Imprägnierter elektrischer Kondensator mit Kunststoffolien als Dielektrikum Die Erfindung bezieht sich, wie das Hauptpatent, auf einen imprägnierten elektrischen Kondensator, des sen Dielektrikum nahezu vollständig aus Kunststoffolien besteht, insbesondere Wechselspannungskondensator, bei dem wenigstens ein Teil des Dielektrikums aus einer durch ein Imprägniermittel angequollenen Kunststoff- folie besteht.
Elektrische Kondensatoren, insbesondere solche für Wechselspannungsbetrieb, werden bekanntlich imprä gniert, um Hohlräume im Kondensatorkörper, die zu Sprühentladungen führen, auszufüllen. Hohlräume be finden sich z. B. zwischen den Oberflächen der Dielektri kumsfolien und den Belegungen, da diese Oberflächen nie völlig glatt sind. Ausserdem befinden sich im Di elektrikum Poren - bei porösem Papier sehr viele, bei Kunststoffolien verhältnismässig wenige -, die genau wie der Luftspalt zwischen Belegung und Dielektrikumsfolie mit Imprägniermittel ausgefüllt werden müssen.
Die Durchschlagsfestigkeit der Imprägniermittel ist gegenüber derjenigen von Kunststoffolien gering. Wird darum eine gewisse Feldstärke im Kondensator über schritten, so finden in der Imprägniermasse, besonders im Spalt zwischen Belegung und Dielektrikumsfolie, Teildurchschläge statt. Von der Imprägniermasse (z. B. Isolieröl) wird dabei Gas abgespalten. Es entstehen gas gefüllte Hohlräume, in denen Sprühentladungen zu wei terer Gasbildung und schliesslich zur Zerstörung des Kondensators führen.
Die im elektrischen Feld befindliche und als Dielek trikum wirkende Imprägniermasse ist also bezüglich der Durchschlagsfestigkeit die schwächste Stelle im Kon densatordielektrikum.
Im Hauptpatent sind Massnahmen beschrieben, wel che den vom Imprägniermittel ausgefüllten Spalt mög lichst weitgehend beseitigen. Dies wird nach dem Pa tentanspruch 1 des Hauptpatentes dadurch erreicht, dass wenigstens ein Teil des Dielektrikums aus einer durch ein Imprägniermittel angequollenen Kunststoffolie be steht. Das Imprägniermittel, welches sich im Spalt zwi schen den Folien befindet, diffundiert in die Folien, die infolgedessen zu quellen beginnen und den Spalt mehr und mehr ausfüllen.
Für jedes System von quellbarem Kunststoffdielek trikum und Imprägniermittel besteht eine bestimmte ma ximale Quellung. Diese Quellung sollte ausreichen, um den gesamten Spalt auszufüllen. Anderseits kann man den Spalt durch die Wickelhärte des Kondensators be einflussen. Mit zunehmender Wickelhärte wird der Spalt enger. Die Wickelhärte lässt sich aber nicht beliebig er höhen, da der Spalt sonst so eng wird, dass Imprägnier schwierigkeiten entstehen. Es wird deshalb eine Mindest quellung jeder quellbaren Dielektrikumsfolie von 0,3 ,um gefordert.
Durch die Quellung der Kunststoffolien können Schwierigkeiten beim Imprägnieren auftreten. Sobald das Imprägniermittel in die Stirnseiten des Kondensators einfliesst, beginnt dort die Quellung. Dadurch wird der Spalt verengt und das Nachfliessen von Imprägniermittel praktisch unterbunden. Die Quellung darf also erst dann voll zur Wirkung kommen, wenn der Kondensator be reits voll durchimprägniert ist.
In zweifacher Weise lässt sich das Zusammenspiel von Imprägniergeschwindigkeit und Quellgeschwindigkeit so steuern, dass immer eine gute Durchimprägnierung gewährleistet ist: Erstens lässt sich der Imprägniervorgang durch die Temperatur be einflussen, denn die Quellgeschwindigkeit und die Vis kosität des Imprägniermittels sind temperaturabhängig; man muss also eine Imprägniertemperatur suchen, bei der die Quellung im Vergleich zur Fliessgeschwindigkeit des Imprägniermittels im Spalt langsam verläuft. Zwei tens kann man auf den Imprägniervorgang durch die Wickelhärte, also über die Luftspaltdicke, einen Ein- fluss ausüben.
