CN110010266B - 可再生烃基绝缘流体 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种包括电绝缘流体(3)的电气装备(1)，该电绝缘流体(3)包括源自可再生碳源的异链烷烃，流体具有至少210℃的闪点，并且包括至少70wt%的异链烷烃。电气装备可在海底安装和操作。

Description

可再生烃基绝缘流体
技术领域
本公开涉及一种用于电气装备中的电绝缘流体。
背景技术
液态或气态的电绝缘流体在电气设备如变压器、电容器、开关装置、套管等中使用，并且具有大量功能。绝缘、介电流体典型地用作电绝缘介质，其将设备内的高压与接地部分分开，并且作用为冷却介质来传递载流导线中生成的热。此外，流体的分析提供了在操作期间监测电气装备的健康的手段。
除上文提到的基本功能之外，绝缘流体还应当符合其它所需和期望的要求。流体在用于电气装备中时应当有助于高效率、较长操作寿命时间和最小的环境影响。此外，流体必须与电气装备中使用的材料相容，并且其不应当构成对人员健康和安全的危害。实际上，绝缘流体应当呈现出各种物理、电气和化学性能。所有这些性质都通过保证用于彼此的要求的标准和规范来管制。具体而言，流体的闪点和燃点应当高到足以在其使用的电气设备的故障期间避免火灾。
传统上，基于石油的油已经用作流体填充的变压器中的绝缘流体，这主要是因为关于低粘性、低倾点、高介电强度、容易可得性和低成本的有利性质。在最近几十年间，变压器行业已经经历了若干变化。对于具有与腐蚀性硫问题和油质量问题相关的确保的长期性能的紧凑且有效的变压器的市场需要保证了对变压器流体的性能提高的需要。此外，针对健康和安全的严格的环境规则稳定地发展，并且在变压器火灾或断电情况下的增加的责任风险引起所关心的原因。矿物油具有较弱的生物降解性，具有相对低的燃点，并且因此它们不是环境友好且火灾安全的。考虑到这些方面，基于酯的介电流体对于液体填充的变压器应用得到许多关注，尤其是对于分布类型的变压器。
现今，矿物油的最好替代物是酯液体。酯由于它们的高生物降解性和高燃点/闪点(＞300℃)而是有利的。它们的性质(例如，高运动粘性并且更重要的是它们的高成本)中的一些限制了它们广泛用于电气应用中。鉴于清洁、安全和健康环境的全球推动，需要具有类似于矿物油的介电/物理性质和显著高于矿物油的生物降解性和燃点，而且在类似于矿物油的成本的成本下可得到的绝缘流体。
关于生物降解性，没有特定方法来测试介电液体的生物降解性。常用方法中的一种为OECD 301B，所谓的修改的斯特姆(Sturm)测试。测试基于通过从环境获得的微生物的混合物降解营养液中的化学制品。在物质完全氧化时进化的CO2用于分类物质是可生物降解的还是抗生物降解的。如果在从获得10%的CO2进化时的那天算起10天的培育内，60%的CO2从混合物进化，则物质认作是可容易降解的。测试必须在28天内结束。如果60%的CO2使用如上文所述的计算天数的相同方法在28天结束时进化，则物质认作是可生物降解的。否则，物质认作是抗生物降解的。异链烷烃是指一组分支的饱和烃，也称为链烷。
存在用于由不饱和烃产生饱和烃的过程，例如，如以下美国文献中陈述的。
US2008/146469公开了一种用于使用alpha烯烃作为原料来产生制备的饱和脂肪族烃的过程，包括以下步骤：通过在茂金属络合催化剂存在的情况下使alpha烯烃二聚来产生亚乙烯基烯烃；在酸催化剂存在的情况下进一步使亚乙烯基烯烃二聚；以及使获得的二聚物氢化。此外，提供了一种包含由该过程产生的饱和脂肪族烃化合物的润滑剂成分。
WO2012/141784公开了源自烃萜烯如月桂烯、罗勒烯和法呢烯的异链烷烃，以及用于制造其的方法。异链烷烃具有作为润滑油基本原料的功用。
萜烯是由许多不同的设备产生的有机化合物。
萜烯从异戊二烯的单元生物合成地得到，其中萜烯为由多个链接的异戊二烯单元形成的分子。传统上，由异戊二烯子单元构成和对于源自设备的大部分的所有天然化合物表示为萜烯。有时，萜烯也称为类异戊二烯。在本质上，萜烯主要作为烃、乙醇和它们的苷类、醚类、醛类、酮类、羧酸类等出现。
