DE3203053A1

DE3203053A1 - Dielektrische isolierfluessigkeit, insbesondere zur anwendung in elektrischen kondensatoren geeignet, und diese fluessigkeit enthaltender kondensator

Info

Publication number: DE3203053A1
Application number: DE19823203053
Authority: DE
Inventors: Sergio Brescia Nebel; Achille Pontoglio
Original assignee: Caffaro SpA
Current assignee: Caffaro SpA
Priority date: 1981-02-11
Filing date: 1982-01-30
Publication date: 1982-08-19
Also published as: IT1135418B; IT8119660A0; GB2094338A; FR2499756A1; FR2499756B1

Description

BESCHREIBUNG

Auf dem Gebiet der elektrischen Kondensatoren, die aus Kapazi tätsbelägen mit dazwischen eingesetzten Folien aus dielektrischem Material, wie zum Beispiel Papier oder Kunststoffilm, bestehen, ist es bekannt, diese Folien mit dielektrischen Flüssigkeiten zu imprängnieren, um ihnen die gewünschten isolierenden Eigenschaften zu verleihen.

Zu diesem Zweck hat die Fachtechnik bisher vor allem halogenierte Diphenylderivate und insbesondere die sogenannten Aska relöle als dielektrische Flüssigkeiten benutzt.

■ Es wurde jedoch - zum Beispiel auch durch einige EWG-Richtlinien - auf die mit der Anwendung solcher halogenierten Deriva te zusammenhängenden Gefahren hingewiesen, und zwar vor allem weil sie giftig sind und dazu neigen, sich in der Umgebung mit starker Umweltbelastung anzusammeln.

Die Industrie dieser Branche hat sich daher auf die Suche nach Ersatzverbindungen dieser halogenierte Diphenylderivate einstellen müssen, die für Menschen und Tiere ungefährlich und für den Fall einer Streuung in die Umgebung in starkem Mass biologisch abbaubar sein sollen.

Es ist also Hauptaufgabe der Erfindung, eine dielektrische Iso lierflüssigkeit vorzuschlagen, die insbesondere als Öl zur Imprägnierung von elektrischen Kondensatoren anstelle der gewöhn lieh für diesen Zweck bekannten Öle und vor allem anstelle der erwähnten halogenierten Diphenylderivate zu benutzen ist.

Ausserdem muss ein geeignetes dielektrisches Öl für Kondensatoren niedrige Viskosität und chemische Trägheit sowie gute Vertraglichkeit mit den Kondensatorbestandteilen aufweisen.

Weiterhin muss die Flüssigkeit die schweren Betriebsbedingungen des Kondensators aushalten, und zwar vor allem dort, wo das dielektrische Feld weniger gleichmässig ist, zum Beispiel im Bereich der Kapazitätsbelagränder, bei denen der Isolierstoff besonders hochbelastet ist. Dazu kommt noch, dass eventuelle, geringe Teilentladungen in das Dielektrikum die Lebensdauer des Kondensators nicht beeinträchtigen dürfen.

Die erfindungsgemässe Flüssigkeit muss also solche Eigenschaften besitzen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine dielektrische Flüssigkeit mit den oben angegebenen Eigenschaften durch ein im wesentlichen einfach und zu niedrigen Kosten ausführbares Zubereitungsverfahren zu schaffen, das es zum Beispiel ermöglicht, von leicht und relativ billig zu beschaffenden Reagenzien auszugehen.

Bei der Lösung dieser Aufgaben wurde nun erfindungsgemäss und überraschenderweise festgestellt, dass als insbesondere zur Anwendung in elektrischen Kondensatoren geeignetes dielek trisches Öl wenigstens ein Kohlenwasserstoff mit nachstehender allgemeiner Formel vorteilhaft ausgeführt v/erden kann;

/~R - Ar - R¹ 7 —Ar— R - η - ρ m

wo: Ar_ ein Benzol-, Diphenyl- oder Polyphenyl- oder Naphtalin^ ring ist,

R H, CH_, CH Isopropyl oder andere höhere homologe Stof fe oder eine zykloaliphatische Gruppe sein kann, R¹ die Gruppe -CH-CH- oder ihrer höheren, auch verzweig

λ 2 —

ten homologen Stoffe ist, wobei H durch andere Atome oder Gruppen ersetzt werden"kann,

η und m zwischen 1 und 5 liegende, einander gleiche oder

ungleiche ganze Zahlen sind,

£ eine ganze Zahl ist, die gleich 1 oder grosser ist.

