B E S C H R E I B U N G

LEISTUNGSKONDENSATOR MIT VORRICHTUNG ZUM LANGSAMEN DRUCKAUSGLEICH SOWIE MIT VORRICHTUNG ZUR UNTERBRECHUNG BEI SCHNELLEM DRUCKANSTIEG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Leistungskondensator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige mit einer

Ueberdrucksicherung ausgestattete Leistungskondensatoren werden z.B. zur Phasenkorrektur in Stromverteilungseinrichtungen des Niederspannungsbereichs eingesetzt.

Stand der Technik

Leistungskondensatoren weisen mindestens eine Kondensatorwicklung auf, z.B. aus zwei zusammen aufgewickelten Kunststoffolien, welche jeweils mit einer dünnen strukturierten Metallschicht bedeckt sind, die als Elektrode dient. Derartige Leistungskondensatoren sind als metallisierte Filmkondensatoren bekannt. Bei solchen Leistungskondensatoren beziehungsweise deren Kondensatorwicklungen kommen oft lokale Durchschläge vor, bei denen ein kleiner Bereich einer Folie verbrennt. Dies hat jedoch gewöhnlich keine weiteren Folgen, da die Metallschicht dort ebenfalls zerstört wird und daher kein Kurzschluss auftritt. Daher werden eine derartige Kondensatorwicklung als eine selbstheilende

Kondensatorwicklung und ein Leistungskondensator mit einer derartigen Kondensatorwicklung auch als ein selbstheilender Leistungskondensator bezeichnet. Gegen das Ende der

Lebensdauer häufen sich solche Ereignisse und es resultiert eine Kurzschlussgefahr, der durch Abschalten des Leistungskondensators, d.h. Trennen der elektrisch leitenden Verbindung der Kondensatorwicklung von mindestens einem der

Anschlüsse durch eine Ueberdrucksicherung zuvorgekommen werden muss. Dabei wird der Umstand benutzt, dass bei sich häufenden lokalen Durchschlägen rasch viel Gas erzeugt wird und der Druck in einer Kapselung, welche die Kondensator- wicklung und einen an diese anschliessenden Gasraum umschliesst, schnell ansteigt. Dadurch wird eine Auslösevorrichtung betätigt, die eine Unterbrechung des Stromkreises bewirkt.

Es sind zahlreiche Leistungskondensatoren bekannt, bei welchen etwa als Auslösevorrichtung eine Membran eingesetzt wird, welche den Gasraum gegen einen Ausdehnungsraum begrenzt und bei Auftreten eines Ueberdrucks im ersteren seine Form ändert, derart, dass bei Erreichen eines Grenzwerts durch die Verformung der Membran die Stromzuführung zur mindestens einen Kondensatorwicklung unterbrochen oder kurzgeschlossen wird, was in jedem Fall schliesslich dazu führt, dass der Stromkreis durch die Kondensatorwicklung unterbrochen wird.

So ist aus EP 0 931 324 Bl ein gattungsgemässer Leistungskondensator bekannt, bei welchem der Gasraum vom Ausdehnungsraum durch eine Membran getrennt ist, welche von einer Grundstellung in eine Auslösestellung umschnappt, wenn die Druckdifferenz einen Grenzwert erreicht. Sie trägt entweder eine Kontaktplatte, welche in der Auslösestellung der Membran die Kondensatorwicklung kurzschliesst und dadurch eine mit dieser in Reihe liegende Schmelzsicherung zum Ansprechen bringt, die den Stromkreis unterbricht oder ein Messer, das beim Uebergang der Membran von der Grundstellung in die Auslösestellung die Verbindung zwischen einem der elektrischen Anschlüsse und der Kondensatorwicklung durchtrennt. Ein Leistungskondensator der erstgenannten Art ist auch aus EP 0 244 281 Bl bekannt.

Ein weiterer gattungsgemässer Leistungskondensator ist in EP 0 530 115 Al beschrieben. Hier wird durch einen Uebergang einer Membran von einer Grundstellung in eine Auslösestellung ein mit einem Ende an derselben befestigter dünner Draht abgerissen, der einen der elektrischen

Anschlüsse mit der Kondensatorwickung elektrisch leitend verbindet. Ein ähnlicher Leistungskondensator ist aus EP 0 693 758 Al bekannt.

