用于生成、传输、分配和/或使用电能的装置或这种装置的组件以及用于这种装置或组件的气体密封件

摘要

本发明涉及用于生成、传输、分配和/或使用电能的装置(2)或这种装置(2)的组件，其中，在所述装置内形成至少一个绝缘空间(6)，在所述绝缘空间中设置有载电流组件(8)，并且所述绝缘空间包括围绕所述载电流组件(8)的介电绝缘介质(10)。所述绝缘介质(10)在此包含a)选自氟酮、氟腈和它们的混合物的至少一种有机氟化合物，和b)包含选自空气、空气组分、CO2或这些组分的混合物的至少一种组分的载气。所述装置(2)包括用于将所述至少一个绝缘空间(6)相对于另外的空间(18，181)密封的至少一个气体密封件(20)。根据本发明，所述气体密封件(20)包含丁基橡胶作为密封材料。

说明书

本发明涉及一种用于生成、传输、分配和/或使用电能的装置或其组件，以及一种用于这种装置或组件的气体密封件。

在一开始所提及类型的装置中，液态或气态介电绝缘介质常用于载电流组件的介电绝缘。根据标准，这类绝缘介质尤其被用于气体绝缘开关设备(GIS)、气体绝缘管道(GIL)或变压器中。例如，在金属包封的GIS中，载电流组件被设置于界定绝缘空间的外壳中，在所述绝缘空间中包含绝缘气体以便将外壳与载电流组件隔离并以这种方式防止电击穿。

对于高压开关设备中的供电中断而言，绝缘气体另外承担灭弧气体的功能。

US 8 492 672公开了一种借助可移动电极的用于灭弧的放电器（Ableiter）。在待命状态下，固定与可移动电极之间的绝缘空间被填充有绝缘液体或由SF₆、压缩空气、N₂、全氟-或氟氯-碳化合物组成的绝缘气体，并任选地用例如由丁基橡胶制成的大面积、膜样固体绝缘件来绝缘。膜样固体绝缘件被设计使得其可在激活放电器时被可移动电极击穿。

EP 2 284 854公开了一种气体绝缘开关设备，其利用由SF₆、空气、N₂、CO₂、O₂、H₂或全氟-或氢氟-碳化合物组成的灭弧气体来运行。在使用H₂或CO₂的情况下，气密性的问题通过选择在稍较长的气体密封件的情况下的具有更多气体存储的更大构造体积或双倍厚的气体密封件，或通过用扩散可能性较少的CH₄替换H₂来解决。所提出的密封材料是丁腈橡胶，氟橡胶，硅橡胶，丙烯酸类橡胶，乙丙橡胶，三元乙丙橡胶(EPDM)，丁基橡胶，聚氨酯橡胶，海帕伦或乙烯-乙酸乙烯酯树脂。

WO 2008/073790公开了用于气体绝缘开关设备的绝缘气体，所述绝缘气体具有低于-20℃的沸点，包括各种氟醚、具有3个碳原子的氟一元酮、具有4个碳原子的氟二酮、各种氟烯烃以及具有1或2或3个碳原子的特定氟腈。

常用的绝缘气体或灭弧气体是六氟化硫(SF₆)，其不仅具有极好的介电性质，而且此外几乎是化学惰性和不可燃的。

然而，最近一段时间，已提出有机氟化合物作为SF₆的引人注意的替代物。这些有机氟化合物具有极低的全球变暖潜能(GWP)和0的臭氧消耗潜能(ODP)。

例如，WO 2010/142346公开了一种包含具有4至12个碳原子的氟酮的介电绝缘介质。WO 2012/080246进一步公开了一种具有恰好5个碳原子的氟酮(在下文中称为“C5K”)，其存在于与不同于C5K的绝缘气体组分的混合物中。

已发现氟酮具有特别好的绝缘性质。特别地，它们具有高介电强度且另外适合于熄灭电弧。同时，它们具有非常低的毒性。此外，已发现了其中氟酮与作为载气(或“背景气”)的O₂、N₂和/或CO₂一起存在的混合物是特别有利的。然而，可作为SF₆替代物的氟酮具有相对高的沸点。因此在装置的运行条件下氟酮的分压相对低。

