FR2779265A1 - Liquide dielectrique thixotrope pour condensateurs, son procede de preparation et condensateurs l'utilisant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un liquide diélectrique thixotrope qui comprend une huile végétale, une huile de transformateur et une matière argileuse. Ce liquide diélectrique thixotrope convient particulièrement à une utilisation dans un condensateur.
Description
Liquide diélectripue thixotrope pour condensateurs, son procédé de
préparation et condensateurs l'utilisant La présente invention concerne un liquide diélectrique
destiné à être utilisé dans des dispositifs électriques.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un
liquide diélectrique pour condensateurs électriques.
Les condensateurs électriques sont utilisés dans diverses applications. Les condensateurs sont généralement désignés par gros condensateurs ou petits condensateurs. Les gros condensateurs comprennent les condensateurs de puissance à haute tension (supérieure à 600 volts en courant alternatif) ou à basse tension, les condensateurs de chauffage par induction et les condensateurs de correction du facteur de puissance. Les petits condensateurs se rencontrent normalement dans certaines catégories d'application et sont par exemple les condensateurs pour le démarrage et la marche
des moteurs et les condensateurs pour l'éclairage.
Une configuration commune aux condensateurs électriques est une configuration à enroulement en spirale comprenant une paire de parties d'enroulement de condensateur. Chacune des parties d'enroulement de condensateur est normalement une bande de polypropylène ayant un revêtement d'aluminium ou de zinc. Des conducteurs électriques appropriés sont reliés à l'enroulement enroulé en spirale suivant des techniques connues classiques. L'enroulement enroulé en spirale est ensuite placé dans un logement et le logement
est rempli d'un liquide de condensateur.
Les liquides de condensateur doivent avoir une constante diélectrique élevée, maintenir un faible facteur de dissipation et être compatibles avec les autres matières du condensateur. Les liquides de condensateur doivent également supporter des conditions de température, de pression et de contrainte de tension fluctuantes et élevées pour que le
condensateur ait une longue durée de fonctionnement.
Le liquide de condensateur doit également être relativement visqueux pour que les pertes de liquide de condensateur soient réduites au minimum si le logement du condensateur se met à fuir. En outre, les constituants utilisés pour la préparation du liquide de condensateur doivent être biodégradables pour réduire au minimum les dommages causés à l'environnement si le liquide de
condensateur s'échappe du condensateur.
Le brevet U.S. n 4 388 669 de Cichanowski qui est cédé au cessionnaire de la présente demande, décrit des liquides diélectriques qui sont des polypropylèneglycols. Les liquides diélectriques polypropylèneglycols présentent une aptitude à l'autoguérison (en anglais "clearability") élevée du fait du faible rapport du carbone à l'hydrogène et du pourcentage en poids élevé d'oxygène moléculaire. Les liquides diélectriques polypropylèneglycols montrent également un faible effet de gonflement sur le film de polypropylène et une pénétration minimale dans l'enroulement de condensateur. Un inconvénient des liquides diélectriques polypropylèneglycols est qu'ils peuvent s'échapper d'un condensateur présentant une brèche parce qu'ils ne possèdent
qu'une viscosité modérée, de l'ordre de 500 centipoises.
Le brevet U.S. n 4 656 558 de Bentley décrit un liquide diélectrique contenant un polybutène ayant une masse moléculaire moyenne d'au moins 800. Le brevet U.S n 4 787 de Bentley décrit la formation d'une matière diélectrique à partir d'un mélange de polybutène et de polyéthylène. Il est indiqué dans le brevet Bentley 010 que la matière diélectrique est semi-solide pour empêcher qu'elle s'échappe du condensateur dans lequel elle est utilisée. L'utilisation de matières diélectriques formées à partir de polybutène présente des problèmes pour l'obtention des résultats souhaitables d'autoguérison (en anglais "clearance") parce que le polybutène manque d'oxygène moléculaire. La présente invention concerne un liquide diélectrique destiné à être utilisé dans un condensateur. Ce liquide diélectrique contient un mélange d'huile végétale, d'huile de transformateur et d'une matière argileuse. Il présente un indice de thixotropie supérieur à 20. Il présente avantageusement une rigidité diélectrique supérieure à 32 kilovolts. Le liquide diélectrique présente également une dégradation minimale des constituants lors de son
utilisation dans un condensateur.
