十氟-2-甲基丁-3-酮和载气的混合物作为中电压中的电绝缘和/或灭弧介质

摘要

本发明涉及包含十氟-2-甲基丁-3-酮和载气或稀释气体的混合物在中压或高压电气装置中作为电绝缘介质和/或灭弧介质的用途。本发明还涉及中压或高压电气装置，其中电绝缘和/或灭弧是由包含十氟-2-甲基丁-3-酮和载气或稀释气体的混合物来实现的。本发明适用于：电变压器、用于输送或分配电力的气体绝缘线路、母线、电气连接/断开装置(断路器、开关、开关熔断器、绝缘器、接地开关、接触器等)。

说明书

技术领域

本发明涉及在中压或高压电气装置中的电绝缘和灭弧的领域。

更具体地说，本发明涉及使用包含特定的氟酮(即十氟-2-甲基丁-3-酮) 和载气(例如空气、氮气或二氧化碳)的混合物在中压或高压电气装置中作为 用于电绝缘和/或灭弧的介质。

本发明还涉及中压或高压电气装置，其中电绝缘和/或灭弧由包含十氟 -2-甲基丁-3-酮和载气的混合物来实现的。

此电气装置，可特别为电变压器，如电源变压器或测量变压器，用于输 送或分配电力的气体绝缘线路(GIL)、母线组或电气连接/断开装置(也称为开 关装置)，如断路器、开关、开关熔断器组、分离器(disconnector)、接地开关 或接触器。

背景技术

在中压或高压电气装置中，通常由限制在这些装置中的气体来实现电绝 缘和(如果适用的话)灭弧(extinction of electirc arcs)。

在上下文中，术语“中压”和“高压”以其惯常接受的含义来使用，即 术语“中压”指的是交流电压超过1000伏，以及直流电压超过1500伏，但 交流电压不超过52000伏，以及直流电压不超过75000伏；其中术语“高压” 指的是交流电压严格大于52000伏，以及直流电压大于75000伏。

目前最常用在这类装置中的气体为六氟化硫(SF₆)。这种气体的确具有相 对较高的介电强度、良好的导热性以及较低的介电损耗。它是化学惰性的， 并且对人和动物是无毒的，以及在与电弧作用后可快速且几乎完全地重组。 此外，它不易燃并且即使在今天其价格也适中。

然而，SF₆的主要缺点是，它的全球增温潜能(global warming potential， GWP)为22800(相对于CO₂超过100年)，以及在大气中的停留时间为3200 年，这使它成为具有强烈的温室效应的气体之一。

因此，“京都议定书”(Kyoto Protocol,1997年)将SF₆包含在必须予以限 制排放的气体列表中。

限制SF₆排放的最佳手段包括限制使用这种气体，这导致工业公司寻求 SF₆的替代品。

所谓的“简单”的气体，如空气或氮气，其对环境不具有负面影响，有比 SF₆低得多的介电强度。因此，例如，空气和氮气在交流电压(50Hz)下的介 电强度约为SF₆的三分之一。

因此，在中压或高压的电气装置中使用这些用于电绝缘和/或灭弧的简 单气体意味着，必须大幅度地增加这些装置的体积或填充压强，这与在过去 几十年里为开发占用更小体积的紧凑型电气装置而做的努力背道而驰。

使用SF₆和氮气的混合物来限制SF₆对环境的影响。实际上，10～20体 积%的SF₆添加率可显著提高氮气的介电强度。

然而，因为SF₆的GWP值高，这些混合物的GWP仍然很高。因此， 例如，以10/90的体积比混合的SF₆和氮气的混合物具有的交流电压(50Hz) 的介电强度为SF₆介电强度的59%，但其GWP值为8000～8650。

因此，这样的混合物不能作为对环境影响小的气体来使用。

这同样适用于全氟化碳，其通常具有有利的介电强度特性，但其GWP 值通常在5000～10000的范围内(CF₄：6500，C₃F₈及C₄F₁₀：7000，c-C₄F₈： 8700，C₂F₆：9200)。

