DE2731869B2 - Elektrisch isolierende Flüssigkeit - Google Patents

Elektrisch isolierende Flüssigkeit

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Description

>o
Cyclohexylen, Arylen und/oder Halogenarylen steht, wobei R"" Wasserstoff, Halogen, Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl und/oder Phenyl bedeuten, y nicht größer als 18 ist, ζ einen Wert zwischen 1 und 16 bedeutet und die Reste R'" insgesamt nicht mehr als 18 Kohlenstoffatome enthalten.
25
JO
Bei zahlreichen elektrischen Vorrichtungen braucht man elektrisch isolierende Flüssigkeiten. Solche Flüssigkeiten haben eine erheblich höhere Durchschlagsspannung als Luft, und ihre Verwendung in derartigen js Vorrichtungen führt zu einer erheblichen Steigerung der Durchbruchsparinung. Die Entwicklung elektrischer Vorrichtungen, die mit immer höher werdender Spannung arbeiten, bedeutet, daß die hierbei verwendeten elektrisch isolierenden Flüssigkeiten stets höher werdenden Beanspruchungen ausgesetzt sind. Es wird daher ständig an der Entwicklung neuer elektrisch isolierender Flüssigkeiten mit besseren Eigenschaften gearbeitet.
Kondensatoren und andere Vorrichtungen zum Korrigieren des Leistungsfaktors können nun durch Korona- oder Teilentladungen leicht beschädigt oder zerstört werden. Ein Kondensator, bei dem eine Koronaentladung auftritt, erreicht daher nur eine Lebensdauer von wenigen Stunden oder sogar nur Minuten, statt 20 Jahre lang zu halten. Bei einem in der richtigen Weise mit einer Isolierflüssigkeit imprägnierten Kondensator tritt praktisch bis zu einer Spannung, die mindestens dem Doppelten der Nennspannung entspricht, keine Koronaentladung auf. Wird eine elektrisch isolierende Flüssigkeit im Betrieb zunehmend beansprucht, dann wird jedoch ein Punkt erreicht, an dem der Durchschlag erfolgt. Die Spannung, bei der bei einem Kondensator plötzlich eine Koronaentladung auftritt, wird als Koronaauslösungsspannung bezeich- e,o net. Diese Spannung richtet sich unter anderem nach der Geschwindigkeit, mit der die Spannung angelegt wird. Zwischen verschiedenen Isolierflüssigkeiten bestehen dabei erhebliche Unterschiede bezüglich ihrer Empfindlichkeit gegenüber der Anstiegsgeschwindig- «,5 keit der Spannung. Durch eine Herabsetzung der Spannung erlöscht die Koronaentladung jedoch wieder. Bei der sogenannten Koronalöschspannung handelt es sich bei der betreffenden Flüssigkeit allerdings nicht um einen festen Wert, sondern diese Spannung ist eine Funktion der Intensität der Koronaentladung vor dem Herabsetzen der Spannung. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse müssen Koronaauslösespannung und Koronalöschspannung möglichst hoch und möglichst dicht beieinander liegen.
Mit Ausnahme bestimmter spezieller Anwendungsfälle werden an Stelle von Mineralöl seit etwa 1930 in elektrischen Vorrichtungen mehrfach chlorierte Biphenylverbindungen verwendet. Weitere elektrisch isolierende Flüssigkeiten einschließlich bestimmter Siloxane werden in US-PS 23 77 689, US-PS 38 38 056, GB-PS 8 99 658 und GB-PS 8 99 661 beschrieben. Elektrisch isolierende Flüssigkeiten aus einem flüssigen Siloxan und einem Zusatzstoff, in geringer Menge gehen beispielsweise aus DE-OS 26 08 447 (US-PS 39 58 789), DE-OS 26 08 464 und US-PS 39 84 338 ,lervor. In DE-AS 12 81 003 wird schließlich bereits vorgeschlagen, bestimmte Carbonsäureester als elektrisch isolierende Flüssigkeiten für elektrische Vorrichtungen zu verwenden.
