CN108475555A - 具有低厚度混合绝缘材料的中压或高压电气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中压或高压电气设备，所述中压或高压电气设备包括一个密封壳体，所述密封壳体中定位有电气元件和气体介质，所述电气元件覆盖有固体介电层，所述气体介质用于确保电气绝缘和/或消除电弧，所述气体介质包括七氟异丁腈和稀释气体，所述固体介电层的厚度小于1毫米，并且所述固体介电层由一种材料制成，所述材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂或聚氨酯树脂，或者铝氧化物。

Description

具有低厚度混合绝缘材料的中压或高压电气装置
技术领域
本发明涉及中压或高压电气设备中的电气绝缘和电弧消除领域，特别地，涉及高压电气设备中的电气绝缘和电弧消除领域。
更特别地，本发明涉及对环境影响小的、基于气体介质和固体绝缘材料的混合绝缘系统在中压或高压设备中的使用，气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈(heptafluoroisobutyronitrile)，气体介质被用作用于进行电气绝缘和/或电弧消除的气体，所述固体绝缘材料为铝氧化物和/或可选地具有填充物(可选)的环氧树脂或聚氨酯树脂，所述固体绝缘材料被应用在导电部件上的薄层中，所述导电部件所受到的电场大于没有固体绝缘材料的情况下系统的击穿电场。
本发明还涉及一种中压或高压设备，在中压或高压设备中，通过气体介质来进行电弧消除，所述气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈，所述气体介质与低介电常数的固体绝缘材料相结合来提供电气绝缘，所述固体绝缘材料为阴离子氧化物和/或可选地具有纳米填充物的聚环氧化物或聚氨酯涂料，所述固体绝缘材料被应用在导电部件上的薄层中，所述导电部件所受到电场大于没有固体绝缘材料的情况下系统的击穿电场。特别的，这种设备可以是：电力变压器，例如功率变压器或测量变压器；气体绝缘传输线(gas-insulated transmission line，GIL)，用于输送或分配电力；一组母线；或者甚至电子连接器/电子断开器(也称为开关装置)，例如断路开关、开关、结合开关和熔断器的单元、断开器、接地开关或者接触器。
背景技术
在中压或高压变电设备中，电气绝缘以及电弧消除(如必要)通常是由限定于所述设备内部的气体来实施的。
当前，所述气体最常使用的是六氟化硫(sulfur hexafluoride，SF6)。这种气体的介电强度相对较高，导热性好，介质损耗小。它在化学上是惰性的，对人和动物没有毒性，在被电弧分离后，它能很快地且几乎完全地重新结合。此外，它是不易燃的，而且价格适中。
然而，SF6有一个主要的缺点，那就是全球变暖潜能值(global warmingpotential，GWP)为23500(相对于二氧化碳的100年衡量值)，并且在大气中可以存留时间为3200年，这使它成为具有强烈全球变暖效应的气体。因此，六氟化硫被列入京都议定书(1997年)，列入了需要限制排放的气体清单。
限制六氟化硫排放的最好办法是限制使用该气体，这使得制造商们开始寻找六氟化硫的替代品。
为此，一种具有电气绝缘性能的新型气体被研制出来，足够应用于高压或者中压设备领域。更确切地说，这种气体是两种分子的混合物，其中一种占绝大多数，第二种是七氟异丁腈，以更小的数量呈现。所述气体混合物作为六氟化硫的替代品的优势，是基于它的全球变暖潜能值比六氟化硫低，所述气体混合物的主要构成气体或者稀释气体具有非常低的全球变暖潜能值，如全球变暖潜能值为1的二氧化碳(CO2)，或者全球变暖潜能值为0的氮气(N2)或空气。
国际专利申请WO2014/037566[1]中描述了在高压或中压设备中使用气体混合物作为绝缘气体，与固体绝缘材料相结合使用。国际专利申请WO2015/040069[2]中描述了一种特殊的绝缘气体，即由七氟异丁腈、二氧化碳和氧气组成的气体，所述气体介质中氧气含量的摩尔百分比在1％到25％之间。
