Brevet FR2499756A1 — publié le 19820813

La présente invention concerne un liquide diélectrique convenant particulièrement à l'emploi dans les condensateurs électriques et un condensateur contenant ce liquide. Dans le cas des condensateurs électriques constitués de plaques entre lesquelles sont disposées des feuilles d'une matière diélectrique telle que du papier ou une pellicule synthétique, on sait imprégner ces feuilles de liquides dié- lectriques pour leur conférer les propriétés isolantes requi- ses. A cet effet, l'industrie de ce secteur a principa- lement utilisé à ce jour des liquides diélectriques sous for- me de dérivés diphényliques halogénés, en particulier les huiles connues sous le nom d'Askerel. Cependant, on a signalé les dangers que présente l'em- ploi de ces dérivés halogénés, en particulier dans certaines directives de la Communauté économique européenne, en parti- culier en raison de leur toxicité et de leur tendance à s'ac- cumuler dans l'environnement, ce qui endommage gravement l'éco- système. L'industrie de ce secteur a donc cherché, pour rempla- cer ces dérivés diphényliques halogénés, des composés moins toxiques pour l'homme et les animaux et présentant une bio- dégradabilité élevée lorsqu'ils sont dispersés dans l'envi- ronnement. L'objectif principal de l'invention est donc de four- nir un liquide diélectrique, utile en particulier comme huile d'imprégnation des condensateurs électriques, pour remplacer les huiles couramment employées à cet effet, en particulier les dérivés diphényliques halogénés précités. On doit également noter qu'une huile diélectrique pour condensateurs doit avoir une faible viscosité associée à une bonne compatibilité et une inertie chimique vis-à-vis des composants du condensateur. Le liquide doit donc résister aux conditions opératoi- res sévères du condensateur sans s'altérer, en particulier lorsque l'uniformité du champ électrique est réduite, comme c'est par exemple le cas à proximité des bords des plaques, l'isolant étant soumis dans ces zones à une contrainte particulière. De plus les décharges partielles limitées qui son susceptibles de se produire dans le diélectrique ne doivent pas réduire la longévité du condensateur. Le liquide diélectrique selon l'invention doit donc posséder les caractéristiques précédemment exposées. L'invention a également pour objet de fournir un li- quide diélectrique présentant les caractéristiques précitées, grâce à un procédé de préparation qui est simple et peu coûteux à mettre en pratique, partant par exemple de composés réagissants relativement peu coûteux et faciles à obtenir. On a trouvé que, de façon surprenante, une huile dié- lectrique selon l'invention convenant particulièrement bien à l'emploi dans les condensateurs électriques, peut, de fa- çon avantageuse, être constituée d'au moins un hydrocarbure répondant à la formule générale suivante (R n-Ar-R')p - Ar - Rm dans laquelle: Ar représente un noyau benzène, diphényle, polyphényle ou naphtalène, R peut représenter un atome d'hydrogène ou un radical méthyle, éthyle, isopropyle ou d'autres homologues supé- rieurs ou un radical cycloaliphatique, R' représente le radical éthylène (-CH2-CH2-) ou ses homo- logues supérieurs, y compris ceux qui sont ramifiés, l'hydrogène pouvant être remplacé par d'autres atomes ou par des radicaux, n et m sont des nombres entiers égaux ou différents compris entre 1 et 5, et p est un nombre entier égal ou supérieur-à 1. De plus, si n est supérieur à 1, les substituants R peuvent différer les uns des autres. Il en est de même pour la valeur de m. Les formules développées de certains hydrocarbures selon l'invention figurent ci-après à titre d'exemples non limitatifs: ^CH (2a) et son homologue supérieur: t CO20E2- a E2--R2 (Ib) 13 CH3 CH3 CH 3 (IIa) et son homologue supérieur: (IIb) C0H 3 CH3 Selon l'invention, la synthèse de ces composés repose essentiellement sur la réaction de Friedel et Crafts entre un dérivé dihalogéné de type: X - R- X o X représente un halogène et R représente un radical -CH2-CH2- ou ses homologues, y compris ceux qui sont ramifiés, o l'hydrogène peut etre remplacé par un autre atome ou un radical, et un hydrocarbure du type: Ar - R o Ar représente un noyau benzène, diphényle, polyphényle ou naphtalène, R représente un atome d'hydrogène ou un radical alipha- tique ou cycloaliphatique, et n est un nombre entier entre 1 et 5. De plus, lorsqu'il existe plusieurs substituants, ceux-ci peuvent être identiques