DK144745B

DK144745B - Elektrisk kondensator

Info

Publication number: DK144745B
Application number: DK600366AA
Authority: DK
Inventors: E B Cox
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1965-11-18
Filing date: 1966-11-18
Publication date: 1982-05-24
Also published as: YU33397B; NO119544C; FI50916C; NO119544B; AT315984B; NL6616148A; NL163048C; DE1790253A1; NL163048B; ES345875A1; DK144745C; DE1640188C3; DE1640188B2; FR1502221A; ES333462A1; CH526850A; BE689829A; YU86969A; SE7400554L; DE1640188A1

Description

146745

Opfindelsen angår en elektrisk kondensator indeholdende et kondensatorhus, et heri tilstedeværende kondensatorelement og en dielektrisk væske, hvorhos nævnte kondensatorelement består af mindst et elektrodepar og et folieformet syntetisk dielektrikum imprægneret med chloreret diphenylvæske, som eventuelt indeholder et stabiliserende tilsætningsmiddel, anbragt mellem elektroderne.

Udviklingen af komplicerede elektriske apparater og behovet for at opnå større driftseffektivitet hos eksisterende apparater har medført strengere krav til elektriske kondensatorer i sådanne apparater. Der er f.eks. opstået et stærkt behov for højeffekte elektriske kondensatorer med stor virkningsgrad, mindre størrelse og lavere pris end de kendte. Kondensatorer, specielt vekselstrømskondensatorer, med en stor gennemslagsstyrke og større corona-start- og slukkespændinger er særligt påkrævede til eliminering af væsentlige problemer ved konstruktionen og driften af nye elektriske apparater og til forbedring af eksisterende apparaters drift.

Der kendes elektriske kondensatorer omfattende et dielektrikum bestående af forskellige folieformede materialer, såsom papirark og celluloseacetatfoiier, imprægneret med forskellige imprægneringsmidler, såsom væskeformig chloreret diphenyl. De kendte kombinationer af isolatorer og imprægneringsmidler har imidlertid ikke resulteret i opnåelsen af de ønskede egenskaber og resultater, som kræves hos de højt udviklede og komplicerede elektriske apparater, der nu anvendes.

Polypropylen udmærker sig ved at have gode elektriske egenskaber som almindelige dielektrika (excl. kondensatorelementer), en god temperaturstabilitet og gode mekaniske egenskaber, såsom en god bearbejdningsevne og formbarhed, specielt ved dannelse af tynde folier, men polypropylenfolier er hidtil blevet anset for at være uforenelige med de kendte imprægneringsmidler, og man har som følge heraf ikke anvendt sådanne til fremstilling af dielektrika til kondensatorer. Dette skyldes, at polypropylen viser tegn på let at blive opløst af halogenerede organiske forbindelser, såsom trichlordiphenyl, og det er også blevet hævdet, at opløsningen af polypropylen i en ikke-polær væske fører til en plastificeringsvirkning, såsom opsvulmning og en lav trækstyrke. Det har imidlertid ifølge opfindelsen vist sig, at visse polypropylenmaterialer, undtagen ved højere temperaturer, kun er begrænset opløselige i halogenerede aromatiske materialer, og at denne delvise opløselighed, hvad der er overraskende, ikke på ugunstig måde påvirker egenskaberne hos en kondensator, hvori polypropylen U4745 2 indgår. Den delvise opløselighed af polypropylen i trichlordiphenyl under regulerede temperaturbetingelser viser sig Ϊ realiteten at være en fordél og specielt fremmer denne delvise opløselighed, som ifølge undersøgelser først indtræder efter en indledende gennemtrængning af hinden, bevægelsen af imprægneringsmidlet ind i selve folien såvel som ind i mellemrum og hulrum heri. Denne forbedring af imprægneringen kommer til udtryk i en ekstrem høj corona-startspænding for dielektriket, selv uden anvendelse af en væge eller et porøst lag på siderne af polypropylenfolien. Undersøgelser af repræsentative prøver af en dielektrisk polypropylenfolie imprægneret med trichlordiphenyl og underkastet elektriske kondensatorprøver viser en nær sammenhæng mellem arten og. omfanget af imprægneringen og corona-startspændin-gens størrelse, og at en i det væsentlige fuldstændig og gennemgribende imprægnering er særlig betydningsfuld. Kombinationen af polypropylen og en dielektrisk væske af trichlordiphenyl er gunstig, når der foretages en i det væsentlige fuldstændig imprægnering. Når hulrummene og mellemrummene i polypropylenen er i det væsentlige udfyldte med væskeformigt imprægneringsmiddel, og når imprægneringen omfatter såvel en absorption af imprægneringsmidlet i materialet samt en delvis opløsning af matrialet i det væskeformige imprægneringsmiddel, betegnes polypropylene som i det væsentlige fuldstændig imprægneret. Repræsentative undersøgelser med folier med varierende imprægneringsgrader viser, at der opnås meget høje og ensartede corona-startspændinger, som ligger i nærheden af de beregnede, når imprægneringen udvides eller på anden måde fremmes til opnåelse af en i det væsentlige fuldstændig imprægnering. En imprægnering, som er et eksempel på en fuldstændig imprægnering, består i at nedsænke polypropylenfolien i trichlordiphenyl ved en temperatur på ca. 99°C.

Under disse betingelser opnås relativt stabile forhold i løbet af 16 til 20 dage, idet ca. 1,0 vægtprocent polypropylen opløses i trichlordi-phenylen og ca. 11 vægtprocent trichlordiphenyl optages i polypropylenen. Arten og omfanget af imprægneringen kan også måles ved hjælp af corona-slukkespændingen, idet værdier, der nærmer sig et maksimum, angiver en fuldstændig imprægnering.

Ifølge -opfindelsen tilvejebringes således en kondensator, som er ejendommelig ved, at det syntetiske dielektrikum består af en kvældet polypropylenfolie, fremstillet ved imprægnering af polypropylenfolien med en chloreret diphenylvæske og varmebehandling ved en temperatur på mellem 65°C og 100°C i et tilstrækkeligt langt tidsrum 3 U4745 til opnåelse af en fuldstændig imprægneret folie.

