DE2604004A1

DE2604004A1 - Elektrischer kondensator

Info

Publication number: DE2604004A1
Application number: DE2604004A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Maylandt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1977-08-04
Also published as: FR2340604A1; JPS5296400A; GB1571630A; SE7701128L; DD129011A5; IT1081702B

Description

_R> 30 58
30.1.1976 Rs

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmuster-Hilf sanmeldung

ROBERT BOSCH GMBK,
7000 Stuttgart 1

Elektrischer Kondensator

Die Erfindung betrifft einen mit Tränkmittel imprägnierten, selbstheilenden. Kondensator mit Mischungen aus Papier- und Kunststoffbändern,· insbesondere für einen Spannungsbereich kleiner 1000 V.

-2-

709831/0 5 75

-H*

Selbstheilende Kondensatoren "bestehen im allgemeinen aus Metallpapier allein oder in Verbindung mit weiteren, nicht metallisierten Papierlagen (ein- bis dreilagige Anordnung). Sie v/erden vor allem für Y/echselspannungsbelastung verwendet und mit Mineralölen oder anderen unpolaren flüssigkeiten mit einer Dielektrizitätszahl zwischen 2,0 und 2,5 imprägniert.

Grundsätzlich wäre es vorteilhaft, Tränkrnittel mit einer größeren Dielektrizitätszahl zu verwenden, da hierdurch die Kapazität des Kondensators bei gleicher Baugröße gesteigert bzw. seine Baugröße bei gleichbleibender Kapazität verringert werden könnte. Außerdem können solche Kondensatoren elektrisch höher belastet werden, ohne daß schädliche Glimmentladungen im Tränkiaittel ihre Lebensdauer verkürzen. Tränkmittel mit größerer Dielektrizitätssahl v/erden bei nicht selbstheilenden Kondensatoren bereits seit längerer Zeit verwendet. Es handelt sich dabei vor allem um flüssige, chlorierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise polychlorierte Biphenyle. Diese Stoffe zeichnen sich durch eine relativ hohe Dielektrizitätszahl von 5,5 bis 6 aus und v/eisen daneben auch noch günstige Werte für die elektrische Leitfähigkeit und den Verlustfaktor auf.

Diese nicht nur für Kondensatoren geeigneten Stoffe sind biologisch kaum abbaubar. Wegen der Umweltge-

709831/0575

fährdung - sei es beim Betrieb undichter Geräte oder deren unsachgemäßer Verschrottung - werden Herstellung und Anwendung immer mehr eingeschränkt. In Japan und Skandinavien ist beispielsweise die Verwendung für Kleinkondensatoren inzwischen untersagt worden. Aus diesem Grund wurde auch eine Reihe von Ersatzstoffen für die Imprägnierung von Kondensatoren vorgeschlagen, beispielsweise Mischungen aus halogenierten Äthem (DT-OS Kr.2 321 4-38), aus Diarylsulfon und halogenfreien, aromatischen Verbindungen (DT-OS Nr.2 310 807), Mischungen halogenfreier Ester und Äther (PR-PS Nr.2 193 234), Ester (US-PS Nr.3,855,508) oder Mischungen von Estern mit polaren (DT-OS ITr. 2 500 517) bzw. mit nicht polaren Stoffen (DT-OS Nr.2 341 356). Diese Ersatzstoffe weisen zwar im Vergleich zu den chlorierten Kohlenwasserstoffen eine geringere Lielektrizitätszahl von et v/a 4,1 bis 4,9 auf, Dies wäre aber für ihre Anwendung bei selbstheilenden Kondensatoren kein Nachteil, da man dort bisher mit Tränkmitteln einer Dielektrizitätszahl von 2 bis 3 auskommen muß. Entscheidend ist vielmehr die Tatsache, daß die Leitfähigkeit- und der Verlustfaktor dieser Ersatzstoffe wesentlich schlechter sind als bei den für selbstheilende Kondensatoren üblichen mineralischen oder synthetischen Ölen. Versuche mit ein- und zv/eilagigen Metallpapierkondensatoren, die vergleichsweise mit Mineralöl einer Dielektrizitätszahl von etwa 2,5 bzw. mit einen: halogenfreien Ester einer Dielektrizitätszahl von etwa 4,5 imprägniert wurden, v/aren daher auch alles andere als ermutigend.

