<Desc/Clms Page number 1>
S.E.M. Société d'Electricité et de Mécanique (PROCEDES THOMSON-HOUSTON, VAN den KERCHOVE & CARELS) Société Anonyme, résidant à BRUXELLES.
CONDENSATEUR ELECTRIQUE.
La présente invention est.relative aux condensateurs électriques et plus particulièrement, à un condensateur nouveau et perfectionné caracté- risé par une résistance d'isolement élevée et une longue durée de vie, sous tension.
Les condensateurs perfectionnés suivant la présente invention comprennent des armatures coopérantes maintenues espacées par plusieurs feuilles interposées en substance diélectrique, une feuille au moins étant un papier poreux dont l'épaisseur ne dépasse pas sensiblement 12,7 microns environ et une autre feuille, au moins, étant composée d'une substance plas- tique ou résineuse obtenue en polymérisant des éthers glycol de l'acide té- réphtalique. De plus, l'assemblage des armatures de condensateur et des élé- ments diélectriques d'espacement est imprégné avec une substance d'imprégna- tion liquide ou résineuse de manière à augmenter encore le rendement diélec- trique du condensateur.
La Société Demanderesse, a trouvé que les condensateurs à remplis- sage liquide comprenant une substance d'espacement diélectrique composite consistant en au moins une feuille de papier et au moins une feuille de poly- éther téréphthalique polymère, ont une résistance d'isolement sensiblement plus élevée et une durée de vie sensiblement plus longue aux tensions appli- quées, que les condensateurs conventionnels dans lesquels la substance d'es- pacement est seulement constituée de papier.
De plus, la combinaison, impré- gnée par un liquide, du papier et du film plastique spécifié, donne un con- densateur ayant un facteur de puissance plus faible aux températures élevées, une tension de commencement de l'effet corona plus élevée, et une courbe capacitance-température plus plate d'un condensateur imprégné correspondant, ne contenant que le film d'éther téréphthalate comme diélectrique d'espace-
<Desc/Clms Page number 2>
ment.
Les condensateurs contenant le diélectrique composite de la présente invention, lorsqu'ils sont imprégnés avec l'un quelconque des imprégnants résineux usuels du type vernis sans solvant, ont une résistance d'isolement plus élevée et supportent des chocs thermiques d'une manière beaucoup plus effective que les condensateurs diélectriques tout-papier imprégnés de façon similaire
Bien que l'invention n'est pas limitée à une forme particulière de condensateur, elle sera décrite pour plus de facilité, en se référant à un condensateur du type enroulé, bien connu.
Dans les dessins qui l'accom- pagnent, la fige 1 est une vue en perspective d'un assemblage de condensa- teur enroulé, partiellement déroulé, et la fig. 2 représente extérieurement un condensateur du type représenté à la fig. 1 après qu'il a été placé dans une enveloppe métallique.
Les condensateurs de la présente invention sont construits de la manière habituelle, excepté en ce qui concerne la substance d'espacement diélectrique utilisée. Ainsi, comme représenté à la fig. 1, l'assemblage peut être constitué par des bandes enroulées 1 et 2 en feuille métallique, par exemple, en aluminium, cuivre, tantale, etc. , avec une substance d'es- pacement diélectrique intermédiaire comprenant plusieurs feuilles, dont une au moins est en papier et une au moins est en polyéther téréphtalique poly- mère. Dans la variante représentée, cette substance d'espacement comprend deux feuilles de papier 3 et une feuille intermédiaire constituée par un film 4 de polyéther téréphtalique, les feuilles de papier étant en contact direct avec les armatures.
Bien que la Société Demanderesse con-sidère cette dispo- sition comme étant la meilleure en ce qui concerne la substance d'espacement, l'invention n'y est pas limitée. La présence d'au moins une feuille de pa- pier dans le diélectrique composite d'espacement facilite l'imprégnation subséquente de l'assemblage du condensateur et, de préférence, si une seule feuille de papier est utilisée, elle doit être en contact avec l'une des armatures 1 ou 2.
