CN104798274B - 具有低环境影响和混合绝缘的中压或高压电气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低环境影响的中压或高压电气设备，包括密封外壳，密封外壳中存在覆盖有可变厚度的固体介电层的电气部件和气体介质，气体介质用于提供电绝缘和/或用于消除在所述外壳中可能出现的电弧，并且气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈。

Description

具有低环境影响和混合绝缘的中压或高压电气设备
技术领域
本发明涉及中压或高压设备中、尤其是高压设备中的电绝缘和消电弧的领域。
更特别地，本发明涉及对中压或高压设备中具有低环境影响的混合绝缘的使用，中压或高压设备基于气体介质的组合，该气体介质包括与氮、氧、二氧化碳或空气等中性气体或者上述气体的混合物相混合的七氟异丁腈(heptafluoroisobutyronitrile)，该组合被用作用于电绝缘和/或用于消电弧的气体以及用于低介电常数(permittivité diélectrique)的固体绝缘，该固体绝缘被用在承受电场的导电部分上的小厚度或大厚度的层，该电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。因为绝缘层的厚度是电场的利用因数η的函数，该利用因数被定义为平均电场(U/d)与最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d)),所以该层对于接近0.3的利用因数是厚的，而对于接近0.9的利用因数是薄的。
本发明还涉及中压或高压设备，其中，由气体介质完成电消弧，该气体介质包括与氮、氧、二氧化碳或空气等中性气体或者上述气体的混合物相混合的七氟异丁腈，并且电绝缘由相同气体与低介电常数的固体绝缘相组合来提供，该固体绝缘被用在承受电场的导电部件上的小厚度或大厚度的层，该电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。尤其是，该设备可以是诸如功率变压器或测量变压器之类的变压器、用于输送或分配电力的气体绝缘传输线(GIL)、一组母线、甚至是电连接器/切断器(也被称为开关装置)，诸如断路器、开关、将开关与熔丝组合的单元、切断器、接地开关或者接触器。
背景技术
在中压或高压变电站设备中，电绝缘以及必要时的消电弧通常由限制在所 述设备内部的气体来实现。
当前，在该类型设备中使用最广泛的气体为六氟化硫(SF6)。实际上，该气体具有相对较高的介电强度、良好的热传导性、以及低介电损失。该气体是化学惰性的、对人类和动物无毒、并且在被电弧分离之后快速且近乎完全再结合。另外，该气体是非易燃的，并且气体的价格依然适度。
然而，SF6中的主要不足是具有22200的全球变暖潜势(Potentiel de Réchauffement Global，PRG或者Global Warming potential，GWP)(相对于CO2的超过100年)，并且在大气中存留超过3200年的时长，并且这将SF6置于具有强全球变暖能力的气体中。SF6因而包括在京都议定书(1997)的需要限制排放的气体列表中。
限制SF6排放的最佳方式在于限制所述气体的使用，这促使制造商找寻SF6的替代品。
诸如空气或氮气之类对环境不具有负面影响的“简单”气体具有远低于SF6的介电强度。因此，例如，空气和氮气的交变电流(AC)(50赫兹(Hz))介电强度基本上为SF6的三分之一。
因此，将这些“简单”气体用于中压或高压设备中的电绝缘和/或消电弧可能要求大幅增加所述设备的容积和/或填充压强，这与过去数十年开发紧凑、对工作人员安全、并且越来越小的设备的努力相背。
SF6和氮气的混合物被用来限制SF6对环境的影响。添加10％至20％体积的SF6使得可以显著提高氮气的介电强度。
然而，作为SF6的高PRG的结果，这些混合物的PRG依旧非常高。因此，例如，体积比为10/90的SF6和氮气的混合物具有等于SF6的59％的AC(50Hz)介电强度，但是其PRG为8650。
这样的混合物因而不应当被当作具有低环境影响的气体。
这同样适用于公开号0131922[1]的欧洲专利申请中所述的混合物，该混合物包括摩尔百分比为大约60至99.5的SF6以及摩尔百分比为大约0.5至40的饱和碳氟化合物，该碳氟化合物尤其从C2F5CN、CBrClF2和c-C4F8中选择。
全氟碳化物(CnF2n+2和c-C4F8)通常具有有利的介电强度特性，但是其PRG通常处于5000至10000的范围内(CF4为6500，C3F8和C4F10为7000，C4F8为8700，C2F6为9200)。
应当注意的是，美国专利申请号4547316[2]旨在提供一种用于电气设备的绝缘气体混合物，该绝缘气体混合物相比于C2F5CN还具有可观的绝缘特性以及对于人类和动物的适度毒性。因此，所提出的气体混合物包括C2F5CN和亚硝酸烷基酯，亚硝酸烷基酯更特别地选自亚硝酸甲酯、亚硝酸乙酯、亚硝酸丙酯、亚硝酸丁酯和亚硝酸戊酯。这样的混合物进一步可以包括SF6。然而，关于该混合物的绝缘特性的信息几乎未被提及。
国际申请WO 2008/073790[3]说明了被用于中压或高压设备中的电绝缘和消电弧领域的大量其他介电气体。
从PRG和介电特点的角度来看，存在其他有希望的替代品，诸如三氟碘甲烷(CF3I)。CF3I具有大于SF6的介电强度，并且其适用于均匀场和非均匀场，因为其具有小于5的PRG以及在大气中的逗留时长为0.005年。不幸的是，CF3I除了昂贵之外，还具有在3至4百万分率(part per million，ppm)范围内的平均职业接触限制(valeur moyenne d’exposition，VME)并且被分类在致癌、诱变和毒性(cancérigènes,mutagènes etreprotoxiques，CMR)种类3中，因而无法用于工业规模中。
国际申请WO 2012/080246[4]说明了将与空气混合的一种(或更多)单氟酮用作具有低环境影响的电绝缘和/或消电弧应用。因为所提出的流体具有高沸点，即单氟酮C6为49℃且单氟酮C5为23℃，这些流体在中压和高压设备的常用最小压强下液态以及使用温度下为液态，因此迫使发明人添加系统以用于蒸发流体相或用于加热设备的外部，从而将设备的温度维持在单氟酮的液化温度以上。该外部蒸发系统以及尤其是加热系统使得设备的设计变得复杂，降低了电源切断情况下的可靠性，并且在设备的使用寿命期间产生可以达到一百兆瓦时的额外电力消耗，并且这违背了降低设备的环境影响并尤其减少碳排放的目的。从低温下的可靠性的角度看，当电力供应在低温下被切断时，单氟酮的 气相发生液化由此大幅降低了气体混合物中单氟酮的浓度并因此降低了设备的绝缘能力，该设备因而无法承受在存储电力的情况下的电压。
还提出使用将气体绝缘(例如，干燥空气、氮气、或CO2)和固体绝缘相关联的混合绝缘系统。如公开号为1724802[5]的欧洲专利申请中所述，例如，该固体绝缘在于使用环氧树脂的树脂或类似类型的树脂覆盖具有强电场梯度的带电部件，并且该树脂使得可以降低带电部件所承受的电场。
然而，所获得的绝缘因此与SF6提供的绝缘不等价，并且这些混合系统的使用要求相对于可能使用SF6绝缘所需的体积增大设备的体积。
关于在没有SF6的情况下分断(coupure)电弧存在不同的技术方案：油中的分断、环境空气中的分断、借助于真空断路器的分断。然而，具有油分断的设备的主要不足在于在未分断或内部故障的情况下爆炸。电弧在环境空气中熄灭的设备通常具有大尺寸、高成本并且对环境(湿度、污染)敏感，然而，具有真空断路器的设备、尤其是开关切断器类型的设备非常昂贵，并且结果是，在大于72.5kV的高压领域市场上并不非常普遍。
鉴于以上内容，发明人因而通常设法找到SF6的替代品，该替代品相对于同样的SF6设备在维持设备的同时具有低环境影响，从绝缘和分断能力看来，与SF6的设备的性能近似，并且不大幅增加设备的大小或者设备内部气体的压强。
另外，发明人设法将设备的工作温度范围维持为接近等效的SF6设备的工作温度范围，并且不以外部加热器装置来进行。
更具体地，发明人设法找到一种绝缘系统，该绝缘系统包括至少一种气体或气体的混合物，当具有足以应用在高压设备领域并且尤其可与SF6设备相比的电绝缘或消电弧特性时，该气体或气体的混合物还对环境具有较低影响或没有影响。
发明人还设法提供一种绝缘系统，并尤其提供包括在所述系统中的气体或气体混合物，该气体或气体混合物对人类和动物无毒。
发明人进一步设法提供一种绝缘系统，并尤其提供包括在所述系统中的气 体或气体混合物，该绝缘系统的制造或购买成本适用于工业规模中的使用。
发明人进一步设法提供基于所述绝缘系统的中压或高压设备，并尤其提供包括在所述系统中的气体或气体混合物，该系统的大小和压强接近于等价设备的大小和压强，该等价设备使用SF6绝缘并且在不添加外部热源的情况下不具有最小使用温度下的液化。
发明内容
这些目的和其他目的通过本发明实现，本发明提出了使用特定的混合绝缘系统，这使得可以获得具有低环境影响的中压或高压设备。
在本发明的背景下实施的混合绝缘系统基于气体介质，该气体介质包括与中性气体的混合的七氟异丁腈，该气体介质被用作中压或高压设备中的电绝缘和/或消电弧的气体，该气体介质与尤其具有低介电常数的固体绝缘组合，该固体绝缘被用在承受一电场的导电部件上的变化厚度的层中，该电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。事实上，本发明的中压或高压设备具有并未被覆盖在固体介电层中的某些电气部件。
