DE2527069A1

DE2527069A1 - Oelgetraenkte elektrische vorrichtung

Info

Publication number: DE2527069A1
Application number: DE19752527069
Authority: DE
Inventors: Yasuo Iijima; Makoto Kusano; Tokihiko Shimizu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-06-20
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1976-01-08
Also published as: US4053941A; FR2275860B1; GB1520141A; FR2275860A1; DE2527069B2; CA1070495A; DE2527069C3

Description

Patentanw&t·

DipL-ing. 2U- inermonn Dipl.-tog. *. WefiQersky

^RrtlT

T.I. 260398Θ

MATSlISHITA ELECTEIC INDUSTRIAL CO., LTD. Osaka, Japan

Öl ge_ tränk te _e le ktri sehe ^Jo rrichtung

Die Erfindung bezieht sich, auf ölgetränkte elektrische Vorrichtungen, die einen Polyolefinfilm als Isoliermaterial enthalten, der mit einem Imprägniermittel getränkt ist, das sich aus einem Gemisch einer Aryl alkan verbindung von bestimmter Struktur mit einer organischen Phosphorverbindung· zusammensetzt.

Als Isolieröl für Kondensatoren, Transformatoren, Kabel usw. benutzt man üblicherweise weitgehend mineralölartige Isolieröle und chlorierte Diphenylöle. Das Erfordernis einer erhöhten Hochspannungsbelastbarkeit und die Kleinausführung elektrischer Vorrichtungen brachten es indessen mit sich, daß diese Öle neuerdings in Kombination mit Kunststoffmaterialien, insbesondere mit Polyolefinen eingesetzt werden mußten. Gegenüber der herkömmlichen Verwendung in Verbindung mit Papier läßt sich durch die Anwendung in Kombination mit Kunststoffen zwar eine Verbesserung der Isolationseigenschaften erzielen, doch bedingt dies eine entsprechende Eignung der Öle, wobei sich für die herkömmlichen Öle die folgende Problematik abzeichnete:

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(1) Die Kunststoffmaterialien iserden von den Ölen leicht durch Auflösung angegriffen, besonders Polyolefinmaterialien, so daß die Isolationswirkung beeinträchtigt wird.

(2) Die Teilentladungs-Anfangsspannung ist niedrig, und sobald erst einmal eine Entladung eingetreten ist, vergrößert sich der Entladungsbereich, um danach nicht mehr auszuheilen. Die Lebensdauer fällt daher wegen der Entladungsalterung sehr kurz aus.

(3) Chlorierte Verbindungen erzeugen infolge von Entladungs und Wärme al te rungsvo r gangen freies Chlor, was die Isolationswirkung mindert.

Die Erfindung hat zur Aufgabe , durch Kombination von Kunststoffmaterialien und optimal geeigneten Ölen als Tränkmittel elektrische Vorrichtungen von hoher Leistungsdichte und hoher Zuverlässigkeit zu schaffen.

Erreicht wird dieses Ziel durch Tränken der die Elektroden und das Polyolefin-Kunst stoff ma te rial einbegreifenden Bauelemente einer elektrischen Vorrichtung mit einem Isolieröl, bestehend aus einem Gemisch einer Arylalkanverbindung, deren Aromatengehalt sich auf 50 bis 90 Prozent beläuft, mit mindestens 10 Volumprozent einer phosphat- oder phosphitartigen organischen Phosphorverbindung mit einer Dielektrizitätskonstante von 4 bis 8. Der Begriff "Aromatengehalt" bezieht sich hier auf den prozentualen Anteil derjenigen Kohle ns toff a tome , die aromatische Binge wie etwa einen Benzolring oder Naphthalinring bilden, bezogen auf die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome, die am Bau des Moleküls des Isolieröls beteiligt sind.

Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Aryl al kanve rbi ndungen sind durch die folgende allgemeine Formel darzustellen:

worin Ε_χ Methylen, 1,1-Äthylen oder 1,2-1'thylen bezeichnet, also

-CH₂-

-CH-

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-CH-CH₂-

während R₂ und R, Alkylgruppen mit 1 bi s 8 Kohlenstoffatomen bezeichnen, wie beispielsweise CH₅-, C₂H₅-, C₅H₇- usw., wobei η = 1 bis 3.

Die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Phosphate und Phosphate haben die allgemeinen Formeln

R.-O

4 \
R_K-O-P=O

5 /
R₆-O

bzw.

¹A

In diesen Formeln handelt es sich bei den Gruppen R^, R₅ und

^ ₅

gleich oder unterschiedlich sein können, um Phenyl gruppen, mit Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituierte phenylgruppen oder um Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise

usw.

Beispiele der im Rahmen der Erfindung verwendeten Öle und herkömmlicher Öle sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengestellt.

Tabelle 1
Kohle nwa s se rs to ff ve rbi ndunge η

Nr.	Bezeichnung	übe nzyl toluol	Aromaten- gehalt, </o	Sie de- pkt. ⁰C	Fließ- pkt. ⁰C	Dielektri zi täts- ko η s tan te
erfindungsgemäße Öle:	Üalkyl diphenyl
1	Triaryläthan	86	390	-35	2,6
CVi	Di aryläthan	75	280-300	-30	2,5
3	70	370-380	-15	2,4
4	6o	290-300	- 50	2,6

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(noch: Tabelle l)

herkömmlιehe Öle:	Alkylbenzol	57	280-300	-52	,5	2,5
VJl	Mineralöl	10	270-300	-57	,5	2,2
6	Paraffinöl	0	312-405	-12	,5	2,1
7	Polybuten	0	500-400	-50		2,0
8

Tabelle 2
Organische phosphorverbindungen

Nr.	Bezeichnung	Tri cre sylpho sphat	Tri cre sylpho sphi t	Dielektri zitäts- konstante
Pho sphate:	Cre syl diphenylpho sphat	Tri ο c tylpho sphi t
9	0ctyldiphenylphosphat	Tri xyle nylpho sphit	7,0
10	Tri xyle nylpho spha t	Triphe nylpho sphi t	7,9
11	Trio ctylpho sphat	8,0
12	I sop ropylphe nylpho sphat	6,0
15	Pho sphi te:	4,5
14	15	7,5
16
17	6,5
18	4,0
5,5
6,0

Hat η in der allgemeinen Formel der Aryl al kanve rb in dünge η den Ufert Bull, so vermitteln diese Aryl al kanve rbi ndungen eine starke Quellfähigkeit und haben ein hohes Lösungsvermögen für den Polyolefinfilm, so daß sich die Zwischenräume zwischen den Filmschichten verkleinern, und die Bauteile können daher nicht hinreichend damit durchtränkt werden. Hat η den Hart 4 oder einen höheren lert, so haben die Verbindungen eine hohe Viskosität, und ein hinreichendes Tränken des Polyolefinfilms ist auch in diesem Fall nicht möglich.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, in der die Ergebnisse von Löslichkei tsversuche η wiedergegeben sind, die mit PoIy-

propylenfilm

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propylenfilm in Ölen bei erhöhter Temperatur durchgeführt wurden. Wie aus dieser graphischen Darstellung hervorgeht, nahm die Löslichkeit mit der Erhöhung des Be !mischungsverhältnis se s der organischen Pho spho rve rbi ndung in dem Öl ab, wohingegen die Löslichkeit mit abnehmendem Aromatengehalt der Aryl al kanve rbindung zunahm.

Bei Fig. 2 handelt es sich um eine graphische Darstellung, welche die zwischen dem Wert von tg-f (dielektrischer Verlustfaktor) und dem Beimischungsverhältnis der organischen Phosphorverbindung bestehenden Beziehungen wiedergibt. Der Darstellung ist zu entnehmen, daß sich eine Tendenz zur Erhöhung des Wertes von tgi mit steigendem Beimischungsverhältnis der organischen phosphorverbindung zeigt und daß tgu besonders dann abrupt zunimmt, wenn dieses Verhältnis den Wert von 80 Prozent überschreitet.

Die graphische Darstellung der Fig. 3 gibt die zwischen der Ko ro na Zündspannung, dem Beimischungsverhältnis der organischen Phosphorverbindung und dem Aroma te nge halt der Aryl al kanve rbi ndung bestehenden Beziehungen wieder. Wie die graphische Darstellung erkennen läßt, war ein hinlänglicher Effekt zu beobachten, wenn man die Koronazündspannung im Fall eines Beimi schungs verhältnis se s von 0 Prozent gleich 1 setzt. Belief sich der Aroma te nge halt der Arylalkanverbindungen auf weniger als 50 Prozent, so war dieser Effekt sehr gering, und einige dieser Verbindungen waren mit den organischen Phosphorverbindungen nicht verträglich. Die Aryl alkanve rbi ndungen mit einem Aroma te ngehalt von weniger als 50 Prozent waren daher nicht geeignet. War der Aroma te ngehalt der Aryl al kanve rb indungen hingegen höher als 90 Prozent, so nahm der Dampfdruck der Verbindungen hohe Werte an und umgekehrt erhöhte sich der Fließpunkt über die Normaltemperatur, so daß die charakteristischen Eigenschaften eines Öls dann nicht hinlänglich ausgeprägt waren.

Aus den in Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichten Befunden ergibt sich, daß diejenigen Gemische am besten geeignet sind, die eine Aryl al kanve rbi ndung mit einem Aromate ngehalt von 50 bis 90 Prozent und einen Anteil von 20 bis 70 Prozent einer organischen Phosphorverbindung enthalten.

