FR3016746A1 - Appareil electrique moyenne ou haute tension a isolation gazeuse comprenant de l'hexafluorure de soufre et un autre compose fluore - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un appareil électrique moyenne ou haute tension comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges.

Description

APPAREIL ÉLECTRIQUE MOYENNE OU HAUTE TENSION À ISOLATION GAZEUSE COMPRENANT DE L'HEXAFLUORURE DE SOUFRE ET UN AUTRE COMPOSÉ FLUORÉ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention appartient au domaine de l'isolation électrique et de l'extinction des arcs électriques dans des appareils électriques moyenne ou 10 haute tension. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'utilisation d'un mélange gazeux comprenant de l'hexafluorure de soufre et au moins un autre composé fluoré, comme gaz d'isolation électrique 15 et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension. Elle se rapporte également à un appareil électrique moyenne ou haute tension dans lequel l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs 20 électriques est (sont) assurée(s) par un milieu gazeux comprenant de l'hexafluorure de soufre et un autre composé fluoré. Cet appareil électrique peut notamment être un transformateur électrique tel qu'un transformateur d'alimentation ou de mesure, une ligne à 25 isolation gazeuse (ou LIG) pour le transport ou la distribution de l'électricité, un jeu de barres ou encore un appareil électrique de connexion/déconnexion (aussi appelé appareil de coupure) tel qu'un disjoncteur, un interrupteur, un combiné interrupteur- 30 fusibles, un sectionneur, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans les appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension, l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction d'arc électrique sont typiquement assurées par un gaz qui est confiné à l'intérieur de ces appareils. Actuellement, dans l'appareillage électrique de moyenne ou haute tension, la fonction de coupure de l'arc électrique et d'isolation électrique est communément réalisée par le gaz hexafluorure de soufre (SF6). Les caractéristiques exceptionnelles du SF6 en diélectrique et coupure indépendantes de la température, sa conductivité thermique importante, sa capacité à se recombiner après dissociation par l'arc électrique, son prix modeste, sa non toxicité (TimeWeighted Average (TWA) = 1000 PPM) et sa facilité de mise en oeuvre en font, malgré son potentiel de réchauffement climatique extrêmement important (Global Warming Potential (GWP) ou Pouvoir de Réchauffement Global (PRG) = 22800, relativement au CO2 sur 100 ans), le gaz de référence des appareils de coupure depuis près de 40 ans. Aucun autre gaz n'a pour l'instant réussi à supplanter le SF6 avec un coût compétitif.

Les groupes industriels leaders sur le marché de l'appareillage électrique sont principalement européens (ABB, Siemens, Schneider, ALSTOM, ...), japonais (Toshiba, Hitachi, ...) et américains (Eaton, General Electric, ...). Ils ont conçu leurs appareils en fonction des normes des marchés sur lesquels ils sont présents depuis longtemps.

Afin de réduire l'encombrement des équipements électriques, les constructeurs ont développé des appareils de plus en plus compacts, basés sur le gaz SF6 en optimisant les gradients électriques.

Aujourd'hui, la compacité des appareils semble tendre vers une asymptote. Afin de continuer à réduire la dimension des appareils électriques, il faut développer des isolants gazeux présentant des propriétés améliorées par rapport au SF6 tout en réduisant l'impact environnemental du gaz. L'utilisation de milieux gazeux comprenant du SF6 en mélange avec de 5 à 20% d'azote, de dioxyde de carbone, d'air sec ou de tétrafluorure de carbone a été proposée dans l'optique de limiter l'impact du SF6 sur l'environnement. Toutefois, tous ces mélanges ont, à pression comparable, des caractéristiques électriques et thermiques inférieures à celles que présente le SF6 quand il est utilisé pur. Il a également été proposé de remplacer le SF6 par un mélange de SF6 et d'au moins une fluorocétone [1], ledit mélange étant éventuellement complété avec du tétrafluorure de carbone [2]. Toutefois, l'ensemble des solutions proposées dans l'art antérieur ne permet pas d'améliorer suffisamment les caractéristiques des appareils, notamment en échauffement. Compte tenu de ce qui précède, les inventeurs se sont donc fixé pour but de fournir un appareil électrique de moyenne ou haute tension, dans lequel l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction d'arcs électriques susceptibles de se produire est assurée par un fluide diélectrique qui présente une amélioration significative des propriétés diélectriques et une réduction de l'impact environnemental de l'appareil, notamment son impact sur le réchauffement climatique comparé au SF6 pur.

Ils se sont aussi fixé pour but que ce fluide diélectrique ne soit ni inflammable, ni toxique pour l'homme et les animaux. Ils se sont encore fixé pour but que ce fluide diélectrique ait un coût compatible avec son utilisation dans la fabrication d'appareil électrique de moyenne ou haute tension du type appareil de coupure à une échelle industrielle. EXPOSÉ DE L'INVENTION Les buts fixés et d'autres encore sont atteints par l'invention qui propose l'utilisation, dans un appareil électrique moyenne ou haute tension, d'un mélange gazeux particulier, éventuellement combiné à une isolation solide, présentant des propriétés de coupure de l'arc électrique, d'isolation électrique et de conductivité thermique améliorées par rapport au SF6. Dans ce qui précède et ce qui suit, les termes « moyenne tension » et « haute tension » sont utilisés dans leur acceptation habituelle, à savoir que le terme « moyenne tension » désigne une tension qui est supérieure à 1 000 volts en courant alternatif et à 1 500 volts en courant continu mais qui ne dépasse pas 52 000 volts en courant alternatif et 75 000 volts en courant continu, tandis que le terme « haute tension » désigne une tension qui est strictement supérieure à 52 000 volts en courant alternatif et à 75 000 volts en courant continu. Les travaux des inventeurs ont permis de développer de nouveaux mélanges gazeux présentant des propriétés de coupure de l'arc électrique, d'isolation électrique et de conductivité thermique améliorées par rapport au SF6 permettant leur application dans le domaine de l'appareillage électrique moyenne et haute tensions. Ce mélange gazeux comprend du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, le mélange gazeux mis en oeuvre est composé de SF6 et d'un tel composé fluoré. Ainsi, le système isolant mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention est basé sur un milieu gazeux comprenant du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro- nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension. De façon générale, la présente invention propose un appareil électrique moyenne ou haute tension 30 comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges. Dans l'appareil électrique selon la présente invention, l'isolation gazeuse met en oeuvre un mélange gazeux comprenant du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoronitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluoro carbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges. Un tel composé fluoré est décrit, par la suite, par « ledit composé fluoré ». Les fluoronitriles susceptibles d'être 20 utilisés dans le cadre de la présente invention répondent à la formule générale (I) : CriF2,1CN (I) dans laquelle n représente un nombre entier et typiquement un nombre entier inférieur à 10. 25 Avantageusement, le fluoronitrile utilisé dans le cadre de l'invention est un fluoronitrile de formule générale (I) dans laquelle n vaut 1, 2 ou 3. Lorsque n vaut 1, le fluoronitrile est le composé CF3CN qui présente une tenue diélectrique 30 relative au SF6 de 1,4.

Lorsque n vaut 2, le fluoronitrile est le composé C2F5CN qui présente une tenue diélectrique relative au SF6 de 1,8. Lorsque n vaut 3, le fluoronitrile est le 5 composé C3F7CN qui présente une tenue diélectrique relative au SF6 de 2,2. Le fluoronitrile de formule (I) avantageusement utilisé dans le cadre de la présente invention est la molécule C3F7CN qui correspond à 10 l'heptafluoroisobutyronitrile (ou 2,3,3,3-tétrafluoro2-trifluorométhyl propanenitrile, de numéro CAS : 42532-60-5 (CF3)2CFCN) dont les caractéristiques thermiques, diélectriques et en coupure sont meilleures que celles du SF6 pur tout en présentant également 15 l'avantage de réduire de manière significative l'impact environnemental dudit mélange gazeux (voir ci-après). Dans une première forme de mise en oeuvre, le mélange gazeux utilisé dans le cadre de la présente invention comprend du SF6 et du C3F7CN et, typiquement, 20 ce mélange gazeux est constitué par du SF6 et du C3F7CN. Les oxiranes polyfluorés susceptibles d'être utilisés dans le cadre de l'invention sont des oxiranes qui répondent à la formule générale (II) ci-25 après : R R4 R2 R3 (il) dans laquelle RI, R2, R3 et R4, identiques ou différents, représentent un atome de fluor ou un groupe perfluoroalkyle, i.e. un groupe alkyle dont tous les atomes d'hydrogène ont été remplacés par des atomes de fluor. Ces oxiranes, qui ne sont ni toxiques, ni 5 corrosifs, ni inflammables et qui présentent un PRG nettement inférieur à celui du SF6, sont dotés de propriétés d'isolation électrique et d'extinction des arcs électriques propres à leur permettre de remplacer une partie du SF6 comme gaz d'isolation et/ou 10 d'extinction d'arc dans des appareils électriques de moyenne ou haute tension. Avantageusement, l'oxirane polyfluoré utilisé dans le cadre de l'invention est un oxirane polyfluoré de formule générale (II) dans laquelle le 15 (ou les) groupe(s) perfluoroalkyle, s'il y en a, sont des groupes perfluorométhyle (-CF3) ou perfluoroéthyle (-CF2CF3), les groupes perfluorométhyle étant tout particulièrement préférés. Plus avantageusement encore, l'oxirane 20 polyfluoré utilisé dans le cadre de l'invention est un oxirane polyfluoré de formule générale (II) qui comprend de 3 à 5 atomes de carbone. Plus particulièrement, l'oxirane polyfluoré utilisé dans le cadre de l'invention est un oxirane polyfluoré de 25 formule générale (II) qui comporte 4 atomes de carbone et qui répond donc à la formule brute C4F80. Un oxirane polyfluoré satisfaisant ces critères est notamment le 2,3-(difluoro-2,3- bis(trifluorométhyl)oxirane (selon la nomenclature 30 IUPAC) qui répond à la formule particulière (III) : F3C CF3 F F (III), ce fluoronitrile présentant une rigidité diélectrique relative au SF6 de 1,6. Dans une seconde forme de mise en oeuvre, le mélange gazeux utilisé dans le cadre de la présente invention comprend du SF6 et du C4F80 de formule (III) et, typiquement, ce mélange gazeux est constitué par du SF6 et du C4F80 de formule (III).

Les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone susceptibles d'être utilisés dans le cadre de la présente invention répondent à l'une des formules générales (IV) ou (V) : CriF2i-i+2 (IV) Ci-,F2r, (V) dans lesquelles n est compris entre 2 et 10. Avantageusement, le perfluorocarbone utilisé dans le cadre de l'invention est un perfluorocarbone de formule générale (IV) ou (V) dans laquelle n est compris entre 2 et 5 et, typiquement, vaut 3 ou 4. Un tel perfluorocarbone est notamment choisi parmi les composés de formules c-C4F8 et C5Flo dont la tenue diélectrique par rapport au SF6 est 1,25 et 1,3 respectivement.