在这两份文件中，当所述绝缘层存在时，绝缘层的厚度是电场利用因数η的函数，定义为平均电场(U/d)除以最大电场(Emax)的比值，Emax(η＝U/(Emax*d))。因此，当利用因数接近0.3，也就是在0.2到0.4的之间时，所述绝缘层是厚的，当利用因数接近0.9，也就是大于0.5尤其是大于0.6时，所述绝缘层是薄的或者是精细的。此外，厚层被定义为厚度在1毫米(mm)到10mm之间的层，而薄层或者精细层的厚度小于1mm，尤其是小于500微米(μm)，通常在60μm到100μm之间。
因此，鉴于上述情况，发明人普遍致力于进一步改进高压或中压设备中使用的混合绝缘系统，由七氟异丁腈组成的气体介质作为绝缘气体，能够保持其设备特性接近由六氟化硫组成的气体介质，所述设备特性由其绝缘和阻燃能力，以及没有显著增加设备的尺寸或者没有显著增加设备内气体的压强的角度来判断。
此外，发明人还试图将设备的使用温度范围保持在接近于等效六氟化硫设备的范围内，并且在没有外部加热手段的情况下做到这一点。
他们还进一步寻求为高压或中压设备提供改进的混合绝缘系统，作为绝缘气体，一种由七氟异丁腈组成的气体介质，具有符合工业规模使用的制造或采购成本。
他们还进一步寻求提供中压或高压设备，这些设备基于所述改进的绝缘系统，其尺寸和压力接近于使用六氟化硫绝缘的等效设备，而且在不增加外部热源的情况下，不会在最低使用温度下液化。
发明内容
基于已经制定的目标以及其他通过本发明实现的，本发明提出使用一种特殊的混合绝缘系统，使其能够获得具有低环境影响的中压或高压设备。
事实上，本发明中的混合绝缘系统是基于一种与固体绝缘材料相结合的气体介质实现的，该气体介质包括与中性气体混合的七氟异丁腈，在中压或高压设备中用作用于电气绝缘和/或电弧消除的气体，所述气体介质尤其与低介电常数的固体绝缘材料相结合，固体绝缘材料应用在导电部件上的薄层中，所述导电部件所受到的电场大于没有固体绝缘材料系统的情况下的击穿电场。事实上，本发明的中压或高压设备提供了一些被固体介电层覆盖的电气元件，而且其中覆盖任何一个电气元件的固体介电层的厚度，都不像国际专利申请WO2014/037566[1]中所限定那么厚。此外，所述固体介电层的组成成分是独特的，因为制成所述固体介电层的材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
一般来说，本发明提供了一种中压或高压设备，所述设备包括密封壳体，所述密封客体中定位有电气元件和气体介质，所述电气元件覆盖有固体介电层，所述气体介质用于提供电气绝缘和/或消除所述壳体中可能出现的电弧，所述气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈，所述壳体中的所述固体介电层的厚度小于1毫米，并且制成所述固体介电层的材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
事实上，发明人的工作表明，由七氟异丁腈来提供气体绝缘的的中压或高压设备，相较于使用六氟化硫作为绝缘气体的设备，对电气元件表面的粗糙度更为敏感。因此，发明人建议通过在这些电气元件上沉积薄层来减少表面粗糙度，制成所述薄层的材料包括：可选包含填充物的聚环氧化物树脂或聚氨酯树脂，或者铝氧化物。
通常情况下，被由这种材料构成的薄层所覆盖的所述电气元件是粗糙的铸造部件。
此外，发明人已经表明，在消除厚度大于1毫米的固体介电层的同时，能够获得与国际专利申请WO 2014/037566[1]中所述的性能相当的性能，这意味着减少中压或高压设备的成本。
在第一实施例中，所述固体介电层覆盖在所述电气元件上，所述电气元件位于本发明的中压或高压设备的密封壳体中，所述固体介电层由一种材料制成，所述材料由可选地包含至少一种填充物的聚环氧化物树脂或可选地包含至少一种填充物的聚氨酯树脂构成，或者所述材料包括：可选地包含至少一种填充物的聚环氧化物树脂、或可选地包含至少一种填充物的聚氨酯树脂，所述固体介电层的厚度在10微米到500微米之间。
