WO2015040069A1 - Appareil électrique moyenne ou haute tension à isolation gazeuse comprenant du dioxyde de carbone, de l'oxygène et de l'heptafluoroisobutyronitrile - Google Patents

Appareil électrique moyenne ou haute tension à isolation gazeuse comprenant du dioxyde de carbone, de l'oxygène et de l'heptafluoroisobutyronitrile Download PDF

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electrical apparatus
electrical
heptafluoroisobutyronitrile
gas
oxygen
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PCT/EP2014/069816
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Yannick Kieffel
Alain Girodet
Christophe Creusot
Jacques Porte
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Alstom Technology Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B—BOARDS, SUBSTATIONS OR SWITCHING ARRANGEMENTS FOR THE SUPPLY OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02B13/00—Arrangement of switchgear in which switches are enclosed in, or structurally associated with, a casing, e.g. cubicle
    • H02B13/02—Arrangement of switchgear in which switches are enclosed in, or structurally associated with, a casing, e.g. cubicle with metal casing
    • H02B13/035—Gas-insulated switchgear
    • H02B13/055—Features relating to the gas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/56—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20—Instruments transformers

Definitions

  • the invention belongs to the field of electrical insulation and extinction of electric arcs in medium or high voltage electrical equipment and in particular high voltage.
  • the present invention relates to the use in a high voltage electrical apparatus of a low environmental impact hybrid insulation based on a gaseous medium comprising heptafluoroisobutyronitrile and a particular neutral gas mixture namely a mixture of carbon dioxide and oxygen as the electrical isolation gas and / or electric arc extinguishing.
  • This insulation based on a mixture of ternary gas can optionally be combined with a solid insulation of low dielectric permittivity applied in low or thick layer on the conductive parts subjected to an electric field greater than the breakdown field of the system without solid insulation .
  • This electrical apparatus can in particular be an electrical transformer such as a power or measurement transformer, a gas-insulated line (or LIG) for the transmission or distribution of electricity, a busbar or an electrical appliance.
  • connection / disconnection also called a switchgear
  • MALT earthing switch
  • SF6 has the major disadvantage of having a Global Warming Potential (GWP) of 22,200 (relative to CO2 over 100 years) and a residence time in the atmosphere of 3,200 years , which places it among the gases with strong greenhouse effect. SF6 was therefore included in the Kyoto Protocol (1997) on the list of gases whose emissions must be limited.
  • GWP Global Warming Potential
  • SF6 is to limit the use of this gas, which led the industry to look for alternatives to SF6.
  • So-called "simple" gases such as air or nitrogen, which do not have a negative impact on the environment, have much lower dielectric strength than SF6.
  • the dielectric strengths in AC voltage (50 Hz) of air and nitrogen are substantially three times lower than that of SF6. Therefore, the use of these simple gases for electrical insulation and / or arc extinguishing in electrical substation apparatus involves drastically increasing the volume and / or the filling pressure. of these devices, which goes against the efforts that have been made in recent decades to develop compact electrical devices, safe for staff and increasingly small.
  • a mixture of SF6 and nitrogen in a volume ratio of 10/90 has a dielectric strength in alternating voltage (50 Hz) equal to 59% of that of SF6 but its GWP is 8,650.
  • Such mixtures can not therefore be used as a low environmental impact gas.
  • Perfluorocarbons (C n F2n + 2 and C-C4F8) have, in general, dielectric strengths interesting but their PRG typically fall in a range from 5,000 to 10,000 (6,500 for CF 4 , 7,000 for C 3 F 8 and C 4 Fio, 8,700 for C-C4F8, 9,200 for C2F6 ).
  • US Patent 4,547,316, [2] aims to provide an insulating gas mixture for electrical devices and having significant insulating properties and with moderate toxicity for humans and animals, compared to C2F5CN.
  • the proposed gas mixture comprises C2F5CN and an alkyl nitrite more particularly selected from the group consisting of methyl nitrite, ethyl nitrite, propyl nitrite, butyl nitrite and amyl nitrite.
  • Such a mixture may further include SF6.
  • little information about the insulating properties of this mixture is provided.
  • CF3I trifluoroiodomethane
  • VME mean exposure value
  • hybrid insulation systems combining gas insulation, for example by dry air, nitrogen or CO2, with solid insulation.
  • this solid insulation consists, for example, in covering the live parts which have a high electrical gradient by an epoxy resin or the like. , which reduces the field to which live parts are subjected.
  • the inventors have therefore set themselves the general goal of finding an alternative to SF6 having a low environmental impact compared to an apparatus identical to SF6 while maintaining the characteristics of the apparatus, from the point of view of its insulating and cutting capacity, close to those of SF6 without significantly increasing the size of the device and the pressure of the gas inside.
  • the inventors have set themselves the goal of maintaining the operating temperature ranges of the electrical apparatus, close to those of SF6 equivalent apparatus, without external heating means.
  • the inventors have set themselves the goal of finding an insulation system comprising at least one gas or a mixture of gases which, while having electric insulation and electric arc extinguishing properties sufficient for an application in the field of high voltage electrical equipment and in particular comparable to those of SF6, has a low or no impact on the environment.
  • the medium or high voltage electrical equipment based on this insulation system and in particular the gas or gas mixture has a size and pressure close to equivalent devices insulated with SF6 and does not present liquefaction at the minimum temperature of use without the addition of an external heating source.
  • the insulating system used in the context of the present invention is based on a gaseous medium comprising heptafluoroisobutyronitrile mixed with carbon dioxide and oxygen in a small quantity as electrical isolation gas and / or extinguishing arcing in a medium or high voltage electrical device.
  • the present invention proposes a medium or high voltage electrical apparatus comprising a sealed enclosure in which there are electrical components and a gaseous mixture ensuring electrical insulation and / or extinguishing of the electric arcs likely to occur. produce in this chamber, the gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen in a small amount.
  • the gaseous insulation implements a gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen in a small amount.
  • the relative dielectric strength of the heptafluoroisobutyronitrile of formula (I), normalized with respect to 2 and compared with that of the different gases used and that of SF6, is given in Table I below, said dielectric strength being measured at atmospheric pressure, under continuous tension, between two steel electrodes 2.54 cm in diameter and spaced 0.1 cm.
  • Table II shows the relative dielectric strength of the different gases studied, normalized with respect to the gas that one wishes to replace ie SF6.
  • the heptafluoroisobutyronitrile of formula (I) as previously defined which is neither toxic, nor corrosive, nor flammable and which has a low GWP compared to that of SF6, is provided with electrical insulation properties and extinction of electrical arcs suitable to allow it to replace in mixture with a dilution gas, SF6 as gas isolation and / or arc extinguishing in electrical appliances of medium or high voltage.
  • the present invention provides a gaseous insulation with low environmental impact comprising a gaseous mixture with low environmental impact (low GWP with respect to SFe) compatible with the minimum operating temperatures of the electrical equipment and having dielectric properties, improved cut-off and heat dissipation compared to conventional gases such as CO2, air or nitrogen.
  • a gaseous insulation with low environmental impact comprising a gaseous mixture with low environmental impact (low GWP with respect to SFe) compatible with the minimum operating temperatures of the electrical equipment and having dielectric properties, improved cut-off and heat dissipation compared to conventional gases such as CO2, air or nitrogen.
  • “Medium voltage” and “high voltage” are used in their usual acceptance that the term “medium voltage” refers to a voltage that is greater than 1,000 volts AC and 1,500 volts DC but does not exceed not 52,000 volts AC and 75,000 volts DC, while the term “high voltage” means a voltage that is strictly greater than 52,000 volts AC and 75,000 volts DC.
  • “medium voltage” refers to a voltage that is greater than 1,000 volts AC and 1,500 volts DC but does not exceed not 52,000 volts AC and 75,000 volts DC
  • high voltage means a voltage that is strictly greater than 52,000 volts AC and 75,000 volts DC.
  • the dilution gases usually used are neutral gases whose GWP is very low or even zero. Also, the dilution gas is, typically, carbon dioxide whose GWP is equal to 1.
  • the ternary gas mixture used in the context of the present invention improves both (i) the electrical insulation used to keep the existing tanks of the compartments operating with SF6 and (ii) the breaking performance, in particular for the earthing switch compartments (MALT) and circuit breaker.
  • Oxygen is used in the context of the present invention in a small amount.
  • small amount is meant in the context of the present invention oxygen present in the gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen in a molar percentage of between 1 and 25%, especially between 2 and 15% and in particular between 2 and 10%.
  • heptafluoroisobutyronitrile as defined above is present, in the gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen, in a molar percentage (Mhe) which is at least equal to 80% of the percentage molar M, determined by the formula (II):
  • PVShe (PVShe x 293) / (T min + 273) (III) in which PVShe represents the saturated vapor pressure of heptafluoroisobutyronitrile as previously defined at the minimum temperature T m in, expressed in degrees Celsius, of use of the electrical apparatus.
  • the dielectric properties of the gaseous medium are the highest possible and are closest to those of SF6.
  • the minimum use temperature T m in is chosen from 0 ° C, -5 ° C, -10 ° C, -15 ° C, -20 ° C, -25 ° C , -30 ° C, -35 ° C, -40 ° C, -45 ° C and -50 ° C and, in particular, selected from 0 ° C, -5 ° C, -10 ° C, -15 ° C , -20 ° C, -25 ° C, -30 ° C, -35 ° C and -40 ° C.
  • the electrical apparatus is a medium voltage or high voltage device for which the partial presence of the mixture in the liquid state is not likely to reduce the insulation.
  • the electrical apparatus is a medium voltage or high voltage device for which the partial presence of the mixture in the liquid state is not likely to reduce the insulation.
  • the heptafluoroisobutyronitrile is present in a molar percentage Mhe, greater than the molar percentage M.
  • the molar percentage of the heptafluoroisobutyronitrile is, typically, between 95% and 130%, better still between 97% and 120%, ideally between 99% and 110% of the molar percentage M as previously defined.
