CH642768A5 - Kondensator mit schichten aus metallfolien, die mit dielektrischen abstandshaltern alternieren, welche mit einer dielektrischen fluessigkeit impraegniert sind. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator mit Schichten aus Metallfolien, die mit dielektrischen Abstandshaltern alternieren, welche mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert sind, wobei die dielektrische Flüssigkeit vorzugsweise einen hohen Gehalt an Diisopropylbiphenyl aufweist.
Die neueren Entwicklungen von dielektrischen Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoff basis für Isolationszwecke mit hoher Spannungsbelastung, beispielsweise zur Anwendung bei Kondensatoren, basierten auf der Anwendung von hochgradiger Aromtizität, um den Effekten von Corona-Entla-dungen erzeugenden Überspannungen zu widerstehen. Diese Flüssigkeiten waren im wesentlichen alkylierte Aromaten, wie Isopropylbiphenyl, oder Lösungen eines Aromaten in einem alkyl-aromatischen Ester, wie Diisononylphthalat. Die Alkylsubstituenten geben der Flüssigkeit einen grossen Temperaturbereich, in dem sie fliessfahig ist, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und bei Prozessen mit niedrigem Dampfdruck. Jedoch bewirken sie, dass der Corona-Wider-stand hinsichtlich der aromatischen Substituenten schlecht ist, weil Wasserstoff erzeugt wird und erhalten bleibt, was zu weiteren Entladungen führt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass Wasserstoff in der dielektrischen Flüssigkeit nicht fest gebunden ist, so dass der Wasserstoff leichter und in grösserem Umfang erzeugt wird. Hinzu kommt, dass diese Flüssigkeiten Wasserstoff nicht absorbieren, wie es offensichtlich Aromaten tun. Der Alkylgehalt einer auf Kohlenwasserstoff basierenden dielektrischen Flüssigkeit sollte daher gerade hoch genug sein, um die notwendigen Eigenschaften der Flüssigkeit zu erhalten, ohne dass schon die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Es besteht daher eine s Tendenz, Flüssigkeiten zu bevorzugen, die niedrige Anteile an Alkyl, jedoch hohe Mengen an Aryl enthalten. Um dielektrische Flüssigkeiten aus Isopropylbiphenyl für Kondensatoren zu optimieren, wurde nach den bisherigen Erkenntnissen 20% Diisopropylbiphenyl als maximal tolerierbare Menge an Alio kyl angesehen, wobei der Rest Monoisopropylbiphenyl war (siehe die US-PS 4 054 937). Die Corona-Löschspannung bei niedrigen Temperaturen, so wurde gefunden, beginnt bei einem Diisopropylbiphenylgehalt von etwa 20% abzunehmen. Auch wurde ermittelt, dass die Fliesspunkte bei einem Diiso-15 propylbiphenylgehalt von etwa 20% ansteigen.
Die US-PS 4 054 937 offenbart einen Kondensator, der 20% Diisopropylbiphenyl und 80% Monoisopropylbiphenyl enthält.
Die US-PS 2 837 724 beschreibt eine dielektrische Flüssig-20 keit für Transformatoren, die ein Methyl-tert.-butylbiphenyl sein kann.
Eine dielektrische Flüssigkeit, die unter dem Handelsnamen «MCS1238» vertrieben wird, wurde analysiert und ein Gehalt von 17% Sulfon ermittelt, während der Rest Isopro-25 pylbiphenyl war, von dem 31,1% Diisopropylbiphenyl und der Rest Monoisopropylbiphenyl war. Diese Flüssigkeit wird von der US-Patentschrift 3 796 934 abgedeckt.
