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Verfahren zum Betrieb von Kondensatoren mit einem flüssigen Dielektrikum
DieErfindung betrifft einverfahren zum Betrieb von Kondensatoren, insbesondere für
große Leistungen und vor allem für Gleichstrom, die auch bei niedrigen Raumtemperaturen
verwendet werden sollen.
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Kondensatoren für große Leistungen bestehen gewöhnlich aus einer Anzahl
von Wickeln oder Elementen aus Metallfolie und Papier, die in einem mit einem flüssigen
Dielektrikum angefüllten Metallgehäuse angeordnet sind. Das Betriebsdiele'ktrikum
des, Kondensators setzt sich also aus Papier und einem flüssigen Dielektrikum zusammen.
Früher war es üblich, Mineralöl als dielektrisches Material zu verwenden; aber in
den letzten ;Jahren wurden verbesserte dielektrische Flüssigkeiten, wie chloriertes
Diphenyl und verwandte Gemische, entwickelt. Diese Gemische haben eine größere Dielektrizitäts'konstante
als Öl, so daß ein Kondensator von gegebener Leistung kleiner und daher billiger
gemacht werden kann. Außerdem sind diese Materialien unentzündbar, so daß die bei
der Verwendung von Öl. bestehende Feuergefahr beseitigt ist.
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Die größere Dielektrizitätskonstante dieser unentzündbaren Materialien
ist in weitem Maße auf die Polardrehung der Moleküle zurückzuführen. Die Polardrehung
ist abhängig von der Größe der Moleküle und ,der Viskosität der Flüssigkeit. Wenn
die Temperatur der Flüssigkeit herabgesetzt wird, erhöht sich die Viskosität, und
nach Überschreitung
eines gewissen Punktes beginnt die erhöhte Viskosität
die Drehung der Moleküle störend zu beeinflussen und verursacht eine Verringerung
der Dielektrizitätskonstante. Diese Verringerung setzt sich bei Herabsetzung der
Temperatur so lange fort, bis die Viskosität so groß geworden ist, daß die Drehung
:der Moleküle vollkommen verhindert und damit die Dielektrizitätskonstante ungefähr
gleich der des Öles wird und keine weitere Änderung stattfindet. Es ist daher offensichtlich,
.daß die Kapazität von Kondensatoren mit dielektrischen Flüssigkeiten, wie chloriertes
Diphenyl, abnimmt, wenn die Temperatur des Dielektrikums unter einen gewissen Punkt
sinkt.
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Bei den zur Berichtigung des Leistungsfaktors verwendeten Kondensatoren
ist diese Wirkung praktisch von geringer Bedeutung, da diese Kondensatoren im normalen
Betriebe während langer Zeiträume dauernd erregt werden. Obwohl dabei zwar die diele'ktrischen
Verluste ganz gering sind, nämlich gewöhnlich 1/"'/o, der Kapazität des Kondensators
betragen, genügt die (durch diese Verluste erzeugte Wärme, um die Temperatur des
Dielektrikums in: dem Bereich zu halten, in dem seine Dielektrizitätskonstante im
wesentlichen gleichbleibt, auch wenn: die Temperatur des umgebenden Mediums sehr
niedrig wird. Sogar dann, wenn solche Kondensatoren vorübergehend abgeschaltet werden
und sich auf eine so niedrige Temperatur abkühlen können, @daß die Kapazität beeinflußt
wird, ist das bedeutungslos. Nach der Wiederinbetriebseztung .des Kondensators erreicht
nämlich die Temperatur in verhältnismäßig kurzer Zeit wieder die notwendigeHöhe.
Die geringeneKapazität während der kurzen Anlaufzeit ist von geringer Bedeutung.
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Wenn die Kondensatoren jedoch mit Gleichstrom oder intermitti.erendem
Wechselstrom betrieben werden, kann die Temperatur des Dielektrikums so niedrig
wie @die Temperatur des umgebenden Mediums werden, da in dem Kondensator keine Wärme
erzeugt wird. Die sich ergebende Kapazitätsänderung bei niedrigen umgebenden Temperaturen
ist von größter Bedeutung und hat die Verwendung von Ölkondensatoren trotz ihrer
schlechteren Charakteristiken dann erforderlich gemacht, wenn der Anfangswert der
Kapazität wichtig ist, wie z. B. bei Gleichstromfiltern und Kondensatormotoren für
Außenaufstellung an Orten, an denen mit niedrigen Temperaturen zu rechnen ist.
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Der Erfindung liegt ,die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator zu schaffen,
bei dem eine dielektrische Flüssigkeit verwendet wird, deren Dielektrizitätskonstante
sich mit der Temperatur ändert, z. B. abnimmt, wie oben beschrieben wurde. Er soll
an Orten verwendet werden können, an .denen die umgebende Temperatur sehr niedrig
wenden kann. Dabei darf sich seine Kapazität nicht wesentlich ändern.
