Brevet FR2246951A1 — publié le 19750502

La présente invention concerne les condensateurs électriques comportant un intercalaire formé par un film diélec -trique polymère thermoplastique modifié. Jusqu'ici, les intercalaires diélectriques, en particulier les intercalaires destinés à être utilisés dans des condensateurs,ont été réalisés en papier kraft ou en d'autres matières cellulosiques, et plus récemment par des films en résine synthétique, seuls ou conjointement à des feuilles de papier kraft. Les films de résine synthétique en général, et en particulier les films de polyprspylènessont supérieurs aux diélectriques formés par des feuilles de matière cellulosique en ce sens qu'ils peuvent résister à des contraintes de tension plus élevées par unité d'épaisseur,qu'lls sont moins sujets à présenter des fissures et des défauts tels que des piquages ondes particules conductrices,qui réduisent la rigidité électrique, et qu' ils ont de meilleures caractéristiques de facteur de puissance. Du fait de ces propriétés et d'autres encore,on peut réaliser des condensateurs comportant des diélectriques formés par des films de polypropylène plus petits que ceux comportant des diélectriques en papier, tout en conservant des valeurs de capacité et de tension nominales équivalentes. Toutefois,de minces films- orientés en polypropylène présentent un inconvénient du fait qu'ils tendent à adhérer étroitement à la fois l'un sur l'autre, ainsi que sur les feuilles de métal formant les électrodes ou d'autres matières foliiformes avec lesquelles ils sont enroulés lors de la fabrication des condensateurs. L'adhérence résultante (qui souvent est dénommée "prise en masse") des surfaces des films de polypropylène sur les surfaces voisines du film de polypropylène ou de la feuille métallique rend difficile l'imprégnation de ces condensateurs après enroulement .En outre,les tendances à l'adhérence font que le condensateur enroulé obtenu en définitive présente des vides ou poches d'air inhérents et empêche un écoulement aisé du liquide diélectrique vers toutes les parties de l'élément enroulé. En conséquence,la résistance électrique est nettement réduite,la tension d'amor- çage de l'effet corona est abaissée et les condensateurs sont sujets à un claquage prématuré et ont une durée de service plus courte. En outre,la nature relativement non poreuse du film de polypropylène rend difficile l'obtention d'une imprégnation convenable en un laps de temps raisonnable.Une mauvaise imprégna tion a pour conséquence la présence de pores et de vides non occupés dans les interstices entre le film et les surfaces non poreuses voisines,avec une détérioration résultante et une possibilité de claquage prématuré. Un procédé qui a été proposé pour améliorer l'imprégnation des condensateurs contenant des diélectriques formés par une polyoléfine consiste à utiliser une matière poreuse telle que le papier kraft,conjointement au film. Dans ces condensateurs à diélectrique composite ou à couches multiples, la couche poreuse assure,par suite de l'effet de t'mèche" alors créé, une imprégnation meilleure et plus uniforme du condensateur par le fluide diélectrique.Toutefois,l'utilisation d'une couche de papier réduit la faculté du diélectrique à résister à des contraintes de tension élevées par unité d'épaisseur,et augmente à la fois les caractéristiques de facteur de puissance et la taille du condensateur,de sorte qu'en général les résultats- avanta- geux sont atténués à un degré qui, industriellement,présente une importance non négligeable. Un autre procédé qui a été proposé pour améliorer l'imprégnation des films de polyoléfine fait intervenir l'adhé- rence de particules de matière isolante à l'état finement divisé sur la surface d'une matière foliiforme mince préformée à partir de laquelle des éléments diélectriques stratifiés peuvent être fabriqués. On a déjà proposé également de produire un condensateur dans lequel l'intercalaire diélectrique est constitué par une feuille