DE1640188A1

DE1640188A1 - Dielektrikum auf Polyolefinbasis

Info

Publication number: DE1640188A1
Application number: DE19661640188
Authority: DE
Inventors: E B Cox
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-11-18
Filing date: 1966-11-17
Publication date: 1972-03-02
Also published as: YU86969A; FI50916B; AT315984B; DE1640188C3; FI50916C; NL163048C; ES345875A1; NL6616148A; NO119544B; DE1790253A1; SE355689B; FR1502221A; CH526850A; NO119544C; NL163048B; SE7400554L; GB1169038A; DK144745C; BE689829A; ES333462A1

Description

Dielektrikum auf Polyolefinbasis

Die Erfindung bezieht sich auf Dielektrika auf der Baals von imprägnierten organischen Kunststoffen, die eine lange Lebensdauer und eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, und im besonderen auf Wechgeis-tpj.om^onciensatoren, in denen derartige Dielektrika, insbesondere auf Polyolefinbasis verwendet sind.

Die heutigen elektrischen Geräte werden immer komplizierter und leistungsfähiger. Daher müssen auch an die Kondensatoren in solchen elektrischen Geräten immer höhere Anforderungen gestellt werden» So besteht beispielsweise ein Bedarf an Kondensatoren, die höheren Leistungen gewachsen sind,

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aber trotzdem kleiner und "billiger als die bisher bekannten Kondensatoren sein sollen. Kondensatoren, insbesondere Wechselstromkondensatoren mit höheren Durchschlagsfeldstärken sowie höheren Koronazünd- und löschspannungen sind besonders deswegen erwünscht, weil solche Kondensatoren viele Schwierigkeiten bei der Auslegung und dem Betrieb von elektrischen Geräten überwinden helfen und in vielem den Betrieb bereits vorhandener Geräte zuverlässiger gestalten.

Ziel der Erfindung ist daher ein Dielektrikum auf der Basis von imprägnierten Kunststoffen, das eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Die Koronazünd- und Lö seilspannung en dieses Dielektrikums sollen sehr hoch. sein. Weiterhin soll _m sich dieses Dielektrikum durch einen niedrigen Verlustfaktor auszeichnen. Dieses Dielektrikum soll sich sowohl als Wechselstromisolationsmaterial als auch als Zwischenschicht in Wechselstromkondensatoren verwenden lassen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Wechselstromkondensator für hohe Spannungen, der pro Volumeneinheit eine größere Kapazität als bisher bekannte Kondensatoren aufweist Dieser Kondensator soll eine feste dielektrische Zwischenschicht aufweisen, die besonders dünn ist, jedoch hohen Wechselspannungsbeanspruchungen Stand halten kann. Der Hauptbestandteil der dielektrischen Zwischenschicht soll eine Polyolefinfolie sein, die mit einem halogenierten Kohlenwasserstoff imprägniert ist. Die Polyolefinfolie soll eine Polypropylenfolie und der halogenierte Kohlenwasserstoff soll Trichlor-Diphenyl sein.

Es wurde gefunden, daß bestimmte Stoffkombinationen und Herstellungsverfahren auf einen Kondensator mit einem Dielektrikum auf der Basis von imprägniertem Kunststoff führt, der überraschend günstige elektrische Eigenschaften aufweist.

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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Kunststoff auf Polyolefinbasis wie beispielsweise Polypropylen mit einer halogenierten aromatischen Verbindung wie beispielsweise mit Trichlor-Diphenyl getränkt und als dielektrische Zwischenschicht in einem Kondensator verwendet. Weiterhin wurde gefunden, daß die eben genannten Stoffe und Materialien auf solche Weise aufeinander einwirken und zusammenwirken, daß eine Imprägnierung des Polyolefins zu Stande kommt, die die wichtigsten elektrischen Eigenschaften eines Kondensators wie Durchschlagsfeldstärke, I Koronazünd- und Löschspannungen, Lebensdauer unter Spannungsbeanspruchung und Verlustfaktor erheblich verbessert.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist ein vergrößerter Querschnitt einer praktisch vollständig imprägnierten dielektrischen Zwischenschicht für Kondensatoren auf Kunststoffbasis.

Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgewickelten Kondensatorwickels.

Figur 3 zeigt einen vollständigen Kondensator, der einen Wickelkern nach Figur 2 und ein Gehäuse aufweist.

Figur 4 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Kondensators, der als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht eine imprägnierte Kunststoff-Folie aufweist. Der Aufbau nach Figur 4- wird "ganzes sandwich" genannt.

Figur 5 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines anderen Kondensators, der als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht mehrere imprägnierte Kunststoff-Folien

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aufweist. Der Aufbau nach Figur 5 wird "invertiertes sandwich" genannt.

Figur 6 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines weiteren Kondensators, dessen dielektrische Zwischenschicht eineverhältnismäßig dicke imprägnierte Kunststoff-Folie aufweist. Der Aufbau nach Figur 6 wird "halbes sandwich" genannt.

Figur 7 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines abgewan-™ delten Kondensators, der nach Art eines "halben sandwich" aufgebaut ist und als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht mehrere imprägnierte Kunststoff-Folien aufweist.

Figut 8 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Kondensators, bei dem die dielektrische Zwischenschicht ausschließlich aus einer imprägnierten Kunststoff-Folie besteht.

In der Figur 1 ist eine dielektrische Zwischenschicht 10 dargestellt, die eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung ist. Diese dielektrische Zwischenschicht weist ein Stück aus einem festen Material 11 aus einem Polyolefin auf, fc in dem eine ganze Anzahl von kleinen Poren, Bläschen oder Öffnungen 12 vorhanden sind. Diese Poren oder Bläschen sind eine Eigentümlichkeit dieses Materials. Trotzdem wird dieses Material als "nicht porös" beschrieben, da, wenn überhaupt, dann nur sehr wenige Poren oder Bläschen von der einen Oberfläche bis zur anderen Oberfläche des Materials hindurchgehen, durch die hindurch die Imprägnierflüssigkeit nach der Erfindung von einer Seite zur anderen Seite der Zwischenschicht gelangen könnte. Das Polyolefin ist mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert, die einmal das Material selbst durchdringt und zum anderen diese Poren oder Bläschen ausfüllt. Das Ganze stellt dann ein kontinuxerliches, jedoch

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heterogenes dielektrisches System dar. Die Art der Imprägnierung, wie sie die Erfindung lehrt, führt zusammen mit den besonderen verwendeten Stoffen auf eine überraschende Kombinationswirkung, durch die die Durchschlagsfestigkeit bzw. die Durchschlagsfeldstärke der dielektrischen Zwischenschicht erhöht wird. Nach einem Gesichtspunkt wird die Isolationsfähigkeit des Kunststoffes durch die Imprägnierung des Kunststoffes mit einem Material mit einer Durchschlagsfestigkeit größer als die Luft in den Poren deswegen erhöht, weil die Imprägnier flüssigkeit in den Kunststoff ein- " dringt. Kondensatoren mit anderen als den hier beschriebenen imprägnierten Zwischenschichten, die aber ebenfalls imprägniert sind, sind in den US-Patentschriften 2 864 982 und 2 307 488 beschrieben.

Wenn man die dielektrische Zwischenschicht nach Figur 1 beispielsweise als Bestandteil eines Kondensators verwendet, so kann man überraschend gute Eigenschaften und Ergebnisse erzielen» Es sind zwar schon zahlreiche Stoffkombinationen zur Verwendung als dielektrische Zwischenschicht für Kondensatoren beschrieben worden, es hat sich aber gezeigt, daß es mit den bekannten Stoffkombinationen nicht möglich ( ist, bei einem Kondensator zu denjenigen Eigenschaften zu gelangen, die für die heutigen elektrischen Geräte gefordert werden. Die Stoffe, mit denen man erfindungsgemäß die besten Ergebnisse erzielt, sind Kunststoffe aus der Gruppe der Polyolefine, und im besonderen Polypropylen, Polyäthylen, 4-Methyl penten-(i) und Polystyrol.

