DE4237282C2 - Selbstheilender elektrischer Kondensator mit einer Überdruck-Abreißsicherung - Google Patents
Selbstheilender elektrischer Kondensator mit einer Überdruck-AbreißsicherungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstheilenden elektrischen Kondensator
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kondensator ist durch
die EP 0 187 921 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 Deckel 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 Ansprechen 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 elektromagnetischen 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 Lötverbindung bei Kondensatoranwendungen geforderter
hoher Zuverlässigkeit nicht hinreichend sicher ist.
Durch die DE-PS 12 89 584 ist es bekannt, daß das Abreißen eines Sicherungsleiters
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 festgelegt
und auch nicht zentrisch am Deckel befestigt, was zum einen den Abschalthub
verringert und zum anderen - wie zuvor erwähnt - das zuverlässige
Ansprechen der Abreißsicherung mindert.
In der DE-AS 14 39 170 ist ebenfalls ein Abreißleiter für einen Kondensator
angegeben, der im freien Innenraum des einzigen Wickels liegt. Auch
hier ist der Abreißleiter nicht zentrisch am Deckel befestigt. Dem Abreißleiter
liegt zwar ein zentrisch am Deckel angeschlossener weiterer mit
einer Sollreißstelle versehener Leiter parallel, der jedoch lediglich als Sicherung
zur Vermeidung von Folgeschäden an z. B. einem mit dem Kondensator
verbundenen Einphasenwechselstrommotor dient. Eine niederinduktive
Anordnung der beiden, kein gemeinsames Leiterstück bildenden Leiter ist
hier wegen der hohen Induktivität der Wicklungen des Motors nicht beabsichtigt,
da sinnlos und in Hinblick auf die Führung der übrigen Leiter
auch nicht erkennbar gewollt.
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. 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen
gekennzeichnet.
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 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 festgelegt, 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 Wickel 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 (6)
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 durchdringenden
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)
nächstliegenden Wickels (9a) verankerten Halterung (13) angeordnet ist und
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.
2. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 1,
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.
3. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 2,
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.
4. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der die Abreißsicherung (11) enthaltende elektrische Leiter (18) und
die Zuleitung (19) an die Metallplatte angelötet oder angeschweißt sind.
5. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 2,
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.
6. Selbstheilender elektrischer Kondensator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung 13 aus elektrisch gut leitendem Metall besteht,
daß der die Abreißsicherung (11) enthaltende elektrischen Leiter (18) und die
Zuleitung (19) mit der Halterung verlötet und/oder verschweißt sind und daß die Halterung gegenüber der Stirn
seite (17b) des Wickels (9a), an der sie anliegt, sowie gegenüber der
Stirnseite des benachbarten Wickels (9b) elektrisch isoliert ist.
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