ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ
ELECTRIC INSULATING LIQUID

Изобретение относится к области электротехники, в частности к диэлектрическим жидкостям, и может быть использовано для электроизоляции высоковольтного электрооборудования.
Известно, что жидкий диэлектрик в электромагнитном устройстве, находится под воздействием напряжений переменного тока различных амплитуд и частот, а также импульсных напряжений. Поэтому он должен обладать высокой электрической прочностью, высоким удельным сопротивлением, низким тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой стабильностью при эксплуатации и хранении, высокой стойкостью к воздействию электрического и теплового полей, высокой стойкостью к окислению, определенным значением диэлектрической проницаемости с учетом особенностей электроизоляционной конструкции, совместимостью с применяемыми материалами, пожаробезопасностью, экономичностью, экологической безопасностью, обладать низкой вязкостью в диапазоне рабочих температур. Отмечается, что ни один известный жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требованиям одновременно [Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.1 / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - 3-е изд., перераб, - М.: Энергоатомиздат, 1986. Т.1. - С.64-65].
3
4
3
3
4
4
В качестве фторсодержащих жидких диэлектриков наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов: Фреон 215 (CFCl), Фреон 214 (CFCl) [Беляев В.Л. Особенности работы и конструкций многоамперных электрических аппаратов: Учеб. пособие СПб.: СЗТУ, 2005. - С.273; Жорняк Л.Б., Райкова Е.Ю., Осинская В.И. Повышение надежности и эффективности высоковольтных вводов / Bicник КДПУ iмeнi Михаила Остроградського. Випуск 4/2008 (51). Частина 1. С.95-99], что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемости и относительно невысокой стоимостью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничилось, а в настоящее время почти повсеместно сокращается, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество. В соответствии с Монреальским протоколом 1987 г. использование хлорфторуглеродов, имеющих высокий озоноразрушающий потенциал (ODP), к 2030 году будет запрещено. Поэтому ведущие фирмы мира, такие как BASF, Bayer, DuPont, Mitsubishi Chemical и др. заняты поиском промышленных веществ, в том числе и диэлектриков, с ODP 0. По утверждению этих фирм, таковыми должны быть вещества класса HFC - фторуглеводороды, не имеющие в составе молекулы атомов хлора [Патент RU 2071462, С07С 21/18, С07С 17/093, С07С 17/20, 10.01.1997 г.].
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению по технической сущности является перфтортрансформаторное масло [Жорняк Л.Б., Райкова Е.Ю., Осинская В.И. Повышение надежности и эффективности высоковольтных вводов/Вiсник КДПУ iменi Михаила Остроградського. Випуск 4/2008 (51). Частина 1. С.95-99]. Использование перфтортрансформаторного масла в качестве электроизолирующей жидкости в высоковольтном оборудовании обусловлено его высокими диэлектрическими свойствами. Однако оно имеет ряд недостатков.
Перфтортрансформаторное масло - это очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300°C до 400°C, ингибированная антиокислительной присадкой - фторорганической жидкостью) [Коробейников С.М. Диэлектрические материалы. Учеб. пособие, Новосибирск, НГТУ, 2000. - С.43-46]. Оно имеет сложный углеводородный состав, представленный в таблице 1.
Таблица 1
1. Парафины
10-15%
2. Нафтены или циклопарафины
60-70%
3. Ароматические углеводороды
15-20%
4. Асфальто-смолистые вещества
1-2%
5. Сернистые соединения
<1%
6. Азотистые соединения
<0.8%
7. Нафтеновые кислоты
<0.02%
8. Антиокислительная присадка (ионол)
0.2-0.5%
Известно, что перфторированные органические соединения получают методом электрохимического фторирования, то есть введением фтора в органический субстрат с помощью электродной реакции. Он заключается в пропускании постоянного тока через раствор исходного органического соединения в безводном фтористом водороде [Патент RU 2221765, С07С 19/08, С07С 25/13, С07С 43/12, С25В 3/08, 20.01.2004 г.]. Таким образом, к основным недостаткам перфтортрансформаторного масла следует отнести сложный состав, многостадийную процедуру получения, и как следствие, высокую стоимость. Кроме того, диэлектрическая проницаемость перфтортрансформаторного масла составляет 1,8-2, что не позволяет использовать его в системах емкостных накопителей для увеличения их электрической емкости.