Bien que la présente invention soit susceptible de diverses formes de modes de réalisation, des modes de réalisation préférés vont être décrits ci-après, étant
entendu que cette description doit être considérée comme une
exemplification de l'invention et n'a pas pour but de limiter l'invention aux modes de réalisation particuliers décrits. Un liquide diélectrique selon la présente invention comprend de manière générale un mélange d'huile végétale, d'huile de transformateur et d'une matière argileuse. La présente invention concerne également un condensateur qui comprend un logement, un enroulement de condensateur et un
liquide diélectrique conforme à la présente invention.
Ce liquide diélectrique présente un indice de thixotropie élevé, ce qui permet de remplir facilement le condensateur avec le liquide diélectrique et de réduire au minimum les possibilités de fuite de liquide diélectrique hors du condensateur. L'expression indice de thixotropie utilisée ici désigne le rapport de la viscosité du liquide diélectrique à une vitesse de cisaillement faible à la viscosité du liquide diélectrique à une vitesse de
cisaillement élevée.
Le liquide diélectrique présente une aptitude à l'auto-
guérison élevée du fait du faible rapport du carbone à l'hydrogène du liquide et du pourcentage en poids élevé d'oxygène moléculaire. Le liquide diélectrique selon la présente invention a un faible effet de gonflement sur le film de polypropylène, ce qui réduit au minimum les pertes de capacité dues à l'interaction du liquide. En outre, le liquide diélectrique présente une pénétration minimale dans l'enroulement du condensateur du fait de la
tension superficielle élevée de la matière diélectrique.
L'huile végétale est une huile de faible viscosité, à base hydrocarbonée. Elle est choisie de manière à être stable aux températures et pressions élevées. Elle est
choisie également de manière à être pratiquement inerte vis-
à-vis des autres constituants avec lesquels le liquide diélectrique est utilisé. Par exemple, l'huile végétale ne réagit pas avec le film de polypropylene utilisé pour la
fabrication des autres parties du condensateur.
L'huile végétale est de préférence de l'huile de soja.
Une huile végétale préférée peut être obtenue de la société Hunt-Wesson, Inc., de Fullerton, Californie. Toutefois, l'homme de l'art comprendra qu'il est possible d'utiliser une ou plusieurs autres huiles à base végétale, isolément ou en combinaison avec de l'huile de soja, sans sortir du cadre
de la présente invention.
La concentration de l'huile végétale dans le mélange est comprise entre environ 40 % et environ 85 % et il est préférable qu'elle soit comprise entre environ 40 % et environ 60 %. De préférence, la concentration de l'huile végétale dans le mélange est d'environ 50 %. Toutes les références à des pourcentages utilisées ici concernent des
pourcentages en poids sauf indication contraire.
L'huile de transformateur est de préférence une huile minérale isolante. Elle est choisie de manière à être stable aux températures et pressions élevées. Bien que l'huile de transformateur soit normalement plus agressive que l'huile végétale vis-à-vis des autres constituants du condensateur, on la choisit de manière à réduire au minimum la dégradation des autres constituants avec lesquels le liquide
diélectrique est utilisé.
Une huile minérale isolante légère préférée peut être obtenue auprès de la société Exxon Corporation de Houston,
Texas, sous la dénomination huile minérale UNIVOLT 60.
L'homme de l'art comprendra qu'il est possible d'utiliser une ou plusieurs autres huiles minérales en combinaison avec une huile minérale isolante légère sans sortir du cadre de
la présente invention.
La concentration de l'huile de transformateur dans le mélange est comprise entre environ 15 % et environ 60 % et il est préférable qu'elle soit comprise entre environ 40 et environ 50 %. De préférence, la concentration de l'huile de
transformateur dans le mélange est d'environ 48,5 %.
