NO150256B - Anvendelse av isopropylbifenyl som dielektrisk fluidum for elektriske apparater - Google Patents

Abstract

Anvendelse av isopropylbifenyl som dielektrisk fluidum for elektriske apparater.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører anvendelse av isopropylbifenyl som dielektrisk fluidum for elektriske apparater.

Bruken av klorerte bifenyler som.dielektriske fluider,

selv i forseglet elektrisk utstyr, er blitt meget begrenset på grunn av at de angivelig er miljøforurensningskilder som for-verres på grunn av deres lave biologiske nedbrytbarhet. Anstren-gelser de siste få år med å utvikle dielektriske fluider som ville kunne erstatte triklorbifeny1 som impregneringsmiddel i polypropylen-film-papir kondensatorer og kondensatorer med ute-lukkende papir og for anvendelse med 100% film har for det meste vært rettet mot stoffer med aromatiske grupper. Sterkt aromatiske fluider har vært betraktet som alternativer til å muliggjøre vedvarende drift av kondensatorene ved høye spenninger på grunn av at de har gode koronaegenskaper, og driftsspenningene for en kraftkondensator avhenger av dens motstand mot koronagenere-rende overspenninger. Eksempler på potensielt gode kraftkondensa-torfluider er løsninger av en ftalatester, diisononylftalat,

og en aromat, løsninger av et aromatisk hydrokarbon og et aromatisk sulfon, samt isopropylnaftalen, som anvendes i Japan.

Disse fluider er biologisk nedbrytbare, men de har ikke

god motstand mot forbrenning, den "ikke-brennbarhet", som poly-bifenyler har. Men deres flammepunkter og antennelsestemperaturer er like høye som for mineralolje som anvendes mye som elektrisk isolerende fluidum. De ville ikke bli ansett for å være alvor-

lige brannrisikoer i de fleste kraftkondensatorer, som vanlig-

vis er anordnet utendørs, og på grunn av det lille volum fluidum pr. enhet, mindre enn ca. 11,4 1, anses brannsikkerhetsgrensen for slike fluider (National Electric Code) oppfylt.

Med film-papir- eller 100% film-kondensatorer må det legges vekt på å oppnå høye KVAR-ytelser ved høye driftspåkjenninger, idet systemets dielektrisitetskonstant ikke kan forandres mye ved hjelp av impregneringsmidlets dielektrisitetskonstant.KVAR-ytelsen er proporsjonal med produktet av kvadratet av drifts-spenningen og første potens av kapasitansen. I film-papir-dielektrikummet påvirkes kapasitansen bare lite av impregneringsmidlets dielektrisitetskonstant, idet den domineres av'filmen, hvis dielektrisitetskonstant ikke forandres mye av impregneringsmidlet på grunn av at bare et lite kvantum fluidum absorberes av den. Den gjennomsnittlige dielektrisitetskonstant for et

I

75% film og 25% papir dielektrikum senkes bare med ca.;10% ved forandring av impregneringsmidlet fra ett med en relativ dielektrisitetskonstant på 4,9, triklorbifenyl, til ett med 2,2-2,6,

et hydrokarbon. For et impregneringsmiddel som tillater en beskjeden økning av driftsspenningspåkjenningen øker på den annen side KVAR-ytelsen med omtrent det dobbelte av spennings-påkjenningsøkningen.

Nivået for merkespenningspåkjenningen er basert på for-ventningen om at en kraftkondensator periodisk vil bli i utsatt for høye overspenninger på grunn av strømbrytning og visse transienter i kraftledningene, som er av størrelsesorden opptil tre ganger merkespenningen. Den må på to måter motstå virkningen av slike overspenninger som genererer koronautladninger i fluidet. En begrensning er at korona ikke kan fortsette, at den slukker, etter at merkespenningen er gjenopprettet. For det annet bør koronaen ved slike overspenninger ikke skade dielektrikummet og lede til tidlig svikt, før de fra 20 til 30 års nødvendige driftstid for kondensatoren. Slike virkninger i en kondensator kan måles ved hjelp av dens koronautladningsbegynnelses- og slukkespenninger, som bestemmes av impregneringsmidlets egenskaper, hvor koronaen opptrer,samt et fornuftig valg av konden-satordielektrikum-avstandsstykkearrangementer og folieélektrode-geometri.

