Brevet FR2182228A1 — publié le 19731207

La présente invention concerne des condensateurs du type formé de couches conductrices et diélectriques alternées, bobinées ou empilées, enfermées dans un boîtier étanche, et une composition diélectrique liquide convenant pour imprégner de tels condensateurs 5 Un type courant de condensateurs électriques comprend une combinaison de feuilles métalliques conductrices espacées, entre lesquelles est interposée une feuille diélectrique qui peut être en papier, en film polymère ou en une combinaison de papier et de film polymère. La matière diélectrique en feuille et les in-10 terstices dans la feuille diélectrique et entre cette feuille et les conducteurs sont imprégnés d'une composition diélectrique liquide. Cette imprégnation est essentielle pour réaliser la plus grande rigidité diélectrique de la matière diélectrique. La composition diélectrique préférée pour imprégner des 15 condensateurs a jusqu'ici été du biphényle polychloré qui a une constante diélectrique relativement élevée et de bonnes propriétés à basse température. On a cependant découvert maintenant que certains des biphényles polychlorés sont résistants vis-à-vis d' une dégradation naturelle et, lorsqu'elles sont rejetées dans 1' 20 environnement, ces matières peuvent entrer dans le cycle vital et constituer un danger potentiel pour l'écologie. Quand bien même les condensateurs sont des unités scellées et qu'une fuite du produit d'imprégnation dans l'environnement peut être évitée dans une grande mesure, il est néanmoins devenu souhaitable de fournir une au-25 tre composition pour imprégner des condensateurs, composition qui ne contient pas de biphényles polychlorés potentiellement nuisibles Un objet de la présente invention est en conséquence de fournir une nouvelle composition diélectrique fluide pour imprégner des condensateurs électriques, composition qui ne contient pas 30 de biphényles polychlorés. Un autre objet de la présente invention est de fournir des condensateurs contenant cette nouvelle composition diélectrique fluide. D'autres objets de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante. Les compositions de la présente invention, qui sont uti-35 les pour imprégner des condensateurs du type ayant des couches alternées d'un conducteur à feuille métallique et d'une feuille d'une matière diélectrique solide, comprennent des éthers aliphatiques-aromatiques halogènes mixtes représentés par la structure : 40 73 15 S 41 2. (X) 0 - R n dans laquelle R est un groupe alkyle ayant 1 à environ 10 atomes 5 de carbone, chaque X représente individuellement du chlore, du fluor ou du brome, et n vaut 1 ou 2. De plus, le diélectrique d'imprégnation peut comprendre un mélange de tels composés, et de tels mélanges sont particulièrement préférés là où les composés individuels ont des points de fusion élevés et les mélanges ont des points 10 de fusion notablement inférieurs. construits et imprégnés selon des modes opératoires conventionnels. La matière diélectrique en feuille interposée entre les feuilles métalliques conductrices peut être du papier, un film polymère tel 15 que du polypropylène, ou une combinaison de papier et d'un film. De tels condensateurs imprégnés des compositions de la présente invention sont caractérisés par un faible facteur de dissipation, une constante diélectrique élevée et un bon comportement dans des tests de longévité. 20 La présente invention sera maintenant décrite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective d'un condensateur bobiné, partiellement déroulé, et La figure 2 montre un condensateur complètement assemblé, 25 du type représenté à la figure 1, et un fluide diélectrique d'imprégnation. Les liquides diélectriques de la présente invention contiennent de préférence une proportion principale, c'est-à-dire au moins environ 70 fo en poids, d'un ou de plusieurs éthers aliphati-30 ques-aromatiques halogénés mixtes, représentés par la structure : dans laquelle R est un groupe alkyle ayant 1 à environ 10, et de 35 préférence environ 3 à 8 atomes de carbone, chaque X représente individuellement du chlore, du fluor ou du brome, et n vaut 1 ou 2. Des éthers particulièrement préférés sont ceux dans lesquels R représente le groupe n-propyle, isopropyle, n-butyle ou isobutyle. 