Brevet FR2107938A1 — publié le 19720512

Cette invention concerne une huile isolante pour organes électriques, possédant une tendance moindre à laisser s'altérer ses propriétés de rupture diélectrique, qui comprend une huile minérale incorporant un agent tensio-actif non ionique. Plus 5 particulièrement, elle concerne une huile isolante pour organes électriques protégés, qui comprend une huile minérale à laquelle est incorporé de 0,1 %,au moins, à 8%, en poids, d'un agent tensio-actif non ionique. Les huiles isolantes classiques (huiles minérales) pour 10 organes électriques ont un inconvénient en ce que, en dépit de leurs excellentes ccaractéristiques de rupture diélectrique dans un état extrêmement pur excluant toute impureté, elles présentent des caractéristiques de rupture diélectrique fortement altérées en présence d'un peu d'eau ou de poussière. Ainsi, 15 une huile minérale purifiée possède une tension de rupture diélectrique élevée dépassant 24 kv/mm, alors que, lorsqu'elle est pratiquement utilisée dans un organe électrique comme, par exemple, un transformateur, l'huile minérale, que l'on croyait parfaitement purifiée, laisse apparaître fréquemment des ruptu-20 res diélectriques à l'application d'un champ électrique de 10 kV/tam. A titre d'exemple, la valeur minimale de tension de rupture diélectrique, mesurée sur 10.000 litres d'une huile minérale tirée de transformateurs, est aussi faible que 6 kv/imn. Une valeur aussi basse est, naturellement, attribuable à l'effet 25 des impuretés. Des faits précédents, on peut conclure que, pour réduire le volume d'isolation ou pour augmenter la fiabilité de l'isolation d'un organe électrique, il est plus efficace de retirer l'eau ou les particules solides en suspension de l'huile, ou d'incorporer un quelconque additif qui empêche l'altéra-30 tion des caractéristiques de rupture diélectrique de l'huile en présence d'impuretés, que d'augmenter la rigidité diélectrique fondamentale, c'est-à-dire de modifier la constitution moléculaire ou d'augmenter la viscosité de l'huile. Un objectif de l'invention est de fournir une huile isolan-35 te pour organes électriques possédant une tendance moindre à laisser s'altérer ses caractéristiques de rupture diélectrique du fait d'impuretés comme l'eau et les poussières. Un autre objectif de l'invention est de fournir une huile isolante pour organes électriques, qui n'affecte pratiquement 40 pas la résistivité thermique des matériaux isolants principaux 71 34276 2107938 comme les papiers isolants, les cartons comprimés, etc... Un objectif supplémentaire de l'invention est de fournir une huile isolante pour organes électriques, qui puisse étendre notablement la durée de fonctionnement des organes électriques. 5 Le principe de 1'invention repose sur 11 incorporation, à une huile minérale,de 0,1% à 8%, en poids, d'un agent tensio-actif non ionique. L'invention se fonde sur la découverte de l'action et de l'effet caractéristiques d'un agent tensio-actif non ionique 10 vis-à-vis d'une huile minérale. Ainsi, l'addition d'un agent tensio-actif non ionique à une huile synthétique ayant des groupes fortement polaires comme, par exemple le trichlorodiphé-nyle et le pentachlorodiphényle, n'a pas de signification pratique. Ladite action et ledit effet caractéristiques d'un agent 15 tensio-actif non ionique semblent se manifester selon le mécanisme suivant. Lorsqu'une huile minérale est contaminée par l'humidité ou d'autres impuretés, des molécules de l'agent tensio-actif non ionique s'orientent de manière à envelopper les impuretés et agissent, en même temps que les groupes hydrophiles 20 de la molécule dudit agent tensio-actif, de façon à faciliter la mise en solution,ou la diffusion,des impuretés dans l'huile minérale, empêchant ainsi l'accumulation locale ou le dépôt d'impuretés qui altéreraient les caractéristiques de rupture diélectrique. L'huile minérale à laquelle se rapporte cette in-25 vention est une huile qui est préparée comme une huile isolante. Une huile minérale particulièrement utile est une huile qui est employée pour l'isolation électrique et qui possède une viscosité dynamique non inférieure à 30 centistokes à 30°C et un point d'écoulement de -lo°C,ou au-dessous. 