CN103094860A

CN103094860A - 基于碳沉积抑制技术的氟碳混合气体绝缘开关装置

Info

Publication number: CN103094860A
Application number: CN2013100412789A
Authority: CN
Inventors: 李康; 张国强
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: YANGZHOU DEYUN ELECTRICAL EQUIPMENT GROUP CO., LTD.
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: CN103094860B

Abstract

一种基于碳沉积抑制技术的氟碳混合气体绝缘开关装置，所述的气体绝缘装置包括密封容器（1），所述的密封容器（1）内充满所述的灭弧性气体：含有碳元素的氟碳气体。所述的密封容器（1）内至少配置一对电极；通电时通过该电极导电，电流断开时，灭弧性气体熄灭电极间产生的电弧。所述的气体绝缘装置还包括安装在密封箱体（1）外部的喷气控制单元（13），喷气控制单元（13）与密封箱体（1）绝缘；所述的喷气控制单元（13）控制向所述气体绝缘装置的电弧位置喷入缓冲气体：O2、SF6、H2或干燥空气中的一种。

Description

基于碳沉积抑制技术的氟碳混合气体绝缘开关装置

技术领域

本发明涉及一种气体绝缘的开关装置，特别涉及使用氟碳混合气体作为绝缘介质的开关装置。

背景技术

SF₆气体具有良好的绝缘能力、灭弧能力、化学稳定性及无毒性，因而被广泛的应用于气体绝缘设备中，如气体绝缘变压器、气体绝缘断路器、气体绝缘输电管道等。但是，纯SF₆气体对电场不均匀性非常敏感，对设备加工要求高；而且SF₆气体的放电分解物，如SO₂F₂、SOF₂、SF₄、SF₂、H₂S、SOF₄等，均为剧毒物质，对人员健康威胁很大；另外，SF₆气体的温室效应非常大，它的全球温暖化潜能值(GWP)大约是CO₂气体的23900倍，且在大气中寿命约3200年，因此联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF₆气体列为六种限制性使用的温室气体之一。因此科研人员进行了大量的研究，希望寻找到能够替代SF₆气体用于电气设备的新介质。

目前来看，用单一气体来代替SF₆气体是十分困难的。所以，人们尝试使用混合气体来代替纯SF₆气体。目前已有使用SF₆/N₂混合气体或SF₆/CO₂混合气体替代纯SF₆气体的报道，使用含SF₆的混合气体有以下优点：降低对电极表面缺陷敏感度，降低气体液化温度，降低成本，因此具有较好的应用前景，特别是SF₆含量在20%~40%的SF₆/N₂混合气体。但是，使用含SF₆的混合气体不能从根本上解决SF₆气体的温室效应及其分解产物中含有的剧毒物质对人身的威胁。因此，有必要寻找不含SF₆的混合气体用于高压电力设备。

在专利JP4119441B2中提到使用N₂或O₂或干燥空气或CO₂等气体作为主要绝缘气体成分，并且混合有20%以下的SF₆气体、c-C₄F₈(八氟环丁烷)、CF₃SF₅、C₃F₈或CF₃OSF₃等气体作为气体绝缘装置的气体绝缘介质；

专利JP2004236459A，JP2006014411A等也提到使用c-C₄F₈(八氟环丁烷)、C₃F₈与N₂，CO₂等的混合气体作为电气设备绝缘和灭弧介质。

以上几个专利提到使用所述的这类混和气体可以加大的降低绝缘气体的全球温暖化系数，同时可以完全避免SF₆气体的使用，从根本上解决SF₆气体分解产物中含有剧毒物质对人身的危害。然而也存在以下问题：由于上述气体中c-C₄F₈(八氟环丁烷)、C₃F₈等含有碳元素，所以在开断电流时产生的电弧下，气体发生离解和复合的过程中，存在产生游离碳的问题，产生的碳如果附着到绝缘隔离件等固体绝缘物的表面上的情况下，可能会导致该部分的电绝缘性能显著降低。

专利日本特开2007-258137号公报提出在将含有上述那样的含碳元素的气体应用于开关装置的情况下，通过在绝缘气体中适量混入O₂，H₂等的方法，可以抑制电流开断时产生的游离碳的生成量，防止游离碳的生产造成的电气性能下降，然而，O₂是促进有机材料或金属劣化的代表性物质，按照所述方法密封容器内将长期存在O₂气，这会使得设备寿命变短，设备的维护次数增加。而使用H₂作为混合气体，由于H₂其的绝缘性能弱，会降低设备性能，同时H₂的分子小，为了确保气密性，需要采取更加严密的密封措施，极大的增加了设备的体积和成本。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种气体绝缘开关装置。本发明能够降低电气设备所用气体绝缘介质的全球温暖化系数，而且具有优良的性能。