Det er ikke blitt klart bevist hvorfor aromatiske fluider har forholdsvis gode koronaegenskaper, særlig sammenliknet med alifatiske forbindelser. Deres gode koronaegenskaper viser seg som høye kondensatorkorona-utladningsbegynnelses- og -slukkespenninger, og forholdsvis lav forgassingstendens for fluidet under høy spenning, i prøver som den modifiserte Pirelli-for-gassingsprøve (ASTM D2300). Liknende egenskaper økes méd til-setningsmidler, såsom antrakinoner og epoksyder. Når det gjelder

I

motstand mot virkningene av korona, høy slukkespenning og lav forgassing, antas det at de aromatiske molekyler eller tilset-ningsmidlene, såsom nevnt ovenfor, reagerer med produktene fra koronautladningen, og hindrer oppbygging av gassblærer av hyd-rogen og hydrokarboner på opphavsstedet for koronaen, slik at korona ikke kan fortsette der. (En liknende antagelse er blitt gjort om de høye koronautladningsslukkespenninger med klorbi-fenyler, at deres koronaprodukter, såsom hydrogenklorid, er løselige eller reaktive). Denne generelle forklaring er ikke tilstrekkelig til å presentere en systematisk rangering av bestandighet mot korona og til å anvendes som en basis for valg av koronabestandige fluider. Når det gjelder størrelsen på korona-begynnelsesspenningen er de molekylfatorer som påvirker denne også nokså uklare.

Anvendelse av isopropylbifenyl i dielektrisk fluidum er kjent, bl.a. fra US-patentskrift 3.948.788.

Den foreliggende oppfinnelse utgjøres av en anvendelse som angitt i kravene .

Det har vist seg at dersom metaisomeren av isopropylbifenyl utgjør minst 55% av et isopropylbifenyl dielektrisk fluidum,

vil fluidet ikke danne krystallinsk fast stoff ved lave temperaturer, men istedenfor danne en amorf, glassaktig fase. Dette vil gjøre kondensatorer med dette impregneringsmiddel egnet for driftstemperaturer under -40°C. Med lavere konsentrasjoner av metaisomeren vil den laveste, tilfredsstillende driftstempera-tur være høyere. Til forskjell fra et krystallinsk fast stoff utvikler ikke glassfasen, som utgjør en underkjølt væske, ikke de diskontinuiteter som fører til gassdannelse og følgelig elektrisk gjennomslag. Kondensatorene har høye koronabegynnelses-

og slukkespenninger, typisk ca. 7 kV ved 25°C for 38,1 |im poly-propylenfilm pluss 12,7 um papirtykkelse, og meget lave effekt-(eller tap-) faktorer. De er termisk stabile i et stort tempera-turområde og kan drives ved lavere temperaturer enn kondensatorer som inneholder triklorbifenyl.

Det elektriske fluidum som anvendes i kondensatorene er lettilgjengelig, billig, ikke-toksisk, biologisk nedbrytbart,

har et bredt fluiditetsområde og kan lettvint renses om nødvendig. Dets brennbarhet er akseptabel, og det er forenelig med polypro-

pylen, papir og andre dielektrika.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølende under henvisning til den medfølgende tegning som viser et utsnitt av et isometrisk snitt av viklingen i en kondensator.

Tegningen viser en beholder 1 som er hermetisk forseglet

og er utstyrt med én eller flere viklinger som inneholder en rettlinjet, ledende folie 2 og en ledende folie 3 som ler smalere og har avrundete kanter. Disse folier alternerer med lag av iso-lasjon 4 som omfatter film 5, papir 6 og film 7. Et dielektrisk fluidum 8 fyller beholderen 1 og impregnerer viklingen. Elektrode-klemmer kan være anordnet ifølge vanlig praksis. Dessuten vil de dielektriske lag være tilbøyelig til å tilpasse seg til de tilgjengelige rom, slik at i praksis vil de store rom :som er vist på tegningen være vesentlig mindre.

Det dielektriske fluidum omfatter isopropylbifenyl hvorav minst ca. 55% (alle prosentandeler er etter vekt) meta-isopropylbifenyl. Fortrinnsvis inneholder bifenyldielektrikumfluidet fra ca. 55 til ca. 75% metaisomer på grunn av at det er vanskelig og kostbart å fremstille isopropylbifenyl med mer enn 75% metaisomer. Det dielektriske fluidum kan inneholde opptil [15% (regnet av den totale fluidumvekt) av diisopropylbifenyl uten vesentlig skadelig påvirkning av de dielektriske egenskaper for 'fluidet generelt, men faktisk forbedring av motstanden mot krystallisasjon ved lave temperaturer. Fortrinnsvis inneholder det dielektriske fluidum fra 3 til 6% (regnet av total fluidumvekt) av diisopropylbifenyl på grunn av at det er kostbart å fremstille et fluidum med mindre enn 3% diisopropylbifenyl, og når mengden isopropylbifenyl er høyere enn 6% viser koronaegenskapene noe forverring.

På grunn av fremstillingsmåten kan det dielektriske fluidum inneholde noe bifenyl. Bifenyl er irriterende og flyktig, og av den grunn er det ønskelig at det ikke foreligger i mer enn 5%, fortrinnsvis mindre enn 0,5%.

Det dielektriske fluidum inneholder fortrinnsvis opptil

1% antioksydant for termisk stabilitet. Den foretrukne mengde er fra 0,01 til 0,2%, og de foretrukne antioksydanter ;er di-tert-butylparakresol, di-tert-butylfenol eller blandinger av disse.

Fluidet inneholder fortrinnsvis også opptil 2%, ifortrinns-vis fra 0,1 til 0,5%, av en hydrogenakseptor for forbedret koronabestandighet. Et antrakinon såsom g-metylantrakinon eller antrakinon kan anvendes. På grunn av at det er lett til-gjengelig og mer løselig foretrekkes 6-metylantrakinon.

Antioksydanten og hydrogenakseptoren synes å vekselvirke slik at koronabestandigheten avtar, når én av dem anvendes i høye konsentrasjoner. Av den grunn foretrekkes det at ingen av dem anvendes i mer enn 1%. En sammensetning hvor begge er effek-tive inneholder ca. 0,2% di-tert-butylparakresol og ca. 0,5% 6-metylantrakinon.

Selv om det ikke nødvendigvis foretrekkes kan fluidet inneholde opptil ca. 2%, fortrinnsvis fra ca. 0,05 til ca. 1%,

av en epoksy, såsom glycidylfenyleter av bis-(3,4-epoksy-6-metylcykloheksylmetyladipat) for elektrisk stabilitet.

Kondensatorer er fortrinnsvis film- (f.eks. polypropylen)-papir eller 100% film på grunn av at, noe som vil bli beskrevet nedenfor, fluidets dielektrisitetskonstant ikke er så viktig i disse typer av kondensatorer.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende ved hjelp av forsøk.

Forsøk 1

Fluidumprøver i prøverør med diameter på 2,54 cm og lengde på 14,24 cm ble avkjølt eller behandlet cyklisk mellom to lave

temperaturer i et Tenney Jr. varmt-kaldt-kammer. Et pleksiglass-vindu muliggjorde iakttagelse av prøvene. Tabellen nedenfor angir prosentinnholdet av metaisomer, paraisomer og diisopropylbifenyl i de prøvete fluider og resultatene av kjøling av fluidene i 18 timer ved -37°C og i ytterligere 16 timer ved -47°C. Alle fluidene inneholdt meget lite av ortoisomeren, vanligvis bare ca. 0,1%.