Da die Quellgeschwindigkeit und Fliessgeschwindig- keit in den Spalten in Konkurrenz stehen, nehmen die Imprägnierschwierigkeiten mit zunehmender Wickel länge beträchtlich zu. Längere Wickel brauchen erheb lich längere Imprägnierzeiten, so dass die Quellung am Wickelanfang schon zu stark fortgeschritten ist, ehe die Durchimprägnierung beendet ist. Genauere Untersu- chungen der Quellung bei Kunststoffolien hatten zum Ergebnis, dass nicht nur die Quellgeschwindigkeit von der Temperaturhöhe beeinflusst wird, sondern auch die Stärke der Quellung.
Einige Werte sind für Polypropy lenfolien folgender Tabelle zu entnehmen:
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Temperatur <SEP> 20 <SEP> C <SEP> 40 <SEP> C <SEP> 75 <SEP> C <SEP> 95 <SEP> C <SEP> 125 <SEP> C
<tb> Dauer <SEP> des
<tb> Quellvorganges <SEP> 150 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min
<tb> relative
<tb> Dickenzunahme <SEP> 30/o <SEP> 40/o <SEP> 70/o <SEP> 110/o <SEP> 20'0/o Daraus ergibt sich eine abgewandelte Imprägnier möglichkeit. Man imprägniert bei so niedrigen Tempera turen, bei denen die Grösse der Quellung noch relativ gering ist und sich der Spalt nicht schliesst.
Eine gute Durchimprägnierung ist damit immer gewährleistet, auch wenn infolge der erhöhten Viskosität des Imprägniermit tels grössere Zeiten dazu verstreichen, die aber nicht notwendigerweise in der Imprägnieranlage verbracht werden müssen. Auch im fertigen Kondensator, der un ter Öl steht, kann die endgültige Durchimprägnierung erfolgen. Um restliche Ölspalte völlig zu verdrängen, kann der Kondensator nach dem Durchimprägnieren auf eine höhere Temperatur erwärmt werden. Dadurch nimmt die Grösse der Quellung der Kunststoffolie zu, das Öl wird absorbiert, und wenn die Temperatur hoch genug ist, verschwindet der Ölspalt vollkommen. Diese Quellung ist irreversibel. Bei Abkühlung tritt der Öl- spalt also nicht wieder auf.
Dabei ist wichtig, dass beim Imprägniervorgang das Volumen der Kunststoffolie zu sammen mit dem Ölspalt vor der Quellung möglichst ge nau so gross ist wie später die gequollene Kunststoffolie. Nimmt das Volumen der gequollenen Folie gegenüber dem Ausgangsvolumen der ungequollenen Folie plus Ölspalt ab, so können Hohlräume entstehen, die zum Sprühen im Kondensator führen. Nimmt das Volumen an gequollener Folie gegenüber dem Volumen der un- gequollenen Folie plus Ölspalt zu, so wird restliches Öl aus dem Kondensator herausgedrückt, und es entstehen mechanische Spannungen im Wickel. Es ist also am gün stigsten, wenn das Volumen der gequollenen Folie iden tisch mit dem Volumen der unimprägnierten Folie plus Ölspalt oder geringfügig grösser ist.
Um nun einen imprägnierten Kondensator gemäss dem Hauptpatent zu erhalten bzw. um eines der soeben beschriebenen Quellverfahren durchführen zu können, benötigt man geeignete Imprägniermittel. Es sind Im prägnieröle bekannt, beispielsweise chlorierte Kohlen wasserstoffe, die zwar auf Kunststoffolien quellend ein wirken, aber auf Grund ihres chemischen Aufbaues beim elektrischen Durchschlag im Kondensator zu lei tenden Abfallprodukten an der Durchschlagsstelle füh ren. Anderseits gibt es Isolieröle, die zwar regenerieren, aber die Folie nicht anquellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, weitere neben dem im Hauptpatent genannten Isolieröl geeilt nete Imprägniermittel zu zeigen. Die Erfindung besteht darin, dass das Imprägnier mittel aus Mineralöl oder Silikonöl oder fluoriertem Kohlenwasserstoff besteht.
Bei den fluorierten Kohlenwasserstoffen erweisen sich sowohl diejenigen, bei denen die Wasserstoffatome nur teilweise durch Fluor substituiert sind, als auch die jenigen, bei denen nur Fluor als Substituent auftritt, d. h. reine Fluorkohlenstoffverbindungen, als vorteilhaft im Sinne der Erfindung. Hierzu gehört insbesondere Cl, F" - CF3. Ausserdem erweisen sich auch die Isolier- öle, bei denen neben Fluor noch andere Substituenten auftreten, gleichfalls vorteilhaft. Es sind dabei insbe sondere die Perfluorallyläther, z. B.
