DE1438672C - Stoßstromanlage mit Kondensatoren als Energiespeicher - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Stoßstromanlage mit Kondensatoren als Energiespeicher für eine Speicherenergie von mindestens 100 Kilojoule zur Erzeugung von kurzzeitigen Hochspannungs-Starkstromstößen in regelmäßigen Abständen und jeweils mit einer Periodendauer der Entladeschwingung von 10 Millisekunden bis 1 Mikrosekunde bei einer erforderlichen Energiedichte der Kondensatoren von mindestens 85 Joule je Liter und einer erforderlichen Beanspruchung ihres Dielektriums bei gegebener Ladespannung der Anlage mit mindestens 85 Volt je Mikron, wobei Kondensatoren verwendet sind, deren Dielektrikum aus mit Rizinusöl getränktem Kondensatorpapier besteht.

Oft rechtfertigen oder erfordern es sogar praktische Überlegungen, daß das Dielektrikum so stark beansprucht wird, daß unter Betriebsbedingungen während jedes Arbeitszyklus eine Ionisation auftritt, welche eine leichte Beschädigung des Dielektrikums verursacht, die sich verstärkt. Dementsprechend ist die Zeit, die das Dielektrikum braucht, um durchzuschlagen, d. h. die Lebensdauer des Kondensators, eine Funktion der Beschädigung pro Zyklus, den der Kondensator durchgehalten hat. Die Lebensdauer derartiger Kondensatoren ist für ein gegebenes Dielektrikum von der Maximalbeanspruchung abhängig, dem das Dielektrikum während jedes Auf- und Entladevorgangs ausgesetzt ist.

Die schwierigen, im vorstehenden genannten praktischen Bedingungen können es beispielsweise erforderlich machen, eine Kondensatorbatterie von 100 Kilojoule oder darüber, z.B. von lMegajoule oder sogar höher, vorzusehen, die sich über einen Stromkreis mit einer sehr kleinen Induktanz zu entladen vermag, um eine Stoßstromentladung mit einer Frequenz von mindestens 50 Kilohertz oder sogar 1 Megahertz zu ergeben. Es hat sich herausgestellt, daß, um die Induktanz der Kondensatorbatterie niedrig genug zu halten, um sich bei derartigen Frequenzen zu entladen, die Energiedichte des Kondensators 85 Joule je Liter oder mehr sein muß, vorzugsweise mindestens 100 Joule je Liter. Beim Messen von Energiedichten für diesen Zweck ist das Volumen eines Kondensators das Volumen des Behälters, in welchem das oder die Kondensatorelemente eingeschlossen sind. Um derartig hohe Energiedichten zu erhalten, ist es erforderlich, das Dielektrikum der Kondensatoren bei mindestens 85 Volt je Mikron und vorzugsweise bis 100 Volt je Mikron oder mehr zu beanspruchen. Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, eine derartige Kondensatorreihe zur Verwendung unter den bezeichneten Bedingungen aus Kondensatoren mit herkömmlichen dielektrischen Materialien herzustellen, da derartige Materialien nicht zuverlässig sind und keine Aussicht auf eine angemessene Lebensdauer, verbunden mit den erforderlichen hohen Energiedichten, bieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der Kondensatoren bei derartigen Stoßstromanlagen zu erhöhen.

Ein älterer Vorschlag der gleichen Patentinhaberin (deutsches Patent 1 275 202) befaßt sich mit einer Stoßstromanlage, die unter den obengenannten Bedingungen arbeitet und zur Energiespeicherung Kondensatoren aufweist, die zuverlässig sind und eine unerwartet lange Lebensdauer haben. Die Kondensatoren haben ein Dielektrikum aus Kraftpapier, welches mit Rizinusöl imprägniert ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus aktiviertem Kondensatorpapier, welches mit Rizinusöl imprägniert ist, unter diesen Bedingungen arbeiten, eine noch höhere Lebensdauer haben, wobei die Verbesserung beträchtlicher ist, als sie aus den bekannten Eigenschaften eines aktivierten Kondensatorpapiers zu erwarten wäre.

Die Stoßstromanlage der eingangs gennanten Gattung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorpapier mit feinverteilten Zusätzen von Metalloxyden, hydratisierten Metalloxyden oder Metallhydroxyden aktiviert ist.

Für Kondensatoren, deren Dielektrikum aus mit Rizinusöl getränktem Kondensatorpapier, das mit feinverteilten Zusätzen von Metalloxyden, hydratisierten Metalloxyden oder Metallhydroxyden aktiviert ist, besteht, wird kein allgemeiner Schutz beansprucht. Unter dem Ausdruck »aktiviertes Kondensatorpapier« soll ein Kondensatorpapier verstanden werden, das mit feinverteilten aktiven Substanzen, und zwar Metallhydroxyden, hydratisierten Metalloxyden oder Metalloxyden, versehen ist, die einen großen Oberflächenbereich haben und deren Teilchengrößen bei etwa 0,5 Mikron und weniger liegen und welche auf Verluste hervorrufende Verunreinigungen im Imprägnierungsmittel einwirken, indem sie diese binden und dann aus dem Imprägnierungsmittel entfernen, wenn das vorher wärme- und/oder vakuumbehandelte Papier getränkt wird, um den Energieverlust im Dielektrikum zu verringern. Dies ist in der französischen Patentschrift 1 221 007 beschrieben. Der für das in dieser Patentschrift beschriebene aktivierte Papier herausgestellte Vorteil besteht darin, daß der Leistungsfaktor verbessert wird. Dies ist jedoch, soweit es die Energiespeicherung in einer Stoßstromanlage anbetrifft, bedeutungslos; in Wirklichkeit hat mit Mineralöl imprägniertes Kondensatorpapier eine viel kürzere Lebensdauer, gemessen an der Impulszahl, wenn es auch einen besseren Leistungsfaktor als mit Rizinusöl imprägniertes Papier hat.

Rizinusöl ist als Imprägnierungsmittel für Energiespeicherkondensatoren den allgemein verwendeten Kondensator-Imprägnierungsmitteln überlegen, welche Mineralöl und chlorierte Diphenyle sind. Es wird angenommen, daß dies auf drei Eigenschaften zurückzuführen ist:

1. Seine größere Toleranz gegenüber Wasser und sein größeres Absorptionsvermögen für dieses;

2. eine potentiell überlegene Verträglichkeit mit Zellulose infolge der molekularen Ähnlichkeit und besseren Benetzungseigenschaften und

3. seine Tendenz, bei Ionisationsbedingungen stabile Produkte mit höherem Molekulargewicht herzustellen, die gute dielektrische Eigenschaften haben.

Obwohl diese dritte Eigenschaft in gewissem Maße auch Mineralöl aufweist, haben Mineralöl-Papier-Dielektrika eine kürzere Lebensdauer als Rizinusöl-Papier-Dielektrika, und Mineralöl hat eine Durchlässigkeit von nur 2,1 bis 2,2 im Vergleich zu 4,6 für Rizinusöl. Chlorierte Kohlenwasserstoffe haben den Vorteil höherer Durchlässigkeit, erzeugen aber unter Ionisationsbedingungen Salzsäure, die auf das Dielektrikum zerstörend einwirkt.

Mit Mineralöl getränktes aktiviertes Kondensatorpapier hat eine höhere elektrische Durchschlagfestigkeit als ähnliche Papierarten, die aus Zellstoff herge-

stellt sind, im gleichen Ausmaß gestampft worden sind, die gleiche Dichte und Luftdurchlässigkeit haben und mit Mineralöl getränkt sind. Zum Beispiel hat mit Mineralöl getränktes Kraftpapier mit einer Dicke von 25 Mikron und einer Dichte von 1,1 bis 1,3 eine durchschnittliche Durchschlagfestigkeit von 2500 kV/cm. Die entsprechende Durchschlagfestigkeit von aktiviertem Kondensatorpapier von etwa der gleichen Dichte beträgt 2680 kV/cm, was eine Zunahme von 7,2% bedeutet.

Es hat sich herausgestellt, daß die Kombination von Rizinusöl mit aktiviertem Kondensatorpapier bei Verwendung von Kondensatoren in Stoßstromanlagen eine viel höhere Lebensdauer der Kondensatoren bringt, als von der Kenntnis des Charakteristikums von jeder Komponente zu erwarten war. Mit Rizinusöl getränktes aktiviertes Kondensatorpapier hat sich tatsächlich gegenüber in ähnlicher Weise getränktem Kondensatorpapier von im wesentlichen der gleichen Dichte, das aus gewöhnlichem Kraftpapier hergestellt ist, weit überlegen gezeigt, und zwar insofern, als seine Lebensdauer ungefähr das Eineinhalbfache des letzteren beträgt, wenn beide als Dielektrikum bei Kondensatoren in Stoßstromanlagen verwendet werden. Darüber hinaus zeigen die Testresultate eine größere Gleichmäßigkeit, was anzeigt, daß der Kondensator mit einem Dielektrikum aus mit Rizinusöl getränktem aktiviertem Kondensatorpapier zuverlässiger ist.

Die überraschend guten Ergebnisse, die durch die Verwendung von Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus mit Rizinusöl imprägniertem aktiviertem Kondensatorpapier bei Stoßstromanlagen erzielbar sind, sollen durch die folgenden Versuchsergebnisse gezeigt werden, die bei kleinen Kondensatoren erzielt worden sind, welche durch Wickeln von Aluminiumelektroden hergestellt worden sind, die durch vier Lagen aus aktiviertem Kondensatorpapier mit einer Dichte von 1,2 g/cm³ und je 15 Mikron Dicke getrennt sind, wobei die Kapazitanz einer jeden nach dem Trocknen unter Vakuum für 195 Stunden bei 95⁰C zwecks Aktivierung des oxydgeladenen Papiers und nach dem Tränken mit Rizinusöl etwa 0,1 Mikrofarad beträgt. Impulslebensdauertests wurden an fünf Proben ausgeführt, wobei die Aufladespannung 5,54 kV und die Resonanzfrequenz des Entladungskreises 200 Kilohertz beträgt. Die Auf- und Entladewiederholungszeit betrug 3,9 Sekunden. Es wurden folgende Anzahlen von Entladungen verzeichnet, bevor das Versagen erfolgte.

Muster 1 Muster 2

Muster 3

Muster 4

Muster 5

Anzahl von Entladungen vor dem Versagen

137 479 156 698

156 743

159 197

159 880

Eine Prüfung bei praktisch gleichen Verhältnissen an sechs Proben, jede bestehend aus
a) Kraftpapier der gleichen Dicke und Dichte, das aus Pulpe der gleichen Qualität hergestellt und mit Rizinusöl getränkt war,

b) Kraftpapier der gleichen Dicke und Dichte und mit Mineralöl getränkt und

c) das gleiche aktivierte Kondensatorpapier mit Mineralöl getränkt,

ergab folgende Resultate:

Muster Muster 2

Muster 3

Muster 4

Muster 5

Muster 6

Anzahl von Entladungen vor dem Versagen ..

46 572
10 208

15 50 704

16 009

17 050

101 420

16 057

17 322

118 955
16 194
18 643

127 131

17 956

18 845

138 822 26 723 18 997

Aus diesen Resultaten läßt sich erkennen, daß die mittlere Lebensdauer des mit Rizinusöl getränkten Kraftpapiers 0,96 · 10^s betrug, während diejenige des mit Rizinusöl getränkten aktivierten Kondensatorpapiers 1,54 · 10⁵ betrug, was eine Verbesserung von mehr als dem Eineinhalbfachen bedeutet. Es zeigt sich, daß die Standardabweichung für das mit Rizinusöl getränkte aktivierte Kondensatorpapier nur ±0,08 · 10⁵ betrug, während diejenige für das mit Rizinusöl getränkte Kraftpapier ±0,35 · 10⁵ betrug, was die viel größere Zuverlässigkeit des mit Rizinusöl getränkten aktivierten Kondensatorpapiers zeigt.

Durch die beiden Vergleiche:

1. mineralölgetränktes Kraftpapier gegenüber mineralölgetränktem aktiviertem Kondensatorpapier und

2. rizinusölgetränktes Kraftpapier gegenüber rizinusölgetränktem aktiviertem Kondensatorpapier,

zeigt sich, daß efne viel größere Verbesserung erzielt wird, wenn das Imprägnierungsmittel Rizinusöl ist, als es auf Grund der Resultate zu erwarten war, die erzielt werden, wenn das Imprägnierungsmittel Mineralöl ist.
Eine Stoßstromanlage von 1 Megajoule und 25 kV mit Kondensatoren gemäß der Erfindung soll nunmehr an Hand der ein Ausführungsbeispiel wiedergebenden schematischen Zeichnung näher erläutert werden.

Die Stoßstromanlage weist eine Batterie von 375 Kondensatoren auf. Jeder Kondensator (von denen nur drei gezeigt sind) hat einen Behälter 1, 2, 3 mit den Abmessungen 56 · 34 · 12,5 cm, in welche Mitallfolien-Papier-Rollenelemente eingetaucht sind, bsi denen jeweils die Folien durch vier Schichten von aktiviertem Kondensatorpapier getrennt sind, die jeweils 15 Mikron dick sind. Die Elemente sind im Behälter miteinander verbunden, um dem Kondensator eine Kapazitanz von 8,5 Mikrofarad und eine Speicherkapazität von 2660 Joule zu geben, wenn er mit 25 kV aufgeladen ist. Dies bringt eine Beanspruchung des Dielektrikums von über 100 Volt je Mikron mit sich. Die Elem;nte sind mit Rizinusöl getränkt und in dieses eing;taucht.

Die Kondensatoren sind in Gruppen zu zwei oder drei durch Iamellenförmige Sammilschienen 4 und 5

und scheibenförmige Durchführungen oder Buchsen 6,7 und 8 verbunden. Diese Durchführungen weisen einen Körper aus Isoliermaterial mit einem scheibenförmigen Kopfstück und einem verhältnismäßig dünnen Halsstück auf, welches in den Kondensatortank führt. Das Kopfstück ist in einem schüsseiförmigen Metallgehäuse gehalten, und eine rohrförmige Verlängerung umgibt das Halsstück und ist mit dem Behälter verbunden. Die Sammelschiene 5 ist durch Bolzen mit den Flanschen an den schüsseiförmigen Gehäusen verbunden, und die Sammelschiene 4 ist mit Leitern verbunden, die mittig durch die Kopf- und Halsstücke und durch große öffnungen in der Sammelschiene 5 in die Behälter führen. Die Sammelschienen sind durch dünne Lagen Isoliermaterial (nicht gezeigt) voneinander auf Abstand gehalten.

Jede Gruppe von Kondensatoren ist über eine triggerbare Funkenstrecke 9, 10 mit drei oder vier koaxialen Kabeln 11 von niedriger Induktanz verbunden, die zu einem zweiteiligen Anschlußstück 12, 13 für einen Be- ao lastungsstromkreis 14 bilden. Alle Kabel 11 (für alle Kondensatorgruppen) sind in der Länge aufeinander abgestimmt und mit dem Belastungsstromkreis 14 durch das Anschlußstück 12,13 parallel geschaltet. Die leitenden Platten 12,13 des Anschlußstücks sind durch eine dielektrische Platte 15 getrennt.

Vorzugsweise ist jeder Funkenstrecke 9, 10 eine , weitere triggerbare Funkenstrecke 16, 17 zugeordnet, durch weiche die Kondensatorgruppe an ihren Anschlußklemmen kurzschließbar ist, wenn der Stoßstromimpuls seinen maximalen Stromwert erreicht.

Die Stromstoßanlage ist mit einer 25-kV-Au, stromquelle 18 und elektronischen Mitteln 19 Auslösen der Funkenstrecken versehen.

Es hat sich herausgestellt, daß es mit einer derar Anlage möglich ist, Stoßstromimpulse zu erzeuge ihre Spitzenspannung in weniger als 50 Mikroseku erreichen, und daß die Lebensdauer der Stoßst anlage, wenn in dieser Weise betrieben, in der im stehenden genannten Größenordnung liegt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Stoßstromanlage mit Kondensatoren als I giespeicher für eine Speicherenergie von minde 100 Kilojoule zur Erzeugung von kurzzei Hochspannungs- Starkstromstößen in regelmäi: Abständen und jeweils mit einer Periodend der Entladeschwingung von 10 Millisekunder 1 Mikrosekunde bei einer erforderlichen Ene dichte der Kondensatoren von mindestens 85 J je Liter und einer erforderlichen Beanspruc! ihres Dielektrikums bei gegebener Ladespani der Anlage mit mindestens 85 Volt je Mik wobei Kondensatoren verwendet sind, d Dielektrikum aus mit Rizinusöl getränktem l· densatorpapier besteht, dadurch geke zeichnet, daß das Kondensatorpapier feinverteilten Zusätzen von Metalloxyden, hy tisierten Metalloxyden oder Metallhydroxj aktiviert ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen