CN103314491B - 用于分断中压或高压电流的开关装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分断中压或高压电流的开关装置，该开关装置包含气密外壳，在该气密外壳内存在电气组件以及用于熄灭可能在所述外壳中产生的电弧的气体介质，并且该开关装置的特征在于：所述气体介质包含至少一种单独的或与不形成氟酮族的部分的气体形成混合物的氟酮；所述氟酮部分以液态，部分以气态存在于所述外壳内；并且在于所述外壳进一步包含用于吸收所述氟酮经受电弧而电离后形成的分子物质的装置。本发明也涉及制备所述开关装置的方法。

Description

用于分断中压或高压电流的开关装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于分断中压或高压电流的开关装置(也称为连接器/断路器)，其中，可能产生的电弧通过气体介质熄灭，所述气体介质的灭弧特性可媲美或甚至超过六氟化硫(SF6)，而对环境具有很小或没有影响。
本发明还涉及所述的开关装置的制造方法。
在本文中，术语“中压”和“高压”是以惯例上可接受的方式，即，术语“中压”指的是交流(AC)大于1000伏(V)或直流(DC)大于1500伏，但是交流不超过52,000V或DC不超过75,000V的电压，而术语“高压”指的是严格大于52,000V的交流电压和75,000V的直流电压。
本发明的用于分断电流的开关装置特别地指断流器、开关、结合开关与熔断器的装置、断路器、接地开关或接触器。
现有技术
分段断中压或高压电流的开关装置中，通常通过如下方式分断电流，即分离电触点，和在所述触点之间形成电弧，使用电介质流体喷射到所述电弧上，从而使得能够冷却所述电弧并使之熄灭。
目前，开关装置中最常使用的电介质流体是一种气体，即SF6。
这种气体具有比较高的介电强度，良好的导热性，低介电损耗。此外，它是化学惰性的，不可燃，对人类和动物无毒，并且其价格仍是适度的。
另一个优势在于，当气体被电弧电离成等离子状态时，形成分子物质和离子物质，迅速且几乎完全地重组，一旦所述电弧已熄灭，重组为SF6。其结果是，随着时间的推移，以气态存在于所述开关装置的初始SF6的量保持稳定或准稳定。
然而，SF6的主要缺点是其具有23,900的全球变暖潜值(GWP)(相对于CO2的超过100年)和3200年的在空气中消耗掉的周期，因为这个原因，它被列入“京都议定书”(1997)中需要限制排放的气体列表中。
不幸的是，最好的限制SF6气体排放量的方式一般也是限制其使用，特别在开关装置中的使用。
为了限制SF6气体对环境的影响也曾使用氮气和SF6的混合物。添加例如10%至20%(体积)的SF6，使得可以显着提高氮的介电强度，对于AC(50赫兹(Hz))，其约为SF6的三分之一。
然而，由于SF6的高GWP，这些混合物的GWP仍然非常高。因此，例如，体积比为10/90的SF6气体和氮气的混合物中，仍存在的GWP值为8650。
这样的混合物也因此不应被认为是具有低环境影响的气体介质。
这同样适用于通常呈现有利介电性能、但GWP值通常范围为5000至10,000(CF4为6500，C3F8和C4F10为7000，c-C4F8为8700，C2F6为9200)的全氟化碳。
最近，提出使用三氟碘甲烷(CF3I)取代SF6(Nakauchietal.,XVIInternationalConferenceonGasDischargeandtheirApplications,China,September11-15,2006,[1])。CF3I的介电强度大于SF6气体且既适用于均匀电场和非均匀电场，全球变暖潜值小于5并且空气中消耗周期为0.005年。
不幸的是，CF3I很昂贵，除此之外，它的平均职业接触限值(OEL)范围在3至4个百万分之一(PPM)之间，且被列为致癌，致突变和生殖毒性(CMR)类别3物质，这用于工业规模是不可接受的。