因此，为了获得足够好的介电绝缘，选择相对高气体密度的含氟酮气体混合物。这又导致界定绝缘空间的外壳必须能够耐受相对高的压力，或者在绝缘空间中绝缘气体的逃逸甚至在相对高压的情况下也可被有效防止。

为了防止绝缘气体逃逸，通常使用气体密封件、例如密封环。这些应实现绝缘空间尤其在界面处相对于另外的空间、尤其相对于装置环境的密封。如果不能够确保这种密封，则用于装置维护、且尤其用于期望的绝缘气体组合物重建的间隔将必须缩短，意味着将必须在早期阶段关闭装置以便替换绝缘气体中的至少一部分，此举明显是不利的。

用于气体密封件的可用材料原则上是例如EPDM，其被描述为在高压设备中结合SF₆所选的密封材料。然而，已发现弹性体通常具有相对高的透气性。特别地，尽管EPDM密封件在所提及的高压下在其它方面极佳的性质，但其具有相对于个别载气组分，尤其是O₂、CO₂和N₂相对高的通透性。

另外，已发现尽管有机氟化合物是惰性的，但其可在一定程度上与装置的个别固体组件反应并降解，这一方面直接影响绝缘气体的功能性。另一方面，所提及的固体组件还可因与有机氟化合物相互作用而受损，当该固体组件是气体密封件并且其在受损状态下具有升高的泄漏率时，则这尤其关系重要。由于提及的材料不相容性，因此还可能使绝缘气体的功能性间接受损害，即由于载气经过损坏的气体密封件的外流增强。

因此，本发明的目的是提供一种使用替代性绝缘介质的在一开始所提及类型的装置，其中绝缘介质在长时段内可完全运行，并因此所述装置仅需相对不频繁地维护。

特别地，即使在装置的绝缘空间中的高压下，也应确保绝缘空间的尽可能完全的气体密封。

明确而言，装置中存在的气体密封件应具有与有机氟化合物的高材料相容性，并同时显示出相对于与有机氟化合物混合着存在的载气，尤其相对于O₂、CO₂和/或N₂的低通透性。此外，气体密封件还应具有相对于水的低渗透性，以便避免水可能渗入绝缘空间中并在该处加速绝缘气体或其个别组分的分解。

本发明的目的通过如权利要求1所述的主题来实现。优选实施方案在从属权利要求中描述。

根据权利要求1，在用于生成、传输、分配和/或使用电能的装置内形成至少一个绝缘空间，在所述绝缘空间中设置有导电组件，并且所述绝缘空间包括围绕导电组件的介电绝缘介质。在此，这种绝缘介质包含：

a)选自氟酮、氟腈和它们的混合物的至少一种有机氟化合物，和

b) 包含选自空气、空气组分、CO₂或这些组分的混合物的至少一种组分的载气。

这种绝缘介质具有高介电强度。由于其极佳的灭弧性质，所述绝缘介质也特别适合于开关设备。

同时，所述绝缘介质具有极低的全球变暖潜能、0的臭氧消耗潜能和非常低的毒性。

为了使至少一个绝缘空间相对于另外的空间密封，根据本发明，所述装置包括至少一个气体密封件，所述气体密封件包含丁基橡胶作为密封材料。因此，术语“气体密封件”还涵盖包含除了丁基橡胶之外另外材料的气体密封件以及基本上或完全由丁基橡胶组成的气体密封件。

在本发明的情形下“另外的空间”通常是装置的环境。然而，可想到所述另外的空间是指装置的空间或隔室，绝缘空间应相对于其至少接近气密性密封。

通常，所述另外的空间中包含的介质不同于绝缘空间中的绝缘介质。在另外的空间是装置的环境的情况下，这种介质是空气。但还可想到所述介质本身是另一种绝缘介质，尤其是具有与空气相比介电性质提高的绝缘介质。

