WO2016128571A1 - Appareil électrique moyenne ou haute tension à isolation gazeuse comprenant de l'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane - Google Patents

Appareil électrique moyenne ou haute tension à isolation gazeuse comprenant de l'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane Download PDF

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WO2016128571A1
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electrical
gas
heptafluoroisobutyronitrile
insulation
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PCT/EP2016/053079
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Yannick Kieffel
Jean-Marc Willieme
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General Electric Technology Gmbh
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    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the invention belongs to the field of electrical insulation and extinguishing of electric arcs in medium or high voltage electrical appliances.
  • the present invention relates to the use of a gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane, as an electrical insulating gas and / or extinguishing electric arcs in a medium or high voltage electrical apparatus.
  • the present invention relates to the use, in a medium or high voltage electrical appliance, of a low environmental impact insulation based on a gaseous medium comprising heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane as electrical insulation gas and / or extinction of electric arcs.
  • This insulation based on such a gas mixture may 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
  • the electrical insulation and, where applicable, the arcing extinction are typically provided by a gas that is confined inside these devices.
  • SF6 sulfur hexafluoride
  • This gas has, indeed, a relatively high dielectric strength, good thermal conductivity and low dielectric losses. It is chemically inert and non-toxic to humans and animals and, after being dissociated by an electric arc, it recombines quickly and almost completely. In addition, it is nonflammable and its price is still moderate today.
  • SF6 has the major disadvantage of having a Global Warming Potential (GWP) of 23,500 (relative to CO2 over 100 years) according to the latest IPCC 2013 report (for "Intergovernmental Panel on Climate”). Change ”) 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
  • Mixtures of SF6 and nitrogen are used to limit the impact of SF6 on the environment. Indeed, the addition of SF6 at a level of 10 to 20% by volume makes it possible to significantly improve the dielectric strength of the nitrogen. Nevertheless, because of the high PRG of SF6, the GWP of these mixtures remains very high. Such mixtures can not therefore be used as a low environmental impact gas.
  • Perfluorocarbons (C n F 2n + 2 and C-C 4 F 8) generally have interesting dielectric withstand properties, but their GWP typically range from 5,000 to 10,000 (6,500 for CF 4). 7,000 for C 3 F 8 and C 4 F 10 , 8,700 for C-C 4 F 8 , 9,200 for C 2 F 6 ).
  • the CF4 has already been used in a mixture with SF6 for applications at very low temperatures. Indeed, the CF4 has performances close to SF6, is less sensitive to low temperatures, but its dielectric strength is worse than that of SF6. When using these SF6-CF4 blends, the overall performance of the blend was therefore limited due to the decrease in dielectric performance due to CF4.
  • US Patent 4,547,316, [2] is intended 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 average exposure value
  • hybrid insulation systems combining gas insulation, for example with 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.
  • International application WO 2014/037566, [6] proposes such a hybrid insulation system in which the gaseous insulation consists of heptafluoroisobutyronitrile in a dilution gas.
  • 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 service temperature ranges of the electrical apparatus, close to those of equivalent SF6 units, 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.
  • this insulation system and in particular the gas or the gas mixture that it comprises is not toxic for man and the environment. They have also set themselves the goal that the insulation system and in particular the gas or gas mixture has a cost of manufacture or purchase compatible with use on an industrial scale.
  • 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 tetrafluoromethane as an electrical insulating gas and / or extinguishing electric arcs in an electrical appliance. medium or high voltage.
  • the present invention proposes a medium or high voltage electrical apparatus comprising a sealed enclosure in which there are electrical components and a gas mixture ensuring electrical insulation and / or extinguishing of the electric arcs likely to occur in this area. pregnant, the gaseous mixture comprising heptafluoro isobutyronitrile and tetrafluoromethane.
  • the gaseous insulation employs a gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane.
  • the terms “medium voltage” and “high voltage” are used in their usual acceptance, namely that the term “medium voltage” designates a voltage that is greater than 1000 volts AC and at 1,500 volts DC but not exceeding 52,000 volts AC and 75,000 volts DC, while the term “high voltage” refers to a voltage that is strictly greater than 52,000 volts AC and less than 75,000 volts in direct current.
