CH615528A5

CH615528A5 - Impregnated dielectric capacitor

Info

Publication number: CH615528A5
Application number: CH1167076A
Authority: CH
Inventors: John Lapp; Fred S Sadler
Original assignee: Mc Graw Edison Co
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1980-01-31
Also published as: NL7610292A; ES451563A1; FR2324102A1; FI762628A7; SE7610165L; BE846203A; BR7606065A; FI63129B; CA1070103A; ZA765511B; IN144697B; IL50326A0; MX143283A; AU1766876A; JPS5236799A; FR2324102B1; FI63129C; IL50326A; DE2640686A1

Description

La présente invention a pour objet un condensateur électrique, comprenant des couches alternées de feuille conductrice mince et d'un matériau diélectrique solide composé d'une pellicule de polymère et d'une matière fibreuse cellulosique, le diélectrique solide étant imprégné d'une composition diélectrique liquide.

Dans la construction des condensateurs, tels que les condensateurs de correction de l'angle des pertes (cos <p), on prévoit des couches alternées de feuille mince de métal et d'un matériau diélectrique solide qui est imprégné d'un diélectrique liquide; le tout forme alors l'empilage du condensateur.

Dans le passé, c'était du tissu de papier kraft qui était générale-utilisé comme matériau diélectrique, et les condensateurs de ce type présentaient des pertes diélectriques relativement importantes, ce qui limitait leur emploi aux condensateurs ayant une puissance réactive de 100 kvar et moins.

La combinaison du papier et de la pellicule polymère, par exemple une pellicule de polypropylène, a également été utilisée comme couche diélectrique dans les condensateurs. Le condensateur papier-pellicule présente des pertes diélectriques nettement moindres que le condensateur tout papier et une plus grande fiabilité, ce qui permet au condensateur d'avoir une plus grande puissance réactive. Le papier de la couche diélectrique papier-pellicule impose certaines restrictions, mais il joue le rôle d'une mèche en augmentant l'imprégnation de l'empilage du condensateur par le diélectrique liquide.

Pendant de nombreuses années, on a utilisé les diphényles poly-chlorés comme diélectriques liquides dans les condensateurs de correction de l'angle des pertes, et de tels diélectriques liquides produisent un ensemble diélectrique efficace qui a permis de nombreuses améliorations des condensateurs. Par exemple, au cours des dernières années, le volume de l'enveloppe du condensateur par unité de puissance réactive a été réduit par un facteur d'environ 8, les pertes diélectriques ont été réduites d'un facteur de plus de 5, et le prix de revient par unité de puissance réactive a été réduit d'un facteur d'environ 5. Ces améliorations sont dues, du moins en partie, à l'utilisation de diphényles polychlorés comme agents d'imprégnation liquides.

Les diphényles polychlorés, comme par exemple le trichloro-diphényle, produisent un ensemble diélectrique efficace pour un condensateur, mais leur utilisation a posé certains problèmes écologiques, car certains des diphényles polychlorés ne sont théoriquement pas biodégradables, et il s'ensuit que si des fuites ou une rupture se produisent dans l'enveloppe du condensateur, ou bien si le condensateur est mis au rebut parce qu'il est périmé, le diphényle polychloré subsiste comme polluant dans l'environnement et ne se décompose pas dans une mesure appréciable même au bout de plusieurs années. Un autre inconvénient des diphényles polychlorés est qu'ils ont tendance à se concentrer dans les tissus animaux, et on s'est aperçu qu'ils étaient toxiques.

Le but de l'invention est de proposer un nouveau condensateur comprenant un liquide diélectrique amélioré. Ce nouveau condensateur est caractérisé en ce que la composition diélectrique liquide contient un oxyde de diphényle monohalogéné et un oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné dont le groupement alkyle comprend de 1 à 20 atomes de carbone.

On discutera ci-après en détail les nombreux avantages du nouveau condensateur. Ses électrodes qui ne font pas partie de l'invention sont, comme d'habitude, en métal mince.

La composition diélectrique liquide contient en général 5 à 95% en poids de l'oxyde de diphényle monohalogéné et 95 à 5% en poids de l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné. En outre, la compo2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

sition diélectrique peut contenir 0,01 à 10% d'un époxyde qui joue le rôle d'un nettoyeur en neutralisant les ions chlore ou les autres produits de décomposition formés ou libérés par l'agent d'imprégnation ou d'autres matériaux dans le condensateur au cours de son fonctionnement.

Le polymère de la pellicule diélectrique peut être en polypropylène, polyéthylène, un polyester, ou un matériau similaire, et la surface de la pellicule et/ou la surface contigue de la feuille mince de métal des électrodes peut présenter des irrégularités de surface de façon à exercer un effet de mèche pour le diélectrique liquide et à assurer l'imprégnation complète de la pellicule par le liquide au cours de la fabrication.