此外，其中使用油熄灭电弧的开关装置具有如果发生非分断或内部故障时爆炸的主要缺点。
使用环境空气熄灭电弧的开关装置通常尺寸大，昂贵，并且对环境(湿气，污染)敏感，而具有真空断流器的开关装置，特别是断路型开关装置，是非常昂贵的，并作为结果，在市场上不是很常见。
鉴于上述情况，因此，本发明人等寻求提供用于分断中压或高压电流的开关装置，其中可能产生的电弧由电介质流体熄灭，其对环境有很小或没有影响，同时具有可媲美甚至高于SF6气体的灭弧能力。
还寻求提供一种对人类和动物无毒的电介质流体。
还寻求提供成本与工业规模制造开关装置相适合的电介质流体。
发明概要
本发明的这些目标以及其他目标的实现是通过提供，首先，一种用于分断中压或高压电流的开关装置，该开关装置包括其中可以存在电气元件以及用于熄灭可能在所述外壳中产生的电弧的气体介质的气密(leaktight)外壳，并且该开关装置的特征在于：
-所述气体介质包括至少一种氟酮，其是单独的，或是在与至少一种不形成该氟酮族的部分的气体的混合物中;
-存在于所述外壳中的所述氟酮部分是液态，部分是气态；和在于
-所述外壳进一步包括用于吸收电弧放电过程中所述氟酮电离之后形成的分子物质的装置。
发明人在这些工作中发现，所述氟酮，其没有毒性，并因为其包含的酮基-C=O的双键表现出的对紫外线的敏感性而在大气中非常快速地降解，并且，其结果是，具有接近1的GWP，表现出气态下特别有利的灭弧性能，并且，因此，非常有利地适用于在分断电流的开关装置中取代SF6。
然而发明人还发现，在等离子状态电离后，所述氟酮并不呈现出容量重构，如类似于SF6所呈现的容量的方式，并且因此，最初以气态存在于开关装置内部的、用于切断电流的氟化酮的数量，随着所述开关装置开关次数的增加而减少。
因此，为了克服该附加问题，本发明提供：
-首先，在所述开关装置的外壳中置入气态氟酮“源”，所述源由以液态存在于所述外壳中的氟酮部分表示，并且，在因所述氟酮在由电弧电离后不能重组而形成所述电弧后，所述外壳中的以气态存在的氟酮部分的分压降低时，其将会部分蒸发以形成气态氟酮；并且
-其次，捕集所述氟酮电离后形成的分子物质使得所述物质的形成不会导致存在于所述外壳中的总气压过分增加，并且因此，不会导致所述外壳中以气体存在的所述氟酮部分的过分降低。
根据本发明，所述氟酮优选具有碳原子的总数为3～8个的氟酮，所述的氟酮可能包括一个或多个酮官能。
此外，所述氟酮优选选自满足经验公式CnF2nO的氟酮，其中n是取值为3至8的整数。
实践中，所述的氟酮是：
-具有经验式C3F6O和半结构式CF3-CO-CF3的氟酮，其在下面将简单地称为C3K；
-具有经验式C4F8O和半结构式CF3-CO-CF2-CF3的氟酮，其简单地在下面被称为C4K；
-具有经验式C5F10O和半结构式CF3-CO-CF-(CF3)2的氟酮，其简单地在下面被称为C5K；
-具有经验式C6F12O和半结构式CF3-CF2-CO-CF-(CF3)2的氟酮，其简单地在下面被称为C6K；
-具有经验式C7F14O和半结构式CF3-CF2-CF2-CO-CF2-CF2-CF3,CF3-CF2-CF2-CO-CF(CF3)2和(CF3)2-CF-CO-CF-(CF3)2的氟酮，其简单地在下面被称为C7K；
-具有经验式C8F16O和半结构式CF3-CF2-CF2-CF2-CO-CF2-CF2-CF3,CF3-CF2-CF2-CF2-CO-CF-(CF3)2和(CF3)2-CF-CF2-CO-CF-(CF3)2的氟酮，其简单地在下面被称为C8K。
所述不形成氟酮族部分的气体优选选自呈现下述特征的气体，所述的特征是，首先，非常低的沸腾温度，即在标准压力下通常等于或低于-50℃，并且，第二，在试验条件(相同的开关装置，相同的几何配置，相同的操作参数，...)下至少等于二氧化碳所呈现的介电强度，所述试验条件与目的在于测量所述气体的介电强度所用的条件严格相同。
