DE4237282A1 - Selbstheilender elektrischer Kondensator mit einer Überdruck-Abreißsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstheilenden elektrischen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kondensator ist durch die EP 01 87 921 A1 bekannt.

Bei diesem bekannten Kondensator ist die eine Sollbruchstelle aufweisende Abreißsicherung im Raum zwischen dem dem Deckel nächstliegenden Wickel und dem zentrischen, den Deckel durchdringenden ersten elektrischen Anschluß angeordnet.

Eine derartige Anordnung vergrößert die axiale Baulänge des Kondensators. Um Platz zu sparen, ist deshalb in der EP 0 187 921 A1 auch eine Ausführungsform angegeben, bei der die Abreißsicherung flach in eine Ebene senkrecht zur axialen Richtung im Bereich zwischen dem Deckel und der Stirnseite des nächst­ folgenden Wickels gelegt ist.

Abgesehen davon, daß durch das Flachlegen der Abreißsicherung die Hebel­ wirkung für das Brechen der Abreißsicherung an der Sollbruchstelle verschlech­ tert wird, bleibt für vorzugsweise mit einem flüssigen Füllmittel gefüllte Kon­ densatoren die ungünstige Konstellation vorhanden, wonach das Füllmittel den Raum zwischen dem Deckel und dem nächstliegenden Wickel soweit ausfüllen muß, daß es im Bereich der Sollbruchstelle zu einer optimalen Kühlung und zu einer schnellen Lichtbogenlöschung im Störungsfall beiträgt.

Bei dem in der EP 0 187 921 A1 beschriebenen Kondensator befindet sich der zweite elektrische Anschluß für die Abreißsicherung auf den dem Deckei ab­ gewandten, in üblicher Weise mit einer Kontaktschicht versehenen Stirnseiten der einzelnen Wickel. Der die Abreißsicherung enthaltende Leiter ist demnach schräg durch den freien Innenraum der Wickel geführt, was die Abschalt- und Berstsicherheit mindert, weil der notwendige Abschalthub vergrößert wird, da die volle Zugkraft nicht unmittelbar axial auf die Abreißsicherung wirkt. Die Dauer bis zur Stromunterbrechung ist damit größer, und es kann sich leicht ein gefährlicher, höherer Druck im Kondensator vor dem An­ sprechen der Sicherung aufbauen.

Ferner wird durch die schräge und zum Teil lange Leitungsführung des die Abreißsicherung enthaltenden elektrischen Leiters eine verhältnismäßig hohe Induktivität im Kondensator geschaffen, die einem Einsatz zur Bedämpfung von GTO-Thyristoren, IGBTs bzw. allgemein bei der Erzeugung von elektro­ magnetischen Stoßwellen mit kurzen Anstiegszeiten entgegensteht.

Schließlich hat sich in der Praxis gezeigt, daß ein direktes Festlegen des die Abreißsicherung enthaltenden Leiters, der ja zum Wirksamwerden straff geführt sein muß, auf der Stirnseite des Wickels mittels einer Schweiß- oder Lötver­ bindung bei Kondensatoranwendungen geforderter hoher Zuverlässigkeit nicht hinreichend sicher ist.

Durch die DE-PS 12 89 584 ist es bekannt, daß das Abreißen eines Sicherungs­ leiters in einem Kondensator mit lediglich einem Wickel durchaus auch, aber nicht gezielt gewollt, im freien Innenraum des Wickels erfolgen kann. Auch bei dieser Ausführungsform ist jedoch der Sicherungsleiter auf der dem Deckel abgewandten Stirnseite des Wickels fest gelegt und auch nicht zentrisch am Deckel befestigt, was zum einen den Abschalthub verringert und zum ande­ ren - wie zuvor erwähnt - das zuverlässige Ansprechen der Abreißsicherung mindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbstheilenden elektrischen Kondensator der eingangs genannten Art, der mit einem Füllmittel gefüllt ist und eine minimale axiale Baulänge aufweist, anzugeben,

