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EP3341951A1 - Utilisation d'hexafluorobutenes pour l'isolation ou l'extinction d'arcs electriques - Google Patents

Utilisation d'hexafluorobutenes pour l'isolation ou l'extinction d'arcs electriques

Info

Publication number
EP3341951A1
EP3341951A1 EP16763913.7A EP16763913A EP3341951A1 EP 3341951 A1 EP3341951 A1 EP 3341951A1 EP 16763913 A EP16763913 A EP 16763913A EP 3341951 A1 EP3341951 A1 EP 3341951A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
mol
electrical
hexafluorobut
hexafluorobutene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP16763913.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Wissam Rached
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
Publication of EP3341951A1 publication Critical patent/EP3341951A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/22—Selection of fluids for arc-extinguishing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/56—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the present invention relates to a gas used for the electrical insulation or extinguishing of electric arcs, as well as electrical appliances provided with an enclosure containing this gas.
  • SFe has the major disadvantage of having a global warming potential (GWP) of 22,800 (relative to CO2 over 100 years) and a residence time in the atmosphere of 3,200 years, which places it among the gases with strong greenhouse effect.
  • GWP global warming potential
  • Hybrid systems have been proposed which combine gas insulation with solid insulation (EP 1724802). This, however, increases the volume of electrical appliances compared to that allowed by SFe insulation; and the cut in the oil or vacuum requires a redesign of the equipment.
  • Perfluorocarbons generally have interesting dielectric strength properties, but their GWP is typically in a range of 5,000 to 10,000.
  • SFe and other gases such as nitrogen or nitrogen dioxide are used to limit the impact of SF6 on the environment: see, for example, WO 2009/049144. Nevertheless, because of the strong SF6 GWP, the GWP of these mixtures remains very high.
  • a mixture of SFe and nitrogen in a volume ratio of 10/90 has a dielectric strength in alternating voltage (50 Hz) equal to 59% of that of SFe but its GWP is of the order of 8 000 to 8 650.
  • Such mixtures can not therefore be used as a low environmental impact gas.
  • the document FR 2955970 proposes the use of fluoroketones in the gaseous state for electrical insulation.
  • the fluoroketones can be combined with a carrier gas or dilution gas (for example nitrogen, air, nitrous oxide, carbon dioxide, oxygen, helium, etc.).
  • Document FR 2975818 proposes a mixture of octofluorobutan-2-one and carrier gas as isolation medium.
  • the document FR 2983341 proposes the use of polyfluorinated oxiranes as electric insulation gas and / or electric arc extinguishing.
  • Document FR 2986192 proposes the use of a combination of polyfluorinated oxirane and hydrofluoroolefin as an electrical insulating gas.
  • the hydrofluoroolefins mentioned are 1,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234ze), 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) and 1,2,3,3,3-pentafluoropropene (HFO -1225ye).
  • WO 2012/160158 proposes the use of a mixture of decafluoro-2-methylbutan-3-one and a carrier gas as an electrical insulating gas.
  • the document WO 2013/004796 proposes the use of a gas based on hydrofluoroolefin as an electrical insulation gas.
  • the hydrofluoroolefins more particularly proposed are 1, 3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234ze) and 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf).
  • the document WO 2013/041695 proposes the use of a mixture of hydrofluoroolefin and of fluoroketone as electrical insulation gas.
  • the hydrofluoroolefins more particularly proposed are 1, 3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234ze), 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) and 1,2,3,3,3-pentafluoropropene (HFO-1225ye).
  • the document WO 2013/136015 proposes the use of a mixture of hydrofluoroolefin and hydrofluorocarbon as electrical insulation gas.
  • the hydrofluoroolefins more particularly proposed are 1, 3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234ze), 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) and 1,2,3,3,3-pentafluoropropene (HFO-1225ye).
  • Hydrofluorocarbons more particularly proposed are 1, 1, 1, 1, 2,3,3,3-heptafluoropropane (HFC-227ea), pentafluoroethane (HFC-125) and 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane (HFC-134a).
  • the invention firstly relates to the use of a gas as an electrical isolation medium and / or electric arc extinguishing, wherein the gas comprises a hexafluorobutene.
  • hexafluorobutene is 1, 1, 1, 4,4,4-hexafluorobut-2-ene, preferably in trans form, or 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut -1 -ene.
  • the use is a use as an electrical isolation medium and / or electric arc extinguishing in a medium voltage substation electrical apparatus.
  • the gas contains:
  • the gas also comprises a diluent, preferably chosen from air, nitrogen, methane, oxygen, carbon dioxide or a mixture of these; and preferably the gas is a binary mixture of a hexafluorobutene and a diluent.
  • the use is carried out in a temperature range whose lower limit is from -30 to 20 ° C, preferably from -20 to 10 ° C, more preferably from -15 to 0 ° vs.
  • the gas consists essentially and preferably consists of hexafluorobutene or a mixture of hexafluorobutenes.
  • the use is carried out in a temperature range whose lower limit is greater than or equal to 0 ° C, or 2 ° C, or 5 ° C, or 10 ° vs.
  • the invention also relates to an electrical apparatus comprising a sealed enclosure in which there are electrical components and an electrical insulating gas and / or electric arc extinguishing, wherein the gas comprises a hexafluorobutene.
  • hexafluorobutene is 1, 1, 1, 4,4,4-hexafluorobut-2-ene, preferably in trans form, or 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut -1 -ene.
