<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention se rapporte, d'une manière générale aux appareils électriques remplis d'une atmosphère gazeuse isolante.
On utilise des appareils électriques isolés par un diélectrique gazeux, l'azote par exemple, pour certaines applications industrielles où l'isolement parl'huile, par exemple, ne peut convenir à cause des risques d'incendie. Mais l'azote et les gaz isolants similaires ont une résistan- ce diélectrique beaucoup plus faible et sont inférieurs à d'autres points de vue aux diélectriques liquides. En particulier, la résistance à la rup- ture diélectrique de l'azote gazeux est tellement plus faible que celle de la plupart des diélectriques liquides comme l'huile ou les composés a- ryliques chlorés que la tension maximum qu'on peut imposer à l'appareil est beaucoup plus basse pour les appareils remplis de gaz que pour les ap- pareils remplis d'un diélectrique liquide.
On a proposé d'employer certains gaz sous pression pour amélio- rer leur résistance à la rupture diélectrique. Mais les pressions nécessai- res pour obtenir une résistance diélectrique adéquate sont si élevées qu' on doit utiliser des enveloppes exceptionnelles aôlides, et que le placement des joints d'étanchéité et la fermeture des joints de l'enveloppe doivent être effectués avec le plus grand soin. Toute fuite de l'enveloppe empêche généralement le fonctionnement satisfaisant de l'appareil. Le dan- ger de fuites indésirables augmente rapidement avec l'élévation de la pression de l'atmosphère de gaz comprimés. D'autres dangers et inconvénients sont encore associés à l'emploi d'un appareil isolé par un gaz à haute pression.
La tension de rupture de l'azote gazeux à 25 C et sous une pression absolue de 760 mm Hg, déterminée avec un courant à 60 périodes dans une cellule entre des électrodes sphériques de 12,7 mm de diamètre; écartées de 5 mm. est approximativement 10 Kv. Dans d'autres conditions d'essai, par exemple avec des électrodes pointues ou en forme de baguette, la tension de l'azote présente des écarts de plusieurs Kv autour de ce chiffre de 10 Kv. La rugosité de la surface de l'électrode modifie également la résistance d'un gaz à la rupture. En pratique, dans les appareils remplis de gaz avec possibilité de dilatation et de contraction, les variations normales de la température ambiante et de la pression barométrique déterminent des écarts de la résistance à la rupture de l'azote dans une gamme de 2Kv ou plus - soit 10 à 25% des valeurs d'essai normales.
Par conséquent, la conception et la construction d'appareils isolés au gaz se basent sur des variations d'au moins 20 à 25% pour la tension de rupture en Kv; déterminée par un essai ou plusieurs essais de la résistance à la rupture de 1' azote. Une amélioration de la résistance à la rupture diélectrique de l'azote de 2 ou 3 Kv sur 10 Kv,c'est-à-dire de 25% environ ne présente donc aucun intérêt pratique pour l'industrie. La conception et la construction d'appareils électriques isolés au gaz ne seraient ni modifiées, ni améliorées par de faibles accroissements, allant jusqu'à 25%, de la résistance diélectrique de l'azote ou d'un autre gaz.
Il est nécessaire d'avoir un accroissement d'au moins 50%' environ de la résistance diélectrique d'un gaz pour que l'industrie électrique puisse en tirer un avantage concret.
Il est donc essentiellement désirable de procurer une atmosphère gazeuse pour appareils électriques dans lesquels la pression peut être maintenue pratiquement à la pression atmosphère ou ne s'en écarte pas de plus de quelques centaines de grammes par cm2. Il est également désirable que la résistance diélectrique de l'atmosphère gazeuse soit suffisante pour résister aux tensions couramment utilisées dans l'industrie électrique., c'est-à-dire jusqu'à 33.000 volts et davantage, alors que les appareils électriques actuels remplis de gaz ét fonctionnant à la pression atmosphèrique ne peuvent dépasser 15.000 volts dans la plupart des das.
Dans certains cas, des pressions peu élevées de 1 à 2 atmosphères au manomètre peuvent être utilisées dans les enveloppes des appareils s'il en résulte une amélioration notable de la résistance diélectrique, suffisante pour compen-
<Desc/Clms Page number 2>
ser les difficultés créées par le scellement de l'enveloppe.
Il est également désirable qu'un gaz isolant pour appareils électriques contienne des matières existant dans le commerce à un prix relativement bas.
Le but principal de l'invention est d'améliorer d'au moins 50% environ la résistance diélectrique de l'azote ou d'un autre gaz peu coûteux et relativement non condensable, en y incorporant de petites quantités de vapeurs d'un composé organique fluoré stable.
Un autre but de l'invention est de procurer un appareil électrique isolé par un gaz, contenant, pratiquement à la pression atmosphérique, un gaz isolant composite à grande résistance diélectrique comprenant une faible proportion de vapeurs d'un composé organique fluoré stable et une proportion volumétrique importante d'un gaz relativement non condensable comme l'azote.
L'invention sera bien comprise par la description d'une ..-, forme de réalisation préférée, donnée ci-après à titre d'exemple avec ré-férence aux dessins annexés dans lesquels : Fig. 1 est une vue en élévation, partie en coupe, d'un transformateur.
Fig. 2 est un graphique comparant la tension d'étincelle et la pression absolue de plusieurs gaz.
Fig. 3 est un graphique comparant les gains de résistance diélectrique dans un essai par impulsion négative de certaines atmosphères de fluorocarbures et d'azote en termes de livres anglaises de vapeurs de fluorocarbures par pied cube d'azote sous une pression de 74 cm. de mercure;et
Fig. 4 est un graphique montrant le gain de résistance diélectrique dans des essais à 60 périodes, réalisé sur l'azote en y incorporant différentes quantités de vapeur de fluorocarbures par pied cube d'azote à la pression atmosphérique.
Suivant la présente invention, on a trouvé que de petites quantités de vapeurs de certains composés organiques fluorés peuvent être combinées à - ou introduites dans - une atmosphère gazeuse isolante stable formée d'azote ou d'un autre gaz relativement non condensable pour former un gaz composite dont la résistance plus grande à la rupture diélectrique dépasse de beaucoup, le plus souvent, celle de l'azote seul. Des quantités relativement faibles de vapeurs d'un composé organique fluoré peuvent améliorer la résistance diélectrique de l'azote par exemple dans une mesure suffisante pour que la résistance électrique à la rupture de l'atmosphère à base d'azote soit augmentée de 100 à 250% et même davantage.
Dans la suite de la description, l'azote sera seul mentionné, mais d'autres gaz isolants relativement non condensables peuvent le remplacer en tout ou partie.
