Wie Vakuumimprägnierung die Isolation von Leistungskondensatoren unterstützt

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Die Vakuumimprägnierung ist eine wichtige Isolationsbehandlung bei flüssigkeitsimprägnierten Folien-Leistungskondensatoren. Dabei dringt eine geeignete Isolierflüssigkeit in feine innere Zwischenräume ein und verringert gasbedingte Schwachstellen. Ein Blick auf Folie, Elektroden und Hohlräume im Inneren macht ihre Aufgabe verständlich.

Warum sind innere Zwischenräume wichtig?

Folienkondensatoren trennen zwei Elektrodensysteme durch Isolierfolie. Die Elektroden können aus separaten Metallfolien oder auf die Isolierfolie aufgebrachten Metallschichten bestehen, wie Abbildung 1 zeigt.

Zwei Bauformen von Folienkondensatoren: links abwechselnd separate Metallfolien und Isolierfolie; rechts auf die Folie aufgebrachte metallisierte Elektroden.
Separate MetallfolieMetallisierte Folie
Abbildung 1 | Grau: Elektroden; Gelb: Isolierfolie. Nicht maßstäblich. Quelle: Elcap / Zerodamage, Wikimedia Commons, CC0.

Auch dicht angeordnete Materialien können kleine gasgefüllte Hohlräume zwischen den Lagen hinterlassen. Unter bestimmten Spannungs- und Konstruktionsbedingungen können dort Teilentladungen entstehen. Diese erfassen nur einen Teil der Isolation und überbrücken nicht die gesamte Isolierstrecke zwischen den Elektroden. Sie unterscheiden sich von einem Durchschlag über die gesamte Isolierstrecke, können bei wiederholtem Auftreten jedoch die benachbarte Folie schädigen.[1]

Wie wirken Vakuumtrocknung und Imprägnierung zusammen?

Mitarbeiter vor einer geöffneten Vakuumbehandlungskammer mit Kondensatoren, die an Rohrleitungen angeschlossen sind.
Abbildung 2 | Vakuumtrocknungs- und Imprägnieranlage bei geöffneter Kammertür.
Auf einem Beschickungswagen angeordnete Kondensatoren, die über mehrere Rohrleitungen mit der Anlage verbunden sind.
Abbildung 3 | Detail der an die Prozessleitungen angeschlossenen Kondensatoren.

Bei der Vakuumtrocknung wird Gas abgepumpt und dadurch der Druck gesenkt. Meist hilft zusätzlich kontrollierte Erwärmung, Restfeuchte und Gas aus den Zwischenräumen zu entfernen und das Innere auf die Imprägnierung vorzubereiten. Auch aus der Isolierflüssigkeit müssen Feuchtigkeit, Partikel und Gas zuvor entfernt werden, um ihren erneuten Eintrag zu begrenzen.[2]

Bei der Imprägnierung dringt die aufbereitete Isolierflüssigkeit entlang feiner Kanäle zwischen die Lagen ein und füllt zuvor gasgefüllte Räume. Die Folie behält ihre isolierende Funktion; das Füllen der Zwischenräume mit Flüssigkeit hilft, die örtlichen Isolationsbedingungen zu verbessern.[3]

Prinzipvergleich der Zwischenräume: A enthält gasgefüllte Hohlräume zwischen den Folien; bei B sind zugängliche Zwischenräume mit Isolierflüssigkeit gefüllt. Feste Folien und Metallelektroden bleiben in beiden Fällen vorhanden.
A · Gasgefüllte HohlräumeB · Mit Flüssigkeit gefüllt
Abbildung 4 | Grau: Elektroden; Dunkelblau: Folie; Hellblau: Imprägniermittel. Zwischenräume vergrößert. Die Skizze ist kein gemessener Querschnitt und garantiert keine Blasen- oder Teilentladungsfreiheit nach der Imprägnierung.

Materialien und Prozessbedingungen müssen zusammenpassen

Das Ergebnis hängt davon ab, wie sich die Flüssigkeit auf Oberflächen ausbreitet und in feine Kanäle eindringt. Ebenso wichtig ist ihre Verträglichkeit mit Folie, Elektroden und Dichtungsmaterialien. Temperatur, Druck und Haltezeit müssen zur Bauform passen; ein Vakuumwert allein beschreibt das Ergebnis nicht.

Der Nutzen der Vakuumimprägnierung liegt darin, die innere Isolationsumgebung des Kondensators zu verbessern. Die gesamte Zuverlässigkeit hängt auch von Materialwahl, Konstruktion, Abdichtung und Betriebsbedingungen ab und muss für das konkrete Produkt validiert werden.

Unterschiedliche Bauformen nutzen unterschiedliche Lösungen: Trockene metallisierte Folienkondensatoren verwenden andere Isolations- und Verkapselungssysteme. Der Verzicht auf Flüssigkeitsimprägnierung bedeutet für sich genommen keine geringere Qualität.

Zugehörige Produkte und Modelle: Katalog für Industriekondensatoren

Wissenschaftliche und offizielle Forschungsquellen

Diese Veröffentlichungen erläutern allgemeine Mechanismen. Ihre Werkstoffe, Prüfkörper und Prozessparameter sind keine Spezifikationen der über diese Website gelieferten Typen.

  1. R. Ozaki et al. (2024): Partial Discharge Characteristics when Applying Ramp Up and Down Voltage Waveform to an Oil-Gap Electrode Simulating Oil-Immersed Film Capacitors, IEEE ICPADM. Untersuchung von Teilentladungen an einem Ölspaltmodell.
  2. J. A. Zelik and R. D. Parker (1977): Technological development of cylindrical and flat shaped high energy density capacitors, NASA-CR-135286, printed p. 69. Dient zur Unterscheidung von Elementtrocknung und Flüssigkeitsaufbereitung, nicht als Vorgabe für Werkstoffe oder Prozesseinstellungen.
  3. O. G. Gnonhoue et al. (2021): Review of Technologies and Materials Used in High-Voltage Film Capacitors, Polymers 13(5), 766, sections 2 and 4. Übersicht zu Folienaufbauten und Imprägniermedien.