ou différents. On effectue la réaction avec des catalyseurs classi- ques de type AlC3, FeCl3, et BF3, à température modérée, pour réduire au minimum les phénomènes d'isomérisation. Le rapport molaire de l'hydrocarbure aromatique au dérivé halogéné peut varier beaucoup selon que l'on préfère obtenir principalement des composés de bas poids moléculaire ou des composés à chaine plus longue et donc de point d'ébul- lition plus élevé. De plus, on peut récupérer l'acide chlorhydrique li- béré sous forme d'une solution aqueuse concentrée et le réu- tiliser ainsi. A la fin de la réaction, après avoir détruit le ca- talyseur avec de l'eau ou un alcali et lavé et neutralisé la masse réactionnelle, on sépare l'excès d'hydrocarbure par rectification et on récupère le produit final par distilla- tion. Après purification pour l'emploi comme diélectrique selon les procédés classiques utilisés dans ce domaine, on obtient des huiles de faible viscosité ayant un point d'ébul- lition élevé. Selon l'invention, ces huiles conviennent à l'emploi comme diélectriques, en particulier dans des con- densateurs. Certains exemples de synthèse d'huiles préparées selon l'invention figurent ci-après. EXEMPLE 1 On introduit 55,4 kg de toluène dans un réacteur de litres, muni d'un agitateur, d'un réfrigérant, d'un dis- positif de chauffage et d'un système d'élimination de l'acide chlorhydrique gazeux. On chasse par distillation 9,9 kg de toluène pour déshydrater les 45,5 kg restants (correspondant à 493,8 moles). On refroidit à 800C et on ajoute 40 g d'AlC13,puis on introduit goutte à goutte, lentement, 4,073 kg de dichloro- 1,2-éthane en environ 1 heure. La réaction s'achève après environ 6 heures lorsqu'il n'y a plus de dégagement d'acide chlorhydrique et que l'ana- lyse par chromatographie gazeuse montre la disparition du dichloroéthane. On lave deux fois la masse avec des volumes égaux d'eau chaude et on sépare la phase organique que l'on soumet à une rectification (20 plateaux) pour éliminer com- plètement le toluène. On distille sous vide la masse résiduelle pour produire 7,250 kg d'un produit liquide huileux ayant une légère couleur jaune paille. Ce produit correspond à un mélange desdits hydrocarbures de formule (la) et (Ib). Après purification pour l'emploi comme diélectrique, ce produit présente les caractéristiques suivantes; Constante diélectrique à 900C 2,44 tg 5 x 100 (900C-50 HZ) 0,15 Viscosité à 200C 7,8 cSt Rigidité diélectrique 320 kV/cm Densité à 201C 0,964 On utilise expérimentalement cette huile comme diélec- trique dans la construction de plusieurs condensateurs. Les essais donnent un résultat positif. EXEMPLE 2 On effectue une réaction de Friedel et Crafts d'une façon tout à fait semblable à celle décrite dans l'exemple 1 mais avec du xylène (mélange des isomères). Après avoir chassé le xylène par rectification, on obtient un produit liquide huileux limpide par distillation sous un vide de 2,7 mbars. Ce produit correspond à un mélange desdits hydrocarbures de formule (lIa) et (îIb). Après puri- fication pour l'emploi comme diélectrique, il présente les caractéristiques suivantes: Constante diélectrique à 901C 2,41 tg b x 100 (900C-50 Hz) 0,20 Viscosité à 20WC 18,3 cSt Par mélange de l'huile obtenue dans l'exemple 1 et de l'huile obtenue dans l'exemple 2, on obtient des mélanges ayant des caractéristiques diélectriques moyennes mais pos- sédant un point d'écoulement exceptionnellement bas. Par exemple lorsqu'on mélange 80 parties en poids du produit préparé dans l'exemple 1 avec 20 parties en poids du produit préparé dans l'exemple 2, on obtient une huile appelée (I + II) ayant les caractéristiquessuivantes Viscosité à 200C 9,7 cSt Constante diélectrique (900C) 2,43 tg U x 100 (90çC-50 Hz) 0,17 Rigidité diélectrique 320 kV/cm Après plusieurs jours de séjour à une température de -250C, on n'observe pas de formation de cristaux dans ce liquide,ce qui montre qu'il convient comme huile isolante même dans des climats rigoureux. Des exemples d'application des huiles selon l'invention à des condensateurs, par comparaison avec une huile typique de l'art antérieur, le trichlorodiphényle, figurent ci-après. EXEMPLE 3 Dans cet exemple, on utilise des condensateurs ayant un élément cylindrique dont le diélectrique est constitué de deux papiers de densité égale à 1 avec une épaisseur totale de 18 rm. Les plaques sont constituées d'une feuille d'aluminium épaisse de 5 pm ayant une longueur telle que l'on obtienne des condensateurs