Pour fabriquer le condensateur, on peut procéder comme suit: on sèche l'enveloppe du condensateur qui renferme la couche diélectrique solide, sous vide et à une température inférieure à 60° C, et de préférence à la température ambiante, pendant un laps de temps suffisant pour éliminer la vapeur d'eau et les autres gaz de l'intérieur du condensateur. On fait circuler ou bien on agite sous vide le diélectrique liquide pour chasser les gaz du liquide. Après le dégazage séparé du condensateur et du liquide diélectrique, on introduit le liquide dans le condensateur. Le condensateur étant plein, on fait régner un vide au-dessus du liquide ou bien on applique au liquide une pression supérieure à la pression atmosphérique, tout en maintenant le condensateur à une température inférieure à 60° C et de préférence à la température ambiante. Après l'imprégnation, on relâche le vide et on ferme hermétiquement le condensateur.

Le condensateur selon l'invention présente de faibles pertes diélectriques et possède des caractéristiques corona supérieures dans l'intervalle de température de — 40 à + 90° C. Un autre avantage de ce condensateur est que la composition diélectrique liquide est moins nocive pour l'environnement que les diphényles polychlorés, car elle est moins toxique, elle a moins tendance à se concentrer dans les organismes vivants, et elle est plus biodégradable que les diphényles polychlorés.

Le condensateur traité selon l'invention pour en éliminer les gaz est capable de fonctionner sous contrainte électrique à des températures élevées atteignant jusqu'à 125°C, sans dégradation des couches polymères ou du diélectrique liquide. La stabilité accrue aux hautes températures permet au condensateur d'être utilisé comme condensateur de correction de l'angle des pertes qui a généralement un intervalle de température utile (température de l'enveloppe) de —40 à + 70°C, aussi bien que comme condensateur stabilisateur ou spécial, de plus petite taille, qui peut être éventuellement sujet à des températures de fonctionnement atteignant jusqu'à 100° C.

Un autre avantage de l'invention est qu'elle permet d'éliminer la nécessité du traitement de postdurcissement qui était souvent nécessaire avec les techniques de traitement classiques. L'élimination du postdurcissement, qui nécessitait généralement une période atteignant jusqu'à 72 h, raccourcit notablement le temps global nécessaire pour la fabrication du condensateur, en réduisant ainsi les coûts de fabrication.

L'invention sera encore mieux illustrée par la description suivante de formes d'exécution, à titre d'exemples, et du dessin dans lequel:

la fig. 1 est une vue en perspective d'un condensateur construit conformément à l'invention;

la fig. 2 est une vue en perspective d'un empilage de condensateur;

la fig. 3 est un diagramme montrant le point de coulée du mélange, en proportions diverses, de l'oxyde de monochloro-diphényle et de l'oxyde de monochlorododécyldiphényle, et la fig. 4 est un diagramme montrant la tension d'amorçage de la décharge, à différentes températures, d'un condensateur papier-pellicule réalisé conformément à l'invention, par rapport à un condensateur papier-pellicule dont l'agent d'imprégnation est un diphényle chloré.

I

615 528

La fig. 1 représente un condensateur type comprenant une enveloppe extérieure 1 ayant des parois latérales 2, une paroi inférieure 3 et un couvercle 4. Lorsque le condensateur est en service, l'enveloppe 1 est fermée hermétiquement et est pourvue d'un petit trou 5 par lequel on introduit le liquide diélectrique dans l'enveloppe au cours de la fabrication. En outre, il est possible de raccorder une ligne de vide au trou 5 pour sécher sous vide le condensateur au cours de la fabrication. Deux bornes 6 font saillie à travers le couvercle et sont isolées électriquement.

Une série d'empilages 7 de condensateur est disposée à l'intérieur de l'enveloppe 1, et chaque empilage, comme le montre la fig. 2, comporte des couches enroulées de feuille mince 8 de métal séparées par une couche 9 de diélectrique. Des électrodes 10 sont connectées aux couches 8 de feuille mince, et les électrodes des différents empilages sont connectées ensemble en série et se raccordent finalement aux bornes 6.

Les couches 8 de feuille mince peuvent être formées d'un matériau électriquement conducteur convenable quelconque, en général un matériau métallique tel que l'aluminium ou un métal similaire. Les couches 8 peuvent être sous la forme de feuilles plates, ou bien elles peuvent présenter des irrégularités de surface, par exemple une série de déformations formées par des renfoncements sur l'une des faces de la feuille mince et par des saillies correspondantes sur l'autre face de la feuille, comme décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3746953.

