Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungskondensator
mit energiebegrenzenden Eigenschaften ohne Sicherungen,
wobei die Ausführung und Funktion die technischen Vorteile von
Kondensatoren mit inneren Sicherungen und die Einfachheit
von Kondensatoren mit äußeren Sicherungen kombiniert.
Stand der Technik
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Moderne Leistungskondensatoren sind gekennzeichnet durch
eine sehr große Energiedichte, wodurch es wichtig ist, die
Folgen eines Fehlers zu begrenzen. Als primären Schutz gegen
Explosionen von Kondensatoren werden Sicherungen in
konventionellen Leistungskondensatoren verwendet. Es gibt zwei
anerkannte Verfahren, Leistungskondensatoren mit Sicherungen
zu versehen:
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a) Mittels innerer Sicherungen und
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b) mittels äußerer Sicherungen.
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Ein Schutz von Leistungskondensatoren mittels innerer
Sicherungen ist raumaufwendig und teuer in der Herstellung, da
jedes Kondensatorelement mit einer Sicherung in Reihe
geschaltet ist. Im Vergleich mit dem konstruktiv einfacheren
Schutz mit äußeren Sicherungen hat ein Schutz mit inneren
Sicherungen technische Vorteile, da ein Fehler zur
Abschaltung des fehlerhaften Elementes führt, was sehr kleine
Kapazitätsänderungen und eine verbesserte Einsetzbarkeit
eines Leistungskondensators mit inneren Sicherungen zur Folge
hat.
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Gegenwärtig verwendete Leistungskondensatoren haben
immanente Begrenzungen, die sich aus der entsprechenden
Sicherungstechnik ergeben:
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Leistungskondensatoreinheiten mit inneren Sicherungen
benötigen eine bestimmte Anzahl parallel-geschalteter
Kondensatorelemente in jeder Gruppe, was die maximale Spannung einer
Einheit auf etwa 9 kV begrenzt. Kondensatorbänke für
Hochspannung müssen daher aus einer großen Anzahl von in Reihe
geschalteten Gruppen aufgebaut werden.
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Leistungskondensatoren mit äußeren Sicherungen haben eine
schlechte Schutzfunktion bei Strömen über 30 A, wodurch der
maximale Strom einer Einheit begrenzt wird. Außerdem ist
eine gewisse Anzahl von parallel geschalteten
Kondensatorelemente in jeder Gruppe erforderlich.
Leistungskondensatoren, die durch äußere Sicherungen geschützt werden, müssen
daher in wenige reihen-geschaltete Gruppen mit einer relativ
großen Anzahl parallel geschalteter Kondensatorelemente in
jeder Gruppe zusammengeschaltet werden.
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Leistungskondensatoren ohne Sicherungen gemäß der Erfindung
beseitigen die oben genannten Begrenzungen, so daß bei
Benutzung der Erfindung Leistungskondensatoren in der
wirtschaftlichsten Weise für alle Anwendungen gebaut werden
können.
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Die US-A-2 294 099 beschreibt eine Kondensatorbatterie,
deren Anschluß an ein elektrisches Netz durch Schutzrelais
gesteuert wird. Die Kondensatorbatterie ist aus einzelnen
Leistungskondensatoren aufgebaut, von denen jeder aus einer
Kette von in Reihe geschalteten Kondensatorelementen
besteht, die von einem Gehäuse umgeben sind. Mehrere solcher
einzelnen Einheiten sind in Reihe und/oder parallel
geschaltet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Leistungskondensator, der durch seinen Aufbau und seine
Funktion die technischen Vorteile eines
Leistungskondensators mit inneren Sicherungen mit der Einfachheit und
Kompaktheit eines Leistungskondensators mit einer äußeren
Sicherung kombiniert, erhält man gemäß der Erfindung durch
Anordnung eines Leistungskondensators, der eine Vielzahl von
in Reihe geschaltete Kondensatorelementen enthält, wobei
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a) der Leistungskondensator aus einer Vielzahl von parallel
geschalteten Ketten aus Kondensatorelementen
zusammengesetzt ist,
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b) jede Kette eine Vielzahl von in Reihe geschalteten
Kondensatorelementen enthält,
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c) die parallelen Ketten nur an ihren Endpunkten miteinander
verbunden sind, und wobei
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die im Kondensatorelement enthaltenen Dielektrika und
Elektroden derart angeordnet sind, daß die Elektroden im Falle
eines Zusammenbruchs (Durchschlags) miteinander verschweißen
und einen festen Kurzschluß bilden ohne die -Gefahr des
Auftretens von Glimmentladungen oder erneuter Durchschläge.
