DE2202684C3 - Imprägnierflüssigkeiten für Elektroisoliermaterialien - Google Patents
Imprägnierflüssigkeiten für ElektroisoliermaterialienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft flüssige Gemische, die /um Imprägnieren \on Elektroisoliermaterialien dienen und
die in besonders vorteilhafter Weise für Kondensatoren verwendet werden können, die aus Polyolefin
bestehende dielektrische Elemente aufweisen.
Es ist bekannt, daß pol) chlorierte Diphenyle eine
wichtige Klasse von Hüssigkcilcn darstellen, die für
die Isolation von elektrischen Vorrichtungen verwendet werden. Spezielle Fraktionen von Dichlordiphenylen
und Trichlordiphenylen sind besonders wertvoll wegen ihrer hohen Dielektrizitätskonstante. Was
die Tetra- bis HcAachlorhomologen betrifft, so nimmt
der Wert der Dielektrizitätskonstante mit steigender Zahl der an das Diphenyl gebundenen Chloratome ab,
er bleibt jedoch ausreichend hoch, so daß die Produkte auf dem genannten Gebiet Anwendung linden.
Außerdem haben diese Verbindungen in ihrer Gesamtheit den Vorteil, große chemische Beständigkeit
zu zeigen. Trotzdem haben sie eine gewisse Anzahl von Nachteilen. So sind die Dichlordiphenyle beispielsweise
kristallisierbar, was ihre Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, die bei niederer Temperatur
betrieben werden, ausschließt. Die Trichlordiphenyle und höhere Homologe kristallisieren nicht, sind
jedoch stärker viskos afs die Dichlordiphenyle, was zu
ίο nicht vernachlässigbaren Schwierigkeiten führt, wenn
sie zum Imprägnieren von schwierig benetzbaren Substraten verwendet werden sollen.
Zwar wurde in der französischen Patentschrift 1502 221, die elektrische Isoliermaterialien zum
Gegenstand hat, welche aus imprägnierten, festen Polyolyfinsubstraten bestehen oder diese enthalten,
die Verwendung von Trichlordiphenyi als Imprägnierflüssigkeit empfohlen. Es ist jedoch offensichtlich, daß
dieses Produkt im Hinblick auf sein Netzvermögen für Polyolelinfolien nicht völlig zufriedenstellend ist. Um
auf diesem Gebiet eine Verbesserung zu erreichen, wurde in der USA.-Patentschrift 3 483 452 der Vorschlag
gemacht, ataktisches Polypropylen in Trichlordiphenyi zu lösen. Es war jedoch auch erforderlich, auf
dem Gebiet der Elektrotechnik die Verwendung von dielektrischen Flüssigkeiten in Betracht zu ziehen, die
diesen speziellen Anwendungszwecken genauer angepaßt waren.
Es ist bekannt, daß dielektrische Flüssigkeiten, die
aus einem Gemisch von polychlorierten Diphenylen und Trichlorbenzolen bestehen, eine geringe Viskosität
und einen niederen Gefrierpunkt aufweisen. Derartige Gemische haben jedoch eine weit weniger befriedigende
Stabilität als die Chlordiphenyle und zeigen außerdem den Nachteil eines hohen Dampfdrucks.
Fs wurden nun neue Flüssigkeiten zum Imprägnieren von Elektroisoliermaterialien gefunden, die es ermöglichen,
die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden und die mit einem ausgezeichneten Wert der Dielektrizitätskonstanten
und mit einer guten chemischen Beständigkeit eine niedere Viskosität, einen niederen Gefrierpunkt
und einen geringen Dampfdruck vereinen und die außerdem nicht kristallisierbar sind. Diese
neuen Imprägnierflüssigkeiten sind allgemein in allen isolierten elektrischen Apparaten verwendbar; sie erweisen
sich jedoch als besonders geeignet für das Imprägnieren von schwer zu benetzenden dielektrischen
Materialien und für die Verwendung bei liefen Temperaturcn.
Die erfindungsgemäßen neuen dielektrischen Flüssigkeilen enthalten im wesentlichen ein Gemisch von
Chlorierungsprodukten des Diphenyls, das auf 100 Gewichtsteile 25 bis 33 Gewichtsteile des Monochlorierungsprodukts
von Diphenyl, 28 bis 36 Gewichtsteile einer Dichlordiphenylfraklion auf Basis des 2,4'-lsomeren
und 37 bis 43 Gewichtsteile des Trichlorierungsprodukts des Diphenvls aufweist.
Es ist sehr überraschend, daß das Monochlorierungsprodukt des Diphenyls, das nachstehend als
Monochlordiphenyi bezeichnet wird, als Bestandteil
eines Imprägniermittels für Elektroisoliermaterialien vorliegen kann, weil gemäß dem Stand der Technik
meist die Lehre gegeben wurde, daß dieser Verbindungslyp für die genannten Anvvcndungs/wcckc nicht
verwendet werden könne. Im Hinblick auf seine Kristallisalionsneigung
war nicht zu erwarten, daß unter Verwendung dieses Ausgangsmaterials Flüssigkeiten
erhalten werden können, die nicht kristallisieren. Es
»uuie verbucht, Gemische herzustellen, weiche diese
Verbindung enthalten, wie aus der französischen
Patentschrift 102497 hervor^ehu m der ein Gemisch
aus 45* c Tnchlordiphcnvl und 55% eines Euiekukums
auf Basis von ortho* und para-Chlordiphenyl beschrieben
wird. ts hat sich jedoch gezeigt, daß diese
Stoffzusaminenscuun$ nicht zufriedenstellend isi:
Versuche haben geirigt. daß beim Abkühlen dieses
Gemisches allmählich Kristalle abgeschieden werden und das Gemisch schließlich be» etwa 20SC verfestigt
ist. Unter diesen Bedingungen kann diese Sioffzusammenseuuug
nicht als geeignet für den angegebenen Zweck betrachtet werden.
Die erfindungsgemäß zu \erwendenden Monochlordiphen\le
können jedes Chlorierungsprodukt des Diphenv
Is seit;, dessen Chlorgehalt bei etwa einem Chloraiom
pro Mol des Diphenv.Is liegt und das lediglich einer einfachen Destillation unterworfen wurde, um
teerartigc Stoffe /u entfernen. In anderen Worten:
E> ist weder erforderlich, ein bestimmtes Isomeres.
luvh reine Monochlordiphenvle zu verwenden.
XU Dichlordiphenv !fraktion auf Basis ties 2,4-lsomeren.
die nachstehend als Dichlordiphenv I bezeichnet
wird, versteht man eine chlorierte Diphenv !fraktion,
deten Gesamtchlorgehall einem Verhältnis von etwa
2 Chloratomen pro Molekül DiphenvI entspricht und
in der das 2.4'-Isomere in einer Menge von mindestens
50 Gewichtsprozent vorliegt. Obwohl die Erfindung auch die Verwendung eines Dichlordiphenv Is umfaßt.
das nur aus diesem Isomeren besteht, bevorzugt man die Verwendung einer Dichlordiphenv!fraktion, die
65 bis 85 Gewichtsprozent des genannten 2.4-Isomeren
enthält. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Chlorierungsprodukt
des Diphenyls verwendet, das bei einem Druck von 10 mm Quecksilber zwischen 154 und
164 C überdestilliert und das 75 Gewichtsprozent 2.4'-Dichlordiphenyl enthält. Diese verschiedenen
Produkte sind Bestandteile der dielektrischen Flüssigkeiten,
die in der deutschen Patentschrift 1 290 614 beschrieben werden. (In dieser Patentschrift werden
außerdem Verfahren zum Herstellen dieser Dichlordiphenyle beschrieben.)
Das in den erfindungsgemäßen. neuen Gemischen
vorliegende Trichloricrungsprodukt von Diphenv 1, das nachstehend als Tnchlordiphenyl bezeichnet wird,
hat einen Chlorgehalt von etwa 3 Chloratomen pro Molekül Diphenyl. Es wurde in der für Monochlordiphenyl
beschriebenen Weise von aus der Chlorierung stammenden Teerbestandteilen befreit. Es handelt sich
bei diesem Produkt um Trichlordiphemle, die in klassischer Weise für isolierte elektrische Vorrichtungen
verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen lmprägnierfliissigkeiten werden
durch einfaches Vermischen der drei Bestandteile in den geeigneten Mengenverhältnissen bei Raumtemperatur
und eine anschließende klassische Behandlung mit aktivierten Kieselerden, erhallen. Ihre Viskosität
liegt weit unterhalb derjenigen des klassischen Trichlordiphenyls. Dieser Umstand stellt einen wichtigen
Vorteil bei der praktischen Anwendung dieser Flüssigkeiten dar.
Das Netzvermögen der erfindungsgemäßen Imprägnierflüssigkeiten
gegenüber festen dielektrischen Materialien, insbesondere Filmen oder Folien aus
Polyolefin, ist ausgezeichnet. Dieses Netzvermögen kann durch Ausmessen des Beriihrungsvvinkels eines
FHhsisLeitäropiens nut einen; Poh-ofefinSlm. auf dem
dieser Tropfen abgelagert wunfe. bestimmt wcnäcn.
Dieser Winkel ist durch die Ebeae der Ober8äel*e des
FiIm^ and die Tanseaie der Kurve des Tropfens im
Berühnmsspurikt des Tropfens mit dem Film festgssegl.
Es wurde gefunden, daS dieser Winkel für ein ernndungsgemäßes
Gemisch 39 beträgt, während er
bei einem Tropfen aus klassischem Tnchkwdtphenyl
4S beträgt.
ίο Die erfindungsaemäßen imprägniermittel «ssen
außerdem die Fähigkeit, wesentlkh kkhter, unter wal
weniger strengen Bedingungen, in das innere von
Polvolefinfiimen einzudringen, als Trichlordiphcnyl,
Dies wird durch folgenden Versuch geneigt:
j5 Eine biaxial orientierte Folie aus isotaktischem PoIvpropvlen
einer Dicke von 12 ;j. und mit einer Oberfläche
von 20 cm5· wurde zwischen einem unterhalb der
Folie angeordneten Glasgefäß und einem dieses bedeckenden, offenen Rohr ausgespannt, wobei darauf
ao geachtet w urde, daß das Sv stern gut abgedichtet wurde.
In das Rohr wurde die zu prüfende Flüssigkeit gegossen, diese Flüssigkeit durch Erhitzen mit Hilfe
eines elektrischen Heuwiderslands auf 100°C crhii/t
und durch Rühren eine homogene Temperaturveras teilung in der gesamten Flüssigkeit gewährleistet.
Unter ständigem Rühren wurde die Flüssigkeit während 2 Stunden bei 100 C gehalten, dann wurde die
Temperatur in zweistündigen Intervallen um je WC erhöht. Dieser Versuch wurde unter genau identischen
Bedingungen durchgeführt, wobei als flüssigkeit in einem Fall Trichlordiphenv 1 und im anderen Fall ein
ertindungsgemäßes Gemisch verwendet wurde, das
aus 27°0 Monochlordiphenvl, }t>0 a Dichlordiphenvl
mit 60° „des 2,4-Isomeren, und 37" „ TrichlordiphenvI
bestand. Das Gewicht der flüssigkeit, die in dem darunter angeordneten Behälter am Ende jeder Verfahrensstufe
bei bestimmter Temperatur aufgefangen wurde, stellt ein Maß für das \crmogen der Flüssigkeit
den Pol)propv. lenrtlm zu durchdringen dar. Die
erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt.
TaWIe 1
Trichlordiphenv 1 ...
Erfindungsgemäßes
Gemisch
Erfindungsgemäßes
Gemisch
Gewicht dct aufgefangenen
h ^
Verf.ihivnssuife bei
100 CjIIO CJIM C I MO C 140 C
10 10 30
20 130
Aus diesen Daten isl die Überlegenheit der erfindungsgemäßen
Gemische über klassische Imprägnicrmittel im Hinblick auf die gezeigten Eigenschaften ersichtlich.
