CH628178A5 - Dielectric fluid and an electrical device containing said fluid - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Flüs- Beginn-Spannung» bezeichnet und gemäss dem englischen sigkeit, die eine Hauptmenge eines flüssigen Polyorganosiloxa- Ausdruck für diese Korona-Beginn-Spannung (corona ineep-nes und eine kleinere Menge einer solchen nitro-substituierten tion voltage) mit «CIV» abgekürzt. Diese Spannung hängt von aromatischen, aliphatischen oder cycloaliphatischen Verbin- 60 der Geschwindigkeit ab, mit der die Spannung gesteigert bzw. dung bzw. Mischung dieser Verbindungen enthält, die in dem angelegt wird. Es besteht ein wesentlicher Unterschied zwi-Siloxan löslich ist. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfin- sehen verschiedenen Flüssigkeiten bezüglich der Empfindlichdung elektrische Vorrichtungen, insbesondere Transformato- keit gegenüber der Geschwindigkeit der Spannungserhöhung, ren oder Kondensatoren, die bevorzugte derartige dielektri- Die Glimmentladung oder Korona löscht jedoch aus, wenn sehe Flüssigkeiten enthalten. 65 eine Verminderung der Spannung auftritt. Diejenige Spannung,

Bei einer grossen Anzahl an elektrischen Vorrichtungen ist bei der die Korona wieder auslöscht, also die Korona-Extink-es notwendig, ein flüssiges Isoliermedium einzusetzen, das «di- tionsspannung, die gemäss dem englischen Ausdruck «corona elektrische Flüssigkeit» genannt wird. extinction voltage» mit «CEV» abgekürzt wird, ist für jede ein-

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zelne Flüssigkeit kein konstanter und festbleibender Wert, son- entsprechen. In sämtlichen angeführten Formeln bedeuten die dem sie hängt von der Intensität der Glimmentladung oder Reste R organische Reste, und zwar vorzugsweise Kohlenwas-Korona ab, die auftrat, ehe wieder die Spannung gesenkt serstoffreste und halogenierte Kohlenwasserstoffreste und x ist wurde. Um beste Resultate zu erzielen, sollten beide Werte, eine ganze Zahl. Typische Beispiele für geeignete Reste R sind nämlich die Korona-Beginn-Spannung und die Korona-Aus- 5 die folgenden: Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Butyl-, Hexyl-, Decyl-, lösch-Spannung so hoch wie möglich sein und ferner sollten Dodecyl-, Octadecyl-, Vinyl-, Allyl-, Cyclohexyl-, Phenyl-, Xenyl-diese beiden Werte möglichst nahe beieinander liegen. (Diphenyl-)Tolyl-, Xylyl-, Benzyl-, 2-Phenyläthyl-, 3-Chlorpro-

Bei den Arbeiten, die zur Auffindung der erfindungsgemäs- pyi. 4-Brombutyl-, 3,3,3-Trifluorpropyl-, Dichlorphenyl-, und sen dielektrischen Flüssigkeiten durchgeführt wurden, hat es a,a,a-Trifluortolyl-Reste. Vorzugsweise enthalten derartige sich gezeigt, dass dann, wenn gewisse ausgewählte mit Nitro- to Reste R1 bis 6 Kohlenstoffatome, wobei von diesen Resten der gruppen substituierte organische Verbindungen in flüssige Methylrest, der Vinylrest und der Phenylrest speziell bevorzugt

Polyorganosiloxane einverleibt werden, die erhaltenen sjncj.

