DE60129452T2

DE60129452T2 - Kondensatorelement für einen leistungskondensator und leistungskondensator mit einem solchen kondensatorelement

Info

Publication number: DE60129452T2
Application number: DE60129452T
Authority: DE
Inventors: Esbjörn ERIKSSON; Bo Stenerhag
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: SE0003565D0; US6724610B1; EP1328951A1; EP1328951B1; WO2002029835A8; DE60129452D1; WO2002029835A1; ATE367641T1; AU2001292517A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kondensatorelement für einen Leistungskondensator, umfassend eine erste Folie aus metallischem Material und eine zweite Folie aus metallischem Material, die angeordnet sind, um ein Paar von Elektroden zu bilden, und auch Schichten aus dielektrischem Material, die zwischen den Folien angeordnet sind, um ein dielektrisches Medium zu bilden, wobei das Kondensatorelement durch die Folien und Schichten gebildet wird, die übereinander angeordnet und zu einer Rolle gewunden sind, wobei das Kondensatorelement eine erste Endfläche zeigt, wo die zweite Folie einen langen Rand aufweist, der zwischen zweien der Schichten gekerbt (indented) ist, die benachbart zu der zweiten Folie sind, und auch eine zweite Endfläche, wo die erste Folie einen langen Rand aufweist, der zwischen zweien der Schichten gekerbt und benachbart zu der ersten Folie ist, wobei jeder der gekerbten langen Ränder einen Randabschnitt aufweist, umgeben von einer lang gestreckten Feldausgleichseinrichtung dielektrischen Materials, die den Randabschnitt umgibt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Leistungskondensator, der ein derartiges Kondensatorelement umfasst.
In diesem Zusammenhang bezieht sich „Leistungskondensator" auf einen Kondensator für Wechsel- oder Gleichstrom-Anwendungen für elektrische Spannungen, die 1 kV übersteigen.
HINTERGRUND
Ein Kondensatorelement der oben erwähnten Art wird oftmals als ein gewundenes oder gewickeltes Kondensatorelement der Schicht-Folien-Art bezeichnet. Die Schichten und Folien weisen die Form lang gestreckter, dünner, im Wesentlichen rechtwinkeliger Streifen mit parallelen langen Rändern bzw. Kanten auf. Bei der Herstellung von Kondensatorelementen werden die Schichten und Folien übereinander angeordnet und zu der Rollenform gewunden, so dass der Kondensator in seiner radialen Richtung mehrere Lagen von Folien mit dazwischen liegenden Lagen von Schichten zeigt. Somit bilden die Folien die Elektroden des Kondensatorelements und die Schichten bilden das dielektrische Medium des Kondensatorelements. Um einen elektrischen Überschlag zwischen den Elektroden an den Endflächen des Kondensatorelements zu verhindern, wird eine Folie, die erste, in axialer Richtung des Kondensatorelements in Richtung einer Endfläche, der ersten, des Kondensatorelements verlagert, so dass die erste Folie einen langen Rand zeigt, der zwischen den Schichten an der zweiten Endfläche des Kondensatorelements gekerbt ist. In ähnlicher Weise ist die zweite Folie in axialer Richtung des Kondensatorelements in Richtung der zweiten Endfläche des Kondensatorelements verlagert, so dass die zweite Folie einen langen Rand zeigt, der zwischen den Schichten an der ersten Endfläche des Kondensatorelements gekerbt ist. Da eine bestimmte Kerbung bzw. Einbuchtung notwendig ist, um elektrische Isolierung zwischen den Elektroden sicher zu stellen, verursacht die Einbuchtung eine Einschränkung des Bereichs bzw. der Fläche, in dem bzw. der sich die Elektroden kapazitiv verbinden, was nicht erwünscht ist.
Wenn ein Leistungskondensator konstruiert wird, wird eine Vielzahl von Kondensatorelementen der oben beschriebenen Art miteinander in Serie und parallel verbunden bzw. geschaltet. Die verbundenen Kondensatorelemente bilden einen Kondensatorstapel, welcher in einem Gehäuse eingeschlossen und elektrisch mittels Verbindungskontakten verbunden ist, welche mit Hilfe von Durchführungen durch das Gehäuse laufen. Um Platz zu sparen, werden die rollenförmigen Kondensatorelemente üblicherweise zu nicht kreisförmigen Querschnitten abgeflacht, bevor sie miteinander verbunden werden. Die Kondensatorelemente werden üblicherweise in dem Gehäuse mit einem Imprägnier-Mittel imprägniert, wie beispielsweise einer Art von Öl.