Le contact électrique avec les armatures peut être réalisé par des bandes intermédiaires intérieures 5 et 6 dont les extrémités dépassent d'un coté de l'assemblage du condensateur enroulé. Ces bandes peuvent être soudées aux armatures, si on le désire, pour obtenir un contact meilleur et leurs parties inférieures peuvent être élargies, comme représenté en 7, pour constituer une surface de contact plus étendue avec l'armature coopé- rante.
Bien qu'il est possible de choisir la composante papier de la substance d'espacement diélectrique dans une grande gamme de ces produits, il est préférable d'utiliser des papiers toiles ou Kraft dont l'épaisseur n'est pas supérieure à environ 25,4 microns et de préférence à environ 7,6 microns.
Le film résineux 4 est constitué en une résine qui est un éther fortement polymérisé, linéaire, d'acide téréphtalique et d'un polyméthylène glycol, tel que l'éthylène glycol, le triméthylène glycol, l'hexaméthylène glycol, etc... contenant de deux à environ dix atomes de carbone. De préfé- rence, le film plastique est composé d'un polyéther polymère de poids molé- culaire élevé, obtenu par la réaction de l'éthylène glycol avec l'acide té- réphtalique tel qu'une proportion moléculaire, supérieure à l'unité, du gly- col par rapport à l'acide téréphthalique est présente. Des films constitués par cette substance résineuse peuvent être obtenus avec une épaisseur aussi faible que 6,4 microns environ.
Ils sont durs, résistants à beaucoup de produits chimiques et stables à des températures d'environ 150 Ce Ces films ne contiennent en général pas de particules conductrices qui sont habituel- lement présentes dans les papiers usuels de condensateur, et par conséquent, ils conviennent bien comme partie de diélectrique d'espacement. En ce qui concerne à la fois leurs stabilités thermique et chimique, les films en ré- sine térphthalate polyméthylène sont supérieurs aux autres films résineux
<Desc/Clms Page number 3>
habituellement employés comme diélectriques de condensateur, y compris l'a- cétate de cellulose, le polystyrène et autres produits similaires.
Avant l'imprégnation, l'assemblage composite armature-diélectri- que d'espacement, est habituellement placé dans un récipient métallique tel que représenté en 10 à la fig. 2, et le couvercle 11 est hermétiquement scel- lé sur le récipient. Avant que le couvercle he soit scellé sur le récipient, les bandes intermédiaires de contact 5 et 6 sont fixées respectivement aux bornes 12 et 13 traversant le couvercle 11 dont ils sont isolés; De manière à permettre l'évaporation de l'humidité de l'assemblage et l'introduction de la substance d'imprégnation une petite ouverture 14 est prévue dans le couvercle 11.
Avant l'imprégnation, les assemblages de condensateur sont nor- malement séchés sous vide pour faire disparaître l'humidité résiduelle.
La température de séchage varie suivant la longueur du cycle de séchage, mais elle est habituellement de 60 à 150 C. Avec une température trop faible, la période de séchage est excessivement longue, tandis qu'une température trop élevée peut provoquer la décomposition de la composante papier du diélec- trique d'espacement.
La substance d'imprégnation sous forme liquide est admise dans l'assemblage de condensateur par l'ouverture 14, pendant que l'assemblage sé- ché est encore sous vide. Une quantité suffisante de substance d'imprégna- tion est introduite complètement pour remplir le récipient. La pression est alors augmentée jusqu'à la pression atmosphérique et on laisse la pénétration du liquide imprégnant se faire durant un certain temps.
Après imprégnation, l'assemblage de condensateur est scellé en appliquant une quantité convenable de soudure à l'ouverture 14. Si la ma- tière d'imprégnation est une substance résineuse polymérisable, l'assemblage de condensateur est ensuite chauffé à une température élevée pour effectuer la polymérisation et la solidification de cette substance.