一般来说，本发明提供了一种包括密封外壳的中压或高压设备，所述密封外壳中设置有气体介质和覆盖有变化厚度的固体介电层的电气部件，气体介质用于确保电绝缘和/或用于消除在外壳中可能出现的电弧，气体介质包括与稀释气体混合物中的七氟异丁腈。
在本发明的设备中，气体绝缘实施了包括七氟异丁腈的气体混合物。
七氟异丁腈具有化学式(I)：(CF3)2CFCN(I)，下文中标记为i-C3F7CN，对应于2,3,3,3-四氟乙烯-2-三氟甲基丙腈，CAS注册号为：42532-60-5，在1013百帕斯卡(hPa)下的沸点为-3.9℃(根据ASTM D1120-94“发动机冷却剂的沸点的标准测试方法”测量的沸点)以及下表I中给出其关于N2并与SF6相比的相对介电强度，所述介电强度在大气压强、DC(直流)电压、在直径为2.54厘米(cm)并相距0.1cm的钢材电极之间测量。
N2 SF6 i-C3F7CN
1.0 2.5 5.5
表I
因此，具有上述化学式(I)的七氟异丁腈无毒、防腐、不易燃，并且PRG相对于SF6较低，七氟异丁腈具有电绝缘或消电弧特性，以适于使得七氟异丁腈能够在中压或高压设备中使用具有稀释气体的混合物绝缘气体和/或消弧气体来代替SF6以非常有利地与固体绝缘组合。
更特别地，本发明提供了具有低环境影响的混合绝缘，该混合绝缘将(i)气体混合物与(ii)固体绝缘组合，气体混合具有的低环境影响(相对于SF6具有低PRG)相配于设备的最小使用温度，并且气体混合的击穿特性和热耗散介电特性优于诸如CO2、空气或氮气之类的常规气体，固体绝缘包括在承受强电场的电元件上沉积的、低介电常数的沉积物。
在上下文中，术语“中压”和“高压”以常规公认方式使用，也就是说，术语“中压”指的是对于AC大于1000伏(V)且对于DC大于1500V的电压，但是对于AC不超过52000V或对于DC不超过75000V，而术语“高压”指的是对于AC严格大于52000V且对于DC严格大于75000的电压。
在本发明的背景下，具有以上限定的化学式(I)的七氟异丁腈被用在具有稀释气体的混合物中，稀释气体从符合以下四项标准的气体中选择：
(1)沸点非常低，低于设备的最小使用温度；
(2)介电强度大于或等于二氧化碳在对所述二氧化碳的介电强度进行测量相同的测量条件(即，相同设备、相同几何配置、相同工作参数等等)下的介电强度；
(3)对人类和动物无毒；以及
(4)PRG比七氟异丁腈的PRG低，以使得具有稀释气体的稀释七氟异丁腈还具有降低七氟异丁腈的环境影响的作用，这是因为气体混合物的PRG为加权平均值，该加权平均值根据每个物质的质量分数乘以对应的PRG得到的总和得出。
尤其是，用在本发明的背景下的稀释气体为PRG极低甚至为零的中性气体。同样，稀释气体通常为PRG等于1的二氧化碳，PRG等于0的氮气、氧气、空气(有利地为干燥空气)，或以上的混合物。更特别地，用在本发明的背景下的稀释气体选自二氧化碳、氮气、氧气、空气(有利地为干燥空气)、以及以上气体的任何混合物。
有利地，以上限定的七氟异丁腈在七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)不小于摩尔百分比M的80％，摩尔百分比M由公式(II)确定：
M＝(Phe/P混合物)×100(II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压(pression partitielle)，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压。
对于压强Phe，使用公式(III)近似：
Phe＝(PVShe×293)/(Tmin+273)(III)
其中，PVShe表示以上限定的七氟异丁腈在设备的以摄氏度表示的最小使用温度Tmin下的饱和蒸汽压。
因此，气体介质的介电特性最有可能并且最接近SF6。
有利地，在本发明的背景下，最小使用温度Tmin选自0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃、-35℃、-40℃、-45℃、-50℃，并尤其选自0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃、-35℃和-40℃。
在第一实施例中，设备为中压或高压设备，其中，存在液态混合物并不降低绝缘。在此实施例中，可以使用混合物，其中，七氟异丁腈的摩尔百分比Mhe大于摩尔百分比M。七氟异丁腈的摩尔百分比则通常在如上限定的摩尔百分比M的95％至130％的范围内，更优地在97％和120％之间，理想地在99％和110％之间。在这样的环境下，设备的介电强度应当使用气体混合物中的在一分压下的七氟异丁腈来测试，该气体在最小工作温度下不液化，从而验证所述设备在整个温度范围内的介电强度。