近来提出由三氟碘甲烷(CF₃I)来取代SF₆(Nakauchi et al.,XVI  International Conference on Gas Discharge and their Applications,China,11-15 September2006,[1])。实际上，CF₃I具有高于SF₆的介电强度，无论是在均 匀场还是在非均匀场，都具有小于5的GWP以及为0.005年的在大气中的 停留时间。

遗憾的是，除所述事实之外，CF₃I的价格昂贵，它具有的平均职业接触 水平(VME)为3～4ppm以及被划分为3级致癌、致突变和生殖毒性（CMR） 的物质，这在工业规模上禁止使用。

也已提出使用混合绝缘的方式，将例如通过干燥空气、氮气或CO₂的气 体绝缘与固体绝缘相结合。正如在公布为n°1724802[2]的欧洲专利申请中 所描述的，此固体绝缘包括，例如由环氧化物的树脂或其可比类型覆盖具有 高电势梯度的带电部分；使带电部分所在电场得以减小。

然而，以这种方式获得的绝缘性并不等同于由SF₆所提供的绝缘性，以 及此混合系统的使用要求，与通过SF₆的绝缘性来获准的体积相比，电气装 置的体积有所增加。

至于不使用SF₆来灭弧，有不同的解决方案，即在油中、环境空气中灭 弧(extinction)以及用真空瓶来灭弧。

然而，油灭弧装置的主要缺点在于，在灭弧失败或有内部故障的情况下， 他们可能会发生爆炸。环境空气灭弧的装置通常具有较大的尺寸，其价格昂 贵且对环境(潮湿和污染)非常敏感，而使用真空瓶灭弧的装置，特别是开关 分离器，是非常昂贵的而且市场上并不多见。

目前，不存在令人真正满意的SF₆的替代物。

因此，发明人的目的是，找到一种气体，在其具有另人满意的电绝缘和 灭弧的性能的同时，具有对环境较低或为零的影响，此外，对人类和动物无 毒。

他们的目的还在于，在目前市售的中压或高压的电气装置中一般使用该 气体代替SF₆来填充这些装置，这种使用应能在这些装置的整个工作温度范 围内产生就电绝缘和/或灭弧方面而言的等同于SF₆所产生的性能；或应要求 只对上述装置在结构上做出细微的修改来获得这样的性能。

发明内容

为了实现这些及其他目的，本发明提出，首先，使用包含氟酮和载气的 混合物在中压或高压的电气装置中作为电绝缘介质和/或灭弧介质，其利用 的特征在于，所述氟酮为十氟-2-甲基丁-3-酮，以及其在混合物中的摩尔百 分比至少等于由下式(I)所确定的摩尔百分比M的95%：

M=(P_C5K/P_混合物)x100   (I)

其中，

-P_混合物代表混合物于20℃时在电气装置中的压强，单位为kPa；以及

-P_C5K代表相当于十氟-2-甲基丁-3-酮在电气装置最低使用温度时的饱 和蒸气压在20℃时的压强，单位为kPa，

其中，P_C5K由下式(II)确定：

P_C5K=(PVS_C5K x293)/T_最低   (II)

其中，

*PVS_C5K代表十氟-2-甲基丁-3-酮在电气装置最低使用温度时的饱和蒸 气压，单位为kPa；以及

*T_最低代表电气装置的最低使用温度，单位为K。

因此，根据本发明，包含十氟-2-甲基丁-3-酮和载气(其在下文中也被称 为“稀释气体”，因为这种气体的基本功能是稀释这种氟酮)的混合物作为电 绝缘介质和/或灭弧介质来使用。

十氟-2-甲基丁-3-酮的分子式为C₅F₁₀O并且其半展开的分子式 (semi-developed formula)为CF₃-CO-CF-(CF₃)₂。下文简称为C5K。

