CN103782350B - 包括氢氟烯烃、作为中压灭弧和/或绝缘气体的混合物的应用以及包括混合物的中压电气设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合物的应用,该混合物包括氢氟烯烃,可选地与稀释气体结合,作为中压电气设备中的灭弧和/或电绝缘气体介质。本发明还涉及一种中压电气设备,其中,通过包括氢氟烯烃,优选地与稀释气体结合,的气体介质提供灭弧和/或电绝缘。
Description
技术领域
本发明涉及中压设备中的电绝缘和电弧熄灭领域。
准确来说,本发明涉及混合物的应用,该混合物包括特定的烯烃,也就是包括三个碳原子的氢氟烯烃,作为配电电气设备(substation electrical device)以及尤其是中压设备中的绝缘气体和/或灭弧气体。该氢氟烯烃可与另一种氢氟烯烃或稀释气体混合使用,所述另一种氢氟烯烃或稀释气体的全球变暖潜能值低于该氢氟烯烃自身的潜能值,并且特别是小于或者等于1。
本发明还涉及配电中压电气设备,其中,电绝缘和/或电弧熄灭通过包含至少一种氢氟烯烃的气体介质实现,该化合物在存在于气体介质中的气体中具有最高全球气体变暖潜能值。
这种电气设备具体可以是变压器,比如电源变压器或者测量变压器、用于电力传输和配电的气体绝缘线路、一组汇流排或者电气连接/断开装置(也称为开关设备),例如断路器、开关、将开关与保险丝结合的单元、切断开关、接地开关或触点。
背景技术
在上下文中,术语“中压”(MV)和“高压”(HV)以其习惯性接收范围使用,也就是说,术语“中压”意指的电压是:超过1000伏特但不超过52000伏特的交流电,以及超过1500伏特但不超过75000伏特的直流电,而术语“高压”指严格超过52000伏特的交流电和超过75000伏特的直流电。
在中压或高压电气设备中,电绝缘和可能的电弧熄灭通常由封闭在设备中壳体内的气体来实现。目前,最常用的气体是六氟化硫(SF6):该气体具有相对高的介电强度、良好的热导性以及低介电损耗。该气体在化学上呈惰性,并且对人和动物无毒性,在被电弧分解之后,其迅速且几乎完全地重新结合。该气体还是不易燃的,且其价格也还适中。
但是,SF6的主要缺点在于,其全球变暖潜能值(GWP)为22800(相对CO2,超过100年),并且在大气中的停留时间为3200年,这使其成为具有强全球温室效应的气体中的一员。因此,SF6被包括在京都议定书(1997)中,在必须限制排放的气体名单上。
最好的限制SF6排放的方法是限制该气体的使用,这使得制造商寻求SF6的替代品。实际上,其它解决方案,例如将气体绝缘与固体绝缘结合的混合系统(EP-A-1 724802),相比使用SF6绝缘的体积增加了电气设备的体积;在油或者真空中的断路使得有必要重新设计设备。
已知的介质气体:参见例如WO-A-2008/073790。但是,对环境无害的诸如空气或氮气等所谓的“简单”气体,其介电强度比SF6低很多;将该气体用于中压/高压设备的电绝缘/电弧熄灭,将需要大大增加这些设备的体积和/或填充压力,这与过去几十年所做出的研发紧凑的和较不庞大的电气设备的努力相悖。
全氟化碳(CnF2n+2,c-C4F8)总体上具有吸引人的介电强度性能,但是其GWP通常在5000至10000的范围内。具有合适的介电特征和GWP的其它替代物,例如三氟碘甲烷(CF3l),被归类在目录3的致癌物、诱导有机体突变的物质、以及生殖毒性物质中,这使得其以工业规模使用是无法接受的。
SF6和诸如氮气或者二氧化氮等其它气体的混合物被用于限制SF6对环境的影响;参见例如WO-A-2009/049144。然而,由于SF6的全球变暖潜能值高,这些混合物的全球变暖潜能值仍旧非常高。于是,例如SF6和氮气以10:90的体积比的混合物在交流电(50Hz)中的介电强度相当于SF6的介电强度的59%,但是其全球变暖潜能值在8000至8650的量级。因此,这种混合物不能作为具有低环境影响的气体使用。