  • the gas contains:
  • the gas also comprises a diluent, preferably chosen from air, nitrogen, methane, oxygen, carbon dioxide or a mixture of these; and preferably the gas is a binary mixture of a hexafluorobutene and a diluent.
  • a diluent preferably chosen from air, nitrogen, methane, oxygen, carbon dioxide or a mixture of these; and preferably the gas is a binary mixture of a hexafluorobutene and a diluent.
  • the gas consists essentially and preferably consists of hexafluorobutene or a mixture of hexafluorobutenes.
  • the electrical apparatus is a medium voltage electrical appliance.
  • the gas is at a pressure at 20 ° C. of 0.1 to 1 MPa, preferably of 0.1 to 0.5 MPa, and more particularly of 0.12 to 0.15 MPa.
  • the electrical apparatus is selected from a gas-insulated electrical transformer, a gas-insulated line for the transmission or distribution of electricity, and an electrical connection / disconnection apparatus.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the state of the art. More particularly, it provides electrical insulation and / or arc-extinguishing media having both low GWP and high dielectric strength.
  • the invention relates to a gas used as an electrical isolation medium and / or electric arc extinguishing.
  • the gas according to the invention comprises at least one hexafluorobutene or HFO-1336.
  • it is 1, 1, 1, 4,4,4-hexafluorobut-2-ene (or HFO-1336mzz), or 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ene (or HFO-1336yf).
  • HFO-1336mzz may be in cis or trans form or may be a mixture of both forms. Preferably it is in trans form (HFO-E-1336mzz). It is also possible to use a mixture of several hexafluorobutenes, for example a mixture of HFO-1336mzz and HFO-1336yf.
  • the gas may also comprise additional compounds, in particular a diluent (or dilution gas, or buffer gas) and optionally one or more other halogenated compounds (especially fluorinated compounds).
  • a diluent or dilution gas, or buffer gas
  • other halogenated compounds especially fluorinated compounds
  • the gas according to the invention comprises (or possibly essentially consists of, or possibly consists of) a mixture of one or more HFO-1336 and a diluent.
  • a mixture of one or more HFO-1336 and a diluent Preferably it is a binary mixture consisting of HFO-1336mzz and a diluent, or consisting of HFO-1336yf and a diluent.
  • the diluent is an inert compound, which may be for example selected from air, nitrogen, methane, oxygen, nitrous oxide, helium and carbon dioxide. Mixtures of these are also possible.
  • the gas according to the invention comprises (or possibly consists essentially of, or possibly consists of) a mixture of one or more compounds HFO-1336 and one or more other halogenated compounds, or of one or more compounds HFO-1336, at least one diluent, especially as mentioned above and one or more other halogenated compounds.
  • the halogenated compound is a hydrochlorofluoroolefin, a hydrofluoroolefin or a fluoroketone.
  • the halogenated compound is a fluorinated compound, which is preferably chosen from fluoroketones, fluoethers, fluonitriles, fluorinated peroxides, fluoroamides and fluoro ether oxides.
  • Decafluoro-2-methylbutan-3-one is a preferred halogenated compound. It is preferably desired that the gas according to the invention does not undergo condensation for the entire range of projected use temperature. It is also desired to use this gas at a sufficiently high pressure, in principle greater than 10 5 Pa. Under these conditions, the use of a diluent makes it possible to avoid reaching the saturation vapor pressure of HFO-1336 or other halogenated compounds that may be present throughout the range of the intended use temperature.
  • a diluent is generally a compound having a boiling point lower than that of HFO-1336 and also having a lower electrical rigidity (at a reference temperature of, for example, 20 ° C).
  • the absolute operating pressure of the gas according to the invention is preferably from 1 to 1.5 bar in medium voltage devices and from 4 to 7 bar in high voltage devices.
  • medium voltage and high voltage are used herein in their usual acceptance that the term “medium voltage” refers to a voltage that is greater than 1000 volts AC and 1500 volts DC but that does not does not exceed 52000 volts AC and 75000 volts DC, while the term “high voltage” means a voltage that is strictly greater than 52000 volts AC and 75000 volts DC.
  • Ptot represents the operating pressure of the gas according to the invention
  • P represents the partial pressure of HFO-1336 and other halogenated compounds
  • PVS represents the saturated vapor pressure of HFO-1336 and other compounds halogenated.
  • the pressures are given at the filling temperature, in general about 20 ° C.
  • the gas according to the invention can be used in a temperature range whose lower limit is: -30 to -25 ° C; or from -25 to -20 ° C; or from -20 to -15 ° C; or from -15 to -10 ° C; or from -10 to -5 ° C; or from -5 to 0 ° C; or from 0 to 5 ° C; or from 5 to 10 ° C; or 10 to 15 ° C; or 15 to 20 ° C.
  • Embodiments in which a diluent gas is present generally permit work in a temperature range whose lower limit is lower than in embodiments in which no diluent gas is present.
  • the lower limit of the temperature range is preferably greater than or equal to 0 ° C, or 1 ° C, or at 3 ° C, or at 4 ° C, or at 5 ° C, or at 6 ° C, or at 7 ° C, or at 8 ° C, or at 9 ° C, or at 10 ° C, or at 11 ° C, or at 12 ° C.
  • the lower limit of the temperature range is preferably greater than or equal to 0 ° C, or 1 ° C, or 2 ° C, or 3 ° C. ° C, or at 4 ° C, or at 5 ° C.
