Brevet FR2326016A1 — publié le 19770422

ta présente invention concerne une huile isolante pour appareil électrique, son procédé de mise en oeuvre et des appareils électriques contenant une telle huile. Une huile isolante destinée aux transformateurs et à d'autres appareils électriques a deux fonctions importantes. D'abord, elle constitue une matière isolante-de l'électricité et ensuite, elle transporte la chaleur dégagée dans les enroulements et 1'armature du transformateur bu dans les circuits associéas jusqu'aux surfaces de refroidissement. Une huile isolante idéale possède non seulement une rigidité diélectrique et une capacité de refroidissement qui sont élevées mais elle doit- aussi ne pas être p6lluante -et être relativement innnflam- mable. les hydrocarbures ou huiles minérales' dérivés du pétrole brut sont très utilisés depuis de nombreuses années sous forme d'huiles isolantes dans les appareils électriques. Cependant, ces huiles ont été remplacées dans une grande mesure par des huiles moins inflammablesd. Depuis les années i'930,les biphényles polychlorés qu'on considère en général comme ininflammables, ont été trè -utilisés pour le remplacement des huiles isolantes à base d'huiles minérales dans les appareils élec- triques. L'ininflammabilité est une propriété nécessarie pour les huiles isolantes destinées å à un appareillage qui est pLacé dans des-batiments ou autour de ceux-ci,- nécessitant des risques minimaux d'incendie et de détérioration par explosion dans le cas d'un défaut électrique dans l'appareillage. Récemment, on a reconnu de façon générale que les biphényles polychlorés étaient des liquides nocifs-po-ur l,énvi- ornement. En conséquece, on a fixe > des criteres très sévères concernant la construction et liinstallation d'appareils destinés à utiliser de telles huiles, afin que toute fuite du fluide ne soit pas possible malgré une panne catastrophique.En outre, le rejet de-s liquides ouIfluids-contenant des biphényls polychlorés doit être maintenant réalisé suivant des procédures extrêmement attreignantes fixées -dans les nouvelles lois de protection de l'environnement. En outre, les biphényles poly chlorés, étant donné qu'ils ne-permetten as extinction des arcs internes; ne peuvent--pas être utilisés dans les dispositifs de sécurité et de commande tels que les fusibles immergés à haute tension, les disjoncteurs et les commutateurs. Etant donné les inconvénients des biphényles polychlo- rés, on a consacré beaucoup d'efforts à la mise au point d'huiles isolantes ininflammables, relativement peu coûteuses et stres pour l'environnement. Actuellement, ces efforts n'ont pas donné entièrement satisfaction. tes-brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 000 807, 3.095 36, 3 406 111, 3 587 168 et 3 753 188 décrivent des exemples huiles isolantes connues. L'invention concerne une huile isolante pour appareil lage électriqUe, relstivement ininflammable, biodégradable, store pour l'environnement et relativement peu coûteuse. Pls précisément, elle concerne une huile isolante qui rend minimaux les risques à la suite d'une explosion catastrophique provoquée par des conditions de panne importante, cette huile étant des- tinte à entre utilisée dans l'appateillage électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique est iflie élévation partielle d'un transformateur de puissance réalisé selon l'invention. Sur le dessin, un transformateur 1 comprend une cuve 2 étanche, une armature en métal ferreux 3, un enroulement prinlaire 4, un enroulement secondaire 5 et une huile isolante 6 qui entoure l'armature et les enroulements et les recouvre; ta cuve 2, l'armature 3 et les enroulements 4 et 5 sont de type classique. Cependant-; l'huile isolante 6 est une huile belon l'invention. On constate de façon surprenante que, contrairement aux enseignements de la technique antérieure, certaines huiles minérales ou huiles de pétrole très raffinées sont suffisamment ininflammables pour pouvoir constituer des huiles isolantes remplaçant les biphényles polychlorés dans l'appareillage élec- trique qui fonctionne à une température ambiante modérée; allant de O à 4000 environ. Ce fait est tres surprenant car les huiles classiques pour transformateurs et les huiles isolantes connues tirées du pétrole ne peuvent pas être utilisées car elles sont très inflammables et explosives en cas de pannes. lies huiles selon l'invention qui sont utiles sous forme