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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungskondensator
von der Art, wie sie in der Präambel
nach Anspruch 1 beschrieben wurde. Der Leistungskondensator entsprechend
der Erfindung ist hauptsächlich
für eine
Nennspannung, die 1 kV übersteigt,
z. B. 5 kV, vorzugsweise mindestens 10 kV, vorgesehen.
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Leistungskondensatoren
stellen bedeutende Komponenten in Systemen zur Übertragung und Verteilung elektrischer
Energie dar. Leistungskondensator-Vorrichtungen finden hauptsächlich für die Steigerung
der Energieübertragungsfähigkeit
durch Parallel- und
Reihenkompensation zur Spannungsstabilisierung mit Hilfe von statischen
Blindleistungssystemen und Filtern zur Unterdrückung von Oberschwingungen
Verwendung.
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Kondensatoren
haben einen Phasenwinkel von nahezu 90°, und erzeugen aufgrund dessen Blindleistung.
Durch den Anschluss von Kondensatoren in der Nähe von Blindleistung verbrauchenden Komponenten
kann dort die erwünschte
Blindleistung. erzeugt werden. Somit können Leitungen vollständig zur Übertragung
von Wirkleistung genutzt werden. Der Verbrauch von Blindleistung
in einer Last kann variieren und es ist wünschenswert, stetig eine dem
Verbrauch entsprechende Menge an Blindleistung zu erzeugen.
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Zu
diesem Zweck wird eine Vielzahl von Kondensatoren über Reihen-
und/oder Parallelschaltung in einer Kondensatorbatterie zusammengeschaltet.
Die Anzahl der benötigten
Kondensatoren, weiche erforderlich ist, um der verbrauchten Blindleistung
zu entsprechen, kann eingebunden werden. Die Kompensation verbrauchter
Leistung durch den Einsatz von Kondensatoren in der beschriebenen
Art und Weise ist als Phasenkompensation bekannt. Zu diesem Zweck
wird eine Kondensatorbatterie in Form einer parallel geschalteten
Batterie in der Nähe
der Blindleistung verbrauchenden Komponenten angeordnet. Eine derartige
parallel geschaltete Batterie weist eine Vielzahl von zusammengeschaltet
Kondensatoren auf. Jeder Kondensator weist eine Vielzahl von Kondensatorelementen
auf. Der Aufbau eines solchen konventionellen Kondensators wird nachstehend
beschrieben.
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Eine
parallel geschaltete Batterie weist gewöhnlich mehrere Ketten einer
Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren auf. Die Anzahl
der Ketten wird von der Anzahl der Phasen, in der Regel drei, bestimmt.
Der erste Kondensator in einer Kette wird deshalb an eine Leitung
zur Übertragung
elektrischer Energie zu der verbrauchenden Komponente angeschlossen.
Die Übertragungsleitung
wird in einer bestimmten Entfernung vom Boden oder von in ihrer
Umgebung befindlichen Punkten mit Erdpotenzial angeordnet. Die Entfernung
hängt von
der Spannung der Leitung ab. Die Kondensatoren werden dann von dem
ersten, an die Leitung angeschlossenen Kondensator, abwärts in Reihe
geschaltet. Ein zweiter, am entgegengesetzten Ende der Kette der
in Reihe geschalteten Kondensatoren angebrachter Kondensator wird
mit Erdpotenzial oder einer Stelle in dem elektrischen System mit
Nullspannung (z. B. nicht geerdete 3-Phasen-Systeme) verbunden.
Die Anzahl der Kondensatoren und ihre Gestaltung ist derart ausgestaltet,
dass die zulässige
Spannung (Nennspannung) über
den in Reihe geschalteten Kondensatoren der Spannung der Leitung
entspricht. Eine Vielzahl von Kondensatoren ist aufgrund dessen
in Reihe geschaltet und auf Gestellen oder auf Plattformen, welche
vom Erdpotenzial isoliert sind, angeordnet. Eine solche Kondensatorbatterie
weist somit eine Vielzahl verschiedener Komponenten auf und benötigt relativ
große
Mengen an Material. Sie erfordert des Weiteren eine relativ robuste
Konstruktion, so dass das Gestell/die Plattform den Einwirkungen
von Wind, Erdbeben, etc. standhalten kann. Somit ist das Aufbauen
einer solchen Kondensatorbatterie mit beträchtlichem Aufwand verbunden.
Dieses Problem ist besonders deutlich, wenn die Kondensatorbatterie
aus. einer großen
Anzahl von Kondensatoren besteht. Die Kondensatorbatterie nimmt
des Weiteren relativ viel Raum auf dem Boden ein.
