Gasförmiges Isoliermittel und Verwendung desselben Es wurde bereits vorgeschlagen, verschiedene gasförmige Verbindungen, wie Schwefelhexafluorid und halogenhaltige Kohlenwasserstoffe, als dielek- trische Medien, z. B. für Transformatoren, zu ver wenden. Diese bekannten dielektrischen Medien weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Sie zersetzen sich bei hohen Temperaturen, besitzen eine ungenügende delektrische Durchschlagsfestig keit bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen und sind für eine angemessene Isolation bei niedri gen Temperaturen zu hochsiedend.
Vorliegende Erfindung ermöglicht ein gas förmiges Isoliermittel mit hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit, ausreichender thermischer Stabilität, niedrigem Siedepunkt und tragbaren Kosten, das in einem grossen Temperatur- und Druckbereich ausreichenden Isolationsschutz ge währleistet und gute wärmeübertragende Eigen schaften besitzt. Ein entsprechend niedriger Siede punkt des gasförmigen Isoliermittels ist insbesondere für Transformatoren und andere elektrische Ein richtungen wesentlich, die im Freien stehen und der kalten Witterung ausgesetzt sind.
Bei der Verwen dung von zu hoch siedenden Stoffen besteht unter diesen Bedingungen die Gefahr, dass das Gas kon densiert bzw. sich am Boden der Einrichtung nieder schlägt und dadurch eine Druckverminderung und eine dementsprechende Verschlechterung der elek trischen Isolation verursacht.
Das Isoliermittel gemäss der Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Hexa- fluorbutin-2 und einen andern Fluorkohlenstoff ent haltenden Gasgemisch besteht, welcher Fluorkohlen- stoff eine niedrigere Kondensationstemperatur auf weist als das Hexafluorbutin-2. Ein derartiges Isoliermittel ist besonders für die Verwendung in Transformatoren und Konden satoren mit gasdichter Umhüllung geeignet.
Nachfolgend sind anhand der beiliegenden Zeichnung zwei Apparate beschrieben, welche sich für die Verwendung des erfindungsgemässen, gas förmigen Isoliermittels eignen. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung eines Trockentransformators, teilweise im Schnitt, und Fig. 2 einen Kondensator.
Die Fig. 3 gibt eine graphische Darstellung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit von zwei der genannten dielektrischen gasförmigen Stoffe und deren hälftiger Mischung im Vergleich zu zwei an dern gasförmigen Isoliermitteln wieder.
Der in Fig. 1 dargestellte Transformator besitzt einen Kern 1 mit mehreren induktiv gekoppelten Windungen 2 entsprechend den gewöhnlichen Trans formatorkonstruktionen. Der Kern 1 und die Wick lungen 2 befinden sich in der Atmosphäre einer gas förmigen dielektrischen Mischung im Gehäuse 3 des Transformators. Das gasdichte Gehäuse 3 besitzt einen abnehmbaren Deckel 7 mit einem Isolator paar 4 und 5 für die Einführung der Anschlüsse. Ferner sind am Transformator die Kühlleitungen 8 und 9 vorgesehen, durch welche das dielektrische Gas durch eine Pumpe (nicht gezeigt) in Umlauf ge halten wird. Der Transformator kann ferner mit Mitteln zur Entfernung von korrosiven Produkten, die sich unter Umständen durch Lichtbögen bilden, versehen sein.
Diese Mittel können beispielsweise aus körnigem Adsorbens, wie Tonerde, Natronkalk oder andern Stoffen dieser Art, bestehen.
Fig. 2 zeigt einen Kondensator für die Verwen dung mit dem beschriebenen gasförmigen Isolier mittel. Der Kondensator besteht aus einem Ge- häuse 10 und den Kondensatorplatten 11 und 12. Diese Platten werden durch Abstandstücke aus iso lierendem Material in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten. Die Kondensatorplatten sind mit den entsprechenden, an den Isolatoren 15 und 16 vorgesehenen Anschlüssen 13 und 14 verbunden. Das Kondensatorgehäuse 10 ist mit einem Dielektri- kum aus dem beschriebenen gasförmigen Isolier mittel gefüllt.
