FR2471031A1 - ELECTRICAL STRUCTURE WITH IMPREGNATED SYNTHETIC PAPER INSULATION - Google Patents
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Abstract
CABLES ELECTRIQUES ISOLES PAR DU PAPIER DU TYPE "PAPIER SYNTHETIQUE" IMPREGNE D'HUILE. ILS SONT CARACTERISES EN CE QUE L'HUILE ISOLANTE EST CONSTITUEE D'UN COMPOSE AYANT UNE PERTE DIELECTRIQUE TGD INFERIEURE A 0,5.10, CONTENANT AU MOINS DES ATOMES DE CARBONE ET DES ATOMES DE FLUOR, TELS QUE LA TRIFLUROMETHYL-PERFLUORODECALINE. CETTE HUILE ISOLANTE OCCUPE LE CANAL AXIAL 11 ET IMPREGNE L'ISOLANT 12 EN PAPIER SYNTHETIQUE. LE PAPIER SYNTHETIQUE AINSI IMPREGNE NE SUBIT PAS DE GONFLEMENT DANGEREUX POUR LE FONCTIONNEMENT DE LA STRUCTURE ELECTRIQUE. CES CABLES PEUVENT ETRE EXPOSES A DES TENSIONS EXTREMEMENT ELEVEES, POUVANT ALLER JUSQU'A 1000KV.ELECTRIC CABLES INSULATED BY "SYNTHETIC PAPER" TYPE PAPER IMPREGNATED WITH OIL. THEY ARE CHARACTERIZED IN THAT THE INSULATING OIL CONSISTS OF A COMPOUND HAVING A TGD DIELECTRIC LOSS OF LESS THAN 0.5.10, CONTAINING AT LEAST CARBON ATOMS AND FLUOR ATOMS, SUCH AS TRIFLUROMETHYL-PERFLUORODECALINE. THIS INSULATING OIL OCCUPANTS AXIAL CHANNEL 11 AND IMPREGNATES INSULATION 12 IN SYNTHETIC PAPER. THE SYNTHETIC PAPER SO IMPREGNATED DOES NOT SUBJECT TO DANGEROUS SWELLING FOR THE OPERATION OF THE ELECTRICAL STRUCTURE. THESE CABLES CAN BE EXPOSED TO EXTREMELY HIGH VOLTAGES, UP TO 1000KV.
Description
La présente invention concerne une structure électrique comprenant desThe present invention relates to an electrical structure comprising
corps métalliques soumis à unemetal bodies subject to
tension élévée et isolés avec du papier imprégné. Elle con- high voltage and insulated with impregnated paper. It is
cerne en particulier l'isolation de ces corps au moyen d'un papier synthétique imprégné d'une huile ayant des propriétés in particular the insulation of these bodies by means of a synthetic paper impregnated with an oil having properties
diélectriques élevées.high dielectrics.
L'expression "structure électrique" a, dans le présent mémoire, un sens très général. elle désigne des installations, dispositifs et appareillages dans lesquels sont présents en tout état de cause des corps métalliques The term "electrical structure" in this specification has a very general meaning. it designates installations, devices and apparatus in which metal bodies are present in any event
soumis à de très hautes tensions (transformateurs, conden- subjected to very high voltages (transformers, conden-
sateurs, câbles électriques etc..)0 Cependant, l'application electrical cables etc.) 0 However, the application
préférée de la présente invention concerne des câblés élec- preferred embodiment of the present invention relates to
triques du type à huile fluide (câbles HoFo) et en particu- of the fluid oil type (HoFo cables) and in particular
lier des cCbles pour très hautes tensions (750-1000 kiv) dont on prévoit, pour toute une série de raisons techniques et économiques, qu'ils seront de plus en plus demandés sur le marché. Pour cette raison, on se référera principalement, dans to connect cables for very high voltages (750-1000 kiv) which are expected, for a whole series of technical and economic reasons, to be more and more in demand on the market. For this reason, we will mainly refer, in
la description et dans l'exemple, à des c&bles électriques, the description and in the example, to electric cables,
mais cette application est préférée, et non exclusive. but this application is preferred, and not exclusive.
