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Elektrischer Kondensator für mittlere Spannungen mit Dielektriken
aus keramischem Werkstoff Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kondensatoren
für mittlere Spannungen mit aufeinander gestapelten plattenförmigen, beiderseits
metallisierten Dielektriken aus keramischem Werkstoff. Dabei sollen unter Spannungen
die an jeder einzelnen Platte liegende Spannung und unter mittleren solche bis
ZU 25 000 Volt verstanden werden. Derartige Stapelkondensatoren wurden bisher
mit Glimmer als Dielektrikum ausgeführt. Glimmer ist in sehr dünnen Schichten herstellbar.
Infolgedessen kann man zur Herabsetzung der Spannung am einzelnen Element mehrere
Elemente hintereinanderschalten und aufeinanderstapeln, ohne daß dadurch ein zu
großer Raumbedarf entsteht. Bei dem übergang zum keramischen Dielektrikum ergeben
sich Schwierigkeiten in der Herstellung von sehr dünnen Platten. Deshalb wird es
notwendig, für die einzelnen Elemente höhere Spannungen zuzulassen. Dadurch treten
in erhöhtem Maße folgende Schwierigkeiten auf: i. Infolge der hohen Spannungen und
der inhomogenen Ausbildung des Feldes an den scharf
begrenzten Belegungsrändern
treten Feldkonzentrationen auf, die zu frühzeitigem Glimmen führen (Randeffekt).
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2. Die hohen Spannungen bedingen größere überschlagswege.
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3. Die hohen Spannungen verlangen größere Durchschlagswerte.
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4. Um im Vergleich zu Glimmer den Bedarf an Raum in erträglichen Grenzen
zu halten, werden keramische Werkstoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante bevorzugt
verwendet. Bei Hintereinanderschaltung von verschiedenen Dielektriken, wie z. B.
von Luft und keramischem Werkstoff, tritt ungleichmäßige Spannungsverteilung so
auf, daß an dem Stoff kleinerer Dielektrizitätskonstante der im Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten
höhere Spannungsteil liegt und damit hier verhältnismäßig frühzeitig Glimmen eintritt
(Mehrschichteneffekt).
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5. Bei der Formstarrheit des keramischen Werkstoffes treten
an den belegungsfreien Rändern Luftzwischenräume größerer Stärke auf, die die Ausbildung
;der Glimmerscheinungen begünstigen, während bei den Glimmerstapelkondensatoren
zwischen den belegungsfreien Glimmerplättchen nur so dünne Luftschichten vorhanden
sind, daß Glimmerscheinungen meist nicht sehr zur Ausbildung kommen können.
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Abgesehen von diesen elektrischen Schwierigkeiten, die bei der Herstellung
keramischer Stapelkondensatoren zu beachten sind, treten weitere Besonderheiten
im Aufbau und in der Kontaktabnahme auf, die sich insbesondere aus der Formstarrheit
des keramischen Werkstoffes ergeben.
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Um bei Stapelkondensatoren mit keramischen Kondensatorplatten die
geschilderten Schwierigkeiten zu beheben, wird gemäß der Erfindung zwischen
je zwei Kondensatorplatten ein Drahtring eingelegt, welcher mittels nachgiebiger
Kontaktorgane im Ringinnern mit den Belegungen leitend verbunden ist und einen äußeren
Kontaktanschluß hat. Derartige Ringe erbringen eine gute und so weit nachgiebige
Auflage, daß die bei der keramischen Fertigung unvermeidlichen Ungenauigkeiten ausgeglichen
werden, die sonst zu örtlichen mechanischen überbeanspruchungen führen könnten.
Außerdem bietet der Ring die Möglichkeit, die Platten in einem solchen Abstand voneinander
zu halten, daß die Anschlußstellen der Kontaktorgane räumlich einwandfrei untergebracht
werden können. Vorteilhaft werden der Drahtring und der äußere Kontaktanschluß aus
Runddraht hergestellt. In mechanischer Hinsicht bietet der Runddraht insofern Vorteile,
als die zunächst nur linienförmigen Berührungsstellen zwischen Kondensatorplatte
und Drahtring Formänderungsmöglichkeiten bieten, die zum Ausgleich von Ungenauigkeiten
beim Zusammenbau ausgenutzt werden können. In elektrischer Beziehung verhindert
der Runddraht zu starke Feldkonzentration und damit frühzeitig auftretende Glimmerscheinungen.
