CN105006273A - 封装式开关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及封装式开关设备，其包括限定绝缘空间(6)的外壳(4)和布置在所述绝缘空间(6)中的电气有源元件(8、9、11a、11b、11c)，所述绝缘空间(6)包含绝缘介质。所述开关设备的特征在于所述绝缘介质包含具有高于-25℃的沸点的介电化合物。

Description

封装式开关设备
本申请是以下申请的分案申请：申请日：2009年9月29日；申请号：2009801599506 (PCT/EP2009/062640)；发明名称：“封装式开关设备”。
本发明涉及根据权利要求1的封装式开关设备、根据权利要求15的用于提供封装式开关设备的方法和根据权利要求18的具有高于-25℃的沸点的介电化合物在用于封装式开关设备、特别是中压封装式开关设备的绝缘介质中的用途。
在中压或高压封装式开关设备中，电气有源元件布置在限定绝缘空间的气密外壳中，所述绝缘空间通常包含绝缘气体且将外壳与电气有源元件间隔开而不让电流穿过。因此，与仅由周围空气绝缘的开关设备相比，金属封装式开关设备构造更加节省空间。
对于常规封装开关设备，使用包含具有低于-25℃的沸点的介电化合物的绝缘气体以防止在完整操作温度范围冷凝。绝缘气体的所需压力和/或在所述绝缘气体中所包含的介电化合物的量由气体压力测量(有或没有温度补偿)或直接密度测量决定。
用于气体压力测量的设备通常相对复杂且昂贵。
另外，通常需要绝缘气体具有略微过压，在中压开关设备中，该过压常为约100毫巴-约500毫巴，以允许在开关设备的绝缘空间中的精确压力测量。由于该过压，开关设备的外壳可经受机械应力，且因此如果不采用适当技术措施，其易于泄漏气体。
然而，对于当前使用的开关设备的气密性的要求非常严格，因为具有高绝缘和消弧性能的常规绝缘气体在释放到大气中时具有一些环境影响，且特别是具有相对较高的全球变暖潜能(GWP)。
为此，开关设备的外壳即使在以上提到的过压情况下也必须非常坚固。
同样，为了允许在外壳内部进行修理工作，需要在打开外壳之前将其抽空且然后在可重新起动开关设备的操作之前再次引入绝缘气体的设备。
开关设备外壳的构造因此相对复杂，除了昂贵的气体压力测量设备之外，其还归于常规开关设备的相对较高的成本。
关于开关设备对环境的潜在影响和对于外壳的相应构造需要，过去已经尝试用合适的代替物来替代常规绝缘气体。
例如，WO 2008/073790公开了一种介电气态化合物，除了其他特性以外，其还具有在约-20℃至约-273℃范围内的沸点，其具有低臭氧消耗、优选无臭氧消耗且其具有小于约22,200的GWP。具体地讲，WO 2008/073790公开了不落入一般化学定义的许多不同化合物。
此外，EP-A-0670294公开了全氟丙烷作为介电气体的用途且EP-A-1933432涉及三氟碘甲烷(CF3I)及其在气体绝缘的开关设备中用作绝缘气体的用途。
与标准绝缘介质相比，为了改善击穿场强，US-A-4175048提出包含选自全氟环己烯和六氟偶氮甲烷的化合物的气态绝缘体。
然而，在封装式开关设备中使用根据以上给出文献的化合物需要如上指出的复杂的气体压力测量措施。并且，如果大量绝缘气体从外壳中泄漏，用于建立足够绝缘性质的反应时间常相对较久。在这种情况下，必须理解拆开面板以防止损坏开关设备。
本发明的目标因此在于提供可以环境友好的方式操作且同时通过满足最高安全性要求允许非常简单且成本有效的设计的封装式开关设备。
该目标由权利要求1的主题实现。本发明的优选实施方案在从属权利要求中限定。
根据本发明的术语“封装式开关设备”包括空气绝缘或气体绝缘的金属(或其他)封装式开关设备。
在本发明的上下文中使用的术语“电气有源元件”被解释为广泛包括导体、导线布置、开关、导电部件等。
由于在绝缘介质中所包含的介电化合物包括具有高于-25℃的沸点的化合物的特征，本发明允许建立两相体系。所述体系包含在操作条件下包含所述介电化合物的气态部分的绝缘气体。该气态部分与所述介电化合物的液态部分平衡。由此，液态部分充当介电化合物的贮库，其在极低气体分压下进入气相。
本发明基于以下发现：通过适当选择介电化合物可实现介电化合物在这种两相体系的绝缘气体中的一定浓度，其对于封装开关设备的大部分应用且特别是对于中压封装开关设备来说足够。
鉴于此，特别优选具有相对较高蒸气压的介电化合物。这类介电化合物的实例将在下文详细描述。
如果绝缘气体从外壳中泄漏，则气相与液相之间的平衡(且因此介电化合物在绝缘气体中的所需要浓度)得以维持或容易地重新建立。因此，即使外壳泄漏，也维持所需要的绝缘性能。因此，不需要立即中断操作，这使得开关设备非常安全。