On sait que dans de nombreuses structures We know that in many structures
électriques les corps métalliques soumis à des tensions éle- metal bodies subject to high voltages.
vées ont une isolation constituée de papier cellulosique enroulé autour de ces corps et imprégné d'huiles. Ces huiles sont en général des composés hydrocarbonés (alkylbenzènes, They have insulation made of cellulosic paper wrapped around these bodies and impregnated with oils. These oils are generally hydrocarbon compounds (alkylbenzenes,
huiles minérales, polybutènes etc...) et aussi des hydro- mineral oils, polybutenes, etc.) and also hydro-
carbures chlorés, des dérivés siliconiques etc.0 chlorinated carbides, siliconic derivatives etc.
Dans le cas o l'on opère en courant alter- In the event of operation with alternating current
natif, l'isolation ainsi disposée ne convient pas lorsque la tension atteint des valeurs très élevées. En effet, comme les pertes dans le diélectrique augmentent rapidement avec la tension, la température des structures électriques peut augmenter jusqu'à atteindre des valeurs intolérables. Ceci se produit par exemple avec les câbles électriques pour très hautes tensions (750-1000 kV) dans lesquelles on n'a pas prévu de système de refroidissement convenable, dont le rendement est d'autre part influencé par les dissipations native, the insulation thus arranged is not suitable when the voltage reaches very high values. Indeed, as the losses in the dielectric increase rapidly with the voltage, the temperature of the electrical structures can increase until reaching intolerable values. This occurs for example with electrical cables for very high voltages (750-1000 kV) in which no suitable cooling system has been provided, the efficiency of which is furthermore influenced by the dissipations.
internes de chaleur.internal heat.
Dans le cas des cables électriques du type ci-dessus, l'isolant (papier imprégné d'huile) doit posséder, à titre indicatif, au moins les caractéristiques suivantes perte diélectrique (tg È) inférieureà 1.103; rigidité en In the case of electric cables of the above type, the insulation (paper impregnated with oil) must have, as an indication, at least the following characteristics dielectric loss (tg È) less than 1.103; rigidity in
courant alternatif de 60 à 70 kV/mm; rigidité en courant con- alternating current from 60 to 70 kV / mm; rigidity in current
tinu et rigidité à l'impulsion de 150 à 160 kV/mm. tinu and impulse stiffness of 150 to 160 kV / mm.
Le papier cellulosique a une valeur de perte diélectrique (tg&) plutôt élevée; et même avec les papiers cellulosiques les plus propres, on ne réussit pas à obtenir, pour l'isolant formé3de papier et d'huile, une valeur de tg& inférieure à 1,5.10. Il est donc nécessaire, pour pouvoir conférer à l'isolant les propriétés diélectriques que l'on exige de lui, de modifier convenablement la combinaison du Cellulosic paper has a rather high dielectric loss (tg) value; and even with the cleanest cellulosic papers it is not possible to obtain, for the paper and oil-formed insulator, a value of less than 1.5. It is therefore necessary, in order to be able to give the insulation the dielectric properties that are required of it, to modify suitably the combination of the
papier avec l'huile d'imprégnation. paper with impregnation oil.
Une solution consiste à utiliser du "papier One solution is to use "paper
synthétique" en remplacement du papier cellulosique. synthetic "as a replacement for cellulosic paper.
