CN111357073A

CN111357073A - 用于电能传输装置的绝缘介质

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Publication number: CN111357073A
Application number: CN201880074241.7A
Authority: CN
Inventors: M.库舍尔; B.卢茨
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: EP3685416A1; DE102017220570A1; KR20200079546A; WO2019096581A1; CN111357073B; US11094484B2; US20200294742A1; KR102458208B1

Abstract

本发明涉及一种用于电能传输装置的绝缘介质，其中所述绝缘介质(13)在室温和大气压下为流体，并且其中所述绝缘介质(13)至少具有以下成分：‑含量≥50体积％至≤98体积％的合成空气；和‑含量≥2体积％至≤50体积％的有机氟化合物。

Description

用于电能传输装置的绝缘介质

本发明涉及一种用于电能传输装置的绝缘介质，例如用于高压开关或者流体绝缘的管导体的绝缘介质，其中所述绝缘介质在室温和大气压下为流体。另外，本发明涉及一种具有此类绝缘介质的电能传输装置。

电能传输装置例如高压开关或者断路器在本领域是众所周知的。它们用于断开较高的电流。在此，通常提供接触元件，该接触元件是可形成接触的，以实现电连接，并且可被断开，以能够断开电连接或者电流。

在断开接触元件时可产生电弧。电弧可使接触元件的材料负载并且因此导致它的损坏。

为了防止这种现象，将接触元件布置在绝缘介质中是已知的。该绝缘介质可例如以气态的形式构造并且填充其中布置有接触元件的绝缘空间。

例如DE 44 305 79B4涉及一种具有主开关触点和辅助开关装置的高压开关，所述辅助开关装置在接通过程中在即将实现其接通状态之前通过插入接通电阻而桥接主开关触点，并且其接触的断开在断路时在主开关触点断开接触前进行，其中至少在断路过程中通过流体使辅助开关装置的运动减缓，所述流体在与辅助开关装置的第一接触件相连接的第一活塞/气缸布置中移动。在该专利文献中描述了将六氟化硫作为绝缘介质。

此类的由现有技术已知的解决方案可提供进一步的改进潜力，尤其是在接触元件和绝缘介质本身的可能的长期稳定性方面。

本发明所要解决的技术问题是至少部分地克服现有技术中已知的缺点。本发明尤其所要解决的技术问题是提供一种能够改善高压开关的长期稳定性的解决方案。

根据本发明，本发明所要解决的技术问题通过具有权利要求1的特征的用于电能传输装置的绝缘介质来解决。另外，根据本发明，所要解决的技术问题通过根据权利要求6的绝缘介质在高压开关中作为灭弧介质或者在管导体中作为绝缘气氛的用途来解决。此外，根据本发明，所要解决的技术问题通过具有权利要求7的特征的电能传输装置来解决。本发明的优选的设计描述于从属权利要求、说明书或附图中，其中，如果上下文没有清楚地表明相反的意思，那么其他在从属权利要求中或在说明书中或在附图中描述或所示的特征可单独地或者以任意组合的形式表示本发明的主题。

提出一种用于电能传输装置的绝缘介质，其中所述绝缘介质在室温和大气压下为流体，并且其中所述绝缘介质至少具有以下成分：

-含量≥50体积％至≤98体积％的合成空气；和

-含量≥2体积％至≤50体积％的有机氟化合物。

对于由合成空气和氟化合物或多种氟化合物组成的混合物，示例性的混合比例为95体积％的合成空气和5体积％的有机氟化合物(例如尤其是氟腈)。

前述的绝缘介质允许可靠地减少或者熄灭高压开关中的电弧并且在此允许高压开关长期稳定地运行，并且此外特别有利地适合作为流体绝缘的管导体中的绝缘气氛。

在此描述的绝缘介质尤其用于在电能传输装置中的使用。例如绝缘介质能用于高压开关或者也能用于流体绝缘的管导体。在此，高压开关在本发明的意义上尤其可理解为是指具有电导体的开关设备，该电导体可通过相应的接触元件开启或者关闭(断开)，并因此可允许或者中断电流流动。高压开关可在此适用于引导高电流或者施加高电压，其中当断开时可出现电弧。

可通过高压开关的断路器断开的示例性的电流可在最高达80000A的范围内。另外，在开关装置上的电压可在最高达800000V的范围内。

另外，流体绝缘的管导体尤其可理解为是指如下的导体，其中可存在约高达500kV的常规工作电压与每导体高达约5kA的额定电流。在此，导体可存在于外管中，其中在外管中存在包围导体的绝缘气氛，并且其中可存在用于机械地支撑导体的支撑绝缘体。