On a découvert, en particulier, que la résistance à la rupture diélectrique d'une atmosphère gazeuse à base d'azote peut être augmentée de 50% environ et davantage en y incorporant les vapeurs d'un composé organique fluoré déterminé, en quantité suffisante pour que la pression partielle de celui-ci soit au moins égale à 3 mm de mercure. De 0,003 à 0,25 livre de vapeurs du composé organique fluoré par pied cube d'azote appro-
EMI2.1
ximativement à la pression atmosphèrËque-amélicrelît' d'e ¯çm.abl et inattendue la résistance diélec*gue de l'azote.
Les composés organiques fluorés vaporisables convenant pour la mise en pratique de l'invention comprennent les composés organiques comptant au total au moins 4 atomes de carbone par molécule, et choisis dans le groupe formé par les hydrocarbures, les éthers hydrocarbonés et les amines tertiaires hydrocarbonées dans lesquels tous les atomes d'hydrogène
<Desc/Clms Page number 3>
ont été remplacés par au moins un halogène choisi dans le groupe formé par le fluor et le chlore, au moins 75 moles % du halogène étant du fluor.
Les hydrocarbures et groupes hydrocarbonés attachés à l'oxygène et à l'a- zote dans les éthers et les amines tertiaires respectivement peuvent être aliphatiques, aromatiques, cycloaliphatiques, aralkyliques et alkaryliques avec au moins 'quatre et au plus vingt atomes dé carbone par molécules Le terme "composés organiques fluorés" sera utilisé-dans là. suite pour dési- gner cette classe de composés.
Les composés organiques fluorés comptant moins de quatre atomes de carbone ne peuvent convenir commercialement comme diélectriques gazeux isolants. Les vapeurs de composés aliphatiques complètement chlorés, bien que possédant une résistance diélectrique appréciable sont instables et se décomposent dans une mesure indésirable aux températures élevées, par exemple à 100 C et plus. Si l'on remplace le chlore par du fluor dans un de ces composés à un à trois atomes de carbone., on provoque une réduction sensible de la résistance diélectrique., de plus en plus marquée à mesure que la molécule contient plus de fluor. L'instabilité thermique subsiste dans les dérivés chlorof luorés des composés à un à trois atomes de carbo- ne.
Les composés comptant de 1 à 3 atomes de carbone et dans lesquels l'hydro- gène est remplacé par du fluor ont une faible résistance diélectrique. Par exemple., le tétrafluorométhane (CF ) n'a pas une résistance diélectrique sensiblement différente de celle de l'azote et il n'y a aucun intérêt à l'y ajouter. Les essais comparant la résistance diélectrique de l'azote et du tétrafluorométhane entre des sphères de 25,4 mm de diamètre, écar- tées de 6 mm, avec un courant à 60 périodes ne montrent aucune différence significative entre eux jusqu'à des pressions de 2,1 kg/cm2.
Au contraireon obtient des résistances diélectriques inatten- dues et uniques lorsqu'on ajoute à l'azote de petites quantités de vapeurs de composés organiques fluorés comptant 4 atomes de carbone et plus. Ces vapeurs de fluorocarbure à 4 atomes de carbone et plus ont également une stabilité exceptionnelle. Les vapeurs de différents hydrocarbures, éthers et amines tertiaires, aliphatiques, cycloaliphatiques, aryliques, alkary- liques et autressoit entièrement fluorées: soit parhalogénées de façon à contenir au moins 75 moles % de fluor, le reste étant du chlore, peuvent être utilisées en combinaison avec une forte proportion d'azote par exem- ple, pour obtenir un gain marqué de la résistance diélectrique.
Les com- posés cycliques perfluorés (les termes "perfluoro" et "perfluoré" indiquent que le fluor a remplacé tous les atomes d'hydrogène du composé de base)sont particulièrement satisfaisants pour former ces atmosphères composites lorsqu'on mélange une petite quantité de leurs vapeurs à un volume d'azo- te.
Pour obtenir une amélioration appréciable et pratique d'environ 50% et plus relativement à l'azote seul dans la résistance diélectrique d'une atmosphère composite contenant de l'azote gazeux comme ingrédient volumétrique principal il faut que chaque pied cube contienne au moins 0,003 livre de vapeurs du composé organique fluoré. Cette quantité minimum de vapeurs doit être dispersée dans l'azote, dans toutes les conditions normalement prévues, à l'intérieur de l'enveloppe entourant l'élément é- lectrique. Pour maintenir ce niveau élevé d'isolation diélectrique, il est nécessaire d'employer des composés organiques fluorés choisis pour donner à 25 C par leur nature et leur quantité, une pression partielle d'au moins 3 mm de mercure.
Il est préférable que le composé organique fluoré ait une pression partielle de 10 mm de mercure ou davantage à 25 C, si l'élément électrique doit être exposé à des températures extérieures de 0 C ou moins.
Le point d'ébullition de nombreux hydrocarbures, éthers hydrocar- bonés et amines hydrocarbonées perfluorés comptant tous 4 atomes de carbo- ne ou plus est très bas, et les tensions de vapeur à 25 C sont égales ou
<Desc/Clms Page number 4>
supérieures à 3 mm de mercure. Le remplacementprogressif des atômes de fluor par des atomes de chlore dans ces composés perfluorés augmente le point d'ébullition dans une mesure sensible à chaque atome de chlore ajouté. C'est ainsi que le remplacement des atomes de fluor du perfluorotoluène par trois atomes de chlore porte son point d'ébullition de 102 et 207 C.
Cependant, l'effet sur la tension de vapeur à 25 C de ce remplacement progressif du fluor par le chlore dans les composés perfluorés est encore plus important. Alors que le perfluorotoluène a une tension de vapeur d'environ 23 mm de mercure à 25 C, et que la tension de vapeur du dichlorotrifluoro (trifluorométhyl) benzène est de 5 mm à 25 C, la tension de vapeur du trichlorodifluoro (trifluorométhyl) benzène à 25 est moins de 0,5 mm de mercureo Ce dernier composé ne convient absolument pas pour la présente inven- tiona
Les composés fluorés ci-dessous peuvent convenir pour la mise en pratique de l'invention.
