<Desc/Clms Page number 1>
ISOLANT GAZEUX:POUR APPAREILS ELECTRIQUES,
EMI1.1
La présente inv yon'se¯rapporté aux appareils électriques à atmosphère isolante gazeusïbï - .<-.
Les appareils éle triques sig oyen d'une atmosphère diélectrique gazeuse, telle que leazote, ont 'oyen d'une atmosphère diélectrique gazeuse, telle que l'azote, ont é employés dans l'industrie pour certaines applications où les appareils à bain d'huile ne conviennent pas, par exemple particulièrement à cause du danger d'incendie. Cependant, l'azote et les gaz .isolants analogues ont une faible rigidité diélectrique et sont en général thermiquement inférieurs à un diélectrique liquide. En particulier la tension de rupture diélectrique d'appareils isolés au gaz est tellement inférieure à celle des appareils à diélectrique-liquide, tel que l'huile ou les liquides diélectriques aryliques chlorés, que la tension maximum à laquelle ces appareils peuvent être soumis est de loin inférieure pour les appareils à isolant gazeux.
On a proposé d'utiliser certains gaz sous pression afin d'amé- liorer leur tension de rupture diélectrique. Cependant, les pressions né- cessaires pour atteindre une tension de rupture convenable sont si élevées qu'il faut utiliser des boîtiers extraordinairement résistants et prêter une attention très grande à l'étanchéité et à la réalisation des joints.
Toute fuite est d'habitude fatale au bon fonctionnement de l'appareil. Il faut remarquer que les risques de fuites accidentelles augmentent rapide- ment avec l'augmentation-de pression du gaz comprimé. On peut d'ailleurs s'attendre à d'autres dangers et inconvénients en utilisant un appareil à isolant gazeux sous haute pression.
Il est donc désirable- de réaliser une atmosphère gazeuse pour appareils électriques dans lesquels Impression est maintenue approximative- ment à la pression atmosphérique, ou n'en diffère que de quelques livres par pouce carré (1 livre par pouce ''carré équivaut à 0,07 kg/cm2) Il faut
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
fez <(5- l.' , . ; 4 ¯ . . (fI bzz tr \.-- / \VJJ cl Ô ùÀÀ'
<Desc/Clms Page number 3>
seuls avec au moins quatre atomes de carbone par molécule, et b) dû carbone, du fluor et du chlore avec au moins quatre atomes de carbone par molécule, et les atomes halogènes composés d'au moins 85% de fluor, le reste étant du chlore, avec un seul atome de chlore par molécule.
Le composé perhalo- carboné aura une pression de vapeur d'au moins 1 mmo de mercure, dans des conditions de fonctionnement prévues, soit entre 25 c et 200 Co
Les fluorocarbones et autres composés aliphatiques halogénés ayant moins de quatre atomes de carbone ne conviennent pas comme diélectri- ques gazeux d'isolation. Les vapeurs de composés aliphatiques complètement chlorés, tout en ayant une assez bonne rigidité diélectrique, sont insta- bles et se décomposent exagérément aux températures élevées En rempla- çant le chlore par le fluor dans de tels composés ayant de un à trois ato- mes de carbone, on diminue sensiblement la rigidité diélectrique, la rigi- dité minimum correspondant au maximum de fluor dans la molécule.
Les dé- rivés chlore-fluorés des composés ayant de un à trois atomes de carbone ont encore une instabilité thermique marquée. Ainsi, le tétrafluorométhane (CF4) ne diffère pas notablement en rigidité diélectrique de l'azote et n'apporte aucun avantage quand il est mélangé à l'azote-, Des essais compa- rant la rigidité diélectrique de l'azote à celle du tétrafluorométhane en- tre sphères d'un pouce (25,4 mm) de diamètre écartées d'un quart de pouce (6;35 mm) avec du courant à soixante périodes ne montrent pas de différen- ces appréciables entre2elles jusqu'à des pressions de trente livres par pouce carré (3,1 kg/cm de pression absolue).
Au contraire, on a obtenu une rigidité diélectrique inattendue et une stabilité exceptionnelle avec les vapeurs de fluorocarbonés par exemple, ayant quatre atomes de carbone ou plus. Les vapeurs de divers composés aliphatiques, cycloaliphatiques, aryliques, alkaryliques et autres, soit complètement fluorés, soit perhalo- génés de manière à contenir au moins 85% en moles de fluor, le reste étant du chlore, et ne dépassant pas un atome de chlore par molécule, peuvent être employées en combinaison avec l'azote, par exemple, avec un avantage sérieux. Des composés cycliques perfluorés conviennent particulièrement
EMI3.1
bieno Les composés perhalocarbônés sont intéressants pour l'exécution de 1-linvention l'invention : ''!rw: a,=, y, ''- i: .-.....
