КОЛЛОИДНЫЕ ИЗОЛИРУЮЩИЕ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК H01F27/12 H01B1/20 H01B3/20 

Настоящее изобретение имеет отношение к новым коллоидным жидкостям. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию новых коллоидных жидкостей и к их использованию для изоляции и/или охлаждения электромагнитных устройств.

Жидкая изоляция в электромагнитном устройстве, таком как силовой трансформатор, испытывает воздействие напряжений различного типа: напряжений переменного тока (АС), имеющих широкий диапазон амплитуд и частот, а также импульсных напряжений (главным образом, кратковременных напряжений постоянного тока (DC)) с еще более высокой амплитудой. Способность жидкой изоляции выдерживать нагрузки (механические напряжения), создаваемые электрическими полями специфического напряжения, часто является наиболее важным свойством такой изоляции. Это определяет возможность использования специфической жидкости в качестве изоляции в трансформаторе (или в ином электромагнитном устройстве, в котором использовано высокое напряжение) с заданным диапазоном (классом) напряжений. Выбор изоляции является важным, так как он может определять конструкцию всех основных элементов устройства.

Обычно наибольшие нагрузки в жидкой изоляции создаются за счет импульсного напряжения (грозового разряда). Когда объем жидкой изоляции подвергается воздействию критического электростатического напряжения (механического напряжения в диэлектрике от воздействия электрического напряжения), создаваемого возрастанием пикового значения импульсного напряжения, может произойти пробой изоляции.

Для максимального повышения эффективности передачи и распределения электрической энергии часто необходимо использовать внутри электромагнитного устройства высокие плотности тока и высокие напряжения переменного тока. Применение больших токов ведет к увеличению выделения теплоты, в то время как применение высокого напряжения увеличивает уровень напряженности электрического поля, приложенного к изолирующим компонентам электромагнитного устройства. Увеличение выделения теплоты ограничивает максимальный ток, который может безопасно протекать по проводящим (электропроводным) элементам электромагнитного устройства, а также увеличивает стоимость передачи, распределения и конечного использования электрической энергии за счет увеличения потребности в проводящих материалах (за счет увеличения расхода таких материалов). Это также приводит к увеличению веса и габаритов данного электромагнитного устройства. Высокая напряженность электрического поля также ограничивает падение напряжения на единицу пространства внутри электромагнитного устройства, что ведет к увеличению стоимости передачи энергии от места ее производства к конечному пользователю. Более того, для компенсации высоких напряженностей электрического поля часто приходится увеличивать промежутки между витками обмотки, заполненные изолирующей жидкостью, такой как трансформаторное масло, за счет чего еще больше увеличиваются размеры и стоимость трансформатора.

Так как электрический ток генерирует как теплоту, так и напряженность электрического поля, важно, чтобы электрическая изоляция постоянно выполняла две различные функции: (а) предотвращала протекание тока между различными проводящими компонентами, имеющими различные напряжения; и (b) передавала теплоту от обмоток и магнитного сердечника к внешним стенкам устройства, которые должны охлаждаться. Диэлектрические свойства жидкой изоляции являются наиболее критичными, так как они отвечают за работу высоковольтного электромагнитного устройства, причем электростатическое напряжение изолирующей жидкости не может быть нарушено. В результате практически все известные системы с жидкой изоляцией имеют, главным образом, высокое электростатическое напряжение, низкую электропроводность и высокие уровни чистоты; можно полагать, что указанное последнее свойство необходимо для достижения желательного электростатического напряжения. Однако известные системы с жидкой изоляцией также имеют низкую удельную теплопроводность, что предотвращает эффективную теплопередачу за счет теплопроводности. Вместо этого в указанных электромагнитных устройствах обычно используют архимедову конвекцию, возникающую в результате расширения жидкой изоляции, например трансформаторного масла, при нагревании до высоких температур, при которых развиваются архимедовы силы, которые поднимают горячее (и менее плотное) масло и опускают вниз холодное (и более плотное) масло. При этом создается тепловая конвекция и становится возможной теплопередача от обмоток к внешней стенке электромагнитного устройства. Однако этот тип теплопередачи обладает относительно низкой эффективностью и требует, чтобы были предусмотрены специальные каналы (трубопроводы) внутри обмоток и магнитного сердечника, так чтобы масло могло протекать через наиболее нагретые внутренние секции узлов устройства, которые выделяют теплоту. Применение теплопередачи с использованием достаточно неэффективного механизма архимедовой конвекции ведет к увеличению габаритных размеров устройства, а также к увеличению стоимости за счет снижения количества проводящего или магнитного материала на единицу объема.

Известные системы с жидкой изоляцией осуществляют их функции в ограниченном диапазоне токов, напряжений и условий окружающей среды, который определяет номинальную мощность электромагнитного устройства. Существует необходимость расширения указанных пределов, так чтобы можно было передавать через устройство большую мощность, то есть более высокое напряжение или больший ток без снижения его безопасности и надежности, или же передавать такую же мощность, однако при помощи меньшего по размерам и более дешевого устройства. Настоящее изобретение направлено на решение указанной и других важных задач.