Gemäss EP 0 634 760 Al wird durch Umschnappen der Membran von der Grundstellung in die Auslösestellung ein mit derselben verbundener Stift aus einer Buchse gerissen und dadurch die elektrisch leitende Verbindung zwischen einem der Anschlüsse und der Kondensatorwicklung unterbrochen.

Daneben gibt es auch Leistungskondensatoren, bei denen eine Unterbrechung des Stromkreises auf andere Weise ausgelöst wird, z.B. durch die Zunahme des Leckstroms oder die Erhöhung der Temperatur, wie sie gegen das Ende der Lebensdauer des Leistungskondensators auftreten, indem z.B. Lötzinn einer zwischen einem Anschluss und der Kondensatorwicklung liegenden Sicherung aufgeschmolzen wird, s. EP 0 677 206 Bl.

Bei gattungsgemässen Leistungskondensatoren gasen vor allem zu Beginn des Einsatzes unter dem Einfluss der etwas erhöhten Betriebstemperatur die Kondensatorwicklung und den Gasraum begrenzende Materialien wie z.B. als Vergussmasse verwendete Harze aus, d.h. sie geben gewöhnlich über einige Tage verteilt absorbiertes Gas allmählich ab. Ausserdem erzeugen während der ganzen Lebensdauer des Leistungskondensators an sich nicht gravierende lokale Durchschläge, die sonst wegen der Selbstheilung der Kondensatorwicklung im wesentlichen folgenlos sind, Gas und erhöhen den Druck im

Gasraum. Damit diese Erscheinungen nicht zu Fehlauslösungen führen, muss die Schwelle, bei der Auslösevorrichtung anspricht und den Stromkreis unterbricht, entsprechend hoch angesetzt werden. Dies kann aber zur Folge haben, dass auch eine Zunahme des Drucks, wie sie bei nicht heilbaren

Durchschlägen auftritt, lange keine Auslösung bewirkt und gegen Ende der Lebensdauer des Leistungskondensators die Temperatur Werte erreicht, bei denen die die Kondensatorwicklung umgebende Kapselung aufschmilzt oder bricht und womöglich in Brand gerät, was zum Ausbruch eines Feuers in der Anlage führen kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemässen Leistungskondensator anzugeben, bei dem die Auslösevorrichtung bei gefährlichen, nicht heilbaren

Durchschlägen sicher und rasch, d.h. innerhalb von Sekunden oder höchstens Minuten anspricht, dabei aber nicht zu Fehlauslösungen neigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Beim erfindungsgemässen

Leistungskondensator liegt zwar die Ansprechschwelle der Auslösevorrichtung verhältnismässig tief, doch werden entstehende Ueberdrücke langsam abgebaut, sodass die allmähliche Freisetzung auch grosserer Gasmengen in den Gasraum nicht dazu führt, dass ein den Grenzwert der

Auslösevorrichtung erreichender Ueberdruck entstünde. Weder langsame stetige Freisetzung grosserer Gasmengen beim Ausgasen noch gelegentliche rasche kleine Gasfreisetzungen, wie sie von kleinen heilbaren Durchschlägen verursacht werden, führen zu einer Fehlauslösung.

Doch bei einer raschen Feisetzung einer grosseren Gasmenge durch einen grossen Durchschlag oder eine Reihe rasch aufeinanderfolgender kleinerer Durchschläge, wie sie vor allem gegen das Ende der Lebensdauer eines selbstheilenden Leistungskondensators auftreten, nimmt der Druck im Gasraum nahezu ungehindert zu, da der durch die begrenzte Gasdurchlässigkeit der Kapselung ermöglichte langsame Gasabfluss den Druckaufbau nicht kompensieren kann. Die Druckdifferenz zwischen Gasraum und Ausdehnungsraum steigt dann, bis sie den Grenzwert erreicht, der zum Ansprechen der Auslösevorrichtung führt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel betreffen, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen axialen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Leistungskondensator und

