PT2128874E

PT2128874E - Equipamento eléctrico isolado com um fluido dieléctrico biodegradável

Info

Publication number: PT2128874E
Application number: PT77303907T
Authority: PT
Inventors: Alberto Sanchez De Lema
Original assignee: Alberto Sanchez De Lema
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2013-08-01
Also published as: EP2128874B1; PL2128874T3; EP2128874A1; EP2128874A4; WO2008113866A1; ES2423480T3

Description

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DESCRIÇÃO

"EQUIPAMENTO ELÉCTRICO ISOLADO COM UM FLUIDO DIELÉCTRICO BIODEGRADÁVEL"

Campo da Invenção A presente invenção pertence ao campo do isolamento e arrefecimento de sistemas eléctricos, especificamente refere-se a equipamento eléctrico que compreende um fluido dieléctrico biodegradável que é altamente resistente a oxidação que consiste num óleo ou numa mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico muito elevado que substancialmente conservam todos os seus tocoferóis naturais e que contém um desactivador de metal.

Antecedentes da Invenção

Fluidos dieléctricos que são usados na indústria eléctrica geralmente consistem em gases ou líquidos cuja missão mais importante é obter o isolamento eléctrico entre partes activas, como também servir como uns meios de arrefecimento. Os líquidos que são usados como meios dieléctricos podem ter diferentes origens.

Os líquidos mais usados como um fluido dieléctrico são óleos minerais derivados de petróleo. 0 uso considerável de óleos minerais é devido ao seu baixo custo e fácil disponibilidade, como também às suas propriedades dieléctricas, propriedades de arrefecimento, à baixa viscosidade em altas temperaturas e ao seu excelente comportamento em muito baixas temperaturas. Igualmente, têm uma estabilidade de oxidação alta. Mas por outro lado, óleos minerais implicam a desvantagem que devido à sua composição quimica, a sua biodegradabilidade é muito baixa, pelo que um derrame de dito óleo pode causar dano no ecossistema e pode ficar no ambiente durante muitos anos. Igualmente, óleos minerais têm um poder de combustão alto e têm um ponto de combustão muito baixo, pelo que implicam um 2 grande risco no caso de incêndio e/ou explosão.

Regulamentos actuais além disso requerem qualquer fluido dieléctrico destinado para uso como um refrigerante não seja classificado como inflamável. De acordo com o uso do fluido e o grau de risco, uma ou mais medidas de segurança podem ser requeridas. Uma opção de segurança reconhecida é substituir óleos minerais por líquidos não inflamáveis ou menos inflamáveis. Os líquidos menos inflamáveis devem ter um ponto de combustão igual ou superior a 300°C. Assim, líquidos dieléctricos com um ponto de combustão alto (igual a ou superior a 300°C) , como por exemplo óleos de silicone, hidrocarbonetos de alto peso molecular (HMWHs) ou ésteres sintéticos são ocasionalmente usados. Contudo, óleos de silicone e hidrocarbonetos de alto peso molecular (HMWHs) são caracterizados, como óleos minerais, pela sua nula ou baixa biodegradabilidade. Igualmente, todos estes líquidos têm um custo superior ao de óleos minerais.

Entre as alternativas aos líquidos supracitados que têm aparecido nos últimos anos, ésteres naturais de óleos vegetais devem ser enfatizados. Ésteres naturais são obtidos de óleos com uma origem vegetal através de processos adequados de purificação e refinação. ' Óleos vegetais são essencialmente feitos de triacilgliceróis e de outros componentes numa proporção inferior como por exemplo monoacilgliceróis, diacilgliceróis, ácidos gordos livres, fosfatídeos, esteróis, vitaminas solúveis em óleo, tocoferóis, pigmentos, ceras, álcoois de cadeia longa etc.

Triacilgliceróis que ocorrem em óleos vegetais são triésteres formados por três ácidos gordos quimicamente ligados a glicerina. A fórmula geral de um triacilglicerol é: 3;η2;η:η2

r R' R" em que R, Rr, R,r podem ser os mesmos ou diferentes ácidos gordos normalmente com correntes de carbono C14 a C22 e como niveis de insaturação de 0 a 3.

As diferenças principais entre os diferentes óleos vegetais são causados pelos diferentes teores de ácido gordo presentes na composição do seus triacilgliceróis. Há vários ácidos gordos, incluindo ácido miristico, palmitico, esteárico, oleico, linoleico, linolénico, araquidónico, eicosenóico, ácido beénico, ácidos erúcicos, palmoliticos, docosadienóicos, lignocéricos, tetracosenóicos, margáricos, margaroleicos, gadoleicos, caprilicos, cápricos, láuricos, pentadecanóicos e heptadecanoicos. Diferem um do outro pelo número de átomos de carbono e pelo número de insaturações (duplas ligações de carbono-carbono).

Os três ácidos gordos numa molécula de triacilglicerol podem todos ser os mesmos ou podem ser dois ou três diferentes ácidos gordos. A composição de ácido gordo de triacilgliceróis varia entre espécies vegetais e menos entre estirpes de umas espécies particulares. Os óleos vegetais derivados de uma única estirpe essencialmente têm a mesma composição de ácido gordo nos seus triacilgliceróis. Cada triacilglicerol tem propriedades únicas dependendo dos ácidos gordos que contém. Por exemplo, alguns triacilgliceróis são mais susceptiveis a oxidação de que outros. Neste sentido, os óleos formados 4 por triacilgliceróis como ácidos gordos monoinsaturados (com uma única ligação dupla C=C) têm uma estabilidade de oxidação superior a óleos formados por triacilgliceróis com ácidos gordos com duas ou três duplas ligações de carbono-carbono. Igualmente, os óleos formados por triacilgliceróis com ácidos gordos saturados (sem ligação dupla C=C ) vão ter uma até estabilidade de oxidação superior a ácidos gordos monoinsaturatados mas o seu ponto de fluidez minimo iria ser muito superior.

As maiores vantagens do uso de óleos vegetais como fluidos dieléctricos são sumarizados na sua excelente biodegradabilidade, a sua obtenção de fontes naturais renováveis, a sua não toxicidade, o seu alto ponto de combustão (-,360 °C) e o seu baixo custo comparado com outras opções com um alto ponto de combustão como ésteres sintéticos. Todas as tendências de segurança e saúde, ambientais, têm reforçado a ideia de usar fluidos dieléctricos com base em óleos vegetais.

Contudo, óleos vegetais ou os seus derivados não estão livres de problemas na sua aplicação como fluidos dieléctricos em eguipamento eléctrico.

Por exemplo, o ponto de congelação (ou ponto de fluidez minimo) de óleos vegetais é uma propriedade a ser levada em conta. O ponto de congelação define a temperatura a gue um liguido passa para o estado sólido, com a conseguente perda de propriedades de arrefecimento. De acordo com a única norma existente gue especifica as propriedades de um óleo vegetal para o seu uso como um fluido dieléctrico, norma Americana ASTM D6871-03, o ponto de congelação deve ser -10°C no máximo. É assim importante que o fluido dieléctrico seja baseado em óleos vegetais garantindo que fica como um liquido fluente mesmo quando o fluido dieléctrico está sujeito a temperaturas moderadamente baixas (inferior a -15°C). Aditivos são normalmente usados para reduzir o ponto de congelação e 5 obter líquidos dieléctricos que são mais resistentes às baixas temperaturas. Por exemplo aditivos como PMA (polimetacrilato), oligómeros e polímeros de acetato de polivinilo e/ou polímeros e oligómeros acrílicos, dietil hexil adipato, polialquilmetacrilato têm sido usados.

Outros factores problemáticos nas propriedades de óleos vegetais são a presença de água, flora microbiana, a presença de sólidos, etc.

Mas de facto um dos problemas mais importantes de óleos vegetais é o de oxidação. Óleos vegetais são normalmente susceptíveis a polimerização quando estão expostos a oxigénio. A exposição a oxigénio activa as ligações não saturadas presentes nos ácidos gordos dos triacilgliceróis dos óleos, causando polimerização oxidativa do óleo, com efeitos potencialmente adversos nas propriedades do actual fluido dieléctrico. A sua susceptibilidade a oxidação é um obstáculo importante ao seu uso como um dieléctrico. 0 problema da oxidação de óleos tem geralmente sido resolvido através de adicionar óleos antioxidantes sintéticos como BHA (hidroxianisolo butilado), BHT ( hidroxitolueno butilado), TBHQ (terbutil hidroquinona), THBP (tetrahidro butrofenona), palmitato de ascorbilo (óleo de rosmaninho), gaiato de propilo etc. Por outro lado, o problema da oxidação de fluidos dieléctricos baseados em óleos vegetais é enfatizado em aparelhos eléctricos devido à actividade catalítica de cobre ou de outros metais presente neste tipo de aparelho.

Todos os problemas supracitados têm sido previamente apresentados em patentes EP1365420, US2004069975, US6613250, US6340658, US6645404, US6280659, JP2000090740 e JP2005317259, com diferentes soluções.

Os inventores da presente invenção propõem equipamento eléctrico que compreende um líquido dieléctrico que fornece uma solução técnica alternativa ao problema de oxidação e 6 que fornece muitas características vantajosas ao líquido para a sua aplicação como um isolante e refrigerante de aparelhos eléctricos. A solução ao problema da oxidação do fluido dieléctrico dentro de equipamento eléctrico vem do uso de óleos com um teor de ácido oleico muito alto, e obtido por processos de refinação que permite conservar os tocoferóis naturais presentes em ditos óleos vegetais numa percentagem alta, dado que os processos de refinação tradicional implicam a perda de uma quantidade considerável dos seus tocoferóis. Um exemplo de um processo adequado para fins da presente invenção é descrito em patente US 5928696. Os inventores têm descoberto que certos óleos vegetais com teores de ácido oleico muito altos e teores de linoleico baixos e que conservam muito os seus tocoferóis naturais têm poder antioxidante suficiente para evitar ter que adicionar aditivos antioxidantes, como por exemplo aditivos antioxidantes sintéticos não biodegradáveis, como foi sendo feito até agora. Tocoferóis, contudo, além de serem substancialmente biodegradáveis, são substâncias que estão naturalmente presente na composição de óleos e que têm propriedades antioxidantes importantes. Há quatro tipos de tocoferóis, cx-, β-, γ- e δ-tocoferol, que têm diferente força antioxidante e que estão presentes em diferentes proporções dependendo do tipo de óleo vegetal e da variedade de que é obtido.

Além disso, para resolver o problema da aceleração de oxidação devido à actividade catalítica de metais presentes em equipamento eléctrico, os inventores da presente invenção fornecem a incorporação de desactivadores de metal como derivados de triazolo, de benzotriazolo, de dimercaptotiadiazolo, etc Objecto da Invenção

Um primeiro objecto da invenção é equipamento eléctrico para uma rede distribuição de energia eléctrica 7 que compreende uma tina ou um envolvimento que integra um ou mais elementos eléctricos isolados num fluido dieléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes adicionados, sintéticos ou não, que compreende um óleo ou uma mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (C18:l) superior a 75%, um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e que incorpora um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1% por peso. 0 segundo objecto da invenção é um método para isolar e arrefecer elementos eléctricos numa rede de distribuição de energia que compreende submergir ou envolver ditos elementos eléctricos num fluido dieléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes sintéticos adicionados a isso que compreende um óleo ou uma mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (C18:l) superior a 75%, com um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1 2-1ΐ .

Descrição Pormenorizada da Invenção A invenção refere-se no primeiro lugar a equipamento eléctrico para uma rede de distribuição de energia eléctrica que compreende uma tina ou envolvimento que integra um ou mais elementos eléctricos isolados num fluido dieléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes sintéticos adicionados a isso que compreende um óleo ou uma mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (C18:l) superior a 75%, caracterizado por ter um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1 %.

Numa forma de realização preferida da invenção o teor de tocoferol natural é superior a 300 ppm e numa até forma de realização mais preferida é superior a 400 ppm.

Numa forma de realização da invenção o teor de ácido oleico do óleo ou óleos vegetais que fazem o fluido dieléctrico é superior a 80% e numa até forma de realização mais preferida dito teor é superior a 90%.

Como em equipamento eléctrico os líquidos dieléctricos estão geralmente em contacto com metais, o fluido dieléctrico inclui como um aditivo um desactivador de metal para evitar que cobre ou outro metal em contacto com o óleo actue como um catalisador das suas reacções de oxidação. Assim, é adequado incluir na composição do liquido dieléctrico um desactivador de metal como por exemplo qualquer derivado de triazolo, de benzotriazolo ou de dimercaptotiadiazolo.

