CN110637350A - 包含用于将co转化成co2的二氧化铈基催化剂的断路器 - Google Patents
包含用于将co转化成co2的二氧化铈基催化剂的断路器 Download PDFInfo
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Abstract
一种断路器，所述断路器包括外壳，所述外壳包含：‑至少两个灭弧触点，所述灭弧触点在断路器的断开位置(其中灭弧触点彼此分离)与断路器的闭合位置(其中灭弧触点彼此接触)之间相对于彼此可轴向移动；以及‑气体入口，所述气体入口被配置成吹送电弧控制气体以便中断电弧，所述电弧可能在灭弧触点从断路器的闭合位置到断开位置的移动期间形成，其中所述电弧控制气体包含至少80%的二氧化碳；其中所述外壳还包含催化材料，所述催化材料将在电弧放电期间在二氧化碳电离后形成的一氧化碳转化为二氧化碳，所述催化材料包含二氧化铈和贵金属。
Description
技术领域和现有技术
本发明涉及中压和高压设备中电弧的电绝缘和熄灭领域。
更准确地说，本发明涉及一种包括二氧化铈基催化剂材料的中压或高压断路器，该催化剂材料将在电弧放电期间形成的一氧化碳转化为二氧化碳。
电弧爆炸(arc-blast)断路器包括至少两个灭弧触点，所述灭弧触点在断路器的断开位置和断路器的闭合位置之间相对于彼此可轴向移动，在断路器的断开位置灭弧触点彼此分离，在断路器的闭合位置灭弧触点彼此接触。在断路器中，电流通常通过分离灭弧触点而被断开。从断路器的闭合位置到断开位置，可能在所述触点之间形成电弧。为了中断电弧，将绝缘介电气体在电弧上爆炸，从而使得冷却所述电弧并将其熄灭成为可能。
目前，用于这种类型的断路器的最常用的电弧控制气体为六氟化硫SF6，因为所述气体的异常物理性质。然而，SF6的主要缺点是它是一种非常强的温室气体，具有特别高的全球变暖潜能(GWP)。
在使用SF6作为电弧控制气体的替代方案中，全球变暖潜能低于SF6的各种气体为已知的，例如干燥空气或者还有氮气。
特别有利的电弧控制气体为二氧化碳CO2，因为CO2具有强的电绝缘和灭弧能力。此外，CO2无毒，不可燃，具有非常低的GWP，并且也容易得到。
CO2可单独使用或以气体混合物的形式使用，其中它构成称为"载体气体"的主要气体。例如，通常由Alstom以名称g3 (或"green gas for green")销售的气态介质，一种CO2 (100-x)%与氟化气体x% (x≤10%)的混合物，适于代替SF6。该气体混合物呈现与SF6相当或甚至更好的熄灭能力，对环境几乎没有影响或没有影响(GWP比SF6的GWP低98%)，成本与其在工业规模上制造开关设备中的使用相容，并且对人类和动物无毒。
但是，并且与具有在通过电弧放电分解后重新结合的性质的SF6相反，CO2完全不重新结合，即产生大量的有毒气态一氧化碳CO和碳粉。因此，随着由所述断路器实施的断路次数增加，最初以气态存在于断路器内用于切断电流的二氧化碳的量减少。因此，将CO转化为CO2为关键问题。
各种文献描述了CO转化，主要用于汽车应用。文献US 2003/0099586和US 2004/0175319描述了使用包含氧化金和氧化铁的材料作为在大量过量的氢气存在下将CO氧化成CO2的催化剂。气体混合物包含空气作为氧源。在文献US 5,112,787中，在低于100℃的温度下，金和至少一种选自氧化铁、氧化钴或氧化镍的氧化物的混合物用于氧化空气中的一氧化碳。
在文献US 2011/0217216中，包含钯、二氧化铈和铂的材料提供废气中二氧化碳的转化，特别是在富燃发动机操作条件下。
氧化废气中过量的CO也已经在US 2016/0129422中实施，其在100℃至700℃的范围的温度下，使用包含钯和含二氧化铈的材料的催化剂。
在US 2007/0056601中，例如用于香烟或空气过滤器的催化剂，其包含在氧化铈上的金纳米点，在室温下操作。
这些文献总体上集中于催化剂材料合成。此外，尽管它们有时在相对低的温度下操作，但是它们采用氧气(存在于废气、空气过滤器、香烟中)用于转化过程。
然而，在熄灭电弧领域，介质缺乏氧气。
发明简述