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zu nennen.
Denn die fluorierten Kohlenwasserstoffe bilden bei Durchschlägen keine korrodierend wirkenden Zerfalls produkte und vermögen ausserdem Kunststoffe anzu quellen. Derartige Imprägniermittel sind deshalb für re generierende Kondensatoren vorteilhaft. Als vorteilhafte Silikonöle erweisen sich Methylsiloxane und Phenyl- methylsiloxan.
Auch reine Kohlenwasserstoffe, wie Polyisobutylen und Dodezylbenzol, erweisen sich bei der Erfindung als brauchbar.
Anhand der Figur soll die Erfindung näher erläutert werden. Zwischen den Oberflächen einer quellbaren Fo lie 1 und einer nicht quellbaren Folie 2, die die Bele gung oder eine weitere Dielektrikumsfolie sein kann, bil den sich Hohlräume und Spalte 3 aus, die beim Imprä gnieren ganz oder teilweise mit Imprägniermittel ange füllt sind. Beim Quellen der Folie 1 werden die aus der Oberfläche der Folie 2 ragenden Kuppen und Spitzen 4 flachgedrückt. Die Oberflächen der Folien schmiegen sich, wie es durch die strichlierten Linien schematisch dargestellt ist, aneinander. Winzige noch verbleibende Hohlräume sind mit Restisolieröl 5 ausgefüllt.
Als besonders im Sinne der Erfindung quellbares Dielektrikum erweist sich Polypropylen.
Die Erfindung ist geeignet für regenerierende Kon densatoren. Eine bevorzugte Anwendung findet vorlie gende Erfindung bei Kondensatoren, deren Dielektri- kum aus selbständigen Kunststoffolien besteht und bei denen eine beidseitig metallisierte Isolierstoffeinlage als Belegung dient. Die Isolierstoffeinlage kann z. B. aus Papier bestehen und liegt während des Betriebes im feldfreien Raum.
Impregnated electrical capacitor with plastic films as dielectric The invention relates, like the main patent, to an impregnated electrical capacitor, the dielectric of which consists almost entirely of plastic films, in particular AC voltage capacitor, in which at least part of the dielectric consists of a plastic film swollen by an impregnating agent consists.
Electrical capacitors, especially those for AC voltage operation, are known to be impregnated to fill cavities in the capacitor body that lead to spray discharges. Cavities be found z. B. between the surfaces of the Dielektri kumsfolien and the assignments, since these surfaces are never completely smooth. In addition, there are pores in the dielectric - very many in porous paper, relatively few in plastic films - which, like the air gap between the covering and the dielectric film, have to be filled with impregnating agent.
The dielectric strength of the impregnating agent is low compared to that of plastic films. If, therefore, a certain field strength is exceeded in the capacitor, partial breakdowns take place in the impregnation compound, especially in the gap between the coating and the dielectric film. Gas is split off from the impregnation compound (e.g. insulating oil). Gas-filled cavities arise in which spray discharges lead to further gas formation and ultimately to the destruction of the capacitor.
The impregnation compound located in the electric field and acting as a dielectric is therefore the weakest point in the capacitor dielectric in terms of dielectric strength.
The main patent describes measures that eliminate the gap filled by the impregnant as far as possible. According to the patent claim 1 of the main patent, this is achieved in that at least part of the dielectric is made of a plastic film that has been swollen by an impregnating agent. The impregnating agent, which is located in the gap between the foils, diffuses into the foils, which as a result begin to swell and fill the gap more and more.
For each system of swellable plastic dielectric and impregnation agent there is a certain maximum swelling. This swelling should be sufficient to fill the entire gap. On the other hand, the gap can be influenced by the winding hardness of the capacitor. The gap becomes narrower as the winding hardness increases. However, the winding hardness cannot be increased at will, as otherwise the gap will be so narrow that impregnation difficulties arise. A minimum swelling of each swellable dielectric film of 0.3 μm is therefore required.
The swelling of the plastic films can cause difficulties during impregnation. As soon as the impregnating agent flows into the front of the condenser, swelling begins there. This narrows the gap and practically prevents the impregnating agent from flowing in. The swelling must therefore only take full effect when the capacitor has already been fully impregnated.