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Kondensatorelemente werden vorzugsweise verwendet in Form
sogenannter Bandwickelkondensatoren des Vollfilmtyps, bei
denen die gewickelte Folie aufgebaut ist aus mehreren
gewickelten Windungen (Lagen) von Metallfolien, die als
Elektroden dienen, und einem festes zwischen den Windungen
angeordneten Dielektrikum in Gestalt eines oder mehrerer
Polymerfilme. Im Falle eines kontrollierten Durchschlages werden
die Folien miteinander verschweißt, und auf diese Weise wird
ein zuverlässiger Kurzschluß hergestellt. Ein solches
Element bleibt ohne die Gefahr eines erneuten Durchschlages
oder von Glimmentladungen an der Fehlerstelle in Betrieb.
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Ein gleicher Fehler in einem Kondensatorelement mit einem
gemischten oder aus Papier bestehenden Dielektrikum
verursacht Glimmentladungen und setzt Gas frei, welches, falls
die Fehlerstelle nicht durch Sicherungen weggeschaltet wird,
auf lange Sicht das den Leistungskondensator aufnehmende
Gehäuse sprengt. Jedoch würde auch ein Durchschlag in einem
gewickelten Folienkondensator vom reinen Filmtyp
(Vollfilmtyp), der in einem herkömmlich aufgebauten
Leistungskondensator enthalten ist, zu Glimmentladungen führen
infolge der Schäden, die durch die große Energiefreisetzung
an der Fehlerstelle eines herkömmlich aufgebauten
Leistungskondensators auftreten würde. Dies wird verhindert durch den
Aufbau des Leistungskondensators gemäß der Erfindung in der
Weise, daß die bei einem Durchschlag freigesetzte Energie
begrenzt ist.
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Im Falle eines Durchschlages in einem Kondensatorelement
wird dieses kurzgeschlossen und die "Einheitskapazität" wird
unbedeutend vergrößert. Die Kapazitätsänderung im Falle
eines Durchschlages ist von gleicher Größenordnung wie bei der
Abschaltung eines fehlerhaften Kapazitätselementes durch
eine innere Sicherung in einem Kondensator mit inneren
Sicherungen. Der Vorteil der Bauweise gemäß der Erfindung
gegenüber einem Leistungskondensator mit inneren Sicherungen
besteht darin, daß die freigesetzte Energie bedeutend
geringer ist, so daß nur eine minimale Gefahr einer Schädigung
benachbarter Elemente oder der äußeren Isolation besteht.
Darüber hinaus ist ein Leistungskondensator gemäß der
Erfindung während der Herstellung bedeutend leichter einbaubar
und verbindbar als ein Leistungskondensator mit inneren
Sicherungen. Ein weiterer Vorteil gegenüber
Leistungskondensatoren mit inneren Sicherungen besteht darin, daß
Leistungskondensatoren gemäß der Erfindung bedeutend kompakter sind.
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Vorzugsweise ist ein Leistungskondensator gemäß der
Erfindung aufgebaut aus mindestens drei parallel geschalteten
Ketten von Kondensatorelementen, wobei jede Kette mindestens
drei Kondensatorelemente enthält.
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In einem Ausführungsbeispiel mit Kondensatorelementen in
Gestalt von gewickelten Folienkondensatoren des reinen
Filmtyps, bei denen die gewickelte Folie aufgebaut ist aus
mehreren gewickelten Windungen von Metallfolien, die als
Elektroden dienen, und einem zwischen den Windungen angeordneten
festen Dielektrikum in Gestalt eines Polymerfilms, werden
die gewickelten Folienkondensatoren übereinander gestapelt
und in Reihe geschaltet. Zwei Sammeischienen werden längs
des gesamten Stapels angeordnet. An diese Sammelschienen
werden die Ketten aus in Reihe geschalteten
Kondensatorelementen angeschlossen. Da die Ketten abwechselnd an jede
Sammelschiene angeschlossen werden, indert sich die
Polarität zwischen benachbarten Ketten, so daß große
Potentialunterschiede längs des Kondensatorstabes vermieden
werden. Die maximale Spannung zwischen zwei benachbarten
gewickelten Folienkondensatoren entspricht zwei
Elementenspannungen. Durch diesen Aufbau, der gegenüber der bekannten
Technik vereinfacht ist, können sehr kompakte
Folienkondensatoren mit energiebegrenzenden Eigenschaften ohne
Sicherungen gebaut werden. Diese Leistungskondensatoren verbinden
die technischen Vorteile innerer Sicherungen mit der
Einfachheit von Leistungskondensatoren mit äußeren Sicherungen.