Техническим результатом данного изобретения является экологическая безопасность, повышение эффективности и надежности работы высоковольтного электрического оборудования, дешевизна и доступность диэлектрической жидкости.
Для решения технического результата предложена электроизолирующая жидкость, представляющая собой фторсодержащую диэлектрическую жидкость для электрической изоляции высоковольтного электрического оборудования, отличающаяся тем, что диэлектрическая жидкость содержит 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов.
2
4
2
2
Ди(октафторпентиловый) эфир [H(CF)CH]O относится к полифторированным эфирам, представляет собой бесцветную жидкость, обладает высокой термической стабильностью и химической стойкостью, а также обладает водо- и маслоотталкивающими свойствами. В настоящее время соединения такого класса используются в качестве вспенивателей при производстве пенопластов, в процессах сухого травления в микроэлектронике. Отмечено возможное применение в качестве хладагентов при замене фреона 113 [Орлов А.П., Щавелев В.Б., Барабанов В.Г., Корольков Д.Н. // Тез. докл. 3-й Междунар. конф. «Химия, технология и применение фторсоединений». 6-9 июня 2001 г. СПб. Россия. 2001. - С.172].
2
4
2
2
2
Достижение технического результата обусловлено тем, что данную электроизолирующую жидкость получают на основе октафторпентанола - побочного продукта производства спиртов-теломеров [ТУ 301-14-1-89 - «Спирты-теломеры полифторированные технические»], из которых используется только тетрафторпропанол. Способ получения ди(октафторпентилового) эфира [H(CF)CH]O, заключается во взаимодействии полифторированного спирта с тионилхлоридом в присутствии катализатора при ступенчатом повышении температуры от - 15°C до 50°C [Патент RU 2312097, С07С 43/12, С07С 41/01, 10.12.2007 г.]. Очистка от полярных газов (кислорода, SO, HCl) осуществляется на сорбенте марки СаА-У (цеолите, ТУ 2163-004-05766557-97) с последующей перегонкой в токе сухого азота [Колобородов В.Г. Развитие адсорбционных исследований в криогенном отделе ННЦ ХФТИ / В.Г. Колобродов, Вопросы атомной науки и техники. 2006. №4. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), С.38-46]. Таким образом, технология производства ди(октафторпентилового) эфира проста и не требует высоких энергетических и экономических затрат.
2
Экологическая безопасность предлагаемого диэлектрика определяется его химическим составом. Молекула ди(октафторпентилового) эфира содержит шесть атомов водорода, участвующих в процессе окисления кислородом атмосферного воздуха, что препятствует попаданию вещества в озоновый слой атмосферы. Озоноразрушающий потенциал ди(октафторпентилового) эфира относительно хлорфторуглеводородов равен нулю. Потенциал глобального потепления (GPW) относительно CO уменьшается с увеличением количества атомов водорода [Озонобезопасные фторуглеводороды [Текст] / Г.Ф. Терещенко, В.Г. Барабанов // Известия АН. Серия химическая. - 2004. - №11. - С.2364-2371].
Сравнение основных электроизоляционных параметров ди(октафторпентилового) эфира с параметрами перфтортрансформаторного масла, приведенных в таблице 1, показывает, что диэлектрическая проницаемость ди(октафторпентилового) эфира в несколько раз выше, чем у перфтортрансформаторного масла, что позволяет применять предлагаемую электроизолирующую жидкость не только для погружного электрооборудования, но и в системах емкостных накопителей. Кроме того, важным показателем, характеризующим эффективность электрической изоляции, является тангенс угла диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь ди(октафторпентилового) эфира при степени очистки 99,95% на порядок меньше, чем у перфтортрансформаторного масла. Таким образом, по сравнению с прототипом нагрев объема предлагаемого жидкого диэлектрика за счет возникновения токов проводимости существенно меньше. Отличительной особенностью
ди(октафторпентилового) эфира является отсутствие у него температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, температурных и концентрационных пределов распространения пламени. Таким образом, применение ди(октафторпентилового) эфира способствует повышению надежности и эффективности работы высоковольтного электрического оборудования.