此外，根据本发明，C5K以如下的摩尔百分比存在于混合物中，该摩尔 百分比至少等于摩尔百分比M的95%(即至少为此百分比的0.95倍)，这意 味着可以确定的是，考虑到该混合物可以完全或部分为气态，在装置的最低 使用温度时，C5K在该混合物气态部分中的比例为最大值。

这样最大比例的C5K在装置最低使用温度时，即在使用本装置最不利 的条件下，提供了接近SF₆的最佳的电绝缘和/或灭弧的特性。

下面的表I列出了在0、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35和-40℃时， 记号为PVS_C5K的C5K的饱和蒸气压，这些温度为通常出现于中压和高压的 电气装置中的最低使用温度。

该表也列出了记为P_C5K的压强值，其对应于这些饱和蒸气压在20℃时 的压强值，并且是由应用上述式(II)而得出的。

表I：

如果该电气装置为中压装置，C5K可能部分地以气体状态以及部分地以 液体状态存在于所述装置中，所述事实不构成与标准相关的问题。因此，在 这种情况下，使用其中所存在的C5K的摩尔百分比高于摩尔百分比M的混 合物是可能的。

在中压得电气装置中，因此优选C5K在混合物中的摩尔百分比在摩尔 百分比M的95%～130%之间，更优选在95%～110%之间，以及理想在 99%～110%之间。换句话说，优选C5K在混合物中的摩尔百分比在摩尔百分 比M的0.95～1.3倍之间，更优选在0.95～1.1倍之间，以及理想在0.99～1.1 倍之间。

相反的，如果该电气装置为全金属封闭的变电站(metal-clad substation， PSEM)类型的高压装置，为了满足目前正生效的IEC标准，在此装置的工作 温度的范围内，C5K只以气体状态或几乎只以气体状态存在于该装置中是有 利的。

在PSEM类型的高压电气装置中，因此，优选C5K在混合物中的摩尔 百分比应该不超过摩尔百分比M的100%(即为该摩尔百分比)，以使它不具 有液化相。于是，C5K的百分比在摩尔百分比M的95%～100%之间(即在该 摩尔百分比的0.95倍到该摩尔百分比之间)。

根据本发明，稀释气体优选自以下气体：首先，该气体具有非常低的沸 点(即在标准压强下通常等于或低于-50℃)以及其次，具有至少等于在严格相 同的测试条件(相同的装置、相同的几何结构、相同的操作设置等)下的二氧 化碳的介电强度，所述测试条件用于测量所述气体的介电强度。

此外，优选稀释气体为无毒的，即不应将其归类于被欧洲议会和欧盟理 事会的法规(EC)N°1272/2008(2008年12月16日)视为致癌、致突变和/或生 殖毒性的物质，并且其也应具有较低的GWP值，即通常最大等于500。

具有所有这些特性的气体为，例如空气，优选干燥的空气(GWP为0)、 氮气(GWP为0)、氧化亚氮(GWP为310)、二氧化碳(GWP为1)、二氧化碳 和氧气以90/10～97/3的体积比混合的混合物，以及这些不同气体的混合物。

优选地，所述稀释气体为空气，优选干燥的空气、二氧化碳或这些气体 的混合物。

本发明的另一目的为中压或高压的电气装置，其包括装有电子元件的密 封外壳和包含氟酮和载气的混合物，该混合物用于电绝缘和/或熄灭在该装 置中可能产生的电弧，其特征在于，所述氟酮为十氟-2-甲基丁-3-酮，以及 其在混合物中的摩尔百分比至少等于由下式(I)所确定的摩尔百分比M的 95%：

M=(P_C5K/P_混合物)x100   (I)

其中，

-P_混合物代表混合物于20℃时在电气装置中的压强，单位为kPa；以及

-P_C5K代表相当于十氟-2-甲基丁-3-酮在电气装置最低使用温度时的饱 和蒸气压在20℃时的压强，单位为kPa，

其中，由下式(II)确定P_C5K：

P_C5K=(PVS_C5K x293)/T_最低   (II)