  • the dielectric strength of the apparatus will be tested at a partial pressure of heptafluoroisobutyronitrile in the gaseous mixture for which the gas does not exhibit liquefaction at the minimum service temperature in order to validate the dielectric strength of said apparatus on the its entire temperature range.
  • the electrical apparatus is a medium or high voltage apparatus in which the insulation can be affected by the presence of liquid phase.
  • the heptafluoroisobutyronitrile / diluent gas mixture it is desirable for the heptafluoroisobutyronitrile / diluent gas mixture to be exclusively or almost exclusively in the gaseous state throughout the range of use temperatures of this apparatus. It is therefore advantageous for heptafluoroisobutyronitrile to be present in this mixture in a molar percentage (Mhe) which does not exceed 100% of the molar percentage M in order not to present a liquefaction phase at the minimum temperature of use.
  • the molar percentage of the heptafluoroisobutyronitrile is advantageously between 95% and 100% and, in particular, between 98% and 100% of the molar percentage M as previously defined.
  • the gaseous mixture comprises only heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen, in the proportions as previously defined.
  • the gaseous mixture is constituted of heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen, in the proportions as previously defined.
  • the gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen is used, in a hybrid insulation system, in combination with a solid insulation, in particular of low dielectric permittivity, applied in an insulating layer of variable thickness on the conductive parts subjected to an electric field greater than the breakdown field of the medium or high voltage device without solid insulation.
  • the medium or high voltage electrical apparatus has electrical components which are not covered with a solid dielectric layer.
  • the dielectric / insulating layer implemented in the invention has a low relative permittivity.
  • ⁇ corresponds to the absolute permittivity (expressed in Farads / meter) of the material
  • C corresponds to the capacitance (expressed in Farads) of a plane capacitor comprising two parallel electrodes between which is disposed a layer of the material for which it is desired to determine the permittivity, this layer representing a specimen;
  • e is the distance (in meters) between the two parallel electrodes of the plane capacitor, which corresponds, in our case, to the thickness of the specimen;
  • S corresponds to the area (expressed in square meters) of each constituent electrode of the plane capacitor.
  • the capacitance is determined as in the IEC 60250-edl.O standard, namely by using a capacitor comprising two circular electrodes with a diameter ranging from 50 to 54 mm, integral with the test piece constituted of the material, these electrodes being obtained by spraying a conductive paint with a guard.
  • the test piece has dimensions of 100 mm x 100 mm and a thickness of 3 mm. The distance between the electrodes of the capacitor, which corresponds to the size e mentioned above, so is 3 mm.
  • the capacitance is determined under an excitation level of 500 volts RMS, at a frequency of 50 hertz, at a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50%.
  • the duration of application of the above-mentioned voltage is 1 min.
  • the term "insulating layer / dielectric of variable thickness” means that the dielectric material, deposited or applied to the electrical components or conductive parts, has varying thicknesses depending on the conductive part or part thereof. conductive part on which it is deposited. The thickness of the layer does not vary during use of the electrical apparatus but is determined during the preparation of the elements constituting this apparatus.
  • the insulating layer is applied as a low or thick layer on the conductive parts subjected to an electric field greater than the breakdown field of the system without solid insulation.
  • the thick layers (6) are typically deposited on the electrodes (5) at the point where the electric field utilization coefficient is close to 0.3 and the thin layers (7) on the electrodes (5). conductors (1) where the electric field duty cycle is greater than 0.6.
  • the term “thick layer” means a layer with a thickness greater than 1 mm and less than 10 mm and “thin layer” a layer with a thickness of less than 1 mm, advantageously less than 500 ⁇ m. , in particular between 60 and 100 pm.
  • the solid insulating layer implemented in the context of the present invention may comprise a single dielectric material or several different dielectric materials.
  • the composition of the insulating layer i.e. the nature of the dielectric material or materials it comprises may differ depending on the conductive part or part of the conductive part on which the solid insulating layer is deposited.
  • the materials selected to produce the thick insulating layers have low relative permittances i.e., less than or equal to 6.
  • the dielectric inductivity of insulating materials used to make thick solid layers have relative permittivities of the order of 3, or even lower than relative permittivities lower than or equal to 4 and in particular less than or equal to 3.
  • solid and thick of the electrical apparatus include polytetrafluoroethylene, polyimide, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polysulfone, polyetherimide, polyether ether ketone, parylene N TM, Nuflon TM, silicone and epoxy resin.
  • the materials selected in the context of this invention have relative permittivities of the order of 3 i.e. between 2 and 4 and in particular between 2.5 and 3.5.
  • materials that can be used for producing the dielectric layers, solid and thin, of the electrical apparatus according to the invention mention may be made of polytetrafluoroethylene, polyimide, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, Ethylene Monochlorotrifluoroethylene, Parylene N TM, Nuflon TM, HALAR TM and HALAR C TM.
  • 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.
  • 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.
  • connection / disconnection also called apparatus or cutoff chamber
  • a circuit breaker such as a circuit breaker of the "dead tank” type, a puffer circuit breaker ("puffer” or “self choke”). blast "), a dual arc movement self-blast circuit-breaker, a thermal-effect self-blast circuit breaker in one-touch arc contact, a thermal-blast self-blast circuit breaker with partial movement of the contact pin, a switch, a switch such as an AIS for "Air-Insulated Swithgear” or a GIS for "Gas-Insulated Swithgear", a switch-fuse, an earthing switch or a contactor.
  • FIG. 1 shows a GIS disconnector well known to those skilled in the art with MALT contacts and disconnector contacts and comprising an insulating cone (1), two permanent contacts (2 and 3), a cone electrode ( 4), a MALT operating rod (5), an insulating rod (6), a fixed arc contact (7) and a contact tube (8).
  • FIG 2 there is shown a permanent contact cutoff chamber 9a, 9b and two movable arcing contacts, that is to say both in the form of a tulip, and that 11 in the form of a rod.
  • This interrupting chamber is called double-movement because the two arcing contacts 10, 11 are connected together by coupling means 12, 13 and 14 so as to be movable together in opposite directions.
  • 1 lever 14 is fixed to the movable blowing nozzle 15 and transmits motion in the opposite direction, through the 2nd lever which constitutes the shift lever 13 to the third lever 12.
  • the gas present in the compression volume 16 is compressed by the blowing piston 17 integral with the arc contact 10 in the form of a tulip and the permanent contact 9b, and is discharged by the valve 18 to the blast volume 19 and contributes by following the extinction of the electric arc.
  • the present invention also relates to the use of a gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen in small quantities as electric insulation gas and / or electric arc extinguishing in an electrical appliance medium or high voltage whose electrical components may further be covered with a solid insulating layer of varying thickness as previously defined.
  • Figure 1 shows a longitudinal sectional view of a GIS disconnector.
  • Figure 2 shows a longitudinal sectional view of a cutting chamber of a dual-puff breaker of the arc contacts.
  • FIG. 3 shows, as a function of the oxygen content, the electrical resistance of mixtures comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen at an application temperature of -30 ° C.
  • FIG. 4 shows, as a function of the oxygen content, the relative electrical resistance of mixtures comprising heptafluoroisobutyronitrile, carbon dioxide and oxygen, with respect to a mixture containing only heptafluoroisobutyronitrile and dioxide; of carbon for an application temperature of -30 ° C.
  • Figure 5 shows the electric field profile in the solid insulating layer and the gas phase for a relative permittivity of 2.9 and 5.3.
  • Figure 6 shows a schematization of a portion of an electrical apparatus according to the present invention.
  • the invention is based on the use of a particular low environmental impact gas mixture combining heptafluoroisobutyronitrile as previously defined and used with at least one dilution gas, also called neutral gas or buffer gas, consisting of carbon dioxide and oxygen.
  • a particular low environmental impact gas mixture combining heptafluoroisobutyronitrile as previously defined and used with at least one dilution gas, also called neutral gas or buffer gas, consisting of carbon dioxide and oxygen.
  • dilution gas As used herein, the terms “dilution gas”, “neutral gas” or “buffer gas” are equivalent and may be used interchangeably.
  • the heptafluoroisobutyronitrile is present in the electrical apparatus in completely gaseous form regardless of the temperature of use of this apparatus.
  • the pressure of the heptafluoroisobutyronitrile within the electrical apparatus should therefore be selected according to the saturated vapor pressure (PVS) that heptafluoroisobutyronitrile exhibits at the lowest temperature of use of said apparatus.
  • PVS saturated vapor pressure
  • the pressure of the heptafluoroisobutyronitrile referred to for filling the electrical apparatus is the pressure corresponding to the PVS that the heptafluoroisobutyronitrile exhibits at the temperature the lowest use of said electrical apparatus, reduced to the filling temperature, for example 20 ° C,.
  • Table III indicates the saturation vapor pressures, denoted PVSI-C3F7CN and expressed in hectopascals, that heptafluoroisobutyronitrile exhibits at temperatures of 0 ° C., -5 ° C., -10 ° C. -15 ° C, -20 ° C, -25 ° C, -30 ° C and -40 ° C, as well as the pressures, denoted PI-C3F7CN and expressed in hectopascals, which correspond to these saturation vapor pressures brought back to 20 ° C.
  • the recommended pressure of filling in electrical insulation medium and / or extinction of electric arcs varies. It is, however, typically several bars (i.e. several thousand hectopascals).
  • Heptafluoroisobutyronitrile is used in admixture with carbon dioxide and various oxygen contents in order to obtain the recommended level of filling pressure.
  • an apparatus intended to be used at a minimum temperature of -30 ° C and to be filled to 5 bar (ie 5000 hPa) 20 ° C will be filled with 0.368 bar (ie 368 hPa) of heptafluoroisobutyronitrile and 4,632 bar (ie 4632 hPa) of the dilution gas for the same ambient temperature.
  • Such an apparatus is in particular a Alstom B65 commercial reference GIS 145 kV high-voltage apparatus designed for an application to
  • heptafluoroisobutyronitrile will be at a pressure of 0.368 bar absolute measured at 20 ° C.