在这个实施例中，所述固体介电层中使用的聚环氧化物树脂可以包括以下项或由以下项构成：聚环氧化物-聚硅氧烷树脂，或者聚环氧化物-聚酯树脂。
当所述聚环氧化物树脂或聚氨酯树脂包括至少一种填充物时，所述填充物以粒子的形式存在，如纳米粒子。有利地，所述填充物由选自以下各项组成的组的材料制成：氧化铝、二氧化硅、氧化钛、碳酸钙、氧化锌、硅灰石、石英、石墨、粘土、滑石。
在第二实施例中，存在于本发明的高压或中压设备的密封壳体中的电气部件上的固体介电层由包括铝氧化物的材料制成，所述固体介电层的厚度介于10微米到100微米之间。
有利地，存在于本发明的高压或中压设备的密封壳体中的电气部件的表面处的所述固体介电层以薄膜或粉末的形式存在。
本发明的中压或高压设备的密封壳体中的气体绝缘由与稀释剂混合的七氟异丁腈来提供。所述稀释剂选自由以下各项组成的组：二氧化碳、氮、氧、空气和上述气体的混合物。
有利地，本发明的中压或高压设备为气体绝缘变压器、输送或分配电力的气体绝缘线、用于连接至网络中的其他设备的元件、或者一种连接器/断开器。
本发明还涉及，如上所限定的与稀释气体混合的七氟异丁腈在中压或高压设备中的使用，与稀释气体混合的七氟异丁腈被用作用于电气绝缘和/或电弧消除，所述设备具有覆盖在固体绝缘层中的电气元件，所述固体绝缘层的厚度小于1毫米，并且所述固体绝缘层由如上所限定的材料制成，所述材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
具体实施方式
本发明是基于中压或高压设备的使用，所述设备具有低环境影响的混合绝缘系统，所述混合绝缘系统由七氟异丁腈构成的气体混合物，与低介电常数的固体绝缘材料相结合而构成，所述固体绝缘材料应用在导电部件的薄层上，所述导电部件受到电场的影响，大于没有使用固体绝缘材料系统的击穿电场。
上文和下文中使用的术语“中压”是指常规接受的方式，即术语“中压”所指的电压是交流(AC)大于1000伏特(V)，直流(DC)大于1500伏特，交流不超过52000伏特，直流不超过75000伏特。
上文和下文中使用的术语“高压”是指常规接受的方式，，即术语“高压”所指的电压是交流严格大于52000伏特，直流严格大于75000伏特。
中压或高压设备主要由一个纵向外壳或壳体组成，它定义了一个空心容积和一个或多个电气元件，这个/些电气元件是排列在所述壳体内部的。
所述外壳的内部容积以气密方式封闭，由一种电气绝缘和电弧消除气体填充，在本发明中，所述气体包括七氟异丁腈和一种稀释气体。
在本发明中，所有或部分的所述电气元件位于所述设备的气密壳体中，在所述电气元件表面有一层介电层。
事实上，为了提高整体绝缘强度，所述气体由七氟异丁腈和一种稀释气体混合而成，与固体绝缘材料结合，应用在混合绝缘系统中，所述固体绝缘材料应用在导电部件的薄层上，所述导电部件受到电场的影响，大于没有使用固体绝缘材料系统的击穿电场。
被这个绝缘层所覆盖的所述导电部件是粗糙铸造的。换句话说，这些导电部件是粗糙的，在绝缘层被沉积之前，没有经过任何抛光类型的处理来改变它们的表面质量。
本发明中使用的固体绝缘层呈现出低相对介电常数。术语“低相对介电常数”是指小于或等于6的相对介电常数。应该注意的是，一种材料的相对介电常数，也称为介电常数，记做εr，是一个无量纲的量，可以用下列公式(I)和(II)来定义：
εr＝ε/ε0 (I)，其中，
ε＝(e*C)/S和ε0＝1/(36π*109) (II)
其中：
ε对应于材料的绝对介电常数(用法拉/米(F/m)表示)；
ε0对应于自由空间的介电常数(用F/m表示)；
C对应于一个平面电容器的电容(用法拉(F)表示)，所述平面电容器由两个平行电极组成，在两个平行电极之间有一个由待定介电常数的材料构成的层，所述层代表一个测试件。
e对应于所述平面电容器的所述两个平行电极之间的距离(用米(m)表示)，在这个例子中对应于测试件的厚度；以及
