DE2608397A1

DE2608397A1 - Dielektrische fluessigkeit

Info

Publication number: DE2608397A1
Application number: DE19762608397
Authority: DE
Inventors: Gary Allen Vincent
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1975-03-03
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1976-09-09
Also published as: DE2659903B2; FR2303070B1; CH628178A5; JPS5510930B2; GB1540131A; JPS51113199A; FR2303070A1; DE2608397B2; DE2608397C3; DE2659903A1; CA1079951A; DE2659903C3

Description

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DC 2045

Dow Coming Corporation/ Midland/ Michigan, V.St.A.

Dielektrische Flüssigkeit

Bei zahlreichen elektrischen Vorrichtungen braucht man ein flüssiges Isolationsmedium, das als dielektrische Flüssigkeit bezeichnet wird. Diese Flüssigkeit verfügt über einen wesentlich höheren Durchschlagwiderstand als Luft. Ersetzt man die zwischen Leitern bei einer elektrischen Vorrichtung oder Apparatur vorhandene Luft daher durch eine derartige Flüssigkeit, dann läßt sich hierdurch die Durchschlagspannung der elektrischen Vorrichtung erhöhen. Die ständig zunehmende Verfeinerung elektronischer Ausrüstungen führt dazu, daß die verschiedenen elektrischen Vorrichtungen bei immer höher werdenden Spannungen betrieben werden. Dies bedeutet, daß die bei solchen Vorrichtungen verwendeten dielektrischen Flüssigkeiten immer größer werdenden Beanspruchungen unterworfen sind. Man ist daher ständig auf der Suche nach besseren dielektrischen Flüssigkeiten.

Mit Ausnahme von bestimmten speziellen Anwendungsarten sind die polychlorierten Bipheny!verbindungen (die im allgemeinen als PCB bezeichnet werden) seit den dreißiger Jahren, als das früher hierzu verwendete Mineralöl durch die PCB-Verbindungen

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ersetzt wurde, die bei elektrischen Vorrichtungen üblichen dielektrischen Flüssigkeiten. Als dielektrische Flüssigkeiten wurden auch bereits verschiedene andere Flüssigkeiten vorgeschlagen, zu denen auch einige Siloxane gehören. Hierzu wird beispielsweise auf US-PS 2 377 689 und 3838 056 sowie auf GB-PS 899 658 und 899 661 verwiesen. Vor kurzer Zeit wurde gefunden, daß die PCB-Verbindungen die Umwelt beeinträchtigen, und es wird daher weltweit nach einem geeigneten Ersatz für diese Verbindungen gesucht.

Ein wesentlicher Faktor, der zu einer Zerstörung und einem Versagen von Kondensatoren oder anderen Vorrichtungen zur Korrektur des Stärkefaktors führt, ist beispielsweise eine Corona- oder Teilentladung. Ein unter Coronaspannung arbeitender Kondensator hält nur wenige Minuten oder Stunden anstatt der erwarteten 20 Jahre. Ein Kondensator, der mit einer geeigneten dielektrischen Flüssigkeit entsprechend imprägniert ist, ist bis zu wenigstens dem zweifachen der berechneten Spannung praktisch frei von Coronaentladung. Wird eine dielektrische Flüssigkeit während des Betriebs einer zunehmenden Beanspruchung unterzogen, dann kommt man bis zu einem Punkt, an dem ein teilweises Durchschlagen auftritt. Die Spannung, bei der der Kondensator plötzlich zu einer teilweisen Entladung oder Coronaentladung übergeht, wird als Coronaanfangsspannung (CIV) bezeichnet. Diese Spannung ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Spannung angelegt wird. Die verschiedenen Flüssigkeiten unterscheiden sich nun hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber der Geschwindigkeit einer Spannungserhöhung ziemlich stark voneinander. Die Coronaentladung hört jedoch unter Spannungserniedrigung auf. Diese Coronaauslöschspannung (CEV) ist kein für jede Flüssigkeit fester Wert, sondern eine Funktion von der Intensität der Coronaentladung vor Abfall der Spannung. Für beste Ergebnisse sollten sowohl der CIV-Wert als auch der CEV-Wert möglichst hoch sein und möglichst dicht beieinander liegen.

