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APPAREILS ELECTRIQUES, UTILISANT UN DIELECTRIQUE COMPRENANT UN HYDROCARBONE
HALOGENE.
La présente- invention concerne d'une façon générale des perfection- nements aux appareils électriques utilisant, en contact avec des éléments mé- talliques, un milieu diélectrique halogéné, tels que notamment des condensa- teurs utilisant de- tels diélectriques.
Bien que l'invention qui sera décrite dans la suite concerne parti-
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aulierement des condensateurs électriques de capacité fixe, il est clair que l'invention peut être appliquée aveoe des- avantages équivalent-s- à- la construc-- tion d6- trans¯format.em-s,. de coiàmutateurs, de bornes électriques, d'organes de couplage- ou déterminaison-s- de câbles., de fusibles et autres dispositifs analo- gues, dans lesquels un diélectrique liquide- est utilisé, soit seul, soit en relation avec du papier ou tout autre matériau solide-non conducteur, en con- tact- continu avec des éléments métalliques.
Des capacités électriques des types maintenant utilisés comprennent d'abord un élément métallique ordinairement sous forme d'une feuille de métal
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enroulée ou autrement dispos-ée à- une certaine distance par- rappant 1un- autre élément- métallique' similaire, 1-le-spac-- entre- le-, élémqnts étant, oo.cupé--par une masse,- de- mat-ér-iau- tel que-du pap-ier y une- matière- textile- cu-um film- continu,, imprégné'd7un liquide-ou d'une- composition islaate-se icu.dso.
Pendant de nombreuses années, il a été de pratique usuelle d'utiliser de l'huile minérale ou d'autres hydro-carbones liquides paraffiniques inertes
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comme substance isolante- dans ce- type de capacité., à chaque foi-s7qti--l-m liquide- diélectrique-était préférée une composition plastique ou sem-solide-- comme-. diélactriqcie. 0ependann l'expérience a montré que l'huile minérale ne conve- nait-pas pour cet emploi, en-raison de- son inflammabilité qui- condult à-des risques, dans le--cas- de- fuite aee-1dentelle- du dié1eet-rique- du condensateur-.
Elle a également tendance à produire des gaz explosifs ou inflammables lorsque de tels diélectriques sont décomposés par l'arc électrique. La constante dié- lectrique est également faible, ce qui impose des limites gênantes demploi lors- que des capacités élevées par unité de volume sont des facteurs importants. De-
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plus, la tendance à produire des dépôts comme résultat de 1>oxydation ou d'au-
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tres actions chimiques pendant l'emploi est également nuisible.
En raison de ces désavantages de l'huile minérale, celle-ci a été, d'une façon générale, remplacée comme matériau diélectrique de capacité par différents halogènes substitués d'hydrocarbones cycliques, ordinairement d'un type tel que ceux-ci soient liquides à la température ambiante et qu'ils puis- sent être facilement libérés de contamination ionique ou réactive ou de sous produits pendant les opérations de fabrication.. En particulier, la classe de matériaux connus sous le nom de polyphényles halogénés a été largement utili- sée à cet usage, particulièrement le pentachlorodiphényle qui est communément considéré comme le plus satisfaisant de ces matériaux pour être utilisé comme diélectrique de capacité.
Ces matériaux ne possèdent pas les désavantages sus- mentionnés qui sont caractéristiques des huiles minérales et ils possèdent beaucoup de propriétés électriques désirables, ainsi que de bonnes caractéris- tiques physiques et chimiques qui les rendent particulièrement utiles comme diélectriques de condensateurs. Une autre classe d'hydrocarbones cycliques halogénés substitués, à savoir les naphthalènes halogénés, ont été également largement utilisés comme diélectriques de- condensateurs, particulièrement dans la fabrication des condensateurs en pot ou condensateurs hermétiquement scellés, comme substituts pour les polyphényles,helogénés qui pnt écé employésprin- cipalement pour les condensateurs scellés hermétiquement, de prix élevé.