formée par un film de résine synthétique dans laquelle des particules d'alumine ayant un diamètre de particules moyen inférieur à 1 micron sont dispersées. Toutefois, avec des particules de cette taille,il s'est avéré difficile d'obtenir une imprégnation rapide du condensateur. Les recherches qui ont abouti à l'invention ont montré que l'on obtient des condensateurs améliorés en incorporant,au film thermoplastique qui constitue l'intercalaire diélectrique, une matière diélectrique inerte à l'état de particules ayant un diamètre de particules relativement gros. L'invention est matérialisée en conséquence dans un condensateur électrique comportant deux électrodes conductrices, un intercalaire diélectrique disposé entre ces électrodes et un fluide diélectrique imprégnant l'interèalaire,cet interca laire étant constitué par un film de matière polymère thermoplastique renfermant en dispersion ,dans une condition formant des saillies sur l'une au moins des faces du film, de 0,01 % à 1% a poids, sur la base du poids du film, d'une matière diélectrique inerte à l'étant de particules,ayant un diamètre-de particules moyen allant de 1 à 5 microns. Les films polymères thermoplastiques convenant à une utilisation comme intercalaire diélectrique dans les condensateurs suivant l'invention comprennent les films formés à partir de n'importe quelle matière thermoplastique ayant les propriétés électriques requises et capable d'être transformée en un film par des techniques classiques de production de films. Comme matières convenables, on peut citer les polycarbonates,les polyamides comme le polyhexaméthylène-adipamide ou le polycaprolactame, les polyesters comme le téréphtalate de polyéthylène et le 1s2-diphénoxyéthane 4,4'-dicarboxylate de polyéthylène, les polysulfones et les polyoléfines.Une matière particulièrement préférée est un polymère de propylène ayant de façon prédominante une structure cristalline stéréorégulière de poids moléculaire élevé,sous la forme d'un homopolymère,ou bien copolymérisé avec de petites quantités,allant par exemple jusqu'à 10% en poids, d'autres monomères insaturés tels que de l'éthylène Lës films sont formés judicieusement à partir de ces matières de toute manière convenable,par exemple par des techniques de laminage ,extrusion ,pressage ,couléè dans un solvant ou coulée ed fusion, et ils sont de préférence orientés par étirage du film pour lui conférer une résistance mécanique. Un film convenant particulièrement bien est obtenu par extrusion en fusion de polypropylène sous la forme d'un tube à partir d'une buse annulaire ,gonflage du tube par le procédé dénommé procédé "par bulle" pour créer une orientation transversale, et allongement simultané du tube dans le sens longitudinal pour orienter ce film dans la direction longitudinale. Le film est ensuite "stabilisé à chaud" à une température inférieure à son point de fusion La matière à l'état de particules devant être incorporée aux intercalaires formés par des films diélectriques est constituée par n'importe quelle matière inerte convenable à l'état finement divisé qui conserve sa nature de particules pendant tout ie processus de formation du film et après cette for mation.On entend ici par le terme "inerte" le fait que la matière à l'état de particules est chimiquement sensiblement non réactive vis-à-vis à la fois du film thermoplastique dans lequel elle est dispersée et de n'importe quel agent d'imprégnation qui est ultérieurement appliqué sur le film, et le fait qu'il s'agit d'une matière électriquement isolante.La matière à l'état de particules doit également être compatible avec la matière filmogène polymère,afin d'avoir la certitude d'une dispersion aisée uniforme des particules dans celle-ci. A titre de matières à l'état de particules convenables ,on peut citer le sulfate de baryum et les oxydes des métaux ou des métalloides, comme l'alumine,l'oxyde de titane ,la zircone, la magnésie et la silice. La silice est une matière du commerce particulièrement