DE1615663A1

DE1615663A1 - Gasfoermiges Dielektrikum

Info

Publication number: DE1615663A1
Application number: DE19671615663
Authority: DE
Inventors: Gard Gary Lee; Shaw Ruth Martha; Cyril Woolf
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1966-12-02
Filing date: 1967-12-01
Publication date: 1970-06-18
Also published as: GB1167228A; US3506774A

Description

ALLIED CHEMICiI, CORPORAiDIOIi, New Y ο r lc ' 6, Hew York

(USA)

"Gasförmiges Dielektrikum"

Die Erfindung bezieht sich auf gasförmige Dielektrika

und Vorrichtungen, deren in gasdichten Behältern elektrisch getrennt voneinander angebrachte Elektroden unterschiedlichen Spannungspotentials mit derartigen Dielektrika untereinander isoliert sind.

In der Hochspannungstechnik treten vielfach Probleme der Isolation zwischen Bauelementen unterschiedlichen Spannungspotentials auf, bei denen feste- oder flüssige Dielektrika aus Gründen eines nicht zu vermeidenden Luftspalts zwischen den beiden voneinander zu isolierenden Elektroden, aus konstruktiven Erfordernissen oder Gewichtsrücksichten, sowie für meßteolniische Zwecke (Kugelfunkenstrecke, Kondensator) auf &rund mangelnder Homogenität nicht verwendet werden können,, Si© in-diesen !fällen-eingesetzten gen Dielektri&a weisen bezügliön Itoer

igkeiten von lemperat.m^ "und Bruels auf _β geaex-ell gilt "aber 3.uoh Ί&1®%₉ dass mit irÄöhimg dar ZhnOasoblagfestiigkeiif

^«o^fl. BADOBieiNAL

des Dielektrikums der Abstand der Elektroden bei gleicher Betriebsspannung verringert bzw. die Betriebsspannung bei gleichbleibendem Elektrodenabstand gesteigert v/erden kann, ohne dass ein Durchschlag erfolgt. Es ist daher eine permanente Aufgabe auf dem Gebiet der Hochspannungstechnik zum Zwecke der Raumersparnis bzw. Leistungssteigerung Dielektrika zur Anwendung zu bringen, die gegenüber den bisher bekannten höhere Durchschlagsfestigkeiten aufweisen, " sowie Vorrichtungen zu schaffen, die diesen verbesserten Dielektrika angepasst sind.

Ein Portschritt in Richtung dieser Aufgabenstellung liegt in der erfindungsgemässen Verwendung von Perfluorvinylschwefelpentafluorid als Dielektrikum, das gegenüber den bisher gebräuchlichen und handelsüblichen' dielektrischen Gasen wie beispielsweise Schwefelhexafluorid eine bedeutend höhere Durchschlagfestigkeit aufweist.

Perfluorvinylschwefelpentafluorid CP₂=CISPc ist eine bekannte Verbindung, die beispielsweise in dem USA-Patent 3.131,217 offenbart wurde. Der Siedepunkt dieses normalerweise farblosen Gases liegt bei 19-2O⁰C unter atmosphärischem Druck; es ist unter jedweden Umständen bei -78⁰C flüssig und bei !Temperaturen oberhalb 200⁰O gasförmig.

Die erfindungsgemässe Verwendung von Perfluorvinylschwefetpentafluorid als gasförmiges Dielektrikum zwischen elektrischen Elektroden unterschiedliche Spannungspotentials ist

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nicht auf dieses Gas in reiner Fora beschränkt, kann durch Beimengung eines weiteren der bisher bekannten dielektrischen Gase eine abgestufte Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums gewonnen werden. ·

Fussend auf die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums werden erfindungsgemäss Vorrichtungen geschaffen, die in gasdichten Behältern im Abstand voneinander angeordnete elektrische Elemente I aufweisen, die mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt sind .und zu deren Isolation untereinander Perfluorvinylsehwefelpentafluorid in reiner Form oder unter Beimengung eines anderen dielektrischen Gases als gasförmiges Dielektrikum dient.