  • the lower limit of the temperature range is preferably greater than or equal to 7 ° C, or 8 ° C, or 9 ° C, or 10 ° C, or 1 1 ° C, or at 12 ° C.
  • the gas according to the invention has a GWP of less than or equal to 20, more particularly less than or equal to 15 or to 10, or to 7, or to 5, or to 4, or to 3.
  • the GWP is defined relative to carbon dioxide and compared to a duration of 100 years, according to the method indicated in "The scientific assessment of ozone depletion, 2002, report of the World Meteorological Association's Global Ozone Research and Monitoring Project".
  • the (molar) proportion of HFO-1336 in the gas may be, in certain embodiments, from 1 to 2%; or 2 to 3%; or 3-4%, or 4-5%; or from 5 to 6%; or 6-7%; or 7 to 8%; or from 8 to 9%; or from 9 to 10%; or from 10 to 12%; or from 12 to 14%; or from 14 to 16%; or from 16 to 18%; or 18 to 20%; or 20 to 22%; or 22 to 24%; or 24 to 26%; or from 26 to 28%; or from 28 to 30%; or from 30 to 35%; or 35 to 40%; or 40 to 45%; or 45 to 50%; or 50 to 55%; or 55 to 60%; or 60 to 70%; or 70 to 80%; or 80 to 90%; or 90 to 100%.
  • the partial pressure of HFO-1336 in the gas at 20 ° C may in some embodiments be 0.002 to 0.004 MPa; or from 0.004 to 0.006 MPa; or from 0.006 to 0.008 MPa; or from 0.008 to 0.01 MPa; or from 0.01 to 0.012 MPa; or from 0.012 to 0.014 MPa; or from 0.014 to 0.016 MPa; or from 0.016 to 0.018 MPa; or from 0.018 to 0.02 MPa; or from 0.02 to 0.022 MPa; or from 0.022 to 0.024 MPa; or from 0.024 to 0.026 MPa; or from 0.026 to 0.028 MPa; or from 0.028 to 0.03 MPa; or from 0.03 to 0.032 MPa; or from 0.032 to 0.034 MPa; or from 0.034 to 0.036 MPa; or from 0.036 to 0.038 MPa; or from 0.04 to 0.045 MPa; or from
  • electrical appliances contain a relatively high amount of HFO-1336 (and possibly other halogenated gases and especially fluorinated), so that the dielectric, thermal and gas-off characteristics are sufficient over the normative or desired temperature range.
  • a heating device in combination with an electrical appliance, said heating device being triggered according to the temperature of the gas mixture, its pressure or its density.
  • a heating resistor ideally placed at the lowest point of the apparatus (point of convergence of the condensed liquids on the various parts inside the apparatus, by gravitation) can be used.
  • Dielectric strength measurements are made at 20 ° C. and at 1.3 bar in a homogeneous field, with a distance between electrodes of 12 mm.
  • EXAMPLE 2 Mixtures with an Inert Compound Using the ideal gas model, 1 m 3 of gas at 1, 3 bar and at 20 ° C contains 53.33 moles, regardless of the gas used. This same amount of gas, in the same volume, gives a pressure of 1, 14478 bar at -15 ° C.
  • each gas is considered independent of other gases in the same volume.
  • the saturation pressure of HFO-E-1336mzz at -15 ° C is 0.39 bar
  • the maximum number of moles in 1 m 3 of gas is 16.35 moles, if it is desired to avoid any condensation at this temperature.
  • the mixture HFO-E-1336mzz / inert comprises then a molar composition of 30.6% HFO-E-1336mzz and 69.4% of inert compound.
  • the saturation partial pressure of HFO-1336yf at -15 ° C is 0.5151 bar.
  • a calculation similar to the previous one shows that the maximum molar proportion of HFO-1336yf in an HFO-1336yf / inert mixture making it possible to avoid any condensation is about 45%.
  • the dielectric strength of the air is 54% of that of SF6 at -15 ° C. and at 1.14 bar, the dielectric strength of the above binary mixtures can be calculated under the same conditions:
  • the maximum content of HFO-1336 at vapor saturation at -15 ° C and at 1.14 bar is higher than that predicted by ideal gas theory.
  • the binary HFO-1336 / inert compositions of interest may have an HFO-1336 content higher than the values indicated above.
  • the dielectric strength obtained may be greater than that calculated above.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne l'utilisation d'un gaz comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique, dans laquelle le gaz comprend un hexafluorobutène. L'invention concerne également un appareil électrique comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi que ce gaz.

Description

UTILISATION D'HEXAFLUOROBUTENES POUR L'ISOLATION OU L'EXTINCTION D'ARCS ELECTRIQUES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un gaz utilisé pour l'isolation électrique ou l'extinction d'arcs électriques, ainsi que des appareils électriques pourvus d'une enceinte contenant ce gaz. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
Dans les appareils électriques moyenne ou haute tension, l'isolation électrique et, le cas échéant, l'extinction des arcs électriques sont typiquement assurées par un gaz qui est confiné à l'intérieur d'une enceinte de ces appareils. Actuellement, le gaz le plus souvent utilisé est l'hexafluorure de soufre (SF6) : ce gaz présente une rigidité diélectrique relativement haute, une bonne conductivité thermique et des pertes diélectriques peu élevées. Il est chimiquement inerte et non toxique pour l'homme et les animaux et, après avoir été dissocié par un arc électrique, il se recombine rapidement et presque totalement. De plus, il est ininflammable et son prix est, encore aujourd'hui, modéré.