40 butyl-o-chlorophénylique, l'éther n-butyl-o-bromophénylique, l'é- Des condensateurs contenant ces compositions peuvent être Des éthers mixtes spécifiques préférés sont l'éther n- à 73 15541 3' 2182228 ther n-butyl-o-fluorophénylique, l'éther n-butyl-2,4-dichlorophény-lique, l'éther n-butyl-2,4-dibromophénylique, l'éther n-butyl-2,4-difluorophénylique et leurs mélanges, particulièrement des mélanges d'éther n-butyl-o-chlorophénylique et d'éther n-butyl-2,4-dichloro-5 phénylique dans un rapport d'environ 1 : 4 à environ 4:1. En plus des éthers mixtes, les liquides diélectriques de la présente invention peuvent contenir jusqu'à environ 30 % en poids d'un diluant ou d'un solvant. L'emploi de tels diluants est particulièrement souhaitable lorsque l'éther mixte a -un point de 10 fusion supérieur à environ 0°C, et le fonctionnement à basse température peut être amélioré par l'utilisation d'un diluant. Des diluants utiles dans les compositions diélectriques de la présente invention sont de préférence des hydrocarbures et des éthers d'hydrocarbures comprenant des alcanes ayant environ 12 15 à 20 atomes de carbone, un alkylbenzène, un alkylnaphtalène, un alkylbiphényle, un alkylpolyphényle, des éthers alkylaryliques et leurs dérivés substitués par un ou plusieurs groupes alkyles, des diarylalcanes et leurs dérivés substitués par un ou plusieurs groupes alkyles, et des éthers diaryliques et leurs dérivés substitués 20 par un ou plusieurs groupes alkyles, où les groupes alkyles et les alcanes ont de 1 à environ 20 atomes de carbone, les radicaux ary-lessont le benzène, le naphtalène, le biphényle ou le polyphényle, et les polyphényles comprennent de 3 à environ 5 groupes phényles. Des exemples spécifiques illustrant de tels diluants or-25 ganiques comprennent le dodécane, 1'heptadécane, un (alkyl en Cg_^2 benzène, le cyclohexyléthylbenzène, un (alkyl en Cg_^2)naphtalène, une (alkyl en Cg_^2)tétraline, 1'isopropylbiphényle, le cyclohexyl-biphényle, des éthers (alkyl en Cg_12)phényliques, le diphénylmé-thylpentane, le benzyléthylbenzène, l'éther diphénylique et le phé-30 noxybiphényle. La composition diélectrique fluide de la présente invention peut contenir, en plus des éthers mixtes et des diluants définis, de moindres quantités de nombreux autres composants. En particulier, il est souvent souhaitable d'incorporer un composant devant 35 agir comme stabilisant dans le système diélectrique imprégné. Généralement, le but d'un stabilisant dans le système est de neutraliser certains produits contaminants ou certaines matières étrangères ionisables qui peuvent être présents ou être formés dans le système De tels produits contaminants peuvent comprendre un résidu de cata-40 lyseur ou des activeurs de catalyseur qui proviennent de réactions n 15541 2182228 de formation de la résine. Des produits contaminants peuvent également comprendre des produits de dégradation engendrés par une réaction chimique provoquée par l'environnement ou la tension dans le système. Ces produits contaminants et ces produits étrangers indé-5 sirables ont un effet nuisible sur le facteur de dissipation ou de puissance du système diélectrique imprégné, et on a trouvé que des produits stabilisants sont fort efficaces pour maintenir dans des systèmes diélectriques imprégnés un faible facteur de puissance. Des exemples de stabilisants particulièrement préférés 10 sont des époxydes tels que le l-époxyéthyl-3,4-époxycyclohexane, le 3,4-époxycyclohexanecarboxylate de 3.» 4-époxycyclohexylméthyle, le 3,4-époxy-6-méthylcyclohexanecarboxylate de 3,4-époxy-6-méthyl-cyclohexylméthyle, etc.... Ces stabilisants sont de préférence employés dans les compositions diélectriques fluides de la présente 15 invention en quantités dans l'intervalle général de 0,001 à environ 8 io en poids, et de préférence d'environ 0,1 à 3,0 % en poids. Les feuilles diélectriques interposées entre les conducteurs dans le condensateur et imprégnées par les compo_sitions diélectriques fluides de la présente invention peuvent être constituées 20 d'une matière solide,flexible, poreuse, telle que du papier cellulosique fort raffiné, ou d'une matière polymère en film sensiblement non poreuse, telle qu'une polyoléfine, ou d'une combinaison de papier et d'un film polymère. Le papier consiste, de préférence, en deux ou plusieurs feuilles de papier Kraft pour condensateurs, 25 l'épaisseur de chaque feuille étant de préférence d'environ 7,6 à 50,8 microns, et de préférence d'environ 15,2 à 25,4 microns, et l'épaisseur combinée totale convenant à la tension pour laquelle le condensateur est conçu. Un tel papier a une rigidité diélectrique qui est relativement bonne lorsqu'on la compare à d'autres diélec-30 triques, et il a une constante diélectrique relativement élevée. La matière polymère est de préférence un film de polypropylène