DE2242493A1

DE2242493A1 - Regenerierfaehiger elektrischer kondensator

Info

Publication number: DE2242493A1
Application number: DE19722242493
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Phys Behn; Reiner Dr Rer Nat Simson
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1974-04-04
Also published as: BR7306405D0; NL7308579A; JPS4963950A; IT993039B; BE804167A; FR2198235A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 29. AU(1.19? 2 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

Regenerierfähiger elektrischer Kondensator

Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator mit einem aus Papier- υηά Kunststofflagen kombinierten Dielektrikum, bei dem die aus Papier bestehende Lage beidseitig metallisiert und bei dem eine Imprägnierung mit einer dielektrischen Flüssigkeit angewendet.ist.

Elektrische Wickelkondensatoren werden vielfach mit einem isolierenden öl getränkt und auf diese Weise imprägniert, vor allem, wenn die Kondensatoren für &an Betrieb mit Wechsel Spannung vorgesehen sind, Die Imprägnierung soll Hohlräume im und am Kondensatordielektrikum ausfüllen, welche - falls sie mit Luft gefüllt wären - bei der Betriebsfeldstärke der Kondensatoren zu Glimmentladungen im Dielektrikum und damit zu dessen Beeinträchtigung oder gar Zerstörung führen könnten. Man verwendet dabei Imprägniermittel, deren Dielektrizitätskonstante sich möglichst wenig von der des Kondensatordielektrikums unterscheidet, um im Gesamtdielektrikum des Kondensators eine möglichst homogene Feldverteilung· zu erreichen.

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Zum Imprägnieren von Kondensatoren mit Papierdielektrikum ( Dielektrizitätszahl etwa 6 ) verwendet man aus diesem Grund chloriertes Diphenyl (Chlophen), dessen Dielektrizitätszahl denselben Viert wie das Isolierpapier des Dielektrikum aufweist. Jedoch sind die bekannten mit Chlophen imprägnierten Kondensatoren wegen ihres Aufbaus ( sie bestehen aus mit der Papierlage zusammen gespulten, die Kondensatorelektroden bildenden Metallfolien ) nach einem elektrischen Durchschlag nicht regenerierfähig ( selbstheilend ). wollte man diesem Nachteil mit bekannten Mitteln begegnen, so müßte man die Kondensatorelektroden in Form von dünnen Metallisierungen auf das das Dielektrikum des Kondensators bildende Papierband aufbringen und außerdem ein Imprägnierungsmittel verwenden, welches infolge der mit dem elektrischen Durchschlag verbundenen Belastung keine die Isolierfähigkeit des Dielektrikum nach dem Durchschlag verschlechternde Substanzen entwickelt. Die günstigste bisher bekannte Lösung sieht als Imprägnierflüssigkeit von solchen Kondensatoren Mineralöl oder Polyisobutylen vor, deren Dielektrizitätszahlen etwa den Wert 2,2 haben und die das Regeneriervermögen des Kondensators nach einem Durchschlag nicht beeinträchtigen. -Als Machteil verbleibt allerdings der verhältnismäßig große Unterschied der Dielektrizitätszahlen de3 das Kondensatordielektrikum bildenden Isolierpapiers ( DZ 6 ) und dieser Imprägnierflüssigkeiten, so daß man bei solchen Kondensatoren zwar einerseits, die Regenerierfähigkeit, andererseits aber auch verhältnismäßig große Inhomogenitäten der Feldstärke im Kondensatordielektrikum hat. __ -z _

So ist z.B. in den mit Öl gefüllten Fugen zwischen aneinander grenzenden Papierlagen oder einer an einer !-!etallisierung angelegten Papierlage die Stärke des elektrischen Feldes etwa dreimal so groß als innerhalb der einzelnen Papierlage. Hinzu kommt, öaß die ,Durchschlagsfestigkeit der flüssigen Imprägniermittel immer wesentlich niedriger als die eines der üblichen festen Dielektrika ist.