convenable. Le diamètre moyen des particules de la matière à l'état de particules ne doit pas être inférieur à 1 micron pour avoir la certitude qu'un profil suffisamment rugueux ou ondulé va être conféré à la surface du film, afin de faciliter l'écoulement de l'agent d'imprégnation sur cette surface partculier lorsque le film est réuni par stratification avec une autre feuille ou un autre film, ou bien est enroulé en contact intime avec celui-ci. Dans la pratique,on constate qu'une limite supérieure convenable au diamètre moyen des particules de la matière inerte est de 5 microns ; au-dessus de cette valeur, la tension de claquage de l'intercalaire commence à diminuer, et en conséquence il est préférable d'utiliser des matières à l'état de particules ayant un diamètre de particules moyen allant de 3 à 5 microns.Une particule particulièrement préférée a un diamètre moyen d'environ 4 microns. Au moins 0,01% en poids de la matière à l'état de particules, sur la base du poids du film, est nécessaire pour augmenter convenablement les propriétés d'imprégnation du film incorporé à des condensateurs suivant l'inventiontandis que le degré d'amélioration diminue progressivement lorsque la quantité dépasse 1% en poids. Judicieusement, la quantité de matière à l'état de particules incorporée au film représente 0,2% en poids du film La matière à l'état de particules est incorporée à la matière filmogène polymère par toute méthode classique avant la formation du film. Ainsi,la matière à l'état de parti cules est judicieusement mélangée à sec avec le polymère en poudre ou à l'état de paillettes, par exemple par tonnelage des constituants du mélange dans un malaxeur convenable,et le mélange est ensuite extrudé.Suivant une variante,la matière à l'état de particules et la matière polymère (selon les proportions appropriées) peuvent être envoyées à la trémie d'alimentation (ou bien aux trémies d'alimentation séparées) drune extrudeuse à vis,les deux constituants étant intimement combinés pendant le processus d'extrusion En plus de la matière à l'état de particules,les films diélectriques peuvent contenir d'autres additifs qui sont présents de façon classique dans les films diélectriques thermoplastiques. Par exemple,l'intercalaire formé par un film diélectrique peut renfermer un anti-oxydant et (ou) un agent anticorrosion comme le stéarate de calcium. Les films thermoplastiques peuvent avoir des épaisseurs variables, allant de 4 à 250 microns,mais pour faciliter l'incorporation des films aux condensateurs enroulés,une épaisseur de film comprise entre 6 et 25 microns, et en particulier entre 8 et 20 microns,est préférable Si désiré, le film lui-même peut etre métallisé, et deux films de ce type peuvent être enroulés ensemble pour former un condensateur à régénération classique à plaques multiples. Le film métallisé est produit par des techniques classiques ,judicieusement par dépôt sous vide, selon lequel un mé- tal tel que l'aluminium ,le zinc, l'argent,l'or ou le nickel est déposé par évaporation sur la surface d'un film disposé dans une chambre maintenue dans des conditions de vide pousse. Judicieusement,la surface du film est soumise à des traitements chimiques ou physiques,par exemple à une oxydation avec des acides minéraux,ou bien à une exposition à des effluves avant la métallisation, de façon à améliorer l'adhérence de la couche métallique sur le support formé par le film. On a constaté que l'incorporation de la matiere inerte à l'état de particules à des films suivant l'invention réduit les caractéristiques de prise en masse du film ce qui permet l'exposition du film à un traitement par décharges en effluves plus intense que cela n'est possible avec un film vierge,et en conséquence la métallisation du film ainsi traité de façon intense fournit une liaison nettement améliorée entre la couche métallique et le support cons titué par le film. Le fluide diélectrique utilisé pour la-production d'un condensateur suivant l'invention peut être