30 Les inventeurs ont montré que tous les agents tensio-actifs non ioniques ont des actions et des effets comparables vis-à-vis des huiles minérales. Parmi les exemples d'agents tensio-actifs non ioniques, on trouve des éthers d'alcools alkyliques et de polyoxyéthylènes; des éthers d'alcools alkylaryliques et de 35 polyoxyéthylènes; des composés de polyoxyéthylènes et de polyoxy-propylènes; des esters du polyoxyéthylènes et d'acides carboxy-liques; des esters de pentaérythritol? des esters monoalkyliques de sorbitane; divers monoglycérides et des éthers alkyliques supérieurs. L'effet attendu de l'incorporation de l'agent tensio-40 actif non ionique ne peut apparaître, à moins que l'agent ne 71 34276 3 2107938 soit ajouté dans une quantité d'au moins 0,1% en poids. L'effet de l'incorporation augmente presque proportionnellement avec la quuntité incorporée jusqu'à 8%, en poids, où l'effet atteint un palier. Les quantités les plus efficaces pour l'agent tensio-5 actif non ionique appartiennent à 1'intervalle de 0,5 à 5%, en poids. Les agents tensio-actifs non ioniques ont, selon les types, différents coefficients de EHL (équilibre hydrophile-lipophile). Le coefficient de EHL est obtenu, comme cela est bien connu, de l'équation suivante: 10 Coefficient de EHL = 20 (1 - S/h) (l) Le coefficient de EHL agit, à un certain degré, sur l'efficacité de l'agent tensio-actif non ionique. Lorsqu'ils sont incorporés 20 dans des huiles minérales, les agents tensio-actifs non ioniques ayant des coefficients élevés de EHL sont plus efficaces que ceux qui ont des coefficients peu élevés pour empêcher l'altération des caractéristiques de rupture diélectrique des huiles minérales due à l'influence de l'eau et des autres impuretés, cependant, 25 des composés ayant des coefficients de EHL élevés tendent à devenir plus difficilement solubles que ceux qui ont des coefficients peu élevés. De plus, ceux qui ont des coefficients de EHL peu élevés ont une meilleure tensio-activité à haute température que ceux qui ont des coefficients de EHL plus élevés, et 30 sont considérés comme convenant mieux à un organe électrique travaillant à température élevée. En fait, les coefficients de EHL peuvent être choisis selon les besoins. Des agents tensio-actifs non ioniques utiles pour le présent objectif ont généralement un coefficient de EHL de 5 à 17, en particulier de 7 à 35 15. Dans cette invention, chaque agent tensio-actif non ionique peut être utilisé seul ou, naturellement, en combinaison de deux ou plus, pour obtenir le même effet. L'huile isolante pour organes électriques selon cette invention peut être mélangée à au moins un des additifs classi-40 quement utilisés avec une huile isolante, qui comprennent des 15 où S = indice de saponification A = indice d'acide de l'acide gras ou Coefficient de EHL = (E + P)/5 où E « pourcentage, en poids, de polyoxyéthylène dans la molécule P = pourcentage, en poids, de polyalcool dans la molécule. (II) 71 34276 2107938 anti-oxydants du type phénol comme, par exemple, le di-tert-butyl-p-crésol, et des anti-oxydants du type aminé comme la phénothiazine. La présence d'un tel additif n'interfère pas avec l'efficacité de l'invention. Egalement, l'incorporation 5 d'un adsorbant,comme une alumine activitée ou un tamis moléculaire, n'affecte en rien l'efficacité de l'invention. L'huile isolante pour organes électriques de l'invention est utilisée pour des organes électriques protégés comme, par exemple, un transformateur protégé, un câble à huile, un con-10 densateur à huile, un transformateur de tension à bain d'huile, un transformateur ds courant à bain d'huile, ou une gaine à huile, alors qu'elle ne convient pas à un organe électrique non protégé. La raison de cette non adaptation à un organe électrique non prôtégé provient du caractère hygroscopique 15 intense de 1'agenttensio-actif non ionique, l'huile isolante absorbant l'humidité atmosphérique dans un appareil non protégé, ce qui a pour effet d'augmenter sa teneur en eau, et ce qui conduit à une altération des propriétés électriques, comme la rigidité diélectrique et l'angle de perte diélectrique. Cette huile 20 isolante est utilisée de manière plus avantageuse dans un organe électrique ayant un gradient de potentiel particulièrement élevé parmi les organes électriques protégés, c'est-à-dire travaillant à un gradient de potentiel de fonctionnement supérieur à 2 kV/mm, en particulier de 3 à 16 kV/mm. 25 L'huile isolante pour organes électriques de cette inven tion peut être utilisée seule ou en coopération avec des matériaux isolants solides comprenant des matériaux isolants cellulosiques comme le papier kraft,le papier de linters et le carton comprimé, et des matériaux isolants à base de résine synthétique 30 comme le téréphtalate de polyéthylène et le polyimide en pellicules; et avec des matériaux isolants gazeux. En particulier, l'utilisation en combinaison avec des matériaux isolants cellulosiques est très efficace. 