專利名稱：高性能介電油以及其在高壓電氣設備中的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能介電油及其在高壓電氣設備中的用途。
這樣的設備可以尤其是功率變壓器(transformatears depuissance)、測量變壓器(transformatears de measure)、配電變壓器(transformatears de distribution)或牽引變壓器(transformatears detraction)，而且可以是分接開關(guān)(changeurs de prise)、軸承(traversées)、分布器(répartiteurs)、油浸式斷路開關(guān)(disjoncteursàbain d’huile)、電力電容器或甚至電纜(cbles)。
背景技術(shù)：
功率變壓器是電能轉(zhuǎn)化和分配網(wǎng)絡最關(guān)鍵和最昂貴的組成部分。因此，只要可能就希望它們正常運轉(zhuǎn)。
絕大部分這些變壓器都填充有液體，這些液體用作電絕緣和熱轉(zhuǎn)化流體。所述液體一般都是來自于粗石油餾分的無機油。相對于可用于電機工程中的合成絕緣液體(如烷基苯)，所述元機油的優(yōu)點尤其是具有低的費用。酯油和硅油被用于配電變壓器中，但是很少用于功率變壓器中，因為這些油的費用高。
近年來材料領(lǐng)域的發(fā)展，大大減小了功率變壓器的大小尺寸，由此減小了絕緣范圍、增加了需轉(zhuǎn)化的熱密度。
存在于這些變壓器中的無機油因此被要求在窄范圍相當或甚至較高的操作電壓下發(fā)揮電絕緣作用，并同時確保提取更高的熱密度。
盡管沒有被證實，但是仍擔心在這些條件下使用無機油將會導致變壓器的故障或減少其使用壽命，尤其是因為這些油過早降解。
本發(fā)明發(fā)明者的目的是提供一種相比現(xiàn)用于功率變壓器中的無機油更高性能的油，尤其具有更好的電介質(zhì)強度和抗老化性能，以保證這些變壓器在最高的可靠性和安全條件下的操作，賦予它們滿意的使用壽命并提供生產(chǎn)更緊湊變壓器的可能性。
本發(fā)明發(fā)明者的另一目的是提供一種油，考慮到功率變壓器中可以包含多于40000升的油，所述油不但具有上述優(yōu)點而且具有與用于生產(chǎn)功率變壓器相應的費用。
發(fā)明概述通過本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的，本發(fā)明提出了一種介電油，該介電油包含約75-95體積％環(huán)烷油和約5-25體積％酯油。
本發(fā)明發(fā)明者驚奇地發(fā)現(xiàn)以上述適當?shù)谋壤龑Ⅴビ图尤氕h(huán)烷油導致該環(huán)烷油的介電特性以及抗老化性能方面得到顯著改善，而不影響其粘度和其熱轉(zhuǎn)化能力。因此得到的油比常規(guī)用于功率變壓器中的無機油和硅油具有更好的性能。
根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式，該環(huán)烷油是一種油或油的混合物，其包含含量為約10-15％的芳族碳(Ca)、含量為約40-45％的鏈烷族碳(Cp)和含量為約45-50％的環(huán)烷碳(Cn)。作為具有此類型組成的環(huán)烷油的實例，可以提及的是由下述油制得來自Ninas的Nytro10GBN，Nytro 3000和Nytro 10x；來自Apar的Poweroil TO-10油；來自Esso的Univolt 60油和Voltesso 35油；以及來自Shell的Diala A和DialaM油。
根據(jù)本發(fā)明，所述酯油可以是植物油或合成的油，或多種植物油和/或合成的油的混合物。但是，優(yōu)選使用合成油或合成油混合物，這是因為這些油通常具有比植物油低并接近環(huán)烷無機油的流點，因此其在植物油趨于固化的溫度下保持液態(tài)。此外，合成酯油氧化遠遠慢于植物酯油。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，該酯油是合成酯油或包含至少一種合成酯油的油混合物。
優(yōu)選地，該合成酯油屬于多羥基酯族，更特別地，其是基于季戊四醇四酯的油。
有利地，所述基于季戊四醇四酯的油符合下述式(I)
其中，R代表C5H11至C9H19范圍內(nèi)的烷基。例如，這種油可以從M&I(商品名為Midel 7131)商購得到。