  • a supplement of buffer gas will be made to obtain the final properties of the mixture gas. More particularly, in the context of the present invention, a supplement of CO2 is made to obtain the total pressure of the mixture. Part of the CO2 is substituted by oxygen to determine the contribution of oxygen to the total dielectric strength. Different molar ratios of oxygen are tested: 0%, 2%, 4%, 6%, 8% and 10%.
  • the molar percentage M in heptafluoroisobutyronitrile is determined at the filling pressure of the recommended electrical apparatus, which represents the maximum proportion of heptafluoroisobutyronitrile that the heptafluoroisobutyronitrile / (dioxide) mixture must contain. carbon + possibly oxygen) so that there is no liquid in the enclosure of the electrical apparatus.
  • Mhe is preferably chosen so that it is greater than or equal to 80% of M, more preferably greater than or equal to 95% of M, more preferably greater than or equal to 89% of M, example equal to 9 9% of M.
  • Example of filling for the 0% oxygen case (comparative example):
  • the partial pressure of heptafluoroisobutyronitrile being 0.368 bar absolute measured at 20 ° C and the total gas pressure of 5 bar absolute, the molar ratio of 1 -C3F 7CN is then 0.3368 / 5 or about 7.4 %.
  • a supplement is carried out with CO2 up to a total pressure of 5 bar absolute (4 bar relative).
  • the filling of the apparatus can be carried out by addition of gases starting with 1 -C3F 7CN which has the lowest saturating pressure vapor at the filling temperature (relative to CO2) and then carrying out the additional CO2 up to to reach the total pressure of the mixture (4 bar relative) or carried out using a gas mixer to control the ratio between the 1 -C3F 7CN and the CO2 carrier gas, this ratio being kept constant and equal to 7 , 4% pressure throughout filling thanks to the use of precision mass flowmeter.
  • the partial pressure of heptafluoroisobutyronitrile being 0.368 bar absolute measured at 20 ° C.
  • a supplement is made, firstly, with pure ⁇ ⁇ 2 at 0.1 bar absolute and then with CO2 to a total pressure of 5 bar absolute (4 bar relative).
  • the molar ratio of 1 -C 3 F 7 CN is then 0, 368/5 is about 7.4%; the molar ratio of O 2 of 0.1 / 5 is 2% and the molar ratio of CO2 of 4.53 / 5 is about 90.6%.
  • the filling of the apparatus can be carried out by addition of the gases starting with 1-C3F 7CN which has the lowest saturating pressure vapor at the filling temperature (with respect to CO2 and O2) supplemented first by oxygen for greater accuracy and then supplemented with CO2 until the total pressure of the mixture is reached (4 bar relative) or performed using a gas mixer to control the ratio of 1-C3F 7CN, ⁇ 2 and CO2, this ratio being kept constant and equal to 7.4% in pressure throughout the filling thanks to the use of precision mass flowmeter.
  • Table IV indicates the results obtained for a gaseous medium containing only CO2, dry air, that SF6 or a mixture of CO2 and hepta-fluoroisobutyronitrile (C02 / 1-C3F 7C) in a molar ratio of 7.4 / 92.6, for an identical total pressure, ie 4 bars relative.
  • the voltage U50 is reported which represents the voltage at which it occurred 50% of breakdown obtained by the method of rise descent and voltage U0 which is a withstand voltage (0% breakdown).
  • FIG. 3 shows, from certain results of Table V, the electrical resistance of the mixtures (1 -C3F 7CN + CO2 + optionally O2) as a function of the O2 content and this, for an application temperature of -30 ° C. vs.
  • Table VI shows, from the results of Table V, the relative dielectric strength relative to the mixture 1 -C3F 7CN + CO2.
  • FIG. 4 shows, from certain results of Table VI, the relative electrical resistance of the mixtures (1-C3F 7CN + CO2 + possibly O2) with respect to a mixture (1-C3F 7CN + CO2) as a function of the content of O2 for an application temperature of -30 ° C.
  • the improvement in electrical properties is notable for an oxygen content of 2 to 10% with optimum electrical properties for an addition of 2 to 6% and a center value of 4%.
  • the dielectric strengths on the reference gases (CO2, N2, SF6, CO2 / 1-C3F 7CN and on the mixture C02 / 1-C3F 7C / 4% v02 for a temperature application rates of -30 ° C were measured in industrial frequency as well as under lightning shock in positive and negative wave according to the standard 62271-1 in the same configurations (GIS 145 kV commercial reference B65 Alstom designed for an application at -30 ° C). The results are shown in Table VII below.
  • Heptafluoroisobutyronitrile has no specific toxicity for humans with an LC50 greater than 15000 ppm. Moreover, by a dilution of about 7% in CO2, the toxicity is again found to be reduced in the molar ratio or volume of mixture to reach an LC50 of the order of 70000 ppm for the and classifies it in the "practically non-toxic" gas field (toxicity class 5, according to the Hodge and Sterner toxicity scale). Flammability
  • the global warming potential, or PRG, of heptafluoroisobutyronitrile is of the order of 2,400, which is 9.5 times lower than that of SF6 and more than 3.1 times lower than that of a mixture of SF6. and nitrogen at 10% by volume of SF6.
  • Heptafluoroisobutyronitrile has a molar mass of 195 gr / mol.
  • the GWP of the gaseous mixture is calculated according to Regulation (EC) No. 842/2006 of the European Parliament and of the Council of 17 May 2006 on certain fluorinated greenhouse gases, Part 2 "Method of calculating the global warming potential ( PRG) total of a preparation ".
  • the PRG factor of a gaseous mixture is a weighted average with respect to the mass fraction of each substance multiplied by its PRG factor.
  • the gas is recovered by conventional recovery techniques using a compressor and a vacuum pump.
  • the heptafluoroisobutyronitrile is then separated from carbon dioxide and oxygen using a zeolite capable of trapping only the carbon dioxide and oxygen, of smaller size; alternatively, a selectively separated membrane releases carbon dioxide and oxygen and retains heptafluoroisobutyronitrile, the size and molecular weight of which are greater; any other option is possible.
  • the gaseous mixture presented above is used in combination with a solid insulation of low dielectric permittivity applied to conductive parts subjected to an electric field greater than the breakdown field of the system without solid insulation.
  • the solid insulation implemented in the context of the present invention is in the form of a layer whose thickness varies for a given electrical device.
  • the insulating layer used may have a small thickness (thin or thin layer) or a thick (thick layer).
  • This solution therefore makes it possible to significantly reduce the maximum electric field on the gas phase and thus to increase the electrical resistance of the so-called combined total insulation, which is composed in series of the solid insulation and the gas insulation.
  • This phenomenon of reduction of the electric field on the gaseous phase is more pronounced when the dielectric permittivity of the solid layer is low.
  • the hybrid insulation is composed of a solid spherical insulation of a thickness of 10 mm in combination with a gas insulation thickness of 15 mm, the total insulation being 25 mm.
  • the electric field calculation was performed for two different solid isolations with significantly different relative permittances, typically 5.3 and 2.9.
  • the reduction factor of the electric field on the gas phase is of the order of 15% for a solid insulation of dielectric permittivity 5.3 and of the order of 30% for a solid insulation of dielectric permittivity 2 9.
  • a material having a relative permittivity of the order of 3 or less will be preferred to achieve the thick layers on the electrodes.
  • the electrical apparatus partially shown schematically in Figure 6 has a metal enclosure (22) and an insulator (21) and electrical components comprising a conductor (20) and electrodes (24).
  • the hybrid insulation consists of a gaseous insulation consisting of a gaseous mixture under pressure (23) of heptafluoroisobutyronitrile, of CO2 and O2 as previously defined and by a solid insulation in the form of a thick dielectric layer (25) or a thin dielectric layer (26) as previously defined.
  • hybrid insulation comprising a C02 / i-C3F 7 C / O2 type gas insulator and in particular O2 at 4% v and a solid insulation in the form of a thick layer at low field strength factor and thin film locations at strong field enhancement factor locations, achieves SF6-equivalent total insulation with no significant increase in pressure and no change in minimum temperature of use .

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Abstract

La présente invention concerne un appareil électrique moyenne ou haute tension comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène en faibles quantités. Dans l'enceinte étanche de l'appareil électrique selon l'invention, peuvent se trouver des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable.

Description

APPAREIL ÉLECTRIQUE MOYENNE OU HAUTE TENSION
À ISOLATION GAZEUSE COMPRENANT DU DIOXYDE DE CARBONE, DE L'OXYGÈNE ET DE L'HEPTAFLUOROISOBUTYRONITRILE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention appartient au domaine de l'isolation électrique et de l'extinction des arcs électriques dans des appareils électriques moyenne ou haute tension et notamment haute tension.
Plus particulièrement, la présente invention concerne l'utilisation dans un appareil électrique haute tension d'une isolation hybride à faible impact environnemental basée sur un milieu gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile et un mélange de gaz neutres particulier à savoir un mélange de dioxyde de carbone et d'oxygène comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques.
Cette isolation à base d'un mélange de gaz ternaire peut éventuellement être combinée à une isolation solide de permittivité diélectrique faible appliquée en couche de faible ou forte épaisseur sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage du système sans isolation solide. L'épaisseur de la couche isolante étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, n, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (n = U/ (Emax*d) ) , la couche étant épaisse pour des facteurs d'utilisation proches de 0,3 et la couche étant fine pour des facteurs d'utilisation s 'approchant de 0,9.
Elle se rapporte également à un appareil électrique haute tension dans lequel l'extinction des arcs électriques est assurée par un milieu gazeux comprenant du dioxyde de carbone, de l'oxygène et de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et l'isolation électrique est assurée par le même gaz éventuellement en combinaison avec une isolation solide de permittivité diélectrique faible appliquée en couche de faible ou forte épaisseur sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage du système sans isolation solide. Cet appareil électrique peut notamment être un transformateur électrique tel qu'un transformateur de puissance 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 (MALT) ou un contacteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans les appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension, l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction d'arc électrique sont typiquement assurées par un gaz qui est confiné à l'intérieur de ces appareils. 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 ou GWP pour « Global Warming Potential ») de 22 200 (relativement au CO2 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 d'arc électrique dans des appareils électriques de sous- station implique d'augmenter de façon drastique le volume et/ou la pression de remplissage de ces appareils, ce qui va à l 'encontre des efforts qui ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour développer des appareils électriques compacts, sûrs pour le personnel et 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 8 650.
