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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

H01B 3/24 (2006.01) H01B 1/00 (2006.01) H01G 4/22 (2006.01) B05D 3/00 (2006.01)

ESPAÑA

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11 Número de publicación: 2 284 868

51 Int. Cl.:

TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA

T3

86 Número de solicitud europea: 02731323 .8

86 Fecha de presentación : 12.04.2002

87 Número de publicación de la solicitud: 1390958

87 Fecha de publicación de la solicitud: 25.02.2004

54 Título: Fluido dieléctrico.

30 Prioridad: 12.04.2001 US 832887

73 Titular/es: Cooper Technologies Company

Suite 5800, 600 Travis Street Houston, Texas 77002, US

45 Fecha de publicación de la mención BOPI:

16.11.2007

72 Inventor/es: Sletson, Lisa, C.;

Fellers, Clay, A.; Mason, Marco, J.; Gauger, Gary, A. y Yerges, Alan, P.

45 Fecha de la publicación del folleto de la patente:

74 Agente: Justo Vázquez, Jorge Miguel de

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16.11.2007

Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, 75 – 28071 Madrid

ES 2 284 868 T3 DESCRIPCIÓN Fluido dieléctrico. 5

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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-xililetano.

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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) obenciltolueno, (d) m-benciltolueno, (e) p-benciltolueno, (f) 1,1-difeniletano y (g) 1,1-difeniletano.

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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.

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Los documentos US-A-6154357 y US-A-6010743 describen un condensador eléctrico preparado mediante un procedimiento de impregnación doble. 35

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.

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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. 45

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.

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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. Descripción de los dibujos 55

La figura 1 es una lista en perspectiva de un condensador. La figura 2 es una lista en perspectiva de un conjunto de condensadores. 60

Los símbolos de referencia análogos en los diversos dibujos indican elementos análogos. Descripción detallada

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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.

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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.

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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.

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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.

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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, β-metilantraquinona o β-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 3

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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.

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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.

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Ejemplos

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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 dieléctrica. TABLA 1

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TABLA 2

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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:

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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.

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Los condensadores fueron sometidos a los siguientes niveles de tensiones a una temperatura ambiente de 60ºC para envejecer los condensadores:

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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. TABLA 3

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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. Ensayo de experimento con calor a 55ºC

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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 5

ES 2 284 868 T3 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. 5

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Ensayo de esfuerzo por etapas a 55ºC 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.

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Ensayo CC 4,3 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. 20

Ensayo de muestra de 65 horas 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. 25

Ensayo de esfuerzo por etapas a -40ºC

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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.

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TABLA 4

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Se han descrito un cierto número de realizaciones de la invención.

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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.

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ES 2 284 868 T3 REIVINDICACIONES

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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.

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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).

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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:

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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.

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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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