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Nach der Erfindung wird die Temperatur des Dielektrikums .durch besondere
Mittel dauernd in dem Bereich gehalten, in .dem seine Dielektr izitätskonstante
im wesentlichen gleichbleibt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind im Kondensator:gehäuse zweckmäßig Heizelemente vorgesehen, die vorteilhaft
so ausgeführt sind, daß sie eine Wärmemenge liefern, die ungefähr gleich der durch
die dielektrischen Verluste in einem Kondensator von äquivalenter Leistung bei dauerndem
Wechselstrombetrieb erzeugten Wärmemenge ist oder wenigstens so groß ist, daß die
Temperatur des. Dielektrikums in dem Bereich gehalten werden kann, in dem sich die
Dielektrizitätskonstante nicht ändert. Kondensatoren dieser Bauart sind besonders
erwünscht zur Verwendung in Gleichstromfiltern, wie sie bei Gleichrichtern verwendet
werden. Irgendeine Kapazitätsänderung der Kondensatoren, die in solchen Filtern
verwendet werden, verändert die Abstimmung des Filters und zerstört seine Brauchbarkeit,
und es ist daher notwendig geworden, Ölkondensatoren mit ihren schlechteren Charakteristiken
für Außenaufstellungen von Filtern dann; zu verwenden, wenn niedrige Temperaturen
auftreten, können. Die vorliegende Erfindung macht es -dagegen möglich, die verbesserte
Bauart der Kondensatoren für diese und ähnliche Zwecke zu benutzen.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. i und 2 zeigen Kondensatorkurven. In Fig. 3 ist beispielsweise
ein gemäß der Erfindung ausgestatteter Kondensator dargestellt; Fig.4 gibt eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wieder.
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Die Kurven (der Fig. r und 2 veranschaulichen die Betriebscharakteristiken
von Kondensatoren bei niedrigen Temperaturen. So zeigt Fi:g. i die Kapazitätsänderung
eines Kondensators, der eine kekanute dielektrische Flüssigkeit enthält, ausgedrückt
in Prozenten der 'kVA-Kapazität bei einer normalen Raumtemperatur von 20'°' C. Es
ist ersichtlich, daß bei Herabsetzung der Temperatur t" des Dielektri'kums die Kapazität
C bis herunter auf ungefähr ö` C im wesentlichen konstant bleibt, unterhalb dieser
Temperatur jedoch stark abzunehmen beginnt bis zu einem Punkt, an: dem sie bei einem
viel geringeren Wert wieder konstant wird. Dies ist auf die durch die erhöhte Viskosität
der Flüssigkeit bei niedrigeren Temperaturen verursachte störende Einwirkung auf
die Polardrehung der Moleküle zurückzuführen. Im Zusammenhang mit dieser Kurve ist
einzusehen, daß die erwähnte Temperatur nicht die des denKondensator umgebenden
Mediums, sondern die der dielektrischen Flüssigkeit selbst ist. Wenn ein; Kondensator
dieser Bauart dauernd :durch Wechselstrom erregt wird, entwickeln .die dielektrischen
Verluste in dem Kondensator genügend Wärme, um die Temperatur der dielektrischen
Flüssigkeit in dem Bereich zu halten, in welchem ihre dielektrische Konstante im
weseritlichen konstant ist. Dies ist in Fig. 2 veranschaulicht, welche die Kapazitätsänderung
eines Kondensators bei verschiedenen Temperaturen des umgebenden
Mediums
zeigt. Aus .dieser Kurve geht hervor, daß die Kapazität C sogar bei sehr niedrigen
Temperaturen tu praktisch konstant bleibt oder leicht zunimmt. Wenn ein Kondensator
dieser Bauart jedoch nicht dauernd erregt oder für Gleichstrom verwendet wird, so
daß keine oder nur sehr geringe dielektrische Verluste auftreten, so ist die Temperaturdes
Dielektri'kums ihn wesentlichen; dieselbe wie die äußere Temperatur, und die Kapazität
folgt eher ider Kurve der Fig. @i als. ,der ,der Fig. 2.
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Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Kondensator ist besonders für
Gleichstrom geeignet, und zwar dann, wenn der Wert der Kapazität im wesentlichen
konstant bleiben soll und wenn es, entweder keine Wechselstronikomponente gibt oder
diese so klein ist, daß die durch sie verursachten dielektrischen Verluste keine
merkliche HeizwitIkung haben. Um zu verhindern, daß .die Kapazität durch Änderungen
der Temperatur des umgebenden Mediums beeinflußt wird, werden Heizmittel in dem
Kondensatorgehäuse vorgesehen, welche genügend Wärme entwickeln, um die Temperatur
des Dielektrikums in dem Bereich zu halten in (dem die Dielektrizitätskonstante
im wesentlichen unveränderlich ist. Diese Anordnung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt,
in welcher das Kondensatorgehäuse mit i bezeichnet ist und: Kondensatorelemente
2 enthält, deren Folien von entgegengesetzter Polarität mit den Klemmen 3 bzw. 4
verbunden sind. Die Heizwirkung ist dadurch sichergestellt, daß ein Widerstand 5
an die Klemmen 3 und 4. angeschlossen ist, so .daß er dauernd erregt wird, wenn
der Kondensator mit einer Gleichstromleitung verbunden ist und auf diese Weise eine
Wärmequelle bildet, durch die die Temperatur des Dielektrikums im Gehäuse im wesentlichen
konstant auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Der Widerstand wird vorzugsweise
so ausgeführt, daß sein Leistungsverbrauch etwa gleich .den dielektrischen Verlusten
in einem dauernd mit Wechselstrom betriebenen Kondensator von äquivalenter Leistung
ist. Der für diesen Zweck erforderliche Widerstand kann ohne weiteres aus der Spannung
und .der kVA-Leistung des Kondensators errechnet werden.