Et hvitaktig eller opakt utseende indikerer dannelsen av et krystallinsk fast stoff. Slike fluider vil ikke være aksep-table ved denne temperatur,idet gass kan dannes i diskontinuitet-ene i det krystallinske faste stoff hvor elektriske utladninger kan opptre lettvint og føre til elektrisk gjennomslag. Et gjennom-siktig utseende indikerer dannelsen av en underkjølt væske, som er et glassaktig, amorft, ikke-krystallinsk fast stoff. Tabellen ovenfor viser at bare fluidet som inneholdt mer enn 55% metaisomer (fluidum D) dannet et glassaktig fast stoff. I fluidum G var den høye andel av diisopropylbifenyl av noen hjelp ved inhibering av krystallisasjon, men det økte også flytepunktet. Tilsynelatende opptrådte krystallisasjon lettere ved den høyere temperatur, -37°C, enn ved -47°C. Denne krystallisasjon er analog med glassets reduserte tilbøyelighet til å forglasses, som øker med temperaturen under mykningspunktet.

Forsøk 2

I et liknende forsøk ble to prøver av isopropylbifenyl,

■som inneholdt forskjellige mengder av metaisomeren (levert av Tanatex) blandet, holdt avkjølt ved -45°C i ca. 10 timer og oppvarmet til -25°C. I tabellen nedenfor er resultatene angitt. Prosentandelene av diisopropylbifenyl var fra ca. 2,5 til 3,5%.

Slik cyklisk forandring av temperaturen og slik som vist i de etterfølgende eksempler, gjenspeiler aktuell kraftkon-densatorers utsettelse for lave omgivelsestemperaturer.

Forsøk 3

I et liknende forsøk ble forskjellige prøver av isopropylbifenyl avkjølt til -60°C på 2 timer, deretter oppvarmet til -15°C i 1 time og undersøkt angående størkning. Resultatene er angitt i tabellen nedenfor.

Forsøk 4

I et liknende forsøk ble forskjellige prøver av isopropylbifenyl avkjølt til -30°C i 7 timer, deretter til -40°C i 2 timer, -30°C i 1 time, -40°C i 2 timer, -30°C i 1 time, -4 0°C i 3 timer og deretter iakttatt. Etter et ytterligere syklustidsrom ved -50°C på 2 timer og 1 time ved -3 0°C ble prøvene iakttatt igjen etter ytterligere 2 timer ved -50°C. Til slutt ble de underkastet en liknende syklus, to ganger ved -6 0°C ±3°C i 2 timer og 1 time ved -3 0°C og ble iakttatt igjen etter ytterligere 2 timer ved -60°C. Resultatene er angitt i

tabellen nedenfor.

Forsøk 5

I et liknende forsøk ble prøver av isopropylbifenyl av-kjølt til -27°C i en time, iakttatt, holdt på -27°C i ytterligere 18 timer, iakttatt, avkjølt til -60°C i 2 timer, oppvarmet til -35°C i en time, iakttatt, avkjølt til -60°C i 2 timer og iakttatt.

Resultatene er angitt i den etterfølgende tabell.

Claims (3)

1. Anvendelse av isopropylbifenyl med et innhold av minst 55 vekt% av meta-isomeren og eventuelt opptil 15 vekt% diisopropylbifenyl, regnet på totalvekten, som dielektrisk fluidum for elektriske apparater.

2. Anvendelse i samsvar med krav 1 av isopropylbifenyl med et innhold av fra 3 til 6 vekt% diisopropylbifenyl, regnet av det dielektriske fluidums totalvekt.

3. Anvendelse i samsvar med krav 1 eller 2 av isopropylbifenyl hvor fra 55 til 75 vekt % utgjøres av metaisomeren.