Mischungen als dielektrische Flüssigkeiten in elektrischen Vor- * in den erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten richtungen geeignet sind. Man kann annehmen, dass diese stellt der Polysiloxanbestandteil den Hauptbestandteil der di-

Mischungen dann, wenn sie als dielektrische Flüssigkeiten ein- 15 elektrischen Flüssigkeit dar, d. h. dieses Material beträgt mehr gesetzt werden, geeignete Ersatzmaterialien für die mehrfach ais 50% der Mischung und vorzugsweise stellt das Polyorgano-chlorierten Diphenylverbindungen darstellen, die als Konkur- siloxan 80 bis 99,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der renzprodukte, bisher im entsprechenden Gebiet Einsatz gefun- erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeit dar. Die den hatten. erwähnten flüssigen Polyorganosiloxane sind bekannte Mate-

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine di- 20 rialien, und sie sind auf der ganzen Welt im Handel erhältlich, ejektrische Flüssigkeit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Als weiteren Bestandteil enthalten die erfindungsgemässen eine Hauptmenge eines flüssigen Polyorganosiloxanes und dielektrischen Flüssigkeiten eine kleinere Menge einer Verbin-eine kleinere Menge einer Verbindung, die in dem Siloxan lös- dung, die ein nitro-substituierter aromatischer Kohlenwasser-lich ist, enthält, wobei diese Verbindung eine nitro-substituierte stoff, ein nitro-substituierter aliphatischer Kohlenwasserstoff, aromatische Verbindung, eine nitro-substituierte aliphatische 25 ein nitro-substituierter cycloaliphatischer Kohlenwasserstoff Verbindung, eine nitro-substituierte cycloaliphatische Verbin- oder eine Mischung aus zwei oder mehreren derartigen Verbindung, oder eine Mischung aus zwei oder mehreren derartigen düngen ist. Man nimmt an, dass es wesentlich ist, dass diese Verbindungen ist. Nitroverbindungen in dem flüssigen Polyorganosiloxananteil

Bevorzugte, in den erfindungsgemässen dielektrischen Flüs- der Mischung löslich sind. Obwohl beliebige der oben angege-sigkeiten enthaltene nitro-substituierte Verbindungen sind 30 benen Nitroverbindungen bei der Anwendung in dem erfin-dabei nitro-substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe, dungsgemässen Einsatzgebiet nützlich sind, so sind dennoch nitro-substituierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, nitro-sub- bevorzugte, in den erfindungsgemässen dielektrischen Flüssig-stituierte cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe, oder eine keiten enthaltene Nitroverbindungen die entsprechenden

Mischung aus zwei oder mehreren derartigen Verbindungen. Mononitroverbindungen, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome aufwei-

Beispielsweise kann eine erfindungsgemässe dielektrische 35 Sen.

Flüssigkeit aus 80-99,5 Gew.-% des Siloxanes und 0,5-20 Die in den erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten

Gew.-% an nitro-substituierten Verbindungen, jeweils bezogen enthaltenen Nitro-Kohlenwasserstoffverbindungen stellen den auf das Gesamtgewicht der dielektrischen Flüssigkeit, aufge- kleineren Anteil dar, d. h. sie machen weniger als 50 Gew.-%, baut sein. bezogen auf das Gesamtgewicht der dielektrischen Flüssigkeit

Vorzugsweise weist eine derartige dielektrische Flüssigkeit 40 aus. Im allgemeinen ist es jedoch vorzuziehen, dass diese Mate-bei einer Temperatur von 25 °C eine Viskosität im Bereich von rialien in den dielektrischen Flüssigkeiten in Mengen enthalten 5 bis 500 est auf, und die in ihr enthaltenen nitro-substituierten sind, die im Bereich von 0,5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Verbindungen sind eine nitro-substituierte aromatische Verbin- Gesamtgewicht der Mischungen, liegen.

dung, eine nitro-substituierte aliphatische Verbindung, eine Die erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten kön-

nitro-substituierte cycloaliphatische Verbindung, oder eine 45 nen gegebenenfalls noch weitere Bestandteile enthalten, wie Mischung aus zwei oder mehr derartigen Verbindungen. zum Beispiel kleine Mengen an üblichen Zusätzen, wie bei-

