Brevet FR2955970A1 — publié le 20110805

UTILISATION DE FLUOROCETONES A L'ETAT GAZEUX POUR L'ISOLATION ELECTRIQUE ET/OU L'EXTINCTION D'ARC ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à l'utilisation de milieux gazeux qui comprennent une ou plusieurs fluorocétones, en tant que gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction d'arc électrique dans des appareils électriques de sous-station et, plus précisément, dans des appareils de sous-station de moyenne ou haute tension. Elle se rapporte également à des appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension dans lesquels l'isolation électrique et/ou l'extinction d'arc électrique est (sont) assurée(s) par des milieux gazeux comprenant une ou plusieurs fluorocétones. Ces appareils électriques de sous-station peuvent notamment être des transformateurs électriques à isolation gazeuse tels que des transformateurs d'alimentation ou de mesure, des lignes à isolation gazeuse (ou LIG) pour le transport ou la distribution de l'électricité, des jeux de barres ou encore des appareils électriques de connexion/déconnexion (aussi appelés appareils de coupure) tels que des disjoncteurs, des interrupteurs, des combinés interrupteurs-fusibles, des sectionneurs, des sectionneurs de mise à la terre ou des contacteurs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans les appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension, l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction d'arc électrique sont typiquement assurées par un gaz qui est confiné à l'intérieur de ces appareils. Actuellement, le gaz le plus souvent utilisé dans ce type d'appareil est l'hexafluorure de soufre (SF6). Ce gaz présente, en effet, une rigidité diélectrique relativement haute, une bonne conductivité thermique et des pertes diélectriques peu élevées. Il est chimiquement inerte et non toxique pour l'homme et les animaux et, après avoir été dissocié par un arc électrique, il se recombine rapidement et presque totalement. De plus, il est ininflammable et son prix est, encore aujourd'hui, modéré. Toutefois, le SF6 a pour inconvénient majeur de présenter un potentiel de réchauffement global (PRG) de 23 900 (relativement au CO2 sur 100 ans) et une durée de séjour dans l'atmosphère de 3 200 ans, ce qui le place parmi les gaz à fort pouvoir d'effet de serre. Le SF6 a donc été inscrit par le Protocole de Kyoto (1997) sur la liste des gaz dont les émissions doivent être limitées. Le meilleur moyen de limiter les émissions du SF6 consiste à limiter l'utilisation de ce gaz, ce qui a conduit les industriels à chercher des alternatives au SF6. Les gaz dits simples comme l'air ou 30 l'azote, qui n'ont pas d'impact négatif sur l'environnement, présentent une rigidité diélectrique beaucoup plus faible que celle du SF6. Ainsi, par exemple, les rigidités diélectriques en tension alternative (50 Hz) de l'air et de l'azote sont sensiblement trois fois plus faibles que celle du SF6. De ce fait, l'utilisation de ces gaz simples pour l'isolation électrique et/ou l'extinction d'arc électrique dans des appareils électriques de sous-station implique d'augmenter de façon drastique le volume et/ou la pression de remplissage de ces appareils, ce qui va à l'encontre des efforts qui ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour développer des appareils électriques compacts, a encombrement de plus en plus réduit. Des mélanges de SF6 et d'azote sont utilisés pour limiter l'impact du SF6 sur l'environnement. En effet, l'ajout de SF6 à hauteur de 10 à 20% volumiques permet d'améliorer significativement la rigidité diélectrique de l'azote. Néanmoins, du fait du fort PRG du 8E6, le PRG de ces mélanges reste très élevé. Ainsi, par exemple, un mélange de SF6 et d'azote dans un rapport volumique de 10/90 présente une rigidité diélectrique en tension alternative (50 Hz) égale à 59% de celle du SF6 mais son PRG est de 8 650. De tels mélanges ne sauraient donc être utilisés comme gaz à faible impact