为实现发明目的，本发明的氟碳气体绝缘开关装置包括密封容器、电极和喷气控制单元。

本发明在充满灭弧性气体的密封容器中设置至少一对电极。通电时，通过所述电极保持接触状态来导电；电流断开时，使得所述电极分离，而在所述灭弧气体中发生电弧，通过熄灭电弧来开断电流。

所述的气体绝缘装置还包括安装在密封箱体外部的喷气控制单元，喷气控制单元与密封箱体绝缘。所述的喷气控制单元控制向所述气体绝缘装置的电弧位置喷入缓冲气体。

所述的灭弧气体是含有碳元素的氟碳气体，如八氟环丁烷（c-C₄F₈）、八氟丙烷（C₃F₈）等与氮气或CO₂等的混合气体。同时，所述的密封容器内设置至少一个缓冲气喷口，在电流开断电极分离时，根据分断电流的大小向所述的密封容器内的电弧位置喷入一定量的O₂、SF₆、H₂或干燥空气中的一种，作为缓冲气体，通过O₂、SF₆、H₂或干燥空气抑制碳元素的产生。本发明采用适宜的控制方式在电弧开断的瞬间喷入所述的O₂、H₂、SF₆、H₂或干燥空气，即可以抑制开断电弧时生成碳，又因为喷入的气体在电弧开断时基本消耗掉，可以使得设备中长期存在的O₂，H₂气量很少，不影响设备的长期使用。

所述的缓冲气喷口可以设置在气体绝缘开关装置动弧触头的中心位置，也可设置在气体绝缘开关装置的喷气式断路器的喷口上。

所述喷入的气体O₂在高温中，一方面由于O₂的存在，使得化学反应向抑制碳的产生的方向发生，另一方面O₂会与产生的碳发生反应，生成如CO₂，CO等物质，抑制固体碳微粒的产生。

所述喷入的气体H₂在高温中，一方面由于H₂的存在，使得化学反应向抑制碳的产生的方向发生，另一方面H₂会与产生的碳发生反应，生成如CH₄等物质，抑制固体碳微粒的产生。

所述喷入的气体SF₆在高温中，一方面由于SF₆电离产生的氟离子的存在，使得化学反应向抑制碳的产生的方向发生，另一方面SF₆电离产生的氟离子会与产生的碳发生反应，生成如CF₄等物质，抑制固体碳微粒的产生。

所述喷入的气体干燥空气在高温中，反应机理与O₂类似。

本发明具有以下效果，根据本发明，可以提供一种低温室效应绝缘气体的气体绝缘开关装置，同时具有优良的性能和质量。

附图说明

图1为本发明实施例的主要部分的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明氟碳混合气体绝缘开关装置实施例的主要部分剖视图。如图1所示，该氟碳混合气体绝缘开关装置处于断开状态。所述的氟碳混合气体绝缘开关装置，例如是72kV以上的高压输电系统的保护用开关装置，是喷口式气体断路器。如图1所示，在密封箱体1内充满氟碳混合气体，氟碳混合气体作为灭弧性气体11使用。具体而言，以体积比20%的c-C₄F₈和80%N₂的混合气体为例说明。所述混合气体由气体混合装置混合而成。在密封箱体1内，静触头4和动触头5对称布置，在静触头4和动触头5上分别设置有静弧触头3和动弧触头6。所述静弧触头3和动弧触头6在正常运行时处于导通状态，在断开动作时，通过轴向相对运动而分开，并在静弧触头3和动弧触头6之间的空间产生电弧10。在动触头5和动弧触头6一侧设置有压气缸8和活塞9。开断过程中活塞9与压气缸8产生相对运动，使得压气缸8内的灭弧气体11通过喷口7吹拂电弧10，从而使得电弧10在电流过零时熄灭。同时，在触头断开时，喷气控制单元13通过控制阀门16及流量计17控制向缓冲气喷口14流入的缓冲气体的流量及喷气时间。所述的喷气控制单元13安装在密封箱体1外部，并与密封箱体1绝缘，所述的喷气控制单元13通过信号线驱动控制阀门16及流量计17。所述控制阀门16及流量计17安装在缓冲气管路19上且位于密封箱体1外部，所述的缓冲气管路19为绝缘材料，一端通入密封箱体，另一端通入缓冲气体。在此对喷气方法做进一步说明，正常运行时控制阀门16处于关闭状态，在断开电流时，开断电流的电流信号同时输入喷气控制单元13，喷气控制单元13根据开断电流的大小，得到所需喷气量。而后在动弧触头6与静弧触头3断开时打开控制阀门16向电弧位置喷入缓冲气体，图1中所示为O₂气，也可以使H₂等，直至电弧10熄灭，关断控制阀门16。流量计17与控制阀门16配合使用，以保证喷气速度均匀。所述喷气量可按下述公式计算：