On incorpore la matière argileuse au mélange pour augmenter la viscosité du mélange. La matière argileuse est
de préférence sous la forme d'une poudre finement divisée.
Suivant la matière argileuse choisie, il peut être nécessaire d'utiliser un activeur en même temps que la matière argileuse pour obtenir le degré désiré
d'augmentation de la viscosité.
Une matière argileuse appropriée à une utilisation dans la présente invention est la montmorillonite. Une montmorillonite préférée est commercialisée sous la dénomination CLAYTONE 40 par la société Southern Clay Products, Inc. de Gonzales, Texas. Une autre matière argileuse convenant à une utilisation dans la présente invention est la bentonite. Une bentonite préférée est commercialisée sous la dénomination BENTONE 1000 par la
société RHEOX, Inc., de Highstown, New Jersey.
La concentration de la matière argileuse dans le mélange est d'environ 6 % au plus et il est préférable qu'elle soit comprise entre environ 2 % et environ 5 %. De préférence, la concentration de la matière argileuse dans le mélange est d'environ 3 %. On utilise de préférence un activeur en combinaison avec la montmorillonite. L'activeur améliore la dispersion de la matière argileuse dans le mélange d'huile végétale et d'huile de transformateur. L'activeur diminue également le dépôt de la matière argileuse dans le liquide de condensateur. On pense que l'activeur produit ces résultats
en se liant à la surface de la matière argileuse.
Un activeur convenant à une utilisation dans la présente invention est un copolymère polyéthylène-polypropylène. Un copolymère polyéthylène-polypropylène préféré est commercialisé sous la dénomination PLURONIC 31R1 (copolymère séquencé tensioactif) par la société BASF Corporation de Parsippany, New Jersey. Un autre activeur convenant à une utilisation dans la présente invention est un copolymère séquencé tétrafonctionnel polyoxypropylène/oxyéthylène, à base d'éthylènediamine, qui est commercialisé sous la dénomination TETRONIC 150R1 par la société BASF Corporation
de Parsippany, New Jersey.
Un autre activeur encore utilisable dans la présente invention est le carbonate de propylène qui est commercialisé sous la dénomination ARCONATE 1000 par la société Arco Chemical Company de Newtown Square, Pennsylvanie. La concentration de l'activeur utilisé dans la préparation du liquide diélectrique de la présente invention peut aller jusqu'à 3 %. On choisit de préférence la concentration d'activeur en se basant sur la concentration de la matière argileuse. Le rapport de la matière argileuse
à l'activeur est comprise de préférence entre 3:1 et 6:1.
La concentration préférée de l'activeur dans le liquide
diélectrique est d'environ 0,5 %.
On prépare de préférence le liquide diélectrique en mélangeant l'huile de transformateur, la matière argileuse, et l'activeur, si on en utilise un. Pour garantir 5 l'obtention d'un mélange homogène, on poursuit l'opération de mélange pendant environ 1 heure. On ajoute ensuite l'huile végétale au mélange et on poursuit l'opération de
mélange pendant 1 heure supplémentaire.
Le liquide diélectrique présente un indice de thixotropie d'au moins 20. Il est souhaitable que cet indice soit compris entre environ 20 et environ 500. De préférence, l'indice de thixotropie est compris entre environ 50 et environ 200. Comme on l'indiquait précédemment, l'indice de thixotropie est le rapport de la viscosité du liquide diélectrique à une vitesse de cisaillement faible à la viscosité du liquide diélectrique à une vitesse de
cisaillement élevée.
A titre indicatif, on obtient de préférence la viscosité à faible vitesse de cisaillement en utilisant une vitesse de rotation de la broche d'environ 0,6 tour par minute. La viscosité est mesurée de préférence à l'aide d'un viscosimètre Brookfield. On obtient de préférence la viscosité à vitesse de cisaillement élevée en utilisant une vitesse de rotation de la broche d'environ 60 tours par
minute.