Im Betrieb werden die Elektroden in jedem Kondensatorelement unter Spannung gesetzt, woraufhin ein Spannungsunterschied, als „Elementspannung" bezeichnet, zwischen den Elektroden erzeugt wird. Aufgrund der Elementspannung wird ein elektrisches Feld in dem dielektrischen Medium zwischen den Elektroden erzeugt, welches eine Intensität des elektrischen Felds aufweist, die im Wesentlichen proportional zu der Elementspannung und umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Elektroden ist, d.h. zu der Dicke des dielektrischen Mediums. Eine eingestufte oder mittlere Feldintensität, E_mean U/d wird für jedes Kondensatorelement berechnet, wobei U die Elementspannung und d die Dicke des dielektrischen Mediums darstellt. Diese mittlere Feldintensität ergibt einen ungefähren Wert der Feldintensität in dem dielektrischen Medium innerhalb der gekerbten langen Ränder der Elektroden. In einem Kondensatorelement wird auf eine so hohe durchschnittliche Feldintensität wie möglich abgezielt. Beispielsweise ist die reaktive Leistung, die durch ein Kondensatorelement für Wechselstromanwendungen erzeugt wird, im Wesentlichen proportional zu der mittleren Feldintensität im Quadrat. Es treten jedoch Feldkonzentrationen an den gekerbten langen Rändern auf, wo die Feldintensität örtlich Werte annimmt, die deutlich die mittlere Feldintensität überschreiten. Falls Schritte unternommen werden, um die mittlere bzw. durchschnittliche Feldintensität zu erhöhen, zum Beispiel falls die Elementspannung erhöht wird, wird sich auch die Feldintensität an den gekerbten langen Rändern erhöhen. Falls die durchschnittliche Feldintensität einen kritischen Grenzwert überschreitet, werden aufgrund der Feldkonzentrationen so genannte teilweise Entladungen an den gekerbten langen Rändern der Folien auftreten. Teilweise Entladungen, auch als Glimmentladungen bezeichnet, sind elektrische Entladungen, die das dielektrische Medium abbauen bzw. zerstören. Mit der Zeit können teilweise Entladungen ein Durchdringen der Isolierung in dem elektrischen Medium bewirken, was zu einem Kurzschließen zwischen den Elektroden führt.
Ein Weg, um die Feldkonzentrationen an den langen Enden des Kondensatorelements zu verringern, ist in US 2528596 A beschrieben. Das Kondensatorelement ist mit schmalen dielektrischen Streifen ausgestattet, die um die gekerbten langen Ränder gefaltet sind, um die Dicke des dielektrischen Mediums lokal um diese langen Ränder zu erhöhen, wodurch die elektrische Festigkeit bzw. Beständigkeit verbessert wird.
Ein anderer Weg zur Verringerung der Feldkonzentrationen an den langen Rändern des Kondensatorelements ist in US 4320437 A beschrieben, wo die Elektrode entweder in ihrer Gesamtheit oder lediglich an ihren langen Rändern mit einem dielektrischen Material überzogen ist, um eine sehr dünne Beschichtung zu bilden, welche eine erhebliche dielektrische Konstante aufweist. Der Zweck der Beschichtung ist es nicht, die Dicke des dielektrischen Mediums zu erhöhen, sondern die der Elektrode nächstgelegene Imprägnierungsflüssigkeit zu ersetzen. Die dielektrische Konstante der Beschichtung soll so groß oder größer als die dielektrische Konstante der Imprägnierungsflüssigkeit sein. Eine Anzahl von Beschichtungstechniken ist erwähnt, von denen alle mehr oder weniger technisch kompliziert sind und eine äußerst dünne Beschichtung erzeugen. Die bevorzugte Beschichtungsdicke ist als in einem Intervall 0,12–0,25 μm liegend angegeben, und eine Dicke, die 5 μm überschreitet, wird als unbrauchbar angegeben.