709831/0 575

260400A

Pig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Verlustfaktors der günstigeren zv/eilagigen Ausführung in Abhängigkeit von der Temperatur bei zwei verschiedenen Spannungen. Die Werte der m.i t dem Ersatzstoff höherer Dielektrizitätszahl imprägnierten Kondensatoren sind, wie vorauszusehen war, erheblich schlechter als die der ölgetränkten Kondensatoren mit geringerer Melektrizitätszahl. Schon bei einer Betriebsfeldstärke von ca. 20 V/um würde die höhere spezifische Kapazität des mit dem Ester imprägnierten Kondensators durch ein schlechteres Betriebsverhalten, insbesondere höhere Betriebstemperatur und geringe Lebensdauer, erkauft. Der G-rund für den höheren Verlustfaktor liegt in den schlechteren Stoffwerten des Trankmittels. Fig. 2.zeigt den Verlustfaktor bei verschiedenen Temperaturen, Pig. 3 den Gleichstromwiderstand bei 80⁰C des Mineralöles bzw. des halogenfreien Esters. Der Verlustfaktor des Esters liegt um über zv/ei Zehnerpotenzen höher, der Gleichstromwiderst and mehr als drei Zehnerpotenzen niedriger als bei dem hineralöl.

Von diesem Gegebenheiten ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen selbstheilenden Kondensator zu entwickeln, der eine höhere spezifische Kapazität und eine höhere Glirnmeinsatzspannung als die bisher bekannten Bauarten aufweist, ohne daß sich seine Werte für den Verlustfaktor und die Leitfähigkeit verschlechtern. Der erfindungsgemäße

-5-

709831/0575

R Γ O Γ: C

Kondensator soll sich außerdem durch besondere Umweltfreundlichkeit auszeichnen.

Biese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der beiden folgenden Merkmale gelöst:

a) Das Tränkmittel ist ein bei Raumtemperatur flüssiger, halogenfreier Stoff mit einer DielektrizitätBzahl von etwa 4,0 bis 5,0 und

b) zwischen Belegungen verschiedener Polarität befindet sich zumindest eine Kunststofflage.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei Anwendung einer Kunststoffzwischenlage der ungünstige Einfluß, den Stoffe höherer Dielektrizitätszahl auf den Verlustfaktor und die Leitfähigkeit des Kondensators ausüben, praktisch vollkommen beseitigt wird. Bei Verwendung eines als Ersatzstoff für den umweltgefährlichen, chlorierten Kohlenwasserstoff vorgeschlagenen Esters als Imprägniermittel ergibt sich sogar ein geringerer Verlustfaktor als bei der Mineralölimprägnierung, obwohl dieser Ester allein die tausendfache Leitfähigkeit und den hundertfachen Verlustfaktor aufweist.

Die Ursache für dieses überraschende Ergebnis dürfte in folgendem liegen: Die elektrische Feldstärke im Imprägniermittel, im Papier und im Kunststoff (falls diese im elektrischen Feld liegen) verhält sich umgekehrt proportional zur üielektrizitätszahl des einzel-

-6-709831/0575

Γ C i; 3

nen Stoffes. Bei Ölimprägnierung sind die Feldstärken im Öl und im Kunststoff annähernd gleich, da auch die jeweiligen Dielektrizitätszahlen etwa gleich sind. Bei Imprägnierung mit einem Stoff höherer Dielektrizitätszahl, beispielsweise zwischen 4 und 5, sinkt die Feldstärke im Imprägniermittel, steigt dafür aber im Kunst stoff an. Da der !kunststoff die niedrigeren, das Tränk mittel die höheren Verluste hat, ist der Gesamtverlustfaktor des Dielektrikums um so geringer, ie höher die elektrische Belastung im Kunststoff ist bzw. je geringer die Feldstärke im Imprägniermittel ist. Dadurch kann der Beitrag des verlustbehafteten Imprägniermittels zum Gesamtverlustfaktor völlig kompensiert und sogar auch überkompensiert werden.

Zwar ist es bei mineralölimprägnierten Metallpapierkondensatoren bereits bekannt, ein Kischdielektrikum zu verwenden, so werden beispielsweise einseitig bedampfte Papiere mit unbedampften Kunststoffbändern zusammengewickelt (DAS Nr.1 639 212) oder doppelseitig metallisierte Papiere durch eine nicht metallisierte Kunststoffla,ge getrennt. Diesen Kondensatoren gemeinsam ist die Möglichkeit aber auch die wirtschaftliche Notwendigkeit, sie mit einer im Gegensatz zu den bisher erwähnten Kondensatoren wesentlich höheren Feldstärke von 4-0 bis 80 V^um zu betreiben. Um so unwahrscheinlicher mußte aufgrund der ungünstigen Stoffv/erte von Imprägniermitteln mit höherer Dielektrizitätszahl der Gedanke sein, so hochbelastete Kondensatoren mit

-7-

709831/0575

einem solchen Stoff zu imprägnieren, der schon bei wesentlich geringer belasteten Kondensatoren zu einer untragbaren Verschlechterung führt.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß das Tränkmittel ein mit Zusätzen stabilisierter Ester, insbesondere ein Bioctylphthalat mit Zusätzen aus Epoxid und Hydrochinon ist. Me Kunststoff lagen können beispielsweise aus Polycarbonat oder Polypropylen bestehen.