d'huiles isolantes comprennent des hydrocarbures paraffiniques aliphatiques à chaîne droite ou ramifiée, ayant un poids moléculaire d'environ 500 à 700 et de préférence de l'ordre de 600, ayant un point d'inflammation supérieur à 200 C, des huiles à base d'hydrocarbures naphténiques ayant des caractéristiques analogues, et des mélanges de ces hydrocarbures paraffiniques et napht-éniques. Une huile paraffinique convenable est disponible sous la référence I-1811 auprès de the Sinclair Oil Company. Cette huile est une huile de base doublement traitée qui est une huile lubrifiante de base bright stock très hydrogénée et traitée aux solvants, essentiellement de type paraffinique ayant un poids moléculaire dépassant 600. Sa plage de'distil- lation, déterminée suivant la norme ASTM D 1160 est telle que la température d'ébullition initiale à la pression atmosphérique est égale à 40400, le point à 5 % correspond à 47700, le point à 10 % à 49300 et le point à 50 % à 5660C. Au-delà de 50 %, la température varie entre 567 et 6770C. Son point dtaniline est de 1240C (indiquant une structure paraffinique poussée). Cette huile a les caractéristiques suivantes Densité, OKAPI 28,9 Point d'éclair OC 296 Point d'inflammation OC 321 Viscosité K à 3800 cS 414,1 Viscosité K à 99 C cS 27,33 Viscosité à 3800, SSU 1919 Viscosité à 990C, SSU 130,5 Viscosité extrapolée à - 17,780C, SSU 450 000 Point d'écoulement 0C -21 Couleur 30 Soufre 96 moins de 0,001 Soufre corrosif ( norme D-1275) satisfaisant Tension de vapeur à 200 C, torr 0,01 On peut préparer i'huile précédente à partir d'une huile de base ayant les caractéristiques suivantes Densité, 0PT 28,8 Densité 15,6/15,60C 0,8826 Point d'éclair, OC 296 Point d'écoulement, OC -4 Couleur Sayboit D-156 +25 Soufre, % 0,OC1 Point d'aniline, OC 136 Indice d'acide 0,00 Indice de réfraction. à 200C 1,4835 Plage de distillation, norme D-1160 température d'ébullition initiale 404 5% 477 10 % 493 50 % 566 + 90 % Coefficient d'absorption ultraviolette 0,028 à 2500 Décoloration TiO2, 48 h néant Dispersion spécifique 100,3 Une huile naphténique qui convient est disponible auprès de the Sinclair Oil Company sous la référence N-1810. Il s'agit d'une huile de base ayant subi un traitement double, sous forme diune huile de base bright stock très hydrogénée et traitée aux solvants, essentiellement sous forme d'une huile naphténique ayant un poids moléculaire d'environ 600. Cette huile a les cractéristiques suivantes Densité, OAPI 14,8 Point d'éclair, OC 204 Point d'inflammation, C 237 Viscosité K à 380C, cS 40,13 Viscosité K à 990C; cS 4,88 Viscosité à 380C, SSU 187 Viscosité à 990C;; SSU 42,3 Viscosité extrapolée à - 17,78 C, SSU 45000 Point d'écoulement, OC -23 Couleur sombre Soufre, C 0,94 Soufre corrosif (D-1275) satisfaisant Tension de vapeur a 20000, torr 2 lies mélanges 'huiles paraffiriques et naphténiques du type décrit et d'un type analogue doivent etre utilisés, par exemple les mélanges préparés à partir de bruts du Mid Continent ou mixtes. lie pourcentage de chaque type de molécule dans l'huile n'est pas primordial pourvu que le mélange résultant possède les propriétés souhaitables d'un point élevé d'inflammation et de bonnes propriétés diélectriques. Des huiles convenables supplémentaires peuvent être préparées à partir d'un brut très paraffinique tel que le brut de Pennsylvanie ou du Moyen Orient, ou un brut très naphténique ou des bruts mixtes, par mise en oeuvre des procédés décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 494 854, 3 011 972, 3 431 198 et 3 642 610. On réalise une série d'essais dans les conditions de pannes à forte intensité afin de démontrer les propriétés avantageuses de l'huile isolante selon l'invention. Ces essais comprennent la comparaison d'un témoin sous forme d'une huile ordinaire de transformateur à base hydrocarbonée, une huile de silicone disponible auprès de Dow Corning sous la référence "Silicone" D0-200, l'huile isolante selon l'invention (L-1811), et un biphénylepolychloré très utilisé. L'expérience est réalisée de la manière suivante. On place 15 l environ de chaque fluide dans des récipients cylindriques séparés et on préchauffe à 1500C. Chaque récipient a des électrodes internes à fusible montées à l'extrémité de traversées SBT. lies électrodes délimitent un espace qui augmente vers le haut ; cette disposition provoque la remontée- de l'arc vers le haut et dans l'espace supérieur contenant des