La viscosité à faible vitesse de cisaillement est normalement d'au moins 500 centipoises et il est souhaitable qu'elle soit d'au moins 10 000 centipoises. De préférence, la viscosité à faible vitesse de cisaillement est comprise
entre environ 15 000 centipoises et environ 75 000 centi-
poises. La viscosité à vitesse de cisaillement élevée est normalement inférieure à 500 centipoises. De préférence, la viscosité à vitesse de cisaillement élevée est comprise
entre environ 100 centipoises et environ 500 centipoises.
Comme le liquide diélectrique présente un indice de
thixotropie élevé, il s'écoule facilement dans le conden-
sateur et remplit les vides entre les parties d'enroulement du condensateur. L'indice de thixotropie élevé du liquide diélectrique permet également de réduire les possibilités de fuite du liquide diélectrique hors du condensateur parce que le liquide diélectrique présente une viscosité élevée une
fois placé dans le condensateur.
Exemple 1
On prépare un liquide diélectrique thixotrope à partir
d'huile végétale, d'huile de transformateur, de montmoril-
lonite et d'un activeur. On mélange l'huile de
transformateur (UNIVOLT 60, Exxon Corporation) à la montmo-
rillonite (CLAYTONE 40, Southern Clay Products, Inc.) et à
l'activeur (PLURONIC P123, BASF Corporation), les concen-
trations respectives étant 93 %, 6 % et 1 %. On mélange les constituants pendant environ 1 heure pour obtenir un mélange
pratiquement homogène.
Ce mélange est ensuite ajouté à une quantité à peu près égale d'huile de soja (Hunt-Wesson, Inc.) et on mélange le tout pendant environ 1 heure pour obtenir un liquide
diélectrique pratiquement homogène.
La stabilité à température élevée du liquide diélec-
trique, associé à un film de condensateur en polypropylène revêtu de zinc, est évaluée. Les performances sont comparées à celles du liquide diélectrique polypropylèneglycol et du liquide diélectrique polybutène. Le liquide diélectrique polybutène est commercialisé par la société Amoco de
Chicago, Illinois, sous la dénomination INDOPOL H-300.
Les caractéristiques physiques des matières diélectriques sont indiquées dans le tableau 1. La rigidité diélectrique des liquides diélectriques a été mesurée conformément à la
norme ASTM D877.
TABLEAU I
Présente Polypropylène- Polybutène invention glycol Rigidité diélectrique, KV Moyenne 30,4 36,5 28,3 Ecart type 2,7 1,8 0,9 Viscosité Brookfield, cP
TPM 402 500 62.000
6 TPM 2.090 500 62.000
0,6 TPM 16.000 500 62.000
Le liquide diélectrique selon la présente invention a été séché au préalable sous vide jusqu'à ce qu'il ait une teneur en eau d'environ 290 parties par million. La matière diélectrique polypropylèneglycol a également été séchée au préalable sous vide. Le liquide diélectrique polybutène a été fourni par un condensateur fabriqué par la société Aerovox, Inc., de New Beford, Massachusetts et il avait une
teneur en eau d'environ 1 500 parties par million.
Des bandes d'environ 24 pouces de long de film de condensateur en polypropylène revêtu de zinc (Toray AEHA0296 (ZN) 75.0 x 2.57. 500) ont été placées dans des récipients en verre de 2 onces avec environ 25 grammes de liquide diélectrique à chaque fois. On a également préparé des récipients échantillons supplémentaires dans lesquels le liquide diélectrique était seulement de l'huile de soja (Hunt-Wesson, Inc.) ou de l'huile de transformateur (UNIVOLT , Exxon Corporation). Les récipients ont été ensuite
fermés par des couvercles doublés d'une feuille métallique.
Les récipients échantillons ont été maintenus à une température d'environ 117 C pendant environ 74 heures. On a laissé ensuite les récipients échantillons se refroidir jusqu'à la température de la salle dans un dessiccateur. On a ensuite évalué le gain ou la perte de poids et le degré de conservation du revêtement de zinc du film de condensateur de chaque récipient échantillon. Les résultats des
évaluations sont indiqués dans le tableau 2.