Polyolefine sind einmal ihrer elektrischen Eigenschaften wegen als normale dielektrische Stoffe (also nicht als Zwischenschichten für Kondensatoren) vorteilhaft, weiterhin ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer guten mechani-

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sehen Eigenschaften wegen, insbesondere deswegen, weil sie leicht mechanisch bearbeitet und verformt und in die Form dünner Folien gebracht werden können. Dieser günstigen Eigenschaften wegen werden Polyolefine vielfach verwendet. Als Dielektrikum in Kondensatoren dagegen sind Polyolefine nur in beschränktem Umfang verwendet worden, da ihre Durchbruchsfeldstärken verhältnismäßig klein sind,da weiterhin ihre Koronazünd- und Löschspannungen verhältnismäßig niedrig sind und da ihre Lebensdauer unter Spannungsbelastung gering ist. Die Durchschlagsfeldstärke ist eine sehr wichtige Größe. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, einer Spannungsbeanspruchung Stand zu halten. Unter Spannungsbeanspruchung soll hier die Spannungsdifferenz pro Dickeneinheit des Materials verstanden werden. Die Koronazündspahnung und die Koronalöschspannung sind die Spannungen, bei denen Korona-Entladungen auftreten bzw. erlöschen, die zu einer Werkstoffzerstörung führen können. Weiterhin traten bei der Imprägnierung Schwierigkeiten auf. Hier sind insbesondere der Umfang der Imprägnierung und die Verträglichkeit der einzelnen Materialien miteinander zu nennen. Dieser Nachteile wegen war es bisher nochnicht möglich, ein Imprägnierverfahren zu finden, mit dem sich die elektrischen Eigenschaften von Polyolefinen verbessern lassen.

Nun wurde gefunden, daß Polyolefine und im besonderen Polypropylen in einem unerwartet hohen Maße imprägniert werden können, wenn man hierzu halogenierte aromatische Verbindungen verwendet. Die Polyolefine und die halogenierten Verbindungen wirken dann derart aufeinander ein, daß die besonders günstigen dielektrischen Zwischenschichten für Kondensatoren nach der Erfindung zu Stande kommen. Aus der Gruppe der Polyolefine ist für die Erfindung ein Polypropylen besonders geeignet, und zwar ganz besonders eine biaxial orientierte

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isotaktische Polypropylenfolie. Ein Beispiel einer solchen Folie ist in "Applied Plastics", November 1961, Seiten 35 bis 64 und in "Modem Dielectric Materials", Beck, J.B., London Heywood and Co, Seiten HO bis 142 beschrieben.

Die Polyolefine, die in diesen Aufsätzen besehrieben sind, können als lineare Kopf-Schwanz polymerisierte Polymere ungesättigter Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel CH₂ - CHR aufgefaßt werden. Es sind also <?O-01efine. H bedeutet ein aliphatisches Radikal, ein zyklisch-aliphatisches Radikal oder ein aromatisches Radikal. Weiterhin können diese Polyolefine Kopolymere ungesättigter Kohlenwasserstoffe miteinander sein oder Kopolymere aus ungesättigten Kohlen-r Wasserstoffen mit einem Monomer, das mit den ungesättigten Kohlenwasserstoffen zusammen polymerisierbar ist. Ein solches Polyölefinmaterial kann ebenfalls als nicht-porös bezeichnet werden, da es praktisch keine Poren aufweist, durch die die bevorzugten Imprägniermittel nach der Erfindung unter den bisher bekannten in Kondensatoren herrschenden Betriebsbedingungen von einer Oberfläche bis zur anderen Oberfläche einer Folie hindurchgehen können.

Ein bevorzugtes Imprägniermittel nach der Erfindung ist eine halogenierte organische Verbindung, die 1 bis 5 HaIogensubstituenten wie beispielsweise Chlor sowie 1 bis 3 Arylgruppen aufweist. Besondere geeignet ist Trichlor-Diphenyl, das unter dem Warennamen Pyranol 1499 vertrieben wird. Bei diesem Material liegen die Koronazünd- und Löschspannungen sehr hoch.

Die Kombination von Trichlor-Diphenyl als dielektrische Flüssigkeit mit einer nicht-porösen Polypropylenfolie als imprägniertem Dielektrikum führt erfindungsgemäß auf die

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besten Ergebnisse. Es wurde bereits bemerkt, daß diese beiden Stoffe bisher als nicht verträglich miteinander angesehen wurden,.so daß sie für dielektrische Zwecke

sind

vermieden worden^ da Polypropylen in halogenierten organischen Verbindungen wie beispielsweise Pyranol 1499 leicht in Lösung geht. Außerdem war man der Auffassung, daß die Polypropylenfolie von der Imprägnierflüssigkeit nicht benetzt werdenkann. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß das Lösen von Polypropylen in einer unpolaren Flüssigkeit auf Plastifizierungseffekte wie Quellen und Verlust an Zugfestigkeit führt. Nun wurde jedoch gefunden, daß abgesehen von hohen Temperaturen von etwa oberhalb 100 C Polypropylen nur beschränkt in halogenierten aromatischen Verbindungen löslich ist, und daß diese beschränkte Löslichkeit überraschenderweise die Eigenschaften eines Kondensators nicht beeinträchtigt. Diese partielle Löslichkeit von Polypropylenfolien in Trichlor-Diphenyl unter genau einzuhaltenden Temperatürbedingungen bei Temperaturen unterhalb von etwa 100 C muß als ein wichtiges Merkmal der bevorzugten Stoffkombination nach der Erfindung angesehen werden. Diese partielle Löslichkeit tritt auf, wie Versuehe gezeigt haben, wenn das Imprägnierungsmittel die Folie anfänglich durchdrungen hat, und unterstützt die Wanderung des Imprägniermittels in der Folie und in die Poren hinein. Diese Verstärkung der Imprägnierung macht sich durch eine außerordentlich hohe Koronazündspannung im imprägnierten Dielektrikum bemerkbar, die selbst dann auftritt, wenn auf den beiden Seiten der Folie keine porösen Schichten angeordnet sind.

Es wurden Proben von Polypropylenfolien mit Pyranol imprägniert und Kondensatorversuchen unterworfen. Hierbei zeigte

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es sich, daß zwischen Art und Umfang der Imprägnierung und der KoronaZündspannung ein enger Zusammenhang besteht. Eine vollständige Imprägnierung ist daher ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Die Kombination von Polypropylen mit Trichlor-Diphenyl ist für eine Art von Imprägnierung besonders günstig, die im nachfolgenden als "praktisch vollständige" Imprägnierung bezeichnet werden soll. Wenn die Bläschen und Poren im Material praktisch vollständig vom Imprägniermittel gefüllt sind, und wenn der Imprägnierungsvorgang sowohl die Absorption von Imprägnierungs- " mitteln im Material als auch die partielle Lösung des Materials im Imprägnierungsmittel umfaßt, wird das Material als "praktisch vollständig imprägniert" bezeichnet. Vergleichsuntersuchungen mit Kunststoffsystemen, die verschieden stark imprägniert waren, haben gezeigt, daß sich sehr hohe und/reproduzierbare Koronazündapannungen erreichen lassen, die in der Nähe der gemessenen, berechneten oder endgültigen Koronazündspannungen liegen, wenn der Imprägnierungsvorgang verlängert oder auf andere Weise unterstützt wurde, um eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Ein Imprägnierungsvorgang, der ein Beispiel für eine praktisch vollständige Imprägnierung ist, besteht darin, j eine Polypropylenfolie bei einer Temperatur von etwa 9O⁰C in Trichlor-Diphenyl einzutauchen. Unter diesen Bedingungen werden zwischen 6 Tagen und 20 Tagen stabile Verhältnisse erreicht. Dann haben sich etwa 1 Gewichtsprozent von Polypropylen im Trichlor-Diphenyl gelöst, während auf der anderen Seite vom Polypropylen etwa 11 Gewichtsprozent Trichlor-Diphenyl aufgenommen wurden. Art und Umfang der Imprägnierung kann durch die KoronaZündspannung des Systems gemessen werden, die einen Maximalwert erreicht, der die vollständige Imprägnierung anzeigt.

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Die bevorzugte Polypropylenfolie zur Verwendung nach der Erfindung bestellt aus isotaktischem Polypropylen. Dieses ist ein Polypropylen von hohem Molekulargewicht, das eine reguläre Kristallstruktur aufweist, und das zusätzlich zu dieser überwiegenden Kristallstruktur noch eine nichtkristalline oder amorphe Phase enthält. In manchen kommerziell erhältlichen isotaktischen Polypropylenen beträgt der Anteil der amorphen Phase bis zu 30$. Um aus solchen Polypropylenen Folien herzustellen, die für die Erfindung brauchbar sind, kann man das Polypropylen walzen, pressen oder extrudieren. Man kann die Folien aber auch aus einem Lösungsmittel oder durch Gießen aus einer Schmelze gewinnen. Um die mechanischen Eigenschaften solcher Folien zu verbessern, ist es üblich, solchen Folien durch Recken und Tempern eine Vorzugsstruktur zu geben. Es ist günstig, wenn man die Folien in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen reckt, das heißt also in Längs- und in Querrichtung, so daß die Folie biaxial orientiert ist. Die Folien können aber auch nur unaxial orientiert sein, oder aber in zwei Richtungen gleichmäßig gereckt werden.