因此，绝缘介质应尤其能够用于熄灭在高压开关中出现的、尤其在断开接触元件时可出现的电弧，或者用于确保管导体中的充分的绝缘。

为了实现该目的，关于绝缘介质规定：它在室温和大气压下，例如在高达10巴(绝对值)的大气压的范围内为流体，例如呈气态。此外，在本发明的意义上室温应理解为是指22℃的温度，而大气压应理解为是指1巴的压力并且原则上所提及的压力应理解为是指绝对值。优选地，可规定：绝缘介质在工作条件下也是流体、例如呈气态，即，例如在升高的压力和/或升高或降低的温度下，如以下所述。

通过提供流体绝缘介质，可使得以下特别简单地实现：将绝缘介质引入高压开关的绝缘室中并且保持(保留)在那里。由此，绝缘介质可完全包围接触元件(在断开时在该接触元件之间可产生电弧)或者管导体中的导体。因此，基本上可消除电弧的产生，或者可有效地支持电弧的熄灭，或者可实现导体的有效绝缘。

原则上，通过提供气态的绝缘介质，可例如在引入绝缘室中、在保持在绝缘室中和任选地在更换的情况下实现简便的可操作性。

最后，尤其是在气态的绝缘介质下，可通过在绝缘室中形成适当的超压以简便的方式调节存在于绝缘室中的绝缘介质的量，并因此可根据所需的应用领域定制绝缘能力。

此外，对于在此描述的绝缘介质规定：绝缘介质至少具有以下成分：

-含量≥50体积％至≤98体积％、例如≥85体积％至≤98体积％的合成空气；和

-含量≥2体积％至≤50体积％、例如≥2体积％至≤15体积％的有机氟化合物。

例如，绝缘介质可由上述成分以上述比例产生，其中应考虑物质中可能存在杂质或污染物。

通过绝缘介质的这种设计方案尤其能够实现有效的灭弧，并且另外在高压开关的多次开关操作下仍然能够实现长期稳定的运行，或者能够实现管导体外壁中的导体的有效绝缘。

详细地，通过上述的绝缘介质能够实现：由于电弧中的分解，绝缘介质本身不会产生可导电的炭黑(烟灰)。这可为有利的，因为炭黑可影响绝缘能力。这种有利的技术效果可通过“拦截”炭黑沉淀(例如通过形成CO或CO₂)的氧(氧气)的存在来解释。由此能够显著改善接触元件的长期稳定性以及因此显著改善高压开关的长期稳定性。

后者还可通过以下方式来提高：绝缘介质本身在电弧下也不会分解，而是保持稳定。也可以此方式减少含炭黑的化合物的产生。另外，绝缘介质的绝缘力能够得到保持，这可进一步地改善长期稳定的运行。

另外，通过具有按上述量的合成空气和一种或多种有机氟组分的绝缘介质能够改善开关设备或者管导体中的长期密封性。这尤其可归因于：基于通常用作密封材料的常见的聚合物，绝缘介质具有相对较低的渗透率。尤其是氧气和氮气由于常见的聚合物而具有相对较低的渗透率。作为密封材料的示例性聚合物包括例如EPDM(乙烯-丙烯-二烯橡胶)、NBR(丁腈橡胶)、CR(氯丁橡胶)、IIR(异丁烯-异戊二烯橡胶)、SBR(丁苯橡胶)或者FKM(氟聚合物橡胶)。由此可有利于将绝缘介质也在超压下安全且长期稳定地保持在绝缘室中，而无需使用复杂的密封材料或者密封装置。

此外，由此使得，即使对于简单的绝缘室构造，其也能够在超压下操作。由此可以简单的构造特别有效地设计绝缘强度。

另外，通过提供至少一种有机氟化合物，即一种或多种有机氟化合物，能够改善绝缘介质的介电强度。由此，灭弧效率或绝缘效率可为特别高的，尤其是相对于纯合成空气。

在此，如果绝缘介质中存在的有机氟化合物的含量在≥2体积％至≤50体积％的范围内，则已经足够。在此，该含量可与绝缘室的填充压力相关，所述填充压力可为≥4巴至≤10巴、例如≥6巴至≤8巴，其中前述的压力值应理解为是指绝对值。

另外，合成空气的使用可为特别优选的，因为合成空气可以简单且成本有利的方式制备，例如通过使用合适的过滤器、水分离器等从高压开关周围的空气中去除不希望的成分。这例如在电能传输装置的组装、调试或维护中可具有很大的优势。备选地，通过以合适的纯度并且以合适的混合比例混合氮气和氧气可以简单的方式制造合成空气。

在此，尤其是相对于现有技术中的解决方案，前述的优点可为特别有效率的。

例如，对于基于CO₂和基于有机氟物质的绝缘介质已知：由于这种绝缘介质受电弧的影响而分解，因而该绝缘介质部分地具有有限的使用寿命。由此，在开关操作之后可降低绝缘质量(Isolationsgüte)。相反，前述绝缘介质具有改善的对分解的稳定性(抗分解稳定性)，从而改善了长期稳定性。

