DE2624724A1 - Elektrischer kondensator - Google Patents

Description

L i ο e π t i a - Patent-Verwaltungs-GmbH 6000 Frankfurt/Ma in 70, Theodor-Stern-Kai 1

- ΗΝ 76/1 31. 5=1976 - ΡΤ-Π-Hs/rh

Elektrischer Kondensator

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen, nichtiuprärnierten, kunststoffumhüllten Kondensator, dessen Kondennatorwickel aus einseitif metallbedampften Isolierstofffoli^f-n besteht.

Es ist bekannt, Kondensatorwickel mit Kunststoff durch Spritzen oder Gieren zu umhüllen. Die Umhüllung dient als Schutz gegen mechanische Beschädigungen von auien und gegen das Eindringen von Feuchtigkeit oder, bei nassen Elektrolytkondensatoren, gegen das Entweichen des Elektrolyten. Die Umhüllung ist also anstelle eines Metallgeliäuses vorgesehen.

Kondensatoren für höhere Sr annungen, für Impulsbelastungen oder höhere Leistungen werden in üblicher Weise in Metallgehäuse eingebaut und sind mit einem geeigneten Tränkmittel, z.B. Mineralöle oder GhIordiphenyle usw. getränkt, um Lufteinschlüsse zu beseitigen und damit den Einsatz der Glimmentladung zu vermeiden oder zu höheren Spannungen zu verschieben. In verschiedenen Fällen sollen die Tränkmittel bestimmte chemische Zusammensetzungen aufweisen, die beim Durchschlag im Kondensatorwickel geeignete Substanzen freisetzen, die mit den beim Durchschlag auftretenden Reaktionsprodukten nichtleitende Verbindungen bilden sollen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die Herstellungskosten von Leistungskondensatoren möglichst unter Beibehaltung der elektrischen Werte erheblich zu senken und teuere Vurfahrensschritte einzusparen. Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) die Kondensatorbeläge bestehen aus aufgedampftem Aluminium;

b) mehrere Kondensatorwickel sind im Abstand voneinander

in einer Reihe angeordnet und mit einer beim oder nach dem Uriliüllungsprozeö schrumpfenden Kunststoffumhüllung zu einer baulichen Einheit vergossen oder umspritzt.

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Als Kunststoff dient zweckmäßig ein Zweikomponenten-Produkt wie z.B. Polyurethane, Epoxydharze oder Polyesterharze. Für die Isolierstoffolie ist vorteilhaft Polypropylen verwendet, dasmit Aluminium als Kondensatorbelag vorzugsweise einseitig bedampft ist.

Bisher war man der Ansicht, daß zur Herstellung von Kondensatoren für höhere Spannungen und Leistungen, auf ein Tränkmittel nicht verzichtet werden kann und außerdem keine aufgedampften Schichten verwendet x-ierden können. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, daß dies dann möglich ist, wenn auf den Wickel ein entsprechender Druck ausgeübt wird und daß es hierzu genügt, ihn mit einen geeigneten beim Aushärten einen bleibenden auf den Kondensatorwicl.el ausübenden Druck erzeugenden Kunststoff zu umgießen oder zu umspritzen. Zur Herstellung von Kondensatoren größerer Leistung und höherer Spannung werden, in an sich bekannter V/eise mehrere erfindungsgemäße Kondensatoren parallel und/oder in iieihe geschaltet. Hierdurch kann man für alle Kondensatortypen aine einzige V/ikkelgröße herstellen und diesen allein erfindungsgenäß aufbauen oder gegebenenfalls mehrere nichtvergossene oder vergossene Kondensatorwickel gemeinsam zu einem Kondensatorinodul vergießen und diese Hodule als Basis für alle erforderlichen Kondensatorgrößen verwenden. Hierdurch erhält man einen trockenen, aus kunststoffumgossenen Wickeln aufgebauten Leistungskondensator, wobei die Einzelelemente oder Hodule in einfacher Vfoise serienmäßig gefertigt, beliebig lange gelagert und bei Bedarf zu Kondensatoren der gewünschten Leistung und Spannung zusammengebaut und geschaltet werden können. Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Pig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kondensator von der Seite im Schnitt,

