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Isoliermittel für elektrotechnische Zwecke Für Kondensatoren, Kabel,
Transformatoren und sonstige elektrische Geräte werden Isoliermittel benötigt, die
gegenüber Öl den Vorzug der Feuersicherheit besitzen; ihr Flammpunkt soll bei einer
möglichst hohen Temperatur liegen, und die Gase, die sie bei ihrer Zersetzung bilden,
sollen unbrennbar sein. Außerdem sollen die Isoliermittel aber auch bis zu möglichst
tiefen Temperaturen einen störungsfreien Betrieb gewährleisten. Daher ist @es in
vielen Fällen besonders wichtig, daß . sich die Dielektrizitätskonstante des verwendeten
Isoliermittels bis zu .einer sehi tiefen Temperaturgrenze nur wenig ändert. Weiterhin
sollen die dielektrischen Verluste bis zu einer möglichst tiefen Temperatur sehr
klein bleiben. Bei Isolierflüssigkeiten soll ferner die Temperaturgrenze, bei der
die Erstarrung beginnt bzw. merkliche Änderungen der Viscosität auftreten, möglichst
tief liegen.
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Diese Anforderungen erfüllen die bekanntgewordenen Isolierflüssigkeiten,
die aus einer Mischung von Trichlorbenzol und chloriertem D-iphenyl bzw. einer Mischung
aus Chlordiphenyl und Trichloräthylen bestehen, nicht. Auch Mischungen aus Trichlordifluoräthan
und Trichlorbenzol brachten wegen ihres hohen Trichlorbenzolgehaltes hinsichtlich
des Gefrierpunktes keine hinreichende Befriedigung. Bereits bei Temperaturen von
= 25' C können, wie die Praxis zeigt, bei mit vorgenannten Isolierflüssigkeiten
gefüllten Apparaten, insbesondere Kondensatoren, Betriebsstörungen auftreten. Darüber
hinaus ist Trichlorbenzol auch ungünstig hinsichtlich seines Verlustwinkels, so
daß seine Verwendung
schon deshalb stark eingeschränkt ist. Weitere
Nachteile von Trichlorbenzol sind seine Unbeständigkeit bei Lichteinwirkung und
vor allem seine Neigung zur Schlammbildung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Isoliermittel zu schaffen, das frei
ist von den vorgenannten Nachteilen und das insbesondere einen Verlustwinkel hat,
der selbst bei tiefen Temperaturen bis etwa - 5o noch befriedigend ist.
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Erfindungsgemäß besteht das Isoliermittel aus einer 'Mischung von
Isomeren von Tetrachloräthylbenzol, Pentachloräthylbenzol und von Isomeren von chloriertem
Diphenyl.
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Tetrachloräthylbenzol und Pentachloräthylbenzol sind besonders wirtschaftlich
durch das als Friedel-Craft-Synthese bekannte Verfahren lierstellbar. Das Produkt
dieses Verfahrens kann auf- eine geeignete Weise weiter chloriert werden, z. B.
indem man Chlor durch die Flüssigkeit hindurchdrückt.
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Chloriertes Diphenyl ist schon seit längerer Zeit bekannt. Es wird
hier vorzugsweise eine Mischung von Isorneren von Pentachlordiphenyl anll-e«-endet.
Das Chlordiplienyl kann .l6 bis 65 Gewichtsprozent Chlor -enthalten. Für die meisten
Verwendungszwecke wird ein Chlordiphenyl mit einem Gehalt von etwa 55 Gewichtsprozenten
Chlor verwendet.
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Beim Ansetzen der Isolierflüssigkeit wird eine Mischung von Isomeren
von Tetrachloräthylbenzol und Peritachloräthylbenzol als Liisungsgrundlage verwendet:
zu dieser Grundlage können noch weitere Zusätze hinzutreten. Das vlengenverhältnis
der in der G=rundlage enthaltenen Isomere vorn Tetrachloräthylbenzol zu dem Anteil
an Pentachloräthylbenzol kann in weiten Bereichen verändert werden; auf diese Weise
lassen sich die verschiedenartigen Arbeitsbedingungen erfüllen, denen ein Gerät
oder Anlagenteil, in dem das Isoliermittel angewendet wird. unterworfen sein kann.
Mischungen mit einem Gehalt von io bis 9o Gewichtsprozent an Tetrachloräthylbenzolisomeren
und einem Gehalt an 9o bis i o Gewichtsprozent Pentachloräthylbenzol können mit
Erfolg angewendet werden.
