БИОЛОГИЧЕСКИ РАЗЛАГАЕМЫЙ ЖИДКИЙ ДИЭЛЕКТРИК
BIOLOGICALLY DEGRADABLE LIQUID DIELECTRIC

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области жидких диэлектриков для электрических систем, и конкретно относится к биологически разлагаемому жидкому диэлектрику, обладающему высокой устойчивостью к окислению, содержащему масло или смесь растительных масел, имеющих весьма высокое содержание олеиновой кислоты, в котором в значительной степени сохранены все природные токоферолы, и содержит дезактиватор металла, а также к его применению для изоляции и охлаждения электротехнического оборудования.
Уровень техники
Жидкие диэлектрики, которые применяются в электротехнической промышленности, обычно представляют собой газы или жидкости, основной задачей которых является обеспечение электрической изоляции между токоведущими частями, кроме того, они играют роль средства охлаждения. Жидкости, которые применяются в качестве диэлектрической среды, могут иметь различное происхождение.
Жидкости, которые наиболее часто применяются в качестве жидких диэлектриков, представляют собой минеральные масла, произведенные из нефти. Существенное использование минеральных масел обусловлено их низкой стоимостью и легкой доступностью, а также их диэлектрическими свойствами, характеристиками охлаждения, низкой вязкостью при высоких температурах и их превосходными характеристиками при весьма низких температурах. Кроме того, они обладают высокой устойчивостью к окислению. Однако с другой стороны, минеральным маслам присущ недостаток, связанный с тем, что вследствие их химического состава, они обладают весьма низкой биологической разлагаемостью, по этой причине утечка указанных масел может вызвать повреждение экологической системы, причем масла могут оставаться в окружающей среде в течение многих лет. Кроме того, минеральные масла обладают высокой теплотой сгорания и имеют весьма низкую температуру воспламенения, в результате при их использовании имеется значительный риск пожара и/или взрыва.
Более того, при регулировании тока требуется любой жидкий диэлектрик, предназначенный для использования в качестве охлаждающего агента, который не может быть классифицирован как огнеопасный. В соответствии с применением флюида и степенью риска может потребоваться одна или несколько предупредительных мер.
Признанной мерой безопасности является замена минеральных масел менее огнеопасной или неогнеопасной жидкостью. Менее огнеопасная жидкость должна иметь температуру воспламенения, которая равна или выше 300°С. Таким образом, иногда используются жидкие диэлектрики с высокой температурой воспламенения (равна или больше чем 300°С), например, такие как силиконовые масла, высокомолекулярные углеводороды (ВМУ) или синтетические сложные эфиры. Однако силиконовые масла и высокомолекулярные углеводороды (ВМУ), подобно минеральным маслам, характеризуются нулевой или низкой биологической разлагаемостью. Кроме того, все эти жидкости обладают более высокой стоимостью, чем минеральные масла.
В качестве альтернативы указанным выше жидкостям, следует придавать особое значение природным сложным эфирам из растительных масел, которые появились в последние годы. Природные сложные эфиры получаются из масел растительного происхождения с использованием соответствующих процессов переработки и очистки.
По существу, растительные масла состоят из триацилглицеридов и других компонентов в меньших пропорциях, например, таких как моноацилглицериды, диацилглицериды, свободные жирные кислоты, фосфатиды, стеролы, маслорастворимые витамины, токоферолы, пигменты, воски, длинноцепочечные спирты и др.
Триацилглицериды, находящиеся в растительных маслах, представляют собой тройные сложные эфиры, образовавшиеся из трех молекул жирных кислот, химически связанных с глицерином. Общая формула триацилглицерида имеет вид:
14
22
где R, R′, R′′ могут одинаковыми или различными жирными кислотами, которые обычно содержат цепи из С-С атомов углерода с уровнем ненасыщенности от 0 до 3.
Главные отличия между различными растительными маслами вызваны различным содержанием жирных кислот, присутствующих в композиции их триацилглицеридов.
Существует несколько жирных кислот, включая миристиновую, пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолеиновую, линоленовую, арахиновую, эйкозеновую, бегеновую кислоту, эруковую, пальмолитиновую, докозадиеновую, лигноцериновую, тетракозеновую, маргариновую, маргаролеиновую, гадолеиновую, каприловую, каприновую, лауриновую, пентадекановую и гептадекановую кислоты. Они отличаются друг от друга числом атомов углерода и количеством ненасыщенных связей (углерод - углеродных двойных связей).