TABLEAU I
EMI4.1
CompOsés Pd'ébu1. Tension de
EMI4.2
<tb>
<tb> C <SEP> vapeur <SEP> à <SEP> 25 C
<tb> en <SEP> mm <SEP> de <SEP> Hg
<tb>
EMI4.3
Perfluorométhglcgcloexane 76113 lu-120 Perfluorodiméthyleyclohexane 101 à 102,6 39 Perfluoronaphtalane 140 environ 20 Perfluoro-1-méthylnaphtalane 161 environ 10 Perfluoro-2-méthylnaphtalane 161 environ 10
EMI4.4
<tb>
<tb> Perfluorodiméthylnaphtalanes <SEP> 177 <SEP> à <SEP> 179 <SEP> environ <SEP> 8
<tb> Perfluoroindane <SEP> 116 <SEP> à <SEP> 117 <SEP> environ <SEP> 25
<tb> Perfluorofluorane <SEP> 190 <SEP> environ <SEP> 3
<tb>
EMI4.5
Perfluoroéthylcyclohexane 1D1 environ 150 Perfluoro-z-diéthyleyclohexane IJ,.S 42 Perf1uoroproNücyc10hexane 125 90 Nonochloro"tétraf1uoro (trif1uorométhyl) benzène 137 10 Perfluorobleyclo (2.2.1)heptane 70 (746 mm.)
Perfluorotoluéne 102 23 Perfluoro-n-heptane 82 110 Perfluorod:I;méthy1chlorocyclohexane 129 21 Chloropentadëcafluoroheptane 96 82 Ether perfluorodibutylique 100 33 Perfluoro-N-tributglamine 178 3 Perfluorotriéthylamine 71 135 Dichlorotrimé1;hyl(trif1uoro-
EMI4.6
<tb>
<tb> méthyl) <SEP> benzène <SEP> 170 <SEP> 5
<tb> Perfluorotri-n-propylamine <SEP> 129 <SEP> plus <SEP> de <SEP> 3
<tb>
EMI4.7
Ether perfluoroclicyclohexylique 175 plus de 3
EMI4.8
<tb>
<tb> Ether <SEP> cyclique <SEP> perfluoré
<tb> C6F12O <SEP> 56 <SEP> plus <SEP> de <SEP> 100
<tb> Ether <SEP> cyclique <SEP> perfluoré <SEP> 101 <SEP> 37
<tb> C8F16O
<tb> Perfluoro-1-éthylnaphtalane <SEP> 178 <SEP> plus <SEP> de <SEP> 3
<tb>
Les composés de cette liste sont donnés à titre d'exemple et d' autres composés organiques fluorés peuvent être utilisés en petites quan-
tités pour améliorer la résistance à la rupture diélectrique de l'azote.
Les composés organiques fluorés de la présente invention sont des liquides aux températures voisines de 25 C. Cependant, lorsque de pe-
<Desc/Clms Page number 5>
tites quantités de ces composés organiques fluorés liquides sont introdui- tes dans une enveloppe étanche dans les proportions indiquées plus haut., une grande partie du composé ou le composé tout entier., suivant la propor- tion de composés par pied cube de gaz dans l'enveloppe, s'évapore parce que la tension de vapeur du composé est au moins égale à 3 mm de mercure à 25 C.
Comme les composés sont utilisés en association avec des appareils électriques dégageant en service de grandes quantités de chaleur, l'atmos- phère à l'intérieur de l'enveloppe sera sensiblement plus chaude que la température extérieure, et dans ces conditions une tension partielle appré- ciable des vapeurs du composé organique fluoré régnera dans l'enveloppe.
Quand le liquide s'évapore complètement, la tension partielle à une tempé- rature déterminée ne dépend que de la quantité de composés organiques fluo- rés présente par pied cube de gaz dans l'enveloppe. Certains composés, par- ticulièrement s'ils sont employés dans les proportions maximum indiquées peuvent se condenser lorsque l'appareil n'est pas en service et que la tem- pérature extérieure s'abaisse. Le choix du composé doit être guidé par ces considérations et l'on utilisera un perhalocarbure à bas point d'ébulli- tion ayant une tension de vapeur suffisament élevée même en-dessous de 0 C, ou un mélange de deux ou plusieurs perhalocarbures dont un au moins a une tension de vapeur élevée aux basses températures suffisante pour donner une tension de vapeur totale d'au moins 3 mm de mercure aux températures prévues.
La fig. 1 du dessin montre un transformateur 1D,\I à titre d'exemple des appareils remplis de gaz construits et fonctionnant suivant la présente invention. Le transformateur comprend une enveloppe extérieure 12 avec un fond hermétiquement appliqué 14 et un couvercle hermétique 16 coopérant pour former une enceinte étanche au gaz pour les éléments électriques du transformateur. Le couvercle 16 du transformateur porte des buselures 18 et 20 pour les raccords haute tension et basse tension. Ces buselures sont montées sur l'enveloppe à l'aide de joints hermétiques appropriés pour empêcher la sortie des gaz contenus dans l'enveloppe. A l'intérieur de celle-ci se trouvent les bobinages 22 montés sur un châssis 24 reposant sur le fond 14.
Si on le désire, bien que non nécessairementle fond 14 peut être creusé d'une cavité 26 dans laquelle on peut verser une petite quantité d'un composé organique fluoré 28 qui se vaporise et se mélange à l'azote ou à un gaz isolant et relativement permanent analogue pour former l'atmosphère de l'enveloppe.
L'espace à l'intérieur de l'enveloppe et autour des bobines 22 est rempli d'un gaz isolant composite 30, essentiellement constitué de a) une proportion volumétrique importante, en termes de pression partielle,, d'un gaz relativement permanent ou non condensable comme l'azote, l'argon, le néon., l'air, l'anhydride carbonique., etc.. ou des mélanges de ces gaz et b) le reste, formé de vapeurs d'un ou plusieurs composés organiques fluorés. Le gaz relativement non condensable par lui même, l'azote par e- xemple possède des propriétés électro-isolantes limitées à la pression atmosphérique. Les propriétés diélectriques de l'azote sous une pression de 760 mm n'assure une isolation électrique adéquate qu'à des tensions modérées ne dépassant pas 15. 000 volts.
La pression partielle de l'azote, par exemple, dans le gaz isolant composite 30 sera généralement de l'ordre de 74 à 76 cm de mercure, mais cette pression peut être un peu plus ou un peu moins élevée suivant la quantité de vapeurs organiques fluorées présentes ; la température à l'intérieur de l'enveloppe, la résistance de celleci et d'autres facteurs. La pression totale dans l'enveloppe peut atteindre 2 atmosphères à 25 C. Dans certains cas, l'enveloppe du transformateur peut être munie d'un évent qui laisse échapper le gaz si la pression dépasse une certaine limite déterminée d'avance, mais cette précaution n'est généralement pas désirable.,, parce qu'elle entraîne la perte d'une partie des vapeurs fluorocarbonées contenues dans l'enveloppe. Il ne faut donc y recourir qu'en cas d'urgence.
<Desc/Clms Page number 6>
On voit donc que des avantages remarquables au point de vue isolation électrique sont obtenus avec des appareils électriques dont les enveloppes sont remplies d'un gaz isolant composite pratiquement à la pression atmosphérique, c'est-à-dire 74 à 76 cm. de mercure, ce gaz contenant une proportion importante d'azote et une proportion moins importante de vapeurs d'un composé organique fluoré. L'isolation offerte par ce gaz composite est exceptionnelle puisqu'elle dépasse la résistance à la rupture diélectrique de l'azote d'au moins 50%.
Au cours de la construction d'un transformateur du type représen- té sur la fig. 1 du dessin suivant la présente invention, après assemblage du transformateur et fermeture de tous les joints pour que l'enveloppe soit relativement étanche, l'air présent peut être chassé de plusieurs fa- çons connues, par exemple par déplacement ou par utilisation de chaleur et d'une pompe d'évacuation, et remplacé par un gaz isolant sec, inerte et non condensable comme l'azote. Le but de l'élimination de l'air est principalement d'écarter l'oxygène et la vapeur d'eau afin d'éviter l'oxydation de l'isolant qui peut comprendre du papier, de la résine, des vernis, etc.., en service à des températures modérément élevées pouvant atteindre 200 C.
Des ouvertures munies de soupapes appropriées peuvent être percées dans l'enveloppe à cette fin. On peut introduire ensuite¯un poids déterminé encomposé organique fluoré dans l'enveloppe du trànsformateur, ce composé s'évaporant dans une mesure dépendant de la température de l'enveloppe et de la tension de vapeur du composé. Le composé organique fluoré peut être un seul composé ou un mélange de deux ou plusieurs composés et doit être présent à raison de 0,003 à 0,25 livre par pied cube d'espace de gaz. Bien que les composés organiques fluorés aient un poids moléculaire beaucoup plus élevé que celui de l'azote par exemple, les gaz se mélangent parfai- tement sans aucune ségrégation, en particulier lorsque l'appareil fonctionne, sous l'effet de la diffusion naturelle et des courants de convection.
La fig. 2 montre l'élévation de la tension d'étincelle, déterminée dans un appareil d'essai standart A.I.E.E. en ajoutant de petites quantités variables de perfluorométhylcyclohexane à une atmosphère composée de 74 cm. de mercure d'azote. L'azote seul permet la formation de l'étincelle aux tensions indiquées par les trois lignes droites parallèles dans la partie inférieure du graphique, lignes qui sont pratiquement horizontales et dont l'inférieure est déterminée par des essais avec une tension à 60 périodes, l'intermédiaire par des essais avec des trains d'impulsions négatives de 1-1/2 x 40 micro-secondes et la supérieure par des essais avec des trains d'impulsions positives de 1-1/2 x 40 microsecondes.
Ces trois lignes indiquent que la tension d'étincelle ne varie pas beaucoup lorsque la pression d'azote augmente. Par contre, l'addition de quantités très faibles de perfluorométhylcyclane augmente considérablement cette tension tant pour les impulsions positives et négatives de 1-1/2 x 40 microsecondes que pour la tension à 60 périodes comme l'indiquent les trois courbes supérieures.
La fig. 3 montre la proportion du gain de résistance diélectrique réalisé sur l'azote seul en incorporant diverses quantités de perfluo- ro-n-heptane et perfluorométhylcyclohexane respectivement à une atmosphère d'azote, et déterminé par des trains d'imposions négatives de 1,5 x 40 microsecondes. On remarquera que 0,003 livre d'un de ces deux composés fluorés suffisent à augmenter la résistance diélectrique de 60 à 80%, et que 0,04 livre de l'un ou l'autre par pied cube d'azote porte la résistance diélectrique aux impulsions négatives à 200% environ de la résistance obtenue avec l'azote seul.
Les courbes de la fig. 4 montrent le gain réalisé sur l'azote seul en résistance diélectrique à 60 périodes, avec des compositions gazeuses comprenant 1 atmosphère d'azote et les petites quantités indiquées de vapeurs, de perfluorométhylcyclohexane et de perfluoro-n-heptane, respectivement.
<Desc/Clms Page number 7>
Les courbes des figs. 2, 3 et 4 font ressortir une augmentàtion étonnante de la résistance diélectrique par incorporation des'petites quantités indiquées de vapeurs de composés organiques fluorés. Lés vapeurs d' autres composés organiques fluorés.améliorent la résistance diélectrique
EMI7.1
de façon également inattendue lorsqu'on lës30ute à l'azote. Par exemple, en ajoutant 0,052 livre de monochloropentadécafluorodiméthylcyclohexane par pied cube d'azote sous une pression d'une atmosphère, on augmente la résistance diélectrique à 60 périodes de 100% relativement à celle de l'azote seul, tandis que la résistance diélectrique aux impulsions négatives est augmentée de 171 %.
L'addition de 0,06 livre de perfluorodiméthylcyclohexane par pied cube d'azote sous une pression absolue d'une atmosphère augmente la résistance à la rupture de 118% dans des essais avec une tension à 60 périodes tandis que la résistance diélectrique aux trains d'impulsions négatives de 1,5 x 40 microsecondes augmente de 194% par rapport à l'azote seul.
Dans un cas, une série de gaz composites ont été préparés en ajoutant à chaque pied cube d'azote à une pression de 760 mm Hg le poids indiqué des composés fluorés repris dans le tableau II ci-après, et on a obtenu les gains de résistance diélectrique indiqués dans des essais effectués sur chacun des gaz composites avec une tension à 60 périodes suivant la méthode standart de l'A.I.E.E., les électrodes étant écartées de 50,8 mm.
TABLEAU II
EMI7.2
<tb>
<tb> Composés <SEP> Livre <SEP> ,par <SEP> pied <SEP> Gain <SEP> en <SEP> % <SEP> sur
<tb> cube <SEP> N2 <SEP> sous <SEP> 760 <SEP> mm
<tb> Hg
<tb>
EMI7.3
Perfluorométhyleyclohexane 0,03 111 Perfluorotripropylamine 0,03 106
EMI7.4
<tb>
<tb> Perfluoroheptane <SEP> 0 <SEP> ,03 <SEP> 104
<tb> Ether <SEP> perfluorocyclique <SEP> C8F16O <SEP> 0,06 <SEP> 157
<tb>
Comme exemple de l'application pratique de l'invention, on rem plit un tube amplificateur d'images aux rayons X travaillant à 30.000 volts d'un gaz composite sous une pression totale de 76 cm, composé d'azote et de 0,13 livre par pied cube de l'éther perfluorocyclique C8F16O. Le tube remplit de ce gaz fonctionne de façon satisfaisante à cette tension. De l'azote seul n'aurait pu convenir pour cette application.
Les composés organiques fluorés sont extrêmement stables dans les conditions électriques et de température normales dans les transformateurs et d'autres appareils électriques qu'ils servent à isoler. Par contre, les composés aliphatiques complètement chlorés comme le tétrachlorure de carbone se décomposent dans une mesure indésirable à leur point d'ébullition ou à des températures de service normales pour les appareils électriques. Le tétrachlorure de carbone est décomposé par la présence des décharges corona et ses produits de décomposition sont très corrosifs. Les dérivés chlorofluoro ordinaires du méthane et de l'éthane sont composés par des décharges corona même assez faibles, et les produits de décomposition formés sont très corrosifs et attaquent l'isolation de l'appareil.
Les produits de décomposition de ces composés chlorés comprennent du chlore gazeux ou de l'acide chlorhydrique qui réagissent avec l'isolation des bobinages ainsi qu'avec le cuivre et entraînent une corrosion grave et la mise hors service prématurée de l'appareil. Par conséquent, le tétrachlorure de carbone et les dérivés chlorofluoro du méthane et de l'éthane sont sans utilité pratique.
Même dans des conditions de formation d'arc, les composés organiques fortement fluorés décrits ont tout au plus tendance à former des composés à bas poids moléculaire comme des fluorocarbures non saturés,qui
<Desc/Clms Page number 8>
sont eux-même isolants et n'attaquent pas l'isolation des éléments élec- triqueso Ces composés ne sont pas sensibles à l'humidité ou aux matières faisant partie des appareils électriques et ne réagissent pas avec elles, et peuvent donc être utilisés en toute sécurité dans les appareils électriques.
Les appareils construits suivant la présente invention sont remplis de gaz., mais maintenus de préférence approximativement à la pression atmosphérique de sorte qu'ils sont sûrs et sans danger, si on les compare aux appareils étanches remplis de gaz existant actuellement. La tendance aux fuites est très réduite grâce à la faible différence de pression avec l'atmosphère.
Le fonctionnement régulier et exempt de danger de ces appareils permet de les utiliser dans des passages souterrâins, métros, vaisseaux., locomotives électriques etc.. La conception et la fermeture étanche des enveloppes pour ces appareils sont plus simples et plus économiques que dans les appareils travaillant sous pression élevéeo
Les appareils électriques construits suivant la présente invention avec une atmosphère gazeuse formée d'azote, par exemple,et d'un composé organique fluoré peuvent fonctionner à des tensions beaucoup plus élevées que les appareils existants isolés par un gaz à la pression atmos- phérique. Ils résistent aux décharges atmosphériques ou autres influences extérieures mieux que les appareils électriques connus.
D'autres avantages apparaîtront aux spécialistes en la matière.
REVENDICATIONS
1.- Appareil électrique caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe contenant des conducteurs électriques et un diélectrique gazeux composite entourant ces conducteurs., ledit diélectrique' gazeux étant sous une pression ne dépassant pas deux atmosphères à 25 C et comprenant essentiellement une proportion,volumétrique importante d'un gaz relativement inerte et permanents le reste étant formé par les vapeurs.,;sous une pression partielle d'au moins 3 mm de mercure à 25 C, de composés organiques fluorés comptant au moins 4 atomes de carbone.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates generally to electrical appliances filled with an insulating gas atmosphere.
Electrical devices insulated by a gaseous dielectric, nitrogen for example, are used for certain industrial applications where insulation by oil, for example, cannot be suitable because of the risk of fire. But nitrogen and similar insulating gases have much lower dielectric strength and are in other ways inferior to liquid dielectrics. In particular, the resistance to dielectric breakdown of nitrogen gas is so much lower than that of most liquid dielectrics such as oil or chlorinated aryl compounds that the maximum voltage that can be imposed on l The apparatus is much lower for apparatus filled with gas than for apparatus filled with a liquid dielectric.
It has been proposed to employ certain gases under pressure to improve their resistance to dielectric breakdown. But the pressures required to achieve adequate dielectric strength are so high that exceptional aolid casings must be used, and the placement of the gaskets and the closing of the casing joints must be done with the utmost care. care. Any leakage from the casing will generally prevent satisfactory operation of the apparatus. The danger of unwanted leaks increases rapidly as the pressure of the compressed gas atmosphere increases. Other dangers and drawbacks are also associated with the use of an apparatus isolated by a high pressure gas.
The breakdown voltage of nitrogen gas at 25 ° C. and under an absolute pressure of 760 mm Hg, determined with a current at 60 periods in a cell between spherical electrodes 12.7 mm in diameter; spaced 5 mm apart. is approximately 10 Kv. Under other test conditions, for example with pointed or rod-shaped electrodes, the nitrogen voltage shows deviations of several Kv around this 10 Kv figure. The roughness of the electrode surface also changes the resistance of a gas to rupture. In practice, in gas-filled devices with the possibility of expansion and contraction, normal variations in ambient temperature and barometric pressure determine deviations in the breaking strength of nitrogen in a range of 2Kv or more - or 10 to 25% of the normal test values.
Therefore, the design and construction of gas insulated devices is based on variations of at least 20 to 25% for the breakdown voltage in Kv; determined by one or more tests for the breaking strength of nitrogen. An improvement in the dielectric strength of nitrogen by 2 or 3 Kv over 10 Kv, that is to say by approximately 25%, is therefore of no practical benefit to industry. The design and construction of gas insulated electrical appliances would not be altered or improved by small increases, of up to 25%, in the dielectric strength of nitrogen or other gas.
It is necessary to have an increase of at least about 50% in the dielectric strength of a gas in order for the electrical industry to benefit from it.
It is therefore essentially desirable to provide a gaseous atmosphere for electrical apparatus in which the pressure can be maintained substantially at atmospheric pressure or not deviate therefrom by more than a few hundred grams per cm 2. It is also desirable that the dielectric strength of the gaseous atmosphere be sufficient to withstand the voltages commonly used in the electrical industry, i.e. up to 33,000 volts and more, while current electrical appliances fill of gas and operating at atmospheric pressure cannot exceed 15,000 volts in most das.
In some cases, low pressures of 1 to 2 atmospheres gauge may be used in apparatus enclosures if the result is a noticeable improvement in dielectric strength sufficient to compensate.
<Desc / Clms Page number 2>
The difficulties created by the sealing of the envelope.
It is also desirable that an insulating gas for electrical appliances contains commercially available materials at a relatively low cost.
The main object of the invention is to improve the dielectric strength of nitrogen or other inexpensive and relatively non-condensable gas by at least about 50% by incorporating therein small amounts of vapors of a compound. organic fluorinated stable.
Another object of the invention is to provide an electrical apparatus insulated by a gas, containing, substantially at atmospheric pressure, a high dielectric strength composite insulating gas comprising a low proportion of vapors of a stable fluorinated organic compound and a proportion volumetric volume of a relatively non-condensable gas such as nitrogen.
The invention will be clearly understood from the description of a preferred embodiment, given below by way of example with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is an elevational view, partly in section, of a transformer.