Les couches 9 de diélectrique solide sont composées d'une combinaison d'une pellicule polymère, par exemple de polypropylène, de polyéthylène, de polyester, ou de polycarbonate, et d'un matériau fibreux cellulosique, comme le papier kraft, le papier buvard, les fibres de pâte de bois absorbantes, ou un matériau fibreux similaire. La pellicule polymère peut prendre la forme de bandes à surface lisse ou bien la forme d'une bande polymère, par exemple de polypropylène, à la surface de laquelle adhère une couche de fines fibres de polyoléfine, comme décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3772578.

La pellicule polymère constitue généralement jusqu'à 90% du poids de la couche diélectrique, et dans la plupart des cas elle en constitue de 30 à 90% du poids, et de préférence de 70 à 85% du poids.

La surface de la pellicule polymère et/ou la surface contigue de la feuille mince 8 de métal présente des irrégularités ou des déformations telles que. les deux surfaces contiguës ne soient pas en contact intime continu. Ces irrégularités de surface exercent un effet de mèche ou de capillarité pour le diélectrique liquide, ce qui permet à ce dernier d'imprégner complètement la pellicule 9 au cours de la fabrication.

Les couches 9 de diélectrique sont imprégnées d'une composition diélectrique liquide qui se compose d'un mélange d'oxyde de diphényle monohalogéné et d'un oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné dont le groupement alkyle contient de 1 à 20 atomes de carbone.

L'oxyde de diphényle monohalogéné représente environ 5 à 95 % du poids du mélange, l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné représentant le reste du mélange. Pour la plupart des applications, l'oxyde de diphényle monohalogéné représente de 10 à 70% du poids de la composition, dont le reste est représenté par l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné.

Dans les deux composants, l'halogène est de préférence le chlore, mais il est possible d'utiliser d'autres halogènes comme le brome. L'atome d'halogène occupe habituellement la position para de chaque composé et, dans le procédé type de préparation de ces composés, environ 80 à 100% des atomes d'halogène occupent la position para, les 0 à 20% restants occupant la position ortho.

Le groupement alkyle de l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné contient de préférence de 3 à 16 atomes de carbone et peut être soit une chaîne ramifiée soit une chaîne droite, et la position et le nombre particuliers des ramifications ne sont pas cruciaux pour l'invention.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

615 528

4

Des exemples spécifiques de la composition diélectrique à utiliser dans le condensateur selon l'invention comprennent les mélanges suivants, en pourcentage en poids : 50% d'oxyde de mono-bromodiphényle et 50% d'oxyde de monochlorododécyldiphényle; 30% d'oxyde de monochlorodiphényle et 70% d'oxyde de monochlorododécyldiphényle; 80% d'oxyde de monochlorodiphényle et 20% d'oxyde de monochlorohexyldiphényle; 40% d'oxyde de monochlorodiphényle et 60% d'oxyde de monochlorobutyl-diphényle; 20% d'oxyde de monochlorodiphényle et 80% d'oxyde de monochloropropyldiphényle; 35% d'oxyde de monochlorodiphényle et 65% d'oxyde de monochlorohexyldiphényle; 17% d'oxyde de monochlorodiphényle et 83% d'oxyde de mono-chlorobutyldiphényle.

La composition diélectrique peut également contenir de 0,01 à 10% en poids, et de préférence de 0,2 à 1,5% en poids, d'un époxyde nettoyeur qui a pour effet de neutraliser les produits de décomposition qui sont libérés ou issus de l'agent d'imprégnation liquide et d'autres matériaux dans le condensateur au cours de son fonctionnement. L'agent neutralisateur ou nettoyeur peut être le l,2-époxy-3-phénoxypropane, l'adipate de bis-(3,4-époxy-6-méthylcyclohexylméthyle), le l-époxyéthyl-3,4-époxycyclohexane, le carboxylate de 3,4-époxycyclohexylméthyl-3,4-époxycyclo-hexane, le carboxylate de 3,4-époxy-6-méthylcyclohexylméthyl-3,4-époxy-6-méthylcyclohexane, ou un mélange des précédents. Ces époxydes ont pour effet de neutraliser rapidement les produits de décomposition, en améliorant ainsi les propriétés diélectriques et la durée d'utilisation du condensateur.

On peut préparer l'oxyde de diphényle monohalogéné par des procédés classiques dans lesquels on halogène l'oxyde de diphényle à l'aide d'un halogénure d'aluminium, par exemple le chlorure d'aluminium, ou bien à l'aide d'autres acides protoniques, de façon à former un mélange d'oxydes d'ortho- et de para-halodiphényle, comme décrit dans le brevet des E.U.A.

N° 2022634.

De même, on peut préparer l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné par des procédés connus selon lesquels on traite un oxyde d'halodiphényle par une petite proportion de chlorure d'aluminium, après quoi on introduit progressivement un halogénure d'alkyle ou une oléfine tout en maintenant le mélange à la température de réaction, comme décrit dans le brevet des E.U.A. N° 2170989.

