Composition électriquement semi-conductrice destinée a la protection des isolements d'organes soumis à de hautes tensions et procédé pour la préparation de cette composition. La présente invention se rapporte à une composition électriquement semi-conductrice destinée à la protection d'organes électriques soumis à de hautes tensions, ainsi qu'à un procédé pour la préparation de cette compo sition.
Dans les appareils à haute tension avec isolement en matière organique, la formation d'effluves est susceptible de limiter la durée de l'isolement ainsi que la tension admissible dans les organes électriques et conducteurs, étant donné que ces effluves ont la tendance de détruire la matière organique, de sorte que l'isolement électrique est rendu ineffectif. Les effluves, qui produisent dans les appa reils électriques une ionisation des gaz ambiants, ont lieu lorsque l'air ou d'autres fluides gazeux sont soumis à un haut gra dient de tension électrostatique et que les molécules d'oxygène ou d'autres gaz dQvien- nent chimiquement ou électriquement haute ment actives.
Dans ces conditions, de l'ozone, des gaz nitreux et d'autres substances chimi ques peuvent être formés. La décomposition ou détérioration de l'isolement organique a lieu tellement facilement grâce à_ ces subs tances chimiques, et à im degré tel, que dans certains cas l'isolement organique peut faire défaut après quelques mois.
Dans les -.as oâ l'isolement consiste en matières inorganiques, telles que par exemple du mica combiné avec un liant organique, l'action desdits effluves sur le liant organique nécessitera une répa ration à de fréquents intervalles.
Il a été déjà antérieurement proposé d'em ployer certaines compositions semi-conduc trices comme peintures pour les surfaces d'isolement pour prévenir des gradients de tension qui provoqueraient ordinairement la formation d'effluves. On a, par exemple, appliqué sur les conducteurs isolés une sus pension colloïdale de graphite, en vue ,le pro duire un revêtement semi-conducteur pérmet- tant de mettre à la terre la surface de l'iso lement électrique, et de rendre impossible ainsi la formation d'effluves.
Lorsqu'on applique cette composition sur la surface de l'isolement électrique, de sorte qu'il n'y a pas d'interstice entre l'isolement et les revê tements de peinture semi-conductrice, aucune action ne se produit parce que la surface entière de l'isolement :est de très près sous le même potentiel relatif.
Ces couches semi-conductrices à base de graphite, tout en ayant une résistance ohmi que sensible, ne peuvent être employées que pour des organes électriques à faible tension et seulement pour - certaines applications spéciales telles que, par exemple, pour des fentes dans des induits feuilletés. La résis- tance de la peinture conductrice est de, 100-à 10 000 ohms par 6,4515 cm' de surface pour un film d'une épaisseur de 0,075 à 0,1 mm. Une telle résistance, relativement faible, n'est pas entièrement. satisfaisante pour empêcher de hauts gradients de tension électrostatique.
La quantité du courant passant dans la pein ture conductrice étant inversement propor tionnelle à- la résistance et directement pro- portionnelle à la tension dans le conducteur, fine quantité de, courant relativement grande passera dans les couches conductrices em- ployées jusqu'à présent, lorsque la tension, est de l'ordre de 6600 volts ou plus dans le conducteur sur l'isolement duquel est appli quée la -peinture. En fait, la surface d'isole ment peut s'échauffer au point qu'on ne peut la toucher.
Une chaleur excessive est au moins tout aussi nuisible à l'isolement orga nique que les effluves. Par conséquent, la plupart des peintures conductrices connues sont inappropriées pour la protection d'isole ment .à haute tension.
Il n'est pas pratique de réduire la pro portion du graphite dans une peinture semi- conductrice, dans le but de produire une ré- sistance élevée, de, l'ordre de 1 mégohm ou plus par exemple, étant donné que lorsque la quantité de graphite devient relativement petite, des erreurs minimes dans la constitu tion de la peinture auraient pour consé quences des différences énormes de la résis tance.
De plus, les couches en résultant se raient relativement instables, car un film ren fermant très peu de -particules de graphite serait si mince que par l'expansion, l'usure, le vieillissement ou par d'autres facteurs la couche deviendrait facilement inèffective. De telles minces couches présentent également des variation excessives de résistance avec les variations de tension.
Afin de produire une peinture d'une ré sistance bien plus haute, on peut soumettre du bois à un traitement thermique à une tem pérature prédéterminée. Les peintures prépa rées avec- la matière ainsi obtenue ont une résistance plus grande que celles à base de graphite:
Malheureusement, une couche ren- fermant du charbon de bois n'est pas suffi samment stable, sa résistance augmente après un certain temps, de sorte que, après quelques années, elle ne répond plus aux conditions requises. On croit que ce phénomène est prin cipalement dû au fait que le charbon de bois comporte de grandes quantités de, gaz absorbés qui réagissent avec le liant de la peinture dans laquelle ils :sont renfermés, provoquant ainsi un changement progressif de ce liant.