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Lange
Leitungen für
Wechselspannung sind induktiv und verbrauchen Blindleistung. Aufgrund dessen
sind entlang einer solchen Leitung in regelmäßigen Abständen Kondensatorbatterien zur
Reihenkompensation angeordnet, um die nötige Blindleistung zu erzeugen.
Eine Vielzahl von Kondensatoren ist in Reihe geschaltet, um den
induktiven Spannungsabfall zu kompensieren. Im Gegensatz zu einer parallel
geschalteten Batterie beansprucht die Reihenschaltung der Kondensatoren
in einer Kondensatorbatterie zur Reihenkompensation gewöhnlich nur einen
Teil der Spannung in der Leitung. Die Ketten von in Reihe geschalteten
Kondensatoren in einer Kondensatorbatterie zur Reihenschaltung sind
mit der zu kompensierenden Leitung ebenfalls in Reihe angeordnet.
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Eine
konventionelle Kondensatorbatterie weist eine Vielzahl von Kondensatoren
auf. Ein solcher Kondensator weist wiederum eine Vielzahl von Kondensatorelementen
in Form von Kondensatorrollen auf. Die Kondensatorrollen sind flachgedrückt und übereinander
gestapelt und bilden einen Stapel von beispielsweise einem Meter
Höhe. Eine
sehr große
Anzahl von dielektrischen Schichten mit Zwischenblechlagen wird
parallel in vertikaler Richtung des Stapels angeordnet. Wenn sich
eine über
dem Stapel angeschaltete Spannung erhöht, wird der Stapel aufgrund
von zwischen den Metallschichten wirkenden Coulombkräften ein
wenig in vertikaler Richtung zusammengedrückt. Aus demselben Grund dehnt
sich der Stapel ein wenig in vertikaler Richtung aus, wenn die Spannung
sinkt. Der gebildete Stapel hat eine bestimmte mechanische Resonanzfrequenz oder
Eigenfrequenz, welche relativ niedrig ist. Die mechanische Resonanzfrequenz
des Stapels wird durch bestimmte Frequenzen des Stroms verstärkt, wodurch
laute Geräusche
erzeugt werden kann. Die Netzfrequenz stellt eine solche Frequenz
dar. Die Verstärkung
der mechanischen Resonanzfrequenz kann jedoch auch durch Oberschwingungen
im Strom verursacht werden.
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Ein
Beispiel für
einen Leistungskondensator dieser bekannten Art wird in dem
US-Patent 5,475,272 beschrieben.
Hier wird demgemäß ein aus einer
Vielzahl aufeinander gestapelter Kondensatorelemente gebildeter
und in einem gemeinsamen Behälter
untergebrachter Hochspannungskondensator beschrieben. Der Behälter besteht
in üblicher
Weise aus Metall. Die elektrischen Durchführungen bestehen aus Porzellan
oder Polymer. Die Veröffentlichung beschreibt
des Weiteren verschiedene alternative Schaltungen zur Reihenschaltung
oder Parallelschaltung des Kondensators.
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Beschreibung der Erfindung
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In
bekannten Kondensatoren dieser Art sind die Kondensatorelemente
mit Öl
imprägniert.
Das Öl ist
des Weiteren vorgesehen, um die Kondensatorelemente zu umgeben und
somit die Lücke
zwischen diesen und der Wand des Behälters aufzufüllen. In Hinblick
auf die Isolierung ist Öl
zufriedenstellend, bringt jedoch einige Nachteile mit sich. Beschädigungen
des Behälters
oder defekte Dichtungen können einen Ölaustritt
zur Folge haben, was zu Beeinträchtigungen
der Funktion des Kondensators sowie zu Umweltverschmutzungen führen kann.
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Vor
diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Problematik eines Ölaustritts
aus einem Leistungskondensator der vorliegenden Art zu bewältigen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Leistungskondensator von der in dem Oberbegriff
von Anspruch 1 beschriebenen Art, welcher die charakteristischen
Merkmale gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs aufweist, gelöst.
Das isolierende Medium in Form eines Dielektrikums, z. B. ein eine
gelierende Komponente aufweisendes Öl. Das Dielektrikum Flüssigkeit
kann elektrisch isolierendes Öl
sein, welchem gelierende Komponenten beigemischt werden. In diesem
Zusammenhang versteht sich, dass die Komponente aus einem Gemisch
aus Teilkomponenten bestehen kann.
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Somit
ersetzt das die Kondensatorelemente umgebende Gel das Öl, welches
normalerweise zu diesem Zweck verwendet wird. Beschädigungen
des Behälters
werden somit nicht zu einem Ölaustritt
führen,
da kein flüssiges Öl vorliegt.