其中，

*PVS_C5K代表十氟-2-甲基丁-3-酮在电气装置最低使用温度时的饱和蒸 气压，单位为kPa；以及

*T_最低代表电气装置的最低使用温度，单位为K。

包含C5K和在此装置中存在的载气的混合物的特征，如前面描述的关 于使用该混合物。

根据本发明，所述电气装置可以是，首先，气体绝缘变压器，例如电源 变压器或测量变压器。

其也可以是架空或埋地的气体绝缘线，或一组用于输送或分配电力的母 线。

最后，其也可以是电气连接/断开装置(也称为开关装置)，例如，断路器、 开关、分离器、开关熔断器组、接地开关或接触器。

本发明的其他特征和优势将在下文附加的说明中明朗化。

然而，不言而喻的是，附加的说明仅仅是为了说明本发明的目的，而丝 毫不够成对所述目的的限制。

附图说明

图1示出了以C5K和CO₂的混合物的标准化介电强度作为该混合物中 的C5K摩尔百分比的函数的变化的曲线图。

图2示出了以C5K和干燥空气的混合物的标准化介电强度作为该混合 物中的C5K摩尔百分比的函数的变化的曲线图。

图3示出了以在均匀电场中获得的C5K和干燥空气的混合物的介电强 度作为该混合物中的C5K摩尔百分比的函数的变化的柱状图；在此图中， 将C5K/干燥空气混合物的介电强度表示为在与使用SF₆时相同的温度和压 强的条件下获得的介电强度的百分比，而将C5K的摩尔百分比表示为如前 面所定义的摩尔百分比M的百分比。

具体实施方式

首先，参考图1和图2，其示出了分别以包含C5K和CO₂的混合物(图 1)、以及包含C5K和干燥空气的混合物(图2)的标准化介电强度作为这些混 合物中的C5K摩尔百分比的函数的变化的曲线图。

在上下文中，将术语：包含C5K和载气或稀释气体的混合物的“标准 化介电强度”理解为，在相同条件下使用该气体时，该混合物的介电强度与 所述载气或稀释气体的介电强度有关。

因此，就介电强度而言，图1和图2所示的标准化介电强度的变化显示 出增长，这种增长直接与C5K/CO₂的混合物(图1)和C5K/干燥空气的混合物 (图2)的C5K摩尔百分比的增加有关。

应该注意的是，在图1和图2中给出的介电强度的值是对于具有均匀电 场的装置而给出的。

通过结合上文表I中的数据与图1和图2中的数据，可由此预计，对于 最低使用温度为-30℃的电气装置，使用具有在20℃时等于100、200、300、 400或500kPa的压强以及20℃时等于12.7kPa的C5K分压(即上文表I中 对应于温度为-30℃时所给出的P_C5K的值)的C5K/CO₂的混合物以及C5K/干 燥空气的混合物来导出于下文表II中给出的标准化介电强度的值。

表II

以同样的方式可预计，对于最低使用温度为-15℃的电气装置，使用具 有在20℃时等于100、200、300、400或500kPa的压强以及20℃时等于 24.7kPa的C5K分压(即上文表I中对应于温度为-15℃时所给出的P_C5K的值) 的C5K/CO₂的混合物以及C5K/干燥空气的混合物来导出于下文表III中给出 的标准化介电强度的值。

表III

也可预计，对于最低使用温度为-5℃的电气装置，使用具有在20℃时 等于100、200、300、400或500kPa的压强以及20℃时等于36.7kPa的 C5K分压(即上文表I中对应于温度为-5℃时所给出的P_C5K的值)的C5K/CO₂的混合物以及C5K/干燥空气的混合物来导出于下文表IV中给出的标准化介 电强度的值。

表IV

实施例1：应用于中压

用C5K和CO₂的混合物来填充两种额定电压为24kV的GIS(气体绝缘 开关，Gas Insulated Switchgear)类型的装置(以下简称装置1和2)，其定为在 最低使用温度为-15℃时使用。