o-rienté biaxialement, bien que d'autres membres de la famille des polyoléfines, particulièrement le polyéthylène et le poly(4-méthyl-pentène-l) aient trouvé une certaine utilisation dans des condensa-35 teurs. D'autres matières polymères utiles comprennent des polyesters, des polycarbonates, le fluorure de polyvinylidène et une po-lysulfone. Bien que l'on puisse utiliser du papier ou un film polymère seul, on utilise souvent des combinaisons des deux. Le papier est disposé en position adjacente au film polymère pour agir 40 comme une mèche pour faire passer le liquide diélectrique d'impré- 73 15541 5" 2182228 gnation dans la zone correspondant à la zone de contact entre le papier poreux et la matière polymère sensiblement non poreuse. Des condensateurs employant la présente invention peuvent avoir la structure et la configuration générales représentées en 5 figure 1 qui représente un condensateur bobiné 10 comprenant des électrodes ou armatures 11 et 12 séparées et des intercalaires diélectriques intermédiaires 13 et 14. Les bornes 15 et 16 ont des surfaces agrandies (non représentées) en contact avec les électrodes 11 et 12. Les électrodes 11 et 12 peuvent comprendre une ou 10 plusieurs matières prises dans un certain nombre de matières différentes, comprenant, par exemple, une feuille d'aluminium, de cuivre ou d'acier inoxydable, ou une structure composite de papier ou feuille métallisé dans lequel de l'aluminium, du zinc ou un autre métal vaporisable est déposé à l'état de vapeur sur l'une ou les 15 deux surfaces du substrat. Les intercalaires diélectriques 13 et 14 comprennent généralement du papier et/ou un film polymère comme décrit plus haut. De façon plus spécifique, l'intercalaire diélectrique 13 et les électrodes métalliques 11 et 12 forment ensemble un élément de condensateur. Les matériaux intercalaires diélectri-20 ques et les vides dans et entre les matériaux et les électrodes sont imprégnés d'une composition diélectrique fluide. En se reportant maintenant à la figure 2, on y voit une unité de condensateur assemblée 18 dans laquelle est enfermée une structure de condensateur bobiné du type représenté en figure 1. 25 L'unité assemblée comprend un boîtier 19, un couvercle 20 hermétiquement fermé, qui comprend un petit trou 21 de remplissage du fluide diélectrique, et une paire de bornes 22 et 23 sortant du couvercle 20 et isolées de celui-ci. A l'intérieur du boîtier 19, les bornes 22 et 23 sont connectées aux bornes 15 et 16 représen-30 tées en figure 1. Bien que cela ne soit pas représenté, l'unité 18 représentée en figure 2 comprend de plus la composition diélectrique fluide qui occupe dans le boîtier 19 l'espace qui n'est pas occupé par l'élément de condensateur, et qui imprègne également les intercalaires diélectriques 13 et 14. -55 L'imprégnation du condensateur est réalisée en utilisant des modes opératoires conventionnels. Par exemple, selon une méthode générale d'imprégnation, des condensateurs enfermés dans des ensembles tels que le condensateur 18 de la figure 2 sont séchés sous vxue pour enlever l'humidité résiduelle. La température de séchage 40 variera en fonction de la longueur du cycle de séchage, mais elle 73 15541 ' ? 1922/8 est usuellement sensiblement comprise entre 50 et 150°C. Avec une température trop basse, la période de séchage est excessivement longue, tandis qu'une température trop élevée peut entraîner une décomposition du papier ou un rétrécissement du film polymère uti-5 lisé comme intercalaire diélectrique. Le trou 21 permet à l'humidité de sortir de l'intérieur du boîtier 19 pendant le processus de séchage. Le liquide diélectrique d'imprégnation est admis dans le condensateur par le trou 21, de préférence pendant que le disposi-10 tif séché est encore sous vide dans une enceinte sous vide convenable. L'élément de condensateur dans le boîtier doit être submergé par le liquide d'imprégnation et, usuellement, il rentre suffisamment de liquide d'imprégnation pour remplir complètement le boîtier et en chasser tout l'air. On élève alors la pression dans l' 15 enceinte jusqu'à la pression atmosphérique, et on laisse le dispositif reposer ou s'imprégner pendant un nombre d'heures suffisant pour que le liquide d'imprégnation pénètre partout. Après imprégnation, le condensateur peut être scellé en appliquant sur le trou 21 de la soudure convenable, ou par un autre moyen convenable. Le con-20 densateur assemblé peut ensuite être soumis à une température élevée pour augmenter la pression à l'intérieur et faciliter le processus d'imprégnation. La