Il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un mode opératoire spécial pour mélanger les deux composants l'un à l'autre, car ils sont miscibles aussi bien à la température ambiante qu'à une température élevée. Ou bien, on peut obtenir le mélange en passant par le procédé d'alkylation et en mettant fin à l'alkylation au bout d'un temps suffisant pour obtenir la proportion voulue de l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné et de l'oxyde de diphényle monohalogéné. Lorsqu'on utilise ce procédé pour obtenir une alkylation moindre, il peut se produire une certaine dialkylation limitée.

On discute ci-après un procédé préféré pour la fabrication du condensateur selon l'invention. On commence par appliquer un vide ou une pression inférieure à la pression atmosphérique à l'intérieur de l'enveloppe du condensateur qui contient l'empilage du condensateur, pendant un laps de temps suffisant pour éliminer la vapeur d'eau et les autres gaz de l'intérieur du condensateur. On fait régner le vide à l'intérieur de l'enveloppe 1 à l'aide d'une ligne reliant une source de vide et le trou 5. On emploie normalement un vide de moins de 100 |i de mercure, et de préférence de moins de 30 n de mercure, et d'ordinaire une durée de séchage sous vide de plus de 40 h, encore que la durée du séchage dépende de la valeur du vide appliqué.

Pour empêcher la dilatation moléculaire de la pellicule polymère, il faut maintenir la température en dessous de 60° C, et il est préférable de procéder au séchage sous vide à une température de moins de 43° C, par exemple à la température ambiante. La pellicule polymère s'imprègne du diélectrique liquide par diffusion, les molécules du diélectrique liquide pénétrant dans la pellicule et migrant des régions de forte concentration aux régions de faible concentration jusqu'à ce que l'équilibre s'établisse. On a constaté que le chauffage de la pellicule polymère a un effet négatif sur la vitesse de diffusion, en raison de la dilatation de la structure moléculaire sous l'effet du chauffage, aussi est-il important d'éviter de chauffer la pellicule polymère à une température de plus de 60° C au cours du séchage du condensateur.

On fait subir séparément au diélectrique liquide un traitement de séchage sous vide pour éliminer les gaz du diélectrique liquide. Pour ce traitement de dégazage, on utilise un vide de moins de 500 |i de mercure, un vide de moins de 50 |i de mercure étant préférable. On fait subir au liquide le séchage sous vide pendant un laps de temps suffisant pour éliminer les gaz du liquide. Pour accélérer le dégazage, il est préférable d'agiter le liquide soit en le faisant circuler soit en lui faisant subir une agitation ou un malaxage. La durée du dégazage dépend d'un certain nombre de facteurs, par exemple de la viscosité du liquide, de la valeur du vide, du type d'agitation, etc. En général, on fait subir au liquide le traitement de séchage sous vide pendant plus de 12 h.

Au cours du traitement de séchage sous vide, il est préférable de maintenir le liquide à la température ambiante. Il est possible de chauffer, mais le liquide dégazé doit être à une température de moins de 60°C, et de préférence de moins de 43°C, au moment où on l'introduit dans le condensateur. On introduit le diélectrique liquide dégazé dans l'enveloppe 1 du condensateur par la canalisation reliée au trou 5 tout en maintenant le vide. Après remplissage de l'enveloppe du condensateur, on maintient au-dessus du liquide un vide de moins de 100 jx de mercure, et de préférence de moins de 30 n de mercure, pendant un laps de temps suffisant pour imprégner complètement du diélectrique liquide les couches du diélectrique solide. Dans la plupart des cas, on utilise une durée d'imprégnation de plus de 24 h. Au cours de cette durée, on maintient la température des couches 9 de diélectrique solide dans le condensateur, et celle du diélectrique liquide, en dessous de 60° C, et de préférence en dessous de 43° C, par exemple à la température ambiante.

Ou bien, après le remplissage, il est possible d'appliquer au diélectrique liquide qui se trouve dans le condensateur une pression manométrique de 0,07 à 0,3 kg/cm2, pour favoriser l'imprégnation des couches polymères solides. On maintient normalement la pression sur le diélectrique liquide pendant plus de 30 mn. Le mode d'application de la pression sur le liquide n'est pas crucial, mais il est préférable de ne pas faire appel à un gaz sous pression en contact direct avec le liquide, car ce gaz risquerait d'être absorbé par le liquide, et le gaz absorbé pourrait avoir un effet nocif sur les propriétés diélectriques de l'ensemble.

Après la période d'imprégnation ou d'imbibition, on relâche le vide ou la pression, le cas échéant, et on ferme hermétiquement le condensateur.

