DE523936C - Elektrischer Kondensator mit die Elektrodenraender verbindenden halbleitenden Schichten - Google Patents

Description

• Elektrischer Kondensator mit die Elektrodenränder verbindenden halbleitenden Schichten Für die zulässige Beanspruchung von Kondensatoren mit hohen Spannungen ist bekanntlich der Verlauf der elektrischen Feldlinien am Rande der Kondensatorplatten bzw. -beläge maßgebend. An diesen Belagrändern ist die elektrische Durchschlagsbeanspruchung erheblich größer als an den übrigen Teilen des Kondensators, so daß ein Durchschlag sich zuerst an den Rändern der Beläge einstellt. Auch die elektrischen Feldlinien zwischen den Belagrändern, die außerhalb der eigentlichen Isolierschicht in dem den Kondensator umgebenden Dielektrikum (z. B. Luft oder 01) verlaufen und die für die Überschlagsbeanspruchung des Kondensators maßgebend sind, konzentrieren sich an ihren Ausgangspunkten und erhöhen die Überschlagsbeanspruchung. Um diese Beanspruchung zu vermindern, ist es bekannt, die Ränder der Kondensatorbeläge durch eine halbleitende Schicht fortzusetzen. Die Spannungsverteilung an den Kondensatorrändern wird dann durch den in der halbleitenden Schicht fließenden Strom vorgeschrieben, und es wird die maximale Feldstärke dabei herabgesetzt. Sowohl die maximale Durchschlagsbeanspruchung als auch die Beanspruchung auf Überschlag erfährt eine Verminderung. Die Anordnung ist etwa gemäß Abb. i der Zeichnung, in der i und 2 die beiden Elektroden eines Kondensators, 3 die Isolierschicht zwischen den beiden Elektroden darstellen. Die Elektrodenränder sind über eine halbleitende Schicht q. miteinander verbunden.
• Abb. a zeigt die gleiche Anordnung, wenn die beiden Elektrodenplatten i und a sich nur teilweise überdecken.
• Bei solchen Kondensatoren mit halbleitenden Schichten zwischen den Elektrodenrändern ist nun einerseits eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Feldstärke längs der Schicht anzustreben, anderseits sollen aber auch die in der halbleitenden Schicht auftretenden Verluste und damit die Erwärmung des Kondensators an den Rändern nicht zu groß werden. Bei der Bemessung der halbleitenden Schicht wird die maximale Feldstärke am Kondensatorrand um so mehr vermindert, je geringer der Widerstand der halbleitenden Schicht ist. Die Verringerung des Widerstandes wird aber durch den in der halbleitenden Schicht mit Rücksicht auf die Erwärmung noch zulässigen maximalen Strom begrenzt. Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, daß sich bei der Bemessung der halbleitenden Schicht ein bestimmter Minimalwert einerseits für die Gesamtverluste in der halbleitenden Schicht, anderseits für die an bestimmten Stellen der Schicht auftretenden maximalen Verluste erreichen läßt und bei diesen Minimalwerten auch die Höhe der maximalen Feldstärke einen sehr günstigen Wert besitzt. Bezüglich der Verluste ist hierbei zu bemerken, daß neben der Höhe der Gesamtverluste auch die Verteilung der Verluste längs der Schicht sehr wichtig ist, da bei sehr ungleichmäßiger Verteilung die Gefahr örtlicher Überhitzung besteht. Für die rechnerischen Untersuchungen ist ein von Elektrodenrand zu Elektrodenrand verlaufender Streifen von konstanter Breite gleich i cm und von der Länge l etwa gemäß Abb. 2 der Zeichnung angenommen. Dieser halbleitende Streifen besitzt je Zentimeter Länge des Streifens den Widerstand r in Ohm. c sei die Kapazität je Zentimeter des halbleitenden Streifens (in Farad pro Quadratzentimeter). Es gelten nun die Bedingungsgleichungen: Außerdem gilt für sinusförmigen Wechselstrom die Kreisfrequenz ui = 2 n f. Auf Grund dieser Ausgangsgleichungen sind nun die Kurven gemäß Abb. 3 der Zeichnung errechnet. In diesem Diagramm ist als Abszisse der Wert eingetragen, als Ordinate für die Kurve I der Wert Dabei bedeutet Emax die maximale Überschlagsbeanspruchung (Spannung pro Zentimeter), zwischen den beiden Elektrodenrändern, E die Spannung zwischen den beiden Kondensatorplatten, so daß also der -Gesamtausdruck ein Maß ist für das Verhältnis der maximalen Spannungsbeanspruchung zu einer Beanspruchung, bei der die Spannung gleichmäßig auf die Länge l aufgeteilt ist. Die Kurve II ist gleich dem Ausdruck wobei Vmax die größten spezifischen Verluste (die an einem Punkte der halbleitenden Schicht entstehenden Verluste auf einen Quadratzentimeter bezogen) darstellt. Die Kurve III stellt die Größe des Wertes dar. Vges bedeutet die gesamten Ohmschen Verluste in dem i cm breiten Streifen der halbleitenden Schicht.