gaz et des fluides vaporisés qui sont chassés du récipient d'essai, on peut récapituler les résultats sous la forme suivante. Essai nb 1 - huile pour transformateur On peut prévoir que cet essai doit être violent, et on l'utilise comme échantillon témoin au cours de la série les résultats sont conformes aux prPvisions. lie courant d'essai appliqué est de 4820 A à 4800 V. lie fusible associé saute après 10,5 cycles. L' explosion est très violente et forme une boule de feu initiale de couleurs orangéeet jaune d'environ 6 m de hauteur et 4,5 m de diamètre. Elle forme un champignon comprenant un nuage de flamme et de fumée d'environ 16,5 m de hauteur et 12 m de diamètre. lie nuage résultant de fumée ainsi formé est volumineux et de couleur noire à gris foncé. Le récipient d'essai et la zone environnante sont recouverts de liquide qui brûle mais qui est éteint rapidement à la main afin qu'il ne détériore pas les raccords et le câble d'essai. Essai n0 2 - fluide "Silicone" DC-200 (50 cS) (Dow Corbin,) Ce fluide a été approuvé comme produit de remplacement des biphényls polychlorés au Japon. lie courant appliqué est de 476d A à 4800 V. Le fusible auxiliaire ne saute pas. La panne disparaît automatiquement après 4,5 cycles. Par rapport au premier essai, l'explosion et le bruit produits sont modérés. On note une boule de feu de couleurs orangée et jaune d'environ 9 m de hauteur et 4,5 m de diamètre. L'éclair parait très brillant par rapport aux autres essais. La fumée produite est de couleur blanche et son volume est plus faible qu'au cours du premier essai. On note la présence de paillettes noires dans- le nuage. On note aussi des particules blanches, identifiées comme étant de la silice, flottant dans l'air après l'explosion. La flamme a une faible ainplitude et elle est très douce, et elle brûle pendant quelques secondes dans le récipient d'essai après l'explosion puis elle s'étouffe automatiquement. Essai n0 3 - huile isolante selon l'invention (isii) lie courant d'essai appliqué est de 4700 A à 4800 V. lia panne disparaît automatiquement après 4 cycles. li'explosion est faible par rapport å celle de l'essai i et donne une boule de feu d'environ 4,5 m de hauteur et 3 m de diamètre. On note qu'une quantité de fluide qui nta pas brûlé précède la boule de feu chassée vers le haut. La fumée a une couleur gris-blanc et un volume analogue à celui du nuage de fumée de l'essai n0 2. lie bruit est faible par rapport à celui du premier essai. Un nouveau claquage a lieu 115 cycles environ après la panne initiale. il fait sauter le fusible. On peut considérer théoriquement que le claquage secondaire a provoqué l'extinction de la flamme ; cependant, l'étude des films réalisés indique que la combustion de l'huile dans le récipient d'essai, après le second claquage, s'est étouffée automatiquement. Essai no 4 - bihényle nolychloré La matière utilisée au cours de l'essai est du type "Interteen" 70-30 disponible auprès de Monsanto Cheittical Company. lie courant d'essai est de 4660 A à 4800 V. lie fusible associé ouvre le circuit après 11,5 cycles. Une boule de feu formée par une flamme orange clair d'environ 7,5 m de hauteur et 4,5 m de diamètre, s'élève dans un nuage de fumée de couleur noire très foncé pendant 1,5 s après liexplosion ; on note des filaments noirs retombant du nuage. On ne note pas diincendie dans l'échantillon d'essai ou autour de celui-ci. lie nuage de futée est volumineux, sa - hauteur étant d'environ 7,5 m et son diamètre 12 m, et il resté dans l'air à 6 m environ audessus du sol pendant 5 à jo min avant de se dissiper. L'appareillage et ltemplacement d'essai sont recouverts de fluide noir et la zone environnante a une odeur très toxique. lies résultats de l'essai montrent clairement que les biphényS3 polychlorés fluides, bien qu'ils ne brdlent pas euxmêmes, forment des gaz qui brûlent et en outre, produisent une fumée dense qui constitue un sous-produit dangereux en quantité considérable. lies résultats indiquent aussi que le fluide de silicone et l'huile isolante selon l'invention limitent mieux que les biphényles polychiorés les conditions dangereuses résuitant d'une panne interne au fluide, et constituent des- produits convenables de remplacement des biphényles polychlorés qui sont nuisibles pour l'environnement. En outre, il convient de noter que l'essai qui était destiné à déterminer l'inflammabilité des liquides près une explosion montre que lthuile