因此,只有具有高GWP的混合物在低温下才具有类似于SF6的介电强度;所有现有技术中已知的具有低GWP的混合物相应于最低操作温度可用来达到SF6设备性能的不足80%的,但是具体是通过增加气体压力、添加介电致偏器(dielectric deflector)以及通过用绝缘层涂敷某些部件来实现,考虑到更长的绝缘距离和可能增加的特殊装置,例如筛、致偏器或者覆层,这需要重新设计中压或高压设备。
发明者为自身设定的目标是:找到一种气体,既具有良好的电绝缘和电弧熄灭性能,又对环境具有较低影响或者没有影响。研究使得他们寻找新的一族气体,该气体可以用在目前市场的中压和高压电气设备中,以取代这些设备通常所填充的SF6,贯穿这些设备的全部操作温度范围且尤其是在非常低的温度下。
发明内容
本发明首先通过提供一种混合物作为在中压设备中用于电绝缘和/或电弧熄灭的气体介质来实现这些目的和其它目的,该混合物包括至少一种氢氟烯烃。
所使用的氢氟烯烃是具有含三个碳元素的碳链的烯烃,优选的是C3H2F4类型的,其无毒性、无腐蚀性、不具有爆炸性,ODP(消耗臭氧潜能值)等于0,GWP低于20或者甚至低于10,且具有的介电性能使其适于取代SF6作为中压配电电气设备中的绝缘气体和/或灭弧气体。
根据本发明,混合物构造成使得一旦混合物被封闭在电气设备中,其组分在混合物所经受的温度和压力条件下保持气体状态下。氢氟烯烃可以与至少一种同样形式的其他氢氟烯烃混合使用。但是,该氢氟烯烃将通常作为与至少一种不属于其家族的其它气体的混合物加以使用,尤其是如果该(该些)氢氟烯烃的沸点使得其不能保证它(它们)保持在气体状态。
在此情况下,根据本发明,混合物中所用的其它气体相比氢氟烯烃具有更低的全球变暖潜能值;载体气体(vector gas)或者稀释气体或者缓冲气体优选地具有非常低的沸点,也就是在标准压力下通常低于或者等于-50℃,以及至少等于氮气或者二氧化碳的介电强度的介电强度。优选地,该氢氟烯烃与诸如氮气、空气(优选为干空气)、氧气、二氧化碳或者这些气体的混合物等气体混合。气态介质的总全球变暖潜能值与其每种组分的分压力有关,并因此低于10或20,优选地低于5。
根据本发明,氢氟烯烃以至少等于由公式M=(PHFO/Pmixture)x100确定的摩尔百分比M的95%(换句话说,至少等于该摩尔百分比M的0.95倍)的摩尔百分比MHFO存在于混合物中,其中,Pmixture是在20℃时电气设备中的混合物的压力,而PHFO是用相同单位表示的、在20℃时等同于氢氟烯烃在电气设备的最低操作温度时的饱和蒸汽压的压力。实际上,PHFO由PHFO=(PVSHFOx293)/Tmin确定,其中,PVSHFO表示氢氟烯烃在以开式绝对温度表示的电气设备所使用的最低温度Tmin下的饱和蒸汽压力。因此,混合物的介电性能尽可能地高,并且几乎等于SF6的介电性能。在优选的实施方式中,该最低操作温度Tmin选自0、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40、-45和-50℃。
在电气设备是中压设备的情况下,介质部分地以液体状态存在不会引起任何常态问题。因此,可以使用氢氟烯烃以高于摩尔百分比M的摩尔百分比MHFO存在的混合物。优选地,氢氟烯烃的摩尔百分比MHFO介于摩尔百分比M的95%和130%之间,更好地在95%和120%之间,而理想地在99%和110%之间。换句话说,混合物中存在的氢氟烯烃的摩尔百分比介于摩尔百分比M的0.95倍和1.3倍之间,更好地是在0.95倍和1.2倍之间,理想情况是在0.99倍和1.1倍之间。
在电力设备是中压或者高压的金属包盖的配电型设备的情况下,希望的是,在该装置的整个操作温度范围内,混合物应该仅只地或者差不多仅只地呈气体状态,使得其能够满足现行的IEC标准。因此,优选地,氢氟烯烃应该以不超过摩尔百分比M的100%(换句话说,不超过1该摩尔百分比M的一倍)的摩尔百分比MHFO存在,使得氢氟烯烃不会具有液化相。优选地,氢氟烯烃的摩尔百分比MHFO在摩尔百分比M的98%和100%之间(换句话说,该摩尔百分比M的0.98倍与1倍之间)。
