ES2284868T3 - Fluido dielectrico. - Google Patents
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Abstract
Un condensador eléctrico (10), que comprende una carcasa (11) y un fluido dieléctrico (22) en la carcasa, en el que el fluido dieléctrico comprende 70 a 90% en peso de monobenciltolueno y 10 a 30% en peso de difeniletano.
Description
Fluido dieléctrico.
La invención se refiere a un fluido dieléctrico,
en particular un fluido dieléctrico para un condensador.
Los condensadores son dispositivos eléctricos
que pueden ser usados para almacenar una carga eléctrica. Un
condensador puede incluir un conjunto de condensadores que contiene
placas conductoras separadas por un material no conductor, tal como
una película de polímero. Las placas conductoras y la película de
polímero pueden estar enrolladas para formar bobinas, que pueden
ser albergadas en una carcasa, tal como un alojamiento metálico o
de plástico. La carcasa protege y aísla eléctricamente las bobinas
del medio ambiente. En condensadores con corrección del factor de
potencia, las bobinas están normalmente sumergidas en un fluido
dieléctrico. El fluido dieléctrico sirve como un material aislante
que puede ayudar a evitar una descarga eléctrica entre las placas
en el condensador. Si estos espacios no son rellenados con un
material dieléctrico adecuado, se puede producir una descarga
parcial bajo un esfuerzo eléctrico, conduciendo al fallo del
dispositivo. Los fluidos dieléctricos convencionales incluyen
fenil-ortoxilil-etano,
isopropil-bifenilo, una mezcla de
metil-difenil-etano y alquilo
inferior-difenilo, mono- y
di-benciltolueno o
fenil-xilil-etano.
El documento
EP-A-262454 describe una composición
de aceite aislante de la electricidad que es adecuada para ser
usada en condensadores eléctricos de impregnación. La composición de
aceite aislante de la electricidad comprende al menos cuatro
miembros seleccionados entre un grupo que comprende (a)
m-etilbifenilo, (b) p-etilbifenilo,
(c) o-benciltolueno, (d)
m-benciltolueno, (e)
p-benciltolueno, (f)
1,1-difeniletano y (g)
1,1-difeniletano.
El documento
EP-A-0262456 describe una
composición de aceites aislantes eléctricos que es adecuada para ser
usada en condensadores rellenos de aceites de impregnación, y la
composición de aceites comprende una mezcla de hidrocarburos
aromáticos que tienen estructuras de difenilmetano.
El documento
US-A-4744000 describe una
composición dieléctrica para ser usada en condensadores eléctricos
que contienen una mezcla de monobenciltolueno y
fenil-xilil-etano.
Los documentos
US-A-6154357 y
US-A-6010743 describen un
condensador eléctrico preparado mediante un procedimiento de
impregnación doble.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un condensador eléctrico que comprende una carcasa y un
fluido dieléctrico en la carcasa, en que el fluido dieléctrico
comprende 70 a 90% en peso de monobenciltolueno y 10 a 30% en peso
de difeniletano.
El fluido dieléctrico puede consistir
esencialmente en 70 a 90% en peso de monobenciltolueno, 10 a 30% en
peso de difeniletano y hasta 5% en peso de un depurador.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, se proporciona un fluido dieléctrico que comprende 70 a
90% en peso de monobenciltolueno, 5 a 35% en peso de difeniletano y
hasta 5% en peso de un depurador.
De acuerdo con un tercer aspecto de la
invención, se proporciona un método para preparar un condensador
eléctrico que comprende: proporcionar una carcasa y añadir un
fluido dieléctrico a la carcasa, en que el fluido dieléctrico
comprende 70 a 90% en peso de monobenciltolueno y 10 a 30% en peso
de difeniletano.
El condensador puede incluir conjuntos de
condensadores dispuestos en la carcasa. El condensador puede tener
un voltaje de extinción de más de 3,0 kV a 60ºC.
Los detalles de una o más realizaciones se
exponen en los dibujos que se acompañan y la descripción siguiente.
Otras características y ventajas serán evidentes a partir de la
descripción y los dibujos y a partir de las reivindicaciones.
La figura 1 es una lista en perspectiva de un
condensador.
La figura 2 es una lista en perspectiva de un
conjunto de condensadores.
Los símbolos de referencia análogos en los
diversos dibujos indican elementos análogos.
Haciendo referencia a la figura 1, un
condensador 10 incluye una carcasa 11, que contiene conjuntos de
condensadores 14. El tubo de relleno 12 está colocado en la parte
superior de la carcasa 11, lo que permite que la zona interna del
condensador sea secada bajo presión reducida y permite que se añada
fluido dieléctrico 22 al condensador.
