NO156466B - Elektrisk apparat - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et elektrisk apparat, såsom en transformator, som inneholder et dielektrisk fluidum av 20-99 volumprosent tetrakloretylen og 1-80 volumprosent fortynningsmiddel.

Forbudet mot anvendelse av polyklorerte bifenyler (PCB) som dielektriske fluider som følge av at de utgjør en miljøfare, har resultert i en utstrakt forskning etter egnete erstatninger. Et godt dielektrisk fluidum bør ikke brenne, bør være væske- eller gassformet i et bredt temperaturområde, bør være miljømessig akseptabelt, bør være rimelig og bør selvfølgelig ha gode elektrisk isolerende egenskaper. Fluider som har vært anvendt for å erstatte PCB omfatter silikoner, ftalatestre, alkylerte aroma-tiske forbindelser samt hydrokarboner. Alle disse fluider, og faktisk ethvert fluidum, er et kompromiss av ønskelige og uønskelige egenskaper. Fluider som utmerker seg når det gjelder en egenskap kan være mangelfulle i en annen ønskelig egenskap. Gene-relt er der minstestandarder som som et fluidum må tilfredsstille, men som er oppstilt av industrier og/eller myndighetene, før det vil bli godtatt.

Ifølge US-patentskrift 2.019.338 anvendes tetrakloretylen i blanding hovedsakelig med petroleumsolje som et dielektrisk fluidum i transformatorer. På grunn av at forbindelser angriper metaller og isolasjon i f.eks. transformatorer og kondensatorer er den ikke blitt noen kommersiell suksess. En fagmann på området vil anse tetrakloretylen som uegnet som dielektrisk fluidum. Før foreliggende oppfinnelse hadde man ikke mistanke om at problemene med tetrakloretylen stammet fra forurensninger i handelsvaren. Det faktrum at "ultrarent" tetrakloretylen var blitt kommersielt tilgjengelig forandrer ikke saken. Ut fra den utilfredsstillende erfaring med kommersielt tetrakloretylen vil en fagmann ikke vente å oppnå bedre resultater med det ultrarene produkt. Med andre ord ville det ikke være nærliggende for en fagmann å for-søke det ultrarene tetrakloretylen, idet han ikke ville ha grunn til å anta at dette ville gi bedre resultater enn det "urene" produkt.

Fra US-patentskrift 2.752.401 er det kjent en fremgangsmåte til fremstilling av tetrakloretylen.

Det elektriske apparat ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at tetrakloretylenet inneholder mindre enn 100 ppm hydrogenatomholdige klorhydrokarboner.

Det har vist seg at tetrakloretylen når det er ultrarent er et utmerket dielektrisk fluidum, enten alene eller blandet med et fortynningsmiddel.

Tetrakloretylen har vært kjent lenge, og er som "perklor-etylen" mye anvendt som et tørrensefluidum. Det har også vært foreslått for anvendelse som et dielektrisk fluidum (f.eks. ifølge nevnte US-patentskrift 2.019.338), men har ikke vært anvendt kommersielt på grunn av at det angriper metallene og isolasjonen i de elektriske apparater (f.eks. transformatorer og kondensatorer) .

Det har imidlertid vist seg at det ikke er tetrakloretylen som er ansvarlig for de kjemiske angrep, men skaden skyldes heller spaltingen av forskjellige forurensninger som tetrakloretylenet inneholder.

Disse forurensninger er blitt identifisert som klorhydrokarboner, forbindelser som har både klor- og hydrogenatomer på samme molekyl. Selv om det ikke er ønskelig å være bundet til noen teorier antas det at disse klorhydrokarboner danner saltsyre og/eller klorgass, som angriper isolasjonen og metallene. På grunn av at saltsyre virker som en katalysator på spaltingen av celluloseisolasjonen som anvendes mye i kondensatorer og transformatorer, kan meget små mengder saltsyre ødelegge et cellulose-isolas j onssystem sterkt.