Es wurde nun erkannt, dass im Gegensatz zu den Annahmen der US-PS 4 054 937 hohe Konzentrationen an Di-30 isopropylbiphenyl in einer Isopropylbiphenyl enthaltenden dielektrischen Flüssigkeit, die für Kondensatoren bestimmt ist, nicht so schädlich bezüglich der elektrischen Eigenschaften sind, wie erwartet wurde. Insbesondere die Überspannungsfestigkeit und die Corona-Widerstandsfahigkeit sind 35 zwar nicht so gut wie bei dielektrischen Flüssigkeiten, die grosse Mengen an Monoisopropylbiphenyl enthalten, liegen aber noch innerhalb der für die kommerzielle Anwendung annehmbaren Grenzen.
Hinzu kommt, dass dielektrische Flüssigkeiten aus Iso-40 propylbiphenyl mit hohen Konzentrationen an Diisopropylbiphenyl der Kristallisation bei niedrigen Temperaturen besser widerstehen, als es bei dielektrischen Flüssigkeiten aus Isopropylbiphenyl mit hohen Konzentrationen an Monoisopropylbiphenyl der Fall ist, wenn nicht der Gehalt an Me-45 taisomer in dem Monoisopropylbiphenyl ebenfalls hoch ist.
Schliesslich sind dielektrische Flüssigkeiten auf Basis von Isopropylbiphenyl mit hohen Konzentrationen an Diisopropylbiphenyl billiger als dielektrische Flüssigkeiten auf Basis von Isopropylbiphenyl mit hohen Konzentrationen an Mo-50 noisopropylbiphenyl.
Der erfindungsgemässe Kondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 25 bis 100 Gewichtsprozent Diisopropylbiphenyl enthält. Vorzugsweise enthält sie 25 bis 100 Gewichtsprozent Diisopropylphenyl, 0 55 bis 80 Gewichtsprozent Monoisopropylbiphenyl und 0 bis 20 Gewichtsprozent Triisopropylbiphenyl.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.
60 Die einzige Figur der Zeichnungen stellt eine Schnittansicht eines erfindungsgemässen Kondensators dar.
Der Kondensator besteht aus einem Behälter 1, der hermetisch dicht abgeschlossen ist und eine oder mehrere Wicklungen enthält, die aus einer geraden leitenden Folie 2 und ei-65 ner leitenden Folie 3 bestehen, welche schmaler ist und abgerundete Kanten besitzt. Diese Folien alternieren mit Isolationsschichten 4, die gemäss derliier wiedergegebenen Aus-führungsform aus einem Film 5, einer Papierschicht 6 und ei-
nem Film 7 bestehen. Eine dielektrische Flüssigkeit 8 füllt den Behälter 1 und imprägniert die Wicklung. Elektrodenanschlüsse können gemäss herkömmlicher Verfahrensweisen vorgesehen sein. Die dielektrischen Schichten werden auch dazu neigen, sich an die zu Verfügung stehenden Räume anzupassen, so dass in der Praxis der in der Zeichnung dargestellte grosse freie Raum erheblich reduziert sein wird.
Besonders günstig ist es, wenn die verwendete dielektrische Flüssigkeit 25 bis 80% (alle hier genannten Prozentzahlen sind Gewichtsprozente, basierend auf dem Gewicht der dielektrischen Flüssigkeit, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben wird) Diisopropylbiphenyl, 20 bis 75% Monoisopropylbiphenyl und 0 bis 15% Triisopropylbiphenyl enthält. Vorzugsweise enthält die dielektrische Flüssigkeit 35 bis 80% Diisopropylbiphenyl, 20 bis 65% Monoisopropylbiphenyl und bis zu 15% Triisopropylbiphenyl. Wenn weniger als 20% Diisopropylbiphenyl verwendet werden, könnte es sein, dass für Kondensatoren niedriger Preislage die dielektrische Flüssigkeit nicht mehr praktisch einsetzbar ist. Auf Isopropylbiphenyl basierende dielektrische Flüssigkeiten mit 25 bis 100%) Diisopropylbiphenyl besitzen auch noch bei niedrigen Temperaturen sehr gute Eigenschaften.