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Zwei elektrotechnische Erzeugnisse, bei denen Isoliermittel nach der
Erfindung mit Vorteil angewendet werden, sind Kondensatoren und Kabel. Die meistens
als Dielektrikum bei Kondensatoren verwendeten Papierschichten können wesentlich
verbessert werden, wenn das Papier oder der sonstige feste Grundbestandteil des
Isolierstoffes mit einer Isolierflüssigkeit. wie sie oben angegeben wurde, getränkt
bzw. imprägniert wird. Vor allem wird dadurch der Kondensator vollkommen feuersicher.
Bei Kabeln liegen die Verhältnisse ganz ähnlich. Die Behandlung des Papiers, das
beispielsweise zwischen den Belägen eines Kondensators liegt bzw. die Umwicklung
der Seele eines Kabels bildet, oder des Faserstoffs oder sonstigen Grundbestandteils
eines festen Isolierstoffs mit der Flüssigkeit kann dadurch erfolgen, daß der zti
lxhandelnde Grundstoff mit der Flüssigkeit im Vakuum getränkt wird. Derartige Verfahren
zur Imprägnierung sind an sich bekannt. Bei Kondensatoren läßt sich auf diese Weise
ein vollkommen dichter Abschluß des Dielektrikums erzielen, wenn das Papier oder
sonstige Isoliermittel zwischen den Belägen genügend auf diese Weise behandelt werden.
Das Isoliermittel kann auch in flüssiger Form in einem Gerät oder Anlagenteil verwendet
werden.
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Durch die Behandlung bzw. Imprägnierung von Faserstoff, Papier oder
einem sonstigen mehr oder weniger festen Grundbestandteil mit der Isolierflüssigkeit
nach der Erfindung wird nicht nur eine ausreichende Feuersicherheit dieser Stoffe
erzielt, sondern auch andere ihrer Eigenschaften wesentlich verbessert. Wird beispielsweise
bei der Herstellung von Kondensatoren ein niedriger Wert der Resonanztemperatur,
d. h. desjenigen Temperaturwertes, von dem ab bei weiterem Sinken der Temperatur
die Dielektrizitätskonstante plötzlich stark abfällt, oder ein besonders niedriger
Erstarrungspunkt angestrebt, so ist es vorteilhaft, für den Flüssigkeitsgrundbestandteil
einen hohen Anteil an Isomeren von Tetrachloräthylbenzol anzuwenden. Wird dagegen
hauptsächlich *auf einen geringen Betrag der Verlustzahl Wert gelegt, ohne daß es
entscheidend auf den Erstarrungspunkt ankommt, so empfiehlt es sich, einen liolien
Prozentsatz an Pentachloräthylbenzol zu verwenden. Für die meisten Zwecke hat es
sich bewährt, den Flüssigkeitsgrundbestandteil aus etwa 2o bis 40% Tetrachloräthylbenzolisomeren
und etwa 8o bis 6o0,10 Pentachloräthylbenzol zusammenzusetzen. Diese Zusammensetzung
läßt sich auch am wirtschaftlichsten herstellen. Die elektrischen Eigenschaften
und der Erstarrungspunkt solcher Mischungen genügen ohne weiteres den gewöhnlich
gestellten Anforderungen.
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Dadurch, daß der Flüssigkeitsgrundlage aus Isomeren von Tetrachloräthylbenzol
und Peritachloräthylbenzol Isomere von Chlordiphenyl zugesetzt werden, wird der
Erstarrungspunkt der Isolierflüssigkeit noch unter die Erstarrungspunkte der Einzelbestandteile
herabgesetzt. Ferner besitzt die zusammengesetzte Isolierflüssigkeit, ebenso wie
ihre Einzelbestandteile, günstige elektrische Eigenschaffen. Außerdem ist sie ebenso
wie jene nicht brennbar und entwickelt bei ihrer Zersetzung in Lichtbogen nur unbrennbare
Gase.