Polyolefinfolien, insbesondere Polypropylenfolien sollten möglichst wenig Fremdstoffe beinhalten, die den Verlustfaktor des fertigen Dielektrikums beeinträchtigen könnten. Der Verlustfaktor ist ein Maß für den Energieverlust innerhalb eines Materials. Fremdstoffe oder Verunreinigungen können auch außen an den Folien haftende Materialien sein, die bei der Herstellung der Folien aufgenommen werden. Auch Katalysatorensubstanzen können zu diesen Verunreinigungen zählen. Diese Verunreinigungen können beispielsweise dadurch aus dem Polyolefin beseitigt werden, daß man das Polyolefin löst und die Verunreinigungen in der Lösung

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niederschlägt oder adsorbiert. Sehr gute Ergebnisse wurden mit kommerziell erhältlichen Polypropylenen erzielt, wie sie beispielsweise von der Firma Hercules Powder Co. unter der Bezeichnung Profax 6520P resin und von der Firma Shell unter der Bezeichnung 55OOF Resin vertrieben werden.

Kondensatoren nach der Erfindung wie beispielsweise die Kondensatoren nach den Figuren 2 und 3 können genau so wie bisher bekannte Kondensatoren aufgebaut sein. In der i Figur 2 ist ein Wickelkondensator 14 dargestellt, der als Elektroden getrennte Folien 15 und 16 aufweist, die durch zwei dielektrische Zwischenschichten 17 und 18 voneinander getrennt sind. Die Anschlußstücke 19 und 20 haben vergrößerte Oberflächen 21 und 22 (nicht gezeigt), die mit den Kondensatorbelegen 15 und 16 in Berührung stehen. Die Kondensatorbelege 15 und 16 können aus einer Anzahl von verschiedenen Materialien hergestellt sein. Beispiele hierfür sind Aluminium, Kupfer oder Tantal. Die dielektrischen Zwischenschichten 17 und 18 können als Sandwich aufgebaut sein. Sie enthalten mindestens eine imprägnierte Kunststoff-Folie 11 nach der Erfindung. Eine dielektrische Zwischenschicht 17 und die beiden Metallfolien 15 und 16 ' bilden zusammen einen Hauptbestandteil eines Kondensators.

In der Figur 3 ist nun ein fertiger Kondensator 23 dargestellt, in den ein Kondensatorwickel nach Figur 2 eingesetzt ist. Der ganze Kondensator weist einen Behälter 24 mit einem hermetisch aufgesetzten Deckel 25 auf. Der Deckel 25 ist mit einer Einfüllöffnung 26 für die dielektrische Flüssigkeit versehen. Weiterhin sind noch 2 Anschlußklemmen 27 und 28 vorgesehen, die durch den Kondensatordeckel 25 hindurchgehen und von ihm isoliert sind. Innerhalb des Behälters 24 sind die beiden Anschlußklem-

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men 27 und 28 mit den beiden Anschlüssen 19 und 20 aus Figur 2 verbunden. Der Kondensator 23 aus Figur 3 enthält zusätzlich noch eine dielektrische Flüssigkeit, die den Raum im Behälter 24 ausfüllt, der vom Kondensatorwickel übrig gelassen wird. Diese dielektrische Flüssigkeit imprägniert außerdem die dielektrischen Zwischenschichten 17 und 18 aus Figur 2.

Verfahren zum Imprägnieren von Kondensatorwickeln, die ™ in ein Gehäuse eingesetzt sind, also beispielsweise Verfahren zum Imprägnieren des Kondensators nach Figur 3» sind bekannt. Nach einem solchen Verfahren werden die Kondensatoren zuerst im Vakuum getrocknet, um die restliche Feuchtigkeit zu beseitigen. Die beim Trocknen angewendete Temperatur ändert sich mit der Trockenzeit. Sie liegt jedoch im allgemeinen zwischen 60⁰G und 150 C. Sind die Trockentemperaturen zu niedrig, so wird die Trockendauer zu lang. Sind die Trockentemperaturen dagegen zu hoch, so können sich Papierkomponenten in der dielektrischen Zwischenschicht zersetzen. Während des Trocknens kann die Feuchtigkeit aus dem Gehäuse 24 durch die Einfüllöffnung L· 26 entweichen.

Die dielektrische Imprägnierflüssigkeit wird durch die Einfüllöffnung 26 nach Möglichkeit in den getrockneten Kondensator eingefüllt, während der Kondensator noch unter Vakuum steht. Es ist üblich, so viel Imprägnierflüssigkeit einzufüllen, daß der ganze Kondensatorwickel im Behälter bedeckt ist. Anschließend wird der Druck im Behälter auf Atmosphärendruck erhöht. Nun läßt man den Kondensator einige Stunden stehen, damit die Imprägnierflüssigkeit den Kondensatorwickel durchdringen kann. Nach dem Imprägnieren wird der Kondensator verschlossen. Hierzu kann man

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die EinfüllÖffnung 26 verlöten. Wenn das Imprägniermittel ein polymerisierbarer Stoff ist, wird der Kondensator anschließend erwärmt, um das Imprägniermittel zu polymerisieren und zu verfestigen. Zusätzlich zu diesem Verfahren können auch andere Verfahren zum Imprägnieren verwendet werden, die im allgemeinen mit Wärme und/oder Druck arbeiten. So sind beispielsweise eine Anzahl von Verfahren bekannt geworden, nach denen mehrere Temperatur- und/oder Druckschritte angewendet werden, um den ImprägnierungsVorgang zu unterstützen. Wärme und Druck können den Impräg- ™ nierungsvorgang deswegen beeinflussen, weil durch sie die relative Benetzbarkeit, die Viskosität und die relative Löslichkeit der Materialien geändert werden können. Durch die Erwär&ng und durch die Druckanwendung können sich die einzelnen Bestandteile des Systems ausdehnen oder zusammenziehen. Auch hierdurch kann das Eindringen der Flüssigkeit in das feste Dielektrikum unterstützt werden. Das gilt besonders dann, wenn die Einfüllöffnung 26 verlötet ist.

Bei der Erfindung wurden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn man die dielektrischen Systeme, insbesondere die Kondensatoren nach dem Imprägnieren oder Verschließen noch ( einmal für eine gewisse Zeit erwärmt, um eine bessere Imprägnierung oder nach Möglichkeit eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Der Kondensatorwickel im Kondensatorbecher wird beispielsweise zuerst durch Ausheizen und Evakuieren des Bechers und durch anschließendes Einfüllen von Imprägnierflüssigkeit bzw. durch Eintauchen in Imprägnierflüssigkeit imprägniert. Die Imprägnierflüssigkeit kann hierzu vorgewärmt oder unmittelbar darauf erwärmt werden. Nach diesem Schritt werden die zusammengesetzten und imprägnierten Kondensatoren verschlossen und die verschlossenen Kondensatoren werden für eine gewisse Zeit-

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spanne auf eine erhöhte Temperatur gebracht.

Ein bevorzugter Wärmebehandlungsschritt bei der Durchführung der Erfindung besteht darin, Temperaturen zwischen 65°G und 95°C für eine Dauer zwischen 4 und 16 Stunden anzuwenden. Diese Zeiten können durch Änderungen im Imprägnierverfahren, durch Anwendung von Druck und durch die Beigabe von Additiven verkürzt werden. Es wurden Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen mit einer dielektris chen Zwischenschicht aus Polypropylenfolie und Papier hergestellt. Als Imprägnierungsmittel wurde Trichlor-Diphenyl verwendet. Diese Kondensatoren wurden für 4- bis etwa 16 Stunden auf Temperaturen zwischen 85°C und 95⁰C gebracht und zeigten anschließend durchweg eine sehr hohe Koronazündspannung.