L'une quelconque des substances d'imprégnation liquides ou rési- neuses bien connues peuvent être utilisées. Des imprégnants convenables qui restent liquides durant la vie du condensateur sont : l'huile minérale, l'hui- le de coton, différentes huiles siliconées, par exemple : les organopolysi- loxanes liquides à poids moléculaire élevé contenant approximativement deux groupes organiques par atome de silicium,les butènes polymérisés, et l'un quelconque des nombreux composés hydrocarbonés.aromatiques' halogénés. Des exemples de ces composés aromatiques halogènes sont : les diphényls chlorés, les diphényl cétones chlorés, le pentachloronitrodiphényl et ses dérivés al- kyles, le benzène chloré et les dérivés du benzène,et autres substances similaires.
Les imprégnants résineux qui peuvent être utilisés sont ceux du type vernis sans solvant qui permettent l'introduction de la substance d'im- prégnation dans le condensateur sous forme d'un liquide et la conversion sub- séquente in situ de cette substance à l'état solide sans libération d'eau ou de substances gazeuses. Des exemples de ces substances d'imprégnation du ty- pe vernis sans solvant sont : le styrène, les solutions de styrène polymère dans du styrène monomère, les solutions de polyalpha-méthylstyrène dans une styrène monomère avec ou sans addition de petites quantités de divinyl ben- zène, les résines polyisobutylène, les résines diallyl phthalate polymérisées liquides.
Tous ces vernis sans solvant sont caractérisés par le fait que toutes les composantes, avec l'exception possible des agents catalyseurs ou accélérateurs qui peuvent être présents en petites quantités, contiennent des composantes polymérisables, par exemple, les composés organiques conte- nant des radicuax [-CH=CH2], tels que les radicaux vinyle ou allyle, au moyen desquels la substance d'imprégnation peut être convertie à l'état soli- de sans la formation de sous-produits aqueux ou gazeux. Une substance d'im- prégnation résineuse convenant particulièrement bien est composée, en poids, de 25 à 55% d'un polyalpha-méthyl-styrène liquide, de 45 à 65 % de styrène
<Desc/Clms Page number 4>
monomère, et d'environ 0,5 à 10% de divinyl benzène. Cette composition po- lymérisable convient à cause de ses caractéristiques thermiques.
Aux températures de 85 C et plus, les condensateurs employant la substance d'espacement combinée de la présente invention possèdent une sta- bilité extraordinaire qui surpasse celle des condensateurs connus contenant seulement du papier comme substance d'espacement. Un certain nombre de con- densateurs furent fabriqués avec un diélectrique d'espacement composé d'une feuille de polymère de l'éther d'acide téréphthalique obtenu par la réaction de l'éthylène glycol avec l'acide téréphtjbslique, et deux feuilles de papier Kraft. La feuille d'éther téréphthalique ayant une épaisseur de 25,4 microns était interposée entre les deux feuilles de papier Kraft possédant une épais- seur de 10,2 microns.
Certains condensateurs furent essayés sans être impré- gnés et d'autres furent imprégnés avec différentes substances d'imprégnation liquides ou fluides bien connues.
Des unités de chaque type furent essayées en ce qui concerne la tension de commencement de l'effet corona. Dans le cas du condensateur non traité, cette tension était de 420 V tandis que pour le même type de conden- sateur imprégné avec de l'huile minérale, elle était de 1200 V. Un conden- sateur imprégné avec de l'huile de coton avait une tension de commencement de l'effet corona de 1900 V.
Des condensateurs de cette même série furent aussi soumis à des essais de vie accélérée sous une tension de 1000 V, courant continu, et à une température de 125 C Des essais furent périodiquement faits sur ces condensateurs à 25 C et 125 C et les résultats de ces essais sont donnés dans le tableau 1 ci-après' : TABLEAU I.
Espacement : 2 feuilles papier - 1 feuille polymère.