装置1具有的结构与由Schneider Electric出售的参照FBX24kV的装置 的结构严格相同，在其目前的商业化版本里，在压强为130kPa的条件下以 SF₆填充该装置。

装置2与装置1的不同之处在于，其旁路已经由热收缩性护套包裹，从 而能够防止它们之间碰撞(striking)，且在其中已添加电场分离器。

由于装置1和2定为在最低使用温度为-15℃时使用，以C5K/CO₂的混 合物填充所述装置，使得：

-该C5K/CO₂混合物在这些装置中的总压强在20℃时等于130kPa；

-在这些装置中C5K的分压在20℃时等于24.7kPa；

得出C5K的摩尔百分比等于19%。

为了实现所述填充，首先将每个装置置于密封罩中，然后既在装置内部 又在装置和罩壁之间形成真空(0～0.1kPa)，以防止装置的壁发生变形。

第一阶段为用C5K覆盖所述装置的槽(tank)的内壁，通过使用具有“气 体”排放孔和“液体”排放孔的C5K的槽的“气体”排放孔，将0.3～0.5kPa 的纯C5K注入进槽内，并且预先已将其缓慢加热以加快C5K的流速。

然后，借助于配备两个气囊(bubblers)的气体混合机继续填充该槽，同时， 使用精密的质量流量计在整个填充过程中保持C5K和CO₂在20℃时的压强 之比为19%。在此操作期间，将C5K置于这两个气囊中，使加压的CO₂横 穿(traverse)该气囊以达到饱和状态。

然后将以这种方式填充的装置1和2进行介电强度测试：

-经受在相和地之间的雷电冲击时(1.2～50μs的波)；

-经受在操作距离上的雷电冲击时(1.2～50μs的波)；

-在相和地之间的工业频率下(50Hz–1min)；

-在操作距离上的工业频率下(50Hz–1min)。

所有这些测试都根据IEC62271-200标准，在环境温度和在-15℃的条 件下进行(后一种情况时，将装置1和2置于制冷外壳内)。

下文的表V示出了这些测试的结果。

作为比较，该表也给出了在同样条件下获得的FBX24kV和市售品的介 电强度。

表V

该表显示了，以19/81的摩尔比混合的C5K/CO₂的混合物填充的中压电 气装置在-15℃～+50℃的温度范围内，就介电强度而言，除与经受在相和地 之间的雷电冲击时有关的介电强度之外，具有等同于在相同压强下以SF₆填 充的相同的装置的性能。

然而，它也表明，一些结构上细微的修改，如包裹其旁路、以及添加电 场分离器，足以使此装置在经受在相和地之间的雷电冲击时具有的介电强度 也等同于在相同压强下以SF₆填充的相同的装置的介电强度。

装置1还根据IEC62271-200标准进行了加热测试。

这些测试显示，当630A RMS的恒定电流穿过此装置时，在电触头中 测得的最大热值(其代表最热的点)仅比在相同条件下所获得的FBX24kV市 售品的值高出1%，这是完全可以接受的。

作为比较，具有与FBX24kV相同的结构但以纯CO₂填充的装置，就 其本身而言，具有比所获得的FBX24kV市售品的值高出7.8%的最大热值。

装置1还根据IEC60265-1标准进行了开断测试(breaking tests)。

这些测试显示，用此装置在24kV的额定电压和0.7的功率因数下对400 安培的电流承担超过100次断开是可能的。

这些结果不如用FBX24kV市售品所获得的好，因为后者能够在24kV 的额定电压和0.7的功率因数下对630安培的电流作出超过100次断开。在 将气体生成材料(gas-producing material)制成的零件(垫圈)与开关的固定接触 点接触后，在装置1上重复所述开断测试，这种情况下，在此装置的断开室 内以5质量%的CeF₃填充PTFE。

然后，用此装置在24kV的额定电压和0.7的功率因数下对630安培的 电流承担超过100次断开是可能的。

这里再次通过简单地做出结构上简单的修改，如将含氟聚合物类型(例 如，PFA、FEP或PTFE)的气体生成材料再加上含氟填料(例如，CaF₂、CeF₃、 CeF₄或MgF₂)添加到装置1中，在断开方面，可获得等同于在相同压强下以 SF₆填充的相同的装置的性能。