Die Temperaturverhältnisse werden so geregelt, daß einmal das Polyolefin in der dielektrischen Imprägnierungsflüssigkeit partiell in Lösung geht, und daß sich zum anderen die Imprägnierungsflüssigkeit selbst im Polyolefin löst, um eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Die erhöhte Durchdringung der Polypropylenfolie läßt sich aus der Tatsache erklären, daß ein Teil der amorphen und/oder niedermolekularen Komponenten des Polypropylens bei Temperaturen zwischen 85°C und 95°C in der Flüssigkeit in Lösung geht. Wenn man die Kondensatoren nach der Erfindung der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterzieht, werden besser reproduzierbare und höhere Koronazündspannungen beobachtet.

Die Imprägnierung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß man die physikalischen Eigenschaften der Komponenten im imprägnierten System ändert. Insbesondere kann die di-

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elektrische Imprägnierflüssigkeit Mischungen aus flüssigen dielektrischen Stoffen oder Additive enthalten. Weiterhin kann man auch das feste dielektrische Material so behandeln, daß die Imprägnierbarkeit besser wird. So kann man beispielsweise dem Pyranol 1499» also dem Trichlor-Diphenyl, bis zu 25 Gewichtsprozente einer dielektrischen Flüssigkeit hinzu-fügen, die unter der Bezeichnung Pyranol 1475 gehandelt wird und hauptsächlich aus Trichlorbenzol besteht. Andere dielektrische Flüssigkeiten, die zusammen mit Pyranol verwendet werden können, sind beispielsweise Mineralöl und ™ Silikonöl.

Die imprägnierten Dielektrika nach der Erfindung zeigen bestimmte besonders gute dielektrische Eigenschaften, aufgrund derer sie für elektrische Anwendungen wie beispielsweise allgemeine Isolation besonders geeignet sind. Hierfür kommen elektrische Kabel und Transformatoren in Frage. Für Kondensatoren sind die Dielektrika nach der Erfindung ebenfalls besonders gut geeignet. Im besonderen sind es drei elektrische Eigenschaften, die durch die Imprägnierung hervorgerufen werden, nämlich erhöhte Durchbruchsfeldstärke, niedriger Verlustfaktor und eine hohe Korona- i Zündspannung. Die Imprägnierung ist besonders wichtig, da durch den Grad der Imprägnierung die Koronazündspannung bestimmt ist, die sich bei dem Dielektrikum erhalten läßt. Eine erhöhte Durchbruchsfeldstärke ist wichtig, da auf diese Weise ein kleineres Volumen oder ein geringeres Gewicht an dielektrischem Material zum Isolieren bei einer vorgegebenen Spannung erforderlich ist. Ein geringer Verlustfaktor ist wichtig, da Energieverluste im Dielektrikum den elektrischen Wirkungsgrad beeinträchtigen und die Grundmaterialien des Dielektrikums zerstören können, da die verlorengegangene Energie in Wärme umgewandelt wird.

Diese besonders guten Eigenschaften der Dielektrika nach der Erfindung lassen sich besonders gut ausnutzen, wenn man die Dielektrika in Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen verwendet. Es sind Wechselstromkondensatoren gebaut worden, die bei einer Spannungsbelastung von über 50 000 V pro mm Dielektrikum eine lange Lebensdauer aufweisen und deren Koronazündspannung von 750 V bis über 3 000 V reichte. Die Entwicklung von Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen war bisher nur beschränkt möglich, da die bisher bekannten Dielektrika unter derart hohen Spannungsbelastungen nur eine kurze Lebensdauer aufwiesen. Bekannte Wechselstromkondensatoren, die für lange Lebensdauer ausgelegt waren,, konnten beispielsweise nur mit Spannungsbelastungen von weniger als etwa 20 000 V pro mm Dielektrikum betrieben werden, während man diese Kondensatoren als Impulskondensatoren verhältnismäßig kurzer Lebensdauer nur mit etwa 30 000 V/mm Dielektrikum belasten konnte.

Weitere Beispiele für Kondensatorfolien, in denen Dielektrika nach der Erfindung verwendet sind, sind in den Figuren 4-8 gezeigt. In der Figur 4 ist ein Teil 29 eines Kondensators dargestellt, in dem die dielektrische Zwischenschicht als sogenanntes ganzes Sandwich aufgebaut ist. Dieser Kondensatorteil enthält eine imprägnierte Kunststoff-Folie 11.,.. die zwischen zwei imprägnierte und poröse dielektrische Blätter 30 und 31 gelegt ist. Auf die beiden dielektrischen Blätter 30 und 31 sind dann zwei Metallfolien 15 und 16 aufgelegt. Die Blätter 30 und 31 können auf bekannte Weise aus Papier wie Kraftpapier bestehen und mit einem flüssigen Dielektrikum imprägniert sein; hierzu kann man beispielsweise die dielektrische Flüssigkeit nach der Erfindung verwenden.

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Wenn ein solches Papier als porös bezeichnet wird, so ist hierunter die Tatsache zu verstehen, daß dieses Papier eine ganze Anzahl von Passagen oder Poren aufweist, die ganz durch das Papier hindurchgehen, so daß eine Imprägnierflüssigkeit durch das Papier hindurch von einer Seite zur anderen gelangen kann. Die Koronazündspannunln einer imprägnierten Kunststoff-Folie hängen zum großen Teil von der vollständigen Imprägnierung der Poren und Bläschen innerhalb der Kunststoff-Folie sowie von der Benetzung an der Grenzschicht zwischen der Folie und irgendwelchen danebenliegenden Materialien ab. Die KoronaZündspannung des Dielektrikums nach Figur 4, das als ganzes Sandwich aufgebaut ist, wird durch die Verwendung einer benachbarten Schicht, wie beispielsweise einer Papierschicht erhöht.

In der Figur 5 ist eine andere Ausführungsform 32 einer Kondensatorfolie gezeigt, in der die dielektrische Zwischenschicht anders aufgebaut ist. Der Aufbau dieser Zwischenschicht wird als invertiertes Sandwich bezeichnet. Hier enthält die dielektrische Zwischenschicht ein einziges Blatt aus einem imprägnierten porösen Material 30 oder 31, das zwischen zwei imprägnierte Kunststoff-Folien 11 und 11' gelegt ist. Die ganze dielektrische Zwischenschicht liegt zwischen zwei Metallfolien 15 und 16. Ein Ausführungsbeispiel für Kondensatoren dieser Art verwendet als poröse Schicht ein Kraftpapier von 0,016 mm Dicke, das zwischen zwei Polypropylenfolien von 0,012 mm Stärke gelegt war. Dieses bisher schwer zu imprägnierende System konnte ohne Schwierigkeiten imprägniert werden und ergab einen Kondensator von 0,9mF und einer Koronazündspannung von über 2650 V mittlere Wechsels pannung.

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Die gemeinsame Verwendung von Polypropylen und Pyranol 1499 erlaubt es, selbst dicht gewickelte Kondensatorwickel zu imprägnieren. Bei den bisher bekannten und für Kondensatoren verwendeten Stoffkombinationen war es dagegen erforderlich, auf weniger dicht gewickelte Kondensatorwickel zurückzugreifen, um die Imprägnierung zu verbessern. Ein wichtiger Vorteil der Stoffkombination Polypropylen mit Pyranol zur Verwendung in Kondensatoren oder anderen Geräten besteht darin, daß das Polypropylen das Imprägnierungsmittel selbst zu den Bläschen und Poren weiterleitet, die von der Stelle weit entfernt liegen, an der die Imprägnierung einsetzt. Das gilt besonders für die Grenzschicht zwischen der Polienoberflache und dem Kondensatorbeleg. Dieses war bisher nur mit großen Schwierigkeiten zu erreichen.

In der Figur 6 ist ein Teil eines Kondensatorwickels 33 dargestellt, der ähnlich wieder Gegenstand der Figur 5 aufgebaut ist. Dieser Teil des Kondensatorwickels, der als halbes Sandwich bezeichnet wird, unterscheidet sich vom invertierten Sandwich darin, daß die eine der beiden imprägnierten Kunststoff-Folien 11 oder 11^f weggelassen wurde.

