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Elektrischer Kondensator mit Belegungen, die durch eine Mehrzahl dielektrischer
Schichten voneinander getrennt sind Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kondensatoren,
im speziellen auf einen neuen und verbesserten elektrischen Kondensator, der insbesondere
durch eine hohe Isolierwiderstandsfähigkeit und eine lange Lebensdauer gekennzeichnet
ist.
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Der Kondensator besteht aus miteinander zusammenwirkenden Kondensatorbelägen,
die mit Hilfe. mehrerer dazwischen angeordneter Schichten aus dielektrischem Material
in einem festen Abstandsverhältnis gehalten werden, wobei dieses dielektrische Zwischenmaterial
mit einer Flüssigkeit oder einem harzartigen Imprägniermittel imprägniert ist. Erfindungsgemäß
besteht nun mindestens eine dieser dielektrischen Schichten aus einer dünnen Folie
von polymerem Terephthalsäureester, vorzugsweise einem Polymethylengl.ykoles,ter.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn mindestens eine, vorzugsweise
zwei Schichten des dielektrischen Zwischenmaterials aus Papier bestehen und im letzteren
Fall dann an jeder Seite der Terephthalsäureesterharzschicht eine Papierschicht
angeordnet ist.
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Es wurde nun festgestellt, daß flüssigkeitsgefüllte Kondensatoren,
die eine kombinierte dielektrische Zwischenschicht enthalten und aus mindestens
einer Papierschicht und mindestens einer Schicht aus polymerem Terephthalsäurepolyester
bestehen, einen wesentlich höheren Isolierwiderstand und bei angelegter
Spannung
eine wesentlich längere Lebensdauer besitzen als die üblichen Kondensatoren, bei
denen das Zwischenmaterial nur aus Papier besteht. Weiterhin ergibt sich aus der
Kombination von flüssigkeitsimprägniertem Papier mit dem besonderen Kunststoffilm
ein Kondensator, der einen niedrigeren Leistungsfaktor bei erhöhten Temperaturen,
eine höhere Grenzspannung hinsichtlich Glimmentladung und eine flachere Kapazitätstemperaturkurve
aufweist als ein entsprechend imprägnierter Kondensator, der nur den Terephthalesterfilm
als dielektrisches Zwischenmittel besitzt. Kondensatoren, die das zusammengesetzte
Dielektrikum gemäß der Erfindung besitzen, weisen einen höheren Isolierwiderstand
auf, wenn sie mit irgendeinem der üblichen Harzimprägniermittel von der Art der
lösungsmittelfreienLacke imprägniert sind. Sie werden plötzlichen Temperaturunterschieden
stets viel besser widerstehen als Kondensatoren mit entsprechend imprägniertem reinen
Papierdielektrikum. -Wenn auch die Erfindung nicht auf irgendeine besondere Kondensatorform
beschränkt ist, so soll sie der Einfachheit halber unter Bezugnahme auf die bekannten
Rollkondensatoren beschrieben werden. In der Zeichnung stellt Fig. i eine perspektivische
Ansicht eines zum Teil ungewickelten Rollkondensatoraufbaus dar, und Fig. 2 zeigt
das Äußere eines Kondensators der in Fig.i gezeigten Art nach Einbau in einen Metallbehälter.
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Die Kondensatoren gemäß der Erfindung werden in der üblichen Art zusammengesetzt,
mit Ausnahme des für das dielektrische Zwischenmittel verwendeten Materials. Wie
in Fig. i der Zeichnung gezeigt, kann der Aufbau in der Weise durchgeführt werden,
daß man Streifen i und 2 von Metallfolien, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Tantal usw.,
aufwickelt, wobei dazwischen ein Dielektrikum oder Zwischenmaterial angeordnet wird,
das sich aus einer Mehrzahl von Schichten zusammensetzt, wovon mindestens eine aus
Papier und mindestens eine andere aus polymerem Terephthalsäureester besteht. Bei
der gezeigten Ausführungsform besteht das Zwischenmaterial aus zwei Schichten von
Papier 3 und einer dazwischenliegenden Schicht aus Terephthalpolyesterfilm 4, wobei
die Papierschichten, welche zu diesem zusammengesetzten Dielektrikum gehören, in
direktem Kontakt mit den Metallbelegungen stehen. Wenn auch angenommen wird, daß
dies die bevorzugte Anordnung für das Zwischenmaterial darstellt, ist die Erfindung
doch nicht darauf beschränkt. Die Gegenwart von mindestens einem Blatt Papier in
der kombinierten dielektrischen Zwischenschicht hilft bei der anschließenden Imprägnierung
des zusammengebauten Kondensators und soll, wenn nur eine Papierschicht verwendet
wird, mit einer der Belegungen i oder 2 in Berührung stehen.