Der energiebegrenzende Aufbau stellt auch sicher, daß beim
Auftreten eines Fehlers ein kontrollierter Durchschlag
stattfindet, das heißt ein Durchschlag mit einer begrenzten
und kontrollierten Energieentwicklung, und daß die
Metallfolien miteinander verschweißt werden und einen soliden
Kurzschluß ohne Glimmentladungen oder Gasentwicklung
herbeiführen. Außerdem gestattet dieser energiebegrenzende Aufbau,
daß die Kondensatoreinheit mit dem fehlerhaften
Kondensatorelement
in Betrieb bleibt ohne die Gefahr eines erneuten
Durchschlags oder des Auftretens von Glimmentladungen an der
Fehlerstelle.
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Im Vorhergehenden wurde die Erfindung im wesentlichen anhand
von Leistungskondensatoren erläutert, die aus
Kondensatorelementen in Gestalt von gewickelten
Folienkondensatoren des reinen Filmtyps aufgebaut sind. Die Erfindung ist
aber auch anwendbar bei anderen Arten von
Kondensatorelementen, in denen ein kontrollierter Durchschlag zu einem
soliden (satten und beständigen) Kurzschluß derart führt, daß
die Kondensatoreinheit mit dem fehlerhaften
Kondensatorelement in Betrieb bleiben kann ohne Gefahr eines erneuten
Durchschlags oder partieller Entladungen an der
Fehlerstelle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im folgenden genauer unter Bezug auf die
beigefügten Figuren 1 bis 3 beschrieben. Die Figuren 1 und 2
zeigen Kondensatoreinheit nach dem Stand der Technik mit
inneren beziehungsweise äußeren Sicherungen. Figur 3 zeigt
einen Leistungskondensator ohne Sicherungen gemäß der
Erfindung, und Figur 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
mit Kondensatorelementen in Gestalt sogenannter gewickelter
Folienkondensatoren.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Der in Figur 1 gezeigte Leistungskondensator wird durch
innere Sicherungen 12 geschützt. Der Leistungskondensator ist
aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Gruppen 11
zusammengesetzt. Zu jeder Gruppe 11 gehört eine Vielzahl von
parallel geschalteten Kondensatorelementen 33, wobei jedes
Element mit seiner eigenen Sicherung 12 in Reihe geschaltet
ist. Zur Entladung des Leistungskondensators ist für jede
Gruppe 11 aus parallel geschalteten Kondensatorelementen 13
ein Entladungswiderstand 14 vorgesehen, der parallel zu der
Gruppe 11 geschaltet ist. Der Leistungskondensator 10 ist
von einem Gehäuse 15 umgeben. Ein mit inneren Sicherungen
ausgerüsteter Leistungskondensator gemäß Figur 1 ist
kompliziert und teuer, da er eine große Anzahl von
Kondensatorelementen 13 und Sicherungen 12 enthält.
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Figur 2 zeigt einen Leistungskondensator, der durch eine
äußere Sicherung geschützt ist. Eine Vielzahl von Gruppen 21
aus parallel geschalteten Kondensatorelementen 23 ist in
Reihe geschaltet. Im Gegensatz zu dem Leistungskondensator
der Figur 1 sind keine direkt mit den Kondensatorelementen
23 verbundenen Sicherungen vorhanden, sondern der
Leistungskondensator 20 wird durch eine äußere Sicherung 22
geschützt, die außerhalb des Leistungskondensators 20
angeordnet ist. Zur Entladung des Leistungskondensators 20 ist ein
Entladungswiderstand 24 vorhanden. Der Entladungswiderstand
24 ist mit der Kette aus den in Reihe geschalteten Gruppen
21 aus parallel geschalteten Kondensatorelementen 23
parallel geschaltet. Dies bedeutet jedoch, daß im Falle eines
Fehlers eines Elementes eine hohe Entladungsenergie an der
Fehlerstelle frei wird, wodurch die Gefahr begründet wird,
daß das den Leistungskondensator 20 umgebende Gehäuse
explodiert. Außerdem kommt es vor und nach dem Ansprechen der
Sicherung zu großen Kapazitätsänderungen.