Настоящее изобретение частично имеет отношение к коллоидным жидкостям. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена стабильная коллоидная жидкость, которая содержит (а) ориентировочно от 99,99 до 98% по объему жидкости-носителя и (b) ориентировочно от 0,01 до 2% по объему неметаллических частиц, причем коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения ориентировочно менее 50 Гс.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предложена стабильная коллоидная жидкость, которая содержит (а) жидкость-носитель и (b) неметаллические частицы, причем коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения ориентировочно менее 50 Гс.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ приготовления коллоидной жидкости, имеющей намагниченность насыщения ориентировочно менее 50 Гс. Этот способ предусматривает (а) приготовление жидкости-носителя и (b) комбинирование не металлических частиц с жидкостью-носителем.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложено электромагнитное устройство. Это устройство включает в себя (а) средство создания электромагнитного поля и теплоты и (b) стабильную коллоидную жидкость, которая находится в контакте с устройством. Коллоидная жидкость содержит (i) жидкость-носитель и (ii) неметаллические частицы, причем указанная коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения ориентировочно менее 50 Гс.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предложен способ изоляции и охлаждения электромагнитного устройства, которое вырабатывает внешнее магнитное поле и теплоту. Этот способ предусматривает создание контакта (контактирование) устройства со стабильной коллоидной жидкостью, которая содержит (а) жидкость-носитель и (b) неметаллические частицы. Коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения в диапазоне больше нуля и ориентировочно менее 50 Гс.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из приложенной формулы изобретения и из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На чертеже схематично показан трансформатор, имеющий систему охлаждения в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение направлено частично на создание новых коллоидных жидкостей, предназначенных для использования, например, в электромагнитных устройствах. Использованный здесь термин “коллоидный” относится к состоянию подразделения (разбиения) вещества (материи), которое может содержать единичные большие молекулы или агрегации (скопления) малых молекул. Внутри коллоидного раствора (коллоида) частицы ультрамикроскопического размера, которые часто именуют дисперсной фазой, главным образом, окружены другим веществом, которое часто именуют жидкостью-носителем, средой дисперсии или внешней фазой. Размер частиц, имеющихся в коллоидных растворах в соответствии с настоящим изобретением, может варьировать в зависимости, например, от использованных частиц, от конкретного вида применения и т.п. Вообще говоря, размер частиц преимущественно лежит в диапазоне ориентировочно от 1 до 100 нм со всеми комбинациями и субкомбинациями частиц. Таким образом, коллоидные растворы в соответствии с настоящим изобретением в общем виде могут называться “наножидкостями”. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения частицы в коллоидных растворах могут быть магнитными. Использованный здесь термин “магнитный” относится к свойствам веществ, которые при некоторых обстоятельствах притягивают или отталкивают друг друга. Примером коллоида, который содержит магнитные частицы, является “(ферро)магнитная жидкость”. Описанные здесь магнитные жидкости могут реагировать на приложенное магнитное поле, так как сама жидкость обладает магнитными характеристиками. В соответствии с некоторыми другими предпочтительными вариантами настоящего изобретения коллоиды содержат частицы, которые являются немагнитными. Использованный здесь термин “ немагнитный” относится к существенному (в том числе и к полному) отсутствию магнитных свойств.

Коллоиды в соответствии с настоящим изобретением преимущественно позволяют решить три описанные выше фундаментальные проблемы, которые могут ограничивать мощность, распределенную в единице объема (или веса) устройства. В частности, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением преимущественно характеризуются одним или несколькими из следующих свойств: (а) более высокое напряжение частичного разряда, которое позволяет иметь более короткие расстояния между проводящими элементами устройства за счет расширения (увеличения) границ для кратковременных флуктуаций переменного тока, (b) повышенная импульсная электрическая прочность, позволяющая иметь в трансформаторе меньшие промежутки между заряженными частями (компонентами), а также обеспечивать повышенную надежность при высоковольтных импульсных выбросах (бросках), и (с) увеличенная теплообменная способность, пропорциональная напряженности магнитного поля, позволяющая эффективно передавать теплоту из внутреннего пространства обмоток, где магнитное поле является наиболее сильным и где наиболее критичны условия теплообмена.

Вообще говоря, новые коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут быть приготовлены, например, за счет комбинирования частиц с жидкостью-носителем. В соответствии с предпочтительным способом осуществления настоящего изобретения коллоиды могут быть приготовлены за счет комбинирования коллоидов, имеющих относительно высокую концентрацию частиц, с обычной жидкой изоляцией, такой как обычное трансформаторное масло, для получения наножидкостей. Далее обсуждаются более подробно дополнительные способы приготовления коллоидов. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения наножидкости могут обладать диэлектрическими свойствами. Эти диэлектрические наножидкости могут быть, главным образом, немагнитными или же они могут обладать магнитоактивными (магнитными) свойствами. Типичными диэлектрическими наножидкостями в соответствии с настоящим изобретением являются (ферро)магнитные жидкости. Состав описанных здесь наножидкостей может быть выбран для получения желательных свойств, которые зависят, например, от конкретного вида применения. Например, наножидкости могут быть приготовлены в первую очередь для усиления диэлектрической прочности изоляции. Увеличение объемной концентрации частиц может обеспечить соответствующее увеличение намагниченности насыщения, что приводит как к увеличению диэлектрической прочности изоляции, так и к улучшению характеристик теплопередачи наножидкости. Состав коллоидов, в первую очередь, может быть выбран и для обеспечения желательной теплопередачи.