Epaisseur totale : 26,7 microns.
EMI4.1
<tb>
Substance <SEP> Capacité <SEP> Facteur <SEP> de <SEP> Résistance
<tb>
<tb>
<tb> d'imprégna- <SEP> Temps <SEP> en <SEP> (mfd) <SEP> puissance <SEP> d'isolement
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> heures <SEP> 25 C <SEP> 125 C <SEP> () <SEP> à <SEP> 125 C <SEP> (mégohm <SEP> x <SEP> mfd)
<tb>
EMI4.2
¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯ ' à 125 C
EMI4.3
<tb> Aucune <SEP> 0 <SEP> 0,679 <SEP> 0,734 <SEP> 0,64 <SEP> 51,8
<tb>
<tb> 3194 <SEP> 0,690 <SEP> 0,735 <SEP> 0,52 <SEP> 102
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> minérale <SEP> 0 <SEP> 1,04 <SEP> 1,06 <SEP> 0,74 <SEP> 53
<tb>
<tb>
<tb> 3194 <SEP> 1, <SEP> 03 <SEP> 1,10 <SEP> 1, <SEP> 84 <SEP> 27
<tb>
<tb>
<tb> 6034 <SEP> 1, <SEP> 03 <SEP> 1,09 <SEP> 2,88 <SEP> 43
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> méthyl
<tb>
<tb>
<tb> silicone <SEP> 0 <SEP> 1,13 <SEP> 1,12 <SEP> 0,75 <SEP> 63
<tb>
<tb> 935 <SEP> 1,12 <SEP> 1,14 <SEP> 0,
85 <SEP> 51
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> de <SEP> coton <SEP> 0 <SEP> 1,17 <SEP> 1,17 <SEP> 0,84 <SEP> 19,7
<tb>
<tb> 935 <SEP> 1,17 <SEP> 1,17 <SEP> 1,85 <SEP> 24
<tb>
Les valeurs de la capacité et du facteur de puissance furent mesurées à 60 cycles par seconde et 110 V Les valeurs de la résistance d'isolement furent mesurées après application d'une tension continue de 500V durant 1 minute et sont données par la capacité multipliée par la résistance d'isolement du diélectrique d'espacement (imprégné ou non imprégné).
Durant les essais de durée de vie des deux condensateurs non traités,l'un de ceux-ci claqua après 1164 heures et l'autre après 5817 heu- res, d'où une moyenne de 3490 heures. Dans le cas des condensateurs impré- gnés avec de l'huile minérale, l'un d'eux claqua après 3133 heures, un autre après 6925 heures et le troisième fonctionnait encore après 7300 heures.
L'un des deux condensateurs imprégnés avec de l'huile de coton claqua après
<Desc/Clms Page number 5>
1812 heures et le second après 2729 heures, d'où moyenne de 2270 heures.
Les condensateurs imprégnés avec de l'huile de silicone claquèrent tous deux avant 1400 heures, avec une durée de vie moyenne de 1200 heures. Cet- te durée de vie est égale à environ 10 fois celle obtenue avec les condensa- teurs tout papier imprégnés avec la même huile de silicone,
Dans la seconde série d'essais pour déterminer l'effet de la composante papier de l'élément d'espacement, plusieurs condensateurs, dans lesquels l'élément d'espacement consistait seulement en 2 feuilles de poly- mère de polyéther téréphthalate ayant une épaisseur totale de 25,4 microns, furent soumis aux mêmes essais de durée de vie sous une tension de 1000 V, courant continu.
Les résultats de ces essais sont donnés dans le tableau II ci-après : TABLEAU II
Espacement : 2 feuilles de résine polymère-
Epaisseur totale : 25.4 microns.