Vu qu'il est nécessaire d'incorporer une grande quantité de charbon dans le liant pour préparer une peinture appropriée, les liants à base organique, etç. sont soumis à un changement, continuel et indésirable.
Les recherches relatives aux qualités re quises d'une peinture ou composition conduc trice susceptible d'être employée pour des conducteurs à haute tension indiquent que la peinture semi-conductrice doit de préférence avoir une résistance de 1 à 1'ü0!0 mégohms par 6,4515 cm' d'un film d'une épaisseur de 0,075 à 0,1 mm,
afin d'égaliser suffisamment le potentiel pour éviter la formation d'efflù- ves sans permettre le passage de courants électriques tels que 1e revêtement du con ducteur soit soumis à un échauffement nui sible. La résistance désirée dépend de la tension du conducteur, de la longueur du con ducteur à revêtir et d'autres facteurs, de sorte qu'on ne peut donner des valeurs particu lières.
La composition suivant l'invention se ca ractérise en ce qu'elle comprend une matière électriquement conductrice finement divisée renfermant au moins 15 % d'anthracite ayant moins de 10% -de matières volatiles et un liant susceptible de former un film après application de ladite composition sur un support.
Le procédé pour- la préparation de la sus dite composition se caractérise en ce qu'on prépare une matière électriquement conduc trice finement divisée renfermant au moins 15 % d'un mélange d'anthracites provenant de différentes sources et contenant moins de <B>10%</B> de matières volatiles, en ce qu'on effec tue le broyage de ladite matière jusqu'à finesse colloïdale, un broyage étant en outre effectué en présence du liant jusqu'à homo généité de la masse.
Pour le but de l'invention, l'anthracite employé doit renfermer moins de<B>10%</B> de matières volatiles et de préférence être libéré de toute matière terreuse et d'autres impu retés indésirables. Vu le peu de sources d'an thracite présentant les conditions voulues et les différences de résistance .électrique de l'anthracite, on a trouvé que pour la plupart des applications il est nécessaire de mélanger deux ou plusieurs sortes d'anthracite, afin d'assurer une résistance électrique déterminée.
Par exemple, six .échantillons d'anthracite de Pensylvanie furent choisis, et ces échantillons pulvérisés et séchés furent examinés par rap port - à leur conductivité électrique. La cor rélation entre la résistance et le pourcentage de matière volatile est montrée dans la table suivante:
EMI0003.0010
<I>Table <SEP> I:</I>
<tb> Echantillon <SEP> % <SEP> de <SEP> matière <SEP> résistance <SEP> électri No <SEP> volatile <SEP> que <SEP> en <SEP> mégohms
<tb> 1 <SEP> 2,9 <SEP> 0,009
<tb> 2 <SEP> 3,1 <SEP> 0,009
<tb> 3 <SEP> 4,9 <SEP> 0,23
<tb> 4 <SEP> 6,4 <SEP> 0,38
<tb> 6,7 <SEP> 1,4
<tb> 7,7 <SEP> 7,6 Les résistances indiquées sont celles du charbon seul.
Les valeurs obtenues lorsque l'anthracite est incorporé dans différents liants sont évidemment différentes, bien que variant sensiblement dans le même rapport que celles qui sont mentionnées dans la table I.
L'anthracite utilisé peut être de l'anthra cite broyé, tel que celui qui est connu com mercialement sous la dénomination de "Blé noir" No 5 (Buck wheat) d'un diamètre de 2,381 mm ou plus fin, ou de l'anthracite moulu assez fin pour passer au tamis à 15,5 mailles par cm'. Il peut être préparé en mé langeant deux ou plusieurs qualités d'anthra cite, comme il fut déterminé par des essais. On peut également utiliser des mélanges d'an thracite et do charbon de bois ou d'autres matières solides conductrices.
On peut em ployer comme liant, par exemple, des résines naturelles ou des résines synthétiques. Le choix du liant dépend des qualités requises pour la peinture. On peut citer parmi les ré sines susceptibles- d'être- employées, les ré sines coumariques, les différentes résines alkydiques, telles que des résines à base de phthalate de glycérol et d'anhydride ma léique de glycol, les plénoplastes; le shellac.
D'autres substances organiques suscepti bles de former un film, telles que des esters et éthers cellulosiques, l'asphalte, peuvent être également employées. On peut même employer, dans certains cas, des matières inorganiques formant un film, telles que les silicates ou bien des bentonites.
