CN109887644A - 一种混合电介质以及中压或高压电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气设备技术领域，尤其涉及一种混合电介质以及中压或高压电气设备。本发明公开了一种混合电介质，包括：全氟烯烃和氢氟烯烃；全氟烯烃和氢氟烯烃的碳原子数均为三个；全氟烯烃和氢氟烯烃的全球变暖潜值(GWP)低于氢氟烯烃的全球变暖潜值；其中，全氟烯烃和氢氟烯烃的摩尔百分比MFO不小于由公式M＝(PFO/PMixture)×100确定的摩尔百分比M的95％，其中，PMixture是电气设备中混合电介质在20℃下的压力，PFO是在20℃下等同于全氟烯烃和氢氟烯烃在电气设备的最低操作温度下的饱和蒸汽压。该混合电介质GWP值低，饱和蒸汽压和介电常数高，克服了单一氢氟烯烃或全氟烯烃饱和蒸汽压不够高、电介质绝缘/灭弧性能受限等缺点。

Description

一种混合电介质以及中压或高压电气设备

技术领域

本发明涉及电气设备技术领域，尤其涉及一种混合电介质以及中压或高压电气设备。

背景技术

在中压或高压电气设备中，电绝缘和可能的灭弧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)，其具有高介电强度、良好的热导性以及低介电损耗，对人和动物无毒性，分解之后可迅速且几乎完全地实现自恢复。但是，SF₆的全球变暖潜值(GWP)为22800(相对CO₂)，在大气中的停留时间为3200年，是已知最强的温室气体之一，被联合国气候变化框架公约列为必须限制排放的气体。最好的控制SF₆排放的方法是限制其使用，因此，世界各国正致力于SF₆替代气体的研发。

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“简单”气体，其介电强度比SF₆低很多，将其用于中高压设备的电绝缘/灭弧，将大大增加设备体积和/或填充压力，不符合行业发展趋势。

全氟化碳(C_nF_2n+2，C-C₄F₈)总体上具有优良的介电强度，但是其GWP仍然很高，通常介于5000至10000之间。具有合适的介电特征和GWP的其它替代物，例如三氟碘甲烷(CF₃I)，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。发明专利CN103782350A公开了一种将氢氟烯烃与空气、氮气、氧气、二氧化碳等混合作为电介质的方法，但由于其采用的氢氟烯烃饱和蒸汽压不够高、绝缘能力有限，仅适用于中压电气设备。

发明内容

本发明提供了一种混合电介质以及中压或高压电气设备，解决了现有的电气设备的绝缘电介质饱和蒸汽压不够高，绝缘能力有限的问题。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种混合电介质，包括：全氟烯烃和氢氟烯烃；

所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的碳原子数均为三个；

本发明中，氢氟烯烃优选为C₃H₂F₄和/或C₃HF₅，其无毒性和腐蚀性，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，且具有较好的介电性能。更优选为2，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)或反式-1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)。

本发明中，全氟烯烃优选为C₃F₆(HFP)，其无毒性和腐蚀性，不具有爆炸性，ODP(消耗臭氧潜能值)等于0，全球变暖潜值(GWP)低于1，介电性能与SF₆接近。

所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的混合物的GWP低于所述氢氟烯烃的全球变暖潜值；

需要说明的是，本发明中，混合电介质被封闭在电气设备中，其组分在所经受的温度和压力条件下需保持气体状态。气态介质的总全球变暖潜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。

其中，氢氟烯烃和全氟烯烃组成的的混合物的摩尔百分比M_FO不小于由公式M＝(P_FO/P_Mixture)×100确定的摩尔百分比M的95％，其中，P_Mixture是电气设备中混合电介质在20℃下的压力，P_FO是用相同单位表示的，P_FO是在20℃下等同于氢氟烯烃和全氟烯烃组成的混合物在电气设备的最低操作温度下的饱和蒸汽压，即P_FO由P_FO＝(PVS_FO×293)/T_min确定，其中PVS_FO表示氢氟烯烃和全氟烯烃组成的混合物在以开式绝对温度表示的电气设备所使用的最低温度T_min下的饱和蒸汽压力。因此，混合电介质的介电性能尽可能地高，并且几乎等于SF₆的介电性能。

优选地，所述全氟烯烃占所述所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的摩尔百分数为45％～75％，更优选为70％。

优选地，所述最低操作温度(T_min)为-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃或0℃。

氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物中氢氟烯烃与全氟烯烃的相对含量依据饱和蒸汽压函数和介电强度函数确定。

在电气设备为中压设备的情况下，介质部分地以液体状态存在不会引起任何常态问题。因此，氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物的摩尔百分比M_FO可以高于摩尔百分比M。