Schließlich sind auch die dielektrischen F.igcnschaften
der erfindungsgemäßen. neuen ImprägnicifiiisMgkciten
sehr zufriedenstellend. So liegt praktisch
Co die Dielektrizitätskonstante dieser Produkte bei 20'C
im allgemeinen bei 6 und die dielektrischen Verluste sind gering. So zeigt beispielsweise ein erfindungsgemäßes
Gemisch mit einer Dichte von 1.29 und einer Viskosität von 1.6 Centistokcs bei 100 "C einen Vcrlustvvinkel
(tg<1) bei 100"C und 50 Hz von 0,005.
Nach einer anderen Ausführungsform kann den erfindungsgemäßen Gemischen eine kleine Menge
Siliconöl zugesetzt werden, um die Oberflächenspan-
nun« der Flüssigkeit zu vermindern und um das Rencl/cn
von Substraten oder TrägermaU-rialien noch zu
begünstigen, was besonders dann von Wert ist, wenn diese Substrate Kunststoffolien sind
Als Siliconul kann jedes bekannte Produkt vcrvvendet
werden, das flüssige bis stark viskose Konsistenz aufweist, vorausgesetzt, daß es in den verwendeten
Mengenverhältnissen in den edindungsgcmäßen Gemischen
völlig löslich ist. Offensichtlich sind Methvlphcnylpnlysiloxanc
besonders gut geeignet für diesen Verwendungszweck. Aus dieser Verbindungsklasse
werden vorzugsweise solche Verbindungen ausgewählt, deren Dampfdruck ausreichend gering ist, so
daß sie nicht durch Verdampfen während des Entgasens der dielektrischen Flüssigkeit vor dem Im- »5
prägnieren entfernt werden. Die zuzugebenden Mengen sind nicht besonders kritisch; sie sollen jedoch so gering
sein, daß dieser Zusatzstoff kein Verdünnungsmittel für das anfängliche Gemisch darstellt. Ganz
allgemein verwendet man das Silicon in einer Menge zwischen 20 und 2000 Teilen pro 1 Million Teile (ppm),
bezogen auf die BaMsflüssigkeit. Es konnte festgestellt
werden, daß bei erfindungsgemäßen Gemischen, denen Siliconöl zugesetzt war, der oben definierte Berührungswinkel
einen Wert von 25, 23, 20 bzw. 16° annahm, wenn den Gemischen 200. 500, 1000 bzw.
2000 ppm des Silicons zugesetzt wurden.
üen erfindungsgemäßen Imprägniermitteln können außerdem alle üblichen Zusatzstoffe zugegeben werden,
insbesondere Zusatzstoffe, die häufig als »Rcinigungsmittel« oder »Getter^ bezeichnet werden, und die befähigt
sind, sich mit Abbauprodukten von chlorierten Drphenylen, die unter dem Einfluß von elektrischen
Feldern entstehen, ?u verbinden, insbesondere mit Chlorwasserstoffsäure, und die auf diese Weise die
schädliche Wirkung dieser Produkte ausschalten. Es können alle bekannten Arten von Gettern verwendet
werden, insbesondere Amine, M orpholi η derivate, organische Antimonverbindungen, organische Zinnverbindungen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, auf bekannte Getter der Klasse der Epoxyde
zurückzugreifen, insbesondere Phenoxypropylenoxyd, Styroloxyd, Diphenyläthylenoxyd, 1 - Epoxyäthyl-3,4-epoxycyclohexan
u. dgl. Diese Zusatzstoffe können in üblichen Mengenverhältnissen ohiie Nachteil den
erlindungsgemäßen Gemischen zugesetzt werden, das heißt im allgemeinen in Mengen zwischen 0,1 und