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Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß man durch Einarbeitung bestimmter ausgewählter nitrosubstituierter organischer Verbindungen in flüssige Polyorganosiloxane eine Zubereitung erhält, die sich als dielektrische Flüssigkeit für elektrische Vorrichtungen eignet. Diese Zubereitungen stellen bei Verwendung als dielektrische Flüssigkeiten einen geeigneten Ersatz für die PCB-Verbindungen dar, die bisher als dielektrische Flüssigkeiten verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich somit insbesondere auf eine eine dielektrische Flüssigkeit enthaltende Vorrichtung, deren Verbesserung darin besteht, daß man als dielektrische Flüssigkeit eine Zubereitung verwendet, die im wesentlichen aus einer größeren Menge eines flüssigen Polyorganosiloxane und einer kleineren Menge einer in diesem Siloxan löslichen Verbindung besteht, die aus der Gruppe nitrosubstituierter aromatischer Kohlenwasserstoffe, nitrosubstituierter aliphatischer Kohlenwasserstoffe und nitrosubstituierter cycloaliphatischer Kohlenwasserstoffe ausgewählt ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine dielektrische Flüssigkeit, die im wesentlichen aus einer größeren Menge eines flüssiges Polyorganosiloxans und einer kleineren Menge einer in diesem Siloxan löslichen Verbindung besteht, die ein nitrosubstituierter aromatischer Kohlenwasserstoff, ein nitrosubstituierter aliphatischer Kohlenwasserstoff, ein nitrosubstituierter cycloaliphatischer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch hieraus ist.

Die erfindungsgemäß geeigneten flüssigen Polyorganosiloxane sind vorwiegend aus Siloxan-Einheiten der Formel R₃SiO zusammengesetzt und sie können ferner auch geringere Mengen Siloxan-Eiheiten der Formeln R₃SiCj ,^, RSiO₃,₂ und SiO. ,~ enthalten. Von besonderem Interesse sind flüssige Polyorganosiloxane der Formel R₃SiO(R₂SiO) SiR₃. Bei den vorgenannten Formeln sind

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die Substituenten R vorzugsweise Wasserstoffatome oder halogenierte Kohlenwasserstoffreste. Beispiele geeigneter Substitenten R sind Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl, Decyl, Dodecyl, Octadecyl, Vinyl, Allyl, Cyclohexyl, Phenyl, Xenyl, Tolyl, XyIyI, Benzyl, 2-Phenäthyl, 3-Chlorpropyl, 4-Brombutyl, 3,3,3-Trifluorpropyl, Dichlorphenyl oder alpha,alphaalpha-Trifluortolyl. Der Substituent R enthält vorzugsweise 1 bis 6 Kohlenstoffatome, wobei Methyl, Vinyl und Phenyl besonders bevorzugt sind.

Die erfindungsgemäße dielektrische flüssige Zubereitung enthält zweckmäßigerweise mehr als 50 % flüssiges Polyorganosiloxan, und dieses macht vorzugsweise 80 bis 99,5 Gewichtsprozent der erfindungsgemäßen dielektrischen flüssigen Zubereitung aus. Diese flüssigen Polyorganosiloxane sind bekannte und im Handel erhältliche Materialien.

Die erfindungsgemäße dielektrische Zubereitung enthält ferner eine geringere Menge eines nitrosubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoffs, nitrosubstituierten aliphatischen Kohlenwasserstoffs, nitrosubstituierten cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffs oder Gemisches hieraus. Es wird als wesentlich erachtet, daß diese Nitroverbindungen in dem in der Zubereitung vorhandenen flüssigen Polyorganosiloxan löslich sind. Erfindungsgemäß sind zwar alle oben angeführten Nitroverbindungen geeignet, bevorzugt werden jedoch die Mononitroverbindungen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen. Die erfindungsgemäß verwendeten Nitrokohlenwasserstoffe machen einen geringeren Anteil, nämlich weniger als 50 %, der erfindungsgemäßen Zubereitung aus. Im allgemeinen werden diese Materialien vorzugsweise jedoch in Mengen von 0,5 bis 20 Gewichtsprozent der Zubereitung eingesetzt.

Die erfindungsgemäßen dielektrischen Zubereitungen können ferner auch geringe Mengen üblicher Zusätze enthalten, wie Chlorwasserstoffakzeptoren, Korrosionsinhibitoren und andere

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herkömmliche Additive, wie sie normalerweise bei solchen Zubereitungen verwendet werden, sofern diese die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zubereitungen nicht nachteilig beeinflussen.

Die zwei wichtigsten elektrischen Vorrichtungen, bei denen die erfindungsgemäß dielektrischen Flüssigkeiten eingesetzt werden können, sind Kondensatoren und Transformatoren. Die erfindungsgemäßen dielektrischen Flüssigkeiten lassen sich mit Vorteil ferner auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen verwenden, wie Elektrokabeln, Gleichrichtern, Elektromagneten, Schaltern, Sicherungen sowie Stromkreisunterbrechern, und sie können auch als Kühlmittel und Isolatoren für dielektrische Vorrichtungen eingesetzt werden, wie Sender, Empfänger, Rücklaufspulen, Schallbojen und Spielzeuge. Die Methoden zum Einsatz der dielektrischen Flüssigkeiten bei diesen verschiedenen Anwendungsarten (in denen sie beispielsweise als Flüssigkeitsreservoire oder als Imprägniermittel verwendet werden) sind dem Fachmann bekannt. Beste Ergebnisse erhält man mit einer solchen erfindungsgemäßen dielektrischen flüssigen Zubereitung, die über eine Viskosität im Bereich von 5 bis 500 cSt bei 25 C verfügt. Liegt die Viskosität bei über 500 cSt, dann ist die Zubereitung nur schwierig als Imprägniermittel zu verwenden, und bei einer Viskosität von unter 5 cSt treten Probleme wegen der Flüchtigkeit der Zubereitung auf, sofern man sie nicht in einem geschlossenen System einsetzt.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels weiter erläutert. Alle darin enthaltenen Teil- und Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen, und alle Viskositätswerte sind bei einer Temperatur von 25 C gemessen, sofern nichts anderes gesagt ist.

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Beispiel

Es wird eine Untersuchungsmethode zur Beurteilung dielektrischer Flüssigkeiten entwickelt, die sauber mit dem Versuchsergebnis übereinstimmt, welche man unter Verwendung von Versuchskondensatoren erhält. Das wesentliche Bauteil der für diesen Versuch herangezogenen Vorrichtung ist ein Biddle-Corona-Detektor mit einer von Hand bedienbaren Variac-Steuerung. Die Versuchszelle besteht aus einem zylindrischen Glasbehälter. Der Fuß der Zelle ist ein mit Keramik gefüllter Kunststoff und enthält eine Metallplatte aus rostfreiem Stahl, die direkt geerdet ist. Die Abdeckung des Behälters ist eine Platte aus rostfreiem Stahl, die mit einer über ein Mikrometer einstellbaren Hochspannungselektrode verbunden ist, an deren Ende sich eine Phonographennadel aus Stahl befindet. Die Spitze dieser Nadel ist 0,0635 cm oberhalb des geerdeten Fußes angeordnet. In der mit der Elektrode verbundenen Hochspannungsleitung herrscht ein Widerstand von 1,67 χ 10 Ohm. Dieser Widerstand dient zur Strombegrenzung.