Pig. 2 den Aufbau der einzelnen Lagen, Pig. 3 einen erfindungsgemäßen Kondensatormodul in einer Draufsicht,

Pig. 4 den Modul von der Seite im Schnitt, Pig. 5 einen aus mehreren erfindungsgemäßen Moduln aufgebauten Leistungskondensator in einem gemeinsamen Gehäuse von der Seite im Schnitt,

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-■'i'·. G "oir^t den Kreisausschnitt der Pig. 5, i''i-;. 7' seijt ein S ji-alt schema für ünphasenwechs el strom, -·1^;> β unci j Jo ein SchaItschema für Drehstroia.

In Ii¹If;.-. 1 it't ait L ein Kond-ansatorwickel bezeichnet, der aus auf einen -.Vick^l^ohlriorn 2 aufgewickelten metallbeschichteten, :i.n;5bi.'s.)n:lf:i':' nr.fcnllbs-'lanipften Isolierfolien besteht, wobei die Loläge v/echneli'eine bis zu einer Stirnseite ragen bzw. vorher endon, wie dies in Fi'% 2 vergrößert dargestellt ist. Der eine, oben abschließende kondensatorbelag J, der auf der Isolierstoffi'olie ^lv aufgebracht ist, iut durch eine aufgespritzte oder auft epreßte Kontaktschicht 5 kontaktiert und mit einem Anschlußteil c versehen. De.r ü.renbolat 7 der Isolierstoffolie S reicht bis zur unteren Stirnseite, ist dort durch eine aufgetragene Kontaktschicht 9 kontaktiert und mit einem Anschlu^leiter 10 versehen, der durcL den hohlen Wickeldorn 2 zur oberen Stirnfläche f"oführt ist und diese überragt.

urfinauri[j3._^¥;emä.o ist der V/ickel 1 nicht imprägniert und mit einer ivunststoffumhüllung Ll umgössen oder umspritzt, wobei ein Kunststoff verwendet ist, der nach dem Aushärten und/oder Abkühlen einen Druck auf den Kondensatorwickel 1 ausübt. Vorzugsweise werden für die Kunststoffumhüllung Massen verwendet, die eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine günstige Wärmeleitzahl, hohe Durchschlagsfestigkeit und niedrige dielektrische Verluste aufweisen, damit eine hohe upannungsfestigkeit und Glimmeinsatzspannung gewährleistet sind. Vorzugsweise sind diese das Reaktionsprotlukt der Hischung zweier Komponenten oder Duroplaste. Zur Erzeugung eines mäßigen Druckes wird vorteilhaft ein Polyurethan, zur Erzeugung eines mittleren Druckes zweckmäßig ein Epoxydharz und zur Urzeugung eines starken Druckes vorzugsweise ein Polyesterharz verwendet. Ss sind auch Mischungen der einzelnen vorgenannten Massen möglich. Weiterhin können zweckmäßig Stoffe beigemengt sein, die eine gute Wärmeleitung gewährleisten, jedoch die übrigen Eigenschaften, zumindest nicht wesentlich verschlechtern, z.B. Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd-Pulver oder -Partikel geeigneter Größe und Gestelt.

üin gemäß der Erfindung zu einer größeren Baueinheit aus mehreren uingossenen Kondensatorwickeln zusammengefaßter Modul ist in den Fig. 3 und 4· gezeigt. Hierbei sind mehrere Kondensatorwickel 1 von z.B. je etwa 1 kVAR und 400 V Wechselspannung im

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Abstand voneinander in einer Reihe nebeneinander und gegebenenfalls mehrere solcher Reihen in Abstand hintereinander zu einem Modul zusammengebaut und gemeinsam mit einer Kunststoffumhüllung 11 versehen.