Fremgangsmåten til fremstilling av tetrakloretylen som ble benyttet inntil tidlig i 1950 årene frembrakte uunngåelig sam-tidig betydelige forskjellige klorhydrokarboner. Dersom ikke tetrakloretylenet ble renset ved omstendelig destillasjon, noe som vanligvis ikke ble gjort, ville det være helt uegnet for anvendelse som et dielektrisk fluidum.

En aktuell fremgangsmåte til fremstilling av tetrakloretylen er blitt utviklet ifølge US-patentskrift 2.752.401. Denne fremgangsmåte kan også danne klorhydrokarboner, men prosesspara-metrene kan styres slik at det fremstilles meget rent tetrakloretylen som kan anvendes som et dielektrisk fluidum.

Det har ifølge den foreliggende oppfinnelse vist seg at ultrarent tetrakloretylen kan blandes med forskjellige fortynningsmidler til dannelse av et utmerket dielektrisk fluidum. Alene eller blandet i egnete mengder med et egnet fortynningsmiddel er fluidet tungtantennelig ved at det ikke har noe flammepunkt opptil dets kokepunkt, og det vil ikke underholde forbrenningen når en tennkilde er fjernet. Selv dersom fluidet er fordampet i en høyenergibue er blandingen av gasser fremdeles tungtantennelig. Fluidets lave viskositet bevirker særlig god kjøling av det elektriske apparat. Fluidet er væskeformet i et bredt temperaturområde og er mindre flyktig enn mange andre tungtantennelige fluider, såsom forskjellige fluorhydrokarboner. Fluidet er forholdsvis rimelig og har gode elektriske egenskaper, inklusivt dielektrisk fasthet.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et snitt gjennom en transformator som inneholder et dielektrisk fluidum. Fig. 2,3,4 og 5 viser spektre som er forklart i eksempel 1.

Det henvises til fig. 1 hvor en transformator 1 omfatter en forseglet beholder 2, en jernmetallkjerne 3 som består av alter-nerende lag av en leder og en isolator, en primærspole 4, en sekundærspole 5, samt et dielektrisk fluidum 6 som omslutter og dekker kjernen og spolene. Den forseglede beholder 2, kjernen 3 og spolene 4 og 5 er av vanlig konstruksjon. Men det dielektriske fluidum 6 er spesielt og vil bli beskrevet i detalj nedenfor.

Det dielektriske fluidum omfatter ultrarent tetrakloretylen, C_2 C14.. Det dielektriske fluidum anses for å være "ultrarent" dersom det inneholder mindre enn 100 ppm hydrogenatomholdige klorhydrokarboner. En forbindelser er et klorhydrokarbon dersom den har både hydrokarbon og halogen i sitt molekyl. F.eks. er trikloretylen, C2HCI3, dikloretylen, C2H2C12, usymmetrisk tetra-kloretan, C2H2CI4 samt monokloretylen C2H.JCI klorhydrokarboner.

Tetrakloretylenet blandes fortrinnsvis med et fortynningsmiddel for å øke dets fluiditetsområde, idet tetrakloretylen krystalliserer ved -6°C. Tetrakloretylenet fryser ut av en blanding og danner et slam som fremdeles er en effektiv isolator og har et lavere frysepunkt enn rent tetrakloretylen. Fortynningsmidlet bør være et forenlig dielektrisk fluidum, såsom mineralolje, silikonolje, polyalfalkener, høyeremolykylære hydrokarboner, ftalatestre eller isopropyldifenyl. Merneralolje er det foretrukne fortynningsmiddel på grunn av at det er forholdsvis rimelig og har gode lavtemperaturegenskaper, selv om silikonolje også er et godt fortynningsmiddel. Fortrinnsvis bør mineraloljen tilfredsstille ASTM- B12-30 standardene.