Три жирные кислоты в молекуле триацилглицерида могут быть все одинаковыми или могут быть две или три различные жирные кислоты. Состав жирных кислот в триацилглицеридах изменяется для различных видов растений и в меньшей степени для различных линий конкретного вида. Растительные масла, произведенные из одной линии, имеют практически одинаковый состав жирных кислот в молекулах триацилглицеридов. Каждый триацилглицерид имеет характерные свойства, которые зависят от входящих в него жирных кислот. Например, некоторые триацилглицериды более восприимчивы к окислению, чем другие. В этом смысле масла, образовавшиеся из триацилглицеридов с мононенасыщенными (с одной С=С двойной связью) жирными кислотами, обладают более высокой устойчивостью к окислению, чем масла, образовавшиеся из триацилглицеридов с жирными кислотами, имеющими две или три углерод - углеродных двойных связи. Более того, масла, образовавшиеся из триацилглицеридов с насыщенными (отсутствуют С=С двойные связи) жирными кислотами, будут обладать еще большей устойчивостью к окислению, чем мононенасыщенные жирные кислоты, однако их минимальная температура застывания может быть существенно выше.
Наиболее значительные преимущества использования растительных масел в качестве жидких диэлектриков заключаются в их отличной биологической разлагаемости, в получении из возобновляемых природных ресурсов, в отсутствие токсичности, высокой температуре воспламенения (≅360°С) и в низкой стоимости по сравнению с другими веществами с высокой температурой воспламенения, такими как синтетические сложные эфиры. Все эти факторы охраны окружающей среды, здоровья и безопасности поддерживают идею применения жидких диэлектриков на основе растительных масел.
Однако при использовании растительных масел или их производных в качестве жидких диэлектриков имеются некоторые проблемы.
Например, необходимо принимать во внимание характеристику температуры (или минимальную температуру текучести) растительных масел. Температура застывания определяется как температура, при которой жидкость переходит в твердое состояние с последующей потерей характеристик охлаждения. В соответствии с единственным существующим стандартом, определяющим характеристики растительного масла, применяемого в качестве жидкого диэлектрика, стандарта США ASTM D6871-03, температура застывания должна быть не выше чем -10°С. Следовательно, для жидкого диэлектрика на основе растительных масел важным фактором является обеспечение сохранения свойства текучести, даже когда жидкий диэлектрик подвергается воздействию довольно низких температур (меньше чем - 15°С). Обычно для снижения температуры застывания и получения жидкого диэлектрика с повышенной устойчивостью к воздействию низких температур используются присадки. Например, используются такие присадки как ПМА (полиметилакрилат), олигомеры и полимеры поливинилацетата и/или акриловых олигомеров и полимеров, диэтилгексиладипинат и полиалкилметилакрилат.
Другими проблемными факторами в характеристиках растительных масел являются наличие воды, микробный рост, наличие твердых частиц и др.
Однако фактически одной из важнейших проблем растительных масел является их окисляемость. Обычно растительные масла подвержены полимеризации, когда на них воздействует кислород. Под действием кислорода активируются ненасыщенные связи, присутствующие в жирных кислотах триацилглицеридов масел, что вызывает окислительную полимеризацию масла, с вероятностью ухудшения фактических характеристик жидкого диэлектрика. Чувствительность к окислению таких масел является важным препятствием для их применения в качестве диэлектриков.
Проблема окисления масел обычно решается путем добавления синтетических ингибиторов окисления масел, таких как БГА (бутилированный гидроксианизол), БГТ (бутилированный гидрокситолуол), ТБГХ (третичный бутилгидрохинон), ТНВР (тетрагидробутирофенон), пальмитат аскорбиновой кислоты (розмариновое масло), пропилгаллат и др. С другой стороны, проблема окисления жидких диэлектриков на основе растительных масел в электротехнических устройствах усиливается в связи с каталитической активностью меди или других металлов, присутствующих в устройствах такого типа.
Все указанные выше проблемы ранее были рассмотрены в патентах ЕР 1365420, US 2004069975, US 6613250, US 6340658, US 6645404, US 6280659, JP 2000090740 и JP 2005317259, и предложены их различные решения.
Авторы настоящего изобретения предлагают жидкий диэлектрик, обеспечивающий альтернативное техническое решение проблемы окисления и обеспечивающий весьма выгодные характеристики жидкости для ее применения в качестве изолятора и охлаждающего агента в электротехнических устройствах.
