DE3432758A1 - Wasserunloesliche monoether als dielektrische impraegnierfluessigkeiten in transformatoren und kondensatoren - Google Patents
Wasserunloesliche monoether als dielektrische impraegnierfluessigkeiten in transformatoren und kondensatorenInfo
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Description
,^758
Wasserunlösliche Monoether als dielektrische Imprägnierflüssigkeiten in
Transformatoren und Kondensatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von wasserunlöslichen
Monoethern der allgemeinen Formel R^-O-R^, in der die Beste R* und R^
gleich oder verschieden Alkyl-, Aryl- oder Aralkylreste bedeuten und · zusammen mindestens 10 Kohlenstoffatome aufweisen, wobei mindestens ein
Rest aus mindestens 6 Kohlenstoffatomen besteht und mindestens ein Rest eine Alkylgruppe darstellt, als dielektrische Imprägnierflüssigkeiten in
Transformatoren und Kondensatoren.
In der Starkstromtechnik dient der Transformator vor allem dazu, die verschiedenen
Spannungsebenen der Elektrizitätsversorgung zu verbinden. In diesem Fall wird der Transformator auch Umspanner oder Leistungstransformator.
genannt. Transformatoren größerer Leistung führt man als öltransformatoren
aus, bei denen Wicklungen und Eisenkern zur besseren Isolierung in einem Kessel mit Isolieröl untergebracht sind (Fachlexikon ABC-Physik,
Bd. 2, Seite 1580, 1974). Transformatorenöle repräsentieren mengenmäßig den Hauptanteil der Isolieröle, wobei die ölfüllungen von
Transformatoren und Wandlern von wenigen Litern bis zu über 40 m^ pro
Einheit reichen.
Wegen ihrer guten elektrischen Eigenschaften und ihrer Nichtbrennbarkeit
wurden insbesondere polychlorierte Biphenylene (PCB) in der Transformatoren- und Kondensatorherstellung verwendet (Ulimanns Enzyklopädie d.
techn. Chemie, 4. Auflage, Bd. 9, 1978, Seite 517/518, Bd. 20, 1981, Seite 612 und 3. Aufl., Bd. 9, 1957, Seite 49 und 54). Transformatorenaskarele,
d.h. Gemische aus PCB und Polychlorbenzolen wurden in der BRD als Isolierflüssigkeiten in einer großen Zahl von Transformatoren be-
30 nutzt.
Kondensatoren dienen zum Speichern elektrischer Ladungen bzw. Energie und
bestehen im Prinzip aus zwei plattenförmigen metallischen Leitern, die
durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind. Es existiert eine Vielzahl
technischer Ausführungen von Kondensatoren mit fester und veränderlicher Kapazität. Bei den Kondensatoren mit fester Kapazität unterscheidet
man nach Art des Dielektrikums unter anderem Metallpapier-, Papier-, Kunststoffolien-, Lackfilm-, Glimmer- und Keramikkondensatoren (siehe
Meyers Physik-Lexikon A-2, 1973, Seite 479 und Fachlexikon ABC-Physik,
Bd. 1, Seite 785, 1974). Wickel- oder Papierkondensatoren bestehen aus zwei übereinander gewickelten dünnen Metallfolien, zwischen denen sich
als Dielektrikum ein mit öl getränktes Papier oder eine Kunststoffolie
befindet.
BASF Aktiengesellschaft - ■* - 3 O. Z. 0050/37305
Seit elektrische Starkstromkondensatoren industriell gefertigt werden,
gilt das Hauptinteresse der Hersteller der Verringerung der dielektrischen Verluste und einer Verkleinerung des spezifischen Volumens bei
gleichzeitiger hoher Zuverlässigkeit der Kondensatoren. Dem wurde in der
Vergangenheit bis heute durch die Herstellung verlustärmerer und spannungsfesterer Kondensatorpapiere, als wesentlichem Dielektrikum im
Kondensator, Rechnung getragen. Gleichzeitig wurden jedoch auch die flüssigen Imprägniermittel in der Vergangenheit laufend verbessert. So wurde
in den dreißiger Jahren mit der Entwicklung der flammwidrigen und alterungsbeständigen
Produkte auf Basis chlorierter Biphenyle mit hoher Dielektrizitätszahl
eine erhebliche Verbesserung des Dielektrikums bei gleichzeitig kleinerem Volumen der Kondensatoren erreicht. Auch diese
Imprägniermittel erfuhren eine Weiterentwicklung zu Typen mit niedrigerem Chlorierungsgrad, höherer Dielektrizitätszahl und geringerer Viskosität,
bei gleichzeitig höherem Reinheitsgrad. Mit der Vorstellung des Polypropylen (PP)-Eilms Mitte der sechziger Jahre in USA und dem Mischdielektrikum
Papier/PP-FiIm gelang ein weiterer bedeutender Schritt in diese
Richtung. Die hohe. Spannungsbelastbarkeit und die extrem niedrigen dielektrischen
Verluste dieser biaxial gereckten Polypropylenfolien machten
20 eine weitere Verringerung der Kondensatorabmessungen möglich.
