NO771436L - Dielektrisk fluidum. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et dielektrisk fluidum,

særlig et tungtantennelig, dielektrisk fluidum.

Inntil den seneste tid var polyklorinerte bifenyler de mest benyttete dielektriske fluider for kondensatorer og transfor-matorer. Men på grunn av deres bestandighet mot naturlig ned-brytning forblir de i omgivelsene når spill forekommer og finner vei inn i næringskjeden og eventuelt bevirker skadelige virkninger i dyr og mennesker. Av disse årsaker er fortsatt bruk av dem ikke ønskelig og kan bli gjenstand for betydelige restriksjoner i USA og andre steder. De er allerede blitt erklært ulovlig i Japan.

Som resultat har brukere av polyklorinerte bifenyler sett seg om etter erstatninger. En erstatning må selvfølgelig være økologisk akseptabel. Den bør også ha gode dielektriske egenskaper og være termisk stabil og relativt billig.

Men det vanskeligste krav til et økologisk akseptabelt dielektrisk fluidum er kanskje at det må være tungtantennelig, på grunn av at selv om halogenerte forbindelser sannsynligvis er mindre brennbare enn ikke-halogenerte forbindelser, må de heller ikke lettvint brytes ned biologisk og eventuelt komme inn i næringskjeden. Derfor er det vanskelig å finne et dielektrisk fluidum som både er økologisk akseptabelt og tungtantennelig.

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt et tungtantennelig

dielektrisk fluidum som kjennetegnes ved at det inneholder

a) 40-90 vektdeler triklorbenzen eller en blanding av fra 50 til mindre enn 100 vektsprosent triklorbenzen og opptil 50

vektsprosent tetraklorbenzen, og

b) 10-60 vektdeler av en brennbar forbindelse som er blandbar med triklorbenzen, som består av et aromatisk hydrokarbon

og/eller en aromatisk organisk ester, som er mindre flyktig enn triklorbenzen og har et kokepiinkt på minst 215°C, et smeltepunkt på under 20°C og en viskositet på mindre enn 5000 cSt ved 25°C.

Oppfinnelsen vedrører også en kondensator som omfatter lag av metallfolie som alternerer med et dielektrisk mellomlegg som er impregnert med det ovenfor angitte fluidum.

En blanding av triklorbenzen og visse aromatiske, brennbare hydrokarboner eller estre danner et dielektrisk fluidum som både er tungtantennelig og økologisk akseptabelt. Den brennbare forbindelse er biologisk nedbrytbar på grunn av sitt hydrogen-inn-hold. Triklorbenzen er mer inert, men det vil ikke være varig på grunn av.at det er flyktig og bør være tilstrekkelig biologisk nedbrytbart på grunn av at det er løselig i vann.

Det dielektriske fluidum har gode dielektriske egenskaper, er termisk stabilt og er forenelig med mange dielektriske materi-aler og er relativt rimelig.

Det dielektriske fluidum ifølge oppfinnelsen inneholder 40-90 vektdeler triklorbenzen og 10-60 vektdeler av den brennbare forbindelse. Fortrinnsvis inneholder det dielektriske fluidum 40-70 vektdeler triklorbenzen og 30-60 vektdeler av den brennbare forbindelse. Den sistnevnte sammensetning foretrekkes på grunn av at med mindre enn ca 4 0 vektdeler triklorbenzen begynner brennbarheten å øke og med mer enn ca 7 0 vektdeler triklorbenzen kan flytepunktet være for høyt.

Triklorbenzen er en vesentlig bestanddel i det dielektriske fluidum og det har ikke vært mulig å finne en tilfredsstillende erstatning for det. Men opptil ca 50 vektsprosent av triklorbenzenet kan erstattes med tetraklorbenzen, og handelsvanlig triklorbenzen inneholder vanligvis en mindre andel tetraklorbenzen. Det er litt overraskende at triklorbenzen kan anvendes i filmkondensatorer, på grunn av at i større grad enn de fleste dielektriske fluider har det tendens til å angripe filmen (polypropylen), noe som bevirker rynking og oppløsning. Men det har vist seg at filmkondensatorer hvor det dielektriske fluidum ifølge oppfinnelsen anvendes, har en kommersielt akseptabel levetid, dvs. minst 20 år.