本发明的另一个目的是提供一种包括密封壳体的中压电气设备,在所述壳体中,电气部件配设在一起,壳体中具有提供电绝缘和/或灭弧的气态介质,所述气体介质由具有至少一种氢氟烯烃的混合物组成。该混合物特征就其用途而言用途如上所述。
根据本发明,电气设备可以是气体绝缘变压器,例如配电变压器或者测量变压器。该电气设备也可以是地上或地下的气体绝缘线路,或者一组用于传输或分配电力的母线。最后,该电气设备也可以是电连接/断开装置(也称为开关设备),例如断路器、开关、切断开关、将开关与保险丝组合的单元、接地开关或接触器。
附图说明
从随后对本发明的特定实施例的描述中,其它的优点和特征将变得更清晰,所述特定实施例用于进行说明,而不是限制性的,并且体现在附图中。
图1示出作为温度函数的两种HFO的饱和蒸汽压。
图2是曲线图,示出作为混合物中HFO的摩尔百分比的函数的HFO-1234ze和N2的混合物的标称介电强度的变化。
图3示出用根据本发明的混合物在其中进行介电强度测试的装置。
图4以柱状图的形式示出作为混合物中HFO-1234ze的摩尔百分比的函数的、HFO-1234ze和N2的混合物的介电强度的变化。
具体实施方式
本发明基于使用具有至少三个碳原子的氢氟烯烃(HFO),具有或者不具有稀释气体(dilution gas)(“缓冲(buffer)”气体例如N2、CO2、空气等);HFO是被氟取代的烯烃,分子式为Cn(H,F)2n。特别是,所用的HFO包括三个碳原子;它们是不易燃的,且它们的GWP小于10。
特别是,满足公式CHF=CH-CF3的氢氟烯烃HFO-1234ze或者反式-1,3,3,3-四氟-1-丙烯被用于下述的比较示例中。它的环境影响为GWP=6,并且对人体无毒性,职业接触限值(在每周五天每天工作8小时的情况下,多数工人通常暴露其下而不会受到任何有毒影响的平均极限浓度)OEL=1000ppm,引起动物种群50%死亡的致命剂量DL50为超过200000ppm。然而,在大部分非常低温应用场合(-30℃,或者甚至-40℃),HFO在象氮气这样的中性载体气体(neutral vector gas)中稀释,有时稀释至小于20%;因此该混合物是无毒性的。
根据本发明的一个优选的实施方式,无论电气设备的操作温度如何,HFO总是以气体形式使用。因此,其分压应该小于或者等于其在最低温度下的饱和蒸汽压(SVP)。但是,由于设备通常在常温下进行填充,因此使用例如20℃下的等效压力PHFO,以获得遵循根据本发明建议的结果。表I因而给出了HFO-1234ze作为温度的函数的压力值(也可参加图1)。
温度(℃) | 估测的SVP(kPa) | 20℃下的PHFO |
0℃ | 220 | 236 |
-10℃ | 150 | 167 |
-20℃ | 100 | 116 |
-25℃ | 83 | 98 |
-30℃ | 66 | 80 |
-40℃ | 41 | 52 |
表I:HFO-1234ze的饱和蒸汽压
在绝缘介质和/或灭弧介质中的推荐的内部压力依赖于设备而变化。由于根据本发明的HFO在电力设备的最低温度下完全或者几乎完全呈气体形式,所以稀释气体或缓冲气体被添加以满足给定的填充压力条件。特别是,如果预计要在-20℃下使用必须填充至5bar(即500kPa)的类型的设备,则在常温下将1.16bar(即116kPa)下的HFO-1234ze与3.84bar(即384kPa)下的缓冲气体混合。
优选地,在与那些用于测试CO2或空气的介电强度相同的测试条件下(相同的设备、相同的几何结构、相同的操作参数等等),稀释气体具有大于或等于CO2或空气的介电强度的介电强度,以及非常低的沸点,低于或者等于设备的最低操作温度Tmin。此外,根据本发明,所使用的稀释气体是像空气或CO2那样的具有低GWP的气体:因此,在电气设备中用于绝缘和灭弧的气体介质的GWP小于或者等于参考HFO的GWP。优选地,使用GWP为0的稀释气体,氮气N2。
因此,为了确定用于填充的混合物的组成,确定电气设备的填充压力Pmixture。HFO中的等效摩尔百分比(equivalent molar percentage)M由公式M=(PHFO/Pmixture)x100给出,其中,PHFO是在相关温度(即,通常是对应于填充压力的填充温度)下等同于电气设备的最低操作温度Tmin下的HFO的饱和蒸汽压力SVP的压力(PHFO=(PVSHFOx293)/Tmin)。百分比M代表HFO的最大量,使得在壳体中没有液体存在。在某些情况下,必要的是,不应该超过临界值M以防止例如在中压下存在任何液体,有时在低温或极低温度下可以有一点液体,并且摩尔填充百分比(molar filling percentage)MHFO可以达到M的110%,甚至达到M的130%。此外,由于HFO比载体气体具有更好的介电强度,因此利用HFO来优化填充:因此,MHFO选为大于或等于摩尔百分比M的95%,并且优选地,MHFO≥0.98M,或者MHFO=0.99M。
实际上,纯HFO的介电强度类似于纯SF6的介电强度,优于稀释气体的介电强度。如图2所示,在GIS 145kV设备中、在50Hz交流电压下对HFO-1234ze自身或与氮气混合的HFO-1234ze的测量表明,根据本发明的混合物满足现有设备的使用条件。
特别是,已经发现,HFO自身或者与“中性的”稀释气体混合的HFO的介电强度满足所要求的条件。具体来说:
-在直通线上,在环氧树脂壳体1内部,在距离为d由铜镀银制成的半径为12mm的两个触点2之间,在常温下进行从相到地的雷电冲击(lightning surge)(1.2-50μs波)测试,如图3所示。表II给出的结果是:在一个非均匀的电场结构中,HFO-1234ze的介电强度等于SF6的介电强度。
-在循迹(tracking)中,在图3所示相同的壳体中,在常温下进行雷电冲击(1.2-50μs波)测试,其中,触点分隔距离为d=317mm。通过循迹引起触点2之间的放电开始的平均电场(Upeak/317mm)是814V/mm,该值仅比在相同压力下设备充满SF6的相同条件下测得的值小10%。
类似地,在类似于表III中所示的非均匀电场结构中,HFO-1234ze具有等同于SF6的局部放电耐抗性(partial discharge resistance);在与直通线上的介电强度测试相同的腔室中(图3,d=134mm),进行了局部放电耐抗性(电晕效应)对比测试。
表II:单独或混合的HFO-1234ze的介电强度
表III:单独或混合的HFO-1234ze的局部放电耐抗性
在AIS型设备上进行的温升耐抗性对比测试,在电触点(最热点)处测试630A RMS的恒电流流经其中的开关设备上的最大温升。如表IV所示,在用HFO-1234ze的基于三个测量点的平均值测得的温升与用SF6的测得的结果处于同一量级。
表IV:单独或混合的HFO的温升耐抗性
例如,具有少许氮气的氢氟烯烃HFO-1234ze将用于极冷设备(Tmin≤-40℃)中,添加物的量明确地作为电气设备的最低操作温度的函数进行确定。
更一般地,由于HFO-1234ze的含量相关于其饱和蒸汽压力,因此50Hz(U_50Hz)下不同HFO-1234ze/N2混合物(具有不同HFO含量)的介电强度可以针对从-30℃-0℃的不同最低温度进行确定:参见表V,给出了与SF6性能的对比,以证实满足使用条件。例如,对于将在-30℃的最低温度下使用的设备—在-30℃下HFO-1234ze的饱和蒸汽压为66kPa,这表示在20℃下测得的压力为80kPa,并且如果在该类型设备中的气体混合物的总压力是5bar绝对压力(也就是500kPa),那么HFO在氮气中的摩尔比将会是0.8/5,即16%。混合物的GWP是2的量级:摩尔比为16%且GWP=6的HFO-1234ze与氮气混合物极大地减少了对环境的影响。
表V:HFO-1234ze/N2混合物的特性
HFO自身或者与单纯空气或氮气类型稀释气体混合的HFO的性能证明可以构想出在现有设备中加以使用。特别是,在使用真空油泵产生真空之后,借助于气体混合器来控制HFO-1234ze和载体气体N2之间的比率,可对5bars的市售设备进行填充以在-30℃下使用,由于使用精密质量流量计,该比率在整个填充过程中保持恒定并且等于压力的16%;优选地,在设备中已经产生真空(0-0.1kPa)。
例如,可以是具有额定电压的145kV GIS类型设备,结构与Alstom Grid出售的采用B65标准且目前填充SF6的设备完全相同。然后,在具有符合标准IEC 62271-1的正波和负波的雷电冲击(1.2-50μs波)下,在常温下使填充有所公开的混合物的设备经受介电强度测试,如上所述。在工频下的介电强度达到296kV rms的量值,这相当于在相同压力下填充SF6的该设备的介电强度的65%,并意味着比在相同压力下填充干空气或氮气的相同设备的介电强度大68%。因此,该性能是相当能令人接受的,并且与其它具有低GWP的绝缘气体所获得的性能相比要好得多。
同时,其可以是中压设备,例如Schneider Electric出售的Fluokit M24+:该AIS类型的开关断连器可以填充HFO-1234ze(98kPa绝对压力)和N2(40kPa绝对压力)的混合物,并且可以在标准IEC 60265-1集TD1中所定义的条件下进行断路测试,以通过将HFO-1234ze断路时的性能与SF6的性能进行比较,来估测HFO-1234ze断路时的性能。为此,开关设备以类似于用SF6时测得的电弧次数(arc times)的电弧次数断开630A/12kV;逐渐增加电压和电流直到失效断路,展现出该设备在811A/16kV下的初步极限值(preliminary limits)(由于该新的混合物而没有任何防护和/或适配),感觉略微优于用SF6所获得的值。
还注意到,由于现有设备已经设置有无水硫酸钙(CaSO4)型分子筛,该分子筛吸收在断路期间产生的小分子,所以在会具有某些毒性的分子局部放电后气体的毒性不会增加。
此外,在寿命结束时或者在断路测试之后,采用使用压缩机和真空泵的传统回收技术来回收该气体。于是,使用仅只能俘获尺寸更小的缓冲气体的沸石,将氢氟烯烃HFO-1234ze与缓冲气体分离;或者,选择性的分离薄膜可以允许氮气通过而保留具有更高摩尔质量的HFO-1234ze;还可以考虑所有其它的选择方案。
混合物中氢氟烯烃的摩尔百分比对该混合物的介电强度的影响已经被均匀场中的补充介电强度测试证实,补充介电强度测试在一系列FluokitM24+型中压设备中、在常温下进行。
这些设备或是填充HFO-1234ze/氮气混合物,其中HFO-1234ze的摩尔百分比对不同设备是不同的,使得其分别等于HFO-1234ze的摩尔百分比M的53%、81%、100%和120%,以保证气态下的HFO-1234ze的比例在-25℃下最大;或是填充纯HFO-1234。
这些测试的结果在下面的表VI中给出,其中,用HFO-1234ze/氮气的混合物或者用纯HFO-1234获得的介电强度,以在相同温度下以及相应于在相同总压力下填充SF6的相同类型设备所获得的介电强度的百分比的形式表示。
表VI:HFO-1234ze的摩尔百分比对介电强度的影响
这些测试的结果还以柱状图的形式在图4中示出,其中:
-在横坐标上为HFO-1234ze的摩尔百分比,以摩尔百分比M的百分比示出;以及
-在纵坐标上是所获得的介电强度,以用SF6所获得的介电强度的百分比示出。
表VI和图4清楚地示出,一旦类似于HFO-1234ze的氢氟烯烃与诸如氮气的载体气体混合使用,那么希望的是,该氢氟烯烃应该以等于摩尔百分比M的至少95%的摩尔百分比存在于混合物中,如果要求实现类似于SF6的介电强度性能或者超过这些性能的话。
尽管上面所给的示例是以HFO-1234ze给出的,但是存在该气体的替代选择气体。特别是,可以使用满足化学式CH2=CF-CH3的同分异构物HFO-1234yf或者2,3,3,3-四氟-1-丙烯,考虑该气体特性的内在适应性:特别如图1所示,由于沸点为-30℃(与相应于HFO-1234ze的为-19℃相对比),因此相应于-30℃的相同操作温度,可以使用比HFO-1234ze多50%的HFO-1234yf。介电强度增加,因为对于给定的填充压力,增加HFO的量减少了缓冲气体的量,并且绝缘和灭弧性能依赖于该混合物。
因此,根据本发明的解决方案公开了具有低环境影响的气体或气体混合物(GWP比SF6绝缘少超过99.9%),与电气设备的最低操作温度兼容,并且具有类似于现有设备获得的介电、断路和热耗散特性。该气体自身或混合气体可以取代用于设备中的SF6,而无需修改或者只需稍微修改设备的设计;生产线可以保留,需要做的只是简单地替换该填充气体。
引用文献
EP-A-1724802
WO-A-2008/073790
WO-A-2009/049144
Claims (13)
1.一种混合物作为中压配电电气设备中的用于电绝缘和/或灭弧的气体介质的应用,所述混合物包括具有三个碳原子的氢氟烯烃,所述混合物的全球变暖潜能值(GWP)低于所述氢氟烯烃的全球变暖潜能值,
其中,氢氟烯烃以至少等于由公式M=(PHFO/Pmixture)x100确定的摩尔百分比M的95%的摩尔百分比(MHFO)存在于所述混合物中,其中,Pmixture是电气设备中混合物在20℃下的压力,而PHFO是在20℃下等同于氢氟烯烃在电气设备的最低操作温度(Tmin)下的饱和蒸汽压力(SVP)的压力。
2.如权利要求1所述的混合物的应用,其中,所述氢氟烯烃是反式-1,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)。
3.如权利要求1所述的混合物的应用,其中,所述氢氟烯烃是2,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的混合物的应用,其中,所述混合物还包括稀释气体。
5.如权利要求4所述的混合物的应用,其中,所述稀释气体是空气、氮气、氧气、二氧化碳或者它们的混合物。
6.如权利要求1所述的混合物的应用,其中,氢氟烯烃摩尔百分比(MHFO)在摩尔百分比M的99%到110%之间。
7.如权利要求1-3中任一项所述的混合物的应用,其中,所述最低温度(Tmin)是-50℃、-45℃、-40℃、-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃或0℃。
8.一种中压电气设备,包括密封的壳体,其中,各电气组件配设在一起,壳体中具有用于电绝缘和/或灭弧的气体介质,其特征在于,所述气体介质由包括具有三个碳原子的氢氟烯烃的混合物组成,所述气体介质的全球变暖潜能值(GWP)低于所述氢氟烯烃的全球变暖潜能值,并且其中,氢氟烯烃以至少等于由公式M=(PHFO/Pmixture)x100确定的摩尔百分比M的95%的摩尔百分比(MHFO)存在于所述混合物中,其中,Pmixture是电气设备中混合物在20℃下的压力,而PHFO是在20℃下等同于氢氟烯烃在电气设备的最低操作温度(Tmin)下的饱和蒸汽压力(SVP)的压力。
9.如权利要求8所述的电气设备,其中,氢氟烯烃是反式-1,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)或2,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)。
10.如权利要求8或9所述的电气设备,其中,所述混合物还包括稀释气体。
11.如权利要求10所述的电气设备,其中,所述稀释气体是空气、氮气、氧气、二氧化碳或者它们的混合物。
12.如权利要求8所述的电气设备,其中,氢氟烯烃摩尔百分比(MHFO)在摩尔百分比M的99%到110%之间。
13.如权利要求8-9中任一项所述的电气设备,其中,电气设备是气体绝缘变压器、用于传输或配电的气体绝缘线路、或者是电连接/断开设备。
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CN1613881A (zh) * | 2000-01-26 | 2005-05-11 | 三井化学株式会社 | 烯烃聚合物 |
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