Les mélanges envisagés dans le cadre de la présente invention comprennent : (i) les mélanges d'au moins un fluoronitrile et d'au moins un oxirane polyfluoré, (ii) les mélanges d'au moins un fluoronitrile et d'au moins un perfluorocarbone comprenant au moins deux atomes de carbone, (iii) les mélanges d'au moins un oxirane 5 polyfluoré et d'au moins un perfluorocarbone comprenant au moins deux atomes de carbone et (iv) les mélanges d'au moins un fluoronitrile, d'au moins un oxirane polyfluoré et d'au moins un perfluorocarbone comprenant au moins deux 10 atomes de carbone, les fluoronitriles, les oxiranes polyfluorés et les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone étant tels que précédemment définis. 15 Plus particulièrement, la présente invention propose une isolation gazeuse comprenant un mélange gazeux compatible avec les températures d'utilisation minimales de l'appareillage électrique et 20 ayant des propriétés diélectriques, de coupure et de dissipation thermique améliorées par rapport au SF6 pur. Dans le cadre de l'invention, lorsque le 25 mélange gazeux mis en oeuvre comprend du SF6 et ledit composé fluoré tel que précédemment défini, ce mélange peut en outre comprendre au moins un gaz de dilution et notamment un gaz de dilution particulier qui répond aux trois critères suivants : (1) présenter une température d'ébullition très basse, inférieure à la température minimale d'utilisation de l'appareil ; (2) être dénué de toxicité pour l'homme et les animaux ; et (3) présenter un PRG plus faible que celui du mélange de SF6 et dudit composé fluoré tel que précédemment défini de sorte que la dilution de ce mélange binaire par le gaz de dilution ait également pour effet d'abaisser l'impact environnemental du mélange binaire puisque le PRG d'un mélange gazeux est une moyenne pondérée, dérivée de la somme de la fraction de masse de chacune des substances multipliée par le PRG de chacun des composants.

Les gaz de dilution habituellement utilisés sont des gaz neutres dont le PRG est très faible, typiquement égal ou inférieur à 500 et, mieux encore, égal ou inférieur à 10. Des gaz qui présentent l'ensemble de ces propriétés sont, par exemple, l'air (PRG de 0), l'azote (PRG de 0), l'hélium (PRG de 0), le dioxyde de carbone (PRG de 1), l'oxygène (PRG de 0) et le protoxyde d'azote (PRG de 310). Un exemple particulier de mélange gazeux utilisable dans le cadre de la présente invention est constitué de SF6, dudit composé fluoré et d'azote et, avantageusement, est constitué de SF6, de C3F7CN et d'azote. De plus, ledit composé fluoré tel que 30 précédemment défini est présent, dans le mélange gazeux comprenant du SF6, ledit composé fluoré et éventuellement un gaz de dilution, en un pourcentage molaire (Mcf) qui est au moins égal à 80% du pourcentage molaire M, déterminé par la formule (VI) : M= (Pcf /Pmélange 100 (VI) dans laquelle P - mélange représente la pression totale du mélange à 20°C dans l'appareil électrique et Pcf représente la pression partielle, exprimée dans la même unité, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente ledit composé fluoré tel que précédemment défini à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique. La pression Pcf est, elle-même, approximée par la formule (VII) : Pcf = (PVSof X 293) / (Tmin + 273) (VII) dans laquelle PVSof représente la pression de vapeur saturante dudit composé fluoré tel que précédemment défini la température minimale Train, exprimée en degrés Celsius, d'utilisation de l'appareil électrique. Ainsi, les propriétés diélectriques du 20 milieu gazeux sont les plus élevées possibles et se rapprochent au mieux de celles du SF6. Avantageusement, dans le cadre de la présente invention, la température minimale d'utilisation Train est choisie parmi 0°C, -5°C, -10°C, 25 -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, -35°C, -40°C, -45°C et -50°C et, en particulier, choisie parmi 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, -35°C et -40°C. Dans une 'ère forme de mise en oeuvre, l'appareil électrique est un appareil moyenne tension 30 ou haute tension pour lequel la présence partielle du mélange à l'état liquide n'est pas de nature à réduire l'isolation. Dans ce cas, il est possible d'utiliser un mélange dans lequel ledit composé fluoré est présent en un pourcentage molaire Mcf, supérieur au pourcentage molaire M. Auquel cas, le pourcentage molaire dudit composé fluoré est, typiquement, compris entre 95% et 130%, mieux encore entre 97% et 120%, idéalement entre 99% et 110% du pourcentage molaire M tel que précédemment défini. Dans un tel cas, la tenue diélectrique de l'appareil sera testée à une pression partielle dudit composé fluoré dans le mélange gazeux pour laquelle le gaz ne présente pas de liquéfaction à la température minimale de service afin de valider la tenue diélectrique dudit appareil sur l'ensemble de sa plage de températures.

Dans une 2nde forme de mise en oeuvre, l'appareil électrique est un appareil moyenne ou haute tension dans lequel l'isolation peut être affectée par la présence de phase liquide. Dans cette forme de mise en oeuvre, il est souhaitable que le mélange (SF6 + ledit composé fluoré + éventuellement un gaz de dilution) soit exclusivement ou quasi exclusivement à l'état gazeux dans toute la gamme des températures d'utilisation de cet appareil. Il est donc avantageux que ledit composé fluoré soit présent dans ce mélange en un pourcentage molaire (Mcf) qui ne dépasse pas 100% du pourcentage molaire M afin de ne pas présenter de phase de liquéfaction à la température minimale d'utilisation. Auquel cas, le pourcentage molaire dudit composé fluoré est, avantageusement, compris entre 95% et 100% et, en particulier, entre 98% et 100% du pourcentage molaire M tel que précédemment défini.