Além disso, o fluido dieléctrico incorporado no equipamento eléctrico da invenção preferencialmente compreende: a) um teor de ácido linoleico (C18:2) inferior a 3,5% b) um teor de ácido linolénico (C18:3) inferior a 1 % c) um teor de ácido palmítico (C16:0) inferior a 4% d) um teor de ácido esteárico (C18:0) inferior a 2,5% Óleos ou misturas de girassol, colza, soja, algodão, jojoba, cártamo, azeites ou óleos de bagaço de azeitona com um teor oleico alto são especialmente adequados para o seu uso como um fluido dieléctrico no contexto da presente invenção, embora a forma de realização preferida da invenção implique o uso de óleo de girassol oleico alto. Estes óleos, além de níveis altos de ácido oleico, naturalmente têm uma grande quantidade de tocoferóis que são sobretudo perdidos em processos de refinação normais. A refinação de ditos óleos de acordo com métodos capazes de conservar muito os seus tocoferóis naturais contribui para estes óleos que são muito adequados para o seu uso como fluidos dieléctricos sem o risco da sua oxidação. Por exemplo, os métodos descritos em patente US5928696 permite obter óleos com concentrações de tocoferol superiores a 400 ppm e com teores de cera e ácido gordo livre, fosfatídeo baixos. O óleo ou óleos resultantes dos métodos mencionados 9 podem estar sujeitos a um subsequente processo de destilação a vácuo, que usa combinação de calor e vácuo, para eliminar maior parte da sua humidade. A desumidificação do óleo é necessária devido ao facto que o óleo pode ter um nivel de humidade inicial tornando-o inadequado para ser usado como liquido dielétrico. 0 óleo vegetal é assim processado para fim de eliminar a humidade excessiva a um nivel inferior a 50 ppm.

Os óleos assim obtidos são caracterizados por terem tempos de indução superiores a 25 horas no teste Rancimat (EN 14112) e um indice de biodegradabilidade superior a 99% após 21 dias (CEC-L-33-A-93). Por outras palavras, fluidos dieléctricos com uma alta qualidade e excelente rendimento que satisfazem ou excedem as normas de segurança e que por sua vez não são tóxicos, são inofensivos para o ambiente e têm um custo inferior a outros fluidos dieléctricos são obtidos usando os óleos mencionados ou as suas misturas. 0 fluido dieléctrico incorporado no aparelho da invenção pode ainda ter aditivos adicionais dependendo do tipo de aplicação a que vai estar sujeito.

Para aplicações em equipamento eléctrico presente em ambientes em que a temperatura pode cair para temperaturas inferiores a -15°C, é recomendável ainda adicionar um aditivo para reduzir o ponto de congelação, preferencialmente do tipo polialquilmetacrilato. 0 uso destes aditivos permite obter fluidos dieléctricos com pontos de congelação iguais ou inferiores a -18°C.

Numa forma de realização particular da invenção o equipamento eléctrico da invenção pode ser cubículos de protecção e/ou aparelho de comutação, transformadores, transformadores auto-protegidos com fusíveis limitadores de corrente ou centrais de transformação com múltiplos elementos de aparelho de comutação e múltiplos dispositivos de protecção. O segundo aspecto da invenção refere-se a um método 10 para isolar e arrefecer elementos eléctricos numa rede de distribuição de energia eléctrica que compreende submergir ou envolver ditos elementos eléctricos num fluido eléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes sintéticos adicionados a isso que compreende um óleo ou mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (C18:l) superior a 75%, com um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1%. Como é óbvio, todos as caracteristicas e elementos adicionais e opcionais no presente documento descritos e referindo ao fluido dieléctrico são aplicáveis no método para isolar e arrefecer elementos eléctricos numa rede de distribuição descrita no presente documento.

Forma de Realização Preferida da Invenção A composição de ácido gordo especial dos triacilgliceróis dos óleos vegetais usados e o processo para obtê-los, como também a sua secagem final, conferem ao liquido resultante propriedades físicas especificas tornando-o particularmente adequado para o seu uso como um líquido dieléctrico.

Um exemplo preferido da invenção consiste num transformador em que um líquido dieléctrico com a seguinte composição é incluído como um isolante e refrigerante: ppm α -tocoferol 402,0 β-tocoferol 17,1 γ- tocoferol 8, 6 δ-tocoferol Total 427,7 Óleo de girassol com um teor de ácido oleico alto com: a) tocoferóis naturais_ b) triacilgliceróis, com a seguinte composição de ácido gordo 11 o "O Cl 6:0 < 4,0 C18 : 0 < 2,5 C18 :1 > 90 C18 :2 < 3,5 C18 :3 < 1,0 c) 5000 ppm de um aditivo desactivador de metal derivado de dimercaptotiadiazolo (Additin RC 8210 de Rhein Chemie) correspondente a inferior a 1% por peso do total da composição. O liquido dieléctrico com a composição supraindicada tem as seguintes propriedades:

Propriedade Valor Teor de água < 50 ppm Força dieléctrica > 40 kV Pt. De ignição > 350°C Pt. de inflamação (vaso aberto) > 300°C ponto de congelação < -15°C estabilidade de oxidação -Rancimat EN14112 (110°C, lOL/h ar) > 25 horas Estabilidade de oxidação -Rancimat EN14112 (110°C, lOL/h ar) com cobre (*) >6,5 horas

Opcionalmente, para algumas formas de realização mais exigentes, em lugares onde o equipamento eléctrico está sujeito a temperaturas extremamente baixas, o ponto de fluidez pode ser ainda reduzido adicionando um aditivo ao óleo para obter um ponto de congelação inferior. Aditivos disponíveis Comercialmente que são compatíveis com óleos vegetais, como por exemplo o produto conhecido como Viscoplex 10-310, pode então ser usado. 12

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • EP 1365420 A [0017] • US 2004069975 A [0017] • US 6613250 B [0017] • US 6340658 B [0017] • US 6645404 B [0017] • US 6280659 B [0017] • JP 2000090740 B [0017] • JP 2005317259 B [0017] • US 5928696 A [0019] [0028]

Lisboa 24/07/2013

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Equipamento eléctrico para uma rede de distribuição de energia eléctrica que compreende uma tina ou um envolvimento que integra um ou mais elementos eléctricos isolados num fluido dieléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes sintéticos adicionados a isso que compreende um óleo ou uma mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (Cl8:1) superior a 75%, com um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1%.

2. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 1, em que o fluido dieléctrico compreende um óleo ou mistura de óleos com um teor de ácido oleico (C18:l) superior a 80%.

3. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 1, em que o fluido dieléctrico compreende um óleo ou mistura de óleos com um teor de ácido oleico (Cl8:1) superior a 90%.

4. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o teor de tocoferol natural do fluido eléctrico ser superior a 300 ppm.

5. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o teor de tocoferol natural do fluido eléctrico ser superior a 400 ppm.

6. Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o fluido dieléctrico ter um ponto de combustão superior a 350°C.

7 . Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das 2 reivindicações anteriores, caracterizado por o fluido dieléctrico compreender óleo ou óleos vegetais que compreende: a) um teor de ácido linoleico (C18:2) inferior a 3,5% b) um teor de ácido linolénico (C18:3) inferior a 1 % c) um teor de ácido palmítico (Cl6:0) inferior a 4% d) um teor de ácido esteárico (Cl8:0) inferior a 2,5%

8. Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o fluido dieléctrico compreender um aditivo para reduzir o ponto de congelação.

9. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o aditivo ser do tipo me tacriclicpolialquilo.

10. Equipamento eléctrico de acordo com as reivindicações 8 e 9, caracterizado por o fluido dieléctrico ter um ponto de congelação igual ou inferior a -18°C.

11. Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o desactivador de metal do fluido dieléctrico é um derivado de triazolo, de benzotriazolo ou dimercaptotiadiazolo.

12. Equipamento eléctrico de acordo com a reivindicação 11, em que o desactivador de metal é um derivado de dimercaptotiadiazolo.

13. Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o óleo ou mistura de óleos vegetais do fluido dieléctrico poder ser de girassol, colza, soja, algodão, jojoba, cártamo, azeites ou óleos de bagaço de oliva com um teor oleico alto. 3

14. Equipamento eléctrico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores selecionadas de cubículos de protecção e/ou aparelho de comutação, transformadores, transformadores auto-protegidos com fusíveis limitadores de corrente ou centrais de transformação com múltiplos elementos de aparelho de comutação e múltiplos dispositivos de protecção.

15. Método para isolar e arrefecer equipamentos eléctricos numa rede de distribuição de energia que compreende submergir ou envolver ditos elementos eléctricos num fluido dieléctrico biodegradável livre de aditivos antioxidantes sintéticos adicionados a isso que compreende um óleo ou uma mistura de óleos vegetais com um teor de ácido oleico (C18:1) superior a 75%, com um teor de tocoferol natural superior a 200 ppm e um aditivo desactivador de metal numa proporção inferior a 1 %. Lisboa 24/07/2013