Es wurde gefunden, dass Perfluorvinylschwefelpentafluorid in reiner Form eine ungefähr um 255» höhere Durchschlagsfestigkeit aufweist als Schwefelhexafluorid, wobei gleiche Versuchsbedingungen vorausgesetzt sind. Derartige Versuche wurden unter Zuhilfenahme einer Kugel-Ebene-Funkenstrecke durchgeführt, die in einer Hartglasröhre von 15,24 cm Höhe und 5,08 ein innerem Durchmesser eingebaut ist (ball to "plane cell). Das untere Ende der Röhre ist gasdicht mit einem Ketalisöckei verbunden, der einen Erdkontakt und eine

ventilgesteuerte Gaseinlaßöffnung zur leichten Äusv/echselbarkeit des dielektrischen Gases aufweist.Auf dem Sockel

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ist eine rait dem .^rdkontakt verbundene Elektrode angcbracht, die koaxial in das Innere der Röhre hineinragt und an ihrer Spitze eine horizontal angeordnete I-iesclnjscheibe von 3,81 cm Durchmesser trägt. Diese Scheibe ist gasdicht abgeschlossen unterhalb einer kreisförmigen I-Ieta^Ikappe angebracht, die an der Spitze der liönre angeordnet ist und einen Hochspannungskontakt cuiVeict. Von der Kitte dieser Zappe ausgehend ragt abwarte koaxial in das Innere der Röhre eine zweite Elektrode, dio

i vertikal verschiebbar ist und an ihren unteren _-ide '

eine Stahlkugel von 1,305 cn Durchmesser trägt. Diese I

obere Elektrode ist elektrisch mit dein Hochspannungs- |

kontakt verbunden und durch mit Kikrometergenauigkeit | arbeitende Einrichtungen derart anhebbar und absenkbar, j dass ein genauer Abstand zwischen Kugelelektrode und Oberfläche der Scheibe (Kugel-Ebene) eingestellt werden kann. Die Zuordnung von Kugel und Scheibe ermöglicht ein im zu erwartenden Durclischlagsgebiet weitgehend homogenes elektrisches PeId, da der grösste Abstand zwischen Zügel und Ebene viel kleiner gewählt ist als der Zugeidurchuesser. Die Kontakte der Elektroden werde:" an ein 50 Eertz-Yfechselstrom-Versorgungsnetz angeschlossen, sowie mit bekannten Einrichtungen zur Überwachung der Spannung, des Anstiegs der Spannung über dem Luftspalt und der damit zusammenhängenden V/erte verbunden. Die Energieversorgung ist .

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auf 20 ΣΥ. begrenzt. Die oben beschriebene Eoehspannung,=.-versuchszelle wurde vor. der American Society for Ses^iii^ Materials ASiTLi als Standardeinrichtung zur Peststellung der Durchschlagsfestigkeit von Gasen empfohlen.

In einer ersten Versuchsserie wurde gasförmiges; Perfluorvinylschwefelpentafluorid nach Trocknung mittels Dur chi ei tens durch Kieselgel in die Yersuchsanordnung eingeführt;, wobei ein Druck von etwa einer Atmospare und Zimmertemperatur beibehalten wurde. Der Spalt zwischen Kugel und Scheibenoberfläche wurde zunächst auf 0,254 cm eingestellt. Die Spannungsversorgung wurde auf 20 KY begrenzt; ein Spannungsdurchschlag des Gases fand unterhalb dieser Spaiinung nicht statt. Daraufhin wurde der Elektrodenabstand verringert und Versuche mit 0,127 cm, 0,0635 cm und 0,1905 cm gemächt. Die Versuche wurden in Zeitabständen von 5 bis 7"Minuten" durchgeführt, um zu gewährleisten, dass das Versuchssystem zwischen den einzelnen Durchschlägen zum Gleichgewicht der Ruhelage zurückkehren kann. Es würden folgende Ergebnisse erzielt: . -

Sabelle I

Durchbruchsspannung in KV

aitv/eite

0,127 cm
0,0635 cm
0,1905 cm

1 2 3 4 5

14,7 15,1 15,4 15,1 15,3

7,6 7,7- 8,3 8,4 8,0.

17,5 19,1 17,5 18,2. 19,4

Durchschnitt

15,1 6,0

18,3

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BAD ORIGINAL

• Im beiliegenden Kurvenblatt sind die Durchschnittswerte der Tabelle I aufgenoniraen, wobei-der entstehende Kurven- [

zug für Werte bis 0,254 cm Elektrodenabstand extrapoliert -I

wurde. Aus dieser Extrapolation kann man entnehmen, dass die Durchschlagspannung für diesen grösseren Elektroden- \ abstand (0,254 cm) etwa 21,5 KY beträgt. Schwefelhexa-

fluorid SIV, das unter denselben Bedingungen, eine Atmosphäre:

Druck und 0,254 cm Elektrodenabstand, in der Versuchsanordnun;

P geprüft wurde, wies einen Durchschlag bei ungefähr 16 j

j bis 17 KT auf. Die folgenden Werte wurden in einer .Ver- . | suchsserie für SPg ermittelt, das in der gleichen Versuchsanordnung bei einer Atmosphäre Druck und den vorgenannten Slektrodenabständen geprüft wurde:

Tabelle II

Durchbruchspannung in KV Spaltweite 12 3 4 5

Durchschnitt	,5
11	,8
12	,1
16

0,127 cm 11,2 . 11,4 10,9 11,4 11,5 0,1905 cm 12,1 12,6 .13,2 12,7 13,5 0,254 cm 16,1 15,7 16,0 16,0 15,6

Die Durchschnittswerte von Tabelle II wurden in das Kurvenblatt als Kurvenzug für SPg aufgenommen.

Es wurde demnach festgestellt, dass bei gleichen Versuchsbedingungen der durch Extrapolation gewonnene Durchschlagspunkt für 0I₂J=Oi¹SF₅ von etwa 21,5 KV (eindeutig

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oberhalb 20 EV) um 25f° höher liegt als der Durchschlagspunkt von SPg bei gleichen ^Elektrodenabstand von 0,254 cm.

Perfluorvioaylschwef elpentafluorid CPP=CPSI"j- kann in reiner Porm oder als Zusatz zu anderen dielektrischen G-asen verwendet werden, beispielsweise in einer Kischung mit Schwefelhexafluorid SP₆ oder Stickstoff Eg.

Die Versuchsergebnisse von Untersuchungen mit Dielektrika, ä die aus Mischungen von SPg oder N₂ mit CP₂=CPSPi- mit verschiedenen Kischungsverhältnissen gewönnen wurden, sind in den nachfolgend aufgeführten Tabellen III und IY festgehalten. Aus den Aufstellungen ist leicht ersichtlich, dass die Durchschlagsfestigkeiten von SPg und N₂ durch das jeweilige Hinzufügen von CP₂=CPSP₅ erhöht v/erd an „

Tabelle III

Durchbruchspaimung in EV ( (Spaltweite = 0,1905 cm)

Versuch SP,- CP₂=CPSPc

ITr. in Vo£.-Proz. ^_n VoL-Proz. 1

1 100 0 12,1 12,6 13,2 12,7 13,5 13,5

2 52 48 19,0 18,9 19,6 19,5 1-9 ",6 19,6

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SAD ORIGINAL

Tabelle IV

Durchbruchspaimiuy;; in EY (Spaltweite = 0,1905 cm)

Versuch

Ur. in Voi.-Proz. in Y₀I.-PfOz. 1 2 3

1 100 0 5,5 5,7 5,8 5,7 5,7

2 89,6 10,4 9,2 9,4 9,3 9,8 9,7

3 67,4 . 32,6 12,6 13,5 15,2 13,6 13,7

Die liischung von CS^CJSIV mit SIV oder Ep kann in jeder;. * Kischungsverhältnis als Dielektrikum verwendet v/erden, das für den geweiligen Bedarfsfall wünschenswert erscheint. Die in den !Tabellen III und IY zusammengefassten YerSuchsergebnisse wurden unter den gleichen Yersuchsbedingungen gewonnen, wie sie eingangs der Beschreibung- im Zusammenhang mit reinem Perfluorvinylschwefelpentafluorid als Dielektrikum beschrieben v/orden sind.

Die Nutzanwendung dieser Erfindung sieht die Isolation von zwei oder mehr räumlich voneinander getrennt angebrachten elektrir k sehen Elementen vor, die mit untereinander differierenden elektrischen Potentialen beaufschlagt sind, indem die Zwischenräume zwischen diesen Elementen mit gasförmigem Dielektrikum gefüllt werden. Die zur Anwendung kommenden Dielektrika können dabei aus reinem CI¹P=CI¹SI¹C- oder aus G-asmischungen bestehen, wie sie bereits beschrieben worden sind. Derartige hischungen sind bereits vorteilhaft, v/eil ein Zusatz von Perfluorvinylschwefelpentafluorid zu jedem bisher bekannten dielektrischen Gas eine Erhöhung der Durchschlagfestigkeit mit sich bringt. Die bei Ver-

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wendung von CP₂=CIPSPi- in reiner Porm oder mit anderen dielektrisehen Gasen vermischt auftretenden Teildrücke können bei Zimmertemperatur Ms zu etwa einer Atmosphäre variieren.

Unter Berücksichtigung von Siedepunkt und Verflüssigungseigenschaften kann CPp=GPSP₁- in reiner Poru oaer al α Zusatz, v/ie beschrieben, in" jedwedem der vielen Bedarfs- g fälle eingesetzt v/erden, in denen gasförmige Dielektrika Verwendung finden.

Srfindungsgemässe Merkmale der Verwendung von CPp=CPSPrwurdeii in der vorstehenden Beschreibung der Arbeitsweise der Versuchsanordnung aufgezeigt, bei der zwei mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagte Elemente im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei der Raum zwischen diesen Elementen mit CP₀=CPSPr- in reiner Portn

² ^b . i

oder gemischt mit anderen dielektrischen Gasen, wie bereits beschrieben, ausgefüllt ist.

Die Versuchsanordnung (Eugel-Ebene-Pimkenstrecke in c^as~ dichter Röhre) gilt als Beispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, die ein gasdichtes Gehäuse auf v/eist, in der.'i Liit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt ο elektrische Elemente getrennt voneinander angeordnet sind und.das mit gasförmigem, CP₀=OPSPr- in reiner Porra

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oder mit anderen dielektrischen Gasen gemische ausgefüllt ist. Darübe.rhinaus sind erfinduiigsgeiuässe Vorrichtungen in allen elektrischen Anordnungen wie Generatoren, Lo tor en, 'Iransfornatoren, i-.etzschalter, koaxiale Kabel und Röntgenstrahlengeräten zu sehen, soweit diese Anordnungen gasdichte Gehäuse aufweisen, i in denen die getrennt voneinander angeordneten, nxit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagten elektrischen Elemente mittels eines gasförmigen Dielektrikums untereinander isoliert sind, wobei das gasförmige Dielektrikum entweder aus reinem CPp=C]PSS¹C besteht oder aus einer Mischung dielektrischer Gase gebildet wird, deren einer Bestandteil CP₂=CiB¹SIfY ist.

Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgenden Ansprüche beschränkt. Ihr zugehörig sind sämtliche Kerknale aus der vorstehenden Beschreibung, die auf Grund des Standes der Technik ersichtlich erfinderisch sind.

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

1. Verwendung von J^rfluorvinyiachwcfelpentafluorid CjV=CS¹SIi¹,- als gasförmiges Dielektrikum.

2. Verwendung von Perxluorvinylscliv/exeipentafluorid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem CIi¹2=G2¹S5¹ ₍- ein weiteres gasförmiges Dielektrikum, zugesetzt ^ ist.

J. Verwendung von Perfluorvinylschv/ef elpentafluorid nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem

CI^CPSHV Schwefelhexafluorid SUV oder Stickstoff IT₀ 2 p ο £

zugesetzt ist.

4. Vorrichtung mit einem gasdichten Behälter, in dem mit verschiedenen elektrischen Potentialen beaufschlagte elektrische Elemente in Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch-gekennzeichnet, dass die Elemente unter Verwendung von Perfluorvinylschwefelpentafluorid CITp=CS¹S]?:- als gasförmiges Dielektrikum voneinander isoliert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente unter Verwendung einer Kisehung von CEp=C?S?_r und einem anderen dielektrischen G-as als gasförmiges Dielektrikum voneinander isoliert sind»

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BAD Of=HGJNAi,

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch'gekennzeichnet, dass die Elemente unter Verwendung einer Mischung aus CF₂=CFSF₅ und Schwefelhexafluorid SFg oder Stickstoff W₂ als gasförmiges Dielektrilcum voneinander isoliert sind.

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