EMI5.1
<tb>
Substance <SEP> Capacité <SEP> Facteur <SEP> de <SEP> Résistance
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> d'imprégna- <SEP> Temps <SEP> en <SEP> (mfd) <SEP> puissance <SEP> d'isolement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tion. <SEP> heures <SEP> 25 C <SEP> 125 C <SEP> (%)à <SEP> 125 C <SEP> (mégohm <SEP> x <SEP> mfd)
<tb>
EMI5.2
¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯ à 1.25 C.
EMI5.3
<tb>
Aucune <SEP> 0 <SEP> 0,405 <SEP> 0,453 <SEP> 1,5 <SEP> 756
<tb>
<tb> 6034 <SEP> 0,391 <SEP> 0,420 <SEP> 1,14 <SEP> 4080
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> minérale <SEP> 0 <SEP> 0,430 <SEP> 0,478 <SEP> 1,52 <SEP> 189
<tb>
<tb>
<tb> 6034 <SEP> 0,395 <SEP> 0,437 <SEP> 2,17 <SEP> 1410
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> de <SEP> silicone <SEP> 0 <SEP> 0,445 <SEP> 0,490 <SEP> 1,56 <SEP> 273
<tb>
<tb>
<tb> 6034 <SEP> 0,398 <SEP> 0,426 <SEP> 1,23 <SEP> 2060
<tb>
Bien que ces condensateurs avaient des résistances d'isolement élevées, les tensions de commencement de l'effet corona pour les condensa- teurs de cette série, à remplissage liquide, furent sensiblement inférieu- res à celles obtenues avec les condensateurs à remplissage liquide contenant l'élément d'espacement papier-polyéther combinés,
la valeur la plus élevée dans cette série étant celle de 900 V obtenue avec le condensateur imprégné à l'huile minérale contenant deux feuilles de film polyéther. En ce qui concerne les valeurs de la capacité, on observera que-pour les condensateurs du tableau II, l'augmentation de capacité entre 25 C et 125 C, est d'environ 10% dans tous les cas, tandis que les condensateurs imprégnés du tableau I, dont la substance d'espacement contient du papier, ne présentent pratiquement aucune variation de capacité lorsque la température change. De plus,
les condensateurs ne contenant que les films résineux comme éléments d'espacement présentent une chute continue de capacitance durant les essais de durée de vie tandis que les capacités des condensateurs imprégnés du tableau I restent sensiblement Invariables.
Les avantages des condensateurs suivant la présente invention sont mis en lumière lorsqu'on compare ces condensateurs avec ceux contenant plusieurs feuilles de papier Kraft comme seule substance d'espacement diélec- trique, imprégnés de la manière habituelle. Des essais de durée de vie à 125 C et 1000 V, courant continu, faits sur ces condensateurs, les résultats de ces essais étant donnés dans le tableau III ci-après, il résulte que les condensateurs espacés au papier présentent tous une diminution sensible de la résistance d'isolement et une augmentation du facteur de puissance pour une augmentation de la durée d'essai.
@
<Desc/Clms Page number 6>
TABLEAU III.
Espacement : 3 feuilles de papier d'une épaisseur totale de 30,5microns.
EMI6.1
<tb>
Substance <SEP> Temps <SEP> en <SEP> Capacité <SEP> Facteur <SEP> de <SEP> Résistance <SEP> d'i-
<tb>
<tb> d'imprégnation <SEP> heures <SEP> (mfd) <SEP> puissance <SEP> solement
<tb>
<tb> à <SEP> 125 C <SEP> () <SEP> à <SEP> 125 C <SEP> (mégohm <SEP> x <SEP> mfd)
<tb>
EMI6.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯ à 125 Co
EMI6.3
<tb> Huile <SEP> minérale <SEP> 0 <SEP> 0,72 <SEP> 0,43 <SEP> 51
<tb>
<tb>
<tb> 2171 <SEP> 0,80 <SEP> 4,3 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3151 <SEP> 0,82 <SEP> 6,8 <SEP> 4,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> de <SEP> coton <SEP> 0 <SEP> 0,83 <SEP> 0,51 <SEP> 9,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2164 <SEP> 1,05 <SEP> 9,5 <SEP> 2,
4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 75% <SEP> de <SEP> pentachlor-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> rodiphenyl <SEP> et
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 25% <SEP> de <SEP> trichloro-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> benzèneo <SEP> 0 <SEP> 1,00 <SEP> 0,70 <SEP> 7,9
<tb>
Durant cette série d'essais (tableau III) les condensateurs à huile minérale dont trois furent essayés, claquèrent respectivement après 2046 heures, 2263 heures et 2503 heures, ce qui donne une moyenne de 2271 heures. Des trois unités imprégnées avec de l'huile de coton, l'une claqua après 3136 heures, tandis que les deux autres étaient encore satisfaisantes après 4700 heures.