Det dielektriske fluidum kan inneholde opp til 80 volum%

fortynningsmiddel, idet mer fortynningsmiddel gjør fluidet brennbart. En foretrukket blanding er 60-80 volum% tetrakloretylen og 20-40 volum% fortynningsmiddel. Dersom et brennbart fortynningsmiddel med høyere kokepunkt er nærværende, vil også tetrakloretylenet koke bort ved oppvarming, og deretter kan fortynningsmidlet som blir tilbake antenne. I tillegg inneholder det dielektriske fluidum fortrinnsvis også 30-100 ppm av en inhibitor for å hindre oksydasjon av tetrakloretylenet med luft. Inhibitoren bør minske oksydasjon av tetrakloretylenet i både dets væske- og gasstilstand. Det foretrukne konsentrasjonsområde for inhibitoren er 50-75 ppm. Den kjemiske identitet til forskjellige mye benyttede inhibitorer blir holdt beskyttet av produsentene, men det er kjent at noen av dem er substituerte fenoler og cyk-liske aminer.

Det dielektriske fluidum i apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse inneholder fortrinnsvis ingen andre bestand-deler enn tetrakloretylenet, fortynningsmidler og inhibitoren, selv om der kan foreligge grunner for tilsetning av andre forbindelser. Fluidet kan anvendes i transformatorer, kondensatorer, særlig kondensatorer med utelukkende film, eller andre elektriske apparater.

Oppfinnelsen vil nå bli belyst ved hjelp av følgende eks-empler .

Eksempel 1

I dette eksempel ble det anvendt to kommersielle prøver av tetrakloretylen, den ene fremstilt ved den gamle metode med de-hydroklorering av andre forbindelser under anvendelse av lut eller kalk, betegnet "gammel", og den andre fremstilt ved fremgangsmåten ifølge nevnte US-patentskrift 2.752.401, betegnet "ny". Begge prøver inneholdt mindre enn 500 ppm ukjente stabili-satorer levert av produsenten.

Hver prøve ble blandet med mineralolje til dannelse av et fluidum som inneholdt 75 volum% C^Cl^ og 25 volum% mineralolje. Gasskromatografi ble utført med hvert fluidum. Fig. 2 viser kromatogrammet for fluidet som inneholdt "gammel" tetrakloretylen. Spor av klorhydrokarboner kan sees som toppene X, Y og Z i fig; 2. Ved aldring spaltes disse forbindelser under eliminering av klor og saltsyre. Fig. 3 viser kromatogrammet for fluidet som inneholdt det "nye" tetrakloretylen.

Hvert fluidum ble aldret i 60 dager ved 150°C og ble igjen analysert i en gasskromatograf. Fig. 4 viser kromatogrammet for fluidet som inneholdt det "gamle" tetrakloretylen, og fig. 5 viser kromatogrammet av fluidet som inneholdt det "nye" tetrakloretylen. Kromatogrammene indikerer at det nye fluidum var stort sett uforandret, men at betydelige mengder spaltningsprodukter (se topper merket A, B og C i fig. 4) ble dannet i det gamle fluidum. Disse spaltningsprodukter antas å skyldes ned-brytningen av klorhydrokarboner i det "gamle" tetrakloretylen. Denne nedbrytning danner saltsyre og/eller klor, som angriper metaller, slik det etterfølgende eksempel viser.

Eksempel 2

Prøver av det gamle og det nye tetrakloretylen, både ublandet og blandet med mineralolje som i eksempel 1, ble oppvarmet i 20 døgn ved 150°C. I det nye materiale ble det dannet mindre enn 1 ppm kloridioner og i det gamle materiale mer enn 20 ppm kloridioner. Ved aldring av samme kobber inneholdt det gamle tetrakloretylen mer en 20 ppm løselige metallklorider. All stabi-lisator ble forbrukt i det gamle materiale under testing.

Eksempel 3

"Ny" tetrakloretylen ble blandet i forskjellige forhold med mineralolje og deretter testet vedrørende flytepunkt og kokepunkt. Følgende data viser hvordan mineraloljen senker flytepunk-tet og øker kokepunktet.

