DE4447571B4

DE4447571B4 - Dielektrikum eines Hochspannungskondensators

Info

Publication number: DE4447571B4
Application number: DE4447571A
Authority: DE
Inventors: Günter TROJAN; Norbert Dr.-Ing. Koch
Original assignee: HSP Hochspannungsgeraete Porz GmbH
Current assignee: HSP Hochspannungsgeraete Porz GmbH
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2014-07-27
Also published as: DE4447571A1

Abstract

Messkondensator für Hochspannung mit einem zwischen Kondensatorflächen (3a, 3b) angeordnetem Dielektrikum (7),
– wobei das Dielektrikum (7) eine ölgetränkte Kombination aus Papier (11) und Kunststoffeinlage (9) umfasst,
– wobei das Papier (11) und die Kunststoffeinlage (9) bezüglich der resultierenden Kapazität des Kondensators (1) ein gegenläufiges Temperaturverhalten aufweisen,
– wobei die Kunststoffeinlage (9) zwischen zwei Lagen Papier (11) angeordnet ist,
– wobei die Kondensatorflächen (3a,3b) aus Aluminiumfolie sind, und
– wobei die stirnseitigen Ränder der Aluminiumfolie umgefaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messkondensator für hohe Spannungen mit einem zwischen den Kondensatorflächen angeordneten Dielektrikum.

Zur Messung von hohen Spannungen in der Hochspannungstechnik ist es üblich, kapazitive Spannungsteiler zu verwenden. Unter hohe Spannungen werden dabei Spannungen über 1 kV und solche bis in Bereiche von mehreren hundert oder tausend kV verstanden. Die verwendeten Spannungsteiler umfassen in der Regel eine vorgegebene Anzahl in Reihe geschalteter Kondensatoren, wobei entsprechend dem gewünschten Teilerverhältnis ein Abgriff für das gewünschte Messsignal zwischen den Kondensatoren vorgesehen ist. Das Messsignal wird dann über eine geeignete Signalleitung einer Messeinrichtung, z.B. einem Scheitelmessgerät, zugeführt. Der Spannungsteiler kann gegebenenfalls auch als kondensatorgesteuerte Durchführung bei einem Prüftransformator als sogenannte Transformator-Durchführung ausgeführt sein.

An derartige Messanordnungen werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer Messgenauigkeit gestellt. Diese sind beispielsweise in dem Normenentwurf IEC 60-2 oder DIN VDE 0432 Teil 200 niedergelegt. Demnach darf der Scheitelwert oder der Effektivwert des Messsignals eine Abweichung von nicht mehr als +/–3% aufweisen.

Wesentliche Einflüsse für die Messgenauigkeit bei derartigen Kondensatoren für Messzwecke (Messkondensatoren) sind: Die Temperatur, das Linearitätsverhalten, die Kurz- und Langzeitstabilität, das Dielektrikum und der Proximity-Effekt.

Herkömmliche Kondensatoren, insbesondere Messkondensatoren, weisen ein Dielektrikum aus mineralölimprägniertem Kondensa torpapier auf. Bei einer Transformator-Durchführung wurde in der Praxis für das Dielektrikum ein ölimprägniertes Kabelpapier verwendet.

In 3 sind 2 Kurven C1 und C2 gezeigt, welche die Kapazitätsänderung ΔC in Abhängigkeit von der Temperatur T zeigt. Die Kurven C1 und C2 betreffen den Verlauf für einen Kondensator mit üblichem Kondensatordielektrikum bzw. eine ölimprägnierte Transformator-Durchführung nach dem Stand der Technik . Die entsprechenden Temperaturkoeffizienten der beiden Kurven C1 und C2 betragen dabei etwa 0,5‰ pro K beziehungsweise 0,25‰ pro K. Mit diesen Temperaturkoeffizienten werden die allgemein gestellten Anforderungen erreicht, wobei jedoch eine Verbesserung wünschenswert wäre.

Aus der JP 52-64654 A ist ein mit Öl gefüllter Kondensator mit einem Kondensatorelement bekannt, das mit einer besonderen Ölmischung imprägniert ist.