Fig. 2 is a graph comparing the spark voltage and the absolute pressure of several gases.
Fig. 3 is a graph comparing the dielectric strength gains in a negative pulse test of certain atmospheres of fluorocarbons and nitrogen in terms of English pounds of fluorocarbon vapors per cubic foot of nitrogen at a pressure of 74 cm. mercury; and
Fig. 4 is a graph showing the gain in dielectric strength in 60 period tests carried out on nitrogen by incorporating therein different amounts of fluorocarbon vapor per cubic foot of nitrogen at atmospheric pressure.
According to the present invention, it has been found that small amounts of vapors of certain fluorinated organic compounds can be combined with - or introduced into - a stable insulating gas atmosphere formed of nitrogen or other relatively non-condensable gas to form a gas. composite of which the greater resistance to dielectric breakdown greatly exceeds that of nitrogen alone. Relatively small amounts of vapors of a fluorinated organic compound can improve the dielectric strength of e.g. nitrogen to a sufficient extent that the electrical resistance to rupture of the nitrogen-based atmosphere is increased from 100 to 250 % and even more.
In the remainder of the description, only nitrogen will be mentioned, but other relatively non-condensable insulating gases can replace it in whole or in part.
It has been found, in particular, that the dielectric breakdown strength of a nitrogen-based gaseous atmosphere can be increased by approximately 50% and more by incorporating therein the vapors of a specific fluorinated organic compound, in an amount sufficient to that the partial pressure thereof is at least equal to 3 mm of mercury. From 0.003 to 0.25 pounds of vapor of the fluorinated organic compound per cubic foot of appropriate nitrogen
EMI2.1
ximply at the atmospheric pressure which improves e ¯cm.abl and unexpectedly the dielectric resistance of nitrogen.
Vaporizable organic fluorinated compounds suitable for the practice of the invention include organic compounds having a total of at least 4 carbon atoms per molecule, and selected from the group consisting of hydrocarbons, hydrocarbon ethers and hydrocarbon tertiary amines in which all hydrogen atoms
<Desc / Clms Page number 3>
have been replaced by at least one halogen chosen from the group formed by fluorine and chlorine, at least 75 mole% of the halogen being fluorine.
Hydrocarbons and hydrocarbon groups attached to oxygen and nitrogen in ethers and tertiary amines respectively can be aliphatic, aromatic, cycloaliphatic, aralkylic and alkaryl with at least four and at most twenty carbon atoms per molecule. The term "fluorinated organic compounds" will be used therein. continuation to designate this class of compounds.
Fluorinated organic compounds with less than four carbon atoms cannot be commercially suitable as insulating gaseous dielectrics. Vapors of fully chlorinated aliphatic compounds, although possessing appreciable dielectric strength, are unstable and decompose to an undesirable extent at elevated temperatures, for example at 100 ° C and above. Replacing chlorine with fluorine in one of these compounds with one to three carbon atoms results in a significant reduction in dielectric strength, which becomes more and more marked as the molecule contains more fluorine. Thermal instability remains in the chlorofluorinated derivatives of compounds with one to three carbon atoms.
Compounds with 1 to 3 carbon atoms in which the hydrogen is replaced by fluorine have low dielectric strength. For example, tetrafluoromethane (CF) does not have a dielectric strength significantly different from that of nitrogen and there is no point in adding it. Tests comparing the dielectric strength of nitrogen and tetrafluoromethane between spheres 25.4 mm in diameter, 6 mm apart, with a current at 60 periods show no significant difference between them up to pressures of 2.1 kg / cm2.
On the contrary, unexpected and unique dielectric strengths are obtained when small amounts of vapors of fluorinated organic compounds of 4 carbon atoms or more are added to nitrogen. These fluorocarbon vapors with 4 carbon atoms and more also have exceptional stability. The vapors of various hydrocarbons, ethers and tertiary amines, aliphatic, cycloaliphatic, aryl, alkaryl and others either entirely fluorinated: or parhalogenated so as to contain at least 75 mole% of fluorine, the remainder being chlorine, can be used in combination with a high proportion of nitrogen, for example, to obtain a marked gain in dielectric strength.
Perfluorinated cyclic compounds (the terms "perfluoro" and "perfluoro" indicate that fluorine has replaced all hydrogen atoms in the base compound) are particularly satisfactory for forming these composite atmospheres when a small amount of their are mixed. vapors to a volume of nitrogen.
To achieve an appreciable and practical improvement of about 50% and more relative to nitrogen alone in the dielectric strength of a composite atmosphere containing nitrogen gas as the main volumetric ingredient, each cubic foot should contain at least 0.003 pounds. vapors of the fluorinated organic compound. This minimum quantity of vapors must be dispersed in the nitrogen, under all conditions normally expected, inside the envelope surrounding the electrical element. To maintain this high level of dielectric insulation, it is necessary to use fluorinated organic compounds chosen to give at 25 ° C., by their nature and quantity, a partial pressure of at least 3 mm of mercury.
It is preferable that the fluorinated organic compound has a partial pressure of 10 mm Hg or more at 25 C, if the electric element is to be exposed to outdoor temperatures of 0 C or less.
The boiling point of many hydrocarbons, hydrocarbon ethers and perfluorinated hydrocarbon amines all having 4 or more carbon atoms is very low, and the vapor pressures at 25 ° C are or less.
<Desc / Clms Page number 4>
greater than 3 mm of mercury. The gradual replacement of fluorine atoms with chlorine atoms in these perfluorinated compounds increases the boiling point to a substantial extent with each added chlorine atom. Thus, replacing the fluorine atoms in perfluorotoluene with three chlorine atoms brings its boiling point to 102 and 207 C.
However, the effect on the vapor pressure at 25 C of this gradual replacement of fluorine by chlorine in perfluorinated compounds is even greater. While perfluorotoluene has a vapor pressure of about 23 mm of mercury at 25 C, and the vapor pressure of dichlorotrifluoro (trifluoromethyl) benzene is 5 mm at 25 C, the vapor pressure of trichlorodifluoro (trifluoromethyl) benzene at 25 is less than 0.5 mm of mercuryo This latter compound is absolutely unsuitable for the present inventiona
The fluorinated compounds below may be suitable for the practice of the invention.