在第二实施例中，设备为中压或高压设备，其中，液相的存在可影响绝缘。 在此实施例中，在设备的整个使用温度范围内不存在或近乎不存在液相的七氟异丁腈/稀释气体混合物满足需要。因而有利的是，七氟异丁腈在摩尔百分比(Mhe)下的混合物中，摩尔百分比(Mhe)不超过摩尔百分比M的100％，以使得混合物在最小使用温度下不存在液化相。在这样的环境下，七氟异丁腈的摩尔百分比在如上限定的摩尔百分比M的95％至100％范围内，且尤其在98％至100％的范围内。
为了改善整体介电强度，将包括七氟异丁腈和稀释气体的气体混合物与固体绝缘组合用在混合绝缘系统，该固体绝缘被用作承受电场的导电部件上的变化厚度的绝缘层，该电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。
本发明中实施的绝缘层具有低相对介电常数(permittiveité relativefaible)。“低相对介电常数”指的是小于或等于6的相对介电常数。应当记得，材料的相对介电常数，同样为介电常量，并且指定为εr，为可以使用公式(IV)和(V)限定的无常纲量：
εr＝ε/ε0(IV)，其中
ε＝(e×C)/S且ε0＝1/(36π×109)(V)
其中：
ε对应于材料的绝对介电常数(以法拉每米(F/m)表示)；
ε0对应于真空介电常数(以F/m表示)；
C对应于包括两个平行电极的平板电容器的电容(以法拉(F))表示，平行电极之间放置有一层介电常数待定的材料，所述层表示测试件；
e对应于平板电容器的两个平行电极之间的距离(以米(m)表示)，其中，该距离对应于测试件的厚度；以及
S对应于构成平板电容器的各电极的面积(以平方米(m2)表示)。
在本发明的背景下，通过使用包括两个直径在50毫米(mm)至54mm范围内的、连接到由材料构成的测试件上的圆形电极的电容器，按照在IEC标准60250-ed1.0中那样确定电容，所述电极通过使用保护设备来喷涂导电涂料获得。测试件的尺寸为100mm×100mm且厚度为3mm。电容器的电极之间符合上述量 级e的距离因而为3mm。
另外，使用在50赫兹(Hz)频率下、23℃下且50％的相对湿度下的500伏均方根(Vrms)的激励电平来确定电容。上述电压所施加的持续时间为1分钟(min)。
在本发明的背景下，“变化厚度的绝缘/介电层”指出，在电气组件或导电部件上沉积或涂覆的介电材料的厚度依据材料沉积的导电部件或导电部件部分而变化。该层的厚度在设备的使用过程中不变化，但是在构成设备的元件的准备过程中得到确定。
在本发明的背景下，绝缘层以一小厚度或大厚度层被涂覆在承受电场的导电部件上，该电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。
更特别地，因为在本发明的背景下实施的绝缘层的厚度依赖于电场的利用因数η，利用因数η被限定为平均电场(U/d)与最大电场Emax的比率(η＝U/(Emax*d))，对于接近0.3、即在0.2至0.4范围内的利用因数，该层是厚的，对于接近0.9、即大于0.5且尤其大于0.6的利用因数，该层是薄的。
参考图3，厚层(6)通常被沉积在电场的利用因数接近0.3的位置处的电极(5)上，且薄层(7)被沉积在电场的利用因数大于0.6的位置处的导体(1)上。
在本发明的背景下，“厚层”指的是厚度大于1mm且小于10mm的层，且“薄层”指的是厚度小于1mm、有利地小于500微米(μm)并尤其在60μm至100μm范围内的层。
在本发明的背景下实施的固体绝缘层可以包括单一介电材料或多个不同的介电材料。另外，绝缘层的组分，即该层包括的介电材料的性质，可以根据沉积有固体绝缘层的导电部件或导电部件的部分而不同。
尤其是，在本发明的背景下，被选择用以制作厚绝缘层的材料具有低相对介电常数，即小于或等于6的相对介电常数。在一特定实施例中，用于制作厚固体层的绝缘材料的介电常数为大约3或更小，即，相对介电常数小于或等于4，且尤其小于或等于3。作为示例，用于制作本发明的设备中厚的固体介电层 的材料可以涉及聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、帕利灵NTM、NuflonTM、硅树脂以及环氧树脂。
关于用于制作薄层的材料，在本发明的背景下选择的材料的相对介电常数大约为3，即在2至4范围内，且尤其在2.5至3.5范围内。作为示例，用于制作本发明的设备中薄的固体介电层的材料可以涉及聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、帕利灵NTM、NuflonTM，还有聚酰胺、乙烯-单氯三氟乙烯、HALARTM以及HALAR CTM。
根据本发明，设备首先可以是电气变压器，例如，功率变压器或测量变压器。
该设备还可以是架空或埋入的气体绝缘线，或者一组用于输送或分配电力的母线。