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26 Figur 3 zeigt einen Leistungskondensator ohne Sicherungen
gemäß der Erfindung. Der Leistungskondensator 30 besteht aus
einer Vielzahl von parallel geschalteten Ketten 36 aus in
Reihe geschalteten Kondensatorelementen 33, wobei die
parallelen Ketten 36 nur an ihren Endpunkten miteinander
verbunden sind. Zur Entladung des Leistungskondensators 30 ist ein
Entladungswiderstand 34 vorgesehen. Der Entladungswiderstand
34 ist mit den Ketten aus in Reihe geschalteten
Kondensatorelementen
33 parallel geschaltet. Der Leistungskondensator
hat keine Sicherungen, was bedeutet, daß im Falle eines
Zusammenbruchs (Durchschlags) eines Kondensatorelements 33 das
Element 33 kurzgeschlossen ist und der Kapazitätswert
unbedeutend größer wird. Die Kapazitätsänderung ist von gleicher
Größenordnung, wie wenn eine innere Sicherung ein
fehlerhaftes Kondensatorelement in einer Kondensatoreinheit mit
inneren Sicherungen abschaltet. Wie die Leistungskondensatoren
in den Figuren 1 und 2, ist der Leistungskondensator 30 in
einem Gehäuse 35 eingeschlossen. Ein Vorteil einer
Ausführung gemäß der Erfindung gegenüber einem
Leistungskondensator mit inneren Sicherungen besteht darin, daß die
entwickelte Energie bedeutend kleiner ist, wodurch die Gefahr
einer Beschädigung benachbarter Kondensatorelemente oder der
äußeren Isolation vermindert wird. Außerdem ist ein
Leistungskondensator gemäß der Erfindung bei der Herstellung
bedeutend leichter zu installieren und zu verbinden als ein
Leistungskondensator mit inneren Sicherungen. Ein weiterer
Vorteil gegenüber Leistungskondensatoren mit inneren
Sicherungen besteht darin, daß der Leistungskondensator gemäß der
Erfindung bedeutend kompakter ist.
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Bei einer in Figur 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
mit Kondensatorelementen in Gestalt sogenannter
foliengewickelter Kondensatoren 43, bei denen die gewickelte Folie 43
aufgebaut ist aus einer Vielzahl gewickelter Windungen
(Lagen) aus als Elektroden dienender Metallfolien und einem
zwischen den Lagen angeordneten festen Dielektrikum in Form
eines Polymerfilms, sind die foliengewickelten Kondensatoren
43 übereinander gestapelt angeordnet und mittels
Verbindungsvorrichtungen in Reihe geschaltet. Zwei
Sammelschienen 41, 42 erstrecken sich längs des gesamten Stapels
40, und zwar je eine Sammelschiene auf jeder Seite. An diese
Sammelschienen 41, 42 sind die Ketten aus in Reihe
geschalteten foliengewickelten Kondensatoren 43 mittels der
Verbindungen
45 angeschlossen. Die Ketten sind abwechselnd an die
an jeder Seite angeordneten Sammelschienen 41, 42
angeschlossen, wodurch sich die Polarität zwischen benachbarten
Ketten ändert, so daß große Potentialunterschiede längs des
Kondensatorstapels vermieden werden. Die maximale Spannung
zwischen benachbarten foliengewickelten Kondensatoren 43
entspricht zwei Elementenspannungen. Durch diesen Aufbau,
der im Verhältnis zum Stand der Technik vereinfacht ist,
können sehr kompakte sicherungsfreie Leistungskondensatoren
mit energiebegrenzenden Eigenschaften gebaut werden, welche
die technischen Vorteile von Leistungskondensatoren mit
inneren Sicherungen mit der Einfachheit von
Leistungskondensatoren mit äußeren Sicherungen kombinieren. Die
energiebegrenzende Konstruktion stellt auch sicher, daß beim Auftritt
eines Fehlers ein kontrollierter Durchschlag, das heißt, ein
Durchschlag mit einer begrenzten und kontrollierten
Energieentwicklung, stattfindet, wodurch die in den
foliengewickelten Kondensatoren 43 enthaltenen Metallfolien miteinander
verschweißen und ein satter Kurzschluß hergestellt wird,
ohne Teilentladungen (Glimmen) oder Entwicklung von Gas.
Außerdem gestattet diese energiebegrenzende Konstruktion, daß
das fehlerhafte Kondensatorelement in Betrieb bleibt, ohne
die Gefahr eines erneuten Durchschlagens oder Glimmens an
der Fehlerstelle.