Malgré les avantages très considérables que -possèdent les matériaux mentionhés en dernier par rapport aux milieux diélectriques constitués par des huiles minérales, ces nouvelles substances néanmoins présentent d'importants désavantages, qui ont matériellement limité leur emploi, particulièrement dans les applications dans lesquelles -une longue vie et, ou, une résistance aux tem- pératures élevées sont des facteurs principaux.
Particulièrement les polyphényles halogènes., y compris le pentachlo- rodiphényle, bien qu'ordinairement tout à fait satisfaisants comme diélectriques pour condensateurs, n'ont pas dans la pratique conservé leur caractère chimi- - que inerte et leurs propriétés diélectriques pendant de-longues périodes lors- qu'on les a utilisés dans dès applications pour les équipements téléphoniques ou une longue vie utile, et de faibles et stables courants de fuite, une résis- tance aux températures élevées de fonctionnement sont des désidérata princi- paux. En addition aux désavantages caractéristiques précédents des polyphény- les halogénés, les naphthalènes halogènes,, étant- solides, sont- sujets à d'au- tres désavantagée en ce qu'ils sont instables aux. hautes températures.
De plus,ces 2 classes de composés halogénés sont quelque peu difficiles à mani- puler dans- les conditions industrielles- ordinaires, en raison-de leur tendance à produire- les dermatoses- ou autres- irritations de la pean lorsqu'on les manipu- le-, d'où la nécessité d'augmenter les précautions de manipulation, ce qui amè- ne un accroissement de prix, dont. il-faut tenir compte pendant la fabrication et l'emploi.
En conséquence, un besoin existe maintenant pour un autre corps que les phényles ou naphthalènes halogénés sus-mentionnés,, et c'est un objet de la présente invention de satisfaire ce besoin en fournissant un matériau possédant les propriétés électriques- désirées, et qui, après un long contact avec le mé- tal, possède teneurs une résistance aux changements physiques et chimiques dans toutes le-s conditions ordinaires et particulières de température élevée normalement rencontrées, et qui ait une toxicité suffisamment basse- pour ré- duire au minimum les dangers résultant de son emploi dans les opérations or- dinaires de- fabrication.
Des capacités mettant en oeuvre les principes de la présente inven- tion comprennent un élément en contact avec un diélectrique qui comprend un polyalkyle substitué d'indane phényle, ayant au moins un chlorure nucléaire- substituant représenté- par la formule :
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dans laquelle R et R' sont les mêmes substituants choisis dans une classe constituée par l'hydrogène et le méthyle, et m et n sont des nombres entiers
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dont la somme, lorsque R est de lhydrogè-ne-, est moindre que 10, et lorsque R est du méthyle, est moindre que 8.
Il sera évident d-J-aprè-s ce qui précède que ce diélectrique, dans chaque cas, comprend un hydrocarbone chloruré choisi
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dans-la classe constituée par 1: 3:-.3-- triméthyle-1-phényle indane, ayant 1 à 9 substituants nucléaires de chlorure, et 1:3:3:6 - tétraméthyle-l-(4' - mé- thyle-phényle)- indane, ayante 1 à 7 substituants nucléaires de chlorure. Les- substances du- ce- type sont décrites dans nos brevets lE81o1,5-f et-481-457.
Ces substances peuvent être préparées par halogénation directe des hydrocarbones correspondants dans des conditions favorisant la substitution
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nucléaire- de-l'hydrogène-par un chlorur-e- -
Les nouvelles capacités suivant la présente invention, par comparai- son aux meilleure types de capacités connus antérieurement, se distinguent par une résistance- supérieure aux changements de température de fonctionnement, et sont particulièrement résistants aux hautes-températures, et conservent un
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bon fàcteur-de puissance et crrautres caractéristiques électriques pendant une- longue période de vie-active et possèdent- de- plus de façon inhérente une plus haute capacité par-unité-de volume Pour faciliter la compréhension de la présente- invention,
certains- exemples particuliers de réalisation ont été représentés dans les dessins ci- joints, dans lesquels- :
La fige 1 est une vue en perspective d'un condensateur utilisant des caractéristiques de la présente invention ; @ La fig. 2 est une vue-fragmentaire en coupe d'une partie du conden- sateur mettant en oeuvre- des- caractéristiques de l'invention;
La fig. 3 est une vue en élévation, partiellement en coupe,destinée
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à illustrer'1 int érieur' de l'appareil dans le cas du transformateur mettant en oeuvre des ca.rac.t.#istique-s. de. l'invention ;
La figo 4 est une section verticale d'un commutateur utilisant des caractéristiques de l'invention, et
Les fig. 5 et 6 sont des graphiques montrant les relations entre les résultats d'essais accélérés sur des-condensateurs montrant des défauts de
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fonctionnement de-,oon4usateurs en fonction, du. temps.