Die mehrfach chlorierten Biphenylverbindungen werden als elektrisch isolierende Flüssigkeiten aus Umweltschutzgründen nun jedoch zunehmend abgelehnt, wobei sie zudem den immer höher werdenden Anforderungen auch nicht mehr genügen.
Auch die als Ersatz hierfür entwickelten elektrisch isolierenden Flüssigkeiten auf Basis verschiedener Siloxane, von Gemischen aus solchen Siloxanen und bestimmter Zusatzstoffe oder auf Basis bestimmter Carbonsäureester werden den an solche Medien gestellten Anforderungen nicht voll gerecht, d. h. sie stellen keine elektrisch isolierende Flüssigkeiten dar, bei denen Koronaauslösespannung und Koronalöschspannung im gewünschten Maße hoch und dicht beieinander liegend sind.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine elektrisch isolierende Flüssigkeit zu schaffen, die einen wenigstens gleichwertigen Ersatz für die umweltfreundlichen mehrfach chlorierten Biphenylverbindungen und eine, durch hohe und dicht beieinander liegende Werte für die Koronalösespannung und die Koronalöschspannung, Verbesserung gegenüber den anderen bekannten elektrisch isolierenden Flüssigkeiten darstellen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäß verwendbaren flüssigen Polyorganosiloxane bestehen in erster Linie aus Siloxaneinheiten der Formel R2SiO, und sie können auch kleine Mengen an Siloxaneinheiten der Formeln
R3S1O1/2, RSiO3/;! und SiO</2
enthalten. Von besonderem Interesse sind flüssige Polyorganosiloxane der allgemeinen Formel
R3SiO(R2SiO)^SiR3.
Ebenfalls von Interesse sind flüssige Polyorganosiloxane der allgemeinen Formel
(RO)R2SiO(R2SiO)^iR2(OR').
In den vorstehenden Formeln handelt es sich bei den Resten R vorzugsweise um Kohlenwasserstoffreste oder halogenierte Kohlenwasserstoffreste. Beispiele für geeignete Reste R sind Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl, Decyl, Dodecyl, Octadecyl, Vinyl, Allyl, Cyclohexyl, Phenyl, Xenyl. ToIyI, XyIyI, Benzyl, 2-Phenyläthyl,
3-Chlorpropyl, 4-Brombutyl, 3,3,3-Trifluorpropyl, Dichlorphenyl oder «^A-Trifluortolyl, Vorzugsweise enthält der Rest R 1 bis 6 Kohlenstoffatome, wobei Methyl, Vinyl und Phenyl besonders bevorzugt werden. Beim Rest R' handelt es sich beispielsweise um Alkyl mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, wie Methyl, Äthyl, Isopropyl, t-Butyl, Pentyl oder HexyL
Beispiele für Säuren, aus denen die erfindungsgemäß als Zusatzstoffe verwendeten Ester gebildet sein können, sind Oxalsäure, Malonsäure, Phenylmalonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Maleinsäure, Chlormaleinsäure, Brommaleinsäure, Fumarsäure, Chlorfumarsäure, Bromfumarsäure, Mesaconsäure, Citraconsäure, Itaconsäure, Kohlensäure, Benzoldicarbonsäure, Biphenyldicarbonsäure, Naphtaiindicarbonsäure, Cyclohexandicarbonsäure, Tetrahydrophthalsäure sowie Pyroweinsäure. Der Esterteil solcher Ester enthält vorzugsweise 1 bis 18 und insbesondere 4 bis 10 Kohlenstoffatomc. Beispiele solcher Estergruppen sind Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, t-Butyl, Amy!, Hexyl, Octyl, 2-Äthylhexyl-, Decyl, Dodecyl oder Octadecyl. Die Estergruppen der zweibasischen Säuren können gleich oder verschieden sein. Ester von Säuren der allgemeinen Formel
-CR""=CR"",
worin R"" Wasserstoff bedeutet, werden gegenwärtig bevorzugt.