该设备还可以是用于连接到网络中的其他设备上的元件，例如，架空线或穿板式连接器。
最后，该设备还可以是连接器/切断器(也被称为开关装置)，例如，断路器、开关、切断器、将开关与熔丝组合的单元、接地开关或接触器。
本发明还涉及将以上限定的具有稀释气体的混合物中的七氟异丁腈用作中压或高压设备中的电绝缘和/或消电弧的气体的用途，中压或高压设备的组件覆盖有如上限定的变化厚度的固体介电层。
本发明的其他特点和优点根据借助于说明性和非限定性示例并且参考附图给出的附加说明而更加清楚。
附图说明
图1示出了用于执行介电计算的略图；
图2示出了对于2.9和5.3的相对介电常数，固体绝缘层和气相中的额电场的曲线；
图3为本发明的设备的一部分的概括视图。
具体实施方式
本发明基于使用混合绝缘系统，该混合绝缘系统具有低环境影响，将七氟异丁腈与至少一种稀释气体(也称为中性气体或缓冲气体)进行组合，该七氟丁酸酐-异丁腈如上所述被用于以下给出的可比较的示例，该稀释气体为二氧化碳、空气、氮气、或氧气类型或者以上气体的混合物，并且具有应用在导电部件上的小厚度或大厚度层中的低介电常数的固体绝缘，导电部件承受的电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。
在本发明中，表述“稀释气体”、“中性气体”、或“缓冲气体”等价并且可以互换使用。
有利地，不论设备使用什么温度，七氟异丁腈以完全气体形式存在于设备中。因而，可取的是，根据七氟异丁腈在所述设备的最低使用温度下的饱和蒸汽压(pression devapeur saturante，PVS)来选择设备内的七氟异丁腈的压强。
然而，因为设备经常填充有室温下的气体，为了填充设备而参考的七氟异丁腈的压强是例如在20℃的填充温度下与所述设备的最低使用温度下的七氟异丁腈所具有的PVS对应的压强。
举例来说，下表II给出了七氟异丁腈在温度0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃和-40℃下所具有的、以PVSi-C3F7CN为参考并以百帕斯卡表示的饱和蒸汽压并且给出了被标记为Pi-C3F7CN并以百帕斯卡表示的压强，该压强对应于20℃下的这些饱和蒸汽压。
温度 PVSi-C3F7CN(hPa) Pi-C3F7CN(hPa)
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表II：i-C3F7CN的饱和蒸汽压
示例
根据设备的不同，用于填充用于电绝缘和/或消电弧的介质的建议压强也会不同。然而，该建议压强通常为数巴(bar)，即，数千个百帕斯卡。
七氟异丁腈被用在与稀释气体的混合物中以便达到所建议的填充压强水平。
因此，例如，被设计为首先用在-30℃的最小温度下并且其次填充到5巴(即，5000hPa)的设备应当填充有0.368巴(即，368hPa)的七氟异丁腈以及4.632巴(即，4632hPa)的稀释气体。
这样的设备尤其是阿尔斯通(Alstom)出售的型号为B65的145kV(千伏)气体绝缘设备(GIS)的高压设备，该设备被设计用在填充有稀释气体/i-C3F7CN的-30℃下的应用中。对于最小应用温度为-30℃的该设备，七氟异丁腈应当在20℃下绝对测量的0.368巴的压强下。应当添加缓冲气体以获得气体混合物的最终特性。因为七氟异丁腈为在20℃下绝对测量的0.368巴下并且气体的绝对总压强为5巴，所以i-C3F7CN的摩尔比因此为0.368/5，也就是大约7.4％。
典型地，稀释气体所选自的气体，首先具有极低的沸点，该沸点小于或等于设备的最低使用温度，并且其次在与测量二氧化碳的介电强度相同的测试条件(相同的设备，相同的几何配置、相同的工作参数等等)下具有大于或等于二氧化碳的介电强度。
有利地，稀释气体的选择有PRG等于1的二氧化碳，PRG等于0的氮气、氧气、空气(有利地为干燥空气)，以及以上的混合物。尤其是，稀释气体从二氧化碳、氮气、空气(有利地为干燥空气)以及以上的混合物中选择。
为了在填充过程中确定气体混合物的组分，确定在设备的建议填充压强下的七氟异丁腈的摩尔百分比M，该摩尔百分比M表示七氟异丁腈/稀释气体混 合物应当包括的七氟异丁腈的最大比例，以至于在设备的外壳中不存在任何液体。摩尔百分比M由公式M＝(Phe/P混合物)×100给出，其中，Phe表示填充温度(通常为大约20℃)下的压强，相当于在设备的最小使用温度Tmin下的七氟异丁腈的饱和蒸汽压PVS(Phe＝(PVShe×293)/(273+Tmin))。
随后，用于填充的摩尔百分比Mhe根据M进行选择。在某些情况下，至关重要的是，Mhe不超过M以避免存在液体。
