NO133949B - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører anvendelse av visse ester/hydrokarbon- ellér/ester/eterblandinger som dielektrJ.sk fluidum.

Dielektriske fluider anvendes i kondensatorer, transfor-matorer, koaksialkabler og andre typer elektriske apparater for å utestenge gasser fra apparatets isolerende del og derved frembringe isolasjon som tåler høyere spenning.

Et godt dielektrisk fluidum bør ha høy elektrisk fasthet

og være billig samt fortrinnsvis ha brannmotstandsevne. Det bør være lettvint å rense for å oppnå lav ledningsevne eller lav tapsfaktor. Dersom det anvendes i kondensatorer, bør det ha relativt høy dielektrisitetskonstant og bør kunne impregnere kondensatorens dielektriske sperresjikt. Det bør ha gode koronaegenskaper, særlig dersom det anvendes i kondensatorer. Gode koronaegenskaper omfatter (ved delvis utladning) høye korona start- og slukkespenninger i et forsøk hvor spenningen økes til -korona setter inn og deretter reduseres. Videre bør sterk "korona (som kan opptre sporadisk i drift) ikke frembringe per-manent ødeleggelse, såsom vedvarende blærer, noe som ville redusere korona slukke- og nystartspenningene betydelig. Det dielektriske fluidum bør bibeholde dets. gode elektriske egenskaper

..<.>i

ved høye "temperaturer i der._dielektriske og metalliske komponenter

i utstyret. Det bør ikke væire for flyktig, idet flyktige væsker er vanskelig å håndtere og fordamper hurtig ved bruk. Dersom et

dielektrisk fluidum går over i fast form', brister, det og taper /dielektrisk styrke. Derfor bør et godt dielektrisk fluidum ha -lav størkne--eller br i ste temperatur, slik at det kan anvendes ved lav temperatur. ,.;

Forntiden er klorerte'difenylforbindelser, såsom triklor-difenyl (heretter benevnt "TCDP")-, mye brukt kommersielt som dielektriske fluider idet de gir et meget godt kompromiss jved- rørende mange ønskelige egenskaper. Men dielektriske fluider anvendes i store mengder, og det er alltid fare for tilfeldig tap eller lekkasje av fluidet. Mange av de klorerte forbindelser er ikke hurtig biologisk nedbrytbare, men holder seg i lange perioder og akkumuleres i næringskjeden. Til tross for deresønskelige egenskaper er det derfor mulig at klorerte difenyler snart kan bli helt forbudt for bruk som dielektriske fluider, eller slike forholdsregler kan bli involvert at bruken av dem vil bli meget kostbar. Idet hensynet til omgivelsene i de senere år er blitt et meget viktig forhold ved valg av dielektriske fluider, er det meget vanskelig å finne tilfredsstillende erstatninger for disse halogenerte dielektriske fluider.

Den blanding som ifølge oppfinnelsen anvendes som dielektrisk fluidum inneholder fra 20 til 95 vektsprosent av en ikke-halogenert organisk ester eller esterblanding som er væskeformig mellom -20 og 150°C og har en tapsfaktor på mindre enn 10% ved 100°C, og fra 5 til 80 vektsprosent av et ikke-halogenert aromatisk hydrokarbon eller en ikke-halogenert aromatisk eter som er løselig i esteren eller esterblandingen og har 2 eventuelt kondenserte benzenringer og kokepunkt på over 140°C samt en tapsfaktor på mindre enn 10% ved 100°C, fortrinnsvis også en i blanding løselig antioksydant i en mengde av 0,05

til 5,0 vektsprosent beregnet på blandingen av ester og hydrokarbon eller ester og eter, og/eller en i blandingen løselig hydrogenakseptor i en mengde av 0,3 til 3,0 vektsprosent beregnet av blandingen av ester og hydrokarbon eller ester og eter.

En blanding av de ovenfor angitte estre og hydrokarboner eller etre er et meget godt dielektrisk fluidum, og, viktigst, den er biologisk nedbrytbar og utgjør ikke en potensiell fare for omgivelsene. I elektriske egenskaper, såsom elektrisk fasthet, taps- (eller kraft-) faktor, dielektrisitetskonstant samt koronaegenskaper, er den sammenliknbar med TCDP. Den kan lettvint renses for å oppnå en lav tapsfaktor. Dens koronaprodukter vedblir ikke som blærer. De foretrukne dielektriske fluider er TCDP overlegen i å bevare kondensatoren, noe som indikerer termisk stabilitet og inerthet overfor kondensatorkomponentene. Endelig er de dielektriske fluider som anvendes ifølge den foreliggende oppfinnelse billigere enn TCDP og kan anvendes sammen med de samme dielektriske materialer som anvendes i kondensatorer som inneholder TCDP.