\newpage
Haciendo referencia a la figura 2, el conjunto
14 de condensadores incluye dos capas enrolladas de hoja metálica
15, 16 separadas por una capa dieléctrica 17. La capa dieléctrica 17
puede estar compuesta por múltiples capas. Las hojas 15, 16 están
desplazadas con respecto a la capa dieléctrica 17 y una respecto a
otra, de forma que la hoja 15 se extiende por encima de la capa
dieléctrica 17 en la parte superior 18 del conjunto y la hoja 16 se
extiende por debajo de la capa dieléctrica 17 en la parte inferior
19 del conjunto.
Haciendo referencia a la figura 1, los conjuntos
14 de condensadores pueden estar conectados conjuntamente mediante
un engarce 20 que mantiene las partes extendidas de las hojas 15, 16
de un conjunto en contacto íntimo con las hojas extendidas de los
conjuntos adyacentes. Las partes extendidas de las hojas 15, 16
pueden estar aisladas de los conjuntos adyacentes para proporcionar
una disposición en serie de los conjuntos 14 en el condensador 10.
Después de que el fluido dieléctrico 22 ha sido añadido al
condensador 10 a través del tubo 12, la zona interna del
condensador es sellada por ejemplo, engarzando el tubo 12. Dos
terminales 13, que están eléctricamente conectados a los engarces
cerca de los conjuntos de los extremos mediante alambres de plomo
(no mostrados) sobresalen a través de la parte superior de la
carcasa 11. Al menos un terminal está aislado de la carcasa 11. Los
terminales 13 pueden estar conectados a un sistema eléctrico.
Haciendo referencia a la figura 2, las hojas 15,
16 pueden estar formadas por cualquier material conductor de la
electricidad deseado, tal como, por ejemplo, aluminio, cobre, cromo,
oro, molibdeno, níquel, platino, plata, acero inoxidable o titanio.
La capa dieléctrica 17 puede estar compuesta por una película
polímera o pasta papelera kraft. La película polímera puede estar
hecha, por ejemplo, de polipropileno, polietileno, poliéster,
policarbonato, poli(tereftalato de etileno),
poli(fluoruro de vinilideno), polisulfona, poliestireno,
poli(sulfuro de fenileno) politetrafluoroetileno o polímeros
similares. La superficie de la capa dieléctrica 17 o las hojas 15,
16 tienen irregularidades o deformaciones superficiales suficientes
para permitir que el fluido dieléctrico penetre en el conjunto
enrollado e impregne los espacios entre las hojas y la capa
dieléctrica.
El fluido dieléctrico está compuesto por una
mezcla de monobenciltolueno y defeniletano. El monobenciltolueno
puede ser una mezcla de isómeros de monobenciltolueno. En
particular, el monobenciltolueno puede incluir combinaciones de
orto-monobenciltolueno,
meta-mobenciltoluneo y
para-benciltolueno. En composiciones particulares,
el monobenciltolueno puede incluir menos de 6% de
orto-monobencil-tolueno,
52-64% de meta-monobenciltolueno y
30-42% de para-monobenciltolieno.
El difeniletano puede incluir 1,1-difeniletano y
1,2-difeniletano. El difeniletano puede incluir más
de 50%, 70%, 80% o 90% en peso de 1,1-difeniletano,
siendo generalmente preferidos los niveles superiores. El
difeniletano puede incluir también menos de 50%, 30%, 20% o 10% en
peso de 1,2-difeniletano, siendo preferidos los
niveles inferiores. En aplicaciones particulares, el difeniletano
puede ser una mezcla que incluye 92% a 98% en peso de
1,1-difeniletano y 8% a 2% en peso de
1,2-difeniletano.
El fluido dieléctrico puede incluir un
depurador. El depurador puede neutralizar los productos de
descomposición que son liberados o generados en el condensador
durante su funcionamiento. El depurador puede mejorar la vida de
servicio del condensador. El fluido dieléctrico puede incluir hasta
5% en peso y, en algunas aplicaciones, de aproximadamente 0,01% a
2% en peso de un depurador. El depurador puede ser un compuesto
epoxi, un compuesto epoxi que es soluble en el fluido dieléctrico.