Эффект воздействия намагниченности насыщения (ферро)магнитной жидкости и ее электрического удельного сопротивления (которые определяются объемным процентом магнитных частиц, их средним размером и частотным распределением, а также некоторой спецификой изготовления (ферро)магнитной жидкости) на диэлектрическую прочность магнитоактивной жидкости в условиях переменного и постоянного напряжений, а также на ее охлаждающую способность были проверены при проведении испытаний лабораторных и промышленных трансформаторов. Приготовление новых коллоидных изолирующих (изоляционных) жидкостей производилось таким образом, что такие параметры как напряжение начала частичного разряда (PD), теплообменная способность, напряжение импульсного пробоя, все коррелировали с двумя параметрами, легкими для измерения после приготовления магнитоактивной коллоидной жидкости, а именно с намагниченностью насыщения (M_s), которая для описанных и заявленных здесь видов применения может быть нулевой (для немагнитных коллоидов) или может изменяться ориентировочно от 0, 5 до 50 Гс, и электрическим удельным сопротивлением (R), которое может изменяться ориентировочно от 10⁹ до более чем 10¹³ Ом-см. Действительные значения этих двух параметров зависят от конкретной комбинации изолирующих свойств и охлаждающей способности, необходимой для данного трансформатора.

Таким образом, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут иметь в высшей степени предпочтительные электрические удельные сопротивления и поэтому особенно полезны для использования в качестве изолирующих жидкостей для электромагнитных устройств, в том числе и для трансформаторных устройств. В частности, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут обеспечивать существенные увеличения минимальных значений напряжения импульсного пробоя по сравнению с минимальными значениями напряжения импульсного пробоя для большинства известных ранее изолирующих жидкостей. В соответствии с предпочтительными вариантами коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают увеличение значений напряжения импульсного пробоя по меньшей мере ориентировочно на 10%, причем увеличение более чем ориентировочно на 10% является более предпочтительным и может составлять, например, около 15%. В более предпочтительном варианте коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают увеличение значений напряжения импульсного пробоя ориентировочно более чем на 15%, например, ориентировочно на 20%, причем увеличение более чем ориентировочно на 20% является более предпочтительным и может составлять, например, около 25%. В еще более предпочтительном варианте коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают увеличение значений напряжения импульсного пробоя ориентировочно более чем на 25%, например, ориентировочно на 30%, причем увеличение более чем ориентировочно на 30% является более предпочтительным и может составлять, например, около 35%. В еще более предпочтительном варианте коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают увеличение значений напряжения импульсного пробоя ориентировочно более чем на 35%, например ориентировочно на 40%, причем увеличение более чем ориентировочно на 40% является более предпочтительным и может составлять, например, около 45%. В еще более предпочтительном варианте коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают увеличение значений напряжения импульсного пробоя ориентировочно более чем на 45%, например ориентировочно на 50%, причем увеличение более чем ориентировочно на 50% является все еще более предпочтительным.

В дополнение к упомянутым выше желательным изоляционным свойствам в соответствии с предпочтительными вариантами настоящего изобретения коллоиды могут обладать в высшей степени предпочтительными свойствами теплопередачи. Поэтому коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы соответствующим образом, например, как охлаждающие жидкости для охлаждения электромагнитных устройств, в том числе трансформаторов большой мощности, которые работают при повышенных температурах. Как известно специалистам, трансформаторы большой мощности обычно работают при температурах в диапазоне ориентировочно от 70 до 90°С и типично имеют максимальные рабочие температуры около 110°С с температурами так называемых горячих точек ориентировочно до 130°С. Наблюдаемое возрастание температуры при использовании коллоидных изолирующих жидкостей в соответствии с настоящим изобретением, которые использованы как охлаждающие жидкости, может быть существенно меньше наблюдаемого возрастания температуры для большинства известных ранее изолирующих и/или охлаждающих жидкостей. В преимущественных вариантах возрастание температуры при использовании коллоидов в соответствии с настоящим изобретением преимущественно уменьшено по меньшей мере ориентировочно на 1%, причем уменьшение возрастания температуры более чем на 1% является более предпочтительным и составляет, например, около 5%. В более предпочтительном варианте возрастание температуры при использовании коллоидов в соответствии с настоящим изобретением преимущественно уменьшено более чем ориентировочно на 5%, например ориентировочно на 10%, причем уменьшение возрастания температуры более чем на 10% является более предпочтительным и составляет, например, около 15%.

Не желая связывать себя какой-либо теорией или теориями, которые касаются основ функционирования, можно полагать, что достижение желательных свойств охлаждения в соответствии с вариантами настоящего изобретения может быть вызвано, по меньшей мере частично, преимущественным использованием магнитных свойств. В этой связи (и как это обсуждается далее более подробно) коллоиды в соответствии с настоящим изобретением обладают намагниченностью насыщения ориентировочно до 50 Гс (преимущественно менее чем ориентировочно 50 Гс и, в некоторых преимущественных вариантах, более 0 и менее чем ориентировочно 50 Гс). Таким образом, в случае, например, коллоидов, которые содержат магнитные частицы, градиенты магнитного поля, которые могут быть созданы в электромагнитных устройствах, могут притягивать и увлекать коллоиды в направлении областей устройства, где магнитное поле является наиболее сильным, например в направлении обмоток. Это выгодно усиливает цикл конвекции, который теперь осуществляется за счет двух сил: магнитных сил и сил гравитации. Однако в некоторых конструкциях трансформаторов, в том числе, например, в трансформаторах с дисковыми обмотками, магнитные силы создают главным образом горизонтальную конвекцию, которая перпендикулярна архимедову компоненту и может нежелательно воздействовать на архимедов поток охлаждающей жидкости. Эта горизонтальная конвекция может быть уменьшена за счет ограничения намагниченности насыщения коллоидных жидкостей. Таким образом, намагниченность насыщения коллоидов в соответствии с настоящим изобретением преимущественно выбирают таким образом, чтобы обеспечить предпочтительные радиальную или угловую конвекции внутри блока катушки/сердечника и за счет этого обеспечить лучшие эффекты охлаждения, например, за счет предотвращения образования нежелательных горячих точек. Одновременно в областях вне блока катушки/сердечника, где резко уменьшаются магнитные поля, архимедова конвекция может превалировать, за счет чего сохраняется траектория нормальной (то есть вертикальной) циркуляции жидкости.