Dans le passé, on faisait souvent appel à une opération de postdurcissement dans laquelle on portait le condensateur hermétiquement fermé à une température de 85° C environ pendant un laps de temps atteignant jusqu'à 72 h de façon à améliorer l'imprégnation et à obtenir une plus grande fiabilité. L'opération de postdurcissement n'est pas nécessaire avec le procédé selon l'invention, encore qu'il serait possible de faire appel à l'incorporation du postdurcissement sans obtenir de résultats défavorables, mais cela augmenterait notablement la durée globale de la fabrication. En éliminant le postdurcissement, on parvient à une réduction notable de la durée de fabrication, et cela est important du point de vue de la production.

On a constaté que la composition diélectrique liquide qui est utilisée dans le condensateur selon l'invention imprègne la pellicule polymère plus facilement que les agents d'imprégnation classiques, comme le trichlorodiphényle. Cette augmentation de la vitesse d'imprégnation est liée à l'énergie superficielle de la composition et elle dépend également, du moins en partie, de la viscosité relativement faible de la composition. Une augmentation de la vitesse

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

615 528

d'imprégnation peut avoir pour effet une économie de temps notable pour la fabrication du condensateur.

La composition diélectrique liquide à utiliser dans le condensateur a une constante diélectrique relative notablement plus faible que les diphényles polychlorés; à titre d'exemple, la constante diélectrique relative d'un mélange de 17% d'oxyde de monochlorodiphényle et de 83% d'oxyde de monochlorobutyldiphényle est égale à 4,4 environ, tandis que celle du trichlorodiphényle pour condensateurs est égale à 5,9 environ. Cette différence notable entre les constantes diélectriques relatives laisserait supposer que la composition diélectrique proposée selon l'invention est moins bonne que les diphényles polychlorés pour condensateurs, car la constante diélectrique relative a d'ordinaire une influence directe sur la capacité, et on s'attendrait donc normalement à ce qu'une constante diélectrique relative moindre ait pour résultat un volume plus grand par unité de puissance réactive. Cependant, la présente invention repose sur la découverte du fait que l'emploi de la composition diélectrique proposée selon l'invention, en combi-binaison avec un diélectrique solide papier-pellicule ne se traduit pas par une diminution notable de la capacité par rapport à un condensateur similaire imprégné d'un diphényle polychloré.

Par contre, un condensateur ayant une couche diélectrique tout papier et imprégné de la composition diélectrique utilisée selon l'invention, se comporte d'une manière prévisible en ce sens que sa capacité est réduite par rapport à celle d'un condensateur tout papier imprégné d'un diphényle polychloré. Ainsi donc, un condensateur tout papier imprégné de la composition diélectrique ici décrite devrait être construit avec un volume supérieur d'environ 20% à celui d'un condensateur tout papier imprégné d'un diphényle polychloré, ou bien il faudrait augmenter la contrainte électrique d'environ 10%, en supposant que la dissipation de chaleur n'intervient pas, pour que ce condensateur soit comparable au condensateur tout papier imprégné de diphényle polychloré.

On a constaté que, lorsque la pellicule polymère, par exemple la pellicule de polypropylène, est imprégnée d'un diphényle polychloré, tel que le trichlorodiphényle, la constante diélectrique relative de la pellicule polymère est légèrement augmentée. Mais, de façon tout à fait inattendue, la constante diélectrique relative de la pellicule polymère est notablement augmentée lorsqu'elle est imprégnée de la composition diélectrique proposée selon l'invention, si bien que la constante diélectrique relative de la pellicule imprégnée de la composition diélectrique du condensateur selon l'invention est en fait un peu plus élevée que la constante diélectrique relative de la même pellicule imprégnée du diphényle polychloré, alors même que la constante diélectrique relative de la composition diélectrique proposée selon l'invention n'est que de 4,4 environ, contre 5,9 environ pour le diphényle polychloré. Même l'addition de 25 à 30% de papier à l'ensemble diélectrique comportant le liquide proposé selon l'invention se traduit par une diminution de capacité de pas plus de 1% environ par rapport à celle qui est obtenue avec un ensemble identique comportant un diphényle polychloré pour condensateur. Cela est en accord avec une diminution prévue de capacité d'environ 5 à 6% d'après les calculs mettant en jeu les constantes diélectriques relatives de ces matériaux. Ainsi donc, alors même que la constante diélectrique relative du liquide proposé selon l'invention est notablement inférieure à celle du diphényle polychloré, la capacité du condensateur papier-pellicule imprégné de la composition diélectrique ici proposée est comparable à celle du même condensateur imprégné d'un diphényle polychloré.

La nouvelle composition liquide diélectrique, bien qu'elle soit monohalogénée, permet d'obtenir un ensemble diélectrique stable. Traditionnellement, la stabilité est associée à une augmentation du taux d'halogène, mais on s'est aperçu que la composition diélectrique liquide ici utilisée permet d'obtenir un ensemble stable, comparable à celui obtenu avec le trichlorodiphényle et le tétra-chlorodiphényle. D'ailleurs, la chloruration moindre constitue un net avantage en ce qu'elle rend la composition plus facilement biodégradable, moins toxique, et moins susceptible de se concentrer dans les organismes vivants.