本发明的目的是提出一种断路器，所述断路器包括在低温(低于100℃)下在无氧气体混合物中将CO气体转化为CO2而不损害气体介电性质的材料。
通过本发明实现这些目的，本发明提供一种断路器，所述断路器包括外壳，所述外壳包含：
-至少两个灭弧触点，所述灭弧触点在断路器的断开位置与断路器的闭合位置之间相对于彼此可轴向移动，在断路器的断开位置灭弧触点彼此分离，在断路器的闭合位置灭弧触点彼此接触，
-气体入口，所述气体入口被配置成吹送电弧控制气体以便中断电弧，所述电弧可能在所述灭弧触点从断路器的闭合位置到断开位置的移动期间形成，所述电弧控制气体包含至少80%的二氧化碳，
所述外壳还包含催化材料，所述催化材料将在电弧放电期间在二氧化碳电离后形成的一氧化碳转化为二氧化碳，所述催化材料包含二氧化铈和贵金属。
令人惊讶的是，二氧化铈用于无氧介质中。出乎意料地，已经观察到，使用这样的催化材料，由于二氧化铈的存在，即使在无氧介质中也可以进行转化。二氧化铈起到氧气罐贮存器的作用。转化机制涉及氧从可还原的氧化物(二氧化铈)向贵金属的转移。可还原的氧化物应理解为可具有几种氧化态的金属的氧化物。
该材料使得即使在低温(低于200℃，优选低于100℃)下也能够中和一氧化碳。
绝缘气体的成功再生保持其性质并改进其寿命。
该催化剂材料适于安装在断路器中，而其体积没有任何增加，并且成本(即在制造过程方面)没有任何显著增加。
有利地，贵金属为金或铂。
有利地，催化材料包含0.5重量%至20重量%的贵金属，并优选0.5重量%至5重量%。这些百分比使效率最大化，同时使成本最小化。
有利地，催化材料为颗粒形式。这使得能够增加表面积。
有利地，颗粒的直径为1mm至10mm，优选1mm至5mm。通过常规且低成本的方法，相对容易得到这种尺寸的颗粒。
根据另一个实施方案，催化材料由陶瓷基材如堇青石基材负载。陶瓷基材具有高热阻，这适用于断路器应用。
有利地，电弧控制气体由二氧化碳CO2构成。
在本发明的第二种变型中，电弧控制气体为包含CO2和至少一种氟化化合物的气体混合物，所述氟化化合物例如2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-2-丙腈、1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮、2,3,3,3-四氟丙烯、1,3,3,3-四氟丙烯或氟代环氧乙烷。
催化材料可用于转化不同的电弧控制气体中的一氧化碳。
本发明还提供一种包括如前所定义的断路器的空气绝缘的开关设备(AIS)。
本发明还提供一种包括如前所定义的断路器的气体绝缘的开关设备(GIS)。
在阅读下面给出的与根据本发明的断路器相关的另外描述后，可以更好地理解本发明。
然而，自然地，该另外描述仅通过本发明的说明性实例的方式给出，而决不限制所述发明。
具体实施方案的详细描述
断路器可为中压或高压断路器。
在上下文中，术语"中压"和"高压"以常规接受的方式使用，即术语"中压"是指在7.2 kV至52 kV范围的电压，而术语"高压"是指在52 kV至800 kV范围的电压。
断路器包括封闭的外壳，该外壳具有容纳在所述外壳内的一定数量的电气和/或机械部件。该外壳为防漏外壳。
外壳的体积可为50L至1000L。
外壳包括气体入口，所述气体入口被配置成将电弧控制气体吹到电弧上以将其熄灭。气体可在喷嘴中注入。该外壳还含有气体出口。
催化材料被布置成与含有在电弧放电期间形成的CO分子的气流接触，并将其转化成二氧化碳。其可位于靠近灭弧触点的位置。
根据另一个实施方案，其位于断路器的气体出口中。
电弧控制气体为介电绝缘气体。
其含有至少80体积%，并优选至少90体积%的二氧化碳。例如，其可为二氧化碳(80-100%)和一种或多种氟化化合物(0-20%)的混合物。优选，其为二氧化碳(90-97%，优选90-96%)和一种或多种氟化化合物(3-10%，优选4-10%)的混合物。为了说明的目的，氟化化合物可为由Alstom以名称Novec 4710 (式(CF3)2CFCN的2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-2-丙腈)或Novec 5110 (式CF3C(O)CF(CF3)2的1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮)商业化的化合物。其还可为2,3,3,3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、1,3,3,3-四氟丙烯(HFO-1234ze)或氟代环氧乙烷。