En se reportant à la fig. 1 des dessins-, on- verra; un type de conden- sateur classique comprenant des feuilles de métal 3 et 4, qui peuvent être en aluminium, en étain- ou autre, entrelacées avec- des feuilles de diélectrique- 5- et qui sont enroulées pour former un rouleau, généralement indiqué par la
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référence 7. Le dispositif est pourvu de bornes 8 et 9, destinées à être asso- ciées avec un équipement électrique. La figure 2 est une vue fragmentaire en coupe d'une paire de ces feuilles de métal avec le diélectrique entre elles, sous la forme d'un condensateur enroulé.
Des références analogues à celles de la figo 1 indiquent les mêmes partieso Evidemment, on doit comprendre que le diélectrique du condensateur sus-mentionné peut comprendre n'importe quelle matière fibreuse ou analogue, utilisée généralement dans ce but, qui, dans des condensateurs suivant la présente invention, est imprégnée avec la nou- velle composition diélectrique. Des matériaux fibreux sous forme de papier, de matière textile ou de film continu, peuvent être utilisés dans le même buto
En se reportant à la figo 3 des dessins, un transformateur mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention est représenté.
Dans ce trans- formateur, on¯notera que l'enveloppe 10 renferme les bobines du transformateur et- l'armature 11 immergée dans un diélectrique 12, et le dispositif est-pourvu
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de bornes 13 et 14 scellées .sur 1*mwetoppeo Le liquide diélectrique 12 est un hydrocarbone chloruré d'un type tel que ceux qui ont été mentionnés et qui peut être pur ou mélangé avec- d-1-autree mat7ériaux ayant les propriétés électriques- désirées.
Un des matériaux qui peut être utilisé dans ce but est l'indane de dichlore 1:3:3 - triméthyle -1- phényle mentionna-ci=dessus. Il sera évidem- ment clair-que Ie diélectrique, pour être utilisé dans des transformateurs, peut être dilué avec des matériaux tels qu'un benzène éthyle polychlorure nuclé- aire dans le cas de fonctionnement à basse températureo
Dans la-fig. 4, un commutateur comprenant une enveloppe 15 contenant un diélectrique liquide 16 dans lequel plongent' des éléments de contact 17 et 18 réunis par un élément commutateur 19 qui peut être déplacé soit pour éta- blir- le circuit,
soit pour l'interrompre au moyen d'un plongeur 20 actionné par des bras 21 et 22 au moyen d'un organe-de commande 23. La substance dié-' lectrique 16 dans ce commutateur est sensiblement la même que le diélectrique 12 décrit en relation avec le transformateur représenté dans la fig. 30
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Il sera-évidemment clair- pou 1¯'homme de l'art que l'équipement élec- trique mettant en oeuvre les principes de cette invention peut être modifié par rapport aux exemples montrés et décrits sans sortir des limites de l'inven- tion.
L'invention concerne également des diélectriques comprenant le chlorure
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nuuléainement substitué d'indane phényle de chlorure de pollky-le substitué avec des indes phényles, lorsqu'ils sont mélangés 1'11n--à l'autre à l'état pur ou à l'état de mélange avec- d'autre-s bydrucrarbones-- chlorurés ayant des propriétés électriques utiles-a
De façon que les avances technologiques réalisées par la présente invention puissent être mieux appréciées, il parait utile de considérer des mesures comparatives faites sur ces équipements mettant en- oeuvre- des carac-
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éristiques de l'invention, et sur des équipements conformes- à la technique antérieureLes figures 5 et 6 des dessins ci-joints sont des représentations
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graphiques- de- tels essais et établissant une- re7lation--eru pourcestage-estre le nombre-de pannes-en.
fonction-du temps- pour--un groupe de condensateurs dans des conditions plus sévères que celles qui seraient nQ.rma1ement-ées dans la7-pratique, la première représentant des essais à 130 C, avec-un dié- lectrique soumis à une fatigue de 560 volts courant continu- par 0.025 milli- mètre de diélectrique, et la dernière représentant des essais à 100 C, sous une fatigue de 550 volts courant continu par 0, 025 millimètre de diélectrique.