Wegen des besonderen Herstellungsverfahrens (Alkylie-rung von Biphenyl) kann die dielektrische Flüssigkeit etwas Biphenyl enthalten. Biphenyl verdampft und reizt die Schleimhäute und sollte daher in keiner grösseren Menge als etwa 1 % vorhanden sein. Die Biphenylkonzentration würde wesentlich unter diesem Wert liegen, wenn der Anteil von Diisopropylbiphenyl hoch ist, weil Biphenyl von vornherein bei einem hohen Alkylierungsgrad des Biphenyls weitgehend umgesetzt wird, und sie würde weiter bei der Franktionierung des Dialkylbestandteils reduziert, und zwar wegen der erheblich grösseren Flüchtigkeit des Biphenyls.
Die dielektrische Flüssigkeit enthält vorzugsweise bis zu etwa 1 % eines Antioxidationsmittels zur Erlangung von thermischer Stabilität. Die bevorzugte Menge beträgt 0,01 bis 0,2%, wobei besonders günstige Antioxidationsmittel Di-tert.-butyl-p-cresol, Di-tert.-butylphenol oder Mischungen davon sind.
Die Flüssigkeit enthält vorzugsweise auch bis zu etwa 2%, insbesondere 0,1 bis 0,5%, an Wasserstoffakzeptor, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Coronaentladungen zu erhöhen. Ein Anthrachinon, wie ß-Methylanthrachinon, An-thrachinon oder ß-Chloranthrachinon, kann Verwendung finden. Wegen seiner leichteren Erhältlichkeit und der grösseren Löslichkeit ist ß-Methylanthrachinon besonders günstig.
Die Antioxidationsmittel sowie die Wasserstoffakzeptoren scheinen in der Weise miteinander zusammenzuwirken, dass sie die Corona-Widerstandsfähigkeit verringern, wenn eine der beiden Stoffe jeweils in hohen Konzentrationen benutzt wird. Daher ist es günstig, wenn keiner dieser Bestandteile in einer Menge von mehr als 1 % verwendet wird. Eine Zusammensetzung, bei der beide Bestandteile wirksam sind, enthält etwa 0,2% Di-tert.-butyl-p-cresol und etwa 0,5% ß-Methylanthrachinon. Obwohl dies nicht notwendigerweise bevorzugt wird, kann die Flüssigkeit noch bis zu 2%, günstigerweise 0,05 bis 2%, Epoxyharz wie Glycidylphenyläther enthalten, um die Coronafestigkeit zu erhöhen.
Die Kondensatoren enthalten vorzugsweise dielektrische Abstandshalter aus Film (z.B. Polypropylen) und Papier oder aus 100% Film, weil bei Kondensatoren dieser Bauart eine hohe Dielektrizitätskonstante der Imprägnierungsflüssigkeit nicht so entscheidend ist. Jedoch kann die Flüssigkeit auch für Kondensatoren Verwendung finden, die dielektrische Abstandshalter aus 100%) Papier enthalten.
Die Erfindung sei nun anhand der folgenden Beispiele noch näher erläutert:
3 642 768
Beispiel 1
Es wurden Versuche mit kleinen imprägnierten Kondensatoren mit einer Kapazität von etwa 12 Mikrofarad durchgeführt, die Polypropylenfilm und Papier enthielten, welches 5 gleiche Dielektrikum auch bei Hochspannungsleitungskondensatoren Verwendung findet. Die Wicklungen enthielten Film der Norm 75 gauge und Papier der Norm 45 gauge in einer Film-Papier-Film-Konfiguration, bei der eine der Folien schmaler als die andere und an den Kanten gefaltet war. (Mit io dieser Folienanordnung ist die elektrische Belastung an der Folienkante kleiner, als wenn in üblicher Weise zwei gleich breite Folien sowie Folien mit scharfen Kanten verwendet werden.). Ein schwerer Überspannungstest wurde an den Kondensatoren ausgeführt, bei dem sie ununterbrochen an i5 eine Spannung von 2,7 kV gelegt wurden, das ist 10% über der Nennspannung, und ausserdem 6 Zyklen einer Überspannung von 8,1 kV ausgesetzt wurden, das ist das 3,3fache der Nennspannung, und zwar jeweils alle 3 Minuten. (Die höchste Überspannung, der ein Kondensator im praktischen Be-20 trieb ausgesetzt wird, beträgt die dreifache Nennspannung, und eine derartige Überspannung tritt nur sehr selten auf.) Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse dieses Versuches an derartigen Kondensatoren wieder, die mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert wurden, die 80% Diisopropylbiphe-25 nyl enthielt, sowie an einem gegenwärtig akzeptierten Kondensator, der weniger als 5% Diisopropylbiphenyl und mehr als 95%) Monoilopropylbiphenyl enthielt. In die Tabelle wurden auch Ergebnisse aufgenommen, die bei Kondensatoren erhalten wurden, die mit Trichlorbiphenyl, was bis vor kur-30 zem Verwendung gefunden hat, sowie mit Mineralöl, das etwa 80%) aliphatische Kohlenwasserstoffe enthielt, imprägniert waren.