• - bei dem der durch die Relativbewegung des Deckels gegenüber dem rest­ lichen Gehäuse im Störungsfall auftretende Abreißhub optimal auf den die Abreißsicherung mit der Sollbruchstelle enthaltenden elektrischen Leiter wirken kann,
• - bei dem bei einer Flüssigkeitsfüllung ferner in jeder (Einbau-)Lage des Kondensators die Abreißstelle mit Sicherheit vom Füllmittel umgeben ist,
• - bei dem der die Abreißsicherung enthaltende elektrische Leiter absolut sicher und zuverlässig an und zwischen seinen beiden Festhaltepunkten gehalten ist und
• - bei dem eine niederinduktive Leitungsführung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Halterung ist es möglich, den die Abreißsicherung enthaltenden elektrischen Leiter absolut zentrisch axial zu führen, wodurch der Abreißhub im Störungsfall optimal genutzt wird. Zwischen der Halterung und dem den Deckel zentrisch durchdringenden Anschluß ist der Leiter darüber hinaus zu­ verlässig festgelegt und straff gespannt. Die Abreißsicherung befindet sich in­ nerhalb des Freiraums des dem Deckel nächstliegenden Wickels und ist somit bei jeder Kondensatorlage absolut sicher mit dem flüssigen Füllmittel umgeben. Eines zusätzlichen Raumes für die Abreißsicherung in axialer Richtung bedarf es nicht. Die Leitungslänge des Abreißleiters ist darüber hinaus möglichst kurz gehalten, so daß die Induktivität gering bleibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet. Insbesondere durch die achsparallele, elektrisch antiparallele Führung der Zuleitung vom dem Deckel nächstliegenden Wickel zur Halterung des die Abreißsicherung enthaltenen Leiters wird die durch die Leiterführung für die Abreißsicherung auftretende Induktivität des Kondensators minimiert.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die Zeichnungsfigur zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse durch einen entsprechend der Erfindung ausgebildeten Kondensator.

Der Kondensator weist ein becherförmiges Gehäuse auf, das hier aus einem rohrförmigen, metallenen, z. B. aus Al, Ms oder Cu bestehenden Mantel 1 und einer den Becherboden bildenden metallenen, an den Mantel angeschweißten bzw. angelöteten (Boden-)Scheibe 6 besteht. Generell kann jedoch statt dessen das becherförmige Gehäuse auch durch ein einziges Metallteil gebildet sein.

Das becherförmige Gehäuse ist durch einen metallenen, ebenfalls an den Mantel 1 geschweißten bzw. gelöteten Deckel 2 fest verschlossen. Der Deckel 2 wird zentrisch von einem elektrischen Anschluß 5 durchdrungen, der als An­ schlußgewindebolzen mit einer Auflageschulter ausgebildet und gegenüber dem Deckel durch einen flachen Tellerisolator 4 aus keramischem Material oder Kunststoff elektrisch isoliert ist.

Der elektrische Anschluß 5 dient zusammen mit einem weiteren elektrischen Anschluß 3, der leitend mit dem Gehäuse des Kondensators in Verbindung steht, zum externen Anschluß des Kondensators, z. B. innerhalb einer Bedämpfungs­ schaltung eines GTO-Thyristors. Der Anschluß 3 kann wahlweise flanschartig oder auch rundumlaufend sein und dann zusammen mit dem Anschluß 5 an eine niederinduktive Bandleitung oder an eine Koaxialleitung angeschlossen werden. Dabei fließt dann der Kondensatorstrom auch über den (Gehäuse-)Mantel 1.

Statt des Anschlusses 3 kann jedoch neben dem Anschluß 5 auch ein Anschluß­ gewindebolzen 23 der Bodenscheibe 6 als weiterer externer elektrischer Anschluß des Kondensators dienen. In diesem Fall ist ein beidseitiger axialer Anschluß des Kondensators vorzunehmen.

Der elektrische Teil des Kondensators ist durch drei, einen freien Kernbereich aufweisende Wickel 9a, 9b, 9c gebildet, die in üblicher Weise aus metall­ belegten Folien und aus als Dielektrikum dienenden Isolierfolien gewickelt sind. Sie haben jeweils mit einer elektrischen Kontaktschicht belegte Stirn­ seiten zum gegenpoligen elektrischen Kontakt. Hier sind lediglich die Stirn­ seiten des dem Deckel 2 nächstliegenden Wickels 9a mit 17a und 17b be­ zeichnet.

Die einzelnen Wickel 9a, 9b, 9c sind in axialer Richtung hintereinander im Gehäuse angeordnet. Sie weisen ihren freien Kernbereich umschließende Wickel-Kernrohre aus elektrisch isolierendem Material auf. Das Kernrohr des Wickels 9a ist mit 10 bezeichnet.

Die Wickel 9a, 9b, 9c sind durch Distanzhalteringe 8b, 8c räumlich voneinander getrennt. Kopfseitig sind sie axial durch einen an einer Haltesicke 22b im Mantel 1 anliegenden weiteren Distanzring 8d fest gelegt, während sie boden­ seitig in axialer Richtung durch einen zusätzlichen auf der Bodenscheibe 6 liegenden Distanzring 8a gehalten sind. Die Distanzringe 8a bis 8d bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Gegenüber dem Mantel 1 sind die Wickel 9a, 9b, 9c an ihrem Umfang durch eine Isolierung 7 elektrisch isoliert.