• Erfindungsgemäß ist bei einem derartigen elektrischen Kondensator mit die Elektrodenränder verbindenden halbleitenden Schichten die halbleitende Schicht derart bemessen, daß für einen von Elektrodenrand zu Elektrodenrand verlaufenden Streifen der halbleitenden Schicht mit der Breite= z cm die Beziehung gilt: größer als i ; hierin bedeutet c) die Kreisfrequenz des den Kondensator speisenden Wechselstromes, c die Kapazität je Quadratzentimeter des Streifens, r den Widerstand je Zentimeter Länge des Streifens und L die Länge des Streifens. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß dann sowohl die Gesamtverluste (Kurve III) als auch die maximalen örtlichen Verluste (Kurve II) bereits auf einen sehr kleinen Wert abgesunken sind und in der Nähe ihres kleinsten überhaupt erreichbaren Wertes liegen. In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des elektrischen Kondensators nach der Erfindung ist die halbleitende Schicht außerdem derart bemessen, daß der Wert kleiner als 3 ist. Für diese unterhalb von 3 liegendenWerte ist auch die maximaleÜberschlagsbeanspruchung bzw. ihr Verhältnis zu einer gleichmäßig verteilten Überschlagsbeanspruchung (Kurve I) noch verhältnismäßig klein und liegt jedenfalls noch innerhalb der zulässigen Grenzen. . Außerdem liegt gerade das Minimum der maximalen örtlichen Verluste zwischen den Werten i und 3.
• Bei der Bemessung der halbleitenden Schicht gemäß der Erfindung wird der Wert co und c und auch l meistens schon gegeben sein, so daß man auf die richtige Bemessung des Wertes r angewiesen ist.
• Die oben abgeleiteten Beziehungen gelten ohne weiteres für eine einseitige Schicht gemäß Abb. z. Bei zweiseitigen Schichten (Abb. i) ist für Emax die Summe der beiderseits zulässigen Feldstärken und in der Regel Emax = 2 E;, (Überschlagsfeldstärke) einzusetzen. y ist dann die Summe .der beiderseitigen Widerstände je Zentimeter Länge. Die errechneten Verluste sind die in beiden Schichten entstehenden Verluste. Die zweiseitige Anordnung gibt wegen des höheren Wertes von EmaX geringere Gesamtverluste, die zudem auf beide Seiten verteilt sind. Sie haben eine entsprechend geringere Erwärmung zur Folge.
• Selbstverständlich bezieht sich die Bemessung der halbleitenden Schicht gemäß der Erfindung nicht allein auf reine Kondensatoren, die ausschließlich der Erzeugung von Blindleistung dienen, sondern auf alle elektrischen Vorrichtungen, die kondensatorartig gebaut sind und an denen Kondensatorwirkungen auftreten, insbesondere auch auf Hochspannungsdurchführungen mit Kondensatoreinlagen in der Isolationshülse und auf die Hutisolierungen von mit Hochspannung arbeitenden elektrischen Maschinen, an denen das Eisen der Maschine und der Hutleiter als Elektroden eines Kondensators wirken.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrischer Kondensator mit die Elektrodenränder verbindenden halbleitenden Schichten, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der halbleitenden Schicht, daß für einen von Elektrodenraud zu Elektrodenrand verlaufenden Streifen der halbleitenden Schicht mit der Breite = t cm die Beziehung gilt: größer als t ; hierin bedeutet co die Kreisfrequenz des den Kondensator speisenden Wechselstromes, c dieKapazität j e C)uadratzentimeter des Streifens, r den Widerstand j e Zentimeter Länge des Streifens und L die Länge des Streifens.
2. 2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß kleiner als 3 ist.