Bei allen "bisher bekannten flüssigkeitsimprägnierten ^ickelkondensatoren mit Papierdielektrikum liegen die mit der Imprägnierflüssigkeit getränkten Pug.en.in Reihe mit dem festen, aus den einzelnen Lagen des gewickelten Papierbandes bestehenden Kondensatordielektrikum. Die Bedeutung dieses Aufbaus erkennt man anhand der Figuren 1 und 5 am Beispiel des üblichen ChIophen-imprägnierten Papierkondensators oder anhand der Figuren 2 und 6 am Beispiel eines Kondensators, bei dem die Kond.en- J

satorelektroden als Metallisierungen auf die beiden, das Kon- ; densatordielektrikum bildenden Papierlagen aufgebracht sind. Schließlich ist noch als weitere Vergleichsmöglichkeit ein den Ausführungen der deutschen Patentschrift 1 013 793 entsprechender Kondensatoraufbau in den Figuren 3 und 7 angegeben. Dabei ist ist in den Figuren 1, 2 und 3 die Aufeinanderfolge der einzelnen Schichten in der einzelnen T7ickellage und in ' den Figuren 5, 6 und 7 die Folge der zu den einzelnen Schichten gehörenden Teilkapazitäten dargestellt.

Dabei bedeuten die mit 1 bezeichneten, mit M₃serung versehenen Felder je eine Papierlage, die mit 2 bezeichneten und schraffierten Felder je eine Lage aus Aluminiumfolie, die mit 3 bezeichneten, schraffierten schmalen Streifen·je eine liondensatorelek-

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trode in Gestalt einer aufgedampften Metallisierung. Me schalttechnischen Äquivalente der in Pig. 1,2 und 3 gezeigten, dem Stande der Technik entsprechenden Kondensatoraufbauten bestehen, wie in den Pig. 5 bis 7 dargestellt, «us einer Anzahl hintereinander- und parallelgeschalteter Kondensatoren. Diese sind bei dem in Pig. 1 und 5 dargestellten Beispiel des mit Chlophen imprägnierten Papierkondensators zusätzlich mit den Buchstaben a, b, c, d und e bzw. a¹, V, c', d' und e¹ bezeichnet, während bei den in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen die Zuordnung leicht ersichtlich ist und deshalb eine zusätzliche Bezeichnung entbehrlich ist. Man erkennt anhand von Pig. 1 und 5, daß die mit a, c und e bzw. a^f, c' und e¹ bezeichneten Teilkapazitäten den mit Imprägnierflüssigkeit gefüllten Pugen zv/ischen den einzelnen Papierlagen oder einer Papier- und einer l'letalllage, die mit b und d bzw. b^f und d' bezeichneten Teilkapazitäten den Kapazitäten der reinen Papierlagen entsprechen. Im Beispiel von Pig. 2 und 6 hat man nur die Fugenkapazitäten zwischen einer Metallisierung und einer an dieser infolge des Wickelvorgangs angelegten Papierlage und im Falle der Pig. 3 und 7 eine solche Teilkapazität neben einer aus zwei aneinander gelegten Papierlagen bedingten Teilkapazität zu berücksichtigen, wozu auch in den beiden letzten Fällen die jeweils einer Papierlage an sich entsprechenden Teilkapazitäten kommen. In allen Ersatzschaltbildern sind die relativen Dielektrizitätskonstanten (Dielektrizitätszahlen) angegeben, die die Werte 6 ( für Papier und Chlophen) bzw. 2,2

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(für Iiaprägnieröl oder Polyisobutylen) haben.