De tels mélanges ne sauraient donc être utilisés comme gaz à faible impact environnemental.
Il en est de même pour les mélanges décrits dans la demande de brevet européen publiée sous le n° 0 131 922, [1], et comprenant environ 60 à 99,5% molaire de SF6 et environ de 0,5 à 40% molaire d'un fluorocarbone saturé et notamment choisi parmi le C2F5CN, le CBrClF2 et le c-C4F8.
Les perfluorocarbones (CnF2n+2 et C-C4F8) présentent, d'une manière générale, des propriétés de tenue diélectrique intéressantes mais leurs PRG s'inscrivent typiquement dans une gamme allant de 5 000 à 10 000 (6 500 pour CF4, 7 000 pour C3F8 et C4Fio, 8 700 pour C-C4F8, 9 200 pour C2F6) .
A noter que le brevet US 4 547 316, [2], vise à fournir un mélange gazeux isolant pour dispositifs électriques et présentant d'importantes propriétés isolantes et avec une toxicité modérée pour les hommes et animaux, comparée au C2F5CN. Ainsi, le mélange gazeux proposé comprend du C2F5CN et un nitrite d'alkyle plus particulièrement choisi dans le groupe constitué par le nitrite de méthyle, le nitrite d'éthyle, le nitrite de propyle, le nitrite de butyle et le nitrite d'amyle. Un tel mélange peut en outre comprendre du SF6. Toutefois, peu d'informations quant aux propriétés isolantes de ce mélange sont fournies.
La demande internationale WO 2008/073790, [3], décrit nombre d'autres gaz diélectriques utilisables dans le domaine de l'isolation électrique et de l'extinction des arcs électriques dans des appareils électriques moyenne ou haute tension.
Il existe d'autres alternatives prometteuses d'un point de vue caractéristiques électriques et PRG, comme le trifluoroiodométhane (CF3I) . En effet, le CF3I présente une rigidité diélectrique supérieure à celle du SF6 et ce, aussi bien en champ homogène qu'en champ divergent, 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 .
La demande internationale WO 2012/080246, [4], décrit l'utilisation d'une (ou plusieurs) fluorocétone ( s ) en mélange avec l'air comme moyen d'isolation électrique et/ou d'extinction de l'arc électrique à faible impact environnemental. Du fait des points d'ébullition élevés pour les fluides proposés, c'est-à-dire 49°C pour le fluorocétone C6 et 23°C pour le fluorocétone C5, ces fluides se retrouvent à l'état liquide aux pressions et température minimales de service usuelles pour l'appareillage électrique moyenne et haute tension obligeant les inventeurs à ajouter des systèmes de vaporisation de la phase liquide ou de chauffage extérieur de l'appareillage afin de maintenir la température de l'appareil au-dessus de la température de liquéfaction des fluorocétones . Ce système extérieur de vaporisation et surtout de chauffe complique la conception de l'appareil électrique, en diminue sa fiabilité en cas de rupture d'alimentation électrique et engendre une consommation électrique additionnelle pouvant atteindre la centaine de MWh sur la durée de vie de l'appareil électrique, ce qui va à l 'encontre de l'objectif de réduction de l'impact environnemental de l'appareil et notamment la réduction des émissions carbone. Du point de vue fiabilité à basse température, en cas de rupture d'alimentation électrique à basse température, la phase gazeuse du fluorocétone ( s ) liquéfierait abaissant fortement la concentration en fluorocétone ( s ) dans le mélange gazeux et diminuant ainsi le pouvoir d'isolation de l'appareil, qui serait incapable de tenir la tension en cas de réalimentation électrique.
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 CO2, à une isolation solide. Comme décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le n° 1 724 802, [5], 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 d'un arc électrique sans
SF6, différentes solutions existent : coupure dans l'huile, coupure dans l'air ambiant, coupure avec ampoule à vide. Toutefois, les appareils avec 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 sect ionneurs , avec ampoule à vide sont très onéreux et très peu présents sur le marché dans le domaine de la haute tension supérieur à 72,5 kV.
Compte tenu de ce qui précède, les inventeurs se sont donc fixé pour but général de trouver une alternative au SF6 présentant un impact environnemental faible par rapport à un appareil identique au SF6 tout en maintenant les caractéristiques de l'appareil, du point de vue de sa capacité d'isolation et de coupure, proches de celles du SF6 sans augmenter, de manière significative, la taille de l'appareil et la pression du gaz à l'intérieur.
De plus, les inventeurs se sont fixé pour but de maintenir les plages de température de service de l'appareil électrique, proches de celles des appareils équivalents SF6 et ce, sans moyen de chauffe extérieur.
Plus spécifiquement, les inventeurs se sont fixé pour but de trouver un système d'isolation comprenant au moins un gaz ou un mélange de gaz qui, tout en présentant des propriétés d'isolation électrique et d'extinction d'arc électrique suffisantes pour une application dans le domaine de l'appareillage électrique haute tension et notamment comparables à celles du SF6, ait un impact sur l'environnement faible ou nul .
Ils se sont aussi fixé pour but que ce système d'isolation et notamment le gaz ou le mélange de gaz qu'il comprend ne soit pas toxique pour l'homme et les animaux .
Ils se sont encore fixé pour but que le système d'isolation et notamment le gaz ou le mélange de gaz ait un coût de fabrication ou d'achat compatible avec une utilisation à une échelle industrielle.
Ils se sont encore fixé pour but que l'appareillage électrique moyenne ou haute tension basé sur ce système d'isolation et notamment le gaz ou le mélange de gaz ait une taille et une pression proches d'appareils équivalents isolés au SF6 et ne présente pas de liquéfaction à la température minimale d'utilisation sans ajout de source extérieur de chauffage.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
Les buts fixés et d'autres encore sont atteints par l'invention qui propose l'utilisation d'un mélange gazeux particulier, éventuellement combiné à une isolation solide permettant d'obtenir un appareil électrique moyenne ou haute tension à faible impact environnemental .
Ainsi, le système isolant mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est basé sur un milieu gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile en mélange avec du dioxyde de carbone et de l'oxygène en faible quantité comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension.
De façon générale, la présente invention propose un appareil électrique moyenne ou haute tension comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène en faible quantité.
Dans l'appareil électrique selon la présente invention, l'isolation gazeuse met en œuvre un mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène en faible quantité.
L 'heptafluoroisobutyronitrile de formule (I) : ( CF3)2CFC (I), ci-après désigné 1 -C3F 7CN , correspond au 2 , 3 , 3 , 3-tétrafluoro-2-trifluorométhyl propanenitrile, de numéro CAS : 42532-60-5, présentant un point d'ébullition de -3,9°C à 1013 hPa (point d'ébullition mesuré selon ASTM D1120-94 "Standard Test Method for Boiling Point of Engine Codants") .
La tenue diélectrique relative de l'hepta- fluoroisobutyronitrile de formule (I), normalisée par rapport au 2 et comparée à celle des différents gaz utilisés et à celle du SF6 est donnée dans le Tableau I ci-après, ladite tenue diélectrique étant mesurée à pression atmosphérique, sous tension continue, entre deux électrodes en acier de diamètre 2,54 cm et espacées de 0,1 cm.
Figure imgf000012_0001
Tableau I
Le Tableau II ci-après reprend la tenue diélectrique relative des différents gaz étudiés, normalisée par rapport au gaz que l'on souhaite remplacer i.e. le SF6.
Figure imgf000012_0002
Tableau II Ainsi, l 'heptafluoroisobutyronitrile de formule (I) tel que précédemment défini, qui n'est ni toxique, ni corrosif, ni inflammable et qui présente un PRG faible par rapport à celui du SF6, est doté de propriétés d'isolation électrique et d'extinction des arcs électriques propres à lui permettre de remplacer en mélange avec un gaz de dilution, le SF6 comme gaz d'isolation et/ou d'extinction d'arc dans des appareils électriques de moyenne ou haute tension.
Plus particulièrement, la présente invention propose une isolation gazeuse à faible impact environnemental comprenant un mélange gazeux à faible impact environnemental (PRG faible par rapport au SFe) compatible avec les températures d'utilisation minimales de l'appareillage électrique et ayant des propriétés diélectriques, de coupure et de dissipation thermique améliorées par rapport aux gaz classiques comme le CO2, l'air ou l'azote.
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. Dans le cadre de l'invention,
1 'heptafluoroisobutyronitrile de formule (I) tel que précédemment défini est utilisé en mélange avec un gaz de dilution particulier qui répond aux quatre critères suivants :
(1) présenter une température d'ébullition très basse, inférieure à la température minimale d'utilisation de l'appareil ;
(2) présenter une rigidité diélectrique supérieure ou égale à celle du dioxyde de carbone dans des conditions d'essai identiques (même appareillage, même configuration géométrique, mêmes paramètres opératoires, ...) à celles utilisées pour mesurer la rigidité diélectrique du dioxyde de carbone ;
(3) être dénué de toxicité pour l'homme et les animaux ; et
(4) présenter un PRG plus faible que celui de l 'heptafluoroisobutyronitrile de sorte que la dilution de l 'heptafluoroisobutyronitrile par le gaz de dilution ait également pour effet d'abaisser l'impact environnemental de l 'heptafluoroisobutyronitrile puisque le PRG d'un mélange gazeux est une moyenne pondérée, dérivée de la somme de la fraction de masse de chacune des substances multipliée par le PRG de chacun des composants.
Les gaz de dilution habituellement utilisés sont des gaz neutres dont le PRG est très faible, voire nul. Aussi, le gaz de dilution est, typiquement, du dioxyde de carbone dont le PRG est égal à 1.