" ' ; il.i......i
EMI3.2
Compose + Point 'à"'ébullition Point de fusion
EMI3.3
<tb> en c <SEP> en <SEP> c
<tb>
EMI3.4
Perfluorométhyloyolohexane 76,3 en-dessous de m 500 Perfluosrodiméthylcyclohexane 101 à 102,6 en-dessous de
EMI3.5
<tb> 50
<tb>
<tb> Perfluoronaphtalane <SEP> 140 <SEP> -7 <SEP> à <SEP> -10
<tb>
EMI3.6
Perfluoro lmméthy3enaphta3.ane 161 en-dessous de
EMI3.7
<tb> - <SEP> 75
<tb>
<tb> ,Perfluoro-2-méthylnaphtalane <SEP> 161 <SEP> en-dessous <SEP> de
<tb>
<tb> - <SEP> 60 <SEP>
<tb>
EMI3.8
Perfluorodiméthylnaphta:
Lanes 177 â 179 -30 à -40
EMI3.9
<tb> Perfluoroindane <SEP> 116 <SEP> à <SEP> 117 <SEP> 8 <SEP> à <SEP> -15
<tb> Perfluorofluorane <SEP> 190 <SEP> -60
<tb>
EMI3.10
Perfluoroéthylcyclohexane 101 -90 Perfl.uoromgd3éthyl.cyoohexane 145 -76 Perfluoropropylcyclohexane 125 -56 (Trifluorométhyl)pentafluorobenzéne 105 -86
EMI3.11
<tb> (Trifluorométhyl)monochlorotétra- <SEP> 137 <SEP> -88
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fluorobenzene
<tb>
<Desc/Clms Page number 4>
Perfluorobicyclo (2, 2,1) heptane 70 (à 746 mm de mercure).
Diautres exemples sont
EMI4.1
Perfluoro-1-éthgrlnaphtalane Perfluorotricyclo (4, 1, 1, 024) octane Perfluorobicyclo (3,2, 1) octane
Perflurobicyclo (3,3, 1) nonane
Perfluoro-n-heptane
EMI4.2
Monochloropentadeca±1uorodinéthlcyclohexane.
La liste de composés ci-dessus n'est qu'exemplative et non ex- clusive et donne des composés perhalocarbonés utilisables pour améliorer la rigidité diélectrique de l'azote, par exemple.
Il est clair que les composés perhalocarbonés de la présente invention sont des liquides à la température ordinaire (environ 25 C). Ce- pendant, quand on introduit de petites quantités de perhalocarbonés liquides dans un boîtier hermétique dans les proportions précitées, une grande parti.e du.'composé ou même l'entièreté s'évapore à cause de la tension de vapeur du compose. La plupart des composés précités ont une tension de vapeur de plus de 1 mm de mercure à 25 C.
Comme les composés sont utilisés dans des appa- réils électriques qui délivrent de grandes quantités de chaleur en service, la température du gaz à l'intérieur du boîtier est très au-dessus de la température ambiante quand l'appareil fonctionne, et dans ces conditions, la pression partielle du composé perhàlocarboné est importante. Quand le liquide est entièrement évaporé, la pression partielle ne dépend que de la quantité de composé perhalocarboné ajouté. Certains composés, surtout s'ils sont utilisés en quantité maximum indiquée, peuvent se condenser quand l'appareil n'est pas en service et la température ambiante est extrê- mement basse.
On choisira le composé en se laissant guider par des consi- àérations de ce genre, soit en utilisant un composé perhalocarboné à point d'ébullition bas qui aura une tension de vapeur suffisante même en-dessous de zéro, ou en choisissant un mélange de deux ou plusieurs perhalocarbonés dont au moins un a une tension de vapeur élevée aux températures basses de manière à avoir une tension de vapeur d'au moins 1 mm de mercure aux tem- pératures de travail normalement prévues.