Man erkennt nun daß "bei solchen zusammengesetzten Kondensatordielektrika die von der Imprägnierflüssigkeit gefüllten T_rennfugen zwischen den einzelnen Lagen aufgrund ihrer geringen Dicken "besonders hohe Kapazitäten erhalten, die in Reihe mit kleineren Kapazitäten liegen, die dem festen eigentlichen Dielektrikum des betreffenden Kondensators entsprechen. Ferner ist zu bemerken, daß die Feldstärke bereits innerhalb der einzelnen Papierlagen im Dauerbetrieb bis zu 20 V//um betragen können, während eine weitere Steigerung bei den bisher bekannten Aufbauten und Mitteln kaum mehr als möglich erscheint.

An einer solchen Steigerung wäre man aber in anbetraeht der Tendenz, zu immer kleineren ,Kondensatoren zu gelangen, interessiert. Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, hier eine Abhilfe zu schaffen.

Diese gelingt, wenn bei dem eingangs definierten Kondensator die Metallisierung der Papierlage aus zwei "voneinander isolierten und als je eine Kondensatorelektrode zu verwendenden Bereichen besteht und wenn zwischen zwei- beidseitig metallisierten Papierlagen jeweils eine Kunststofflage und umgekehrt eingefügt ist. '

Wenn auch die E_rfiridung die Aufgabe hat, die elektrischen Eigenschaften von imprägnierten MP-Kondensatoren zu verbessern, so kann jedoch der Erfindung - vom Kondensatoraufbau her ge-

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sehen - der durch die DAS 1 564 792 ( Anspruch 1 und 2) oder nach DAS 1 614 502 oder nach DOS 1 564 711 offenbarte Stand der Technik zugrunde gelegt werden, dem auch der eingangs definierte Kondensator angehört. Bei den dort angegebenen Kondensatoren ist jedoch die Kunststofflage allein das Dielektrikum oder ist mit einer Papierlage unter Bildung eines kombinierten Dielektrikum hintereinandergeschaltet, während die Papierlagen, soweit sie metallisiert sind, jeweils als Träger einer einzigen Kondensatorelektrode vorgesehen sind.

Bei der Epfindung hingegen ist der Kondensatoraufbau so getroffen, daß zwischen zwei dielektrischen Schichten je eine auf einer Papierlage aufgedampfte I.Ietallschicht angeordnet ist und jede Papierlage zwei getrennte Metallisierungen aufweist, die verschiedenen elektrischen Anschlüssen des Kondensators zugeordnet sind· Es empfiehlt sich, wenn bei einem Kondensator entsprechend der Erfindung das Dickenverhältnis von Papierlage zu Kunststoff lage auf einen V7ert von 3s 1 "bis 4:1 eingestellt wird. Ein günstiges Beispiel sieht vor, daß die Stärke der einzelnen Papierlage auf 12 yum, die Dicke der Kunststofflage auf 3,5/um und die Dicke der - beispielsweise aus Aluminium bestehenden - Metallisierung auf weniger als 1 /um eingestellt wird. Ferner wird zweckmäßg dafür gesorgt, daß die Kunst3tofflage aus einem - wenigstens angenähert die gleiche Dielektrizitätskonstante wie das Imprägniermittel aufweisendem Material besteht.

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Der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Aufbau ?/ird anhand von Pig. 4- gezeigt, während - in Mg, 8 das zugehörige Ersatzschaltbild dargestellt ist. Die Kunststofflage 4 ist durch eine aus einander abwech sein den starken und schviaehen Strichen bestehende Schraffierung sowohl in dem die Bexhenfolge der einzelnen Schichten pro V/iekellage zeigenden Schema der !Figur 4 als auch in dem Ersatzschaltbild gem. Pig. 8 gekennzeichnet, während für alle übrigen Bestandteile de3 Kondensators gemäß; der Erfindung die in den bereits besprochenen !"ig. angewendeten Darstellungsweisen benutzt sind. Han hat also beim gewickelten Kondensator neben eier durch das eigentliche Papierdielektrikum mit der DZ 6 gegebenen Teilkapazität in Parallelschaltung zu dieser. Teilkapazität eine Serienschal— tung dreier Teilkapazitäten, von denen die beiden äußeren den mit" Imprägnierflüssigkeit gefüllten Trennfugen zwischen je einer Metallisierung 3 der Papierlage 1 und die mittlere der Kunststofflage 4 entsprechen.