Dans le cadre de la présente invention, les inventeurs ont trouvé que l'ajout de quelques pourcents d'oxygène (O2, GWP = 0) au mélange
(heptafluoroisobutyronitrile + dioxyde de carbone) permet d'obtenir une synergie des propriétés d'isolation du mélange gazeux total (cf. Tableau VII ci-après ) .
De plus, le mélange de gaz ternaire mis en œuvre dans le cadre de la présente invention améliore à la fois (i) l'isolation électrique permettant de conserver les cuves existantes des compartiments fonctionnant en SF6 et (ii) la performance de coupure notamment pour les compartiments sectionneur de mise à la terre (MALT) et disjoncteur.
L'oxygène est utilisé, dans le cadre de la présente invention, en une faible quantité. Par « faible quantité », on entend dans le cadre de la présente invention de l'oxygène présent dans le mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène en un pourcentage molaire compris entre 1 et 25%, notamment entre 2 et 15% et, en particulier entre 2 et 10%.
De plus, 1 'heptafluoroisobutyronitrile tel que précédemment défini est présent, dans le mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène, en un pourcentage molaire (Mhe) qui est au moins égal à 80% du pourcentage molaire M, déterminé par la formule (II) :
M = (Phe/Pmélange) X 100 (II) dans laquelle Pméiange représente la pression totale du mélange à 20°C dans l'appareil électrique et Phe représente la pression partielle, exprimée dans la même unité, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente l 'heptafluoroisobutyronitrile tel que précédemment défini à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique.
La pression Phe est, elle-même, approximée par la formule (III) :
Phe = (PVShe x 293)/(Tmin + 273) (III) dans laquelle PVShe représente la pression de vapeur saturante de 1 'heptafluoroisobutyronitrile tel que précédemment défini à la température minimale Tmin, exprimée en degrés Celsius, d'utilisation de l'appareil électrique .
Ainsi, les propriétés diélectriques du milieu gazeux sont les plus élevées possibles et se rapprochent au mieux de celles du SF6.
Avantageusement, dans le cadre de la présente invention, la température minimale d'utilisation Tmin est choisie parmi 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, -35°C, -40°C, -45°C et -50°C et, en particulier, choisie parmi 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, -35°C et -40°C.
Dans une lère forme de mise en œuvre, l'appareil électrique est un appareil moyenne tension ou haute tension pour lequel la présence partielle du mélange à l'état liquide n'est pas de nature à réduire l'isolation. Dans ce cas, il est possible d'utiliser un mélange dans lequel 1 'heptafluoroisobutyronitrile est présent en un pourcentage molaire Mhe, supérieur au pourcentage molaire M. Auquel cas, le pourcentage molaire de 1 'heptafluoroisobutyronitrile est, typiquement, compris entre 95% et 130%, mieux encore entre 97% et 120%, idéalement entre 99% et 110% du pourcentage molaire M tel que précédemment défini. Dans un tel cas, la tenue diélectrique de l'appareil sera testée à une pression partielle d 'heptafluoroisobutyronitrile dans le mélange gazeux pour laquelle le gaz ne présente pas de liquéfaction à la température minimale de service afin de valider la tenue diélectrique dudit appareil sur l'ensemble de sa plage de températures.
Dans une 2nde forme de mise en œuvre, l'appareil électrique est un appareil moyenne ou haute tension dans lequel l'isolation peut être affectée par la présence de phase liquide. Dans cette forme de mise en œuvre, il est souhaitable que le mélange heptafluoroisobutyronitrile/ gaz de dilution soit exclusivement ou quasi exclusivement à l'état gazeux dans toute la gamme des températures d'utilisation de cet appareil. Il est donc avantageux que 1 'heptafluoroisobutyronitrile soit présent dans ce mélange en un pourcentage molaire (Mhe) qui ne dépasse pas 100% du pourcentage molaire M afin de ne pas présenter de phase de liquéfaction à la température minimale d'utilisation. Auquel cas, le pourcentage molaire de l 'heptafluoroisobutyronitrile est, avantageusement, compris entre 95% et 100% et, en particulier, entre 98% et 100% du pourcentage molaire M tel que précédemment défini.
Avantageusement encore, le mélange gazeux ne comprend que de 1 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène, dans les proportions telles que précédemment définies. En d'autres termes, le mélange gazeux est constitué d 'heptafluoroisobutyronitrile, de dioxyde de carbone et d'oxygène, dans les proportions telles que précédemment définies . Dans le but d'améliorer la tenue diélectrique de l'ensemble, le mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène est utilisé, dans un système d'isolation hybride, en combinaison avec une isolation solide, notamment de permittivité diélectrique faible, appliquée en une couche isolante d'épaisseur variable sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage de l'appareil moyenne ou haute tension sans isolation solide.
De fait, l'appareil électrique moyenne ou haute tension selon l'invention présente des composants électriques qui ne sont pas recouverts d'une couche diélectrique solide.
En d'autres termes, dans l'enceinte étanche de l'appareil électrique moyenne ou haute tension selon la présente invention, se trouvent des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable.
La couche diélectrique/isolante mise en œuvre dans l'invention présente une permittivité relative faible. Par « permittivité relative faible », on entend une permittivité relative inférieure ou égale à 6. On rappelle que la permittivité relative, également appelée constante diélectrique, d'un matériau, qui est notée £r, est une grandeur sans dimension qui peut être définie par les formules (IV) et (V) suivantes : εΓ = ε/εο ( ΐν) , avec
ε = (e * C)/S et ε0 = 1/(36π * 109) (V) dans lesquelles :
ε correspond à la permittivité absolue (exprimée en Farads/mètre) du matériau ;
- εο correspond à la permittivité (exprimée en Farads/mètre) du vide ;
C correspond à la capacité (exprimée en Farads) d'un condensateur plan comprenant deux électrodes parallèles entre lesquelles est disposée une couche du matériau pour lequel on veut déterminer la permittivité, cette couche représentant une éprouvette ;
e correspond à la distance (exprimée en mètres) entre les deux électrodes parallèles du condensateur plan, ce qui correspond, dans notre cas, à l'épaisseur de 1 ' éprouvette ; et
- S correspond à la surface (exprimée en mètres carrés) de chaque électrode constitutive du condensateur plan.
Dans le cadre de la présente invention, la capacité est déterminée comme dans la norme CEI 60250-edl.O, à savoir en utilisant un condensateur comprenant deux électrodes circulaires d'un diamètre allant de 50 à 54 mm, solidaires de l 'éprouvette constituée du matériau, ces électrodes étant obtenues par pulvérisation d'une peinture conductrice avec un dispositif de garde. L 'éprouvette présente des dimensions de 100 mm x 100 mm et une épaisseur de 3 mm. La distance entre les électrodes du condensateur, qui correspond à la grandeur e mentionnée ci-dessus, est donc de 3 mm.
Par ailleurs, la capacité est déterminée sous un niveau d'excitation de 500 volts RMS, à une fréquence de 50 hertz, sous une température de 23°C et une humidité relative de 50%. La durée d'application de la tension susmentionnée est de 1 min.
Par « couche isolante/diélectrique d'épaisseur variable », on entend dans le cadre de la présente invention que le matériau diélectrique, déposé ou appliqué sur les composants électriques ou pièces conductrices, présente des épaisseurs variables en fonction de la pièce conductrice ou partie de pièce conductrice sur laquelle il est déposé. L'épaisseur de la couche ne varie pas durant l'utilisation de l'appareil électrique mais est déterminée lors de la préparation des éléments constituant cet appareil.
Dans le cadre de l'invention, la couche isolante est appliquée en couche de faible ou forte épaisseur sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage du système sans isolation solide.
Plus particulièrement, l'épaisseur de la couche isolante mise en œuvre dans le cadre de la présente invention étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, n, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (n = U/ (Emax*d) ) , la couche est épaisse pour des facteurs d'utilisation proches de 0,3 i.e. compris entre 0,2 et 0,4 et la couche est fine pour des facteurs d'utilisation s ' approchant de 0,9 i.e. supérieur à 0,5 et notamment supérieur à 0,6.
En référence à la Figure 4, les couches épaisses (6) sont typiquement déposées sur les électrodes (5) à l'endroit où le coefficient d'utilisation du champ électrique est proche de 0,3 et les couches minces (7) sur les conducteurs (1) à l'endroit où le coefficient d'utilisation du champ électrique est supérieur à 0,6.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « couche épaisse » une couche d'épaisseur supérieure à 1 mm et inférieure à 10 mm et par « couche mince » une couche d'épaisseur inférieure à 1 mm, avantageusement inférieure à 500 pm, notamment comprise entre 60 et 100 pm.
La couche isolante solide mise en œuvre dans le cadre de la présente invention peut comprendre un seul matériau diélectrique ou plusieurs matériaux diélectriques différents. De plus, la composition de la couche isolante i.e. la nature du ou des matériaux diélectriques qu'elle comprend peut différer en fonction de la pièce conductrice ou partie de pièce conductrice sur laquelle la couche isolante solide est déposée .
En particulier, dans le cadre de l'invention, les matériaux sélectionnés pour réaliser les couches isolantes épaisses présentent des permitt ivités relatives faibles, c'est-à-dire inférieures ou égales à 6. Dans une forme de mise en œuvre particulière, les permitt ivités diélectriques des matériaux isolants utilisés pour réaliser les couches solides épaisses présentent des permittivités relatives de l'ordre de 3, voire inférieures i.e. des permittivités relatives inférieures ou égales à 4 et notamment inférieures ou égales à 3. A titre d'exemple de matériaux utilisables pour réaliser les couches diélectriques, solides et épaisses de l'appareil électrique selon l'invention, on peut citer le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polycarbonate, le polyméthyl méthacrylate, le polysulfone, le polyetherimide, le polyether ether cétone, le parylène N™, le Nuflon™, le silicone et la résine époxyde .