Zur Herstellung eines solchen Kondensators ist es vorteilhaft, daß der Wickel separat imprägniert und sodann in das Kondensatorgehäuse eingebaut wird und die Kondensatoren nach einer kurzen Vakuumbehandlung durch eine Füllöffnung im Gehäuse gefüllt und anschließend dicht verschlossen werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung folgen aus der nachfolgenden Beschreibung von Versuchsergebnissen« Dabei zeigt Pig. 4 den Verlauf des Verlustfaktors in Abhängigkeit von der Temperatur für einen Kondensator, der mit Mineralöl (Shell K 8) und für einen Kondensator*, der mit einem Ester (Bayer OC 4200) imprägniert wurde. Die Dielektrizitätszahl betrug im ersten Fall etwa 2,3, im zweiten Pail etwa 4,5. Der Kondensatoraufbau ist in der rechten oberen Ecke von Fig. 4 dargestellt. Er bestand aus zwei doppelseitig bedampften Metallpapieren, die mit zwei Polycarbonatlagen ver-

-8-

709831/0575

wickelt wurden. Der Kurvenverlauf zeigt deutlich, daß der Verlustfaktor des mit Ester Imprägnierten Kondensators im großen und ganzen unter dem des mit Mineralöl Imprägnierten Kondensators liegt. Die an sich um
Größenordnungen schlechteren Stoffwerte "bezüglich des Verlustfaktors kommen also nicht mehr zum Tragen.

Hoch günstiger liegen die Verhältnisse bei I¹Ig. 5, wo zwei einseitig bedampfte I-ietallpapiere mit zwei Poly— propylenlagen verwickelt wurden. Die Imprägniermittel waren dieselben wie in Fig. 4. Der Verlustfaktor liegt bei Imprägnierung mit Ester im Schnitt um etwa 25 fo
unter dem bei Imprägnierung"mit Mineralöl, wie Fig. 5 deutlich zeigt.

Die erfindungsgemäße Merkmalskombination gestattet es also, mit Tränkmitteln zu arbeiten, deren hohe Dielektrizitätszahl eine höhere spezifische Kapazität und
eine höhere elektrische Belastung des Kondensatοε erlaubt, wobei die V/erte für den Verlustfaktor gleich,
gut oder besser wie bei Mineralölen liegen.

Es liegt auch innerhalb des Rahmens der vorliegenden
Erfindung und der damit erslelbaren Vorteile, dex*art
saugfähige Kunststoffwickel zu verwenden, daß auf Papierlagen verzichtet werden kann. Hierfür kommen beispielsweise Kunststoffbänder mit aufgerauhter Oberfläche oder Kunststoff-Vliese In Betracht.

-8-

709831/0575

Claims

R Γ C

Anspruch e

1. 'Kit Tränkmittel imprägnierter, selbstheilender Kondensator, insbesondere üetaj!papierkondensator mit Mischungen aus Papier- und Xunststoffbändern, insbesondere für einen Spannungabereich kleiner 1000 V, gekennzeicht durch die Kombination folgender Merkmale:

a.) Das Tränkmittel ist ein bei Raumtemperatur flüssiger, halogenfreier Stoff mit einer üielektrizitätszahl von etwa 4,0 bis 4,5 und .

b) zwischen Belegungen verschiedener Polarität befindet sich zumindest eine Kunststofflage.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränkmittel ein mit Zusätzen stabilisierter Ester ist.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ester ein Dioctylphthalat ist.

4. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze aus Epoxid und Hydrochinon bestehen.

b. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffla^on

-10-

709831/0575

R :■ ö " η

aus Polycarbonat bestehen.

6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofflagen aus Poly propylen bestehen.

7. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Tränkmittel benützte Stoff auch als Füllmittel dient.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kondensaters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorwickel separat imprägniert und sodann, in das Kondensatorgehäuse eingebaut wird und die Kondensatoren nach einer kurzen Vakuumbehandlung durch eine Füllöffnung im Gehäuse gefüllt und anschließend dicht verschlossen werden.

709831/0575