Der gemäß der Erfindung anzuwendende Aufbau sieht zwischen den die Kondensatorelektroden bildenden aufgedampften Belägen nur ein aus einem homogenen -Band bestehendes'Pgpierdielektri— kum vor, das seinerseits Imprägniermittel aufgenommen hat. Die bedeutend höhere Durchschlagsfestigkeit des Papierdielektrikum bei einem Kondensator gemäß der Erfindung kann' man nun so deuten, daß ein Durchschlag seine Ursache in einem Teil— durchschlag in dem von der Imprägnierflüssigkeit angefüllten Zwischenspalt zwischen den einzelnen dielektrischen I>agen hat.

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Dieser Flüssigkeitsspalt ist sehr groß im Vergleich zu den kleinen in dem Papierdielektrikum zwangsläufig enthaltenen Hohlräumen, die von der Imprägnierflüssigkeit durch den unter Vakuum vorzunehmenden Imprägnierungsprozeß ausgefüllt sind. Da nun die Durchschlagsfeldstärke in einer dielektrischen Flüssigkeit sehr stark von den räumlichen Dimensionen in Feldrichtung abhängt und außerdem die Durchschlagsfeldstärke stark mit abnehmenden Abmessungen ansteigt ( vgl. ¹¹ETZ" A 91 (1970), S. 118), wird es verständlich, daß in den mit der Imprägnierflüssigkeit angefüllten Zwischenräumen bei bedeutend niedrigeren Feldstärken Durchschläge entstehen, als in den einzelnen aufgrund der Porosität des Isolatorpapiers im Inneren der einzelnen Papierlagen vorhandenen und mit Imprägnierflüssigkeit gefüllten Hohlräumen.

Da sich das Auftreten solcher mit Iinprägnierflüssigkeit gefüllter Zwischenräume bei imprägnierten Wickelkondensatoren mit aneinander liegenden Dielektrischen Schichten grundsätzlich nicht vermeiden läßt, ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau noch folgender Vorteil implizit gegeben: Zu dem als Dielektrikum des Kondensators wirksamen P_opierband wird ein im elektrischen Sinne parallelgeschaltetes nicht metallisiertes Isolierband hinzugefügt, dessen Dielektrizitätskonstante möglichst an die Dielektrizitätskonstante der (aus anderen Gründen für die Imprägnierung metallisierter Kondensatoren bewährter ) Imprägnierungsmittel angepaßt ist. Geeignet ist beispielsweise eine Kunststoffolie "aus Polycarbonat mit einer DZ von 2,8 oder eine Kunststofflage aus Polypropylen mit einer DZ von 2,2. Das

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flüssige Imprägnierungsmittel besteht zweckmäßig aus Mineralöl oder einem niederpolymeren Polyisobutylen, wobei'man Sorten mit einer DZ von 2,2 vorzieht. Das dem Kunststoff und dem Imprägnierungsmittel in den ^_rei]nf_Ug_en parallel geschaltete Papierdielektrikum besteht hingegen aus einer Papiersorte mit einer DZ von 6 oder mehr.

Durch die Anpassung der DiZ des elektrisch' in Reihe, mit dem Imprägnierspalt liegenden Kunststoffs wird, die Feldstärke in demSpalt wesentlich gesenkt. Außerdem macht sich günstig bemerkbar, daß der mit dem Imprägniermittel gefüllte Spalt zwischen . der sehr glatten Oberfläche des Kunststoffs und der relativ rauhen Papieroberfläche sehr klein ist.. Dadurch ergibt sieh eine Steigerung der Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikum in dem Imprägniermittel ausgefüllten Spalt zwischen beanchbarten Feststofflagen und damit des geschichteten G-esamtdielektrikum des erfindungsgemäßen Wickelkondensators.