On sait que les matières plastiques les plus We know that most plastics
couramment utilisées comme isolants (polyéthylène, poly- commonly used as insulators (polyethylene, poly-
propylène etc..) ont une valeur de perte diélectrique (tg c) propylene etc.) have a dielectric loss value (tg c)
qui est en général au plus 1/10 de celle du papier cellu- which is usually at most 1/10 of that of cellular paper
losique. Ces matières ont aussi, théoriquement, une rigidité diélectrique, déterminée sur de faibles épaisseurs, très élevée. Avec ces matières, on construit les- cables à isolant extrudé en masse, qui conviennent pour des tensions certes élevées mais certainement pas de l'ordre de 750 - îooo kV, ceci du fait de la formation inévitable de défauts dans la masse plastique tant au cours de la fabrication que pendant Losique. These materials have also, theoretically, a dielectric strength, determined on small thicknesses, very high. With these materials, mass-extruded insulators are constructed which are suitable for certainly high voltages but certainly not in the range of 750 - 1000 kV, this being due to the inevitable formation of defects in the plastic mass both at during the manufacturing process that during
le fonctionnement du cable.the operation of the cable.
Cependant, on peut travailler opportunément However, we can work opportunely
ces mêmes matières plastiques de façon à en modifier la for- these same plastics in such a way as to modify the
me et la structure physico-chimique, et les rendre avanta- me and the physico-chemical structure, and make them
geusement utilisables sous forme de feuilles, plus préci- can be used in the form of sheets, which are more
sément sous forme de "papier synthétique" à enrouler autour in the form of "synthetic paper" to be wrapped around
des corps métalliques des structures électriques et à im- metal bodies of electrical structures and to
prégner d'huiles isolantes.primer of insulating oils.
Ces feuilles sont constituées soit d'un ensemble de fibrilles mises en oeuvre par calandrage, soit These sheets consist either of a set of fibrils implemented by calendering or
d'une pellicule.of a film.
On connait divers types de papier synthé- Various types of synthetic paper are known
tique: polyéthylène haute densité, de cristallinité élevée; tick: high density polyethylene, high crystallinity;
polyéthylène étiré et orienté biaxialement, fibres de poly- stretched and biaxially oriented polyethylene, poly-
éthylène compactées par une action mécanique, thermique etc.. L'isolement obtenu en imprégnant d'huiles usuelles du papier synthétique présente en général des améliorations notables du ethylene compacted by mechanical action, thermal etc .. The isolation obtained by impregnating conventional oils synthetic paper generally has significant improvements in
point de vue diélectrique, par rapport au même genre d'iso- dielectric point of view, compared to the same kind of iso-
lation en papier cellulosique.cellulosic paper.
Cependant,-quel que soit le type de papier synthétique préparé par les techniques connues, il n'est pas exempt, bien que dans une mesure variable d'un cas à l'autre, d'un inconvénient, à savoir le gonflement provoqué par l'absorption d'huile d'imprégnation dans les interstices intermoléculaires de la matière plastique, gonflement qui est une fonction directe de la température, et est donc d'autant plus fort que la tension de fonctionnement de la However, regardless of the type of synthetic paper prepared by the known techniques, it is not exempt, although to a varying extent from one case to another, of a disadvantage, namely the swelling caused by the absorption of impregnating oil in the intermolecular interstices of the plastic material, swelling which is a direct function of the temperature, and is therefore all the stronger as the operating voltage of the
structure électrique est plus élevée. electrical structure is higher.
Le gonflement du papier synthétique, et par conséquent de l'isolant dans son ensemble, peut causer des The swelling of the synthetic paper, and therefore the insulation as a whole, can cause
dégâts considérables à la structure électrique tout entière. considerable damage to the entire electrical structure.
En effet, le gonflement du papier synthé- Indeed, the swelling of the synthetic paper
tique engendre des tensions mécaniques internes qui peuvent modifier la géométrie de l'isolation et, par conséquent, induire des déformations irréversibles de cette structure électrique. Un remède approprié consiste à gonfler le papier synthétique avec l'huile d'imprégnation avant de l'enrouler autour des corps métalliques de la structure électrique, mais cette solution est compliquée du point de It generates internal mechanical tensions which can modify the geometry of the insulation and, consequently, induce irreversible deformations of this electrical structure. A suitable remedy is to swell the synthetic paper with the impregnating oil before winding it around the metal bodies of the electrical structure, but this solution is complicated by
vue technique et le traitement préliminaire du papier syn- technical view and the preliminary treatment of syn-
thétique provoque souvent des abaissements indésirables thetic often causes unwanted lowering
des propriétés mécaniques du papier synthétique lui-même. mechanical properties of the synthetic paper itself.