Коллоиды в соответствии с настоящим изобретением преимущественно являются высоко стабильными. Использованный здесь термин “стабильный” означает, что коллоиды главным образом или полностью являются стойкими к разложению, в том числе, например, и к химической деструкции дисперсной фазы и/или фазы носителя, а также к фазовому разделению дисперсной фазы и фазы носителя, при воздействии различных температур, в том числе и повышенных температур, которые могут быть связаны с работой электромагнитных устройств, таких как силовые трансформаторы, преимущественно в течение продолжительных периодов времени. Таким образом, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением особенно подходят для использования, например, в качестве изолирующих жидкостей для электромагнитных устройств, в том числе и для силовых трансформаторов, которые могут иметь очень большой срок службы. В преимущественной форме коллоиды в соответствии с настоящим изобретением преимущественно имеют электрическое удельное сопротивление, составляющее по меньшей мере около 10⁹ Ом-см, причем электрическое удельное сопротивление более 10⁹ Ом-см является предпочтительным. В более предпочтительном варианте, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением преимущественно имеют электрическое удельное сопротивление, превышающее 10⁹ Ом-см и составляющее ориентировочно более 10¹³ Ом-см. Как обсуждалось ранее, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением также имеют в высшей степени выгодные характеристики теплопередачи. Таким образом, описанные здесь коллоиды могут быть с успехом использованы в качестве хладагентов (холодоносителей) для электромагнитных устройств, в том числе и для электромагнитных устройств, которые работают при высоких уровнях мощности и могут создавать существенно повышенные рабочие температуры, таких как силовые трансформаторы.

Широкое разнообразие материалов может быть использовано в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением, например, в качестве дисперсной фазы и/или фазы носителя. Применение в коллоидах конкретных материалов зависит, например, от желательных уровней намагничивания, характеристик охлаждения, электрического удельного сопротивления и т.п., а также от желательного вида применения. В преимущественной форме дисперсную фазу и фазу носителя выбирают таким образом, чтобы коллоиды в соответствии с настоящим изобретением имели намагниченность насыщения (Ms) ориентировочно не более 50 Гс, а преимущественно менее 50 Гс, например ориентировочно от 0 до менее чем 50 Гс, с нахождением в этом диапазоне всех комбинаций и субкомбинаций. В случае коллоидов, приготовленных из немагнитных частиц, указанные коллоиды могут иметь намагниченность насыщения около 0. В случае коллоидов, приготовленных из частиц, имеющих магнитные свойства, указанные коллоиды могут иметь намагниченность насыщения в диапазоне ориентировочно выше 0 до менее чем 50 Гс. Было обнаружено, что особенно благоприятные эффекты охлаждения дают коллоиды, имеющие намагниченность насыщения ориентировочно от 0,5 до менее чем 50 Гс, причем оптимальное охлаждение наблюдается при намагниченностях насыщения ориентировочно от 20 до 40 Гс. Было обнаружено, что особенно благоприятные диэлектрические прочности наблюдаются в том случае, когда коллоиды в соответствии с настоящим изобретением имеют намагниченность насыщения ориентировочно от 0,1 до 5 Гс, причем оптимальные диэлектрические прочности наблюдаются при намагниченностях насыщения ориентировочно от 0,5 до 2 Гс. Таким образом, для одновременного получения желательных свойств охлаждения и диэлектрической прочности коллоиды в соответствии с настоящим изобретением должны иметь намагниченность насыщения ориентировочно от 1 до 20 Гс, причем при намагниченностях насыщения ориентировочно от 5 до 20 Гс получают оптимальные комбинированные свойства.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения фаза носителя преимущественно представляет собой жидкость, которая сама по себе является стабильной и которая создает желательную и стабильную среду (окружение) для дисперсной фазы. Также предпочтительно, чтобы фаза носителя обладала низкой диэлектрической проницаемостью, преимущественно ориентировочно меньшей чем 3 единицы. Также предпочтительно, чтобы фаза носителя обладала высоким уровнем электрического удельного сопротивления, который позволяет повысить электрическое удельное сопротивление коллоидов в соответствии с настоящим изобретением, что обсуждалось здесь ранее. Вязкость фазы носителя может быть выбрана по желанию таким образом, чтобы обеспечить желательную стабильность коллоидов в соответствии с настоящим изобретением, а также обеспечить предпочтительное конвекционное охлаждение, что также обсуждалось здесь ранее.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением в качестве фазы носителя преимущественно используют масло. Среди примеров приемлемых масел можно привести многие из масел, которые обычно используют для охлаждения трансформаторов большой мощности, такие как, например, различные формы нефти (смеси жидких углеводородов), в том числе и с высоким молекулярным весом, а также синтетические углеводороды и силиконы. Масла, которые особенно хорошо подходят для использования в качестве фазы носителя в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой трансформаторные минеральные масла, имеющиеся на рынке с торговым названием UNIVOLT™, которые могут быть закуплены на фирме Exxon Corporation (St. Paul, MN, США). Для использования в качестве фазы носителя в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением могут подойти и другие материалы, известные специалистам в данной области, вооруженным содержащимися в настоящем изобретении сведениями.