实施例2：应用于中压

以C5K和干燥空气的混合物来填充具有145kV额定电压的GIS类型的 装置(以下简称装置3)，其定为在最低使用温度为-30℃时使用。

装置3具有的结构与由Alstom Grid出售的参照B65的装置的结构严格 相同，在其目前的商业化版本里填充的是SF₆。

由于装置3定为在最低使用温度为-30℃时使用，以C5K/干燥空气的混 合物填充该装置，使得：

-该C5K/干燥空气混合物在此装置中的总压强在20℃时等于500kPa；

-在此装置中C5K的分压在20℃时等于12.7kPa；

得出C5K的摩尔百分比等于2.54%。

使用与实施例1所描述的相同的步骤将C5K/干燥空气的混合物填充进 装置3，不同的是，使用干燥的空气来代替CO₂，并且所使用的C5K和干燥 空气在20℃的压强之比等于2.5%。

然后，根据IEC62271-1标准，在环境温度下，经受具有正波和负波的 雷电冲击时(1.2～50μs的波)对以这种方式填充的装置3进行介电强度测试。

下文的表VI示出了这些测试的结果。

作为比较，该表也示出了在同样条件下获得的与B65同等结构的装置的 介电强度，但在压强为500kPa的条件下以干燥的空气填充该装置。

表VI

该表显示了，以19/81的摩尔比混合的C5K/干燥空气的混合物填充的高 压电气装置，就介电强度而言，具有远优于在相同压强下以干燥空气填充的 相同的装置的性能。

实施例3：混合物中C5K的摩尔百分比的选择对于该混合物的介电强度 的影响

以C5K和干燥空气的混合物来填充一系列与先前所使用的装置1类型 相同的装置(最低使用温度：-15℃；C5K/干燥空气的混合物的总压强：130 kPa)，同时从一个装置到下一个装置对混合物中的C5K的摩尔百分比进行改 变，如所述C5K的摩尔百分比分别为摩尔百分比M的0%、31.2%、64%、 95%、100%和146.8%，这意味着，-15℃时，C5K在所述C5K/干燥空气的 混合物的气态部分中的比例为最大值。

然后，在均匀电场中，在环境温度下对这些装置进行介电强度测试，并 且将所获得的结果与对在相同温度下以及在压强为130kPa的条件下以SF₆填充的相同类型的装置测试所获得的结果进行比较。

下文的表VII示出了这些测试的结果。

作为比较，该表也示出了在同样条件下获得的与B65同等结构的装置的 介电强度，但在压强为500kPa的条件下以干燥的空气填充该装置。

表VII

在图3中以柱状图的形式示出了这些测试的结果，其中已给出：

-在横坐标上，C5K在C5K/干燥空气的混合物中的摩尔百分比，表示 为摩尔百分比M的百分比；以及

-在纵坐标上，使用C5K/干燥空气的混合物获得的介电强度，表示为 使用SF₆获得的介电强度的百分比。

表VII和图3清楚地证实了，为了使获得的介电强度至少等于用SF₆所 获得的介电强度的95%，应该使用C5K和例如干燥空气的载气的混合物， 其中C5K以至少等于摩尔百分比M的95%的C5K摩尔百分比存在，这使得， 在装置的最低使用温度时，C5K在所述C5K/干燥空气的混合物的气态部分 中所占的比例为最大值。

引用的参考文献

[1]S.Nakauchi,D.Tosu,S.Matsuoka,A.Kumada and K.Hidaka, "Breakdown characteristics measurement of non-uniform field gap in SF₆–N₂, CF₃I–N₂and CF₃I–CO₂gas mixtures by using square pulse voltage”,XVI  International Conference on Gas Discharge and their Applications,China,11-15 September2006.

[2]EP-A-1724802.