DE1564505A1 - Elektrischer Kondensator fuer grosse Leistungen - Google Patents

Description

Die Lebensdauer der bekannten elektrischen Kondensatoren für große Leistungen zur Verwendung in Netzkreisen, beispielsweise zur Leistungsfaktor-Korrektur, ist durch auftretende Koronaentladungserscheinungen sehr stark begrenzt. Die bekannten Kondensatoren für große Leistungen (Leistungskondensatoren) weisen mindestens zwei Metallfolienbänder auf, die durch ein isolierendes bandförmiges Dielektrikum getrennt sind. Als dielektrisches Band werden Papier- oder Kunststoffolien verwendet. Der ganze Kondensator ist in ein dielektrisches öl getaucht, um die Koronaverluste und die Durchschlaggefahr weitgehend zu reduzieren. Obwohl diese Kondensatoren mit

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erheblich niedrigerer Spannung betrieben werden als der Spannung, bei der die Koronaentladungen beginnen, treten Ausfälle häufig schon nach nur einigen hundert Betriebsstunden auf. Man hat festgestellt, daß Durchschläge im Öl durch das Dielektrikum durch einen Prozess entstehen, der durch Spannungswellen eingeleitet wird, die beim Öffnen und Schließen von Schaltern im Schaltkreis entstehen. Durchschläge treten ferner an Stellen großen Potentialgradients auf, die an Stellen schwankenden Abstandes zwischen Metallfolie und Dielektrikum und an den Kantender Folien vorkommen. Es sind daher Maßnahmen erforderlich, um ein gleichmäßiges Potential über das ganze Dielektrikum aufrechtzuerhalten und um kleine Stellen großen Potentialgradients zu vermeiden.

Kondensatoren, die dort eingesetzt werden, wo es auf die Beherrschung von größeren Leistungen nicht ankommt, und für die beidseitig metallisierte Kunstoffolien oder ähnliche Folien anstelle von abwechselnd einer Metallfolie und einem nichi

genommen werden
beschichteten Fiim7~sind für schwierige Anwendungsfälle, wie die Leistungsfaktor-Korrektur, nicht verwendbar. Der Widerstand der Metallbeläge mit noch wirtschaftlich herstellbarer Dicke ist so groß, daß sich der Kondensator im Betrieb elektrisch aufheizt, was das Auftreten von Koronaentladungen und Durchschlägen durch das Dielektrikum noch beschleunigt,

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Kondensators für große Leistungen, der die oben genannten

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Nachteile vermeidet und hohe Durchschlagfestigkeit und Spannungsfestigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Kondensator mit einem in ein Dielektrikum eingetauchten Wickel aus wenigstens vier Folien gelöst, welcher abwechselnd Metallfolien und auf beiden Seiten mit Metallbelägen versehene dielektrische Folien, bei denen auf jeder Seite wenigstens ein Randbereich zur Vergrößerung des Abstandes ungleich gepolter Metallbelagkanten belagfrei gelassen ist, aufweist und bei dem die Kondensatoranschlüsse an den Metallfolien liegen. % Der erfindungsgemäße Kondensator ist dadurch charakterisiert, daß die Breite und/oder Anordnung der Metallbeläge der dielektrischen Folien bezüglich der Metallfolien so gewählt ist/sind, daß die Metallbeläge wenigstens auf e iner Seite seitlich über die an sie angrenzende Metallfolie überstehen_o

Dieser Aufbau des Kondensators bewirkt, daß an der Oberfläche des Dielektrikums im Betrieb ein gleichförmiges Potential herrscht, außer an den erforderlichen Randbereichen der Kanten der dielektrischen: Folien, wo die Metallfolie diese " nicht berührt. Die Metallbeläge brauchen nur so dick zu sein, daß sie einen durchgehenden elektrischen Leiter bilden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kondensators bewirkt auch ein nur statistisch verteilter Kontakt zwischen Metallbelag und Metallfolie ein gleichmäßiges Potential über die ganze Fläche des oben beschriebenen Dielektrikums _o

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Zeichnungen an mehreren vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert»

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Es zeigts

Figur 1 im Querschnitt die Zuordnung der einzelnen Folien

eines Kondensators,
Figur 2 eine weitere Anordnung der einzelnen Folien

eines Kondensators,
Figur 3 die zum Teil zu einem Wickel aufgewickelten Metall-

und dielektrischen Folien eines Kondensators, und Figur 4 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kondensators für hohe elektrische Leistungen, bei dem die zu einem Wickel aufgerollten Metallfolien und dielektrischen Folien in einer dielektrischen Flüssigkeit angeordnet sind ο

Bei der Anordnung der Folien gemäß Figur 1 bildet die Kombination von Metallfolien und beidseitig mit einem Metallbelag versehenen dielektrischen Folien oder Filmen einen geschichteten Kondensator. Hier berührt die eine Oberfläche der Metallfolie 11 den einen Metallbelag 12 der dielektrischen Folie 13. Der Metallbelag H auf der anderen Seite dieser Folie steht mit der einen Seite einer zweiten Metallfolie 15 in Berührung, deren andere Seite einen Metallbelag 16 einer zweiten beidseitig metallisierten dielektrischen Folie 17 berührt. In allen Fällen sind die Metallbeläge breiter als die mit ihnen in Berührung stehenden Metallfolien, damit jeder Belag ein kurzes Stück, beispielsweise 3 mm, über die Kante der Metallfolie hinausstehto In l\T_ormalrichtung zur Papierebene der Figur 1 erstrecken sich die Folien in der gewünschten

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Länge. Sie sind um eine zur Papierebene parallele Achse spiralförmig aufgewickelt. Beim Aufwickeln zu einer Spirale berührt die Oberfläche 18 der Metallfolie 11 den Belag 19 ■ der Folie 17. Der Wickel ist so stark wie für die gewünschte Kapazität erforderlich ausgeführt. Die nicht dargestellten Kondensatoranschlüsse liegen an den Metallfolien 11 und 15· Obwohl diese Metallfolien die eigentlichen stromführenden Elemente des Kondensators sind, verteilt sich während des Betriebes die elektrische Ladung ganz über die erwähnten Me- % tallbeläge der aus einem geeigneten dielektrischen Material bestehenden dielektrischen Folien.

Um Koronaentladungen um die Kanten der dielektrischen Folien herum zu verhindern, müssen auf ihnen unbelegte Randbereiche 20 dort vorgesehen sein, wo die einander gegenüberliegenden Oberflächen auf unterschiedlichem Potential liegen«. Dies erreicht man durch Maskieren der Folie während des Aufbringens der Metallbeläge, was vorzugsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Ätzen oder Anschleifen einer ganz me- " tallisierten Folie erfolgt, wobei überflüssiger Metallbelag entfernt wird. Ferner ist es wie oben erwähnt wichtig, daß der Metallbelag so breit ausgeführt ist, daß er über die Berührungsfläche mit der Metallfolie hinausreicht, um kleine Hohlräume an den Kanten der Metallfolie zu verhindern, was an den Stellen zu größeren Potentialgradienten und damit zu Durchschlägen führen und den durch die Beläge erreichten Vorteil zum großen Teil wieder nichtig machen könnte,

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Die Anordnung der Folien bei einem Kondensator , dessen Konstruktion mit verbreiteten Folien an sich bekannt ist, ist in Figur 2 dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion dieses Kondensators sind die beiden Elektroden der Metallfolie 21 und 22 in der Schichtkonstruktion quer zu einander versetzt angeordnet. Diese Anordnung erleichtert die Anbringung elektrischer Verbindungen an den Folienelekuroden, erfordert jedoch eine etwas andere Anordnung der Metallbeläge auf den dielektrischen Folien. Die Metallfolie 21 steht über die Kanten der metallisierten Folien 23 und 24 hinaus. Die Metallbeläge 25 und 26 der entsprechenden dielektrischen Folien reichen über die Kanten der eingeschlossenen Metallfolie hinaus; die den Belägen 25 und 26 gegenüberliegenden Beläge 27 und 28 sind wenigstens auf einer Seite gegenüber der Kante zurückgesetzt, so daß unbelegte Randbereiche 29 und 3o bleiben, um eine Koronaentladung um die Kanten des Metallfilms herum zu verhindern. Die umgekehrte Anordnung ist auf den gegenüberliegenden Kanten der Bauteile angewendet, so daß die Metallfolie 22 verbreitert ist. Der Belag 27 steht mit der Metallfolie 22 in einem Winkel in Berührung, wenn dessen Achse parallel zur Zeichenebene liegt und das Aufwickeln in gleicher Weise erfolgt wie es im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben ist»

Die Bauelemente eines erfindungsgemäß aufgebauten Wickelkondensators sind in Figur 3 dargestellt. Die Enden der Schichten sind aufgefächert, um den Aufbau besser erkennen zu lassen. Der Wickel 31 besteht aus 4 Schichten, und zwar in der fieihen-

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folge: Metallfolie 32, dielektrische beidseitig metallisierte Folie 33 mit unbelegten Randabschnitten 34 und 35> Metallfolie 36 and die ebenso wie die dielektrische Folie 33 ausgebildete dielektrische Folie 37« Die Metallfolien 32 und 36 weisen in bekannter Weise durch Quereinschneiden und Umbiegen ihrer Enden ausgebildete Band-bzw. Fahnenanschlüsse 38 und 39 · auf, mit denen der Kondensator an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen werden kann. Die Anschlüsse 38 und 39 ragen in Figur 3 nach verschiedenen Seiten, können jedoch auf der gleichen Seite vorgesehen sein, wenn darauf geachtet ist, daß sie gegeneinander isoliert gehalten sind. Wenn die Anschlüsse auch an den Enden der Folien dargestellt sind, so können sie jedoch an beliebiger Stelle der Folie durch entsprechendes Einschneiden und Umbiegen oder durch Einlegen von Metallbändern oder dergleichen beim Herstellen des Wickels gebildet werden_e Die erste Art des Anschlusses ist jedoch im allgemeinen vorzuziehen, da sich hierbei besonders gute Verbindungen ergeben und die Wahrscheinlichkeit der Funkenbildung gering ist«.

Zusätzlich zu den metal-lbelagfreien Randbereichen der dielektrischen"Folien, wie in Figur 3 dargestellt, sind die Metallbeläge beider elektrischen Folien auch auf beiden Seiten vom Ende bis zu den Linien 43 und 44 zurückgesetzte Die unbelegten Enden 40 und 41 sind vorgesehen, um sie wenigstens einmal um den Wickel 31 herumlegen zu können^ damit sich eine zusätzliche Isolierung nach außen hin ergibt. Die Metallfolien 32 und 36 sind etwas schmäler als die angrenzenden

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Metallbeläge der dielektrischen Folien, wie dies auch in Figur 1 illustriert ist<>

Aus Figur 4 geht ferner hervor, daß der Wickel 45 des Kondensators aus den mit Metallbelägen versehenen dielektrischen Folien und den Metallfolien in einem abgeschlossenen Becher mit Fahnenanschlüssen 48 und 49, die innen in üblicher Weise jeweils zu einer der Metallfolien führen, in ein flüssiges dielektrisches Ol 46 oder dessen Äquivalente eingetaucht ist.

Der bevorzugte Werkstoff für die dielektrischen Folien des erfindungsgemäßen Kondensators ist Polyäthylenterephthalat, da dieser Werkstoff besonders gute elektrische Eigenschaften aufweist. Folien aus anderen Polyestern_f beispielsweise aus Polycarbonaten, sind ebenso wie andere synthetische Kunstoffilme der Polyolefine, Fluorkohlenwasserstoffe und dergleichen, und wie Papier auch verwendbar«

Für die Metallbeläge der dielektrischen Folien kommt im allgemeinen Aluminium infrage, doch sind auch andere Metalle wie beispielsweise Kupfer oder Zink brauchbar.

Die Erfindung ist besonde» für Kondensatoren für die Leistungsfaktorkorrektur geeignet, die dielektrische Flüssigkeiten aufweisen. Sie ist jedoch auch für mit solchen dielektrischen Gasen als Dielektrikum gefüllten Kondensatoren anwendbar, welche als sogenannte elektronegative Grase bekannt sind.

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Die hochstzulässigen Betriebsspannungen sind jedoch bei in ein gasförmiges Dielektrikum eintauchenden Kondensatoren etwas kleiner als bei in flüssiges Dielektrikum eintauchenden»

Die folgenden Beispiele dienen zum Vergleich mit bekannten Kondensatoren und zur Erläuterung deren Anwendung·

Beispiel 1 .

Es wurden mehrere Kondensatoren mit oben beschriebenem Aufbau hergestellt. Die dielektrischen Folien hatten, eine Breite von 50 mm, bestanden aus 50 /um dicken Polyethylenterephthalat film, der auf beiden Seiten mit einem Aluminiumbelag von 0,025 /um versehen war. Der Metallbelag war als Streifen von 44 rom Breite auf beiden Seiten durch Abdecken eines 3 mm breiten Handbereiches an beiden Eändern der Folie während der Vakuumbedampfung aufgebracht worden. Die beiden Metallfolien aus 6 /um starker Aluminiumfolie von 37 nun Breite waren zwischen die beiden metallisierten Folien gewickelt» An den äußeren Enden der Metallfolien waren Bandanschlüsse zum Anschluß des Kondensators an einen äußeren elektrischen Schaltkreis vorgesehen. Der gesamte Wickel wurde nach seiner Her— stellung in ein dielektrisches Mineralöl eingetaucht und eine kurze Zeit lang unter Vakuum gehalten, um das Eindringen des Öls in die inneren Zwischen- und Hohlräume zu erleichtern· Ferner wurden bekannte Kondensatoren hergestellt, die in allen Teilen mit dem oben beschriebenen Kondensator iiberein-

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stimmten mit Ausnahme dessen, daß unbelegte dielektrische Folien anstelle der metallisierten dielektrischen Folien verwendet waren«

Kondensatoren beider Arten wurden an einem 60 Hz-Wechselstromnetz miteinander verglichen, dessea. Spannung kontinuierlich bis auf 4·800 V₆^f veränderlich war. Zur Messung der dauernd angelegten Spannung dient ein elektrostatisches Voltmeter (Meßbereich 0 bis 5*000 V). An die Stromquelle waren mehrere Netzkreise gelegt, die jeweils mit Sicherungen von i/4 A abgesichert waren. Der Ausfall eines Kondensators wurde so durch eine durchgebrannte Sicherung in dem entsprechenden Uetzkreis angezeigt· Die dem Test unterworfenen Kondensatoren hatten eine Kapazität von 0,05 mF. Durch langsame Spannungserhöhung ermittelte man bei allen Kondensatoren, daß die Koronaentladung bei etwa 2.400 V einsetzte·

Während der Versuchsdauer wurden alle Kondensatoren gleichzeitig mit etwa 2.000 V Wechselspannung durch Betätigung eines Ein- Aus- Schalters belastet. Die bei diesen Bedingungen aufgrund des !Transformators und anderer induktiver Schaltelemente im Schaltkreis ermittelten Impulse erreichten Werte bis zu etwa 4.000 V. Die an sich dauern!anliegende Spannung wurde täglich dreimal kurzzeitig aus- und wieder eingeschaltet, so daß während dieser Zeiten die Sicherungen kontrolliert werden konnten. Die bekannten, unter Verwendung

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unbelegter dielektrischer Folien hergestellten Kondensatoren fielen nach 16 bis 300 Betriebsstunden aus, während die meisten der erfxndungsgemaßen Kondensatoren mit metallisierten dielektrischen Folien in Kombination mit den Metallfolien Betriebsdauern bis zu 7.200 Stunden erreichten,,

Ein weiterer Versuch wurde angestellt, um nachzuweisen, wie sehr es darauf ankommt, daß die Metallfolien des Kondensators etwas schmäler als die metallisierten dielektrischen Folien sind.

Dazu diente
Beispiel 2

Bei einem Kondensator mit einer Metallfolie, die an einzelnen Stellen bis zu 3 mm über den Rand des Metallbelages hinausstand, wobei es sich als schwierig erwies, einen Kondensator, bei dem die Metallfolie und der Belag die gleiche Nennbreite aufweisen, zu wickeln, ergaben sich Ausfälle bereits nach 5 Tagen als Folge der Koronaentladung an den Rändern. ™

Kondensatoren mit 3 mm schmäleren Metallfolien als die Metallbeläge, mit denen diese in Berührung stehen, haben dagegen über 2 Jahre ohne Ausfall gearbeitet. Die einzigen Ausfälle während dieser Zeit bei den letztgenannten Kondensatoren rührten von offensichtlichem Verderben oder Ankratzungen der Metallbeläge her,

Beispiel 3

Zur weiteren Veranschaulichung des besonderen Vorteils

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' einer Kondensatorausbildung, bei der die Metallfolie gegenüber den Rändern der Metallbeläge einer auf beiden Seiten mit Metallbelägen versehenen dielektrischen Folie zurückgesetzt ist im Gegensatz zu einer solchen, bei der die Metallfolie ebenso breit wie die angrenzenden Metallbeläge ist, wurden weitere Versuche mit Versuchseinrichtungen für einzelne flache dielektrische Schichten in Verbindung mit einer Einrichtung zum Vergleich der Festigkeit gegen Koronaentla-

™ düngen bei verschiedenen Anordnungen der Folien durchgeführt.

Bei diesen Versuchen wurden flache, 50 mm χ 50 mm große Folienstücke eines auf beiden Seiten mit Aluminium belegten 50/um dicken Polyäthylenterephthalatfilms mit einem etwa 3 mm breiten nicht metallisierten Randabschnitt zwischen zwei Aluminiumfolien gelegt und .in einer Einspannvorrichtung mit Metallelektroden, durch welche eine Spannung an das Dielektrikum zwischen den Metallfolien gelegt werden konnte, eingespannte Bei der ersten Versuchsreihe wurde die Metallfolie sorgfältig

fc zugeschnitten und so abgepaßt, daß sie genau die gleiche Ausdehnung wie der Metallbelag hatte. Besondere Sorgfalt wurde darauf verwendet, daß die Metallfolie an keiner Stelle über den Metallbelag vorstand. In einer zweiten Versuchsserie wurde mit gleicher Sorgfalt die Metallfolie so zugeschnitten, daß sie genau 3 mm kleiner als der Metallbelag der dielektrieoh en Folie war. Jeder der beiden auf diese Weise aufgebauten Flachkondensatoren wurde in ein normales dielektrisches öl eingetaucht und mit 2.000 V -« 60 Hz Wechselepannungimpulsen belastet. Bei der ersten Versuchsreihe, bei der Metallbelag und Metallfolie

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gleich groß waren, setzte eine Koronaentladung nach höchstens 3 Impulsen, im allgemeinen aber schon nach dem ersten Impuls, ein. Bei der zweiten Versuchsreihe, "bei der die Metallfolie kleiner als der Metallbelag war, setzte die Koronaentladung erst nach 15 bis 20 Impulsen ein«

Abgesehen von der längeren Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kondensators in Netzkreisen lassen sich die Elektrodenfolien leichter mit Anschlüssen (Anschlußfahnen oder dergleichen) versehen.

Patentansprüche
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Claims (3)

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1. ) Elektrischer Kondensator für große Leistungen mit einem in ein Dielektrikum eingetauchten Wickel aus wenigstens vier Folien, welcher abwechselnd Metallfolien und auf beiden Seiten mit Metallbelägen versehene dielektrische Folien aufweist, bei denen auf jeder Seite wenigstens ein Handbereich (20;29,30) zur Vergrößerung des Abstandes ungleich gepolter Metallbelagkanten belagfrei gelassen ist, und bei dem die Kondensatoranschlüsse an den Metallfolien liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und/oder Anordnung der Metallbeläge (12,14,16,19; 26,28,25,27) der dielektrischen Folien (13,17; 23,24) bezüglich der Metallfolien (11,15; 21,22) so gewählt ist/sind, daß die Metallbeläge wenigstens auf e iner Seite seitlich über die an sie angrenzende Metallfolie überstehen·

2· Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum eine dielektrische Flüssigkeit verwendet ist.

3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum ein dielektrisches Gas verwendet ist·

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4o Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine dielektrische Folie aus Polyethylenterephthalat verwendet ist ο

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