Bis zu diesem Zeitpunkt wurden praktisch von den Herstellern auf der ganzen
Welt fast ausschließlich chlorierte Biphenyle als Tränkmittel eingesetzt.
Diese Trähkmittel wurden sowohl für Niederspannungskondensatoren verwendet, die im allgemeinen nur Papier als Dielektrikum haben, als auch
für Hochspannungskondensatoren, die normalerweise ein gemischtes Dielektrikum aus abwechselnden Schichten von Polypropylenfolie und Papier haben.
Toxikologische und Umweltschutz-Aspekte sprechen jedoch gegen die Verwendung
chlorierter Biphenyle. Heute weiß man, daß diese Verbindungen schwerabbaubar und bioakkumulierbar sind und daß sie bzw. in Spuren vorhandene
weitaus toxischere sauerstoffhaltige Zersetzungsprodukte wie Polychlordibenzodioxine
oder Polychlordibenzofurane zu schweren Schädigungen des Organismus, z.B. Chlorakne, Perna-Erkrankung und Leberschäden
führen (Ulimann: Enzykl. d. techn. Chemie, 4. Aufl., Bd. 9, 1975, Seite
522). Aus diesem Grund wurde die Verwendung von PCB bei der Herstellung von Transformatoren und Kondensatoren in vielen Ländern verboten. In
der EG sind PCB-Kondensatortränkmittel z.Z. zwar noch gesetzlich zugelassen
(EG-Richtlinie vom 27. September 1976), werden aber nicht mehr eingesetzt. Stattdessen werden Substitutionsprodukte für PCB verwendet,
die jedoch z.T. nachteilige Eigenschaften aufweisen.
BASF Aktiengesellschaft -^T-1P q.Z. OO5O/373O5
Nach Ullmann's Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 20,
1981, Seite 607 bis 612 ist bekannt, daß sich niedrigviskose, organische
Flüssigkeiten als Isolationsmedium und/oder Dielektrikum, z.B. für Füllungen von Hochspannungstransformatoren oder Kondensatoren eignen. Neben
guter Isolierfähigkeit müssen Elektroisolieröle folgende Aufgaben ganz
oder teilweise erfüllen: Ausfüllung von Hohlräumen (Imprägnierung), Stabilisierung
bei Überbeanspruchung (Teilentladungen), Abführung der durch Verlustleistung erzeugten Wärme, Funkenlöschung an Schaltkontakten,
Schmierung bewegter Teile und Sicherstellung der Isolation im Papier-öl-Dielektrikum
oder in freien ölstrecken. Hierzu sind Eigenschaften wie geringe Viskosität, Kältefließfähigkeit, hohe Dielektrizitätskonstante, Alterungsbeständigkeit,
Gasfestigkeit, niedriger Stockpunkt, gute Oxidationsbeständigkeit und hoher Flammpunkt wesentliche Voraussetzungen.
Die für PCB vorgeschlagenen Ersatzstoffe erfüllen oft nicht ausreichend
die an ein Isolieröl gestellten Voraussetzungen. So zeigen natürliche und synthetische Paraffinöle eine unbefriedigende Alterungsstabilität, niedrige
Flammpunkte und schlechtes Kälteverhalten.· Bei chlorierten Kohlenwasserstoffen wie Perchlorethylen, Dichlortolouol oder Tetrachlorphenyltolylmethan
ist nicht gesichert, daß im Brandfall keine toxischen Stoffe gebildet werden. Polydimethy1siloxane zeigen bei größeren Isolierstrecken
nur geringe Isolierfestigkeit, während Esterflüssigkeiten oft nicht genügend
stabil gegen Hydrolyse sind.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein neues, weniger umweltbelastendes
Substitutionsprodukt für PCB zu finden, das die notwendigen Eigenschaften eines Elektroisolieröls, d.h. gute Stabilität, niedrige
Viskosität, Dichte und Stockpunkt sowie hohen Flammpunkt und ausgezeichnete dielektrische Werte aufweist.