Как упоминалось ранее, коллоидные жидкости в соответствии с настоящим изобретением также предпочтительно содержат дисперсную фазу, преимущественно в виде частиц. Аналогично обсуждавшейся здесь ранее фазе носителя, широкое разнообразие материалов может быть использовано в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением в качестве дисперсной фазы. В соответствии с предпочтительными вариантами в качестве дисперсной фазы используют неметаллические материалы. В частности, было обнаружено, что повышенные электрические прочности переменного тока могут быть обеспечены в том случае, когда дисперсная фаза содержит неметаллические материалы. Использованный здесь термин “неметаллический” относится к существенному (в том числе и к полному) отсутствию металлических свойств и/или характеристик. Среди примеров неметаллических материалов, которые могут быть использованы в качестве дисперсной фазы, можно указать органические материалы (такие как, например, полимерные материалы) неорганические материалы (такие как, например, аэрозоли) и некоторые элементы, например элементарный углерод. Среди указанных неметаллических материалов предпочтительными являются неорганические материалы, среди которых наиболее предпочтительными являются металлические оксиды.

В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения дисперсную фазу получают из материалов, которые являются магнитными (то есть из материалов, которые имеют внутренний магнитный дипольный момент), причем предпочтительными являются материалы, которые одновременно являются магнитными и неметаллическими, так как было обнаружено, что при этом могут быть получены одновременно высокие электрические прочности переменного тока и предпочтительные свойства охлаждения. Также предпочтительно, чтобы дисперсная фаза содержала материалы, которые имеют температуру Кюри выше чем ориентировочно 200°С. В особенно предпочтительных вариантах дисперсная фаза содержит магнитный неорганический материал, причем наиболее предпочтительными являются магнитные металлические оксиды. Среди металлических оксидов предпочтительными являются, например, оксиды железа (такие как, например, FeO, Fe₂О₃ и Fе₃O₄, оксиды цинка (такие как, например, ZnO), кобальта (такие как, например, СоО), марганца (такие как, например, МnО, Мn₃O₄ и Мn₂O₃), титана (такие как, например, ТiO₂ и Тi₂О₃), меди (такие как, например, Сu₂O), никеля (такие как, например, NiO и Ni₂O₃) и хрома (такие как, например, Сr₂O₃). Предпочтительными являются также смеси металлических оксидов, в том числе, например, оксидов железа и кобальта (такие как, например, Fe₂CoO₄), железа, марганца и цинка (такие как, например, Mn_x Zn_(1-x) Fe₂O₄, где х может принимать значения ориентировочно от 0,4 до 0,8), а также железа, кобальта и цинка (такие как, например, Со_х Zn_(1-x) Fe₂O₄, где х может принимать значения ориентировочно от 0,2 до 0,6). Особенно предпочтительными среди металлических оксидов являются оксиды железа. В предпочтительной форме использованные оксиды имеют разумно высокие уровни намагничивания, которые зависят также главным образом от температуры. С этой точки зрения оксиды Mn_x Zn_(1-x) и оксиды железа являются наиболее предпочтительными, причем оксиды Mn_x Zn_(1-x) особенно хорошо подходят для работы в наиболее тяжелых условиях (таких как, например, существующих в тяговых трансформаторах), а оксиды железа особенно хорошо подходят для работы в обычных распределительных и силовых трансформаторах.

В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения дисперсную фазу получают из материалов, которые являются немагнитными. Среди примеров предпочтительных не магнитных материалов можно указать полимерные материалы и неорганические аэрозоли. Среди полимерных материалов предпочтительными являются фторированные полимеры, которые включают в себя, например, поли (тетрафторэтилен), который может быть закуплен на фирме DuPont Chemical Co. (Wilmington, DE, США) под названием TEFLON™.

Другие материалы, которые могут быть с успехом использованы в качестве дисперсной фазы в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением, легко могут быть найдены специалистами в данной области, вооруженными содержащимися в настоящем изобретении сведениями.

Материал, который может быть использован в качестве дисперсной фазы в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением, преимущественно имеет форму частиц. Размер диспергированных в коллоидах частиц может варьировать и зависит, например, от конкретного типа дисперсной фазы и фазы носителя, а также от желательного вида применения. Однако размер частиц выбирают в предпочтительном диапазоне частиц. В этой связи было обнаружено, что размер частиц может влиять на охлаждающие свойства и электрическое удельное сопротивление коллоида. Например, использование мелких частиц может приводить в зависимости от химических компонентов частиц к получению коллоидов с низким электрическим удельным сопротивлением, которое при работе может приводить к нежелательно высоким диэлектрическим потерям. Наоборот, использование крупных частиц может приводить в зависимости от химических компонентов частиц к получению коллоидов с низкими свойствами стабильности, особенно при повышенных температурах. Как уже отмечалось здесь ранее, преимущественный диапазон размеров частиц составляет ориентировочно от 1 до 100 нм с учетом всех комбинаций и субкомбинаций. Предпочтительно средний размер частиц лежит в диапазоне ориентировочно от 5 до 20 нм, причем средний размер частиц более 5 и менее 20 нм, например составляющий 15 нм, является еще более предпочтительным. Более предпочтительно, если средний размер частиц составляет по меньшей мере около 7 нм, причем наличие ориентировочно 90% частиц с размерами более 7 нм является наиболее предпочтительным.