Beim Ausführungsbeispiel sind drei Reihen in einer übene angeordnet und ihre oberen bzw. unteren -Stirnseiten sind je mit einer Sammelschiene 12, 13, I⁷I-, 15, 16, 17 verbunden, so dai sechs Anschlüsse, die z.B. mit U, Y, V/, X, Y, Z bezeichnet sind, vorhanden sind.

Jeweils in dem Kunststoffkern zwischen vier aneinandergrenzenden Kondensatorwickeln 1 ist eine durchgehende Bohrung 18 oder ein Durchbruch vorgesehen, durch den die unteren Anschlüsse, hier also X, Y, Z nach oben herausgeführt sind.

Die Bohrungen 18 dienen zugleich der besseren Wärmeabfuhr und zur besseren Druckverteilung des durch die Kunststoffumhüllung 11 auf die Wickel 1 ausgeübten Druckes. Außerdem können sie dazu dienen, mehrere Module mittels eines durch diese hindurchgreifenden Lefestigungselementes 24, z.B. eines Stabes miteinander zu verbinden, z.B. zu verschrauben und/oder den Modul auf einem Träger oder in einem Behälter zu befestigen. Durch Stapeln mehrerer solcher Module und jeweilige Verbindung der gleichen Anschlüsse kann ein Kondensator höherer Leistung erhalten werden. Eine solche Ausführung zeigt die Fir. 5·

Bei diesem erfindungsgemäJen Ausführungsbeispiel sind sechs Module gemäi der Fig. 3 und 4- unter Zwischenlage von Abstandshaltern 19 aufeinandergestapelt und alle Anschlüsse X, alle Y usw. zusammengefait und nach oben durch Durchführungen 20 aus dem Gehäusedeckel 21 eines Gehäuses 22 herausgeführt. Die Abstandshalter 19 bestehen vorteilhaft aus Distanzringen, die über die Bohrungen 18 gelegt sind und auf deren Rand aufliegen können (vgl. Ausschnitt der Fig. 5). Vorteilhaft greift ein verjüngter Teil 23 in die Bohrungen 18 ein.

In der Di-aufsicht ergeben sich dann Anschluiimöglichkeiten gemäi Fig. 7 für Einphasenwechselstrom, gemäii Fig. 8 für die Dreieckschaltung bei ürehstrom und remäi Fig. 9 für die Sternschaltung bei Drehstrom, wie sie an sich auch für Klemmbretter bed. Motoren und Transformatoren bekannt sind.

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Zur Krliöhung der Betriebsspannung können bei übereinanderliegenden rioculn ,jrwcilr der Jiunpan?-- des einen nit dem Eingang des folgenden Moduln verbunden werden. Der Behälter 22, der aus Metall ocer L'unnt'rtjfi' bestehen kann, kann vorteilhaft noch mit einer Hasse, vorzur.Eueine einer Flüssigkeit, gefüllt werden, die eine gute //j-rnenbleitunc der in den Moduln entstellenden Verlustwärme ermöglicht. Hierfür braucht jedoch nicht wie bei den bisher üblichen imprägnierten Koncensatorarickeln ein hochwertiges Tränkinittel verwendet werden, da dieses hier nicht so stark beanrprucht wird.

Durch die Verwendung solcher Kunststoffblöcke mit eingegossenen Londensatorwickeln können also mit ein und demselben Typ die verschiedensten Leistungskondensatoren hergestellt werden. Erstere können daher als Serienprodukt hergestellt und gelagert werden und je nach Auftrag der entsprechende Kondensatortyp in kürzester Zeit erstellt werden, da keine Vakuumprozesse und Imprägnierungen mehr erforderlich sind.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, als Isolierfolien und Kondensatorbeläge einseitig aluminiumbedampfte Polypropylenfolien zu vor Vi end en. Kondensatoren aus diesem Material ohne Imprägniermittel sind bekannt und werden für Motor- und Leuchtenkondensatoren, also für Spannungen bis zu etwa 400 V Wechselspannung, eingesetzt. Höhere Spannungen, insbesondere die nötige Prüfspannung von über 1000 V halten diese Kondensatoren nicht aus. Es hat sich jedoch gezeigt, dai bei Anwendung eines äußeren Druckes auf den Wickel eine Prüfspannung von weit über 1000 V erreichbar ist.