Fig. 2 die zeitliche Entwicklung einer Druckdifferenz in einem erfindungsgemässen Leistungskondensator und in einem bekannten gattungsgemässen

Leistungskondensator im Vergleich.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der erfindungsgemässe Leistungskondensator weist in einem Behälter 1, der z.B. aus Kunststoff besteht, eine zylindrische Kondensatorwicklung 2 auf, welche in an sich bekannter Weise aufgebaut ist mit einer ersten Elektrode, die mit einem ersten Anschluss 3 elektrisch leitend verbunden ist und einer zweiten Elektrode, die mit einem

zweiten Anschluss 4 elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektroden sind als leitfähige Schichten auf Kunststoffolien ausgebildet, welche zugleich die Elektroden trennende Isolationsschichten bilden. Neben den mit den Anschlüssen 3, 4 verbundenen Elektroden können auch weitere, schwimmende Elektroden ohne elektrisch leitende Verbindungen nach aussen vorhanden sein. Ein lokaler Durchschlag durch eine Isolationsschicht führt zu einem Verdampfen der elektrisch leitenden Schicht in unmittelbarer Umgebung der Durchschlagstelle, sodass der Kurzschluss sofort unterbrochen wird und daher in aller Regel keine grosseren Auswirkungen hat. Derartige Leistungskondensatoren werden als metallisierte Filmkondensatoren bezeichnet.

An eine Stirnfläche der Kondensatorwicklung 2 schliesst ein Gehäuse 5 an, welches einen zylindrischen Raum umschliesst, der von einer Membran 6 unterteilt wird. Sie trennt einen zusammenhängenden Gasraum 7, der mit der Kondensatorwicklung 2 verbunden ist und einen von ihr umgebenen zylindrischen Hohlraum umfasst, von einem zusammenhängenden Ausgleichsraum 8, der z.T ausserhalb des Gehäuses 5 liegt. Die

Kondensatorwicklung 2 und das Gehäuse 5 sind von einer Vergussmasse 9, die z.B. aus Kunstharz besteht, umgeben. Sie bildet zusammen mit einem an die Kondensatorwicklung 2 anschliessenden Teil des Gehäuses 5 und der Membran 6 eine Kapselung, welche die Kondensatorwicklung 2 und den Gasraum 7 umschliesst und bis auf die Membran 6 im wesentlichen gasdicht ist.

Durch den Ausgleichsraum 8 führt ein als Kupferband ausgebildeter Schaltabschnitt 10, welcher Teil eines den ersten Anschluss 3 mit einer Elektrode der

Kondensatorwicklung 2 verbindenden Leiters 11 ist. Die Membran 6 trägt an ihrer gegen den Ausgleichsraum 8

weisenden Seite ein messerartiges Trennteil 12 aus Hartkunststoff, das in eine gegen den Schaltabschnitt 10 weisende Spitze ausläuft. Die Membran 6 bildet zusammen mit dem Trennteil 12 eine Auslösevorrichtung, die, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasraum 7 und dem Ausgleichsraum 8 einen Grenzwert pι erreicht, eine Auslösestellung einnimmt, wobei das Trennteil 12 den Schaltabschnitt 10 durchtrennt. Die Auslösevorrichtung bildet also zusammen mit dem Schaltabschnitt 10 eine Ueberdrucksicherung, die den Leistungskondensator bei Auftreten eines bestimmten Ueberdrucks im Gasraum 7 vom Netz trennt.

Die Membran 6 besteht aus einem Material, das eine beschränkte Durchlässigkeit für Gas aufweist, z.B. aus Silikongummi. Falls also im Gasraum 7 durch einen Durchschlag oder durch Ausgasen die Teilchenzahl N _G und damit der Druck po zu einem Zeitpunkt to steigt, während die entsprechenden Parameter N _A , P _A im Ausgleichsraum 8 gleich bleiben, so führt der begrenzte Gasaustausch durch die Membran 6 hindurch dazu, dass sich die Drücke wieder ausgleichen.