Концентрация дисперсной фазы в коллоидных жидкостях в соответствии с настоящим изобретением может варьировать и зависит, например, от конкретного вида использованной дисперсной фазы и фазы носителя, от желательного вида использования коллоида и т.п. По желанию коллоид первоначально может иметь более высокую концентрацию дисперсной фазы. Затем эти концентрированные коллоиды могут быть разбавлены, например, для достижения предпочтительной концентрации, что обсуждается здесь далее более подробно. Указанным образом коллоидам в соответствии с настоящим изобретением может быть сообщена выгодная универсальность (гибкость в применении), так как концентрации могут быть заданы конечным пользователем в зависимости от конкретного вида применения. В этой связи предусматривается проведение разбавления, например, на месте предполагаемого использования, такого как место изготовления и/или использования силового трансформатора. Исходное приготовление коллоидов в концентрированной форме может служить для снижения объема коллоидной жидкости, которую необходимо транспортировать в желательное место использования. Это позволяет облегчить транспортировку коллоидов, например, за счет снижения необходимости и/или частоты доставки коллоидов к месту применения, что обеспечивает существенные экономические преимущества.

Вообще говоря, дисперсная фаза может быть введена в коллоиды в соответствии с настоящим изобретением при концентрациях, которые преимущественно лежат в диапазоне ориентировочно от 0% по объему, например от 0,01% по объему, до ориентировочно 2% по объему с нахождением в этом диапазоне всех комбинаций и субкомбинаций. Для коллоидов с дисперсной фазой, которая содержит немагнитные частицы, концентрация дисперсной фазы преимущественно составляет ориентировочно от 0,01% по объему до ориентировочно 0,5% по объему, причем концентрации ориентировочно от 0,05 до 0,3% по объему являются более предпочтительными. Для коллоидов с дисперсной фазой, которая содержит магнитные частицы, концентрация дисперсной фазы преимущественно составляет ориентировочно от 0,01% по объему до менее чем 2% по объему, причем концентрации ориентировочно от 0,02 до 1% по объему являются более предпочтительными.

Как легко поймут специалисты в данной области, вооруженные содержащимися в настоящем изобретении сведениями, концентрация фазы носителя в описанных здесь коллоидах может варьировать и зависит, например, от использованной концентрации дисперсной фазы, как обсуждалось здесь ранее. Вообще говоря, количество жидкости-носителя может преимущественно составлять ориентировочно от 99,99% по объему до менее чем 98% по объему с нахождением в этом диапазоне всех комбинаций и субкомбинаций. Для коллоидов с дисперсной фазой, которая содержит немагнитные частицы, концентрация жидкости-носителя может преимущественно составлять ориентировочно от 99,99% по объему до ориентировочно 99,5% по объему, причем концентрации ориентировочно от 99,95% до 99,7% по объему являются более предпочтительными. Для коллоидов с дисперсной фазой, которая содержит магнитные частицы, концентрация жидкости-носителя может преимущественно составлять ориентировочно от 99,99% по объему до более чем 99,8% по объему, причем концентрации ориентировочно от 99,98 до 99% по объему являются наиболее предпочтительными.

Кроме описанных здесь дисперсной фазы и фазы носителя, коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут опционно содержать и другие материалы добавок (присадок), в том числе, например, стабилизирующие материалы, такие как, например, поверхностно-активные вещества, диспергенты, загустители, модификаторы вязкости, антиоксиданты и т.п. В преимущественных вариантах опционный добавочный материал содержит поверхностно-активное вещество. Преимущественно поверхностно-активное вещество входит в контакт с частицами или в основном (в том числе и полностью) покрывает частицы в коллоиде. В случае немагнитных частиц они могут быть покрыты силаном.

Широкое многообразие поверхностно-активных веществ может быть использовано в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением. Поверхностно-активное вещество может быть анионным, катионным или неионным в зависимости, например, от конкретных использованных дисперсной фазы и фазы носителя, а также от желательного вида применения. В качестве примеров анионных поверхностно-активных веществ можно указать (жирные) соединения с длинной цепью, которые содержат карбоксильные группы, сукцинатные группы, фосфатные группы или сульфонатные группы. В качестве примеров катионных поверхностно-активных веществ можно указать, например, соединения с длинной цепью, которые содержат протонированные или четвертичные группы аммония. В качестве примеров неионных поверхностно-активных веществ можно указать спирты и полиоксиалкиленовые полимеры. Кроме указанных здесь выше поверхностно-активных веществ, в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие поверхностно-активных вещества, а также и другие желательные опционные добавочные материалы, что легко поймут специалисты в данной области, вооруженные содержащимися в настоящем изобретении сведениями.

Концентрация опционных добавочных материалов, которые могут быть использованы в коллоидах в соответствии с настоящим изобретением, может варьировать и зависит, например, от конкретного добавочного материала, а также от использованной дисперсной фазы и/или фазы носителя. Преимущественно дополнительный материал добавки может быть использован при концентрации, которая улучшает желательные характеристики коллоидов, такие как, например, стабильность, охлаждающая способность, антиокислительные свойства и/или изолирующие свойства. В преимущественных вариантах опционный добавочный материал может быть использован при концентрациях ориентировочно от 0,02% по объему до 1% по объему со всеми комбинациями и субкомбинациями, входящими в указанный диапазон.