Die für den Gebrauch des Dielektrikums, insbesondere bei Kondensatoren,
wesentlichen Eigenschaften sind am besten an Hand von Abb. i zu übersehen. Hier
ist der Verlauf der Dielektrizitätskonstante und der Verlustzahl bei 6o Perioden
für verschiedene Mischungsverhältnisse der dielektrischen Flüssigkeit in Abhängigkeit
von der Temperatur veranschaulicht. Die Schaulinien setzen voraus, daß die Flüssigkeit
als Grundbestandteil eine Mischung von Tetrachloräthylbenzol und Pentachloräthylbenzol
im Verhältnis 30 : ; o enthält, während sie im übrigen aus Pentachlordiphenylisomeren
besteht. Für Isolierflüssigkeiten, bei denen der Flüssigkeitsgrundbestandteil 40,
15 und ioo'o beträgt, sind die Schaulinien, die die Änderung der Verlustzahl darstellen,
mit 23, 23a, 23U, die Schaulinien, die die-Änderungen der Dielektrizitätskonstante
wiedergeben, mit 24, 24u, 24t bezeichnet.
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Für einen Kondensator, der in entsprechender Weise mit einer Flüssigkeit
von etwa 4o0jü Gehalt an im Verhältnis 3o :7o gemischtem Tetrachloräthylbenzol und
Pentachloräthylbenzol und etwa 6o% Chlordiphenyl imprägniert ist, tritt hiernach
der Höchstwert der Verlustzahl erst auf, wenn die Temperatur auf etwa - 3a" C gesunken
ist. Ferner steigt die Verlustzahl plötzlich hoch an, sobald die Dielektrizitätskonstante
des Kondensators bei weiterem Sinken der Temperatur erheblich abzufallen beginnt.
Wie bereits erwähnt, wird die Temperatur, bei der die Dielektrizitätskonstante plötzlich
stark abzufallen beginnt, als Resonanztemperatur bezeichnet.
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Da die Kapazität eines Kondensators sich unmittelbar mit der Dielektrizitätskonstante
ändert, beginnt sie sich in diesem Falle erst dann merklich zu verändern, wenn die
Temperatur auf etwa - 29° C gefallen ist. Dieses Ergebnis ist für viele Anwendungen
derartiger Geräte von großer Bedeutung. Kondensatoren mit einem solchen Dielektrikum
können ohne weiteres im Freien verwendet werden, ohne daß z. B. ein elektrisches
System, in das sie eingebaut sind, aus der Resonanz gerät, bevor eine Temperatur
von - 29" C erreicht ist. Sowohl in der Starkstrom- wie in der - Schwachstromtechnik
lassen sich mit Hilfe der Erfindung Störungen, die durch Frost verursacht werden,
ausschalten.
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Für die der Kurve 23 entsprechende Flüssigkeitsmischung beträgt die
Verlustzahl bei 6o Perioden für den ganzen Temperaturbereich von +"4o bis - i S='
C nur etwa 2. i0-4. Die Dielektrizitätskonstante wird von etwa -j- ioo' C bis ungefähr
- 29° C ständig etwas größer. Sie ändert » sich in diesem Bereich von 4,2 auf 5,6.
Dementsprechend ändert sich die Kapazität eines Kondensators im Temperaturbereich
von etwa 4= ioo° C bis etwa - 29" C.
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Bei Kabeln ist die Änderung der Dielektrizitätskonstante weniger von
Bedeutung. Hier ist die Isolierflüssigkeit nach der Erfindung deshalb vorteilhaft,
weil sich bei ihr der Verlustfaktor zwischen sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen
nur wenig ändert und weil sie eine sehr hohe Feuersicherheit gewährleistet.
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Es wurde gefunden, daß Flüssigkeiten mit einem Gehalt von 2o bis So
Gewichtsprozent von Isomeren von Tetrachloräthylbenzol und Pentachloräthylbenzol
und von 8o bis 2o Gewichtsprozent aus Chlordiphenyl bei Kondensatoren wie auch bei
Kabeln mit gutem Erfolg anwendbar sind.
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In Abb.2 sind die Resonanztemperaturen von Mischungen derselben Bestandteile,
ebenfalls für 6o Perioden, in Abhängigkeit von dem prozentualen Gehalt an Pentachlordiphenyl
(p) graphisch dargestellt. Der Kurve ist zu entnehmen, daß es möglich ist, durch
eine geeignete Zusammensetzung eine Resonanztemperatur von etwa - 48" C zu erhalten,
und zwar ist hierzu eine Mischung von 22,50;'0 Tetrachloräthylbenzolisomeren, 52,5%
Pentachloräthylbenzol und 25(),o Pentachlordiphenylisomeren geeignet. Zwischen dem
Erstarrungspunkt und der Resonanztemperatur der verschiedenen Mischungen besteht
eine ganz bestimmte Beziehung.