  • ODP Ozone Depletion Potential
  • Tetrafluoromethane or carbon tetrafluoride of formula CF4 and CAS number: 75-73-0 shows:
  • the relative dielectric strength of the tetrafluoro methane of formula CF4, normalized with respect to the gas that one wishes to replace ie SF6, is given in Table II below, said dielectric strength being measured at atmospheric pressure, under direct voltage, between two steel electrodes 2.54 cm in diameter and spaced 0.1 cm apart.
  • 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, cutoff and heat dissipation improved 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, cutoff and heat dissipation improved compared to conventional gases such as CO2, air or nitrogen.
  • heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane are present in medium or high voltage electrical appliances exclusively or almost exclusively in the gaseous state under all the temperature conditions at which the gaseous medium is intended to be subjected, once confined in the electrical apparatus.
  • heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane should be present in the electrical apparatus at partial pressures which are chosen as a function of the saturation vapor pressures which these compounds respectively present at the minimum temperature of use of the apparatus. electric.
  • Minimum operating temperature of an electrical appliance is the lowest temperature at which this appliance is intended to be used.
  • Heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoro methane may thus be the only components of the gaseous medium confined in the medium or high voltage electrical apparatus.
  • the liquefaction temperature of heptafluoro isobutyronitrile at atmospheric pressure. 1013.25 hPa), and also the GWP of tetrafluoromethane, heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane will most often be used diluted in at least one other gas so as to obtain the level of filling pressure recommended for the electrical appliance concerned while ensuring the maintenance in the gaseous state of 1 heptafluoroisobutyronitrile over the full range of temperatures of use of this device.
  • this other gas is chosen from gases that meet the following four criteria:
  • (1) have a very low boiling point, below the minimum operating temperature of the apparatus, which boiling temperature is typically at or below -50 ° C above standard pressure;
  • the dilution gases usually used are neutral gases whose GWP is very low, typically equal to or less than 500 and, more preferably, equal to or less than 10.
  • Gases having all of these properties are, for example, air and preferably dry air (GWP of 0), nitrogen (GWP of 0), helium (GWP of 0), dioxide carbon (GWP of 1), oxygen (GWP of 0) and nitrous oxide (GWP of 310). Also, any of these gases or their mixtures can be used as the diluent gas in the invention.
  • heptafluoroisobutyronitrile is present in the electrical apparatus at a partial pressure which is advantageously between 95 and 100% and, in particular, between 98 and 100% of the corresponding pressure, at filling the electrical apparatus at the saturation vapor pressure of heptafluoroisobutyronitrile at the minimum temperature of use of the electrical apparatus.
  • a partial pressure which is advantageously between 95 and 100% and, in particular, between 98 and 100% of the corresponding pressure, at filling the electrical apparatus at the saturation vapor pressure of heptafluoroisobutyronitrile at the minimum temperature of use of the electrical apparatus.
  • the composition of the gaseous medium is defined according to Raoult's law for the minimum temperature of use of the device, or even for a temperature slightly higher than this last, especially 3 ° C.
  • the pressures of each constituent are therefore defined by the following equation:
  • 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 gaseous mixture used in the context of the present invention is a ternary mixture comprising or consisting of
  • a particular example of a gaseous mixture that may be used in the context of the present invention comprises or consists of 1-C3F7CN, CF4 and CO2.
  • a more particular example of a gaseous mixture that can be used in the context of the present invention comprises or consists of 1 to 20 mol% of 1-C3F7CN; from 1 to 40 mol% of CF4 and from 40 to 98 mol% of CO2.
  • the gaseous mixture comprising heptafluoro isobutyronitrile and tetrafluoromethane may be 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 apparatus 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.
  • low relative permittivity is meant a relative permittivity less than or equal to 6. It is recalled that the relative permittivity, also called dielectric constant, of a material, which is denoted by r , is a dimensionless quantity that can be defined by the following formulas (IV) and (V):
  • - C corresponds to the capacity (expressed Farads) of a flat capacitor comprising two parallel electrodes between which is disposed a layer of the material for which we want to determine the permittivity, this layer representing a specimen;
  • e corresponds to the distance (expressed 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, is therefore 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 humidity relative 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 term “thick layer” means a layer thicker than 1 mm and less than 10 mm and "thin layer” a layer of thickness less than 1 mm, advantageously less than 500 pm, 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 The dielectric strengths of the insulating materials used to make the thick solid layers have relative permittances of the order of 3, or even less than the relative permittances less than or equal to 4 and in particular less than or equal to 3.
  • the selected materials in the context of this invention have relative permittances of the order of 3 ie 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.