Die Konsistenz des Dielektrikums verhindert die Bildung von Tropfen
und kann somit nicht auslaufen. Aufgrund der Tatsache, dass der
Behälter
aus einem Polymerwerkstoff besteht und somit bis zu einem gewissen
Grad nachgibt und kaum anfällig
für Risse
ist, hat er Eigenschaften, welche in Verbindung mit dem eingeschlossenen
Gel von großer
Bedeutung sind. Das Material kombiniert gute Isolierungsfähigkeiten
mit anderen erwünschten Eigenschaften
wie Festigkeit, Handhabbarkeit und geringer Kostenaufwand. Eine
Gestaltung entsprechend der Erfindung bietet des Weiteren vorteilhafte Voraussetzungen
für die
Bewältigung
der Problematik der Wärmeleitung
und Isolierung um die Ränder der
Kondensatorwicklungen herum, was bei Leistungskondensatoren für Hochspannung
ein besonderes Problem darstellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist zur Anwendung in einem Leistungskondensator
gedacht, welcher in der bekannten Art und Weise aus Kondensatorelementen
in Form einer gerollten Folie aus Kunststoff und einer Folie aus
Metall oder einer metallbeschichteten Folie hergestellt wird, wobei
das Gel derart angeordnet ist, dass es das gewickelte Kondensatorelement
imprägniert,
möglicherweise
an seinen Endbereichen, um Teilentladungen zu verhindern.
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Alternativ
wird ein zweites Dielektrikum in der Lücke zwischen den Lagen der
Wicklungen angeordnet, wobei dieses zweite Dielektrikum in flüssiger Form
vorliegt, d. h. nicht in Gelform.
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Es
ist an sich bekannt, ein Öl
zur Anwendung in elektrischen Vorrichtungen zu gelieren.
PCT/SE 98/02314 beschreibt
beispielsweise die Anordnung einer elektrischen Vorrichtung, welche
eine elektrische Leitung und ein Isolationssystem mit poröser, auf
Fasern basierender oder geschichteter Struktur aufweist. Die Struktur
wird mit einem Dielektrikum imprägniert,
welche dazu gebracht wird, sich zu einem Gel zu verfestigen. Die
Veröffentlichung
beschreibt unter anderem eine Anwendung zum Imprägnieren einer aus einer Folie
aus Metall und Kunststoff gewickelten Kondensatorbatterie. Ein auf
diese Art und Weise imprägniertes
Kondensatorelement behebt jedoch nicht das Problem eines Austritts
des die Kondensatorelemente in einem Behälter umgebenden Öls. Dies
liegt darin begründet,
dass diese Anordnung ein Gelsystem beschreibt, in welchem das Öl wärmereversibel
ist, d. h. es verflüssigt
sich bei höheren
Temperaturen. Auch dieses Problem löst die Veröffentlichung nicht.
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Zusätzliche
Beispiele werden in der
JP 716 12
68 und der
JP 103 26
721 beschrieben. Diese befassen sich jedoch nicht mit Leistungskondensatoren für Hochspannung.
Die
JP 716 12 68 zeigt
einen Kondensator, in welchem das Gel der Unterdrückung mechanischer
Vibrationen dient. Der Zweck unterscheidet sich somit komplett von
dem der vorliegenden Erfindung, welche auf die Aufgabe der Verhinderung
eines Auslaufens der isolierenden Flüssigkeit durch den Behälter fokussiert
ist. Die
JP 103 26 721 zeigt
einen Kondensator, in welchem eine Seitenwand aus Urethanharz besteht.
Der Zweck liegt in der Vermeidung eines Durchdringens von elektrisch leitendem
Material, wenn der Kondensator bricht, indem man Brüche in dem
Material durch die Zugabe von flexiblerem Material in Form eines
Gels verhindert. Hier steht ebenfalls im Vordergrund, dass das Gel
der Erzielung mechanischer Unterdrückung dient.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Leistungskondensators ist entsprechend
der Erfindung der Gelzustand des Dielektrikums im gesamten Temperaturbereich,
der beim Betrieb des Kondensators auftreten kann, wärmebeständig. Die
Absicherung gegen das Auftreten eines Ölaustritts wird durch das Auswählen der
gelierenden Komponente derart, dass der Gelzustand auch bei relativ
hohen Temperaturen beibehalten wird, erhöht. Entsprechend der bevorzugten
Ausgestaltung basiert das Dielektrikum auf Silizium, was insbesondere
für die
gelierende Siliziumkomponente gilt. Somit ist ein Kondensator geschaffen,
welcher beispielsweise in Hinblick auf die Umwelt extrem vorteilhaft
ist. Ein Gelsystem, welches stattdessen Komponenten wie Polyurethan und/oder
Isocyanat aufweist, ist hinsichtlich der Umwelt nicht vorteilhaft.