已发现，由于本发明选择丁基橡胶作为密封材料，获得了具有相对于有机氟化合物非常高的材料相容性的气体密封件。尤其在使用1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁-2-酮（在本文简称为“C5酮”）的情况下，绝缘介质与密封材料之间存在高材料相容性。如在下文进一步阐明的，由于其与载气组合产生的介电性质和其高环境承受性，C5酮特别优选用作有机氟化合物。丁基橡胶气体密封件同样地具有与绝缘气体的高材料相容性，所述绝缘气体含有氟腈，尤其是全氟丁腈(C₃F₇CN)，且优选根据式(CF₃)₂CFCN的全氟异丁腈和/或根据式CF₃CF(OCF₃)CN的全氟-2-甲氧基丙腈。

高材料相容性不仅具有可减少或消除有机氟化合物的反应性降解的优点。由于改进的材料相容性，气体密封件还具有提高的长期稳定性，即，即使当其在较长时间段内暴露于有机氟化合物时功能也不会受损害或得以维持。

此外，由于本发明选择了丁基橡胶，可确保相对于载气或载气组分，即尤其相对于CO₂、O₂、N₂和/或空气的通透性是非常低的。特别地，通透性明显低于例如将EPDM用作密封材料的情况。

最终，因此可以根据本发明而获得一种具有基于有机氟化合物的绝缘介质的通用类型的装置，其中确保了包含绝缘介质的空间的良好气体密封，甚至在相对高的压力下也是如此。因为用于气体密封件的密封材料不仅具有相对于绝缘介质中包含的载气或个别载气组分的低通透性，而且同时还具有与有机氟化合物的良好材料相容性，所以仅需要相对不频繁地替换绝缘介质和/或气体密封件，这总体上有助于装置的低维护运行。关于相对于水的低渗透性，因此可以避免水渗入绝缘空间中以及水参与绝缘气体或其组分、尤其是有机氟化合物的潜在分解。

具体而言，已显示出根据本发明用绝缘介质再填充装置的间隔可延长约3倍。因为根据本发明使用的丁基橡胶密封材料具有良好的可得性且相对便宜，为此不产生材料相关的额外成本。

如所提及的，绝缘空间中包含介电绝缘介质，其包含至少一种有机氟化合物，所述有机氟化合物选自氟酮、尤其是全氟酮，氟腈、尤其是全氟腈，和它们的混合物。

本发明涵盖了其中绝缘介质包含来自氟酮、尤其是全氟酮，氟腈、尤其是全氟腈的单一化合物或者来自该组中的至少两种化合物的混合物的实施方案。

绝缘介质可为氟酮，尤其是具有4至12个碳原子的氟酮。

如本发明的情形中使用的术语“氟酮”应在广义上解释且尤其涵盖全氟酮和氢氟酮两者，并且进一步涵盖饱和化合物和不饱和化合物——即在碳原子之间具有双键和/或三键的化合物。氟酮的至少部分氟化的烷基链可为直链或支链的，或可形成任选被一个或多个烷基取代的环。在说明性实施方案中，氟酮是全氟酮，其中可存在支链烷基，其可尤其为至少部分氟化的烷基链且其优选完全氟化的。

根据一个特别优选的实施方案，氟酮具有5或6个碳原子。这类氟酮在至最多500℃下热稳定。

具有恰好5个碳原子的氟酮在本文被简称为氟酮a)。

特别地，氟酮是选自其中至少一个氢原子已被氟原子取代的由以下结构式定义的化合物的至少一种化合物：

一般优选具有支链烷基的氟酮、尤其是氟酮a)，因为它们的沸点低于具有直链烷基的对应化合物(即，具有相同化学式)的沸点。

根据一个特别的实施方案，氟酮a)是全氟酮，特别地具有化学式C₅F₁₀O，即完全饱和，并因此不具有碳原子之间的双键或三键。更优选地，氟酮选自1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁-2-酮(也称为十氟-2-甲基丁-3-酮)、1,1,1,3,3,4,4,5,5,5-十氟戊-2-酮、1,1,1,2,2,4,4,5,5,5-十氟戊-3-酮和八氟环戊酮，且最优选1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁-2-酮。