  • 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 double-movement arc-blast self-blast circuit breaker, a thermal-effect self-blast circuit breaker in single-acting arc contacts, a self-blast circuit breaker thermal with partial movement of the contact rod, a switch, a disconnector such as an AIS for "Air-Insulated Swithgear” or a GIS for "Gas-Insulated Swithgear", a fuse-switch combination, an earthing switch or a contactor.
  • the present invention also relates to the use of a gaseous mixture comprising heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane as electrical isolation gas and / or electric arc extinguishing in a medium or high voltage electrical appliance whose electrical components can in addition to being covered with a solid insulating layer of variable thickness as previously defined.
  • the invention is based on the use of a particular gas mixture with low environmental impact and improved cleavage capacities combining heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane as previously defined, with or without dilution gas.
  • heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane are present in the electrical apparatus in exclusively or almost exclusively gaseous form over the entire range of operating temperatures of this apparatus. It is therefore appropriate that the partial pressure at which the heptafluoroisobutyronitrile is present in the electrical apparatus is chosen as a function of the saturation vapor pressure (PVS) that this compound exhibits at the lowest temperature of use of said apparatus.
  • PVS saturation vapor pressure
  • the pressure referred to for filling the electrical apparatus with heptafluoroisobutyronitrile is the pressure Piremp corresponding, at the filling temperature, for example 20 ° C. C, at the saturation vapor pressure PVSimin that this compound respectively at the minimum temperature of use T m in said electrical apparatus.
  • 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, -35 ° C and -40 ° C, as well as the pressures, denoted PI-C3F7CN and expressed in hectopascals, which correspond to these pressures of saturated steam reduced to 20 ° C.
  • an electrical apparatus intended to be used at a minimum temperature of -30 ° C will be filled, at the temperature of 20 ° C, with a partial pressure of heptafluoroisobutyronitrile which will not exceed 368 hPa at 20 ° C if it is desired that this compound be kept in a gaseous state in this apparatus over the entire range of use temperatures thereof.
  • the total gas filling pressure that is recommended varies. It is, however, typically several bars, i.e., several hundred kPa.
  • heptafluoroiso butyronitrile and tetrafluoromethane may represent the only components of the gaseous medium, they will most often be supplemented with a dilution gas (or carrier gas or buffer gas) which makes it possible to obtain recommended filling pressure.
  • the dilution gas is chosen from gases which have, on the one hand, a very low boiling point, less than or equal to the minimum temperature of use of the apparatus, and, on the other hand, a dielectric strength greater than or equal to that of carbon dioxide under identical test conditions (same apparatus, same geometrical configuration, same operating parameters, ...) as those used to measure the dielectric strength of the carbon dioxide.
  • the dilution gas is non-toxic and that it has a very low or no GFR, so that the dilution of tetrafluoromethane with this gas also has the effect of lowering the environmental impact of this gas.
  • the PRG of a gas mixture is related to the partial pressures of each of its components.
  • the dilution gas is preferably carbon dioxide whose PRG is equal to 1, nitrogen, oxygen or air, preferably dry, whose PRG is equal to 0 or mixtures thereof. Since heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane have a higher dielectric strength than gases that can be used as a dilution gas, it is desirable to optimize the filling of the electrical apparatus with heptafluoro isobutyronitrile and tetrafluoromethane.
  • the electrical apparatus will therefore be filled with heptafluoroisobutyronitrile at a partial pressure which will advantageously be between 95 and 100% and, more preferably, between 98 and 100% of the corresponding pressure, at the filling temperature, at the vapor pressure. saturant that this compound presents at the minimum temperature of use of the electrical apparatus.
  • Heptafluoroisobutyronitrile at the saturation vapor pressure that this compound exhibits at the minimum temperature of use of the electrical apparatus; and - represents the total pressure of the gaseous medium (1-C3F7CN + CF4 + dilution gas) at the filling temperature.
  • ternary gas mixture usable in connection with the invention at a minimum temperature of -30 ° C consists of - 4.1 mol% of 1-C3F7CN;
  • a 2 nd particular example of a ternary gas mixture that can be used within the scope of the invention at a minimum temperature of -25 ° C. consists of
  • Table VI From a practical point of view, after evacuating using an oil vacuum pump, a commercial 5 bar (500 kPa) apparatus intended for use at -30 ° C can be filled. using a gas mixer to control the ratio between the pressures of heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane and the pressure of the dilution gas, this ratio being kept constant and equal to 6.3 mol% for heptafluoroisobutyronitrile and 20% molar for tetrafluoromethane throughout filling through the use of precision mass flow meters.