Die Glimmeinsatzspannung steigt mit dem Druck an, unter dem sich die nicht vollständig vermeidbaren dünnen Luftschichten zwischen den Kunststoffolien durch den Schrumpfdruck des Kunststoffgehäuses (Kunststoffumhüllung) befinden. Die mittlere freie Weglänge der ionisierten Gasmoleküle nimmt bekanntlich mit dem Druck ab, so daß die Stoßionisation unwahrscheinlicher wird. Im Vorgleich mit den bisherigen Leistungskondeneatoren scheint der Glimmstrom der sich unter Preßdruck befindlichen MKP-Wickel unterschiedliche Bedeutung und Bewertung zu haben. Während bei den imprägnierten Metallfolien-Leistungskonstendatoren der

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Glimmstrom von wenigen Schwächstellen im System, herrührt, z.B. vornehmlich von xiandzorien mit erhöhter Feldstärke, von Fehlstellen im Dielektrikum (Kunststoffolie, Papierfolie) oder von Ketallkanten eier Iietallfolienoberflache, deuten die Versuchsergebnisse bei den beschriebenen MLP-V/ickeln auf einen gleichmäßigeren, großflächigeren 'Glinmstroni hin. In anderen Worten, während der Glimiiistroii;. bei den imprägnierben Folienkonderisatoren von wenigen, lokal eng begrenzten Stellen herrührt, sind bei MvP-V/i ekel große Flächen beteiligt. Da für eine Schädigung des Dielektrikums (Folie) die Stromdichte maigebend ist, kann ein gleich großer Glimnistrom bei einem imprägnierten Hetallfolienkondensator zur Schädigung führen, während der HKP-Wiekel noch keinerlei Schädigung aufweist. Dadurch können mit dem billigen nicht imprägnierten Kondensator auch Leistungskondensatoren erstellt werden und die Einzelwickel oder Module können weiterhin wie bisher als Hotor- und Leuchtenkondensaboren verwendet v/erden, da sie preislich nicht teurer, sondern durch Großserienfertigung zur Verwendung in Leistungukondensatoren und durch die Möglichkeit, den bisher erforderlichen lietallbecher entfallen lassen zu können, ger;ebenenfallc noch billiger werden.

einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann jed ar Einzelkondensatorwickel 1 zweckmäJig in Bereich der oberan Stirnfläche mit einer Schmelzsicherung ausgestattet sein, üs hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt, daß ein erfindungsgemäßer Kondensator trotz Verwendung selbstausheilfähiger aufgedampfter Iletallbelägo und Polypropylen als Träger durch das Umgießen mit Kunststoff auf Schmelzsicherungen ansprechen. Dieses experimentell beobachtete Verhalten kann durch höhere Energieumsetzung in einem unter hohen Druck stehenden IIKP-Wickel erklärt werden. In der Tat werden hier wesentlich breitere Durchschlagskanäle beobachtet, als z.B. bei den üblichen MP-WickeIn. Dieser damit verbundene wesentlich größere Energieumsatz äußert sich in einem äußeren Strom, der eine Schmelzsicherung ansprechen lassen kann.

Auf Grund der guten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kondensatoren, wie keine Explosionsgefahr, Unbrennbarkeit, kein Auslaufen von Imprägnierflüssigkeit, kann er vorteilhaft zusammen mit anderen Schalt- und Hegelgeräten, wie vor allem einem elektronischen Blindleistungsregler, Spezialluftschützen und den Kondensatoren

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vorgeschalteten Ιίΐί-Sicaerimren in einen gemeinsamen fc>:"-haltnchrank untergebracht sein.