Los compuestos epoxi adecuados incluyen
1,2-epoxi-3-fenoxipropano,
bis(3,4-epoxicliclohexilmetil)adipato,
3,4-epoxicliclohexilmetil(3,4-epoxi)ciclohexanocarboxilato,
bis(3,4-epoxi-6-metilciclohexilmetil)adipato,
3,4-epoxiciclohexilmetil-(3,4-epoxi)ciclohexano-carboxilato,
bis(3,4-epoxi-6-metilciclohexilmetil)adipato,
3,4-epoxi-6-metilciclohexilmetil-4-epoxi-6-metilciclohexanocarboxilato,
diglicidil-éteres de bisfenol A, o compuestos similares.
El fluido dieléctrico puede incluir también
hasta 1,0% en peso de un antioxidante y, en algunas aplicaciones,
0,01% a 0,2%. El antioxidante puede ser un fenol, tal como un fenol
con impedimento estérico. El fenol con impedimento estérico puede
ser di-t-butilfenol,
di-t-butilparacresol, u otros
fenoles con impedimento estérico. Además, el fluido dieléctrico
puede incluir hasta 2% en peso y, en algunas aplicaciones, 0,01% a
0,5% en peso de un agente para mejorar la resistencia a la
descarga, tal como un compuesto de antraquinona que incluye, por
ejemplo, antraquinona, \beta-metilantraquinona o
\beta-cloroantraquinona.
El fluido dieléctrico puede tener una viscosidad
suficientemente baja para permitir un rellenado completo y rápido
del condensador. La viscosidad puede ser determinada mediante la
norma ASTM D445. La viscosidad puede ser de menos de 13 centistokes
a -20ºC, menos de 2,60 centistokes a 40ºC y menos de 1,08
centistokes a 100ºC. El fluido dieléctrico puede tener una presión
de vapor de menos de 12 x 10^{-3} Torr a 25ºC, medida por
cromatografía de gases, como se describe, por ejemplo, en la
publicación Anal. Chem. (1984) 56:2490-2496.
El fluido dieléctrico es añadido al condensador
después de que el condensador es secado bajo presión reducida.
Específicamente, la carcasa del condensador que contiene los
conjuntos de condensadores puede ser secada durante un período de
tiempo suficiente para separar vapor de agua y otros gases del
interior del condensador. Habitualmente es empleada una presión de
menos de 500 micrómetros, con algunas aplicaciones que usan una
presión por debajo de 100 micrómetros. Puede ser usado un período
de secado más largo que 40 horas, aunque el período de tiempo
depende de la magnitud de la presión reducida. El secado puede tener
lugar a una temperatura mayor que la temperatura ambiente y,
generalmente, puede ser realizado a temperaturas menores que
60ºC.
El fluido dieléctrico es también desgasificado
antes de introducirlo en el condensador. El fluido puede ser
sometido a un tratamiento a presión reducida, por ejemplo, a una
presión de menos de 200 micrómetros, o menos de 100 micrómetros. El
fluido puede ser agitado, por ejemplo, por circulación, agitación o
mezcladura, para ayudar en el procedimiento de desgasificación. El
tiempo de desgasificación depende de la viscosidad del fluido, la
magnitud de la presión reducida y el tipo de agitación usada. En
general, el fluido puede ser desgasificado durante 12 horas o más.
La temperatura del fluido durante la desgasificación puede ser
mantenida a una temperatura por debajo de 60ºC, tal como la
temperatura ambiente.
El fluido dieléctrico desgasificado puede ser
introducido en la carcasa vacía del condensador añadiendo el fluido
al condensador a través del tubo. Después del rellenado, puede ser
aplicada una presión reducida al interior del condensador para
distribuir el fluido en los conjuntos. Puede ser usado un tiempo de
distribución de 12 horas o más. Seguidamente puede ser aplicada una
presión positiva, por ejemplo, en el intervalo de aproximadamente
0,007 a 0,34 bares al interior del condensador durante un período de
aproximadamente 6 horas o más para ayudar a impregnar los conjuntos
con el fluido. La carcasa puede ser seguidamente sellada, por
ejemplo, mientras se mantiene alguna presión positiva.
Las viscosidades de tres composiciones de fluido
dieléctrico que incluyen monobenciltolueno y difeniletano fueron
ensayadas de acuerdo con la norma ASTM D445. Los resultados se
recogen en la tabla 1. Las composiciones dieléctricas que incluían
más de 60% en peso de monobenciltoluneo (ejemplo 2 y ejemplo 3)
tenían viscosidades inferiores a -20ºC, 40ºC y 100ºC que un fluido
comparativo (ejemplo comparativo 1). Las composiciones incluían
0,7% en peso de
bis(3,4-epoxiciclohexilmetil)adipato.