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Jede beliebige geeignete Widerstandgbauart kann verwendet werden.
Der Widerstand kann, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, direkt an die Klemmen
des Kondensators angeschlossen werden. Vorzugsweise teilt man jedoch den Gesamtwiderstand
in eine Anzahl von getrennten, über das Gehäuse verteilten Widerständen, um eine
gleichmäßige Erwärmung der,dielektrischen Flüssigkeit zu erzielen. Die dielektrische
Flüssigkeit ist nämlich ein sehr schlechter Wärmeleiter, und durch einen einzigen
Widerstand kann, kaum eine gleichmäßige Temperatur innerhalb der gesamten Masse
,des Dielektrikums aufrechterhalten werden.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der verteilte Widerstände
verwendet werden, ist in Fig.4 gezeigt. Der in dieser Figur veranschaulichte Kondensator
hat ein Metallgehäuse ,io, welches eine Anzahl von Kondensatorteilen oder -elementen
vi enthält. Diese sind von der üblichen Bauart und bestehen aus abwechselnden Schichten
aus Metallfolie und Papier, welche zusammen auf einen Dorn gerollt und dann, mit
oder dielektrischen Flüssigkeit imprägniert und zu einem flachen Element zusammengedrückt
sind. Jedes Element ist in der üblichen Weise mit Klemmen 12 für die Folien entgegengesetzter
Polarität versehen. Eine Auskleidung 13 aus Preßspan oder anderem geeigneten Isoliermaterial
kann innerhalb des Gehäuses angebracht werden. Geeignete Klemmern 14 sind an dem
oberen Teil des Gehäuses für den Anschluß an eine äußere Leitung vorgesehen, und
die Klemmen 12 der einzelnen Elemente vi sind mit diesen Klemmen verbunden. Nach
dem Zusammenbau wird das Gehäuse mit der dielektrisch-en Flüssigkeit gefüllt.
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Die Temperatur der Flüssigkeit wird mittels einer Anzahl von Widerständen
15 in .dem gewünschten Bereich gehalten. Diese Widerstände können zweckmäßig aus
auf Kartonstreifen oder keramische Stäbe gewickeltem Widerstandsdraht 16 bestehen
und mit den Klemmen 12 der Kondensatorelemente verbunden sein. Ein Widerstandskartonstreifen
ist vorzugsweise mit jedem Kondensatorelement verbunden und kann zweckmäßig während
des Wickelns dauernd daran befestigt und parallel zu dem Element geschaltet werden,
wie in Fig. 4 dargestellt ist. Vorzugsweise wird ein Widerstandskartonstreifen für
jedes Element vorgesehen, obwohl gegebenenfalls weniger Kartonstreifen verwendet
werden können. Der Gesamtwert des für die Entwicklung der gewünschten Wärmemenge
erforderlichen Widerstandes kann ohne weiteres aus der Leistung,des Kondensators
in der Weise bestimmt werden, daß er ungefähr denselben Teil der Leistung verbraucht
wie der dielektrische Verlust eines Kondensators von äquivalenter Leistung, der
dauernd für Wechselstrom verwendet wird.
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Damit sind über das Kondensatorgehäuse verteilte Heizmittel geschaffen,
welche dauernd erregt werden, wenn der Kondensator mit einer Gleichstromleitung
verbunden ist. Auf diese Weise wird die Temperatur der dielektrischen Flüssigkeit
in dem Bereich gehalten, in dem ihre Dielektrizitätskonstante im wesentlichen gleichbleibt,
so daß die Kapazität des Kondensators nicht durch Änderungen der Temperatur des-
umgebenden Mediums beeinflußt wird. Der Kondensator kann nun ohne weiteres bei Gleichstromfiltern
oder für andere Zwecke verwendet werden, bei denen es wesentlich ist, daß die Kapazität
konstant ist, ungeachtet der äußeren Temperaturverhältnisse.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, vor Inbetriebnahme des: Kondensators
die beschriebenen Heizwiderstände an eine Hilfsspannung anzuschalten und erst beim
Einschalten des Kondensators an dessen Klemmen anzuschließen..