Eine andere Möglichkeit nach der Erfindung zum Aufbau eines Kondensators ist in der Figur 7 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine dielektrische Zwischenschicht 34 verwendet, die als abgewandeltes halbes Sandwich bezeichnet werden soll. Die dielektrische Zwischenschicht besteht aus zwei imprägnierten Kunststoff-Folien 11 und 11·, die aufeinander gelegt sind. Auf die Folie 11' ist noch ein Blatt 30 aus einem porösen Material gelegt. Wie in den anderen Ausführungsformen ist diese di-

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elektrische Zwischenschicht auf beiden Seiten mit Metallfolien 15 und 16 belegt. Der Grund, warum die beiden Kunststoff-Folien 11 und 11' aufeinander gelegt sind, besteht darin, daß dielektrische Fehler vermieden werden sollen, die in einer einzigen Kunststoff-Folie vorhanden sein könnten. Wenn man zwei solche Kunststoff-Folien aufeinanderlegt, so werden möglicherweise vorhandene Fehler in der einen Folie von der anderen Folie abgedeckt,' so daß keine durchgehenden Kanäle mehr vorhanden sind, die Durchschläge verursachen könnten. Der Aufbau '

eines Kondensatorwickels nach Figur 7 ist wesentlich günstiger, da die beiden aufexnandergelegten Kunststoff-Folien Imprägnierungseigenschaften haben, die in jeder Beziehung günstiger als die Imprägnierungseigenschaften einer einzelnen Folie äquivalenter Dicke sind.

In der Figur 8 ist ein Teil eines Kondensatorwickels 35 gezeigt, im dem zwei imprägnierte Kunststoff-Folien 11 und 11· als dielektrische Zwischenschicht aufeinandergelegt sind. Die beiden Kunststoff-Folien sind mit zwei Metallfolien 15 und 16 belegt. Der Grund dafür, daß anstelle einer doppelt so dicken Folie zwei Folien 11 - ,

und 11' auieinandergelegt werden, ist der gleiche, der in Verbindung mit Figur 7 bereits beschrieben wurde. Ein anderes wichtiges Merkmal der Ausführungsform nach Figur 8 besteht im Fehlen irgendeiner porösen Schicht 30 oder 31 (Figur 4), die aufgrund von Kapillarwirkungen die Imprägnierung erleichtern kann.

Die Aus führung s formen nach den Figuren 4 bis 8 können in manchem modifiziert werden. So kann man beispielsweise als Kondensatorbelege anstelle der Metallfolien 15 und 16, die dargestellt sind, die äußeren Oberflächen

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der dielektrischen Zwischenschichten metallisieren. Weiterhin kann man die Kunststoff-Folien in den Ausführungsformen nach den Figuren 4-8 entweder als selbsttragende Folien ausbilden oder aber als Überzug oder Schicht auf einem anderen Bestandteil des Kondensatorwickels aufbringen. Man kann also beispielsweise den Kondensatorwickel oder eine poröse dielektrische Schicht mit Kunststoff überziehen. Bei den Kondensatoren nach den Figuren 5 - 8 ist zumindest auf eine Seite der Kunststoff-Folien eine verhältnismäßig unporöse Oberfläche aufgelegt, wie beispielsweise eine Metallfolie oder eine andere Kunststoff-Folie. Es ist einerseits sehr wichtig, eine Kunststoffoberfläche ausreichend oder gar vollständig zu imprägnieren, was aber andererseits sehr schwierig ist, wenn die Oberfläche der Kunststoff-Folie auf einer porenarmen Oberfläche aufliegt. Durch die Erfindung ist diese Schwierigkeit stark herabgesetzt. Demzufolge sind Kondensatorwickel, deren Aufbau in den Figuren 4-8 gezeigt worden ist, nach der Erfindung zum allerersten Mal mit verhältnismäßig hohen Koronazündspannungen hergestellt worden.

TTm nun die verbesserten Eigenschaften der Dielektrika nach der Erfindung zu zeigen, wurden eine Anzahl von Kondensatoren aufgebaut und zusammengesetzt, wie sie in den Figuren 1 - 8 dargestellt sind. Diese Kondensatoren wurden den üblichen Versuchen unterworfen und es wurden Vergleichsmessungen und Prüffeidversuche durchgeführt.

Es ist bekannt, daß synthetische Kunststoffe außerordentlich hohe Durchschlagsfeidstärken aufweisen, was besonders dann gilt, wenn man nur sehr kleine Flächen von Kunststoff betrachtet. Die imprägnierten Polypropylen-

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folien nach der Erfindung haben eine Betriebsdurch-"bruchsfeldstärke von 50 000 V/mm und darüber, obwohl auch Durchbruchsfeidstärken von mehr als 800000 V/mm beobachtet werden können, wenn man eine Fläche von etwa 0,065 q.cm zugrunde 1 egt. Imprägniertes Papier, das das bisher am häufigsten benutzte dielektrische Material in Wechselstromkondensatoren ist, weist eine Betriebsdurchbruchsfeidstärke von etwa 16 000 V/mm auf. Der Umfang, in dem die Verwendung der imprägnierten Kunststoff-Folien nach der Erfindung mit ihren höheren Durchbruchsfeldstärken die Menge des dielektrischen Materials vermindern kann, die in den verschiedenen Arten eines bestimmten Gerätes vorgesehen werden müssen, läßt sich am besten durch Versuchsergebnisse zeigen, in denen mehrere gleichartig imprägnierte dielektrische Zwischenschichten für elektrische Kondensatoren untersucht werden. Diese Kondensatoralten,zu denen Papierkondensatoren gehören, also Kondensatoren, bei denen die dielektrischen Zwischenschichten nur aus Papier bestehen, zu denen weiterhin Kondensatoren mit einer dielektrischen Zwischenschicht aus Papier und Polypropylenfolien gehören und Kondensatoren, bei denen die dielektrische Zwischenschicht nur aus Polypropylenschichten aufgebaut ist, sind in den !Tabellen 1 und II aufgeführt.

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Tabelle I

Bezeich- Zusammensetzung Gesamt- Kunststoff- Durchbruchnung dicke anteil , feldstärke

(mm) (96) (V/mm)

Papier 3 Papierschich- 0,022 ten je 0,007 mm

16 000

ganzes 0,007 mm PolySand- propylenfolie wich zwischen zwei

Papierschichten von je 0,007 mm

0,022 33

26 800

halbes 0,011 mm Papier 0,022 Sand- + 0,011 mm PoIywich propylenfolie 50

32 000

inver- 0,007 mm Papier tiertes zwischen zwei Sand- Polypropylenwich folien von je 0,007 mm

0,022 67

37 200

Kunst- eine Polypropystoff- lenfolie von Folien 0,022 mm oder

zwei Folien von je 0,011 mm

0,022 100

48 000

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In der Tabelle I ist für die gesamte dielektrische Zwischenschicht jeweils eine Schicht von 0,022 mm Dicke verwendet worden, da einige dieser Zwischenschichten aus drei Schichten aufgebaut sind, die Papier oder Kunststoff-Folie sein können, und da die aus praktischen Gründen geringste Dicke sowohl bei Papier als auch bei Kunststoff-Folien etwa bei 0,007 mm liegt.

Die Spannung, die an jede dieser Stoffkombinationen auch im Langzeitbetrieb angelegt werden kann, wie es in der "

Tabelle I aufgeführt ist, zeigt die Vorteile der Verwendung von Polyölefinfolien entweder zur Ergänzung oder als Ersatz von Papier in den bisher bekannten dielektrischen Zwischenschichten. Die angegebenen Werte können in den verschiedenen Kondensatoren durch das Ausmaß und die Art der Imprägnierung sowie durch die Gleichförmigkeit der dielektrischen Eigenschaften in dem System beeinflußt werden. Die angeführten Werte beruhen zum Teil auf Schätzungen über das Verhältnis der elektrischen Konstanten von imprägniertem Papier und imprägniertem Polypropylen. Im besonderen wurde hier ein Verhältnis 3 : 1 verwendet. Es sei bemerkt, daß die Feldstärken in dem System, λ die auf diesem angenommenen Verhältnis der dielektrischen Konstanten beruhen, auf eine Spannungsbelastung der Kunststoff-Folien von etwa 50 000 V/mm führen, was der Betriebsdurchschlagsfestigkeit von Polypropylen auch für Dauerbeanspruchungen entspricht.