Eksempel 4

Prøver av "gammel" og "ny" tetrakloretylen, begge ublandet og i 75-25 volum% blanding med mineralolje ble holdt oppvarmet på 175°C i 180 døgn. Prøvene ble deretter testet vedrørende effektfaktor, farge, klarhet og syretall. Resultatene er angitt i tabellen nedenfor.

Data ovenfor viser at det nye tetrakloretylen gir langt mindre spaltningsprodukt ved aldring.

Eksempel 5

Blandinger av ny tetrakloretylen og mineralolje ble fremstilt og testet vedrørende brennbarhet. Fluidene ble gjentatt antent med en fakkel, og tidsrommet fra fjerningen av fakkelen til slukking av flammen ble målt. Resultatene er angitt i

tabellen nedenfor.

Eksempel 6

Blandinger av ny tetrakloretylen og mineralolje ble fremstilt og testet vedrørende effektfaktor og dielektrisitets-konstant. Resultatene er angitt i tabellen nedenfor.

Eksempel 7

Det ble fremstilt blandinger av silikonolje med handels-betegnelsen DC561 og ultrarent tetrakloretylen, og blandingenes flytepunkt ble målt. Resultatene er angitt i tabellen nedenfor.

Eksempel 8

Ni testtransformatorer som inneholdt celluloseisolasjon ble fylt med en blanding av 75 volum% ultrarent C2CI4 pluss 25% mineralolje, og tre helt like kontrolltransformatorer ble fylt med 100% mineralolje. Som følge av damptrykket til C2CI4 var det nødvendig å begrense vakuumet til ca. 45,7 cm etter fylling for å hindre forsvinning av C2CI4. Fyllemåten

var å evakuere transformatoren og deretter lukke utløpsventilen og åpne innløpsventilen for innslipp av væske, og etter fylling å danne et vakuum på ca. 45,7 cm og deretter innføre tørr nitrogen til atmosfærestrykk. De tre kontrollenheter ble fylt med

olje i vakuum. Porvarmingstemperaturene til konntrollenhetene (bare olje) var 160°C, 180°C og 200°C.

De elektriske klassifiseringer av transformatorene var lOkVA, enfase, type S, 7200/1247y til 120/240 V, 60 HZ.

Originaldekslet ble fjernet fra hver transformator og erstattet med et deksel som var utstyrt med en trykkmåler, en fylleventil, et bunnprøverør og ventil samt gasstett termoelement for å måle væsketemperaturen. Et andre gasstett termoelement ble installert på de tre kontrolltransformatorer for å overvåke og kontrollere forvarmingstemperaturene under den termiske aldrings-syklus. Hver transformator ble forseglet på 1,05 kg/cm<2> og 76,2 vakuum før behandling.

Behandlingen besto i å forbinde et par enheter med en energikilde og sirkulere en strøm i høyspenningsvinklingen med lavspenningsvinklingen kortsluttet, for å oppvarme spolen til ca. 125°C.

En av transformatorene som var forvarmet til 160°C sviktet ved 4200 timer i høyspenningsvinklingen mellom vindinger. Den minste forventede ANSI-levetidskurve for 65°C økningsfordeligs-transformatorer aldret ved 160°C forvarming er 2200 timer.

Enhetene har akkumulert følgende timer uten svikt:

Disse verdier anses for å være meget aksepteble. Følgende konklusjoner ble trukket: 1. Transformatorene fylt med 75% C2C1^ og 25% olje arbeider 12°C kjøligere enn enheten fylt med 100% olje ved 180% belastning . 2. Væskens høyeste temperatur var 14°C lavere enn den olje-fylte enhet ved 180% belastning. 3. Trykket var ca. 0,34 kg/cm<2> høyere i enheten med C2Cl4

-blandingen enn i oljeenhetene ved 180% belastning.