Q＝K·I²，式中Q为喷气量，I为开断电流值，K为流量系数，对于不同触头结构及不同混合气体比例有所不同，K可由实验测得。

所述喷气流速可按下述方式得到：按上述算式计算得到喷气量Q之后，根据断路器开断时间得到喷气流速。

所述缓冲气喷口14可以为一个或多个，缓冲气喷口14的安装位置可以是图1中所示的位置，即安装在动弧触头6的中心位置，也可安装在喷口7上。所述缓冲气喷口14的制作材料为能耐高温的聚四氟乙烯。

在密封箱体1内设置能够吸附水分和小分子气体的吸附剂2，所述吸附剂2为硅胶或氧化铝等。另外，由于氟碳混合气体在电弧下总会有一定的分解，为了确保设备长期正常运行，本发明设置了气体组分检测设备12，检测喷入的缓冲气体和氟碳气体在密封箱体1内的含量，如c-C₄F₈，O₂等的含量，保证每次喷入的缓冲气是适量的。同时气体组分检测设备12在氟碳气体组分含量较低时向外发出警报。维护人员可通过阀门18对密封箱体1进行充换气，充入需要的气体组分或者更换密封箱体1内的氟碳气体。所述阀门18安装在与密封箱体1相连的管路上。在检测组分时，通过气体组分检测设备12打开检测阀门15，使得气体流过气体组分检测设备12，而后通过管道返回密封容器1，开关装置在非动作运行时检测阀门15关闭。所述气体组分检测设备12安装在密封箱体1外部。

所述的缓冲气喷口的安装位置也可以根据需要设置在密封容器的不同位置。

本发明也可以应用于其他气体绝缘开关装置中。

Claims

1.一种基于碳沉积抑制技术的氟碳混合气体绝缘开关装置，其特征在于，所述的气体绝缘装置包括密封容器（1），所述的密封容器（1）内充满所述的灭弧性气体；所述的密封容器（1）内至少配置一对电极；通电时通过该电极导电，电流断开时，灭弧性气体熄灭电极间产生的电弧；所述的气体绝缘装置还包括安装在密封箱体（1）外部的喷气控制单元（13），喷气控制单元（13）与密封箱体（1）绝缘；所述的喷气控制单元（13）控制向所述气体绝缘装置的电弧位置喷入缓冲气体。

2.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的灭弧性气体是含有碳元素的氟碳气体。

3.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的缓冲气体为O₂、SF₆、H₂或干燥空气中的一种。

4.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的气体绝缘开关装置的动弧触头中心位置设置缓冲气喷口（14），所述的缓冲气喷口（14）或者设置在气体绝缘开关装置的喷口（7）上；所述缓冲气喷口（14）的制作材料为聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的密封箱体（1）一端连接有缓冲气管路（19），所述的缓冲气管路（19）的另一端通缓冲气体；所述的缓冲气管路（19）上安装有控制阀门（16）及流量计(17)；所述的喷气控制单元13通过信号线驱动控制阀门（16）及流量计（17），控制向缓冲气喷口（14）流入的缓冲气体的流量及喷气时间。

6.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的气体绝缘开关装置设置了安装在密封箱体（1）外部的气体组分检测设备（12）；气体组分检测设备（12）通过检测阀门（15）检测密封容器内灭弧性气体的组分；检测密封箱体（1）内的气体组分时，检测阀门（15）开启，灭弧性气体流过气体组分检测设备（12），而后通过管道返回密封容器（1）。

7.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的气体绝缘开关装置配置了换充气系统，当气体组分检测设备（12）检测到密封箱体（1）内的氟碳气体含量低于要求时，控制阀门（18）充入需要的气体组分或者更换密封箱体（1）内的氟碳气体。

8.根据权利要求1所述的混合气体绝缘开关装置，其特征在于：所述的密封箱体（1）内设置有能够吸附水分和小分子气体的吸附剂（2），所述吸附剂（2）为硅胶或氧化铝。