On peut au contraire obtenir des améliora- On the contrary, we can obtain improvements
tions substantielles en utilisant, comme "papier synthéti- substantial contributions by using, as "synthetic paper"
que", des isolants composites de très faible épaisseur. that ", composite insulators very thin.
Ces isolants composites sont constitués d'un stratifié plas- These composite insulators consist of a plastic laminate
tique (polypropylène, copolymère éthylène-propylène fluoré tick (polypropylene, fluorinated ethylene-propylene copolymer
etc..) accouplé à une couche de papier cellulosique ou in- etc.) coupled to a layer of cellulosic or
séré entre deux couches de papier cellulosique (tel quel ou renforcé de matières synthétiques). sere between two layers of cellulosic paper (as is or reinforced with synthetic materials).
L'utilisation d'éléments composites asso- The use of composite elements
ciés à des huiles d'imprégnation usuelles améliore fortement, comme on pouvait facilement le prévoir, le comportement au gonflement. Mais il existe encore des inconvénients liés aux caractéristiques diélectriques et à la réalisation de ces The use of conventional impregnating oils greatly improves, as can easily be expected, the swelling behavior. But there are still disadvantages related to the dielectric characteristics and to the realization of these
isolants composites.composite insulators.
En effet, la présence d'une ou deux cou- Indeed, the presence of one or two cou-
ches de papier cellulosique ne permet pas de profiter complè- cellulosic paper does not allow for complete enjoyment
tement des caractéristiques diélectriques de la matière the dielectric characteristics of the material
plastique.plastic.
En outre, comme on peut facilement le com- Moreover, as one can easily
prendre et comme on peut le vérifier dans la pratique, il take and as can be verified in practice it
n'est pas du tout simple du point de vue technique de com- is not at all simple from the technical point of view of com-
biner de manière parfaite plusieurs couches de matières différentes pour former une pellicule mince (et ceci a des conséquences non négligeables sur le plan économique également). Perfectly multiply several layers of different materials to form a thin film (and this has consequences not negligible economically too).
De toute façon, il parait assez avanta- In any case, it seems quite
geux, d'un point de vue tant technique qu'économique, d'uti- both from a technical and economic point of view, of
liser le "papier synthétique" (sous la forme d'un ensemble de fibrilles mis en oeuvre à la calandre ou d'une pellicule ou d'un composite) dans les structures diélectriques en l'imprégnant d'huiles isolantes qui ne compromettent pas les propriétés diélectriques du papier synthétique et, à la différence des huiles isolantes usuelles, ne provoquent pas le gonflement du papier synthétique; ou du moins le provoquent dans une mesure assez réduite pour ne pas mettre en péril the "synthetic paper" (in the form of a set of calendered fibrils or a film or composite) in the dielectric structures by impregnating it with insulating oils which do not compromise the dielectric properties of synthetic paper and, unlike the usual insulating oils, do not cause the swelling of synthetic paper; or at least cause it to a small enough extent not to jeopardize
la structure électrique en fonctionnement. the electrical structure in operation.
Tel est le but de la présente invention, This is the purpose of the present invention,
qui permet de surmonter tous les inconvénients de la techni- which makes it possible to overcome all the disadvantages of
que connue.as known.