Les résines susceptibles de durcir, sous l'action de la chaleur; par effet de condensa tion, de polymérisation ou d'oxydation, après leur application sur l'isolement des conduc teurs, présentent l'inconvénient de fournir des couches dont la résistance augmente graduel lement jusqu'à un maximum. En revanche. un risque de ramollissement par élévation de température n'est pas à craindre. Les subs= tances., telles que l'acétate de cellulose par -exemple, présentent ce risque: de ramollisse ment, mais fournissent aussitôt après séchage des couches de résistance constante.
Pour préparer la composition selon l'in vention, on peut procéder comme suit: une partie de charbon et deux parties d'un mé lange d'huile de lin et de résine- à base de phthalate de glycérol dissoutes dans 2 parties d'essence de pétrole ou d'un autre dissolvant approprié ou une partie de cellulose éthyli que, en dissolution dans un solvant et 3 par ties d'anthracite sont introduites dans -un broyeur à boulets et moulues pendant une période de 2 à 24 heures. Le charbon est alors réduit à une finesse colloïdale et la masse est homogène.
On peut aussi d'abord broyer l'anthra cite dans le broyeur à boulets dans le dissol vant du liant jusqu'à finesse colloïdale: Puis on ajoute le liant et on continue à moudre pendant an moins .une demi-heure pour assu rer la formation d'un mélange homogène.
Il est nécessaire de poursuivre le broyage jusqu'à homogénéité de la masse dans un broyeur à boulets ou à tube par exemple, ou dans tout autre dispositif approprié, pour assurer une résistance électrique uniforme de la couche protectrice. L'opération de broyage réduit l'anthracite à une finesse sensible ment colloïdale.
Une méthode pratique pour déterminer le degré de pulvérisation du char bon consiste .à introduire 0,01 % d'une sus pension de charbon dans un dissolvant tel' que l'acétone et à déterminer la transmission relative -de la lumière traversant un colori- mètre photoélectrique. Une transmission de 5 % de lumière semble correspondre à des particules moyennes d'environ 1 micron. Des valeurs de transmission de lumière de 1/j à 10 % semblent indiquer un broyage suffisant.
Dans la fig. 1 du dessin annexé est mon tré un tracé graphique représentant les varia tions de la résistance électrique, reportée en ordonnée, par rapport au pourcentage de pigment d'anthracite, reporté en abscisse, contenu dans une composition dont le liant est une résine organique, composition ayant servi au revêtement d'un ruban d'une épais seur de 0,25 mm, l'épaisseur totale après le revêtement étant d'environ 0,37 mm.
La courbe montre que la résistance varie très rapidement au-dessous .d'environ 10'% de pigment, de sorte qu'il est très difficile de prévoir la résistance électrique que l'on obtiendra si la peinture renferme moins de 10% de pigment.
Les compositions semi conductrices renfermant 15 à 907o de pigment par rapport au poids total du pigment et de la résine sont préférables. De petits changements dans la constitution de la peinture ne produisent pas alors de variations excessives de la résistance électrique. Dans la plupart des cas, on a trouvé que des cou ches très satisfaisantes sont produites,
si celles-ci contiennent environ <B>50%</B> d'anthra cite et approximativement <B>50%</B> de résine. Il n'est pas avantageux de dépasser tme teneur de 90 % d'anthracite, car le film peut devenir alors mécaniquement trop faible et tomber facilement en poussière lors de contact. On peut utiliser pour ainsi dire toute proportion de dissolvant et effectuer l'application de la peinture par brossage, par projection. au pistolet ou par d'autres méthodes.
On peut obtenir des résistances -variées suivant le mélange d'anthracites choisi.
La fig. 2 montre le, comportement de couches protectrices obtenues à partir de dif férentes compositions renfermant toutes une partie en poids de charbon pour une partie en poids de résine solide. Ces compositions ont été appliquées sur des bandes de 31,75 mm d'épaisseur en une couche de 0,25 mm puis séchées. Les bandes elles-mêmes étaient im- prégnées de la composition formant la cou che.
Les courbes représentées ont été obtenues en portant en abscisse le nombre- de jours pendant lesquels les films de différentes ma tières semi-conductrices. ont été soumis à l'action de vieillissement d'une température de 200 C, et en ordonnée la résistance élec trique des films pendant les essais. La courbe supérieure A, obtenue avec du charbon de bois de hêtre dans une résine à base d'huile de lin et de phthalate de glycérol montre une résistance après 5 jours de légèrement plus de 100 mégohms..
Après .cette durée; la ré sistance de la couche augmente très rapide ment et après 50 jours elle est d'environ <B>16,</B> 010'0 mégohms. Cette valeur de résistance finale est naturellement trop élevée pour n'importe quel emploi pratique et n'empêche rait pas efficacement la formation d'effluves.
La courbe B se rapporte à un mélange particulier d'anthracites pulvérisés et incor porés à l'aide d'un broyeur à boulets dans la même résine à- base d'huile de lin et de phthalate de glycérol. Le film obtenu possède une résistance, après 5 jours, de plus d'un mégohm, -et -nette résistance, après 5,0 jours, n'a pas augmenté sensiblement.
Un autre mélange d'anthracites pulvérisés ayant une résistance plus grande a été incor poré dans une résine coumarique ainsi que dans de l'asphalte. La résistance des couches obtenues après vieillissement dé 5 jours était approximativement de 18@ et .de 16x/2 mégohms respectivement (voir courbes C et D).
Après vieillissement de 50 jours, la résistance n'avait pas augmenté sensiblement vu qu'elle était alors de 2'2 et 2f1 mégohms.
La fig. 2 renferme encore une courbe F représentant la résistance d'une bande pré parée à partir d'un mélange de<B>50%</B> d'an thracite de la même qualité que celui relatif à la courbe B et de<B>50%</B> de charbon de bais de hêtre ayant une résistance similaire à ce lui utilisé pour la bande relative à la courbe A.
La résistance de la matière contenant ce mélange est intermédiaire entre les résis tances représentées par les courbes<I>A</I> et<I>B.</I> Elles indiquent une augmentation modérée de 9;3 à 43 mégohms. pendant la période d'essais.
La composition semi-conductrice selon l'invention peut être employée dans les appa reils de haute tension, tels que des généra teurs, pour protéger l'isolement des enroule ments terminaux des conducteurs par exem ple. Les liens ou ligatures et pièces d'espa cement employés dans l'appareil peuvent être traités avec -la composition, par exemple par immersion, et ensuite on peut les appliquer sur les conducteurs.-De cette façon, les gra dients de potentiel de surface sur les conduc teurs peuvent être réduits à une valeur telle que des .effluves ne peuvent pas se produire.
Quoique la peinture semi-conductrice puisse être appliquée en une seule couche sur les isolements des organes électriques tout en présentant une bonne adhésion mécanique, on a toutefois trouvé qu'il est avantageux d'appliquer, comme il est montré à la fig. 4, d'abord une première couche 32 sur le con ducteur isolé 18 et, lorsque celle-ci est encore humide, de revêtir cette couche de peinture semi-conductrice d'un ruban en tissu poreux 34, par exemple en fibres de verre ou de coton ou d'amiante, de sorte que la peinture pénètre dans le ruban et suinte à travers les espaces de ce dernier:
Puis ce ruban est peint avec la seconde couche 36 de peinture semi conductrice pour en couvrir toute la surface extérieure. Le ruban empêche que la pein- ture semi-conductrice ne s'effrite ou ne se dé tache sous l'action de chocs accidentels ou de la chaleur, et augmente ainsi sa durabilité.
Dans certains cas, les têtes d'enroulement peuvent être entrelacées en utilisant un ruban ou un fil en matière fibreuse préparé préala blement en y appliquant une peinture semi- conductrice et la séchant. Le ruban ainsi pré paré est fermement enroulé autour des enrou lements isolés, dans le but d'égaliser suffi samment le potentiel de surface pour éviter sensiblement la formation des effluves. Il est avantageux de prévoir encore une couche semi-conductrice après avoir fixé le ruban.
De plus, après avoir appliqué le ruban ou le fil semi-conducteur sur les enroulements, on peut le revêtir d'une couche additionnelle d'une peinture résistant aux agents atmo sphériques pour éviter tout contact de l'air ou de l'humidité avec les enroulements.
La fig. 3 montre un ruban semi-conduc teur 40 du genre précité. Le ruban 40 est préparé en plongeant un ruban 42 en fibres de verre, étoffe de coton, en amiante ou en toute autre matière appropriée ou en un mé lange de ces produits, dans une peinture semi-conductrice conforme à l'invention, con tenant par exemple une résine, et en séchant la peinture, afin d'éliminer les dissolvants de la résine. On peut ensuite appliquer une ou plusieurs couches de cette peinture sur le ruban. Le ruban ainsi traité est apte alors à être appliqué sur des machines en service.
Un ruban formé de fibres de verre est particu lièrement indiqué comme ligature, car il pré sente -une force exceptionnelle.
La composition selon l'invention permet d'obtenir une couche semi-conductrice dont la résistance est sensiblement uniforme. Elle permet, par exemple, de limiter la variation de résistance entre les différentes parties de têtes d'enroulement à 20 % environ, et un tel résultat est considéré comme bon dans la pratique.