Avantageusement encore, le mélange gazeux ne comprend que du SF6, ledit composé fluoré et éventuellement un gaz de dilution, dans les proportions telles que précédemment définies. En d'autres termes, le mélange gazeux est constitué du SF6, dudit composé fluoré et éventuellement d'un gaz de dilution, dans les proportions telles que précédemment définies. Ainsi, par exemple, pour un appareil électrique moyenne ou haute tension, les proportions volumiques dudit composé fluoré seront typiquement de 1 à 99%, notamment de 3 à 50% et, en particulier, de 5 à 30% par rapport au volume total du mélange gazeux mis en oeuvre comprenant du SF6, ledit composé fluoré et éventuellement au moins un gaz de dilution. L'homme du métier saura déterminer sans effort inventif la proportion volumique la mieux adaptée en fonction du composé fluoré utilisé, de la tension assignée de l'appareil électrique et des spécifications auxquelles cet appareil doit répondre.

Dans le but d'améliorer la tenue diélectrique de l'ensemble, le mélange gazeux comprenant du SF6, ledit composé fluoré et éventuellement un gaz de dilution est utilisé, dans un système d'isolation hybride, en combinaison avec une isolation solide, notamment de permittivité diélectrique faible, appliquée en une couche isolante d'épaisseur variable sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage de l'appareil moyenne ou haute tension sans isolation solide.

De fait, l'appareil électrique moyenne ou haute tension selon l'invention présente des composants électriques qui ne sont pas recouverts d'une couche diélectrique solide.

En d'autres termes, dans l'enceinte étanche de l'appareil électrique moyenne ou haute tension selon la présente invention, se trouvent des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable.

La couche diélectrique/isolante mise en oeuvre dans l'invention présente une permittivité relative faible. Par « permittivité relative faible », on entend une permittivité relative inférieure ou égale à 6. On rappelle que la permittivité relative, également appelée constante diélectrique, d'un matériau, qui est notée Err est une grandeur sans dimension qui peut être définie par les formules (VIII) et (IX) suivantes : Er = E/E0 (VIII) , avec C = (e * C)/S et Co = 1/(36n * 109) (IX) dans lesquelles : - C correspond à la permittivité absolue (exprimée en Farads/mètre) du matériau ; - Co correspond à la permittivité (exprimée en Farads/mètre) du vide ; - C correspond à la capacité (exprimée en Farads) d'un condensateur plan comprenant deux électrodes parallèles entre lesquelles est disposée une couche du matériau pour lequel on veut déterminer la permittivité, cette couche représentant une éprouvette ; - e correspond à la distance (exprimée en mètres) entre les deux électrodes parallèles du condensateur plan, ce qui correspond, dans notre cas, à l'épaisseur de l'éprouvette; et - S correspond à la surface (exprimée en mètres carrés) de chaque électrode constitutive du condensateur plan. Dans le cadre de la présente invention, la capacité est déterminée comme dans la norme CEI 60250-ed1.0, à savoir en utilisant un condensateur comprenant deux électrodes circulaires d'un diamètre allant de 50 à 54 mm, solidaires de l'éprouvette constituée du matériau, ces électrodes étant obtenues par pulvérisation d'une peinture conductrice avec un dispositif de garde. L'éprouvette présente des dimensions de 100 mm x 100 mm et une épaisseur de 3 mm. La distance entre les électrodes du condensateur, qui correspond à la grandeur e mentionnée ci-dessus, est donc de 3 mm.

Par ailleurs, la capacité est déterminée sous un niveau d'excitation de 500 volts RMS, à une fréquence de 50 hertz, sous une température de 23°C et une humidité relative de 50%. La durée d'application de la tension susmentionnée est de 1 min.

Par « couche isolante/diélectrique d'épaisseur variable », on entend dans le cadre de la présente invention que le matériau diélectrique, déposé ou appliqué sur les composants électriques ou pièces conductrices, présente des épaisseurs variables en fonction de la pièce conductrice ou partie de pièce conductrice sur laquelle il est déposé. L'épaisseur de la couche ne varie pas durant l'utilisation de l'appareil électrique mais est déterminée lors de la préparation des éléments constituant cet appareil. Dans le cadre de l'invention, la couche isolante est appliquée en couche de faible ou forte épaisseur sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage du système sans isolation solide. Plus particulièrement, l'épaisseur de la couche isolante mise en oeuvre dans le cadre de la présente invention étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, ri, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (p = U/(Emax*d)), la couche est épaisse pour des facteurs d'utilisation proches de 0,3 i.e. compris entre 0,2 et 0,4 et la couche est fine pour des facteurs d'utilisation s'approchant de 0,9 i.e. supérieur à 0,5 et notamment supérieur à 0,6. Dans le cadre de la présente invention, on entend par « couche épaisse » une couche d'épaisseur supérieure à 1 mm et inférieure à 10 mm et par « couche mince » une couche d'épaisseur inférieure à 1 mm, avantageusement inférieure à 500 pm, notamment comprise entre 60 et 100 pm.