En particulier, le but de l'invention est une structure électrique, en particulier un cSable électrique du type à huile fluide, comprenant au moins un corps métallique In particular, the object of the invention is an electrical structure, in particular an electric fluid-type electric cable, comprising at least one metal body
maintenu sous une tension élevée, isolé avec du papier synthé- maintained under high voltage, isolated with synthetic paper
tique disposé autour de ce corps métallique et imprégné d'une tick around this metal body and impregnated with a
huile isolante, cette huile isolante ayant une perte diélec- insulating oil, this insulating oil having a dielectric loss
-3-3
trique (tgt) inférieure à O05olO310 structure électrique ca- (tgt) less than O05olO310 electrical structure
ractérisée en ce que ladite huile isolante est constituée d'un composé de type organique contenant au moins des atomes de carbone et des atomes de fluoro characterized in that said insulating oil is composed of an organic-type compound containing at least carbon atoms and fluoro atoms
En outre, cette huile isolante peut contenir éga- In addition, this insulating oil may also contain
lement des atomes d'osygèneo La présente invention sera mieux comprise par la The present invention will be better understood by the
description d'un e-emple particulier se rapportant à une appli- description of a particular e-example relating to an application
cation préfére iais non rclusive un csable électrique du preferable non-recirculating cation an electrical cable of the
type à huile fluide (cSble H0Fo)o Il reste d'autre part enten- fluid oil type (cSble H0Fo) o On the other hand, there is
du0 comme on l'a déja souligné, que la présente invention as already pointed out, that the present invention
s'applique avantageusement à tous les cas de structures élec- advantageously applies to all cases of elec-
triques qui comuLprennent au moins un corps métallique maintenu sous une tension électrique élevée et qui est isolé par du papier imprégné d'huile (transformateurs, condensateurs etc.0)0 La figure unique du dessin annexé représente le which comprise at least one metal body maintained under high electrical voltage and which is insulated by oil-impregnated paper (transformers, capacitors, etc.) The single figure of the attached drawing represents the
câble à huile fluide C, qui comprend: le conducteur 10 par- fluid oil cable C, which comprises: the driver 10 par-
couru longitudinalement par le canal 11; un isolant 12 cons- run longitudinally through channel 11; an insulator 12 cons
titué d'un enroulement de papier synthétique (sous la forme duLn ensemble de fibrilles mis en oeuvre à la calandre, ou d'une pellicule ou d'un composite) sur ce conducteur 10; une characterized by a winding of synthetic paper (in the form of a set of fibrils used in the shell, or a film or a composite) on the conductor 10; a
gaine métallique 13 servant de fourreau disposée sur cet iso- metal sheath 13 serving as a sleeve disposed on this insulation
lant 12o Une huile isolante occupe ce canal longitudinal ll et imprègne l'isolant de papier synthétique 12o Conformément à la présente invention, cette huile, lant 12o An insulating oil occupies this longitudinal channel 11 and impregnates the synthetic paper insulation 12o. In accordance with the present invention, this oil,
qui possède une "perte diélectrique" (tg) au moins infé- which has a "dielectric loss" (tg) of at least
-3-3
rieure à 0,5.10 3, est constituée d'un composé du type orga- less than 0.5.10 3, consists of a compound of the type
nique contenant au moins des atomes de carbone et des atomes containing at least carbon atoms and atoms
de fluor. Cette huile peut aussi contenir des atomes d'oxygène. of fluorine. This oil may also contain oxygen atoms.
Deux composés se sont révélés avoir une importan- Two compounds have been shown to be
ce particulière dans l'invention: la trifluorométhyl- this particular in the invention: trifluoromethyl-
perfluorodécaline et un polyéther perfluoré ayant un poids perfluorodecalin and a perfluorinated polyether having a weight
moléculaire.compris entre 200 et.5000. molecular.pris between 200 and 5000.