WO2012/116783公开了一种酵母菌和用于产生一种或更多种(多种)萜烯的所述菌的使用。此外，该文献涉及生成所述菌和产生一种或更多种(多种)萜烯和包括所述(多种)萜烯的药品或化妆成分、润滑剂或变压器油的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种比之前使用的基于石油的流体对环境更友好的电绝缘流体用于在电气装备中使用。
根据本发明的方面，提供了包括异链烷烃的电绝缘流体在电气装备中的使用。异链烷烃源自可再生碳源。流体具有至少210℃的闪点，并且包括至少70wt%的异链烷烃。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括电绝缘流体的电气装备，该电绝缘流体包括源自可再生碳源的异链烷烃，流体具有至少210℃的闪点，并且包括至少70wt%的异链烷烃。
发明人认识到，通过从可再生碳源得到异链烷烃，并且并非如通常从石油或矿物油源得到的，可获得更适合用作电气装备中的绝缘流体的异链烷烃混合物。相比于典型地具有140℃到170℃的范围中的闪点的从矿物油获得的异链烷烃流体，所得的流体具有至少210℃或至少220℃的高闪点。为了从矿物油获得具有较高闪点的异链烷烃流体，需要昂贵且浪费的异链烷烃精炼，这是不合乎需要的。另外，所得的流体具有高异链烷烃含量，至少70%的重量，其中其余部分由其它碳化合物构成，例如，环烷化合物或苯化合物、任何添加剂和其它杂质。与源自可再生碳源的流体中的其它化合物的混合物组合的高异链烷烃含量给予流体高生物降解性，高于来自矿物油源的异链烷烃流体，使得本发明的流体对环境更友好。
有趣的是，包括异链烷烃的流体在高压下具有较低粘性和较高导热性。相比于常用的酯或油，包括异链烷烃的电绝缘流体在高压下的较低粘性和较高导热性的组合效果使得电绝缘流体特别适合于海底功率电应用。
大体上，权利要求中使用的所有用语都根据技术领域中的它们的普通意义解释，除非在本文中另外明确限定。所有提到的"一/一个/该元件、设备、构件、器件、步骤等"都开放地解释为表示元件、设备、构件、器件、步骤等的至少一个情形，除非另外明确指出。本文中所述的任何方法的步骤都不必以公开的确切顺序执行，除非明确指出。针对本公开的不同特征/构件使用的"第一"、"第二"等仅旨在将特征/构件与其它类似的特征/构件区分开，并且不对特征/构件给予任何顺序或等级。
附图说明
将经由实例参照附图来描述实施例，在该附图中：
图1为根据本发明的电气变压器的实施例的示意性侧视截面图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更完整地描述实施例，在该附图中示出了某些实施例。
然而，以许多不同形式的其它实施例可能在本公开的范围内。相反，以下实施例经由实例提供，以使本公开将为彻底且完整的，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相似标记遍及说明书表示相似元件。
原油例如异链烷烃可通过使它们与烯烃共聚单体反应来源自萜烯原料(例如，见2. WO2012/141784)。为了生成异链烷烃，烃萜烯原料在催化剂存在的情况下与一种或多种烯烃共聚单体结合，以形成一个或多个分支烯烃。这些分支烯烃接着氢化来形成一个或多个异链烷烃。这些得到的异链烷烃的感兴趣方面在于萜烯原料可由可再生源产生，并且它们的性质可通过选择正确类型的烯烃共聚单体和用于反应的萜烯来调节。
异链烷烃流体可针对电绝缘目的开发，并且现今，用于变压器应用的异链烷烃油都是市售的，并且还在发展中。异链烷烃可通过不同过程产生，例如，精炼粗油或通过气体到油(GTL)的技术。尽管源自粗油的异链烷烃具有相对于粘性和倾点的合乎需要性质，但它们仅具有相比于现有的矿物油略高的生物降解性和低燃点/闪点值。
在一些实施例中，绝缘流体包括至少90wt%的异链烷烃。该甚至更高的异链烷烃含量可甚至更进一步改进流体的闪点和生物降解性。在一些实施例中，流体具有至少65%的生物降解性，这高于源自矿物油的对应异链烷烃流体。生物降解性可根据OECD 301B测量。在一些实施例中，流体能够根据OECD 301B容易地降解。