En ce qui concerne les matériaux utilisés pour réaliser les couches minces, les matériaux sélectionnés dans le cadre de cette invention présentent des permittivités relatives de l'ordre de 3 i.e. comprises entre 2 et 4 et notamment entre 2,5 et 3,5. A titre d'exemple de matériaux utilisables pour réaliser les couches diélectriques, solides et minces de l'appareil électrique selon l'invention, on peut citer le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polyamide, l'Ethylène Monochlorotrifluoroéthylène le parylène N™, le Nuflon™, le HALAR™ et le HALAR C™.
Conformément à l'invention, cet appareil électrique peut être, en premier lieu, un transformateur électrique à isolation gazeuse comme, par exemple, un transformateur de puissance 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.
Il peut également être un élément de raccordement aux autres équipements du réseau comme par exemple les traversées aériennes ou les traversées de cloison
Enfin, il peut aussi être un appareil électrique de connexion/déconnexion (aussi appelé appareil ou chambre de coupure) comme, par exemple, un disjoncteur comme un disjoncteur du type « dead tank », un disjoncteur à autosoufflage (« puffer » ou « self blast ») , un disjoncteur à autosoufflage à double mouvement des contacts d'arc, un disjoncteur à autosoufflage à effet thermique en simple mouvement des contacts d'arc, un disjoncteur à autosoufflage à effet thermique avec mouvement partiel de la tige de contact, un interrupteur, un sectionneur comme un AIS pour « Air-Insulated Swithgear » ou un GIS pour « Gas- Insulated Swithgear », un combiné interrupteur- fusibles, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur .
La Figure 1 présente un sectionneur de type GIS bien connu de l'homme du métier avec des contacts de MALT et des contacts de sectionneur et comprenant un cône isolant (1), deux contacts permanents (2 et 3), une électrode de cône (4), une bielle de manœuvre de MALT (5), une bielle isolante (6), un contact d'arc fixe (7) et un tube de contact (8) .
De même, à la Figure 2, est présentée une chambre de coupure à contacts permanents 9a, 9b et à deux contacts d'arc mobiles, c'est-à-dire à la fois celui 10 sous la forme d'une tulipe, et celui 11 sous la forme d'une tige. Cette chambre de coupure est dite double-mouvement car les deux contacts d'arc 10, 11 sont liés ensemble par des moyens d'accouplement 12, 13 et 14 de sorte à être mobiles ensemble en sens opposé. Le 1er levier 14 est fixé à la buse de soufflage mobile 15 et transmet le mouvement dans le sens opposé, par l'intermédiaire du 2ème levier, qui constitue le levier de renvoi 13 au troisième levier 12. Lors de l'ouverture, le gaz présent dans le volume de compression 16 est comprimé par le piston de soufflage 17 solidaire du contact d'arc 10 sous forme de tulipe et du contact permanent 9b, et est évacué par le clapet 18 vers le volume de soufflage 19 et contribue par la suite à l'extinction de l'arc électrique.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène en faibles quantités comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension dont les composants électriques peuvent en outre être recouverts d'une couche isolante solide d'épaisseur variable telle que précédemment définie.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit donné à titre illustratif et non limitatif et qui fait référence aux figures annexées. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 présente une vue en coupe longitudinale d'un sectionneur de type GIS.
La Figure 2 présente une vue en coupe longitudinale d'une chambre de coupe d'un disjoncteur à autosoufflage à double mouvement des contacts d'arc.
La Figure 3 présente, en fonction de la teneur en oxygène, la tenue électrique de mélanges comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène pour une température d'application de -30°C.
La Figure 4 présente, en fonction de la teneur en oxygène, la tenue électrique relative de mélanges comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène, par rapport à un mélange ne comprenant que de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du dioxyde de carbone pour une température d'application de -30°C.
La Figure 5 présente le profil de champ électrique dans la couche isolante solide et la phase gazeuse pour une permittivité relative de 2,9 et 5,3.
La Figure 6 présente une schématisation d'une partie d'un appareil électrique selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention est basée sur l'utilisation d'un mélange gazeux particulier à faible impact environnemental combinant 1 'heptafluoroisobutyronitrile tel que précédemment défini et utilisé avec au moins un gaz de dilution, encore appelé gaz neutre ou gaz tampon, constitué de dioxyde de carbone et d'oxygène.
Dans la présente, les expressions « gaz de dilution », « gaz neutre » ou « gaz tampon » sont équivalentes et peuvent être utilisées de façon interchangeable .
Avantageusement, l 'heptafluoroisobutyronitrile est présent dans l'appareil électrique sous forme entièrement gazeuse quelle que soit la température d'utilisation de cet appareil. Il convient donc que la pression de 1 'heptafluoroisobutyronitrile à l'intérieur de l'appareil électrique soit choisie en fonction de la pression de vapeur saturante (PVS) que présente 1 'heptafluoroisobutyronitrile à la température la plus basse d'utilisation dudit appareil.
Toutefois, comme le remplissage en gaz des appareils électriques se fait usuellement à température ambiante, la pression de 1 'heptafluoroisobutyronitrile à laquelle on se réfère pour remplir l'appareil électrique est la pression qui correspond à la PVS que présente l 'heptafluoroisobutyronitrile à la température la plus basse d'utilisation dudit appareil électrique, ramenée à la température de remplissage, par exemple 20°C, .
A titre d'exemple, le Tableau III ci-après indique les pressions de vapeur saturante, notées PVSI-C3F7CN et exprimées en hectopascals , que présente 1 'heptafluoroisobutyronitrile aux températures de 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C et -40°C, ainsi que les pressions, notées PI-C3F7CN et exprimées en hectopascals, qui correspondent à ces pressions vapeur saturante ramenées à 20 °C.
Figure imgf000027_0001
Tableau III : pressions de vapeur saturante du i-C3F7C
Exemple d' application et remplissage
Selon l'appareil électrique, la pression préconisée de remplissage en milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques varie. Elle est toutefois, typiquement de plusieurs bars (i.e. plusieurs milliers d 'hectopascals ) .
L 'heptafluoroisobutyronitrile est utilisé en mélange avec du dioxyde de carbone et différentes teneurs d'oxygène pour pouvoir obtenir le niveau de pression de remplissage préconisé.
Ainsi, par exemple, un appareil prévu pour, d'une part, être utilisé à une température minimale de -30°C, et, d'autre part, être rempli à 5 bars (i.e. 5 000 hPa) à la température ambiante de 20°C, sera rempli avec 0,368 bar (i.e. 368 hPa) d 'heptafluoroisobutyronitrile et 4,632 bars (i.e. 4632 hPa) du gaz de dilution pour la même température ambiante .
Un tel appareil est notamment un appareil haute tension de type GIS 145 kV de référence commerciale B65 d'Alstom conçu pour une application à
-30°C rempli avec un gaz de dilut ion/i-C3F7C . Pour cet appareil de température minimale d'application de -30°C, 1 'heptafluoroisobutyronitrile sera à une pression de 0,368 bar absolu mesurée à 20°C. Un complément de gaz tampon sera effectué pour obtenir les propriétés finales du gaz mélange. Plus particulièrement, dans le cadre de la présente invention, un complément de CO2 est effectué pour obtenir la pression totale du mélange. Une partie du CO2 est substituée par de l'oxygène afin de déterminer l'apport de l'oxygène à la tenue diélectrique totale. Différents ratio molaires en oxygène sont testés : 0%, 2%, 4%, 6%, 8% et 10%.
La pression partielle d 'heptafluoro¬ isobutyronitrile étant de 0,368 bar absolu mesurée à 20°C et la pression totale du gaz de 5 bars absolus, le ratio molaire de 1-C3F7CN est alors de 0, 368/5 soit environ 7,4%.
Afin de déterminer la composition du mélange gazeux au remplissage, on détermine le pourcentage molaire M en heptafluoroisobutyronitrile à la pression de remplissage de l'appareil électrique préconisée, qui représente la proportion maximale d 'heptafluoro- isobutyronitrile que doit comporter le mélange heptafluoroisobutyronitrile/ (dioxyde de carbone + éventuellement oxygène) pour qu'il n'y ait pas de liquide dans l'enceinte de l'appareil électrique. Le pourcentage molaire M est donné par la formule M = (Phe/Pméiange) x 1 0 0 , avec Phe qui représente la pression équivalente, à la température de remplissage (typiquement de l'ordre de 2 0°C), à la pression de vapeur saturante PVS de l 'heptafluoroisobutyronitrile à la température minimale d'utilisation Tmin de l'appareil (Phe = (PVShe x 2 93 ) / ( 2 73 +
Ensuite, on choisit le pourcentage molaire Mhe de remplissage en fonction de M. Dans certains cas, il est impératif que Mhe ne dépasse pas M pour éviter toute présence de liquide.
Par contre, il est parfois possible, par exemple en moyenne tension ou pour certains appareils électriques haute tension pour lesquels leur isolation n'est pas affectée par la présence de phase liquide, d'avoir un peu de liquide à basse ou très basse température, auquel cas Mhe peut atteindre 1 1 0 % voire 13 0 % de M. Par ailleurs, comme 1 'heptafluoro¬ isobutyronitrile possède une meilleure tenue diélectrique que les gaz neutres, il est souhaitable d'optimiser le remplissage par 1 'heptafluoro¬ isobutyronitrile : on choisit donc, de préférence, Mhe de sorte qu'il soit supérieur ou égal à 8 0 % de M, mieux encore supérieur ou égal à 9 5 % de M, mieux encore supérieur ou égal à 9 8 % -de M, par exemple égal à 9 9 % de M. Exemple de remplissage pour le cas 0% d'oxygène (exemple comparatif) :
La pression partielle d 'heptafluoroiso- butyronitrile étant de 0,368 bar absolu mesurée à 20°C et la pression totale du gaz de 5 bars absolus, le ratio molaire de 1 -C3F 7CN est alors de 0, 368/5 soit environ 7,4%. Pour cela, un complément est réalisé avec le CO2 jusqu'à une pression totale de 5 bars absolus (4 bars relatifs ) .