Toutefois, le SFe a pour inconvénient majeur de présenter un potentiel de réchauffement global (GWP) de 22 800 (relativement au CO2 sur 100 ans) et une durée de séjour dans l'atmosphère de 3 200 ans, ce qui le place parmi les gaz à fort pouvoir d'effet de serre.
Les industriels cherchent donc des alternatives au SFe. Des systèmes hybrides ont été proposés, qui associent une isolation gazeuse à une isolation solide (document EP 1724802). Cela augmente toutefois le volume des appareils électriques par rapport à celui qu'autorise une isolation au SFe ; et la coupure dans l'huile ou le vide nécessite une refonte des appareillages.
A titre d'alternative au SF6, il est connu d'utiliser les gaz dits simples comme l'air ou l'azote, qui n'ont pas d'impact négatif sur l'environnement. Mais ceux-ci présentent une rigidité diélectrique beaucoup plus faible que celle du SFe ; leur utilisation pour l'isolation électrique et / ou l'extinction des arcs électriques dans des appareils haute tension / moyenne tension implique d'augmenter de façon drastique le volume et / ou la pression de remplissage de ces appareils, ce qui va à rencontre des efforts qui ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour développer des appareils électriques compacts, à encombrement de plus en plus réduit.
Les perfluorocarbones présentent, d'une manière générale, des propriétés de tenue diélectrique intéressantes, mais leur GWP s'inscrit typiquement dans une gamme allant de 5 000 à 10 000.
D'autres alternatives prometteuses d'un point de vue caractéristiques électriques et GWP, comme le trifluoroiodométhane, sont classées parmi les substances cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques de catégorie 3, ce qui est rédhibitoire pour une utilisation à une échelle industrielle.
Des mélanges de SFe et d'autres gaz comme l'azote ou le dioxyde d'azote sont utilisés pour limiter l'impact du SF6 sur l'environnement : voir, par exemple, le document WO 2009/049144. Néanmoins, du fait du fort GWP du SF6, le GWP de ces mélanges reste très élevé. Ainsi, par exemple, un mélange de SFe et d'azote dans un rapport volumique de 10/90 présente une rigidité diélectrique en tension alternative (50 Hz) égale à 59 % de celle du SFe mais son GWP est de l'ordre de 8 000 à 8 650. De tels mélanges ne sauraient donc être utilisés comme gaz à faible impact environnemental.
Le document FR 2955970 propose l'utilisation de fluorocétones à l'état gazeux pour l'isolation électrique. Les fluorocétones peuvent être combinées avec un gaz vecteur ou gaz de dilution (par exemple azote, air, protoxyde d'azote, dioxyde de carbone, oxygène, hélium...).
Le document FR 2975818 propose un mélange d'octofluorobutan-2- one et de gaz vecteur comme milieu d'isolation.
Le document FR 2983341 propose l'utilisation d'oxiranes polyfluorés comme gaz d'isolation électrique et / ou d'extinction des arcs électriques.
Le document FR 2986192 propose l'utilisation d'une combinaison d'oxirane polyfluoré et d'hydrofluorooléfine comme gaz d'isolation électrique. Les hydrofluorooléfines citées sont le 1 ,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234ze), le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf) et le 1 ,2,3,3,3- pentafluoropropène (HFO-1225ye).
Le document WO 2012/038443 propose l'utilisation d'un mélange de SFe et de fluorocétone comme gaz d'isolation électrique.
Le document WO 2012/160158 propose l'utilisation d'un mélange de décafluoro-2-méthylbutan-3-one et d'un gaz vecteur comme gaz d'isolation électrique. Le document WO 2013/004796 propose l'utilisation d'un gaz à base d'hydrofluorooléfine comme gaz d'isolation électrique. Les hydrofluorooléfines plus particulièrement proposées sont le 1 ,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO- 1234ze) et le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf).
Le document WO 2013/041695 propose l'utilisation d'un mélange d'hydrofluorooléfine et de fluorocétone comme gaz d'isolation électrique. Les hydrofluorooléfines plus particulièrement proposées sont le 1 ,3,3,3- tétrafluoropropène (HFO-1234ze), le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf) et le 1 ,2,3,3,3-pentafluoropropène (HFO-1225ye).
Le document WO 2013/136015 propose l'utilisation d'un mélange d'hydrofluorooléfine et d'hydrofluorocarbure comme gaz d'isolation électrique. Les hydrofluorooléfines plus particulièrement proposées sont le 1 ,3,3,3- tétrafluoropropène (HFO-1234ze), le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf) et le 1 ,2,3,3,3-pentafluoropropène (HFO-1225ye). Les hydrofluorocarbures plus particulièrement proposés sont le 1 ,1 ,1 ,2,3,3,3-heptafluoropropane (HFC-227ea), le pentafluoroéthane (HFC-125) et le 1 ,1 ,1 ,2-tétrafluoroéthane (HFC-134a).
Il existe encore un besoin de mettre au point des milieux d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arcs électriques présentant à la fois un faible GWP et présentant une rigidité diélectrique élevée.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu l'utilisation d'un gaz comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique, dans laquelle le gaz comprend un hexafluorobutène.