Aufgrund der Tatsache, dass diese im Fall eines Brandes giftige
Gase entwickeln, tragen sie zu einer gefährlichen Arbeitsumgebung während der
Herstellung bei und entsprechen nicht den Anforderungen für eine sichere
Entsorgung und Vernichtung. Im Falle eines Brandes in einem Kondensator,
welcher entsprechend der
PCT/SE 98/02314 Öl enthält, entstehen
giftige Gase. Darüber hinaus
hat ein Gelsystem mit derartigen Komponenten den Nachteil, dass
diese stark aufquellen und der metallisierenden Folie negativ beeinflussen.
Aufgrund der Tatsache, dass eine Ausgestaltung mit einer metallisierten
Folie, d. h. eine metallbeschichtete Folie, vorteilhaft ist, stellt
dies einen erheblichen Nachteil dar. Versuche haben gezeigt, dass
die Folien sogar zerstört
werden können.
Diese Nachteile werden bei einem auf Silizium basierenden Gelsystem
umgangen. Somit stellt dies eine Ausgestaltungsform von erheblicher
Bedeutung dar.
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Das
die Kondensatorelemente in dem Behälter umgebende Gel sollte bestimmte
Anforderungen erfüllen.
Es sollte dementsprechend in geliertem Zustand eine hohe Scherfestigkeit,
eine gute Wärmeleitfähigkeit
und eine hohe elektrische Widerstandsfähigkeit aufweisen und ausreichend
elektrisch isolierend und wärmebeständig innerhalb
des während des
Betriebs auftretenden Temperaturbereichs, sein.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Dielektrikum ein elektrisch
isolierendes Öl
auf. Somit ist die Flüssigkeit
von einer Art, welche in hohem Maße in der Lage ist, diese Anforderungen
zu erfüllen.
Aus diesem Aspekt ist es besonders zweckmäßig, wenn das Öl Siliziumöl beinhaltet.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die gelierende
Komponente Silizium, vorzugsweise Polydimethylsiloxan mit wenigstens
einigen Vinyl-Ersatzstoffen, d. h. Vinyl-Nebengruppen, auf.
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Entsprechend
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die gelierende Komponente
ein silanfunktionelles Vernetzungsmittel auf. In einer bevorzugten
Alternative weist dieses Vernetzungsmittel Silizium, geeigneterweise
Polydimethylsiloxan, mit wenigstens einigen Silan-Ersatzstoffen
auf.
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Die
Menge der silanfunktionellen Vernetzungsstoffe beträgt vorzugsweise
1–80 Gewichtsprozent.
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Die
bevorzugte gelierende Komponente, die bevorzugte Alternative davon
und deren bevorzugter Inhalt tragen zu dem Dielektrikum bei, welches
vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der oben genannten Anforderungen
erlangt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Dielektrikum
auch einen Metallkomplex auf, welcher des Weiteren zur Erfüllung der
oben genannten Anforderungen beiträgt. Auch hier beträgt die Menge
des beigemischten Metallkomplexes 2–4000 ppm, vorzugsweise 10–2000 ppm,
was erfahrungsgemäß einen
angemessenen Betrag darstellt.
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Entsprechend
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Dielektrikum
eine Siliziumflüssigkeit
von geringem molekularem Gewicht, vorzugsweise Polydimethylsiloxan-Flüssigkeit,
auf. Auch in diesem Fall erhält
man eine Flüssigkeit,
welche in geliertem Zustand die festgelegten Anforderungen ausreichend
erfüllt.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Dielektrikum
einen Wirkstoff auf, welcher die Gelierung verzögert. Dies erlaubt einen sehr
kontrollierten und verlängerten
Gelierungsprozess, welcher die Herstellung erleichtert und zur Erzielung
einer guten Qualität
der Gelfunktion beiträgt.
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Eine
angemessene Menge von gelierungsverzögernden Komponenten ist 0,001–4 Gewichtsprozent.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Zusammensetzung
des Dielektrikums 1–80
Gewichtsprozent, vorzugsweise 20–50 Gewichtsprozent, silanfunktionelles
Vernetzungsmittel, 2–4000
ppm, vorzugsweise 10–2000 ppm
Metallkomplex, 0–60
Gewichtsprozent, vorzugsweise 10–50 Gewichtsprozent an Polydimethylsiloxan
von geringem molekularem Gewicht, 0–4 Gewichtsprozent an gelierungsverzögerndem
Wirkstoff und der restliche Anteil Polydimethylsiloxan mit Vinyl-Ersatzstoffen.