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Tabelle II

Bezeich- Zusaminens et zung Gesamt- Nenn- Spezifi- Durchnung dicke span- sehe bruch-

(mm) nung Kapazi- feldtät stärke (,uf/cem)(V/mm)

Papier drei Schichten 0,075 1200 0,0215 16 000 von je
0,025 mm

ganzes 0,015 mm Folie Sand- zwischen zwei wich Papierschichten von je 0,015 mm 0,045 1200 0,033 26 800

halbes 0,019 mm Folie Sand- + 0,019 mm wich Papier

0,038 1200 0,04

32 000

inver- 0,011 mm Papier'

tiertes zwischen zwei

Sand- Folien von je

wich 0,011 mm

0,033 1200 0,044 37 200

Kunststoff-
Folien

eine Folie von 0,025 mm

0,025 1200 0,055 48 000

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In der Tabelle II sind nun die gleichen dielektrischen Zwischenschichten zusammen mit ihrer Stärke aufgeführt, die für eine Betriebsspannung von 1200 V erforderlich ist. Für diese Berechnung wurde angenommen,daß bei den zusammengesetzten dielektrischen Schichten die Stärke der einzelnen Folien jeweils dieselbe ist. Man kann bei einer Anzahl von Anwendungen auf noch günstigere Anordnungen kommen, wenn man die Papierdicke vermindert und dafür etwas dickere Kunststoff-Folien verwendet. Die Ergebnisse in der Tabelle II zeigen, daß man bei einer vorgegebenen Betriebsspannung mit einer geringeren Menge von dielektrischem Material auskommt, wenn der Anteil des Kunststoffs im Dielektrikum erhöht wird. Die Tabelle II gibt ebenfalls an, welche Kapazitäten pro Volumeneinheit mit Kondensatoren erzielt werden können, die die aufgeführten dielektrischen Zwischenschichten benutzen. Diese Angaben über die spezifische Kapazität sind in der Dimension Mikrofarad/cm3 Dielektrikum gemacht worden.

Es sind sowohl 50 KVA als auch 150 KVA Kondensatoren nach der Erfindung gebaut und über lange Zeiten geprüft worden. Hierzu gehörten viele 1000 Stunden unter Betriebsbedingungen. Diese Kondensatoren waren so ausgelegt, daß sie mit Spannungsbelastungen arbeiteten, die in den Kunststoffkomponenten des Dielektrikums Feldstärken von 50 000 V/mm hervorriefen. Die Größe und das Gewicht dieser Kondensatoren zeigen nun deutlich, daß die Verbesserungen, die in den Tabellen I und II aufgeführt sind, auch wirklich erzielbar sind.

Es wurde beispielsweise ein 50 KVA-Kondensator hergestellt, dessen dielektrische Zwischenschicht als inver-

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tiertes Sandwich aus Polypropylen und Papier aufgebaut war. Zur Imprägnierung wurde Pyranol 1499 verwendet, dem ein Stabilisator auf Epoxy-Basis zugesetzt war. Dieser Kondensator hatte ein Volumen, das 4O56 kleiner als das Volumen der bisher bekannten Papierkondensatoren war, hatte also ein Volumen, das nur etwas mehr als die Hälfte des Volumens der bisher bekannten Papierkondensatoren betrug. Wenn man einen 50 KVA-Kondensator nach der Erfindung genau so groß aufbaut, wie einen 50 KVA-Kondensator nach dem Stand der Technik, so hat der erfindungsgemäße Kondensator eine wesentlich höhere Kapazität. Ein Kondensator, dessen dielektrische Zwischenschicht ganz aus Papier aufgebaut ist, und der die gleiche räumliche Größe wie ein 50 KVA-Transformator mit einem Polyolefindielektrikum hat, besitzt eine Verlustleistung von etwa 30 KVA. Eine entsprechende Gewichtsverminderung wird ebenfalls erzielt.

Wenn man einen 150 KVA-Kondensator mit einem Dielektrikum aus Polypropylen und Papier, das mit Pyranol imprägniert ist, mit einem 100 KVA-Kondensator vergleicht, bei dem die elektrische Zwischenschicht nur aus Pyranol getränktem Papier besteht, so zeigt sich, daß der 150 KVA-Kondensator kleiner ist und pro KVA nur etwa 310 g wiegt. Der 100 KVA-Kondensator mit dem Dielektrikum aus Papier, der ein besonders gutes Beispiel für Kondensatoren nach dem bisherigen Stand der Technik ist, wiegt dagegen pro KVA etwa 590 bis 600 g.

Durch die Erfindung können somit das Gewicht und das Volumen elektrischer Kondensatoren vorgegebener Kapazität und Leistung herabgesetzt werden. Es sei jedoch bemerkt, daß bei vielen Anwendungsfällen für die räum-

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liehe Größe eines elektrischen Kondensators eine obere Grenze besteht, so daß man durch die Erfindung in der Lage ist, für diese Anwendungsfälle Kondensatoren herzustellen, die eine größere Kapazität oder eine größere Leistung besitzen. In allen den oben genannten Fällen kann das günstigere Gewicht und die günstigere spezifische Kapazität der Kondensatoren der Verwendung von Stoffkombinationen bzw. Materialkombinationen zugeschrieben werden,die auf eine Spannungsbelastung in der Polyolefinkomponente führen, die etwa der oberen Betriebsfeldstärke in den Kunststoffschichten gleichkommt .

Es gibt Anwendungsgebiete, zu denen auch die Verwendung von Leistungskondensatoren für hohe Spannungen gehören, bei denen es günstig ist, den Energieverlust innerhalb des Dielektrikums soweit wie möglich herunter zusetzen. Für solche Fälle sind die Dielektrika auf der Basis von imprägnierten Polyolefinen nach der Erfindung besonders günstig. Der Verlustfaktor der Dielektrika nach der Erfindung liegt bei der Nennspannung im allgemeinen zwischen 0,05 und 0,15 %, und zwar auch dann, wenn die Temperaturen erheblich über Zimmertemperatur liegen. Dieses ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher bekannten imprägnierten Dielektrika, bei denen die Verlustfaktoren zwischen 0,2 und 0,5 $> lagen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, die Größe von Kondensatoren nach der Erfindung gegenüber größeren Kondensatoren nach dem Stand der Technik um bis zu 40 ia zu senken.

Als Beispiel für die geringeren Energieverluste in Dielektrika auf der Basis von imprägnierten Polyolefinen

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nach der Erfindung wurde ein 50 KVA-Kondensator untersucht, dessen dielektrische Zwischenschicht als invertiertes Sandwich aus Polypropylenfolie aufgebaut und mit Pyranol 1499 getränkt war. Dieser Kondensator ist 4-0 io kleiner als sein 50 KVA-Gegenstück mit reinem imprägniertem Papierdielektrikum. Die Größe der Energie Verluste in diesem Kondensator wurde durch den Anstieg der Temperatur im Dielektrikum angezeigt, d.h. die Größe des Temperaturanstiegs im Dielektrikum des Kondensators gegenüber der Umgebungstemperatur. Bei dem Kondensator mit einem Dielektrikum nach der Erfindung wurden bei diesem Versuch 25 C als Temperatur des Dielektrikums gemessen. Bei einem Kondensator mit bekanntem Papierdielektrikum betrug dagegen die Temperatur des Dielektrikums 48°C. Bei einem 5 000-Stundenversuch zwischen 55 und 70⁰C lag der Verlustfaktor des erfindungsgemäßen Dielektrikums, das als invertiertes Sandwich aufgebaut war, bei 0,05 $· Der Verlustfaktor in dem bekannten Kondensator mit Papierdielektrikum lag dagegen bei 0,2 #.

Um zu zeigen, daß die Verlustfaktoren in einem Polypropylendielektrikum, das mit Pyranol 1499 getränkt ist, konstant sind, wurden elektrische Kondensatoren untersucht, deren dielektrische Zwischenschicht aus einer Folie Polypropylen von 0,012 mm Dicke bestand, auf die eine Folie von 0,01 mm Kraftpapier aufgelegt war. Das Dielektrikum war mit Pyranol 1499 imprägniert, dem ein Gewichtsprozent 1-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan zugefügt war. Diese Kondensatoren wurden unter verschiedenen Temperaturen geprüft und gealtert. Die nachfolgenden Meßergebnisse für die Verlustfaktoren wurden bei der Nennspannung der Kondensatoren gewonnen, die bei

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- 29 460 V, 60 Hz Wechselstrom lag,

	Tabelle	III	0,113	85⁰C
Zeit (Stunden)	Verlustfaktor 25⁰C 65⁰C	0,091	0,119
O	0,143	0,094	0,096
519	0,120	0,084	0,093
1524	0,119		0,090
5008	0,113

Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verlustfaktoren in den erfindungsgemäßen Dielektrika in einem Temperaturbereich zwischen 25⁰C und 85°C sowie auch nach über 5 000 Betriebsstunden sehr konstant sind.