但是還可以使用其他酯油，例如來自Cognis的合成油ProEcoTR3746或來自CPS的合成油Envirotemp 200，或來自ABB的植物油Biotemp或來自CPS的Envirotemp FR3。
根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選實施方式，該介電油包含環(huán)烷油和基于符合上述式(I)的季戊四醇四酯的油，該環(huán)烷油具有含量為約14％的芳族碳(Ca)、含量為約41％的鏈烷族碳(Cp)和含量為約45％的環(huán)烷碳(Cn)。
優(yōu)選，這兩種油的體積比例為75∶25至85∶15，特別優(yōu)選約80∶20。
除了具有上述優(yōu)點之外，在主要由無機油組成的范圍內(nèi)，本發(fā)明油還具有經(jīng)濟的優(yōu)點。
因此，其特別適合于在高壓電氣設備中用作電絕緣劑和熱轉(zhuǎn)化流體。
在本發(fā)明中，術(shù)語“高壓”是指，按照國際電子技術(shù)委員會(International Electrotechnical Commission)(CEI)的規(guī)定，任何AC電壓高于1000V和任何DC電壓高于1500V。
特別地，本發(fā)明的油可以有利地用于功率變壓器、測量變壓器、配電變壓器、分布變壓器或牽引變壓器，特別是功率分配器。
通過本說明書中的其他內(nèi)容將可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明說明書涉及所述本發(fā)明油的舉例性實例，并證實本發(fā)明油的特性。
當然，給出這些實施例僅用于說明書本發(fā)明主題，并不視為對本發(fā)明的限定。
附圖簡述

圖1示出環(huán)烷油(曲線A)、由環(huán)烷油和合成酯油以80∶20的體積比組成的本發(fā)明油(曲線B)以及由相同環(huán)烷油和硅油以80∶20體積比組成的油(曲線C)的粘度隨溫度(℃)的變化(mm2/s)。
圖2示出環(huán)烷油(曲線A)、由環(huán)烷油和合成酯油以80∶20的體積比組成的本發(fā)明油(曲線B)以及由相同環(huán)烷油和硅油以80∶20體積比組成的油(曲線C)的發(fā)生擊穿的累計高斯概率。
圖3示出環(huán)烷油(曲線A)、由環(huán)烷油和合成酯油以80∶20的體積比組成的本發(fā)明油(曲線B)以及由相同環(huán)烷油和硅油以80∶20體積比組成的油(曲線C)在老化前(橫坐標x軸上的點0)、沒有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點1)和具有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點2)和存在纖維素絕緣劑(cellulosic insulant)所謂牛皮紙的情況下(橫坐標x軸上的點3)的酸度(mg，KOH/g的油)。
圖4示出環(huán)烷油(曲線A)、由環(huán)烷油和合成酯油以80∶20的體積比組成的本發(fā)明油(曲線B)以及由相同環(huán)烷油和硅油以80∶20體積比組成的油(曲線C)在老化前(橫坐標x軸上的點0)、沒有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點1)和具有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點2)和存在纖維素絕緣劑(cellulosic insulant)所謂牛皮紙的情況下(橫坐標x軸上的點3)的損耗因數(shù)(或tanδ)。
圖5示出過濾前后，在真空10-3bar下，以孔隙率為11-16微米在玻璃料上的環(huán)烷油(橫坐標x軸上的點1)、合成酯油(橫坐標x軸上的點2)、由環(huán)烷油和合成酯油以80∶20的體積比組成的本發(fā)明油(橫坐標x軸上的點3)以及由相同環(huán)烷油和硅油以80∶20體積比組成的油(橫坐標x軸上的點4)的電荷密度。
具體實施方案的具體說明混和下述物質(zhì)直至得到均勻混合物以制備本發(fā)明油*80體積份環(huán)烷油(Nynas以商品名Nytro 10GBN出售)(Ca＝14％；Cp＝41％；Cn＝45％)；和*20體積份上述式(I)季戊四醇四酯油(M&I以商品名Midel 7131出售)。
由此得到的油分別經(jīng)受如下四系列測試試驗其粘度隨溫度的變化、介電強度、抗老化性能和變?yōu)閹щ姷膬A向(sa tendance àse chargerélectriquement)。