在一些实施例中，异链烷烃借助于微生物或藻类如细菌、酵母或藻类源自可再生碳源。异链烷烃和异链烷烃流体的至少一个阶段中的生物产生可为方便的，并且比常规的化学合成对环境更友好。例如，见背景技术中提到的WO2012/141784和WO2012/116783的微生物方法。
在一些实施例中，异链烷烃源自从可再生碳源获得的萜烯或不饱和化合物。在这些实施例中，异链烷烃经由萜烯或(其它)不饱和化合物源自可再生碳源。萜烯可首先源自可再生碳源，并且接着，异链烷烃源自所述萜烯，或萜烯可为可再生碳源的一部分。萜烯可为方便的化合物以由(例如，见WO2012/141784的方法)产生异链烷烃。因此，在一些实施例中，异链烷烃借助于微生物或藻类如细菌、酵母或藻类源自萜烯。
在一些实施例中，可再生碳源为生物质，如，甘蔗、糖蜜或纤维素纸浆。然而，与化石碳源相反，任何可再生碳源构想用于本发明。
在一些实施例中，根据ASTM D5950，流体具有小于-25℃的倾点。低温倾点在用于在电气装备中使用的电绝缘流体中是有利的，并且可根据本发明利用流体获得。
在一些实施例中，流体在100℃下具有2到10cSt(厘斯或mm2/s)范围中的运动粘度。此类运动粘度在电气装备中的电绝缘流体中是有利的，并且可根据本发明利用流体获得。
在一些实施例中，流体还包括添加剂，如，抗氧化剂或倾点抑制剂。异链烷烃可与任何适合的添加剂组合，用于针对其中使用流体的应用改进绝缘流体的性质。
在一些实施例中，电气装备为电气变压器、电动机、电容器、电路断路器极、变频器、电抗器或套管。流体设想为有利地用于变压器中，而且用于电动机或其它电气装备，尤其是高温设备中。
图1为本发明的电气装备的实施例的示意图，此处呈电气变压器(1)的形式。变压器(1)具有壳体(2)，其容纳浸没在绝缘流体(3)中的变压器的电气部分。电绝缘流体(3)根据本文中所述的其任何实施例具有至少210℃的闪点，并且包括至少70wt%的异链烷烃。在变压器1的顶部处，气体(例如，空气)相(6)可存在于壳体内，并且在液态流体(3)的顶面上方。变压器(1)的电气部分包括由电导线(8)和(10)的线圈/绕组(5)包绕的金属芯(4)。在附图的非常简化的图示中，引入的电导线(8)经由套管(7)进入壳体(2)内，并且引出的电导线(10)经由套管(10)离开壳体(2)。变压器(1)或其中使用流体的其它电气装备可例如为高温变压器，其布置成在高于源自矿物油的绝缘流体的正常操作温度(例如，高于160℃、180℃或高于200℃的操作温度)的温度下操作。
近年来，存在对在从几十米到甚至千米的深度的海床上安装电气装备的增长的兴趣。海底油气开采采用电气装备如钻井电机、泵和压缩机，它们当前由位于顶侧平台上的变频机驱动。电力由昂贵的脐带提供至海底机器。通过安装变压器、断路器、变频机和海底的其它电功率装备，线缆和顶侧的设施可为备用的，并且可实现巨大的成本节省。
在海底深度处带来电功率方面，两个总体构思存在：(1)装备停留在大气压力下；以及(2)装备加压至海床上的流体静压水平。两个构思可区别如下。构思(1)具有的优点在于可使用从陆上设施已知的标准电气构件，而缺点包括封壳耐受内侧与外侧之间的压差所需的厚壁。厚壁使得装备重且昂贵。此外，穿过厚壁的热传递不是非常有效的，并且需要巨大的昂贵冷却单元。构思(2)具有的优点在于封壳不需要厚壁，因为容器内侧与外侧之间没有压差。冷却由薄壁极大地促进。构思(2)的缺点在于所有构件必须没有气体夹杂和可压缩的空隙，否则它们在加压期间爆炸并且被破坏。通过使用包括异链烷烃的电绝缘流体，利用在高压下的有利性质，即，相比常用油或酯的较低粘性和较高导热性，可使包含电气装备的绝缘流体的海底安装和操作更可靠。
在一些实施例中，电气装备安装在水/海面下方，即，海底，电气装备为电气变压器、电动机、电容器、电路断路器极、变频器、电抗器或套管。流体设想为有利地用于变压器中，而且用于其它电气装备中。
在一些实施例中，电气装备安装在容纳电绝缘流体(3)的壳体(2)内，并且电气装备的一个或更多个部分浸没在绝缘流体(3)中，并且在该情况下，电气装备例如可为功率电子模块。