Noch ein weiteres bekanntes Verfahren zum Verringern von Feldkonzentrationen besteht darin, die gekerbten langen Ränder der Folien so sanft wie möglich zu formen, d.h. mit so wenig scharfen Rändern wie möglich. Es ist beispielsweise bekannt, gekerbte Folien mit per Laser geschnittenen langen Rändern zu verwenden, so dass abgerundete lange Ränder ohne scharfe Ränder erhalten werden. Es ist auch bekannt, die gekerbten langen Enden doppelt zu falten, sodass sich lange Ränder mit sanfter halbkreisförmiger Gestaltung ergeben. Trotz dieser Maßnahmen verringern bei vielen Leistungskondensatoranwendungen teilweise Entladungen an den gekerbten langen Rändern die durchschnittliche Feldintensität, die in einem herkömmlichen Kondensatorelement zugelassen werden kann.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Kondensatorelement der zuvor in der Einleitung beschriebenen Art bereitzustellen, welches die erhöhte elektrische Starke wirksam ausgleicht, folgend aus den Feldausgleichseinrichtungen (equalizers).
Das Kondensatorelement und der Leistungskondensator gemäß der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung in der Form eines lang gestreckten Streifens ausgebildet ist, welcher eine Dicke in dem Intervall 5–10 μm aufweist, der um den gekerbten langen Rand gefaltet ist und den letzteren umgibt und der sich axial durch das Kondensatorelement erstreckt.
Dank ihrer Dicke und der Feldausgleichseinrichtungen, die die gekerbten langen Ränder umgeben und sich durch das Kondensatorelement erstrecken, tragen die Feldausgleichseinrichtungen nicht nur dazu bei, die elektrische Festigkeit an den gekerbten langen Rändern zu erhöhen, sondern auch dazu, die Dicke des dielektrischen Mediums zu erhöhen. Die Elementspannung, welche zwischen den Elektroden geschaltet werden kann, ist somit erhöht und es müssen somit weniger Kondensatorelemente in einem Leistungskondensator gemäß der Erfindung hintereinander geschaltet werden, um eine vorgegebene Spannung über die Verbindungskontakte des Leistungskondensators zu erhalten. Da ein dickeres dielektrisches Medium bedeutet, dass das Volumen abnimmt, das in dem Kondensatorelement in Anspruch genommen wird, und das Volumen zunimmt, das von dem dielektrischen Medium in Anspruch genommen wird, wird folglich auch die Energiedichte in dem Kondensatorelement höher. In einer Ausführungsform bestehen die Feldausgleichseinrichtungen aus dem gleichen dielektrischen Material wie das dielektrische Medium des Kondensatorelements. Dies bietet den Vorteil, dass weniger Materialarten verwendet werden müssen, wenn das Kondensatorelement hergestellt wird, und somit eine einfachere Handhabung beim Fertigungsstadium.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezug auf die Zeichnungen beschreiben.
1 zeigt ein Kondensatorelement gemäß der Erfindung, welches Schichten und Folien umfasst, und eine Feldausgleichseinrichtung, gemäß der Erfindung;
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Kondensatorelement gemäß 1 entlang der mit II-II gekennzeichneten Linie;
3 zeigt einen Leistungskondensator gemäß der Erfindung, welcher eine Vielzahl von Kondensatorelementen mit Feldausgleichseinrichtungen umfasst;
4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht von vier Kondensatorelementen wie in 3 gezeigt; und