然而，例如对于液相的存在不影响绝缘的中压或某些高压设备，有时可以在低温或极低温度下具有少量液体，并且Mhe则可以达到M的110％甚至130％。另外，由于七氟异丁腈具有比中性气体更好的介电强度，所以使用七氟异丁腈来优化填充是适宜的。因而，较优地，Mhe被选择为不小于M的80％，更不小于M的95％，更不小于M的98％，例如，等于M的99％。
借助于气体混合器来填充设备使得可以控制七氟异丁腈与稀释气体之间的比率，该比率在使用精确质量流量计进行填充的时段内保持恒定并且以压强表示为大约7.4％。
介电结果：在电力频率下且在高压的雷电冲击(chocs de foudre)下进行强度测试
这些测试在来自阿尔斯通的具有145V额定电压的B65屏蔽变电站的一组母线上进行，这符合与高压设备相关的IEC标准62271-1。
下表III示出了针对气体介质获得的结果，该气体介质为比率为7.4/92.6的七氟异丁腈与CO2的混合物(i-C3F7CN/CO2)或者七氟异丁腈与空气的混合物(i-C3F7CN/空气)，其结果与在相同的总压强(即，4巴)下仅包含CO2(CO2)、仅包含空气(空气)、或者仅包含SF6进行比较。
表III
基于表III中的结果，下表IV、V和VI示出了分别相对于CO2和空气缓冲气体以及相对于SF6的相对介电强度。
表IV
表V
表VI
表IV和V示出，作为七氟异丁腈与二氧化碳或干燥空气之类具有介电特性的气体的混合物的气体介质的经受的雷电冲击的电压远比所述气体在单独使用时更好。
表VI示出，作为七氟异丁腈与二氧化碳或干燥空气之类具有介电特性的气 体的混合物的气体介质的经受的雷电冲击的电压与使用SF6近似相同，这使得可以取代高压设备中的SF6。
因此，对于-30℃的最小工作温度，也就是七氟异丁腈的0.368的绝对压强，在来自阿尔斯通的具有145kV额定电压的B65屏蔽变电站的同组母线上完成、并且符合与高压设备相关的IEC标准622271-1的额外的测试示出，总压强为6巴的七氟异丁腈与CO2的混合物(即，i-C3F7CN/CO2混合比率为0.368/7＝5.25％)实现与4巴下的SF6等价的介电。
毒性
七氟异丁腈对于人类并没有特别的毒性，并且具有的LC50(lethalconcentration，致死浓度50％)大于15000ppm。另外，通过将七氟异丁腈在CO2或空气中稀释为大约5％(准确为5.25％)，混合物中的体积比中的毒性进一步减小以使得混合物的LC50为大约78000ppm，并且这将该混合物归类为认为“实际无毒”的气体范围内(根据Hodge和Sterner毒性标度的毒性类别5)。
易燃性
纯净的七氟异丁腈，以及i-C3F7CN/CO2和i-C3F7CN/空气混合物都是非易燃的。
七氟异丁腈的环境影响/PRG
七氟异丁腈的全球变暖潜势或PRG大约为2400，即比SF6小9.5倍以及比SF6与体积为SF6的10％的氮气的混合物小超过3.1倍。
七氟异丁腈的摩尔质量为195克每摩尔(g/mol)。
气体混合物的PRG根据一定的氟化温室气体的欧洲议会和委员会在2006年5月17日颁布的842/2006号条例(EC)，第二部分，“准备工作中计算总的全球变暖潜势(PRG)的方法”来计算。根据该文，气体混合物的PRG因数是各物质的的质量分数与其PRG因数相乘来加权的平均数。
在使用CO2的摩尔百分比为5.25％(44g/mol)的混合物中，七氟异丁腈的质量分数为19.7％，因而混合物的PRG大约为474，这表示与纯净SF6相比碳当量降低了大约98％(表VII)。
表VII
在使用空气的摩尔百分比为5.25％(28.8g/mol)的混合物中，七氟异丁腈的质量分数为27％，因而混合物的PRG大约为655，这表示与纯净SF6相比碳当量降低了大约97％(表VIII)。
表VIII
寿命终止
在寿命终止时或者在断路测试之后，能够借助于使用压缩机和真空泵的常规回收技术来回收气体。随后使用沸石将七氟异丁腈与缓冲气体分离，沸石能够仅捕获更小尺寸的缓冲气体；替代性地，选择性分离膜允许诸如氮气、CO2 或空气之类的缓冲气体逃溢并保留具有更大尺寸或摩尔质量的七氟异丁腈；还能够设想任何其他选择。
固体绝缘
为了在低温下不降低性能或者不增大压强总量的情况下获得SF6的介电等价，以上所给的气体混合物被用于与固体绝缘的组合，该固体绝缘具有低介电常数并且应用于承受电场的那些导电部分，承受的电场大于没有固体绝缘的系统的击穿电场。
在本发明的背景下实施的固体绝缘的形式为厚度针对给定设备变化的层。所实施的绝缘层可以具有小厚度(薄层或精细层)、或大厚度(厚层)。
因为绝缘层的厚度是电场的利用因数η的函数，该利用因数被定义为平均电场(U/d)与最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d)),该层对于接近0.3的利用因数是厚的，该层对于接近0.9的利用因数是薄的。
图1中给出的计算关注于最大电场的减小，对于与固体绝缘相结合的混合绝缘，绝缘气体承受该最大电场，固体绝缘应用在承受高电场的部分上的层，通常应用在电极处。
该技术方案因而使得可以大幅减小气相上的最大电场，并因此增大“混合”绝缘的总介电强度，该“混合”绝缘由连续的固体绝缘和气体绝缘组成。当固体层的介电常数较小时，减小作用于气相上的电场的该现象更加明显。
在所示示例中，混合绝缘由厚度为10mm的固体球面绝缘与厚度为15mm的气体绝缘的组合构成，总绝缘为25mm。针对两种不同的固体绝缘配置进行电场计算，这两种配置具有明显不同的相对介电常数，典型地为5.3和2.9。
在此确切示例中，小气相上的电场被减小的因数，对于介电常数为5.3的固体绝缘大约为15％，并且对于介电常数为2.9的固体绝缘大约为30％(图2)。在本发明的背景下，相对介电常数大约为3或更小的材料对于在电极上制作厚层是优选的。
这些介电计算由对设备进行的测量来确认，对于相对介电常数大约为5的环氧树脂制成的厚层，该设备的介电强度的改进因数大约为20％(相对于未覆 盖的电极)；对于相对介电常数大约为3的硅树脂制成的厚层，该设备的介电强度的改进因数大约为30％(相对于未覆盖的电极)。
对于在承受较弱电场的电气元件上制成的薄层，所使用的材料具有大约为3的介电常数并且以薄层的形式应用，薄层的厚度通常大约为60μm至100μm。使用具有在电极上沉积的厚度大约为60μm至100μm的NuflonTM(相对介电常数为2.7)或帕利灵NTM(相对介电常数为2.65)薄层沉积物的设备所获得的结果示出了相对于未覆盖电极的介电强度的大约8％的改进因数。
在本发明的背景下，在图3中的略图中部分示出的设备具有金属外壳(3)和电气部件，金属外壳(3)具有绝缘体(2)，电气部件包括导体(1)和电极(5)。在所述设备中，混合绝缘由气体绝缘以及由固体绝缘构成，气体绝缘由如上限定的七氟异丁腈和稀释气体的加压气体混合物(4)组成，固体绝缘的形式为如上限定的厚介电层(6)或薄介电层(7)。
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Claims (21)

1.一种包括密封外壳的中压或高压设备，所述密封外壳中设置有覆盖有变化厚度的固体介电层的电气部件和气体介质，所述气体介质用于提供电绝缘和用于消除所述外壳中可能出现的电弧，其特征在于，所述气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述稀释气体选自二氧化碳、氮气、氧气、空气以及上述气体的任何混合物。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)不小于摩尔百分比M的80％，该摩尔百分比M由公式(II)确定：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在所述七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)介于由公式(II)确定的摩尔百分比M的95％至130％的范围内：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压，
所述设备为中压或高压设备，其中，所述混合物中处于液态的混合物部分不降低所述设备中的绝缘性。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在所述七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)介于由公式(II)确定的摩尔百分比M的95％至100％的范围内：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压，
所述设备为中压或高压设备，其中，绝缘可能受到液相存在的影响。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固体介电层的厚度是电场的利用因数η的函数，所述利用因数η被限定为平均电场(U/d)除以最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d))，对于介于0.2至0.4范围内的利用因数，所述固体介电层为厚度大于1mm且小于10mm的厚的固体介电层。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，被选择用以制作所述厚的固体介电层的材料具有小于或等于6的相对介电常数。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，被选择用以制作所述厚的固体介电层的材料具有小于或等于4的相对介电常数。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述材料选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、帕利灵NTM、NuflonTM、硅树脂以及环氧树脂。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固体介电层的厚度是电场的利用因数η的函数，所述利用因数η被限定为平均电场(U/d)除以最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d))，对于大于0.5的利用因数，所述固体介电层为厚度小于1mm的薄的固体介电层。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，被选择用以制作所述薄的固体介电层的材料具有介于2至4的范围内的相对介电常数。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述材料选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、乙烯-单氯三氟乙烯、帕利灵NTM、NuflonTM、HALARTM和HALARCTM。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备为气体绝缘电气变压器、用于输送或分配电力的气体绝缘线、或者连接器/切断器。
14.如权利要求1所限定的七氟异丁腈与稀释气体的混合物作为中压或高压设备中的电绝缘和消电弧的气体的应用，所述中压或高压设备中的部件覆盖有变化厚度的固体介电层。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在所述七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)介于由公式(II)确定的摩尔百分比M的97％至120％的范围内：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压，
所述设备为中压或高压设备，其中，所述混合物中处于液态的混合物部分不降低所述设备中的绝缘性。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在所述七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)介于由公式(II)确定的摩尔百分比M的99％至110％的范围内：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压，
所述设备为中压或高压设备，其中，所述混合物中处于液态的混合物部分不降低所述设备中的绝缘性。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述七氟异丁腈在所述七氟异丁腈/稀释气体混合物中的摩尔百分比(Mhe)介于由公式(II)确定的摩尔百分比M的98％至100％的范围内：
M＝(Phe/P混合物)×100 (II)
其中，P混合物表示所述设备中所述混合物在20℃下的总压强，并且Phe表示以相同单位表示的分压，在20℃下所述分压等同于所述设备的最小使用温度下如上限定的七氟异丁腈所具有的饱和蒸汽压，
所述设备为中压或高压设备，其中，绝缘可能受到液相存在的影响。
18.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，被选择用以制作所述厚的固体介电层的材料具有小于或等于3的相对介电常数。
19.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固体介电层的厚度是电场的利用因数η的函数，所述利用因数η被限定为平均电场(U/d)除以最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d))，对于大于0.5的利用因数，所述固体介电层为厚度小于500μm的厚层。
20.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固体介电层的厚度是电场的利用因数η的函数，所述利用因数η被限定为平均电场(U/d)除以最大电场Emax之比(η＝U/(Emax*d))，对于大于0.5的利用因数，所述固体介电层为厚度介于60μm至100μm范围内的厚层。
21.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，被选择用以制作所述薄的固体介电层的材料具有介于2.5至3.5的范围内的相对介电常数。
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