实例
根据本发明的绝缘异链烷烃流体可为介电流体，例如，源自萜烯的流体。基于萜烯或源自萜烯的介电流体(即，根据本发明的流体)可具有除类似于矿物油的成本之外的以下有利性质。
使用可再生原料
高生物降解性(＞65%)
优异的运动粘性(在100℃下2cSt到＞12cSt和40℃下＜30cSt之间可调整)
高闪点(＞210℃)
低倾点(＜-30℃)
相比于矿物油的更好的热传递能力
优良的氧化稳定性
高压下的较低粘性和较高导热性
本公开主要参照了少许实施例在上文中描述。然而，如本领域技术人员容易认识到的，除上文公开的实施例之外的其它实施例在由所附专利权利要求限定的本公开的范围内同样可能。

Claims (19)

1.包括源自可再生碳源的异链烷烃的电绝缘流体（3）在海底电气装备（1）中的用途，所述流体具有至少220℃的闪点并且包括至少70wt%的所述异链烷烃。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述流体包括至少90wt%的所述异链烷烃。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，根据OECD 301B，所述流体具有至少65%或至少95%的生物降解性。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述异链烷烃借助于微生物或藻类源自所述可再生碳源。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述微生物是细菌或酵母。
6.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述异链烷烃源自从所述可再生碳源获得的萜烯或不饱和化合物。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述异链烷烃借助于微生物或藻类源自萜烯。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述微生物是细菌或酵母。
9.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述可再生碳源为生物质。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述生物质为甘蔗、糖蜜或纤维束纸浆。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的用途，其特征在于，根据ASTM D5950，所述流体具有小于-25℃的倾点。
12.根据权利要求1-10中的任一项所述的用途，其特征在于，所述流体在100℃下具有2cSt到10cSt范围中的运动粘性。
13.根据权利要求1-10中的任一项所述的用途，其特征在于，所述流体还包括一种或更多种添加剂。
14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述添加剂为抗氧化剂或倾点抑制剂。
15.根据权利要求1-10中的任一项所述的用途，其特征在于，所述电气装备为电气变压器、电动机、电容器、电抗器或套管。
16.一种包括电绝缘流体（3）的海底电气装备（1），所述电绝缘流体（3）包括源自可再生碳源的异链烷烃，所述流体具有至少220℃的闪点并且包括至少70wt%的异链烷烃。
17.根据权利要求16所述的电气装备，其特征在于，所述电气装备（1）为电气变压器、电动机、电路断路器极、变频器、电容器、电抗器或套管。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的电气装备，其特征在于，所述电气装备在海底安装和操作。
19.根据权利要求18所述的电气装备，其特征在于，所述电气装备（1）安装在容纳所述电绝缘流体（3）的壳体（2）内，并且所述电气装备的一个或更多个部分浸没在所述绝缘流体（3）中。
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