DE1589897C3 - Mit einem Zusatz-Dielektrikum getränkter regenerierfähiger elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator mit einem Dielektrikum mit ein- oder beidseitig aufgedampften Metallschichten als Beläge, bei dem wenigstens eine Metallschicht so dünn ist, daß der Kondensator regenerierfähig ist, und mit einem Zusatzdielektrikum, das so viel Sauerstoff- und/oder Wasserstoffanteile im Molekül enthält und beim Durchschlag abspaltet, daß die an der Durchschlagstelle entstehenden Produkte in ausreichendem Maße in unschädliche, elektrisch nichtleitende Verbindungen umwandelbar sind.

Papier als Kondensator-Dielektrikum genügt im allgemeinen auch heute noch den an einen Kondensator zu stellenden Anforderungen, weil insbesondere der niedrige Preis die zu einer weiteren Verbesserung das Dielektrikums notwendigen Mittel und Maßnahmen ermöglicht. Doch die ständig steigenden Ansprüche im Bezug auf kleine Abmessungen, hohe DK, geringen Verlustfaktor, hohe Spannungsfestigkeit, hohe Betriebstemperatur, hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer und einfache Verarbeitung zwingen allmählich immer stärker zu einem Ausweichen auf geeignete Kunststoffe. So sind auch im Laufe der Zeit neue Kunststoffe entwickelt, untersucht und geprüft worden, so daß heute bereits Kunststoff-Folien mit guten dielektrischen und auch mechanischen Eigenschaften und mit gleichmäßigen Dicken bis herab zu etwa 3 μηι hergestellt und verarbeitet werden können. Leider sind nur wenige davon den beim selbstausheilenden Kondensator auftretenden Beanspruchungen gewachsen, um den Kondensator auch nach etwaigen Durchschlägen ohne Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften betriebsfähig zu erhalten. In dem beim Durchschlag auftretenden elektrischen Lichtbogen werden nicht nur die bewußt dünn gehaltenen und deshalb ausbrennfähigen Kondensator-Beläge an der Kurzschlußstelle verdampft, sondern auch das im allgemeinen aus Kohlenwasserstoffen oder -derivaten bestehende Dielektrikum, das bei der hohen Lichtbogen-Temperatur (2000⁰C bis 4000⁰C) gasförmige Zersetzungsprodukte abspaltet, die u. a. auch elektrisch leitende kohlenstoffhaltige Rückstände bilden, welche den Isolationswiderstand und den Verlustfaktor verschlechtern und schließlich zur Zerstörung des Kondensators führen. Man hatte sich lange Zeit damit abgefunden, daß gerade solche besonders guten Dielektrika, also Kunststoffe mit : guten dielektrischen Eigenschaften, großer Gleichmäßigkeit und Dichte, glatter Oberfläche und außerordentlich geringer Dicke, für selbstausheilende Kondensatoren nicht brauchbar wären und man sich deshalb mit solchen begnügen müßte, die zwar dielektrisch nicht so gut, dafür aber beim elektrischen Durchschlag keine

ίο leitenden Rückstände z. B. Kohlenstoffbrücken bildeten. Diese Richtlinien galten für das Dielektrikum ganz allgemein, d. h. sowohl für feste als auch für flüssige Bestandteile. Es sei hier u. a. auf das dafür richtungsweisende DBP 8 57 986 verwiesen.

Die Entwicklung auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente konnte sich natürlich mit dieser bloßen Erkenntnis nicht abfinden und den ganzen Fragenkomplex der Kunststoff-Dielektrika für selbstausheilende Kondensatoren ungelöst lassen. Eingehende Untersuchungen der chemischen Vorgänge beim Selbstheileffekt ergeben, daß eine doppelte Aufgabe gelöst werden muß, nämlich erstens, die leitenden Zersetzungsprodukte in nichtleitende umzuwandeln, und zweitens, die gasförmigen Zersetzungsprodukte rechtzeitig in mehr oder weniger feste oder flüssige umzuwandeln oder — wenn schon nicht gänzlich zu verhindern — dann doch in ihrer Ausdehnung ausreichend klein zu halten. Zu diesem Zwecke muß an der jeweiligen Durchschlagstelle außer dem eigentlichen Kunststoff-Dielektrikum mindestens noch ein weiterer fester oder flüssiger Isolierstoff (z. B. als Zusaizdielektrikum) vorhanden sein, der erst im Lichtbogen die Bestandteile abspaltet, die zur Bindung und Unschädlichmachung der Zersetzungsprodukte des Hauptdielektrikums notwendig sind.

Hierzu sei auf die am 12. 3. 1953 bekanntgemachte DT-Patentanmeldung B 17 422, Vllle/21g, 10/02 verwiesen.

Obwohl man sich klar darüber geworden war, daß nur bei gleichzeitiger Verhinderung von leitenden Rückständen und Gasblasen oder wenigstens Beschränkung auf ein tragbares Maß ein brauchbarer, selbstausheilender Kondensator geschaffen werden kann, ging man doch zunächst den beiden Problemen einzeln zu Leibe, wobei die Gasbildung im Vordergrund stand. Von den diesbezüglichen Vorschlägen sei die bereits erwähnte Patentanmeldung B 17 422 genannt. Andere Veröffentlichungen berichten von der Bedeutung der ungesättigten aromatischen Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die besonders leicht in im elektrisehen Lichtbogen entstehenden gasförmigen Zersetzungsprodukte anzulagern vermögen (vgl. u. a. DT-AS 10 85 968, DT-AS 10 31 889 und in gewisser Beziehung auch DT-AS 11 49 823). Es wurde auch schon vorgeschlagen, wenigstens eine Ausdehnung der bei der Zersetzung im elektrischen Lichtbogen entstehenden Gasblasen dadurch zu verhindern oder zu beschränken, daß dem Tränkmittel Stoffe beigemischt werden, die Kristalle bilden (vgl. DT-PS 8 27 664 und DT-AS

10 47315). Schließlich ist auch ein selbstausheilender Kondensator bekannt geworden, der aus zusammengesetzten Kunststoffschichten aufgebaut ist, wovon das eigentliche Kondensator-Dielektrikum aus einer dielektrisch guten Lackschicht besteht, der eine weitere, insbesondere gasabgebende Lackschicht zugeordnet ist, deren Bestandteile die schädlichen Zersetzungsprodukte zu binden vermögen. Hierzu werden die DT-AS

11 81 326, DT-AS 11 58 178, DT-AS 11 67 984 und die DT-AS 12 26 210 genannt.

Das andere Problem, nämlich die Umwandlung der bei der Zersetzung im Lichtbogen entstehenden leitenden Rückstände in nichtleitende Verbindungen, glaubte man durch die bloße Zugabe eines entsprechenden Zusatz-Dielektrikums gelöst zu haben (vgl. u.a. DT-AS 10 22 694), aber neuere Untersuchungen haben ergeben, daß die im Lichtbogen aus dem Zusatz-Dielektrikum abgespaltenen Zersetzungsprodukte für die Umwandlung der leitenden Rückstände auch im ausreichenden Umfange vorhanden sein müssen. Hierzu sei auf die DT-AS 1166 374, DT-AS 1171532 und DT-AS 12 23 059 verwiesen, wonach im Falle der Zersetzung an der Durchschlagstelle eine ausreichende Menge von Sauerstoff und/oder Wasserstoff für die vollständige Bindung der abgespaltenen Kohlenstoffatome und gegebenenfalls auch gleichzeitig für die Bindung der freien Wasserstoffatome zur Verfügung stehen muß. In der DT-AS 11 66 374 wird zum Beispiel eine Deckschicht aus Acetylcellulose, Äthylcellulose, Acetobutyrat oder Polyäthylenterephthalat für die das Hauptdielektrikum bildende Kunststoff-Folie aus Polystyrol oder Polycarbonat vorgeschlagen. In der DT-AS 11 71 532 ist dieser Vorschlag dahingehend erweitert, daß, um eine Verschlechterung der DK des Dielektrikums zu vermeiden, dieser ausgesprochene »Sauerstoff/ Wasserstoff-Speicher« zwar auch in unmittelbarer Nachbarschaft des ausbrennfähigen Belags, jedoch im feldfreien Raum z. B. zwischen zwei auf gleichem elektrischen Potential liegenden Metalischichten als Schicht oder Folie untergebracht werden soll. Nach der DT-AS 12 23 059 soll als »Sauerstoff/Wasserstoff-Speicher« die durch entsprechende Behandlung mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff angereicherte Oberfläche der dielektrischen Kunststoff-Folie dienen, so daß damit eine zusätzliche Kunststoffschicht oder -folie eingespart werden kann. Aber auch diese Lösungen haben bisher noch keinen Weg in die Praxis finden können, weil sie mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sind und der komplizierte Aufbau des Kondensators zusätzliche Arbeitsgänge und besondere Vorrichtungen erfordert, so daß allein schon aus wirtschaftlichen Gründen solche Kondensatoren keinen vernünftigen Ersatz für den Papierkondensator bieten können.

In der DT-PS 14 39 319 ist ein regenerierfähiger elektrischer Kondensator beschrieben, dessen Zusatzdielektrikum aus Weichharzen auf der Basis aliphatischer Polyäther besteht. Das Imprägnieren des Kondensatorwickels erfolgt dabei unter Anwendung hohen Drucks. Aus der FR-PS 12 28 365 ist weiter die Verwendung einer bestimmten Silikon-Verbindung u. a. für Kondensatoren mit dielektrischen Bändern aus Papier und einer Belagfolie, aus mit Glykol-Polyäthylenterephthalat beschichtetem Papier und einer Belagfolie und aus metallisiertem Papier bekannt, um die elektrischen Eigenschaften dieser Kondensatoren zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator mit einem Dielektrikum aus Kunststoffolien ein billiges und einfach anzuwendendes Zusatzdielektrikum zu ermitteln, das in Verbindung mit dem Dielektrikum eine gute Regenerierfähigkeit gewährleistet ohne die guten dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung von Kunststoffolien als Dielektrikum das Zusatzdielektrikum aus einem Silikonöl besteht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorgeschlagene Silikonöl chemisch neutral ist und somit weder die Kunststoffolien noch die Metallisierung angreift; andererseits ist es homogen und sehr rein darzustellen und gewährleistet daher eine gute Reproduzierbarkeit seiner chemischen Eigenschaften. Ferner gestattet es, auf einfache, schnelle und billige Weise ein Imprägnieren des Kondensatorwickels zu bewerkstelligen. Der regenerierfähige elektrische Kondensator wird mit einem festen Kunststoff-Dielektrikum in Form von metallisierten Kunststoffolien mit guten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften aufgebaut und mit den vorgeschlagenen flüssigen Zusatzdielektrika getränkt, die nicht nur die mehr oder weniger unvermeidbaren Zwischenräume in den einzelnen Wicklungslagen ausfüllen, sondern außerdem im elektrischen Lichtbogen Sauerstoff und/oder Wasserstoff in ausreichendem Maße abspalten. Umfangreiche und über längere Zeiträume durchgeführte Versuche mit aus metallisierten Polycarbonat-Folien gewickelten und mit Silikonöl z. B. mit Methyl-Polysiloxanen mit verhältnismäßig niedrigem Polymerisationsgrad (etwa 300) getränkten Kondensatoren haben selbst höchste Erwartungen noch übertroffen. Da das Herstellungs-Verfahren rein arbeitsmäßig praktisch das gleiche wie bei den MP-Kondensatoren ist und der geringe Mehrpreis des verwendeten Tränkmittels durch die viel geringere Menge, die sich daraus ergibt, daß im Gegensatz zu MP-Kondensatoren bei Kunststoffolien-Kondensatoren nur die Zwischenräume in den einzelnen Wicklungslagen ausgefüllt zu werden brauchen, mehr als ausgeglichen wird, ist mit der Erfindung ein selbstausheilfähiger Kondensator herstellbar, der außer wesentlich besseren und stabileren elektrischen und mechanischen Eigenschaften gegenüber dem MP-Kondensator gleicher Leistung, Kapazität, Betriebsspannung usw. wesentlich kleinere Abmessungen besitzt.

Obwohl der erfindungsgemäße Kondensator sich rein äußerlich von dem bekannten grundsätzlich nicht unterscheidet, weil die Erfindungsmerkmale in der Art der verwendeten Werkstoffe begründet sind, soll doch ein zeichnerisch wiedergegebenes Ausführungsbeispiel kurz erläutert werden:

In diesem Falle handelt es sich um einen Kondensator mit einem zylinderförmigen Metallgehäuse 1, das an einem Ende geschlossen ist und in einen zentralen, im allgemeinen mit dem Gehäuse in einem Stück gespritzten Anschlußbolzen 2 mündet. Unter den Rand des zunächst offenen anderen Endes des Zylinder-Bechers ist nach erfolgtem Einbau des nachträglich zu tränkenden Kondensator-Wickels 3 der Abschlußdeckel 4 feuchtigkeitsdicht untergebördelt. Dieser z. B. aus Isolierstoff bestehende Abschlußdeckel trägt die Kondensator-Anschlußteile, die mit durch den Abschlußdekkel reichenden Hohlniete 5 befestigt sind. Durch diese Hohlniete 5 sind die anschließend mit ihnen feuchtigkeitsdicht verlöteten Wickel-Anschlußleiter, die drahtförmig ausgebildet sein können, geführt. Soweit keine besonderen öffnungen im Abschlußdeckel vorgesehen sind, dienen die zunächst noch offenen Hohlniete gleichzeitig für die Evakuierung, Trocknung und Tränkung des Kondensator-Inneren, insbesondere des eingebauten Kondensator-Wickels.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß mit der Erfindung die hervorragenden Eigenschaften bestimmter Kunststoffe für selbstausheilende Kondensatoren

erstmalig ohne besonderen Aufwand voll ausgenutzt werden können, so daß damit sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht ein wesentlicher Fortschritt in der Kondensator-Technik erreicht worden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator mit einem Dielektrikum mit ein- oder beidseitig aufgedampften Metallschichten als Beläge, bei dem wenigstens eine Metallschicht so dünn ist, daß der Kondensator regenerierfähig ist, und mit einem Zusatzdielektrikum, das so viel Sauerstoff- und/oder Wasserstoffanteile im Molekül enthält und beim Durchschlag abspaltet, daß die an der Durchschlagstelle entstehenden Produkte in ausreichendem Maße in unschädliche, elektrisch nichtleitende Verbindungen umwandelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kunststoffolien als Dielektrikum das Zusatzdielektrikum aus einem Silikonöl besteht.

2. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzdielektrikum aus flüssigen Methyl-Polysiloxanen besteht.