La figure 1 du dessin annexé représente un transformateur 10 caractérisant l'appareil rempli de gaz construit et fonctionnant conformé- ment à la présente invention. Le transformateur comprend une carcasse ex- térieure 12 avec un ,:fond hermétiquement scellé 194 et un couvercle scellé 16 servant à former une enveloppe hermétique aux gaz pour les éléments à fonctionnement électrique du transformateur. Le couvercle 16 du transfor- mateur est pourvu d'isolateurs 18 et 20 pour les connexions haute et basse tensions. On remarquera que les isolateurs de passage sont montés de façon à ce qu'aucun-gaz ne puisse s'échapper de l'intérieur.
A l'intérieur de la carcasse se trouvent des enroulements 22 fixés sur un cadre 24 reposant sur le fond 14. Si on le désire, quoique cela ne soit pas nécessaire, le. fond 14 peut avoir un renfoncement 26 dans lequel on peut déposer une peti- te quantité de produits perhalocarbonés 28 qui se vaporiseront et se mélan- geront à l'azote ou au gaz permanent semblable remplissant la cuve.
L'espace à l'intérieur de la cuve autour des enroulements 22 est rempli d'un gaz 30 de préférence permanent ou non condensable, c'est-à- dire non condensable dans les conditions de travail, tel que l'azote, le néon, l'argon, le bioxyde,de carbone, ou semblables, ou des mélanges de ceux-ci.
Ces gaz sont des isolants relativement bons à la pression atmos- phérique et ont des propriétés d'isolement électrique convenables à des
<Desc/Clms Page number 5>
tensions modérées, quand ils sont utilisés seulso La pression de l'azote, par exempleconstituant le gaz isolant 30 sera de l'ordre de 76 centimètres de mercure Quoique cette pression puisse être un peu supérieure ou infé- rieure, parfois, suivant la construction de la carcasse 12, 14, 16, la tem- pérature à l'intérieur de la cuve et d'autres facteurs.
Dans certains cas, @ la carcasse du transformateur peut être pourvue d'une soupape par laquelle le gaz peut s'échapper si la pression excède une certaine limite déterminée, quoiqu'en général ceci ne soit pas indiqué à cause de la perte de vapeurs de fluorocarbone qui l'accompagneraito Cet expédient ne sera utilisé que dans des cas extrêmes.
@
En ce qui concerne la construction d'un transformateur tel que représenté à la figure 1 conforme à la présente invention,une fois le transformateur assemblé et tous les joints scellés de manière que la cuve soit relativement hermétique aux gaz, on peut enlever l'air présent par l'un quelconque de divers procédés classiques et le remplacer de préférence par un gaz inerte isolant tel que l'azote. Il faut enlever l'air princi- palement pour éviter l'oxydation des isolants tels que papier, résine, ver- nis, etc, pendant le fonctionnement à des températures modérément élevées allant jusqu'à 200 C. On peut prévoir dans ce but les soupapes nécessaires.
On peut introduire ensuite une quantité pesée du liquide perhalo-carboné dans la cuve du transformateur où il s'évaporera suivant la température et la tension de vapeur du composé perhalocarboné. Le perhalocarbone compre- nant un ou un mélange de deux ou plusieurs composés sera présent en quan- tité comprise entre environ 0,001 et 0,25 livre par pied cube de gaz (0,016 à 4,0 entre Les composés perhalocarbonés auront de plus une ten- sion de vapeur d'au moins 1 mm de mercure, et de préférence de 5 à 10 cm de mercure pour en tirer tout le bénéficeo On peut même utiliser les per- halocarbones à des pressions de vapeur plus élevées Quoique les composés perhalocarbonés aient un poids moléculaire beaucoup plus élevé que l'azote,
par exemple les gaz se mélangeront bien sans aucune séparation des compo- sants, surtout quand l'appareil est en fonctionnement, à cause de la diffu- sion naturelle et des.courants de convection.
La figure 2 du dessin montre l'amélioration de la tension de percement, établie au moyen d'appareils d'essai standards, et obtenue par l'addition de diverses petites quantités de perfluorométhylcyclohexane à une atmosphère gazeuse d'azote à une pression de 74 centimètres de mercure.
La tension de percement de l'azote gazeux seul est représentée par les trois lignes droites parallèles pratiquement horizontales, la ligne inférieure (a) étant déterminée avec de la tension de crête à soixante cycles, la ligne suivante (b) avec des ondes à front raide négatives et la ligne supérieure (c) avec des ondes à front raide positiveso Ces trois lignes montrent que la tension de percement ne change pas de manière notable quand on augmente la pression de l'azote. L'addition de très petites quantités de perfluoro- méthylcyclohexane monte énormément la tension de percement aussi bien pour les ondes à front raide positives (ligne c') et négatives (ligne b') que pour la tension de crête à soixante périodes (ligne a').