已知这么一个事实，只要至少一部分介电化合物处于液相中，就可容易地建立足够浓度的介电化合物且因此足够的绝缘性能，则可避免复杂的气体压力测量设备。相比之下，对液态部分存在的简单检查足以保证绝缘气体包含足够浓度的介电化合物且因此具有所需要的高绝缘性能。
根据一个优选的实施方案，本发明的开关设备包括确定用于包含在外壳中所包含的介电化合物的液态部分的至少一部分的容器。这允许通过简单检查在所述容器中的液位来检查所需要的绝缘性能。
所述容器通常布置在绝缘空间中。
为了保证可通过检查在容器中的液位确定外壳内所包含的液态部分的存在，进一步优选所述外壳包括用于收集介电化合物的液态部分的至少一部分并将其转移到容器的收集设备。根据一个特别优选的实施方案，外壳底壁的内表面至少部分倾斜，因此形成通向容器的喷口。所述容器因此优选布置在绝缘空间的最低点。在操作期间，在外壳底部收集的液体向下流到外壳底壁的倾斜内表面且由容器接收。
另外，所述开关设备优选包括用于确定在绝缘空间中介电化合物的液态部分的量的指示器，所述指示器布置在隔室中，所述隔室与所述绝缘空间间隔开且通过通道与容器连接。一般来说，所述指示器由所述通道的一部分形成，所述通道伸进单独的隔室。
根据又一实施方案，所述外壳包括允许从外部观察容器和/或指示器的透明区。因此，绝缘气体的足够绝缘性能的确定可通过透过透明区简单观察且目视检查液相是否存在来进行。所述透明区例如可以表面玻璃形式，在其上指示液体的最低操作液位。
在以上提到的实施方案中，其中指示器由伸进单独隔室的通道的部分形成，所述部分通常为透明的。如在该实施方案中，包括指示器的隔室通常根据绝缘空间的高度置放，可以进行直接量测，原因是在相同的压力下在隔室中的液体与绝缘空间中的液体将具有相同的液位。
理论上，所述介电化合物和任选的载气可在绝缘空间的任何位置引入。为了允许在操作期间将介电化合物引入系统中，可提供相应的设备。例如，可在外壳壁中提供喷嘴，气溶胶可经所述喷嘴引入绝缘空间中，在所述气溶胶中液态介电化合物的小液滴分散在载气中。或者，液态介电化合物可在没有载气的情况下经入口引入绝缘空间的底部部分中且优选引入容器中。
本发明允许使用这样的介电化合物，其具有优异的绝缘性质，特别是高击穿场强，且其同时为无毒的且在释放到大气中时对环境没有影响。这还使得开关设备的设计更简单，理由是并非必须提供用于抽出和再次引入绝缘介质的设备。如果必须进行修理工作且因此必须打开开关设备的外壳，则绝缘气体简单释放到大气中。介电化合物的液态部分(通常相当少)可利用简单出口移出，储存在简单贮器中且在完成修理工作之后且在再次起动开关设备的操作之前通过将其倾注回到绝缘空间而再次引入。
根据一个优选的实施方案，所述介电化合物为具有4-12个碳原子的含氟酮。由此，可提供具有高绝缘能力和极低GWP的绝缘介质。
一般来说，根据该实施方案的含氟酮具有以下通用结构：
R1-CO-R2
其中R1和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链且具有1-10个碳原子。该定义涵盖全氟酮以及氢氟酮。一般来说，这些含氟酮在周围压力下具有至少-5℃的沸点。
现在已经发现，对于绝缘气体的许多应用，诸如在中压范围的应用，即使在例如降至约-5℃或甚至更低的极低操作温度下、在没有诸如外部加热或汽化的额外措施的情况下，也可获得足够的浓度或摩尔比，即含氟酮的分子数目与介质的剩余组分(通常为载气或缓冲气体)的分子数目之间的比率，且因此还获得足够的击穿场强。
优选所述含氟酮具有4-10个碳原子、更优选4-8个碳原子且最优选6个碳原子(也称作C6-含氟酮)。如上所提到，所述C6-含氟酮可为全氟酮(具有分子式C6F12O)或氢氟酮。
在具有6个碳原子的最优选含氟酮之中，已经发现特别优选十二氟-2-甲基戊-3-酮。
先前仅认为十二氟-2-甲基戊-3-酮(也称为1,1,1,2,2,4,5,5,5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮或CF3CF2C(O)CF(CF3)2)可用于完全不同的应用，即，加工熔融活性金属(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清洁蒸气反应器(如在WO 02/086191中所提到)和用在灭火系统中或以液态用于冷却电子系统或在小型发电成套设备中用于Rankine过程(如在EP-A-1764487中所提到)。
十二氟-2-甲基戊-3-酮为透明、无色且几乎无味的。其结构式如下：
。