1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁-2-酮可由以下结构式(I)表示：

1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁-2-酮（其在本文简称为“C5酮”且具有分子式CF₃C(O)CF(CF₃)₂或C₅F₁₀O）特别优选在高压和中压绝缘应用中使用，因为它将高介电强度（尤其在与介电背景气或载气的混合物中）、非常低的GWP值和低沸点的优点集于一身。它还具有0的ODP>

另外可想到在本文简称为氟酮a)的根据上述注释具有恰好5个碳原子的氟酮，和在本文简称为氟酮c)的具有恰好6个碳原子或恰好7个碳原子的氟酮同时包含于介电绝缘介质中。因此结果是包含多于一种氟酮的绝缘介质，其中每种氟酮自身有助于绝缘介质的介电强度。

根据一个特别的实施方案，另外的氟酮c)是选自其中至少一个氢原子已被氟原子取代的由以下结构式定义的化合物的至少一种化合物：

(IIa)，

(IIb)，

(IIc)，

(IId)，

(IIe)，

(IIf)，

(IIg)

以及其中氟酮的至少部分氟化的烷基链形成被一个或多个烷基链取代的环的具有恰好6个碳原子的所有氟酮(IIh)；

和/或选自其中至少一个氢原子已被氟原子取代的由以下结构式定义的化合物的至少一种化合物：

(IIIa)，

(IIIb)，

(IIIc)，

(IIId)，

(IIIe)，

(IIIf)，

(IIIg)，

(IIIh)，

(IIIi)，

(IIIj)，

(IIIk)，

(IIIl)，

(IIIm)，和

(IIIn)(名为十二氟环庚酮)，

以及其中氟酮的至少部分氟化的烷基链形成被一个或多个烷基链取代的环的具有恰好7个碳原子的所有氟酮(IIIo)。

本发明涵盖选自具有结构式(Ia)至(Ii)、(IIa)至(IIh)、(IIIa)至(IIIo)和它们的混合物的所有化合物和化合物的每种组合。

根据一个特别的实施方案，与氟酮a)相似，氟酮c)是全氟酮和/或具有支链烷基、尤其是至少部分氟化的烷基链，和/或是完全饱和的化合物。

特别地，氟酮c)具有化学式C₆F₁₂O，即为完全饱和的化合物，并因此是不具有碳原子之间的双键或三键的化合物。

优选地，氟酮c)选自1,1,1,2,4,4,5,5,5-九氟-2-(三氟甲基)戊-3-酮（也称为十二氟-2-甲基戊-3-酮）、1,1,1,3,3,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)戊-2-酮（也称为十二氟-4-甲基戊-2-酮）、1,1,1,3,4,4,5,5,5-九氟-3-(三氟甲基)戊-2-酮（也称为十二氟-3-甲基戊-2-酮）、1,1,1,4,4,4-六氟-3,3-双(三氟甲基)丁-2-酮（也称为十二氟-3,3-(二甲基)丁-2-酮）、十二氟己-2-酮、十二氟己-3-酮和十二氟环己酮，且尤其是提及的1,1,1,2,4,4,5,5,5-九氟-2-(三氟甲基)戊-3-酮。

1,1,1,2,4,4,5,5,5-九氟-2-(三氟甲基)戊-3-酮（也称为十二氟-2-甲基戊-3-酮）可由以下结构式(II)表示：

特别对于高压绝缘应用，1,1,1,2,4,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)戊-3-酮（本文简称为“C6酮”，具有分子式C₂F₅C(O)CF(CF₃)₂）因其良好的绝缘性质和其极低的GWP值而特别优选。

同样地如上文所述，所用有机氟化合物还可为氟腈，尤其是全氟腈。

优选地，氟腈、尤其是全氟腈具有四个碳原子。

根据另一个优选的实施方案，氟腈可为全氟烷基腈，尤其是全氟丁腈(C₃F₇CN)。

特别地，氟腈可为全氟异丁腈(根据式(CF₃)₂CFCN)和/或全氟-2-甲氧基丙腈(根据式CF₃CF(OCF₃)CN)。在这些之中，全氟异丁腈因其低毒性而特别优选。

