FLUIDO DIELéCTRICO BIODEGRADABLE

CAMPO DE LA INVENCIóN

La presente invención pertenece al campo de los fluidos dieléctricos para sistemas eléctricos, en concreto, se refiere a un fluido dieléctrico biodegradable de alta resistencia a Ia oxidación que consiste en un aceite o una mezcla de aceites vegetales con muy alto contenido en ácido oleico que conservan sustancialmente todos sus tocoferoles naturales y contiene un desactivador de metales, así como a su uso para aislar y refrigerar equipos eléctricos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

Generalmente, los fluidos dieléctricos que se emplean en Ia industria eléctrica consisten en gases o líquidos que tienen como misión más importante conseguir el aislamiento eléctrico entre partes en tensión, así como Ia de servir como medio de refrigeración. Los líquidos que se emplean como medios dieléctricos pueden tener diferentes procedencias.

Los líquidos más empleados como fluido dieléctrico son los aceites minerales derivados del petróleo. La gran utilización de los aceites minerales se debe a su bajo coste y fácil disponibilidad, así como a sus propiedades dieléctricas, de refrigeración, a Ia baja viscosidad a temperaturas elevadas y a su excelente comportamiento a temperaturas muy bajas. Igualmente, tienen una estabilidad a Ia oxidación alta. Pero por otro lado, los aceites minerales suponen el inconveniente de que debido a su composición química, su biodegradabilidad es muy baja, por Io que un derramamiento de dicho aceite puede provocar daños en el ecosistema y puede perdurar en el medio ambiente durante muchos años. Asimismo, los aceites minerales poseen un alto poder de combustión y tienen un punto de fuego muy bajo, por Io que suponen un alto riesgo en caso de incendio y/o explosión.

La normativa actual además requiere que cualquier fluido dieléctrico destinado para uso como refrigerante no debe estar clasificado como inflamable. De acuerdo con el empleo del fluido y el grado de riesgo, se pueden requerir una o más medidas de seguridad. Una opción de seguridad reconocida es Ia sustitución de aceites minerales por líquidos menos inflamables o no inflamables. Los líquidos menos inflamables deben tener un punto de fuego igual o mayor a 300 ⁰ C. De esta forma, en ocasiones se emplean líquidos dieléctricos con alto punto de fuego (igual o mayor a 300 ⁰ C), como por ejemplo aceites de silicona, hidrocarburos de alto peso molecular (HMWH) o esteres sintéticos. Sin embargo, los aceites de silicona y los hidrocarburos de alto peso molecular (HMWH) se caracterizan, al igual que los aceites minerales, por su nula o baja biodegradabilidad. Asimismo, todos estos líquidos tienen un coste superior al de los aceites minerales.

Entre las alternativas a los líquidos citados anteriormente que han ido apareciendo durante los últimos años, se deben destacar los esteres naturales procedentes de aceites vegetales. Los esteres naturales se obtienen a partir de aceites de origen vegetal a través de adecuados procesos de refinado y purificación.

Los aceites vegetales se componen de triacilgliceroles fundamentalmente, y de otros componentes en menor proporción como por ejemplo, monoacilgliceroles, diacilgliceroles, ácidos grasos libres, fosfátidos, esteróles, vitaminas solubles en el aceite, tocoferoles, pigmentos, ceras, alcoholes de cadena larga etc.

Los triacilgliceroles que aparecen en los aceites vegetales son triesteres formados por tres ácidos grasos químicamente enlazados a Ia glicerina. La fórmula general de un triacilglicerol es:

donde R, R ¹ , R" pueden ser los mismos o diferentes ácidos grasos con cadenas de carbono de Cu a C ₂ 2 normalmente y con niveles de insaturación0 de O a 3.

Las principales diferencias entre los distintos aceites vegetales son causadas por los diferentes contenidos de ácidos grasos presentes en Ia composición de sus triacilgliceroles.5

Existen varios ácidos grasos, incluyendo ácidos mirístico, palmítico, esteárico, oleico, linoleico, linolenico, araquídico, eicosenoico, behénico, erúcico, palmiolítico, docosadienoico, lignosérico, tetracosenoico, margárico, margaroleico, gadoleico, caprílico, cáprico, laúrico, pentadecanoico y0 heptadecanoico. Se diferencian entre ellos por el numero de átomos de carbono y por el número de insaturaciones (dobles enlaces carbono- carbono)

Los tres ácidos grasos en una molécula de triacilglicerol pueden ser todos

!5 los mismos o pueden ser dos o tres ácidos grasos diferentes. La composición de ácidos grasos de los triacilgliceroles varía entre especies vegetales y menos entre cepas de una especie particular. Los aceites vegetales derivados de una cepa única tienen esencialmente Ia misma composición de ácidos grasos en sus triacilgliceroles. Cada triacilglicerol

0 tiene propiedades únicas dependiendo de los ácidos grasos que contenga.