Imprägnierungsmittel
35
80% Diisopropylbiphenyl, 14% Triisopropylbiphenyl 40 und etwa 5% Monoisopropylbiphenyl + 0,2% Di-tert.-butyl-p-cresol + 0,5% ß-Methylanthrachinon 96%) Monoisopropylbiphenyl, 45 3% Diisopropylbiphenyl, 0,2% Di-tert.-butyl-p-cresol, 0,5% ß-Methylanthrachinon Trichlorbiphenyl + 0,3% ß-Methylanthrachinon so Mineralöl + 0,2%) Di-tert.-butyl-p-cresol + 0,5%) ß-Methylanthrachinon (keine gerundeten Folien)
Anzahl der Überspannungsversuche bis zum Versagen
603,700
>1005, >1475, 1058, > 1430
170,240 9,23
55
Bezüglich der obigen Ergebnisse ist zu erkennen, dass ein hoher Gehalt an Diisopropylbiphenyl, obwohl ein solcher keine so guten Ergebnisse liefert wie ein hoher Gehalt an Monoisopropylbiphenyl, doch zu besseren Ergebnissen führte als 6o Trichlorbiphenyl und für kommerzielle Hochspannungskondensatoren zufriedenstellend ist.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt, dass dielektrische Flüssigkeiten auf 65 Basis von Isopropylbiphenyl, die hohe Konzentrationen an Diisopropylbiphenyl enthalten, widerstandsfähiger gegen Feuer sind als solche, die hohe Konzentrationen an Monoisopropylbiphenyl enthalten. Die folgende Tabelle gibt die
642 768
Ergebnisse von Versuchen wieder, die die Bezeichnung «Cleveland Open Cup Test» führen und die den Flammpunkt (flash point) und den Brennpunkt (fire point) von verschiedenen Mischungen von Mono- und Diisopropylbiphenyl wiedergeben.
Flüssigkeits- Cleveland Open Cup Test, °C
Zusammensetzung Flammpunkt Brennpunkt
(Flash Point) (Fire Point)
80% Di-, 14% Tri-, 5%
180
186
Monoisopropylbiphenyl
53% Di-, 10% Tri-, 36%
160
170
Monoisopropylbiphenyl
27% Di-, 5% Tri-, 65%
157
171
Monoisopropylbiphenyl
1% Di-, 95% Mono-iso-
150
160
propylbiphenyl
Beispiel 3
Es wurden Versuche unternommen, um die Niedrigtemperaturstabilität von dielektrischen Flüssigkeiten auf Di-isopropylbiphenylbasis, die verschiedene Mengen an Diisopropylbiphenyl enthalten, zu ermitteln.