chaleur et la pression peuvent améliorer les caractéristiques d'imprégnation en changeant la mouillabilité, la viscosité et la solubilité relatives des matières. De plus, une 25 dilatation et une contraction de composants individuels du système qui peuvent résulter de la chaleur et de la pression peuvent agir comme force d'entraînement pour induire une migration du liquide dans les interstices du matériau intercalaire diélectrique. On a construit plusieurs condensateurs, du type illustré -30 aux figures 1 et 2, avec une feuille d'aluminium et des intercalaires en papier, et on les a imprégnés, selon la description qui précède, d'une composition diélectrique comprenant un mélange 50/50 d'éther n-butyl-o-chlorophénylique et d'éther n-butyl-2,4-dichloro-phénylique contenant 0,3 % de 3*4-époxycyclohexanecarboxylate de 35 3^4-époxycyclohexylméthyle. On a soumis un groupe de 8 de ces condensateurs, appelés "condensateurs d'essai" à des tests en service et de longévité. Les résultats de ces tests ont été comparés à ceux obtenus avec un groupe semblable de condensateurs identiques, imprégnés de la même manière d'un biphényle polychloré de qualité"é- 40 lectrique" contenant environ 42 fo de chlore, appelés "condensateurs témoins". Les résultats des tests sont donnés au tableau. ê TABLEAU Condensateurs isolés au papier* Conditions du test de longé Température, °C 22° 70° 70° 0 0 D- 70° 0 0 t- 00 0 0 0 0 CT\ 100° Cjl) vité Tension 600 870 900 930 9 60 1.000 1.000 1.000 1, 000 Temps, h. 0 744 168 168 120 168 168 168 168 Ln U"i Condensateurs d'essai - 8 unités - Tg S Capacité, j.fd 0,00372 2,190 0,00340 2,094 0,00341 2,095 0,00338 2,095 0,00341 2,094 0,00339 2,091 0,00354 2,081 0,00363 2,064 0,00410 2,053 —» Nombre d'échecs 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Condensateurs témoins - 8 unités - Tg S Capacité, jjLfd 0,00345 1,970 0,00315 1,889 0,00317 1,888 0,00316 1,888 0,00305 1,886 0,00307 1,884 0,00315 1,879 0,00343 1,863 o,oo4o4 1,854 -Cl Nombre d'échecs 0 0 0 0 2 0 0 0 2 *Deux feuilles de papier Kraft de 16,8 microns. fO co hO Ni NO CO 73 15541 8. 2182228 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. 73 15541 9" 2182228 REVENDICATIONS 1 - Composition utile pour imprégner un condensateur, caractérisée en ce qu'elle comprend des éthers aliphatiques-aromati-ques halogénés mixtes représentés par la structure : 0 - R dans laquelle R est un groupe alkyle ayant 1 à environ 10 atomes de carbone, chaque X représente individuellement du chlore, du 10 fluor ou du brome, et n vaut 1 ou 2. 2 - Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient environ 0,001 à 8 en poids d'un époxyde stabilisant. 3 - Composition selon la revendication 1, caractérisée 15 en ce qu'elle contient environ 1 à 50 % en poids d'un diluant choisi dans le groupe formé par les alcanes ayant environ 12 à 20 atomes de carbone, un alkylbenzène, un alkylnaphtalène, un alkylbiphé-nyle, un alkylpolyphényle, des éthers alkaryliques et leurs dérivés substitués par un ou plusieurs groupes alkyles, des alcanes diary-20 liques et leurs dérivés substitués par un ou plusieurs groupes alkyles et des éthers diaryliques et leurs dérivés substitués par un ou plusieurs groupes alkyles, dans lesquels les groupes alkyles et les alcanes ont de 1 à environ 20 atomes de carbone, les radicaux aryles sont le benzène, le naphtalène, le biphényle ou le polyphé-25 nyle, et les polyphényles ont de 3 à environ 5 groupes phényles. 4 - Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éthers mixtes sont choisis dans le groupe formé de l'éther n-butyl-o-chlorophénylique, de l'éther n-butyl-2,4-dichlo-rophénylique et de leurs mélanges. 30 5 - Composition selon la revendication 4, caractérisée en ce que les éthers mixtes comprennent un mélange d'éther n-butyl-o-chlorophénylique et d'éther n-butyl-2,4-dichlorophénylique dans un rapport d'environ 1 : 4 à environ 4:1. 6 - Composition selon la revendication 5, caractérisée 35 en ce qu'elle contient environ 0,001 à 8 % en poids d'un époxyde stabilisant. 7 - Composition selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle contient d'environ 0,1 à 3 ^ en poids de 3,4-époxy-cyclohexanccarboxylate de 3,4-époxycyclohexyméthyle. 40 8 - Condensateur électrique, caractérisé en ce qu'il com- 73 1 > S 41 10' 2182228 prend au moins deux électrodes et une feuille diélectrique isolante solide disposée entre elles, les interstices entre la feuille diélectrique et les électrodes étant imprégnés d'une composition diélectrique liquide selon l'une quelconque des revendications 1, 5 et 7-