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Mit
einer derartigen Zusammensetzung erlangt die Flüssigkeit sehr geeignete Eigenschaften als
Isolierungsmittel, welches die notwendigen Anforderungen erfüllt.
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Entsprechend
einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung weist das
Dielektrikum ein Pflanzenöl
auf, das möglicherweise
mit Siliziumöl vermischt
ist.
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Entsprechend
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die gelierende Komponente
ein Pflanzenöl
auf.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Druck in dem
Gel bei normaler Betriebstemperatur mindestens genauso groß wie der
Atmosphärendruck.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedes Kondensatorelement im
Wesentlichen kreiszylinderförmig
und das Innere des Behälters
ist entsprechend kreiszylinderförmig,
so dass der Behälter
jedes Kondensatorelement eng umschließt, während die axiale Richtung jedes
Kondensatorelements so ausgerichtet ist, dass sie mit der axialen
Richtung des Behälters übereinstimmt.
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Aufgrund
der Tatsache, dass der Behälter eine
der Kreiszylinderform der Kondensatorelemente entsprechende Kreiszylinderform
hat, so dass der Behälter
die Kondensatorelemente eng umschließt, erhält man einen Kondensator, der
so kompakt wie möglich
und an eine hinsichtlich der Herstellung vorteilhafte und elektrisch
günstige
Form der Elemente angepasst ist.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung besteht der Behälter aus elektrisch leitfähigem Material.
Die Isolierung zwischen den Kondensatorelementen und dem Behälter kann
somit vereinfacht werden, ohne dass das Risiko einer Entladung zwischen
Kondensator und Behälter
besteht. Des Weiteren kann die elektrischen Anschlüsse des
Kondensators extrem vereinfacht werden und die zwischen ihnen notwendige
Kriechstrecke kann von dem Behälter
selbst bereitgestellt werden. Mit der Vereinfachung der Isolierung
und der Beseitigung der Durchführungen
wird der Kondensator auch relativ kompakt sein, wodurch die Ausgestaltung
bzw. Herstellung von kompakten Kondensatorbatterien ermöglicht wird.
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Die
vorstehend aufgeführten
und andere bevorzugte Ausgestaltungen des Leistungskondensators
entsprechend der Erfindung sind in den Unteransprüchen zu
Anspruch 1 definiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische perspektivische Darstellung eines Kondensators
entsprechend der ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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2 veranschaulicht
ein Detail aus 1,
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3 stellt
ein Diagramm dar, welches die Wärmeentwicklung
in dem in 2 dargestellten Kondensatorelement
veranschaulicht,
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4 ist
ein vergrößerter radialer
Teilschnitt durch das Detail in 2,
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4a ist
ein Schnitt entsprechend 4, stellt jedoch eine alternative
Ausgestaltung dar,
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4b ist
ein Schnitt entsprechend 4, stellt jedoch eine weitere
alternative Ausgestaltung dar,
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5 ist
ein Längsschnitt
durch ein Kondensatorelement entsprechend einer alternativen Ausgestaltung,
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6 zeigt
zwei Kondensatorelemente wie in 5 dargestellt,
miteinander verbunden,
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7 ist
eine perspektivische Darstellung eines Kondensators entsprechend
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung
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1 stellt
schematisch die Gestaltung eines Kondensators entsprechend der Erfindung
dar. Er weist einen Außenbehälter 1 auf,
welcher aus Polyethylen besteht und in diesem Fall vier Kondensatorelemente
(2a–2d)
umgibt. Der Behälter 1 ist,
wie die Kondensatorelemente 2a–2d, kreiszylinderförmig. Die
Kondensatorelemente 2a–2d sind
in Reihe geschaltet. Die Verbindungsanschlüsse 3, 4 sind
an jedem Ende des Kondensators angeordnet. Jeder Verbindungsanschluss
weist eine Leitungsfolie auf, welche in dem Material des Behälters gelagert
ist und sich durch dieses erstreckt. Ein Gel 10 ist zwischen den
Kondensatorelementen 2a–2d und dem Behälter angeordnet.
Das Gel dient der elektrischen Isolierung und als Wärmeleiter.