Steigt jedoch der Druck, etwa bei Reihen von rasch aufeinanderfolgenden grosseren Durchschlägen, wie sie gegen das Ende der Lebensdauer eines selbstheilenden Leistungskondensators auftreten, rasch an, so verformt sich die Membran 6 zusehends, d.h. sie buchtet sich nach der Seite des Ausgleichsraums 8 hin zunehmend aus. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasraum 7 und dem Ausgleichsraum 8 den Grenzwert p∑ erreicht, nimmt die von der Membran 6 und dem Trennteil 12 gebildete Auslösevorrichtung schliesslich ihre Auslösestellung an und die Spitze des Trennteils 12 durchtrennt den Schaltabschnitt 10, sodass die elektrisch

leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 3 und der Kondensatorwicklung 2 unterbrochen ist.

Die zeitliche Entwicklung der Druckdifferenz zwischen dem Gasraum 7 und dem Ausgleichsraum 8, wenn sie durch plötzliche Freisetzung von Teilchen im Gasraum 7 zu einem Zeitpunkt to einen positiven Wert angenommen hat, ergibt sich aus dem Folgenden:

dN _G N _G (t) N _A (t)

-(/)- -υ _GA {— —) dt V _n , v _A

wobei die Summe der angegebenen Teilchenzahlen konstant bleibt, d.h.

(2) N _G +N _A =N

und D _Gä eine durch die Eigenschaften der Membran, insbesondere ihre Form und die Permeabilität ihres Materials bestimmte Diffusionskonstante darstellt.

Aus dem idealen Gasgesetz ergibt sich

und

& ^L (t) = +ψ ^, ( _Pσ (t)-p _A (t))

Mit

( 5 ) Ap(t) = p _G (t) - p _A (t)

erhält man

und daraus

v _G v _A

: 7 ⁾ Ap(O = AP(O) *

oder

1 V _n mit Membran-Zeitkonstante τ _M =

Die Permeabilität eines Materials, wie sie in Tabellen zu finden ist, ist gewöhnlich definiert als

dV _STP

9 ₎ p - dt ^d Ap F

wobei V _STP das Volumen bei einem Standarddruck von psrp = lat = 1,013XlO ⁵ Pa und 0 ⁰ C = 273,15°K ist sowie Ap die Druckdifferenz zwischen zwei Volumina und d die Dicke und F die Fläche des die Volumina trennenden Teils, im vorliegenden Fall also der Membran 6 bedeuten.

Aus (1) und (3) ergibt sich

und aus dem idealen Gasgeset z

( 11 ) PSTP VSTP = N _G k x 273,15

und weiter

und mi t ( 1 O ^'

und schliesslich mit

Damit ergibt sich insgesamt für die Membran-Zeitkonstante, welche den Druckausgleich zwischen dem Gasraum 7 und dem Ausgleichsraum 8 steuert:

273,15 V ₀ V _λ d

:i5) τ„ =

^M 1, UxIO ⁵ T V ₀ +V _A FP _M

Bezeichnet man die Zahl der in den Gasraum 7 pro Zeiteinheit abgegebenen Teilchen als Funktion der Zeit mit n _G (t) _r so

führt dies auf eine durch die Gasabgabe bewirkte kTn _G ⁺ (t) Druckzunahme pro Zeiteinheit von

Die Druckdifferenz zur Zeit t ergibt sich dann mit (8) zu

In der Regel folgt die Gasabgabe H _G ⁺ (to) während des Ausgasens, das zu Beginn der Lebensdauer des Leistungskondensators die Gaserzeugung im Gasraum 7 völlig dominiert, ungefähr einer Exponentialfunktion:

mit T _G der Ausgas-Zeitkonstante, der der Ausgasprozess folgt und die in der Regel die Grössenordnung einer Woche hat, also z.B. Z _G =200h, während N _G ⁺ die Gesamtzahl der abgegebenen Gasteilchen entsprechend

bedeutet. Mit diesem Ansatz ergibt sich

und weiter

und schliesslich mit ξ = —— dem Verhältnis der Ausgas-

Zeitkonstanten T _G und der Membran-Zeitkonstanten T _M

Dieser Wert nimmt zu einer Zeit t _max ein Maximum δ/? _max an , die s ich aus

zu

ergibt. Einsetzen in (22) führt auf

(25) Ap _mιa

entsprechend

( 2 6 ) Ap _mxα

Dieser Wert, der also unter den getroffenen Annahmen ausser von der Temperatur nur von der gesamten abgegebenen Gasmenge

pro Volumeneinheit des Gasraums 7 und dem Quotienten der Zeitkonstanten ξ abhängt, muss unterhalb des Grenzwerts pι bleiben, bei welchem die Auslösevorrichtung anspricht. Aber auch später, wenn das Ausgasen praktisch abgeschlossen ist, muss Ap bei durch heilbare Durchschläge bewirkter Gasentwicklung stets unter dem Grenzwert p _∑ bleiben.