La composition diélectrique liquide ici proposée est biodégradable en quasi-totalité, ce qui signifie que si la composition diélectrique vient à être exposée à l'environnement en raison de fuite ou de rupture de l'enveloppe du condensateur, ou bien du fait de la mise au rebut de condensateurs périmés, le liquide diélectrique se décompose en composés inoffensifs et sans aucun effet nocif notable sur l'environnement. Par contre, on s'est aperçu que les diphényles polychlorés pour condensateurs persistaient dans l'environnement et n'étaient pas facilement biodégradables.

On a également constaté que les diphényles polychlorés se concentraient dans les tissus vivants des poissons et des animaux et étaient toxiques. Par contre, le diélectrique liquide utilisé selon l'invention est moins dangereux pour l'environnement, car il se concentre moins dans les organismes vivants et est moins toxique aussi bien pour les poissons que pour les mammifères. Par exemple, les diphényles polychlorés pour condensateurs se concentrent dans les tissus des poissons de 100 à 200 fois plus qu'un mélange comprenant 17% en poids d'oxyde de monochlorodiphényle et 83% en poids d'oxyde de monochlorobutyldiphényle. D'ailleurs, la toxicité orale aiguë des diphényles polychlorés pour condensateurs est environ dix fois plus grande que celle de la composition diélectrique liquide du condensateur selon l'invention.

Une caractéristique importante des condensateurs est la tension d'amorçage de décharge partielle (DIV). Il est important qu'un diélectrique ne soit pas utilisé dans des conditions de décharge partielle, car l'ensemble diélectrique, en cas de décharge partielle, se dégrade et raccourcit sérieusement la durée de vie de l'ensemble.

La courbe de la fig, 3 donne le point de coulée de différents mélanges d'oxyde de monochlorodiphényle et d'oxyde de mono-chlorododécyldiphényle qui a été obtenu dans des conditions d'essai telles que la température était stabilisée pendant plusieurs heures avant l'enregistrement des résultats. Comme le montre cette courbe, le point de coulée de l'oxyde de chlorododécyldiphényle seul est de 0°C environ, et le point de cristallisation de l'oxyde de monochlorodiphényle seul est de —18° C environ. Cependant, contrairement aux prévisions, un mélange des deux corps précédents possède un point de coulée inférieur à celui de l'un ou l'autre des constituants isolés. Par exemple, le point de coulée d'un mélange 50:50 des deux constituants est de — 45° C environ, et le point de coulée de la plupart des mélanges se trouve nettement en dessous de — 20°C.

Comme les condensateurs risquent d'être soumis à des températures ambiantes extrêmement basses lors de leur utilisation,

il est souhaitable que le liquide diélectrique ait un point de coulée bas. L'abaissement du point de coulée qui est procuré par un mélange des deux constituants assure que le diélectrique liquide ne cristallise pas et reste à l'état liquide sur tout l'intervalle utile de température d'utilisation du condensateur.

Le liquide diélectrique proposé, selon l'invention a un point de coulée plus bas que les diphényles polychlorés pour condensateurs. Le résultat est que le condensateur selon l'invention peut être utilisé jusqu'à une température de pas plus de — 45° C, et même à des températures de pas plus de — 60° C, suivant la composition du mélange des constituants utilisés dans le diélectrique liquide.

On a constaté que la plupart des condensateurs présentent une médiocre fiabilité de fonctionnement aux basses températures. Les condensateurs que l'on laisse se stabiliser aux températures très basses sous contrainte électrique sont particulièrement enclins à tomber prématurément en panne, surtout si le système est mis en service à une température très basse. Pour cette raison, il est important que le condensateur présente des pertes importantes aux basses températures, car ces pertes importantes obligent à opérer à des températures plus élevées du diélectrique, pour lesquelles on sait que la fiabilité est meilleure. Ainsi donc, les caractéristiques de pertes diélectrique du condensateur selon l'invention sont élevées aux basses températures, ce qui constitue une exigence fondamentale,

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

615 528

6

et ce qui a pour effet d'améliorer la fiabilité du condensateur. Cette caractéristique, associée au bas point de coulée du liquide diélectrique, permet d'obtenir un ensemble diélectrique excellent à basse température.