  • the vacuum (0 to 0.1 kPa) will have been done previously in the apparatus.
  • the gaseous medium can be recovered by conventional recovery techniques using a compressor and a vacuum pump.
  • Heptafluoroisobutyronitrile and tetrafluoromethane can then be separated from the dilution gas using a zeolite capable of trapping only that dilution gas which is smaller in size; alternatively, a selective separation membrane allowing the dilution gas to escape and keeping the heptafluoroisobutyronitrile and the tetrafluoromethane since these have a higher molecular weight can be used.
  • any other option is possible.
  • the present invention proposes gaseous mixtures with a low environmental impact with very significant CO2 equivalent reduction factors (of the order of 90%) compatible with the minimum operating temperatures of the electrical equipment and having dielectric properties improved compared to typical gases such as CO2, air or nitrogen and close to those of pure SF6 while improving its breaking capacity.
  • This gaseous medium can advantageously replace the SF6 used in electrical appliances, without modifying or almost their design: the production lines can be kept, with a simple change of the gaseous filling medium.
  • the gaseous mixture presented above can be 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 implemented can present a low thickness (thin or thin layer) or a thick layer (thick layer).
  • This solution therefore makes it possible to reduce the maximum electric field on the gas phase and thus to increase the electrical resistance of the so-called mixed total insulation, which is composed in series of the solid insulation and the gaseous insulation.
  • This phenomenon of reduction of the electric field on the gas phase is more pronounced when the dielectric permittivity of the solid layer is low.

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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 l'heptafluoroisobutyro nitrile et du tétrafluorométhane. 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 DE
L'HEPTAFLUOROISOBUTYRONITRILE ET DU TÉTRAFLUOROMÉTHANE
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.
Plus particulièrement, la présente invention concerne l'utilisation d'un mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane, comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension.
Plus particulièrement, la présente invention concerne l'utilisation, dans un appareil électrique moyenne ou haute tension, d'une isolation à faible impact environnemental basée sur un milieu gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques.
Cette isolation à base d'un tel mélange gazeux 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 (η = 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 moyenne ou haute tension dans lequel l'extinction des arcs électriques est assurée par un milieu gazeux comprenant de l 'heptafluoroisobutyro nitrile et du tétrafluorométhane alors que 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 23 500 (relativement au CO2 sur 100 ans) selon le dernier rapport IPCC 2013 (pour « Intergovernmental Panel on Climate Change ») 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. 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 1 '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. 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 C4F10, 8 700 pour C-C4F8, 9 200 pour C2F6) .
A noter que le CF4 a déjà été utilisé en mélange avec du SF6 pour des applications à très basses températures. En effet, le CF4 présente des performances en coupure proche du SF6, est moins sensible aux basses températures, mais sa tenue diélectrique est moins bonne que celle du SF6. Lors de l'utilisation de ces mélanges SF6-CF4, la performance globale du mélange était donc limitée en raison de la baisse de performance diélectrique due au CF4.
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 .
II 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. La demande internationale WO 2014/037566, [6], propose un tel système hybride d'isolation dans lequel l'isolation gazeuse consiste en de 1 'heptafluoroisobutyronitrile dans un gaz de dilution.
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 SF6 équivalents 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 l'environnement. 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 et à capacité de coupure améliorée.
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 tétrafluorométhane 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 'heptafluoro isobutyronitrile et du tétrafluorométhane .
Dans l'appareil électrique selon la présente invention, l'isolation gazeuse met en œuvre un mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane .
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 .