For at oppfinnelsen skal forstås bedre vil utførelsesformer av denne nå bli beskrevet ved hjelp av eksempler og under hen-visning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et isometrisk riss med et forstørret parti som viser konstruksjonen av en film-papir-film-kondensatorvikling. Fig. 2 viser et isometrisk riss med et parti delvis bort-skåret, hvilket viser viklingen ifølge fig. 1 anbrakt i en beholder til dannelse av en komplett kondensator.

Ifølge fig. 1 er to lag metallfolie 1 og 2 viklet med lag 3 av papir og lag 4 av plastfilm. Plastfilmen er fortrinnsvis polypropylen, idet denne gjør det mulig for kondensatoren å arbeide ved en høy KVAR (reaktiv kilovolt-ampere) pr. volum-enhet på grunn av dens høye elektriske styrke og lave tapsfaktor. Den nedbrytes heller ikke av de dielektriske fluider som anvendes ifølge-den foreliggende oppfinnelse selv under ekstreme driftsbetingelser. Andre plastfilmer, såsom HD-poly-etylen, vil også kunne anvendes. Ledninger 5 og 6 er koplet til foliene 1 og 2. En kondensatorvikling 7 er anbrakt i en beholder 8 og er impregnert med et dielektrisk fluidum 9 (se fig. 2). Ledningene 5 og 6 er koplet til koplingspunkter 10 -og 11.

De dielektriske fluider med de beste egenskaper inneholder en blanding med fra 75 til 90 vektsprosent av den organiske ester og fra 10 til 25 vektsprosent av det aromatiske hydrokarbon eller den aromatiske eter.

Den organiske ester inneholder fortrinnsvis en benzenring idet aromater har bedre koronamotstand og har bedre varmesta-bilitet. Enten esterens syredel eller dens basedel kan-være aromatisk. Ftalsyreestre synes å ha bedre egenskaper enn andre estre, -og særlig diisononylftalat (heretter benevnt "DINP") har utmerkete egenskaper. Andre egnete estre omfatter dibutyladipat, dietyladipat, diisodecyladipat, etylbenzoåt, n-butylbenzoat, isopropylbenzoat, isobutylbenzoat, n-propylbenzoat, etylkapronat, etylkaprylat, metylkaprylat, dietylmalonat, dimetylmalonat, di-etyloksalat, dibutylftalat, dietylftalat, dimetylftalat, dioktyl-ftalat, dietylsuccinat, butylvalerat etc. Blandinger av egnete estre kan utarbeides for å tilfredsstille temperaturkravene og kan også anvendes når de enkelte estre ikke tilfredsstiller temperaturkravene.

Det aromatiske hydrokarbon eller den aromatiske eter er

en forbindelse som er løselig i esteren, har en eller to benzenringer som kan være kondensert, har en tapsfaktor på mindre enn 10% ved 100°C. De bør ha lavt damptrykk, idet forbindelser med lavt kokepunkt er vanskelig å håndtere og kan fordampe i kondensatoren, og dets kokepunkt er over 14 0°C. Det anvendes to-ringsforbindelser idet disse har kokepunkt på over 140°C. Di-fenyloksyd (heretter benevnt DPO) foretrekkes idet dette har utmerkete elektriske egenskaper og ikke mykner polypropylenfilmen eller reagerer med denne i kondensatoren. Andre egnete aromatiske hydrokarboner eller etre omfatter acenaften, dibenzfuran, difenyl, difenylmetan, fluoren, naftalen, fenetol, etc. Blandinger av aromatiske hydrokarboner og/eller etre tas også i betraktning.

Fortrinnsvis omfatter de dielektriske fluider også fra 0,05 til 5 vektsprosent (av esteren pluss hydrokarbonet eller eteren) av en antioksydant. Antioksydanten er en friradikalin-hibitor som er løselig i løsningen av esteren og hydrokarbonet eller eteren. Den hjelper til å holde tapsfaktoren lav i lang tid både for selve væsken og i kondensatoren. Den foretrukne mengde antioksydant er fra 0,1 til 3%, og en foretrukket antioksydant er di-tert-butyl-parakresol (heretter benevnt DTBPC)

som er funnet å virke meget godt. Andre egnete antioksydanter omfatter fenoler med formelen

hvor R-gruppene typisk er hydrogen eller alkyl. Andre kjente antioksydanter som ikke øker det dielektriske fluidums tapsfaktor kan også anvendes. Blandinger av antioksydanter kan også tas i betraktning.