ayant des capacités électriques semblables quel que soit le liquide d'imprégnation utilisé. On utilise ladite huile (I + II) de l'invention et du trichlorodiphényle comme huile comparative pour imprégner les condensateurs. On soumet les condensateurs-à un essai de longévité à V (en courant alternatif) et 50 Hz à 700C. Les résultats obtenus figurent dans le tableau suivant. Huile Tempéra- Mesures Mesures Nombre de ture de initiales finales condensateurs mesure après ( C) 1 000 heures uF tg % fF tgS % Essa- Essais yés néga- tifs I + II 20 7,32 0,33 7,37 0,42 10 2 Trichloro- diphényle 20 7,11 0,39 7,17 0,62 8 6 EXEMPLE 4 On construit des condensateurs ayant un élément cylin- drique avec un diélectrique constitué de deux feuilles de polypropylène ayant une épaisseur totale de 30 Pm. Le polypropylène utilisé est du type convenant à l'imprégnation. Les plaques sont constituées d'une feuille d'aluminium épaisse de 5 ym. On imprègne à nouveau des condensateurs avec les huiles indiquées dans l'exemple 3. On soumet les condensateurs à un essai de longévité à 1 950 V (courant alternatif) et 50 Hz à 70 C. Les résultats obtenus figurent dans le tableau suivant. Huile Tempéra- Mesures Mesures Nombre de ture de initiales finales condensateurs mesure après ( C) 1 000 heures yF tg5 %.F tg % Essa- Essais yés néga- tifs I + II 20 2,23 0,027 2,27 0,030 8 1 Trichloro- diphényle 20 2,43 0,033 2,48 0,039 8 3 Dans ces exemples, la comparaison des condensateurs détériorés lors de l'essai est particulièrement significa- tive et elle montre le progrès technique que constituent les huiles selon l'invention. Le procédé proposé selon l'invention pour préparer des composés hydrocarbonés utiles comme liquides diléectri- ques, comme le montre la description précédente, est très simple à mettre en pratique et permet en particulier d'uti- liser, comme composés réagissants, des composés peu coûteux qu'il est relativement facile de se procurer. On voit donc que l'invention atteint les objectifs précités. - Le liquide diélectrique de l'invention qui, comme indiqué, convient particulièrement à l'emploi comme isolant dans les condensateurs, convient également pour les trans- formateurs et l'appareillage électrique en général. Une autre application intéressante des liquides de l'invention est l'emploi comme liquide caloporteur dans les échangeurs de chaleur. De plus, le liquide diélectrique de l'invention peut contenir d'autres composés de type connu ayant des proprié- tés diélectriques en mélange avec les hydrocarbures précités. Revendications 1.- Liquide diélectrique convenant particulièrement à l'emploi dans les condensateurs, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un hydrocarbure répondant à la formule générale suivante: (Rn - Ar - R') - Ar - Rm o Ar représente un noyau benzène, diphényle, polyphényle ou naphtalène, R est choisi parmi un atome d'hydrogène ou un radical méthyle, éthyle, isopropyle, leurs homologues supé- rieurs ou un radical cycloaliphatique, R' est un radical de type -CH2-CH2ou ses homologues supérieurs, y compris ceux qui sont ramifiés, ou un ou plusieurs atomes d'hydrogène peuvent être rempla- cés par d'autres atomes ou des radicaux, n et m sont des nombres entiers égaux ou différents compris entre 1 et 5, et n est un nombre entier égal ou supérieur à 1, lesdits substituants R étant identiques ou différents. 2.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit hydrocarbure répond à la formule développée suivante H (Ia) 3.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit hydrocarbure répond à la formule développée suivante cH2-OEH2-Cn" 0H2-0 - (Ib) CE3 4.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit hydrocarbure répond à la formule suivante: CH COH (11a) CH3 CH3 5.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit hydrocarbure répond à la formule suivante: CH3 OH) CH3 01:r]3 caractérisé par le fait qu'il comprend un mélange d'hydro- carbures de formule (Ia) et (Ib). 7.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un mélange desdits hydrocarbures de formule (IIa et (IIb). 8.- Liquide diélectrique selon la revendication 1, ca- ractérisé par le fait qu'il comprend un mélange desdits hydrocarbures de formules (la), (Ib), (IIa) et (IIb). 9.- Condensateur électrique comprenant au moins une couche d'une matière diélectrique, telle qu'un papier ou une matière synthétique, caractérisé par le fait que ladite couche est imprégnée d'un liquide diélectrique selon la revendication 1.