Selon un mode de réalisation, l'hexafluorobutène est du 1 ,1 ,1 ,4,4,4- hexafluorobut-2-ène, de préférence sous forme trans, ou du 2,3,3,4,4,4- hexafluorobut-1 -ène.
Selon un mode de réalisation, l'utilisation est une utilisation comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique dans un appareil électrique de sous-station de moyenne tension.
Selon un mode de réalisation, le gaz contient :
- de 10 à 100 mol.% de trans-1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence de 20 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 30 à 40 mol.% ; et/ou
- de 25 à 100 mol.% de 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ène, de préférence de 35 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 45 à 55 mol.%. Selon un mode de réalisation, le gaz comprend également un diluant, de préférence choisi parmi l'air, l'azote, le méthane, l'oxygène, le dioxyde de carbone ou un mélange de ceux-ci ; et de préférence le gaz est un mélange binaire d'un hexafluorobutène et d'un diluant.
Selon un mode de réalisation, l'utilisation est effectuée dans une gamme de température dont la borne inférieure vaut de -30 à 20°C, de préférence de -20 à 10°C, de manière plus particulièrement préférée de -15 à 0°C.
Selon un mode de réalisation alternatif, le gaz consiste essentiellement, et de préférence consiste, en un hexafluorobutène ou un mélange d'hexafluorobutènes.
Dans un tel cas, selon un mode de réalisation, l'utilisation est effectuée dans une gamme de température dont la borne inférieure est supérieure ou égale à 0°C, ou à 2°C, ou à 5°C, ou à 10°C.
L'invention concerne également un appareil électrique comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un gaz d'isolation électrique et / ou d'extinction des arcs électriques, dans lequel le gaz comprend un hexafluorobutène.
Selon un mode de réalisation, l'hexafluorobutène est du 1 ,1 ,1 ,4,4,4- hexafluorobut-2-ène, de préférence sous forme trans, ou du 2,3,3,4,4,4- hexafluorobut-1 -ène.
Selon un mode de réalisation, le gaz contient :
- de 10 à 100 mol.% de trans-1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence de 20 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 30 à 40 mol.% ; et/ou
- de 25 à 100 mol.% de 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ène, de préférence de 35 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 45 à 55 mol.%.
Selon un mode de réalisation, le gaz comprend également un diluant, de préférence choisi parmi l'air, l'azote, le méthane, l'oxygène, le dioxyde de carbone ou un mélange de ceux-ci ; et de préférence le gaz est un mélange binaire d'un hexafluorobutène et d'un diluant.
Selon un mode de réalisation alternatif, le gaz consiste essentiellement, et de préférence consiste, en un hexafluorobutène ou un mélange d'hexafluorobutènes.
Selon un mode de réalisation, l'appareil électrique est un appareil électrique de moyenne tension. Selon un mode de réalisation, le gaz est à une pression à 20°C de 0,1 à 1 MPa, de préférence de 0,1 1 à 0,5 MPa, et plus particulièrement de 0,12 à 0,15 MPa.
Selon un mode de réalisation, l'appareil électrique est choisi parmi un transformateur électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité, et un appareil électrique de connexion / déconnexion.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement des milieux d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arcs électriques présentant à la fois un faible GWP et présentant une rigidité diélectrique élevée.
Cela est accompli grâce à la découverte que les milieux à base d'hexafluorobutène, ou HFO-1336, présentent des propriétés de rigidité diélectrique remarquables et que, en mélange avec des composés inertes, ils fournissent une isolation électrique efficace même à température relativement faible.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
L'invention concerne un gaz utilisé comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique.
Le gaz selon l'invention comprend au moins un hexafluorobutène ou HFO-1336. De préférence, il s'agit du 1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène (ou HFO-1336mzz), ou bien du 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ène (ou HFO-1336yf).
Alternativement, il est également possible d'utiliser du 1 ,3,3,4,4,4- hexafluorobut-1 -ène, du 1 ,1 ,2,4,4,4-hexafluorobut-2-ène et / ou du 1 ,1 ,3,4,4,4- hexafluorobut-2-ène, par exemple.
Le HFO-1336mzz peut être sous forme cis ou sous forme trans ou peut être un mélange des deux formes. De préférence il est sous forme trans (HFO- E-1336mzz). On peut également utiliser un mélange de plusieurs hexafluorobutènes, par exemple un mélange de HFO-1336mzz et de HFO-1336yf.
Le gaz peut également comprendre des composés supplémentaires, en particulier un diluant (ou gaz de dilution, ou gaz tampon) et éventuellement un ou des autres composés halogénés (notamment composés fluorés).
Selon un mode de réalisation, le gaz selon l'invention comprend (ou éventuellement consiste essentiellement en, ou éventuellement consiste en) un mélange d'un ou plusieurs HFO-1336 et d'un diluant. De préférence il s'agit d'un mélange binaire constitué du HFO-1336mzz et d'un diluant, ou constitué du HFO-1336yf et d'un diluant.
Le diluant est un composé inerte, qui peut être par exemple choisi parmi l'air, l'azote, le méthane, l'oxygène, le protoxyde d'azote, l'hélium et le dioxyde de carbone. Des mélanges de ceux-ci sont également possibles.