environnemental. Il en est de même des perfluorocarbones qui présentent, d'une manière générale, des propriétés de tenue diélectrique intéressantes mais dont les PRG s'inscrivent typiquement dans une gamme allant de 5 000 à 10 000 (6 500 pour CF4r 7 000 pour C3F8 et C4F10r 8 700 pour c-C4F8, 9 200 pour C2F6). Récemment, il a été proposé de remplacer le SF6 par le trifluoroiodométhane (CF3I) (Nakauchi et al., XVI International Conference on Gas Discharge and their Applications, Chine, 11-15 septembre 2006, [1]). En effet, le CF3I présente une rigidité diélectrique supérieure à celle du SF6 et ce, aussi bien en champ homogène qu'en champ hétérogène, pour un PRG inférieur à 5 et une durée de séjour dans l'atmosphère de 0,005 année. Malheureusement, outre que le CF3I est cher, il possède une valeur moyenne d'exposition (VME) de l'ordre de 3 à 4 ppm et est classé parmi les substances cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques (CMR) de catégorie 3, ce qui est rédhibitoire pour une utilisation à une échelle industrielle. Il a également été proposé d'utiliser des systèmes hybrides d'isolation associant une isolation gazeuse, par exemple par de l'air sec, de l'azote ou du CO2r à une isolation solide. Comme décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le n° 1 724 802, [2], cette isolation solide consiste, par exemple, à recouvrir les pièces sous tension qui présentent un fort gradient électrique par une résine du type résine époxyde ou analogue, ce qui permet de réduire le champ auquel sont soumises les pièces sous tension. Cependant, l'isolation ainsi obtenue n'est 30 pas équivalente à celle fournie par le SF6 et l'utilisation de ces systèmes hybrides nécessite d'augmenter le volume des appareils électriques par rapport à celui qu'autorise une isolation au SF6. Concernant la coupure d'un arc électrique sans SF6, différentes solutions existent : coupure dans l'huile, coupure dans l'air ambiant, coupure avec ampoule à vide. Toutefois, les appareils avec coupure dans l'huile présentent l'inconvénient majeur d'exploser en cas de non coupure ou de défaut interne. Les appareils à coupure dans l'air ambiant sont généralement de grandes dimensions, coûteux et sensibles à l'environnement (humidité, pollution), tandis que les appareils, notamment les interrupteurs sectionneurs, avec ampoule à vide sont très onéreux et très peu présents sur le marché. Compte tenu de ce qui précède, les Inventeurs se sont donc fixé pour but général de trouver une alternative au SF6. Plus spécifiquement, les Inventeurs se sont fixé pour but de trouver un gaz ou un mélange de gaz qui, tout en présentant des propriétés d'isolation électrique et d'extinction d'arc électrique comparables à celles du SF6, ait un impact sur l'environnement faible ou nul. Ils se sont aussi fixé pour but que ce gaz ou ce mélange de gaz ne soit pas toxique pour l'homme et les animaux. Ils se sont encore fixé pour but que ce gaz ou ce mélange de gaz ait un coût de fabrication ou d'achat compatible avec une utilisation à une échelle industrielle. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ces buts et d'autres encore sont atteints par l'invention qui propose, en premier lieu, d'utiliser un milieu gazeux comprenant au moins une fluorocétone en tant que gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction d'arc électrique dans un appareil électrique de sous-station de moyenne ou haute tension. En effet, les fluorocétones, qui ne sont pas toxiques, qui se dégradent très rapidement dans l'atmosphère en raison de la sensibilité aux ultraviolets que présente la double liaison du groupe cétone -C=0 qu'elles contiennent et qui ont, de ce fait, un PRG proche de 1, sont dotées de propriétés diélectriques très intéressantes et sont donc susceptibles de remplacer très avantageusement le SF6 en tant que gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction d'arc électrique dans des appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension. Dans ce qui précède et ce qui suit, les termes « moyenne tension » et « haute tension » sont utilisés dans leur acceptation habituelle, à savoir que le terme « moyenne tension » désigne une tension qui est supérieure à 1 000 volts en courant alternatif et à 1 500 volts en courant continu mais qui ne dépasse pas 52 000 volts en courant alternatif et 75 000 volts en courant continu, tandis que le terme « haute tension » désigne une tension qui est strictement supérieure à 52 000 volts en courant alternatif et à 75 000 volts en courant continu. 