La couche isolante solide mise en oeuvre dans le cadre de la présente invention peut comprendre un seul matériau diélectrique ou plusieurs matériaux diélectriques différents. De plus, la composition de la couche isolante i.e. la nature du ou des matériaux diélectriques qu'elle comprend peut différer en fonction de la pièce conductrice ou partie de pièce conductrice sur laquelle la couche isolante solide est déposée. En particulier, dans le cadre de l'invention, les matériaux sélectionnés pour réaliser épaisses présentent des faibles, c'est-à-dire Dans une forme de mise en les couches isolantes permittivités relatives inférieures ou égales à 6. oeuvre particulière, les permittivités diélectriques des matériaux isolants utilisés pour réaliser les couches solides épaisses présentent des permittivités relatives de l'ordre de 3, voire inférieures i.e. des permittivités relatives inférieures ou égales à 4 et notamment inférieures ou égales à 3. A titre d'exemple de matériaux utilisables pour réaliser les couches diélectriques, solides et épaisses de l'appareil électrique selon l'invention, on peut citer le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polycarbonate, le polyméthyl méthacrylate, le polysulfone, le polyetherimide, le polyether ether cétone, le parylène NTM, le NuflonTM, le silicone et la résine époxyde. En ce qui concerne les matériaux utilisés pour réaliser les couches minces, les matériaux sélectionnés dans le cadre de cette invention présentent des permittivités relatives de l'ordre de 3 i.e. comprises entre 2 et 4 et notamment entre 2,5 et 3,5. A titre d'exemple de matériaux utilisables pour réaliser les couches diélectriques, solides et minces de l'appareil électrique selon l'invention, on peut citer le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polyamide, l'éthylène monochlorotrifluoroéthylène, le parylène NTM, le NuflonTM, le HALARTM et le HALAR CTM. Conformément à l'invention, cet appareil électrique peut être, en premier lieu, un transformateur électrique à isolation gazeuse comme, par exemple, un transformateur de puissance ou un transformateur de mesure. Il peut également être une ligne à isolation gazeuse, aérienne ou souterraine, ou un jeu de barres pour le transport ou la distribution de l'électricité. Il peut également être un élément de raccordement aux autres équipements du réseau comme par 15 exemple les traversées aériennes ou les traversées de cloison. Enfin, il peut aussi être un appareil électrique de connexion/déconnexion (aussi appelé appareil ou chambre de coupure) comme, par exemple, un 20 disjoncteur comme un disjoncteur du type « dead tank », un disjoncteur à autosoufflage (« puffer » ou « self blast »), un disjoncteur à autosoufflage à double mouvement des contacts d'arc, un disjoncteur à autosoufflage à effet thermique en simple mouvement des 25 contacts d'arc, un disjoncteur à autosoufflage à effet thermique avec mouvement partiel de la tige de contact, un interrupteur, un sectionneur comme un AIS pour « Air-Insulated Swithgear » ou un GIS pour « Gas- Insulated Swithgear », un combiné interrupteur- 30 fusibles, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur.

La présente invention concerne également l'utilisation d'un mélange gazeux comprenant de l'hexafluorure de soufre et un composé fluoré choisi 5 dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés et les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone tels que précédemment définis, dans un appareil électrique moyenne ou haute tension dont les composants 10 électriques peuvent en outre être recouverts d'une couche isolante solide d'épaisseur variable telle que précédemment définie, comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques. Le mélange gazeux peut comprendre en outre un gaz de dilution tel 15 que précédemment défini. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit donné à titre illustratif et non limitatif et 20 qui fait référence aux figures annexées. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les Figures 1 présentent les courbes théoriques de la tenue diélectrique en fonction du taux 25 de C3F7CN dans le mélange gazeux (SF6 + C3F7CN) et la valeur mesurée sur un GIS 245 kV d'Alstom de référence commerciale B105-4 et ce, pour un taux de C3F7CN dans le mélange gazeux (SF6 + C3F7CN) allant de 0% à 100% (Figure 1A) ou de 0% à 20% (Figure 1B).

La Figure 2 présente la courbe d'évolution du pouvoir de réchauffement global en fonction du taux de C3F7CN dans le mélange gazeux (SF6 + C3F7CN). La Figure 3 présente la courbe d'évolution 5 de la constante de convection (constante de Vermeers) en fonction du taux de C3F7CN dans le mélange gazeux (SF6 + C3F7CN). La Figure 4 présente les essais diélectriques réalisés sur un GIS 245 kV d'Alstom de 10 référence commerciale B105-4 avec du SF6 pur et un mélange SF6/C3F7CN. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention est basée sur l'utilisation 15 d'un mélange comprenant du SF6 et un composé gazeux fluoré différent du SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones et leurs mélanges. Ainsi, l'heptafluoroisobutyronitrile ou 20 2,3,3,3-tétrafluoro-2-trifluorométhyl propanenitrile ci-après désigné C3F7CN, de numéro CAS : 42532-60-5, de formule CF3-C(CN)(F)-CF3 et de formule chimique développée suivante : 25 CIF3 CF3 F,e\I est utilisé pour les exemples comparatifs 30 suivants dans le mélange gazeux comprenant également du SF6. Le point d'ébullition du C3F7CN, mesuré, à pression atmosphérique (i.e. à 1013 hPa), selon ASTM D1120-94 "Standard Test Method for Boiling Point of Engine Coolants", est de -4,7°C. Dans une forme de mise en oeuvre toute particulière, l'invention est basée sur l'utilisation de C3F7CN dans un mélange gazeux en substitution d'une partie du SF6, à une pression partielle proche de sa pression de vapeur saturante à la température minimale de l'application.