此外，所述气体优选无毒的，即不属于欧洲议会和委员会于2008年12月16日的(EC)No.1272/2008号规定中认为是致癌，致突变和/或有再现毒性的物质，并且，此外，其优选具有低的GWP，即通常等于或小于500，更优选地，等于或小于10。
呈现该设定特性的气体例如空气(GWP为0)，氮气(GWP为0)，氦气(GWP为0)，二氧化碳(GWP1)，氧气(GWP为0)，一氧化二氮(GWP为310)。
因此，适用于本发明开关装置的气体介质特别地由一种或多种上述的氟代酮以及选自空气、氮气、氧气、氦气、二氧化碳和一氧化二氮中的一种或多种气体组成的混合物构成，如：C8K/空气，C8K/N2，C8K/O2，C8K/CO2，C7K/空气，C7K/N2，C7K/O2，C7K/CO2，C6K/空气，C6K/N2，C6K/O2，C6K/CO2，C5K/空气，C5K/N2，C5K/O2，C5K/CO2，C3K/C8K/空气，C3K/C8K/N2，C3K/C8K/O2，C3K/C8K/CO2，C3K/C7K/空气，C3K/C7K/N2，C3K/C7K/O2，C3K/C7K/CO2，C3K/C6K/空气，C3K/C6K/N2，C3K/C6K/O2，C3K/C6K/CO2，C4K/C6K/空气，C4K/C6K/N2，C4K/C6K/O2，C4K/C6K/CO2，C5K/C6K/空气，C5K/C6K/N2，C5K/C6K/O2，C5K/C6K/CO2，C3K/C5K/C6K/空气，C3K/C5K/C6K/N2，C3K/C5K/C6K/O2，C3K/C5K/C6K/CO2，C4K/C5K/C6K/空气，C4K/C5K/C6K/N2，C4K/C5K/C6K/O2，C4K/C5K/C6K/CO2，C6K/空气/N2，C6K/空气/CO2，C6K/空气/N2O，C4K/C5K/N2/O2，C4K/C5K/He/O2，C4K/C5K/CO2/O2，C4K/C5K/N2O/O2，C4K/C5K/空气/N2，C4K/C5K/空气/He，C4K/C5K/空气/CO2，C4K/C5K/空气/N2O，C4K/C6K/N2/O2，C4K/C6K/He/O2，C4K/C6K/CO2/O2，C4K/C6K/N2O/O2，C4K/C6K/空气/N2，C4K/C6K/空气/He，C4K/C6K/空气/CO2，C4K/C6K/空气/N2O，C5K/C6K/N2/O2，C5K/C6K/He/O2，C5K/C6K/CO2/O2，C5K/C6K/N2O/O2，C5K/C6K/空气/N2，C5K/C6K/空气/He，C5K/C6K/空气/CO2，C5K/C6K/空气/N2O，等等，应当理解，可是设想所述氟酮和所述气体之间的所有组合。
这些混合物的总全球变暖潜值近似的与其每个组分的分压成比例，所述分压与每个组分的体积百分数有关。
在所述气体介质中，特别优选的是那些由C4K，C5K，C6K，和/或C7K以及选自氮气，空气和二氧化碳中的一种或多种气体的混合物所构成的。
在任何情况下，气体介质中的所述氟酮或各种氟酮的总量表示为所述介质的总体积的至少1%(体积)，并可能达到100%(体积)，随着所用的氟酮，所述开关装置的额定电压，和所述开关装置必须满足的技术条件而变。
因此，例如，高压开关装置中的氟酮的体积比例通常的取值范围为3%至40%，而中压开关装置一般都较高，典型的范围为3%至100%。
在等离子状态电离氟酮导致形成比氟酮分子质量更小的，因此，尺寸更小的分子。因此，用于吸收氟酮在电弧期间电离后形成所述分子物质的装置优选由一个或多个设备组成，所述设备包括一种固体和能够吸收并且能够在其孔中保持那些分子尺寸比所述氟酮小的分子的多孔材料。特别的，这样的材料可以是活性氧化铝，活性炭，分子筛碳(MSC)，或沸石。