作為對比目的，一方面對于Nynas環(huán)烷油Nytro 10GBN、另一方面對于由相同的環(huán)烷油和硅油Rhodorsil 604V50(得自Rhodia)以80∶20體積比例混和的混合物組成的油分別進行了上述相同的四系列測試試驗。
還對于合成酯油Midel 7131自身測試了其變?yōu)閹щ姷膬A向。
粘度試驗根據(jù)CEI 60296/ISO3104標準測試所述油的粘度。
介電強度試驗根據(jù)CEI 60156標準，在室溫下測試所述油的介電強度，即在由球形電極得到的水平軸上幾乎均勻電場中進行測試。電極間的空間設置為2.5±0.05mm。以規(guī)則方式(2.0±0.2kV/s)增加電壓直至擊穿，在測試的整個期間對每一個待測樣品進行攪拌。
在每一個測試之前，在真空10-3bar下，以孔隙率為11-16微米在玻璃料上過濾該油樣品。根據(jù)CEI60814標準(Karl-Fischer庫倉滴定)測試其水含量；根據(jù)CEI60970標準對顆粒進行計數(shù)，根據(jù)德國標準NAS1638，樣品的微粒污染規(guī)定為1-12。
對每一種待測試油的32個樣品，通過Baur“dieltest”(100kV-50Hz)測量擊穿電壓，使用如下式表示的Laplace-Gauss定律或常規(guī)定律分析測量結(jié)果f(x,u,σ)=[1/(2Piσ)].exp-[(x-u)2/2σ2])]]>其中，x代表擊穿電壓(kV)，u代表平均擊穿電壓(kV)，σ代表變差系數(shù)。
代表油最小擊穿電壓值的安全因子在f(x，u，σ)＝0.01時進行測量，即其概率為99.9％。
老化試驗所述油的抗老化試驗是根據(jù)ASTM D1934-95(2000)標準測定的，該標準推薦了兩種氧化老化程序，其中一種不存在金屬催化劑而另一種存在金屬催化劑，即銅線。在后一種程序中，為了獲得比ASTMD1934-95(2000)(其推薦每300ml油15cm2的銅)更嚴格的試驗要求，本申請推薦使用CEI 61125標準(其推薦每25g油9.7cm2的銅)，該代表油重量的8.8重量％。
還可以在與制備用于變壓器的油性紙相似的條件下，浸漬牛皮紙并干燥這樣浸漬的紙后進行所述油的抗老化試驗。
在各種情況下，將樣品放置于115℃溫度的空氣循環(huán)烘箱中96小時以實施該老化。
所述油的酸度和損耗因數(shù)(或tanδ)在老化之前和之后進行測量。
靜電試驗油變?yōu)閹щ姷膬A向是通過所謂“小型靜電測試儀(ministatic chargetester)進行測試的。該試驗在于使得油經(jīng)過由纖維素片的過濾器，從而導致電荷分離。使用靜電計測量保留在過濾器上的電荷，其結(jié)果以電荷密度表示，即，每單位體積油流產(chǎn)生的電荷的數(shù)量。電荷密度通過下式測定電荷密度(μC/m3)＝(i.t.1012)/V其中，i代表電流(amps)，t代表油流量(秒)和v代表油體積(ml)。
過濾前后，在真空10-3bar下，以孔隙率為11-16微米玻璃料上對每一種油進行測試。
結(jié)果圖1至5試驗的結(jié)果如下圖1環(huán)烷油(曲線A)、本發(fā)明油(曲線B)以及具有20％硅油的油(曲線C)的粘度隨溫度(℃)的變化(mm2/s)；圖2環(huán)烷油(曲線A)、本發(fā)明油(曲線B)以及具有20％硅油的油(曲線C)發(fā)生擊穿的累計高斯概率；圖3環(huán)烷油(曲線A)、本發(fā)明油(曲線B)以及具有20％硅油的油(曲線C)在老化前(橫坐標x軸上的點0)、沒有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點1)和具有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點2)和存在牛皮紙的情況下(橫坐標x軸上的點3)的酸度(mg，KOH/g的油)；圖4環(huán)烷油(曲線A)、本發(fā)明油(曲線B)以及具有20％硅油的油(曲線C)在老化前(橫坐標x軸上的點0)、沒有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點1)和具有金屬催化劑的情況下老化后(橫坐標x軸上的點2)和存在牛皮紙的情況下(橫坐標x軸上的點3)的tanδ；和圖5在玻璃料上過濾前后，環(huán)烷油(橫坐標x軸上的點1)、合成酯油(橫坐標x軸上的點2)、本發(fā)明油(橫坐標x軸上的點3)以及具有20％硅油的油(橫坐標x軸上的點4)的電荷密度絕對值(μC/m3)。