L 'heptafluoroisobutyronitrile de formule (I) : (CF3)2CFC (I), ci-après désigné 1-C3F7CN, correspond au 2 , 3 , 3 , 3-tétrafluoro-2-trifluorométhyl propanenitrile, de numéro CAS : 42532-60-5. Ce composé présente
(i) un point d'ébullition de -4,7°C à 1013 hPa (point d'ébullition mesuré selon ASTM D1120-94 "Standard Test Method for Boiling Point of Engine Codants") ;
(ii) une masse molaire de 195 g.mol-1 ;
(iii) un PRG de 2210 (calculé sur 100 ans selon la méthode IPCC 2013) ; et
(iv) un potentiel de déplétion ozonique (PDO ou ODP pour « Ozone Depletion Potential ») de 0. La tenue diélectrique relative de l'hepta- fluoroisobutyronitrile de formule (I), normalisée par rapport au gaz que l'on souhaite remplacer i.e. le SF6 et comparée à celle du 2 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 tétrafluorométhane ou tétrafluorure de carbone de formule CF4 et de numéro CAS : 75-73-0 présente :
(ί') un point d'ébullition de -127, 8°C à 1013 hPa (point d'ébullition mesuré selon ASTM D1120-94) ;
(ίί') une masse molaire de 88 g.mol-1 ; (iii') un PRG de 6500 (calculé sur 100 ans selon la méthode IPCC 2013 ; et
(ίν') un PDO de 0.
La tenue diélectrique relative du tétrafluoro méthane de formule CF4, normalisée par rapport au gaz que l'on souhaite remplacer i.e. le SF6 est donnée dans le Tableau II 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_0002
Tableau II Ainsi, 1 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane tels que précédemment définis, qui ne sont ni toxiques, ni corrosifs, ni inflammables et qui présentent un PRG faible par rapport à celui du SF6, sont dotés de propriétés d'isolation électrique et d'extinction des arcs électriques propres à leur permettre de remplacer éventuellement 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.
A noter cependant que le PRG du tétrafluoro méthane bien que inférieur à celui du SF6 est élevé, il convient donc de minimiser la présence de ce composé dans le mélange gazeux et de déterminer sa quantité en fonction du PRG ciblé pour ce mélange gazeux.
Enfin, il convient de noter l'existence d'un facteur de synergie inattendu entre 1 'heptafluoro isobutyronitrile et le tétrafluorométhane dans les mélanges gazeux selon l'invention qui permet d'améliorer les propriétés diélectriques et de coupure. L'amélioration ainsi obtenue est supérieure à la somme des contributions pondérées de chacun des constituants de ces mélanges gazeux.
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 le cadre de la présente invention, l 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane sont présents dans des appareils électriques de moyenne ou haute tension exclusivement ou quasi exclusivement à l'état gazeux dans toutes les conditions de température auxquelles le milieu gazeux est destiné à être soumis, une fois confiné dans l'appareil électrique. Pour ce faire, il convient que l 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane soient présents dans l'appareil électrique à des pressions partielles qui sont choisies en fonction des pressions de vapeur saturante que présentent respectivement ces composés à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique. Par température minimale d'utilisation d'un appareil électrique, on entend la température la plus basse à laquelle cet appareil est destiné à être utilisé.
L 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluoro méthane peuvent ainsi être les seuls composants du milieu gazeux confiné dans l'appareil électrique moyenne ou haute tension.
Toutefois, compte tenu des niveaux de pression de remplissage généralement préconisés pour les appareils électriques moyenne ou haute tension qui sont typiquement de plusieurs bars et compte-tenu, d'une part, de la température de liquéfaction de 1 'heptafluoro isobutyronitrile à la pression atmosphérique normale (1 013,25 hPa) et, d'autre part, du PRG du tétrafluorométhane, 1 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane seront le plus souvent utilisés dilués dans au moins un autre gaz de manière à obtenir le niveau de pression de remplissage préconisé pour l'appareil électrique concerné tout en garantissant le maintien à l'état gazeux de 1 'heptafluoroisobutyronitrile sur toute la gamme des températures d'utilisation de cet appareil.
Dans ce cas, selon l'invention, cet autre gaz, dit gaz de dilution ou gaz vecteur ou gaz tampon, est choisi parmi les gaz qui répondent aux quatre critères suivants :
(1) présenter une température d ' ébullit ion très basse, inférieure à la température minimale d'utilisation de l'appareil, cette température d'ébullition étant typiquement égale ou inférieure à -50°C à la pression standard ;
(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 l'environnement ; et
(4) présenter un PRG plus faible que celui du mélange heptafluoroisobutyronitrile/tétrafluorométhane de sorte que la dilution de ce mélange par le gaz de dilution ait également pour effet d'abaisser l'impact environnemental du mélange 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, typiquement égal ou inférieur à 500 et, mieux encore, égal ou inférieur à 10.