Selon un mode de réalisation, le gaz selon l'invention comprend (ou éventuellement consiste essentiellement en, ou éventuellement consiste en) un mélange d'un ou plusieurs composés HFO-1336 et d'un ou plusieurs autres composés halogénés, ou bien d'un ou plusieurs composés HFO-1336, d'au moins un diluant, notamment tel que cité ci-dessus et d'un ou plusieurs autres composés halogénés.
A titre de composé halogéné pouvant être utilisé en mélange avec le HFO-1336, on peut citer notamment un chlorocarbure, un hydrochlorocarbure, un chlorofluorocarbure, un hydrochlorofluorocarbure, une chlorooléfine, une hydrochlorooléfine, une chlorofluorooléfine ou une hydrochlorofluorooléfine, une hydrochlorofluorocétone, une fluorocétone, une hydrofluorocétone, une hydrochlorocétone ou une chlorocétone. De préférence, le composé halogéné est une hydrochlorofluorooléfine, une hydrofluorooléfine ou une fluorocétone.
Selon un mode de réalisation, le composé halogéné est un composé fluoré, qui de préférence est choisi parmi les fluorocétones, les fluoéthers, les fluonitriles, les peroxydes fluorés, les fluoroamides et les fluoro éther oxydes.
La décafluoro-2-méthylbutan-3-one est un composé halogéné préféré. On souhaite de préférence que le gaz selon l'invention ne subisse pas de condensation pour l'ensemble de la gamme de température d'utilisation projetée. On souhaite par ailleurs utiliser ce gaz à une pression suffisamment importante, en principe supérieure à 105 Pa. Dans ces conditions, l'utilisation d'un diluant permet d'éviter d'atteindre la pression de vapeur saturante du HFO-1336 ou des autres composés halogénés éventuellement présents dans l'ensemble de la gamme de température d'utilisation projetée.
Ainsi, un diluant est en général un composé présentant une température d'ébullition inférieure à celle du HFO-1336 et présentant également une rigidité électrique inférieure (à une température de référence qui est par exemple de 20°C).
La pression absolue d'utilisation du gaz selon l'invention est de préférence de 1 à 1 ,5 bars dans les appareils de moyenne tension, et de 4 à 7 bars dans les appareils de haute tension. Les termes « moyenne tension » et « haute tension » sont utilisés ici dans leur acceptation habituelle, à savoir que le terme « moyenne tension » désigne une tension qui est supérieure à 1000 volts en courant alternatif et à 1500 volts en courant continu mais qui ne dépasse pas 52000 volts en courant alternatif et 75000 volts en courant continu, tandis que le terme « haute tension » désigne une tension qui est strictement supérieure à 52000 volts en courant alternatif et à 75000 volts en courant continu.
Afin de maximiser la quantité de HFO-1336 et des autres composés halogénés éventuels, on peut utiliser la formule suivante : rto1 gaz dilutiofi
Dans cette formule, Ptot représente la pression d'utilisation du gaz selon l'invention, P, représente la pression partielle du HFO-1336 et des autres composés halogénés et PVS, représente la pression de vapeur saturante du HFO-1336 et des autres composés halogénés. Les pressions sont données à la température de remplissage, soit en général 20°C environ.
Le pourcentage molaire de chaque composé est alors approximativement donné par
Il faut toutefois noter que, dans certains cas, on peut accepter une petite quantité de liquide à basse température, ce qui peut permettre d'utiliser le HFO-1336 ou les autres composés halogénés en des quantités légèrement supérieures à celles définies ci-dessus.
De manière générale, le gaz selon l'invention peut être utilisé dans une gamme de température dont la borne inférieure vaut : de -30 à -25°C ; ou de -25 à -20°C ; ou de -20 à -15°C ; ou de -15 à -10°C ; ou de -10 à -5°C ; ou de -5 à 0°C ; ou de 0 à 5°C ; ou de 5 à 10°C ; ou de 10 à 15°C ; ou de 15 à 20°C.
Les modes de réalisation dans lesquels un gaz diluant est présent permettent généralement de travailler dans une gamme de température dont la borne inférieure est plus basse que dans les modes de réalisations dans lesquels aucun gaz diluant n'est présent.
Ainsi, lorsque le gaz consiste essentiellement en, ou consiste en, un HFO-1336 (ou un mélange de HFO-1336), la borne inférieure de la gamme de température est de préférence supérieure ou égale à 0°C, ou à 1 °C, ou à 3°C, ou à 4°C, ou à 5°C, ou à 6°C, ou à 7°C, ou à 8°C, ou à 9°C, ou à 10°C, ou à 1 1 °C, ou à 12°C. Lorsque le gaz consiste essentiellement en, ou consiste en, du HFO-1336yf, la borne inférieure de la gamme de température est de préférence supérieure ou égale à 0°C, ou à 1 °C, ou à 2°C, ou à 3°C, ou à 4°C, ou à 5°C.
Lorsque le gaz consiste essentiellement en, ou consiste en, du
HFO-E-1336mzz, la borne inférieure de la gamme de température est de préférence supérieure ou égale à 7°C, ou à 8°C, ou à 9°C, ou à 10°C, ou à 1 1 °C, ou à 12°C.
De préférence, le gaz selon l'invention présente un GWP inférieur ou égal à 20, plus particulièrement inférieur ou égal à 15 ou à 10, ou à 7, ou à 5, ou à 4, ou à 3.
Le GWP est défini par rapport au dioxyde de carbone et par rapport à une durée de 100 ans, selon la méthode indiquée dans « The scientific assessment of ozone depletion, 2002, a report of the World Meteorological Association's Global Ozone Research and Monitoring Project ».