5 ist ein Diagramm, welches darstellt, wie eine Feldausgleichseinrichtung die elektrische Feldintensität in einem Kondensatorelement beeinflusst.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Kondensatorelement 1, welches zwei erste Schichten 2a, 2b aus dielektrischem Material, eine erste Folie 3 aus Metall-Material, zwei zweite Schichten 4a, 4b aus dielektrischem Material und eine zweite Folie 5 aus Metall-Material umfasst. 2 zeigt das Kondensatorelement 1 in einem Abschnitt entlang der Linie II-II in 1. Die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b sind streifenförmig, d.h. lang gestreckt, wobei jede einen ersten langen Rand 6 und einen zweiten langen Rand 7 aufweist, im Wesentlichen parallel dazu. Wie die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b sind die Folien 3, 5 ebenfalls streifenförmig und weisen entsprechende lange Ränder 8, 9, 10, 11 auf. Die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b und Folien 3, 5 sind übereinander angeordnet und zu einer Rolle gewunden, wie aus 1 ersichtlich ist, wo das Kondensatorelement 1 um der Klarheit willen teilweise nicht gerollt gezeigt ist. Das Kondensatorelement 1 zeigt somit eine erste Endfläche 12, eine zweite Endfläche 13 und eine Ummantelungsfläche 14, welche die Endflächen 12, 13 verbindet. Während dem Aufrollvorgang ist die zweite Folie 5 in Kontakt mit der Schicht 2a und das Kondensatorelement zeigt somit in radialer Richtung sich wiederholende Lagen der ersten und zweiten Folien 3, 5 mit dazwischen liegenden Lagen der ersten und zweiten Schichten 2a, 2b, 4a, 4b. Die Folien 3, 5 bilden somit in dem Kondensatorelement 1 ein Paar von Elektroden und bestehen aus einem Metall-Material, das für diesen Zweck geeignet ist, vorzugsweise Aluminium. Die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b bilden das dielektrische Medium des Kondensatorelements 1 und bestehen aus dielektrischem Material, das für diesen Zweck geeignet ist, vorzugsweise Polypropylen. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die ersten langen Ränder 6 der Schichten 2a, 2b, 4a, 4b wie deren zweite lange Ränder 7 in der radialen Richtung des Kondensatorelements 1 unmittelbar übereinander angeordnet. Die erste Folie 3 ist in axialer Richtung des Kondensatorelements in Richtung der ersten Endfläche 12 des Kondensatorelements 1 verlagert, so dass der erste lange Rand 8 der ersten Folie 3 an der ersten Endfläche 12 zwischen den ersten langen Rändern 6 der Schichten 2a und 4a heraus ragt. An der zweiten Endfläche 13 ist der zweite lange Rand 9 der ersten Folie 3 zwischen den zweiten langen Rändern 7 der Schichten 2a und 4a gekerbt. In ähnlicher Weise ist die zweite Folie 5 in axialer Richtung des Kondensatorelements 1 in Richtung der zweiten Endfläche 13 des Kondensatorelements 1 verlagert, wo der zweite lange Rand 11 der zweiten Folie 5 zwischen den zweiten langen Rändern 7 der Schichten 4b und 2a heraus ragt. An der ersten Endfläche 12 ist der erste lange Rand 10 der zweiten Folie 5 zwischen den ersten langen Rändern 6 der Schichten 4b und 2a gekerbt. Der heraus ragende lange Rand 8 der ersten Folie 3 bildet an der ersten Endfläche 12 der Rolle bzw. Walze den elektrischen Verbindungspunkt der ersten Elektrode 3 und der heraus ragende lange Rand 11 der zweiten Folie 5 bildet an der zweiten Endfläche 13 der Walze den elektrischen Verbindungspunkt der zweiten Elektrode 5. Die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b weisen vorzugsweise die gleichen Abmessungen auf. Die Breite der Schichten 2a, 2b, 4a, 4b liegt vorzugsweise in dem Intervall 200–400 Millimeter (mm) und ihre Dicke in dem Intervall 8–15 Mikrometer (um). In dem vorliegenden Beispiel liegt die Dicke des dielektrischen Mediums daher in dem Intervall 16–30 μm. Die erste Folie 3 weist vorzugsweise die gleichen Abmessungen wie die zweite Folie 5 auf und die Folien 3, 5 sind vorzugsweise etwas breiter als die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b. Die Dicke der Folien 3, 5 liegt vorzugsweise in dem Intervall 4–6 μm.