S对应于构成平面电容器的每个电极的表面积(用平方米(m2)表示)。
在本发明中，所述电容根据国际电工委员会标准(IEC standard)60250ed1.0确定，即使用有两个圆形电极的电容器，该圆形电极的直径范围在50毫米到54毫米之间，将所述电容器固定到由所述材料构成的所述测试件上，所述电极通过使用一个保护装置喷涂导电涂料而获得。所述测试件的尺寸为100毫米×100毫米，厚度为3毫米。因此，对应于上述距离e，所述电容器的所述电极之间的距离为3毫米。
此外，电容是在500伏特均方根(rms)的激励水平上确定的，频率为50赫兹(Hz)，温度为23摄氏度(℃)，相对湿度为50％。上述电压的适用时间为1分钟。
术语“固体绝缘/介电薄层”在本发明中应理解为介电材料，附着或者应用于电气元件或导电部件上，厚度小于1毫米，尤其是小于或等于750微米，并且尤其是小于或等于500微米，无论是附着在导电部件上还是附着在部分导电部件上。换句话说，在本发明的所述的设备壳体中，没有一个导电部件的介电层厚度大于或等于1毫米。所述介电层的厚度由设备构成元素的制备过程决定。
在本发明中，所述绝缘层应用在所述导电部件的薄层上，所述导电部件受到电场的影响，大于没有使用固体绝缘材料系统的击穿电场。更特别的是，所述介电薄层通常附着在所述导电部件上，在这里电场的利用因数大于或等于0.2，尤其是大于或等于0.3。应当重新提及的是，电场的利用因数η，定义为平均电场(U/d)与最大电场的比值，Emax(η＝U/(Emax*d))。
在本发明中实现的固体绝缘层可以由单一的介电材料或者多种不同的介电材料组成。此外，当所述固体绝缘层附着在导电部件上或者附着在部分导电部件上时，所述绝缘层的组成成分，也就是组成所述绝缘层的所述介电材料的性质可以不同。
然而，在本发明中，所述绝缘层的材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
在第一实施例中，所述固体介电层覆盖在所述电气元件上，所述电气元件位于本发明的中压或高压设备的密封壳体中，制成所述固体介电层的材料包括可选地包含至少一种填充物的聚环氧化物树脂，或者可选地包含至少一种填充物的聚氨酯树脂，所述固体介电层的厚度介于10微米到500微米之间。
在本发明中，术语“聚环氧化物树脂”是指一种热固性树脂，所述热固性树脂是从相同或不同单体，和/或相同或不同的低聚物与一个或多个固化剂的反应获得的，所述单体或低聚物具有环氧乙烷官能基(也称为环氧功能)，所述固化剂通常为胺类(如多胺)，酰胺类(如聚酰胺)，羧酸或者无水酸。在文献中，一种聚环氧化物树脂也被称为“环氧树脂”，或者是“环氧类树脂”。
本领域技术人员知道各种单体或者低聚物具有环氧功能，可用作聚环氧化物树脂的前体。这种单体或者低聚物尤其与国际专利申请WO2010/139906[3]以及专利申请EP1359 197[4]中描述的环氧树脂相对应。
所述聚环氧化物树脂能够通过所述组成成分获得，所述组成成分可以包含一个或多个不同的单体，和/或一个或多个不同的具有环氧功能的低聚物，以及一个或多个硬化剂，至少还有一个其他元素，如聚硅氧烷、聚酯、或此类聚合物的前体。在这种情况下，所述聚环氧化物树脂会是一种聚环氧化物-聚硅氧烷树脂或者聚环氧化物-聚酯树脂。欧洲专利申请EP1 359 197[4]描述了聚环氧化物-聚硅氧烷树脂可用在本发明中的几个例子。
作为本发明中使用的聚环氧化物树脂的例子，可以提到的是由美国阿麦隆公司(Ameron)销售的Amercoat涂料，Amercoat涂料,PSX涂料和Nuklad涂料。
术语“聚氨酯树脂”指的是一种由异氰酸酯与多元醇反应产生的聚氨酯聚合物。
所述聚环氧化物树脂或聚氨酯树脂，附着在本发明所述设备的所述电气元件上，可以是未填充的，也可以是填充的。当它是填充的时，所述填充物可以是以粒子的形式存在的。在本发明中实现的粒子可以是各种形状的，如球形、椭球形、六角形、棍形或者是星形结构。所述粒子的平均粒径分布通常在10纳米到1微米之间，尤其是分布在20纳米到900纳米之间。因此，这些粒子可以被称为纳米粒子。