Et foretrukket imprægneringsmiddel er en diphenylforbindel-se med fra 1 til 5 chlorgrupper. Navnlig er triphenyl særlig velegnet, idet denne forbindelse har en stor corona-start- og corona-slukke-spænding.

Kombinationen af en dielektrisk væske af trichlordiphenyl og en ikke-porøs polypropylenhinde som dielektrikum giver som nævnt de bedste resultater.

Foretrukne polypropylenfolier til brug i kondensatoren ifølge den foreliggende opfindelse består almindeligvis af isotaktisk polypropylen. Dette er et højmolekylært stereoregulært krystallinsk materiale, som udover den krystallinske fase, der dominerer, indeholder en amorf eller ikke-krystallinsk fase. I nogle kendte isotaktiske polypropylener kan den amorfe fase udgøre op til 30% af den samlede polyolefin. Folier af denne polypropylen kan f.eks. fremstilles ved valsning, ekstrudering, presning, opløsningsmiddeistøbning og smeltestøbning. For at forbedre de mekaniske egenskaber er det almindeligt at frembringe en eller anden form for ordnet opbygning i sådanne folier ved strækning eller varmehærdning. En strækning udføres fortrinsvis i indbyrdes forskellige retninger, f.eks. både i hindens længde- og tværretning, således at hinden påtvinges en biaksial orientering. En foretrukket folie er således en isotaktisk biaxialt orienteret polypropylenfolie.

I folierne bør der kun være ringe mængder og fortrinsvis slet ingen forureninger til stede, som kan bibringe det dannede produkt en stor effektfaktor, d.v.s. give anledning til et stort effekttab. Forureningerne kan være materialer, som optages under foliebehandlingsoperationerne eller katalysatorrester. Disse forureninger kan fjernes ved en passende opløsning af polyolefinen og fjernelse af forureningerne ved udfældnings-, ekstraktions- og adsorptionsmetoder.

Opfindelsen skal herefter beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et forstørret tværsnitsbillede af en del af et dielektrikum til brug i en kondensator ifølge opfindelsen, fig. 2 viser et perspektivbillede af en delvis udfoldet kondensator ifølge opfindelsen fremstillet ved op-vikling, 4

U474S

fig. 3 viser en fuldt samlet kondensator af den i fig. 2 viste type, fig. 4 viser et tværsnitsbillede af en del af en kondensator ifølge opfindelsen omfattende én imprægneret polypropylenfolie, fig. 5 viser et tværsnitsbillede af en del af en anden elektrisk kondensator ifølge opfindelsen omfattende flere imprægnerede polypropylenfolier, fig. 6 viser et tværsnitsbillede af en del af en yderligere elektrisk kondensator ifølge opfindelsen omfattende en relativt tyk imprægneret polypropylenfolie, fig. 7 viser et tværsnitsbillede af en del af en modificeret kondensator af den i fig. 6 viste type og omfattende flere imprægnerede polypropylenfolier, og fig. 8 viser et tværsnitsbillede af en del af en yderligere elektrisk kondensator ifølge opfindelsen med kun én imprægneret polypropylenfolie.

I fig. 1 er der vist et dielektrikum 10, som omfatter et fast dielektrisk materiale 11 i form af en polypropylenfolie med talrige små diskontinuiteter 12, der også kan betegnes som huller, hulrum og mellemrum, og hvis tilstedeværelse er et almindeligt anerkendt kendetegn for polypropylenfolien. Materialet betegnes som ikke-porøst, idet der er få om overhovedet nogle porer eller kanaler, som forbinder eller passerer igennem sidefladerne, og som kunne muliggøre en bevægelse af en imprægneringsvæske fra den ene sideflade til den anden. Polypropylenen er imprægneret med et dielektrisk væskeformigt imprægneringsmiddel, som gennemtrænger selve materialet samt udfylder de nævnte diskontinuiteter, og det dannede produkt udgør et sammenhængende om end heterogent dielektrisk system. En imprægnering forøger i én henseende dielektrikets elektriske isoleringsegenskaber ved, at der i polypropylen indføres et imprægnerende materiale med en større gennemslagsstyrke end luft eller gas, som befinder sig i de beskrevne diskontinuiteter.

Der er med et dielektrikum vist i fig. 1 blevet opnået uventede gode egenskaber, når det f.eks. anvendes i en højspændings-vekseistrømskondensator.

Et foretrukket imprægneringsmiddel er trichlordiphenyl, som forekommer i handelen under betegnelsen "PYRANOL" . Dette materia- 146745 5 le har en stor corona-start- og corona-slukkespænding.

I fig. 2 er der som nævnt vist en opviklet kondensator 14, som omfatter adskilte elektrodefolier eller belægninger 15 og 16 og mellemliggende dielektriske folier 17 og 18. To klemsko 19 og 20 har relativt store overflader (kun den ene klemskos overflade 21 er vist), som står i kontakt med elektrodefolierne 15 og 16. Elektrodefolierne 15 og 16 kan bestå af et eller flere af en række forskellige materialer, almindeligvis metalliske, herunder f.eks. aluminium, kobber og tantal.

De elektriske folier 17 og 18 består af imprægnerede polypropylenfolier. Den dielektriske folie 17 og de metalliske elektrodefolier 15 og 16 danner i forening et kondensatorelement.

I fig. 3 er der vist en samlet kondensator 23, hvori der er indesluttet en opviklet kondensator af den type, der er vist i fig. 2.

Den samlede enhed omfatter også en beholder 24, et hermetisk påsat dæksel 25, som omfatter et lille indfyldningshul 26 for dielektrisk væske og et sæt klemsko 27 og 28, som gennemtrænger dækslet 25,, og som er isoleret i forhold til dette. I beholderen 24 er klemskoene 27 og 28 forbundet med klemskoene 19 og 20, som er vist i fig. 2. Kondensatoren 23, som er vist i fig. 3, omfatter yderligere, selv om dette ikke er vist, en dielektrisk væske, som optager det rum i beholderen 24, som ikke er optaget af kondensatorelementet, og som også imprægnerer de dielektriske folier 17 og 18, der er vist i fig. 2.