Le premier est un composé contenant exclusive- The first is a compound containing exclusively
ment des atomes de carbone et des atomes de fluor et répon- dant à la formule carbon atoms and fluorine atoms and corresponding to the formula
F2F F CFF2F F CF
F2 f+3F2 f + 3
F2O F2F2O F2
F2F F2F2F F2
Le second est un polymère contenant des atomes de carbone, des atomes de fluor et des atomes d'oxygène, d'un poids moléculaire compris entre 200 et 5000, et répondant à la formule suivante: The second is a polymer containing carbon atoms, fluorine atoms and oxygen atoms, with a molecular weight between 200 and 5000, and having the following formula:
CF CF3CF CF3
- - SF--CF - CF2 - CF 2 0 - CF2-- - SF - CF - CF2 - CF 2 0 - CF2-
La structure chimique est fondamentalement celle The chemical structure is basically the one
d'un polyéther de l'hexafluoropropylène. of a hexafluoropropylene polyether.
Les avantages offerts par les composés de l'in- The advantages offered by the compounds of the in-
vention utilisés comme huiles d'imprégnation de papiers syn- used as impregnating oils for syn-
thétiques, par rapport aux composés de la technique anté- theories, compared to the compounds of the prior art
rieure, ressortent clairement des résultats du tableau 1, of the results in Table 1,
relatifs à des essais de gonflement effectués à diverses tem- relating to swelling tests carried out at various times
pératures. Dans ces essais on maintient un échantillon de pa- tures. In these tests a sample of
pier synthétique (pellicule de polyéthylène haute densité de cristallinité élevée) plongé dans l'huile à la température désirée pendant 72 heures consécutives et on mesure ensuite synthetic stone (high density polyethylene film of high crystallinity) immersed in the oil at the desired temperature for 72 consecutive hours and then measured
la variation volumique en pourcentage résultant de ce trai- the percentage volume change resulting from this
tement. Des valeurs figurant dans le tableau I, on déduit que le gonflement du papier synthétique est, à température égale, beaucoup moindre dans les huiles de l'invention (exemple N 1 avec la trifluorométhyl-perfluorodécaline et ment. From the values given in Table I, it is deduced that the swelling of the synthetic paper is, at equal temperature, much less in the oils of the invention (example N 1 with trifluoromethyl-perfluorodecalin and
exemple N 2 avec un polyéther perfluoré ayant un poids molé- Example N 2 with a perfluorinated polyether having a molecular weight of
culaire compris entre 200 et 5000) que dans une huile de la between 200 and 5000) than in an oil of the
technique antérieure (exemple N 3 avec le décyl-benzène). prior art (example N 3 with decylbenzene).
Dans la pratique, le gonflement enregistré avec In practice, the swelling recorded with
les huiles de l'invention n'est pas dangereux dans les condi- the oils of the invention are not dangerous under the conditions
tions habituelles de fonctionnement des structures électri- usual operating procedures for electrical structures
ques, et jusqu'à des températures voisines des températures and temperatures close to
de fusion des papiers synthétiques. melting synthetic papers.
T A B L E A UBOARD
I Essais de gonflement d'une pellicule de polyéthylène haute densité de cristallinité élevée dans diverses I Swelling tests of a high density polyethylene film of high crystallinity in various
huiles et à diverses températures. oils and at various temperatures.
Variation volumique en % Exemple NO Huile au bout de 72 heures Volume variation in% Example NO Oil after 72 hours
1000C 1100C 1200C 130C1000C 1100C 1200C 130C
1 Trifluorométhyl-1 Trifluoromethyl
perfluoro-décaline + 3,8 + 4,5 + 5,2 +35 2 Polyéther perfluoré (poids mol. moyen = perfluoro-decalin + 3.8 + 4.5 + 5.2 +35 2 Perfluorinated polyether (average molar weight =
1000) + 0,5 + 1,8 + 3,7 +281000) + 0.5 + 1.8 + 3.7 +28
3 Décyl-benzène + 5,5 + 21,0 début diss. 3 Decylbenzene + 5.5 + 21.0 early diss.
de com-of com
dissol. plètedissol. plete
Claims (4)
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