DE2608464B2

DE2608464B2 - Elektrisch isolierende fluessigkeit

Info

Publication number: DE2608464B2
Application number: DE19762608464
Authority: DE
Inventors: Gary Allen Midland Mich. Vincent (V.St.A.)
Original assignee: Dow Corning Corp, Midland, Mich. (V.StA.)
Priority date: 1975-03-03
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1977-12-01
Also published as: FR2303068B1; CA1079952A; FR2303068A1; DE2608464A1; CH601896A5; JPS51111861A; GB1540130A; US3984338A; JPS5338172B2; DE2608464C3

Description

Bei zahlreichen elektrischen Vorrichtungen braucht man eine elektrisch isolierende Flüssigkeit als Isolationsmedium. Diese Flüssigkeit verfügt Mber einen wesentlich höheren Durchschlagswiderstand als Luft. Ersetzt man die zwischen Leitern bei einer elektrischen Vorrichtung oder Apparatur vorhandene Luft daher durch eine derartige Flüssigkeit, dann läßt sich hierdurch die Durchschlagsspannung der elektrischen Vorrichtung erhöhen. Die ständig zunehmende Verfeinerung elektrischer Ausrüstungen führt dazu, daß die verschiedenen elektrischen Vorrichtungen bei immer höher werdenden Spannungen betrieben werden. Dies bedeutet, daß die bei solchen Vorrichtungen verwendeten elektrisch isolierenden Flüssigkeiten immer größer werdenden Beanspruchungen unterworfen sind. Aufgrund dieser Probleme müssen natürlich bessere derartige Flüssigkeiten gesucht werden.

Mit Ausnahme bestimmter spezieller Anwendungsarten sind die polychlorierten Biphenylverbindungen (die im allgemeinen als PCB-Verbindungen bezeichnet werden) seit den dreißiger jähren, als Mineralöl bei bestimmten Anwendungen durch diese PCB-Verbindungcn ersetzt wurde, die normale elektrisch isolierende Flüssigkeit in elektrischen Vorrichtungen. Als elektrisch isolierende Flüssigkeiten wurden auch bereits verschiedene andere Flüssigkeiten vorgeschlagen, zu denen auch einige Polysiloxane gehören. Hierzu wird beispielsweise «iuf US -PS 2 i 77 689 und 38 38 056 sowie auf GB-PS 8 99 658 und 8 99 661 verwiesen. Die Verwendung von Polyorganosiloxanen als elektrisch isolierende Flüssigkeit ist ferner auch aus DT-AS 11 89 170, 12 61 573 sowie 11 06 821 bekannt, wobei in letzterer bereits der Zusatz von Ketonen als Stabilisierungsmittel für das OrganopolysiSoxan beschrieben wird. Vor kurzem wurde festgestellt, daß sich die PCB-Verbindungen negativ auf die Umwelt auswirken, und es wird daher weltweit nach einem geeigneten Ersatz für diese Verbindungen gesucht.

Eine Ccrona- oder Teilentladung ist beispielsweise ein wesentlicher Faktor, der zu einer Zerstörung und einem Versagen von Kondensatoren und anderen Korrekturvorrichtungen für die Stromstärke führen. Ein bei Coronaspannung betriebener Kondensator näh nur wenige Minuten oder Stunden anstatt der erwarteten 20 Jahre. Ein Kondensator, der mit einer geeigneten elektrisch isolierenden Flüssigkeit entsprechend imprägniert ist, ist bis zu wenigstens dem Zweifachen der berechneten Spannung frei von Coronaentladung. Wird eine elektrisch isolierende Flüssigkeit während des Betriebs einer zunehmenden Beanspruchung unterzogen, dann kommt man bis zu einem Punkt, an dem ein teilweises Durchschlagen auftritt. Die Spannung, bei der der Kondensator plötzlich zu einer Coronaentladung durchschlägt, wird als Coronaanfangsspannung (ClV) bezeichnet. Diese Spannung ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Spannung angelegt wird. Die verschiedenen Flüssigkeiten sind, was ihre Empfindlichkeit gegenüber der Geschwindigkeit der Spannungserhöhung betrifft, voneinander sehr verschieden. Die Coronaentladung hört jedoch nach Spannungserniedrigung wieder auf. Diese Coronaauslöschspannung (CEV) ist kein für jede Flüssigkeit fester Wert, sondern eine Funktion von der Intensität der Coronaspannung vor Abfall der Spannung. Beste Ergebnisse erhält man dann, wenn sowohl der ClV-Wert als auch der CEV-Wert möglichst hoch sind und möglichst dicht nebeneinander liegen.