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Der elektrische Kontakt mit den Kondensatorbelägen kann über die Ansdlilußstreifen
5 und 6, deren eines Ende aus einer Seite des Rollkondensatorblocks herausragt,
durchgeführt werden. Die Anschlußstreifen können gegebenenfalls an die Beläge aufgeschweißt
werden, um einen besseren Kontakt zu ergeben, und die unteren Teile der Streifen
5 und 6 können, wie in der Zeichnung bei 7 angedeutet, vergrößert werden, um eine
größere Berührungsfläche mit der mit ihnen jeweils in Verbindung stehenden Belegung
zu ergeben.
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Obwohl eine beträchtliche Freiheit in der Wahl des Papieranteils des
dielektrischen Zwischenmaterials gestattet ist, werden doch Leinen- oder N atrönzellstoff-
(Kraft-) Korndensatorpapiere mit einer Dicke, die nicht größer als o,o25 mm, vorzugsweise
etwa o,oo75 mm ist, vorgezogen.
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Das harzartige Material, das den Film oder die Schicht 4 darstellt,
wird in dem USA.-Patent 2 465 3I9 beschrieben. Dieses Kunstharz ist ein linearer
hochpolymerisierter Ester von Terephthalsäure und einem 2 bis etwa io Kohlenstoffatome
enthaltenden Polymethylenglykol, wie z. B. Äthylenglykol, Trimethylenglykol, Hexamethylenglykol
od. dgl. Vorzugsweise setzt sich der plastische Film aus einem hochmolekularen polymeren
Polyester zusammen, der durch Reaktion von Äthylenglykol mit Terephthalsäure in
einem Verhältnis von mindestens einem molaren Anteil Glykol je- Anteil Terephthalsäu.re
erhalten wird. Die aus dieser harzartigen Masse bestehenden dünnen Filme können
bis zu einem Maß von ungefähr o,oo64 mm erhalten werden. Sie sind zähe, gegenüber
vielen Chemikalien resistent und bis zu Temperaturen von über 5o° stabil. Diese
Filme besitzen außerordentlich wenig stromleitende Teilchen, wie sie in den üblichen
Kondensatorpapieren vorhanden sind, und sind daher für dielektrische Zwischenlagen
ganz besonders geeignet. Sowohl hinsichtlich ihrer thermischen als auch ihrer chemischen
Stabilität sind die Filme aus Polymethylenterephthalatharz anderen bisher für Kondensator-Dielektrika
verwendeten Harzfilmen überlegere, einschließlich solchen, die aus Celluloseacetat,
Polystyrol u. dgl. bestehen.
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Vor dem Imprägnieren wird der aus Metallbelegungen und Zwischenlagen
zusammengesetzte Block gewöhnlich in einen Metallbehälter, wie z. B. den in Fig.
2 gezeigten Behälter io, eingesetzt und die Abdeckplatte i i luftdicht auf dem Behälter
angebracht. Bevor die Abdeckplatte auf den Behälter gelötet wird, werden die Kontaktanschlußstreifen
5 bzw: 6 mit den Polklemmen 12 und 13 verbunden, die durch die Abdeckplatte i i
hindurchgehen und von ihr isoliert sind. Um das Austreten von Feuchtigkeit aus dem
Kondensatorblock und die Einführung des Imprägniermittels zu ermöglichen, ist in
der Abdeckplatte i i eine kleine Öffnung 14 vorgesehen.
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Bevor man nun imprägniert, werden die Kondensatorblöcke normalerweise
im Vakuum getrocknet, um restliche Feuchtigkeit zu entfernen. Die Trokkentemperatur
wird von den Trocknungsbedingungen abhängen; liegt jedoch meistens bei 6o bis i5o°.