在一般实施例中，优选在大气压下具有高于(即，热于) -5℃的沸点，和/或具有超100年低于2500的GWP，和/或具有低毒性的那些氟酮和/或氟腈。

如所提及的，绝缘介质包含载气，所述载气包含选自空气、空气组分、尤其是氮气(N₂)和/或氧气(O₂)和二氧化碳(CO₂)以及它们的混合物的至少一种组分。更优选地，绝缘介质包含二氧化碳和任选的空气组分，尤其是氧气和/或氮气。

根据一个特别的实施方案，绝缘介质是包含二氧化碳和氧气的气体混合物。在此二氧化碳的量与氧气的量的比率优选在50:50至100:1的范围内。

尤其对于高压开关设备中的供电中断而言，特别优选二氧化碳的量与氧气的量的比率在80:20至95:5、更优选85:15至92:8、甚至更优选87:13至低于90:10的范围内，且尤其是约89:11。

如所提及的，根据本发明用于气体密封件的密封材料是丁基橡胶。丁基橡胶也为本领域技术人员以名称IIR(异丁烯-异戊二烯橡胶或异丁烯-异戊二烯橡胶)所知，并且可尤其借助以下结构式来表示：

其中k、l、m表示整数。关于本发明，名称“丁基橡胶”涵盖未改性丁基橡胶和改性丁基橡胶，像例如氯化丁基橡胶(CIIR)或溴化丁基橡胶(BIIR)。

根据一个优选实施方案，对于良好的硫化能力而言，丁基橡胶具有1摩尔%至3摩尔%、优选1.5摩尔%至2.5摩尔%范围内、且更优选为约2摩尔%的异戊二烯份额。对应的丁基橡胶的特征在于相对于载气、尤其相对于CO₂和/或O₂和/或N₂特别低的通透性。

与本发明结合使用的术语“丁基橡胶”涵盖各种种类的丁基橡胶，例如包括可借助基于硫或硫供体的硫化体系经由硫化获得的那些。更优选地，借助基于树脂的硫化体系经由硫化来获得丁基橡胶，因为这可实现提高的碳-碳交联。在此，树脂可尤其为酚类树脂，特别是基于烷基酚-甲醛衍生物的树脂。

关于气体密封件的尺寸和大小形状，可想到所有适合于工业用途的那些，尤其是必需的密封件大小、密封件厚度和密封件气密性。

根据一个特别优选的实施方案，气体密封件呈具有任意横截面的闭环形状存在。例如，可想到呈通常用于室内GIS或户外GIS (GIS =气体绝缘开关设备)的形状的O形环。

除如在通常使用的O形环的情况下存在的圆形横截面之外，还可想到其他横截面，像例如X形或矩形横截面。除提及的常规O形环形状的气体密封件之外，另外的实施例还是例如呈双O形环形状的气体密封件。

对于气体密封件的制造而言，可想到在具体情况下本领域技术人员认为合适的各种方法。特别地，可通过注射模塑方法来制造气体密封件。另外的实施例是无端O形环或粘接O形环。

本发明涵盖了其中所有存在的气体密封件包含丁基橡胶作为密封材料或由其组成的实施方案，以及其中这种情况仅适用于存在的气体密封件中的一部分的实施方案。因此尤其还涵盖了具有丁基橡胶涂层的部件、包套有丁基橡胶和注塑包覆有丁基橡胶的部件。

在除包含丁基橡胶的至少一个气体密封件之外存在由另一种材料(例如EPDM)制成的至少一个另外的气体密封件的情况下，可优选对气体密封件进行标记。这可例如借助于可见的彩色点或特定的触觉性质来实现。正是在使用具有针对绝缘介质优化的性质(例如改进或降低的通透性)的另外的密封材料的情况下，所述标记使得可以易于识别较早待替换的气体密封件。换言之，因此可能避免在其仍完全可运行的时间点就替换具有改进的性质(例如降低的通透性)的根据本发明的气体密封件。