4. Formgivningen er god for 25 ganger normal kortslutning.

Eksempel 9

Prøve 1. Denne prøve inneholdt 75 volum% ultrarent C2C14 25% mineralolje. Beholderen som inneholdt prøven ble evakuert og gjenoppfylt med nitrogenatmosfære ved 0,07 kg/cm 2. Væske/ gassblandingen fikk danne likevekt i 30 minutter, og deretter ble det oppsamlet en prøve ved å åpne en ventil og la dampene utvide seg i et oppsamlingsvolum som var evakuert på forhånd. Prøven besto av gasser som ble oppsamlet i prøvekammeret etter stenging av egnete ventiler. Alle prøvene ble frembrakt på

denne måte bortsett fra de angitte unntagelser.

Prøve 2. Denne prøve ble dannet av prøve 1 ved å lede

en bue like under væskens overflate i 10 sekunder og oppsamle gassene slik som beskrevet ovenfor. Buens energi var 25 kVAC under anvendelse av en spalte på 0,025 mm mellom rustfrie stål-nåler ved romtemperatur.

Prøve nr. 3. Denne prøve ble frembrakt av prøve nr. 2

med en to minutters buetid.

Prøve nr. 4. Denne prøve ble oppsamlet fra prøve nr. 3

ved å pumpe bort dekkgassen og samle opp en prøve når løsningen begynte å boble (koke under vakuum).

Prøve nr. 5. Denne prøve ble oppsamlet fra prøve nr. 4 etter at et nytt dekke av nitrogengass var innført i systemet og etterfulgt av en 10 minutters periode med bue.

Prøve nr. 6. Denne prøve ble oppsamlet fra prøve nr. 5

ved å pumpe bort dekkgassen og oppsamling av en prøve når løs-ningen begynte å koke som i nr. 4.

Alle prøvene ble analysert ved massespektrometriske metoder. Toppene i hver prøve ble angitt med en slik skala at de ville representere samme mengde C2Cl^. Topper på grunn av nitrogen måtte man i stor utstrekning se bort fra på grunn av at de var avhengige av den opprinnelige nitrogenmengde som ble innført og tap ved pumping som ikke kunne kontrolleres. På kvalitativ basis ble det ikke påvist noen topper som skyldes en reaksjon mellom C2Cl4~blandingen og nitrogendekket.

Prøver nr. 4 og nr. 6 ble tatt for å se om der var noe i væskefasen som ikke forelå i gassfasen eller omvendt. Der var ingen påvisbare forskjeller mellom væskefase- og gassfaseprøvene.

I prøve nr. 5 ble det nye nitrogendekket tilført for å erstatte nitrogenet som ble pumpet bort for å frembringe prøve nr. 4. Tidsrommet med buen ble økt til 10 minutter, men det ble ikke påvist noen nye topper.

Prøvene nr. 1, 2, 3 og 4 dannet en slags klassereaksjon idet de er stort sett samme i reaksjonen som det er tatt prøve av på forskjellige tidspunkter.

Det ble ikke funnet noe tegn som indikerte at blandingen av C^ Cl^ og olje dannet noen uvanlige produkter eller eksplosive gasser (såsom CH^, C^Hg, etc.)

Claims (6)

1. Elektrisk apparat, såsom en transformator, som inneholder et dielektrisk fluidum av 20-99 volum% tetrakloretylen og 1-80 volum% fortynningsmiddel, karakterisert ved at tetrakloretylenet inneholder mindre enn 100 ppm hydrogenatomholdige klorhydrokarboner.

2. Elektrisk apparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det dielektriske fluidum inneholder 30-100 ppm inhibitor for å hindre oksydasjon.

3. Elektrisk apparat i samsvar med krav 2, karakterisert ved at inhibitoren er en substituert fenol.

4. Elektrisk apparat i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at fortynningsmidlet er mineralolje.

5. Elektrisk apparat i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at fortynningsmidlet er silikon-ol je.

6. Elektrisk apparat i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at fortynningsmidlet utgjør 20-80 volum% av det dielektriske fluidum.