Da es wichtig ist, zur Verhinderung einer Koronaentladung in einem festen Dielektrikum das Dielektrikum zu imprägnieren, stellen die Imprägnierungseigenschaften der dielektrischen Systeme nach der Erfindung einen wichtigen Gesichtspunkt dar. In manchen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise bei Leistungskondensatoren für hohe Spannungen werden Koronazündspannungen von mehr als 2 000 V gefordert. Wenn auch in die Imprägnierfähigkeit der erfindungsgemäßen Dielektrika viele physikalische Eigenschaften der Polyolefine und des möglichen Imprägnierungsmittels eingehen, ist die Fähigkeit der Flüssigkeit, das Polyolefin zu durchdringen, von der Löslichkeit des Polyolefins in der Imprägnierflüssigkeit abhängig. Dieser Zusammenhang

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wurde in einem Versuch demonstriert, in dem eine Menge von Pyranol 1499 in eine Tüte oder einen Behälter aus einem nicht porösen Polypropylen eingefüllt wurde, wie es nach der Erfindung verwendet wird. Dieser Behälter wurde dann in einem Ofen auf 75°G gebracht. Das Durchdringen von'Pyranol H99 durch den Boden des Behälters wurde dadurch beobachtet, daß man den Boden des Behälters kontinuierlich über ein mikroskopisches Deckglas herüberführte. Wenn das Pyranol 1499, also die dielektrische Flüssigkeit, durch den Behälter aus Polypropylen hindurchgedrungen ist, so bildet sich auf dem Deckglas ein schmieriger Überzug. Unter Verwendung dieses Versuches ist gezeigt worden, daß eine Polypropylenfolie bei Zimmertemperatur selbst nach vielen Stunden von Pyranol 1499 nicht durchdrungen wird. Wenn man die Temperatur jedoch auf 75°C oder höher anhebt, kann eine Durchdringung schon nach einigen wenigen Stunden beobachtet werden.

Wenn bei der Imprägnierung zusätzlich zur Temperatur auch noch ein Druck angewendet wird, beispielsweise dadurch, daß man von außen den Druck erhöht oder dadurch, daß man durch Erwärmen den inneren Druck steigert, kann man auch sehr schwierig zu imprägnierende Gegenstände praktisch vollständig imprägnieren,was sich durch Koronaz-ündspannungen bemerkbar macht, die durchweg über 2 500 V lagen. Bei einem eng gewickelten Kondensatorwickel» bei dem die dielektrische Zwischenschicht direkt an ein porenarmes Material, wie beispielsweise an eine Metallfolie angrenzt, ist es für die dielektrische Flüssigkeit sehr schwierig, durch die Grenzflächen hindurch in das Dielektrikum einzudringen. Dieses ist der Grund, warum es günstig ist,

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zur Erreichung einer optimalen Imprägnierung zusätzlich zur Temperatur auch noch Druck anzuwenden. Eb fällt auf, daß sowohl bei den Durchdringungsversuchen mit dem Beutel als auch bei Kondensator-Imprägnierungsversuchen mit Pyranol 1499 die Einwirkung der dielektrischen Flüssigkeit auf die Polyolefinfolie bei Zimmertemperatur eine wesentlich andere als bei Temperaturen zwischen 75 und 85⁰C ist.

Um die Reproduzierbarkeit hoher Koronazündspannungen f zu zeigen, wurden drei 40 KVA-Wickelkondensatoren nach der Erfindung hergestellt. Diese Kondensatoren waren als invertiertes Sandwich aufgebaut. Jeder Kondensator enthielt eine Papierschicht von 0,008 mm Dicke, die zwischen zwei Polypropylenfolien von jeweils 0,012 mm Dicke angeordnet war. Zur Imprägnierung wurde Pyranol 1499 verwendet, dein eine kleine Menge eines Stabilisators auf Epoxy-Basis zugesetzt war. Diese Kondensatoren waren 27 cm breit und hatten zu Beginn eine Koronazündspannung zwischen 750 V und 1050 V Wechselspannung. Die Kondensatoren wurden nun einige Stunden lang bei 10O⁰C erwärmt. Dabei wurde eine praktisch vollständige Imprägnierung erzielt, was aus KoronaZündspannungen von mehr als 3 000 V geschlossen wurde. Nach der Untersuchung der anderen elektrischen Eigenschaften dieser Kondensatoren wurden die Koronazündspannungen erneut überprüft. Die Meßergebnisse bei diesen Versuchen sind in der Tabelle IV zusammengestellt.

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Tabelle IV

Kοronazündsρannung

Kondensator- · zu Beginn nach mehrstündigem nach Ende nummer Erwärmen der Versuche

1 1050 V 3100 V 3100 V

2 ' 750 V 3050 V 3100 V

3 950 V 3100 V 3100 V

Die außerordentlich hohen Koronazündspannungenjäieser Kondensatoren können zusammen mit der Reproduzierbarkeit dieser Koronazündspannungen als Anzeichen dafür gewertet werden, daß eine praktisch vollständige Imprägnierung erreicht worden ist. Als anderes Anzeichen für die Erreichung einer vollständigen Imprägnierung kann die Tatsache gelten, daß die gemessenen Werte der Koronazündspannungen sich den theoretisch errechneten Spannungen nähern.

Polypropylen-Papier-Dielektrika, die mit Pyranol 1499 imprägniert sind, sind gegenüber Koronaentladungen wesentlich widerstandsfähiger als die bekannten Dielektrika, die aus imprägniertem Papier bestehen. Es wurden Kondensatoren, die nach Figur 5 aufgebaut waren, für 30 Sekunden einer Spannung ausgesetzt, die dreimal höher als ihre Nennspannung war. Es zeigte sich, daß nur verhältnismäßig geringe Koronaschäden auftraten, während die Verlustfaktoren tatsächlich dabei noch verbessert wurden. Diese Kondensatoren enthielten ein Dielektrikum, das aus Polypropylen-Papier bestand und mit Pyranol 1499 imprägniert war. Zum Vergleich wurden bekannte Kondensatoren dem gleichen Versuch unterworfen, deren Dielektrikum aus Papier oder Papier-Kunstharz bestand. Diese Kondensatoren

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zeigten merkliche Koronaschaden und einen erhöhten Verlustfaktor. Die Koronaschäden wurden bei beiden Versuchsreihen dadurch bestimmt, daß man die Kondensatoren auseinandernahm und die Dielektrika visuell untersuchte.

Die dielektrischen Systeme nach der Erfindung können außer dem festen dielektrischen Material und der elektrischen Flüssigkeit noch zahlreiche andere Komponenten enthalten. Insbesondere ist es häufig günstig, wenn man a

dem imprägnierten Dielektrikum eine Komponente zusetzt, die als Stabilisator wirkt. Die Wirkung solcher Stabilisatoren besteht darin, in dem dielektrischen System bestimmte Verunreinigungen oder Fremdmaterialien zu neutralisieren, die im System vorhanden sind oder gebildet werden können. Solche Verunreinigungen können Rückstände von Katalysatoren sein, oder katalytische Aktivatoren oder Neutralisierungssubstanzen, die bei der Polymerisation der Polyolefine zurückbleiben. Andere Verunreinigungen können aus Zersetzungsprodukten entstehen, die durch chemische Reaktion innerhalb des Systems bedingt sind, die entweder von selbst ablaufen oder durch Überspannungen ausgelöst werden. Diese Verunreinigungen und I Fremdprodukte beeinträchtigen den Verlustfaktor des imprägnierten Dielektrikums. Stabilisatoren haben sich als sehr geeignet erwiesen, den Verlustfaktor eines imprägnierten Dielektrikums auf Kunststoffbasis zu stabilisieren.

Beispiele für Stabilisatoren sind Dipenten-Dioxyd und 1-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan. Diese Stabilisatoren sind in den US-Patentschriften 3 242 401 und 3 342 402 im einzelnen beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung

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wurde i-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan den dielektrischen Flüssigkeiten in Mengen zugesetzt, die zwischen 0,001 und 8 Gewichtsprozenten lag. Ein bevorzugter Bereich für die Verwendung mit Polypropylenfolie und Pyranol liegt zwischen 0,35 und 1 Gewichtsprozent.

Auch bestimmte anorganische Materialien wie Aluminiumoxyd können als Stabilisator verwendet werden. Die Wirkung dieses Materials besteht darin, Langzeitänderungen des Verlustfaktors entgegenzuwirken und die Lebensdauer des Kondensators sowie seine Imprägnierbarkeit zu erhöhen. Dieses ist an anderer Stelle bereits vorgeschlagen worden.