Die erfindungsgerpäße elektrisch isolierende Flüssigkeit kann auch kleine Mengen bekannter üblicher Zusatzstoffe entkalten, wie Chlort-, asserstoffakzeptoren, Korrosionsschutzmittel ut.d andere Stoffe, die bei solchen Massen normalerweise ver /endet werden, sofern solche Zusätze das Betriebsverhalten dieser Flüssigkeiten nicht beeinträchtigen.
Die beiden wichtigsten Arten von elektrischen Vorrichtungen, bei denen die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrisch isolierenden Flüssigkeit Vorteile bietet, sind Kondensatoren und Transformatoren. Ferner können die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten sehr vorteilhaft bei weiteren elektrischen Vorrichtungen verwendet werden, wie elektrischen Kabeln, Gleichrichtern, Elektromagneten, Schaltern, Sicherungen oder Trennschaltern, und als Kühl- und Isoliermittel für elektrisch isolierende Vorrichtungen, wie Sender, Empfänger, Rücklaufspulen oder Sonarbojen. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse soll die Viskosität der betreffenden erfindungsgemäßen elektrisch isolierenden Flüssigkeit im Bereich von 5 bis 500 χ ΙΟ-6 m2/s (5 bis 500 Centistoke) bei 25° C liegen. Bei einer Viskosität von über 500 χ 10-6m2/s (500 Centistoke) sind die Flüssigkeiten nur schwer als Imprägniermittel zu verwenden, und bei weniger als 5 χ 10~6m2/s (5 Centisioke) ergeben sich Schwierigkeiten infolge ihrer Flüchtigkeit, wenn sie nicht in einem geschlossenen System verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert. Hierbei sind alle Mengen- und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, und alle Viskositätswerte bei 25° gemessen, sofern nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
Es wurde eine Auswahlprüfung für elektrisch isolierende Flüssigkeiten entwickelt, von der angenommen wird, daß sie in einer engen Beziehung zu den mit
ίο
Hilfe von Prüfkondensatoren erzielten Ergebnissen steht Bei dieser Prüfung wird als Hauptgerät ein Koronadetektor der Bauart Biddle mit einem manuell zu betätigenden Variacregler benutzt Die Prüfzelle ist als zylindrischer Behälter aus Glas ausgebildet Der Boden der Zelle besteht aus einem mit keramischem Material gefüllten Kunststoff mit einer direkt geerdeten Platte aus nichtrostendem Stahl. Ferner gehör*, zu dem Behälter ein Deckel aus nichtrostendem Stahl, an dem eine mittels eines Mikrometers verstellbare Hochspannungselektrode befestigt ist, die an ihrem freien Ende eine Tonabnehmernadel aus Stahl trägt Die Spitze dieser Nadel ist in einem Abstand von 0,0635 cm von dem geerdeten Boden angeordnet In die mit der Elektrode verbundene Hochspannungsleitung ist ein Widerstand von 1,67 χ 108OhIn eingeschaltet, der zur Begrenzung der Stromstärke dient
Zur Durchführung einer Prüfung werden einige wenige Kubikzentimeter der zu prüfenden Flüssigkeit in den Behälter eingebracht und der Deckel wird aufgelegt. Wird die Spannung erhöht tritt zwischen der Spitze der Elektrode und der Erdungsplatte eine Teilentladung auf. Hierdurch wird ein Strom gezogen, durch den die angelegte Spannung bis unterhalb des Entladungspegels verringert wird. Wird kein Strom gezogen, entspricht die angelegte Spannung erneut dem TeilentladungspotentisK Hierauf wird durch Entladungen erneut ein Strom gezogen, und der Prüfvorgang wird wiederholt Somit wird der Strom praktisch sehr schnell abwechselnd ein- und ausgeschaltet, und daher kann bei der Flüssigkeit niemals ein vollständiger Durchschlag stattfinden.