Bei zu geringer Temperatur wird die Trockendauer zu lang, während eine zu hohe Temperatur
Zersetzung
des Papieranteils der dielektrischen Zwischenlage hervorrufen kann.
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Das flüssige Imprägniermittel wird in den Kondensatorblock durch die
Öffnung 14 eingeführt, wobei der getrocknete Block noch unter Vakuum gehalten wird.
Es wird genügend Imprägniermittel eingefüllt, um den Behälter vollständig aufzufüllen.
Der Druck wird dann auf Atmosphärendruck erhöht und der Kondensatorblock stehengelassen,
um ein völliges Durchdringen des flüssigen Imprägniermittels zu erlauben.
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Nach dem Imprägnieren kann man die Kondensatoreinheit mittels einer
bestimmten Menge eines geeigneten Lotes äuf die Öffnung 14 verschließen. Wenn das
Imprägniermittel ein polymerisierbares Harzmaterial ist, wird der Kondensatorblock
anschließend erhitzt, um die Polymerisierung und Verfestigung dieses Materials zu
erreichen.
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Es kann eine der bekannten flüssigen bzw. verharzenden Imprägniersubstanzen
verwendet werden. Beispiele von geeigneten Imprägniermitteln, welche während der.
gesamten Lebensdauer des Kondensators flüssig bleiben, sind Mineralöl, Baumwollsamenöl,
verschiedene Siliconöle, d. h. flüssige hochmolekulare Organopolysiloxane, die ungefähr
zwei organische Gruppen je Siliciumatom enthalten, sowie die polymerisierten Butene
und die verschiedenen halogenierten aromatischen Köhlenwasserstoffverbindungen.
Beispiele solcher halogenierten aromatischen Verbindungen sind die chlorierten Diphenyle,
die chlorierten Diphenylketone, Pentachlornitrodiphenyl und seine Alkylderivate,
chloriertes Benzol und chlorierte Benzolderivate u. dgl.
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Die verharzenden Imprägniermittel, die hierfür verwendet werden können,
sind die sogenannten lösungsmittelfreien Lackarten, welche die Einführung des Imprägniermittels
in den Kondensator in Form einer Flüssigkeit und anschließend deren Umwandlung in
situ in einen festen Zustand ohne Freiwerden von Wasser oder irgendeinem gasartigen
Bestandteil ermöglichen. Beispiele von diesen lösungsmittelfreien Lackimprägniermitteln
sind Styrollösungen von polymerem Styrol in monomerem Styrol, Lösungen von polymerisiertem
a-Methylstyrol in monomerem Styrol, mit oder ohne Zusatz geringer Mengen von Divinylbenzol,
Polyisobutylen und dessen harzartigen Produkten sowie flüssigen polymerisierten
Diallylphthalatharzen. Alle diese lösungsmittelfreien Lacke sind dadurch charakterisiert,
daß sämtliche Bestandteile, mit der möglichen Ausnahme irgendwelcher in geringen
Mengen vorhandener Härtungsmittel oder Beschleuniger, polymerisierbare Gruppen enthalten,
d. h. organische Gruppen, welche C H2 = C H-Reste enthalten, wie z. B. Vinyl- oder
Allylreste, wodurch das flüssige Imprägniermittel in den festen Zustand übergeführt
werden kann, ohne daß hierbei irgendwelche wäßrigen oder gasförmigen Nebenprodukte
frei werden. Ein vorzugsweise verwendetes Imprägniermittel setzt sich zusammen aus
25 bis 55 Gewichtsprozent flüssigem polymerisiertem a-Methylstyrol, 45 bis 65 Gewichtsprozent
monomerem Styrol und etwa 0,5 bis 1o Gewichtsprozent Divinylbenzol. Dieses polymerisierbare
Gemisch wird wegen seiner Temperaturwiderstandsfähigkeit und seiner hitzehärtenden
Eigenschaften vorgezogen.