TABLE I
EMI4.1
Compounds Pdebu1. Voltage
EMI4.2
<tb>
<tb> C <SEP> steam <SEP> to <SEP> 25 C
<tb> in <SEP> mm <SEP> from <SEP> Hg
<tb>
EMI4.3
Perfluoromethglcgcloexane 76113 lu-120 Perfluorodimethylyclohexane 101 to 102.6 39 Perfluoronaphthalane 140 approximately 20 Perfluoro-1-methylnaphthalane 161 approximately 10 Perfluoro-2-methylnaphthalane 161 approximately 10
EMI4.4
<tb>
<tb> Perfluorodimethylnaphthalanes <SEP> 177 <SEP> to <SEP> 179 <SEP> approximately <SEP> 8
<tb> Perfluoroindane <SEP> 116 <SEP> to <SEP> 117 <SEP> approximately <SEP> 25
<tb> Perfluorofluorane <SEP> 190 <SEP> approximately <SEP> 3
<tb>
EMI4.5
Perfluoroethylcyclohexane 1D1 approximately 150 Perfluoro-z-diethylyclohexane IJ, .S 42 Perf1uoroproNücyc10hexane 125 90 Nonochloro "tetraf1uoro (trif1uoromethyl) benzene 137 10 Perfluorobleyclo (2.2.1) heptane 70 (746 mm.)
Perfluorotoluene 102 23 Perfluoro-n-heptane 82 110 Perfluorod: I; methylchlorocyclohexane 129 21 Chloropentadëcafluoroheptane 96 82 Perfluorodibutyl ether 100 33 Perfluoro-N-tributglamine 178 3 Perfluorotriethylamine 71 135 Dichloro-triethylamine 71 135 Dichloro (triethylamine)
EMI4.6
<tb>
<tb> methyl) <SEP> benzene <SEP> 170 <SEP> 5
<tb> Perfluorotri-n-propylamine <SEP> 129 <SEP> plus <SEP> of <SEP> 3
<tb>
EMI4.7
Perfluoroclicyclohexyl ether 175 more than 3
EMI4.8
<tb>
<tb> Perfluorinated <SEP> Cyclic <SEP> Ether
<tb> C6F12O <SEP> 56 <SEP> plus <SEP> of <SEP> 100
<tb> Ether <SEP> cyclic <SEP> perfluorinated <SEP> 101 <SEP> 37
<tb> C8F16O
<tb> Perfluoro-1-ethylnaphthalane <SEP> 178 <SEP> plus <SEP> of <SEP> 3
<tb>
The compounds in this list are given by way of example and other fluorinated organic compounds can be used in small amounts.
tities to improve the dielectric breakdown strength of nitrogen.
The fluorinated organic compounds of the present invention are liquids at temperatures in the region of 25 ° C.
<Desc / Clms Page number 5>
These quantities of these liquid fluorinated organic compounds are introduced into a sealed envelope in the proportions indicated above., a large part of the compound or the entire compound., depending on the proportion of compounds per cubic foot of gas in the gas. 'envelope, evaporates because the vapor pressure of the compound is at least 3 mm of mercury at 25 C.
As the compounds are used in association with electrical appliances which give off large amounts of heat in service, the atmosphere inside the enclosure will be appreciably hotter than the outside temperature, and under these conditions an estimated partial voltage. - The vapors of the fluorinated organic compound will prevail in the envelope.
When the liquid evaporates completely, the partial voltage at a determined temperature depends only on the quantity of fluorinated organic compounds present per cubic foot of gas in the envelope. Certain compounds, particularly if used in the maximum proportions indicated, may condense when the appliance is not in use and the outside temperature drops. The choice of the compound should be guided by these considerations and one will use a low boiling point perhalocarbon having a sufficiently high vapor pressure even below 0 C, or a mixture of two or more perhalocarbons including one. at least has a high vapor pressure at low temperatures sufficient to give a total vapor pressure of at least 3 mm of mercury at the expected temperatures.
Fig. 1 of the drawing shows a 1D transformer, as an example of gas filled apparatus constructed and operating in accordance with the present invention. The transformer comprises an outer casing 12 with a hermetically sealed bottom 14 and a hermetic cover 16 cooperating to form a gas-tight enclosure for the electrical elements of the transformer. The transformer cover 16 carries nozzles 18 and 20 for the high voltage and low voltage connections. These nozzles are mounted on the casing using suitable hermetic seals to prevent the escape of gases contained in the casing. Inside the latter are the coils 22 mounted on a frame 24 resting on the bottom 14.
If desired, although not necessarily, the bottom 14 can be hollowed out with a cavity 26 into which can be poured a small amount of a fluorinated organic compound 28 which vaporizes and mixes with nitrogen or an insulating gas and relatively permanent analogue to form the atmosphere of the envelope.
The space inside the casing and around the coils 22 is filled with a composite insulating gas 30, essentially consisting of a) a large volumetric proportion, in terms of partial pressure, of a relatively permanent gas or non-condensable such as nitrogen, argon, neon., air, carbon dioxide, etc., or mixtures of these gases and b) the remainder, formed of vapors of one or more organic compounds fluorinated. The gas which is relatively non-condensable by itself, nitrogen for example, has electro-insulating properties limited to atmospheric pressure. The dielectric properties of nitrogen at a pressure of 760 mm will only provide adequate electrical insulation at moderate voltages not exceeding 15,000 volts.
The partial pressure of nitrogen, for example, in the composite insulating gas 30 will generally be in the range of 74 to 76 cm of mercury, but this pressure may be a little more or a little less depending on the amount of organic vapors. fluorinated present; the temperature inside the enclosure, the resistance of the enclosure and other factors. The total pressure in the casing can reach 2 atmospheres at 25 C. In some cases, the transformer casing may be fitted with a vent which allows gas to escape if the pressure exceeds a certain predetermined limit, but this This precaution is generally not desirable, because it results in the loss of part of the fluorocarbon vapors contained in the envelope. It should therefore only be used in an emergency.
<Desc / Clms Page number 6>
It can therefore be seen that remarkable advantages from the point of view of electrical insulation are obtained with electrical devices whose envelopes are filled with a composite insulating gas practically at atmospheric pressure, that is to say 74 to 76 cm. mercury, this gas containing a large proportion of nitrogen and a lower proportion of vapors of a fluorinated organic compound. The insulation offered by this composite gas is exceptional since it exceeds the dielectric breakdown strength of nitrogen by at least 50%.
During the construction of a transformer of the type shown in fig. 1 of the drawing according to the present invention, after assembling the transformer and closing all the joints so that the envelope is relatively tight, the air present can be expelled in several known ways, for example by displacement or by the use of heat. and an evacuation pump, and replaced by a dry, inert and non-condensable insulating gas such as nitrogen. The purpose of removing air is primarily to remove oxygen and water vapor to prevent oxidation of the insulation which may include paper, resin, varnish, etc. ., in service at moderately high temperatures up to 200 C.