Während der Prüfung wird die angelegte Spannung durch Verstellen des Variacs langsam gesteigert Die Teilentladungen werden auf dem Oszillographenbildschirm des Coronadetektors beobachtet. Der Punkt, an dem das elliptische Lissajous-Muster auf dem Bildschirm mit Entladungen überflutet wird und bei dem die Zelle ein ständiges hörbares Prasseln erzeugt, wird als die Coronaauslösungsspannung registriert. Die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung beträgt z. B. einige Hundert V/s. Nachdem die Coronaauslösungsspannung ermittelt worden ist, wird die Spannung langsam herabgesetzt, bis das elliptische Lissajous-Muster auf dem Bildschirm wieder zu erkennen ist, da die Entladungen teilweise aufhören. Der Punkt, an dem dies stattfindet, wird als die Koronalöschspannung registriert.
Es wurden mehrere elektrisch isolierende Flüssigkeiten hergestellt, die praktisch zu 95% aus einem flüssigen trimethylsilylendblockierten Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 50 χ 10-6m2/s (50 Centistoke) und 5% verschiedenen Estern verschiedener zweibasischer Säuren bestanden. Zu Vergleichszwecken wurden diese Flüssigkeiten der vorstehend beschriebenen Auswahlprüfung ebenso unterzogen wie das flüssige trimethylsilylendblockierte Siloxan allein. Die jeweils verwendeten Ester sind in der nachstehenden Tabelle I genannt, in der auch die Versuchsergebnisse angegeben sind.
Beispiel 2
Es wurden mehrere Kondensatoren von etwa 0,01 Mikrofarad aus zwei Schichten von Polypropylenfilm mit einer Stärke von 0,00127 cm und einer Schicht Kraftpapier mit einer Stärke von 0,00102 cm gewickelt. Dann wurden mehrere elektrisch isolierende Flüssigkeiten hergestellt, die praktisch zu etwa 90% aus flüssigem trimethylsilylendblockierten Polydimethylsiloxan mit
einer Viskosität von 5 χ 1O-6m2/s (5 Centistoke) und etwa 10% verschiedener Ester verschiedener zweibasischer Säuren bestanden. Mit diesen elektrisch isolierenden Flüssigkeiten wurden die genannten Kondensatoren imprägniert, um eine Prüfung hinsichtlich der Koronaentladung zu ermöglichen. Zum Anlegen einer Spannung an die zu prüfenden Kondensatoren wurde ein Koronadetektor der Bauart Biddle mit einem handbetätigten Variacregler benutzt Die Spannung wurde an die Kondensatoren mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 200 bis 300 V/s angelegt Bei jeder elektrisch isolierenden Flüssigkeit wurden zwei Koronalöschspannungen gemessen. Bei der »leichten« Koronalöschspannung handelt es sich um die Spannung, die beobachtet wird, wenn die Spannung nach dem Einsetzen der Koronaentladung schnell (innerhalb von etwa 1 s) herabgesetzt wird Die »schwere« Koronalöschspannung ist die Spannung, die beobachtet wird, nachdem eine Sättigung des Kondensators mit der Koronaspannung zugelassen worden war, und zwar entweder dadurch, daß der Kondensator mehrere Sekunden lang der Auslösungsspannurg ausgesetzt blieb, oder dadurch, daß die Spannung gegenüber dem Auslösungswert um mehrere hundert V gesteigert wurde. Die jeweils verwendeten Ester und die Versuchsergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I! angegeben.
Beispiel 3
Das Verfahren nach dem Beispiel 2 wurde wiederholt wobei als Ester in der elektrisch isolierenden Flüssigkeit Dibutyltetrahydrophthalat verwendet wurde. Diese Flüssigkeit hatte eine Koronaauslösespannung von 3400 V und eine »schwere« Koronalöschspannung von 2000V, während bei dem flüssigen trimethylsilylendblockierten Siloxan allein die Koronaauslösungsspannung 2600 V und die »schwere« Koronalöschspannung 400 V betrug.