Die JP 55-151 322 A beschreibt einen mit Öl gefüllten Kondensator, dessen Dielektrikum Papierschichten sowie Kunststoffeinlagen aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dielektrikum eines Kondensators für Messzwecke in der Hochspannungstechnik anzugeben, das im Einsatz im Hinblick auf das Temperaturverhalten des Kondensators eine verbesserte Messgenauigkeit gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Dielektrikum für einen Hochspannungskondensator mit einer ölgetränkten Kombination aus Papier und Kunststoffeinlage, wobei Papier und Kunststoffeinlage gegenläufige Temperaturverhalten aufweisen. Auf diese Weise sind die Temperaturverhalten in Summe kompensiert. Sie heben sich also gegenseitig auf.

Ein Kondensator mit einem derartigen Dielektrikum (auch als Mischdielektrikum bezeichenbar) weist eine sehr gute Linearität seiner Kapazität in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung und eine sehr geringe Abhängigkeit seiner Kapazität von der Temperatur auf. Die dielektrischen Verluste (tan d) liegen deutlich unter denen von reinem Papierdielektrikum.

Die Kombination aus Papier- und Kunststoffeinlage kann symmetrisch aufgebaut sein. Dadurch ist ein gleichmäßiges dielektrisches Verhalten im Kondensator gegeben. Bevorzugt ist dabei eine Kunststoffeinlage zwischen zwei Lagen Papier angeordnet. Diese Anordnung hat sich im Versuch als besonders günstig erwiesen. Die Materialstärken für Papier und Kunststoffeinlage liegen in einem Bereich unterhalb 50 μm, beispielsweise 5 bis 20 μm.

Bevorzugt wird als Kunststoffeinlage ein Polyolefin, insbesondere ein Polypropylen-Kunststoff, verwendet. Dieser zeichnet sich durch ein günstiges dielektrisches Verhalten aus, das sich besonders gut mit dem von Papier ergänzt. Die Kunststoffeinlage kann dabei zusätzlich eine aufgerauhte Oberfläche aufweisen. Hierdurch wird das Imprägnierverhalten zusätzlich günstig beeinflusst.

Mit Vorteil wird als Imprägniermittel zum Tränken der Kombination aus Papier und Kunststoffeinlage ein synthetisches Öl verwendet. In Kombination mit dem neuen Mischdielektrikum aus Papier und Kunststoff ist so eine beträchtliche Verbesserung des Kondensatorverhaltens gegenüber dem Stand der Technik erzielt.

Eine bevorzugte Anwendung eines Kondensators mit dem erfindungsgemäßen Dielektrikum findet bei Messanordnungen als Messkondensator statt. Durch das günstige Temperatur- und Spannungsverhalten werden sehr präzise Messsignale gewonnen, die eine hohe Messgenauigkeit haben.

Die Kondensatorflächen eines derartigen Kondensators sind bevorzugt aus Aluminiumfolie gefertigt, wobei deren stirnseitige Ränder umgefaltet sein können. Auf diese Weise ist ein günstiges elektrisches Verhalten, insbesondere im Randbereich der Kondensatorflächen, gegeben.