Las presiones de vapor globales de los compuestos del fluido
dieléctrico determinadas por cromatografía de gases se recogen en la
tabla 2 como se describe, por ejemplo, en la publicación Anal.
Chem. (1984)56:2490-2496. Las viscosidades y
presiones de vapor inferiores pueden mejorar la capacidad del
tratar los condensadores bajo presiones reducidas más extremas y
mejorar la impregnación de la capa dieléc-
trica.
trica.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se elaboraron muestras de minicondensadores para
ensayar el rendimiento de los fluidos dieléctricos. Los
minicondensadores tenían las siguientes características: grosor de
las láminas de 25,4 micrómetros, régimen de 2200 V, 381 micrómetros
de área activa y 14-15 nf de capacitancia. Fueron
ensayados minicondensadores que contenían tres composiciones de
fluidos dieléctricos. Las composiciones de los fluidos fueron como
sigue:
Los condensadores fueron rellenados como sigue.
Las carcasas fueron colocadas en una cámara a vacío a temperatura
ambiente bajo condiciones atmosféricas y seguidamente fue aplicado
un vacío durante cuatro días a un nivel entre 25 y 6 micrómetros de
Hg. Después de está etapa, el fluido fue introducido en la cámara a
vacío para impregnar el condensador. El nivel de vacío en la cámara
no sobrepasó los 50 micrómetros durante el rellenado y la
impregnación, y fue mantenido durante cuatro días.
Los condensadores fueron sometidos a los
siguientes niveles de tensiones a una temperatura ambiente de 60ºC
para envejecer los condensadores:
\hskip0.8cm
Se realizaron ensayos para determinar el voltaje
inicial de descarga y el voltaje de extinción de descarga a 60ºC
para minicondensadores que contenían el fluido del ejemplo
comparativo 1, ejemplo 2 y ejemplo 3. Los valores de la
capacitancia y tan delta fueron determinadas usando un puente
medidor de tan delta y de capacitancia Haefely de tipo 470 y un
detector de tan delta cero y de capacitancia Haefely de tipo 471
(para equilibrar). La descarga parcial fue ensayada usando un
suministro de voltaje que incluía un modulo de control y medición
del sistema de prueba de alto voltaje americano AC DIE 600D. La
descarga parcial real se midió con un detector de descarga parcial
Biddle. Los parámetros del ensayo para ensayar la descarga parcial
para el voltaje inicial de descarga fueron: 1000 V/s hasta
aproximadamente 3500 V rms, después de este voltaje la velocidad se
cambia a 100 V/s hasta el voltaje inicial de descarga. Los
parámetros del ensayo para ensayar la descarga parcial para el
voltaje de extinción de descarga fueron: 1000 V/s hasta 4000 V rms,
100 V/s hasta la detección del voltaje de extinción.
Los datos del ensayo se recogen en la tabla
3.
El voltaje de extinción de descarga a 60ºC de
los minicondensadores que incluían fluido dieléctrico que contenía
más de 65% en peso de monobenciltolueno después de 10000 horas es
mejorado en comparación con el rendimiento del minicondensador que
contenía el fluido del ejemplo comparativo 1.
El rendimiento de los condensadores de
prototipos de tamaño real que contenían el fluido dieléctrico fue
ensayado bajo un diversidad de condiciones (200 kVAR, voltaje
regulado de 7200 V, grosor de la lámina de 30,48 micrómetros, 81%
en peso de monobenciltolueno, 19% en peso de difeniletano). Los
resultados de los ensayos se recogen en la tabla 4.
El condensador se hizo funcionar durante 24
horas a un voltaje regulado de 55ºC. El voltaje fue seguidamente
elevado hasta un 125% del voltaje regulado y el condensador se hizo
funcionar durante otras 72 horas a 55ºC. La temperatura de la
superficie del depósito del condensador fue verificada durante todo
este período. El condensador superó satisfactoriamente el ensayo si
la temperatura del depósito se estabilizaba a menos de un cambio de
3ºC durante un período de 24 horas y no se producía un corte del
fluido dieléctrico.
El condensador fue equilibrado, y sometido a
desactivación de energía a 55ºC durante una noche. La temperatura
ambiente se mantuvo a 55ºC durante el ensayo. El condensador fue
sometido a activación de la energía y se hizo funcionar durante 30
minutos a un 130% del voltaje regulado. El condensador fue
seguidamente sometido a desactivación de energía durante un período
de al menos 4 horas. Posteriormente a la desactivación de la
energía, el condensador fue sometido a reactivación de la energía y
se hizo funcionar durante 30 minutos a un 140% del voltaje
regulado. El condensador fue sometido desactivación de la energía
durante una noche. Los ciclos de desactivación de la
energía/reactivación de la energía fueron repetidos a un voltaje
creciente (es decir, a 150%, 160%, 170%, 180% y 190% del voltaje
regulado) hasta que se produjo un fallo del fluido dieléctrico.