An den gekerbten langen Rändern 9, 10 weist jede Folie 3, 5 einen Randabschnitt 15, 16 auf, der gemäß der Erfindung von einer lang gestreckten Feldausgleichseinrichtung 18, 19 (siehe 2) aus dielektrischem Material umgeben ist, angeordnet zwischen den Randabschnitten 15, 16, und die Schichten 2b, 4a, 4b, 2a sind benachbart zu den Endabschnitten 15, 16 gelegen. Die Feldausgleichseinrichtungen 18, 19 weisen die Form von dünnen, lang gestreckten Streifen 18, 19 auf, welche um die entsprechend gekerbten langen Ränder 9, 10 gefaltet sind und von letzteren umgeben sind. Jeder Streifen 18, 19 hat einen ersten langen Rand 20a, 21a und einen zweiten langen Rand 20b, 21b, wobei an jeder Seite der Folie 3, 5 einer angeordnet ist. Jeder Streifen 18, 19 hat eine Breite, welche es ihm ermöglicht, sich an einer Seite der Folie 3, 5 axial durch das Kondensatorelement 1 zu erstrecken, so dass der Hauptteil des Streifens 18, 19 zu dem dielektrischen Medium des Kondensatorelements 1 beiträgt. Der Streifen 18, 19 ist somit derart angeordnet, dass sich einer seiner langen Ränder 20a, 21a auf einer Ebene mit den langen Rändern 7, 6 an dem heraus ragenden langen Rand 8, 11 der Folie 3, 5 befindet. Der andere lange Rand 20b, 21b des Streifens 18, 19 ist in einem Abstand von dem gekerbten langen Rand 9, 10 der Folie 3, 5 angeordnet, welcher gleich der Dicke der Folie 3, 5 multipliziert mit einem Faktor in dem Intervall 500–3000 ist. Simulationen und Versuche zeigen, dass ein Streifen 18, 19, der eine derartige Breite aufweist, die Feldkonzentrationen an dem gekerbten langen Rand 9, 10, dessen Feldkonzentrationen anderenfalls teilweise Entladungen zur Folgen haben würden, wirksam ausgleicht. Für ein Kondensatorelement 1, wo die Dicke der Folie 3, 5 in dem Intervall 4–6 μm liegt, was normal ist, würde dies bedeuten, dass die Breite des Randabschnitts in dem Intervall 2–24 mm liegt.
Um eine gute Feldausgleichswirkung sicher zu stellen, ist es für die oben beschriebenen Streifen 18, 19 wichtig, derart an den Endabschnitten 15, 16 angeordnet zu sein, dass keine Lufttaschen zwischen den Streifen 18, 19 und den jeweiligen Randabschnitten 15, 16 bestehen. Dies ist insbesondere an den gekerbten langen Rändern 9, 10 wichtig, wo die Feldkonzentrationen normalerweise am Größten sind. Die Streifen 18, 19 grenzen vorzugsweise an die Folien 3, 5 an, d.h. die Streifen 18, 19 sind vorzugsweise in Kontakt mit den Folien 3, 5 angeordnet. Die Dicke der Streifen 18, 19 liegt vorzugsweise in dem Intervall 5–10 μm. Die Streifen 18, 19 können aus dem gleichen dielektrischen Material bestehen wie die Schichten 2a, 2b, 4a, 4b, welches üblicherweise Polypropylen ist. Da die Streifen 18, 19 jedoch nur einen begrenzten Anteil des Volumens des Kondensatorelements 1 einnehmen, können auch andere dielektrische Materialien, die eine zufrieden stellende Resistenz bezüglich teilweiser Entladungen aufweisen, aber relativ teuer sind, verwendet werden. Material, welches eine relativ hohe dielektrische Konstante, beispielsweise in dem Intervall 2–12, aufweist, kann ebenfalls vorteilhafterweise verwendet werden, da derartiges Material zu einem besonders großen Ausmaß zum Ausgleich des elektrischen Feldes beiträgt. Ein Beispiel für ein derartiges Material ist Polyester. Die Streifen 18, 19 werden vorzugsweise in Verbindung mit dem oben erwähnten Aufrollvorgang an den Randabschnitten 15, 16 angeordnet, d.h. wenn die Folien 3, 5 und Schichten 2a, 2b, 4a, 4b kombiniert und zu der zylindrischen Form gewunden werden. Dank der zusätzlichen elektrischen Isolation, die von den Streifen 18, 19 beigetragen wird, kann die Kerbung der gekerbten langen Ränder 9, 10 geringer ausgebildet werden als in bekannten konventionellen Kondensatorelementen. In den gezeigten Ausführungsformen liegt die Kerbung vorzugsweise in dem Intervall 3–10 mm.