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2 zeigt
ein individuelles Kondensatorelement, welches metallbeschichtete
Polymerschichten aufweist, die eng andeinader zu einer Rolle gerollt
werden. Das Kondensatorelement 2 weist eine axial verlaufende
Durchbohrung 6 auf, welche mittig durch dieses verläuft und
zur Kühlung
des Elements verwendet werden kann. Typische Maße für einen derartigen Kondensator
sind ein Durchmesser von 100–300
mm, ein Bohrungsdurchmesser von 20–90, vorzugsweise mindestens
30 mm, und eine Höhe
von 50–800
mm. Ein derartiges Kondensatorlelement ist für eine Spannung von etwa 1–15 kV ausgelegt.
Ein Kondensatorelement mit einem Durchmesser von 200 mm, einem Bohrungdurchmesser
von 60 mm und einer Höhe
von 150 mm ist beispielsweise für eine
Spannung von etwa 4–10
kV ausgelegt. Somit werden bis zu 40 kV bei vier in Reihe geschalteten Kondensatorelementen
erreicht, wie in 1 dargestellt, und 80 kV werden
mit acht Kondensatorelementen erreicht, etc.
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Wärmeverluste
treten in dem Kondensatorelement 2 auf, was zu einer inneren
Erwärmung
des Elements führt.
Die Höchsttemperatur
ist für
die elektrische Auslegung kritisch. Höhere Temperaturen führen zu
einer geringeren Beanspruchung, was wiederum eine geringere Leistung
pro Volumeneinheit zur Folge hat, d. h. sie hat einen beträchtlichen
Einfluss auf den Materialverbrauch und den Kostenaufwand. In einem
zylindrischen Volumen mit homogener Wärmeerzeugung und ohne Öffnung in
der Mitte nimmt der Temperaturverlauf in radialer Richtung ein asymptotisches
Erscheinungsbild an, wie mit der gestrichelten Kurve in 3 dargestellt.
Wenn das Kondensatorelement mit einer mittigen Öffnung 6 mit einem
Radius Ri versehen wird, wird der Temperaturverlauf der durchgehenden
Kurve in 3 folgen. Eine Zwangskühlung ist
auch möglich,
falls erforderlich. Der erzielte Temperaturverlauf wird sich dann wie
die in 3 angedeutete gepunktete Linie verhalten.
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4 zeigt
einen vergrößerten Teilschnitt durch
das Kondensatorelement in 2. Der Teilschnitt
zeigt zwei nebeneinander liegende Windungen des metallbeschichteten
Folie. Die Folien 8a und 8b haben jeweils eine
Dicke von etwa 10 μm
und bestehen aus Polypropylen. Die Metallschicht 9a, 9b ist etwa
10 μm breit
und besteht aus Aluminium oder Zink oder einem Gemisch daraus, welche
vor dem Rollen auf die Polypropylen-Folie aufgedampft wurde. Mit
einer derartigen metallisierten Folie kann eine elektrische Spannung
bzw. Belastung E in der Größenordnung
von 250 V/μm
erzielt werden. Die Technik der Herstellung eines Kondensatorelements
auf diese Art und Weise ist bereits bekannt und demnach ist eine
detaillierte Beschreibung überflüssig. Alternativ
dazu können
die Kondensatorelemente unter Verwendung der Schichtfolien-Technik,
bei welcher eine Propylenfolie und Aluminiumfolie zusammen aufgerollt
werden, aufgebaut werden. Die Verwendung von metallisierter Folie
hat jedoch den Vorteil der Selbstregenerierung und lässt eine
höhere
elektrische Spannung bzw. Belastung und eine höhere Energiedichte zu als die
Schichtzugsfolien-Technik.
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Die
Metallschicht bedeckt die Kunststofffolie von einer Seitenkante
aus bis kurz vor seine andere Seitenkante. Ein beliebiger Bereich 16a der
Folie 8a ist somit nicht metallbeschichtet. Auf ähnliche
Art und Weise ist ein Bereich 16b der Folie 8b nicht
metallbeschichtet. Der freiliegende beliebige Bereich 16b der Folie 8b befindet
sich jedoch an der Endkante, die jener in Folie 8a gegenüber liegt.
Der elektrische Anschluss für
die Schicht 9a erfolgt am oberen Ende des Elements, wie
es aus der Zeichnung ersichtlich ist, sowie am unteren Ende der
Schicht 9b, so dass man eine in die eine Richtung zeigende
Plus-Elektrode und
eine die andere Richtung geigende Minus-Elektrode erhält. Zur
Sicherstellung einer effizienten elektrischen Verbindung können die
Endabschnitte mit Zink besprüht
werden.
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In
der modifizierten in 4a dargestellten Ausgestaltung
weist das Element eine Reihenschaltung im Inneren auf. Hier ist
die Metallschicht 9a, 9b auf jeder Kunststofffolie 8a, 8b in
zwei Abschnitte 9a', 9a'' und 9b', 9b'' aufgeteilt
bzw. durch einen unbeschichteten Abschnitt 17a, 17b getrennt.