Ausser für Transformatoren und Kondensatoren kann das gasförmige Isoliermittel auch für andere elektrische Einrichtungen verwendet werden, bei spielsweise für Gehäuse von Röntgenröhren, für Isolatoren und gasgefüllte Kabel.
Die Kurven in der graphischen Darstellung der Fig.3 zeigen die Durchschlagsspannungen für ver schiedene Gase bei 60 Hz in Kilovolt (die Wurzeln aus den mittleren Quadraten) in einem von zwei aus ebenen Platten mit abgerundeten Ecken gebildeten Zwischenraum bei verschiedenen Elektrodenabstän- den (Abszissenwerte in mm) und bei atmosphäri schem Druck.
In strichpunktierten Linien sind in der graphi schen Darstellung die Werte von zwei Gasen dar gestellt, nämlich Schwefelhexafluorid <B>(SF.)</B> und Per fluorbutan (CA.). Diese Stoffe sind als gasförmige dielektrische Medien bekannt. Das bisher viel ver wendete<B>SF,</B> ist relativ preisgünstig, besitzt einen niedrigen Siedepunkt (-62 C bei atmosphärischem Druck) und, verglichen mit Stickstoff oder Luft, eine relativ hohe dielektrische Festigkeit. Seine Isoliereigenschaften sind jedoch bei höheren Span nungsgradienten, wie sie in Transformatoren auf treten können, nicht ausreichend.
Auch die ther mische Beständigkeit dieses Stoffes ist in Gegen wart von bestimmten Baustoffen nicht ausreichend. Anderseits besitzt C4Flo zwar gegenüber SF6 und gewissen andern gasförmigen dielektrischen Stoffen eine wesentlich höhere dielektrische Durchschlags festigkeit, weist jedoch einen Siedepunkt von nur -2,5 C bei atmosphärischem Druck auf, was für eine Verwendung für Transformatoren im Freien viel zu hoch ist.
Es hat sich nun herausgestellt, dass Hexafluor- butin-2 (C4F6) nicht nur eine höhere Durchschlags festigkeit als C4F16 besitzt, sondern ausserdem auch einen Siedepunkt von nur -23 C aufweist, der so mit beträchtlich unter demjenigen von CA. liegt. Gegen die Verwendung dieses Gases in reiner Form als dielektrisches Medium bestehen jedoch einige Bedenken. Der Siedepunkt liegt für Transforma toren im Freien noch nicht tief genug; zudem ist dieser Stoff relativ teuer und steht nicht in aus reichenden Mengen zur Verfügung.
Es hat sich je doch herausgestellt, dass eine Mischung dieses Gases mit einem andern Fluorkohlenstoff, insbeson dere mit Oktafluorpropan (C3F8), das einen Siede punkt von -37 C besitzt, eine wesentlich höhere dielektrische Festigkeit aufweist, als zu erwarten war. Wie in der graphischen Darstellung von Fig. 3 gezeigt ist, besitzt eine Mischung gleicher Volumen teile der Gase C4F6 und C.,F$ eine Durchschlags festigkeit, die höher liegt als die von C4Flo und<B>SF,</B> und als das erwartete Mittel aus den beiden gas förmigen Komponenten.
Die Verbesserung zeigt sich insbesondere bei grösseren Elektrodenabständen, bei welchen sich auf Grund der grösseren Divergenz des elektrostatischen Feldes keine homogenen Feldbedin gungen mehr ausbilden können.
Bei einem Elektrodenabstand von beispielsweise 15,2 mm liegt die Durchschlagsfestigkeit für ein Mischungsverhältnis von 1 : 1 aus C4F6 und C.F$ um ungefähr 7 6/@ höher als das berechnete Mittel der Durchschlagsfestigkeit der einzelnen Gase.
Bei einem Abstand von 20,3 mm erhöht sich die Durch- schlagsfestigkeit der Mischung um ungefähr 12 % gegenüber derjenigen des berechneten Mittels, das heisst, wie aus der graphischen Darstellung hervor geht, vergrössert sich dieser Unterschied mit Zu nahme des Elektrodenabstandes.
