser F i g. 4 ist mit dem Bezugszeichen 30 eine fortschreitende Linie für die Λ-Gruppe und mit dem Bezugszeichen 31 für die C-Gruppe angegeben, und es kann daraus deutlich gesehen werden, daß ein unterschiedliches Verhalten zwischen den Gruppen A und C besteht Um herauszufinden, warum ein derartig auffälliger Unterschied in der Stabilität besteht, wurden die Durchschlagstellen im einzelnen untersucht. Die Untersuchung ergibt, daß Durchschlagstellen (Clearing Spots) der Kondensatoren aus den Gruppen A und B sauberer sind als die aus der Gruppe C. Es ist kein Anzeichen für eine Abstufung der Imprägnation um die Stelle des Durchschlages in den Gruppen A und B. Dahingegen können in der Gruppe C zersetzte Substanzen hauptsächlich vom Imprägnierungsmittel entdeckt werden. Diese Substanzen sind teilweise carbonisiert und sind um die Durchschlagstelle angeordnet. Sie scheinen die unstabile Spannungsfestigkeit zu verursachen.

Zusätzlich zu der Verbesserung der Spannungsstabilität für die Gruppen A und B wurde eine hohe Stromstabilität lediglich in der Gruppe A erzielt Vier Kondensatoreneinheiten wurden aus jeder der drei Gruppen einem Stromstärkentest unterzogen. Der Stromtest wurde auf Weise eines Kurzschlusses durchgeführt Jede Einheit wurde auf etwa 250 V aufgeladen und dann einem Vollkurzschluß durch einen Kontaktschalter, der über die Anschlüsse gelegt wurde, ausgesetzt. Der Kurzschlußstrom wurde mit einem Synchronoskop über einen Stromshunt, der in den Kurzschlußkreis eingefügt wurde, beobachtet Ein gedämpfter Oszillationsstrom mit etwa 25 kHz Schwingungszyklen und 70% Rückkehrrate erzeugt einen 750 A Peak im ersten Halbzyklus.

Vor dem Stromtest wurden alle Einheiten in einem Ofen mit heißer Luft untergebracht und für etwa 250 Stunden auf einer Temperatur von 100° C ± 3° C gehalten. Der Hochstromtest, wie oben erwähnt, wurde in der Einheit bis zu 10 000 mal alle 5 See. durchgeführt Nach einem Beenden des Testes wurde der Tan δ bei 1 kHz gemessen und mit dem Anfangswert verglichen. In dem Vergleich der Änderung des tan ö tritt ein entscheidender Unterschied zwischen den Gruppen A und den Gruppen B und Cauf. Vier Einheiten aus der Gruppe A weisen eine leichte Änderung des tan δ auf, der um weniger als 1% angestiegen ist, während diese Änderungen aus den Gruppen B und C extrem große Änderungen des tan δ zeigen, der angestiegen ist auf 5% bis unendlich (offene Schaltung). Die Ursache für eine derartig große Änderung des tan rf in den Gruppen B und C wurde durch einen Auseinanderbau der Einheiten und ein Aufrollen der gewickelten Körper überprüft Diese Überprüfung zeigt, daß die große Änderung des tan δ aufgrund des schlechten Kontaktes zwischen dem aufgesprühten Metall und dem Elektrodenende auftritt Es tritt ein Anschwellen des metallisierten Polypropylenfilmes auf, insbesondere am Ende des Filmes, und durch ω das Absorbieren des Öles wird der schlechte Kontakt hervorgerufen.

Dementsprechend hängt die Stromstabilität eines metallisierten Polypropylenkondensators stark von der Quellwirkung des Öls, das der Schicht direkt anhaftet, ab. Somit ist es zum Erzielen von guten Stromstabilitätseigenschaften notwendig, ein öl mit schwacher Quellwirkung gegenüber der Polypropylenschicht als Kühlmittel zu verwenden, öle auf Pflanzenbasis und einige Arten von natürlichen Glyzeridestern besitzen so schwache Quellwirkungen, daß sie geeignete Substanzen für diese Aufgabe sind. Weiterhin haben sie im raffinierten Zustand geeignete gute elektrische Eigenschaften.

Petrochemische öle oder synthetische Hydrocarbonöle besitzen häufig starke Quellwirkungen, selbst wenn sie exzellente elektrische Eigenschaften besitzen. Synthetische Ester, die von Fettsäuren, Phthalsäuren und Phosphorsäuren abgeleitet sind, besitzen mittlere Quellwirkung und mittlere elektrische Eigenschaften. Diese Substanzen sind somit nicht geeignet als Kühlmittel für metallisierte Polypropylenkondensatoren.

Vorzugsweise werden als Kühlmittel öle auf Pflanzenbasis, wie z. B. Baumwollöl, Kornöl, Rizinusöl, Leinsamenöl, Erdnußöl, Rübsamenöl, Reisöl, Sojabohnenöl, Sonnenblumenöl verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben Patentansprüche: sich aus den Unteransprüchen. Die Verwendung von pflanzlichen ölen als Kühlmit-

1. Polypropylen-Wickelkondensator, bei dem der tel bei Polypropylen-Kondensatoren macht es möglich, Kondensatorwickel mit einem elektronegativen Gas 5 eine wirkungsvolle Kühlung zu erhalten, öle auf pflanz- oder einer Mischung aus einem elektronegativen licher Basis lassen die Polypropylenschicht kaum an-Gas und einem weiteren Gas imprägniert ist, da- quellen, während Isolieröle, die von petrochemischen durch gekennzeichnet, daß der Raum zwi- Ölen oder synthetischen Hydiocarbonölen abgeleitet sehen Kondensatorwickel und Kondensatorgehitase sind, die Polypropylenschicht leicht aufquellen lassen,
mit einem pflanzlichen öl als Kühlmittel gefüllt ist, in io Ein Aufquellen der Polypropylenschicht führt dazu, welchem das elektronegative Gas bis zur Sättigung daß die Endverbindung zwischen der aufgedampften gelöst ist Elektrode und dem Metall, das auf die Enden aufge-

2. Kondensator nach Anspruch I, dadurch ge- sprüht ist, geschwächt wird, was letztendlich zu einem kennzeichnet, daß das elektronegative Gas Schwe- Öffnen des Stromkreises führt

felhexafluorid (SF₆), Fluormethan (CF₄), Perfluor- is In den ölen auf pflanzlicher Basis muß das SF₆-GaS

propan (C₃F₈), Perfluordibutyn (QF₆), Perfluorbuten bis zum Sättigungsgrad gelöst sein, nachdem die gelöste

(C₄F₈), Trifluormethan (CHF₃), ChlortrifiuoriTäethan Luft darin entgast worden ist, um eine Gasdiffusion von

(CCIF₃), Bromtrifluormethan (CBrF₃) oder Dichlor- dem gewickelten Körper zum öl zu verhindern,

difluormethan (CCl₂F₂) ist Vor dem Einbringen des Pflanzenöles in den Raum

3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 zwischen dem Wickelkörper und dem Kondensatorgekennzeichnet, daß das weitere Gas Trockenluft, häuse wird das SF₆-GaS in den Wickelkörper bis zu Stickstoff oder Kohlendioxid ist einem geeigneten Gasdruck eingeführt Dann ist das öl

4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch ge- auf pflanzlicher Basis daran gehindert, in die gewickelkennzeichnet, daß das pflanzliche öl Rizinusöl, ten Körper durch die Stauwirkung aufgrund des Gas-Baumwollsamenöl, Kornöl, Rübsamenöl, Erdnußöl, 25 druckes einzudringen.

Leinsamenöl, Reisöl, Sojabohnenöl oder Sonnenblu- Das beabsichtigte Zurückhalten des ö!es aus den

menöl ist dünnen Spalten zwischen den Folienschichten liefert ei

nen hervorragenden Effekt beim elektrischen Durch-

bruch von metallisierten Kondensatoren. Die Probleme,

30 die bei dem Durchbruch (Clearing Action), durch den die metallisierte Elektrode von dem Punkt des Durch-