也可联合使用两种氟化化合物，例如七氟异丁腈和四氟甲烷。
应当注意，该催化剂可用于具有较低CO2量的气体。只要气体混合物中存在CO2，由于在高压断路器中的电弧放电可形成CO，并且CO转化系统为必要的。
根据其他实施方案，气体混合物包含氧。氧可进一步促进有害副产物的降低。例如，气体混合物含有至少80%的混合物(二氧化碳和氧)。其中氧含量优选在1%至25%范围。在另一实施方案中，气体可由二氧化碳组成。
电弧控制气体为无氧的。“无氧”应理解为电弧控制气体含有小于0.1体积%的氧气，并优选小于0.02体积%。
有利地，无论设备的使用温度如何，介电绝缘气体在设备中都以完全气态的形式存在。因此，可取的是，设备内部的气体压力根据在所述设备的最低使用温度下由气体呈现的饱和蒸气压(SVP)而选择。
在电弧放电期间，二氧化碳被电离成一氧化碳。所形成的CO的量取决于操作的物理条件和过程中涉及的化学反应。其从几ppm直至百分之几，例如从1ppm至5%而变化。
使用氧化物基催化剂，实现一氧化碳的转化。很少可还原的氧化物可用于该应用，例如TiO2和CeO2。二氧化铈CeO2为提供用于改进载氧能力和氧化还原动力学的最佳途径的氧化物。
二氧化铈(ceria)(CeO2)也称为氧化铈(ceric oxide)、二氧化铈(cericdioxide)、氧化铈(cerium oxide)或二氧化铈(cerium dioxide)。二氧化铈与贵金属(如金、钯、铂和铑)组合使用。优选，二氧化铈与铂和/或金组合使用。贵金属优选为颗粒形式。通常，将其布置在二氧化铈的外表面，以便与一氧化碳直接接触。
二氧化铈由于其氧化还原性质而被认为是储氧材料：二氧化铈" CeO2 "中的铈"Ce "具有在+4和+3氧化态之间转换的能力。因此，二氧化铈可提供CO转化/氧化所必需的氧原子。有利地，在二氧化铈表面处存在贵金属增强其还原性。
CO的完全氧化反应遵循Mars Van Krevelen机制，包括氧从二氧化铈向一氧化碳的转移：2CeO2 + CO → CO2 + Ce2O3。
更详细地，一方面，存在CO在贵金属表面(例如铂)上的吸附。
另一方面，氧通过扩散从主体迁移到二氧化铈表面。由二氧化铈载体产生的氧也被吸附到铂上。
随后，在二氧化铈表面上实施的铂位点上发生O2分离成2O-和CO氧化成CO2，如下：
CO + 1/2 O2 → CO2。
最后，CO2从铂表面解吸。
催化材料包含0.5重量%至20重量%的贵金属，并优选0.5重量%至5重量%。
在另一个实施方案中，催化材料可包含一种或多种另外的化合物，例如金属氧化物和/或镧系元素。例如，催化材料可包含过渡金属的氧化物，例如ZrO2，其可参与烟灰转化。
根据另一个实施方案，催化材料由可还原的氧化物和贵金属组成。
每次熄灭电弧并形成一氧化碳时，二氧化铈基催化剂将一氧化碳转化为二氧化碳。
使用光谱和气相色谱，已经成功地实施和测试了几种氧化铈基催化剂。
该测试包括采用：在几小时/几天期间，在含有与催化剂接触的样品(气体混合物)的气密测试单元内CO (和CO2)的量的演变。
如前所述的二氧化铈基催化剂经证明是可用的。这些材料允许CO气体到CO2气体的良好转化，和因此允许通过绝缘气体混合物的优良电弧控制性能，该性能为持久的。
催化材料可为催化颗粒的粉末。催化颗粒的直径可为几毫米，例如1 mm至10 mm，优选1 mm至5 mm。
本发明的催化材料可在任何合适的基材上沉积。有利地，基材呈现高的比表面。例如，基材可为陶瓷基材，例如堇青石基材，其包含限定从圆柱形整体构件的一个面延伸到另一个面的精细的平行气流通道的多个单元。这种基材具有"蜂窝"或"整体"形状。蜂窝过滤器也可用于捕集碳粉。陶瓷基材也可为铝硅酸盐基材。
或者，催化材料可分散在粒状载体上，例如丸粒或颗粒等。