Openings with suitable valves can be drilled in the casing for this purpose. A predetermined weight of fluorinated organic compound can be introduced into the shell of the transformer, this compound evaporating to an extent depending on the temperature of the shell and the vapor pressure of the compound. The fluorinated organic compound can be a single compound or a mixture of two or more compounds and should be present at 0.003 to 0.25 pounds per cubic foot of gas space. Although fluorinated organic compounds have a much higher molecular weight than that of nitrogen, for example, the gases mix perfectly without any segregation, especially when the device is in operation, under the effect of natural diffusion and convection currents.
Fig. 2 shows the rise in spark voltage, determined in a standard A.I.E.E. by adding small varying amounts of perfluoromethylcyclohexane to a compound atmosphere of 74 cm. nitrogen mercury. Nitrogen alone allows the formation of the spark at the voltages indicated by the three parallel straight lines in the lower part of the graph, lines which are practically horizontal and the lower of which is determined by tests with a voltage at 60 periods, l 'Intermediate by testing with negative pulse trains of 1-1 / 2 x 40 microseconds and the upper by testing with positive pulse trains of 1-1 / 2 x 40 microseconds.
These three lines indicate that the spark voltage does not vary much as the nitrogen pressure increases. On the other hand, the addition of very small quantities of perfluoromethylcyclane considerably increases this voltage both for the positive and negative pulses of 1-1 / 2 x 40 microseconds and for the voltage at 60 periods as indicated by the three upper curves.
Fig. 3 shows the proportion of the gain in dielectric strength achieved on nitrogen alone by incorporating various amounts of perfluoro-n-heptane and perfluoromethylcyclohexane respectively in a nitrogen atmosphere, and determined by negative imposition trains of 1.5 x 40 microseconds. Note that 0.003 pounds of either of these two fluorinated compounds is sufficient to increase the dielectric strength by 60-80%, and that 0.04 pounds of either per cubic foot of nitrogen increases the dielectric strength to negative pulses at about 200% of the resistance obtained with nitrogen alone.
The curves in fig. 4 show the gain achieved on nitrogen alone in dielectric strength at 60 periods, with gaseous compositions comprising 1 atmosphere of nitrogen and the small amounts indicated of vapors, perfluoromethylcyclohexane and perfluoro-n-heptane, respectively.
<Desc / Clms Page number 7>
The curves of figs. 2, 3 and 4 show a surprising increase in dielectric strength by incorporating the indicated small amounts of fluorinated organic compound vapors. Vapors of other fluorinated organic compounds improve dielectric strength
EMI7.1
also unexpectedly when lës30ute with nitrogen. For example, adding 0.052 pounds of monochloropentadecafluorodimethylcyclohexane per cubic foot of nitrogen under a pressure of one atmosphere increases the dielectric strength at 60 periods by 100% relative to that of nitrogen alone, while the dielectric strength at pulses negative is increased by 171%.
The addition of 0.06 pounds of perfluorodimethylcyclohexane per cubic foot of nitrogen under one atmosphere absolute pressure increases the tensile strength by 118% in tests with a 60 period voltage while the dielectric strength to trains d The negative pulses of 1.5 x 40 microseconds increase by 194% compared to nitrogen alone.
In one case, a series of composite gases were prepared by adding to each cubic foot of nitrogen at a pressure of 760 mm Hg the indicated weight of the fluorinated compounds listed in Table II below, and the gains of dielectric strength indicated in tests carried out on each of the composite gases with a voltage at 60 periods according to the standard method of the IAEA, the electrodes being separated by 50.8 mm.
TABLE II
EMI7.2
<tb>
<tb> Compound <SEP> Book <SEP>, by <SEP> foot <SEP> Gain <SEP> in <SEP>% <SEP> on
<tb> cube <SEP> N2 <SEP> under <SEP> 760 <SEP> mm
<tb> Hg
<tb>
EMI7.3
Perfluoromethylyclohexane 0.03 111 Perfluorotripropylamine 0.03 106
EMI7.4
<tb>
<tb> Perfluoroheptane <SEP> 0 <SEP>, 03 <SEP> 104
<tb> Perfluorocyclic <SEP> Ether <SEP> C8F16O <SEP> 0.06 <SEP> 157
<tb>
As an example of the practical application of the invention, an X-ray image amplifier tube operating at 30,000 volts is filled with a composite gas under a total pressure of 76 cm, composed of nitrogen and 0.13. pound per cubic foot of perfluorocyclic ether C8F16O. The tube filled with this gas operates satisfactorily at this voltage. Nitrogen alone would not have been suitable for this application.
Fluorinated organic compounds are extremely stable under normal electrical and temperature conditions in transformers and other electrical devices they are used to isolate. In contrast, fully chlorinated aliphatic compounds like carbon tetrachloride decompose to an undesirable extent at their boiling point or at normal operating temperatures for electrical appliances. Carbon tetrachloride is decomposed by the presence of corona discharges and its decomposition products are very corrosive. The ordinary chlorofluoro derivatives of methane and ethane are composed by even fairly weak corona discharges, and the decomposition products formed are very corrosive and attack the insulation of the apparatus.
The decomposition products of these chlorinated compounds include gaseous chlorine or hydrochloric acid which react with the insulation of the windings as well as with the copper and cause severe corrosion and premature shutdown of the device. Therefore, carbon tetrachloride and chlorofluoro derivatives of methane and ethane are of no practical use.
Even under arcing conditions, the highly fluorinated organic compounds described tend at most to form low molecular weight compounds such as unsaturated fluorocarbons, which
<Desc / Clms Page number 8>
are themselves insulators and do not attack the insulation of electrical elements o These compounds are not sensitive to humidity or to materials forming part of electrical devices and do not react with them, and can therefore be used in any environment. safety in electrical appliances.
Apparatuses constructed in accordance with the present invention are gas filled, but preferably maintained at approximately atmospheric pressure so that they are safe and harmless, compared to presently existing sealed gas filled apparatuses. The tendency to leak is very low thanks to the low pressure difference with the atmosphere.
The regular and safe operation of these devices makes it possible to use them in underground passages, subways, vessels, electric locomotives, etc. The design and the watertight closing of the casings for these devices are simpler and more economical than in the devices. working under high pressure
Electrical apparatus constructed in accordance with the present invention with a gaseous atmosphere formed of nitrogen, for example, and a fluorinated organic compound can operate at much higher voltages than existing apparatus insulated by gas at atmospheric pressure. They resist atmospheric discharges or other external influences better than known electrical devices.
Other advantages will become apparent to specialists in the field.
CLAIMS
1.- Electrical apparatus characterized in that it comprises a casing containing electrical conductors and a composite gas dielectric surrounding these conductors., Said gaseous dielectric being under a pressure not exceeding two atmospheres at 25 C and essentially comprising a proportion, volumetric of a relatively inert gas and permanent the remainder being formed by the vapors.,; under a partial pressure of at least 3 mm of mercury at 25 C, of fluorinated organic compounds with at least 4 carbon atoms.