n'importe quel agent d'imprégnation fluide utilisé de façon classique dans l'in dustrie électrique . A titre d'exemples d'agents d'imprégnation convenables,on peut citer les huiles minérales, l'huile de ricin, l'huile de graines de coton,l'huile de silicones, le polybutène, et de préférence n'importe lequel des divers composés hydrocarbonés aromatiques halogénés. A titre d'exemples de composés aromatiques halogénés,on peut citer les diphényles chlorés, les diphényl-cétones chlorées, le pentachloronitrodiphényle et ses dérivés alcoyliques, le benzène chloré et les dérivés du benzène. Un agent d'imprégnation particulièrement judicieux est le trichlorodiphényle. Des gaz sous pression, par exemple de l'azote ou de l'hexafluorure sulfuré sec, peuvent également être utilisés. Des techniques d'imprégnation classiques sont bien entendu utilisées judicieusement lors de l'imprégnation des condensateurs suivant l'invention La description qui va suivre,faite en regard des dessins annexés,donnés à titre non limitatif,permettra de mieux comprendre l'invention La fig. 1 est une vue de profil d'un film thermoplastique contenant une matière inerte à l'état de particules. La fig.2 est une vue en plan d'une partie d'un film analogue La fig. 3 est une vue en perspective d'un système de condensateur enroulé partiellement développé. La fig. 4 est une vue en perspective d'un condensateur du type visible sur la fig.3, logé dans un bottier convenable. La fig.5 est un graphique montrant les vitesses d'imprégnation obtenues respectivement dans des condensateurs utilisant,comme intercalaire diélectrique, un film de polypropylène à charge de silice A et un film de polypropylène non chargé B, les temps d'imprégnation en heures étant portés en abscisses, tandis que la tension d'amorçage de décharge en kv est portée en ordonnées L'intercalaire diélectrique (non représenté à l'échelle) illustré sur les fig.1 et 2 comporte un film de poly propylène à orientation biaxiale 1, à partir des deux faces duquel font saillie des particules de silice 2 ayant un diamètre de particules moyen de 4 microns environ.Ces particules sont distribuées au hasard dans la totalité du film de polypropylène, de sorte qu'on obtient sur toute la surface une variation au hasard de la profondeur des creux ménagés entre les particules en saillie voisines. Ainsi,on obtient une surface à rugosité répartie au hasard,qui facilite l'imprégnation des condensateurs formés par stratification ou superposition d'un ou plusieurs intercalaires 1 en forme de films. Le système de condensateur 10 représenté sur la fig.3 peut être fabriqué en enroulant en spirale des bandes Il de feuille métallique,par exemple d'aluminium,avec un intercalaire diélectrique placé entre les spires de bandes et constitué par des feuilles formées par un film de polypropylène 12 ayant une rugosité de surface due à des particules de silice faisant saillie à partir d'une face au moins de ce film, comme montré sur les fig. I et 2 Le contact électrique avec les électrodes peut être réalisé par des cosses ou conducteurs 13 et 14 disposés entre les spires et dont les extrémités font saillie à partir d'une extrémité de l'ensemble du condensateur enroulé .Ces cosses peuvent entre soudées sur les électrodes si cela est désirable,pour obtenir un meilleur contact,et les parties inférieures de chacune des cosses 13 et 14 peuvent être élargies comme indiqué en 15,pour obtenir une surface de contact plus grande avec l'électrode conjuguée. Avant l'imprégnation, l'ensemble 10 formé par les électrodes et l'intercalaire est placé habituellement dans un boîtier tel que le boîtier en métal 21 représenté sur la fig.4, et un couvercle 22 est adapté hermétiquement sur ce boîtier. Bien que cela ne soit pas représenté dans l'en- semble 20 représenté sur la fig. 4, un liquide diélectrique occupe, à l'intérieur du boitier 21, l'espace qui n'est pas occupé par le système de condensateur,et imprègne également l'intercalaire diélectrique 12. Avant