Eine Serie von Reagenzgläsern, die Flüssigkeiten mit verschiedenen Mengen an Mono- und Di-isopropylbiphenyl enthielten, wurden 6 wiederholten Zyklen von jeweils 2 Stunden bei Temperaturen von - 30 °C und 2 Stunden bei - 60 °C ausgesetzt und die Entwicklung von undurchsichtigen Kristallen beobachtet. Ein Widerstand gegenüber Kristallisation, gekennzeichnet durch das Durchsichtigbleiben in einem glasigen Zustand, ist für die Flüssigkeitsstabilität bei niedrigen Temperaturen notwendig, da sich bei der Kristallisation gasgefüllte Hohlräume bilden können, die bei hohen Spannungen durchbrechen. Die zyklische Behandlung bei — 30 °C und — 60 °C beschleunigt die Kristallisationseffekte in Flüssigkeiten, die in Bezug auf diese Effekte empfindlich sind. Eine s der zwei Vorratsflüssigkeiten enthielt 97,2% Monoisopropylbiphenyl, mit 54,8%) para-Isomer und 42,4% meta-Isomer, was die Lösung dazu brachte, leicht zu kristallisieren, und zwar wegen des grösseren Anteils an para-Isomer. Die andere Vorratsflüssigkeit bestand aus 80% Di-, 14% Tri- und 5% io Mono-isopropylbiphenyl. Die folgende Tabelle gibt die Beobachtungen wieder, die mit diesen Flüssigkeiten nach 6 Niedrigtemperaturzyklen gemacht wurden.
Flüssigkeitszusammensetzung Aussehen bei — 30 °C
i5 und bei — 60 °C
% Mono- %Di- % Tri- nach 6 Zyklen bei isopropylbiphenyl diesen Temperaturen
97,2 2 - alles undurchsichtig
2088 10 - untere 2/3 undurchsichtig,
oben durchsichtig 79 17,5 3 untere 1/3 undurchsichtig,
oben durchsichtig 61 34 5 alles durchsichtig
25 24,5 64,5 11 alles durchsichtig
6 80 14 alles durchsichtig
Es ist zu erkennen, dass Niedrigtemperaturkristallisation von Monoisopropylbiphenyl wirksam unterdrückt wird, 30 wenn etwa 25% oder mehr Diisopropylbiphenyl benutzt wird, und dass auch die Flüssigkeit mit einem Gehalt von 80% Diisopropylbiphenyl noch weiter der Kristallisation widersteht.
C
1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
- 642 768PATENTANSPRÜCHE1. Kondensator mit Schichten aus Metallfolien, die mit dielektrischen Abstandshaltern alternieren, welche mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 25 bis 100 Gewichtsprozent Diisopropylbiphenyl enthält.
- 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 25 bis 100 Gewichtsprozent Diisopropylbiphenyl, 0 bis 80 Gewichtsprozent Mono-isopropylbiphenyl und 0 bis 20 Gewichtsprozent Triisopro-pylbiphenyl enthält.
- 3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Diisopropylbiphenyl 25 bis 80 Gewichtsprozent beträgt, die Menge an Monoisopropylbiphenyl 20 bis 75 Gewichtsprozent beträgt und die Menge an Triiso-propylbiphenyl bis zu 15 Gewichtsprozent ausmacht.
- 4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit bis zu 1 Gewichtsprozent eines Antioxidans und bis zu 1 Gewichtsprozent einer Wasserstoffakzeptorverbindung enthält.
- 5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antioxidans Di-tert.-butyl-p-cresol ist und der Wasserstoffakzeptor ß-Methylanthrachinon ist.
- 6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit 0,05 bis 2 Gewichtsprozent eines Epoxyharzes enthält.
- 7. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Abstandshalter aus Papier und Film, nur aus Film oder nur aus Papier besteht.
- 8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede zweite Schicht der Metallfolie schmäler ist und abgerundete Kanten hat.
- 9. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Diisopropylbiphenyl 35 bis 80 Gewichtsprozent beträgt, die Menge an Monoisopropylbiphenyl 20 bis 65 Gewichtsprozent beträgt und die Menge an Triisopropylbiphenyl bis zu 15 Gewichtsprozent ausmacht.
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