Hexafluorbutin-2 (C4F6) selbst zeigt eine be merkenswerte chemische Aktivität. Seine Struktur (F,C-C-C-CF3) ist die einer stark ungesättigten Verbindung mit grosser Affinität gegenüber freien Radikalen, wie Fluor, fluorhaltigen Ionen und an dern, möglichen Abbauprodukten eines gasförmigen Fluorkohlenstoffes. Fluorkohlenstoffgase sind an sich elektronegativ; es hat sich jedoch gezeigt, dass damit die hohe Durchschlagsfestigkeit dieser Stoffe nicht vollständig zu erklären ist.
Noch andere Eigenschaften der Fluorkohlenstoffgase scheinen für die sehr hohen Spannungen verantwortlich zu sein, die zur Entstehung freier Elektronen mit ausreichen der Energie für den elektrischen Durchschlag im Gas erforderlich sind. Die spezifischen molekularen Eigenschaften jedes einzelnen Gases können die Durchschlagsspannung (das heisst diejenige Span nung, bei welcher der Isolator zum Leiter wird) auch beispielsweise durch die Fähigkeit der Gas moleküle zum Einfangen und Anlagern freier Elek tronen und durch andere komplizierte Erscheinungen beeinflussen.
Während das ungesättigte Hexafluorbutin-2 unter diesen Gesichtspunkten für die elektrische Durch schlagsfestigkeit des beschriebenen gasförmigen Iso liermittels wesentlich zu sein scheint, ermöglicht die Kombination dieses Stoffes mit einem andern Fluor kohlenstoff, wie z. B. C.F8, unter anderem eine Ver besserung der Wirtschaftlichkeit und der Siede eigenschaften. Die unerwartet höhere Durchschlags festigkeit der Mischung ist daher wahrscheinlich eine Folge der hohen chemischen Aktivität des Hexafluorbutins-2 und seiner Aufnahmefähigkeit für freie Elektronen, Ionen oder Radikale, deren Auf treten sonst schon bei wesentlich niedrigeren elek trischen Spannungen zum Durchschlagen führen würde.
Durch die Mischung von Hexafluorbutin-2 mit einem andern Fluorkohlenstoff, wie C.F8, kann somit ein zusammengesetztes gasförmiges dielek- trisches Medium geschaffen werden, welches eine niedrige Kondensationstemperatur mit einer hohen dielektrischen Durchschlagsfestigkeit vereint, ferner thermisch stabil und relativ wirtschaftlich herstell- bar ist.
Obwohl die Mischung der Gase für den in Fig. 3 angeführten Fall aus gleichen Volumina von C4F6 und C3 F8 zusammengesetzt ist, können auch andere Volumenverhältnisse günstige Ergebnisse zeitigen. Für die meisten Anwendungen wird der Bereich des Volumenanteils von C4F6 vorzugsweise zwischen 5 und 75 6/a, der von C3 F8 vorzugsweise zwischen 95 und 256/o liegen. Je grösser der Anteil von C4F6, um so höher wird auch die dielektrische Durchschlagsfestigkeit.
Anderseits steigt mit dem Anteil von C"F8 die thermische Stabilität der Mi schung. Bei einer Mischung von gleichen Volumen anteilen liegt der Kondensationspunkt ungefähr bei --.38 C, was für die Verwendung in Transforma toren meist genügt. Für andere Kondensationstempe raturen kann das Verhältnis der Komponenten wie in Tabelle I dargestellt verändert werden.
Die folgende Tabelle I zeigt die für ein vor gegebenes Mischungsverhältnis der Komponenten sich ergebende Kondensationstemperatur.