Por ejemplo, algunos triacilgliceroles son más susceptibles a oxidación que

otros. En este sentido, los aceites formados por triacilgliceroles con ácidos grasos mono-insaturados (con un solo enlace doble C=C) tienen una estabilidad a Ia oxidación mayor que los aceites formados por triacilgliceroles con ácidos grasos dos o tres dobles enlaces carbono-carbono. Asimismo, los aceites formados por triacilgliceroles con ácidos grasos saturados (ningún doble enlace C=C) tendrán una estabilidad a Ia oxidación aun mayor que los mono-insaturados pero su mínima temperatura de fluidez sería mucho más alta.

Las mayores ventajas del empleo de aceites vegetales como fluidos dieléctricos se resumen en su excelente biodegradabilidad, su obtención a partir de fuentes naturales renovables, su no-toxicidad, su alto punto de fuego (s 360 ⁰ C) y su reducido coste en comparación con otras opciones con alto punto de fuego como los esteres sintéticos. Todas las tendencias medioambientales, de salud y de seguridad han reforzado Ia idea de utilizar los fluidos dieléctricos basados en aceites vegetales.

Sin embargo, los aceites vegetales o sus derivados no están exentos de problemas en su aplicación como fluidos dieléctricos.

Por ejemplo, el punto de congelación (o mínima temperatura de fluidez) de los aceites vegetales es una propiedad a tener en cuenta. El punto de congelación define Ia temperatura a Ia que un líquido pasa al estado sólido, con Ia consiguiente pérdida de propiedades refrigerantes. Según Ia única norma existente que especifica las propiedades de un aceite vegetal para su uso como fluido dieléctrico, Ia norma americana ASTM D6871-03, el punto de congelación debe ser como máximo de -10 ⁰ C. Por ello es importante que el fluido dieléctrico esté basado en aceites vegetales que aseguren Ia permanencia como líquido fluyente incluso cuando el fluido dieléctrico este sometido a temperaturas moderadamente bajas (menores que -15 ⁰ C).

Habitualmente se utilizan aditivos para disminuir el punto de congelación y

conseguir líquidos dieléctricos más resistentes a las bajas temperaturas. Por ejemplo se han venido utilizando aditivos como PMA (polimetacrilato), oligómeros y polímeros de acetato de polivinilo y/o oligómeros y polímeros acrílicos, dietilhexil adipato, polialquilmetacrilato.

Otros factores problemáticos en las propiedades de los aceites vegetales son Ia presencia de agua, crecimiento microbiano, Ia presencia de sólidos, etc.

Pero de hecho uno de los problemas más importantes que presentan los aceites vegetales es el de Ia oxidación. Los aceites vegetales son normalmente susceptibles a Ia polimerización cuando se exponen al oxigeno. La exposición al oxigeno activa los enlaces no saturados presentes en los ácidos grasos de los triacilgliceroles de los aceites causando Ia polimerización oxidativa del aceite, con efectos potencialmente adversos sobre las propiedades del propio fluido dieléctrico. Su susceptibilidad a Ia oxidación es un fuerte obstáculo para su utilización como dieléctrico.

El problema de Ia oxidación de los aceites se ha solucionado habitualmente mediante Ia adición a los aceites de antioxidantes sintéticos como BHA

(hidroanisol butilado), BHT (hidrotolueno butilado), TBHQ (butilhidroquinona terciaria), THBP (tetra-hidro-butro-fenona), palmitato de ascorbilo (aceite de romero), galato de propilo etc. Por otro lado, el problema de Ia oxidación de los fluidos dieléctricos basados en aceites vegetales se acentúa en aparatos eléctricos debido a Ia actividad catalítica del cobre o de otros metales presentes en este tipo de aparatos.

Todos los problemas anteriormente citados ya han sido planteados anteriormente en las patentes EP1365420, US 2004069975, US6613250, US6340658, US6645404, US6280659, JP2000090740 y JP2005317259, con soluciones dispares.