71 34276 5 2107938 L'invention est illustrée ci-dessous plus concrètement par référence à un exemple. EXEMPLE Chacun der. agents tansio-actife non ioniques suivante a été 5 ajouté individuellement et en diverses quantités à une huile minérale ayant une viscosité dynamique de 14,4 centistokes à 30°C et un point d'écoulement de -32,5°C, de manière à préparer les huiles isolantes pour organes électriques : un agent tensio-actif non ionique (échantillon n° 1) comprenant un polymère 10 d'addition (avec un coefficient de EHL de 10,0) de polyoxyéthy-lène c.u nonylphénol; un agent tensio-actif non ionique (échantillon n°2) comprenant un ester de polyoxyéthylène-acide laurique ayant un coefficient de EHL de 10,5; un argent tensio-actif non ionique (échantillon n° 3) comprenant un êther 15 polyoxyéthy1ène-oléy1ique ayant un coefficient de EHL de 10»4; un agent tensio-Actif non ionique (échantillon n° 4) comprenant un produit de condensation (ayant un coefficient de EHL de 14,0) de polyoxyéthylène avec du polyoxypropylène; un agent tensio-actif non ionique (échantillon n° 5) comprenant 20 du trioléate'de polyotfyëthylène-sorbitane ayant un coefficient de EHL de 10,8. Les huiles isolantes précitées ont été testées du point de vue de la tension de rupture diélectrique imnédiatement après la préparation (avant absorption d'eau) et après avoir absorbé 25 de 50 à 60 ppm d'eau dans les conditions suivantes : 25°C, 60-70% d'humidité relative. Les résultats obtenus ont été indiqués 3ur le Tableau 1. Par comparaison, les résultats obtenus avec l'huile minérale elle-même sont indiqués sur le Tableau 1. Le terme "quantité incorporée", utilisé sur le Tableau 1, se 30 rapporte à la quantité d'agent tensio-actif non ionique incorporée. 71 34276 6 2107938 TABLEAU 1 Echantillon Quantité incorporée (% en poids) Tension de rupture diélectrique (kv/mm) Avant absorption d'eau Après absorption d ' eau 0,1 30,0 21,7 0,3 27,4 16,7 N° 1 1,0 27,6 21,3 3,0 29,3 26,7 5,0 30,0 28,3 0,1 27,7 14,1 0,3 27,0 14,5 N° 2 1,0 27,3 15,7 3,0 27,5 19,0 5,0 27,1 21,0 0,1 27,0 13,5 0,3 25,5 15,2 N° 3 1,0 25,8 17,1 3,0 26,4 22,6 5,0 27,0 24,5 0,1 28,0 15,3 0,3 28,3 16,7 N° 4 1,0 27,0 25,0 3,0 28,0 29,6 5,0 28,2 27,9 o,i 26,5 15,0 0,3 25,0 15,3 N° 5 1,0 25,3 16,4 3,0 27,0 20,7 5,0 27,8 21,8 Huile minérale seule 27,5 ! 13,3 » 71 34276 7 2107938 A partir du Tableau 1, on peut facilement comprendre que , par comparaison avec l'huile minérale elle-même, l'huile isolante de la présente invention comprenant un agent tensio-actif non ionique présente peu de différence dans ses carac-5 téristiques de rupture diélectrique avant et après absorption d'eau, et, ainsi, l'agent tensio-actif non ionique est efficace à empêcher lfeltération desdites caractéristiques du fait de l'influence de l'humidité. Ensuite, on a mesuré la tension de rupture diélectrique 10 des huiles isolantes précitées pour organes électriques, une fois mélangées à du carton comprimé réduit en poudre de taille de particules moyenne de 0,1 mm (teneur en eau de 2%), considéré 3 comme impuretés, dans une proportion de 13 mg pour 250 cm d'huile isolante et, en plus, après les avoir humidifiéesjusqu'à 15 une teneur en eau de 50 à 60 ppm dans les conditions suivantes : 25°C, 60-70% d'humidité relative. Les résultats obtenus sont indiqués sur le Tableau 2. Le terme "quantité incorporée", utilisé sur le Tableau 2, se rapporte à la quantité d'agent tensio-actif non ionique incorporée. 