EMI0003.0017
<I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb> <B>Vol <SEP> .0/0</B> <SEP> C4F6 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 60 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> 90
<tb> Vol <SEP> % <SEP> C3 <SEP> F8 <SEP> 90 <SEP> 80 <SEP> 70 <SEP> 60 <SEP> 50 <SEP> 40 <SEP> 30 <SEP> 20 <SEP> 10
<tb> Kondensationstemperatur <SEP> <SEP> C <SEP> -38 <SEP> -42 <SEP> -45 <SEP> -42 <SEP> -38 <SEP> -35 <SEP> -31 <SEP> -28 <SEP> -25
<tb> Druck <SEP> bei <SEP> 27 <SEP> C <SEP> in <SEP> kg/cm2 <SEP> (abs.) <SEP> 1,337 <SEP> 1,365 <SEP> 1,379 <SEP> 1,365 <SEP> 1,337 <SEP> 1,323 <SEP> 1,302 <SEP> 1,286 <SEP> 1,267 Die Tabelle zeigt,
dass die Mischung von C4F6 und C.F8 mit einem Volumenverhältnis von<B>30:</B> 70 den niedrigsten Kondensationspunkt besitzt. Bei den Messungen standen die Mischungen unter einem Druck von 1,05 kg/cm'2 (absolut). Die Tabelle gibt auch den entsprechenden Druck der Mischung bei 27 C an und soll als Hinweis für den erforderlichen Fülldruck für die einzelnen Mischungen dienen.
Der Kondensationspunkt der beschriebenen Gas mischung kann auch dadurch beeinflusst werden, dass der Fülldruck verändert wird.
Die folgende Tabelle II zeigt die den angege benen Kondensationstemperaturen entsprechenden Kondensationsdrucke und die Drucke bei 27 C für eine Mischung von 1/?, Vol. C4F6 und 2/p, Vol. C"F8.
EMI0003.0028
<I>Tabelle <SEP> 1I</I>
<tb> Kondensations- <SEP> Druck <SEP> in <SEP> kg/cm- <SEP> Druck <SEP> in <SEP> kg/cm temperatur <SEP> <I>(v)</I> <SEP> (abs.) <SEP> bei <SEP> <I>t\, <SEP> C</I> <SEP> (abs.) <SEP> bei <SEP> <B>270</B> <SEP> C
<tb> 0 <SEP> 6,86 <SEP> 7,56
<tb> -10 <SEP> 4,90 <SEP> 5,60
<tb> -200 <SEP> 3,29 <SEP> 3,90
<tb> -30 <SEP> 2,24 <SEP> 2,77
<tb> -.40 <SEP> 1,38 <SEP> 1,78
<tb> -50 <SEP> 0,
84 <SEP> 1,13
<tb> - <SEP> 60 <SEP> 0,47 <SEP> 0,67 Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sich bei der Kondensationstemperatur nur ein geringer Teil des Gasgemisches niederschlägt, da der Vorgang durch die gleichzeitige Abnahme des Druckes unter Einstellung eines Gleichgewichtszustandes auch um gekehrt abläuft.
Bezeichnend für die Vorteile des be schriebenen dielektrischen Mediums ist die Tatsache, dass das C4F6 bei einer Temperatur von -60 C noch einen Dampfdruck von ungefähr 100 mm Hg ausübt, was als relativ hoch im Vergleich mit einem Fluorkohlenstoff mit ähnlicher dielektrischer Durch- schlagsfestigkeit, jedoch höherem Molekulargewicht, zu bezeichnen ist.
Das erfindungsgemässe, gasförmige dielektrische Medium kann im Bedarfsfall mit Stickstoff gemischt werden, insbesondere bei unregelmässigen Betriebs bedingungen im Freien, wobei diese Mischung ins besondere bei erhöhten Drucken oder grossen Zwi schenräumen eine noch höhere dielektrische Festig keit besitzt. Der Stickstoff kann dabei einen Teil C4F6 oder C,Fs der Mischung ersetzen und der Ge samtdruck auf einen gegebenen Wert abgestimmt werden.
Der Stickstoff wird jedoch vorzugsweise das C.F8 teilweise ersetzen, so dass die günstigen dielektrischen Eigenschaften von C4F6 ausgenützt werden. Der Stickstoff kann jedoch auch zur Er höhung des Gesamtdruckes ohne Veränderung des Taupunktes der Mischung beigefügt werden.
Es können im Bedarfsfall auch andere Gase der beschriebenen Gasmischung zugesetzt werden, um bestimmte Ergebnisse zu erzielen. So kann beispiels weise SF6 der Mischung beigegeben werden, um einen zusätzlichen Druck und/oder einen niedrigen ren Siedepunkt der Gesamtmischung zu erhalten.