Demgemäß wurde gefunden, daß sich wasserunlösliche Monoether der allgemeinen
Formel Rl-O-R?, in der die Reste κΑ und R^ gleich oder verschieden
Alkyl-, Aryl- oder Aralkylreste bedeuten und zusammen mindestens 10 Kohlenstoffatome
aufweisen, wobei mindestens ein Rest aus mindestens 6 Kohlenstoffatomen
besteht und mindestens ein Rest eine Alkylgruppe darstellt, als dielektrische Imprägnierflüssigkeiten verwenden lassen.
Als wasserunlösliche Monoether dienen beispielsweise symmetrische oder
unsymmetrische Diisoalkylether, in denen Rl und R^ verzweigte oder unverzweigte
Alkylreste mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen bedeuten, also z.B. der
3-Methylpentyl-, 2-Ethyl-4-methylpentyl-, 3j3-Dimethylhexyl-, 3,5-Dimethylhexyl-,
4,5-Dimethylhexyl-, 2-Ethylhexyl-, 3-Methylheptyl-, 5-
BASF Aktiengesellschaft "/" ^ O.Z. 0050/37^05
Methylheptyl-, 3,5,5-Trimethylhexyl-, 3,5,5-Trimethylheptyl-, 3,5-Dimethyloctyl-,
4,7-Dimethyloctyl- und 3,5,5,7-Tetramethylnonylrest.
Besonders geeignet sind diejenigen Ether, die sich von 2-Ethylhexanol,
Isooctanol, Isononanol, Isodecanol und Isotridecanol sowie deren Mischungen
ableiten. Diese letzteren Bezeichnungen für die Alkohole stellen Trivialbezeichnungen
für nach der Oxosynthese erhaltene Alkohole dar (vgl. Ullman, "Enzyklopädie der Technischen Chemie"j 4. Auflage, Band 7, Seiten
216 und 217 sowie Band 11, Seiten 435 und 436).
10
Weiterhin lassen sich als Elektroisolieröle solche Ether verwenden, in
denen R1 für einen Methyl- oder Ethylrest und R^ für einen Arylrest
steht, der noch einen oder zwei verzweigte oder unverzweigte Alkylsubstituenten
R^ und R^ mit je 3 bis 15, vorzugsweise 6 bis 15, insbesondere
bis 13 Kohlenstoffatomen trägt. Geeignete Alkylreste für den Phenylkern sind z.B. der Propyl-, tert.-Butyl-, Pentyl-, Hexyl-, 2-Ethylhexyl-, Isooctyl-,
Isononyl-, Decyl-, Isodecyl-, Dodecyl- und Isotridecylrest. Bezüglich
der Trivialbezeichnung .einiger dieser Reste sei auf die oben genannten
Erläuterung hingewiesen.
20
Besonders bevorzugt sind die (Monoalkylphenyl)methylether, die einen Isooctyl-,
Isononyl-, Isodecyl- oder Isotridecylrest aufweisen.
Auch Benzylalkylether bzw. (Phenylethyl)alkylether, deren aromatischer
Kern gegebenenfalls noch substituiert sein kann, erfüllen die für Elektroisolieröle
notwendigen Eigenschaften. In ihnen ist der Rest R* ein geradkettiger
oder verzweigter Alkylrest mit 8 bis 15 Kohlenstoffatomen und r2 eine Benzyl- oder Phenylethylgruppe, die noch durch verzweigte oder
unverzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppen mit 1 bis 15, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen substituiert sein kann.
Besonders bevorzugt sind die Benzylether, die sich von 2-Ethylhexanol,
Isooctanol, Isodecanol oder Isotridecanol ableiten.
Die genannten Ether sind leicht zugänglich und können nach an sich bekannten
Methoden der Ethersynthese erhalten werden, wie sie beispielsweise
in Houben-Weyl "Methoden der Organischen Chemie", Band 6/3, Seiten
10 bis 84 beschrieben sind.
In den erfindungsgemäßen Elektroisolierölen können die genannten Ether
jeweils für sich oder auch als Mischungen untereinander enthalten sein.