Le remplissage de l'appareil peut être effectué par addition des gaz en commençant par 1 -C3F 7CN qui présente la vapeur de pression saturante la plus faible à la température de remplissage (par rapport à CO2 ) puis en effectuant le complément de CO2 jusqu'à atteindre la pression totale du mélange (4 bars relatifs) ou effectué à l'aide d'un mélangeur de gaz permettant de contrôler le rapport entre le 1 -C3F 7CN et le gaz porteur CO2 , ce rapport étant maintenu constant et égal à 7,4% en pression tout au long du remplissage grâce à l'utilisation de débitmètre massique de précision .
Exemple de remplissage pour le cas 2% d'oxygène (invention) :
La pression partielle d 'heptafluoroiso- butyronitrile étant de 0,368 bar absolu mesurée à 20°C. Un complément est réalisé, tout d'abord, avec de Ι Ό2 pur à 0,1 bar absolu et ensuite avec le CO2 jusqu'à une pression totale de 5 bars absolus (4 bars relatifs) . Le ratio molaire de 1 -C3F 7CN est alors de 0, 368/5 soit environ 7,4% ; le ratio molaire d'02 de 0,1/5 soit 2% et le ratio molaire de CO2 de 4,53/5 soit environ 90,6%.
Le remplissage de l'appareil peut être effectué par addition des gaz en commençant par 1-C3F 7CN qui présente la vapeur de pression saturante la plus faible à la température de remplissage (par rapport à CO2 et O2) complété tout d'abord par l'oxygène pour plus de précision et complété ensuite avec le CO2 jusqu'à atteindre la pression totale du mélange (4 bars relatifs) ou effectué à l'aide d'un mélangeur de gaz permettant de contrôler le rapport entre le 1-C3F 7CN , ΙΌ2 et le CO2, ce rapport étant maintenu constant et égal à 7,4% en pression tout au long du remplissage grâce à l'utilisation de débitmètre massique de précision.
Résultats électriques : Essais de tenue à fréquence industrielle et aux chocs de foudre en haute tension
Ces essais ont été réalisés sur un jeu de barres d'un poste blindé B65 d'ALSTOM de 145 kV de tension assignée, conformément à la norme CEI 62271-1 relative aux appareillages à haute tension.
Le Tableau IV ci-après indique les résultats obtenus pour un milieu gazeux ne contenant que du CO2, que de l'air sec, que du SF6 ou un mélange de CO2 et d 'hepta-fluoroisobutyronitrile (C02/1-C3F 7C ) dans un rapport molaire de 7,4/92,6, pour une pression totale identique, soit 4 bars relatifs. Milieu Fréquence Choc de foudre Choc de foudre gazeux industrielle positif (kVc) négatif (kVc)
(kV)
C02 176 366 -310
Air sec 211 334 -369
SF6 456 890 -889
C02/i-C3F7CN 367 820 -685
Tableau IV
De plus, la tenue électrique des mélanges C02/1-C3F7C (-30°C) pour différentes teneurs en oxygène (0% à 10%) a été mesurée :
- sous 50 Hz : on reporte la tension minimale d'amorçage (Min), la tension maximale d'amorçage (Max) et la valeur moyenne sur 30 mesures (moyenne) ;
- sous choc de foudre (polarité négative (LI-) et positive (LI+) ) : on reporte la tension U50 qui représente la tension à laquelle il s'est produit 50% de claquage obtenue par la méthode de montée descente et la tension U0 qui est une tension de tenue (0% de claquage) .
Les résultats sont présentés ci-après dans le Tableau V.
C3F7CN Bar abs 0,367 0,369 0,37 0,371 0,371 0,37
02 Bar abs 0 0,105 0,207 0,308 0,405 0,506
C02 Bar abs 4,683 4,576 4,473 4,361 4,284 4,174
Pression totale Bar abs 5,05 5,05 5,05 5,04 5,06 5,05
% C3F7CN % 7,3% 7,3% 7,3% 7,4% 7,3% 7,3%
% 02 % 0,0% 2,1% 4,1% 6,1% 8,0% 10,0% moyenne 367 396 397 408 393 407
50 Hz Min 286 347 354 355 331 324
Max 410 429 450 437 402 438
U50 820 869 874 888 880 894
U+
UO 780 850 840 840 860 870
U50 -685 -693 -701 -689 -665 -710
U-
UO -670 -680 -690 -670 -650 -690
Tableau V
La Figure 3 présente, à partir de certains résultats du Tableau V, la tenue électrique des mélanges ( 1 -C3F 7CN + CO2 + éventuellement O2 ) en fonction de la teneur en O2 et ce, pour une température d'application de -30°C.
Le Tableau VI ci-après présente, à partir des résultats du Tableau V, la tenue diélectrique relative par rapport au mélange 1 -C3F 7CN + CO2 .
0 2 4 6 8 10
C3F7CN Bar abs 0,367 0,369 0,37 0,371 0,371 0,37
02 Bar abs 0 0,105 0,207 0,308 0,405 0,506
C02 Bar abs 4,683 4,576 4,473 4,361 4,284 4,174
Pression totale Bar abs 5,05 5,05 5,05 5,04 5,06 5,05
% C3F7CN % 7,3% 7,3% 7,3% 7,4% 7,3% 7,3%
% 02 % 0,0% 2,1% 4,1% 6,1% 8,0% 10,0% moyenne 1,00 1,08 1,08 1,11 1,07 1,11
50 Hz Min 1,00 1,21 1,24 1,24 1,16 1,13
Max 1,00 1,05 1,10 1,07 0,98 1,07
U50 1,00 1,06 1,07 1,08 1,07 1,09
U+
UO 1,00 1,09 1,08 1,08 1,10 1,12
U50 1,00 1,01 1,02 1,01 0,97 1,04
U-
UO 1,00 1,01 1,03 1,00 0,97 1,03
Tableau VI
La Figure 4 présente, à partir de certains résultats du Tableau VI, la tenue électrique relative des mélanges (1-C3F 7CN + CO2 + éventuellement O2) par rapport à un mélange (1-C3F 7CN + CO2) en fonction de la teneur en O2 et ce, pour une température d'application de -30°C.
On note une amélioration des propriétés diélectriques des mélanges dès l'ajout de 2% d'oxygène, notamment pour les valeurs de tenue diélectrique : la valeur minimale de claquage en 50 Hz et la valeur UO en choc de foudre surtout en polarité positive, l'amélioration étant plus faible en polarité négative.
L'amélioration des propriétés électriques est notable pour une teneur en oxygène de 2 à 10% avec un optimum des propriétés électriques pour un ajout de 2 à 6% et une valeur centrale de 4%.
Dans ce cadre, les tenues diélectriques sur les gaz de référence (CO2, N2, SF6, CO2/1-C3F 7CN et sur le mélange C02/1-C3F 7C / 4%vÛ2 pour une température d'application de -30°C ont été mesurées en fréquence industrielle ainsi que sous choc de foudre en onde positive et négative selon la norme 62271-1 dans les mêmes configurations (GIS 145 kV de référence commerciale B65 d'Alstom conçu pour une application à -30°C) . Les résultats sont présentés Tableau VII ci- après .
Figure imgf000035_0001
Tableau VII
L'addition de 4% d'oxygène permet d'améliorer de manière significative la tenue diélectrique du mélange gazeux total en fréquence industrielle et en choc de foudre (polarité positive et négative) et d'atteindre 87% de la tenue SF6 de l'appareil en 50Hz, 98% en choc de foudre polarité positive et 78% en choc de foudre polarité négative.
Toxicité
L 'heptafluoroisobutyronitrile ne présente pas de toxicité spécifique pour l'homme avec une LC50 supérieure à 15000 ppm. De plus, par une dilution à environ 7% dans le CO2, la toxicité se retrouve encore diminuée dans le ratio molaire ou volumique de mélange pour atteindre une LC50 de l'ordre de 70000 ppm pour le mélange et qui le classe dans le domaine des gaz « pratiquement non toxique » (classe de toxicité 5, selon l'échelle de toxicité de Hodge et Sterner) . Flammabilité
L 'heptafluoroisobutyronitrile pur ainsi que les mélanges 1-C3F7CN/CO2 à faible teneur en oxygène sont ininflammables . Impact environnemental / PRG
Le pouvoir de réchauffement global, ou PRG, de 1 'heptafluoroisobutyronitrile est de l'ordre de 2 400, soit 9,5 fois plus faible que celui du SF6 et plus de 3,1 fois plus faible que celui d'un mélange de SF6 et d'azote à 10% volumique de SF6.
L 'heptafluoroisobutyronitrile présente une masse molaire de 195 gr/mol.
Le PRG du mélange gazeux est calculé selon le Règlement (CE) No. 842/2006 du Parlement Européen et du Conseil du 17 mai 2006 relatif à certains gaz à effet de serre fluorés, Partie 2 « Méthode de calcul du potentiel de réchauffement planétaire (PRG) total d'une préparation ». Selon ce texte, le facteur PRG d'un mélange gazeux est une moyenne pondérée par rapport à la fraction massique de chaque substance multipliée par son facteur PRG.
En utilisation en mélange à 7,4% molaire dans le CO2 (44 gr/mol) et l'oxygène à 4%, la fraction massique de 1 'heptafluoroisobutyronitrile est de 26%, alors le PRG du mélange est de l'ordre de 630, ce qui représente une réduction de l'ordre de 97,2% de l'équivalent carbone par rapport au SF6 pur (Tableau VIII) .
Figure imgf000037_0001
Tableau VIII
Fin de vie
En fin de vie ou après essais de coupure, le gaz est récupéré par les techniques classiques de récupération utilisant un compresseur et une pompe à vide. L 'heptafluoroisobutyronitrile est alors séparé du dioxyde de carbone et de l'oxygène en utilisant une zéolithe capable de piéger uniquement le dioxyde de carbone et l'oxygène, de taille inférieure ; alternativement, une membrane à séparation sélective laisse s'échapper le dioxyde de carbone et l'oxygène et garde 1 'heptafluoroisobutyronitrile dont la taille et la masse molaire sont plus importantes ; toute autre option est envisageable. Association à une isolation solide
Afin d'obtenir l'équivalence diélectrique par rapport au SF6 (atteindre 100% de la tenue SFe) , sans dégrader ses performances à basse température, ni augmenter sa pression totale, le mélange gazeux présenté ci-dessus est utilisé en combinaison avec une isolation solide de permittivité diélectrique faible appliquée sur les pièces conductrices soumises à un champ électrique supérieur au champ de claquage du système sans isolation solide.