Los inventores de Ia presente invención proponen un líquido dieléctrico que aporta una solución técnica alternativa al problema de Ia oxidación y que proporciona unas características muy ventajosas al líquido para su aplicación como aislante y refrigerante de aparatos eléctricos.

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La solución al problema de Ia oxidación del fluido dieléctrico de Ia invención proviene del uso de aceites con muy alto contenido en ácido oleico, y obtenidos por procedimientos de refinado que permiten conservar en un alto porcentaje los tocoferoles naturales presentes en dichos aceites vegetales,0 dado que los procedimientos tradicionales de refinado comportan Ia pérdida de una importante cantidad de sus tocoferoles. Un ejemplo de procedimiento apropiado para los fines de Ia presente invención viene descrito en Ia patente US 5928696. Los inventores han descubierto que determinados aceites vegetales con muy altos contenidos en ácido oleico y bajos5 contenidos en linoleico y que conserven en gran medida sus tocoferoles naturales tienen suficiente poder antioxidante para evitar tener que añadir aditivos antioxidantes, como por ejemplo aditivos antioxidantes sintéticos no biodegradables, como se venía haciendo hasta ahora. Los tocoferoles, sin embargo, además de ser sustancialmente biodegradables, son sustancias0 presentes de forma natural en Ia composición de los aceites y que poseen importantes propiedades antioxidantes. Existen cuatro tipos de tocoferoles α- β-, y- y δ-tocoferol que poseen diferente poder antioxidante y que se presentan en diferentes proporciones dependiendo del tipo de aceite vegetal y de Ia variedad de Ia cual se obtenga.

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Además para solucionar el problema de Ia aceleración de Ia oxidación por causa de Ia actividad catalítica de los metales, los inventores de Ia presente invención preven Ia incorporación de desactivadores de metales como derivados de triazol, de benzotriazol, de dimercaptotiadiazol, etc

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OBJETO DE LA INVENCIóN

Un primer objeto de Ia invención es un fluido dieléctrico biodegradable exento de aditivos antioxidantes añadidos, sintéticos o no, que comprende un aceite o una mezcla de aceites vegetales con un contenido en ácido oleico (C18:1) superior al 75%, un contenido en tocoferoles naturales superior a 200 ppm y que incorpora un aditivo desactivador de metales en una proporción inferior al 1% en peso. A partir de ahora se denominará a este fluido dieléctrico, fluido de Ia invención.

Otro objeto de Ia invención es el uso del fluido de Ia invención como aislante y refrigerante de aparatos o equipos eléctricos.

DESCRIPCIóN DETALLADA LA INVENCIóN

En un primer aspecto, Ia invención se refiere a un fluido dieléctrico biodegradable exento de aditivos antioxidantes sintéticos añadidos al mismo que comprende un aceite o una mezcla de aceites vegetales con un contenido en ácido oleico (C18:1) superior al 75%, caracterizado por tener un contenido en tocoferoles naturales superior a 200 ppm y un aditivo desactivador de metales en una proporción inferior al 1%.

En una realización preferida de Ia invención el contenido de tocoferoles naturales es superior a 300 ppm y en una realización aun más preferida es superior a 400 ppm.

En una realización preferida de Ia invención el contenido en ácido oleico del aceite o los aceites vegetales es superior al 80% y en una realización aun más preferida dicho contenido es superior al 90%.

Como en Ia mayor parte de las aplicaciones de los líquidos dieléctricos éstos suelen estar en contacto con metales el fluido dieléctrico incluye como aditivo un desactivador de metales para evitar que el cobre u otro metal en

contacto con el aceite actúe como catalizador de las reacciones de oxidación del mismo. Por Io tanto, es adecuado incluir en Ia composición del líquido dieléctrico un desactivador de metales como por ejemplo cualquier derivado del triazol, del benzotriazol o del dimercaptotiadiazol.