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Es ist möglich, Mischungen mit äußerst niedrigen Resonanztemperaturen
herzustellen: z. B. lassen sich Resonanztemperaturen von - 57 bis - 62° C erreichen;
diese sind niedriger, als gewöhnlich gefordert.
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Einige Beispiele besonders günstiger Mischungsverhältnisse der Isolierflüssigkeit
nach der Erfindung sind nachstehend angegeben: 15 Klo Tetrachloräthylbenzolisomere,
3 5 °,!o Pentachloräthylbenzol, 5o% Pentachlordiphenylisomere.
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Diese Mischung hat einen Erstarrungspunkt von - 15 C, einen Flammpunkt
von 18o° C, einen. Siedepunkt von 320" C, ihre Verlustzahl beträgt 3 # J O-4 bei
Raumtemperatur und 6o Perioden und ihre Resonanztemperatur beträgt - 37° C.
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Eine weitere Mischung setzt sich wie .folgt zusammen i 8 % Tetrachloräthylbenzolisomere,
42% Pentachloräthylbenzol, 40010 Pentachlordiphenylisomere.
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Eine solche Isolierflüssigkeit hält noch tieferen Temperaturen stand
und ist ganz besonders für die Anwendung bei Geräten geeignet, die für kaltes Klima
bestimmt sind. Ihr
Erstarrungspunkt beträgt - 2o- C, ihr Flammpunkt
18o" C, ihr Siedepunkt 315" C, sie ist nicht brennbar, hat eine Verlustzahl von
3 # 10-4 bei Raumtemperatur und 6o Perioden und ihre Resonanztemperatur liegt brr
_430 C.
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Ferner ist folgende Mischung für tic(c "Temperaturen gut geeignet:
21 0;) Tetrachloräth@-lbenzolisomere, 490o Pentachloräthyllienzol, 301i-0 Pentaclil,-)rdiplienylisomere.
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Der Erstarrungspunkt dieser Mischung liegt etwa bei - 23" C, der Flammpunkt
bei i@Qo C und der Siedepunkt bei 3 i o C ; auch diese 1blischung ist unbrennbar.
Die Verlustzahl beträgt bei Raumtemperatur und 6o Perioden etwa 4.1o-1. Die Resonanztemperatur
liegt bei - 48- C.
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Eine andere günstige Mischung mit etwas höherem Verlustfaktor enthält:
;50;, Tetrachloräthylbenzolisomere, 150" Pentacliloräthylbenzol, 5 o 0 ',i Pentachlordiphenylisomere.
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Für diese Flüssigkeit liegt der Erstarrun gspünkt etwa bei -23"C.
der Flammpunkt liegt bei i 5,-° C, der Siedepunkt bei 285` C. Brennbar ist diese
Flüssigkeit ebenfalls nicht. Die Verlustzahl bei Raumtemperatur für 6o Perioden
beträgt 8.1o-1, die Resonanztemperatur etwa -- 46-' C.
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Eine besondere niedrige Resoiiarizteinpcratur läßt sich durch folgende
Mischung erreichen _ 5o0,0 Tetrachloräthylbenzolisomereund 5on'o Pentachlordiphenylisomere.
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Diese Mischung ergibt einen Erstarrungspunkt von - 29 C, einen Flammpunkt
von 155° C, einen Siedepunkt von 282" C. Die Flüssigkeit ist gleichfalls nicht brennbar.
Die Verlustzahl bei Raumtemperatur und 6o Perioden beträgt i o-:; und die Resonanztemperatur
etwa - 5 i "' C.
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Aus den in Abb. ; und 4 gegebenen Schau -Mildern läßt sich der l7-rstarrungspunkt
für verschiedene Zusammensetzungen der Isolierflüssigkeit entnehmen. In Abb.3 ist
der Erstarrungspunkt in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis für eine Flüssigkeit,
die eine Mischung von Isomeren von Pentachlorcliphenyl (rr) und Tetr2ichloräthylbenzolisomere
(v) enthält, aufgetragen. Abb.4 bezieht sich auf eine Flüssigkeit, die aus einer
Mischung von Isomercn von Pentachlordiphenyl (x) und einem Flüssigkeitsgrundbestandteil
(Y), bestehend aus im Verhältnis 70:3o gemischten Tetrachloräthylbenzolisomeren
und Pentachloräthylbenzol, zusammengesetzt ist.