Det dielektriske fluidum omfatter fortrinnsvis også fra 0,3 til 3% (av esteren pluss hydrokarbonet eller eteren) av et koronabestandig tilsetningsmiddel for å øke det dielektriske fluidums bestandighet mot koronavirkning, ved å redusere tiden som kreves for å ta seg opp igjen fra en overspenning som for-årsaker korona. Dette tilsetningsmiddel er en forbindelse som reagerer med og opptar hydrogen under utladningsbetingelser og som er løselig i løsningen av esteren og den aromatiske eter eller hydrokarbon. Det antas å virke ved å oppta hydrogen som dannes ved korona og minsker derved dannelse av blærer. Et foretrukket tilsetningsmiddel er g-metylantrakinon, idet dette er enkelt å håndtere og er stabilt. Andre egnete tilsetningsmidler omfatter azobenzen, antrakinon og andre stoffer som kan oppta hydrogen. Blandinger av.tilsetningsmidler kan også anvendes.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av de etter-følgende eksempler.

Eksempel 1

En blanding civ 80% DINP - 20% DPO ble fremstilt, og atskillige av dens egenskaper ble sammenliknet med egenskapene hos TCDP og mineralolje:

De ovenfor viste data viser at DINP-DPO-blandingen har tilfredsstillende egenskaper for kondensatorfremstilling (dvs. lav nok viskositet og lavt nok damptrykk og høyt nok flammepunkt) og kondensatorytelse, noe som vil bli vist mer fullstendig i de etterfølgende eksempler. Idet flammepunktet er det samme som for mineralolje., bør det tas tilsvarende forholdsregler for denne

blanding som de som er utviklet og akseptert for mineralolje.

Eksempel 2

Det ble fremstilt små forsøkskondensatorer som hver inneholdt en vikling av en flatet rull av ark av 6 mikron aluminiumfolie, 12,5 mikron polypropylen, 13 mikron papir med tetthet 0,7, 12,5 mikron polypropylen, 6 mikron aluminiumfolie, 12,5 mikron polypropylen, 13 mikron papir samt 12,5 mikron polypropylen. Disse viklinger var omtrent 76,2 mm høye og 50,8 mm brede og

9,5 mm tykke og hadde kapitans på omtrent 0,3 u F. Noen kondensatorer ble impregnert med DINP og noen med 80% DINP - 20% DPO. Behandlingen ble foretatt ifølge fremgangsmåter som er kjent og anvendt av fagfolk på området. Impregneringen ble foretatt ved å tilsette det dielektriske fluidum under vakuum,øking av trykket til atmosfæretrykk og deretter utførelse av en vakuum-trykksyklus atskillige ganger. Enheten som var impregnert med 80% DINP - 20% DPO behøvde færre slike sykluser for å bli impregnert enn de som var impregnert med DINP.

Eksempel 3

Kondensatorer ble fremstilt som ifølge eksempel 2, med 80% DINP - 20% DPO og med TCDP. Den etterfølgende tabell gir resul-tatene av dielektrisitetsforsøk for kondensatorene og omfatter ekstrapolerte data for mineraloljeimpregnerte kondensatorer.

Tabellen ovenfor viser at kondensatorer som er impregnert med DINP - DPO har dielektrisitetskonstanter og effektfaktorer som er sammenliknbare med kondensatorer impregnert med TCDP. Den viser også at mineralolje er et relativt dårlig impregneringsmiddel for slike kondensatorer idet denne gir lav korona-slukkespenning, noe som ville gi kondensatorene lav slukkespen-ning, samt lav gjennomsnittlig dielektrisitetskonstant.

Eksempel 4

Under anvendelse av kondensatorer som var fremstilte som ifølge eksempel 2, med forskjellige dielektriske fluider, ble koronaegenskapene målt. Den etterfølgende tabell angir resul-tatene.

Forsøket ovenfor betraktes for å være ytterst hardt når det gjelder de seks sekunder med kontinuerlig overspenning. Disse overspenninger på 5300 og 4300 volt er de høyeste som ventes ved kraftkondensatordrift, i henholdsvis serie- og shunt-kopling, for dielektrika med denne sammensetning, og de ville opptre i bare en brøkdel av en syklus (<L1/60 sekund) ved et-hvert tidspunkt. Dette forsøk viser, med stor sikkerhetsmargin, om et gitt dielektrikum vil ta seg opp fra virkningene av slike overspenninger. Tabellen viser at tilsetningen av DPO til DINP øker koronabestandigheten vesentlig. Antioksydanten DTBPC

hadde ikke videre innvirkning på denne, men en hydrogenopp-taker, såsom B-metylantrakinon eller azobenzen bedret den ytterligere.