Es ist auch möglich,
die Metallschichten in mehr als zwei Abschnitte zu aufzuteilen.
Jedes Paar der Metallschicht-Abschnitte, beispielsweise 9a' und 9b', bildet ein
in Reihe geschaltetes Teil-Kondensatorelement.
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4b veranschaulicht
eine Variante der modifizierten Ausgestaltung, bei welcher die Metallschicht 9a nur
auf der eine Kunststofffolie 8a in zwei Abschnitte 9a', 9a'' aufgeteilt ist und durch einen
unbeschichteten Abschnitt 17a getrennt ist, wobei die Metallschicht 9b auf
dem anderen Kunststofffolie 8b nicht aufgeteilt ist. Jeder
der Abschnitte 9a' und 9a'' erstreckt sich gerade heraus zu
der Kante von Folie 8b, so dass der elektrische Anschluss
in diesem Fall zu derselben Folie 8b angeordnet ist. Die
Metallschicht 9b auf der anderen Kunststofffolie endet
auf beiden Seiten eine kurze Strecke 16a, 16b vor
der Kante der Folie und ist somit in keiner Richtung elektrisch
angeschlossen.
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Das
Gel zwischen den Kondensatorelementen (2a–2b)
und dem Behälter
besteht aus einer Komponente, die unter dem Markennamen Silgel®612
von der Wacher-Chemie GmbH vertrieben wird und gelbildende Komponenten
aufweist. Dieser Komponente ist ein niedrigviskoses Siliziumöl beigemischt.
In einer alternativen Ausgestaltung wird eine ebenfalls von der
Wacher-Chemie GmbH unter dem Markennamen "Inhibitor PT 88" vertriebene. Komponente, welche eine
gelierungsverzögernde
Komponente darstellt, beigemischt. Ein geeignetes Siliziumöl ist möglicherweise
das unter dem Markennamen "Dow
Corning®Silicone
Transformer Liquid" von
der Firma Dow Corning vertriebene Öl.
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Das
flüssige
Gemisch, welches das Gel bilden soll, könnte beispielsweise aus etwa
60–70%
der gelierenden Komponente bestehen, während es zur einen Hälfte aus
Silgel®612A
und zur anderen Hälfte aus
Silgel®612B
besteht. Die Basiskomponente, d. h. das Siliziumöl, macht einen Anteil von etwa
30–40% aus,
unter Verwendung eines Hemmstoffes ist der niedrigere Anteil geeignet.
Der Rest, d. h. bis zu ein paar Prozent, besteht aus der gelierungsverzögernden
Komponente.
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Ein
Versuch hat gezeigt, dass bei einer Verarbeitungstemperatur von
23°C innerhalb
von etwa einer Stunde eine Verfestigung auftritt, wenn keine gelierungsverzögernde Komponente
vorliegt. Bei einem Gemisch aus 0,5 Gewichtsprozent von "Inhibitor PT 88" verlängert sich
die Verfestigungszeit auf mehr als 10 Stunden. Bei 1% kann eine
Verfestigungszeit von etwa 100 Stun den erzielt werden, und bei mehr als
2% wird die Verfestigungszeit mehr als 150 Stunden betragen. Die
Beimischung von etwa 1% gelierungsverzögernder Komponente ist wahrscheinlich angemessen
und lässt
bei einer Verarbeitungstemperatur von 60°C eine ausreichend lange Verfestigungszeit
zu.
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Das
flüssige
Gemisch darf zwischen den Folienschichten durchströmen, so
dass das Kondensatorelement wenigstens an den Seitenkanten imprägniert wird.
Die Flüssigkeit
mit den verschiedenen Komponenten wird entgast und zu einem Gemisch vereint.
Die Mischung wird mit Hilfe eines Druckunterschiedes, welcher beispielsweise
durch eine Pumpe oder ein Vakuum erzielt wird, durch einen Zulauf in
den Behälter
eingebracht.
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2 veranschaulicht,
wie ein Leistungskondensator ensprechend der vorliegenden Erfindung
für verschiedene
Arten von Kondensatorelementen konstruiert sein kann. In allen Fällen ist
ein Kondensatorelement 2 in einem Behälter 1 von einem Dielektrikum 10 umgeben,
welches eine gelierende Komponente aufweist, und sich in Gelform
in dem Behälter
befindet.