根据一个优选的实施方案，催化材料具有堇青石蜂窝载体。该载体呈现优异的耐热冲击性。另外，堇青石晶体可用于在催化剂内沿一个轴的非常低的热膨胀。
根据本发明的断路器具有紧凑的结构。
当形成电弧时，以气态存在于外壳内的CO2部分的一部分分解成比CO2更小的分子质量并因此更小的尺寸的分子物质。这具有提高存在于外壳内部的总压力，同时将CO2的分压降低到低于其SVP的效果。
以这种方式在本发明的断路器中由此形成的一氧化碳分子通过催化材料转化为CO2，和这具有使CO2的分压返回到等于其SVP的值的效果。
该催化材料足够有效，使得一氧化碳的形成不导致存在于外壳中的总压力的过度增加，并且因此不导致以气态存在于所述外壳中的二氧化碳部分的过度减少。
使用该机制，对于给定的温度，CO2的体积可保持稳定或准稳定，而不管开关设备实施的中断次数如何。
本领域技术人员将能够根据待处理的CO气体的体积和所涉及的外壳的几何形状来选择二氧化铈基催化剂材料的合适量。例如，根据在断路器寿命期间模拟的电弧放电之后在断路器内形成的CO的潜在量，计算二氧化铈的量。它取决于电弧放电的能量以及断路器类型等。为了说明的目的，可期望每20年进行维护，在维护期间，打开断路器，并且如果需要，催化剂可然后用新的催化剂替换。
上述各种实施方案的概念可有效地应用于各种断路器，例如具有轴向或横向爆炸类型或混合横向-轴向爆炸类型的中断室的断路器。
为了说明的目的，断路器可在采用CO2气体电绝缘的任何电气设备，即电变压器、电力输送或配电线路、母线组、开关、连接器/切断器(也称为开关设备)、将断路器与保险丝组合的单元、接地开关或接触器中使用。
断路器对于空气绝缘的开关设备(AIS)或气体绝缘的开关设备(GIS)特别有价值，并且更优选对于高压AIS或GIS特别有价值。
Claims (10)
1. 一种断路器，所述断路器包括外壳，所述外壳包含：
-至少两个灭弧触点，所述灭弧触点在断路器的断开位置与断路器的闭合位置之间相对于彼此可轴向移动，在断路器的断开位置灭弧触点彼此分离，在断路器的闭合位置灭弧触点彼此接触；以及
-气体入口，所述气体入口被配置成吹送电弧控制气体以便中断电弧，所述电弧可能在所述灭弧触点从断路器的闭合位置到断开位置的移动期间形成，所述电弧控制气体包含至少80%的二氧化碳；
其中所述外壳还包含催化材料，所述催化材料将在电弧放电期间在二氧化碳电离后形成的一氧化碳转化为二氧化碳，所述催化材料包含二氧化铈和贵金属。
2.根据权利要求1所述的断路器，其中所述贵金属为金或铂。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的断路器，其中所述催化材料包含0.5重量%至20重量%的贵金属，并优选0.5重量%至5重量%。
4.根据权利要求1或3所述的断路器，其中所述催化材料为颗粒形式。
5.根据权利要求4所述的断路器，其中所述颗粒的直径为1mm至10mm，优选1mm至5mm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的断路器，其中所述催化材料由陶瓷基材如堇青石基材负载。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的断路器，其中所述电弧控制气体由二氧化碳CO2构成。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的断路器，其中所述电弧控制气体为包含CO2和至少一种氟化化合物的气体混合物，所述氟化化合物诸如2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-2-丙腈、1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮、2,3,3,3-四氟丙烯、1,3,3,3-四氟丙烯或氟代环氧乙烷。
9.一种空气绝缘的开关设备(AIS)，所述空气绝缘的开关设备包括根据权利要求1-8中任一项所定义的断路器。
10.一种气体绝缘的开关设备(GIS)，所述气体绝缘的开关设备包括根据权利要求1-8中任一项所定义的断路器。
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