La tension d'amorçage de décharge d'un condensateur pellicule-papier selon la présente invention, qui est imprégné du liquide diélectrique proposé, est plus élevée, sur l'intervalle normal de températures de fonctionnement du condensateur, que celle d'un condensateur similaire dont l'agent d'imprégnation est constitué par un diphényle polychloré. Pour procéder à la comparaison, on a construit des jeux d'échantillons de condensateur en utilisant deux feuilles de pellicule de polypropylène de qualité électrique, de 0,0125 mm, séparées par une feuille de papier kraft de 0,009 mm, formant les couches de diélectrique (74% de pellicule de polypropylène et 26% de papier kraft). On a placé ce diélectrique feuilleté entre des feuilles minces d'aluminium ayant une épaisseur nominale de 0,0063 mm.

On a imprégné les jeux d'échantillons de condensateur d'un diphényle polychloré pour condensateur (Aroclor 1016, qui est essentiellement un mélange de trichlorodiphényle et de tétrachloro-diphényle), additionné de 0,5% en poids d'un époxyde, l'adipate de bis-(3,4-époxy-6-méthylcyclohexylméthyle) (ERL-4289), jouant le rôle de nettoyeur.

On a imprégné d'autres jeux d'échantillons de condensateur avec le liquide diélectrique utilisé selon l'invention, qui était en l'occurrence un mélange de 17% en poids d'oxyde de monochlorodiphényle et de 83% en poids d'oxyde de monochlorobutyldiphényle, additionné de 0,% du même époxyde que ci-dessus.

On a séché sous vide tous les échantillons de condensateur, dans une étuve à 105°C pendant 48 h et sous un vide de moins de 100 n de mercure. Dans chaque cas, on a séché séparément sous vide le liquide diélectrique, à 20° C pendant 48 h et sous un vide de moins de 100 n de mercure. On a refroidi les condensateurs à 60° C, on a introduit les liquides diélectriques dans les enveloppes des condensateurs, et on les a laissés imbiber les plaques à une température de 60° C pendant 72 h tout en entretenant un vide de moins de 100 n au-dessus du liquide. Après cette période d'imbibition, on a relâché le vide au-dessus de chaque échantillon et on a fermé hermétiquement les condensateurs.

Dans tous les cas, on a fait fonctionner les échantillons de condensateur dans des conditions de contrainte électrique à la température ambiante pendant une durée de 24 h à 72000 V/mm. Après cette période de fonctionnement, on a déterminé la DIV à différentes températures comprises entre —45 et +90CC, les résultats de ces essais étant données par la fig. 4.

La fig. 4 donne les valeurs de la DIV en fonction de la température des échantillons de condensateur pellicule-papier imprégnés de diphényle polychloré (courbe B), et des échantillons imprégnés de la composition diélectrique proposée selon l'invention (courbe A), ces compositions ayant été décrites ci-dessus.

Comme le montre la fig. 4, les échantillons de condensateur réalisés selon l'invention possèdent une tension d'amorçage de décharge plus élevée, sur l'intervalle normal des températures de fonctionnement, que les échantillons de condensateur dont l'agent d'imprégnation est un diphényle polychloré. Par ailleurs, le creux caractéristique qui apparaît entre environ —20 et 0°C pour les échantillons de condensateur utilisant le diphényle polychloré n'apparaît pas dans les échangillons imprégnés de la composition diélectrique proposée selon l'invention. Cette absence du creux caractéristique est importante en ce qu'elle procure une marge de sécurité accrue, en assurant que la contrainte de fonctionnement normale se trouve bien en deçà de la tension d'effet corona, ou inversement, si le facteur de sécurité de l'ensemble est maintenu à peu près à la même valeur que celle qui est d'usage avec le diphényle polychloré, il est possible d'utiliser une contrainte plus élevée. Cela se traduit par un condensateur de plus petit volume avec la même puissance réactive.

Ces essais prouvent qu'il est possible de construire le condensateur selon l'invention de sorte que sa tension d'amorçage de décharge soit supérieure à 60 kV/mm à toutes les températures comprises entre —40° Cet +90°C.

D'autre part, le condensateur pellicule-papier selon la présente invention est stable dans les conditions de fonctionnement. La stabilité et la fiabilité de l'ensemble sont mises en évidence par les résultats donnés dans le tableau I ci-dessous. Pour obtenir ces résultats, on a procédé à des essais consistant à fabriquer une série d'échantillons de condensateur en utilisant deux feuilles de pellicule de polypropylène de 0,0019 mm et une feuille de papier kraft de 0,0009 mm comme matériau diélectrique, et à enserrer cette structure feuilletée entre des feuilles minces d'aluminium ayant une épaisseur nominale de 0,00063 mm.

On a imprégné ces échantillons de condensateur d'un mélange comprenant 17% d'oxyde de monochlorodiphényle et 83% d'oxyde de monochlorobutyldiphényle. En outre, on a utilisé 0,5% d'un additif époxyde (ERL-4289). On a traité des échantillons de condensateur pellicule-papier de la façon déjà décrite relativement aux essais de détermination de la tension d'amorçage de la décharge en fonction de la température.