Коллоиды в соответствии с настоящим изобретением могут быть приготовлены с использованием известных специалистам технологий. Например, коллоидная дисперсная система может быть приготовлена с использованием таких способов, как, например, дробление крупных частиц, например, в шаровых мельницах в присутствии жидкости-носителя. Полученные в результате дробления частицы могут быть по желанию извлечены из данного носителя и затем повторно диспергированы во втором носителе. Извлечение частиц может быть осуществлено, например, при помощи флокуляции (образования хлопьев). Способы приготовления коллоидов, в том числе и (ферро)магнитных жидкостей, которые могут быть использованы для приготовления коллоидов в соответствии с настоящим изобретением, описаны, например, в следующих документах: патент США №3215572 на имя Папелла (Papell), патент США №3917538 на имя Розенсвига (Rosenswieg) и книга Magnetic Fluids and Applications Handbook (Руководство по применению магнитных жидкостей), авторы В.Berkovsky, V.Bashtovoy, Издательство Begall Publishing House, NY, NY (1996) (США).

ПРИМЕРЫ

Далее в настоящем описании приведены примеры, которые даны только для иллюстрации (пояснения) настоящего изобретения и не носят характера, ограничивающего объем изобретения.

Пример 1

В данном примере описаны эксперименты, которые были проведены для оценки стабильности, диэлектрической прочности и тангенса угла потерь при различной концентрации частиц в трансформаторном масле. Результаты этих экспериментов сведены в приведенную далее таблицу 1. Изученные в указанных экспериментах композиции включали в себя масло UNIVOLT™ 60, которое представляет собой трансформаторное минеральное масло, которое может быть закуплено на фирме Еххоn Corporation (St. Paul, MN, США), а также частицы оксида железа (Fе₃О₄) в качестве магнитных частиц и частицы TEFLON™ в качестве немагнитных частиц, а также олеиновую кислоту в качестве поверхностно-активного вещества. Использованные в этом примере методы испытаний соответствуют нормам ASTM. Напряжение импульсного пробоя было определено в соответствии с ASTM D-3300.

Анализ приведенных в таблице 1 данных показывает, что коллоиды в рамках настоящего изобретения (указанные, например, в примерах 1Е и 1G-1М), которые могут иметь концентрацию дисперсной фазы ориентировочно до 2% по объему и намагниченность насыщения (Ms) ориентировочно менее 50 Гс, имеют существенно повышенную диэлектрическую прочность по сравнению с известными ранее коллоидными жидкостями, которые имеют концентрации дисперсной фазы ориентировочно более 2% по объему и намагниченность насыщения (Ms) около 50 Гс или больше (см. примеры 1В-1D и 1F), а также по сравнению с чистым маслом (см. пример 1А). В частности, коллоиды в рамках настоящего изобретения имеют увеличенные положительные значения импульсной диэлектрической прочности по сравнению с известными ранее коллоидами. Приведенные данные свидетельствуют также о том, что коллоиды в рамках настоящего изобретения имеют больший тангенс

угла потерь в диэлектрике как при комнатной температуре (25°С), так и при повышенной температуре (100°С).

Пример 2

В данном примере описаны эксперименты, которые были проведены для оценки и сравнения охлаждающей способности коллоидных жидкостей в соответствии с настоящим изобретением с охлаждающей способностью известных ранее коллоидных жидкостей.

Коллоидные жидкости со значениями намагниченностей насыщения 1, 5, 10, 30, 50 и 200 Гс были приготовлены путем различного разбавления масла коллоидом магнетита (FeO·Fе₂О₃). Указанные коллоидные жидкости были использованы в качестве охлаждающей жидкости в трансформаторе 50 КВА, работающем при температуре около 70°С. В качестве контрольной была использована охлаждающая жидкость, которая содержала только масло. Датчики температуры были установлены в разных местах (сверху, посредине, снизу (у основания)) вокруг обмоток трансформатора и охлаждающих ребер. Полученные данные сведены в приведенную далее таблицу 2.

Анализ приведенных в таблице 2 данных показывает, что коллоиды в рамках настоящего изобретения, указанные, например, в примерах 2D, 2Е, 2F и 2G, которые имеют намагниченности насыщения ориентировочно менее 50 Гс, обеспечивают улучшенное охлаждение в разных местах вокруг трансформатора по сравнению с охлаждением, обеспечиваемым при помощи известных охлаждающих жидкостей, приведенных в примерах 2В и 2С, которые имеют намагниченности насыщения около 50 Гс или больше, а также по сравнению с чистым маслом (пример 2А). В частности, градиент температуры между верхней и нижней частями обмоток трансформатора является менее выраженным при использовании коллоидных жидкостей в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с соответствующим градиентом температуры

при использовании известных ранее коллоидных жидкостей. Это означает, что коллоидные жидкости в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают повышенную циркуляцию вокруг всего трансформатора.

Охлаждение трансформатора коллоидной жидкостью в соответствии с настоящим изобретением схематично показано на чертеже На чертеже показан схематично трансформатор 10, а также поток коллоидной жидкости 12 вокруг трансформатора 10, в особенности вокруг левых обмоток 14 и правых обмоток 16. Представительным для потока коллоидной жидкости 12 является вектор F_A, который отображает направленную вверх архимедову силу, воздействующую на нагретую коллоидную жидкость 12, а также вектор F_С, который отображает направленный вниз компонент архимедовой силы, воздействующей на охлажденные части коллоидной жидкости 12. Вектор F_М является в основном одинаковым как для коллоидных жидкостей в соответствии с настоящим изобретением, так и для обычных известных ранее масел, которые могут быть использованы в качестве масла-носителя в коллоидных жидкостях в соответствии с настоящим изобретением. Вектор F_A отображает силу, созданную за счет магнитного взаимодействия коллоидной жидкости 12 с магнитным полем, созданным обмотками 16.