本发明还提供了一种制备如上所述的用于分断中压或高压电流的开关装置的方法，该方法包括填充至少一种氟酮到气密外壳的步骤，其中，该气密外壳内存在电气元件，所述氟酮为单独的，或呈与至少一种不形成氟酮族的部分的气体的混合物的形式，其特征在于：所述填充步骤依次包括：
-在所述外壳中形成局部真空;
-加热所述外壳到温度θ1，其大于使用所述开关装置的最高温度；
-以气态向所述外壳中注入所述氟酮直到所述外壳中的所述氟酮的压力达到温度θ1时的饱和蒸气压和使用所述开关装置的最大温度时的饱和蒸气压之间的范围;
-将该外壳冷却到温度θ2，其小于使用所述开关装置的最高温度；和，可能地
-向所述外壳中注入不形成所述氟酮族的部分的气体，直到外壳内达到预定的总(或绝对)压力。
通过阅读与使用本发明的方法制备的用于分断中压或高压电流的开关装置的实施方式相关的附加说明，可以更好地理解本发明。
然而，当然，这个附加说明只是本发明的说明性的例子，并不以任何方式对本发明构成限制。
本发明的开关装置的一个实施方式的详细描述
本实施例涉及制造开关装置，该开关装置设计为使用时壁面温度不超过80℃，并在其中规定，通过由体积比为10/90的C6K和二氧化碳所构成的气体介质灭弧。
在已知的方式中，该开关装置包括一个容积为10升(L)的封闭的外壳，和容纳在所述外壳内的一定数量的电气元件。适合于吸收由C6K电离后形成的分子物质的装置也被安置在所述外壳中，例如，由CECA销售的SiliporiteTM沸石。
为了向外壳中填充C6K和CO2，首先，在所述外壳中形成真空，直到所述外壳内残余压力达到0.1千帕(10-3巴)。
接着，加热所述外壳，以提高其内部温度到40℃。
保持内部温度在所述值，通过压差向所述外壳中注入C6K，直到外壳中的C6K的压力为73千帕(0.73巴)，所述C6K已被加热到高于其沸点(常压下为49℃)的温度下，所以，其是气态的。
停止加热所述外壳，并使其内部温度降回至20℃。
所述外壳中的C6K的压力因而下降到33千帕(0.33巴)，并且如下表1所示，其中显示了作为温度的函数的C6K饱和蒸气压(SVP)值，这对应于所述氟酮在20℃温度的SVP，对应于剩下的40千帕的氟酮因而进入液态中。
然后注入CO2到外壳中，直至外壳内总压力为330千帕(3.3巴)。
C6K在0℃和101.32千帕(1大气压)下的摩尔体积是22.4升/摩尔并且相对分子质量为316g/mol。因此，有可能确定外壳内存在于液态中的C6K的体积，即53.3克，在20℃下为33毫升。
在20℃时，以这种方式获得的开关装置外壳因此包含总压力为330千帕(3.3巴)的气体介质，该气体介质由体积比为10/90的C6K和二氧化碳的混合物构成，并且其中，C6K的分压为33千帕(0.33巴)，以及33毫升的C6K处于液态。
这种气态介质适于作为灭弧介质使用。
当形成电弧时，一部分的C6K，该C6K在外壳内以气态存在，断裂成为比C6K分子质量更小的分子物质，因此，也尺寸更小。这样做的效果是使外壳内的总压力提高，同时降低C6K的分压至低于其SVP。
以这种方式形成的分子被分子筛捕获，一部分以液态存在的C6K进入气相，这样的效果是使C6K的分压回到等于其SVP的值(即33千帕，或20℃时0.33巴)，体积比C6K/CO2回到其原始值。
采用这种机制，体积比C6K/CO2可以稳定或准稳定，对于给定的温度，与所述开关装置执行的数量无关。
表1
温度 SVP
20℃ 33kPa(0.33巴)
30℃ 50kPa(0.50巴)
40℃ 73kPa(0.73巴)
50℃ 104kPa(1.04巴)
60℃ 145kPa(1.45巴)
70℃ 197kPa(1.97巴)
80℃ 262kPa(2.62巴)
90℃ 343kPa(3.43巴)
100℃ 442kPa(4.42巴)
参考文献
[1]Nakauchietal.,InternationalConferenceonGasDischargeandtheirApplications,China,September11-15,2006.

Claims (11)

1.用于分断中压或高压电流的开关装置，该开关装置包含气密外壳，在该气密外壳内存在电气组件以及用于熄灭可能在所述外壳内产生的电弧的气体介质，且该开关装置的特征在于：
-所述气体介质包含至少一种氟酮，其是单独地或与至少一种不形成氟酮族的部分的气体形成的混合物；
-所述氟酮在所述外壳内，部分以液态并且部分以气态存在；
还在于
-所述外壳进一步包括用于吸收所述氟酮在经受电弧期间电离后形成的分子物质的装置。
2.根据权利要求1的开关装置，其特征在于所述氟酮选自总碳原子数在3-8之间的氟酮，且具有一个或多个酮官能团。
3.根据权利要求2的开关装置，其特征在于所述氟酮选自满足经验公式CnF2nO的氟酮，其中n为3-8之间的整数。
4.根据权利要求3的开关装置，其中，所述氟酮选自满足下述半结构式的氟酮：
CF3-CO-CF3
CF3-CO-CF2-CF3
CF3-CO-CF-(CF3)2
CF3-CF2-CO-CF-(CF3)2
CF3-CF2-CF2-CO-CF2-CF2-CF3
CF3-CF2-CF2-CO-CF-(CF3)2
(CF3)2-CF-CO-CF-(CF3)2
CF3-CF2-CF2-CF2-CO-CF2-CF2-CF3
CF3-CF2-CF2-CF2-CO-CF-(CF3)2；和
(CF3)2-CF-CF2-CO-CF-(CF3)2。
5.根据权利要求1的开关装置，其特征在于所述不形成氟酮族的部分的气体选自空气、氮气、氧气、氦气、二氧化碳和一氧化二氮中的一种或多种。
6.根据权利要求4的开关装置，其特征在于所述气体介质由下述的混合物组成：
一种或多种选自满足下述半结构式的氟酮
CF3-CO-CF3
CF3-CO-CF2-CF3
CF3-CO-CF-(CF3)2
CF3-CF2-CO-CF-(CF3)2
CF3-CF2-CF2-CO-CF2-CF2-CF3
CF3-CF2-CF2-CO-CF-(CF3)2
(CF3)2-CF-CO-CF-(CF3)2；和
一种或多种选自氮气、空气和二氧化碳的气体。
7.根据权利要求1～6中任一项的开关装置，其特征在于存在于气体介质中的所述氟酮的量或几种氟酮的总量是所述介质的总体积的至少1％体积。
8.根据权利要求1～6中任一项的开关装置，其特征在于用于吸收所述分子物质的装置由一种或多种包含活性氧化铝、活性炭、分子筛碳或沸石的设备组成。
9.根据权利要求1～6中任一项的开关装置，其特征在于其是变压器、用于电传输或电分配的线、一组导电条、断流器、开关、断路器、结合开关与熔断器的单元、接地开关或接触器。
10.制备根据权利要求1-9中任一项的用于分断中压或高压电流的开关装置的方法，该方法包括填充至少一种氟酮到气密外壳的步骤，其中，该气密外壳内存在电气元件，所述氟酮单独地填充，其特征在于：所述填充步骤依次包括：
-在所述外壳中形成部分真空；
-加热所述外壳到温度θ1，其大于使用所述开关装置的最高温度；
-以气体状态向所述外壳中注入所述氟酮直到所述外壳中的所述氟酮的压力达到温度θ1时的饱和蒸气压和使用所述开关装置的最大温度时的饱和蒸气压之间的范围；和
-冷却所述外壳到温度θ2，其小于使用所述开关装置的最高温度。
11.制备根据权利要求1-9中任一项的用于分断中压或高压电流的开关装置的方法，该方法包括填充至少一种氟酮到气密外壳的步骤，其中，该气密外壳内存在电气元件，所述氟酮以与至少一种不形成氟酮族的部分的气体的混合物的形式填充，其特征在于：所述填充步骤依次包括：
-在所述外壳中形成部分真空；
-加热所述外壳到温度θ1，其大于使用所述开关装置的最高温度；
-以气体状态向所述外壳中注入所述氟酮直到所述外壳中的所述氟酮的压力达到温度θ1时的饱和蒸气压和使用所述开关装置的最大温度时的饱和蒸气压之间的范围；
-冷却所述外壳到温度θ2，其小于使用所述开关装置的最高温度；和
-向所述外壳中注入不形成所述氟酮族的部分的气体，直到外壳内达到预定的总压力。
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