Ved en kendt imprægneringsmetode vakuumtørres kondensatorenheder eller indesluttede organer, såsom kondensatoren 23 i fig.

3, almindeligvis til fjernelse af restfugtighed. Tørringstemperaturen varierer i afhængighed af længden af tørringscyklussen men ligger almindeligvis på fra ca. 60-150°C. Hvis der anvendes en for lav temperatur, bliver tørringsperioden for lang, medens en for høj temperatur kan resultere i en dekomponering af en eventuel papirkomponent i det anvendte dielektrikum. Hullet 26 muliggør en udtagning af fugtighed fra beholderen eller huset 24's indre under tørringsprocessen.

Den imprægnerende dielektriske væske indføres i kondensatoren gennem hullet 26, fortrinsvis medens det tørrede organ stadig holdes under vakuum i et passende evakueret kammer. Der indføres almindeligvis tilstrækkelig imprægneringsvæske til i det mindste at holde kondensatorelementet nedsænket i væske i beholderen. Trykket i kammeret forøges dernæst til atmosfærisk tryk, og organet henstilles til gennemvædning i et antal timer for at opnå en grundig gennem- 144745 6 trængnmg med det væskeformige imprægneringsmiddel. Efter imprægneringen kan kondensatorenheden tillukkes ved, at der påføres en vis mængde af et passende loddemateriale på hullet 26.

Udover den ovenfor nævnte fremgangsmåde kan der også anvendes andre metoder, hvorved der almindeligvis anvendes varme eller tryk eller begge dele for at fremme imprægneringsprocessen.

Varme og tryk kan forbedre imprægneringsevnen ved at ændre den relative, befugtelighed og materialernes viskositet og opløselighed.

Ydermere kan en-ekspansion og sammentrækning af de enkelte komponenter i systemet, hvilket kan være resultatet af anvendelsen af varme og tryk, virke som en drivkraft til frembringelse af en væskevandring ind i det faste dielektrikum, specielt når hullet 26 er tillukket.

Der er opnået gode resultater ved at gentage en opvarmningscyklus efter imprægneringen eller tillukningen til frembringelse eller sikring af højere imprægneringsgrader eller en i det væsentlige fuldstændig imprægnering. Opviklede og samlede kondensatorer imprægneres f.eks. først ved en opvarmning og evakuering af de samlede kondensatorer og ved derpå at fylde disse med eller nedsænke dem i en væskemasse af det dielektriske imprægneringsmiddel, som kan være forvarmet eller senere kan varmes for at forøge imprægneringen.

Efter denne behandling tillukkes de samlede og imprægnerede kondensatorer, og de tillukkede enheder varmebehandles i et længere tidsrum. En foretrukket opvarmningscyklus ved udførelse af imprægneringen betegnes som en reguleret opvarmningsperiode, hvorved der anvendes forhøjede temperaturer indenfor et område mellem 55 og 95°C

i. et tidsrum på fra ca. 4 til ca. 16 timer. Variationer i behandlingen, udnyttelsen af trykforskelle og additiver kan forkorte dette tidsrum. Højspændingsvekselstrømskondensatorer, hvortil der var anvendt et sammensat produkt af en polypropylenfolie og et dielektrisk papirstykke samt et dielektrisk væskeformigt imprægneringsmiddel, f.eks. "PYRANOL" 1499, og som er blevet varmebehandlet ved en temperatur mellem 85 og 95°C i fra 4 til 16 timer, har vist sig at have en vedblivende høj corona-startspænding.

Temperaturbetingelserne reguleres således, at der finder en delvis opløsning af polypropylenen sted i den dielektriske væske, og at det dielektriske imprægneringsmiddel opløses i propylenen under frembringelse af en i det væsentlige fuldstændig imprægnering. En forøget gennemtrængning af polypropylenfolien er opnåelig som følge 7 144745 af, at nogle af de amorfe eller lavmolekylære eller bide amorfe og lavmolekylære dele af polypropylenen kan opløses i væsken ved en temperatur på ca. 85 til 95°C. Mere ensartede kondensatorer med forbedrede corona-startspændingsegenskaber er blevet fremstillet ved ovennævnte imprægneringsproces.

Imprægneringen kan yderligere forbedres ved at modificere de fysiske egenskaber af komponenterne i det imprægnerede dielektriske system. Mere specielt kan der indføres blandinger af dielektriske væsker eller additiver i det dielektriske væskeformige imprægneringsmiddel, eller det faste dielektriske materiale kan behandles på en sådan måde, at systemets imprægneringsevne påvirkes. F.eks. kan der sættes en yderligere dielektrisk væske, såsom "PYRANOL" 1499, der hovedsageligt indeholder trichlorbenzen, til den dielektriske væske af "PYRANOL"® 1499 i en mængde på f.eks. 25%. Andre dielektriske væsker, som med held kan anvendes i blanding med f.eks. "PYRA-NOL" , er væskeformig mineralolie og silikonolie.

Imprægneringen af det omtalte folieformede dielektrikum bibringer dette en forbedret gennemslagsstyrke, et ringe energitab og en høj corona-startspænding. Arten og omfanget af imprægneringen regulerer den corona-startspænding, som kan opnås i systemet. En forøget gennemslagsstyrke er vigtig som følge af, at den resulterer i et mere effektivt dielektrikum og ligeledes muliggør anvendelsen af et mindre volumen eller en mindre vægtmængde af det faste dielektrikum til at modstå en givet spænding i et system. Energitab er vigtig som følge af, at et energitab i systemet på ugunstig måde påvirker enhedens elektriske virkningsgrad og kan frembringe en fysisk nedbrydning af konstruktionsmaterialerne i enheden som følge af, at den tabte energi omdannes til varme.

Disse væsentlige forbedrede egenskaber kan udnyttes i vekselstrømskondensatorer, som er egnede til brug i forbindelse med højspænding. Der er blevet samlet vekselstrømskondensatorer, som har en lang levetid ved spændinger på over 1200 volt pr. 0,025 mm imprægneret dielektrikum og en corona-startspænding på fra ca. 750 volt til over 3000 volt. Udviklingen af højspændingsvekselstrømskondensatorer er hidtil blevet begrænset af dielektrikets relativt korte levetid under højspændingspåvirkninger. En tidligere fremstillet vekselstrømskondensator til langtidsdrift er f.eks. kun anvendelig indenfor et almindeligt spændingsområde på op til mindre end ca. 500 volt og under kortvarige pulsationer på op til kun ca. 750 volt.