Tenue diélectrique L'heptafluoroisobutyronitrile présente par rapport aux gaz couramment usités dans l'appareillage électrique une tenue diélectrique relative (normalisée par rapport à la tenue diélectrique de l'azote) améliorée (Tableau I) : N2 CO2 02 SF6 C3F7CN 1,0 0,88 1,0 2,5 5,5 Tableau I Ainsi ce gaz présente, dans les mêmes conditions d'utilisation (même pression et même 20 configuration d'électrode), une tenue diélectrique 2,2 fois supérieure à celle du SF6 (Tableau II) : SF6 N2 CO2 02 C3F7CN 1,0 0,4 0,35 0,4 2,2 Tableau II Ceci permet en utilisation en substitution 25 d'une partie du SF6 d'augmenter la tenue diélectrique du mélange résultant. Cette tenue diélectrique a été vérifiée sur un appareil haute tension de type GIS 145 kV de référence commerciale B65 d'Alstom conçu pour une application à -30°C. Constante de convection Dans le cadre des applications envisagées, le transfert de chaleur se fait de façon majoritaire par convection libre, le terme de diffusion dans le gaz étant faible par rapport au terme de convection dans le calcul global des échanges thermiques. Les constantes de convection libre des gaz et mélanges de gaz sont calculées selon les formules de Veermers établies pour le cas d'un câble à isolation gazeuse (source : Vermeers, J. « A simple formula for the calculation of the convective heat transfer between conductor and sheath in compressed Gas Insulated Cables », Electra n°87). La constante de convection de Vermeers est une fonction de la densité (p en kg/m3), de la conductivité thermique (À en W/(m.°K)), de la chaleur spécifique (Cp en J/(kg.°K)) et de la viscosité dynamique (n en Pa.$) du gaz. Les constantes de Vermeers des gaz ont été 25 calculées pour l'oxygène, l'azote, le dioxyde de carbone et l'hexafluorure de soufre (Tableau III) : Gaz Densité Conductivité thermique Capacité calorifique Viscosité dynamique C Vermeers kg/m3 W/(m.°K) J/(kg.°K) Pa.s N2 1,15 2,56E-02 1,04E+03 1,74E-05 6,3 02 1,33 2,50E-02 909 1,91E-05 6,3 CO2 1,88 1,64E-02 846 2,50E-05 5,4 SF6 6,66 1,29E-02 666 1,55E-05 11,5 Tableau III : Constante de convection des gaz seuls. Dans le cas des mélanges de deux gaz, un coefficient de convection moyen peut être déterminé par rapport aux pressions partielles de chaque gaz dans le mélange ou, de façon équivalente, par rapport au pourcentage volumique de chaque gaz dans le mélange. Par exemple dans le cas d'un mélange SF6/N2 à 20/80, la formule suivante s'applique : c'O 635 Cette formule peut se simplifier sous la forme : Cm = C1 (xi) 0.75 C2(1-xl) 0.75 dans laquelle C1 et C2 sont les coefficients de Vermeers des gaz 1 et 2 et xl le pourcentage volumique du gaz 1.

Dans le cas d'un mélange à 80% vol. de N2 et à 20% vol. de SF6, la constante de convection du mélange est de 8,8.

Mélange N2/SF6 20% SF6 N2 Cm Pourcentage Vol 20,00% 80,00% 8,8 Densité 6,66 1,15 Conductivité thermique 1,29E-02 2,56E-02 Cp 666 1040 Viscosité 1,55E-05 1,91E-05 Tableau IV : Constante de convection d'un mélange N2/SF6 à 20% vol De même, on peut appliquer cette formule au mélange N2/02 (80/20) pour déterminer la constante de convection de l'air qui est dans ce cas de 6,2. Air 02 N2 Cm Pourcentage Vol 20,00% 80,00% 6,2 Densité 1,33 1,15 Conductivité thermique 2,50E-02 2,56E-02 Cp 909 1040 Viscosité 1,74E-05 1,91E-05 Tableau V : Constante de convection de l'air Pour ce qui concerne l'heptafluoroisobutyro nitrile, les conductivités thermique ( x ) , chaleur spécifique (Cp) et viscosité dynamique (11) du gaz ne sont pas connues. La constante de Vermeers du gaz a donc été mesurée empiriquement par des essais d'échauffements réalisés sur un Fluoduc 420 kV d'ALSTOM Grid. Cet appareil est composé d'un conducteur central et d'une enveloppe métallique contenant le gaz d'isolation SF6 et est conçu pour un courant nominal de 4000 A.

Lors de cet essai, un courant est injecté dans le conducteur et les températures sont mesurées par l'intermédiaire de plusieurs sondes placées au niveau du conducteur et au niveau de l'enveloppe métallique. On relève ensuite l'évolution des températures avec le temps et après stabilisation, on détermine les températures maximales au niveau du conducteur et au niveau de l'enveloppe métallique. Dans le cas du conducteur, la température maximale se situe toujours au niveau du contact électrique (résistance de contact).

A partir de la mesure de la température, les échauffements sont calculés par soustraction de la température ambiante. Dans le cas de l'appareillage haute tension, la norme IEC 62271-1 spécifie des échauffements maximums de 60°C au niveau des contacts électriques et de 30°C au niveau de l'enveloppe métallique. Les essais d'échauffement ont été réalisés avec trois gaz différents, le SF6 pour référence, le CO2 pur et un mélange CO2/C3F7CN à 7% volumique. Pour le mélange CO2/C3F7CN à 7% volumique, la constante de Vermeers déterminée est de 7. D'après la formule des mélanges gazeux : Cm = CCO2 ( XCO2 ) ° - 75 + CC3F7CN ( 1 -)<C3F7CN ) 0.75 avec Cm=7, Cco2=5, 4 et xco2=0, 93 ; la constante de Vermeers du gaz C3F7CN est donc de 13,8. Pouvoir de réchauffement global Le pouvoir de réchauffement global (PRG) du gaz SF6 est de 22800, alors que le PRG du gaz C3F7CN est de 2400. La masse molaire du C3F7CN est de 195 g/mol.