這些圖顯示出1.本發(fā)明油在整個研究的溫度范圍內(nèi)具有幾乎與其包含的環(huán)烷油相同的粘度。對于具有20％硅油的油，其在低溫下具有明顯較低的粘度，但是在功率變壓器通常操作溫度下具有較高的粘度。
2.對于所測試的三種油，本發(fā)明油相對于環(huán)烷油和具有20％硅油的油，具有最好的介電強度特性、具有平均擊穿電壓值和明顯較高的安全因子。
事實上，本發(fā)明油的安全因子為86kV(水含量為66ppm，微粒污染為5的情況)，然而環(huán)烷油的安全因子為50kV(水含量為10ppm，微粒污染為6的情況)，具有20％硅油的油的安全因子為72kV(水含量為12pm，微粒污染為5的情況)。
這可以解釋為抗擊穿作用強烈地依賴于油中的水的含量，水在合成酯油中的溶解度比水在無機油中的溶解度大得多。
3.對于所測試的三種油，本發(fā)明油還是具有最有利的抗老化性能的油，本發(fā)明油在老化狀態(tài)下其酸度和tanδ的增加小于環(huán)烷油和具有20％硅油的油。
4.本發(fā)明油相對于環(huán)烷油和具有20％硅油的油更易于變?yōu)閹щ?，這是其水含量造成的。但是本發(fā)明油得到的電荷密度值保持在用做功率變壓器的電絕緣劑最適宜的水平上，尤其遠遠低于單獨的合成酯油的情況。
權(quán)利要求
1.介電油，其包含約75-95體積％環(huán)烷油和約5-25體積％酯油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的介電油，其中環(huán)烷油是一種油或油的混合物，其包含含量為約10-15％的芳族碳、含量為約40-45％的鏈烷族碳和含量為約45-50％的環(huán)烷碳。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的介電油，其中所述酯油是合成酯油或包含至少一種合成酯油的油的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的介電油，其中所述合成酯油是多羥基酯族油。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的介電油，其中多羥基酯族油基于季戊四醇四酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的介電油，其中所述基于季戊四醇四酯的油符合下式(I) 其中，R代表C5H11至C9H19范圍內(nèi)的烷基。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的介電油，其包含環(huán)烷油和基于上式(I)的季戊四醇四酯的油，該環(huán)烷油具有含量為約14％的芳族碳、含量為約41％的鏈烷族碳和含量為約45％的環(huán)烷碳。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的介電油，其中環(huán)烷油與酯油體積比為75∶25至85∶15。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的介電油，其中環(huán)烷油與酯油體積比為約80∶20。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項的介電油在高壓電氣設備中的用途。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的用途，其中所述電氣設備是功率變壓器、測量變壓器、配電變壓器或牽引變壓器，特別地是功率變壓器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能介電油，其包含約75－95體積％環(huán)烷油和約5－25體積％酯油，特別是合成酯油，更優(yōu)選多羥基酯族油。本發(fā)明還涉及其在高壓電氣設備中的用途例如功率變壓器、測量變壓器、配電變壓器或牽引變壓器、分接開關(guān)、軸承、分布器、油浸式斷路開關(guān)、電力電容器或甚至電纜等。
文檔編號H01F27/10GK1961383SQ200580017195
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者J·-L·貝塞德, C·帕里爾, A·貝羅阿爾 申請人:阿雷瓦T&D股份有限公司