6 Conformément à l'invention, la fluorocétone présente dans le milieu gazeux est, de préférence, choisie parmi les fluorocétones répondant à la formule brute CnF2nO dans laquelle n est un nombre entier allant de 3 à 6. En pratique, ces fluorocétones sont : û la fluorocétone de formule brute C3F6O et de formule semi-développée CF3-CO-CF3, qui est connue sous le nom d'hexafluoropropan-2-one et qui sera appelée plus simplement C3K dans ce qui suit ; û la fluorocétone de formule brute C4F8O et de formule semi-développée CF3-CO-CF2-CF3, qui est connue sous le nom d'octafluorobutan-2-one et qui sera appelée plus simplement C4K dans ce qui suit ; û la fluorocétone de formule brute C5F10O et de formule semi-développée CF3-CO-CF- (CF3) 2, qui est connue sous le nom de décafluoro-2-méthylbutan-3-one et qui sera appelée plus simplement C5K dans ce qui suit, et û la fluorocétone de formule brute C6F12O et de formule semi-développée CF3-CF2-CO-CF-(CF3)2, qui est connue sous le nom de dodécafluoro-2-méthylpentan-3-one et qui sera appelée plus simplement C6K dans ce qui suit. Conformément à l'invention, la fluorocétone peut être utilisée seule ou, éventuellement, en mélange avec au moins une autre fluorocétone si la température d'ébullition de cette (ces) fluorocétones permet de garantir son (leur) maintien à l'état gazeux dans les conditions de température et de pression auxquelles est destiné à être soumis le milieu gazeux, une fois confiné dans l'appareil électrique de sous-station. Auquel cas, l'autre fluorocétone sera, elle aussi, de préférence choisie parmi les fluorocétones répondant à la formule brute CnF2nO telle que précédemment définie. Ainsi, par exemple, il est tout à fait possible d'utiliser un milieu gazeux qui est constitué uniquement de C3K ou de C4K (dont les températures d'ébullition sont respectivement de -28°C et de 0°C à la pression standard (0,1 MPa) ou d'un mélange de C3K et de C4K, dans un appareil électrique de sous-station qui est prévu pour être placé spécifiquement dans des conditions telles que la température susceptible de régner à l'intérieur de cet appareil ne descende jamais au-dessous de -40°C. Toutefois, la ou les fluorocétones seront le plus souvent utilisées en mélange avec au moins un autre gaz qui n'appartient pas à la famille des fluorocétones. Auquel cas, cet autre gaz est, de préférence, choisi parmi les gaz qui présentent, d'une part, une température d'ébullition très basse, c'est-à-dire typiquement égale ou inférieure à -50°C à la pression standard, et, d'autre part, une rigidité diélectrique qui est au moins égale à celle que présente le dioxyde de carbone dans des conditions d'essai strictement identiques (même appareillage, même configuration géométrique, mêmes paramètres opératoires, ) à celles utilisées pour mesurer la rigidité diélectrique dudit gaz. De plus, on préfère que cet autre gaz ne soit pas toxique, c'est-à-dire qu'il ne soit pas classé parmi les substances considérées comme cancérigènes, mutagènes et/ou toxiques pour la reproduction par le Règlement (CE) n° 1272/2008 du Parlement Européen et du Conseil du 16 décembre 2008, et qu'il présente, par ailleurs, un PRG faible, c'est-à-dire typiquement égal ou inférieur à 500 et, mieux encore, égal ou inférieur à 10. Des gaz qui présentent l'ensemble de ces propriétés sont, par exemple, l'air (PRG de 0), l'azote (PRG de 0), l'hélium (PRG de 0), le dioxyde de carbone (PRG de 1), l'oxygène (PRG de 0) et le protoxyde d'azote (PRG de 