Eksempel 5

Idet det ble anvendt kondensatorer som beskrevet i eksempel 2 impregnert med forskjellige dielektriske fluider, ble kondensatorenes levetid bestemt ved aldring ved 125°C med 1600 volt påtrykt spenning. Sluttpunktet for levetiden for kondensatoren ble betraktet å være nådd når tapsfaktoren øket til et nivå hvor ukontrollert termisk-forandring kan opptre i en stor kraftkondensator. Den etterfølgende tabell angir resul-tatene, hvor "relativ levetid" er forholdet mellom kondensatorens levetid og levetid for kondensatoren impregnert med

TCDP:

De ovenfor angitte data indikerer at blandingene som anvendes ifølge den foreliggende oppfinnelse er særlig gode impregneringsmidler for film-papir-kondensatorer og hel-papir-kondensatorer, og at kondensatorer som er impregnert med slike blandinger inneholdende antioksydanter har langt lengre levetid enn kondensatorer som er impregnert med TCDP. Dataene indikerer at en driftslevetid på minst omtrent 40 år kan ventes for 150 KVAR kraftkondensatorer (med en forvarmertemperatur på 85°C i 10% av tiden) dersom det dielektriske fluidum er 80% DINP-20% DPO med 0,26% DTBPC.

Eksempel 6

Det ble fremstilt kondensatorer med 0,8 u F med to lag 12 mikron papir med tetthet 0,9 mellom aluminiumfo.lie. Kondensatorene ble impregnert med 80%DINP- 20% DPO.Effektfaktoren ble bestemt til 0,26% ved 85°C og 0,38% ved 125°C med 440 volt påtrykt, Koronabegynnelsesspenningene var over 800 volt. Disse kondensatorer kunne anvendes for belysningsballast, motorstart-ing, koromutatorer samt lavspennings-effektfaktorkorreksjoner.

Eksempel 7

Det ble fremstilt enliters volumer av 80% DINP - 20% DPO og 8u% DINP - 20% DPO som inneholdt 0,15% DTBPC antioksydant. Begge væsker ble eksponert for omgivende luft ved 100°C. Etter fire døgn hadde tapsfaktoren for væsken som ikke inneholdt antioksydanten øket til mer enn 10%. Etter to uker hadde tapsfaktoren for væsken som inneholdt antioksydanten øket mindre enn 1%.

Eksempel 8

Det ble fremstilt forsøkskondensatorseksjoner ifølge eksempel 5, hvor det ble anvendt 0,15% DTBPC, noen med fortinnete kobberledninger og andre med aluminiumledninger, og anbrakt i stålbeholdere som vist i fig. 2. Kondensatorene ble drevet ved 115°C ved 1600 volt. Begge grupper hadde samme driftsstabilitet uten skadelige effekter som følge av nærvær av kobber. Kobber katalyserer nedbrytingen av de organiske forbindelser med en høy prosentandel hydrogen, såsom dette impregneringsmiddel, men antioksydanten antas å ha inhibert denne effekt.

Claims (2)

1. Anvendelse av en blanding av fra 20 til 95 vektsprosent av en ikke-halogenert organisk ester eller esterblanding som er væskeformig mellom -20 og +150°C og har en tapsfaktor på mindre enn 10% ved 100°C, og fra 5 til 80 vektsprosent av minst et ikke-halogenert aromatisk hydrokarbon eller en ikke-halogenert aromatisk eter som er løselig i esteren eller esterblandingen og har 2 eventuelt kondenserte benzenringer og kokepunkt på over 140°C samt en tapsfaktor på mindre enn 10% ved 100°C, fortrinnsvis også en i blandingen løselig antioksydant i en mengde av 0,05 til 5 vektsprosent beregnet på blandingen av ester og hydrokarbon eller ester og eter, og/eller en i blandingen løse-lig hydrogenakseptor i en mengde av 0,3 til 3,0 vektsprosent beregnet av blandingen av ester og hydrokarbon eller ester og eter - som dielektrisk fluidum.

2. Anvendelse i samsvar med krav 1 av en blanding hvor esteren forekommer i en mengde av- fra 7 5 til 90 vektsprosent og det aro matiske hydrokarbon eller den aromatiske eter forekommer i en mengde på fra 10 til 25 vektsprosent.