La proportion (molaire) de HFO-1336 dans le gaz peut être, dans certains modes de réalisation, de 1 à 2 % ; ou de 2 à 3 % ; ou de 3 à 4 %, ou de 4 à 5 % ; ou de 5 à 6 % ; ou de 6 à 7 % ; ou de 7 à 8 % ; ou de 8 à 9 % ; ou de 9 à 10 % ; ou de 10 à 12 % ; ou de 12 à 14 % ; ou de 14 à 16 % ; ou de 16 à 18 % ; ou de 18 à 20 % ; ou de 20 à 22 % ; ou de 22 à 24 % ; ou de 24 à 26 % ; ou de 26 à 28 % ; ou de 28 à 30 % ; ou de 30 à 35 % ; ou de 35 à 40 % ; ou de 40 à 45 % ; ou de 45 à 50 % ; ou de 50 à 55 % ; ou de 55 à 60 % ; ou de 60 à 70 % ; ou de 70 à 80 % ; ou de 80 à 90 % ; ou de 90 à 100 %.
La pression partielle de HFO-1336 dans le gaz à 20°C peut être, dans certains modes de réalisation, de 0,002 à 0,004 MPa ; ou de 0,004 à 0,006 MPa ; ou de 0,006 à 0,008 MPa ; ou de 0,008 à 0,01 MPa ; ou de 0,01 à 0,012 MPa ; ou de 0,012 à 0,014 MPa ; ou de 0,014 à 0,016 MPa ; ou de 0,016 à 0,018 MPa ; ou de 0,018 à 0,02 MPa ; ou de 0,02 à 0,022 MPa ; ou de 0,022 à 0,024 MPa ; ou de 0,024 à 0,026 MPa ; ou de 0,026 à 0,028 MPa ; ou de 0,028 à 0,03 MPa ; ou de 0,03 à 0,032 MPa ; ou de 0,032 à 0,034 MPa ; ou de 0,034 à 0,036 MPa ; ou de 0,036 à 0,038 MPa ; ou de 0,038 à 0,04 MPa ; ou de 0,04 à 0,045 MPa ; ou de 0,045 à 0,05 MPa ; ou de 0,05 à 0,055 MPa ; ou de 0,055 à 0,06 MPa ; ou de 0,06 à 0,07 MPa ; ou de 0,07 à 0,08 MPa ; ou de 0,08 à 0,09 MPa ; ou de 0,09 à 0,1 MPa ; ou de 0,1 à 0,1 1 MPa ; ou de 0,1 1 à 0,12 MPa ; ou de 0,12 à 0,13 MPa ; ou de plus de 0,13 MPa.
Il est souhaitable que les appareils électriques contiennent une quantité relativement élevée de HFO-1336 (et éventuellement autres gaz halogénés et notamment fluorés), afin que les caractéristiques diélectriques, thermiques et de coupure des gaz soient suffisantes sur la plage de température normative ou souhaitée.
Pour ce faire, il est avantageux d'utiliser un dispositif de chauffage en combinaison avec un appareil électrique, ledit dispositif de chauffage se déclenchant en fonction de la température du mélange gazeux, de sa pression ou de sa densité.
Par exemple, une résistance chauffante placée idéalement au point le plus bas de l'appareil (point de convergence des liquides condensés sur les différentes pièces à l'intérieur de l'appareil, par gravitation) peut être utilisée.
On garantit ainsi une pression de gaz supérieure à la pression d'essai (pression de gaz dans l'appareil lors des essais de validation) définie normativement.
Pour les mêmes raisons, il est avantageux de prévoir une isolation thermique des parois de l'appareil et/ou une isolation thermique de l'installation ou des locaux le contenant et/ou un chauffage de cette installation ou de ces locaux.
EXEMPLES
Les exemples suivants illustrent l'invention sans la limiter.
Exemple 1 - produits purs
On effectue des mesures de rigidité diélectrique à 20°C et à 1 ,3 bar en champ homogène, avec une distance entre électrodes de 12 mm.
Les résultats sont les suivants, exprimés de manière relative en pourcentage de la rigidité diélectrique du gaz de référence SFe :
- HFO-E-1336mzz : 127 % ;
- HFO-1336yf : 137 %.
Compte tenu de leur température de condensation, les deux composés ci-dessus peuvent être utilisés à l'état pur à des températures minimales de 4°C pour le HFO-1336yf et de 1 1 °C pour le HFO-E-1336mzz, à une pression de 1 ,14 bar. Les valeurs de rigidité diélectrique (avec une distance entre électrodes de 12 mm) sont alors les suivantes, toujours par rapport au SFe :
- HFO-E-1336mzz à 1 1 °C : 1 15 % ;
- HFO-1336yf à 4°C : 128 %.
Exemple 2 - mélanges avec un composé inerte Si l'on utilise le modèle des gaz parfaits, 1 m3 de gaz à 1 ,3 bar et à 20°C contient 53,33 moles, indépendamment du gaz utilisé. Cette même quantité de gaz, dans le même volume, donne une pression de 1 ,14478 bar à -15°C.
Toujours selon la théorie des gaz parfaits, chaque gaz est considéré indépendant des autres gaz dans le même volume. Donc, comme la pression de saturation du HFO-E-1336mzz à -15°C est de 0,39 bar, le nombre maximum de moles dans 1 m3 de gaz est de 16,35 moles, si l'on souhaite éviter toute condensation à cette température.