8 um 5 I fig. 4 er der vist en del 29 af en kondensator, hvori der anvendes en type sammensat dielektrisk afstandsstykke, som er betegnet som en "fuld sandwich". Den viste kondensatordel omfatter en imprægneret dielektrisk polypropylenfolie 11, som er indskudt mellem et par imprægnerede porøse dielektriske ark 30 og 31 og et par elektrode-folier 15 og 16. Arkene 30 og 31 kan være et velkendt papirprodukt, såsom kraftpapir, og kan også være hensigtsmæssigt imprægneret med et væskeformigt dielektrikum, f.eks. imprægneringsmidiet, der er anvendt til fremstilling af den imprægnerede polypropylenfolie. Udtrykket "porøsitet" angiver i forbindelse med det nævnte papir et væsentligt antal sammenhængende kanaler eller porer i og gennem papiret, som er i stand til at lede det væskeformige imprægneringsmiddel gennem papiret fra den ene side til den anden. Corona-startspændings-egenskaberne for en imprægneret polypropylenfolie er for størstepartens vedkommende afhængig af en effektiv imprægnering af hullerne i folien såvel som mellemrummene mellem foliens overflader og et eventuelt hosliggende materiale. Corona-startspændingen for et dielektrikum af den type, der er betegnet som en "fuld sandwich", såsom det dielektrikum, der er vist i fig. 4, forøges ved anvendelsen af et hosliggende materiale som f.eks. af papir.

I fig. 5 er der vist et dielektrikum 32, de er baseret på en anden opbygning. Denne betegnes som en "omvendt sandwich". Dette sammensatte dielektriske legeme omfatter et enkelt ark af et imprægneret porøst materiale 30 eller 31, som er indsat mellem et par imprægnerede polypropylenfolier 11 og 11'. Det sammensatte dielektrikum er selv indsat mellem et par elektrodefolier 15 og 16. Eksempler på kondensatorer af denne art omfattede et enkelt ark af kraftpapir med en tykkelse på 0,017 mm til dannelse af det porøse materiale mellem de to polypropylenfolier med en tykkelse på 0,013 mm. Dette almindeligvis vanskeligt imprægnerbare system imprægneredes uden vanskelighed, og der kan herudfra fremstilles en kondensatorenhed med en kapacitet på 0,9 mF og en corona-startspænding på over 2650 volt vekselspænding, effektiv værdi.

Denne fordelagtige kombination af polypropylen og "PYRA-NOL" 1499 gør det let at foretage en imprægnering, selv i en stramt opviklet rulle, hvor man hidtil med de kendte kombinationer var nødsaget til at basere sig på løst opviklede ruller for at opnå en bedre imprægnering. En vigtig fordel ved kombinationen af polypropylen og "PYRANOL" i forbindelse med denne såvel som andre opbygninger U4745 9 er, at polypropylenen tillader gennemtrængning af imprægneringsmidlet, således at dette kan nå til hidtil vanskeligt tilgængelige hulrum og mellemrum pi steder, som ligger langt borte fra udgangspunktet for imprægneringsmidlet, og specielt til sådanne områder, som ligger langs med eller i nærheden af skillefladen mellem folien eller elektroden og folien.

Et dielektrikum 33 til en kondensator og svarende til det, der er vist i fig. 3, er vist i fig. 6. Dette dielektrikum 33, som er betegnet som en "halv sandwich", afviger fra den "omvendte sandwich" ved, at der er udeladt en af de imprægnerede polypropylenfolier 11 eller 11'.

En anden opbygning af et fast dielektrikum er illustreret i fig. 7. Denne opbygning, som omfatter et sammensat dielektrikum 34, der heri er betegnet som en "modificeret halv sandwich", omfatter to sammenhængende imprægnerede polypropylenfolier 11 og 11' og et imprægneret porøst ark 30, som grænser her op til. Som i de andre opbygninger er dette sammensatte dielektrikum indsat mellem et sæt elektrodefolier 15 og 16. Formålet med anbringelsen af folierne 11 og 11' op til hinanden er at forhindre en dielektrisk svigten som følge af en uregelmæssighed i en af folierne. Hosliggende folier vil søge at afgrænse en eventuel uregelmæssighed i en af folierne og derved forhindre en svigten. Fig. 7 viser et stærkt forbedret dielektrikum, hvori et sæt hosliggende folier tilvejebringer imprægneringsegenskaber, som i mange henseender er mere gunstige end for en enkelt folie med en tilsvarende tykkelse.

I fig. 8 er der vist et dielektrikum 35 med to hosliggende imprægnerede folier 11 og 11' indskudt mellem et par elektrodefolier 15 og 16. Der anvendes to hosliggende tynde folier 11 og 11' i stedet for én folie, der er dobbelt si tyk af samme grunde som fremhævet ovenfor i forbindelse med fig. 7. Et andet vigtigt træk ved den opbygning, som er vist i fig. 8, er, at der ikke er et porøst ark, såsom 30 eller 31 (fig. 4) til stede, som virker som en væge eller et imprægneringsfremmende lag.

Det skal forstås, at der i hver af de opbygninger, som er vist i figurerne 4-6, kan foretages mange mindre modifikationer.

F.eks. kan der anvendes metalliserede hinder på ydersiderne af de sammensatte dielektrika, som tjener som elektroder i stedet for de viste elektrodefolier 15 og 16. På lignende måde kan folierne enten bestå af selvunderstøttende folier eller understøttede folier, der i '· 144745 10 form af en belægning eller et lag er dannet på et andet element i konstruktionen, såsom eh elektrodefolie eller et porøst dielektrisk ark.

I de konstruktioner, som er vist i figurerne 5-8, grænser mindst den en side af polypropylenfolien op til en relativt ikke-porøs flade, såsom en elektrodefolie eller en anden formstoffolie. Det er ifølge den kendte teknik vanskeligt at opnå en tilstrækkelig eller fuldstændig imprægnering af en folieflade, når overfladen af folien grænser op til et relativt ikke-porøst lag. Ved anvendelse af de ovenfor beskrevne folier og det omtalte imprægneringsmiddel elimineres denne vanskelighed imidlertid. 5om følge heraf kan der tilvejebringes konstruktioner, såsom de, der er vist i figurerne 4-8, med relativt høje corona-startværdier.

Til illustrering af de forbedrede egenskaber hos kondensatorerne ifølge den foreliggende opfindelse samledes der et betydeligt antal kondensatorelementer, som er illustreret i figurerne 1-8, og disse underkastedes forskellige prøver for elektriske kondensatorer, ligesom der foretoges sammenligninger mellem drifttidsbetingelser og målinger.

Det er velkendt, at syntetiske formstofmaterialer har en ek-trem stor iboende gennemslagsstyrke. En imprægneret polypropylenfo-lie, som anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, har f.eks. en driftsgennemslagsstyrke på over 1200 volt pr. 0,025 mm, selv om dens iboende gennemslagsstyrke kan være over 20000 volt pr. 0,025 mm baseret på et areal på ca. 6,45 mm . Imprægneret papir, som er det for tiden mest almindelige dielektriske materiale til brug i vekselstrømskondensatorer, har en driftsgennemslagsstyrke på ca. 400 volt pr. 0,025 mm. Det omfang, hvori anvendelsen af polypropylendielek-trika med en højere gennemslagsstyrke reducerer mængden af det dielektriske materiale, som kræves i forskellige typer af et givet system, kan illustreres ved at sammenligne forsøgsresultaterne for en række på tilsvarende måde imprægnerede diélektrika til elektriske kondensatorer. Disse typer, som omfatter papir alene, d.v.s. at der kun er anbragt papirark mellem elektroderne, sammensatte produkter af papir og en eller flere polypropylenfolier og en eller flere folier alene, d.v.s. kun en eller flere polypropylenfolier mellem elektroderne, er anført i nedenstående tabeller 1 og 2.

11 U4745 <Λ

I I

T> c 0) Kl flj c o η ·- ° ο ο ο ο o «ζο o t- o cn cm |jj .* rftD CO U> 1- +J *- Ή t > 0 t- ora > Q Q. w 4- 4- nj

CO

φ O'P (Λ ^ -r: +j CD 0 φ ^ i ό f ε t- r 3 o o ^ S. CO Oh- o w ft £ ooo in ω «- £ “ Φ o i Ϊ u- w ε /—\

E

v-/ Φ — U) _l 0)

UJ -* CM

m X. CM CM CM CM CM

ri > CV1 CVJ CM CM o < £j o o o o o +J o o o o o 4>

E

ΠΙ 1/5 c ε I £ £ t d) § ε ^ ε i c c

” X, CO ? ϋ o » I

t.?N o t: s_ ^ = — 9-0 - e 0- n 0. 0 o O E> g- IZ i_ 2. α o + .2 bo k°“ r c £ 0 c-£g-a > O 0

·- 1 8 * a c S. ε OOC

£ 5 a £ ra ® Ε , a ^ .2 flj 52 £φ ®·>Ε._α) cs.>' W δ Ε = .* cg- Ε £ = I ® g- C o ® s_ C 0 οθΕ~0

(D ^ co E ro EE coot ® E

C o I-»- S- 0. f> s C CM Ω.

E w oai·^ r- > o o « cmcu> £ di o n £ c- ~ o - o~- CO f ·* n cu k0 *- q >* ^ o 9 CO +J O ¢- 0. O Ω. O +-j Q. O 4- a i "o ? U s ro a) > -S w W !_ > P £.

- *— TJ C +-> ni ® a C ro 13 ~ > ro ro « c o c_ 0. in ro _ ii- -si _ _ ^ > i _ w g a> ro E u Ξ « 3 £ £ o t -5 OQ * = = = 5 ·* H4745 12 I tabet I er der anvendt en samlet dielektrisk tykkelse på ca. 0,022 mm, idet nogle af de sammensatte dielektrika kræver tre lag af enten folier eller papir, og idet den minimale praktiske tykkelse for bide folier og papir er ca. 0,076 mm. Den spænding, hvormed disse kombinationer kan formodes at kunne anvendes med lang driftstid, og som er angivet i tabel I, illustrerer fordelene ved at anvende en polyolefinfolie enten som et supplement til eller som en erstatning for de dielektriske papirdielektrika, som hidtil er blevet anvendt. Disse værdier kan i forskellige systemer påvirkes af omfanget og arten af imprægneringen og af ensartetheden af de dielektriske egenskaber i systemet. Disse værdier indbefatter en akcepteret tilnærmelse mellem forholdet mellem dielektricitetskonstanter for Imprægneret papir og imprægneret polypropylen. Der anvendtes navnlig et forhold på 3:1.

Det skal bemærkes, at spændingsfordelingen i systemet svarende til dette forhold mellem dielektricitetskonstanterne resulterer i en påvirkning af folierne på ca. 1200 volt pr. 0,022 mm, som er en driftsgennemslagsstyrke for polypropylen, der giver en lang driftstid.

13 um 5 tf) /—s

I I

Ό C Dl i » £ S 0 0 0 o g •i; SS § S Si +j l. +j

~ '> O

k 010 > Q α w tf) * — tf) L· Π) ^

•P Ϊ11 \ C

S u. u £ c a 'tal co cn co

T c "D" r- CM CM C\l CO

0 ,_ LL ·. n - s v >>nco o o o o o (Λ S2. « Ό +j 0) ^ m » .<= C £ 1 -o js s witi-σσ) go o o o > a Q > oj cm oj oj oj CO tf) £ Ό t— r- r- r- r- j i

ίϋ X CD LO 00 CO LO

CO >, r» Tf co co cvi < 4-> o o o o o I" -Η § o o o o o ω £ E w CD (1) CO tø co cn - E ^ «r ϋ = 2 o' Οί ε V <d .= t_ Ε D) -ς, Ε α + ro = Π) 4? co c- I- ,0 c c Æ Q- £ a 5 1 i £ § £ ί S. ο § Μ Ε co c S S ^ m ε ε 2 co c ο Ε ϊ Ε α Ε ^ w 0) λ. ο ro Ε , ° Ε οΐηΛ.σ»α«-α>Εο £ Γ-O'- τ- _ CD Ο Ε 0)0 ο c Ο τ: ~ <D S_ >- ο -£ *·ϊθ£ 10 +j04JOEoE<*- Ο) = i i

-c υ C

£ i <5 0) > -S tø in s. > £ =

™ ·— Ό C! M r- O

5 a c ID V u O

' <D (0 >n c - O

Έ α cn . o) 5 i- * c _ > > Ό c cn ζ <D CD £ c £ ® 3 -C -C O CO 3 CO - - = tø ^ 144745 14 I tabel II er de samme slags dielektrika angivet sammen med den tykkelse, som kræves for at modstå en samlet spænding i systemet pi 1200 volt. Af beregningshensyn ansås tykkelserne af hver folie og papirark for at være de samme i en givet slags sammensætning. En endnu mere effektiv opbygning til brug ved en række formål ville bestå i et papirlag med en minimal tykkelse, og der anvendes til kompensering herfor lidt tykkere folier. Resultaterne i tabel II giver udtryk for den formindskede mængde dielektriske materiale, som kræves til at tåle en givet spænding, efterhånden som indholdet af formstofmateriale i dielektriket forøges. Tabel II angiver også den volumetriske virkningsgrad, som kan forventes at være til stede i kondensatorer med dielektrika af angivne typer. Disse værdier er 3 angivet i microfarad pr. 6,45 cm dielektrisk afstandsorgan.

Der er blevet bygget kondensatorer ifølge opfindelsen på 50 og 150 kVAR (kilovoltampere reaktiv), og disse er blevet anvendt i lange tidsrum, herunder tusinder af timers levetidsundersøgelser.

Disse kondensatorer er konstrueret til og anvendes ved spændingspåvirkningsværdier, som resulterer i en påvirkning af formstof komponenten i det dielektriske system, som nærmer sig 1200 volt pr. 0,025 mm. Størrelsen og vægten af disse kondensatorer viser, at de potentielle forbedringer, som er illustreret i tabellerne I og II, er blevet virkeliggjort.

F.eks. optager en 50 kVAR kondensator med et "omvendt sandwich" dielektrikum af polypropylen og papir imprægneret med en dielektrisk væske bestående af "PYRANOL"® 1499 og med en stabilisator af en epoxyforbindelse, 40% mindre volumen end en kendt konstruktion, hvor der alene anvendes papir. En sådan kondensator er med andre ord lidt mere end halvt så stor som den kendte konstruktion. Såfremt en 50 kVAR kondensator ifølge opfindelsen var lige så stor som en kendt 50 kVAR kondensator, ville kondensatoren ifølge den foreliggende opfindelse have en betydelig større nominel ydelse.

Til sammenligning skal nævnes, at en enhed, som alene indeholder papir og med omtrent samme størrelse som en 50 kVAR kondensator indeholdende formstoffolier, har en nominel ydelse på ca. 30 kVAR.

Der opnås også en tilsvarende betydelig vægtformindskelse.

Hvis man sammenligner en 150 kVAR kondensator med et med trichlordiphenyl imprægneret polypropylen-papirdielektrikum og en 100 kVAR kondensator med et med samme forbindelse imprægneret papirdielektrikum, er førstnævnte mindre og vejer 0,318 kg pr.

144745 15 kVAR. Sidstnævnte, som repræsenterer en typisk kendt kondensator, vejer 0,568 kg pr. kVAR.

Selv om den samlede vægt og det samlede volumen af elektriske kondensatorer med en givet nominel ydelse kan reduceres ifølge den foreliggende opfindelse, skal det bemærkes, at der i visse tilfælde kan være en maksimal praktisk størrelse for en elektrisk kondensator, og opfindelsen kan også anvendes til fremstilling af kondensatorer med denne størrelse og med en større nominel ydelse. I alle de ovennævnte tilfælde kan den formindskede vægt og den forøgede volumetri-ske virkningsgrad for enhederne knyttes til anvendelsen af en kombination af materialer, som resulterer i en spændingspåvirkning i formstof komponenten, som nærmer sig komponentens maksimale praktiske evne til at modstå påvirkninger.

Der er mange anvendelser for de omhandlede kondensatorer, såsom sådanne, hvor der anvendes højspændingseffektkondensatorer, hvorved det er særdeles ønskeligt at reducere energitabet i det dielektriske system i størst muligt omfang. De imprægnerede formstof-holdige dielektriske systemer ifølge den foreliggende opfindelse er særligt fordelagtige til disse anvendelser. Effektfaktoren for systemerne ifølge opfindelsen ligger almindeligvis mellem ca. 0,05 og ca. 1,5% ved mærkespænding, selv væsentligt over stuetemperatur. Dette repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til typiske kendte imprægnerede systemer med effektfaktorer på fra 0,2 til over 0,5% og muliggør yderligere en reduktion på op til 40% af størrelsen i forhold til de nævnte typiske kondensatorer.

Som et eksempel på et nedsat energitab i imprægnerede formstofholdige dielektriske systemer ifølge opfindelsen udførtes en prøve med en 50 kVAR kondensator med et polypropylendielektrikum opbygget som en "omvendt sandwich" og imprægneret med "PYRANOL" 1499. Denne kondensator er som ovenfor angivet 40% mindre end en tilsvarende 50 kVAR kondensator, der alene indeholder papir. Den energimængde, som gik tabt i denne kondensator, kom til udtryk ved en temperaturstigning i dielektriket, d.v.s. den målte temperaturstigning i dielektriket i kondensatoren i forhold til omgivelsernes temperatur.

Ved dette forsøg måltes en temperaturstigning på 25°C i dielektriket i foliekondensatoren sammenlignet med en temperaturstigning på 48°C i en tilsvarende enhed, hvori der alene var anvendt papir. Efter en 5000 timers levetidsundersøgelse ved temperaturer på 55 til 70°C var tabsfaktoren for den undersøgte kondensator ydermere ca. 0,05% 16 144745 sammenlignet med ca. 0,2% for kondensatoren, hvori der alene var anvendt papir.

Som et eksempel pi stabiliteten af effekt- eller tabsfaktoren i et dielektrisk system af polypropylen og "PYRANOL" 1499, udførtes der en undersøgelse i forbindelse med en gruppe elektriske kondensatorer med dielektrika opbygget som en "halv sandwich" og omfattende hosliggende folier af 0,012 mm polypropylen og 0,010 mm kraftpapir imprægneret med en dielektrisk væske af "PYRANOL" 1499 og indeholdende ca. 1 vægtprocent 1-epoxy-ethyl-3,4-epoxycyclohexan. Disse kondensatorer undersøgtes ved temperaturomskiftninger og ved ældning, og følgende målinger af tabsfaktoren blev foretaget ved mærkespændinger for kondensatorerne, 460 volt vekselspænding, 60 Hz.

TABEL III % Tabsfaktor

Tid (timer) 25°C 65°C 85°C

0 0,143 0,113 0,119 519 0,120 0,091 0,096 1524 0,119 0,094 0,093 5008 0,113 0,084 0,090

Disse resultater viser den stærkt stabiliserede karakter af tabsfaktoren i systemet gennem et temperaturomrlde pi fra 25 til 85°C og under mere end 5000 timers anvendelse.

Da en imprægnering er vigtig for at forhindre fremkomsten af en corona-udladning i et fast dielektrikum, udgør imprægneringsegenskaberne hos de dielektriske systemer, der anvendes i kondensatorer ifølge opfindelsen, en vigtig faktor. Til nogle anvendelser, f.eks. sådanne, hvor der bruges højspændingseffektkondensatorer, kræves der corona-startspændinger, som er et godt stykke over 2000 volt. Selv om mange fysiske egenskaber hos både formstofmaterialet og det dielektriske væskeformige imprægneringsmiddel kan være medvirkende ved bestemmelse af det samlede systems imprægneringsevne, er formstoffets permeabilitet for væsken knyttet til opløseligheden af formstoffet i væsken. Dette forhold er blevet påvist ved en prøve, hvorved en vis mængde dielektrisk væskeformigt imprægneringsmiddel 144745 17 bestående af "PYRANOL"® 1499 indfyldes i en pose eller et hylster fremstillet af en ikke-porøs polypropylenfolie, og posen anbragtes i en ovn på en temperatur på ca. 75°C. Der jagttoges en gennemtrængning gennem posens bunddel ved at føre bunden af posen hen over et mikroskopglas i kontakt med dette. I de tilfælde, hvor den dielektriske væske havde gennemtrængt posen, frembragtes der en oversmøring af mikroskopglasset. Ved anvendelse af denne prøve er det blevet konstateret, at polypropylenfolien ikke gennemtrænges af den dielektriske væske af "PYRANOL" 1400 efter mange timers forløb ved stuetemperatur. En gennemtrængning kan først iagttages efter nogle få timers forløb, når systemets temperatur forøges til 75°C og derover.

Når en temperaturimprægnering kombineres med en trykpåvirkning, såsom en ydre trykpåvirkning eller en indre trykpåvirkning under opvarmning, opnås der en i det væsentlige fuldstændig imprægnering, således som det kommer til udtryk i form af corona-startspændingsværdier, som holder sig over 2500 volt for vanskeligt imprægner-bare enheder. I en stor tæt opviklet kondensator med det dielektriske system anbragt op til et ikke-porøst materiale, såsom en elektrodeme-talfolie, muliggør systemets grænseområder kun en begrænset adgang for det væskeformige dielektrikum til det dielektriske system, og det er af hensyn hertil, at det er ønskeligt at anvende tryk og temperatur for at frembringe en optimal imprægnering. Det er bemærkelsesværdigt, at virkningen af den dielektriske væske på den dielektriske folie både ved posegennemtrængningsforsøget og ved kondensatorimprægne-ringsforsøget med den dielektriske væske af "PYRANOL" 1499 afviger væsentlige ved stuetemperatur fra virkningen ved temperaturer mellem 75 og 85°C.

Til illustration af de ensartede høje corona-startspændings-værdier, som fremkaldes i kondensatorer ifølge opfindelsen, imprægneredes tre opviklede foliekondensatorer på 40 kVAR med en opbygning svarende til en "omvendt sandwich", og som hver omfattede et papirlag med en tykkelse på 0,076 mm, anbragt mellem 0,012 mm polypropylenfolier med en dielektrisk væske bestående af "PYRANOL"® 1499, som indeholdt en ringe mængde af et stabiliseringsmiddel af epoxy-typen. Disse kondensatorer var 26,7 cm brede og havde en begyndel-ses-corona-startspænding på 750 til 1050 volt vekselspænding. Enhederne opvarmedes til 100°C i adskillige timer, og der opnåedes en i det væsentlige fuldstændig imprægnering, hvilket gav sig til kende ved corona-startspændingsværdier på over 3000 volt. Efter undersø- U4745 18 gelse af andre elektriske egenskaber genbestemtes corona-startspæn-dingsværdien. Resultaterne af dette forsøg er sammenfattet i tabel IV.

TABEL IV

Prøve nr. Begyndelses-corona- Corona-start- Gen kontrolleret startspænding spænding ef- corona-start- ter gennem- spænding varmning 1 1050 3100 3100 2 750 3050 3100 3 950 3100 3100

Den ekstremt høje corona-startspænding for disse kondensatorer sammen med den ensartethed, hvormed denne er blevet opnået, tages som et udtryk for, at der er tilvejebragt en i det væsentlige fuldstændig imprægnering. Et andet udtryk for, at en i det væsentlige fuldstændig imprægnering er blevet opnået, er, at de målte værdier for corona-startspændingen nærmer sig den slutværdi, som kunne forventes baseret på matematiske beregninger.

De med "PYRANOL" 1499 imprægnerede polypropylenpapir-dielektrika er betydeligt mere modstandsdygtige overfor corona-beska-digelse end kendte imprægnerede papirdielektrika. Specielt har det vist sig, at prøvekondensatorer, som f.eks. af den art, som er vist i fig. 5, der udsættes for 300% overspænding (d.v.s. tre gange den angivne spændingskapacitet) i 30 sekunder, udviste en relativt ringe corona-beskadigelse og i realiteten forbedrede effektfaktorer. Disse prøvekondensatorer omfattede et med "PYRANOL" 1499 imprægneret polypropylen-papirdialektrikum. Kendte papir- og andre papir-form-stofkondensatorer, der til sammenligning undersøgtes på samme måde, viste en væsentlig forøgelse af effektfaktoren og en væsentlig corona-beskadigelse. Corona-beskadigelsen vurderedes i begge tilfælde ved at foretage en demontering og en visuel undersøgelse af de nævnte dielektrika.

Udover de faste dielektriske materialer og den dielektriske væske, hvormed førstnævnte er imprægneret, kan kondensatoren ifølge den foreliggende opfindelse omfatte utallige andre komponenter.

19 U4745

Det er specielt ofte ønskeligt at indføre en komponent, som skal virke som et stabiliseringsmiddel i kondensatoren. Almindeligvis er formålet med at have et stabiliseringsmiddel i systemet at neutralisere visse forureninger eller fremmedstoffer, som kan være til stede i eller som kan dannes i kondensatoren. Sådanne forureninger kan være katalysatorrester eller katalysatoraktivatorer eller -neutraliseringsmidler, som bliver tilbage fra formstofdannelsesreaktionen. En anden kilde for sådanne forureninger kan være nedbrydningsprodukter, som frembringes ved en kemisk reaktion, der fremkaldes af omgivelserne eller som er spændingsinduceret. Disse uønskede forureninger og fremmedstoffer har en ugunstig virkning på tabs- eller effektfaktoren for kondensatoren. Stabiliseringsmidler har vist sig at være yderst effektive til at stabilisere effektfaktoren for kondensatoren.

Eksempler på stabiliseringsmidler er dipentendioxid og 1-epoxyethyl-3,4-epoxycyclohexan, som er nærmere omtalt i U.S.A. patenterne nr. 3.242.401 og 3.342.402. 1-epoxyethyl-3,4-epoxycyclo-hexan har specielt været anvendt i dielektriske væsker i mængder, som almindeligvis er fra mellem 0,001 og ca. 8,0 vægtprocent. Et foretrukket område er fra ca. 0,35 til 1,0 vægtprocent, hvor der som væskeformigt imprægneringsmiddel anvendes "PYRANOL" .

Et partikelformet uorganisk materiale, såsom aluminiumoxid, kan også anvendes som stabiliseringsmiddel.

En anden komponent, som ofte anvendes i kondensatoren ifølge opfindelsen, er et porøst dielektrisk ark, som er anbragt op til formstoffolien for at virke som en væge, gennem hvilken det dielektriske væskeformige imprægneringsmiddel ved kapillarvirkning kan trænge ind i det område, som falder sammen med kontaktområdet mellem det porøse dielektriske ark og formstoffolien. I en kondensator, hvor polypropylenfolien har et stort overfladeareal, er mindst ét sådant imprægneringslettende porøst lag fordelagtigt. Det er navnlig effektivt i f.eks. relativt store stramt opviklede kondensatorer, hvori der kræves en i det væsentlige fuldstændig imprægnering eller en ekstremt høj corona-startspænding.

Det anvendte porøse materiale er fortrinsvis kondensator-kraftpapir med en tykkelse, som ikke er større end 0,025 mm og fortrinsvis ca. 0,076 mm. Et sådant papir har en gennemslagsstyrke, som er relativt god sammenlignet med andre dlelektrika, selv om den er væsentligt mindre end for de fleste faste formstofmaterialer. Ydermere har det en relativt stor dielektricitetskonstant, som forbedrer

Claims

144745 spændingsfordelingen i et sammensat system, således at en større del af spændingen placeres på formstofmaterialet med den større gennemslagsstyrke. Syntetisk formstof eller glasfiberpapir kan ifølge opfindelsen også anvendes som vægeelement. Det dielektriske væskeformige imprægneringsmiddels effektivitet med hensyn til at modificere de fysiske egenskaber for at forbedre imprægneringen og den heraf følgende imprægneringstype og imprægneringsgrad er blevet påvist ved forsøg, hvorved kondensatorer med dielektrika, der alene bestod af folier, idet de var sammensat af to 0,0081 mm polypropylenfolier, blev imprægneret med epoxymodifice-ret "PYRANOL" 1499. Lignende kondensatorer imprægneredes med en blanding af samme imprægneringsmiddel sammen med en anden dielektrisk væske, "PYRANOL"® 1478, i et forhold på 3 dele "PYRANOL"® 1499 pr. 1 del "PYRANOL" 1478. Sidstnævnte imprægneringsmiddel er en i handelen værende dielektrisk væske, som hovedsageligt består af trichlorbenzen. Medens kondensatorerne, der var imprægneret med "PYRANOL" 1499, havde corona-startspændinger pi mellem 400 og 1000 volts vekselspænding, havde kondensatorerne, som var imprægnerede med det blandede dielektriske væskeformige imprægneringsmiddel, corona-startspændingsværdier på over 1500 volt med vekselspænding, hvilket viser, at der var opnået en væsentligt forbedret imprægnering.

1. Elektrisk kondensator indeholdende et kondensatorhus, et heri tilstedeværende kondensatorelement og en dielektrisk væske, hvorhos nævnte kondensatorelement består af mindst et elektrodepar og et foiieformet syntetisk dielektrikum imprægneret med chloreret diphenylvæske, som eventuelt indeholder et stabiliserende tilsætningsmiddel, anbragt mellem elektroderne, kendetegnet ved, at det syntetiske dielektrikum består af en kvældet polypropylenfolie, fremstillet ved imprægnering af polypropylenfolien med en chloreret diphenylvæske og varmebehandling ved en temperatur på mellem 65° og 100°C i et tilstrækkeligt langt tidsrum til opnåelse af en fuldstændig imprægneret folie.

2. Elektrisk kondensator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der i den chlorerede diphenyl-forbindelse er opløst så meget polypropylen, som kan opløses under kvældningen.