L'isolation solide mise en œuvre dans le cadre de la présente invention se présente sous forme de couche dont l'épaisseur varie pour un appareil électrique donné. En effet, la couche isolante mise en œuvre peut présenter une épaisseur faible (couche mince ou fine) ou une épaisseur forte (couche épaisse) .
L'épaisseur de la couche isolante étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, n, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (n = U/ (Emax*d) ) , la couche est épaisse pour des facteurs d'utilisation proches de 0,3 et la couche est fine pour des facteurs d'utilisation s 'approchant de 0,9.
Les calculs présentés sur la Figure 5 mettent en évidence la réduction du champ électrique maximal auquel est soumis le gaz d'isolation dans le cas d'une isolation mixte combinant isolation solide appliquée en couche sur les parties soumises à des champs électriques forts, typiquement sur les électrodes.
Cette solution permet donc de diminuer, de manière significative, le champ électrique maximal sur la phase gazeuse et ainsi d'augmenter la tenue électrique de l'isolation totale dite mixte et composée en série de l'isolation solide et de l'isolation gazeuse. Ce phénomène de réduction du champ électrique sur la phase gazeuse est plus prononcé lorsque la permittivité diélectrique de la couche solide est faible .
En effet, dans l'exemple présenté, l'isolation hybride est composée d'une isolation sphérique solide d'une épaisseur de 10 mm en combinaison avec une isolation gazeuse d'épaisseur 15 mm, l'isolation totale faisant 25 mm. Le calcul de champ électrique a été réalisé pour deux isolations solides différentes présentant des permitt ivités relatives significativement différentes, typiquement 5,3 et 2,9.
Pour ce cas précis, le facteur de réduction du champ électrique sur la phase gazeuse est de l'ordre de 15% pour une isolation solide de permittivité diélectrique 5,3 et de l'ordre de 30% pour une isolation solide de permittivité diélectrique 2,9. Dans le cadre de cette invention, un matériau présentant une permittivité relative de l'ordre de 3 voire inférieure sera préféré pour réaliser les couches épaisses sur les électrodes .
L'ensemble de ces calculs diélectriques a été confirmé par des mesures réalisées sur appareillage électrique, présentant un facteur d'amélioration de l'ordre de 20% en tenue diélectrique (par rapport à une électrode non revêtue) pour une couche épaisse réalisée en résine époxyde présentant une permittivité relative de l'ordre de 5 et un facteur d'amélioration de l'ordre de 30% (par rapport à une électrode non revêtue) en tenue diélectrique pour une couche épaisse réalisée en silicone présentant une permittivité relative de 1 ' ordre de 3. Dans le cas des couches minces réalisées sur les pièces électriques soumises à des champs électriques plus faibles, les matériaux utilisés présentent des permittivités diélectriques de l'ordre de 3 et sont appliqués sous forme de couches minces dont l'épaisseur est typiquement de l'ordre de 60 à 100 pm. Les résultats obtenus sur appareils électriques avec des dépôts en couches minces de l'ordre de 60 à 100 pm d'épaisseur en Nuflon™ (permittivité relative de 2,7) ou en parylène N (permittivité relative de 2,65) déposés sur des électrodes montrent des facteurs d'amélioration de la tenue diélectrique de l'ordre de 8% par rapport à une électrode non revêtue. Dans le cadre de la présente invention, l'appareil électrique en partie schématisé à la Figure 6 présente une enceinte métallique (22) et un isolateur (21) et des composants électriques comprenant un conducteur (20) et des électrodes (24) . Dans cet appareil électrique, l'isolation hybride est constituée par une isolation gazeuse consistant en un mélange gazeux sous pression (23) d 'heptafluoroisobutyro- nitrile, de CO2 et d'Û2 tels que précédemment définis et par une isolation solide se présentant sous forme d'une couche diélectrique épaisse (25) ou d'une couche diélectrique mince (26) telles que précédemment définies .
La combinaison des deux technologies en une isolation hybride, comprenant une isolation gazeuse de type C02/i-C3F7C /02 et notamment O2 à 4%v et une isolation solide sous forme de couche épaisse aux endroits de facteur d'utilisation du champ faible et de couches minces aux endroits de facteurs de renforcement de champ fort, permet d'obtenir une isolation totale équivalente à celle du SF6 sans augmentation significative de pression et sans modification de la température minimale d'utilisation.
RÉFÉRENCES
[1] Demande de brevet européen, au nom de Mitsubishi Denki Kabushi Kaisha, publiée sous le n° 0 131 922 le 23 janvier 1985.
[2] Brevet US 4 547 316, au nom de Mitsubishi Denki Kabushi Kaisha, publié le 15 octobre 1985.
[3] Demande internationale WO 2008/073790, au nom de Honeywell International Inc., publié le 19 juin 2008. [4] Demande internationale WO 2012/080246, au nom de ABB Technology AG., publié le 21 juin 2012.
[5] Demande de brevet européen, au nom de Mitsubishi Denki Kabushi Kaisha, publiée sous le n° 1 724 802 le 22 novembre 2006.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil électrique moyenne ou haute tension comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques et un mélange gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction des arcs électriques susceptibles de se produire dans cette enceinte, le mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène,
l'oxygène étant présent dans ledit milieu gazeux en un pourcentage molaire compris entre 1 et 25 "o .
2. Appareil électrique selon la revendication
1, caractérisé en ce que l'oxygène est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire compris entre 2 et 15% et, en particulier, entre 2 et 10%.
3. Appareil électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit heptafluoroisobutyronitrile est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire (Mhe) qui est au moins égal à 80% du pourcentage molaire M, déterminé par la formule (II) :
M = (Phe/Pmélange) X 100 (II) dans laquelle Pméiange représente la pression totale du mélange à 20°C dans l'appareil électrique et Phe représente la pression partielle, exprimée dans la même unité, qui équivaut à 20°C à la pression de vapeur saturante que présente l 'heptafluoroisobutyronitrile tel que précédemment défini à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique.
4. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit heptafluoroisobutyronitrile est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire ( Mhe ) qui est compris entre 95% et 130%, mieux encore entre 97% et 120%, idéalement entre 99% et 110% du pourcentage molaire M tel que défini à la revendication 3, ledit appareil électrique étant un appareil moyenne tension ou haute tension pour lequel la présence partielle du mélange à l'état liquide n'est pas de nature à réduire 1 ' isolâtion .
5. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit heptafluoroisobutyronitrile est présent dans ledit mélange gazeux en un pourcentage molaire ( Mhe ) qui est compris entre 95% et 100% et, en particulier, entre 98% et 100% du pourcentage molaire M tel que défini à la revendication 3, ledit appareil électrique étant un appareil moyenne tension ou haute tension dans lequel l'isolation peut être affectée par la présence de phase liquide.
6. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans ladite enceinte étanche, se trouvent des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable.
7. Appareil électrique selon la revendication
6, caractérisé en ce que, l'épaisseur de ladite couche diélectrique solide étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, n, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (n = U/ (Emax*d) ) , ladite couche diélectrique solide est une couche épaisse présentant une épaisseur supérieure à 1 mm et inférieure à 10 mm pour des facteurs d'utilisation compris entre 0,2 et 0,4.
8. Appareil électrique selon la revendication
7, caractérisé en ce que le (ou les) matériau (x) sélect ionné ( s ) pour réaliser ladite couche diélectrique solide épaisse présente (nt une permittivité relative inférieure ou égale à 6.
9. Appareil électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le (ou les) matériau (x) sélect ionné ( s ) pour réaliser ladite couche diélectrique solide épaisse présente (nt) une permittivité relative inférieure ou égale à 4 et notamment inférieure ou égale à 3.
10. Appareil électrique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce ledit (ou lesdits) matériau(x) est (sont) choisi (s) parmi le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polycarbonate, le polyméthyl méthacrylate, le polysulfone, le polyetherimide, le polyether ether cétone, le parylène N™, le Nuflon™, le silicone et la résine époxyde .
11. Appareil électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que, l'épaisseur de ladite couche diélectrique solide étant fonction du facteur d'utilisation du champ électrique, n, défini comme le rapport du champ électrique moyen (U/d) sur le champ électrique maximal, Emax (n = U/ (Emax*d) ) , ladite couche diélectrique solide est une couche mince présentant une épaisseur inférieure à 1 mm, avantageusement inférieure à 500 pm, notamment comprise entre 60 et 100 pm pour des facteurs d'utilisation supérieurs à 0,5 et notamment supérieurs à 0,6.
12. Appareil électrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le (ou les) matériau(x) sélectionné ( s ) pour réaliser ladite couche diélectrique solide mince présente (nt) une permittivité relative comprise entre 2 et 4 et notamment entre 2,5 et 3,5.
13. Appareil électrique selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit (ou lesdits) matériau(x) est (sont) choisi (s) parmi le polytétrafluoroéthylène, le polyimide, le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le polyamide, l'Ethylène Monochlorotrifluoroéthylène le parylène N™, le Nuflon™, le HALAR™ et le HALAR C™.
14. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit appareil est un transformateur électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité, un élément de raccordement aux autres équipements du réseau ou un appareil électrique de connexion/déconnexion .
15. Utilisation d'un mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile, du dioxyde de carbone et de l'oxygène tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans un appareil électrique moyenne ou haute tension dont les composants électriques sont éventuellement recouverts d'une couche isolante solide d'épaisseur variable telle que précédemment définie à l'une quelconque des revendications 6 à 14, comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques.
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