The interplay of impregnation speed and swelling speed can be controlled in two ways so that thorough impregnation is always guaranteed: First, the impregnation process can be influenced by the temperature, because the swelling speed and the viscosity of the impregnating agent are temperature-dependent; So you have to look for an impregnation temperature at which the swelling is slow compared to the flow rate of the impregnating agent in the gap. Secondly, the impregnation process can be influenced by the hardness of the winding, that is, by the thickness of the air gap.
Since the swelling speed and the flow speed in the gaps are in competition, the impregnation difficulties increase considerably with increasing winding length. Longer laps require considerably longer impregnation times, so that the swelling at the beginning of the lap has progressed too much before the thorough impregnation is complete. More detailed investigations into the swelling of plastic films showed that not only the rate of swelling is influenced by the temperature, but also the strength of the swelling.
Some values for polypropylene films can be found in the following table:
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Temperature <SEP> 20 <SEP> C <SEP> 40 <SEP> C <SEP> 75 <SEP> C <SEP> 95 <SEP> C <SEP> 125 <SEP> C
<tb> Duration <SEP> des
<tb> Source process <SEP> 150 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min <SEP> 70 <SEP> min
<tb> relative
<tb> Thickness increase <SEP> 30 / o <SEP> 40 / o <SEP> 70 / o <SEP> 110 / o <SEP> 20'0 / o This results in a modified impregnation option. Impregnation takes place at such low temperatures that the size of the swelling is still relatively small and the gap does not close.
A good thorough impregnation is always guaranteed, even if, due to the increased viscosity of the Imprägniermit means, longer times have to pass, but which do not necessarily have to be spent in the impregnation system. The final thorough impregnation can also take place in the finished condenser, which is under oil. In order to completely displace the remaining oil gaps, the capacitor can be heated to a higher temperature after impregnation. This increases the size of the swelling in the plastic film, the oil is absorbed, and when the temperature is high enough, the oil gap disappears completely. This swelling is irreversible. The oil gap does not appear again when it cools down.
It is important that during the impregnation process the volume of the plastic film together with the oil gap before swelling is as large as possible as the swollen plastic film will be later. If the volume of the swollen film decreases compared to the initial volume of the unswollen film plus the oil gap, cavities can arise that lead to spraying in the condenser. If the volume of swollen film increases compared to the volume of the unswollen film plus the oil gap, the remaining oil is forced out of the capacitor and mechanical stresses arise in the winding. So it is most beneficial if the volume of the swollen film is identical to the volume of the unimpregnated film plus the oil gap or slightly larger.
In order to obtain an impregnated capacitor according to the main patent or to be able to carry out one of the swelling processes just described, suitable impregnating agents are required. There are known impregnating oils, for example chlorinated hydrocarbons, which have a swelling effect on plastic films, but due to their chemical structure in the case of electrical breakdown in the capacitor, waste products lead to lei at the breakdown point do not swell the foil.
The object of the invention is to show other impregnating agents in addition to the insulating oil mentioned in the main patent. The invention consists in that the impregnating agent consists of mineral oil or silicone oil or fluorinated hydrocarbon.
In the case of fluorinated hydrocarbons, both those in which the hydrogen atoms are only partially substituted by fluorine and those in which only fluorine occurs as a substituent are found, i.e. H. pure fluorocarbon compounds as advantageous for the purposes of the invention. These include, in particular, Cl, F "- CF3. In addition, the insulating oils in which other substituents occur in addition to fluorine also prove to be advantageous. In particular, the perfluoroallyl ethers, e.g.
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to call.
This is because the fluorinated hydrocarbons do not form any corrosive decomposition products when they break down and they are also able to swell plastics. Such impregnation agents are therefore advantageous for regenerative capacitors. Methylsiloxanes and phenylmethylsiloxane have proven to be advantageous silicone oils.
Pure hydrocarbons such as polyisobutylene and dodecylbenzene also prove useful in the invention.
The invention is to be explained in more detail using the figure. Between the surfaces of a swellable Fo lie 1 and a non-swellable foil 2, which can be the covering or another dielectric foil, cavities and gaps 3 form that are completely or partially filled with impregnating agent during impregnation. When the film 1 swells, the peaks and peaks 4 protruding from the surface of the film 2 are pressed flat. The surfaces of the foils nestle against one another, as is shown schematically by the dashed lines. The tiny remaining cavities are filled with residual insulating oil 5.
Polypropylene has proven to be a particularly swellable dielectric for the purposes of the invention.
The invention is suitable for regenerative capacitors. A preferred application of the present invention is found in capacitors whose dielectric consists of independent plastic films and in which an insulating material insert metallized on both sides serves as a covering. The insulating material can, for. B. consist of paper and is in the field-free space during operation.