Comme la pression totale est considérée comme étant égale à la somme des pressions partielles, la pression restante est de 0,79 bars et le nombre de moles équivalent de composé inerte à ajouter est de 37. Le mélange HFO-E-1336mzz / inerte comprend alors une composition molaire de 30,6 % de HFO-E-1336mzz et de 69,4 % de composé inerte.
La pression partielle de saturation du HFO-1336yf à -15°C est de 0,5151 bar. Un calcul similaire au précédent montre alors que la proportion molaire maximale de HFO-1336yf dans un mélange HFO-1336yf / inerte permettant d'éviter toute condensation est de 45 % environ.
La rigidité diélectrique de l'air étant de 54 % de celle du SF6 à -15°C et à 1 ,14 bar, on peut calculer la rigidité diélectrique des mélanges binaires ci- dessus dans les mêmes conditions :
- 30,6 mol.% HFO-E-1336mzz + 69,4 mol.% air : 77 % ;
- 45 mol.% HFO-1336yf + 55 mol.% air : 86 %.
Ces résultats montrent qu'à la température de -15°C, un mélange de composé inerte et de HFO-1336 améliore les performances diélectriques du composé inerte. Ce qui est vrai pour l'air l'est également pour le CO2, dont la rigidité diélectrique est de 51 % de celle du SF6 à -15°C et à 1 ,14 bar.
Les teneurs en HFO-1336 indiquées ci-dessus ont été calculées selon la théorie des gaz parfaits.
Toutefois, en réalité, la teneur maximale de HFO-1336 à la saturation vapeur à la température de -15°C et à la pression de 1 ,14 bar est supérieure à celle prédite par la théorie des gaz parfaits. Ainsi, les compositions binaires HFO-1336 / inerte d'intérêt peuvent comporter une teneur en HFO-1336 supérieure aux valeurs indiquées ci-dessus. Corrélativement, la rigidité diélectrique obtenue peut être supérieure à celle calculée ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
Utilisation d'un gaz comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique, dans laquelle le gaz comprend un hexafluorobutène.
Utilisation selon la revendication 1 , dans laquelle l'hexafluorobutène est du 1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence sous forme trans, ou du 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 - ène.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 2, comme milieu d'isolation électrique et / ou d'extinction d'arc électrique dans un appareil électrique de sous-station de moyenne tension.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le gaz contient :
- de 10 à 100 mol.% de trans-1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence de 20 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 30 à 40 mol.% ; et/ou
- de 25 à 100 mol.% de 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ène, de préférence de 35 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 45 à 55 mol.%.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le gaz comprend également un diluant, de préférence choisi parmi l'air, l'azote, le méthane, l'oxygène, le dioxyde de carbone ou un mélange de ceux-ci ; et de préférence le gaz est un mélange binaire d'un hexafluorobutène et d'un diluant.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 5, dans une gamme de température dont la borne inférieure vaut de -30 à 20°C, de préférence de -20 à 10°C, de manière plus particulièrement préférée de -15 à 0°C. Utilisation selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le gaz consiste essentiellement, et de préférence consiste, en un hexafluorobutène ou un mélange d'hexafluorobutènes.
Utilisation selon la revendication 7, dans une gamme de température dont la borne inférieure est supérieure ou égale à 0°C, ou à 2°C, ou à 5°C, ou à 10°C.
Appareil électrique comprenant une enceinte étanche dans laquelle se trouvent des composants électriques ainsi qu'un gaz d'isolation électrique et / ou d'extinction des arcs électriques, dans lequel le gaz comprend un hexafluorobutène.
Appareil électrique selon la revendication 9, dans lequel l'hexafluorobutène est du 1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence sous forme trans, ou du 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 - ène.
Appareil électrique selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le gaz contient :
- de 10 à 100 mol.% de trans-1 ,1 ,1 ,4,4,4-hexafluorobut-2-ène, de préférence de 20 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 30 à 40 mol.% ; et/ou
- de 25 à 100 mol.% de 2,3,3,4,4,4-hexafluorobut-1 -ène, de préférence de 35 à 75 mol.% et de manière plus particulièrement préférée de 45 à 55 mol.%.
Appareil électrique selon l'une des revendications 9 à 1 1 , dans lequel le gaz comprend également un diluant, de préférence choisi parmi l'air, l'azote, le méthane, l'oxygène, le dioxyde de carbone ou un mélange de ceux-ci ; et de préférence le gaz est un mélange binaire d'un hexafluorobutène et d'un diluant.
13. Appareil électrique selon l'une des revendications 9 à 1 1 , dans lequel le gaz consiste essentiellement, et de préférence consiste, en un hexafluorobutène ou un mélange d'hexafluorobutènes.
14. Appareil électrique selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel l'appareil électrique est un appareil électrique de moyenne tension. 15. Appareil électrique selon l'une des revendications 9 à 14, dans lequel le gaz est à une pression à 20°C de 0,1 à 1 MPa, de préférence de 0,1 1 à 0,5 MPa, et plus particulièrement de 0,12 à 0,15 MPa.
Appareil électrique selon l'une des revendications 9 à 15, qui est choisi parmi un transformateur électrique à isolation gazeuse, une ligne à isolation gazeuse pour le transport ou la distribution de l'électricité, et un appareil électrique de connexion / déconnexion.
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