3 zeigt einen Leistungskondensator 26 gemäß der Erfindung, in welchem eine Vielzahl an Kondensatorelementen 1, umfassend eine der oben beschriebenen Feldausgleichseinrichtungen, in bekannter Weise miteinander verbunden sind. Die montierten Kondensatorelemente 1 bilden einen Kondensatorstapel 24, welcher in einem Gehäuse 27 eingeschlossen ist. Der Kondensatorstapel 24 kann elektrisch verbunden werden mit Hilfe von Verbindungskontakten 25, welche mit Hilfe von Durchführungen 28 durch das Gehäuse 27 laufen. Der Leistungskondensator 26 ist vorzugsweise in bekannter Weise mit einem imprägnierenden Mittel imprägniert, wie beispielsweise einer Art von Öl. 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Kondensatorblocks 24, der in 3 dargestellt ist, wo vier Kondensatorelemente 1 sichtbar sind. Kontakte 29 in Form von flammgespritztem Aluminium sind an den Endflächen 12, 13 der Kondensatorelemente 1 für die elektrische Verbindung zu den Elektroden (nicht gezeigt) angeordnet, die an den Endflächen heraus ragen. Im Betrieb wird jedes Kondensatorelement 1 aufgrund der elektrostatischen Kräfte zwischen den Elektroden in radialer Richtung verdichtet. In dem Bereich innerhalb der Randabschnitte 15, 16 der Elektroden (siehe 2) ist der Abstand zwischen den Elektroden im Wesentlichen durch die Dicke des dielektrischen Mediums festgelegt, d.h. den Schichten 2a, 2b, 4a, 4b, während der Abstand zwischen den Elektroden, d.h. den Folien 3, 5 in einem inneren Bereich 17 zwischen den Randabschnitten 15, 16 durch die Gesamtdicke der Schichten 2a, 2b, 4a, 4b und der Feldausgleichseinrichtungen 18, 19 festgelegt ist. Der Abstand zwischen der ersten Folie 3 und der zweiten Folie 5 ist somit an den Randabschnitten 15, 16 größer als in dem inneren Bereich 17 zwischen den Randabschnitten 15, 16. Wie aus 4 ersichtlich, zeigt das Kondensatorelement 1 infolgedessen in axialer Richtung eine Stundenglas-Form, d.h. jedes Kondensatorelement 1 weist eine Taille bzw. ein Mittelstück auf. Um die Stundenglas-Form auszugleichen, sind Füllelemente 30 vorzugsweise zwischen den Kondensatorelementen 1 angeordnet, um zusammenpressende Kräfte zwischen den Kondensatorelementen 1 zu absorbieren. Die Füllelemente 30 stellen dem Kondensatorstapel mechanische Stabilität zur Verfügung und ermöglichen auch eine bessere Steuerung der Druckverteilung zwischen den verschiedenen Teilen der Kondensatorelemente 1. Die Füllelemente 30 werden vorzugsweise aus Presspappe oder einem anderen elektrisch isolierenden Material hergestellt.
5 zeigt ein Diagramm, welches darstellt, wie die Erfindung die elektrische Feldintensität in einem Kondensatorelement beeinflusst. Das Diagramm zeigt begrenzende Kurven für die Durchschnittsfeldintensität, die in dem Kondensatorelement gemessen oder berechnet wird. Wie zuvor angegeben, ist die Durchschnittsfeldintensität als E_mean U/d festgelegt, wo U die Elementspannung des Kondensatorelements und d die Dicke des dielektrischen Mediums darstellt. Die elektrische Festigkeit des dielektrischen Mediums setzt einen maximal möglichen oberen Grenzwert für die Feldintensität zwischen den Elektroden. Falls dieser Grenzwert überschritten wird, werden in dem dielektrischen Medium elektrische Durchschläge auftreten und die Elektroden werden kurzgeschlossen. Die elektrische Festigkeit des dielektrischen Mediums ist ein Materialparameter, der im Wesentlichen unabhängig von der Dicke des dielektrischen Mediums ist. In 5 ist die elektrische Festigkeit des dielektrischen Mediums durch die lineare, waagrechte Kurve