在电气设备为中压或者高压的金属包盖的设备情况下，在该装置的整个操作温度范围内，混合物应该仅呈气体状态或几乎呈气体状态，使得其能够满足现行标准。因此，优选地，氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物的摩尔百分比M_FO不超过摩尔百分比M的100％，使得氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物不会具有液化相。更优选地，氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物的摩尔百分比M_FO上限在摩尔百分比M的98％和100％之间(即该摩尔分比M的0.98倍与1倍之间)。

优选地，混合电介质还包括：缓冲气体。

优选地，所述缓冲气体为空气、氮气和/或氧气。

本发明中，当电气设备混合电介质的绝缘强度不够时，增加缓冲气体可以提高电气设备混合电介质的绝缘强度。

本发明还提供了一种中压或高压的电气设备，包括上述混合电介质。

优选地，所述电气设备为气体绝缘变压器、用于传输或配电的气体绝缘线路或电连接/断开设备。

本发明中，用于传输或配电的气体绝缘线路优选为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；电连接/断开设备优选为气体绝缘组合电器、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。

本发明中，中压或高压的电气设备由密封的壳体构成，壳体中的电气部件配设在一起，壳体中有提供电绝缘和/或灭弧的混合电介质。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种混合电介质，该混合电介质采用低GWP值的氢氟烯烃和全氟烯烃的混合物作为电介质，一方面从根本上解决了传统SF₆绝缘/灭弧气体温室效应强的问题；另一方面，通过将氢氟烯烃和全氟烯烃混合使用，利用二者在饱和蒸汽压和绝缘性能方面的相互作用和协同效应，使得该混合电介质饱和蒸汽压和介电常数高，克服了单一氢氟烯烃或全氟烯烃饱和蒸汽压不够高、、电介质绝缘/灭弧性能受限的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例为混合电介质HFP和HFO-1234yf的饱和蒸汽压随温度变化的关系图；

图2为本发明实施例为混合电介质HFP和HFO-1234yf的绝缘性能随摩尔百分比的变化关系图；

图3为本发明实施例提供的绝缘测试装置图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种混合电介质以及中压或高压电气设备，用于解决现有的电气设备的绝缘电介质饱和蒸汽压不够高，与缓冲气体的协同作用弱，且绝缘能力有限的问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，氢氟烯烃HFO-1234yf为CF₃-CF＝CH₂，其环境影响为GWP＝4，ODP＝0，对人体无毒性，急毒性暴露极限ATEL＝101000ppm；全氟烯烃HFP为CF₃-CF＝CF₂，环境影响为GWP＜1，ODP＝0，对人体无急毒性。

HFO-1234yf可以使用满足化学式CHF＝CH-CF₃的同分异构物HFO-1234ze或者2，3，3，3-四氟-1-丙烯。

本发明中，无论电气设备的操作温度如何，氢氟烯烃和全氟烯烃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P_FO，以获得遵循根据本发明建议的结果。

将HFP和HFO-1234yf的混合电介质常温下填充入绝缘测试装置中，如图3所示，检测HFP/HFO-1234yf的混合电介质的介电强度。

图1给出了混合电介质HFP和HFO-1234yf作为温度的函数的压力值，其中，横坐标yHFP表示气相中HFP占(HFP+HFO-1234yf)混合物的摩尔比，从中可以看出，HFP与HFO-1234yf在饱和蒸汽压方面具有显著的协同效应，二者混合物的饱和蒸汽压高于单一物质的饱和蒸汽压。

图2为本发明实施例为混合电介质HFP和HFO-1234yf的绝缘性能随摩尔百分比的变化关系图，其中，横坐标yHFP表示气相中HFP占(HFP+HFO-1234yf)混合物的摩尔比，同时，如图2所示，在绝缘测试装置总气压为250kPa时，HFP与HFO-1234yf在绝缘性能方面具有显著的协同效应，二者混合物的介电强度高于单一物质的介电强度，也优于同等压力下纯SF₆的介电强度。在50Hz交流电压下对HFO-1234yf和HFP及其混合物的测量表明，根据本发明的混合电介质满足现有设备的使用条件。

由于根据本发明的氢氟烯烃和全氟烯烃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HFO-1234yf和HFP依据饱和蒸汽压函数和介电强度函数被按比例添加以满足给定的填充压力条件。特别是，如果预计要在-5℃下使用填充至2.5bar(即250kPa)的类型的设备，则在常温下将0.75bar(即75kPa)下的HFO-1234yf与1.75bar(即175kPa)下的HFP气体混合。