l'adaptation hermétique du couvercle sur le boîtier,les cosses de contact 13 et 14 sont fixées respectivement sur des bornes 23 et Z4 qui traversent le couvercle et qui sont isolées par rapport à celui-ci Afin de pouvoir élimi ner l'humidité et l'air de l'ensembleet pour l'introduction du liquide dtimprégnation,un petit trou 25 est prévu dans le couvercle 22. Avant l'imprégnation,les condensateurs sont nor mdlement séchés sous vide pour éliminer l'humidité résiduelle. La température de séchage varie selon la durée du cycle de séchage, mais elle est comprise habituellement entre 600C environ et 1500C environ. Quand la température est trop faible,le temps de séchage est excessivement long,tandis qu'une température trop élevée peut provoquer la décomposition de l'intercalaire diélectrique. Le liquide diélectrique d'imprégnation est admis dans le système de condensateur par le trou 25, de préférence alors que l'ensemble séché est encore sous vide dans une enceinte convenable dans laquelle on a fait le vide. Habituellement,le liquide d'imprégnation est introduit selon une quantité suffisante pour immerger au moins l'élément formant condensateur à l'intérieur du boitier. La pression qui règne dans 1 t enceinte est ensuite augmentée jusqu'à la pression at-mosphérique,et on laisse l'ensemble pendant un certain nombre d'heures,afin de permettre une pénétration complète de l'agent d'imprégnation liquide. Après l'imprégnationle condensateur est fermé de façon étanche,par exemple par l'application d'une quantité de soudure convenable sur le trou 25.Outre les processus qui précèdent, d'autres techniques,qui généralement font intervenir la chaleur et (ou) la pression, peuvent être utilisées pour faciliter le processus d'imprégnation. Les exemples donnés ci-après à titre non limitatif permettront de mieux comprendre encore commet l'invention peut etre mise en oeuvre. EXEMPLES 1 - 6 On prépare une série d'intercalaires formés par des films diélectriques,par mélange à sec de polypropylène à l'état pulvérulent avec la quantité requise d'un gel de silice à l'état finement divisé tel que celui vendu par la Société Ju Crosfield & Sons Limited sous la dénomination "Gasil",et on assure l'extrusion du mélange pour former un tube de polypropylène qui est ensuite gonflé et étiré longitudinalement pour fournir un-film de polypropylène à orientation biaxiale ayant environ 15 microns d'épaisseur.Chaque film renferme également 0,1% en poids de 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris(3'5'-di-t-butyl-4'-hydroxy- benzyl)benzène, à titre d'anti-oxydant, et 0,1 % en poids de stéarate de calcium, à titre d'agent anti-corrosion Les propriétés des différents intercalaires enroulés pour former des condensateurs comportant chacun un seul intercalaire sont indiquées dans le tableau ci-après. On utilise les méthodes d'essai suivantes On mesure la rugosité de surface du film au moyen d'un instrument de mesure "Talysurf" (dénomination commerciale) Rank Taylor Hobson Le degré de prise en masse est mesuré en déterminant la force normale requise pour séparer deux feuilles de film (152,4 x 25,4 mm)qui ont été pressées ensemble à 56"C pendant 24 heures sous une pression de 2298 Nom . Le coefficient de frottement est déterminé par la méthodé du coulisseau ou patin mobile. Le facteur de dissipation est mesuré avec un pont à C.A. sur un condensateur de 0,5 rF, à 50 Hz et 100"C , une minute après l'application d'un potentiel de 500 volts L'agent d'imprégnation est du trichlorodiphényle. EXEt4PLES 7 et 8 On procède comme décrit dans les exemples ciavant,mais en utilisant un film de polypropylène de 12 microns d'épaisseur environ Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau Les valeurs figurant dans le tableau montrent que l'addition de silice améliore les propriétés de manutention du film (en réduisant à la fois la prise en masse et le coefficient de frottement) et favorise l'imprégnation en fournissant une surface de film rugueuse sans effet notable sur le facteur de dissipation pour des condensateurs imprégnés. (Voir tableau page suivante Additif Silice Facteur de dissi- Tension pation d'amorce de tg.