Des gaz qui présentent l'ensemble de ces propriétés sont, par exemple, l'air et avantageusement l'air sec (PRG de 0), l'azote (PRG de 0), l'hélium (PRG de 0 ) , le dioxyde de carbone (PRG de 1), l'oxygène (PRG de 0) et le protoxyde d'azote (PRG de 310) . Aussi, l'un quelconque de ces gaz ou de leurs mélanges peuvent être utilisés comme gaz de dilution dans l'invention.
Dans le cadre de la présente invention, 1 'heptafluoroisobutyronitrile est présent dans l'appareil électrique à une pression partielle qui est avantageusement comprise entre 95 et 100% et, en particulier, entre 98 et 100% de la pression correspondant, à la température de remplissage de l'appareil électrique, à la pression de vapeur saturante que présente 1 'heptafluoroisobutyronitrile à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique. Ainsi, les propriétés diélectriques du milieu gazeux en ligne directe et en cheminement sont les plus élevées possibles et se rapprochent au mieux de celles du SF6.
En d'autres termes, afin de mettre la quantité maximale d 'heptafluoroisobutyronitrile sans générer de phase liquide à la température minimale d'utilisation de l'appareil selon la présente invention, la composition du milieu gazeux est définie selon la loi de Raoult pour la température minimale d'utilisation de l'appareil, voire pour une température légèrement supérieure à cette dernière, notamment de 3°C. En particulier, pour un mélange ternaire heptafluoroisobutyronitrile (1-C3F7CN)/ tétrafluorométhane (CF4) / gaz de dilution, les pressions de chaque constituant sont donc définies par l'équation suivante :
P +P
totale gaz dilution
Figure imgf000017_0001
avec PVSIC3F7CN = pression de vapeur saturante de 1 'heptapfluoroisobutyronitrile et PVSCF4 = pression de vapeur saturante du tétrafluorométhane .
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 un mode de réalisation particulier, le mélange gazeux mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est un mélange ternaire comprenant ou constitué par
- de 1 à 20% molaire de 1-C3F7CN ;
de 1 à 40% molaire de CF4 ; et
de 40 à 98% molaire de gaz de dilution.
Un exemple particulier de mélange gazeux utilisable dans le cadre de la présente invention comprend ou est constitué de 1-C3F7CN, de CF4 et de CO2. Un exemple plus particulier de mélange gazeux utilisable dans le cadre de la présente invention comprend ou est constitué de 1 à 20% molaire de 1-C3F7CN ; de 1 à 40% molaire de CF4 et de 40 à 98% molaire de CO2. Dans le but d'améliorer la tenue diélectrique de l'ensemble, le mélange gazeux comprenant de l 'heptafluoro isobutyronitrile et du tétrafluorométhane peut être 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 ( IV) , 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 ;
- £o 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.
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 permitt ivités relatives de l'ordre de 3, voire inférieures i.e. des permitt ivités 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 permitt ivités 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.
II 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 présente invention concerne également l'utilisation d'un mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane 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.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention est basée sur l'utilisation d'un mélange gazeux particulier à faible impact environnemental et à capacités de coupure améliorées combinant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétra fluorométhane tels que précédemment définis, avec ou sans gaz de dilution.
Dans la présente, les expressions « gaz de dilution », « gaz neutre » ou « gaz tampon » sont équivalentes et peuvent être utilisées de façon interchangeable. Avantageusement, 1 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane sont présents dans l'appareil électrique sous forme exclusivement ou quasi exclusivement gazeuse et ce, sur toute la gamme des températures d'utilisation de cet appareil. Il convient donc que la pression partielle à laquelle est présent 1 'heptafluoroisobutyronitrile dans l'appareil électrique soit choisie en fonction de la pression de vapeur saturante (PVS) que présente ce composé 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 à laquelle on se réfère pour remplir l'appareil électrique en heptafluoroisobutyro nitrile est la pression Piremp qui correspond, à la température de remplissage, par exemple 20 °C, à la pression de vapeur saturante PVSimin que présente respectivement ce composé à la température minimale d'utilisation Tmin dudit appareil électrique. Cette correspondance est donnée, pour chaque composé, par la formule :
(PVSlmin x 293) /
avec Tmin exprimée en Kelvins.
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, -35°C et -40°C, ainsi que les pressions, notées PI-C3F7CN et exprimées en hectopascals, qui correspondent à ces pressions de vapeur saturante ramenées à 20°C.