В декартовой системе координат 18 показана напряженность магнитного поля по ширине обмоток 16. В₀ представляет собой магнитную индукцию между обмотками, а В представляет собой магнитную индукцию внутри магнитного сердечника. Указанный градиент магнитного поля приводит к падению давления по ширине обмоток 16, а также создает магнитогидродинамическую конвекцию.

Пример 3

Были проведены эксперименты для оценки воздействия размера частиц на электрическое удельное сопротивление и электрическую прочность коллоидной охлаждающей жидкости в соответствии с настоящим изобретением. Результаты этих экспериментов сведены в приведенную далее таблицу 3.

Анализ приведенных в таблице 3 данных показывает, что увеличение среднего размера частиц ориентировочно от менее чем 7 нм до более чем 10 нм приводит ориентировочно к десятикратному увеличению электрического удельного сопротивления, а также к десятикратному уменьшению потерь мощности, связанных с диэлектрическими потерями в проводящих компонентах.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Использование: для изоляции и/или охлаждения электромагнитных устройств, в том числе и силовых трансформаторов. Технический результат заключается в обеспечении увеличения значений напряжения импульсного пробоя. В вариантах изобретения предложены коллоидные жидкости, которые содержат жидкость-носитель в виде масла и дисперсную фазу из неметаллических частиц, которые являются магнитными, а коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения от 1 до 20 Гс. Предложенная композиция обеспечивает повышенную циркуляцию жидкости вокруг всего охлаждаемого трансформатора. 4 с. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Стабильная коллоидная изолирующая жидкость, содержащая ориентировочно от 99,99 до 99,5% по объему жидкости-носителя, и ориентировочно от 0,01 до 0,5% по объему неметаллических частиц, причем указанные частицы являются магнитными, а коллоидная жидкость имеет намагниченность насыщения ориентировочно от 1 до 20 Гс.2. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что она содержит ориентировочно от 0,05 до 0,3% по объему указанных частиц.3. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что она имеет электрическое удельное сопротивление, составляющее ориентировочно от 10⁹ Ом·см.4. Коллоидная жидкость по п.3, отличающаяся тем, что она имеет электрическое удельное сопротивление, составляющее ориентировочно, по меньшей мере, от 10⁹ до более чем 10¹³ Ом·см.5. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что жидкость-носитель представляет собой масло.6. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что указанные частицы выбраны из группы, в которую входят неорганические частицы, органические частицы и углеродные частицы.7. Коллоидная жидкость по п.6, отличающаяся тем, что указанные частицы представляют собой неорганические частицы.8. Коллоидная жидкость по п.7, отличающаяся тем, что указанные частицы выбраны из группы, в которую входят металлические оксиды.9. Коллоидная жидкость по п.8, отличающаяся тем, что указанные частицы содержат оксиды металлов, которые выбраны из группы, в которую входят железо, цинк, марганец, титан, медь, никель, хром и их комбинации.10. Коллоидная жидкость по п.6, отличающаяся тем, что указанные частицы представляют собой углеродные частицы.11. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стабилизирующий материал.12. Коллоидная жидкость по п.11, отличающаяся тем, что указанный стабилизирующий материал содержит поверхностно-активное вещество.13. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что она имеет намагниченность насыщения ориентировочно от 5 до 20 Гс.14. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что указанные частицы имеют средний размер от 1 до 100 нм.15. Коллоидная жидкость по п.14, отличающаяся тем, что указанные частицы имеют средний размер ориентировочно от 5 до 20 нм.16. Коллоидная жидкость по п.15, отличающаяся тем, что указанные частицы имеют средний размер ориентировочно от 7 до 20 нм.17. Коллоидная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что она обеспечивает увеличение значения напряжения импульсного пробоя ориентировочно, по меньшей мере, на 10%.18. Способ приготовления стабильной коллоидной изолирующей жидкости, имеющей намагниченность насыщения ориентировочно от 1 до 20 Гс, включающий в себя приготовление жидкости-носителя и введение в указанную жидкость-носитель неметаллических частиц от 0,01 до 0,5% по объему, причем указанные частицы являются магнитными.19. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанная жидкость-носитель представляет собой масло.20. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанные частицы выбраны из группы, в которую входят неорганические частицы, органические частицы и углеродные частицы.21. Способ по п.18, отличающийся тем, что указанная коллоидная жидкость имеет электрическое удельное сопротивление, составляющее ориентировочно более 10⁹ Ом·см.22. Электромагнитное устройство, включающее в себя средство создания электромагнитного поля и теплоты и стабильную коллоидную изолирующую жидкость, которая находится в контакте с указанным средством и которая содержит жидкость-носитель; и неметаллические частицы, причем указанные частицы являются магнитными, а коллоидная изолирующая жидкость имеет намагниченность насыщения от 1 до 20 Гс.23. Электромагнитное устройство по п.22, отличающееся тем, что оно представляет собой силовой трансформатор.24. Способ изоляции и охлаждения электромагнитного устройства, которое вырабатывает внешнее магнитное поле и теплоту, отличающийся тем, что предусматривает создание контакта устройства со стабильной коллоидной изолирующей жидкостью, которая содержит жидкость-носитель и неметаллические частицы, причем коллоидная изолирующая жидкость имеет намагниченность насыщения в диапазоне ориентировочно от 1 до 20 Гс.