E_diel. Somit treten in dem dielektrischen Medium für Durchschnittsfeldintensitäten, welche die elektrische Stärke des dielektrischen Mediums überschreiten, d.h. für E_mean > E_diel, elektrische Durchschläge auf. Eine weitere beschränkende Gegebenheit sind, wie vorher beschrieben, Feldkonzentrationen an den gekerbten langen Rändern der Elektroden. Dies wird in 5 durch die Kurve E_PD für ein Kondensatorelement dargestellt, dem Feldausgleichseinrichtungen gemäß der Erfindung fehlen. Für Durchschnittsfeldintensitäten E_mean > E_PD verursachen die Feldkonzentrationen an den gekerbten langen Rändern teilweise Entladungen. Im Unterschied zu E_diel verringert sich E_PD nicht linear mit steigender Dicke des dielelektrischen Mediums. Wie in dem Diagramm ersichtlich, ist E_diel = E_PD, wenn d = d₀ ist, was bedeutet, dass die elektrische Festigkeit des dielektrischen Mediums der Bemessungsfaktor für Kondensatorelemente mit dielektrischen Medien ist, die dünner als d₀ sind, und teilweise Entladungen an den gekerbten langen Rändern sind der Bemessungsfaktor für Kondensatorelemente mit dielektrischen Medien, die dicker als d₀ sind. Um das Kondensatorelement mit der höchstmöglichen Durchschnittsfeldintensität zu laden bzw. zu belasten, d.h. E_mean = E_diel, ist die Dicke des dielektrischen Mediums daher auf d₀ beschränkt. Ein dickeres dielektrisches Medium kann zwar verwendet werden, aber in diesem Fall muss eine geringere Durchschnittsfeldintensität, d.h. E_mean = E_diel, akzeptiert werden. Durch Anordnen der Feldausgleichseinrichtungen an den gekerbten langen Rändern wird das elektrische Feld an den gekerbten langen Rändern jedoch ausgeglichen, d.h. der örtliche Wert für die Feldintensität in den Feldkonzentrationen wird reduziert. Es kann somit eine höhere Durchschnittsfeldintensität erlaubt werden, bevor teilweise Entladungen an den gekerbten langen Rändern auftreten. Dies wird durch die Kurve E_PD, in 5 dargestellt. Während die maximale Durchschnittsfeldintensität aufrecht erhalten wird, d.h. E_mean = E_diel, kann daher die Dicke des dielektrischen Mediums auf d₀. erhöht werden, ohne dass teilweise Entladungen an den gekerbten langen Rändern auftreten. Die Elementspannung U, welche zwischen den Elektroden geschaltet werden kann, wird somit von U = E_diel·d₀ auf U = E_diel·d₀, erhöht, was bedeutet, dass weniger Kondensatorelemente in einem Leistungskondensator in Serie geschaltet werden müssen, um eine vorgegebene Spannung über die Verbindungskontakte des Leistungskondensators zu erzielen. Die Energiedichte in dem Kondensatorelement wird ebenfalls höher sein, da ein dickeres dielektrisches Medium bedeutet, dass das Volumen abnimmt, welches durch die Elektroden in dem Kondensatorelement eingenommen wird, und das Volumen zunimmt, welches durch das dielektrische Medium aufgenommen wird.
Die Erfindung wurde oben aufgrund einer spezifischen Ausführungsform eines Kondensatorelements der Schicht-Folien-Art beschrieben. Es wird jedoch verständlich sein, dass die Erfindung auch auf andere Ausführungsformen von Kondensatorelemente, die Elektroden in Form von Folien mit gekerbten langen Rändern aufweisen, angewendet werden kann, bei welchen das Risiko von Feldkonzentrationen besteht, die teilweise Entladungen verursachen. Es wird auch verständlich sein, dass die oben beschriebenen Feldausgleichseinrichtungen vorteilhafterweise mit an sich bekannten Feldausgleichsmaßnahmen kombiniert werden können, wie beispielsweise Laser-Schneiden der langen Ränder der Elektroden oder doppeltes Falten der langen Ränder.