Ist η ausserdem höher als der Wert 1, so können sich ihrerseits die R-Ersatzstoffe voneinander unterscheiden. Das Gleiche gilt für den Wert von m.

Rein als die Erfindung nicht beschränkende Beispiel werden nachstehend die Strukturformeln einiger der erfindungsge~ massen Kohlenwasserstoffe angegeben:

CH.

(Ia)

und sein höherer homologer Stoff:

CH₀-CH,

CH-CH

CH.

(Ib)

und sein höherer homologer Stoff:

(Ha)

(Hb)

Erfindungsgemäss liegt der Synthese dieser Verbindungen im we sentlichen die Reaktion von Friedel und Crafts zwischen einem Bihalogenderivat der Art:

X-R-X

wo X ein halogener Stoff und

R eine Gruppe -CH-CH- oder ihrer homologen, auch verzweig ten Stoffe ist, wobei H durch ein anderes Atom oder Radikal ersetzt werden kann,

und einem Kohlenwasserstoff der Art:

Ar-R
η

zugrunde, wo Ar ein Benzol-, Diphenyl- oder im allgemeinen Polyphenyl- bzw. Naphtalinring,

R H oder eine aliphatische bzw. zykloaliphatische Gruppe und
η eine zwischen 1 und 5 liegende ganze Zahl ist.

Sind ausserdem die Ersatzstoffe mehr als 1, so können sie ein ander gleich oder voneinander unterschiedlich sein.

Die Reaktion wird mit klassischen Katalysatoren des Types AlCl , FeCl , BF bei massigen Temperaturen vorgenommen, so dass Isomerisierungserscheinungen auf ein Mindestmass gehalten werden.

Das Molverhältnis zwischen aromatischem Kohlenwasserstoff und Halogenderivat kann weitgehend veränderlich sein, und zwar je nachdem ob man vorwiegend Verbindungen mit niedrigem Molgewicht oder Erzeugnisse mit längerer Kette erhalten will, die daher höhersiedend sind.

Ausserdem kann die sich entwickelnde Chlorwasserstoffsäure in ■ Form einer konzentrierten wässerige Lösung rückgewonnen und als solche benutzt werden.

Am Ende der Reaktion wird der Katalysator mit Wasser oder Alkali zerstört, die Reaktionsmasse gewaschen und neutralisiert, der KohlenwasserstoffÜberschußs durch Rektifikation ausgeschie den und das Endprodukt durch Destillation rückgewonnen.

Nach der dielektrischen Reinigungsbehandlung mit den auf diesem Gebiet üblichen Verfahren erhält man Öle mit niedriger Vi skosität und hohem Siedepunkt. Erfindungsgemäss sind diese Öle zur Anwendung mit Dielektrikum insbesondere in Kondensato ren geeignet. Nachstehend werden einige Beispiele der Synthese von erfindungsgemäss erhaltenen Ölen aufgeführt.

Beispiel 1

Ein Reaktionsgefäss zu 60 Liter mit Rührapparat, Kühlmittel, Heizgerät und Abscheidsystem des gasförmigen HCl wird mit 55,4 kg Toluol gefüllt; es werden 9,9 kg Toluol destilliert, um die restlichen 45,5 kg (die 493,8 Mol entsprechen) zu dehydratisieren.

Man kühlt auf 80°C ab, schlägt AlCl (40 g) zu und tröpfelt langsam 4,073 kg 1,2-Äthylendichlorid etwas eine Stunde lang ab.

Die Reaktion ist nach etwa 6 Stunden vervollständigt, als die Entwicklung von HCl aufhört und die gaschromatographische Untersuchung zeigt, dass das Äthylendichlorid verschwunden ist. Die Masse wird zwei Mal mit der gleichen Menge' lauwarmen Wassers gewaschen und man scheidet die organische Phase ab, die so lange rektifiziert wird (2 0 Hürden), bis das Toluol vollständig entfernt worden ist.

Die restliche Masse wird vakuumdestilliert, wodurch 7,250 kg öligen, flüssigen, leicht strohfarbenen Produkts erhalten

werden.

Dieses Produkt entspricht einem Gemisch der Kohlenwasserstoffe der Formeln (Ia) und (Ib).