TABLEAU 2
Poids Poids ppm H20 ppm H20 Variation initial(g) final(g) avant après de poids Présente 0,286 0,930 426 798 325 % Invention
Polypropy-
lèneglycol 0,293 0,447 90 1.270 153 % Polybutène 0, 291 0,347 > 450 648 119 % Huile 0,292 0, 489 70 702 168 % végétale Huile de 0,292 0,344 58 34 118 % transformateur
Exemple 2
On a préparé un autre liquide diélectrique thixotrope à partir d'huile végétale, d'huile de transformateur, de montmorillonite et d'un activeur. On a mélangé l'huile de transformateur (UNIVOLT 60, Exxon Corporation) à la montmorillonite (BENTONE 1000, Rheox, Inc.) et à l'activeur (TETRONIC 150R1, BASF Corporation), les concentrations respectives étant 92 %, 6 % et 2 %. On a mélangé les constituants pendant environ 1 heure pour obtenir un mélange
pratiquement homogène.
On a ensuite ajouté ce mélange à une quantité à peu près égale d'huile de soja (Hunt-Wesson, Inc.) et on a mélangé le tout pendant environ 1 heure pour obtenir un liquide
diélectrique pratiquement homogène.
Les caractéristiques de thixotropie de ce liquide diélectrique ont été déterminées à l'aide d'un viscosimètre Brookfield muni d'une broche n 2. La viscosité à 60, 6 et 0,6 tours par minute était respectivement 115, 325 et 1 625 centipoises. La rigidité diélectrique moyenne du liquide diélectrique était de 32,828 kilovolts, l'écart type étant
de 1,819 kilovolts.
Exemple 3
On a encore préparé un autre liquide diélectrique thixotrope à partir d'huile végétale, d'huile de transformateur, de montmorillonite et d'un activeur. On a mélangé l'huile de transformateur (UNIVOLT 60, Exxon Corporation) à la montmorillonite (BENTONE 1000, Rheox, Inc.) et à l'activeur carbonate de propylène (ARCONATE 1000, Arco Chemical Co.), les concentrations respectives étant 92 %, 6 % et 2 %. On a mélangé les constituants pendant environ 1 heure pour obtenir un mélange pratiquement homogène. On a ajouté ensuite ce mélange à une quantité à peu près égale d'huile de soja (Hunt-Wesson, Inc.) et on a mélangé le tout pendant environ 1 heure pour obtenir un liquide
diélectrique pratiquement homogène.
Les caractéristiques de thixotropie de ce liquide diélectrique ont été déterminées à l'aide d'un viscosimètre Brookfield muni d'une broche n 4 pour l'essai à 60 tours par minute et d'une broche n 2 pour les essais à 6 et 0,6 tours par minute. Les viscosités à 60, 6 et 0, 6 tours par
minute étaient respectivement 860, 3 885 et 31 800 centi-
poises. La rigidité diélectrique moyenne du liquide diélectrique était de 5,551 kilovolts, l'écart type étant de 1,030 kilovolts.
Exemple 4
On répète les essais concernant les performances du liquide diélectrique, indiqués dans l'exemple 1 et dont les résultats figurent dans le tableau 2, en utilisant un film de condensateur en polypropylène revêtu de zinc différent (Bolmet ZMPPHE 2,5M lot M3797-117 n 4). Les résultats des
essais sont indiqués dans le tableau 3.
TABLEAU 3
Poids Poids ppm H20 ppm H20 Variation initial(g) final(g) avant après de poids Présente 0,286 0,974 426 903 263 % Invention
Polypropy-
lèneglycol 0,293 0,519 90 1.283 142 % Polybutène 0, 291 0,480 > 450 2.000 128 % Huile 0,292 0, 875 70 634 239 % végétale Huile de 0,292 0,405 58 29 113 % transformateur On remarquera d'après ce qui précède que de nombreuses modifications et variations peuvent être réalisées sans que l'on sorte de l'esprit et du cadre des concepts nouveaux de la présente invention. I1 est bien entendu qu'aucune
limitation aux modes de réalisation particuliers décrits n'est visée ou ne doit être déduite. La présente demande a pour but de couvrir par les revendications annexées toutes5 ces modifications qui tombent dans le cadre des
revendications.