Die Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 den Aufbau eines Kondensators in einer schematischen Darstellung ,
2 Diagramme zur Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur für Kondensatoren mit verschiedenen Dielektrika,
3 Diagramme zur Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Kondensatoren,
4 ein Diagramm zur Kapazitätsänderung von Kondensatoren in Abhängigkeit von der Spannung und
5 ein Diagramm zum Kapazitätsverhalten von Kondensatoren in Abhängigkeit von der Zeit bei voller Bemessungsspannung.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Kondensators 1 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Der Kondensator 1 weist zunächst zwei Kondensatorflächen 3a,3b aus einem leitenden Material, insbesondere einem Metall, bevorzugt einer Aluminiumfolie, auf. Die Kondensatorflächen 3a,3b sind mit elektrischen Anschlußleitungen 5 versehen. Zwischen den Kondensatorflächen 3a,3b ist ein isolierendes Dielektrikum 7 eingefügt.
Das Dielektrikum 7 weist vorliegend eine Kombination aus Papier 11 und Kunststoffeinlage 9 als Mischdielektrikum auf. Bevorzugt ist die Kombination symmetrisch aufgebaut, das heißt, daß zwischen zwei Lagen Papier 11 eine Kunststoffeinlage 9 angeordnet ist. Damit ist das dielektrische Verhalten dieser Anordnung und seine elektrische Feldverteilung gleichmäßig.
Als Kunststoffeinlage 9 ist bevorzugt ein Polyolefin, insbesondere ein Polypropylen-Kunststoff, verwendet, dessen Oberfläche vorteilhafterweise aufgerauht sein kann. Dieser Kunststoff weist günstige technische Parameter auf, die sich sehr gut mit denen des Papiers 11 ergänzen und überdurchschnittliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik zulassen. Die Kombination aus Papier 11 und Kunststoffeinlage 9 ist ölgetränkt (nicht näher dargestellt), wobei ein synthetisches Öl Verwendung findet. Dieses trägt zum guten Messverhalten des Kondensators 1 bei.
Temperatureinfluss
Aus der Messung der Kapazität bei verschiedenen Temperaturen kann die Kapazitätsabweichung in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt werden. Diese Abhängigkeit ist in 2 und 3 für verschiedene Fälle dargestellt.
2 zeigt ein Diagramm mit Kennlinien von Kondensatoren, die mit unterschiedlichen Dielektrika ausgestattet sind, wobei die Änderung ihrer Kapazität (ΔC[%]) in Abhängigkeit von der Temperatur (T[°C]) dargestellt ist. Es sind dabei dargestellt:
D1 ein Kondensator mit einem Dielektrikum aus Papier,
D2 ein Kondensator mit einem Dielektrikum aus Kunststoff, und
D3 ein Kondensator mit einem Mischdielektrikum aus Kunststoff und Papier.
Es ist dabei zuerkennen, dass die Kennlinien D1 und D2 entgegengesetzte Verläufe aufweisen. Das Mischdielektrikum weist dabei zumindest teilweise einen annähernd linearen Verlauf seiner Kennlinie D3 auf, bei der über einen großen Temperaturbereich eine annähernd konstante Kapazität gegeben ist.
3 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem die Veränderung der Kapazität (ΔC[%]) in Abhängigkeit von der Temperatur (T[°C]) für einen ausgewählten Bereich dargestellt ist. Dabei ist gezeigt:
C1 ein Kondensator mit einem üblichen Kondensatordielektrikum,
C2 eine ölimprägnierte Kondensatordurchführung, und
C3 ein Kondensator mit dem neuen Mischdielektrikum.
Die Kurven C1 und C2 weisen ein Temperaturkoeffizienten von etwa 0,5 ‰ K beziehungsweise 0,25‰ pro K auf. Das neue Mischdielektrikum liefert hingegen einen Temperaturkoeffizienten entsprechend Kurve C3 von 0,15‰ pro K, wobei in Versuchen auch Werte von 0,1 bis 0,15‰ pro K festgestellt wurden.
Linearitätsverhalten
Das Linearitätsverhalten des Kondensators 1 kann durch Messung seiner Kapazität in Abhängigkeit von der an ihm anliegenden Spannung ermittelt werden. Die Messung erfolgt dabei bei einem maximalen und minimalen Wert der Betriebsspannung und an drei etwa equidistanten Arbeitspunkten zwischen diesen Extremen. Diese fünf Werte dürfen um nicht mehr als +/–1% von ihrem Mittelwert abweichen.
4 zeigt eine Gegenüberstellung des Linearitätsverhaltens ( ΔC[%] = f(Um/Un)) von einem Kondensator nach dem Stand der Technik (Kurve E1) und einem neuen Kondensator mit dem neuen Mischdielektrikum (Kurve E2). Der neue Kondensator weist dabei nur etwa die Hälfte der Kapazitätsabweichung des herkömmlichen Kondensators auf.
Kurzzeitstabilität
Bei der Prüfung der Kurzzeitstabilität wird für einen Zeitraum, der der vorgesehenen Verwendung entspricht, die volle Bemessungsspannung an den zu prüfenden Kondensator angelegt. Seine Kapazität ist vor und innerhalb von 10 Minuten nach dem Anlegen der Spannung zu messen. Die beiden Werte dürfen um nicht mehr als +/–1% voneinander abweichen. Wenn der Kondensator 1 auch für Dauerbetrieb vorgesehen ist, muß die Spannung folgerichtig solange angelegt werden, bis die Kapazität sich nicht mehr ändert.
5 zeigt eine Gegenüberstellung der Kurzzeitstabilität (ΔC[%] = f(t[min])) von Kondensatoren, die als Spannungsteiler verwendet werden. Der Kondensator mit dem Dielektrikum nach dem Stand der Technik (Kurve F1) erfüllt zwar die Bedingung, daß seine Kapazitätsabweichung vor und innerhalb von 10 Min. nach dem Anlegen der Spannung mit ca. 0,3% kleiner als +/–1% sein soll. Im Dauerbetrieb wird jedoch die zulässige Kapazitätsabweichung von 1% fast erreicht. Dagegen weist der Kondensator mit dem neuen Mischdielektrikum (Kurve F2) auch im Dauerbetrieb mit ca. 0,2% eine äußerst geringe Kapazitätsabweichung auf. Dies gilt auch für den Dauerbetrieb bis ca. 105 Min., bei dem diese geringe Kapazitätsabweichung nahezu unverändert bleibt.
Wie bereits oben erwähnt, finden derartige Kondensatoren insbesondere als Messkondensatoren in Spannungsteilern Verwendung. Diese Verwendung betrifft im wesentlichen den Hochspannungskondensator des Spanungsteilers. Für den Niederspannungskondensator des Spanungsteilers können herkömmliche Elektronik-Kondensatoren in Form von metallisierten Polyester-Kondensatoren verwendet werden. Für diese ist gemäß Herstellerangaben ein günstiger Temperaturkoeffizient von circa 0,22°/00 pro K für den üblichen Betriebstemperaturbereich gegeben. Zusammen mit dem Temperaturkoeffizient des Hochspannungskondensators kann somit die Veränderung des sogenannten Maßstabfaktors eines kapazitiven Teilers durch angenommene unterschiedliche Temperaturen berechnet werden.
Zusammenfassend wird festgestellt, daß ein Kondensator mit dem neuen Mischdielektrikum beträchtliche Vorteile gegenüber Ausführungen nach dem Stand der Technik aufweist, wodurch die Einhaltung der in den entsprechenden Normen geforderten Messgenauigkeiten auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen möglich ist.