Nach der dielektrischen Reinigung weist das Produkt folgende Eigenschaften auf:

- elektrische Feldkonstante bei 90 : 2,44

- tano χ 100 (90°C - 50 Hz): 0,15

- Viskosität bei 2 0°C: 7,8 cSt

- Durchschlagsfestigkeit: 320 kV/cm

- Dichte bei 20°C: 0,9 64

Dieses Ol wurde beim Bau einiger Kondensatoren als Dielektrikum benutzt. Die Versuchsergebnisse ware zufriedenstellend.

Beispiel 2

Eine Reaktion von Friedel und Crafts wurde ganz ähnlich wie
in Beispiel 1 beschrieben durch Anwendung von Xylol (Isomeren gemisch) durchgeführt. Nach Entferung des Xylols durch Rektifikation wurde durch Vakuumdestillation mit 2 Torr ein helles, flüssiges, öliges Produkt erhalten, das einem Gemisch der Koh lenwasserstöffe der Formeln (Ha) und (Hh) entspricht. Nach der Reinigung für dielektrische Anwendung weist es folgende
Eigenschaften auf:

- elektrische Feldkonstante bei 90 C: 2,41

- tan 6" x 100-(90⁰C - 50 Hz): 0,20 .

- Viskosität bei 20°: 18,3 cSt

Wenn man das nach Beispiel 1 mit dem nach Beispiel.2 erzielte Öl vermischt, erhält man Gemische mit durchschnittlichen dielek trischen Eigenschaften, die jedoch einen ausserordentlich niedrigen Fliesspunkt aufweisen.

ΛΌ

Durch Vermischung von

80 Gewichtsanteilen des nach Beispiel 1 erzielten Produktes mit

20 Gewichtsanteilen des nach Beispiel 2 erzielten Produktes hat man zum Beispiel ein Öl erhalten, das wir (I+II) nennen und folgende Eigenschaften hat:

- Viskosität bei 20°C: ■ 9,7 cSt

- elektrische Feldkonstante (90°C): 2,43

- tan ο" χ 100 (90°C - 50 Hz) : 0,17

- Durchschlagsfestigkeit: 320 kV/cm

Obwohl sie verschiedene Tage lang bei einer Temperatur von

-25 C gehalten wurde, hat diese Flüssigkeit keine Kristallbil dung gezeigt und dadurch bewiesen, dass sie sich auch bei kai ten Klimaverhältnissen zur Anwendung als Isolieröl bewährt.

Nachstehend werden Anwendungsbeispiele der erfindungsgemässen Öle in Kondensatoren aufgeführt, und zwar in Vergleich zu einem typischen Öl der bekannten Technik, d.h. dem Trichlordiphenyl..

Beispiel 3

Für dieses Beispiel wurden Kondensatoren mit zylinderförmigem Element benutzt, deren Dielektrikum aus 2 Karten mit Dichte gleich 1 für eine Gesamtdicke von 18 ,um bestand.

Die Kapazitätsbeläge bestanden aus einer Aluminiumfolie mit 5 .um Dicke und einer solchen Länge, um Kondensatoren mit unabhängig von den imprägnierenden Flüssigkeiten ähnlichen Leistungswerten zu haben.

Zur Imprägnierung der Kondensatoren wurden das erfindungsgemässe Ol (I+II) und das Trichlordiphenyl als Vergleichsöl benutzt.

ν mi

Die Kondensatoren wurden bei ~500 V und 70 C auf Lebensdauer geprüft. Die Versuchsergebnisse sind in nachstehender Tabelle angeführt.

Öl	Messung bei oc	Anfangs- messungen	Endmessungen nach 1000 St.	Anzahl Konden satoren
I+II Trichlor- diphenyl	20 20	.uF tancS %	.uF tan <$%	ge- negative prüft Ergeb nisse
7,32 0,33 7,11 0,39	7,37 0,42 7,17 0,62	10 2 8 6

Beispiel 4

Dazu wurden Kondensatoren mit zylinderförmigem Element und Dielektrikum aus 2 Polypropylenfolien mit einer Gesamtdicke von 30 .um benutzt.

Das angewandte Polypropylen war dazu geeignet, imprägniert zu werden. · ■

Die Kapazitätsbeläge bestanden aus einer Aluminiumfolie mit 5 .um Dicke.