Le PRG du mélange gazeux est calculé selon RÈGLEMENT (CE) No 842/2006 DU PARLEMENT EUROPÉEN ET DU CONSEIL du 17 mai 2006 relatif à certains gaz à effet de serre fluorés, Partie 2 « Méthode de calcul du potentiel de réchauffement planétaire (PRP) total d'une préparation ». Selon ce texte, le facteur PRG d'un mélange gazeux est une moyenne pondérée par rapport à la fraction massique de chaque substance multipliée par son facteur PRG.

Courbe de pression de vapeur saturante Les pressions de vapeur saturante du gaz C3F7CN sont données en bars absolus en fonction de la température dans le Tableau VI : PVS C3F7CN Température PVS Eq [°C] [bar abs] à 20°C -40 0,18 0,23 -35 0,23 0,29 -30 0,31 0,37 -25 0,39 0,45 -20 0,49 0,57 -15 0,61 0,69 -10 0,76 0,84 -5 0,93 1,01 0 1,13 1,21 Tableau VI : Pressions de vapeur saturante du gaz C3F7CN Flammabilité Le gaz C3F7CN pur et le SF6 pur étant 20 ininflammables, les mélanges SF6/C3F7CN sont, de fait, ininflammables.

Propriétés des mélanges gazeux Les propriétés des mélanges gazeux sont étudiées via le calcul des tenues diélectriques, du pouvoir de réchauffement global et de la constante de Vermeers pour les mélanges gazeux en fonction du taux de C3F7CN dans le mélange gazeux SF6 + C3F7CN (Tableau VII et Figures 1 à 3). Teneur en Tenue Tenue PRG C C3F7CN dans Diélectrique Diélectrique Vermeers le mélange relative Relative gazeux calculée mesurée 0 1 1 22800 11,3 0,01 1,01 22528 11,7 0,02 1,03 22259 11,9 0,03 1,04 21991 12,0 0,04 1,05 21725 12,2 0,05 1,06 21460 12,3 0,06 1,07 21197 12,5 0,07 1,08 1,11 20937 12,6 0,08 1,09 20677 12,7 0,09 1,11 20420 12,8 0,1 1,12 20164 12,9 0,15 1,18 18909 13,3 0,2 1,24 17693 13,7 0,3 1,36 15374 14,2 0,4 1,48 13191 14,6 0,5 1,60 11134 14,9 0,6 1,71 9192 15,1 0,7 1,84 7356 15,1 0,8 1,95 5616 15,1 0,9 2,07 3967 14,8 1 2,19 2400 13,8 Tableau VII La substitution de 10% vol de SF6 par l'heptafluoroisobutyronitrile C3F7CN permet, tout en travaillant à pression constante, d'augmenter la tenue diélectrique du mélange de 12% et la constante de convection du gaz de 14% tout en diminuant le pouvoir de réchauffement global du mélange gazeux de 11,5% par rapport à une solution 100% SF6. Exemple d'application 1 Un appareil haute tension de type GIS 145 kV de référence commerciale B65 d'Alstom conçu pour une application à -25°C est donné et rempli avec un mélange gazeux de SF6 + C3F7CN et une pression de remplissage de 6,3 bars relatifs soit 7,3 bars absolus (i.e. 7300 hPa). La pression de vapeur saturante du C3F7CN à -25°C est de 0,45 bar absolus ramenée à température ambiante (i.e. à 20°C). Le ratio de C3F7CN dans le mélange est donc de 6% vol (0,45/7,3).

Afin de déterminer la composition du mélange gazeux au remplissage, on détermine le pourcentage molaire M en C3F7CN à la pression de remplissage de l'appareil électrique préconisée, qui représente la proportion maximale de C3F7CN que doit comporter le mélange SF6 + C3F7CN pour qu'il n'y ait pas de liquide dans l'enceinte de l'appareil électrique. Le pourcentage molaire M est donné par la formule M = ( PC3F7CN/Pmélange ) X 100, avec PC3F7CN qui représente la pression équivalente, à la température de remplissage (typiquement de l'ordre de 20°C), à la pression de vapeur saturante PVS du C3F7CN à la température minimale d'utilisation Trnin de l'appareil et répondant à la formule PC3F7CN = (PVSC3F7CN x 293) /Train - Ensuite, on choisit le pourcentage molaire MC3F7CN de remplissage en fonction de M. Dans certains cas, il est impératif que MC3F7CN ne dépasse pas M pour éviter toute présence de liquide. Par contre, il est parfois possible, par exemple en moyenne tension, d'avoir un peu de liquide à basses ou très basses températures, auquel cas MC3F7CN peut atteindre 110% voire 130% de M. Par ailleurs, comme le C3F7CN possède une meilleure tenue diélectrique que le SF6, il est souhaitable d'optimiser le remplissage par le C3F7CN : on choisit donc, de préférence, MC3F7CN de sorte qu'il soit supérieur ou égal à 95% de M, mieux encore supérieur ou égal à 98% de M, par exemple égal à 99% de M. Dans le calcul ci-dessus, MC3F7CN est égal à M et le rapport molaire est équivalent au rapport volumique (gaz réels comparables aux gaz parfaits). Le remplissage de l'appareil est effectué à 20 l'aide d'un mélangeur de gaz permettant de contrôler le rapport entre le C3F7CN et le SF6, ce rapport étant maintenu constant et égal à 6% vol en pression tout au long du remplissage grâce à l'utilisation de débitmètre massique de précision.