310). Ainsi, des milieux gazeux susceptibles d'être utilisés selon l'invention peuvent notamment consister en des mélanges composés d'une ou plusieurs des fluorocétones précédemment mentionnées et d'un ou plusieurs gaz choisis parmi l'air, l'azote, l'oxygène, 20 l'hélium, le dioxyde de carbone et le protoxyde d'azote comme, par exemple, des mélanges C4K/air, C4K/N2, C4K/02, C4K/He, C4K/CO2, C4K/N2O, C5K/air, C5K/N2, C5K/02, C5K/He, C5K/CO2, C5K/N2O, C6K/air, C6K/N2, C6K/02, C6K/He, C6K/CO2, C6K/N2O, C4K/N2/O2, C4K/He/02, 25 C4K/CO2/O2r C4K/N2O/O2, C5K/N2/O2, C5K/He/02, C5K/CO2/O2, C5K/N2O/O2r C6K/N2/O2, C6K/He/02, C6K/CO2/O2, C6K/N2O/O2, C4K/C5K/air, C4K/C5K/N2, C4K/C5K/02, C4K/C5K/He, C4K/C5K/CO2r C4K/C5K/N2O, C4K/C6K/air, C4K/C6K/N2, C4K/C6K/02, C4K/C6K/He, C4K/C6K/CO2, C4K/C6K/N2O, 30 C5K/C6K/air, C5K/C6K/N2, C5K/C6K/He, C5K/C6K/CO2, C5K/C6K/N2O, C4K/C5K/C6K/air, C4K/C5K/C6K/N2, 15 C4K/C5K/C6K/02, C4K/C5K/C6K/He, C4K/C5K/C6K/CO2, C4K/C5K/C6K/N2O, C4K/air/N2, C4K/air/He, C4K/air/CO2, C4K/air/N2O, C5K/air/N2, C5K/air/He, C5K/air/CO2, C5K/air/N2O, C6K/air/N2, C6K/air/He, C6K/air/CO2, C6K/air/N2O, C4K/C5K/N2/O2r C4K/C5K/He/02, C4K/C5K/CO2/O2r C4K/C5K/N2O/O2, C4K/C5K/air/N2, C4K/C5K/air/He, C4K/C5K/air/CO2r C4K/C5K/air/N2O, C4K/C6K/N2/O2r C4K/C6K/He/02, C4K/C6K/CO2/O2, C4K/C6K/N2O/O2r C4K/C6K/air/N2, C4K/C6K/air/He, C4K/C6K/ air/CO2r C4K/C6K/air/N2O, C5K/C6K/N2/O2, C5K/C6K/He/02, C5K/C6K/CO2/O2r C5K/C6K/N2O/O2, C5K/C6K/air/N2, C5K/C6K/air/He, C5K/C6K/air/CO2r C5K/C6K/air/N2O, etc, étant entendu que toutes les combinaisons entre lesdites fluorocétones et lesdits gaz sont envisageables. Le PRG global de ces mélanges est en rapport des pressions partielles de chacun de leurs composants ou en rapport du pourcentage volumique de chacun de ces composants. Parmi ces milieux gazeux, on préfère tout particulièrement ceux qui consistent en des mélanges de C4K, de C5K et/ou de C6K et d'un ou plusieurs gaz choisis parmi l'azote, l'air et le dioxyde de carbone. Quoi qu'il en soit, dans ces milieux gazeux, la fluorocétone ou les fluorocétones sont, de préférence, présentes dans des proportions telles que : ù d'une part, cette fluorocétone ou la totalité de ces fluorocétones représente au moins 1% en volume du volume total du milieu gazeux ; et ù d'autre part, la pression partielle de cette fluorocétone ou de ces fluorocétones est inférieure à sa (leur) pression de vapeur saturante dans la gamme de températures susceptibles de régner à l'intérieur de l'appareil électrique de sous-station. Typiquement, ces proportions seront de l'ordre de 1 à 50% volumiques, le plus souvent de l'ordre de 1 à 25% volumiques et, mieux encore, de l'ordre de 1 à 10% volumiques selon la ou les fluorocétones utilisées. L'invention a également pour objet un appareil électrique de sous-station de moyenne ou haute tension, qui comprend une enveloppe fermée dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un milieu gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction d'arc électrique au sein de cette enveloppe, et qui caractérisé en ce que ce milieu gazeux comprend au moins une fluorocétone. Les caractéristiques de ce milieu gazeux sont telles que précédemment décrites à propos de son utilisation. Conformément à l'invention, cet appareil électrique peut être, en premier lieu, un transformateur électrique à isolation gazeuse comme, par exemple, un transformateur d'alimentation ou un transformateur de mesure. L'appareil électrique peut également être une ligne à isolation gazeuse, aérienne ou sousterraine, ou un jeu de barres pour le transport ou la distribution de l'électricité. Enfin, il peut aussi être un appareil électrique de connexion/déconnexion (aussi appelé appareil de coupure) comme, par exemple, un disjoncteur, un interrupteur, un sectionneur, un combiné interrupteur-fusibles, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur. REFERENCES CITEES [1] S. Nakauchi, D. Tosu, S. Matsuoka, A. Kumada et K. Hidaka, « Breakdown characteristics measurement of non-uniform field gap in SF6-N2, CF3I-N2 and CF3I-CO2 gas mixtures by using square pulse voltage", XVI International Conference on Gas Discharge and their Applications, Chine, 11-15 septembre 2006 [2] EP-A-1 724 802 REVENDICATIONS1. Utilisation d'un milieu gazeux comprenant au moins une fluorocétone en tant que gaz d'isolation électrique et/ou d'extinction d'arc électrique dans des appareils électriques de sous-station de moyenne ou haute tension. 