Bewährt haben sich diesbezüglich Membran-Zeitkonstanten τ _M , die zwischen Ih und 100h liegen. Die Membran-Zeitkonstante τ _M kann durch die Eigenschaften der Membran 6, d.h. durch ihre Dicke d, ihre Fläche F und durch die Permeabilität P _M ihres Materials eingestellt werden, welche auf die Volumina des Gasraums 7 und des Ausgleichsraums 8 abgestimmt sein müssen. Ein günstiges Verhalten wurde etwa mit einer Membran aus Silikongummi mit einer Permeabilität / ³ M=I^xIO ^"11 cm _STP ³ cm/cm ² sPa für Luft sowie einer Dicke von ö?=2mm und einer Fläche F=15cm ² erzielt, wobei der Gasraum 7 ein Volumen von 7ml aufwies und der Ausgleichsraum 8 ein Volumen von 9ml. Dies ergibt nach (15) bei einer an der Obergrenze des zulässigen Bereichs liegenden Betriebstemperatur von T=70°C eine Membran-Zeitkonstante r _M =7h.

Mit diesen Werten und einer angenommenen Ausgas- Zeitkonstante von rG=200h sowie einer Gasabgabe von 9X10 ²⁰ Teilchen folgt die Druckdifferenz Ap(t) der durchgezogenen Linie in Fig. 2. Die durch das Ausgasen verursachte Druckdifferenz erreicht nicht mehr als 90mbar. Der Grenzwert p∑, bei dem die Auslösevorrichtung anspricht und der Stromkreis unterbrochen wird, kann daher problemlos auf 0,5bar gesetzt werden. Gestrichelt ist zum Vergleich die Entwicklung der Druckdifferenz in einer sonst gleich ausgebildeten gattungsgemässen Vorrichtung, welche in

bekannter Weise eine gasdichte Membran aufweist, gezeigt. Hier steigt die Druckdifferenz unter im übrigen gleichen Bedingungen allmählich auf 2,84bar an, sodass der Grenzwert für die Auslösung wesentlich höher angesetzt werden müsste.

Es sind natürlich wesentliche Abwandlungen des gezeigten Beispiels möglich, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen würde. So kann der Ausgleichsraum auch durch den Aussenraum gebildet werden. Das Volumen des Gasraums wird in der Regel nicht mehr als 5 Liter betragen und kann nahezu beliebig klein sein. Der Grenzwert pι für die

Druckdifferenz, bei dessen Erreichen die Auslösevorrichtung anspricht und den Stromkreis unterbricht, wird in der Regel, je nach Grosse und Aufbau des Leistungskondensators, etwa zwischen 0,lbar und 5bar liegen. Die Abmessungen der Membran können ebenfalls in Anpassung an die sonstigen Eigenschaften des Leistungskondensators über einen weiten Bereich variieren, ihre Fläche F kann etwa zwischen lern und 1' 200cm liegen und z.B. ein Kreis mit einem Durchmesser zwischen ca. lern und 40cm sein und ihre Dicke d kann etwa zwischen 0,1mm und 10mm betragen. Daneben ist es auch möglich, die Membran praktisch gasdicht auszubilden und die gezielt permeable Verbindung zwischen Gasraum und Ausgleichsraum auf andere Weise herzustellen.

Bezugszeichenliste

1 Behälter

2 Kondensatorwicklung

3 erster Anschluss

4 zweiter Anschluss

5 Gehäuse

6 Membran

7 Gasraum

Ausgleichsraum Vergussmasse Schaltabschnitt Leiter Trennteil