Tableau I

N° de

DIV initiale

DIV après

DIV après l'échantillon mesurée,

fonctionne fonctionne

en kV/mm ment pendant ment pendant

192 h à 1800V,

192 h à 2100 V,

en kV/mm en kV/mm a

75,4

85,6

94,0

b

84,4

87,6

94,0

c

73,2

82,0

88,4

d

64,8

86,4

94,0

e

82,0

88,8

95,2

f

81,2

92,0

95,2

moyenne

76,8

86,8

93,6

Comme on peut le voir d'après le tableau I, le fonctionnement sous contrainte électrique a eu pour effet d'améliorer les valeurs de la DIV, et ce résultat est important, car il prouve que l'ensemble ne se détériore pas, mais au contraire s'améliore lorsqu'on l'utilise dans des conditions de contrainte électrique.

Le condensateur réalisé conformément à l'invention possède une DIV relativement élevée sur tout l'intervalle utile des températures, en procurant ainsi de bonnes caractéristiques d'effet corona, et il présente de faibles pertes diélectriques. La DIV plus élevée se traduit par une augmentation de la marge de sécurité, ce qui assure que le voltage par millimètre sera nettement inférieur à la DIV, ou bien permet d'augmenter le voltage par millimètre sans diminution de la marge de sécurité.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

R

1 feuille dessins

Claims

615 528 REVENDICATIONS

1. Condensateur électrique comprenant des couches alternées de feuille conductrice mince et d'un matériau diélectrique solide composé d'une pellicule de polymère et d'une matière fibreuse cellulosique, ce diélectrique solide étant imprégné d'une composition diélectrique liquide, caractérisé en ce que la composition diélectrique liquide contient en mélange un oxyde de diphényle mono-halogénê et un oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné dont le groupement alkyle comporte de 1 à 20 atomes de carbone.

2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélectrique solide se compose dé 30 à 90% en poids de pellicule de polymère et de 70 à 10% en poids de matière fibreuse cellulosique.

3. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule de polymère est une pellicule de polypropylène, et en ce que la matière fibreuse cellulosique est le papier.

4. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport pondéral entre l'oxyde de diphényle monohalogéné et l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné dans la composition diélectrique liquide est compris entre 5:95 et 95:5.

5. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de coulée de la composition diélectrique liquide est inférieur à — 20°C.

6. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition diélectrique liquide contient également un époxyde nettoyeur représentant de 0,1 à 10% du poids de la composition, et en ce que l'époxyde est choisi dans le groupe comprenant le l,2-époxy-3-phénoxypropane, l'adipate de bis-(3,4-époxy-6-méthyl-cyclohexylméthyle), le l-époxyéthyl-3,4-époxycyclohexane, le carboxylate de 3,4-époxycyclohexylméthyl-3,4-époxycyclo-hexane, le carboxylate de 3,4-époxy-6-méthylcyclohexylméthyl-3,4-époxy-6-méthylcyclohexane, et les mélanges des précédents.

7. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogène de l'oxyde de diphényle monohalogéné est le brome,

et l'halogène de l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné est le chlore.

8. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélectrique solide comprend 70 à 85% en poids de pellicule de polyoléfine, le reste étant formé par du papier.

9. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de diphényle monohalogéné est l'oxyde de monochloro-diphényle, et en ce que l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné est l'oxyde de monochlorobutyldiphényle.

10. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule de polymère est une pellicule de polypropylène, de polyéthylène ou de polyester, et en ce que le groupement alkyle de l'oxyde d'alkyldiphényle monohalogéné contient de 3 à 16 atomes de carbone.

11. Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il présente une tension d'amorçage de décharge de plus de 60 kV /mm à toutes les températures comprises entre — 40 et +90° C.

12. Procédé de fabrication d'un condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme un empilage de condensateur en enroulant des bandes alternées de la feuille mince conductrice et du matériau diélectrique solide, on introduit un ou plusieurs empilages ainsi formés dans une enveloppe de condensateur étanche, on y applique un vide de moins de 100 |i Hg jusqu'à l'élimination quasi totale du gaz à l'intérieur de l'enveloppe en maintenant la température de la pellicule de polymère du diélectrique solide en dessous de 60° C, on applique séparément à la composition diélectrique liquide contenant les deux composants définis à la revendication 1 dans un rapport pondéral de 5:95 à 95:5, un vide de moins de 500 n Hg tout en agitant le liquide, jusqu'à l'élimination quasi totale du gaz du liquide tout en maintenant la température du liquide en dessous de 60" C, on introduit le liquide dégazé dans l'enveloppe, on applique au liquide à l'intérieur de l'enveloppe un vide de moins de 100 n Hg tout en maintenant la température de la pellicule de polymère en dessous de 60° C, et l'on ferme hermétiquement l'enveloppe.