Электроизолирующая жидкость
Владельцы патента RU 2509384:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к диэлектрическим жидкостям, и может быть использовано для электроизоляции высоковольтного электрооборудования. Техническим результатом данного изобретения является экологическая безопасность, повышение эффективности и надежности работы высоковольтного электрического оборудования, дешевизна и доступность диэлектрической жидкости. Для решения технического результата предложена электроизолирующая жидкость, представляющая собой фторсодержащую диэлектрическую жидкость для электрической изоляции высоковольтного электрического оборудования, отличающаяся тем, что диэлектрическая жидкость содержит 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к диэлектрическим жидкостям, и может быть использовано для электроизоляции высоковольтного электрооборудования.
Известно, что жидкий диэлектрик в электромагнитном устройстве, находится под воздействием напряжений переменного тока различных амплитуд и частот, а также импульсных напряжений. Поэтому он должен обладать высокой электрической прочностью, высоким удельным сопротивлением, низким тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой стабильностью при эксплуатации и хранении, высокой стойкостью к воздействию электрического и теплового полей, высокой стойкостью к окислению, определенным значением диэлектрической проницаемости с учетом особенностей электроизоляционной конструкции, совместимостью с применяемыми материалами, пожаробезопасностью, экономичностью, экологической безопасностью, обладать низкой вязкостью в диапазоне рабочих температур. Отмечается, что ни один известный жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требованиям одновременно [Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.1 / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - 3-е изд., перераб, - М.: Энергоатомиздат, 1986. Т.1. - С.64-65].
В качестве фторсодержащих жидких диэлектриков наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов: Фреон 215 (C3F4Cl3), Фреон 214 (C3F4Cl4) [Беляев В.Л. Особенности работы и конструкций многоамперных электрических аппаратов: Учеб. пособие СПб.: СЗТУ, 2005. - С.273; Жорняк Л.Б., Райкова Е.Ю., Осинская В.И. Повышение надежности и эффективности высоковольтных вводов / Bicник КДПУ iмeнi Михаила Остроградського. Випуск 4/2008 (51). Частина 1. С.95-99], что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемости и относительно невысокой стоимостью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничилось, а в настоящее время почти повсеместно сокращается, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество. В соответствии с Монреальским протоколом 1987 г. использование хлорфторуглеродов, имеющих высокий озоноразрушающий потенциал (ODP), к 2030 году будет запрещено. Поэтому ведущие фирмы мира, такие как BASF, Bayer, DuPont, Mitsubishi Chemical и др. заняты поиском промышленных веществ, в том числе и диэлектриков, с ODP 0. По утверждению этих фирм, таковыми должны быть вещества класса HFC - фторуглеводороды, не имеющие в составе молекулы атомов хлора [Патент RU 2071462, С07С 21/18, С07С 17/093, С07С 17/20, 10.01.1997 г.].
Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению по технической сущности является перфтортрансформаторное масло [Жорняк Л.Б., Райкова Е.Ю., Осинская В.И. Повышение надежности и эффективности высоковольтных вводов/Вiсник КДПУ iменi Михаила Остроградського. Випуск 4/2008 (51). Частина 1. С.95-99]. Использование перфтортрансформаторного масла в качестве электроизолирующей жидкости в высоковольтном оборудовании обусловлено его высокими диэлектрическими свойствами. Однако оно имеет ряд недостатков.
Перфтортрансформаторное масло - это очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300°C до 400°C, ингибированная антиокислительной присадкой - фторорганической жидкостью) [Коробейников С.М. Диэлектрические материалы. Учеб. пособие, Новосибирск, НГТУ, 2000. - С.43-46]. Оно имеет сложный углеводородный состав, представленный в таблице 1.