十二氟-2-甲基戊-3-酮在大气中具有约5天的平均寿命且其GWP仅为约1。另外，其臭氧消耗潜能(ODP)为零。因此，环境负担比任一常规绝缘气体低得多。
另外，十二氟-2-甲基戊-3-酮无毒性且提供人类安全性的突出容限。
十二氟-2-甲基戊-3-酮在1巴下具有49.2℃的沸点。在25℃下，其蒸气压(即，蒸气与其非气相平衡时的压力)为约40kPa。鉴于十二氟-2-甲基戊-3-酮的该高蒸气压，在低至例如-30℃的极低温度下通常也可获得具有对于许多应用、特别是在中压范围的应用足够的击穿场强的绝缘气体。
根据本发明的一个优选的实施方案，所述绝缘气体为气体混合物，除了所述介电化合物且特别是含氟酮以外，所述气体混合物还包含载体(或缓冲)气体。在一个特别优选的实施方案中，所述气体混合物包含空气或为空气，特别是干燥空气，或包含至少一种空气组分或为至少一种空气组分，所述空气组分特别是选自二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气(N2)。或者，所述绝缘气体可基本由介电化合物组成。
基于在550℃或更高的温度下十二氟-2-甲基戊-3-酮分解成具有较低数目的碳原子的很大反应性的氟烃化合物这一发现，优选绝缘气体包含足够的氧气(O2)，氟烃化合物可与其反应以形成惰性化合物，诸如CO2。
所述绝缘气体的绝缘性质且特别是其击穿场强可由绝缘介质的温度、压力和/或组成控制。通过使用包含以液相和气相二者的介电化合物、特别是含氟酮的两相体系，温度增加不仅引起绝对压力增加，而且由于较高蒸气压而引起绝缘气体中的介电化合物浓度增加。
根据本发明的一个特别优选的实施方案，在绝缘气体中含氟酮、特别是十二氟-2-甲基戊-3-酮的摩尔比为至少1%、优选为至少2%、更优选为至少5%、更优选为至少10%、最优选为至少15%。这些优选的摩尔比参照给定的标准或规定的操作条件。在偏离的情况下，所述摩尔比还可不同于这些优选的值。
包含分别以至少1%或2%的摩尔比的十二氟-2-甲基戊-3-酮的绝缘介质的意义基于以下发现：具有该摩尔比的绝缘气体还可在低至-30℃的极低温度条件下得到(对于2%)及在低至-40℃的极低温度条件下得到(1%)且该绝缘气体具有对于例如中压气体绝缘的开关设备来说足够的介电强度，所述中压气体绝缘的开关设备在低于1.5巴、特别是约1巴的绝缘气体压力下操作。
除了以上所述的开关设备以外，本发明还涉及其中将介电化合物引入开关设备的绝缘空间中的方法，所述介电化合物的引入量使得在操作条件下绝缘介质包含含有所述介电化合物的气态部分的绝缘气体，所述气态部分与所述介电化合物的液态部分平衡。因此，可在开关设备的绝缘空间中建立具有以上提到的优势的两相体系(two-part system)。
根据该方法的一个优选的实施方案，所述介电化合物以液态引入，因此仅一部分所述介电化合物在所述绝缘空间中蒸发。因此，所述两相体系可以非常简便易行的方式确立。
进一步优选将所述介电化合物引入绝缘空间的底部部分中。这使得在引入之后立即监测介电化合物的充填液位。此外，根据该实施方案可容易地建立气态部分在绝缘空间中的均匀分布。
本发明因此特别地涉及中压封装式开关设备。本文使用的术语“中压”是指在1kV-72kV范围内的电压。然而，在高压范围(大于72kV)和在低压范围(低于1kV)的应用同样可行。
技术人员已知本发明特别适合的中压封装式开关设备。例如，在此提到ZX系列的中压开关设备(ABB AG)、GHA型的中压开关设备(AREVA T&D)或NXPLUS C型的中压开关设备(Siemens AG)。
本发明经由以下实施例结合图1进一步详细描述，图1示意性表示根据本发明的中压封装式开关设备。
根据图1，开关设备2包括确定绝缘空间6的外壳4和布置在绝缘空间6中的电气有源元件8。在所示的实施方案中，电气有源元件8包括开关元件9和连接到所述开关元件9的三个汇流条11a、11b、11c。所述绝缘空间6包含含有绝缘气体的绝缘介质。所述绝缘气体包含介电化合物的气态部分，所述气态部分与所述介电化合物的液态部分平衡。
在外壳4的壁12上冷凝的液态部分的液滴10在朝向底壁12’的方向上(如由箭头所指示)向下流下或落下。在图1中给出的实施方案中，底壁12’具有多级构造，其中段12’a倾斜(具体是微倾斜)，向下变为强倾斜(具体是垂直)的段12’b且通向容器14。因此，在外壳底部收集的液体流下底壁12’的内表面且排放到容器14中。底壁12’的内表面充当用于收集电介质的液态部分的收集设备15。
优选以管形式的通道16从容器14通向指示器18，在附图中所示的实施方案中，指示器18包括在布置在面板前部21中的隔室20中且因此与绝缘空间6间隔开。
在所示的实施方案中，指示器18由伸进隔室20的通道16的一部分形成，所述部分为透明的。并且，所述隔室20的外壁20’为透明的，因此形成表面玻璃。
因为包括指示器18的隔室20对应于容器14高度布置，可以透过隔室20的外壁20’观察来进行容器14的充填液位的直接量测。
或者，所述表面玻璃也可由外壳本身的透明部分形成。在该实施方案中，布置所述表面玻璃使得可从外部观察绝缘空间中的容器。作为一个特别的方案，所述表面玻璃本身可为容器。
附图标记列表
2                  开关设备
4                  外壳
6                  绝缘空间
8                  电气有源元件
9                  开关元件
11a, 11b, 11c           汇流条
12                      外壳壁
12’                     外壳底壁
12’a                   底壁的倾斜段
12’b                   底壁的垂直段
14                      容器
15                      收集设备
16                      通道
18                      指示器
20                      隔室
20’                     隔室的外壁
21                         面板前部

Claims (18)

1. 封装式开关设备，其包括限定绝缘空间(6)的外壳(4)和布置在所述绝缘空间(6)中的电气有源元件(8、9、11a、11b、11c)，所述绝缘空间(6)包含绝缘介质，其特征在于所述绝缘介质包含具有高于-25℃的沸点的介电化合物。
2. 权利要求1的封装式开关设备，所述介电化合物具有高于-20℃、优选高于-5℃的沸点。
3. 权利要求1或2的封装式开关设备，其特征在于所述介电化合物为具有4-12个碳原子的含氟酮。
4. 权利要求3的封装式开关设备，其特征在于所述含氟酮具有6个碳原子。
5. 权利要求4的封装式开关设备，其特征在于所述含氟酮为十二氟-2-甲基戊-3-酮。
6. 前述权利要求中任一项的封装式开关设备，其特征在于在操作条件下所述绝缘介质包含含有所述介电化合物的气态部分的绝缘气体，所述气态部分与所述介电化合物的液态部分平衡。
7. 权利要求6的封装式开关设备，其特征在于所述绝缘气体为气体混合物，所述气体混合物还包含载气。
8. 权利要求7的封装式开关设备，其特征在于所述载气包含空气或至少包含一种空气组分，所述空气组分特别是选自二氧化碳、氧气和氮气。
9. 权利要求6-8中任一项的封装式开关设备，其特征在于其包括确定用于包含在所述外壳(4)中所包含的所述介电化合物的液态部分的至少一部分的容器(14)。
10. 权利要求9的封装式开关设备，其特征在于其还包括用于收集所述介电化合物的液态部分的至少一部分且将其转移到所述容器(14)的收集设备(15、12’、12a’、12b’)。
11. 权利要求6-10中任一项的封装式开关设备，其特征在于其还包括用于确定在所述绝缘空间(6)中所述介电化合物的液态部分的量的指示器(18)，所述指示器(18)布置在与所述绝缘空间(6)间隔开且与所述容器(14)连接的空间中。
12. 权利要求9-11中任一项的封装式开关设备，所述外壳(4)包括允许从外部分别观察所述容器(14)和/或所述指示器(18)的透明区。
13. 前述权利要求中任一项的封装式开关设备，所述开关设备为金属封装式开关设备。
14. 前述权利要求中任一项的封装式开关设备，所述开关设备为中压封装式开关设备。
15. 提供权利要求6-14中任一项的封装式开关设备的方法，其通过将介电化合物引入所述开关设备的绝缘空间(6)中来进行，其中所述介电化合物的引入量使得在操作条件下所述绝缘介质包含含有所述介电化合物的气态部分的绝缘气体，所述气态部分与所述介电化合物的液态部分平衡。
16. 权利要求15的方法，其中所述介电化合物以液态引入，因此仅一部分所述介电化合物蒸发到所述绝缘空间(6)中。
17. 权利要求16的方法，其中所述介电化合物引入所述绝缘空间(6)的底部部分中。
18. 在绝缘介质中的具有高于-25℃的沸点的介电化合物用于封装式开关设备、特别是用于中压封装式开关设备的用途。
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