Ein anderer Bestandteil, der in imprägnierten Dielektrika nach der Erfindung häufig verwendet wird, ist eine poröse dielektrische Schicht, die auf eine Kunststoff-Folie aufgelegt wird und wie ein Docht oder ein Schwamm wirkt. Diese poröse Schicht führt aufgrund ihrer Kapillarwirkung die Imprägnierungsflussigkeit in die Grenzfläche zwischen ihr und der festen Kunststoff-Folie hinein. Bei einem Dielektrikum, das eine Kunststoff-Folie von einer sehr großen Oberfläche aufweist, ist es günstig, zumindest eine solche poröse Schicht vorzusehen, um die Imprägnierung zu erleichtern. Dies gilt besonders für verhältnismäßig große Wickelkondensatoren, von denen sehr hohe Koronazündspannungen gefordert werden, die also vollständig imprägniert werden müssen. Als poröses Material wird vorzugsweise Kraftpapier verwendet, dessen Dicke 0,025 mm nicht übersteigt. Besonders günstig ist es, Kraftpapier zu verwenden, dessen Dicke etwa Ο,ΟΟδίπΐη beträgt. Ein solches Papier weist

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eine Durchschlagsfestigkeit auf, die im Vergleich zu anderen Dielektrika verhältnismäßig gut ist, wenn sie auch merklich niedriger als die Durchbruchsfestigkeiten der meisten festen Kunststoffe ist. Zusätzlich hat das Kraftpapier eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante, so daß die Spannungsverteilung in einem zusammengesetzten Dielektrikum in dem Sinne günstiger wird, daß ein größerer Anteil des Spannungsabfalls an den Kunststoffen auftritt, die eine höhere Durchbruchsfeldstärke haben. Als poröse Schieb, vkönnen in der Erfin- " dung auch andere synthetische Kunststoffe oder Glasfasergewebe verwendet werden.

Durch die Modifizierung der physikalischen Eigenschaften der dielektrischen Imprägnierflüssigkeit kann man die Imprägnierung nach Art und Umfang verbessern. Dieses wurde an Kondensatoren untersucht, deren Dielektrikum aus zwei Polypropylenfolien von 0,008 mm Dicke bestand, die mit Pyranol 1499 mit Epoxydzusatz imprägniert waren. Andere Kondensatoren wurden mit der gleichen Imprägnierflüssigkeit imprägniert, der noch eine weitere Imprägnierflüssigkeit, nämlich Pyranol 1478 zugegeben war. Es * wurden auf drei Teile Pyranol 1499 etwa ein Teil Pyranol 1478 verwendet. Pyranol 1478 ist eine kommerziell erhältliche dielektrische Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Trichlorbenzol besteht. Während die Koronazündspannungen der Papierkondensatoren, die mit Pyranol 1499 allein imprägniert waren, zwischen 400 und 1 000 V Wechselspannung lagen, wiesen die Kondensatoren, die mit der gemischten Imprägnierflüssigkeit imprägniert waren, Koronazündspannungen von mehr als 1 500 V Wechselspannung auf. Hieraus kann man schließen, daß der

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Umfang der Imprägnierung merklich größer war.

Bei der vorstehenden Beschreibung ist als Beispiel für ein Polyolefin, das nach der Erfindung verwendet werden kann, Polypropylen angegeben worden. Für die Dielektrika nach der Erfindung sind aber auch andere Polyolefine gut geeignet, insbesondere Polyäthylen und A-Methyl~penten-1. Versuche haben gezeigt, daß diese Materialien auf die gleiche Weise wie Polypropylen mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert werden können, jedoch werden dabei unterschiedliche Ergebnisse erzielt. So wurde beispielsweise eine Folie aus Polyäthylen hoher Dichte nach einem ähnlichen Verfahren mit Pyranol imprägniert, wie es für Polypropylen beschrieben wurde. Eine Imprägnierung zwischen 85 und 100⁰C über 16 Stunden führte auf eine merklich erhöhte Koronazündspannung.

Es wurden auch Imprägnierungen mit anderen dielektrischen Flüssigkeiten durchgeführt, insbesondere mit solchen, die in der Beschreibung nur als Zusatz zu Pyranol erwähnt wurden, also mit Mineralöl, Silikonöl und auch mit anderen Pyranolqualitäten. Es zeigte sich, daß die Flüssigkeiten für sich allein als Imprägniermittel dienen können, oder doch den Hauptbestandteil des Imprägniermittels ausmachen können. Zu anderen Ölen, die in beschränktem Umfang nach der Erfindung verwendet werden können, gehört Baumwollsamenöl.

Für bestimmte Anwendungen sind auch andere Stoffkombinationen möglich. Hier sei vernetztes Polyäthylen oder Papier genannt, das mit dem Polyolefin nach der Erfin-

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dung imprägniert ist. Man kann beispielsweise ein Papier mit einer Schmelze oder einer Lösung tränken, die Polypropylen enthält und das entstehende Material mit Pyranol imprägnieren.

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Claims

- 38 Ansprüche

1. Aus einzelnen festen Schichten aufgebautes, mit einem flüssigen Imprägniermittel imprägniertes Dielektrikum, d adurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens eine Schicht aus einem Polyolefin aufweist, die derart mit einem flüssigen Imprägniermittel imprägniert ist, daß ein Teil des Imprägniermittels im Polyolefin und ein Teil des Polyolefins im Imprägniermittel gelöst ist.

2. Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Imprägniermittel eine halogenierte aromatische Verbindung ist, die 1 bis 5 Chlorsubstituenten und 1 bis 3 Arylgruppen aufweist.

3· Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Polyolefinschicht aus Polypropylen, Polyäthylen oder 4-Methyl-penten-1 besteht.

4. Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Polyolefinschicht eine biaxial orientierte Polypropylenfolie ist.

5. Dielektrikum nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Imprägniermittel Trichlordiphenyl oder Trichlorbenzol oder eine Mischung daraus ist.

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1S4018B

6. Dielektrikum nach. Anspruch. 5» gekennzeich net durch den Zusatz von Stabilisatoren, insbesondere durch, den Zusatz von Dipentendioxyd oder 1-Epoxyäthyl-3,4-epoxycyclohexan.

7. Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum eine poröse Schicht aufweist, die zwischen zwei Polyolefinfolien gelegt ist.

8. Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefinschient zwischen zwei poröse Schichten gelegt ist.

9. Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einer Polyolefinschicht und aus einer porösen Schicht aufgebaut ist.

10. Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus mehreren Polyolefinschichten aufgebaut ist.

11. Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei aufeinander gelegte Polyolefinschichten und durch eine poröse Schicht, die nur auf eine Polyölefinschicht gelegt ist.

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12. Wechselstroinkondensator mit einem aus zwei Belegen und einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht bestehenden Kondensatorwickel, der in ein Gehäuse eingesetzt ist, das mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Zwischenschicht ein Dielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ist.

13· Wechselstromkondensator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit der Imprägnierflüssigkeit gefüllt ist.

14. Wechselstromkondensator nach Anspruch 12 oder 13» gekennzeichnet durch eine Koronazündspannung von mehr als 750 V, durch einen Verlustfaktor bei Nennspannung zwischen Zimmertemperatur und etwa 85⁰C von weniger als 0,15$ und durch eine Betriebsfeldstärke in der Polyolefinschicht des Dielektrikums von mehr als 30 000 Volt/mm.

15. Wechselstromkondensator nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Betriebsfeldstärke in der Polyolefinschicht des Dielektrikums von mehr als 48 000 Volt/mm.

16. Verfahren zur Herstellung eines Wechselstromkondensators nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorwickel in das Gehäuse eingesetzt wird, dass daraufhin das Gehäuse evakuiert wird, daß dann das

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Imprägniermittel in das Gehäuse eingegeben wird, daß dann der Kondensator auf eine Temperatur zwischen 65⁰C und 100⁰C gebracht und so lange auf der Temperatur belassen wird, bis ein Gleichgewicht zwischen dem lösen des Polyolefins im Imprägniermittel und dem Lösen des Imprägniermittels im Polyolefin erreicht ist, und daß dann die Temperatur herabgesetzt und der Kondensator vakuumdicht verschlossen wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten des Dielektrikums zusammen mit dem flüssigen Imprägniermittel auf eine Temperatur zwischen 65⁰C und 100⁰C gebracht und gegebenenfalls unter erhöhtem Druck so lange auf dieser Temperatur belassen werden, bis das Polyolefin partiell im Imprägniermittel in Lösung gegangen ist.

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