de silicone et 11 huile isolante (181i) s'étouffent automatiquement. Cette caractéristique limite évidemment les effets postérieurs d'une explosion et permet le montage de l'équipement électrique dans les bâtiments, après la prise de précautionsconvenables. L'huile de silicone et l'huile isolante selon l'invention limitent la durée de la panne par court-circuit et provoquent l'ouverture automatique du circuit.Il s'agit d'une propriété avantageuse dans les installations qui nécessitent des dispositifs de commutation, des disjoncteurs et des fusibles immergés à haute tension. Huile isolante selon l'invention présente un nouveau claquage qu'on peut expliquer par la perte de fluide dans le récipient dû à la disposition de l'arc ét aux dimensions physiques du récipient. lie fluide provoque l'ouverture automatique du circuit et les électrodes sont encore alimentées lorsque le fluide restant commence à se déposer dans le récipient. lie tableau qui suit indique les propriétés des huiles isolantes avant et après l'essai de claquage. TABIEAU Propriétés avant et après les essais Rigidité IFT Viscosité diélectrique (kv) (dyne/cm) (SSU) ASTM D87 ASTM D971 ASTM D88 Huile de avant 32 49,0 58 s transformateur essai à 2500 après 20,4 45,5 77,4 b essai à 25dC Fluide de avant 42 20,8 50 s silicone essai à 2500 DC-200 après 15,3 22,2 66,0 s essai à 250d L-1811 avant 34 25,5 1568 s essai à 380C après 24,-5 50,0 834 s essai à 3800 BPC avant 35 50 54 s essai à 250C après 7 54i5 66,0 s essai à 25 C lies résultats de ce tableau indiquent l'intégrité diélectrique des fluides après la formation d'arc à forte intensité et démontrent la supériorité de l'huile isolante selon l'invention par rapport à l'huile témoin pour transfor mateur et aux biphénylespolychiores. Des essais réalisés afin d'établir la compatibilité et des études thermiques sont aussi réalisées et indiquent que huile isolante décrite est un excellent liquide diélectrique destiné aux transformateurs et à d'autres appareils à haute tension, à des températures ambiantes modérées de O à 40 C. lies compositions entrant dans le cadre de l'invention peuvent le cas échéant contenir des quantités relativement faibles d'additifs chimiques classiques. Par exemple, on peut utiliser des agents abaisseurs du point d'écoulement de l'huile. Une catégorie particulièrement avantageuse de tels agents est vendue sous la marque "Paraflow". Ces additifs sont des produits complexes de condensation de cire de paraffine et de naphtalène préparés par chloration de la cire et condensation de celle-ci avec du naphtalène par réaction de Friedel et Crafts. Bien que les compositions selon l'invention ont une stabilité extrêmement bonne à l'oxydation, l'augmentation de la stabilité peut être souhaitable et dans ce cas, des inhibiteurs classiques d'oxydation peuvent être utilisés, notamment du dibutylparacrésol. t'huile isolante est introduite dans le transformateur dans des conditions d'imprégnation sous vide. lies enroulements et les armatures sont chauffés à 1200C, placés dans une cuve d'imprégnation et cette dernière est mise sous vide, jusqu'à une pression absolue de 6 torrs.0n introduit alors une quantité suffisante d'huile pour que les enroulements et armatures soient reeouverts. A ce moment, on supprime le vide et on remet la pression dans la cuve à la pression atmosphérique afin que l'huile soit chassée dans l'appareil. lies spécialistes peuvent noter que, bien que l'application la plus avantageuse de l'huile isolante ait été décrite en référence à un transformateur, les applications ne sont pas aussi limitées. Evidemment, l'huile peut etre utilisée dans tout appareil électrique contenant une huile isolante, notam ment des condensateurs et des dispositifs de sécurité et de commande, y compris les commutateurs, les disjoncteurs et les fusibles immergés à haute tension. La description qui précède indique que les huiles hydrocarbonées selon l'invention, ayant des propriétés et une composition bien définies sont remarquablement sures. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments sans pour autant-sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Huile isolante pour appareil électrique comportant une cuve destinée à contenir l'huile, un composant électrique placé dans la cuve et une huile isolante remplissant est celle-ci, ladite buile étant caractérisée en cc qu'elle est une huile hydrocarbonée saturée ayant ùn point d'inflammation supérieur à 2000C. 2. Huile isolante pour appareil électrique comprenant une cuve étanche à huile, un composant électrique placé dans la cuve et une huile isolante remplissant la cuve, ladite huile étant caractérisée eh ce qu'elle est biodégradable et est une huile hydrocarbonée saturée ayant un point d'inflamma- ton supérieur à 2000C, cette huile étant choisie dans le groupe qui comprend uné huile à base d'hydrocarbures aliphatiques a chaîne droite et à chaîne ramifiée, une huile àbase d'hydrocarbures naphténiques et les mélanges de ces huiles. 3; Huile selon la revendication 2, caractérisée en ce que son poids moléculaire est compris entre environ 500 et 700. 4. Huile selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle contient esséntiellement des hydrocarbures aliphatiques à channe droite et à chaine-ramifiée. 5. Huile selon la revendication 3i caractérisée en ce qu'elle est esentiellement naphténique 6. Ruile selon la revendication 2, caractérisée en ce qui elle est essentiellement à base d'hydrocarbures à chaine droite et à chaîne ramifiez; ayant un poids moléculaire compris entre environ 500 et 700, une densité de 28,8 API environ, un point d'éclair de 2960C environ et un point d'inflammation de 3219C environ; 7.Huile selon la revendication 2, Caractérisée en ce qu'elle est essentieltement à base naphténique, et elle a un poids moléculaire d'environ 600, une densité d'environ 14,8 API, un point d'éclair de 204 C environ et un point d'inflammation de 237 C environ. 8. Huile isolante pour appareil électrique du type qui doit etre utilisé à une température ambiante modérée, l'huile étant d'un type ininflammable ét étant earactérisée en ce qu'elle comprend une huile hydrocarbonée choisie dans le groupe qui comprehd les huiles hydrocarbonées contenant essentiellement des hydrocarbures aliphatiques à chaîné droite et ramifiée de poids moléculaire compris entre 500 et 700 et de point d'inflammation supérieur à 2000C, les huiles hydrocarbonées contenant essentiellement des hydrocarbures naphténiquoeayant un poids moléculaire d'environ 600 et un point d'éclair supérieur à 2000C, et les mélanges de telles huiles hydrocarbonées. 9. Procédé de préparation d'un appareillage électrique, destiné à rendre minimaux les risques d'inflammation et d'explosion, caractérisé en ce qu il comprend l'utilisation dans l'appareillage d'une huile isolante biodégradable, à base d'hydrocarbures saturés, sûre pour l'environnement et ayant un point d'inflammation qui dépasse 2000C. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'huile contient essentiellement dos hydrocarbures alipha tuques à chazne droite et à chaine ramifiée, ayant un poids moléculaire d'environ 500 à 700. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'huile contient essentiellement des hydrocarbures naphténiques dont le poids moléculaire est de l'ordre de 600. 12. Procédé de transport de ~chaleur à l'aide d'une matière isolante de l'électricité placée dans un appareil électrique, le procédé étant caracté'risé en ce qu'il comprend l'utilisation, comme huile isolante dans l'appareil électrique, d'une huile hydrocarbonée saturée relativement ininflammable, biodégradable et sûre pour l'environnement, ayant un point d'inflammation supérieur à 2000C et formée de molécules dont le poids moléculaire moyen est d'environ 500 à 700. 13. Procédé d'imprégnation sous vide d'un appareil électrique, à l'aide d'wie huile isolante, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisation, comme huile isolante d1imprégna- tion, d'une huile ayant un point d'inflammation supérieur à 2000C, l'huile étant formée d'hydrocarbures saturés choisis dans le groupe qui comprend les hydrocarbures aliphatiques et naphténiques dont le poids moléculaire est compris entre environ 500 et 700 et leurs mélanges. 14. Composition biodégradable d'huile lubrifiahte sûre pour l'environnement, destinée à un appareil électrique fonctionnant à température ambiante modérée, ladite composition étant caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison avec des additifs pour huile isolante, au moins un élément choisi dans le groupe qui comprend les huiles formées essentiellement d'hydrocarbures aliphatiques à chaine droite et à chaine ramifiée ayant un poids moléculaire d'environ 500 à 700, les huiles contenant essentiellement des hydrocarbures naphténiques ayant un poids moléculaire d'environ 600, et les mélanges de telles huiles.