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Bei Temperaturen von 85° und darüber besitzen die Kondensatoren, die
das kombinierte Zwischenmaterial gemäß der Erfindung enthalten, eine außerordentliche
Stabilität, welche die der bekannten, lediglich Papier als Zwischenmaterial aufweisenden
Kondensatoren übertrifft. Es wurden eine Anzahl von Kondensatoren hergestellt, bei
denen die dielektrische Zwischenlage aus einer Schicht Terephthalsäureesterpolymer,
das durch Reaktion von Äthylenglykol mit Terephthalsäure erhalten worden war, und
zwei Schichten aus Kraft-PapieT bestand. Die Terephthalesterschicht besaß eine Dicke
von o,oo64 mm und war zwischen den beiden Papierschichten, von denen jede eine Dicke
von 0,o1 mm aufwies, angeordnet. Einige Kondensatoren wurden ohne Imprägnierung
geprüft, während die anderen mit verschiedenen bekannten Flüssigkeiten oder flüssigen
Imprägniermitteln imprägniert wurden.
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Kondensatoreinheiten, die für jede Art charakteristisch waren, wurden
auf die Grenzspannung, bei der Glimmentladung einsetzt, geprüft. Im Falle der unbehandelten
Kondensatoren betrug die Glimmspannung 420 Volt, während der gleiche Kondensatortyp,
der mit Mineralöl imprägniert worden war, eine Anfangsglimmspannung von 1200 Volt
aufwies. Bei einem mit Baumwollsamenöl imprägnierten Kondensator setzte die Glimmentladung
bei einer Spannung von 190o Volt ein.
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Kondensatoren der gleichen Serien wurden auch einer Dauerprüfung bei
einer angelegten Gleichspannung von looo Volt und einer Temperatur von 1z5° unterworfen.
Bei dieser Untersuchung wurden die Kondensatoren abwechselnd bei z5 und 125' geprüft.
Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in Tabelle I aufgeführt.
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Die Kapazität und der Leistungsfaktor wurden mit einer Wechselspannung
von 1l0 Volt und 6o Perioden gemessen. Die Isolierwiderstandswerte wurden nach 1
Minute langem Anlegen von 50o Vblt gemessen und kennzeichnen die Kapazität multipliziert
mit dem Isolierwiderstand der dielektrischen Zwischenschicht (imprägniert bzw. nicht
imprägniert).
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Während der Dauerprüfung der zwei unbehandelten Kondensatoren versagte
einer nach 1164 Stunden, der andere nach 5817 Stunden; somit ergab sich ein Mittelwert
von 3490 Stunden. Im Falle der mit Mineralöl imprägnierten Kondensatoren versagte
einer nach 3133 Stunden, der nächste nach 6925 Stunden, während die dritte Einheit
noch bei 7300 Stunden Betriebsdauer intakt war. Einer der beiden mit Baumwollsamenöl
imprägnierten Kondensatoren versagte nach 1812 Stunden, der zweite nach 2729 Stunden;
somit ergab sich ein Mittelwert von 2270 Stunden. Die siliconölimprägnierten
Kondensatoren versagten beide unter 1400 Stunden bei einer Durchschnittslebensdauer
von 1200 Stunden. Diese Lebensdauer ist jedoch zehnmal größer als die, welche mit
Kondensatoren
erhalten wird, die nur mit dem gleichen Siliconöl
imprägniertes Papier als Zwischenlage aufwiesen.
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Bei der zweiten Prüfreihe zur Bestimmung des Einflusses des Papierbestandteils
der Zwischenlage wurden eine Anzahl Kondensatoren, bei denen die Zwischenschicht
lediglich aus zwei Schichten Terephthalatpolyester mit einer Gesamtdicke von 0,o25
mm bestand, den gleichen Dauerprüfungen bei looo Volt Gleichspannung unterworfen.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle II aufgeführt.
