CH342293A - Selbstausheilender Kondensator - Google Patents

Description

      Selbstausheilender    Kondensator    Die Erfindung bezweckt, einen elektrischen Kon  densator zu schaffen, der nicht nur bei Durchschlä  gen an den Durchschlagstellen selbst ausheilt, son  dern auch an Stellen, an denen beispielsweise infolge  erhöhter elektrischer Verluste bei Betrieb mit Wech  selstrom eine unzulässige örtliche Erwärmung ein  tritt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass gerade in       Wechselstromkondensatoren    die Temperatur an ein  zelnen Stellen     derart    anwachsen kann, dass das     Di-          elektrikum    verkohlt und die Kondensatoren unter  dem     Druck    von in ihrem Innern entwickelten Gasen  zerstört werden.

   Dies kann vermieden werden, wenn  ein Kondensator nicht nur eine Belegung enthält,  die bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle  herum wegbrennt, sondern auch mindestens eine Be  legung, die bei Erwärmung thermisch aufreisst, ehe  eine schädliche Zersetzung oder sonstige Zerstörung  des     Dielektrikums    eintritt.  



  Als Metalle, die thermisch aufreissen, ehe eine  schädliche     Zerstörung    des     Dielektrikums    eintritt,  eignen sich. am besten Legierungen mit niedrigem  Schmelzpunkt. Reisst eine solche Belegung an einer  lokalen     Überwärmungsstelle    so auf, dass hier eine  Stelle ohne elektrische Leitfähigkeit entsteht, so ver  schwindet hier das elektrische Feld, und die weitere  Erwärmung an dieser Stelle     wird    vermieden.  



  Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass  ein volles Verschwinden des elektrischen Feldes an  Stellen starker lokaler Erwärmung nur dann eintritt,  wenn der nach dem thermischen Aufreissen an diesen  Stellen vorhandene spezifische Flächenwiderstand  des Metallbelages genügend gross ist (Erklärung des  Begriffes      spezifischer        Flächenwiderstand     vor den  Ansprüchen). Es ist erforderlich, hierzu spezifische  Flächenwiderstände von mehr als 106 Ohm zu er  reichen.

   Eine solche Erhöhung des Schichtwiderstan-    des erhält man nicht mit Sicherheit, wenn man nur  darauf achtet, dass der Schmelzpunkt des     Belagmetal-          les    unter der     Zerstörungstemperatur    des verwendeten       Dielektrikums    liegt. Eine einwandfreie Abschaltung  des Feldes an den Fehlerstellen ist nur zu     erreichen,     wenn nicht nur zwischen den beim Aufreissen sich  bildenden Metallinseln keine Brücken erhalten blei  ben, sondern wenn auch die auf dem     Belagmetall     stets vorhandene Korrosionsschicht einen entspre  chend hohen Widerstand hat.  



  Diese Bedingungen werden erfüllt, wenn gemäss  der Erfindung die für die thermisch aufreissende  Belegung verwendete     niedrigschmelzende    Legierung  eine Komponente     enthält,    welche die Entstehung  einer solchen Korrosionsschicht an der Oberfläche  des Metallbelages zur Folge hat, dass die aufgerissene  Belegung einen höheren spezifischen Flächenwider  stand als     10s    Ohm     besitzt.     



  Eine derartige Legierung kann z. B. aus Kad  mium, Wismut und Zink mit einer Zusammensetzung  von mehr     als    5      /o        Kadmium,    2 bis 80     @/o    Wismut  und 2 bis 80 % Zink bestehen, bei der die gefor  derte Eigenschaft der entstehenden Korrosionsschicht  durch ihren Zinkgehalt bedingt ist. Da aber die An  wesenheit von Kadmium in einer Legierung aus Kad  mium und Wismut allein zu Korrosionsschichten  führen würde, die verhältnismässig     niederohmig    sind,  würden aufgerissene Kadmium - Wismut - Schichten  nicht die obengenannte     106-Ohm-Grenze    erreichen.