Figure imgf000025_0001
Températures
(hPa) (hPa)
0°C 1177 1264
-5°C 968 1058
-10°C 788 877
-15°C 634 720
-20°C 504 583
-25°C 395 466
-30°C 305 368
-35°C 232 286
-40°C 173 218
Tableau III : pressions de vapeur saturante du Î-C3F7C
En ce qui concerne le tétrafluorométhane, avec un point d ' ébullition de l'ordre de -128°C, ce composé est toujours à l'état gazeux pour les pressions maximales et températures minimales usuelles des appareils électrique moyenne et haute tension. De ce fait, les pressions de vapeur saturante ne sont pas reportées pour ce composé car jamais atteintes.
Ainsi, par exemple, un appareil électrique prévu pour être utilisé à une température minimale de -30°C sera rempli, à la température de 20°C, avec une pression partielle d 'heptafluoroisobutyronitrile qui ne dépassera pas 368 hPa à 20°C si l'on veut que ce composé soit maintenu à l'état gazeux dans cet appareil sur toute la gamme des températures d'utilisation de celui-ci.
Selon l'appareil électrique, la pression totale de remplissage en milieu gazeux qui est préconisée varie. Elle est, toutefois, typiquement de plusieurs bars, c'est-à-dire de plusieurs centaines de kPa.
Aussi, bien qu'en théorie, 1 'heptafluoroiso butyronitrile et le tétrafluorométhane puissent représenter les seuls composants du milieu gazeux, ils seront le plus souvent additionnés d'un gaz de dilution (ou gaz vecteur ou gaz tampon) permettant d'obtenir le niveau de pression de remplissage préconisé.
De préférence, le gaz de dilution est choisi parmi les gaz qui présentent, d'une part, une température d'ébullition très basse, inférieure ou égale à la température minimale d'utilisation de l'appareil, et, d'autre part, 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.
De plus, on préfère que le gaz de dilution ne soit pas toxique et qu'il présente un PRG très faible, voire nul, de sorte que la dilution du tétrafluorométhane par ce gaz ait également pour effet d'abaisser l'impact environnemental de ce composé puisque le PRG d'un mélange gazeux est en rapport avec les pressions partielles de chacun de ses composants.
Aussi, le gaz de dilution est-il, de préférence, du dioxyde de carbone dont le PRG est égal à 1, de l'azote, de l'oxygène ou de l'air, avantageusement sec, dont le PRG est égal à 0, ou bien des mélanges de ceux- ci . Comme 1 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane ont une tenue diélectrique supérieure à celle des gaz susceptibles d'être utilisés comme gaz de dilution, il est souhaitable d'optimiser le remplissage de l'appareil électrique en heptaf luoro isobutyronitrile et en tétrafluorométhane . L'appareil électrique sera donc rempli d 'heptafluoroisobutyro nitrile à une pression partielle qui sera avantageusement comprise entre 95 et 100% et, mieux encore, entre 98 et 100% de la pression correspondant, à la température de remplissage, à la pression de vapeur saturante que présente ce composé à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique.
En d'autres termes, 1 'heptafluoroisobutyro nitrile sera, de préférence, présent dans le milieu gazeux en un pourcentage molaire qui sera compris entre 95 et 100% et, mieux encore, entre 98 et 100% du pourcentage molaire M donné, pour chaque composé, par la formule : M = (Piremp/Pmiiieu) x 100, dans laquelle
- Piremp représente la pression qui correspond, à la température de remplissage et pour
1 'heptafluoroisobutyronitrile, à la pression de vapeur saturante que présente ce composé à la température minimale d'utilisation de l'appareil électrique ; et - Pmiiieu représente la pression totale du milieu gazeux (1-C3F7CN + CF4 + gaz de dilution) à la température de remplissage.
Un 1er exemple particulier de mélange gazeux ternaire utilisable dans le cadre de l'invention à une température minimale de -30°C est constitué de - 4,1% molaire de 1-C3F7CN ;
20% molaire de CF4 ; et
75,9% molaire de CO2.
Un tel mélange permet d'obtenir une réduction de l'ordre de 90,2% de l'équivalent carbone par rapport au SF6 pur (Tableau V) .
Figure imgf000028_0001
Tableau V
Un 2nd exemple particulier de mélange gazeux ternaire utilisable dans le cadre de l'invention à une température minimale de -25°C est constitué de
6,3% molaire de 1-C3F7CN ;
20% molaire de CF4 ; et
73,7% molaire de CO2.