5 Gewichtsprozent, bezogen auf die Basisflüssigkeit.
Die erfindungsgemäßen dielektrischen Produkte können in vorteilhafter Weise Anwendung finden allgemein
bei der Isolation von elektrischen Vorrichtungen mit Hilfe von imprägnierten Materialien. Sie sind ganz
besonders geeignet zur Behandlung von Materialien, die strengen Betriebsbedingungen unterworfen werden
oder schwierig zu imprägnieren sind, wie beispielsweise Vorrichtungen, die tiefen Temperaturen ausgesetzt
werden, oder Kondensatoren, die eine oder mehrere Polyolefmfolien gegebenenfalls in Verbindung
mit klassischen dielektrischen Papierblättern aufweisen. Das Behandeln der Vorrichtungen mit Hilfe
dieser Flüssigkeiten kann nach üblichen Methoden erfolgen. Wenn es sich beispielsweise um Kondensatoren
handelt, in denen Polyolefinfolien verwendet worden sind, so führt man nach dem üblichen Trocknungsvorgang
einen Imprägniervorgang durch, an den sich das Erhitzen während einiger Stunden auf eine Temperatur
von etwa 85 bis 950C anschließt. Es ist interessant, festzustellen,
daß auf Grund der spezifischen Eigenschaften dieser Gemische der Imprägniervorgana bei
einer wesentlich niedrigeren Temperatur von beispielsweise 60 C durchgefühlt werden kann, als dies
bei Verwendung einer \iskosercn Flüssigkeit, wie Trichlordiphcnyl
der Fall ist. Die Eigenschaften der so erhaltenen Vorrichtungen sind allgemein denjenigen
von Vorrichtungen überlegen, die mit bekannten Imprägnierflüssigkeiten erhalten wurden. Die Kapazität,
der koüerwiderstand und das Altcrungsverhalten der erfindunjsgemälJen Imprägnierflüssigkeiten genügen
vollständig den Erfordernissen bei der Anwendung.
Die Erfindung wind durch die nachstehenden Beispiele
verdeutlicht, aus denen die Eigenschaften \on Kondensatoren ersichtlich sind, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen
neuen Imprägnierflüssigkeiten imprägniert wurden.
Eine dielektrische Flüssigkeit gemäß der Erfindung wird hergestellt, indem bei Raumtemperatur die nachstehenden
Produkte in den angegebenen Mengenverhältnissen miteinander vermischt werden:
Monochlordiphenyl 30 Gewichtsprozent
Dichlordiphenyl, enthaltend
75 °/0 des 2,4'-Isomeren .. 30 Gewichtsprozent
75 °/0 des 2,4'-Isomeren .. 30 Gewichtsprozent
Trichlordiphenyl 40 Gewichtsprozent
Dieses Gemisch hat einen Gesamtchlorgehalt von 33%. Seine Viskosität beträgt 16 Ccntistokes bei
2O0C, 3,6 Ccntistokes bei 6CPC und 1,6 Ccntistokes
bei 1000C. Seine Dielektrizitätskonstante hat einen Wert von 6,0 bei 20; C. Ks kristallisiert nicht beim Abkühlen
bis auf —50 C, selbst nicht beim Animpfen.
Mit Hilfe dieses Gemisches wurden die Isoliermate rialien einer Reihe \on 10 Kondensatoren imprägniert,
die Armaturen aus Aluminium aufwiesen. Diese waren durch die aus 2 Polypropylenfolien einer Dicke von
12 μ bestehende Isolierung, die auf beiden Seiten eines Blattes aus Kraftpapier für Kondensatoren einer
Dicke von 10 α angeordnet waren, getrennt. Das Imprägnieren erfolgte bei 6O0C unter einem Druck von
10 amm Hg nach dem Trocknen. Dann wurden die Vorrichtungen während A Stunden unter Normaldruck
bei 9O0C gehalten.
Die dielektrischen Verluste dieser Kondensatoren wurden bei gewöhnlicher Temperatur bei einer Frequenz
von 50 Hz und unter einer Spannung von 1300 Volt gemessen. Es wurde festgestellt, daß sie innerhalb
der Reihe von Kondensatoren wenig schwankten. Es wurden folgende Mittelwerte für sämtliche
Vorrichtungen erhalten:
tgo 10 4, unmittelbar nach dem Imprägnieren:
10,6
tgf5 10 \ nach 500stündigem Allern unter
1920VoIt: 8,1
Zu Vergleichszwecken wurden mit einer erfindungsgemäßen Flüssigkeit imprägnierte Kondensatoren und
mit Trichlordiphenyl imprägnierte Kondensatoren einem Versuch zur Prüfung der Durchschlagfestigkeit
bei Gleichspannung unterworfen.
Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von 60 Kondensatoren mit Aluminiumarmaturen hergestellt, die
durch eine Isolierfolie aus Polypropylen einer Dicke von 12 μ getrennt waren. Nach dem Trocknen wurden
bei 80° C 30 dieser Vorrichtungen mit Trichlordiphenyl und bei 60° C 30 weitere Vorrichtungen mit dem erfindungsgemäßen
Gemisch des Beispiels 1, dem auf 1 Million Teile 100 Teile Siliconöl (Methylphenylpolysiloxan
mit einer Viskosität von 200 Centistokes bei 20° C und einem Flammpunkt von 265° C) zugesetzt
waren, bei einem Druck von 10~2 mm Hg imprägniert. Diesem Vorgang folgte ein Erhitzen sämtlicher Vorrichtungen
auf 9O0C während 4 Stunden bei Atmosphärendruck.
Dann wurde Gleichspannung an die Kondensatoren angelegt und diese Spannung allmählich in eine Rate
von 0,5 KV/Sek, erhöht, bis zum Ausfall jeder Vorrichtung. Es wurde die Spannung gemessen, unter der
bei jedem Kondensator das Durchschlagen erfolgte und der Mittelwert der Durchschlagspannung beider
Serien von Kondensatoren berechnet. In der nachstehenden Tabelle 2 sind die Mindestwerte und die
Maximalwerte der Spannung beim Ausfall jeder Vorrichtung angegeben, die für jede Gruppe von Kondensatoren
gefunden wurden, sowie die Mittelwerte der berechneten Durchschlagspannung.
Mindest-Durchschlagspannung (Volt) ....
Maximale Durchschlagspannung
(Volt)
(Volt)
Mittelwert für sämtliche Kondensatoren
(Volt)
(Volt)
Mit erfin-
dungsgernäßer
imprägnierte
3100
5600
4420
5600
4420
Mit Trichlordiphenyl
imprägnierte Kondensatorer
2100
5400
3917
5400
3917
Aus den in der Tabelle gegebenen Daten ist die Über legenheit der erfindungsgemäßen dielektrischen Flüs
sigkeiten gegenüber Trichlordiphenyl ersichtlich.Dies« ao Überlegenheit kommt durch eine verbesserte Durchschlagfestigkeit
der mit Hilfe dieser Flüssigkeiten im prägnierten Kondensatoren zum Ausdruck. Von be
sonderer Bedeutung sind der Mittelwert und die Min destspannung für die Durchschlagfestigkeit.
Claims (6)
1. einem Gemisch von Chlorierungsprodukten des Diphcnyls, das auf iOO Gewichtsteile 25 bis
33 Gewichtsteile Monochlordiphenyle, 28 bis
36 Gewichtsteile einer Dichlordiphenylfraktion auf Basis des 2,4'-Isomeren und 37 bis
43 Gewichtsteile Trichlordiphenyle enthält, gegebenenfalls
2. einer geringen Menge eines Silikonöls, gegebenenfalls
3. einem bekannten Getter zum Entfernen von Abbauprodukten der chlorierten Diphenyle,
insbesondere von Chlorwasserstoffsäure und gegebenenfalls
4. üblichen Zusatzstoffen besteht.
2. Imprägnierflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine Dichlordiphenylfraktion mit 65 bis 85 Gewichtsprozent des
2,4'-lsomeren enthalten.
3. Imprägnierflüssigkeiten nach Anspruch 2, dadurch gel enn7eichnet, daß sie als Dichlordiphenylfraktion
ein Chlorierungsprodukt des Diphenyls mit 75 Gewichlbpro/ent 2,4'-Dichlordiphcnyl enthalten,
das durch Destillieren zwischen 154 und 164CC bei einem Druck von 10mm Hg erhalten
worden ist.
4. Imprägnierflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 20 bis 2000Gewichtsteile
Siliconöl auf 1 Million Teile des Gemisches enthalten.
5. Imprägnierfliissigkciten nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Siiiconöl
ein Mcthylohcnylpolysiloxan enthalten.
6. Imprägnierflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Getter ein
Fpoxyd enthalten.
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