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In solchen Anwendungsfällen, bei denen man für die Kondensatorplatten
keramische Werkstoffe mit verhältnismäßig geringer Dielektrizitätskonstante (etwa
io oder niedriger) verwendet, kann man mit Vorteil den Drahtring außerhalb der Belegungsränder
anordnen. Da dann zwischen Belegung und Drahtring kein Potentialunterschied auftritt,
so stellt sich an den scharf begrenzten Belegungsrändern keine Feldkonzentration
ein, und damit zeigen sich an diesen keine Glimmerscheinungen. An dem als Runddraht
ausgebildeten Drahtring tritt Feldkonzentration nach Maßgabe der vorhandenen Krümmungsradien
in viel geringerem Maße auf; dadurch, daß sich zwischen Drahtring und Dielektrikum,
abgesehen von der Auf-
lagestelle selbst, eine Luftschicht befindet, treten
infolge des Mehrschichteneffektes höhere Spannungen an der Luftschicht auf. Bei
keramischen Dielektriken kleiner Dielektrizitätskonstante läßt sich jedoch der Mehrschichteneffekt
mit einfachen Mitteln beherrschen. Eine Möglichkeit besteht unter anderem darin,
daß der Drahtring und der innerhalb des elektrischen Feldes verlaufende Teil des
Anschlußkontaktdrahtes mit einer lufteinschlußfrei aufsitzenden Isolierschicht überzogen
werden, deren Dielektrizitätskonstante größer als i ist und deren Durchschlagsfestigkeit
größer als die von Luft ist. Eine weitere Verringerung des Mehrschichteneffektes
kann man dadurch erzielen, daß die zwischen den Drahtrundungen und der Plattenebene
vorhandenen Luftzwischenräume mit Isolierstoff ausgefüllt werden, dessen Dielektrizitätskonstante
größer als i und dessen Durchschlagsfestigkeit größer als die von Luft ist.
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Bei Verwendung von keramischem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante
(über io) ist der Mehrschichteneffekt bei der Anordnung der Drahtringe zu berücksichtigen.
Man schaltet ihn erfindungsgemäß dadurch aus, daß man den Drahtring innerhalb der
Belegungsränder aufliegend anordnet. Der dadurch in Erscheinung tretende Randeffekt
kann dadurch herabgesetzt werden, daß man die Randzone der Belegungen und die anschließenden
belegungsfreien Ringzonen der Platten mit einer lufteinschlußfrei aufsitzenden Isolierstoffschicht
überzieht, deren Dielektrizitätskonstante größer als i und deren, %rchschlagsfestigkeit
größer als die von Luft ist. Außerdem überzieht man hierbei vorteilhaft den innerhalb
des elektrischen Feldes verlaufenden Teil des Anschlußkontaktdrahtes mit einer lufteinschlußfrei
aufsitzenden Isolierschicht, um die an den größeren Krümmungsradien, wenn auch in
geringerem Maß möglichen Glimmerscheinungen auszuschalten. Zur weiteren Herabsetzung
der Feldkonzentration und zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit ordnet man nach,einem
weiteren Merkmal der Erfindung außerhalb des Drahtringes im freien Raum zwischen
den Platten oder sogar darüber hinausgehend Ringscheiben aus festem Isolierstoff
höherer Dielektrizitätskonstante als i und größerer Durchschlagsfestigkeit als Luft
an. Um zu erreichen, daß die Luftschichten zwischen den Isolierstoffscheiben möglichst
klein werden, empfiehlt es sich, die Gesamtstärke der Ringscheiben zwischen
je zwei Platten größer zu
wählen als die Höhe des zwischen
den zugehörigen Platten befindlichen Drahtringes. Dabei benutzt man für die Durchführung
des Kontaktanschlußdrahtes eine offene Kreisringscheibe, deren Stärke geringer ist
als die des Kontaktanschlußdrahtes, um Luftschichten zwischen Anschlußkontaktdraht
und Isolierstoffscheibe weitgehend zu verkleinern.
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Alle vorbeschriebenen Kondensatoraufbauten können unter
öl verwendet werden. Die Isolierstoffschichten verhindern dabei die Ausbildung
von leitenden Brücken (Faser- und Feuchtigkeitsbrücken), die sich erfahrungsgemäß
sonst nach längererBetriebszeit bei unreinem, feuchtemÖlzeigen.