因此，为了确定用于填充的混合电介质的组成，先确定电气设备的填充压力P_Mixture。氢氟烯烃/全氟烯烃混合物中的等效摩尔百分比M由公式M＝(P_FO/P_Mixture)×100给出。其中，P_FO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T_min下的氢氟烯烃/全氟烯烃混合物的饱和蒸汽压力SVP的压力(P_FO＝(PVS_FO×293)/T_min)。百分比M代表的最大量，使得在壳体中没有液体存在。在某些情况下，不应该超过临界值M以防止存在任何液体，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M_FO可以达到M的110％，甚至达到M的120％。此外，由于氢氟烯烃和全氟烯烃比氮气等具有更好的介电强度，因此，当设备内氢氟烯烃/全氟烯烃混合物不会液化时，M_FO选为大于或等于摩尔百分比M的95％，并且优选地，M_FO≥0.98M，或者M_FO＝0.99M；其余充入氮气。

氢氟烯烃和全氟烯烃的混合介质中氢氟烯烃与全氟烯烃的相对含量依据饱和蒸汽压函数和介电强度函数确定。

例如，将氢氟烯烃HFO-1234yf和全氟烯烃HFP用于冷设备(T_min≤-15℃)中，添加物的量明确地作为电气设备的最低操作温度和介电强度的函数进行确定。例如，对于将在-15℃的最低温度下使用的设备，在-15℃下HFO-1234yf的饱和蒸汽压为178kPa，HFP的饱和蒸汽压为184kPa，HFP/HFO-1234yf混合物的最大饱和蒸汽压为197kPa，对应于最大介电强度的HFP/HFO-1234yf混合物的饱和蒸汽压为195kPa(其中HFP的蒸汽压为136.5kPa，HFO-1234yf的蒸汽压为58.5kPa)，这表示在20℃下测得的压力分别为155kPa和66kPa。如果在该类型设备中的气体混合物的总压力是2bar绝对压力(也就是200kPa)，那么HFP与HFO-1234yf的摩尔比将会是1.4：0.6；如果在该类型设备中的气体混合物的总压力是4bar绝对压力(也就是400kPa)，那么可以加入1.79bar的氮气，HFP与HFO-1234yf/氮气的摩尔比将会是1.55：0.66：1.79。混合物的GWP都是2的量级，极大地减少了对环境的影响。

发明专利CN103782350A中，单一的氢氟烯烃与缓冲气体的绝缘协同作用较弱，与二氧化碳等常规缓冲气体的绝缘协同作用弱，本发明实施例中，采用氢氟烯烃与全氟烯烃组成的混合物，该混合电介质与氮气等缓冲气体的协同作用较强。

HFP和HFO-1234yf的混合电介质的性能证明可以在现有设备中加以使用，可以是具有额定电压的145KV GIS类型设备，也可以是中压设备。特别是，在抽真空之后，借助于配气系统来控制HFP和HFO-1234yf之间的比率，可对市售设备进行填充并使用，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；优选地，在设备中已经产生真空(0-0.1kPa)。

由于现有设备已经设置有分子筛，该分子筛吸收在断路或局部放电期间产生的小分子，所以使具有某些毒性的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。

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混合电介质(GWP不到SF₆绝缘的0.1％)，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的介电和断路特性。该混合电介质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。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种混合电介质，其特征在于，包括：全氟烯烃和氢氟烯烃；

所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的碳原子数均为三个；

所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的全球变暖潜值(GWP)低于所述氢氟烯烃的全球变暖潜值；

其中，所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的摩尔百分比M_FO不小于由公式M＝(P_FO/P_Mixture)×100确定的摩尔百分比M的95％，其中，P_Mixture是电气设备中混合电介质在20℃下的压力，P_FO是在20℃下等同于所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃在电气设备的最低操作温度下的饱和蒸汽压。

2.根据权利要求1所述的混合电介质，其特征在于，所述最低操作温度为-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃或0℃。

3.根据权利要求2所述的混合电介质，其特征在于，所述全氟烯烃占所述所述全氟烯烃和所述氢氟烯烃的摩尔百分数为45％～75％。

4.根据权利要求1所述的混合电介质，其特征在于，所述氢氟烯烃为2，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)。

5.根据权利要求1所述的混合电介质，其特征在于，所述氢氟烯烃为反式-1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)。

6.根据权利要求1所述的混合电介质，其特征在于，所述全氟烯烃为六氟丙烯(HFP)。

7.根据权利要求1所述的混合电介质，其特征在于，还包括：缓冲气体。

8.根据权利要求7所述的混合电介质，其特征在于，所述缓冲气体为空气、氮气和/或氧气。

9.一种中压或高压的电气设备，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的混合电介质。

10.根据权利要求9所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为气体绝缘变压器、用于传输或配电的气体绝缘线路或电连接/断开设备。