原则上，本发明涉及在其内部形成至少一个绝缘空间的用于生成、传输、分配和/或使用电能的各种装置。

根据一个优选实施方案，所述装置或这种装置的组件是

开关设备，尤其是气体绝缘且金属包封的开关设备，

开关，尤其是接地开关、隔离开关、分荷保险装置(Lasttrennschalter)和/或功率开关，

高压功率开关，其任选地具有用于提供自鼓风效果的加热室，

变压器，尤其是配电变压器或电源变压器，

旋转电机，发电机，马达，驱动装置，半导体构件和/或电力电子装置，和/或

换流站。

除上述装置或组件之外，本发明另外涉及一种用于所述装置或组件的气体密封件。如所提及的，这种气体密封件含有丁基橡胶作为密封材料。因此，术语“气体密封件”还涵盖了含有除丁基橡胶之外另外材料的气体密封件，以及基本上由丁基橡胶组成的气体密封件。

通过以下实验数据来进一步说明本发明或由其获得的技术效果：

根据第一试验布置，在20℃下测定丁基橡胶相对于各种载气(CO₂或N₂)的通透性。结果示于表1中。

表1

如结果中显而易见的，在20℃下，丁基橡胶(IIR)相对于CO₂的透气率比作为比较例测试的其他塑料EPDM>

同样地，在20℃下，关于相对于作为载气的N₂的通透性，丁基橡胶所测得的透气率明显低于EPDM。因此，相对于绝缘介质的有机氟化合物是惰性的丁基橡胶显示出相对于所测试绝缘介质的载气仅非常低的通透性，且特别地，远低于EPDM的通透性。特别地，与根据使用的有机氟化合物展现不足的材料相容性的丁腈橡胶相比，丁基橡胶的通透性也大大降低。

通过存在的附图进一步说明本发明。附图显示出：

图1仅以示意形式和截面图示出具有气体密封件的本发明装置的一部分，所述气体密封件用于将装置的绝缘空间相对于装置的环境密封。

图1中所示的装置2包括围绕绝缘空间6的包封件4，在绝缘空间6中设置有载电流或带电压组件8，并且绝缘空间6包括围绕载电流或带电压组件的介电绝缘介质10。绝缘介质10一方面包含有机氟化合物，且另一方面包含载气、在具体情况下是氮气(N₂)。

借助绝缘体12来固持载电流组件8，绝缘体12在其远离载电流组件8的侧面上通过借助夹紧螺栓13固定的金属环14连接至包封件4。在所示的具体实施方案中，绝缘体12具有用于安装密封系统的环形凸起部16。

为了将绝缘空间6相对于装置的环境181 (定义了本发明的“另外的空间”18)密封，在包封件4与绝缘体12之间提供气体密封件20，其应确保绝缘介质10可经过包封件4与绝缘体12或金属环14之间存在的不紧密性而逃逸，或空气可从环境181渗入绝缘空间6中。

根据本发明，气体密封件20包含丁基橡胶作为密封材料，或气体密封件20由作为密封材料的丁基橡胶组成。

在实施例中，气体密封件20中的丁基橡胶具有1摩尔%至3摩尔%、优选1.5摩尔%至2.5摩尔%范围内、且更优选为约2摩尔%的异戊二烯份额。

在另外的实施例中，气体密封件(20)的仅一部分包含丁基橡胶或由其组成。特别地，气体密封件20可具有丁基橡胶涂层或包套有丁基橡胶或注塑包覆有丁基橡胶。

在另外的实施例中，除包含丁基橡胶的至少一个气体密封件20之外，存在由另一种材料、尤其是EPDM制成的至少一个另外的气体密封件(未示出)。特别地，气体密封件20和/或另外的气体密封件可能已被标记。优选地，可已通过可见彩色点或通过特定的触觉性质来实现标记。

附图标记列表

2装置

4包封件

6绝缘空间

8载电流组件、带电压组件

10 绝缘介质、绝缘气体

12 绝缘体

13 夹紧螺栓

14 金属环

16 凸起部

18；181 另外的空间；环境；空气

20 气体密封件