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Der auf der obersten Platte aufliegende Drahtring dient nicht zur
Kontaktierung, sondern wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zum Zusammenhalt
des Plattenstapels herangezogen. Auf den Drahtring wird eine Isolierstoffscheibe
aufgelegt, auf die Schraubkräfte wirken, die dann unter Eigenfederung der Isolierstoffscheibe
auf den Plattenstapel übertragen werden.
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Auf diese Weise bietet der Drahtring die Mög-
lichkeit, eine
harte Federung auszubilden, bei der die Federeinstellung gegenüber dem Plattenstapel
isoliert ist und bei der der Federweg räumlich günstig in dem durch den Drahtring
gegebenen Hohlraum liegt.
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Ganz besondere Bedeutung kommt dem Drahtring gemäß der Erfindung bei
der Herstellung der Plattenstapel zu. Erfahrungsgemäß bereitet es große Schwierigkeiten,
zwischen eng aneinanderliegenden Platten Kontaktorgane, z. B. durch Lötung, anzubringen.
Der Drahtring mit den nachgiebigen Kontaktorganen hat den Vorteil, daß sich die
Platten während des Befestigungsvorganges, z. B. Lötung, so weit voneinander entfernen
lassen, daß die Verbindungsarbeit ohne Schwierigkeit ausgeführt werden kann. Trotzdem
ist nach Rückbiegung die endgültige Lage der Platten zueinander gewährleistet. Man
geht dabei so vor, daß nach Anlöten od. dgl. eines Kontaktorgans an die Belegung
einer Platte der Drahtring und das noch freie Kontaktorgan des Drahtringes abgebogen
werden. Das freie Kontaktorgan wird dann an der Belegung der nächsten Platte angelötet
oder entsprechend leitend verbunden und befestigt, worauf die zweite Platte mit
dem Ring in eine zur ersten Platte parallele und achsmittige Lage gebracht wird.
Diese Arbeitsweise wiederholt sich fortlaufend bei den weiteren Platten.
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Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung zeigt die Zeichnung,
und zwar Abb. i die Draufsicht auf eine Kondensatorplatte mit dem Drahtring, Abb.
2 den Teil eines Schnittes durch zwei Kondensatorplatten im vergrößerten Maßstab,
Abb. 3, 4 und 5 gleiche Schnittfiguren wie Abb. 2, jedoch von anderen
Ausführungsformen, Abb. 6 die Isolierstoffederplatte auf dem Stapel in schematischer
Darstellung und Abb. 7 einen Schnitt durch den Kondensatorstapel während
des Zusammenbaues mit oberster abgeklappter Platte. Die Kondensatorplatte a aus
einem keramischen Dielektrikum hat kreisförmige Gestalt und weist keinerlei Vorsprünge
in der Mitte oder am Rand auf. Auf ihr sind beiderseits Metallbelegungen
b
nach einer der bekannten Metallisierungsmethoden aufgebracht. Der Drahtring
c besteht vorzugsweise aus einem Runddraht aus duktilem Metall, z. B. aus Kupfer.
Auch der Kontaktanschlußdraht d wird aus einem solchen Runddraht gebildet.
Die nachgiebigen Kontaktorgane e verlaufen vom Befestigungsendef aus auf Sehnen
des Drahtringes bis wieder in dessen Nähe parallel zueinander. Das eine Kontaktorgan
e ist beispielsweise durch Verlöten mit der Belegung b einer Kondensatorplatte
a leitend und fest verbunden, während das andere Kontaktorgan e mit der Belegung
b der nachfolgenden Kondensatorplatte a leitend und fest verbunden ist (vgl.
Abb. 7).
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Die Abb. :2 zeigt Teile zweier Kondensatorplatten a aus einem keramischen
Werkstoff mit niedriger Dielektrizitätskonstante, bei denen der Drahtring c außerhalb
der Ränder der Belegungen b unmittelbar an den Kondensatorplatten a anliegt.