| Таблица 1 | |
| 1. Парафины | 10-15% |
| 2. Нафтены или циклопарафины | 60-70% |
| 3. Ароматические углеводороды | 15-20% |
| 4. Асфальто-смолистые вещества | 1-2% |
| 5. Сернистые соединения | <1% |
| 6. Азотистые соединения | <0.8% |
| 7. Нафтеновые кислоты | <0.02% |
| 8. Антиокислительная присадка (ионол) | 0.2-0.5% |
Известно, что перфторированные органические соединения получают методом электрохимического фторирования, то есть введением фтора в органический субстрат с помощью электродной реакции. Он заключается в пропускании постоянного тока через раствор исходного органического соединения в безводном фтористом водороде [Патент RU 2221765, С07С 19/08, С07С 25/13, С07С 43/12, С25В 3/08, 20.01.2004 г.]. Таким образом, к основным недостаткам перфтортрансформаторного масла следует отнести сложный состав, многостадийную процедуру получения, и как следствие, высокую стоимость. Кроме того, диэлектрическая проницаемость перфтортрансформаторного масла составляет 1,8-2, что не позволяет использовать его в системах емкостных накопителей для увеличения их электрической емкости.
Техническим результатом данного изобретения является экологическая безопасность, повышение эффективности и надежности работы высоковольтного электрического оборудования, дешевизна и доступность диэлектрической жидкости.
Для решения технического результата предложена электроизолирующая жидкость, представляющая собой фторсодержащую диэлектрическую жидкость для электрической изоляции высоковольтного электрического оборудования, отличающаяся тем, что диэлектрическая жидкость содержит 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов.
Ди(октафторпентиловый) эфир [H(CF2)4CH2]2O относится к полифторированным эфирам, представляет собой бесцветную жидкость, обладает высокой термической стабильностью и химической стойкостью, а также обладает водо- и маслоотталкивающими свойствами. В настоящее время соединения такого класса используются в качестве вспенивателей при производстве пенопластов, в процессах сухого травления в микроэлектронике. Отмечено возможное применение в качестве хладагентов при замене фреона 113 [Орлов А.П., Щавелев В.Б., Барабанов В.Г., Корольков Д.Н. // Тез. докл. 3-й Междунар. конф. «Химия, технология и применение фторсоединений». 6-9 июня 2001 г. СПб. Россия. 2001. - С.172].
Достижение технического результата обусловлено тем, что данную электроизолирующую жидкость получают на основе октафторпентанола - побочного продукта производства спиртов-теломеров [ТУ 301-14-1-89 - «Спирты-теломеры полифторированные технические»], из которых используется только тетрафторпропанол. Способ получения ди(октафторпентилового) эфира [H(CF2)4CH2]2O, заключается во взаимодействии полифторированного спирта с тионилхлоридом в присутствии катализатора при ступенчатом повышении температуры от - 15°C до 50°C [Патент RU 2312097, С07С 43/12, С07С 41/01, 10.12.2007 г.]. Очистка от полярных газов (кислорода, SO2, HCl) осуществляется на сорбенте марки СаА-У (цеолите, ТУ 2163-004-05766557-97) с последующей перегонкой в токе сухого азота [Колобородов В.Г. Развитие адсорбционных исследований в криогенном отделе ННЦ ХФТИ / В.Г. Колобродов, Вопросы атомной науки и техники. 2006. №4. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), С.38-46]. Таким образом, технология производства ди(октафторпентилового) эфира проста и не требует высоких энергетических и экономических затрат.
Экологическая безопасность предлагаемого диэлектрика определяется его химическим составом. Молекула ди(октафторпентилового) эфира содержит шесть атомов водорода, участвующих в процессе окисления кислородом атмосферного воздуха, что препятствует попаданию вещества в озоновый слой атмосферы. Озоноразрушающий потенциал ди(октафторпентилового) эфира относительно хлорфторуглеводородов равен нулю. Потенциал глобального потепления (GPW) относительно CO2 уменьшается с увеличением количества атомов водорода [Озонобезопасные фторуглеводороды [Текст] / Г.Ф. Терещенко, В.Г. Барабанов // Известия АН. Серия химическая. - 2004. - №11. - С.2364-2371].