Besonders günstig ist es in dieser Beziehung,wenn als Kunststoff ein Material verwendet wird, das von dem Imprägnierungsmittel an- ,. gequollen wird. Dadurch werden nämlich die mit dem flüssigen Imprägnierungsmittel angefüllten Spalte besonders dünn oder verschwinden völlig. Bei Verwendung von Polypropylen als Kunststoff und Mineralöl als Imprägnierungsmittel sind die hierzu, erforderlichen Voraussetzungen gegeben.

Der zu dem der Erfindung gelehrten Aufbau inverse Aufbau, bei dem also die Kunststoffschicht Träger der die Kondensatorelek-• ■ , -10-

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troden bildenden Metallisierungen ist, während die Papierlagen unmetallisiert beigespult werden ( vergl. DOS 1 958 362 ) entspricht nicht dem Erfindungsgedanken, weil hier das Papierdielektrikum und das Imprägnierungsmittel in den TrennspaIten in Serie liegen. Bei gleicher Spannungsbelastung und gleichem Dickenverhältnis ( z.B. von 3:1) von Papier zu Kunststofflage v/ird bei Verwendung des inversen Aufbaus die Feldstärke in den Imprägnierspalten vor allem in der Nähe der Belagkanten des Freirandes und an d en Kanten, die durch mechanische Verletzungen oder durch Hißbildung oder beim Quellen der metallisierten Kunststoffolien entstehen bedeutend höher als bei Verwendung des erfindungsgeiaäßen Aufbaus. Die Anhebung der elektrischen Feldstärke ist mathematisch durch die Quadratwurzel aus dem Dickenverhältnis der Papierlage zur Kunststofflage, ^ei Verwendung eines Verhältnisses von 3:1 ergibt sich eine Kantenfeldstärke, die beim inversen Aufbau um etv/a den Paktor 1,7 höher liegt als "beim erfindungsgemäßen Aufbau.

Das bekannte Voraufschließen, durch das Fehlerstellen bereits während der Herstellung des Kondensators beseitigt werden, bekommt in Verbindung mit der Erfindung eine besondere Öedeutung. V<ie dargelegt, sind, bei den bekannten Aufbauten die Durchschläge zum großen Teil nicht durch Fehlstellen im Dielektrikum verursacht sondern primär durch Teildurchschläge im Imprägnierspalt entstanden, die dann durch Sprühentlodung sekundär zu Durchschlägen im P_apierdielektrikum führen, ^ei

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dem erfindungsgemäßen Aufbau können Durchschlage nur an Fehlstellen des Papiers entstehen. Da diese Stellen nach Aufbringen der beidseitigen Metallisierung längst latent vorhanden sind, können sie durch die bekannten Aufschließprozesse im Herstellungsgang beseitigt werden und zwar vorzugsweise bereits vor dem Imprägnieren und ggf. 'bereits am ungewickelten Papierband.

Bei der Herstellung eines elektrischen Kondensators nach der Erfindung empfiehlt es sich zunächst ein Band aus Isolierpapier auf beiden Seiten mit je einer als Kondensatorelektrode dienenden Metallisierung durch Aufdampfen im Vakuum zu versehen. Dann wird das Papierband zusammen mit einem uninetallisierten Kunststoffband zu einem zylindrischen Gebilde gewickelt oder zicksackförmig gefaltet. Da die Metallisierung auf dem Papier— band so aufgebracht wird, daß der die eine Elektrode bildende -bereich der Metallisierung, nach dem T/ickeln oder Palten nur an einer Stirnseite, der die andere Elektrode bildende Bereich nur an der gegenüberliegenden Stirnseite die Oberfläche des gewickelten oder gefalteten Gebildes erreicht, können die elektrischen Anschlüsse dieser Elektroden in einfacher Weise durch eine auf die beiden Stirnseiten beschränkte ^letallsierung", insbesondere nach dem Schoopverfahren, hergestellt werden. Schließlieh wird das gewickelte Gebilde, vorzugsweise unter Vakuum, mit der Imprägnierflüssigkeit getränkt. Hierbei empfiehlt sich die Anwendungvon niedrigen Temperaturen, insbesondere von 3im— mertemperatur, so daß bei Quellung der Kunststofflagen die Aus—