La figure 3 donne le gain en pour cent en rigidité diélectrique par rapport à l'azote seul, quand on introduit diverses quantités de per- fluoro-n-heptane (courbe d) et de perfluorométhylcyclohexane (courbe e), res- pectivement, dans une atmosphère d'azote, 'suivant un essai à onde à front raide négative, On remarquera qu'une quantité aussi minime que 0,04 livre (0,64 kg) de l'un ou l'autre des fluorocarbones par pied cube (m3) d'azote augmente la rigidité diélectrique de l'azote de près de 200%.
La figure 4 donne le gain en rigidité diélectrique, avec ten- sion de crête à soixante cycles, par rapport à l'azote pur,-lorsqu'on ajou- te de petites'quantités de perfluorométhylcyclohexane (courbe f) et de per- fluoro-n-heptane (courbe g), respectivement.
<Desc/Clms Page number 6>
Les courbes des figures 2,3 et 4 indiquent un accroissement étonnant de la rigidité diélectrique grâceà l'introduction des très petites quantités des fluorocarbones indiquas. D'autres fluorocarbonés augmentent de fagon aussi inattendue la rigidité diélectrique de l'azote.
Par exemple, 0,052 livre, par pied cube (0,82 kg/m3 d'azote, de monochloropentadécafluo- rodiméthylcyclohexane, à la pression totale d'une atmosphère augmente la rigidité diélectrique aux pointes à soixante cycles,,-par rapport à celle dé l'azote pur, de 100%. La rigidité' diélectrique aux ondes à front raide né- gatives est augmentée de 171% L'ajoute de-0,06 livre de perfluorodiméthyl- cyclohexane par pied cube (0,96 kg/m3) d'azote à une pression absolue d'une atmosphère augmente la tension de rupture de 118% pour des essais à pointes à soixante cycles,
.tandis que la rigidité diélectrique aux ondes à front rai- de négatives est augmentée de 194%
Les perhalocarbures comprenant soit des composés complètement fluorés soit chlorofluorocarbonés avec un seule atome de chlore par molécule et dans lesquels il n'y a pas plus de 15% en moles de chlore par rapport aux halogènes, sont extrêmement stables dans les conditions thermiques et électriques qui peuvent être prévues dans un transformateur. Par opposition, des composés aliphatiques complètement chlorés, comme le tétrachlorure de carbone,se décomposent exagérément à leur point d'ébullition ou a des tem- pératures de service raisonnables pour des appareils électriques.
Les produits de décomposition de ces composés chlorés comprennent du chlore ga- zeux ou de l'acide chlorhydrique qui réagira sur les isants et le cuivre des enroulements, provoquant de fortes corrosions et une mise hors service prématurée de l'appareilo En pratique donc, le tétrachlorure de carbone ne peut pas convenir.
Si des arcs se produisent, lés perhalocarbones décrits ci-des- sus tendent, pour la plupart, à former des composés de poids moléculaire plus faible tels que des fluorocarbones non saturés qui sont des isolants par eux-mêmes ne pouvant endommager les isolants des éléments électriques.
Les composés perhalocarbonés ne sont pas sensibles ou'ne réagissent pas avec l'humidité ni avec les matières faisant partie de l'appareil électrique, ce 'qui est une raison de plus d'utiliser sans crainte ces nouveaux produits dans les appareils électriques.
Les appareils construits conformément à la présente invention contiennent les gaz sous pression modérée et sont donc d'utilisation sûre et garantie, comparés à n'importe quel appareil disponible actuellement.
Ces nouveaux appareils peuvent être utilisés dans des souterrains, des mé- tros, des vaisseaux, des locomotives électriques, etc, à cause de leur sû reté et de leur qualité extraordinaires.
Les appareils électriques pourvus conformément à la, présente invention d'une atmosphère composée d'azote, par exemple, et d'un composé perhalocarboné peuvent travailler à des tensions plus élevées que les appa- reils antérieurs à pression atmosphérique. Ils résisteront à la foudre et à d'autres surtensions mieux que n'importe quelle forme antérieure connue d'appareil électrique.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.