    Enthält eine niederschmelzende Belegung ausser Kad  mium und Wismut aber auch noch Zink, so entste  hen an der Oberfläche dieser Belegung keine     Kad-          miumdeekschichten,    sondern nur noch solche des       unedleren    Zinks, welche einen wesentlich höheren  Widerstand haben als die Korrosionsschichten des  Kadmiums. Darauf ist es zurückzuführen, dass durch      aufgerissene Schichten aus     Kadmium-Wismut-Zink-          Legierungen    praktisch kein Stromdurchgang stattfin  den kann und so die Schicht an dieser Stelle keine       Kondensatorbelegung    mehr darstellt.  



  Gute Verhältnisse ergeben sich unter     Verwen-          dung        von        Legierungen,        die        aus        mehr        als        30%        Kad-          mium,    5     bis        @30        0,

  \o-        Wismut        und        10        bis        40        %        Zink     zusammengesetzt sind. Im praktischen Betrieb haben  sich Schichten aus einer Legierung von<B>6004</B> Kad  mium, 20 0/0 Wismut und 20 0o Zink besonders be  währt. Sie reissen bei 143  C auf, das heisst also ehe  eine schädliche Zersetzung von Papier eintritt, das  vielfach als     Kondensatordielektrikum        Verwendung     findet.

   Der spezifische     Flächenwiderstand    aufgerisse  ner     Kadmium-Wismut-Zink-Schichten    beträgt<B>108</B>  bis     1010    Ohm. Natürlich kann auch von Legierungen  mit andern die     Aufreisstemperatur    bestimmenden  Komponenten, wie z. B.     Zinn-Wismut,    Blei-Zinn  und     Zinn-Kadmium,    ausgegangen werden, wenn es  sich darum handelt, in dem Bereich von 120 bis  200  C thermisch aufreissende Schichten herzustellen.

    Gegebenenfalls hat dann nur noch die Auswahl einer  dritten Legierungskomponente zu erfolgen, die in  jedem Fall unedler sein muss als die die     Aufreisstem-          peratur    bestimmenden Legierungskomponenten und  die Bildung einer Korrosionsschicht mit höherem  Widerstand an der Oberfläche des Metallbelages zur  Folge hat als demjenigen einer Korrosionsschicht, die  sich beim alleinigen Vorhandensein der übrigen Le  gierungskomponenten bilden würde. Als dritte Legie  rungskomponente kommen in Verbindung mit den  genannten, die     Aufreisstemperatur    bestimmenden  Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Alumi  nium, Mangan und     Indium,    in Betracht.  



  Bei selbstheilenden Kondensatoren, die eine bei  Erwärmung aufreissende Metallbelegung besitzen,  wird man normalerweise für die andere Belegung  eine Metallschicht wählen, die sich     möglichst    gut       eignet    für die Ausheilung von Durchschlagstellen,  also z. B. eine Schicht, die aus Zink, Kadmium,  Aluminium oder Nickel besteht und eine Schicht  dicke zwischen 0,01 und 0,2     ,li    besitzt. Man ist in  diesem Fall in der Wahl der Schichtdicke für die  bei unzulässiger Erwärmung aufreissende Belegung  frei.

   Man kann aber auch die aufreissende Belegung  durch entsprechende Wahl der Schichtdicke so aus  bilden, dass sie sowohl bei einem Durchschlag um die  Durchschlagstelle herum verschwindet und den  Durchschlagstrom unterbricht als auch bei lokal       unzulässiger        Erwärmung    ihre Leitfähigkeit so weit ver  liert, dass das elektrische Feld an dieser Stelle zu  sammenbricht. In einem solchen Fall kann für die  beiden     Kondensatorbelegungen    die gleiche Metall  schicht, oder es kann für die zweite     Kondensatorbele-          gung    eine nicht ausheilende andere Metallbelegung,  z. B. eine Metallfolie, verwendet werden.  



  In den     Fig.    1 und 2 ist eine aufgerissene Metall  schicht im Schnitt und in der Draufsicht in gegen  über der Wirklichkeit verzerrten Grössenverhältnissen  schematisch dargestellt.    In den Figuren ist mit 10 eine Unterlage be  zeichnet, beispielsweise aus 8   starkem     Kondensa-          torpapier,    auf welche eine etwa 0,05 /r starke Metall  schicht 11 aus einer     Kadmium-Wismut-Zink-Legie-          rung        aufmetallisiert    ist. Auf der Metallschicht 11 hat  sich nach der     Metallisierung    eine Korrosionsschicht  gebildet, die beispielsweise 0,01<B>11</B> stark sein und aus  einem Oxyd bestehen kann.

   In     Fig.    2 ist die Deck  schicht der Deutlichkeit halber nicht aufgezeichnet.  An der Stelle 13 ist die Metallschicht 12 thermisch  aufgerissen, das heisst das     Belagmetall    hat sich hier  unter dem Einfluss von örtlicher Erwärmung auf die  Schmelztemperatur der     Kadmium-Wismut-Zink-Le-          gierung    (143  C) in zahlreiche kleine, nicht mitein  ander in Verbindung stehende     Inselchen    14 aus dem       Belagmetall    aufgespalten. Grössenordnungsgemäss  handelt es sich um<B>106</B>     Inselchen,    die sich pro mm'  beim Aufreissen der Metallschicht bilden.

   Elektronen  mikroskopische Untersuchungen haben ergeben, dass  sich die Inselbildung dabei in der Regel nur auf den  unter der Deckschicht liegenden Metallbelag er  streckt, während die Deckschicht selbst nicht auf  gerissen wird, sondern je nach dem     Metall,    aus dem  sie gebildet wurde, als eine noch     mehr    oder weniger  leitfähige Haut über den Metallinseln 14 erhalten  bleibt. Bei Verwendung einer     Kadmium-Wismut-          Zink-Legierung    besteht diese Haut vornehmlich aus  Zinkoxyd, das einen ausreichend grossen Widerstand  besitzt, um auf der     Aufreissfläche    einen spezifischen  Flächenwiderstand der verbleibenden Schicht von  mehr als 106 Ohm zu ergeben.  



  Als spezifischer Flächenwiderstand ist dabei der  jenige Widerstand zu verstehen, der zwischen zwei  geraden Schneiden messbar ist, wenn diese auf einen  aus der zu messenden Schicht herausgeschnittenen  Streifen konstanter Breite senkrecht zum Streifenrand  so aufgesetzt werden, dass sowohl die Länge der Be  rührungslinie jeder Schneide mit der Schicht als auch  der Abstand der Schneiden in Streifenlängsrichtung  gleich der Streifenbreite ist. Die     Messflächenlänge    ist  in diesem Fall     gleich    ihrer Breite und die     Messfläche     ein Quadrat. Das     Messergebnis    ist eine Grösse, die  unabhängig von der Seitenlänge des Quadrates ist. In  der Dimension der     Messgrösse    erscheint keine Länge  mehr.

   Sie lautet lediglich: Ohm.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Selbstausheilender elektrischer Kondensator, der mindestens eine Belegung enthält, die bei einem Durchschlag um die Durchschlagstelle herum weg brennt, und mindestens eine Belegung aus einer niedrigschmelzenden Legierung, die bei Erwärmung thermisch aufreisst, ehe eine schädliche Zerstörung des Dielektrikums eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die für die thermisch aufreissende Belegung ver wendete niedrigschmelzende Legierung eine Kompo nente enthält, welche die Entstehung einer solchen Korrosionsschicht an der Oberfläche des Metallbela ges zur Folge hat, dass die aufgerissene Belegung einen höheren spezifischen Flächenwiderstand als 106 Ohm besitzt. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der niedrigschmelzenden Legierung, aus welcher die ther misch aufreissende Belegung besteht, Kadmium und Wismut als Komponenten enthalten sind. 2. Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass für die aufreissende Belegung Zink als zusätzliche Legierungskomponente beigemengt ist. 3.

   Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Be- legung aus einer Legierung von mehr als 5 % Kad- mium,

   2 bis 80 % Wismut und 2 bis 80 % Zink be- steht. 4.

   Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Bele- gung aus einer Legierung von mehr als 30 % Kad- mium, 5 bis 30 oio Wismut und 10 bis 40 % Zink besteht. 5.

   Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Be- legung aus einer Legierung von 60 % Kadmium, 20 % Wismut und 20 % Zink besteht. 6.

   Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Belegung aus einer Legierung besteht, welcher Aluminium beigemengt ist. 7. Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Belegung aus einer Legierung besteht, welcher Magnesium beigemengt ist. B. Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufreissende Belegung aus einer Legierung besteht, welcher Mangan beigemengt ist. 9. Selbstausheilender Kondensator nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, da.ss die thermisch aufreissende Belegung aus einer Legierung besteht, welcher Indium beigemengt ist.