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine dielek- spielsweise Abfangmittel für Chlorwasserstoffsäure, Korro-trische Vorrichtung, welche die zuletzt genannte bevorzugte sionsinhibitoren und andere übliche Zusätze, die normaler-erfindungsgemässe dielektrische Flüssigkeit enthält. weise in derartigen Mischungen eingesetzt werden. Derartige

Bevorzugte erfindungsgemässe elektrische Vorrichtungen, 50 weitere Bestandteile können in den erfindungsgemässen di-welche die fraglichen dielektrischen Flüssigkeiten enthalten, elektrischen Flüssigkeiten enthalten sein, sofern sie keinen sind dabei ein Transformator oder ein Kondensator. In den nachteiligen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften der erfin-erfindungsgemäsen elektrischen Vorrichtungen sind die in dungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten haben.

deren dielektrischen Flüssigkeiten enthaltenen Polyorganosilo- Die beiden wichtigsten elektrischen Vorrichtungen, in xane vorzugsweise Dimethylpolysiloxane, welche Trimethylsi- 55 denen die erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten ein-lylendgruppen aufweisen. gesetzt werden, sind Kondensatoren und Transformatoren. Die

Die in den erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeiten haben sich enthaltenen Polyorganosiloxane sind vorzugsweise hauptsäch- auch als sehr nützlich bei anderen elektrischen Vorrichtungen lieh aus Siloxaneinheiten der Formel R2SÌO aufgebaut und sie herausgestellt, wie zum Beispiel bei elektrischen Kabeln, bei können ferner auch geringere Mengen an Siloxaneinheiten der 6o Gleichrichtern, bei Elektromagneten, bei Schaltern, bei Sichefolgenden Formeln rungen, bei Stromkreisunterbrechungen und ferner sind sie als

Kühlmittel und Isoliermittel für dielektrische Vorrichtungen, R3Si01/2, RSÌO3/2 und SÌO4/2 wie zum Beispiel bei Übertragern, Sendestationen, Empfän gern, Rücklaufspulen (fly-back coils), akustische Baukasten und enthalten. Von speziellem Interesse sind dabei flüssige Polyor- 65 Bausätze sowie akustische Spielzeuge (sonar bouys and toys). ganosiloxane, die der folgenden allgemeinen Formel I Die Arbeitsweisen und Methoden zur Anwendung der di-

, v elektrischen Flüssigkeiten in diesen verschiedenen Anwen-R3SiO(R2SiO)xSiR3 (i)

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dungsgebieten, beispielsweise als in einem Behälter enthaltene dielektrische Flüssigkeit oder als Imprägnationsmittel sind für den Fachmann gut bekannt. Zur Erzielung besonders guter Resultate soll die Viskosität der erfindungsgemässen dielektrischen Flüssigkeit so sein, dass die Viskosität dieser Mischung bei 25 °C im Bereich von 5 bis 500 Centistokes liegt. Wenn die Viskosität derartiger Flüssigkeiten über 500 Centistokes ansteigt, dann ist es schwierig, diese Materialien als Imprägnierungsmittel zu verwenden, während in demjenigen Fall, wo die Viskosität weniger als 5 Centistokes beträgt, die Flüchtigkeit der Flüssigkeit im allgemeinen ein Problem darstellt, falls sie nicht in einem geschlossenen System eingesetzt wird.

Die Erfindung sei nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. In diesen Beispielen beziehen sich alle Teile und Prozentsätze auf das Gewidit, falls nicht ausdrücklich andere Angaben vorliegen, und ferner wurden auch alle Viskositäten bei 25 °C bestimmt, falls nicht wieder ausdrücklich andere Angaben gemacht werden.

Beispiel 1

Es wurde ein qualifizierender Prüftest für dielektrische Flüssigkeit entwickelt und man nimmt an, dass diese in gute Übereinstimmung mit Ergebnisen steht, die in Kondensatoren zu Testzwecken erzielt werden. Das Hauptstück der Ausstattung, die für diesen Test benötigt wird, ist ein Biddle-Korona-Detektor mit einer manuell betätigten Variac-Kontroll-Vor-richtung (Biddle Corona Detector with a manual Variac control). Die Testzelle besteht aus einem zylindrischen Glasbehälter. Der Boden bzw. die Basis dieser Zelle ist ein Kunststoffmaterial mit keramischem Füllstoff, welches eine Platte aus rostfreiem Stahl aufweist, die direkt mit der Erde verbunden ist. Ferner ist ein Deckel oder Oberteil aus rostfreiem Stahl für den Behälter vorgesehen, an welchem eine Hochspannungselektrode angebracht ist, die mit einem Mikrometer einstellbar ist. Die Hochspannungselektrode weist am Ende eine Abtastnadel (Plattenspielernadel) aus Stahl auf. Die Spitze dieser Nadel befindet sich 0,0635 cm (25 mils) über der geerdeten Grundfläche. In der Hochspannungsleitung, die mit der Elektrode verbunden ist, befindet sich ein Widerstand von 1,67x IO8 Ohm. Dies ist ein Strombegrenzungswiderstand (Stromdrosselungswiderstand).

Während des Tests werden wenige Kubikcentimeter der zu testenden Flüssigkeit in den Behälter gegeben und der Deckel wird in die richtige Anordnung gebracht. Wenn man jetzt die Spannung ansteigen lässt, tritt eine teilweise Entladung zwischen der Spitze der Elektrode und der Grundplatte auf. Dadurch wird Strom verbraucht, der die angelegte Spannung so weit vermindert, dass sie unterhalb des Niveaus absinkt, wo eine Entladung stattfindet. Wenn kein Strom mehr verbraucht wird, dann erreicht die angelegte Spannung wieder das Potential, wo eine teilweise Entladung stattfindet. Durch diese Entladung wird wieder Strom verbraucht und der Vorgang wiederholt sich. Dementsprechend wird der Strom tatsächlich sehr rasch eingeschaltet und abgeschaltet und ein vollständiger

Durchschlag der Flüssigkeit bzw. Zusammenbruch der dielektrischen Flüssigkeit kann nicht auftreten.

Beim Betrieb dieser Testvorrichtung wird die angelegte Spannung langsam erhöht, indem man den. Variac entspre-5 chend einstellt. Die teilweisen Entladungen werden auf einem Oszilloskop des Korona-Detektors beobachtet. Derjenige Punkt, bei dem die elliptischen Lissajous-Schwingungsfiguren auf dem Schirm aufgrund von Entladungen zu verschwimmen .beginnen, und bei dem ein ständig hörbares Krachen in der io Zelle auftritt, wird als Korona-Beginn-Spannung (CIV) festgehalten. Die Geschwindigkeit des Ansteigens der angelegten Spannung ist vielleicht wenige hundert Volt pro Sekunde. Sobald die Korona-Beginn-Spannung festgestellt wurde, wird die Spannung langsam gesenkt, bis das elliptische Lissajous-15 Schwingungsspektrum auf dem Schirm wieder zu sehen ist, und zwar wieder aufgrund der Tatsache, dass Entladungen teilweise aufhören. Der Punkt, bei dem dieser Vorgang stattfindet, wird als Korona-Auslösch-Spannung (CEV) vermerkt.

Eine Anzahl an dielektrischen Flüssigkeiten wurde herge-20 stellt und diese bestanden im wesentlichen aus Mischungen eines flüssigen Polydimethylsiloxanes mit Trimethylsilyl-End-gruppen, das eine Viskosität von 50 Centistokes besitzt und aus verschiedenen nitro-substituierten Kohlenwasserstoffen, wobei die Mengenverhältnisse unterschiedlich waren. Diese so herge-25 stellten Mischungen wurden nach dem oben beschriebenen Testverfahren überprüft. Die jeweils angewandten nitro-substi-tuierten Kohlenwasserstoffe, die Menge in der sie eingesetzt wurden, wobei der Rest auf 100 Gew.-% aus dem Siloxan besteht, und die beim Test erzielten Ergebnisse sind in der fol-3o genden Tabelle zusammengestellt. Eine Zahl, hinter der ein Pluszeichen (+) steht, zeigt an, dass der Test bei dem angeführten Punkt beendet wurde, und der tatsächliche Wert ist dementsprechend etwas höher als der in der Tabelle angeführte Wert.

35

Tabelle

40

45

Nitroverbindung

Menge in

CIV

CEV

Gew.-%

(in Kilovolt)

(in Kilovolt)

A*

keine

0

15,6

14,8

B

Nitrobenzol

5

18,0

14,5

2,5

20,0

18,8

1

19,2

17,6

C

2-Nitropropan

10

19,8

17,0

5

18,4

17,6

2,5

20,0+

18,0

1

20,0+

19,0

D

o-Nitrotoluol

1

19

18

E**

o-Nitrodi-phenylamin

<1

18

16,4

*dient zu Vergleichszwecken; **gesättigte Lösung

Claims (8)

1. 628178 2

   PATENT AN SPRÜCHE Dieses flüssige Medium hat eine wesentlich höhere Durch-

   1. Dielektrische Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass schlagsfestigkeit als Luft und wenn man Luft aus Zwischenräu-sie eine Hauptmenge eines flüssigen Polyorganosiloxanes und men zwischen Leitern in einer elektrischen Anordnung oder eine kleinere Menge einer Verbindung, die in dem Siloxan lös- einem elektrischen Apparat durch ein derartiges Medium lieh ist, enthält, wobei diese Verbindung eine nitro-substituierte 5 ersetzt, dann wird die Durchschlagspannung oder Überschlag-aromatische Verbindung, eine nitro-substituierte aliphatische Spannung dieser elektrischen Vorrichtung wesentlich erhöht. Verbindung, eine nitro-substituierte cycloaliphatische Verbin- Dadurch, dass die elektrischen Apparaturen und elektrischen dung oder eine Mischung aus 2 oder mehreren derartigen Ver- Anordnungen immer ausgeklügelter und spitzfindiger werden, bindungen ist. arbeiten diese elektrischen Vorrichtungen bei ständig höher
2. 2. Dielektrische Flüssigkeit nach Patentanspruch 1, dadurch io ansteigenden Spannungen. Dies bedeutet, dass die dielektri-gekennzeichnet, dass sie einen nitro-substituierten aromati- sehen Flüssigkeiten, die in derartigen elektrischen Apparaturen sehen Kohlenwasserstoff, einen nitro-substituierten aliphati- eingesetzt werden, einer ständig ansteigenden Beanspruchung sehen Kohlenwasserstoff, einen nitro-substituierten cycloali- unterworfen werden. Diese Probleme machten es nötig, phatischen Kohlenwasserstoff oder eine Mischung aus 2 oder Untersuchungen durchzuführen, um noch weiter verbesserte mehreren derartigen Verbindungen enthält. 15 dielektrische Flüssigkeiten zu finden.
3. 3. Dielektrische Flüssigkeit nach Patentanspruch 1 oder 2, Seit den dreissiger Jahren, in welchen die zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 80 bis 99,5 Gew.-% des eingesetzten Mineralöle durch mehrfach chlorierte Diphenyl-Siloxanes und 0,5 bis 20 Gew.-% an nitro-substituierten Verbin- Verbindungen ersetzt wurden, waren diese mehrfach chlorier-dungen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der dielektri- ten Diphenylverbindungen diejenigen dielektrischen Flüssig-schen Flüssigkeit, aufgebaut ist. 20 keiten, die üblicherweise in elektrischen Vorrichtungen einge-
4. 4. Dielektrische Flüssigkeit nach Patentanspruch 3, dadurch setzt wurden, und zwar mit Ausnahme von bestimmten speziel-gekennzeichnet, dass sie bei einer Temperatur von 25 °C eine len Anwendungsgebieten.

   Viskosität im Bereich von 5 bis 500 est aufweist, und dass die in Die mehrfach chlorierten Diphenylverbindungen werden ihr enthaltenen 0,5 bis 20 Gew.-% an nitro-substituierten Verbin- allgemein als «PCB» bezeichnet.

   düngen eine nitro-substituierte aromatische Verbindung, eine 25 Verschiedene andere Flüssigkeiten, einschliesslich einiger nitro-substituierte aliphatische Verbindung, eine nitro-substitu- Siloxane wurden auch zur Verwendung als dielektrische Flüs-ierte cycloaliphatische Verbindung oder eine Mischung aus sigkeiten vorgeschlagen. Es sei in diesem Zusammenhang bei-zwei oder mehreren derartigen Verbindungen ist. spielsweise auf die US-Patentschriften Nr. 2 377 689 und
5. 5. Dielektrische Flüssigkeit nach einem der Patentan- 3 838 056 sowie die britischen Patentschriften Nr. 899 658 und Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in ihr enthal- 30 899 661 verwiesen. In jüngster Zeit hat es sich herausgestellt, tene Siloxankomponente die allgemeine Formel dass die mehrfach chlorierten Diphenylverbindungen einen negativen Einfluss auf die Umgebung ausüben, und umwelt-RîSiO(R2SiO)xSiR3 schädlich sind und deshalb werden auf der ganzen Welt

   Anstrengungen gemacht, geeignete Materialien zu finden, aufweist, wobei in dieser Formel R ein Kohlenwasserstoffrest 35 welche die erwähnten mehrfach chlorierten Diphenylverbin-oder ein halogenierter Kohlenwasserstoffrest ist und x eine düngen ersetzen können.

   ganze Zahl ist, und dass die in der dielektrischen Flüssigkeit ent- Zur Veranschaulichung der auftretenden Probleme sei haltene Nitroverbindung ein mononitro-substituierter aliphati- darauf hingewiesen, dass Glimmentladungen bzw. Sprühentla-scher Kohlenwasserstoff mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder düngen (Korona) oder teilweise Entladungen die Hauptursache ein mononitro-substituierter aromatischer Kohlenwasserstoff 40 sind, die zu einer Verschlechterung oder zu einem Versagen mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen ist. von Kondensatoren und anderen Vorrichtungen, die zur Rege-
6. 6. Elektrische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass lung des Leistungsfaktors dienen, führen. Ein Kondensator, der sie eine dielektrische Flüssigkeit gemäss Patentanspruch 1 ent- betrieben wird, während Glimmentladungen bzw. Sprühentla-hält. düngen stattfinden, hat eine Lebensdauer von nur Minuten
7. 7. Elektrische Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch 45 oder Stunden anstatt der ansonsten zu erwartenden Lebensgekennzeichnet, dass sie ein Transformator oder ein Konden- dauer von etwa 20 Jahren. Ein Kondensator, der in geeigneter satorist. • Weise mit einer gut geeigneten dielektrischen Flüssigkeit
8. 8. Elektrische Vorrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7, imprägniert ist, weist im wesentlichen keine Glimmentladun-dadurch gekennzeichnet, dass das in der dielektrischen Flüssig- gen bzw. Sprühentladungen bis zu einer Spannung auf, die min-keit enthaltene Polyorganosiloxan ein Dimethylpolysiloxan ist, 50 destens das Zweifache der Soll-Spannung bzw. Nenn-Spannung das Trimethylsilylendgruppen aufweist. beträgt. Während des Gebrauches wird dann, wenn eine dielektrische Flüssigkeit einer erhöhten Beanspruchung ausgesetzt ist, schliesslich derjenige Punkt erreicht, bei dem der Durch-schlag oder Überschlag auftritt. Diejenige Spannung, bei der

   55 an einem Kondensator plötzlich eine Glimmentladung oder Sprühentladung auftritt, wird in der Fachwelt als «Korona-