Además, el fluido dieléctrico de Ia invención comprende preferiblemente: a) un contenido en ácido linoleico (C18:2) inferior al 3,5% b) un contenido en ácido linolénico (C18:3) inferior al 1 % c) un contenido en ácido palmitico (C16.O) inferior al 4% d) un contenido en ácido esteárico (C18:0) inferior al 2,5%

Se hacen especialmente adecuados para su uso como fluido dieléctrico de acuerdo con Ia presente invención aceites o mezclas de aceites de girasol, de colza, de soja, de algodón, de jojoba, de cártamo, de oliva o de orujo de oliva con alto contenido oleico, aunque Ia realización preferida de Ia invención supone el uso de aceite de girasol alto oleico. Estos aceites, además de niveles altos de ácido oleico, poseen de manera natural tocoferoles en una cantidad elevada que se pierden en gran parte en los procesos normales de refinado. El refinado de dichos aceites de acuerdo con métodos capaces de conservar en gran medida sus tocoferoles naturales contribuye a que estos aceites sean muy adecuados para su uso como fluidos dieléctricos sin peligro de oxidación de los mismos. Por ejemplo, los métodos descritos en Ia patente US 5928696 permiten obtener aceites con concentraciones de tocoferoles superiores a 400 ppm y con bajos contenidos en fosfátidos, ácidos grasos libres y ceras.

El aceite o aceites resultantes de los métodos citados pueden someterse a un proceso posterior de destilación a vacío, utilizando una combinación de calor y vacío, para eliminar una gran parte de su humedad. La deshumidificación del aceite es necesaria debido a que el aceite puede presentar un nivel inicial de humedad que Io hace inapropiado para ser

utilizado como líquido dieléctrico. De esta forma, el aceite vegetal es procesado con objeto de eliminar Ia humedad excesiva hasta un nivel inferior a 50 ppm.

Los aceites así obtenidos se caracterizan por tener unos tiempos de inducción superiores a 25 hs en ensayo Rancimat (EN 14112) y un índice de biodegradabilidad superior al 99% después de 21 días (CEC-L-33-A-93). Es decir, usando los mencionados aceites o sus mezclas se consiguen fluidos dieléctricos de alta calidad y rendimiento excelente que satisfacen o exceden los estándares de seguridad y que a su vez no son tóxicos, son inocuos con el medioambiente y de menor coste que otros fluidos dieléctricos.

El fluido dieléctrico de Ia invención puede llevar además aditivos adicionales dependiendo del tipo de aplicación a Ia cual se Ie vaya a someter.

Para aplicaciones en ambientes donde Ia temperatura puede descender a temperaturas inferiores a -15 ⁰ C es recomendable añadir además un aditivo para disminuir el punto de congelación preferiblemente del tipo polialquilmetacrilato. El uso de estos aditivos permite obtener fluidos dieléctricos con puntos de congelación igual o inferiores a -18° C.

El segundo aspecto de Ia invención se refiere al uso del fluido dieléctrico de Ia invención como aislante y refrigerante de aparatos o equipos eléctricos. Como se mencionaba anteriormente el fluido puede ser usado en celdas de maniobra y/o protección, transformadores, transformadores autoprotegidos con fusibles limitadores de corriente o centros de transformación con múltiples elementos de maniobra y múltiples dispositivos de protección.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN La especial composición en ácidos grasos de los triacilgliceroles de los aceites vegetales empleados y el proceso de obtención de los mismos, así

como su secado final, confieren al líquido resultante unas propiedades físicas específicas que Ie hacen particularmente adecuado para su uso como líquido dieléctrico.

Un ejemplo preferido de líquido dieléctrico al que se refiere esta invención posee Ia siguiente composición:

Aceite de girasol de alto contenido en ácido oleico con:

a) tocoferoles naturales

b) triacilgliceroles, con Ia siguiente composición de ácidos grasos

c) 5000 ppm de un aditivo desactivador de metales derivado de dimercaptotiadiazol (Additin RC 8210 de Rhein Chemie) que corresponde a menos de 1% peso del total de Ia composición.

El líquido dieléctrico con Ia composición arriba indicada tiene las siguientes propiedades:

(*) ensayo realizado introduciendo 1.144 cm ² /g de cobre en Ia muestra. Sin Ia presencia del desactivador de metales Ia estabilidad a Ia oxidación en presencia del cobre se reduce a 1 ,3 horas

Opcionalmente, para algunas realizaciones más exigentes, en lugares donde los equipos eléctricos están sometidos a temperaturas extremadamente bajas, Ia temperatura de fluidez puede reducirse más añadiendo al aceite un aditivo para obtener un punto de congelación menor. De esta forma, pueden utilizarse aditivos comercialmente disponibles que sean compatibles con los aceites vegetales, como por ejemplo el producto conocido como Viscoplex 10-310.