Решение проблемы окисления жидких диэлектриков изобретения возникло путем использования масел с весьма высоким содержанием олеиновой кислоты и полученных с использованием процессов переработки, которые позволяют сохранить природные токоферолы, присутствующие в указанных растительных маслах в высоком процентном содержании, поскольку в процессе традиционной переработки происходит потеря значительного количества токоферолов.
Пример способа, подходящего для целей настоящего изобретения, описан в патенте США № 5928696. Авторы изобретения обнаружили, что определенные растительные масла с весьма высоким содержанием олеиновой кислоты и низким содержанием линолеиновой кислоты, которые сохранили собственные природные токоферолы, в значительной степени обладают потенциалом ингибитора окисления для того, чтобы не добавлять ингибитор окисления, например, такой как биологически неразлагаемый синтетический ингибитор окисления, который добавляли до настоящего времени. Однако токоферолы, кроме того, что они обладают существенной биологической разлагаемостью, являются веществами, которые естественно присутствуют в составе масел и которые обладают важной характеристикой ингибитора окисления. Известны четыре типа токоферолов: α-, β-, γ- и δ-токоферол, которые обладают различной эффективностью ингибитора окисления и которые присутствуют в различных соотношениях, в зависимости от типа растительного масла и от сорта, из которого они получены.
Кроме того, для решения проблемы ускорения окисления, вызванного каталитической активностью металлов, авторы настоящего изобретения предложили введение дезактиваторов металлов, таких как производные триазола, бензотриазола, димеркаптодиазола и др.
Сущность изобретения
Первая цель изобретения представляет собой биологически разлагаемый жидкий диэлектрик, не содержащий добавки ингибитора окисления, синтетического или природного, который включает масло или смесь растительных масел с содержанием олеиновой кислоты (С18:1) больше чем 75%, содержанием природных токоферолов больше чем 200 м.д., и содержащий добавку дезактиватора металла в количестве меньше чем 1 мас.%. Этот жидкий диэлектрик в последующем будет называться флюидом изобретения.
Другой целью изобретения является применение флюида изобретения в качестве изолятора и охлаждающего агента электрических устройств или оборудования.
Подробное описание изобретения
В первом замысле изобретение относится к биологически разлагаемому жидкому диэлектрику, не содержащему добавку синтетического ингибитора окисления, который включает масло или смесь растительных масел с содержанием олеиновой кислоты (С18:1) больше чем 75%, отличающийся тем, что имеет содержание природных токоферолов больше чем 200 м.д. и содержание дезактиватора металла в количестве меньше чем 1%.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения содержание природных токоферолов составляет больше чем 300 м.д. и в еще более предпочтительном варианте это содержание больше чем 400 м.д.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения содержание олеиновой кислоты в масле или растительных маслах составляет больше чем 80% и в еще более предпочтительном варианте это содержание больше чем 90%.
Поскольку в большинстве областей применения жидких диэлектриков они обычно находятся в контакте с металлами, жидкий диэлектрик содержит в качестве добавки дезактиватор металла с целью предотвращения каталитического действия меди или другого металла, контактирующего с маслом, в процессах окисления масла. Следовательно, целесообразно вводить в композицию жидкого диэлектрика дезактиватор металла, например, такой как любая производная триазола, бензотриазола или димеркаптодиазола.
Кроме того, предпочтительно жидкий диэлектрик изобретения включает:
a) линолеиновую кислоту (С18:2) в содержании меньше чем 3,5%;
b) линоленовую кислоту (С18:3) в содержании меньше чем 1%;
c) пальмитиновую кислоту (С16:0) в содержании меньше чем 4%;
d) стеариновую кислоту (С18:0) в содержании меньше чем 2,5%.
Масла или смеси масел: подсолнечного, рапсового, соевого, хлопкового, жожоба, сафлорового, оливкового или масла оливковых выжимок с высоким содержанием олеинового остатка, являются особенно подходящими для применения в качестве жидкого диэлектрика согласно настоящему изобретению, хотя в предпочтительном варианте осуществления изобретение включает использование подсолнечного масла с высоким содержанием олеинового остатка. Помимо того, что эти масла имеют высокое содержание олеиновой кислоты, обычно они содержат большое количество токоферолов, которые в основном теряются в процессах обычной переработки масел. Переработка указанных масел в соответствии со способами, в которых возможно сохранение природных токоферолов в значительной степени, способствует тому, что эти масла являются весьма подходящими для их применения в качестве жидких диэлектриков, без риска их окисления. Например, в способе, описанном в патенте США № 5928696 возможно получение масел с концентрацией токоферола больше чем 400 м.д., при малом содержании фосфатидов, свободных жирных кислот и воска.
Масло или масла, полученные указанными способами, могут быть обработаны в последующем процессе вакуумной перегонки, с использованием комбинации нагревания и вакуума для того, чтобы удалить большую часть влаги. Удаление влаги из масла необходимо в связи с тем, что начальная концентрация влаги может сделать масло непригодным для использования в качестве жидкого диэлектрика. С этой целью растительное масло обрабатывают таким образом, чтобы удалить избыточную влагу до уровня меньше чем 50 м.д.
Полученные таким образом масла характеризуются тем, что имеют период индукции больше чем 25 часов в испытании Rancimat (EN 14112) и показатель биологической разлагаемости больше чем 99% спустя 21 сутки (CEC-L-33-A-93). Другими словами, с использованием упомянутых масел или их смесей получены с превосходным выходом жидкие диэлектрики высокого качества, соответствующие или превышающие стандарты безопасности, которые к тому же не обладают токсичностью, безвредны для окружающей среды и имеют пониженную стоимость по сравнению с другими жидкими диэлектриками.
Кроме того, жидкий диэлектрик изобретения может содержать дополнительные присадки, в зависимости от типа области, в которой предполагается их применение.
Для использования в окружающей среде, где температура может падать ниже чем -15°С, рекомендуется дополнительно вводить присадку, которая снижает температуру застывания, предпочтительно типа полиалкилметакрилата. Использование этих присадок позволяет получить жидкие диэлектрики с температурой застывания, равной -18°С или ниже.
Во втором аспекте изобретение относится к применению жидкого диэлектрика согласно изобретению в качестве изолятора и охлаждающего агента электрических устройств или оборудования. Как указано выше, этот флюид может быть использован в распределительном устройстве и/или в защитных кабинках, трансформаторах, в трансформаторах со встроенной защитой и предохранителем, ограничивающим ток, или трансформаторных центрах с элементами распределительных устройств и множеством защитных устройств.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Используется специальная композиция жирных кислот в триацилглицеридах растительных масел и способ их получения, а также их окончательная осушка, которые предоставляют полученной жидкости конкретные физические свойства, делающие их особенно пригодными для использования в качестве жидкого диэлектрика.
В предпочтительном примере жидкий диэлектрик, к которому относится настоящее изобретение, имеет следующий состав.
Подсолнечное масло с высоким содержанием олеиновой кислоты, включающее:
а) природные токоферолы:
м.д.
α-токоферол
402,0
β-токоферол
17,1
γ-токоферол
8,6
δ-токоферол
Всего
427,7
b) триацилглицериды со следующим составом жирных кислот:
%
С16:0
<4,0
С18:0
<2,5
C18:1
>90
С18:2
<3,5
С18:3
<1,0
с) 5000 м.д. присадки дезактиватора металлов, произведенной из димеркаптодиазола (Additin RC 8210 фирмы Rhein Chemie), что соответствует содержанию меньше чем 1 мас.% от всей композиции.
Жидкий диэлектрик указанного выше состава имеет следующие свойства:
Характеристика
Значение
Содержание воды
< 50 м.д.
Диэлектрическая прочность
> 40 kV
Температура воспламенения
> 350°С
Температура вспышки (в открытой чашке)
> 300°С
Температура застывания
< -15°С
Устойчивость к окислению - Rancimat EN 14112 (110°С, воздух 10 л/ч)
> 25 час
Устойчивость к окислению - Rancimat EN 14112 (110°C, воздух 10 л/ч) с медью*
> 6,5 час
(*) испытание проведено путем добавления меди (1,144 см<sup>2</sup>/г) в образец. В отсутствие дезактиватора металла устойчивость к окислению в присутствии меди снижается до 1,3 час.
Необязательно, для более ответственных вариантов осуществления, в местности, где электротехническое оборудование подвергается воздействию весьма низких температур, температура застывания может быть дополнительно снижена за счет добавления в масло присадки, с целью достижения пониженной температуры застывания. Таким образом, могут быть использованы промышленно доступные присадки, которые совместимы с растительными маслами, например, такие как продукт, известный под названием Viscoplex 10-310.