Claims

Messkondensator für Hochspannung mit einem zwischen Kondensatorflächen (3a, 3b) angeordnetem Dielektrikum (7), – wobei das Dielektrikum (7) eine ölgetränkte Kombination aus Papier (11) und Kunststoffeinlage (9) umfasst, – wobei das Papier (11) und die Kunststoffeinlage (9) bezüglich der resultierenden Kapazität des Kondensators (1) ein gegenläufiges Temperaturverhalten aufweisen, – wobei die Kunststoffeinlage (9) zwischen zwei Lagen Papier (11) angeordnet ist, – wobei die Kondensatorflächen (3a,3b) aus Aluminiumfolie sind, und – wobei die stirnseitigen Ränder der Aluminiumfolie umgefaltet sind.
Dielektrikum nach Anspruch 1, wobei die Kombination aus Papier (11) und Kunststoffeinlage (9) symmetrisch aufgebaut ist.
Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kunststoffeinlage (9) ein Polyolefin oder Polypropylen-Kunststoff ist.
Dielektrikum nach Anspruch 3, wobei die Kunststoffeinlage (9) eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.
Dielektrikum nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Imprägniermittel zum Tränken der Kombination aus Papier (11) und Kunststoffeinlage (9) ein synthetisches Öl dient.
Dielektrikum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (1) als Messkondensator dient.