Intern sind die Wickel 9a, 9b, 9c durch elektrische Verbindungsleitungen 14a, 14b zwischen ihren Stirnseiten miteinander verschaltet. Der Wickel 9c ist über eine Anschlußleitung 20 potentialmäßig an die Bodenscheibe 6 (und damit auch an den Mantel 1) gelegt. Die Verbindungsleitungen 14a, 14b bzw. die Anschluß­ leitung 20 können wahlweise kreis- oder rechteckförmige Querschnitte haben. Es ist auch möglich, die Verbindungsleitungen 14a, 14b konzentrisch ring­ förmig auszubilden.

Das Kondensatorgehäuse ist mit einem flüssigen Füllmittel gefüllt; der Füll­ standspiegel ist mit 15 bezeichnet. Der restliche Innenraum zwischen dem Füllmittel und dem Deckel 2 ist ein gasgefülltes Volumen 16, z. B. Luft. Das Füllmittel kann gegebenenfalls auch fest oder gasförmig (z. B. SF₆ oder N₂) sein. Bei einem flüssigen Füllmittel ist darauf zu achten, daß die axiale Höhe des zusätzlichen Distanzringes 8a und der Füllstandspiegel so aufeinander ab­ gestimmt werden, daß bei einer senkrecht kopfstehenden Betriebsposition des Kondensators (Bodenscheibe 6 also oben) die der Bodenscheibe 6 zugewandte Stirnseite des Wickels 9c noch mit Flüssigkeit überdeckt ist.

Die Wickels 9a bis 9c sind normalerweise selbstheilend, d. h. kleinere Durch­ schläge durch das Dielektrikum zwischen den Metallbelägen der Wickel er­ löschen in bekannter Weise selbsttätig. Tritt jedoch ein größerer Schaden auf, der ein entsprechendes Vergasen der Wickelfolien bewirkt, soll der Stromfluß innerhalb des Kondensators über eine innere Sicherung selbsttätig unterbrochen werden. Zu diesem Zweck ist ein elektrischer Leiter 18 mit einer eine Soll­ bruchstelle aufweisenden Abreißsicherung 11 vorgesehen. Der die Abreißsicherung 11 enthaltende elektrische Leiter 18 ist zum einen am elektrischen Anschluß 5 befestigt und straff ausschließlich in axialer Richtung zu einer aus Isolierstoff bestehenden Halterung 13 geführt und dort festgelegt. Diese Halterung 13 ist in das Kernrohr 10, das den freien Kernbereich des Wickels 9a umschließt, eingepaßt. Die Halterung 13 stützt sich zusätzlich auf der Stirnseite 17b des Wickels 9a ab.

Die Abreißsicherung 11 liegt innerhalb des Kernrohres 10, so daß das flüssige Füllmittel sie jederzeit umgibt, und im Falle eines Reißens der Sollbruchstelle der Lichtbogen optimal gekühlt und gelöscht wird. Die Festlegung des die Abreißsicherung 11 enthaltenden elektrischen Leiters 18 erfolgt in der Halterung 13 dadurch, daß in diese eine elektrisch leitende Metallplatte 12 eingefügt ist, an der der durch eine zentrische Durchbrechung der Halterung 13 hindurchge­ führte Leiter 18 verlötet oder verschweißt ist.

Der zweite elektrische Anschluß des die Abreißsicherung 11 enthaltenden Leiters 18 wird durch eine Zuleitung 19 sichergestellt, die von einem Anschluß 21 auf der dem Deckel 2 zugewandten Stirnseite 17a des Wickels 9a im Kernrohr 10 parallel zum Leiter 18 gelegt ist und ebenfalls unter Hindurchführung durch eine (weitere) Durchbrechung der Halterung 13 an der Metallplatte 12 be­ festigt (vorzugsweise verschweißt oder verlötet) ist.

Die Metallplatte 12 kann entfallen, wenn der elektrische Leiter 18 und die Zuleitung 19 als ein gemeinsamer Draht ausgebildet sind, der durch die Hal­ terung 13 hin- und zurückgeführt ist sowie bündig an der dem Deckel 2 ab­ gewandten Seite der Halterung 13 anliegt.

Die Halterung 13 kann auch aus einem gut leitenden Metall bestehen, an das der elektrische Leiter 18 und die Zuleitung 19 angelötet bzw. angeschweißt sind. Dann muß allerdings sichergestellt sein, daß die Halterung 13 gegen die umliegenden Wickelteile, insbesondere gegen die Stirnfläche 17b elektrisch iso­ liert ist.