Die folgenden Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Veranschaulichung der Erfindung.

Ausführungsbei spiel

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-S-

Ausführungsbeispiel 1

Ein Kondensator von 1 kVA wurde hergestellt, indem Kondensatorbauteile in Form von Aluminiumfolien als Elektroden und Polypropylenfilm als Dielektrikum mit einem Tränkmittel getränkt wurden, das aus einem Gemisch eines Diaryläthans (beispielsweise 1,1-Phenylxylyläthan) mit Tricresylphosphat im Volumverhältnis 2 zu 1 bestand. Daneben wurde ein Kondensator der gleichen Bauweise hergestellt, dessen Kondensatorbauteile jedoch nur mit dem Diaryläthan getränkt wurden. An diesen Kondensatoren wurde die zeitliche Änderung der Koronaentladungsleistung gemessen. Die Meßergebnisse sind in Hg. 4 dargestellt. Die anfängliche Koronaentladungsleistung wurde gleich 1 gesetzt, und wie aus Fig. 4 ^zu entnehmen ist, verringerte sich die Entladungsleistung im Fall des erfindungsgemäßen Kondensators im Verlauf weniger Minuten und ein dielektrischer Durchschlag trat nicht ein, wohingegen sich die Entladungsleistung bei dem nur mit der Arylalkanverbindung getränkten Kondensator erhöhte , worauf schließlich ein dielektrischer Durchschlag erfolgte. Ähnliche Wirkungen wurden auch mit anderen Phosphorverbindungen erzielt, wenn diese je nach der Art der Vorrichtung und der Kapazität unter optimalen Bedingungen eingesetzt wurden. Auffällige Wirkungen ließen sich besonders dann hervorbringen, wenn das Potential ge fälle über dem Isola-tor den Wert von JO V/u überschritt.

Da bei der Herstellung der organischen Phosphorverbindungen, beispielsweise von Phosphaten und Phosphiten, mit Chlorverbindungen gearbeitet wird, kann freies Chlor anwesend sein-i.p.n kann daher zur Beseitigung des freien Chlors und zur Erhöhung der Lebensdauer eine Epoxy verbindung zusetzen, was sich günstig auswirkt. Beispiele solcher Epoxyverbindungen sind Dipentendioxid, Bis(2,3)epoxycyclobenzyläther, Di (2-äthylhexyl)-4,5-epoxycyclohexan-1,2-dicarbonsäureester, eine mit Sojabohnenöl modifizierte Epoxyverbindung usw. Der Mengenanteil der zugesetzten Epoxyverbindung beläuft sich zweckdienlich auf 0,05 bis 5 Gewichtsprozent. Überschreitet dieser Anteil 5 Prozent, so wirkt der Zusatz im umgekehrten Sinn als Verunreinigung und die tgJ"-Charakteristik verschlechtert sich, während ein Anteil von weniger als 0,05 Prozent praktisch keine Wirkung hervorbringt.

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Im Rahmen der erfinderischen Bemühungen konnte weiterhin geklärt werden, daß die phosphorsäureester auch einen geringen Mengenanteil saurer phosphorsäureester enthalten und daß hierdurch die Kettenreaktion des Radikal ze rf al Is in Kunststoffmaterialien wie etwa Polypropylenfilmen beschleunigt wird, worauf infolge der thermischen Eigenpolymerisationsreaktion eine Umwandlung in Polyphosphorsäure erfolgt, was eine Alterung der Kunststoffmaterialien und des Isolieröls nach sich zieht. Zur Verhinderung dieses unerwünschten Reaktionsablaufs hat sich die Zugabe eines Radi kalbe sei ti ge rs als sehr zweckdienlich erwiesen, wofür Beispiele in Tabelle 3 zusammengestellt sind.

Tabelle 3

geeigneter Bezeichnung Mengenanteil,

Gewichtsprozent

(1) Biphenylamin 1-3

(2) Phenyl-ji-naphthylamin 1-3

(3) Phenyl-ß-naphthylamin 1-5

(4) Diphenyl-p-phenylendiamin 0,5-10

(5) N,N'-Phenylcyclonexyl-p-phenylendiamin 5-10

(6) p-Oxyphenylcyclohexan 0,5-1

(7) Di-p-oxyphenylcyclohexan 0,5-1

(8) Dicresylpropan 0,5-1

(9) 2,6-Di-t-butyl-4-methylphenol 0,5-5

(10) 2,4,6-Tri-t-butylph.enol 0,5-5

(11) l,l'-Methylen-bis(4-hydroxy-2,5-t-butylphenol) 0,5-1

(12) 2,6« (2-t-Butyl-4-methyl-6-methylphenol)-p-cresol 0,5-1

(13) l,3,5-Trimethyl-2,4,6-tris(3,5-di-t-butyl-4-oxybenzyl)benzol 0,5-1

(14) 2,2'-Thio-bis(4-methyl-6-t-butylphenol) 0,5-5

(15) 4,4'-Thio-bis(3-methyl-6-t-butylphenol) 0,5-5

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Mengenanteil des Radi kalbe sei ti ge rs und der Zeitspanne, die verstreicht, bis bei einem bei erhöhter Temperatur in Öl belassenen