Claims (24)
1. Liquide diélectrique caractérisé en ce qu'il comprend un mélange d'huile végétale, d'huile de transformateur et
d'une matière argileuse.
2. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il présente un indice de thixotropie d'au
moins 20.
3. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il a une rigidité diélectrique d'au moins
environ 32 kilovolts.
4. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que l'huile végétale y est présente à une concentration comprise entre environ 40 et environ 85 % en
poids.
5. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que l'huile de transformateur y est présente à une concentration comprise entre environ 15 et environ 60 %
en poids.
6. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la matière argileuse y est présente à une
concentration atteignant au plus environ 6 % en poids.
7. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la matière argileuse est la montmorillonite,
la bentonite ou une combinaison des deux.
8. Liquide diélectrique selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il comprend en outre un activeur.
9. Liquide diélectrique selon la revendication 8, caracté-
risé en ce que l'activeur est un copolymère polyéthylène-
polypropylène, un copolymère séquencé tétrafonctionnel polyoxypropylène/oxyéthylène, le carbonate de propylène ou
une combinaison de ces composés.
10. Liquide diélectrique selon la revendication 8, caracté-
risé en ce que l'activeur y est présent à une concentration
atteignant au plus environ 3 % en poids.
11. Liquide diélectrique selon la revendication 8, caracté-
risé en ce que le rapport de la matière argileuse à
l'activeur est compris entre environ 6:1 et environ 3:1.
12. Liquide diélectrique destiné à être utilisé dans un condensateur de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une huile végétale présente à une concentration comprise entre environ 40 % et environ 85 % en poids, une huile de transformateur présente à une concentration comprise entre environ 15 % et environ 60 % en poids, et une matière argileuse présente à une concentration atteignant au plus environ 6 % en poids, ledit liquide diélectrique présentant
un indice de thixotropie d'au moins 20.
13. Liquide diélectrique selon la revendication 12, carac-
térisé en ce qu'il a une rigidité diélectrique d'au moins
environ 32 kilovolts.
14. Liquide diélectrique selon la revendication 12, carac-
térisé en ce qu'il comprend en outre un activeur.
15. Liquide diélectrique selon la revendication 14, carac-
térisé en ce que l'activeur est un copolymère polyéthylène-
polypropylène, un copolymère séquencé tétrafonctionnel polyoxypropylène/oxyéthylène, le carbonate de propylène ou
une combinaison de ces composés.
16. Liquide diélectrique selon la revendication 14, carac-
térisé en ce que l'activeur y est présent à une concentra-
tion atteignant au plus environ 3 % en poids.
17. Liquide diélectrique selon la revendication 14, carac-
térisé en ce que le rapport de la matière argileuse à
l'activeur est compris entre environ 6:1 et environ 3:1.
18. Condensateur de puissance comprenant un logement, un enroulement de condensateur et un liquide diélectrique, l'enroulement de condensateur et le liquide diélectrique étant placés dans le logement, caractérisé en ce que le liquide diélectrique présente un indice de thixotropie d'au
moins 20.
19. Condensateur de puissance selon la revendication 18, caractérisé en ce que le liquide diélectrique a une rigidité
diélectrique d'au moins environ 32 kilovolts.
20. Procédé de préparation d'un liquide diélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend le mélange d'une huile de transformateur et d'une matière argileuse pour produire un mélange intermédiaire, et le mélange d'une huile végétale avec le mélange intermédiaire pour produire le liquide diélectrique.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le liquide diélectrique présente un indice de
thixotropie d'au moins 20.
22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le liquide diélectrique présente une rigidité
diélectrique d'au moins environ 32 kilovolts.
23. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le mélange d'un activeur avec le
mélange intermédiaire.
24. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que le rapport de la matière argileuse à l'activeur est
compris entre environ 3:1 et environ 6:1.
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