Während des Versuchs werden einige ecm der zu untersuchenden Flüssigkeit in den Behälter gegeben, der dann mit der Abdeckung versehen wird. Mit zunehmender Spannung kommt es zu einer Teilentladung zwischen der Spitze der Elektrode und der geerdeten Platte. Hierdurch wird Strom abgeführt, wobei sich die angelegte Spannung auf unter die Entladungsspannung erniedrigt. Wird kein Strom abgeführt, dann befindet sich die angelegte Spannung wiederum auf einem Teilentladungspotential. Durch Entladung wird wiederum Strom abgeführt, worauf sich der Vorgang wiederholt. Es kommt infolgedessen zu einem sehr raschen An- und Abschalten des Stromes, wodurch es niemals zu einem totalen Durchschlagen der Flüssigkeit kommen kann.

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Beim Betrieb wird die angelegte Spannung durch Einstellen
der Variac-Steuerung langsam erhöht. Die dabei auftretenden Teilentladungen beobachtet man auf dem Oscilloskop des
Coronadetektors. Der Punkt, an dem die ellipsenförmige Anzeige auf dem Gitter von Entladungen überflutet wird, und an dem
aus der Zelle ein ständig hörbares Krachen kommt, wird als
Coronaanfangsspannung (CIV) aufgetragen. Die Geschwindigkeit des Anstiegs der angelegten Spannung beträgt möglicherweise einige 100 Volt pro Sekunde. Nach Ermittlung des CIV-Wertes erniedrigt man die Spannung langsam bis man durch das teilweise Aufhören der Entladungen wiederum eine elliptische
Anzeige auf dem Gitter sieht. Der Punkt, an dem dies auftritt, wird ebenfalls aufgezeichnet, und hierbei handelt es sich um die Coronaausloschspannung (CEV).

Man stellt eine Reihe dielektrischer Zubereitungen her, die im wesentlichen aus einem flüssigen trimethylsilylendblockierten Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von
50 cSt und aus verschiedenen nitrosubstituierten Kohlenwasserstoffen in verschiedenen Mengen bestehen. Diese Zubereitungen werden nach dem oben erwähnten Verfahren untersucht. Die hierzu jeweils verwendeten speziellen nitrosubstituierten Kohlenwasserstoffe, die davon verwendeten
Mengen (der Rest ist jeweils das Siloxan) und die dabei erhaltenen Versuchsergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle hervor. Eine Zahl mit einem (+) dahinter bedeutet, daß der
Versuch an diesem Punkt abgebrochen wird und der tatsächliche Wert etwas größer ist als der angegebene Wert.

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Hitroverbindung

A keine

B Nitrobenzol

2-Nitropropan

o-Nitrotoluol

o-Nitrodiphenylamin Menge CIV CEV (Gew.-%) (in KV) (in KV)

<1

0 15_#6 14,8 5 18,0 14,5 2,5 20,0 18,8

1 19,2 17,6

19,8 17,0

5 18,4 17,6

2,5 20,0+ 18,0

1 20,0+ 19,0

18

16,4

= Vergleich

= Gesättigte Lösung

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Claims

Patentansprüche

Ke nnzeichnet , daß sie im wesentlichen aus einer größeren Menge eines flüssigen Polyorganosiloxane und einer geringeren Menge einer in diesem Siloxan löslichen Verbindung besteht, die ein nitrosubstituierter aromatischer Kohlenwasserstoff, ein nitrosubstituierter aliphatischer Kohlenwasserstoff, ein nitrosubstituierter cycloaliphatischer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch hieraus ist.
2. Transformator oder Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß er als dielektrische Flüssigkeit eine Zubereitung mit einer Viskosität von 5 bis 500 cSt bei 25 ⁰C enthält, die aus 80 bis 99,5 Gewichtsprozent eines flüssigen Polyorganosiloxane und aus 0,5 bis 20 Gewichtsprozent eines nitrosubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoffs , eines nitrosubstituierten aliphatischen Kohlenwasserstoffs, eines nitrosubstituierten cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffs oder eines Gemisches hieraus besteht.

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