Un tel mélange permet d'obtenir une réduction de l'ordre de 90,0% de l'équivalent carbone par rapport au
SF6 pur (Tableau VI) .
Figure imgf000028_0002
Tableau VI D'un point de vue pratique, après avoir fait le vide à l'aide d'une pompe à vide à huile, on peut remplir un appareil commercial de 5 bars (500 kPa) prévu pour une utilisation à -30°C à l'aide d'un mélangeur de gaz permettant de contrôler le rapport entre les pressions de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane et la pression du gaz de dilution, ce rapport étant maintenu constant et égal à 6.3% molaire pour 1 'heptafluoroisobutyronitrile et à 20% molaire pour le tétrafluorométhane tout au long du remplissage grâce à l'utilisation de débitmètres massiques de précision. De préférence, le vide (0 à 0,1 kPa) aura été fait auparavant dans l'appareil.
II est à noter par ailleurs que, les appareils électriques futurs seront équipés de tamis moléculaires du type tamis de sulfate de calcium (CaSC>4) anhydre qui adsorbent l'humidité du gaz, et réduit donc la toxicité et l'acidité du milieu gazeux après décharges partielles par des molécules pouvant présenter une toxicité, typiquement HF .
De plus, en fin de vie ou après essais de coupure, le milieu gazeux peut être récupéré par les techniques classiques de récupération utilisant un compresseur et une pompe à vide. L 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane peuvent alors être séparés du gaz de dilution en utilisant une zéolithe capable de piéger uniquement ce gaz de dilution qui est de taille inférieure ; alternativement, une membrane à séparation sélective laissant s'échapper le gaz de dilution et gardant 1 'heptafluoroisobutyronitrile et le tétrafluorométhane puisque ces derniers ont une masse moléculaire plus importante peut être utilisée. Bien entendu, toute autre option est envisageable.
Ainsi, la présente invention propose des mélanges gazeux à faible impact environnemental avec des facteurs de réduction de l'équivalent CO2 très significatif (de l'ordre de 90%) compatible avec les températures d'utilisation minimales de l'appareillage électrique et ayant des propriétés diélectriques améliorées par rapport aux gaz types comme le CO2, l'air ou l'azote et proches de celles du SF6 pur tout en améliorant ses capacités en coupure . Ce milieu gazeux peut avantageusement remplacer le SF6 utilisé dans les appareils électriques, sans modifier ou presque leur conception : les lignes de production peuvent être gardées, avec un simple changement du milieu gazeux de remplissage.
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 peut être 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.
Cette solution permet donc de diminuer 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.
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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 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluorométhane .
2. Appareil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux comprend en outre un gaz de dilution.
3. Appareil électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit gaz de dilution est choisi parmi le dioxyde de carbone, l'azote, l'oxygène, l'air et les mélanges de ceux-ci.
4. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 1 'heptafluoro isobutyronitrile est présent dans ledit appareil électrique à une pression partielle choisie en fonction de la pression de vapeur saturante que présente l 'heptafluoroisobutyronitrile à la température minimale d'utilisation dudit appareil électrique.
5. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l 'heptafluoro isobutyronitrile est présent dans ledit appareil électrique à une pression partielle qui est comprise entre 95 et 100% de la pression correspondant, à la température de remplissage dudit appareil électrique, à la pression de vapeur saturante que présente 1 'heptafluoroisobutyronitrile à la température minimale d'utilisation dudit appareil électrique.
6. Appareil électrique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite température minimale d'utilisation dudit appareil électrique 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.
7. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux est un mélange ternaire constitué par
- de 1 à 20% molaire de 1-C3F7CN ;
de 1 à 40% molaire de CF4 ; et
de 40 à 98% molaire de gaz de dilution et notamment de CO2.
8. Appareil électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans ladite enceinte étanche, se trouvent des composants électriques recouverts d'une couche diélectrique solide d'épaisseur variable .
9. Appareil électrique selon la revendication 8, 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.
10. Appareil électrique selon la revendication 9, 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, notamment inférieure ou égale à 4 et notamment inférieure ou égale à 3.
11. Appareil électrique selon la revendication 8, 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) sélect ionné ( 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 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.
14. Utilisation d'un mélange gazeux comprenant de 1 'heptafluoroisobutyronitrile et du tétrafluoro méthane tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, 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 8 à 12, comme gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques .
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