任何本领域技术人员所熟知的填充物都可以用于本发明。然而，这种填充物是不导电的，可以避免产生任何导电尘埃。有利地，这种填充物选自以下各项组成的组：氧化铝、二氧化硅、氧化钛、碳酸钙、氧化锌、硅灰石、石英、石墨、粘土、滑石中。
本领域技术人员知道多种技术，可以将填充的或未填充的聚环氧化物树脂，或者聚氨酯树脂，或者这种树脂的前体成分附着或应用在本发明所述设备的所述导电部件上。作为附着或者应用技术的例子，可以提到的是压缩空气喷涂或无压缩空气喷涂，气动或静电枪喷涂，浸渍，或阳离子电沉积(或阳离子电泳)。
在第二实施例中，所述固体介电层呈覆盖在所述电气元件上，所述电气元件位于本发明的高压或中压设备的密封壳体中，所述固体介电层由一种包含铝氧化物(三氧化二铝(Al2O3)或氧化铝)的材料制成，或者由三氧化二铝制成，所述固体介电层的厚度在10微米到100微米之间。
有利地，这种固体介电层是通过对所述电气元件进行电解氧化或阳离子氧化而产生的，所述电气元件是铝制的或者包含铝的合金。这种通过附着一层铝氧化物层，将铝的表面或者铝合金表面进行钝化处理的技术，是本领域技术人员所熟知的，本领域技术人员知道多种类型的钝化浴，该钝化浴使用诸如硫酸浴，或者硫酸和草酸浴的处理方法。
有利地，所述固体介电层覆盖在所述电气元件上，所述电气元件位于本发明的中压或高压设备的密封壳体中，所述固体介电层以薄膜或粉末的形式存在。
事实上，作为所述树脂或者所述树脂前体成分，以及所述应用或使用阳离子氧化技术的一种功能，所形成的附着可以是粉末状或者是成膜附着的形式。
术语“成膜附着”指的是形成一张薄膜的附着，一旦应用于一个电子部件的表面，所述薄膜的形成可能是共存于附着成分中的一种溶剂蒸发所造成的，和/或所述成分的化学变化造成的(这种化学变化可以是一种聚合反应，一种缩聚反应，一种加成聚合反应，一种氧化反应，或者是一种硫化反应)。
在本发明的所述设备中，所述绝缘气体为包含七氟异丁腈的一种气体混合物。
七氟异丁腈的分子式为(III)：(CF3)2CFCN(III)，也被称为i-C3F7CN，对应于2,3,3,3-tetrafluoro-2-trifluoromethyl propanenitrile，美国化学文摘登记号(CASregistry number)为：42532-60-5，在1013百帕斯卡(hPa)的压力下沸点为-4.7摄氏度(沸点测量使用美国材料试验学会(ASTM)标准ASTM D1120-94“发动机冷却剂的沸点的标准试验方法”)。
分子式(III)中七氟异丁腈的相对介电强度为2.2(相对于六氟化硫的标准)，所述介电强度是在大气压强下，在两个直径为2.54厘米，间距为0.1厘米的钢电极之间，使用直流电压测量的。
因此，如上述分子式(III)中的七氟异丁腈，无毒、无腐蚀性、不易燃，而且全球变暖潜能值与六氟化硫相比更低，具有电气绝缘或电弧消除属性，适合使用它与一种稀释气体结合，来取代六氟化硫作为中压或高压设备中的一种电气绝缘气体和/或电弧消除气体。
本发明所使用的所述气体混合物包括七氟异丁腈和一种稀释气体。所述稀释气体也被称为“混合气体”或“载体气体”。
在本发明中，上述分子式(III)中定义的七氟异丁腈被用于与一种稀释气体混合，该稀释气体是从符合以下四个标准的气体中选出的：
(1)呈现极低的沸点，低于设备的最低使用温度；
(2)在测试条件下，呈现大于或等于二氧化碳的介电强度，所述测试条件与用来测量所述二氧化碳的介电强度的测试条件相同(即相同的设备，相同的几何结构，相同的操作参数，等等)；
(3)对人和动物无毒性；
(4)呈现的全球变暖潜能值低于七氟异丁腈，因此使用这种稀释气体来稀释七氟异丁腈时，还有附带有降低七氟异丁腈对环境的影响的效果，由于气体混合物的全球变暖潜能值为一个加权平均值，所述加权平均值是由每个物质的重量乘以其相应的全球变暖潜能值所得。
特别地，在本发明中使用的稀释气体是一种中性气体，它的全球变暖潜能值非常低，甚至为零。因此，所述稀释气体通常使用全球变暖潜能值等于1的二氧化碳，全球变暖潜能值等于0的氮、氧、或空气、有利的干燥空气，或者上述气体的混合物。更特别的是，本发明可用的稀释气体，是从二氧化碳、氮、氧、空气、有利的干燥空气和上述气体的混合物中选出。
有利地，上面定义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)，不低于由公式(IV)定义的摩尔百分比M的80％：
M＝(Phe/P混合物)×100 (IV)
在上述公式中，P混合物代表20摄氏度时，所述混合物在所述设备中的总压力，且Phe代表用相同的单位表示的分压，相当于20摄氏度时，上面定义的七氟异丁腈在所述设备的最低使用温度下，所呈现的饱和蒸气压。
至于压力Phe，它的近似公式(V)为：
Phe＝(SVPhe×293)/(Tmin+273) (V)
在上述公式中，SVPhe代表上面定义的七氟异丁腈在所述设备的最低使用温度(Tmin)下所呈现的饱和蒸气压(SVP，saturated vapor pressure)，所述温度用摄氏温度表示。
因此，所述气体介质的介电特性是最高的，接近六氟化硫的介电特性。
有利地，在本发明中，最低使用温度(Tmin)是从0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，和50℃中选出的，并且尤其是从0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，和40℃中选出的。
在第一实施例中，所述设备为中压或高压设备，在所述设备中有一些液体状态的混合物不会降低绝缘。在这种情况下,可以使用一种混合物，其中七氟异丁腈存在的摩尔百分比Mhe大于摩尔百分比M。在这种情况下，七氟异丁腈的摩尔百分比通常在95％到130％之间，最好也就在97％在120％之间，而理想情况下上面定义的摩尔百分比M在99％在110％之间。在这种情况下，所述设备的介电强度应当与气体混合物中的七氟异丁腈在分压下测试，这样所述气体在最低使用温度下不会存在液化，所述设备的介电强度才能在其整个温度范围下完成验证。
在第二实施例中，所述设备为中压或高压设备，在所述设备中，绝缘可以受到液相存在的影响。在这个实施例中，理想的是，在所述设备的整个使用温度范围内，七氟异丁腈和稀释气体的混合物是完全或几乎完全处于气态的。因此，比较好的情况是，七氟异丁腈在混合物中存在的摩尔百分比Mhe不超过所述摩尔百分比M的100％，这样它就不会在最低使用温度下呈现液化。在这种情况下，七氟异丁腈的摩尔百分比最好是在上面定义的摩尔百分比M的95％到100％之间，尤其是在98％到100％之间。
通过具体的例子，本发明中使用的气体混合物可以只包含七氟异丁腈和二氧化碳，因此可以只由这两种化合物构成。在这种情况下，所述气体混合物由摩尔百分比在2％到15％之间的七氟异丁腈，和摩尔百分比在85％到98％之间的二氧化碳组成，通常是，由摩尔百分比在4％到10％之间的七氟异丁腈，和摩尔百分比在90％到96％之间的二氧化碳组成。
作为一种变形，这种气体混合物除了包含七氟异丁腈和二氧化碳外，还可以包含至少一种其他元素。这种其他元素可以是任何一种化合物，这种化合物通常用于高压或中压电气设备的绝缘。有利地，这种化合物是从氮、氧、空气、有利的干燥空气和上述气体的混合物中选出。通常，这种其他元素是氧。
在这个变形中，所述气体混合物由摩尔百分比在2％到15％之间的七氟异丁腈，摩尔百分比在70％到97％之间的二氧化碳，和摩尔百分比在1％到15％之间的上面定义的其他元素(通常是摩尔百分比在1％到15％之间的氧)组成。特别地，所述气体混合物由摩尔百分比在4％到10％之间的七氟异丁腈，摩尔百分比在80％到94％之间的二氧化碳，和摩尔百分比在2％到10％之间的上面定义的其他元素(通常是摩尔百分比在2％到10％之间的氧)组成。
有利地，无论所述设备的使用温度如何，七氟异丁腈在所述设备中都是完全呈现气态的。因此，所述设备中七氟异丁腈可取的压力值，使用饱和蒸气压的函数来选择，所述饱和蒸汽压为七氟异丁腈在所述设备最低使用温度时，呈现的饱和蒸汽压。
然而，由于设备在常温下通常是充满气体的，在填充温度下，也就是20摄氏度时，用于填充所述设备的七氟异丁腈的压力值，与七氟异丁腈在所述设备最低使用温度时呈现的饱和蒸汽压一致。
例如，下表1给出的饱和蒸汽压SVPi-C3F7CN，单位为百帕斯卡，列出了七氟异丁腈在0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，和40℃时，以及压力Pi-C3F7CN，单位为百帕斯卡，对应于20摄氏度的饱和蒸汽压。
表1：i-C3F7CN的饱和蒸气压
根据本发明，所述设备可以是一种气体绝缘变压器，如功率变压器或测量变压器。
它也可以是一种架空或深埋的气体绝缘线，或者也可以是一组用于输送或分配电力的母线。
也可以是一种用于连接网络中的其他设备的元件，例如，架空线或分区衬套。
最后，它也可以是一种连接器/断路器(也称为开关设备)，例如，断路开关、开关、一种结合开关和熔断器的单元、断路器、接地开关或者接触器。
应用示例
根据设备的不同，在填充用于电气绝缘和/或电弧消除的介质时，推荐采用的压力是不同的。然而，它通常是几个bars(也就是几千百帕斯卡)。
七氟异丁腈用于与二氧化碳混合，以获得推荐的填充压力水平。
因此，举例来说，首先所设计的设备是在最低-30摄氏度的温度下使用的，其次是所述设备压力被填充到9.2bars(即9200百帕斯卡)，所述设备里填充了0.368bars(即368百帕斯卡)的七氟异丁腈和8.832bars(即8832百帕斯卡)的二氧化碳。
这种设备通常是阿尔斯通公司的420千伏GIB设备，该设备设计用于在-30摄氏度时，填充二氧化碳/i-C3F7CN。对于最低使用温度为-30摄氏度的这种设备，在20摄氏度测量时，七氟异丁腈的压力应为0.368bars(绝对值)。为了获得所述气体混合物的最终特性，还应该额外添加二氧化碳。由于在20摄氏度测量时，七氟异丁腈的所述分压是0.368bars(绝对值)，而所述气体的总压力为5bars(绝对值)，i-C3F7CN的摩尔比率为0.368/5，也就是约为7.4％。
为了确定所述气体混合物在填充时的成分，在所述设备确定的推荐填充压力下，七氟异丁腈的摩尔百分比M，为七氟异丁腈/二氧化碳混合物中能包含七氟异丁腈的最大比例，以确保所述设备的所述壳体中没有液体。所述摩尔百分比M在公式M＝(Phe/P混合物)×100中给出，其中Phe代表的压力，相当于在所述填充温度(通常是20摄氏度)时，七氟异丁腈在所述设备的最低使用温度Tmin下所呈现的饱和蒸气压(Phe＝(SVPhe×293)/(273+Tmin))。
用于填充的所述摩尔百分比Mhe根据一个M的函数来选择，在某些情况下，为了避免任何液体的存在，必须保证Mhe不超过M。
然而，这有时是可能的，例如，在中压或高压绝缘设备中，不受液相存在的影响，在低或极低的温度下会有少量的液体存在，在这种情况下，Mhe可以达到M的110％，甚至是130％。此外，由于七氟异丁腈相比中性气体有更好的介电强度，优选七氟异丁腈来填充是可取的：因此，较好的选择Mhe，使它大于或等于M的80％，更好的是大于或等于M的95％，最好是大于或等于M的98％，比如等于M的99％。
所述设备采用气体搅拌的方式填充，使其能够控制七氟异丁腈和二氧化碳之间的比率，在精密质量流量计的压力下，该比率保持不变，约为7.4％。
与固体绝缘材料结合
为了获得与六氟化硫等效的介电性，而不降低其在低温时的性能或增加压力的总量，上述的气体混合物是与具有低介电常数的固体绝缘材料结合使用的，该固体绝缘材料应用在一些导电部件上，这些导电部件受到电场的影响，大于没有使用固体绝缘材料系统的击穿电场。
在本发明中，已经测试了三种固体绝缘材料：
(1)根据DIN EN ISO 12944 D5M，一种环氧化物类型的热固性树脂粉末涂料，其厚度为100微米；
(2)一种铝氧化物涂料，通过在酸浴中通过电流的硬阳极化处理而获得，其厚度约为50微米；
(3)一种白色的环氧涂料，其厚度在100微米到400微米之间。
这三种图层被涂覆到铸件和铝部件，所述铸件和铝部件在附着涂料之前是通过毛坯铸造获得的，特别是通过没有额外的表面处理抛光的砂型浇铸获得的。
一个未涂覆的粗糙铸件在闪电冲击下的介电强度是650千伏。涂有上述三种涂料的部件，其闪电冲击下的介电强度提高了50千伏，也就是说，对于粗糙铸件，其性能提高了7.6％。相比之下，已被去毛刺化的非粗糙铸件，其闪电冲击下的介电强度提高了25千伏。
当所述部件表面粗糙，呈现出明显的粗糙度时，表面处理的积极影响尤其显著。因此，本发明的表面处理，也就是固体涂料的附着，有助于所述部件的平滑化。对于低粗糙度的抛光部件，添加涂层不会显著提高其整体的介电强度。
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Claims (11)

1.一种中压或高压设备，包括：密封壳体，所述密封壳体中定位有电气元件和气体介质，所述电气元件覆盖有固体介电层，所述气体介质用于提供电气绝缘和/或用于消除所述壳体中可能发生的电弧，所述气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈；
其特征在于，所述壳体中的所述固体介电层的厚度小于1毫米；并且
其特征在于，所述固体介电层由一种材料制成，所述材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电气元件是粗糙铸造的。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由包括可选地包含填充物的聚环氧化物树脂或者可选地包含填充物的聚氨酯树脂的材料制成的所述固体介电层具有介于10微米到500微米之间的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述聚环氧化物树脂包括聚环氧化物-聚硅氧烷树脂或聚环氧化物-聚酯树脂，或者由聚环氧化物-聚硅氧烷树脂或聚环氧化物-聚酯树脂构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述填充物是以粒子的形式存在的，例如纳米粒子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述填充物由选自以下各项组成的组的材料制成：氧化铝、二氧化硅、氧化钛、碳酸钙、氧化锌、硅灰石、石英、石墨、粘土、以及滑石。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由包括铝氧化物的材料制成的所述固体介电层具有介于10微米到100微米之间的厚度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述固体介电层以薄膜或粉末的形式存在。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述稀释气体选自以下各项组成的组：二氧化碳、氮气、氧气、空气和上述气体的混合物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备为气体绝缘变压器、用于输送或分配电力的气体绝缘线、用于连接至网络中的其他设备的元件、或者连接器/断开器。
11.根据权利要求1或9所限定的与稀释气体混合的七氟异丁腈在中压或高压设备中的使用，与稀释气体混合的七氟异丁腈被用作用于电气绝缘和/或电弧消除的气体，所述设备具有覆盖在固体绝缘层中的电气元件，所述固体绝缘层的厚度小于1毫米，并且所述固体绝缘层由权利要求1至8中所限定的材料制成，所述材料包括：可选地包含填充物的聚环氧化物树脂、可选地包含填充物的聚氨酯树脂、或者铝氧化物。
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