Die bekannten elektrisch leitenden Flüssigkeilen werden dieser Forderung — selbst wenn sie bereits stabilisierende Zusätze wie Ketone enthalten — jedoch noch nicht in dem heute gewünschten und benötigten Ausmaß gerecht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch isolierende Flüssigkeit zu schaffen, die sich dadurch auszeichnet, daß bei ihr die Werte für die Coronaanfangsspannung und die Coronaauslöschspannung sehr hoch sind und besonders eng beisammen liegen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäß geeigneten flüssigen Polyorganosiloxane sind vorwiegend aus Siloxaneinhciten der Formel R2S1O zusammengesetzt, und sie können ferner auch geringere Mengen Siloxaneinheiten der Formeln RiSiOi/.). RSiOs/2 und S1O4/2 enthalten. Von besonderem Interesse sind flüssige Polyorganosiloxane der Formel R₁SiO(R₂SiO)₁SiR₃. Bei den vorgenannten Formeln sind die Substituenten R vorzugsweise Kohlenwasserstoffoder halogenierte Kohlenwasserstoffreste. Beispiele geeigneter Substituenten R sind Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Hexyl. Decyl, Dodecyl. Octadecyl, Vinyl, Allyl, Cyclohexyl, Phenyl, Xenyl, ToIyI, XyIyI, Benzyl, 2-Phenäthyl, 3-Chlorpropyl, 4-Brombutyl, 3,3,3-Trifluorpropyl, Dichlorphenyl oder «,«,«-Trifluortolyl. Der Substituent R enthält vorzugsweise 1 bis 6 Kohlenstoffatome, wobei Methyl, Vinyl oder Phenyl besonders bevor/nft sind.

Die erfindungsgemäße elektrisch isolierende Flüssigkeit enthält zweckmäßigerweise mehr als 50% flüssiges Polyorganosiloxan, und dieses macht vorzugsweise 80 bis 99,5 Gew.-% der erfindungsgemäßen Flüssigkeit aus. Diese flüssigen Polyorganosiloxane sind bekannte und im Handel weltweit erhältliche Materialien.

Der entscheidende Bestandteil bei der erfin ._;mgsgemäßen elektrisch isolierenden Flüssigkeit ist die als Zusatz dienende geringe Menge eines Ketons der allgemeinen Formeln R'iC = O oder R'R"C = O oder von Campher, wobei die Substituenten R' Kohlenwasserstoff- oder Halogenkohlenwasserstoffresie mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sind und der Substituent R" für einen Rest der Formel

il

R' —C —R'" —

steht, in der R' obige Bedeutung hat und R'" ein zweiwertiger Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist. Einzelbeispiele für den Substituenten R' sind dabei Methyl, Äthyl, Isopropyl, Butyl, Hexyl, 2-Äthylhexyl, Dodecyl, Vinyl, Allyl, Hexenyl, Phenyl, Benzyl, ToIyI, Chlorpropyl, Trifluormethyl oder Dichlorphenyl. Einzelbeispiele für den zweiwertigen Kohlenwasserstoffrest R'" sind -CH₂-, -(CH₂);.-, -(CH₂)J-, -(CH₂),,- oder -CH₂CH(CH,)-. Erfindungsgemäß sind zwar alle oben angeführten Verbindungen geeignet, bevorzugt werden jedoch die Verbindungen der Formel R'₂C = O, in der R' für einen Halogenkohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen steht. Die erfindungsgemäß verwendeten Ketonverbindungen machen einen geringeren Anteil, nämlich weniger als 50%, der erfindungsgemäßen Zubereitung aus. In allgemeinen werden diese Materialien vorzugsweise jedoch in Mengen von 0,5 bis 20 Gew.-% der Zubereitung eingesetzt.