40
Beispiel 4
Es wurden vier elektrisch isolierend«; Flüssigkeiten bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften und ihres Verhaltens bei Koronaentladungen untersucht. Zwei dieser Flüssigkeiten waren flüssige, methoxydimethylsilylendblockierte Polydimethylsiloxane, von denen das eine eine Viskosität von 7 χ 10-6m2/s (7 Centistoke) und das andere eine solche von 5 χ 10-6m2/s (5 Centistoke) hatte. Die beiden übrigen Flüssigkeiten bestanden zu 90% aus einer der vorstehend genannten Flüssigkeiten und 10% Dibutylmaleat Es wurden die Dielektrizitätskonstante (DK), der Verlustfaktor (VF), der Volumenwiderstand (VW), die Koronaauslösungsspannung und die »schwere« Koronalöschspannung gemessen, und die Ergebnisse wurden in der Tabelie III zusammengestellt wo A das reine flüssige methoxydimethylendblockierte Polydimethyisiloxan
(7 χ 10-6m2/s = 7 Centistoke), B ebenfalls reines methoxydimethylendblockiertes Polydimethylsiloxun (5 χ 10"6m2/s = 5 Centistoke), C das Gemisch aus flüssigen methoxydimethylsilylendblockiertem Polydimethyisiloxan und Dibutylmaleat als Zusatzstoff (7 χ IO-6 m2/s = 7 Centistoke) und D das Gemisch aus flüssigem methoxydimethylsilylendblockiertem Polydimethylsiioxan und Dibutylmaleat als Zusatzstoff (5 χ 10~6m2/s = 5 Centistoke) bezeichnet
Tabelle I
Ester Corona- Corona-
auslösungs- lösch-
jpannung spannung
kV kV
Keiner*) 16 i5
Dib'itylcarbonat 19 16
Dibutyloxalat 22 18
Di(2-Äthylhexyl)malonat 22 20
Di(2-Äthylhexyl)phenylmalonat 24 21
Diäthylmalonat 20 18
Dibutylsuccinat 19 16
Dibutylmaleat 22 18
Dibutyladipat 18 15
*) Reines Siloxan zum Vergleich.
Tabelle Π
Ester Corona- Corona- Corona-
auslösungs- lösch- lösch-
spannung spannung spannung
(leicht) (schwer)
V V V
Keiner*) 2600
Dibutylmalonat 2800
Dibutylmaleat 3000
Dibutylitaconat 3200
Dicyclohexylitaconat 3200
Dibutyladipat 2800
Dibutylsuccinat 2600
*) Reines Siloxan zum Vergleich.
IuOO 400
2400 1600
2600 2100
2800 2300
2800 2200
2400 800
1600 1200
Tabelle III DK VF VW Corona- Coronalösch-
Zusammen auslösungs- spannung
setzung spannung (schwer)
(100 Hz) (100 Hz) V V
2,80 0,00011 1,3 X 1014 2700 500
A*) 2,59 0,00004 7,0 X 1014 2600 600
B*) 3,14 0,00265 1,4 X IO12 2900 2000
C 2,87 0,00052 1,8 X IO13 3200 2000
D
*) Zu Ve,;gleichszwecken.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Elektrisch isolierende Flüssigkeit zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen, bestehend aus 80 bis 99,5 Gew.-% eines flüssigen Polyorganosiloxane und aus 0,5 bis 20 Gew.-% eines Zusatzstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff ein Ester von Kohlensäure oder einer Säure der allgemeinen Formel
    HOOC—R'"—COOH
    ist, worin R'" für
    —CR""=CR""
    CH,
    IO
DE2731869A 1977-03-21 1977-07-14 Elektrisch isolierende Flüssigkeit Expired DE2731869C3 (de)

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US77938877A 1977-03-21 1977-03-21

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