25 La tenue diélectrique de l'appareil est augmentée d'environ 7% et la constante de convection de 10% tout en diminuant le pouvoir de réchauffement global du mélange gazeux de 7% par rapport au même appareil avec 100% de SF6.

30 Exemple d'application 2 Un appareil haute tension de type GIS 145 kV de référence commerciale B65 d'Alstom conçu pour une application à -5°C est donné et rempli avec un mélange gazeux de SF6 + C3F7CN et une pression de remplissage de 6,3 bars relatifs soit 7,3 bars absolus (i.e. 7300 hPa). La pression de vapeur saturante de C3F7CN à -5°C est de 1,01 bar absolus ramenée à température 10 ambiante (i.e. à 20°C). Le ratio de C3F7CN dans le mélange est donc de 14% vol (1,01/7,3). La tenue diélectrique de l'appareil est augmentée de 17% et la constante de convection de 17% tout en diminuant le pouvoir de réchauffement global du 15 mélange gazeux de 17% par rapport au même appareil avec 100% de SF6. Des deux exemples d'application précédents, il est clair que le mélange SF6/C3F7CN présente un 20 comportement de synergie, c'est-à-dire que l'augmentation de la tenue diélectrique du mélange est supérieure à loi de proportionnalité en fonction des ratios molaires de chaque gaz. En d'autres termes, l'ajout de C3F7CN au SF6 dope la tenue diélectrique du 25 mélange par rapport à une simple loi d'addition des tenues de chaque composant. Essais diélectriques Des essais diélectriques ont été réalisés 30 sur un GIS 245 kV d'Alstom de référence commerciale B105-4. L'appareil est conçu pour une température minimale de -30°C et une pression de 3,7 bar relatif de SF6. Dans ce cas, l'appareil a une tenue U50 en choc de foudre de 1150 kVc, avec un écart type de 50 kV. Le même appareil rempli avec un mélange SF6/C3F7CN de pression totale 3,7 bar relatif conçu pour une température minimale de -30°C, soit un taux de C3F7CN de 6,9% vol voit sa tenue U50 en choc de foudre augmentée à 1350 kVc tout en gardant le même écart type de 50 kV, ce qui correspond à une amélioration de la tenue diélectrique de 11% (Figure 4). RÉFÉRENCES [1] Demande internationale WO 2012/038443 publiée le 29 mars 2012. [2] Demande de brevet US 2013/221292 publiée le 29 août 2013.20

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Appareil électrique moyenne ou haute tension comprenant une enceinte étanche dans laquelle 5 se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant du SF6 et un composé fluoré ayant une tenue 10 diélectrique supérieure au SF6 et choisi dans le groupe constitué par les fluoro-nitriles, les oxiranes polyfluorés, les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone et leurs mélanges. 15
2. 2. Appareil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits fluoronitriles répondent à la formule générale (I) : CriF2,,,i_CN (I) dans laquelle n représente un nombre entier et 20 typiquement un nombre entier inférieur à 10.
3. 3. Appareil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits oxiranes polyfluorés répondent à la formule générale (II) : R R4 25 R2 R3 (II) dans laquelle RI, R2, R3 et R4, identiques ou différents, représentent un atome de fluor ou un groupe perfluoroalkyle.
4. 4. Appareil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone répondent à l'une des formules générales (IV) 5 ou (V) : CnF2n+2 ( IV) CnF2n+2 (V) dans lesquelles n est compris entre 2 et 10. 10
5. 5. Appareil électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit composé fluoré est l'heptafluoroisobutyronitrile.
6. 6. Appareil électrique selon l'une 15 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux comprenant du SF6 et ledit composé fluoré comprend en outre au moins un gaz de dilution. 20
7. 7. Appareil électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit gaz de dilution est de l'azote.
8. 8. Appareil électrique selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit composé fluoré est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire (Mcf) qui est au moins égal à 80% du pourcentage molaire M, déterminé par la formule (II) : 30 M = Pcf /Pmélange 100 (II)dans laquelle P - mélange représente la pression totale du mélange à 20°C dans l'appareil électrique et Pcf représente la pression partielle, exprimée dans la même unité, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente ledit composé fluoré à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique.
9. 9. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit composé fluoré est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire (Med qui est compris entre 95% et 130%, mieux encore entre 97% et 120%, idéalement entre 99% et 110% du pourcentage molaire M tel que défini à la revendication 8, ledit appareil électrique étant un appareil moyenne tension ou haute tension pour lequel la présence partielle du mélange à l'état liquide n'est pas de nature à réduire l'isolation.
10. 10. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit composé fluoré est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire (Mcf) qui est compris entre 95% et 100% et, en particulier, entre 98% et 100% du pourcentage molaire M tel que défini à la revendication 8, ledit appareil électrique étant un appareil moyenne tension ou haute tension dans lequel l'isolation peut être affectée par la présence de phase liquide.
11. 11. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans ladite enceinte étanche, se trouvent des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable.
12. 12. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit appareil est un transformateur électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse, aérienne ou souterraine, ou un jeu de barres pour le transport ou la distribution de l'électricité, un élément de raccordement aux autres équipements du réseau, ou un appareil électrique de connexion/déconnexion.
13. 13. Utilisation d'un mélange gazeux comprenant de l'hexafluorure de soufre et un composé fluoré choisi dans le groupe constitué par les fluoro- nitriles, les oxiranes polyfluorés et les perfluorocarbones comprenant au moins deux atomes de carbone tels que précédemment à l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans un appareil électrique moyenne ou haute tension dont les composants électriques sont éventuellement recouverts d'une couche isolante solide d'épaisseur variable, comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques.