WO2012160155A1 - Mélange de décafluoro-2-méthylbutan-3-one et d'un gaz vecteur comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques en haute tension - Google Patents

Mélange de décafluoro-2-méthylbutan-3-one et d'un gaz vecteur comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques en haute tension Download PDF

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WO2012160155A1
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mixture
molar percentage
decafluoro
methylbutan
electrical
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PCT/EP2012/059746
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Yannick Kieffel
Alain Girodet
Daniel Piccoz
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Alstom Technology Ltd
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    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical insulation and extinction of electric arcs in medium or high voltage electrical appliances.
  • a mixture comprising a particular fluoroketone, namely decafluoro-2-methylbutan-3-one, and a carrier gas such as air, nitrogen or carbon dioxide. , as an electrical isolation medium and / or extinction of electric arcs in a medium or high voltage electrical device.
  • It also relates to a medium or high voltage electrical apparatus in which the electrical insulation and / or the extinction of electric arcs is (are) ensured by a mixture comprising decafluoro-2-methylbutan-3-one and a carrier gas.
  • This electrical device may in particular be an electrical transformer such as a power supply or measurement transformer, a gas-insulated line (or LIG) for the transport or distribution of electricity, a busbar or an electrical appliance connection / disconnection device (also known as a switchgear) such as a circuit breaker, a switch, a fuse-switch combination, a disconnector, an earthing switch or a contactor.
  • an electrical transformer such as a power supply or measurement transformer, a gas-insulated line (or LIG) for the transport or distribution of electricity, a busbar or an electrical appliance connection / disconnection device (also known as a switchgear) such as a circuit breaker, a switch, a fuse-switch combination, a disconnector, an earthing switch or a contactor.
  • medium and high voltage electrical appliances the electrical insulation and, where appropriate, the extinction of the electric arcs are typically provided by a gas which is confined within these devices.
  • the terms “medium voltage” and “high voltage” are used in their usual acceptance, namely that the term “medium voltage” designates a voltage that is greater than 1000 volts AC and at 1,500 volts DC but not exceeding 52,000 volts AC and 75,000 volts DC, while the term “high voltage” refers to a voltage that is strictly greater than 52,000 volts AC and less than 75,000 volts in direct current.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • This gas has, indeed, a relatively high dielectric strength, good thermal conductivity and low dielectric losses. It is chemically inert and non-toxic to humans and animals and, after being dissociated by an electric arc, it recombines quickly and almost completely. In addition, it is nonflammable and its price is still moderate today.
  • SF 6 has a global warming potential (GWP) of 22,800 (relative to C0 2 over 100 years) and a residence time in the atmosphere of 3,200 years, which places it among gases with a high greenhouse effect.
  • GWP global warming potential
  • the so-called simple gases such as air or nitrogen, which have no negative impact on the environment, have a much lower dielectric strength than SF 6 .
  • the dielectric strengths in AC voltage (50 Hz) of air and nitrogen are substantially three times lower than that of SF 6 .
  • a mixture of SF 6 and nitrogen in a volume ratio of 10/90 has a dielectric strength in alternating voltage (50 Hz) equal to 59% of that of SF 6 but its PRG is of the order from 8000 to 8650.
  • Such mixtures can not therefore be used as a low environmental impact gas.
  • perfluorocarbons which generally have interesting dielectric withstand properties but whose PRG typically fall within the range of 5,000 to 10,000 (6,500 for CF 4 , 7,000 for C 3 F 8 and C 4 F 0 , 8 700 for cC 4 F 8 , 9 200 for C 2 F 6 ).
  • CF 3 I trifluoroiodomethane
  • VME average exposure value
  • this solid insulation consists, for example, in covering the live parts which have a strong gradient electric by a resin of the epoxy resin type or the like, which reduces the field to which the parts under tension are subjected.
  • the inventors have set themselves the goal of finding a gas which, while having good electrical insulation and arc extinction properties, has a low or no impact on the environment and is therefore not elsewhere, not toxic to humans and animals.
  • the invention proposes, first of all, the use of a mixture comprising a fluoroketone and a carrier gas as an electrical isolation medium and / or electric arc extinguishing in a medium or high voltage electrical apparatus, which use is characterized in that the fluoroketone is decafluoro-2-methylbutan-3-one and is present in the mixture in a molar percentage which is at least 95% of the molar percentage M determined by formula (I) below:
  • - Megege represents the pressure, expressed in kilopascals, of the mixture at 20 ° C in the electrical apparatus
  • PVS CSK represents the saturation vapor pressure, expressed in kilopascals, that decafluoro-2-methylbutan-3-one exhibits at the minimum temperature of use of the electrical apparatus
  • a mixture comprising decafluoro-2-methylbutan-3-one and a carrier gas (which will also be called “electrically insulating and / or extinguishing electric arc") is used.
  • dilution gas in what follows since this gas has essentially the function of diluting this fluoroketone.
  • Decafluoro-2-methylbutan-3-one has the empirical formula C 5 F 10 O and the semi-developed formula CF 3 -CO-CF- (CF 3 ) 2 . It will be called more simply C5K in what follows.
  • C5K is present in the mixture used in a molar percentage which is at least 95% of the molar percentage M (i.e. at least 0.95 times this percentage). ) of C5K to ensure that at the minimum temperature of use of the apparatus, the proportion of C5K in the part of this mixture which is in the gaseous state is maximum, it being understood that the mixture can be in all or part in the gaseous state.
  • Such a maximum proportion of C5K provides at the minimum temperature of use of the electrical apparatus, that is to say under the most unfavorable conditions of use of this apparatus, electrical insulation properties and / or extinction of the electric arcs optimal, thus approaching those of the SF 6 .
  • Table I shows the saturation vapor pressures, denoted PVS CSK , that C5K exhibits at the temperatures of 0, -5, -10, -15, -20, -25, -30, -35 and -40 ° C. , which correspond to the minimum operating temperatures typically intended for medium and high voltage electrical appliances.
  • the electrical apparatus is a medium voltage device
  • the fact that C5K may be present in this apparatus partly in the gaseous state and partially in the liquid state is not likely to pose a normative problem. It is therefore possible to use in this case a mixture in which C5K is present in a molar percentage greater than the molar percentage M.
  • C5K is preferably present in the mixture in a mole percentage of between 95% and 130% and, more preferably, between 95% and 110%, ideally between 99% and 110%.
  • % molar percentage M is preferentially present in the mixture in a molar percentage which is between 0.95 times and 1.3 times and more preferably between 0.95 and 1.1 times, ideally between 0.99 times and 1, 1 times the molar percentage M.
  • the electrical apparatus is a high-voltage electrical apparatus of the metal-encased post (PSEM) type
  • PSEM metal-encased post
  • C5K be present in the mixture in a molar percentage which does not exceed 100% of the molar percentage M (i.e., this molar percentage? ) in order not to have a liquefaction phase.
  • the percentage of C5K is then between 95% and 100% of the molar percentage M (that is to say between 0.95 times this molar percentage and this molar percentage).
  • the dilution gas is preferably chosen from gases which have, on the one hand, a very low boiling point, that is to say typically equal to or less than -50 ° C. C at standard pressure, and, secondly, a dielectric strength which is at least equal to that exhibited by carbon dioxide under strictly identical test conditions (same apparatus, same geometrical configuration, same operating parameters,. ..) to those used to measure the dielectric strength of said gas.
  • the dilution gas is non-toxic, i.e. not classified as a carcinogen, mutagenic and / or reproductive toxicant by regulation.
  • Gases having all of these properties are, for example, air, preferably dry (GWP of 0), nitrogen (GWP of 0), nitrous oxide (GWP of 310), dioxide of carbon (GWP 1), the dioxide mixtures of carbon and oxygen in a volume ratio ranging from 90/10 to 97/3, and mixtures of these different gases.
  • air preferably dry (GWP of 0), nitrogen (GWP of 0), nitrous oxide (GWP of 310), dioxide of carbon (GWP 1), the dioxide mixtures of carbon and oxygen in a volume ratio ranging from 90/10 to 97/3, and mixtures of these different gases.
  • the dilution gas is air, preferably dry, carbon dioxide or a mixture thereof.
  • the invention also relates to a medium or high voltage electrical appliance, which comprises a sealed enclosure in which there are electrical components and a mixture comprising a fluoroketone and a carrier gas for electrical insulation and / or extinguishing electric arcs capable of occurring in this apparatus, characterized in that the fluoroketone is decafluoro-2-methylbutan-3-one and is present in the mixture in a molar percentage of at least 95% of the molar percentage M determined by formula (I) below:
  • PCSK (PVSCSK x 293) / T i e minimum (II) wherein:
  • PVS CSK represents the saturation vapor pressure of decafluoro- 2-methylbutan-3-one at the minimum temperature of use of the electrical apparatus, expressed in kilopascals
  • T minima ie represents the minimum temperature of use of the electrical appliance, expressed in Kelvins.
  • this electrical apparatus can be, in the first place, a gas-insulated electrical transformer such as, for example, a power transformer or a measurement transformer.
  • It can also be a gas-insulated line, aerial or underground, or a busbar for the transport or distribution of electricity.
  • an electrical connection / disconnection device also called a switchgear
  • a switchgear such as, for example, a circuit breaker, a switch, a disconnector, a fuse-switch combination, an earthing switch or a contactor .
  • FIG. 1 illustrates, in the form of a curve, the evolution of the normalized dielectric strength of a mixture of C5K and of CO 2 as a function of the molar percentage of C5K that this mixture exhibits.
  • FIG. 2 illustrates, in the form of a curve, the evolution of the normalized dielectric strength of a mixture of C5K and dry air as a function of the molar percentage of C5K that this mixture exhibits.
  • FIGS. 1 and 2 illustrate, in the form of curves, the evolution of the normalized dielectric strength of mixtures composed respectively of C5K and CO 2 (FIG. 1), and C5K and dry air (FIG. 2) as a function of the molar percentage of C5K present in these mixtures.
  • the apparatus 1 has a structure strictly identical to that presented by the apparatus which is marketed under the reference FBX 24 kV by Schneider Electric and which is filled, in its current commercial version, with SF 6 at a pressure of 130 kPa.
  • the apparatus 2 differs from the apparatus 1 in that its branches have been sheathed, by a heat-shrinkable sheath to prevent the priming between the latter and in that it has been added an electric field distributor.
  • the devices 1 and 2 being intended to be used at a minimum temperature of -15 ° C, their filling by the mixture C5K / C0 2 is produced so that:
  • the total pressure of the C5K / CO 2 mixture is equal in these apparatuses to 130 kPa at 20 ° C .; - the partial pressure of C5K is equal in these devices to
  • each device is first placed in a waterproof box, then a vacuum (0 - 0.1 kPa) is created inside the device and between the device and the wall. of the box so that the walls of the device do not deform.
  • C5K is first lined with the inner wall of the vessel of the apparatus by injecting into this vessel 0.3 to 1 kPa and, more preferably, 0.3 to 0.5 kPa of pure CK5 using the exit " gas "of a C5K tank that has a" gas “outlet and a” liquid “outlet and that has been previously slightly heated to accelerate the C5K flow rate.
  • the tank is continued filling with a gas mixer equipped with two bubblers, maintaining the ratio between the pressures at 20 ° C of C5K and C0 2 at 19% throughout the filling with the use of a precision mass flowmeter.
  • the C5K is placed in the two bubblers which are passed through the C0 2 under pressure in order to reach full saturation.
  • the devices 1 and 2 thus filled are then subjected to dielectric strength tests:
  • This table shows that a medium voltage electrical appliance, which is filled with a C5K / CO 2 mixture in a molar ratio of 19/81, has, in the temperature range of -15 ° C to + 50 ° C, equivalent performances, in terms of dielectric strength, to those which the same apparatus presents when it is filled with SF 6 at the same pressure, except as regards the dielectric withstand between phase and earth.
  • the apparatus 1 is also subjected to heating tests which are carried out in accordance with IEC 62271-200. These tests show that, when this apparatus is traversed by a permanent current of 630 A RMS, the maximum temperature rises measured at the electrical contacts (which represent the hottest points) are only 1% higher than those obtained in the same conditions, for the 24 kV FBX as marketed, which is quite acceptable.
  • the apparatus 1 is further subjected to breaking tests which are carried out in accordance with IEC 60265-1.
  • the apparatus 1 with a minor structural modification such as the addition of a fluorinated polymer-type (for example PFA, FEP or PTFE) gas-forming material supplemented with a fluorinated filler (for example, CaF 2 , CeF 3 , CeF 4 or MgF 2 ) so that this device has equivalent performance, in terms of cutoff, to those that the same device presents when it is filled with SF 6 at the same pressure.
  • a fluorinated polymer-type for example PFA, FEP or PTFE
  • a fluorinated filler for example, CaF 2 , CeF 3 , CeF 4 or MgF 2
  • a GIS apparatus - hereinafter apparatus 3 - rated voltage 145 kV is filled with a mixture of C5K and dry air and intended for use at a minimum temperature of -30 ° C.
  • the apparatus 3 has a structure strictly identical to that exhibited by the apparatus which is marketed by Alstom Grid under the reference B65 and which is filled, in its current commercial version, with SF 6 .
  • the apparatus 3 Since the apparatus 3 is intended to be used at a minimum temperature of -30 ° C., its filling with the C5K / dry air mixture is carried out so that:
  • the total pressure of the C5K / dry air mixture is equal in this apparatus to 500 kPa at 20 ° C .;
  • the filling of the apparatus 3 with the C5K / dry air mixture is carried out following the same protocol as that described in Example 1 except that dry air is used instead of C0 2 and that the a ratio between the pressures at 20 ° C of C5K and dry air of 2.5% is used.
  • the apparatus 3 thus filled is then subjected to tests of dielectric withstand at ambient temperature under lightning shock (wave of 1.2 - 50 ⁇ 8) positive wave and negative wave in accordance with the IEC 62271-1 standard.
  • This table shows that a high-voltage device, which is filled with a C5K / dry air mixture in a molar ratio of 19/81, has a much higher performance in terms of dielectric strength than that which the same apparatus presents. it is filled with dry air at the same pressure.

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Abstract

L'invention se rapporte à l'utilisation d'un mélange comprenant de la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et un gaz vecteur ou gaz de dilution comme milieu d'isolation électrique 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 électriques est (sont) assurée(s) par un mélange comprenant de la décafluoro-2- méthylbutan-3-one et un gaz vecteur ou gaz de dilution. Applications : transformateurs électriques, lignes à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité, jeux de barres, appareils électriques de connexion/déconnexion (disjoncteurs, interrupteurs, combinés interrupteur-fusibles, sectionneurs, sectionneurs de mise à la terre, contacteurs, …).

Description

MÉLANGE DE DÉCAFLUORO-2-MÉTHYLBUTAN-3-ONE ET D'UN GAZ VECTEUR COMME MILIEU D'ISOLATION ÉLECTRIQUE ET/OU D'EXTINCTION DES ARCS ÉLECTRIQUES EN HAUTE TENSION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de l'isolation électrique et de l'extinction des arcs électriques dans des appareils électriques moyenne ou haute tension.
Plus précisément, elle se rapporte à l'utilisation d'un mélange comprenant une fluorocétone particulière, à savoir la décafluoro-2-méthylbutan-3- one, et un gaz vecteur tel que l'air, l'azote ou le dioxyde de carbone, comme milieu d'isolation électrique 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 électriques est (sont) assurée(s) par un mélange comprenant de la décafluoro-2- méthylbutan-3-one et un gaz vecteur.
Cet appareil électrique peut notamment être un transformateur électrique tel qu'un transformateur d'alimentation ou de mesure, une ligne à 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-fusibles, un sectionneur, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans les appareils électriques moyenne ou haute tension, l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction des arcs électriques sont typiquement assurées par un gaz qui est confiné à l'intérieur de ces appareils. 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.
Actuellement, le gaz le plus souvent utilisé dans ce type d'appareil est l'hexafluorure de soufre (SF6). Ce gaz présente, en effet, une rigidité diélectrique relativement haute, une bonne conductivité thermique et des pertes diélectriques peu élevées. Il est chimiquement inerte et non toxique pour l'homme et les animaux et, après avoir été dissocié par un arc électrique, il se recombine rapidement et presque totalement. De plus, il est ininflammable et son prix est, encore aujourd'hui, modéré.
Toutefois, le SF6 a pour inconvénient majeur de présenter un potentiel de réchauffement global (PRG) de 22 800 (relativement au C02 sur 100 ans) et une durée de séjour dans l'atmosphère de 3 200 ans, ce qui le place parmi les gaz à fort pouvoir d'effet de serre.
Le SF6 a donc été inscrit par le Protocole de Kyoto (1997) sur la liste des gaz dont les émissions doivent être limitées.
Le meilleur moyen de limiter les émissions du SF6 consiste à limiter l'utilisation de ce gaz, ce qui a conduit les industriels à chercher des alternatives au SF6.
Les gaz dits simples comme l'air ou l'azote, qui n'ont pas d'impact négatif sur l'environnement, présentent une rigidité diélectrique beaucoup plus faible que celle du SF6. Ainsi, par exemple, les rigidités diélectriques en tension alternative (50 Hz) de l'air et de l'azote sont sensiblement trois fois plus faibles que celle du SF6.
De ce fait, l'utilisation de ces gaz simples pour l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques dans des appareils électriques moyenne ou haute tension implique d'augmenter de façon drastique le volume et/ou la pression de remplissage de ces appareils, ce qui va à Γ encontre des efforts qui ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour développer des appareils électriques compacts, à encombrement de plus en plus réduit.
Des mélanges de SF6 et d'azote sont utilisés pour limiter l'impact du SF6 sur l'environnement. En effet, l'ajout de SF6 à hauteur de 10 à 20% volumiques permet d'améliorer significativement la rigidité diélectrique de l'azote.
Néanmoins, du fait du fort PRG du SF6, le PRG de ces mélanges reste très élevé. Ainsi, par exemple, un mélange de SF6 et d'azote dans un rapport volumique de 10/90 présente une rigidité diélectrique en tension alternative (50 Hz) égale à 59% de celle du SF6 mais son PRG est de l'ordre de 8000 à 8650.
De tels mélanges ne sauraient donc être utilisés comme gaz à faible impact environnemental.
Il en est de même des perfluorocarbones qui présentent, d'une manière générale, des propriétés de tenue diélectrique intéressantes mais dont les PRG s'inscrivent typiquement dans une gamme allant de 5 000 à 10 000 (6 500 pour CF4, 7 000 pour C3F8 et C4Fi0, 8 700 pour c-C4F8, 9 200 pour C2F6).
Récemment, il a été proposé de remplacer le SF6 par le trifluoroiodométhane (CF3I) {Nakauchi et al., XVI International Conférence on Gas Discharge and their Applications, Chine, 11-15 septembre 2006, [1]). En effet, le CF3I présente une rigidité diélectrique supérieure à celle du SF6 et ce, aussi bien en champ homogène qu'en champ hétérogène, pour un PRG inférieur à 5 et une durée de séjour dans l'atmosphère de 0,005 année.
Malheureusement, outre que le CF3I est cher, il possède une valeur moyenne d'exposition (VME) de l'ordre de 3 à 4 ppm et est classé parmi les substances cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques (CMR) de catégorie 3, ce qui est rédhibitoire pour une utilisation à une échelle industrielle.
Il a également été proposé d'utiliser des systèmes hybrides d'isolation associant une isolation gazeuse, par exemple par de l'air sec, de l'azote ou du C02, à une isolation solide. Comme décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le n° 1 724 802, [2], cette isolation solide consiste, par exemple, à recouvrir les pièces sous tension qui présentent un fort gradient électrique par une résine du type résine époxyde ou analogue, ce qui permet de réduire le champ auquel sont soumises les pièces sous tension.
Cependant, l'isolation ainsi obtenue n'est pas équivalente à celle fournie par le SF6 et l'utilisation de ces systèmes hybrides nécessite d'augmenter le volume des appareils électriques par rapport à celui qu'autorise une isolation au SF6.
Concernant la coupure des arcs électriques sans SF6, différentes solutions existent, à savoir la coupure dans l'huile, la coupure dans l'air ambiant et la coupure avec ampoule à vide.
Toutefois, les appareils à coupure dans l'huile présentent l'inconvénient majeur d'exploser en cas de non coupure ou de défaut interne. Les appareils à coupure dans l'air ambiant sont généralement de grandes dimensions, coûteux et sensibles à l'environnement (humidité, pollution), tandis que les appareils, notamment les interrupteurs sectionneurs, à coupure avec ampoule à vide sont très onéreux et très peu présents sur le marché.
Il n'existe donc pas à ce jour d'alternative au SF6 qui soit véritablement satisfaisante.
Aussi, les Inventeurs se sont-ils fixé pour but de trouver un gaz qui, tout en ayant de bonnes propriétés d'isolation électrique et d'extinction des arcs électriques, ait un impact sur l'environnement faible ou nul et ne soit, par ailleurs, pas toxique pour l'homme et les animaux.
Ils se sont de plus fixé pour but que l'utilisation de ce gaz dans les appareils électriques moyenne ou haute tension qui sont actuellement commercialisés, en lieu et place du SF6 dont sont généralement remplis ces appareils, conduise à des performances, en termes d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques, équivalentes à celles que procure le SF6 et ce, sur toute la gamme des températures d'utilisation de ces appareils, ou ne nécessite, pour obtenir de telles performances, que d'apporter des modifications structurelles mineures auxdits appareils. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ces buts et d'autres encore sont atteints par l'invention qui propose, en premier lieu, l'utilisation d'un mélange comprenant une fluorocétone et un gaz vecteur comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension, laquelle utilisation est caractérisée en ce que la fluorocétone est la décafluoro-2- méthylbutan-3-one et est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est au moins égal à 95% du pourcentage molaire M déterminé par la formule (I) ci- après :
M = (Pc5K/Pmélange) X 100 (I)
dans laquelle :
- Pméiange représente la pression, exprimée en kilopascals, du mélange à 20°C dans l'appareil électrique ; et
- Pc5K représente la pression, exprimée en kilopascals, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente la décafluoro-2-méthyl-butan- 3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, PCSK étant déterminée par la formule (II) ci-après :
(PVSCSK x 293)/Tminimale (II)
dans laquelle :
* PVSCSK représente la pression de vapeur saturante, exprimée en kilopascals, que présente la décafluoro-2-méthylbutan-3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique ; et
* minimaie représente la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en Kelvins.
Ainsi, selon l'invention, on utilise, comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques, un mélange comprenant de la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et un gaz vecteur (qui sera également appelé « gaz de dilution » dans ce qui suit puisque ce gaz a essentiellement pour fonction de diluer cette fluorocétone). La décafluoro-2-méthylbutan-3-one répond à la formule brute C5F10O et à la formule semi-développée CF3-CO-CF-(CF3)2. Elle sera appelée plus simplement C5K dans ce qui suit.
Qui plus est, selon l'invention, C5K est présente dans le mélange utilisé en un pourcentage molaire qui est au moins égal à 95% du pourcentage molaire M (c'est-à-dire au moins égal à 0,95 fois ce pourcentage) de C5K permettant de garantir qu'à la température minimale d'utilisation de l'appareil, la proportion de C5K dans la partie de ce mélange qui se trouve à l'état gazeux est maximale, étant entendu que le mélange peut être en tout ou partie à l'état gazeux.
Une telle proportion maximale de C5K offre à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, c'est-à-dire dans les conditions d'utilisation de cet appareil les plus défavorables, des propriétés d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques optimales, se rapprochant ainsi de celles du SF6.
Le tableau I ci-après indique les pressions de vapeur saturante, notées PVSCSK, que présente C5K aux températures de 0, -5, -10, -15, -20, -25, -30, -35 et -40°C, qui correspondent aux températures minimales d'utilisation typiquement prévues pour des appareils électriques moyenne ou haute tension.
Il indique également les pressions, notées PCSK, qui correspondent à 20°C à ces pressions de vapeur saturante et qui sont obtenues en appliquant la formule (II) ci-avant.
Tableau I
Figure imgf000008_0001
Dans le cas où l'appareil électrique est un appareil moyenne tension, le fait que C5K puisse être présente dans cet appareil partiellement à l'état gazeux et partiellement à l'état liquide n'est pas de nature à poser de problème normatif. Il est donc possible d'utiliser dans ce cas un mélange dans lequel C5K est présente en un pourcentage molaire supérieur au pourcentage molaire M.
Aussi, dans un appareil électrique moyenne tension, C5K est, elle, de préférence, présente dans le mélange en un pourcentage molaire compris entre 95% et 130% et, mieux encore, entre 95% et 110 %, idéalement entre 99% et 110% du pourcentage molaire M. Autrement dit, C5K est préférentiellement présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 0,95 fois et 1,3 fois et, mieux encore, entre 0,95 fois et 1,1 fois, idéalement entre 0,99 fois et 1, 1 fois le pourcentage molaire M.
Par contre, dans le cas où l'appareil électrique est un appareil électrique haute tension du type poste sous enveloppe métallique (PSEM), il est souhaitable, pour qu'il puisse répondre aux normes CEI actuellement en vigueur, que C5K soit présente dans cet appareil exclusivement ou quasi exclusivement à l'état gazeux et ce, dans toute la gamme des températures d'utilisation de cet appareil.
Aussi, préfère-t-on que, dans un appareil électrique haute tension du type PSEM, C5K soit présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui ne dépasse pas 100% du pourcentage molaire M (c'est-à-dire ce pourcentage molaire) afin de ne pas présenter de phase de liquéfaction. Le pourcentage de C5K est alors compris entre 95% et 100% du pourcentage molaire M (c'est-à-dire entre 0,95 fois ce pourcentage molaire et ce pourcentage molaire).
Conformément à l'invention, le gaz de dilution est, de préférence, choisi parmi les gaz qui présentent, d'une part, une température d'ébullition très basse, c'est-à-dire typiquement égale ou inférieure à -50°C à la pression standard, et, d'autre part, une rigidité diélectrique qui est au moins égale à celle que présente le dioxyde de carbone dans des conditions d'essai strictement identiques (même appareillage, même configuration géométrique, mêmes paramètres opératoires, ...) à celles utilisées pour mesurer la rigidité diélectrique dudit gaz.
De plus, on préfère que le gaz de dilution ne soit pas toxique, c'est-à-dire qu'il ne soit pas classé parmi les substances considérées comme cancérigènes, mutagènes et/ou toxiques pour la reproduction par le Règlement
(CE) n° 1272/2008 du Parlement Européen et du Conseil du 16 décembre 2008, et qu'il présente, par ailleurs, un PRG faible, c'est-à-dire typiquement au plus égal à 500.
Des gaz qui présentent l'ensemble de ces propriétés sont, par exemple, l'air, de préférence sec (PRG de 0), l'azote (PRG de 0), le protoxyde d'azote (PRG de 310), le dioxyde de carbone (PRG de 1), les mélanges de dioxyde de carbone et d'oxygène dans un rapport volumique allant de 90/10 à 97/3, et des mélanges de ces différents gaz.
De préférence, le gaz de dilution est de l'air, de préférence sec, du dioxyde de carbone ou un mélange de ceux-ci.