| Tabelle I |
| Zwisdhenlage: zwei Schichten, Papier, eine Schicht Kunstharzfolie |
| Gesamtdicke: 0,o26 mm |
| Zeit - Kapazität (MF) % Isolier- |
| Imprägniermittel Leistungs- widerstand |
| Std. bei 25° I bei i25° faktor x25° (MP X MF) |
| Ohne . . . . . . . . . . . . . . . o o,679 0,734 o,64
51,8 |
| . |
| 3I94 0,69o 0,735 0,52 I02 |
| Mineralöl ........... o . 1,04 1,o6 0,74 53 |
| 3I94 I,03 =,=o I,84 27 |
| . - 6034 I,03 I,09 2,88 43 |
| Methylsiliconöl ...... o =,I3 1,12 0,75 63 |
| . 935 1,12 - 1.14 0,85 51 |
| Baumwollsamenöl.... 0 1,17 1,17 o,84 19,7 |
| 935 1,17 1,17 1,85 24 |
| Tabelle II |
| Zwischenlage: zwei Schichten Kunstharzfolie |
| Gesamtdicke: 0,025 mm |
| Zeit Kapazität (MF) Isolier- |
| Imprägniermittel Leistungs- widerstand |
| Std. bei 25° I bei r25° faktor z25° (M42 X MF) |
| Ohne . . . .-. . . . . . . . . . . 0 0,405 0,453 1,5 756 |
| 6034 0,391 0,420 1,14 408o |
| Mineralöl ........... 0 0,430 o,478 1,52 189 |
| 6034 0,395 0437 2,17 1410 |
| Siliconöl............ o 0,445 0,490 1.56 273 |
| 6034 o,398 0,426 1,23 206o |
Obwohl diese Kondensatoren einen hohen Isolierwiderstand besitzen, waren die Spannungen,
bei denen Glimmentladung einsetzte, bei den flüssigkeitsgefüllten Kondensatoren
dieser Reihen wesentlich niedriger als die, welche mit den. flüssigkeitsgefüllten
Kondensatoren erhalten wurden, die das kombinierte Papier-Polyester-Zwischenmaterial
enthielten. Der höchste Wert in -dieser Serie betrug 90o Volt und wurde mit dem
mineralölgefüllten Kondensator, welcher zwei Schichten Polyesterfilm besaß, erhalten.
Bei der Betrachtung der Kapazitätswerte wird man erkennen können, daß bei den Kondensatoren
der Tabelle II in sämtlichen Fällen die Zunahme der Kapazität zwischen 25 und -125o
ungefähr roo/o betrug, während die imprägnierten Kondensatoren der Tabelle I, die
Papier als Teil ihres Zwischenmaterials enthielten, praktisch keine Kapazitätsänderung
bei Wechsel der Temperatur zeigten. Darüber hinaus ließen die nur Kunstharzfilme
als Zwischenschichten enthaltenden Kondensatoren eine dauernde Abnahme .der Kapazität
im Verlaufe der Dauerprüfung erkennen, während die Kapazitäten der imprägnierten
Kondensatoren der Tabelle I im wesentlichen unverändert blieben.
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Die Vorteile der erfindungsgemäß aufgebauten Kondensatoren werden
insbesondere dann deutlich, wenn sie mit den üblichen imprägnierten Kondensatoren
verglichen werden, die eine Mehrzahl von Schichten aus Kraft-Papier als einziges
dielektrisches Zwischenmaterial aufweisen. Aus den Ergebnissen der Dauerprüfungen
bei r25° und looo Volt
Gleichspannung dieser Kondensatoren, wie
sie in Tabelle III angeführt sind, ist zu sehen, daß die nur Papierzwischenschichten
enthaltenden Kondensatoren eine deutliche Abnahme des Isolierwiderstands und eine
Zunahme des Leistungsfaktors während der Prüfdauer zeigen.
| Tabelle III |
| Zwischenlage: drei Schichten Papier, |
| insgesamt 0,03 mm |
| zeit Kapazität (MF) Isolier- |
| Imprägniermittel Leistungs- widerstand |
| Std. bei r25° faktor i25° (MD )( MF) |
| Mineralöl ........... 0 0,72 0.43 51 |
| 2171 o,8o 4,3 18 |
| 3151 o,82 6,8 4,7 |
| Baumwollsamenöl.... o o,83 0,51 919 |
| 2164 1,05 9,5 2,4 |
| 75 0% Pentachlordi- |
| phenyl und 25 % Tri- |
| chlorbenzol........ 0 1,00 0,70 7,9 |
Bei dieser Untersuchungsreihe (Tabelle III) versagten die Mineralölkondensatoren,
von denen drei geprüft wurden, bei 2o46,
2263 und
2,503 Stunden, bei
einem Mittelwert von 227I Stunden. Von den drei mit Baumwollsamenöl imprägnierten
Einheiten versagte eine bei 3136 Stunden, während die beiden anderen noch bei 4700
Stunden zufriedenstellend arbeiteten. Die mit Pentachlordiphenyl-Trichlorbenzol-Gemisch
imprägnierten Einheiten versagten alle in weniger als Zoo Stunden, bei einer Durchschnittslebensdauer
von 169 Stunden für diese drei Kondensatoreinheiten. Ein Kondensator dagegen, der
eine Zwischenschicht enthielt, die sich aus einer Schicht Terephthalpolyester zwischen
zwei Papierschichten zusammensetzte und mit dem gleichen Gemisch imprägniert war,
besaß eine Lebensdauer von iolo Stunden.
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Harzimprägnierte Kondensatoren, bei denen die Zwischenlage aus mindestens
einer Papierschicht und einerTerephthalatpolyesterharzschicht bestand, waren hinsichtlich
ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen anderen überlegen,
d. h. die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmeschwankung zwischen der erhöhten und
der unternormalen Temperatur blieb ohne Einbuße erhalten. So versagten z. B. die
üblichen harzimprägnierten Kondensatoren, bei denen die Zwischenlage aus mehreren
Papierschichten bestand, hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften bei der Prüfspannung,
d. h. bei Spannungen, die 1a5 % über der Arbeitsspannung lagen, nachdem sie ein-
bis zehnmal den Schwankungen zwischen -55 und 85° unterworfen worden waren. Andererseits
widerstanden bei der gleichen Untersuchung die mit Harz imprägnierten Kondensatoren,
welche eine Kombination aus Papier und Terephthalatpolyester als Zwischenlage oder
nur eine Terephthalatpolyester-Zwischenlage enthielten, mindestens 50 solcher
Wechsel. Dieses Merkmal der Kondensatoren nach der Erfindung ,ist insbesondere in
Verbindung mit Harzen oder Imprägnierstoffen von Vorteil, die einen hohen Gießpunkt
aufweisen, d.'h. irgendeinem Imprägniermittel, das bei Zimmertemperatur oder darunter
fest ist.
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Ein besonders geeigneter Kondensator der harzimprägnierten Art ist
der, welcher eine oder zwei Schichten Papier und eine Schicht Terephthalatharzfolie
als Zwischenlage, imprägniert mit einem in situ polymerisierten Produkt einer Mischung
aus Styrol, flüssigem polymerisiertem a-Methylstyrol und Divinylbenzol, enthält.
Diese drei Bestandteile werden vorzugsweise im Verhältnis von ungefähr 56 Gewichtsprozent
monomerem Styrol, 41,5 Gewichtsprozent flüssigem polymerisiertem a-Methylstyrol
und etwa 2,5 Gewichtsprozent Divinylbenzol verwendet. Wie bereits dargelegt, wird
das flüssige Material, das eine Lösung des polymeren a-Methylstyrols in, dem monomeren
Styrol und Divinylbenzol sein muß, in den Kondensator eingefüllt, worauf der Kondensator
erhitzt wird, damit die Polymerisation des Materials einsetzt. Die Kondensatoren
dieser Art, die als Zwischenlage eine Schicht aus dünner Harzfolie zwischen zwei
Schichten aus Kraft-Papier enthalten, besitzen, wenn sie bei I25° geprüft werden,
eine Kapazität von etwa 2,4 Microfarad (MF), einen Leistungsfaktor von ungefähr
o,82% und einen Isolierwiderstandswert von etwa 29o (Megohm X Microfarad). Sie sind
widerstandsfähig gegen, extreme Temperaturwechsel und widerstehen mindestens 5o
Temperaturwechseln zwischen -55 und -I-85°, ohne zu versagen.
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Aus der Beschreibung wird klar hervorgegangen sein, daß im Einklang
mit der Erfindung stabile Kondensatoren hergestellt werden können, die einen hohen
Isolierwert, eine lange Lebensdauer und andere erwünschte Eigenschaften besitzen,
die man bei den Kondensatoren mit üblicherweise zusammengesetztem Dielektrikum nicht
in dem Maße oder überhaupt nicht findet.