Den brennbare forbindelse må være blandbar med triklorbenzen, ellers vil den ikke danne et homogent dielektrisk fluidum. Dessuten må den brennbare forbindelse være mindre flyktig enn triklorbenzen. Dette skyldes at det dielektriske fluidums tungtantennelighet oppnås ved fordamping av mer av triklorbenzenet enn av den brennbare forbindelse. Det tungtantennelige triklorbenzen absorberer varme ved fordampning, og dets damper under- holder ikke en flamme, som dannes av høy varme, såsom en elektrisk bue, og fortsette å brenne. Den brennbare forbindelse må være brennbar på grunn av at andre tungtantennelige forbindelser enn triklorbenzen, som ellers ville kunne være egnet, vanligvis ikke er økologisk akseptabel. Den brennbare forbindelse må også være en væske mellom 20-215°C (kokepunktet for triklorbenzen), idet ellers fluidets flytepunkt kan være for lavt eller dets damptrykk for høyt. Endelig må den være en aromat på grunn av god koronabestandighet for å muliggjøre bruk ved høy spenning.

Fortrinnsvis er den brennbare forbindelse ikke halogenert på grunn av at halogenerte forbindelser har tendens til å være økologisk mindre akseptable selv om de er brennbare. Fortrinnsvis har den brennbare forbindelse gode dielektriske egenskaper. Disse omfatter en effektfaktor på mindre enn 5% ved 100°C etter rensing, en dielektrisitetskonstant på mellom 2 og 9 ved romtemperatur og en gjennomslagshastighet på minst 25 kV.

Den brennbare forbindelse er et hydrokarbon, en ester eller en blanding av disse. Dersom det anvendes en ester er det fortrinnsvis en ftalsyreester, idet ftalsyreestre er mer stabile og har bedre koronabestandighet. Ftalsyreestre med de beste termiske og hydrolyttiske stabiliteter antas å være diisononylftalat og dietylheksylftalat. Andre egnete brennbare forbindelser er isopropyldifenyl-, isopropylnaftalen-, ricinusolje-, sebacat- og adipatestre, samt forskjellige fosfatestre, såsom tricresylfosfat. For tiden er den foretrukne brennbare forbindelse isopropyldifenyl på grunn av dets særlig gode koronabestandighet, termiske stabilitet og funksjonelle temperaturområde.

For å bedre dets dielektriske egenskaper inneholder det dielektriske fluidum fortrinnsvis 0,1-0,5 vektdeler av en antioksydant og 0,2-1 vektdel av en hydrogenakseptor for å bedre koronabestandighet. Den foretrukne antioksydant er di-tert.-butyl-p-kresol, selv om andre forbindelser, såsom sterisk hind-rete fenoler (f.eks. di-tert.-butylfenol) også kan anvendes.

En foretrukket hydrogenakseptor er g-metylantrakinon, selv om andre forbindelser også kan anvendes. De optimale mengder antioksydant og hydrogenakseptor synes å være henholdsvis 0,2 og 0,5

vektdeler. 0,5-2 vektdeler glycidylfenyleter anvendes fortrinnsvis også for å minske skadelige koronaeffekter.

I tillegg til i papir-, film- og filmpapirkondensatorer kan det" dielektriske fluidum ifølge oppfinnelsen anvendes i transfor- matorer, kabler og annen elektrisk apparatur. I kondensatorer vil det være særlig effektivt og foretrukket med 100% filmvin-ninger på grunn av deres lave effektfaktor og følgelig lave forvarmingstemperaturer, noe som ville gi dem lang levetid i varme omgivelser. Men det vil kunne være meget anvendbart i film-og papirkomposittvinninger som anvendes i kraftkondensatorer. Det vil også kunne anvendes for helpapirvinninger som anvendes i kraftkoplingskondensatorer. Det bør anvendes med forsiktighet der hvor eksplosjoner kan være et problem, på grunn av dets tungtantennelighetskarakteristikker eventuelt ikke er tilstrekkelig til å overvinne de eksplosive effekter av en forbrennbar gass som er dannet av en bue ved uhell.

Nedenfor vil oppfinnelsen bli belyst ved hjelp av eksempler.

Eksempel I

Et dielektrisk fluidum av 50 vektsprosent diisononylftalat og 50 vektsprosent triklorbenzen viste seg å ha følgende egenskaper : Dielektrisitetskonstant, e' r, ved 100°C 4,0 (+,1)

Effektfaktor, %, ved 100°C 1 Viskositet, cSt, ved 20°C <50

Flammer og antennelsespunkter, 135°C, og ingen (Cleveland-prøve med åpen beholder, vedvarende flamme opptil ASTM D-9 2) koking, ved ca 24 0°C Damptrykk, mm Hg ^5 ved 10 0°C

f» 2 ved 8 5°C Krymping av polypropylenfilm

ved 125°C i fluidet 18%

Til sammenlikning er krymping av

polypropylenfilm i

triklordifenyl 24%

Små prøvekondensatorer med to lag av 12,7 mikron tykke polypropylenfilmer og andre prøvekondensatorer med 12,7 mikron tykke polypropylenfilmer og 15,4 mikron tykt papir med densitet 0,7 ble lettvint impregnert med ovennevnte fluidum. Overfylling

opptrådde ved 80°C. Kapasitansene til begge sett av kondensatorer var ca 0,2 F. Tabellen nedenfor viser de elektriske egenskaper for disse kondensatorer.

Små kondensatorer som var spesielt konstruert for lav-temperaturprøving av dielektriske fluider og som omfattet to lag av 12,7 mikron tykk polypropylenfilm, ble impregnert med det ovenfor beskrevne dielektriske fluidum. Etter avkjøling natten over til -4 0°C bibeholdt kondensatorene en høy utlad-nings-begynnelsesspenning på 2,3 kV sammenliknet med 3,3 kV

ved 2 5°C.

Eksempel II

Et dielektrisk fluidum ble fremstilt av 50 vektsprosent isopropyldifenyl og 50% triklorbenzen og inneholdt 0,5%, regnet av fluidets vekt, 3-metylantrakinon og 0,2%, beregnet av fluidets vekt, di-tert.-butylparakresol. Fluidet ble anvendt for impreg-nering av to typer kondensatorer. Den første type bestod av aluminiumfolie, polypropylenfilm med tykkelse 75, papir med tykkelse 45, polypropylenfolie med tykkelse 7 5 og aluminiumfolie (AFpFA). Den andre type var lik med unntagelse av at den andre aluminiumfolie hadde avrundete kanter og var smalere (AFpFa^), slik som vist i fig. 1 hvor kondensatoren, som er vist i isometrisk snitt, omfatter en beholder 1 som holder konden-satorvindingene for en rettlinjet ledende folie 2 og en ledende folie 3 som er smalere og har avrundete kanter. Disse folier alternerer med lag av isolasjon 4, er vist som film 5, papir 6 og film 7. Et dielektrisk fluidum 8 fyller beholderen og impreg-nerer vindingene.

Effektfaktoren (100 tg 6) for disse kondensatorer ble målt ved temperaturen for forskjellige betingelser etter tur:

Tabellen ovenfor viser at effektfaktoren var uakseptabel høy etter å ha vært uten spenning ved 100°C og for kondensatoren med avrundete foliekaAter økte den hurtig ved 3 kV ved 100°C. Men ganske overraskende avtok effektfaktoren vesentlig under 3 kV ved 85°C. En kondensator som kan drives ved 85°C ville være akseptabel.

Oppmuntret av disse resultater ble ytterligere prøver med disse kondensatorer utført for å bestemme om effektfaktoren ville avta ytterligere. Fig. 2 viser grafisk resultatene av prøving opptil 3 6 døgn ved 85°C og 3 kV. Fig. 2 viser at når kondensatorene anvendes vil deres effektfaktorer avta. (Linjene i fig. 2 er nedtegnet slik at de omtrent passer til dataene). Effektfaktoren for disse kondensatorer er innenfor akseptable grenser. Enda lavere effektfaktorer ventes når det dielektriske fluidum anvendes i store kondensatorer.

Dette eksempel viser også den sterkt nedsatte effektfaktor på grunn av anvendelse av avrundete folier.

Eksempel III

En prøve som anvendes mye for bestemmelse av brennbarhet er Cleveland-prøven med åpen beholder (ASTM D-92). Ved denne prøve oppvarmes fluidet gradvis, og etter hver økning av dets temperatur med 5°C føres en flamme over fluidet. Temperaturen hvor fluidet flammer opp og den "høyere" temperatur hvor den antenner (brenner

i minst 5 sek) registreres. Ifølge denne prøve regnes et fluidum ofte for å være tungtantennelig dersom det har et antennelses-punkt på over 250°C selv om det brenner over dette antennelses-punkt.

Nesten ethvert materiale, selv polytetrafluoretylen, vil brenne ved en eller annen temperatur. Dessuten har elektriske buer en meget høy temperatur'. Dersom fluidet således utsettes for luften, f.eks. ved et brudd, kan det bli antent av en elektrisk bue og brenne selv om det er tungtantennelig ifølge Cleve-land-prøven med åpen beholder.

Av den årsak bestemmes det om et fluidum er "brennbart" slik som definert her, og fluidet vil brenne uten å være utsatt for en flamme eller bue i en åpen beholder ved temperaturer under dets kokepunkt.(Et fluidum kan ikke oppvarmes til over sitt kokepunkt). Det kan antennes ved sitt kokepunkt, men det må stoppe å brenne når flammen eller buen fjernes dersom det skal være "tungtantennelig". Et slikt "tungtantennelig" fluidum vil ikke spre en brann dersom det spilles eller kastes ut fra

et elektrisk apparat som har sviktet med buer med høy strøm-styrke.

Forskjellige fluider ble gradvis oppvarmet og prøvet for

å bestemme deres temperatur ved antennelse ved eksponering for

.en flamme. Temperaturen og tiden hvor de holdt opp å brenne under avkjøling ble også notert. Den etterfølgende tabell angir resultatene.

Tabellen ovenfor viser at bare pentaklordifenyl, triklordifenyl og blandinger av disse med opptil 10 vektsprosent mine-ralolje, og isopropyldifenyl med minst 50% triklorbenzen ikke brente under deres kokepunkt og derfor ikke var brennbar. Bland-ingen av isopropyldifenyl og 40% triklorbenzen var på grensen av tungtantennelighet.

Claims (19)

1. Tungtantennelig dielektrisk fluidum, karakterisert ved at det inneholder a) 40-90 vektdeler triklorbenzen eller en blanding av fra 50 til mindre enn 100 vektsprosent triklorbenzen og opptil 50 vektsprosent tetraklorbenzen, og b) 10-60 vektdeler av en brennbar forbindelse som er blandbar med triklorbenzen, som består av et aromatisk hydrokarbon og/ eller en aromatisk organisk ester, og som er mindre flyktig enn triklorbenzen og har kokepunkt på minst 215°C, smeltepunkt under 20°C og en viskositet på mindre enn 5000 cSt ved 25°C.

2. Dielektrisk fluidum 1 samsvar med krav 1, karakterisert ved at den brennbare forbindelse er en ikke-halogenert forbindelse.

3. Dielektrisk fluidum i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at den brennbare forbindelse har en effektfaktor på mindre enn 5% ved 100°C etter rensing.

4. Dielektrisk fluidum i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den brennbare forbindelse har en dielektrisitetskonstant på mellom 2 og 9 ved romtemperatur.

5. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at den brennbare forbindelse har en gjennomslagshastighet på minst 25 kV.

6. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at mengden brennbar forbindelse er 30-60 vektdeler og mengden triklorbenzen 40-70 vektdeler.

7. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-6, karakterisert ved at den brennbare forbindelse er en ftalatester.

8. Dielektrisk fluidum i samsvar med krav 7, karakterisert ved at ftalatesteren er diisononylftalat og/eller dietylheksylftalat.

9. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-8, karakterisert ved at den brennbare forbindelse er isopropyldifenyl.

10. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-9, karakterisert ved at fluidet inneholder 0,1-0,5 vektdeler av en antioksydant.

11. Dielektrisk fluidum i samsvar med krav 10, karakterisert ved at antioksydanten er di-tert.-butyl-p-kresol.

12. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-11, karakterisert ved at det inneholder 0,2-1 vektdel 3-metylantrakinon.

13. Dielektrisk fluidum i samsvar med et av kravene 1-12, karakterisert ved at det inneholder 0,05-2 vektdeler glycidylfenyleter.

14. Kondensator, omfattende lag av metallfolie som alternerer med et dielektrisk mellomlegg som er impregnert med et dielektrisk fluidum, karakterisert ved at det dielektriske fluidum er fluidet ifølge et av kravene 1-13.

15. Kondensator i samsvar med krav 14, karakterisert ved at det dielektriske mellomlegg er 100% film.

16. Kondensator i samsvar med krav 15, karakterisert ved at det dielektriske mellomlegg er polypropylen.

17. Kondensator i samsvar med krav 14, karakterisert ved at det dielektriske mellomlegg er helpapir.

18. Kondensator i samsvar med krav 14, karakterisert ved at det dielektriske mellomlegg er av et materiale av film og papir.

19. Kondensator i samsvar med et av kravene 14-18, karakterisert ved at hvert annet lag av metallfolie har avrundete kanter.