Durch die verhältnismäßig kurze Länge des die Abreißsicherung enthaltenden Leiters 18 und der Parallelführung der Zuleitung 19 im Kernrohrbereich bei antiparallelem (eng benachbartem) Stromfluß in beiden Leitern 18, 19 wird die auftretende Induktivität minimiert. Ein derart ausgebildeter Kondensator ist deshalb als niederinduktives Bauelement bei Bedämpfungsschaltungen an GTO-Thyristoren oder IGBTs besonders vorteilhaft einsetzbar.

Im Falle eines Überdrucks im Kondensator, d. h. im Störungsfall, weitet sich eine im Mantel 1 vorgesehene Strecksicke 22a, wodurch der Deckel 2 mitsamt dem elektrischen Anschluß 5 relativ zur Halterung 13 in axialer Richtung von dieser fortbewegt wird. Die durch ihre ausschließlich axiale Lage mit dem Leiter 18 unmittelbar in Zugrichtung liegende Abreißsicherung 11 reißt an ihrer Sollbruchstelle, und der Stromfluß wird augenblicklich unterbrochen. Durch die axiale, zentrische Führung des Leiters wird der Hub des Deckels 2 im Störungsfall optimal genutzt.

Die Strecksicke 22a (und die Haltesicke 22b) kann entfallen, wenn ein Deckel 2 verwendet wird, der als Membran-Schnappdeckel ausgebildet ist.

Claims (7)

1. Selbstheilender elektrischer Kondensator aus mehreren einen freien Kern­ bereich aufweisenden, miteinander über ihre Stirnseiten elektrisch ver­ schalteten Wickeln, die in axialer Richtung hintereinander und räumlich getrennt voneinander in einem durch einen Deckel abgeschlossenen, becher­ förmigen Gehäuse gegen dieses elektrisch isoliert angeordnet sind, mit einer eine Sollbruchstelle aufweisenden Abreißsicherung im Zuge eines elektrischen Leiters, der zwischen einem den Deckel zentrisch durch­ dringenden ersten elektrischen Anschluß und einem zweiten an einer Stirnseite eines der Wickel vorgesehenen elektrischen Anschluß zumindest teilweise durch den freien Kernbereich der Wickel geführt ist, wobei bei einem unzulässigen Druckanstieg im Gehäuse und einer dadurch ausgelösten relativen axialen Verschiebung des Deckels gegenüber dem Gehäuse durch Reißen der Sollbruchstelle eine Unterbrechung des durch den elektrischen Leiter fließenden Stromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß im ein Füllmittel aufweisenden Kondensator der elektrische Leiter (18) mitsamt der Abreißsicherung (11) ausschließlich in axialer Richtung inner­ halb eines den freien Kernbereich umschließenden Kernrohres (10) zwischen dem ersten elektrischen Anschluß (5) und einer am Kernrohr (10) an der dem Deckel (2) abgewandten Stirnseite (17b) des diesem Deckel (2) nächst­ liegenden Wickels (9a) verankerten Halterung (13) angeordnet ist.

2. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der dem Deckel (2) zugewandten Stirnseite (17a) des diesem Deckel (2) nächstliegenden Wickels (9a) als zweiter elektrischer Anschluß (21) eine räumlich parallel zu der Abreißsicherung (11) liegende Zuleitung (19) zu der Halterung (13) vorgesehen ist, und in der Halterung (13) die Zuleitung (19) mit dem die Abreißsicherung (11) aufweisenden Teil des elektrischen Leiters (18) elektrisch verbunden ist.

3. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (13) als Isolierstück einerseits an der Stirnseite (17b) des Wickels (9a) anliegt und andererseits sich in axialer Richtung in das Kernrohr (10) des Wickels (9a) erstreckt sowie an der Innenwandung des Kernrohres (10) festgelegt ist.

4. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im in das Kernrohr (10) eingreifenden Bereich des Isolierstücks eine elektrisch gut leitende Metallplatte (12) eingefügt ist, an die der die Ab­ reißsicherung (11) enthaltende elektrische Leiter (18) und die Zuleitung (19) elektrisch angeschlossen sind.

5. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Abreißsicherung (11) enthaltende elektrische Leiter (18) und die Zuleitung (19) an die Metallplatte angelötet oder angeschweißt sind.

6. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstück zentrisch und exzentrisch in axialer Richtung durchbrochen ist und daß der die Abreißsicherung (11) enthaltende Leiter (18) und die Zuleitung (19) als gemeinsamer fortlaufender Draht durch diese Durchbrechungen geführt und gehalten sind.

7. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elektrisch gut leitendem Metall bestehende Halterung (13) mit dem die Abreißsicherung (11) enthaltenden elektrischen Leiter (18) und der Zuleitung (19) verlötet und/oder verschweißt ist und gegenüber der Stirn­ seite (17b) des Wickels (9a), an der sie anliegt, sowie gegenüber der be­ nachbarten Stirnseite des Wickels (9b) elektrisch isoliert ist.