Сравнение основных электроизоляционных параметров ди(октафторпентилового) эфира с параметрами перфтортрансформаторного масла, приведенных в таблице 1, показывает, что диэлектрическая проницаемость ди(октафторпентилового) эфира в несколько раз выше, чем у перфтортрансформаторного масла, что позволяет применять предлагаемую электроизолирующую жидкость не только для погружного электрооборудования, но и в системах емкостных накопителей. Кроме того, важным показателем, характеризующим эффективность электрической изоляции, является тангенс угла диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь ди(октафторпентилового) эфира при степени очистки 99,95% на порядок меньше, чем у перфтортрансформаторного масла. Таким образом, по сравнению с прототипом нагрев объема предлагаемого жидкого диэлектрика за счет возникновения токов проводимости существенно меньше. Отличительной особенностью
ди(октафторпентилового) эфира является отсутствие у него температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, температурных и концентрационных пределов распространения пламени. Таким образом, применение ди(октафторпентилового) эфира способствует повышению надежности и эффективности работы высоковольтного электрического оборудования.
| Таблица 2 | |||
| Параметры | Перфтортрансфор-маторное масло (прототип) | Ди(октафторпенти-ловый)эфир (заявляемая жидкость) | |
| Плотность, г/см3 | 0.84-0.89 | 1,800 | |
| Температура, °C | вспышки | не ниже 400 | отсутствует |
| застывания | -70 | Ниже -45 | |
| Удельное сопротивление, Ом·м | 1012-1015 | 1012 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь | 10-3 | 10-4 | |
| Диэлектрическая проницаемость | 1,8-2 | 7,65-7,97 | |
| Электрическая прочность, кВ/мм | 50 | 50 |
При содержании 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов предлагаемая диэлектрическая жидкость имеет электроизолирующие свойства, приведенные в таблице 2, однако они существенно зависят от степени очистки. Повышенное содержание примесей ухудшает электроизолирующие свойства, в частности ведет к уменьшению пробивного напряжения и увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. При этом возрастают токи проводимости, и как следствие, запускается механизм конвекции. Поскольку известно, что электромагнитные системы с жидкой изоляцией имеют низкую удельную теплопроводность, что предотвращает эффективную теплопередачу за счет теплопроводности, то предлагаемый жидкий диэлектрик со степенью очистки ниже 99,95% может быть использован в системах охлаждения и изоляции, в частности, в испарительных трансформаторах.
Пример
Из побочного продукта производства спиртов-теломеров [ТУ 301-14-1-89 - «Спирты-теломеры полифторированные технические»] ди(октафторпентиловый) эфир [H(CF2)4CH2]2O получали смешением реагентов при температуре -15÷-10°C. Смесь полифторированного спирта H(CF2)4CH2OH с катализатором взаимодействует с тионилхлоридом при мольном соотношении реагентов, равном 1:(0,005-0,009):(1-1,1) соответственно, при ступенчатом повышении температуры: сначала при 20-30°C в течение 1-2 ч, затем при 30-50°C в течение 3-6 ч; выделяющиеся диоксид серы и хлористый водород отдували азотом. Получили эфир с т. кип. 103°C (2 мм рт.ст.), nD 20 1.3385, d20 4 1.7344. В результате очистки от полярных газов (кислорода, SO2, HCl), пропусканием через цеолит и перегонкой в токе сухого азота, получили продукт с содержанием 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов, с т. кип. 90°C (1 мм рт.ст.), nD 20 1.3440.
Измерение диэлектрической проницаемости, удельного сопротивления и тангенса угла диэлектрических потерь для испытуемой электроизолирующей жидкости производилось в соответствии с ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81). Для повышения достоверности проводимых измерений, эти же параметры сначала были измерены для глицерина, спирта и дистиллированной воды, в соответствии с ГОСТ 6709-72, для которых имеются справочные данные. Совпадение полученных результатов измерений со справочными данными для указанных жидкостей было в пределах 3%. Определение электрической прочности электроизолирующей жидкости также производилось в соответствии с ГОСТ 6581-75. Температура вспышки измерялась в открытом тигле по методике, приведенной в ГОСТ 12.1.044-89, - для химических органических продуктов. Результаты электрических испытаний для предлагаемой электроизолирующей жидкости приведены в таблице 2.
Приведенные данные показывают, что применение ди(октафторпентилового) эфира обеспечивает высокие диэлектрические показатели при повышении экологической безопасности в процессе эксплуатации и минимизации затрат на производство.
Электроизолирующая жидкость, представляющая собой фторсодержащую диэлектрическую жидкость для электрической изоляции высоковольтного электрического оборудования, отличающаяся тем, что диэлектрическая жидкость содержит 99,95% ди(октафторпентилового) эфира и 0,05% примесей полярных газов.