2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle la fluorocétone présente dans le milieu gazeux est choisie parmi les fluorocétones qui répondent à la formule brute C,F2n0 dans laquelle n est un nombre entier allant de 3 à 6. 3. Utilisation selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le milieu gazeux est constitué uniquement par la fluorocétone ou un mélange de fluorocétones. 4. Utilisation selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle le milieu gazeux consiste en un mélange comprenant une ou plusieurs fluorocétones et au moins un autre gaz n'appartenant pas à la famille des fluorocétones. 5. Utilisation selon la revendication 4, dans laquelle le gaz n'appartenant pas à la famille des fluorocétones est choisi parmi l'air, l'azote, l'oxygène, l'hélium, le dioxyde de carbone et le protoxyde d'azote. 6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 4 et 5, dans laquelle le milieu gazeux consiste en un mélange d'une ou plusieurs fluorocétones choisies parmi l'octafluorobutan-2-one, la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et la dodécafluoro-2-méthylpentan-3-one, et d'un ou plusieurs gaz choisis parmi l'azote, l'air et le dioxyde de carbone. 7. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 à 6, dans laquelle la fluorocétone ou la totalité des fluorocétones présentes dans le milieu gazeux représente de 1 à 50% en volume du volume de ce milieu gazeux. 8. Appareil électrique de sous-station de moyenne ou haute tension, comprenant une enveloppe fermée dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un milieu gazeux assurant l'isolation électrique et/ou l'extinction d'arc électrique au sein de cette enveloppe, caractérisé en ce que le milieu gazeux comprend au moins une fluorocétone. 9. Appareil selon la revendication 8, dans lequel la fluorocétone présente dans le milieu gazeux est choisie parmi les fluorocétones qui répondent à la formule brute CnF2nO dans laquelle n est un nombre entier allant de 3 à 6. 10. Appareil selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel le milieu gazeux estconstitué uniquement par la fluorocétone ou un mélange de fluorocétones. 11. Appareil selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel le milieu gazeux consiste en un mélange comprenant une ou plusieurs fluorocétones et au moins un autre gaz n'appartenant pas à la famille des fluorocétones. 12. Appareil selon la revendication 11, dans lequel le gaz n'appartenant pas à la famille des fluorocétones est choisi parmi l'air, l'azote, l'oxygène, l'hélium, le dioxyde de carbone et le protoxyde d'azote. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8, 9, 11 et 12, dans lequel le milieu gazeux consiste en un mélange d'une ou plusieurs fluorocétones choisies parmi l'octafluorobutan-2-one, la décafluoro-2-méthylbutan-3-one et la dodécafluoro-2-méthylpentan-3-one et d'un ou plusieurs gaz choisis parmi l'azote, l'air et le dioxyde de carbone. 14. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 11 à 13, dans lequel la fluorocétone ou la totalité des fluorocétones présentes dans le milieu gazeux représente de 1 à 50% en volume du volume de ce milieu gazeux. 15. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, qui est un transformateur 5électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité ou un appareil électrique de connexion/ déconnexion. 16. Appareil selon la revendication 15, qui est un disjoncteur, un interrupteur, un sectionneur, un combiné interrupteur-fusibles, un sectionneur de mise à la terre ou un contacteur.