Les unités imprégnées avec le mélange pentachlorodiphe- nyl-trichlorobenzène claquèrent toutes après moins de 200 heures avec une durée de vie moyenne de 169 heures pour trois unités, tandis qu'un conden- sateur contenant un élément d'espacement composé d'une feuille de polyéther téréphthalate placée entre 2 feuilles de papier, imprégné avec le même mé- lange, avait une durée de vie de 1010 heureso
Les condensateurs imprégnés par une résine, dans lesquels l'élé- ment d'espacement se compose d'au moins une feuille de papier et au moins une feuille de résine polyéther téréphthalate, présentent une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques, c'est-à-dire une résistance exception- nelle à tout cycle thermique entre des températures élevées et anormales.
Par exemple,les condensateurs imprégnés par la résine habituelle dans les- quels l'élément d'espacement est constitué de plusieurs feuilles de papier claquèrent à des tensions de 125% au dessus de la tension moyenne après avoir été soumis à de un à dix cycles thermiques entre -55 C et + 85 C D'autre part, les condensateurs imprégnés par la résine habituelle contenant comme élément d'espacement la combinaison de papier et de polymère téréphthalate ou seulement ce dernier polymère, lorsqu'ils furent soumis aux mêmes cycles thermiques, résistèrent à au moins 50 de ces cycles.
Cette caractéristique des condensateurs de la présente invention est particulièrement avantageuse avec des résines ou toute substance d'imprégnation à point de fusion élevé, c'est-à-dire toute substance d'imprégnation qui est solide à la température ambiante ou à des températures inférieures.
Un condensateur particulièrement utile imprégné avec de la rési- ne est celui contenant une ou deux feuilles de papier et une feuille de ré- sine téréphthalate, imprégné avec le produit de polymérisation in situ d'un mélange de styrène, de polyalpha-méthylstyrène liquide et de divinyl benzène.
Ces trois ingrédients sont employés de préférence dans les proportions sui- vantesdonnées en poids : 56 % de styrène monomère, 41,5% de polyalpha-méthyl- styrène liquide et environ 2,5 % de divinyl benzène. Ainsi qu'on l'a expli- qué précédemment, la substance liquide qui est essentiellement une solution du polyalpha-méthylstyrène polymère dans le styrène monomère et le divinyl benzène, est introduite dans le condensateur, après quoi ce dernier est chauf- fé à une température élevée pour effectuer la polymérisation de ces substan- ceso Lorsqu'ils furent essayés à 125 C, les condensateurs de ce type conte-
<Desc/Clms Page number 7>
nant comme élément d'espacement une feuille du film résineux entre deux feuil- les de papier Krafts, avaient une capacité d'environ 2,4 microfarads,
un facteur de puissance d'environ 0,82% et une résistance d'isolement d'environ 290 méghom x microfaradso Ils furent extrêmement résistants aux chocs ther- miques et supportèrent convenablement, sans claquer, au moins 50 cycles ther- miques entre - 55 et + 85 C
De la description qui précède il résulte que l'invention présen- te des condensateurs stables possédant une résistance d'isolement élevée, une durée de vie longue et d'autres propriétés désirables que l'on ne rencontre pas dans les condensateurs diélectriques fixe habituels.