Таблица 2
Параметры
Перфтортрансфор-маторное масло (прототип)
Ди(октафторпенти-ловый)эфир (заявляемая жидкость)
Плотность, г/см<sup>3</sup>
0.84-0.89
1,800
Температура, °C
вспышки
не ниже 400
отсутствует
застывания
-70
Ниже -45
Удельное сопротивление, Ом·м
10<sup>12</sup>-10<sup>15</sup>
10<sup>12</sup>
Тангенс угла диэлектрических потерь
10<sup>-3</sup>
10<sup>-4</sup>
Диэлектрическая проницаемость
1,8-2
7,65-7,97
Электрическая прочность, кВ/мм
50
50
При содержании 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов предлагаемая диэлектрическая жидкость имеет электроизолирующие свойства, приведенные в таблице 2, однако они существенно зависят от степени очистки. Повышенное содержание примесей ухудшает электроизолирующие свойства, в частности ведет к уменьшению пробивного напряжения и увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. При этом возрастают токи проводимости, и как следствие, запускается механизм конвекции. Поскольку известно, что электромагнитные системы с жидкой изоляцией имеют низкую удельную теплопроводность, что предотвращает эффективную теплопередачу за счет теплопроводности, то предлагаемый жидкий диэлектрик со степенью очистки ниже 99,95% может быть использован в системах охлаждения и изоляции, в частности, в испарительных трансформаторах.
Пример
2
4
2
2
2
4
2
D
20
2
D
20
4
20
Из побочного продукта производства спиртов-теломеров [ТУ 301-14-1-89 - «Спирты-теломеры полифторированные технические»] ди(октафторпентиловый) эфир [H(CF)CH]O получали смешением реагентов при температуре -15÷-10°C. Смесь полифторированного спирта H(CF)CHOH с катализатором взаимодействует с тионилхлоридом при мольном соотношении реагентов, равном 1:(0,005-0,009):(1-1,1) соответственно, при ступенчатом повышении температуры: сначала при 20-30°C в течение 1-2 ч, затем при 30-50°C в течение 3-6 ч; выделяющиеся диоксид серы и хлористый водород отдували азотом. Получили эфир с т. кип. 103°C (2 мм рт.ст.), n  1.3385, d  1.7344. В результате очистки от полярных газов (кислорода, SO, HCl), пропусканием через цеолит и перегонкой в токе сухого азота, получили продукт с содержанием 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов, с т. кип. 90°C (1 мм рт.ст.), n  1.3440.
Измерение диэлектрической проницаемости, удельного сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь для испытуемой электроизолирующей жидкости производилось в соответствии с ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81). Для повышения достоверности проводимых измерений, эти же параметры сначала были измерены для глицерина, спирта и дистиллированной воды, в соответствии с ГОСТ 6709-72, для которых имеются справочные данные. Совпадение полученных результатов измерений со справочными данными для указанных жидкостей было в пределах 3%. Определение электрической прочности электроизолирующей жидкости также производилось в соответствии с ГОСТ 6581-75. Температура вспышки измерялась в открытом тигле по методике, приведенной в ГОСТ 12.1.044-89, - для химических органических продуктов. Результаты электрических испытаний для предлагаемой электроизолирующей жидкости приведены в таблице 2.
Приведенные данные показывают, что применение ди(октафторпентилового) эфира обеспечивает высокие диэлектрические показатели при повышении экологической безопасности в процессе эксплуатации и минимизации затрат на производство.