Fue aplicado al condensador durante 10 segundos
un voltaje CC de 4,3 veces el voltaje regulado (rms). El condensador
superó satisfactoriamente el ensayo si no se producía una corte del
fluido dieléctrico.
El condensador se hizo funcionar a un 130% del
voltaje regulado durante 65 horas a temperatura ambiente. El
condensador superó satisfactoriamente el ensayo si no se producía un
corte del fluido dieléctrico.
El condensador fue equilibrado, con la energía
desactivada, a -40ºC durante una noche. La temperatura ambiental
fue mantenida a -40ºC durante todo el ensayo. Se activó la energía
del condensador y se hizo funcionar durante 30 minutos a un 130%
del voltaje regulado. Seguidamente se desactivó la energía del
condensador durante un período de al menos 4 horas. Después de
desactivar la energía, el condensador fue sometido a una
reactivación de la energía y se hizo funcionar durante 30 minutos a
un 140% del voltaje regulado. El condensador fue sometido a una
desactivación de la energía durante una noche; las etapas de
reactivación de la energía/desactivación de la energía fueron
repetidas a un voltaje creciente (es decir, a 150%, 160%, 170%, y
180% del voltaje regulado) hasta que se produjo un fallo del fluido
dieléctrico.
El rendimiento del condensador prototipo que
contenía el fluido del ejemplo 2 fue mejorado con relación al
condensador prototipo que contenía el fluido del ejemplo comparativo
2.
Se han descrito un cierto número de
realizaciones de la invención.
Además de en condensadores de corrección del
factor de potencia, el fluido dieléctrico puede ser usado en otros
condensadores, tales como condensadores de almacenamiento de
energía, condensadores de filtración, condensadores de descarga de
corriente elevada, así como otros dispositivos eléctricos que
requieran un líquido aislante dieléctrico para limitar la aparición
de descargas parciales en los espacios entre conductores de
potencial eléctrico diferente.
Claims (10)
1. Un condensador eléctrico (10), que comprende
una carcasa (11) y un fluido dieléctrico (22) en la carcasa, en el
que el fluido dieléctrico comprende 70 a 90% en peso de
monobenciltolueno y 10 a 30% en peso de difeniletano.
2. El condensador (10) de la reivindicación 1,
en el que el fluido dieléctrico (22) incluye hasta 5% en peso de un
depurador.
3. El condensador (10) de la reivindicación 1,
en el que el fluido dieléctrico (22) incluye 0,01% a 2% en peso de
un depurador.
4. El condensador (10) de la reivindicación 1,
que comprende adicionalmente conjuntos de condensadores dispuestos
en la carcasa (11).
5. Un condensador eléctrico (10) de acuerdo con
la reivindicación 1, en el que el fluido dieléctrico (22) consiste
esencialmente en 70 a 90% en peso de monobenciltolueno, 10 a 30% en
peso de difeniletano y hasta 5% en peso de un depurador.
6. Un fluido dieléctrico (22) que comprende 70 a
90% en peso de monobenciltolueno, 5 a 35% en peso de difeniletano y
hasta 5% en peso de un depurador.
7. Un método para preparar un condensador
eléctrico (10), que comprende:
proporcionar una carcasa (11); y
añadir un fluido dieléctrico (22) a la carcasa,
comprendiendo el fluido dieléctrico 70 a 90% en peso de
monobenciltolueno y 10 a 30% en peso de difeniletano.
8. El método de la reivindicación 8, en el que
el fluido dieléctrico (22) es añadido con la carcasa (11) bajo
presión reducida.
9. Un condensador eléctrico (10) de acuerdo con
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende una
carcasa (11) y un fluido dieléctrico (22) en la carcasa,
comprendiendo el fluido dieléctrico monobenciltolueno y
difeniletano, teniendo el condensador un voltaje regulado y no
superando un ensayo de esfuerzo por etapas a 55ºC a más de un 180%
del voltaje regulado.
10. El condensador (10) de la reivindicación 9,
en el que el condensador no supera un ensayo de esfuerzo por etapas
a -40ºC a más de un 160% del voltaje regulado.
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