Dans chacun des graphiques, l'ordonnée- représente-le nombre- de pannes de con- densateur -en pourcentage du nombre- total de pannes dans le groupe de conden-
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satreurs sotrs- e-sea4 et-l'ab-seÍs-se indique- le- temps- qui s'est écoulé- dans les essais ayant conduit à de-telles pannes, l'unité étant l'heure dans la fig.
5 et le jour dans la figo 6. On notera que-dans chacun de ces graphiques, 1'
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échelle de-1'ordonnée a subi une-distors-ion suivant une lo-i de¯ fréquence nor- male de distribution, et est-symétrique: ' à environ 50% de l'ordonnée, et donne ainsi des courbes qui., par deux déviations de la ligne droite indiquent- la déviation des chiffres dressai: à partir de la normale,.
Les- pentes de ces courbes fournissent aussi une base convenable pour des comparaisons dynamiques
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des différents taux d-'-espérance de vie, pour des condensateurs mettant en oeu-
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vre des caractéristiques de l'invention, et pour des condensateurs suivant les techniques antérieureso
En se reportant maintenant à la figure 5 des dessins, le diagram- me indique par la courbe 1 les résultats d'essai d'un certain nombre de ca- pacités, qui utilisent comme-diélectrique le meilleur diélectrique connu de
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la technique antérieure, à savoir le pentachiorodiphényle- (ce matériau est.¯ celui qui est connu sous la désignation de le marque de fabrique AROCLOR 1254, produit et mis en vente par la Monsanto Chemical Company, St Louis..
Mo, USA) et par la courbe Il les résultats dressai sur un groupe de capaci- tés qui utilisent comme diélectrique l'indane de dichloro 1 :3:3 triméthyle - 1 - phényle, le diélectrique actuellement préféré suivant la présente in- ventiono On notera que, au moment où la-moitié des capacités qui sont norma- lement en panne dans les conditions d'essai, sont effectivement en panne, 11 heures 1/2 s'étant écoulées pour les condensateurs de la technique anté-- rieure, et 20 heures 1/2 pour les condensateurs utilisant le diélectrique' suivant la présente invention.
Il doit être compris évidemment que ces es- sais ont été exécutés sur des condensateurs physiquement identiques, la seu- le-différence étant le diélectrique employée et -les conditions d'essai, à savoir la température de 130 C, et un voltage appliqué conduisant à une fa- tigue diélectrique de 560 volts, courant continu, par 0,025 millimètres de
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àiêieoetrique, étaient telles qu'elles accéléraient le taux de pannes dans le but- de la comparaisono On ne doit pas interpréter que ces chiffres signifient que 50% des capacités suivante la présente invention seraient tombées en pan- ,-ne après 20 heures 1/2 dans- des conditions normales de- travail, car on utili-
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se touc>ure des températures très inférieures à 1> Co
Des renseignements analogues sont donnés dans la figo 6,
où la cour- be l représente les renseignements obtenus en soumettant à des essais des con-
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densateurs utilisant le matériau- de la-technique antémieurv, ar savoir-le pen- tachlorodiphenyle et-la courbe 11 représente-des informations de-test pour des condensateurs utilisant- le dîil-etque7 suivant la- présente invention, Dans ces essàkx, la température, était- 100'>G.. et- le voltage appliqué conduisant à une- fatigue diélectrique de 550 volts courant continu par 0,025 mma Dans ce cas, 50% des pannes de--condensateurs tombés- en- panne- au cours des' essais se produisaient après 6 Jours pour les condensateurs utilisant le matériau
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de la technique' érieure.1 et après 17 jours 1/2 pour les -condensateurs uti- lisant le diélectrique suivant- la présente invention.