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füllung der Trennspalte mit dem Imprägniermittel in vollem
Maße gewährleistet ist. Zu bemerken ist noch, daß die 'Vickel, ggf. noch vor der Imprägnierung, mit einer Hülle, z.B. in Gestalt eines ^etallbechers, versehen wird, in die das gewickelte Gebilde, ggf. nach entsprechenden, der gegenseitigen Isolation der Anschlüsse dienenden Maßnahmen, eingeschoben wird. Schließlich wird der kondensator nach der Imprägnierung in üblicher '"eise einige Stunden getempert.

8 Figuren

12 Patentansprüche

40bö 1 4/U652

Claims

Patentansprüche

.J Regenerierfähxger elektrischer Kondensator mit einem aus Papier- und Kunststofflagen kombinierten Dielektrikum , bei dem die aus Papier bestehende Lage beidseitig metallisiert und bei dem eine Imprägnierung ' mit einer dielektrischen Flüssigkeit angewendet ist, / dadurch gekennzeichnet, daß die j

Metallisierung der Papierlage, aus zwei voneinander isolierten und als je eine Kondensatorelektrode zu

verwendenden Bereichen besteht und daß zwischen zwei j

I beidseitig metallisierten Papierlagen jeweils eine j

Kunststofflage und umgekehrt eingefügt ist.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflage durch das Imprägniermittel aufquellbar ist.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflage aus einem mindestens angenähert die gleiche Dielektrizitätskonstante wie das Imprägniermittel aufweisenden Material besteht.

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4. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Dickeverhältnis von Papierlage zu Kunststofflage auf einen Wert von 3:1 bis 4:1 eingestellt ist.
5. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Papierlagen auf 12/um, die Dicke der Kunststofflagen auf 3,5/um eingestellt ist.
6. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Papierlage aus einem Isolierpapier mit einer DZ von 6 besteht.
7. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierflüssigkeit aus Mineralöl oder einem niederpolymeren Polyisobutylen (insbesondere mit einer DZ von 2,2) besteht .
8. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflagen aus Polypropylen, insbesondere mit einer DZ von etwa 2,2 bestehen.

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9. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 Ibis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflagen glatte Oberflächen aufweisen.
10. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Band aus Isolierpapier auf beiden Seiten mit je einer als Kondensatorelektrode dienenden Metallisierung versehen wird, daß dann das Fapierband zusammen mit einem unmetallisierten Kunststoffband zu einem zylindrischen Gebilde -gewickelt oder Zickzackförmig gefaltet wird, daß ferner die Metallisierung der Papierlage derart aufgebracht wird, daß der eine Bereich, der Metallisierung die Oberfläche des gewickelten und fixierten Gebildes nur an einer Stirnseite, der andere Bereich nur an der gegenüberliegenden Stirnseite erreicht, daß dann eine auf diese beiden Stirnseiten "beschränkte Metallisierung - insbesondere nach dem ScSioopverfahren - aufgebracht wird und daß schließlich das gewickelte Gebilde mit der Imprägnierflüssigkeit getränkt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Inrorägnierung bei so tiefen Temperaturen, insbesondere bei Zimmertemperatur vorgenommen"wird, daß auch

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bei Quellung der Kunststofflage die Imprägnierflüssigkeit den Sr»alt zwischen den Kunststoff lagen und den Metallisierungen der Papierlagen völlig ausfüllt.

1?. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das gewickelte und imprägnierte Gebilde einige Stunden eretenroert wird.

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