# x 106 décharge Exemple Quantité Grosseur Rugosité Valeur de Coefficient après imdes de prise en de A sec Imprégné prégnation particules surface masse frottement pendant 5 heures à 70 C. (wt %) ( m) ( m) (g) (dynamique) 1 Néant - 23 0,71 160 706 2 0,05 3-5 - 12 0,68 200 462 3 0,10 3-5 - 12 0,62 134 358 4 0,20 3-5 0,5-1,5 6 0,54 129 625 5 0,25 1-2 - 9 0,61 185 390 6 0,50 1-2 - 6 0,52 118 473 7 Méant - 30 0,70 331 3200 470 8 0,20 3-5 0,5-1,5 4 0,50 340 4400 570 EXEMPLE 9 On prépare une série d'intercalaires formés par des films diélectriques en polypropylène ayant chacun 12,7 microns d'épaisseur par le procédé décrit dans les exemples 1 à 6, la teneur en silice à l'état de particules, ayant une grosseur moyenne des particules de 4 microns, étant dans chaque intercalaire de 0,2% en poids. Une double épaisseur de chaque intercalaire, interposée entre des électrodes formées par des feuilles d'aluminium, est ensuite enroulée pour former un condensateur,qui est ultérieurement imprégné avec du trichlorodiphényle à la -tempé- rature ambiante, et la tension d'amorçage de décharge du con densateur imprégné est mesurée au moyen d'un détecteur de décharge de type ERA, modèle 111, vendu par la Société F.C. Robinson & Partners Ltd. L'effet sur la tension d'amorçage de décharge qui résulte de l'augmentation de la durée dtimprégna tion est indiqué par la courbe A sur la fig. 5 des dessins annexés. Une série identique d'intercalaires en polypropylène ne contenant pas de silice à l'étant de particules est utilisée de me me pour former des condensateurs qui sont imprégnés et essayés,les résultats obtenus étant indiqués par la courbe B sur cette fig. 5. La comparaison des tourbes A et B révèle la vitesse d t imprégnation nettement améliorée qui peut être obtenue dans le cas des condensateurs contenant les intercalaires chargés suivant l'invention (courbe A) par rapport à ceux contenant des intercalaires non chargés (courbe B). Ainsi, après une imprégnation pendant 5 heures seulement,le condensateur correspondant à la courbe A atteint une tension d'amorçage de décharge d'environ 1,55 kv, et après 50 heures d'environ 2,3 kv, les valeurs comparables obtenues pour le condensateur correspondant à la courbe B étant d'environ 0,05 kv et 1,2 kv respectivement . La différence entre les tensions d'amorçage de décharge des condensateurs à intercalaire chargé des exemples 8 et 9 est due en partie à la différence de température d1imprégnation,et égale-ment à l'utilisation d'un intercalaire formé d'une seule épaisseur dans l'exemple 8, tandis qu'un intercalaire double a été utilisé dans l'exemple 9. Des modifications peuvent être apportées,aux modes de mise en oeuvre décrits,dans le domaine des équivalences techniques sans s'écarter de l'invention -. REVENDICATIONS 1.- Condensateur électrique comportant deux électrodes conductrices,un intercalaire diélectrique placé entre les électrodes et un fluide diélectrique ilprégiant cet intercalaire,caractérisé en ce que ledit intercalaire est constitué par un film de matière polymère thermoplastique dans lequel est dispersé,en formant des saillies sur une face au moins du film,de 0,01% à 1% en poids, sur la base du poids du film, d'une matière diélectrique inerte à ltétat de particules,ayant un diamètre de particules moyen allant de 1 à 5 microns. 2.- Condensateur électrique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'intercalaire est formé par un film en homopolymère de propylène ou en un copolymère de propylène avec une quantité allant jusqutà 10% en poids d'un comonomère insaturé. 3.- Condensateur électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière à l'état de par ticules contenue dans l'intercalaire est de la silice. 4.- Condensateur électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que le fluide d'imprégnation est du trichlorodiphényle.