71 34276 8 TABLEAU 2 2107938 Echantillon Quantité incorporée (% en poids) i Tension de rupture diélectrique (kV/mm) 0,1 14,8 0,3 12,5 N° 1 1,0 14,3 3,0 20,0 5,0 22,0 0,1 10,0 0,3 11,1 N° 2 1,0 12,0 3,0 13,5 5,0 15,0 0,1 10,5 0,3 10,9 N° 3 1,0 12,7 3,0 15,9 5,0 17,5 0,1 12,5 0,3 14,1 N° 4 1,0 18,2 3,0 21,5 5,0 23,0 0,1 10,9 0,3 11,5 N° 5 1,0 13,0 3,0 15,7 5,0 17,0 3 Huile minérale seule 10,4 71 34276 2107938 Les données du Tableau 2 montrent que l'huile isolante pour organes électriques est extrêmement stable vis-à-vis de la contamination par une impureté telle qu'un matériau cellulosique fibreux, et peut conserver des caractéristiques de 5 rupture diélectrique excellentes. De plus, on a étudié l'influence de l'huile isolante pour organes électriques sur un papier isolant, lorsque ladite huile est utilisée en combinaison avec ce dernier. Le procéda de l'étude était le suivant : un papier isolant électrique et 10 un échantillon d'huile isolante ont été placés dans un récipient de verre en forme d'ampoule. Après un chauffage à 150°C, l'altération thermique du papier isolant a été examinée par mesure de la charge limite de rupture à l'aide d'une machine d'essai de Schopper. Les papiers isolants électriques utilisés dans 15 l'étude étaient de trois types, soit un papier traité au dicyandiamide de 125 microns d'épaisseur, un papier cyanoéthylaté de 125 microns d'épaisseur, et un papier kraft de 250 microns d'épaisseur, tous ces papiers ayant été séchés par chauffage sous pression réduite. 20 CeffiEM échantillons d'essai d'huiles isolantes, on & utilisé àe^x espèces d'huiles,qui étaient l'échantillon n° 5 mentionné ci-dessus contenant 3%, en poids, d'un agent tensio-actif non ionique et l'huile minérale elle-même. Les résultats obtenus sont indiqués sur le Tableau 3. 25 TABLEAU 3 30 Echan Durée du chauffage (jours) 2 Charge limite de rupture (kg/mm ) tillon Papier dicvandiamide Papier cvanoéthvlaté Papier kraft 0 14,7 9,1 7,1 N° 5 10 15,2 9,5 6,4 45 15,5 10,5 5,3 0 14,7 9,1 7,1 Huile minérale seule 10 45 15,6 15,2 9,1 10,2 6,0 5,5 35 Comme on peut le voir sur le Tableau 3, l'agent tensio- actif non ionique n'accélère jamais l'altération thermique des matériaux isolants cellulosiques qui le portent. 71 34276 io 2107938 REVENDICATIONS 1. Huile isolante pour organes électriques protégés, caractérisée par le fait qu'elle comprend une huile minérale à laquelle sont incorporés de 0,1 à 3%, en poids, d'un agent tensio- actif non 5 ionique. 2. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 1, caractériséepar le fait que 0,5 à 5%, en poids, de l'agent tensio-actif non ironique lui sont incorporés. 3. Huile isolante po.ur organes électriques selon la revendi-10 cation 1, caractériséepar le fait qu'au moins un composé choisi dans le groupe constitué par des composés, de type éther, d'alcools alkyliques et de polyoxyéthylènes, des composés, de type éther, d'alcools alkylaryliques et de polyoxyéthylènes, de composés de polyoxyéthylènes et de polyoxypropylènes, de composés, 15 de type ester, de polyoxyéthylènes et d'acides carboxyliques, et d'esters du pentaérythritol, lui est incorporé comme agent tensio-actif non ionique. 4. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 2, caractériséepar le fait qu'au moins un composé choisi 20 dans le groupe constitué par des composés, de type éther, d'alcools alkyliques et de polyoxyéthylènes, des composés, de type éther, â'alcools alkylaryliques et de polyoxyéthylènes, de composés de polyoxyéthylènes et de polyoxypropylènes, de composés, de type ester, de polyoxyéthylènes et d'acides carboxyliques, et d'esters du 25 pentaérythritol, lui est incorporé comme agent tensio-actif non ionique. 5. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 1, caractériséepar le fait que l'agent tensio-actif est celui qui possède un coefficient d'équilibre hydrophile-lipophile de 30 5 à 17. 6. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 2, caractériséepar le fait que l'agent tensio-actif est celui qui possède un coefficient d'équilibre hydrophile-lipophile de 5 à 17. 35 7. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 1, caractériséepar le fait qu'elle est destinée à être utilisée dans un appareil électrique protégé travaillant à un gradient de potentiel de fonctionnement d'au moins 2 kV./mm. 71 34276 11 2107938 8. Huile isolante pour organes électriques selon la revendication 3, caractériséepar le fait qu'elle est destinée à être utilisée dans un appareil électrique protégé travaillant à un gradient de potentiel de fonctionnement d'au moins 2 KV/mm.