Um hier die Glimmerscheinungen infolge des Rand- und des Mehrschichteneffektes in
den hier betrachteten Spannungsbereichen auszuschließen, ist der Drahtring c mit
einer * Isolierlackschicht g überzogen. Um insbesondere das infolge
des Mehrschichteneffektes auftretende Glimmen zu verhinderni sind außerdem die Luftzwischenräume
h zwischen den Drahtrundungen und den Plattenebenen mit Isolierstoff, beispielsweise
Isolierlack, ausgefüllt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 handelt es sich um
Kondensatorplatten a aus einem keramischen Werkstoff hoher Dielektrizitätskonstante,
bei welchen der Drahtring c innerhalb der Ränder der Belegungen b aufliegt.
Hier gilt es, das Glimmen infolge des Randeffektes auszuschließen. Man erreicht
dies durch überziehen der Randzone der Belegungen b und der anschließenden
belegungsfreien Ringzone der Kondensatorplatten a mit einer Isolierstoffschicht
i, die beispielsweise durch Aufbringen von Isolierlack hergestellt wird. Dabei ist
es dann noch notwendig, den Kontaktanschlußdraht d glimmsicher auszubilden.
Ein Mittel, die Glimmeinsatzspannung zu erhöhen, ist dabei das Aufbringen einer
Isolierstoffschicht k auf dem Teil des Kontaktanschlußdrahtes d, der innerhalb
des elektrischen Feldes verläuft.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 wird die Glimmeinsatzspannung
dadurch erhöht, daß in das Randfeld der Kondensatorplatten a Ringscheiben
1 und m aus festem Isolierstoff, beispielsweise Hartpapier, eingelegt werden.
Um Luftschichten zwischen diesen Isolierstoffscheiben weitgehend zu vermeiden, wird
die Gesamtdicke der drei Schichten so bemessen, daß sie beim Zusammendrücken des
Stapels eher zur Anlage kommen als die Drahtringe c. Um dabei zu erreichen, daß
möglichst keine Luftspalte zwischen dem Kontaktanschlußdraht d und den beiden äußeren
Isolierstoffscheiben 1 entstehen, ist die mittlere Scheibe m, die als offene
Kreisringscheibe
ausgebildet ist, um dein Kontaktanschlußdraht d einen Durchtritt zu geben,
etwas dünner zu bemessen als der Durchmesser des Drahtes d.
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Die Ausführungsforin gemäß Abb. 5 ist aus der der Abb.:2 hervorgegangen.
Bei ihr ist der Zwischenraum zwischen den beiden Kondensatorplatten außerhalb des
Drahtringes aus dem gleichen Grund, wie bei Abb. 4 geschildert, mit Isolierstoffscheiben
1
und m zur Heraufsetzung der Glimmeinsatzspannung auch bei Anwendung von
Dielektriken niedrigerer Dielektrizitätskonstante ausgefüllt.
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In Abb. 6 sieht man das Schema des oberen Teiles eines zusammengebauten
Stapelkondensators, bei dem auf dein obersten Dralitring c die federnde Isolierstoffscheibe
it aufliegt. Sie ist z. B. durch den Druck einer Schraube o auf den Stapel gepreßt
und biegt sich in das Innere des Drahtringes c durch, wobei die Schraubkraft federnd
auf den Stapel übertragen wird.
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Der Zusammenbau eines Kondensatorstapels gemäß der Erfindung sei an
Hand der Abb. 7 erläutert. Zunächst wird der Drahtring c auf einer einzelnen
Kondensatorplatte a, die die nächste Platte des Stapels bilden soll, mit dem Kontaktorgan
ei in der richtigen Lage festgelötet. Dann wird die Platte mit dem Drahtring
c dem Kondensatorstapel zugewandt aufgelegt, mit einem z. B. spitzen Gegenstand
das noch nicht angelötete Kontaktorgan e2 auf der bisher obersten Platte des Kondensatorstapels
festgehalten, die aufgelegte, nunmehr oberste Kondensatorplatte mit dem Drahtring
c nach oben gebogen und dann die Verlötung :des Kontaktorgans e, vorgenommen.
Nach dem Zurückbiegen der Platte befindet sich diese sowohl wie der Drahtring in
paralleler und achsmittiger Lage zu den übrigen Platten des Kondensatorstapels.
Auch der Austausch etwa schadhaft gewordener Platten läßt sich in der beschriebenen
Weise durchführen, ohne daß der gesamte Stapel auseinandergebaut werden muß.