Auch in diesem Fall wurden die Kondensatoren mit den in Beispiel 3 angegebenen Ölen imprägniert.

Die Kondensatoren wurden bei ^1950 V und 70 C, 50 Hz auf Lebensdauer geprüft. Die Versucheergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angeführt.

Öl I+II Trichlor- diphenyl	Messung bei oc	Anfangs messungen	Endme s s ung en nach 1000 St.	"{ Anzahl ^! Kondensatoren
20 20	/uF tanc£ %	uF tan ό %	ge- negative prüft Ergeb- '· nisse
2,23 0,027 2,43 0,033	2,27 0,030 2,48 0,039	8 1 8 3

Aus diesen Beispielen geht vor allem der bedeutende Vergleich der Kondensatoren hervor, die während des Versuches versagt haben, was ein Beweis für den technischen Fortschritt der erfindungsgemassen Öle ist.

Das von der Erfindung zur Schaffung der Kohlenwasserstoff-Verbindungen zur Anwendung als dielektrische Flüssigkeiten vorgeschlagene Verfahren ist - wie es der obigen Beschreibung zu entnehmen ist - wesentlich leicht auszuführen und ermöglicht vor allem die Anwendung von relativ leicht und zu massigen Ko sten zu beschaffenden Verbindungen als Reagentien,

Die Erfindung ermöglicht also die Lösung der oben angegebenen Aufgaben.

Die erfindungsgemässe dielektrische Flüssigkeit, die - wie gesagt - besonders zur Anwendung als Isolierstoff in Kondensatoren geeignet ist, ist auch für Trafos und elektrische Ausrüstungen im allgemeinen geeignet. Ausserdem ist die Anwendung der erfindungsgemassen Flüssigkeit als Wärmeübertragungsflüssigkeit bei Wärmeaustauschern besonders interessant.

Weiterhin kann die erfindungsgemässe dielektrische Flüssigkeit ausser den oben erwähnten Kohlenwasserstoffen andere bekannte Verbindungen mit dielektrischen Eigenschaften im Gemisch enthalten. ·

Claims

Köln, 29. Januar 1982 Ke/r 119

CAPFARO S.p.A. Societä per l'Industria Chimica e Elettrochimica

Dielektrische Isolierflüssigkeit, insbesondere zur Anwendung in elektrischen Kondensatoren geeignet, und diese Flüssigkeit

enthaltender Kondensator

PATENTANSPRÜCHE

Dielektrische Isolierflüssigkeit, insbesondere zur Anwendung in elektrischen Kondensatoren geeignet, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Kohlenwasserstoff mit folgender, allgemeiner Formel enthält:

/~R - Ar - R'-7 - Ar - R
- . η - ρ m

wo: Ar ein Benzol-, Diphenyl- oder Polyphenyl- oder Naphtalinring ist,
R unter H, CH , CH, Isopropyl oder höheren homologenen Stoffen oder zykloaliphatischen Gruppen gewählt

werden kann,
R¹ eine Gruppe des Types -CII-CH- oder ihrer höheren,

— -2 ■—'

auch verzweigten homologen Stoffe ist, wobei einer
oder mehrere Wasserstoffe durch andere Atome oder Grup pen ersetzt werden können,
η und m zwischen 1 und 5 liegende, gleiche oder ungleiche

ganze Zahlen sind,

£ eine ganze Zahl ist, die gleich 1 oder grosser ist,
wobei die R-Gruppe'n einander gleich oder voneinander unterschiedlich sein können.
2. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff folgende Strukturfor mel hat:

(Ia)
3. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff folgende Strukturfor mel hat:'

-CH₂-CH₂

H.

CH.

(Ib)

^A3 ■ —*3 3
4. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff folgende Formel hat:

(Ha)

■ -■ 4 3
5. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff folgende Formel hat:
6. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gemisch der Kohlenwasserstoffe der Formeln (Ia) und (Ib) enthält.
7. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gemisch der Kohlenwasserstoffe der Formeln (Ha) und (Hb) enthält.
8. Dielektrische Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gemisch der Kohlenwasserstoffe der Formeln (Ia), (Ib), (Ha). und (Hb) enthält.
9. Elektrischer Kondensator, der wenigstens eine Schicht Dielektrikums, wie Papier oder Kunststoff, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Schicht mit einer dielektrischen Isolierflüssigkeit nach Anspruch 1 imprägniert ist.