L'invention a également pour objet un appareil électrique moyenne ou haute tension, qui comprend une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un mélange comprenant une fluorocétone et un gaz vecteur pour l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cet appareil, caractérisé en ce que la fluorocétone est la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et est présente dans le mélange en un pourcentage molaire au moins égal à 95% du pourcentage molaire M déterminé par la formule (I) ci-après :
M = (Pc5K/Pmélange) X 100 (I)
dans laquelle :
- Pméiange représente la pression, exprimée en kilopascals, du mélange à
20°C dans l'appareil électrique ; et
- Pc5K représente la pression, exprimée en kilopascals, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente la décafluoro-2-méthylbutan- 3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, PCSK étant déterminée par la formule (II) ci-après :
PCSK = (PVSCSK x 293)/Tminimaie (II) dans laquelle :
* PVSCSK représente la pression de vapeur saturante de la décafluoro- 2-méthylbutan-3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en kilopascals ; et
* Tminimaie représente la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en Kelvins.
Les caractéristiques du mélange comprenant C5K et le gaz vecteur qui est présent dans cet appareil sont telles que précédemment décrites à propos de l'utilisation de ce mélange. Conformément à l'invention, cet appareil électrique peut être, en premier lieu, un transformateur électrique à isolation gazeuse comme, par exemple, un transformateur d'alimentation 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.
Enfin, il peut aussi être un appareil électrique de connexion/ déconnexion (aussi appelé appareil de coupure) comme, par exemple, un disjoncteur, un interrupteur, un sectionneur, un combiné interrupteur-fusibles, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi, toutefois, que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne constitue en aucune manière une limitation de cet objet.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 illustre, sous la forme d'une courbe, l'évolution de la rigidité diélectrique normalisée d'un mélange de C5K et de C02 en fonction du pourcentage molaire de C5K que présente ce mélange.
La figure 2 illustre, sous la forme d'une courbe, l'évolution de la rigidité diélectrique normalisée d'un mélange de C5K et d'air sec en fonction du pourcentage molaire de C5K que présente ce mélange.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2 qui illustrent, sous la forme de courbes, l'évolution de la rigidité diélectrique normalisée de mélanges composés respectivement de C5K et de CO2 (figure 1), et de C5K et d'air sec (figure 2) en fonction du pourcentage molaire de C5K que présentent ces mélanges.
Dans ce qui précède et ce qui suit, on entend par « rigidité diélectrique normalisée » d'un mélange composé de C5K et d'un gaz vecteur ou gaz de dilution, la rigidité diélectrique que présente ce mélange rapportée à celle que présente le gaz vecteur ou gaz de dilution lorsque ce gaz est utilisé seul dans les mêmes conditions.
L'évolution de la rigidité diélectrique normalisée qui est illustrée sur les figures 1 et 2 traduit donc le gain, en termes de rigidité diélectrique, qui est directement lié à l'augmentation du pourcentage molaire de C5K que présentent les mélanges C5K/C02 (figure 1) et C5K/air sec (figure 2).
Il est à noter que les valeurs de rigidité diélectrique indiquées sur les figures 1 et 2 sont données pour une configuration de champ électrique homogène.
En combinant les données du tableau I ci-avant et les données des figures 1 et 2, on peut donc prévoir que, pour un appareil électrique dont la température minimale d'utilisation sera de -30°C, l'utilisation de mélanges C5K/C02 et C5K/air sec présentant une pression égale à 100, 200, 300, 400 ou 500 kPa à 20°C et une pression partielle de C5K de 12,7 kPa à 20°C (c'est-à-dire correspondant la valeur de PCSK indiquée dans le tableau I ci-avant pour une température de -30°C), conduira aux valeurs de rigidité diélectrique normalisée indiquées dans le tableau II ci-après.
Tableau II
Rigidité diélectrique
Pression du Pression Pourcentage normalisée mélange à partielle de molaire de Mélange
Mélange
20°C C5K à 20°C C5K C5K/air
C5K/C02
sec
100 kPa 12,7% 2,1 2,4
200 kPa 6,4% 1,7 2,0
12,7 kPa
300 kPa 4,2% 1,5 1,8
400 kPa 3,2% 1,4 1,6 500 kPa 2,5% 1,3 1,5
De la même manière, on peut prévoir que, pour un appareil électrique dont la température minimale d'utilisation sera de -15°C, l'utilisation de mélanges C5K/C02 et C5K/air sec présentant une pression égale à 100, 200, 300, 400 ou 500 kPa à 20°C et une pression partielle de C5K égale à 24,7 kPa à 20°C (c'est-à-dire correspondant la valeur de PCSK indiquée dans le tableau I ci-avant pour une température de -15°C), conduira aux valeurs de rigidité diélectrique normalisée indiquées dans le tableau III ci-après.
Tableau III
Figure imgf000013_0001
On peut également prévoir que, pour un appareil électrique dont la température minimale d'utilisation sera de -5°C, l'utilisation de mélanges C5K/C02 et C5K/air sec présentant une pression égale à 100, 200, 300, 400 ou 500 kPa à 20°C et une pression partielle de C5K égale à 36,7 kPa à 20°C (c'est-à- dire correspondant la valeur de PCSK indiquée dans le tableau I ci-avant pour une température de -5°C), conduira aux valeurs de rigidité diélectrique normalisée indiquées dans le tableau IV ci-après. Tableau IV
Figure imgf000014_0001
Exemple 1 : Application à la moyenne tension :
On remplit d'un mélange de C5K et de C02 deux appareils de type GIS (« Gas Insulated Switchgear ») - ci-après appareils 1 et 2 - de 24 kV de tension assignée et qui sont destinés à être utilisés à une température minimale de - 15°C.
L'appareil 1 a une structure strictement identique à celle que présente l'appareil qui est commercialisé sous la référence FBX 24 kV par Schneider Electric et qui est rempli, dans sa version commerciale actuelle, de SF6 à une pression de 130 kPa.
L'appareil 2 diffère de l'appareil 1 en ce que ses dérivations ont été gainées, par une gaine thermorétractable permettant d'éviter les amorçages entre ces dernières et en ce qu'on lui a rajouté un répartiteur de champ électrique.
Les appareils 1 et 2 étant destinés à être utilisés à une température minimale de -15°C, leur remplissage par le mélange C5K/C02 est réalisé de sorte que :
- la pression totale du mélange C5K/C02 soit égale dans ces appareils à 130 kPa à 20°C ; - la pression partielle de C5K soit égale dans ces appareils à
24,7 kPa à 20°C ;
ce qui donne un pourcentage molaire de C5K égal à 19%.
Pour réaliser ce remplissage, chaque appareil est tout d'abord placé dans un caisson étanche, puis on fait le vide (0 - 0,1 kPa) à la fois à l'intérieur de l'appareil et entre l'appareil et la paroi du caisson de sorte à éviter que les parois de l'appareil ne se déforment.
On commence par tapisser de C5K la paroi interne de la cuve de l'appareil en injectant dans cette cuve de 0,3 à 1 kPa et, mieux encore, de 0,3 à 0,5 kPa de CK5 pur en utilisant la sortie « gaz » d'un réservoir de C5K qui possède une sortie « gaz » et une sortie « liquide » et que l'on a préalablement légèrement chauffé pour accélérer le débit d'écoulement du C5K.
Puis, on poursuit le remplissage de la cuve au moyen d'un mélangeur de gaz muni de deux bulleurs, en maintenant le rapport entre les pressions à 20°C du C5K et du C02 à 19% pendant tout le remplissage grâce à l'utilisation d'un débitmètre massique de précision. Pendant cette opération, la C5K est placée dans les deux bulleurs qui sont traversés par le C02 sous pression afin d'atteindre la pleine saturation.
Les appareils 1 et 2 ainsi remplis sont ensuite soumis à des essais de tenue diélectrique :
- sous choc de foudre (onde de 1,2 - 50 μ8) entre phase et terre ;
- sous choc de foudre (onde de 1,2 - 50 μ8) sur la distance de fonctionnement ;
- à la fréquence industrielle (50 Hz - 1 min) entre phase et terre ; et
- à la fréquence industrielle (50 Hz - 1 min) sur la distance de fonctionnement.
Tous ces essais sont réalisés conformément à la norme CEI 62271-200, à température ambiante et à -15°C (les appareils 1 et 2 étant dans ce dernier cas placés dans une enceinte réfrigérée). Les résultats de ces essais sont présentés dans le tableau V ci- après.
A titre de comparaison, sont également indiquées dans ce tableau les tenues diélectriques obtenues dans les mêmes conditions pour le FBX 24 kV tel que commercialisé.
Tableau V
Figure imgf000016_0001
Ce tableau montre qu'un appareil électrique moyenne tension, qui est rempli d'un mélange C5K/C02 dans un rapport molaire de 19/81, présente, dans la gamme de températures allant de -15°C à +50°C, des performances équivalentes, en termes de tenue diélectrique, à celles que présente le même appareil lorsqu'il est rempli de SF6 à la même pression, sauf en ce qui concerne la tenue diélectrique sous choc de foudre entre phase et terre.
Toutefois, ils montrent également qu'il suffit d'apporter à cet appareil quelques modifications structurelles mineures telles qu'un gainage de ses dérivations et l'ajout d'un répartiteur de champ électrique pour qu'il présente également une tenue diélectrique au choc de foudre entre phase et terre équivalente à celle que présente le même appareil lorsqu'il est rempli de SF6 à la même pression.
L'appareil 1 est également soumis à des essais d'échauffement que l'on réalise conformément à la norme CEI 62271-200. Ces essais montrent que, lorsque cet appareil est traversé par un courant permanent de 630 A RMS, les échauffements maximum mesurés au niveau des contacts électriques (qui représentent les points les plus chauds) ne sont supérieurs que de 1% à ceux obtenus, dans les mêmes conditions, pour le FBX 24 kV tel que commercialisé, ce qui est tout à fait acceptable.
A titre de comparaison, un appareil de structure identique à celle que présente le FBX 24 kV mais qui est rempli de C02 pur présente, lui, des échauffements maximum qui sont supérieurs de 7,8% à ceux obtenus pour le FBX 24 kV tel que commercialisé.
L'appareil 1 est en outre soumis à des essais de coupure que l'on réalise conformément à la norme CEI 60265-1.
Ces essais montrent qu'il est possible de réaliser, avec cet appareil, plus de 100 coupures pour un courant de 400 ampères, sous une tension assignée de 24 kV et avec un facteur de puissance de 0,7.
Ces résultats étant moins bons que ceux obtenus avec le FBX
24 kV tel que commercialisé puisque ce dernier permet de réaliser plus de 100 coupures mais pour un courant de 630 ampères, sous une tension assignée de 24 kV et avec un facteur de puissance de 0,7, on renouvelle les essais de coupure sur l'appareil 1 après avoir placé une pièce (rondelle) en matériau gazogène au contact des contacts électriques fixes de l'interrupteur, en l'espèce du PTFE chargé en CeF3 à 5% massique, dans la chambre de coupure de cet appareil.
Il est alors possible de réaliser avec cet appareil plus de 100 coupures pour un courant de 630 ampères, sous une tension assignée de 24 kV et avec un facteur de puissance de 0,7.
II suffit donc, là également, d'apporter à l'appareil 1 une modification structurelle mineure telle que l'ajout d'un matériau gazogène du type polymère fluoré (par exemple, PFA, FEP ou PTFE) additionné d'une charge fluorée (par exemple, CaF2, CeF3, CeF4 ou MgF2) pour que cet appareil présente des performances équivalentes, en terme de coupure, à celles que présente le même appareil lorsqu'il est rempli de SF6 à la même pression. Exemple 2 : Application à la haute tension :
On remplit d'un mélange de C5K et d'air sec un appareil de type GIS - ci-après appareil 3 - de 145 kV de tension assignée et qui est destiné à être utilisé à une température minimale de -30°C.
L'appareil 3 a une structure strictement identique à celle que présente l'appareil qui est commercialisé par Alstom Grid sous la référence B65 et qui est rempli, dans sa version commerciale actuelle, de SF6.
L'appareil 3 étant destiné à être utilisé à une température minimale de -30°C, son remplissage par le mélange C5K/air sec est réalisé de sorte que :
- la pression totale du mélange C5K/air sec soit égale dans cet appareil à 500 kPa à 20°C ;
- la pression partielle de C5K soit égale dans cet appareil à
12,7 kPa à 20°C ;
ce qui donne un pourcentage molaire de C5K égal à 2,54%.
Le remplissage de l'appareil 3 par le mélange C5K/air sec est réalisé en suivant le même protocole que celui décrit dans l'exemple 1 à ceci près qu'on utilise de l'air sec à la place du C02 et que l'on utilise un rapport entre les pressions à 20°C du C5K et de l'air sec égal à 2,5%.
L'appareil 3 ainsi rempli est ensuite soumis à des essais de tenue diélectrique à température ambiante sous chocs de foudre (onde de 1,2 - 50 μ8) à onde positive et à onde négative conformément à la norme CEI 62271-1.
Les résultats de ces essais sont présentés dans le tableau VI ci- après.
A titre de comparaison, sont également indiquées dans ce tableau les tenues diélectriques obtenues dans les mêmes conditions pour un appareil de structure également identique à celle du B65 mais que l'on a rempli d'air sec à une pression de 500 kPa. Tableau VI
Figure imgf000019_0001
Ce tableau montre qu'un appareil haute tension, qui est rempli d'un mélange C5K/air sec dans un rapport molaire de 19/81, présente des performances, en termes de tenue diélectrique, bien supérieures à celles que présente le même appareil lorsqu'il est rempli d'air sec à la même pression.
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[2] EP-A-1 724 802.

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation d'un mélange comprenant une fluorocétone et un gaz vecteur comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique haute tension, caractérisée en ce que la fluorocétone est la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et est présente dans le mélange en un pourcentage molaire au moins égal à 95% du pourcentage molaire M déterminé par la formule (I) ci-après :
M = (Pc5K/Pmélange) X 100 (I)
dans laquelle :
- Pméiange représente la pression, exprimée en kilopascals, du mélange à 20°C dans l'appareil électrique ; et
- Pc5K représente la pression, exprimée en kilopascals, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente la décafluoro-2-méthylbutan- 3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, PCSK étant déterminée par la formule (II) ci-après :
PCSK = (PVSCSK x 293)/Tminimaie (II) dans laquelle :
* PVSCSK représente la pression de vapeur saturante de la décafluoro- 2-méthylbutan-3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en kilopascals ; et
* Tminimaie représente la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en Kelvins.
2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 95% et 130% du pourcentage molaire M.
3. Utilisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 99% et 110% du pourcentage molaire M.
4. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 95% et 100% du pourcentage molaire M.
5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le gaz vecteur est choisi parmi l'air, l'azote, le protoxyde d'azote, le dioxyde de carbone, les mélanges de dioxyde de carbone et d'oxygène dans un rapport volumique allant de 90/10 à 97/3, et les mélanges de ces gaz.
6. Appareil électrique haute tension, qui comprend une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un mélange comprenant une fluorocétone et un gaz vecteur pour l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cet appareil, caractérisé en ce que la fluorocétone est la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et est présente dans le mélange en un pourcentage molaire au moins égal à 95% du pourcentage molaire M déterminé par la formule (I) ci-après :
M = (Pc5K/Pmélange) X 100 (I)
dans laquelle :
- Pméiange représente la pression, exprimée en kilopascals, du mélange à 20°C dans l'appareil électrique ; et
- Pc5K représente la pression, exprimée en kilopascals, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente la décafluoro-2-méthylbutan- 3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, PCSK étant déterminée par la formule (II) ci-après :
PCSK = (PVSCSK x 293)/Tminimaie (II) dans laquelle :
* PVSCSK représente la pression de vapeur saturante de la décafluoro- 2-méthylbutan-3-one à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en kilopascals ; et * minimaie représente la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique, exprimée en Kelvins.
7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 95% et 130% du pourcentage molaire M.
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 99% et 110% du pourcentage molaire M.
9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la décafluoro-2-méthylbutan-3-one est présente dans le mélange en un pourcentage molaire qui est compris entre 95% et 100% du pourcentage molaire M.
10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le gaz vecteur est choisi parmi l'air, l'azote, le protoxyde d'azote, le dioxyde de carbone, les mélanges de dioxyde de carbone et d'oxygène dans un rapport volumique allant de 90/10 à 97/3, et les mélanges de ceux-ci.
11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il est un transformateur électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité ou un appareil électrique de connexion/déconnexion.
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