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Claims (21)

1. Patentansprüche:

   Elektrischer, nichtimprägnierter, kunststof fumhüllt er Konrlensator, dessen ilondensatorwickel aus einseitig ffiotallbedampftert Isolierstoffolien besteht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Herkraale:

   a) die Kondensatorbeläge bestehen aus aufgedaaipftG.ii Aluminium,

   b) mehrere Londeneatorwickel sind im abstand voneinander in einer Hoihe angeordnet und mit einer bein: oder nach den UmhüllungsprozeJ schrumpfenden Kunststoffumhüllung zu einer baulichen Einheit vergossen oder umspritzt.
2. 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da j die Isolierstoffolien aus Polypropylen bestehen.
3. 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daii mehrere Keinen zu einem Modul vergossen sind.
4. M-. Kondensator nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daJ in einem mehrere Kondensatorwickel (l) enthaltenden Modul zwischen den Kondensatorwickeln (l) der Kunststoff (11) mit durchgehenden parallel zu den Kondensatorxtfickeln (l) verlaufenden Bohrungen (18) versehen ist.
5. 5- Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da-5 die Kondensatorwickel (l) an den Stirnseiten mit einer Kontaktschicht (5; 9) versehen sind, bei in Reihe angeordneten Kandensatorwickeln (l) eines Moduls Jeweils die unteren Kontaktschichten (9) und die oberen Kontaktschichten (5) einer lieihe durch je eine Sammelschiene (13 bzw. 12; 15 bzw. 14; 17 bzw. 16) miteinander verbunden sind.
6. 6. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, dai3 jede Sammelschiene (12 bis 17) einen Anschluß (U; ¥; V/; X; Y; Z) besitzt.
7. 7. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. ein Seil der Bohrungen

   (18) zur Durchführung der Anschlüsse (U, V, W, X, Y, Z) dienen.
8. 8. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dai die Anschlüsse in zwei Reihen von

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   ORIGINAL INSPECTED

   Bohrungen derart vorgesehen sind, dai in der einen Reihe alle Eingänge (U, V, V/) und in der anderen alle Ausgänge (X, T, Z) liegen.
9. 9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dai die Anschlüsse der einen Reihe die Eingänge in der Reihenfolge I, II, III, (U, V. W) und in der anderen die Ausgänge in der Reihenfolge III, I, II (Z, X, X) angeordnet sind.
10. 10. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dai mehrere Module unter Zwischenlage von Abstandshaltern (19) im Abstand voneinander übereinander angeordnet sind.
11. 11. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, dai die Abstandshalter (19) im Bereich der Bohrungen (18) vorgesehen sind.
12. 12. Kondensator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dai ringförmige Abstandshalter (19) um die Bohrungen (18) vorgesehen sind.
13. 13· Kondensator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet« daß der ringförmige Abstandshalter (19) zumindest einseitig einen Ansatz (23) aufweist, der in eine Bohrung (18) eingreift.
14. 14. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dai durch zumindest eine Bohrung (18) ein Befestigungselement (24) hindurchgreift.
15. 15· Kondensator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (24) zur Befestigung eines oder der Module an einem Träger oder Gehäuse (22) und/oder zum Zusammenhalten mehrerer Module dient.
16. 16. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15 > dadurch gekennzeichnet, dai zum Zusammenhalten mehrerer Module die Anschlüsse (U, Y, W, I, Y, Z) dienen.
17. 17. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Module in einem Gehäuse (22) untergebracht sind und das Gehäuse mit$d.nem Iaoliermittel gefüllt ist.
18. 18. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

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    ein. flüssiges Isoliermittel vorgesehen int
19. 19· Kondensator nach, zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dai ,jeder Einzelkondensatorwickel (l) mit einer Schmelzsicherung abgesichert is1

    3t.
20. 20. Kondensator nach Anspruch 19, dadurch {sekennzeich.net, da:ä die Schmelzsicherung im Bereich der oberen Stirnfläche vorgesehen ist.
21. 21. Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, da3 er zusammen mit einem elektronischen Blindleistungsregler, Luftschützen und vorgeschalteten NH-Sicherungen in einem gemeinsamen Schaltschrank untergebracht ist.