Weiterhin können sie übliche Zusätze beispielsweise Antioxidantien wie
Methylanthrachinon oder Di-tert.-amylhydrochinon enthalten.
BASF Aktiengesellschaft -Jt- O.Z. OO5O/375O5
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Verbindungen weisen eine sehr gute
Stabilität auf und die für eine dielektrische Flüssigkeit erwünschten sonstigen phys.-chem. Eigenschaften, wie
5 Stockpunkt: <-30eC Neutra lisa tions zahl:
<0,03 [mg KOH/g öl] Viskosität:
(nach DIN 51 562)
(nach DIN 51 562)
-30'C 4.1800 [mm2/sek,]
10 +200C g.25 [mm2/sek.]
Flammpunkt: 4äl30° C
Durchschlagspannung: ^50 [kV] Dielektrischer Verlustfaktor bei 900C: 3
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. A) Herstellung der Ether
Beispiel 1
20
20
a) Diisononylether
1 kg Isononanol wurde mit 1,5 Gew.% Schwefelsäure versetzt und anschließend
unter Rückfluß erhitzt (Temp. ca. 150 bis 1700C), wobei
das entstehende Wasser mittels eines Wasserabscheiders ausgekreist wurde. Nach ca. 10 Stunden wurde fraktioniert destilliert (Siede
punkt: 1O5°C/O,2 bar). Ausbeute: 816 g = 87 % der Theorie.
Analog wurden folgende Ether hergestellt: 30
b) Diisodecylether
c) Diisotridecylether.
35 Beispiel 2
(p-Isononylphenyl)-methylether
In einer 100 1-Glasblase wurden 21 kg Isononylphenol auf eine Temperatur
von 6O0C erwärmt. Danach wurden innerhalb einer Stunde 13,5 kg KOH-Plätzchen,
gelöst in 34,5 1 Wasser, zugegeben und 30 Minuten bei 60°C nachgerührt.
Anschließend dosierte man innerhalb von 2 Stunden 12,7 1 Dimethylsulfat zu und rührte 3 Stunden nach. Es bildeten sich 2 Phasen, von denen
die obere, organische Phase nochmals 10 Stunden mit 1 kg KOH-PuIver bei
BASF Aktiengesellschaft -Jf-T O.Z. OO5O/3735O5
einer Temperatur von 8O0C behandelt wurde. Nach Zusatz von 10 1 Xylol
wurde fraktioniert destilliert (Siedepunkt: 108eC/0,4 bar). Ausbeute:
18,3 kg » 82 % der Theorie.
5 Beispiel 3
Isotridecylbenzylether
100 g Tridecanol und 3,4 g Benzyltrimethylammoniumchlorid wurden bei
Baumtemperatur 30 Minuten mit 60 g 50 gew.%iger Natronlauge gerührt. Dann
ließ man bei einer Temperatur von 40eC 69,6 g Benzylbromid zutropfen und
solange reagieren, bis 0,55 VaI Chloridionen titrierbar waren (ca. 3 bis
5 Stunden). Das Reaktionsgemisch wurde mit Wasser gewaschen und die organische
Phase abgetrennt. Diese wurde über KOH fraktioniert destilliert. (Siedepunkt: 132 bis 138eC/O,2 bar).