Claims

Kondensatorelement (1) für einen Leistungskondensator, umfassend eine erste Folie (3) aus metallischem Material und eine zweite Folie (5) aus metallischem Material, die angeordnet sind, ein Paar von Elektroden zu bilden, und auch Schichten (2a, 2b, 4a, 4b) aus dielektrischem Material, die zwischen den Folien (3, 5) angeordnet sind, um ein dielektrisches Medium zu bilden, wobei das Kondensatorelement (1) durch die Folien (3, 5) und Schichten (2a, 2b, 4a, 4b) gebildet wird, übereinander angeordnet und zu einer Rolle gewunden, wobei das Kondensatorelement (1) eine erste Endfläche (12) zeigt, wo die zweite Folie (5) einen langen Rand (10) aufweist, der zwischen zweien der Schichten (2a, 4b) vorgesehen ist, benachbart zu der zweiten Folie (5), und auch eine zweite Endfläche (13), wo die erste Folie (3) einen langen Rand (9) aufweist, die zwischen zweien der Schichten (2b, 4a) vorgesehen ist, benachbart zu der ersten Folie (3), wobei jeder der vorgesehenen langen Ränder (9; 10) einen Randabschnitt (15; 16) aufweist, umgeben von einer langgestreckten Feldausgleichseinrichtung (18; 19) dielektrischen Materials, die den Randabschnitt (15; 16) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung (18; 19) in der Form eines langgestreckten Streifens vorliegt, mit einer Dicke in dem Intervall 5–10 μm, der um den vorgesehenen langen Rand (9; 10) gefaltet ist und den letzteren umgibt, und der sich axial durch das Kondensatorelement (1) erstreckt.
Kondensatorelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein langer Rand (20a; 21a) des Streifens (18; 19) an dem vorspringenden Rand (8; 11) der Folie (3; 5) angeordnet ist, auf gleicher Höhe mit den langen Rand (7; 6) der Schichten, und der andere lange Rand (20b; 21b) in einem Abstand von dem vorgesehenen langen Rand (9; 10) angeordnet ist, der gleich der Dicke der Folie (3; 5) multipliziert mit einem Faktor in dem Intervall von 500–3000 ist.
Kondensatorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung (18; 19) in Kontakt mit der Folie (3, 5) angeordnet ist.
Kondensatorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung (18; 19) eine dielektrische Konstante in dem Intervall 2–12 aufweist.
Kondensatorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung (18; 19) aus Polyester hergestellt ist.
Leistungskondensator (26), umfassend mehrere Kondensatorelemente (1), umfassend eine erste Folie (3) aus metallischem Material und eine zweite Folie (5) aus metallischem Material, die angeordnet sind, um ein Paar von Elektroden zu bilden, und auch Schichten (2a, 2b, 4a, 4b) aus dielektrischem Material, angeordnet zwischen den Folien (3, 5), um ein dielektrisches Medium zu bilden, wobei das Kondensatorelement (1) durch die Folien (3, 5) und Schichten (2a, 2b, 4a, 4b) gebildet wird, angeordnet übereinander und zu einer Rolle gewunden, wobei das Kondensatorelement (1) eine erste Endfläche (12) zeigt, wo die zweite Folie (5) einen langen Rand (10) aufweist, der zwischen zweien der Schichten (2a, 4b) vorgesehen ist, benachbart zu der zweiten Folie (5), und auch eine zweite Endfläche (13), wo die erste Folie (3) einen langen Rand (9) aufweist, der zwischen zweien der Schichten (2b, 4a) vorgesehen ist, benachbart zu der ersten Folie (3), wobei jeder der vorgesehenen langen Ränder (9; 10) einen Randabschnitt (15; 16) aufweist, umgeben von einer langgestreckten Feldausgleichseinrichtung (18; 19) dielektrischen Materials, die den Randabschnitt (15; 16) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldausgleichseinrichtung (18; 19) in der Form eines langgestreckten Streifens vorliegt, mit einer Dicke in dem Intervall 5–10 μm, der um den vorgesehenen langen Rand (9; 10) gefaltet ist und den letzteren umgibt, und der sich axial durch das Kondensatorelement (1) erstreckt.
Leistungskondensator (26) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein langer Rand (20a; 21a) des Streifens (18; 19) an dem vorspringenden Rand (8; 11) der Folie (3; 5) angeordnet ist, auf einer Höhe mit den langen Rand (7; 6) der Schichten, und der andere lange Rand (20b; 21b) in einem Abstand von dem vorgesehenen langen Rand (9; 10) angeordnet ist, der gleich der Dicke der Folie (3; 5) multipliziert mit einem Faktor in dem Intervall von 500–3000 ist.
Leistungskondensator (26) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatorelement (1) in der axialen Richtung stundenglasförmig ist und dass Füllelemente (30) zwischen den Kondensatorelementen (1) angeordnet sind, um Druckkräfte zwischen den Kondensatorelementen (1) zu absorbieren.
Leistungskondensator (26) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllelemente (30) aus Presspappe bestehen.