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Grundsätzlich kann
das Kondensatorelement 2 entsprechend drei verschiedener
Alternativen hinsichtlich des Vorhandenseins des Dielektrikums innerhalb
des Elements konstruiert werden. Entsprechend einer ersten Alternative
kann das Kondensatorelement 2 trocken sein, d. h. es liegt
gar kein Dielektrikum innerhalb seiner Wicklung vor. Entsprechend
einer zweiten Alternative weist das Kondensatorelement ein Dielektrikum
auf, welches in gleicher Weise wie das umgebende Gel 10 geliert
wird. Dies kann vor allem in den Endregionen A relevant sein. Entsprechend
einer dritten Alternative wird das Kondensatorelement 2 mit
einem Dielektrikum wie nicht gelierendes Öl imprägniert. Auch hier kommt es
möglicherweise
in Frage, lediglich die Endregionen A zu imprägnieren.
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Die
erste Alternative ist in erster Linie im Fall von eng gewickelten
Kondensatorelementen, insbesondere von jener eine metallbeschichtete
Kunststofffolie aufweisenden Art, von Interesse. Die beiden anderen
Alternativen sind vor allem bei lose gewickelten Kondensatorelementen,
insbesondere von jener Art, bei welcher getrennte Kunststofffolien
und Metallfolien in der Wicklung verwendet werden, von Interesse.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
einer alternativen Ausgestaltung eines Kondensatorelements 2' entsprechend
der Erfindung. Das Kondensatorelement ist in drei Unterelemente 201, 202, 203 aufgeteilt,
welche zu der gemeinsamen als A ausgewiesenen Achse konzentrisch
angeordnet sind. Das äußerste Unterelement 201 ist
im Wesentlichen röhrenförmig, wobei
die Innenseite 204 das mittlere Unterelement 202 mit
einer kleinen Lücke
umgibt. Das mittlere Unterelement weist in ähnlicher Weise eine Innenseite 205 auf,
welche das innerste Unterelement 203 eng umschließt. Das
innerste Unterelement 203 weist einen zentralen durch das
Unterelement verlaufenden Kanal 206 auf. Die drei Unterelemente weisen
unterschiedliche radiale Dicken auf, wobei das äußerste die geringste Dicke
aufweist. Die Unterelemente weisen somit im Wesentlichen dieselbe
Kapazität
auf. Die Isolierung 207 ist zwischen den Unterelementen
angeordnet.
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Die
Unterelemente sind in Reihe geschaltet. Zwei radial nebeneinander
liegende Unterelemente haben einen ihrer Kopplungspunkte am selben
Ende. Das äußerste Unterelement 201 ist
somit durch das Kopplungselement 210 an das mittlere Unterelement 202 an
einem Ende des Kondensatorelements 2' angeschlossen, und das mittlere
Unterelement 202 ist durch das Kopplungselement 211 an
das innerste Unterelement 203 am anderen Ende des Kondensatorelements 2' angeschlossen.
Dies bedeutet, dass die Anschlüsse 212, 213 für das Kondensatorelement 2' an dessen entgegengesetzten
Enden angeordnet sind.
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Wenn
die Anzahl von Unterelementen größer als
drei ist, beispielsweise fünf
oder sieben, setzt sich der Anschluss der Kopplungspunkte an den
Enden des Unterelements in der selben Weise fort.
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6 veranschaulicht,
wie eine Vielzahl von Kondensatorelementen von der in 5 gezeigten Art
in Reihe zusammengeschaltet werden können. Die Zeichnung zeigt zwei
derartige Kondensatorelemente 2'a, 2'b. Der Anschluss 212 des
unteren Kondensatorelements 2'b am oberen Ende des inneren Unterelements 203 ist
an den Anschluss 213 des oberen Kondensatorelements 2'a am unteren
Ende des äußersten
Unterelements 201 angekoppelt. Die Isolierung 214 ist
zwischen den Kondensatorelementen angeordnet, um die Potenzialunterschiede,
welche in dieser Art von Kondensatorelement auftreten können, zu
handhaben.
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7 zeigt
ein weiteres Beispiel eines Leistungskondensators entsprechend der
Erfindung. Dieses Beispiel zeigt eine konventionelle Art der Gestaltung
des Behälters 301 und
des Kondensatorelements 302. Der Kondensatorbehälter 301 ist
demnach kastenförmig
und das Kondensatorelement 302 ist zu flachgedrückten Einheiten
aufgewickelt, welche jeweils aufeinander gestapelt sind. Die elektrischen Verbindungsanschlüsse 303, 304 sind
in die selbe Richtung ausgerichtet. Ein Gel 310 ist in
der Lücke zwischen
den Kondensatorelementen 302 und dem Behälter 301 angeordnet,
in ähnlicher
Art und Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen.