DE1790253A1

DE1790253A1 - Dielektrisches System fuer eine elektrische Isolierung eines elektrischen Leiters wie beispielsweise ein elektrisches Kabel

Info

Publication number: DE1790253A1
Application number: DE19661790253
Authority: DE
Inventors: Cox Eugene Barkclay
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-11-18
Filing date: 1966-11-17
Publication date: 1972-01-20
Also published as: AT315984B; NL163048C; YU86969A; YU33397B; NO119544B; BE689829A; FI50916B; FR1502221A; SE355689B; YU86869A; GB1169038A; NL163048B; NO119544C; DE1640188C3; ES333462A1; DE1640188A1; SE7400554L; ES345875A1; NL6616148A; DK144745B

Description

Dielektrisches System für eine elektrische Isolierung eines elektrischen Leiters, wie beispielsweise ein elektrisches

Kabel

Die Erfindung bezieht sich auf Dielektrika auf der Basis von imprägnierten organischen Kunststoffen, die eine lange Lebensdauer und eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, und im besonderen auf Wechselstromkondensatoren, in denen derartige Dielektrika, insbesondere auf Polyolefinbasis, verwendet sind.

Die heutigen elektrischen Geräte werden immer komplizierter und leistungsfähiger. Daher müssen auch an die Kondensatoren in solchen elektrischen Geräten immer höhere Anforderungen gestellt werden. So besteht beispielsweise ein Bedarf an Kon-

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densatoren, die höheren Leistungen gewachsen sind j aber trotzdem kleiner und billiger als die bisher bekannten Kondensatoren sein sollen. Kondensatoren, insbesondere Wechselstronkondensatoren mit höheren Durchschlagsfeldstärkeh sowie höheren Koronazünd- und Löschspannungen sind besonders deswegen erwünscht, well solche Kondensatoren viele Schwierigkeiten bei der Auslegung und dem Betrieb von elektrischen Geräten überwinden helfen und In vielem den Betrieb bereits vorhandener Geräte zuverlässiger gestalten.

Ziel der Erfindung ist daher ein Dielektrikum auf der Basis von imprägnierten Kunststoffen* das eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Die Koronazünd- und LösGhspannungen dieses Dielektrikums sollen sehr hoch sein. Weiterhin soll sich dieses Dielektrikum durch einen niedrigen Verlustfaktor auszeichnen. Dieses Dielektrikum soll sich sowohl als Wechselstromisolationsmaterial als auch als Zwischenschicht in Wechselstromkondensatoren verwenden lassen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein V/echselstromkondensator für hohe Spannungen, der pro Volumeneinheit eine größere Kapazität als bisher bekannte Kondensatoren aufweist. Dieser Kondensator soll eine feste dielektrische Zwischenschicht aufweisen, die besonders dünn ist, jedoch hohen Wechselspannunp;sbeanspruchungen standhalten kann. Der Hauptbestandteil der dielektrischen Zwischenschicht soll eine Polyolefinfolie sein, die mit einem halogenierten Kohlenwasserstoff imprägniert ist. Die Polyolefinfolie soll eine Polypropylenfolie und der halogenierte Kohlenwasserstoff soll Trichlor-Diphenyl sein.

Es wurde gefunden, daß bestimmte Stoffkombinationen und Herstellungsverfahren auf einen Kondensator mit einem Dielektrikum auf der Basis von imprägniertem Kunststoff führen, der überraschend günstige elektrische Eigenschaften aufweist. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Kunststoff auf Polyolefinbasis, wie beispielsweise Polypropylen, mit einer halogenier-

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ten aromatischen Verbindung, wie beispielsweise mit Trichlor-Diphenyl, getränkt und als dielektrische Zwischenschicht in einem Kondensator verwendet. Weiterhin wurde gefunden, daß die eben genannten Stoffe und Materialien auf solche Weise aufeinander einwirken und zusammenwirken, daß eine Imprägnierung des Polyolefins zustande kommt, die die wichtigsten elektrischen Eigenschaften eines Kondensators, wie Durchschlagsfeldstärke, Koronazünd- und Loschspannungen, Lebensdauer unter Spannungsbeanspruchung und Verlustfaktor, erheblich verbessert.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 1st ein vergrößerter Querschnitt einer praktisch vollständig imprägnierten dielektrischen Zwischenschicht für Kondensatoren auf Kunststoffbasis.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgewickelten Kondensatorwickels.

Fig. 3 zeigt einen vollständigen Kondensator, der einen Wickelkern nach Fig. 2 und ein Gehäuse aufweist.

Fig. iJ ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Kondensators, der als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht eine imprägnierte Kunststoffolle aufweist. Der Aufbau nach Fig. ¹I wird "ganzes Sandwich" genannt.

Fig. 5 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines anderen Kondensators, der als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht mehrere imprägnierte Kunststoffolien aufweist. Der Aufbau nach Fig. 5 wird "invertiertes Sandwich" genannt.

Fig. 6 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines weiteren Kondensators, dessen dielektrische Zwischenschicht eine

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verhältnismäßig dicke imprägnierte Kunststoffolie aufweist. Der Aufbau nach Fig. 6 wird "halbes Sandwich" genannt.

Fig. 7 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines abgewandelten Kondensators, der nach Art eines "halben Sandwich" aufgebaut ist und als Bestandteil der dielektrischen Zwischenschicht mehrere imprägnierte Kunststoffolien aufweist.

Fig. 8 ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Kondensators, bei dem die dielektrische Zwischenschicht ausschließlich aus einer imprägnierten Kunststoffolie besteht.

In der Fig. 1 ist eine dielektrische Zwischenschicht 10 dargestellt, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung 1st. Diese dielektrische Zwischenschicht weist ein Stück aus einem festen Material 11 aus einem Polyolefin auf, in dem eine ganze Anzahl von kleinen Poren, Bläschen oder öffnungen 12 vorhanden sind. Diese Poren oder Bläschen sind eine Eigentümlichkeit dieses Materials. Trotzdem wird dieses Material als "nicht-porös" beschrieben, da, wenn überhaupt, dann nur sehr wenige Poren oder Bläschen von der einen Oberfläche bis zur anderen Oberfläche des Materials hindurchgehen, durch die hindurch die Imprägnierflüssigkeit nach der Erfindung von einer Seite zur anderen Seite der Zwischenschicht gelangen könnte. Das Polyolefin ist mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert, die einmal das Material selbst durchdringt und zum anderen diese Poren oder Bläschen ausfüllt. Das Ganze stellt dann ein kontinuierliches, jedoch heterogenes dielektrisches System dar. Die Art der Imprägnierung, wie sie die Erfindung lehrt, führt zusammen mit den besonderen verwendeten Stoffen auf eine überraschende Kombinationswirkung, durch die die Durchschlagsfestigkeit bzw. die Durchschlagsfeldstärke der dielektrischen Zwischenschicht erhöht wird. Nach einem Gesichtspunkt wird die Isolationsfähigkeit des Kunststoffes durch die

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Imprägnierung- des Kunststoffes mit einenrMaterial" mit einer Durchschlagsfestigkeit größer als die Luff in den Poren· deswegen erhöht, weil die Imprägnierflüssigkeit in den Kunststoff eindringt. Kondensatoren mit anderen als den hier beschriebenen imprägnierten Zwischenschichten, die aber ebenfalls imprägniert sind,- sind in den US-Patentschriften 2 864 -98 2 und 2 307 *T88-beschrieben.

Wenn man die dielektrische Zwischenschicht nach Fig. 1 beispielsweise als Bestandteil eines Kondensators verwendet, so kann man überraschend gute Eigenschaften und Ergebnisse erzielen. Es sind zwar schon zahlreiche Stoffkombinationen zur Verwendung als dielektrische Zwischenschicht für Kondensatoren beschrieben worden, es hat sich aber gezeigt, daß es mit den bekannten'Stoffkombinationen nicht möglich ist, bei einem Kondensator zu denjenigen Eigenschaften zu gelangen, die für die heutigen elektrischen Geräte gefordert werden. Die Stoffe, mit denen man erfindungsgemäß die besten Ergebnisse erzielt, sind Kunststoffe aus der Gruppe der Polyolefine und im besonderen Polypropylen, Polyäthylen, 4-Methylpenten-(l) und Polystyrol.

Polyolefine sind einmal ihrer elektrischen Eigenschaften wegen als normale dielektrische Stoffe (also nicht als Zwischenschichten für Kondensatoren) vorteilhaft, weiterhin ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer guten mechanischen Eigenschaften wegen, insbesondere deswegen, weil sie leicht mechanisch bearbeitet und verformt und in die Form dünner Folien gebracht werden können. Dieser günstigen Eigenschaften wegen werden Polyolefine vielfach verwendet. Als Dielektrikum in Kondensatoren dagegen sind Polyolefine nur in beschränktem Umfang verwendet worden, da ihre Durchbruchsfeldstärken verhältnismäßig klein sind, da weiterhin ihre Koronazünd- und Lösehspannunren verhältnismäßig niedrig sind und da ihre Lebensdauer unter F>pannungsbelastung gering ist. Die Durchschlagsfeldst/irke ist eine sehr wichtige Größe. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, einer Spannungsbeanspruchung

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standzuhalten. Unter Spannungsbeanspruchung soll hier die Spannungsdifferenz pro Dickeneinheit des Materials verstanden werden» Die Koronazündspannung und die Koronalöschspannung sind die Spannungen, bei denen Koronaentladungen auftreten bzw. erlöschen, die zu einer Werkstoffzerstörunr führen können. Weiterhin traten bei- der Imprägnierung-Schwierigkeiten auf. Hier sind insbesondere "der Umfang der- Imprägnierung und die Verträglichkeit der einzelnen Materialien miteinander zu nennen. Dieser Nachteile wegen war es bisher noch nicht möglich, ein Imp ragnie rungs verfahre η zu finden,. mit-eiern sich die elektrischen Eigenschaften von Polyolefinen verbessern lassen.

Nun wurde gefunden, daß Polyolefine una im besonderen Polypropylene in einem unerwartet hohen Maße imprägniert werden können, wenn man hierzu halogenierte aromatische Verbindungen verwendet. Die Polyolefine und die halogenierten Verbindunren wirken dann derart aufeinander ein, daß die besonders günstigen dielektrischen Zwischenschichten für Kondensatoren nach der Erfindung zustandb kommen. Aus der Gruppe der Polyolefine ist für die Erfindung ein Polypropylen besonders geeirnet, und zwar ganz besonders eine biaxial orientierte isotaktische Polypropylenfolie. Ein Beispiel einer solchen Folie ist in "Applied Plastics", November 1961, Seiten 35 bis 64 und in "Modern Dielectric Materials", Beck, J.B., London Heywood and Co., Seiten 140 bis l'»2 beschrieben.

Die Polyolefine, die in diesen Aufsätzen beschrieben sind, können als lineare Kopf-Schwanz polymerisierte Polymere ungesättigter Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel CIi_ = CHR aufgefaßt werden. Es sind also <<.-Olefine. R bedeutet ein aliphatisches Radikal, ein zyklisch-aliphatisches Radikal oder ein aromatisches Radikal. V/elterhin können diese Polyolefine Kopolymere ungesättigter Kohlenwasserstoffe miteinander sein oder Kopolymere aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit einem Monomer, das mit den ungesättigten Kohlenwasser-

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stoffen zusammen polymerisierbar ist. Ein solches Polyolefin-material kann ebenfalls als nicht-porös bezeichnet werden, da es praktisch keine Poren aufweist, durch die die bevorzugten Imprägniermittel nach der Erfindung unter den bisher bekannten in Kondensatoren herrschenden Betriebsbedingungen von einer Oberfläche bis zur anderen Oberfläche einer Folie hindurchgehen können.

hin bevorzugtes Imprägniermittel nach der Erfindung ist eine halogenierte organische Verbindung, die 1 bis 5 Halogensubstituenten, wie beispielsweise Chlor, sowie 1 bis 3 Arylgruppen aufweist. Besonders geeignet ist Trichlor-Diphenyl, das unter dem Warennamen Pyranol Ii99 vertrieben wird. Bei diesem Material liegen die Koronazünd- und Löschspannungen sehr hoch.

Die Kombination von Trichlor-Diphenyl als dielektrische Flüssigkeit mit einer nicht-porösen Polypropylenfolie als imprägniertem Dielektrikum führt erfindungsgemäß auf die besten Ergebnisse. Es wurde bereits bemerkt, daß diese beiden Stoffe bisher als nicht verträglich miteinander angesehen wurden-, so daß sie für dielektrische Zwecke vermieden worden sind, da Polypropylen in halogenierten organischen Verbindungen, wie beispielsweise Pyranol Ii99, leicht in Lösung geht. Außerdem war man der Auffassung, daß die Polypropylenfolie von der Imprägnierflüssigkeit nicht benetzt werden kann. Weiterhin .hat es sich gezeigt, daß das Lösen von Polypropylen in einer unpolaren Flüssigkeit auf Plastifizierungseffekte, wie Quellen und Verlust an Zugfestigkeit, führt. Nun wurde jedoch gefunden, daß, abgesehen von hohen Temperaturen von etwa oberhalb 1OO°C, Polypropylen nur beschränkt in halogenierten aromatischen Verbindungen löslich ist, und daß diese beschränkte Löslichkeit überraschenderweise die Eigenschaften eines Kondensators nicht beeinträchtigt. Diese partielle Löslichkeit von Polyrropylenfolien in Trichlor-Diphenyl unter genau einzuhaltenden Temperaturbedingungen bei Temperaturen unterhalb

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von etwa 10O⁰C muß als ein wichtiges Merkmal der bevorzugten Stoffkombination nach der Erfindung angesehen werden. Diese partielle Löslichkeit tritt"auf, wie Versuche gezeigt haben, wenn das Imprägnierungsmittel die Folie anfänglich durchdrungen hat und unterstützt die Wanderung des Imprägnierungsmittels in der Folie und in die Poren hinein. Diese Verstärkung der Imprägnierung macht sich durch eine außerordentlich hohe Koronazündspannung im imprägnierten Dielektrikum bemerkbar,die selbst dann auftritt, wenn auf den beiden Seiten der Folie keine porösen Schichten angeordnet sind.

Es wurden Proben von Polypropylenfolien mit Pyrähol imprägniert und Kondensatorversuchen unterworfen. Hierbei zeigte es sich, daß zwischen Art und Umfang der Imprägnierung und der Koronazündspannung ein enger Zusammenhang besteht. Eine vollständige Imprägnierung ist daher ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Die Kombination von Polypropylen mit Trichlor-Diphenyl ist für eine Art von Imprägnierung besonders günstig, die im nachfolgenden als "praktisch vollständige" Imprägnierung tezeichnet werden soll. Wenn die Bläschen und Poren im Material praktisch vollständig vom Imprägniermittel gefüllt sind, und wenn der Imprägnierungsvorgang sowohl die Absorption von Imprägnierungsmitteln im Material als auch die partielle Lösung des Materials im Imprägnierungsmittel umfaßt, wird das Material als "praktisch vollständig imprägniert" bezeichnet. Vergleichsuntersuchungen mit Kunststoffsystemen, die verschieden stark imprägniert waren, haben gezeigt, daß sich sehr hohe und reproduzierbare Koronazündspannungen erreichen lassen, die in der Nähe der gemessenen, berechneten oder endgültigen Koronazündspannungen liegen, wenn der ImprägnierungsVorgang verlängert oder auf andere Weise unterstützt wurde, um'eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Ein ImprägnierungsVorgang, der ein Beispiel für eine praktisch vollständige Imprägnierung ist, besteht darin, eine Polypropylenfolie bei einer Temperatur von etwa 9O⁰C in Trichlor-Diphenyl einzutauchen. Unter diesen bedingungen werden zwischen 6 Tagen und 20 Tagen stabile

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Verhältnisse erreicht. Dann haben sich etwa 1 Gewichtsprozent von Polypropylen im Trichlor-Diphenyl gelöst, während auf der anderen Seite vom Polypropylen etwa 11 Gewichtsprozent Tri-. chlor-Diphenyl aufgenommen wurden. Art und Umfang der Imprägnierung kann durch die Koronazündspannung des Systems gemessen werden, die einen Maximalwert erreicht, der die vollständige Imprägnierung anzeigt.

Die bevorzugte Polypropylenfolie zur Verwendung nach der Erfindung besteht aus isotaktischem Polypropylen. Dieses ist ein Polypropylen von hohem Molekulargewicht, das eine reguläre Kristallstruktur aufweist und das zusätzlich zu dieser überwiegenden Kristallstruktur noch eine nicht-kristalline oder amorphe Phase enthält. In manchen kommerziell erhältlichen isotaktischen Polypropylenen beträgt der Anteil der amorphen Phase bis zu 30 %. Um aus solchen Polypropylenen Folien herzustellen, die für die Erfindung brauchbar sind, kann man das Polypropylen walzen, pressen oder extrudieren. Man kann die Folien aber auch aus einem Lösungsmittel oder durch Gießen aus einer Schmelze gewinnen. Um die mechanischen Eigenschaften solcher Folien zu verbessern, ist es üblich, solchen Folien durch Recken oder Tempern eine Vorzugsstruktur zu geben. Es ist günstig, wenn man die Folien in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen reckt, d.h. also in Längs- und in Querrichtung, so daß die Folie biaxial orientiert ist. Die Folien können aber auch nur unaxial orientiert sein oder aber in zwei Richtungen gleichmäßig gereckt werden.

Polyolefinfolien, Insbesondere Polypropylenfolien, sollten möglichst wenig Fremdstoff beinhalten, die den Verlustfaktor des fertigen Dielektrikums beeinträchtigen könnten. Der Verlustfaktor ist ein Maß für den Energieverlust innerhalb eines Materials. Fremdstoffe oder Verunreinigungen können auch außen an den Folien haftende Materialien sein, die bei der Herstellung der Folien aufgenommen werden. Auch Katalysatorensubstanzen können zu diesen Verunreinigungen zählen, Diese Ver-

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unreinigungen können, beispielsweise dadurch aus dem Polyolefin beseitigt v/erden, daß man das Polyolefin löst und die Verunreinigungen in der Lösung niederschlägt oder adsorbiert. Gehr gute Ergebnisse wurden mit kommerziell erhältlichen Polypropylenen erzielt, wie sie beispielsweise von der Firma Hercules Powder Co. unter der Bezeichnung Profax 652OF Resin und von der Firma Shell unter der Bezeichnung 55OOF Resin vertrieben werden.

Kondensatoren nach der Erfindung, wie beispielsweise die Kondensatoren nach den Figuren 2 und 3* können genauso wie bisher bekannte Kondensatoren aufgebaut sein. In der Fig. 2 ist ein V/icke !kondensator Ik dargestellt, der als Elektroden getrennte Folien 15 und 16 aufweist, die durch zwei dielektrische Zwischenschichten 17 und 18 voneinander getrennt sind. Die Anschlußstücke 19 und 20 haben vergrößerte Oberflächen 21 und 22 (nicht gezeigt), die mit den Kondensatorbelegen 15 und 16 in Berührung stehen. Die Kondensatorbelege 15 und 16 können aus einer Anzahl von verschiedenen Materialien hergestellt sein. Beispiele hierfür sind Aluminium, Kupfer oder Tantal. Die dielektrischen Zwischenschichten 17 und 18 können als Sandwich aufgebaut sein. Sie enthalten mindestens eine imprägnierte Kunststoffolie 11 nach der Erfindung. Eine dielektrische Zwischenschicht 17 und die beiden Metallfolien 15 und 16 bilden zusammen einen Hauptbestandteil eines Kondensators.

In der Fig. 3 ist nun ein fertiger Kondensator 23 dargestellt, in den ein Kondensatorwiekel nach Fig. 2 eingesetzt ist. Der ganze Kondensator weist einen Behälter 2k mit einem hermetisch aufgesetzten Deckel 25 auf. Der Deckel 25 ist mit einer Einfüllöffnung 26 für die dielektrische Flüssigkeit versehen. Weiterhin sind noch zwei Anschlußklemmen 27 und 28 vorgesehen, die durch den Kondensatordeckel 25 hindurchgehen und von ihm isoliert sind. Innerhalb des Behälters 2k sind die beiden Anschlußklemmen 27 und 28 mit den beiden Anschlüssen 19 und ?0 aus Fig. 2 verbunden. Der Kondensator 23 aus Fig. 3 enthält

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zusätzlich noch eine dielektrische Flüssigkeit, die den Raum im Rehälter 24 ausfüllt, der vom Kondensatorwickel übrig gelassen wird.. Diese dielektrische Flüssigkeit imprägniert auPordem die dielektrischen Zwischenschichten 17 und 18 aus Fin. 2.

Verfahren zum Imprägnieren von Kondensatorwickeln, die in ein Gehäuse eingesetzt sind, also beispielsweise Verfahren zum Imprägnieren des Kondensators nach Fig. 3, sind bekannt. Ilach einem solchen Verfahren werden die Kondensatoren zuerst im Vakuum getrocknet, um die restliche Feuchtigkeit zu beseitigen. Die beim Trocknen angewendete Temperatur ändert sich mit der Trockenzeit. Sie liegt jedoch im allgemeinen zwischen 60 C und I¹JO C. Sind die Trockentemperaturen zu niedrig, so wird die Trockendauer zu lang. Sind die Trockentemperaturen dagegen zu hoch, so können sich Papierkomponenten in der dielektrischen Zwischenschicht zersetzen. Während des Trocknens kann die Feuchtigkeit aus dem Gehäuse 2¹I durch die Einfüllöffnung 26 entweichen.

Die dielektrische Imprägnierflüssigkeit wird durch die Einfüllöffnung 26 nach Möglichkeit in den getrockneten Kondensator eingefüllt, während der Kondensator noch unter Vakuum steht. Es ist üblich, so viel Imprägnierflüssigkeit einzufüllen, daß der ganze Kondensatorwickel Im Behälter bedeckt ist. Anschließend wird der Druck im Behälter auf Atmosphärendruck erhöht, liun läi?t man den Kondensator einige Stunden stehen, damit die Imprägnierflüssigkeit den Kondensatorwickel durchdringen ,kann. Nach dem Imprägnieren wird der Kondensator verschlossen. Hierzu kann man die Einfüllöffnung 26 verlöten. V.'enn das Imprägniermittel ein polymerisierbarer Stoff ist, .wird der Kondensator anschließend erwärmt, um das Imprägnler-T.ittoi zu polymerisieren und zu verfestigen. Zusätzlich zu dipr-er Verfahren können auch andere Verfahren zum Imprägnieren verwendet werden,, die.im allgemeinen mit Wärme und/oder -Γ··.;.?-!·: irbei ten. So sind beispielsweise eine Anzahl von Ver-

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fahren bekannt geworden, nach denen mehrere Temperatur- und/oder Druckschritte angewendet werden, um den Imprägnierungsvorgang zu unterstützen. Wärme und Druck können den Imprägnierungsvorgang deswegen beeinflussen, weil durch sie die relative Benetzbarkeit, die Viskosität und die relative Löslichkeit der Materialien geändert werden können. Durch die Erwärmung und durch die Druckanwendung können sich die einzelnen Bestandteile des Systems ausdehnen oder zusammenziehen. Auch hierdurch kann das Eindringen der Flüssigkeit in das feste Dielektrikum unterstützt werden. Das gilt besondersjdann, wenn die Einfüllöffnung 26 verlötet ist.

Bei der Erfindung wurden besonders gute Ergebnisse erzielt, · wenn man die dielektrischen Systeme, inbesondere die Kondensatoren nach dem Imprägnieren oder Verschließen noch einmal für eine gewisse Zeit erwärmt, um eine bessere Imprägnierung oder nach Möglichkeit eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Der Kondensatorwickel im Kondensatorbecher wird beispielsweise zuerst durch Ausheizen und Evakuieren des Bechers und durch anschließendes Einfüllen von Imprägnierflüssigkeit bzw. durch Eintauchen in Imprägnierflüssigkeit imprägniert. Die ImprägnierflüaElgkeit kann hierzu vorgewärmt oder unmittelbar darauf erwärmt werden. Nach diesem Schritt werden die zusammengesetzten und imprägnierten Kondensatoren verschlossen und die verschlossenen Kondensatoren werden für eine gewisse Zeitspanne auf eine erhöhte Temperatur gebracht.

Ein bevorzugter Wärmebehandlungsschritt bei der,Durchführung der Erfindung besteht darin, Temperaturen zwischen 65⁰C und 95°C für eine Dauer zwischen *J und l6 Stunden anzuwenden. Diese Zeiten können durch Änderungen im Imprägnierverfähren, durch Anwendung von Druck und durch die Beigabe von Additiven verkürzt werden. Es wurden Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen mit einer dielektrischen ZwischenschUht - aus Polypropylenfolie und Papier hergestellt. Als Imprägnierungsmittel wurde Trichlor-Diphenyl verwendet. Diese Kondensatoren

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wurden für 4 bis etwa 16 Stunden auf Temperaturen zwischen 85⁰G und 95°C gebracht und zeigten anschließend durchweg eine sehr hohe Koronazündspannung.

Die Temperaturverhältnisse werden so geregelt, daß einmal das Polyolefin in der dielektrischen Imprägnierungsflüssigkeit partiell in Lösung geht, und daß sich zum anderen die Imprägrilerungsflüssigkeit selbst im Polyolefinjlöst, um eine vollständige Imprägnierung zu erreichen. Die erhöhte Durchdringung der Polypropylenfolie läßt sieh aus der Tatsache erklären, daß ein Teil der amorphen und/oder niedermolekularen Komponenten des Polypropylens bei Temperaturen zwischen 85⁰C und 95⁰C in der Flüssigkeit In Lösung geht. Wenn man die Kondensatoren nach der Erfindung der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterzieht, werden besser reproduzierbare und höhere Koronazündspannungen beobachtet.

Die Imprägnierung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß man die physikalischen Eigenschaften der Komponenten im imprägnierten System ändert. Insbesondere kann die dielektrische Imprägnierflüssigkeit Mischungen aus flüssigen dielektrischen Stoffen oder Additive enthalten» Weiterhin kann man auch das feste dielektrische Material so behandeln, daß die Imprägnierbarkeit besser wird. So kann man beispielsweise dem Pyranol 1^99, also dem Trichlor-DIphenyl, bis zu. 25 Gewichtsprozente einer dielektrischen Flüssigkeit hinzufügen, die unter der Bezeichnung Pyranol 1475 gehandelt wird und hauptsächlich aus Trichlorbenzol besteht. Andere dielektrische Flüssigkeiten, die zusammen mit Pyranol verwendet werden können, sind beispielsweise Mineralöl und SIlikonöl.

Die Imprägnierten Dielektrika nach der Erfindung zeigen bestimmte besonders gute dielektrische Eigenschaften» aufgrund derer sie für elektrische Anwendungen, wie beispielsweise allgemeine Iπölatlon^besonders geeignet sind. Hierfür kommen elektrische Kabel und Transformatoren infrage. Für Konden-

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satoren sind die Dielektrika nach der Erfindung ebenfalls besonders gut geeignet. Im besonderen sind es drei elektrische Eigenschaften, die durch die Imprägnierung hervorgerufen werden, nämlich erhöhte Durchbruchsfeldstärke, niedriger Verlustfaktor und eine hohe Koronazündspannung. Die Imprägnierung ist besonders wichtig, da durch den Grad der Imprägnierung die Koronazündspannung bestimmt ist, die sich bei dem Dielektrikum erhalten läßt. Eine erhöhte Durchbruchsfeldstärl-'e ist wichtig, da auf diese Weise ein kleineres Volumen oder ein geringeres Gewicht an dielektrischem Material zum Isolieren bei einer vorgegebenen Spannung erforderlich ist. Ein geringer Verlustfaktor ist wichtig, da EnergieVerluste im Dielektrikum den elektrischen Wirkungsgrad beeinträchtigen und die Grundmaterialien des Dielektrikums zerstören können, da die verlorengegangene Energie in Wärme umgewandelt wird.

Diese besonders guten Eigenschaften der Dielektrika nach der Erfindung lassen sich besonders gut ausnutzen, wenn man die Dielektrika in Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen verwendet. Es sind Wechselstromkondensatoren gebaut worden, die bei einer Spannungsbelastung von über 50 000 V pro mm Dielektrikum eine lange Lebensdauer aufweisen und deren Koronazündspannung von 750 V bis über 3 000 V reichte. Die Entwicklung von Wechselstromkondensatoren für hohe Spannungen war bisher nur beschränkt möglich, da die ttsher bekannten Dielektrika unter derart hohen Spannungsbelastungen nur eine kurze Lebensdauer aufwiesen. Bekannte Wechselstromkondensatoren, die für lange Lebensdauer ausgelegt waren, konnten beispielsweise nur mit Spannungsbelastungen von weniger als etwa 20 000 V pro mm Dielektrikum betrieben werden,, während man diese Kondensatoren als Impulskondensatoren verhältnismäßig kurzer Lebensdauer nur mit etwa JO 000 V pro mm Dielektrikum belasten konnte.

Weitere Beispiele für Kondensatorfolien, in denen Dielektrika nach der Erfindung verwendet sind, sind in den Fig. ¹J bis B

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ro se i pt.. In der FIp₁. ¹I ist ein Teil ?9 eines Kondensators dargestellt, in dem die dielektrische Zwischenschicht als sogenanntes ganzes Sandwich aufgebaut ist. Dieser Kondensatorteil enthält eine imprägnierte Kunststoffolie 11, die zwischen zwei imprägnierte und poröse dielektrische Blätter 30 und 31 gelegt ist. Auf die beiden dielektrischen Blätter 30 und 31 sind dann zwei Metallfolien 15 und 16 aufgelegt. Die Blätter 30 und 31 können auf bekannte V/eise aus Papier, wie Kraftpapier, bestehen und mit einem flüssigen Dielektrikum imprägniert sein; hierzu kann man beispielsweise die dielektrische Flüssigkeit nach der Erfindung verwenden. Wenn ein solches Papier als porös bezeichnet wird, so ist hierunter die Tatsache zu verstehen, daß dieses Papier eine ganze Anzahl von Passagen oder Poren aufweist, die ganz durch das Papier hindurchfehen,so daß eine Imprägnierflüssigkeit durch das Papier hindurch von einer Seite zur anderen gelangen kann. Die Koronazündspannungen einer imprägnierten Kunststoffolie hängen zum großen Teil von der vollständigen Imprägnierung der Poren und Bläschen innerhalb der Kunststoffolie sowie von der Benetzung an der Grenzschicht zwischen der Folie und irgendwelchen danebenliegenden Materialien ab. Die Koronazündspannung des Dielektrikums nach Fig. ¹J, das als ganzes Sandwich aufgebaut ist, wird durch die Verwendung einer benachbarten Schicht, wie beispielsweise einer Papierschi ent, erhöht.

In der Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform 32 einer Kondensatorfolie gezeigt, in der die dielektrische Zwischenschicht anders aufgebaut ist. Der Aufbau dieser Zwischenschicht wird als invertiertes Sandwich bezeichnet. Hier enthält die dielektrische Zwischenschicht ein einziges Blatt aus einem imprägnierten porösen Material 30 oder 31, das zwischen zwei· imprägnierte Kunststoffolien 11 und II¹ gelegt ist. Die ganze dielektrische Zwischenaücht liegt zwischen :v.;ei I-ietallfolien 15 und 16. Ein Ausführungsbeispiel für Kondensatoren dieser Art verwendet als poröse Schicht ein..Kraft-

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papier von 0,016 mm Dicke, das zwischen zwei Polypropylenfolien von 0,012 mm Stärke gelegt war. Dieses bisher schwer zu imprägnierende System konnte ohne Schwierigkeiten imprägniert werden und ergab einen Kondensator von 0,9 mF und einer Koronazündspannung von über 2 65O V mittlere Wechselspannung.

Die gemeinsame Verwendung von Polypropylen und Pyranol 1499 erlaubt es, selbst dicht gewickelte Kondensatorwickel zu imprägnieren. Bei den bisher bekannten und für Kondensatoren verwendeten Stoffkombinationen war es dagegen erforderlich, auf weniger dicht gewickelte Kondensatorwickel zurückzugreifen, um die Imprägnierung zu verbessern. Ein w^ch.tiger Vorteil der Stoffkombination Polypropylen mit Pyranol zur Verwendung in Kondensatoren oder anderen Geräten besteht darin, daß das Polypropylen das Imprägnierungsmittel selbst zu den Bläschen und Poren weiterleitet, die von der Stelle weit entfernt liegen, an der die Imprägnierung einsetzt. Das gilt besonders für die Grenzschicht zwischen der Folienoberfl'iche und dem Kondensatorbeleg. Dieses war bisher nur mit großen Schwierigkeiten zu erreichen.

In der Fig. 6 ist ein Teil eines Kondensatorwickels 33 dargestellt, der ähnlich wie der Gegenstand der Fig. 5 aufgebaut ist. Dieser Teil des Kondensatorwickels, der als halbes Sandwich bezeichnet wird, unterscheidet sich vom invertierten Sandwich darin, daß die eine der beiden imprägnierten Kunststoffolien 11 oder II¹ weggelassen wurde.

Eine andere Möglichkeit nach der Erfindung zum Aufbau eines Kondensators ist in der Fig. 7 dargestellt. In dieser Ausf'ihrungsform ist eine dielektrische Zwischenschicht 3^ verwendet, die als abgewandeltes halbes Sandwich bezeichnet werden soll. Die dielektrische Zwischenschicht besteht aus zwei imprägnierten Kunststoffolien 11 und 11', die aufeinander gelegt sind. Auf die Folie 11' ist noch ein Blatt 30 aus einem porösen Material, gelegt. V/ie in den anderen Ausführungsformen

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1st diese dielektrische Zwischenschicht auf beiden Seiten mit Metallfolien 15 und 16 belegt. Der Grund, warum die beiden Kunststoffolien 11 und 11' aufeinander gelegt sind, besteht darin, daß dielektrische Fehler vermieden werden sollen, die in einer einzigen Kunststoffolie vorhanden sein könnten. Wenn man zwei solche Kunststoffolien aufeinander legt, so v/erden möglicherweise vorhandene Fehler in der einen Folie von der anderen Folie abgedeckt, so daß keine durchgehenden Kanäle mehr vorhanden sind, die Durchschläge verursachen könnten. Der Aufbau eines Kondensatorwickels nach Fig. 7 ist wesentlich günstiger, da die beiden aufeinandergelegten Kunststofffolien Imprägnierungseigenschaften haben, die in jeder Beziehung günstiger als die Imprägnierungseigenschaften einer einzelnen Folie äquivalenter Dicke sind.

In der Fig. 8 ist ein Teil eines Kondensatorwickels 35 gezeigt, in dem zwei imprägnierte Kunststoffolien 11 und 11' als dielektrische Zwischenschicht aufeinander gelegt sind. Die beiden Kunststoffolien sind mit zwei Metallfolien I5 und 16 belegt. Der Grund dafür, daß anstelle einer doppelt so dicken Folie zwei Folien 11 und 11.' aufeinander gelegt werden, ist der gleichender in Verbindung mit Fig. 7 bereits beschrieben wurde. Ein anderes wichtiges Merkmal der AusfÜhrungsform nach Fig. 8 besteht im Fehlen irgendeiner porösen Schicht 30 oder 31 (Fig. U), die aufgrund von Kapillarwirkungen die Imprägnierung erleichtern kann.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 4 bis- 8 können in manman -hem modifiziert werden. So kann/beispielsweise als Konden-

r. ..torbelege anstelle der Metallfolien I5 und 16, die dargestellt sind, die äußeren Oberflächen der dielektrischen Zwischemiehichten metallisieren. Weiterhin kann man die Kunststoffolien in den Ausführungsformen nach den Fig. 4 bis 8 entweder als selbsttragende Folien ausbilden oder aber als überzug oder Schicht auf einem anderen Bestandteil des Kondensatorwickels aufbringen. Man kann also beispielsweise den

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Kondensatorvrickel oder eine poröse dielektrische Schicht mit Kunststoff überziehen. Bei den Kondensatoren nach den Fig. bis 8 ist zumindest auf eine Seite der Kunststoffolien eine verhältnismäßig unporöse Oberfläche aufgelegt, wie beispielsweise eine Metallfolie oder eine andere Kunststoffolie. Es ist einerseits sehr wichtig, eine Kunststoffoberfläche ausreichend oder gar vollständig zu imprägnieren, was aber andererseits sehr schwierig ist, wenn die Oberfläche der·'Kunststofffolie auf einer porenarmen Oberfläche aufliegt. Durch die Erfindung ist diese Schwierigkeit stark herabgesetzt. Demzufol-φ ge sind Kondensatorwickel, deren Aufbau in den Fig. *1 bis gezeigt worden ist, nach der Erfindung zum allerersten Mal mit verhältnismäßig hohen Koronazündspannungen hergestellt worden.

Um nun die verbesserten Eigenschaften der Dielektrika nach der Erfindung zu zeigen, wurden eine Anzahl von Kondensatoren aufgebaut und zusammengesetzt, wie sie in den Fig. 1 bis 8 dargestellt sind. Diese Kondensatoren wurden den üblichen Versuchen unterworfen und es wurden Vergleichsmessungen und Prüffeldversuehe durchgeführt.

_ Es ist bekannt, daß synthetische Kunststoffe außerordentlich - hohe Durchschlagsfeldstärken aufweisen, was besonders dann gilt, wenn man nur sehr kleine Flächen von Kunststoff betrachtet. Die imprägnierten Polypropylenfolien nach der Erfindung haben eine Betriebsdurchbruchsfeldsftarke von 50 000 V pro mm und darüber, obwohl auch Durchbruchsfeldstärken von mer;r als 800 000 V pro mm beobachtet werden können, wenn man

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eine Fläche von etwa 0,065 cm zugrundelegt. Imprägniertes Papier, das das bisher am häufigsten benutzte dielektrische ',·'. iterial in Wechselstromkondensatoren ist, weist eine Betriebsfurchbruchsfeldstarke von etwa 16 000 V pro mm auf. Der Umfang, in. dem die Verwendung der imprägnierten Kunststoffolien nach der Erfindung mit ihren höheren Durchbruchsfeldstärken die Menge des dielektrischen Materials vermindern kann, die in

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den verschiedenen Arten eines bestimmten Gerätes vorgesehen werden müssen, läßt sich am besten durch Versuchsergebnisse zeilen, in denen mehrere gleichartig imprägnierte dielektrische Zwischenschichten für elektrische Kondensatoren untersucht werden. Diese Kondensatorarten, zu denen Papierkondensatoren gehören, also Kondensatoren, bei denen die dielektrischen Zwischenschichten nur aus Papier bestehen, zu denen weiterhin Kondensatoren mit einer dielektrischen Zwischenschicht aus Papier und Polypropylenfolien gehören und Kondensatoren, bei denen die dielektrische Zwischenschicht nur aus Polypropylenschichten aufgebaut ist, sind in den Tabellen I und II aufgeführt.

Tabelle I

Bezeich- Zusammensetzung Gesamt- Kunststoffnung dicke anteil (55)

(mm)

Papier 3 Papierschich- 0,022 " ten je 0,007 mm

ganzes 0,007 mm Poly- 0,022 Sand- propylenfolle wich zwischen zwei

Papierschiehten von je 0,007 mm

halbes 0,011 mm Papier 0,022 Sand- + 0,011 mm PoIywich propylenfolie

inver- 0,007 mm Papier 0,022 tiertes zwischen zwei Sand- Polypropylenfo- ■ wich lien von je 0,007 mm

Kunst- eine Polypropy- 0,022 stoff- lenfolie von ^¹-- > folien 0,022 mm oder ·.<■;· zwei Folien von je 0,011 mm ;

Durchbruchsfeldstärke (V/mm)

16 000

26 800 32 000

37 200 48 000

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In der Tabelle I ist für die gesamte dielektrische Zwischenschicht jeweils eine Schicht von 0,022 mm Dicke verwendet worden, da einige dieser Zwischenschichten aus drei Schichten aufgebaut sind, die Papier oder Kunststoffolie sein können und da die aus praktischen Gründen geringste Dicke sowohl bei Papier als auch bei Kunststoffolien etwa bei 0,007 mm liegt.

Die.Spannung, die an jede dieser Stoffkombinationen auch im Langzeitbetrieb angelegt werden kann, wie es in der Tabelle I aufgeführt ist, zeigt die Vorteile der Verwendung von PoIyolefinfolien entweder zur Ergänzung oder als Ersatz von Papier in den bisher bekannten dielektrischen Zwischenschichten. Die angegebenen Werte können in den verschiedenen Kondensatoren durch das Ausmaß und die Art d£r Imprägnierung sowie durch die Gleichförmigkeit der dielektrischen Eigenschaften in dem System beeinflußt werden. Die angeführten Werte beruhen zum Teil auf Schätzungen über das Verhältnis der elektrischen Konstanten von imprägniertem Papier und imprägniertem Polypropylen. Im besonderen wurde hier ein Verhältnis 3 '· 1 verwendet. Es sei bemerkt, daß die Feistärken in dem System, die auf diesem angenommenen Verhältnis der dielektrischen Konstanten beruhen, auf eine Spannungsbelastung der Kunststoffolien von etwa 50 000 V pro mm führen, was der Betriebsdurchschlagsfestigkeit von Polypropylen auch für Dauerbeanspruchungen entspricht.

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Tabelle II

drei Schichten von je 0,025 mm	0,	075	1200	o,	0215	16	000
0,015 mm Folie zwischen zwei Papierschichten von je 0,015 mm		045	1200	0,	033	26	800

Bezcich- Zusammensetzung Gesamt- Nenn- Spezifische Durchbruchnung dicke span- Kapazität feldstärke

(mm) nung (.uf/ccm) (V/mm)

Papier

ganzes Sandwich

halbes Sandwich

invertier
tes
Sandwich

Kunststoff- folien

0,019 mm Folie 0,038

+ 0,019 mm

Papier

0,011 mm Papier 0,033 zwischen zwei Folien von je 0,011 mm

1200 0,04

1200 0,

eine Folie von 0,025 mm

0,025 1200 0,055

32 000

37 200

48 000

In der Tabelle II sind nun die gleichen dielektrischen Zwischenschichten zusammen mit ihrer Stärke aufgeführt, die für eine Betriebsspannung von 1200 V erforderlich ist. Für diese Berechnung wurde angenommen, daß bei den zusammengesetzten dielektrischen Schichten die Stärke der einzelnen Folien jeweils dieselbe ist. Man kann bei einer Anzahl von Anwendungen auf noch günstigere Anordnungen kommen, wenn man die Papierdicke vermindert und dafür etwas dickere Kunststoffolien verwendet. Die Ergebnisse in der Tabelle II zeigen, daß man bei einer vorgegebenen Betriebsspannung mit einer geringeren "'enge von dielektrischem Material auskommt, wenn der Anteil des Kunststoffs im Dielektrikum erhöht wird. Die Tabelle II gibt ebenfalls an, welche Kapazitäten pro Volumencinhoit mit Kondensatoren erzielt werden können, die die aufgeführten dielektrischen Zwischenschichten benutzen. Diese Angaben über die

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spezifische Kapazität sind in der Dimension jMikro farad/crrr Dielektrikum gemacht worden.

Es sind sowohl 50 KVA als auch 150 KVA Kondensatoren nach dor .Erfindung gebaut und über lange Zeiten geprüft worden. Hierzu gehörten viele 1000 Stunden unter Betriebsbedingungen. Diese Kondensatoren waren so ausgelegt, daß sie mit 3pannuhgsbclastungen arbeiteten, die in den Kunststoffkompononten des Dielektrikums Feldstärken von 50 000 V pro mm hervorriefen. Die Größe und das Gewicht dieser Kondensatoren zeigen nun deutlich, daß die Verbesserungen, die in den Tabellen I und II aufgeführt £ sind, auch wirklich erzielbar sind.

2s wurde beispielsweise ein 50 KVA-Kondensator hergestellt, dessen dielektrische Zwischenschicht als invertiertes Sandwich aus Polypropylen und Papier aufgebaut war. Zur Imprägnierung wurde Pyranol 1*199 verwendet, dem ein Stabilisator auf Epoxy-Basis zugesetzt war. Dieser Kondensator hatte ein Volumen, das ¹JO % kleiner als das Volumen der bisher bekannten Papierkondensatoren war, hatte also ein Volumen, das nur etwas mehr als die Hälfte des Volumens der bisher bekannten Papierkondensatoren betrug. Wenn man einen 50 KVA-Kondensator nach der Erfindung genau so groß aufbaut, wie einen 50 KVA-Kondensator nach dem Stand der Technik, so hat der crfindunprs- W gemäße Kondensator eine wesentlich höhere Kapazität. Ein Kondensator, dessen dielektrische Zwischenschicht ganz aus Papier aufgabaut ist, und der die gleiche räumliche Größe wie ein 50 KVA-Transformator mit einem Polyolefindielektrikum hat, besitzt eine Verlustleistung von etwa 30 KVA. Eine entsprechende Gewichtsverminderung wird ebenfalls erzielt.

V.'enn man einen 150 KVA-Kondensator mit einem Dielektrikum aus Polypropylen und Papier, das mit Pyranol imprägniert ist, mit einem 100 KVA-Kondensator vergleicht, bei dem die elektrische Zwischenschicht nur aus Pyranol getränktem Papier besteht, r>o zeigt sich, daß der 150 KVA-Kondensator kleiner ist und pro KVA nur etwa JlO g wiegt. Der 100 KVA-Kondensator mit dem Dielektrikum aus Papier, der ein besonders gutes Beispiel für

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Kondensatoren nach dem bisherigen Stand der Technik ist, v;icgt darcpeη pro KVA etwa 590 bis 600 g.

Durch die Erfindung können somit das Gewicht und das Volumen elektrischer Kondensatoren vorgegebener Kapazität und Leistung herabgesetzt werden. Es sei jedoch bemerkt, daß bei vielen-■Anwendungs-fällen für die räumliche Größe eines elektrischen Kondensators eine obere Grenze besteht, so daß man durch die Erfindung in der Lage ist, für diese Anwondungsfälle Kondensatoren herzustellen, die eine größere Kapazität oder eine größere .·■'■'■ Leistung besitzen. In allen den oben genannten Fällen kann das günstige Gewicht und die günstigere spezifische Kapazität der _Ä Kondensatoren der Verwendung von Stoffkombinationen bzw. Mate- ™ rialkombinationen zugeschrieben werden, die auf eine Spannungsbelastung in der Polyolcfinkomponcnteführen, die etwa der oberen Betriebsfcldstärke in den Kunststoffschichten gleichkommt.

Es gibt Anwendungsgebiete, zu denen auch die Verwendung von Leistungskondensatoren für hohe Spannungen gehören, bei denen es günstig ist, den Encrgieverlust innerhalb des Dielektrikums soweit wie möglich herunterzusetzen. Für solche Fälle sind die Dicfcktrika auf der Basis von imprägnierten Polyolefinen nach der Erfindung besonders günstig. Der Verlustfaktor der Dielek-♦-.Η'" riftch ^cr ^rfindunp· liort bei der Nennspannung im allge- Λ meinen zwischen 0,05 und 0,15 %, und zwar auch dann, wenn die Temperaturen erheblich über Zimmertemperatur liegen. Dieses ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher bekannten imprägnierten Dielektrika, bei denen die Verlustfaktoren zwischen 0,2 und 0,5 % lagen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, die Größe von Kondensatoren nach der Erfindung gegenüber größeren Kondensatoren nach dem Stand der Technik um bis zu ¹IO-/S zu senken. [

Als Beispiel für die geringeren Energievcrluste in Dielektrika auf der Basis von imprägnierten Polyolefinen nach der Erfindung wurde ein 50 KVA-Kondensator untersucht, dessen dielektrische Zwischenschicht als invertiertes Sandwich aus PoIy-

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,propylenfolie aufgebaut und mit Pyranol 1499 getränkt war. Dieser Kondensator ist 40 % kleiner als sein 50 KVA-Gegenstück mit reinem imprägniertem Papierdielektrikum. Die Größe der Energieverluste in diesem Kondensator wurde durch den Anstieg der Temperatur im Dielektrikum angezeigt, d. h. die Größe des Tcmperaturanstiegs|im Dielektrikum des Kondensators gegenüber der Umgebungstemperatur* Bei dem Kondensator mit einem Dielektrikum nach der Erfindung wurden bei diesem Versuch 25° C als Temperatur des Dielektrikutns gemessen. Bei einem Kondensator mit bekanntem Papierdielektrikum betrug dagegen die Temperatur des Dielektrikums 48° C. Bei einem 5 000-Stundcnversuch zwischen 55 und 70° C lag der Verlustfaktor des erfindungsgemäßen Dielektrikums, das als invertiertes Sandwich aufgebaut war, bei 0,05 %· Der Verlustfaktor in dem bekannten Kondensator mit Papierdielektrikum lag dagegen bei 0,2 %.

Um zu zeigen, daß die Verlustfaktoren in einem Polypropylendielcktrikum, das mit Pyranol 1499 getränkt ist, konstant sind, wurden elektrische Kondensatoren untersucht, deren dielektrische Zwischenschicht aus einer Folie Polypropylen von 0,012 mm Dicke bestand, auf die eine Folie von 0,01 mm Kraftpapier aufgelegt war. Das Dielektrikum war mit Pyranol 1499 imprägniert, dem ein Gewichtsprozent 1-Epoxyäthyl-3,4-Epoxyeyclohexan zugefügt war« Diese Kondensatoren wurden unter verschiedenen Temperaturen geprüft und gealtert. Die nachfolgenden Meßergebnisse für die Verlustfaktoren wurden bei der Nennspannung der Kondensatoren gewonnen, die bei 460 V, 60 Hz Wechselstrom lag.

	Tabelle	III	25°C	65° C	' *'.,. \ '■- ■■■
Zeit	Verlustfaktor	0,143	0,113	- . a * ~r ■ % ." _:
(Stunden)	0,120	0,091	^; 85° C
0	0,119	0,094	0,119
519	0,113	0,084	0,096
1524	0,093
5008	0,090

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Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verlustfaktoren in dem eiflLndungsgemäßen Dielektrika in einem Temperaturbereich zwischen 25° und 85° C sowie auch nach über 5 000 Betriebsstunden sehr konstant sind.

Da es wichtig ist, zur Verhinderung einer Koronaentladung in einem festen Dielektrikum das Dielektrikum zu imprägnieren, stellen die Imprägnierungseigenschaften der dielektrischen Systeme nach der Erfindung einen wichtigen Gesichtspunkt dar. In manchen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise bei Leistungskondensatoren für hoho Spannungen, werden Koronazündspannungen von mehr als 2 000 V gefordert. Wenn auch in die Imprägnierfähigkeit der erfindungsgemäßen Dielektrika viele physikalische Eigenschaften der Polyolefine und des möglichen Imprägnierungsmittels eingehen, ist die Fähigkeit der Flüssigkeit, das Polyolefin zu durchdringen, von der Löslichkeit doe Polyolefins in~ der Imprägnierflüssigkeit abhängig. Dieser Zusammenhang wurde in einem Versuch demonstriert, in dem eine Menge von Pyranol 1499 in eine Tüte oder einen Behälter aus einem nicht porösen Polypropylen eingefüllt wurde, wie es nach der Erfindung verwendet wird. Dieser Behälter wurde dann in einem Ofen auf 75° C gebracht. Das Durchdringen von Pyranol 1*199 durch den Boden des Behälters wurde dadurch beobachtet, daß man den Boden des Behälters kontinuierlich über ein mikroskopisches Deckglas herüberführte. Wenn das Pyranol 1*199* also die dielektrische Flüssigkeit, durch den Behälter aus Polypropylen hindurchgedrungen ist, so bildet sich auf dem Deckglas ein schmieriger überzug. Unter Verwendung dieses Versuches ist gezeigt worden, daß eine Polypropylenfolie bei Zimmertemperatur selbst nach vielen stunden von Pyranol 1*199 nicht durchdrungen wird. Wenn man die Temperatur jedoch auf 75° C oder höher anhebt, kann eine Durchdringung schon nach einigen wenigen Stunden beobachtet werden.

Wenn bei der Imprägnierung zusätzlich zur Temperatur auch noch ein Druck angewendet wird, beispielsweise dadurch, daß man von außen den Druck erhöht oder dadurch, daß man durch

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Erwärmen den inneren Druck steigert, kann man auch sehr schwierig au imprägnierende Gegenstände praktisch vollständig imprägnieren, was sich durch Koronazündspannungen bemerkbar macht, die durchweg über 2 500 V lagen. Bei einem eng gcwiekelten Kondcnsatorwickel, bei dem die dielektrische Zwischenschicht direkt an ein porenarmes Material, wie beispielsweise an eine Metallfolie angrenzt, ist es für die dielektrische Flüssigkeit sehr schwierig, durch die "Grenzflächen hindurch in das Dielektrikum einzudringen. Dieses ist der Grund, warum es günstir ist, zur Erreichung einer optimalen Imprägnierung zusätzlich zur Temperatur auch noch Druck anzuwenden. Es fällt auf, daP. sowohl bei den Durchdringungsversuchen mit dem Beutel als auch bei Kondensator-Imprägnicrungsversuchcn mit Pyranol ΙΊ99 die Einwirkung der dielektrischen Flüssigkeit auf die Prit/olcfinfolic bei Zimmertemperatur eine wesentlich andere als bei Temperaturen zwischen 75 und 85^Ö C ist.

Um die Reproduzierbarkeit hoher Koronazündspannungen zu zeigen, wurden drei ¹IO KVA-Wickelkondensatorcn nach der Erfindung hergestellt. Diese Kondensatoren waren als invertiertes Sandwich aufgebaut. Jeder Kondensator enthielt eine Papierschicht von 0,008 mm Dicke, die zwischen zwei Polypropylenfolien von jeweils 0,012 mm Dicke angeordnet war. Zur Imprägnierung wurde Pyranöl 1*199 verwendet, dem eine kleine Menge eines Stabilisators auf Epoxy-Basis zugesetzt war. Diese Kondensatoren waren 2? cm breit und hatten zu Beginn eine Koronazündspannung zwischen 750 V und 1 050 V Wechselspannung. Die Kondensatoren wurden nun einige Stunden lang bei 100° C erwärmt. Dabei wurde eine praktisch vollständige Imprägnierung erzielt, was aus KorönazÜndspannüngcn von mehr als 3 000 V geschlossen wurde, ilaeh der Untersuchung der anderen elektrischen Eigenschaften dieser Kondensatoren wurden die Koronäzündspannungen erneut Überprüft. Die Meßergebnisse bei diesen Versuchen sind in der Tabelle IV ssusairmtengostellt,

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Tabelle IV

Koronazündspannung

Kondensator- zu Beginn nach mehrstündigem nach Ende nummer Erwärmen der Versuche

1 1050 V ' . ^ 3100 V > 3100 V

2 750 V > 3050 V > 3100 V

3 950 V ^3100 V > 3100 V ■

Die außerordentlich hohen Koronaztindspannungen dieser Kondensatoren können zusammen mit der Reproduzierbarkeit dieser Koronazündspannungcn als Anzeichen dafür bewertet werden, daß eine praktisch vollständige Imprägnierung erreicht worden ist. Als anderes Anzeichen für die Erreichung einer vollständigen Imprägnicrunf; kann die Tatsache eeltcn, daß die gemessenen Werte der Koronazündspannungen sich den theoretisch errechneten Spannungen nähern.

Polypropylen-Papier-Diclektrika, die mit Pyranol 1^99 imprägniert sind, sind gegenüber Koronaentladungen wesentlich widerstandsfähiger als die bekannten Dielektrika, die aus imprägniertem Papier bestehen. Es wurden Kondensatoren, die nach Figur 5 aufgebaut waren, für 30 Sekunden einer Spannung ausgesetzt, die dreimal höher als ihre Nennspannung war. Es zeigte sich, daß nur verhältnismäßig geringe Koronaschäden auftraten, während die Verlustfaktoren tatsächlich dabei noch verbessert wurden. Diese Kondensatoren enthielten ein Dielektrikum, das aus Polypropylen-Papier bestand und mit Pyranol 1^99 imprägniert war. Zum Vergleich wurden bekannte Kondensatoren dem gleichen Versuch unterworfen, deren Dielektrikum aus Papier oder Papier-Kunstharz bestand. Diese Kondensatoren zeigten merkliche Koronaschäden und einen erhöhten Verlustfaktor. Die Koronaschäden wurden bei beiden Versuchsreihen dadurch bestimmt, daß man die Kondensatoren auseinandernahm und die Dielektrika visuell untersuchte.

Die dielektrischen Systeme nach der Erfindung können außer dem festen dielektrischen Material und der elektrischen Flüssigkeit

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noch zahlreiche andere Komponenten enthalten. Insbesondere ist es häufig günstig, wenn man dem imprägnierten Dielektrikum eine Komponente zusetzt, die als Stabilisator wirkt. Die Wirkung solcher Stabilisatoren besteht darin, in dem dielektrischen System bestimmte Verunreinigungen oder Fremdmaterialieh zu neutralisieren, die im System vorhanden sind oder gebildet .werden können. Solche Verunreinigungen können Rückstände von Katalysatoren sein oder katalytische Aktivatoren oder Neutralisicrungssubstanzen, die bei der Polymerisation der Polyolefine zurückbleiben.. Andere Verunreinigungen können aus ZefSetzungsprodukten entstehen, die durch chemische Reaktionen innerhalb des Systems bedingt sind, die entweder von selbst ablaufen odor durch Überspannungen ausgelöst werden. Diese Verunreinigungen und Fremdprodukte beeinträchtigen den Verlustfaktor des imprägnierten Dielektrikums. Stabilisatoren haben sich als sehr geeignet erwiesen, den Verlustfaktor eines imprägnierten Dielektrikums auf Kunststoffbasis zu stabilisieren.

Beispiele für Stabilisatoren sind Dipenten-Dioxyd und 1-Epoxyäthyl-3»^-Epoxycyclohexan. Diese Stabilisatorfen sind in den US-Patentschriften 3 2*12 iJÖl und 3 342 402 im einzelnen beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung wurde 1-Epoxyäthyl-3,4-Epoxycyclohexan den dielektrischen Flüssigkeiten in Mengen zugesetzt, die zwischen 0,00i und 8 Gewichtsprozenten lag. Ein bevorzugter Bereich für die Verwendung mit Polypropylenfolie und Pyranol liegt zwischen 0,35 und 1 Gewichtsprozent.

Auch bestimmte anorganische Materialien wie Ä.lüminiumoxyd können als Stabilisator verwendet werden. Die Wirkung dieses Materials besteht darin, Langzeitänderungen des Verlustfaktors entgegenzuwirken und die Lebensdauer des Kondensators ,sowie seine Imprägniert» arkeit zu erhöhen. Dieses ist an anderer Stelle bereits vorgeschlagen worden.

Ein anderer Bestandteil, der in imprägnierten Dielektrika nach der Erfindung häufig verwendet wird, ist eine poröse dielektrischejochicht, die auf eine Kunststoffolie aufgelegt wird, und wie ein Docht oder ein Schwamm wirkt. Diese poröse Schicht

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führt aufgrund ihrer Kapillarwirkung die Imprägnierungsflüssigkeit in die Grenzfläche zwischen ihr und der feäen Kunststoffolie hinein. Bei einem Dielektrikum, das eine Kunststofffolie von einer sehr großen Oberfläche aufweist, ist es günstig, zumindest eine solche poröse Schicht vorzusehen, um die Imprägnierung zu erleichtern. Dies gilt besonders für verhältnismäßig große Wickelkondensatoren, von denen sehr hohe Koronazündspannungen gefordert werden, die also vollständig imprägniert werden müssen. Als poröses Material wird vorzugsweise Kraftpapier verwendet, dessen Dicke 0,025 mm nicht übersteigt. Besonders günstig ist es, Kraftpapier zu verwenden, dessen Dicke etwa 0,008 mm beträgt. Ein solches Papier weist eine Durchschlagsfestigkeit auf, die _im Vergleich zu anderen Dielektrika verhältnismäßig gut ist, wenn sie auch merklich niedriger als die Durchbruchsfestigkeiten der meisten festen Kunststoffe ist. Zusätzlich hat das Kraftpapier eine verhältnismäßig hoho Dielektrizitätskonstante, so daß die spannungsverteilung in einem zusammengesetzten Dielektrikum in dem Sinne günstiger wird, daß ein größerer Anteil des Spannungsabfalls an den Kunststoffen auftritt, die eine höhere Durchbruchsfeldstärke haben. Als poröse Schichten können in der Erfindung auch andere synthetische Kunststoffe oder Glasfasergewebe verwendet werden. Durch die Modifizierung der physikalischen Eigenschaften der dielektrischen Imprägnierflüssigkeit kann man die Imprägnierung nach Art und Umfang verbessern. Dieses wurde an Kondensatoren untersucht, deren Dielektrikum aus zwei Polypropylenfolien von 0,008 mm Dicke bestand, die mit Pyranol 1^99 mit Epoxydzusatz imprägniert waren. Andere Kondensatoren wurden mit der gleichen Imprägniorflüssigkoit imprägniert, der noch eine weitere Imprägnicrflüssigkcit, nämlich Pyranol 1*178 zugegeben war. Es wurden auf 3 Teile Pyranol 1*199 etwa ein Teil Pyranol I¹ITS verwendet. Pyranol 1478 ist eine kommerziell erhältliche dielektrische Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Trichlorbenzol besteht. Während die Koronazündspannungen der Papierkondensatoren, die mit Pyranol 1^99 allein imprägniert waren, zwischen Ί00 und 1 000 V Wechselspannung lagen, wiesen die Kondensatoren, die mit der gemischten Imprägnicrfltissigkeit imprägniert waren, Koronazündspannungen von mehr als 1 500 V Wechselspannung auf.

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Hieraus kann man schließen, daß der Umfang der Imprägnierung merklich größer war.

Bei der vorstehenden Beschreibung ist als Beispiel für ein Polyolefin, das nach der Erfindung verwendet werden kann, Polypropylen angegeben worden. Für die Dielektrika nach der Erfindung sind aber auch andere Polyolefine gut geeignet, insbesondere Polyäthylen und ^-Methyl-penten-l. Versuche haben gezeigt, daß diese Materialien auf die gleiche Weise wie Polypropylen mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägniert werden können, jedoch werden dabei unterschiedliche Ergebnisse erzielt. So wurde beispielsweise eine Folie aus Polyäthylen hoher Dichte nach einen ähnlichen Verfahren mit Pyranol imprägniert, wie es für Polypropylen beschrieben wird. Eine Imprägnierung zv/ischcn 85 und 100° C über 16 Stunden führte auf eine merkliche erhöhte Koronazündspannung.

Es wurden auch Imprägnierungen mit anderen dielektrischen Flüssigkeiten durchgeführt, insbesondere mit solchen, die in' der Beschreibung nur als Zusatz zu Pyranol erwähnt wurden, also mit Mineralöl, Silikonöl und auch mit anderen Pyranolqualitätcn. Es zeigte sich, daß die Flüssigkeiten für sich allein als Imprägniermittel dienen können, oder doch den Hauptbestandteil des Imprägniermittels ausmachen können. Zu anderen ölen, die in beschränktem Umfang nach der Erfindung verwendet werden können, gehört Baumwollsamenöl.

Für·.bestimmte Anwendungen sind auch andere Stoffkombinationen möglich. Hier sei vernetztes Polyäthylen oder Papier genannt, das mit dem Polyolefin nach der Erfindung imprägniert ist. Man kann beispielsweise ein Papier mit einer Schmelze oder einer Lösung tränken, die Polypropylen enthält und das entstehende Material mit Pyranol imprägnieren.

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Claims

- .51 - Patentansprüche

1.^!elektrisches System für eine elektrische Isolierung eines elektrischen Leiters, wie beispielsweise ein elektrisches Kabel, mit einem an dem Leiter angrenzenden Polyolefinisolator und einem Imprägniermittel in Form einer dielektrischen Flüssigkeit in dem Polyolefin zur Erhöhung dessen dielektrischer Durchschlagsfestigkeit, d a du r c h gekennzeichnet , daß das Imprägniermittel eine halogenierte aromatische Diphenylverbindüng enthält und das Polyolefin (11) im wesentlichen vollständig mit dem Imprägniermittel imprägniert ist,

2, Dielektrisches System nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet , daß das Polyolefin (H) biaxial orientiert ist.

3. Dielektrisches System nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel ein chloriertes Diphenyl, wie z. B. Trichlordiphenyl ist.

i}. Dielektrisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k en η ζ e i c h η e t , daß die Imprägnierung des Polyolefins (11) ausreichend ist, um eine Koronazündspannung (CSV) von mehr als 750 V und eine Betriebsspannungs-Feldstärke von 28 bis 47 V/-u zu ergeben.

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Le e rs e i f e