15 Ausbeute: 101,5 g = 70 % der Theorie.
CH-Analyse C ber. 82,8 gef. 83,1
H ber. 11,7 .gef. 11,8
20 B) Physikalische und anwendungstechnische Daten Siehe Tabelle 1
| Tabelle I: | Eigenschaften | der erfindungsgeniäßen Elektroisolierflüssigkeiten | 0,8268 0,8212 0,8317 0,9242 0,8977 |
v= 30eC *\s — nun. ■ s |
Viskosität - 20° C |
= 40° C | Flmp. | Pour- point ^= °C |
NZ mg KOH |
iengesellschaf |
| Beispiele | Dichte V= 15°C V= 200C α _-a α —"* 1/ — g, cm "j/ = g«cm |
113,5 127,6 929,9 982,8 168,1 |
7,60 8,63 23,37 13,16 9,85 |
4,42 4,85 10,73 6,00 5,35 |
142 149 181 160 179 |
-70 -70 -60 -59 -70 |
g öl | rr | ||
| 0,8289 0,8243 0,8350 0,9279 0,8942 |
0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 |
|||||||||
| la Ib lc 2 3 |
Tabelle 1; Fortsetzung
VZ
mg KOH
g öl
H2O ppm
Durchschlag spannung KV/2,5 mm
tan</~
90
50 Hz
Dielektrische Werte
90
Or2O
1 kHz
Hz
kHz
Hz
kHz
spez. R η 7^= RT £
I [SL .cm] B
la
Ib
lc
45 40 45 50 110
>60 >60 >60 >60 >60
1,1.10-3
2.10-3
6.10-3
6,5.10-3
5.10-3
0,1.10-3 0,1.10-3 0,3.10-3 0,4.10-3 0,3.10-3
2,4
2,4
2,3
2,8
2,6
2,4
2,3
2,8
2,6
2,4
2,4
2,3
2,8
2,6
2,4
2,3
2,8
2,6
2,6
2,5
2,4
3,0
2,9
2,5
2,4
3,0
2,9
2,6
2,5
2,4
3,0
2,9
2,5
2,4
3,0
2,9
5.1014
5.1O14
5.1015
5.1013
1.1013
5.1015
5.1013
1.1013
O VJl O
Claims (6)
1. Verwendung von wasserunlöslichen Monoethern der allgemeinen Formel
Rl-QrR^, in der die Reste R* und R^ gleich oder verschieden
Alkyl-, Aryl- oder Aralkylreste bedeuten und zusammen mindestens 10 Kohlenstoffatome aufweisen, wobei mindestens ein Rest mindestens
6 Kohlenstoffatome hat und mindestens ein Rest eine Alkylgruppe darstellt, als dielektrische Imprägnierflüssigkeiten.
2. Verwendung von wasserunlöslichen Monoethern nach Anspruch 1, in denen
Rl und r2 verzweigte Alkylreste mit 6 bis 15 C-Atomen bedeuten.
3. Verwendung von wasserunlöslichen Monoethern nach Anspruch 1, in denen
Rl für einen Methyl- oder Ethylrest und R^ für einen Arylrest steht,
der noch.einen oder zwei n- oder iso-Alkylsubstituenten R^ und R^ mit
je 3 bis 15 C-Atomen trägt.
4. Verwendung von wasserunlöslichen Monoethern nach Anspruch 1, in denen
Rl für einen verzweigten oder unverzweigten Alkylrest mit 8 bis
15 C-Atomen und R^ für einen Benzyl- oder Phenylethylrest steht, wobei
der aromatische Ring noch mit verzweigten oder unverzweigten Alkyl- oder Alkoxygruppen mit bis zu 15 C-Atomen substituiert sein
kann.
5. Verwendung von Gemischen wasserunlöslicher Monoether R^-O-R^, in der
Rl und r2 die in Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben, als dielektrische
Imprägnierflüssigkeiten.
6. Transformatoren und Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie
dielektrische Imprägnierflüssigkeiten enthalten, die aus wasserunlöslichen Monoethern der allgemeinen Formel Rl-O-R^ oder Gemischen dieser
Monoether bestehen oder diese enthalten, wobei die Reste R* und
r2 gleich oder verschieden Alkyl-, Aryl- oder Aralkylreste bedeuten
und zusammen mindestens 10 Kohlenstoffatome aufweisen, wobei mindestens ein Rest mindestens 6 Kohlenstoffatome hat und mindestens ein
Rest eine Alkylgruppe darstellt.
362/84 Zi/ro 05. 09.1984
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843432758 DE3432758A1 (de) | 1984-09-06 | 1984-09-06 | Wasserunloesliche monoether als dielektrische impraegnierfluessigkeiten in transformatoren und kondensatoren |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843432758 DE3432758A1 (de) | 1984-09-06 | 1984-09-06 | Wasserunloesliche monoether als dielektrische impraegnierfluessigkeiten in transformatoren und kondensatoren |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3432758A1 true DE3432758A1 (de) | 1986-03-06 |
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|---|---|---|---|
| DE19843432758 Withdrawn DE3432758A1 (de) | 1984-09-06 | 1984-09-06 | Wasserunloesliche monoether als dielektrische impraegnierfluessigkeiten in transformatoren und kondensatoren |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3432758A1 (de) |
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1984
- 1984-09-06 DE DE19843432758 patent/DE3432758A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8141 | Disposal/no request for examination |