Die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten können ferner auch geringe Mengen üblicher Zusätze enthalten wie Chlorwasserstoffänger, Korrosionsinhibitoren und andere herkömmliche Additive, wie sie normalerweise bei solchen Flüssigkeiten verwendet werden, sofern diese die Wirkungsweise dieser Flüssigkeiten nicht nachteilig beeinflussen.

Die zwei wichtigsten elektrischen Vorrichtungen, bei denen die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten eingesetzt werden können, sind Kondensatoren und Transformatoren. Die erfindungsgemäßen Flüssigkeilen lassen sich mit Vorteil auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen verwenden wie Elektrokabeln, Gleichrichtern, Elektromagneten, Schaltern, Sicherungen und Stromkreisunterbrechern, und sie können auch als Kühlmittel und Isolatoren für elektrisch isolierende Vorrichtungen verwendet werden wie Sender, Empfänger, Rücklaufspulen, .Schallbojen oder Spielzeuge. Die Methoden zum Einsatz der elektrisch isolierenden Flüssigkeiten bei diesen verschiedenen Anwendungsarten (bei denen sie beispielsweise als Flüssigkeitsreservoir oder als Imprägniermittel eingesetzt werden) sind dem Fachmann bekannt. Beste Ergebnisse erhält man mit Flüssigkeiten mit Viskositäten von 5 bis 500 cSt bei 2^r> (". Liegt die Viskosität bei über 50OcSt, dann läßt sieh die Flüssigkeit iuir schwierig als Imprägniermittel verwenden, und bei oiner Viskosität von unter 5 cSt treten Probleme wegen tier Flüchtigkeil auf, sofern man es !licht ü!!! ciMcm geschlossenen .System zu Um hat.

Die Erfindung wird an Hand des folgenden Beispiels weiter erläutert. Alle darin enthaltenen Teil- und Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen, und alle Viskositätswerte sind bei einer Temperatur von 25"C gemessen, sofern nichts anderes gesagt ist.

Beispiel

Es wird eine Untersuchungsmethode zur Beurteilung elektrisch isolierender Flüssigkeiten entwickelt, die mit

κι den Versuchsergebnissen gut übereinstimmen dürfte, die man unter Verwendung von Versuchskondensatoren erhält. Das wesentliche Bauteil der für diesen Versuch eingesetzten Vorrichtung ist eine Biddle-Corona-Detektor mit einer von Hand bedienbaren Variac-

n Steuerung. Die Versuchszelle besteht aus einem zylindrischen Glasbehälter. Der Fuß der Zelle ist ein mit Keramik gefüllter Kunststoff und enthält eine Metallplatte aus rostfreiem Stahl, die direkt geerdet ist. Die Abdeckung des Behälters ist eine Platte aus rostfreiem

-'Ii Stahl, die mit einer über ein Mikrometer einstellbaren Hochspannungselektrode verbunden ist, an deren Ende sich eine Phonographennadel aus Stahl befindet. Die Spitze dieser Nadel ist 0,0635 cm oberhalb des geerdeten Fußes angeordnet. In der mit der Elektrode

2> verbundenen Hochspannungsleitung herrscht ein Widerstand von 1,67 χ 10" Ohm. Dieser Widerstand dieni zur Strombegrenzung.

Während des Versuchs werden einige Kubikzentimeter der zu untersuchenden Flüssigkeit in den Behälter

in gegeben, den man mit der Abdeckung versieht. Mit zunehmender Spannung kommt es zu einer Teilentladung zwischen der Spitze der Elektrode und der geerdeten Platte. Hierdurch wird Strom abgeführt, wobei sich die angelegte Spannung auf unter die

r> Entladungsspannung erniedrigt. Wird kein Strom abgeführt, dann befindet sich die angelegte Spannung wiederum auf Teilentladungspotential. Durch Entladung wird erneut Strom abgeführt, worauf sich der Vorgang wiederholt. Es kommt infolgedessen zu einem sehr

hi raschen An- und Abschalten des Stroms, wodurch niemals ein totales Durchschlagen der Flüssigkeit auftreten kann.