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nen Polypropylenfilm "bei einer Spannung entsprechend 90 Prozent der anfänglichen Durchschlagspannung ein Durchschlag erfolgt, me aus der graphischen Darstellung hervorgeht, fiel die Induktionszeit für den Abbau weit langer aus, wenn der Ea di kalbe sei tiger zusammen mit der Kp oxy verbindung verwendet wurde.

Ausführungsbeispiel 2

Es wurde ein Kondensator hergestellt, indem die Kondensatorbauteile , die mit Polypropylenfilm als Dielektrikum versehen waren, mit einem Tränkmittelgemisch von Diaryläthan und Cre syl diphenyl phosphat im Mischungsverhältnis von 2 zu 1 unter Zugabe von 1 Gewichtsprozent Dipentenoxid und 1 Gewichtsprozent l,3,5-Trimethyl-2,4,6-tris-(3»5-di-t-butyl-4-oxybenxyl)benzol getränkt wurden. Daneben wurde ein Kondensator der gleichen Bauweise hergestellt, wobei das Tränkmittel in diesem Fall die beiden letztgenannten Zusätze jedoch nicht enthielt. Mit diesen Kondensatoren wurde ein Lebensdauerversuch durchgeführt, indem in einer Umgebung mit einer Temperatur von 80 C eine Überspannung angelegt wurde, was die Ergebnisse zeitigte, die in Fig. 6 dargestellt sind. He aus Fig. 6 zu entnehmen ist, trat bei Fortlassung der Zusätze innerhalb von 1000 Stunden ein dielektrischer Durchschlag ein, wogegen auch nach 10 000 Stunden noch ein einwandfreier Kondensatorbetrieb möglich war, falls die Zusätze vorgesehen waren. Entsprechende Eesultate konnten auch nit anderen Zusätzen erzielt werden.

Darüber hinaus ist in der Verbesserung der Flammfestigkeit des Öls noch eine zusätzliche Wirkung festzustellen, und es wird somit auch der Betriebssicherheit in hervorragendem MaBe gedient. Bei Anwendung der Sauerstoffindexaethode ergab sich die folgende Einstufung: Siliconöl 29$ > Cresyldiphenylphosphat 28$ > Diaryläthan + Cresyidiphenylphosphat (im Tolumverhältniβ 1 zu 2) 25$ > Diaryläthan + Creeyldiphenylphosphat (im Volumverhältnis 2 zu l) 23$ > Diaryläthan 20$ > Alkylbenzol 18$ <vMineralöl 18$ > Polypropylenfilm 17,5$.

Pa te η tansp rüche

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Claims

pate ntansp rüche —-χ
ίΐ J ölgetränkte elektrische Vorrichtung mit einem mindestens zwei Elektroden und mindestens eine Folie eines Polyolefinfilms umfassenden Bauelement, getennzeichnet durch die Tränkung des Baueleaents mit einem Gemisch aus einer ArylalkanverMndung und einer ο rgani sehe η Pho spho rve rbi ndung.
2. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 10 Ms 80 Volumprozent der organischen Phosphorverbindung enthält.
3. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 20 Ms 70 Volumprozent der organischen Phosphorverhindung enthält.
4. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Polyolefinfilm um einen PoIypropylenfilm handelt.
5· Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ary 1 al kanve rbi ndung der allgemeinen Formel

entspricht, worin B- Methylen, 1,1-A'thylen oder 1,2-Ä'thylen bezeichnet, während E₂ und E, Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen bezeichnen und η einen Ifert von 1 bis 3 hat.
6. ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Aryl al kanve rbi ndung um 1,1-Phenylxylyläthan handelt.
7· ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der organischen Phosphorverbindung um ein Phosphat handelt.
8. ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der organischen Phosphorverbindung um ein Phosphit handelt.

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9. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die organische phosphorverbindung eine Dielektrizitätskonstante von 4 bis 8 hat.
10. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die organische pho spho rve rbi ndung eine Dielektrizitätskonstante von 4 Ws 8 hat.
11. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der organischen Phosphorverbindung um Tri cre sylpho sphat, Cre syldiphenylpho sphat, Trixylenylphosphat oder Isopropylphenylphosphat handelt.
12. Ölgetränkte elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch zusätzlich 0,05 bis 5 Gewichtsprozent einer Epoxyverbindung enthält.

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