Des essais et expériences indiquent de plus que des condensateurs utilisant le diélectrique suivant la présente invention, en ce qui concerne le changement de capacité et le- facteur de-puissance-avec le temps, demeu-
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rent sensiblement inaltéré% tandis que dee condensateurs utilisant-1ex ma- tériaux de la-technique antérieure- sont si matériellement- altérés après une- période d'environ 12 jours dans des conditions d'essai accéléré de 100 C, et une fatigue diélectrique de-550 volts- courant- continu par- 0,025 mm, qu'il est impossible- de faire une comparaison valable après cet intervalle de temps.
En ce- qui concerne le- rapport, des volumes relatifs- de capable pour les ty-
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pes de matériaux su8rnwnbiomOESs il a été trouvé que le diélectrique suivant la présente- invention permet approximativement un perfectionnement de--- lO% c'"es1J-à-dire- une diminution- de volume, comparé- au type de- cronden-sateur de la technique-antérieare-s Le facteur de puissance du nouveau diélectrique- est sensiblement égal à celui des- meilleurs matériaux de la technique antérieure z là-température moyenne ambiante ou à uns température inférieure-, et-il est mat érîellemnt- meilleur.
à....de- haute-s- temphmwesa
Bien qu'il soit- généralement admis que la stabilité du diélectri- que de base est le facteur le plus important affectant la vie en service d' une capacité, dans- un effort pour augmenter- la durée de fonctionnement du- con- densateur utilisant des diphényles halogénés- ou des hydrocarbones cycliques
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halogènes tel'que le naphtalène chlorurée dans-eedains-eas-d-petites quan- titésg ordinairement 1% ou moins de-certaine matériaux-,
ont été ajoutées-au
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diélectrique avant de l'incorporel! dans la ca.pooité." Des matériau* satisfai- sants dans ce but comprennent des matériaux organiques telles que- des- struc- turès quinoides particulièrement des quinones et bien que- généralement moins-
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satisfaisants, des hydrocarbones nitro aromatiques, dans lesquels au moins un groupe nitro est directement lié à un atome de carbone dans un noyau ben- zène, de l'anhydride maléique du soufre et du sélénium.
La manière suivant laquelle ces agents d'addition produisent ces effets est encore un objet de recherche, une théorie ayant été avancée suivant laquelle ceux-ci enlèvent les produits nuisibles de décomposition dans le diélectrique aussi rapidement que ces produits sont formés, ce qui empêche la détérioration progressive du diélectrique, et une autre théorie avancée
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est que les agentsd'addition forment des revêtements protecteurs sur les électrodes de la capacité, et ainsi empêchent la formation d'halogénures mé- talliques qui catalyseraient la décomposition du diélectrique.
Des essais comparatifs sur des condensateurs utilisant des diélec- triques au pentachlorodiphényle stabilisés avec 0,5% d'anthraquinone, et sur des condensateurs utilisant le diélectrique susmentionné suivant-les caracté-
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ristiques de leinvention sans addition d'aucun agent de stabilisation., indi- quent que les condensateurs suivant la présente invention sont aussi résis- tants aux hantes-températures de f'onet-iennementy et-ont sensiblement la même,, ou une meilleure-rétention des propriété& électriques dans le temps que dès- condensateurs- dur premier type mentionné, des meilleurs de-la technique anté- rieure.
Il sera évidemment clair pour l'homme de Part que les appareils- électriques utilisant les caractéristiques de cette invention peuvent être
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modifiés à partir des exemples- spécifiques-décrits ci-de-sS1X& sans- sortir des limites de l'invention., L'invention concerne des diélectriques comprenant des' chTorurs'1:núcleairement substitués de polyalkyle substitua d'indane µhéµ1e scia al.3'éa pur, soit mélangés avec d'autres hydroearbones chlorures ayant des propriétés diélectriques utiles.
Bien.-que¯la présente invention ait été décrite en relation avec des exemples particuliers de réalisation et certaines modifications de ceux-ci,
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il doit être bien-compris qu'elle n-lest en-ri-en- limitée aux dits exemplaires et qu'elle est au contraire susceptible de nombreuses variantes et modifications sans sortir de son domaine.