Beim Betrieb wird die angelegte Spannung langsam erhöht. Die dabei auftretenden Teilentladungen beob-

•n achtet man auf dem Oszilloskop des Coronadetektors. Der Punkt, an dem die ellipsenförmige Anzeige auf dem Gitter von Entladungen überflutet wird und an dem aus der Zelle ein ständig hörbares Krachen kommt, wird als Coronaanfangsspannung (CIV) aufgetragen. Die Ge-

·)() schwindigkeit des Anstiegs der angelegten Spannung beträgt möglicherweise einige hundert Volt pro Sekunde. Nach Ermittlung des ClV-Wertes erniedrigt man die Spannung langsam, bis man durch das teilweise Aufhören der Entladungen wieder eine elliptische

Y> Anzeige auf dem Gitter sieht. Der Punkt, an dem dies auftritt, wird ebenfalls aufgezeichnet, und hierbei handelt es sich um die Coronaauslöschspannung (CEV). Man stellt eine Reihe elektrisch isolierender Flüssigkeiten her, die im wesentlichen aus einem flüssigen

iio trimethylsilylendblockierten Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 50 cSt und aus Cumol, Mcthylcinnamat oder Schwefelkohlenstoff in verschiedenen Mengen bestehen. Diese Flüssigkeiten werden nach dem oben erwähnten Verfahren untersucht. Die hierzu

hl angewandten Mengen an Cumol, Methylcinnamai oder Schwefelkohlenstoff (wobei der Rest jeweils das Siloxan ist) und die dabei erhaltenen Versuchsergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle hervor.

Λ ' keine

B (CH₁^C-O

C (CH₁)(C₂H₅)C=O D (CH₁)(C₁₁H₅)C---O H (CCI₁I₂C=O

F (CF₂CI)₂C=O
O

Il

G (CH₁CCH₂)(CH₁)C =

C CH,

H CH₁C-C(CH₁I₂-CH

CH₂-CH₂

(Campher) ' = Vergleich.

Ml-IILV (IV

|(iewichls- Mn KVi prevent I

keine

: 5.6

17,0

(TV Mn KV]

14.S

IO	19.4	16.8
5	16,0	13.8
I	17.3	15.3
10	16.9	15.9
5	16.6	15.0
1	16.2	15.1
4	20.0 +	18.8
Ί	21,0	18,4
I	19,2	18.0
10	21.0	16,0
S	18.8	16,8
2.5	20,0	19.2
1	20.0	17.0
IO	20,0	16.4
5	20.0	18,0
2.5	20.0	18.0
I	20,0	18.0
10	20.0	16,8
5	22,0	20,0
2.5	21.0	19.6
1	20,0 +	18,4

15,6

Claims

Palentansprüche:

I. Elektrisch isolierende Flüssigkeit, bestehend aus einem flüssigen Polyorganosiloxan und einem Zusatz, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz eine geringe Menge eines in dem Polyorganosiloxan löslichen Ketons der Formeln

RX=-= O oder R'R"C=O oder Campher.

worin die Substituenten R' jeweils Kohlenwasserstoff- oder Halogenkohlenwassersloffreste mit I bis 12 Kohlenstoffatomen bedeuten und der Substiuient R" für einen Rest der Formel

R' —C —R"' —

steh!, in der der Substiiucnt R' obige Bedeutung hat und der Substituent R'" ein zweiwertiger Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, verwendet wird.
2. Elektrisch isolierende Flüssigkeit nach An- 2' spruch t, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyorganos'loxan die Formel

R₃SiO(R₂SiO)_xSiR₃

hat, worin R ein Kohlenwasserstoff- oder Halogenkohlenwasserstoffrest ist und χ eine ganze Zahl bedeutet, und das Keton die Formel R'R"C = O besitzt.