对于基于有机氟化合物和CO₂或者N₂的绝缘介质，它们在开关操作中倾向形成炭黑，这可不利地影响开关设备的使用寿命。然而，通过前述的绝缘介质正能够防止这种不利效果

特别优选地可规定：合成空气、也被称为“干净空气”具有以下成分：

-含量≥70体积％至≤99体积％的氮气；和

-含量≥1体积％至≤30体积％的氧气。

尤其可规定：合成空气由前述成分组成，即不包括另外的成分。例如，合成空气可由79.5体积％的氧气和20.5体积％的氮气组成，其中杂质可优选≤1体积％、例如≤5ppm(体积)。

在该设计方案中能够特别有效地实现改善绝缘介质本身的稳定性并且另外能够防止炭黑形成。另外，能够实现特别好的电绝缘。

另外可为优选的是，至少一种有机氟化合物选自：氟腈例如全氟腈、氟醚(氟代醚)例如氢氟单醚、氟烯烃(氟代烯烃)例如氢氟烯烃、和氟酮(含氟酮)例如全氟酮。

优选地，有机氟化合物可具有带至少三个碳原子的氢氟单醚，带四至十二个碳原子数、例如五或六个碳原子数的氟酮。

另外优选地，有机氟化合物可为全氟烷基腈，例如选自以下的化合物：全氟乙腈、全氟丙腈(C₂F₅CN)、全氟丁腈(C₃F₇CN)、全氟异丁腈((CF₃)₂CFCN)、全氟-2-甲氧基丙烷腈(CF₃CF(OCF₃)CN)或者其混合物，如例如在WO2015/071303A1中所描述的。

已经表明，当使用这种有机氟化合物时，介电强度或绝缘质量也可为特别高的。由此，灭弧的作用可为特别有效的，或者能够实现有效的电绝缘。

另外，可规定：绝缘介质基本上不含以下中的至少一种：水、二氧化碳和六氟化硫。例如，绝缘介质可基本上不含水、二氧化碳和六氟化硫。在本发明的意义上，“基本上不含”在此尤其意指上述物质在绝缘介质中的含量可为≤1体积％、例如≤10ppm(体积)、例如≤5ppm(体积)。

在该设计方案中，能够特别有效地防止在电弧下产生含炭黑的分解产物，该分解产物可不利地影响开关单元的绝缘能力。因此，尤其是在该设计方案中，开关单元的长期稳定性可为特别高的，并且另外能够实现有效的电绝缘。

为了特别有效地实现这些优点，如下可为特别优选的：绝缘介质由合成空气和至少一种有机氟化合物组成。因此，除了合成空气(即氧气和氮气)和至少一种有机氟化合物之外，绝缘介质中基本上不存在另外的物质。在此，在本发明的意义上，“基本上”再次尤其意指除了上述的物质之外，绝缘介质中的另外的物质的含量应仅为≤1体积％、例如≤10ppm(体积)、例如≤5ppm(体积)。

另外，在本发明的范围内不排除绝缘介质具有另外的成分、例如氮氧化物或二氧化碳。

关于绝缘介质的其他技术特征和优点，参考涉及用途和涉及电能传输装置的实施方式以及参考附图和附图说明，反之亦然。

另外，本发明涉及一种如上文详细所述的绝缘介质在高压开关中作为灭弧介质或者在流体绝缘的管导体中作为电绝缘气氛的用途。

利用上述详细定义的绝缘介质的用途能够将有效的灭弧与高压开关的长期稳定的操作相结合。另外，能够实现绝缘气氛的特别好的绝缘质量。

关于用途的其他的技术特征和优点，参考涉及绝缘介质和涉及电能传输装置的实施方式以及参考附图和附图说明，反之亦然。

另外，本发明涉及一种流体绝缘的电能传输装置，具有：流体密封式封闭的绝缘室，其中在该绝缘室中或者在可连接(连通)至该绝缘室的存储器中布置有绝缘介质，其特征在于，如上文详细所述地设计所述绝缘介质。

在此，电能传输装置应原则上理解为是指可传输能量、尤其是电流形式的能量的任何装置。

在本发明的范围内，如下可为特别优选的：电能传输装置具有高压开关和流体绝缘的管导体中的至少一个(种)。

在此，特别如上文详细所述的那样设计高压开关或者流体绝缘的管导体。

因此，如下可为有利的：对于管导体，可实现布置在外壁中并且被绝缘气氛包围的导体的高绝缘质量。因此，管导体的包围导体并且由外壁包围的腔室是绝缘室，其中在管导体的情况下优选永久包含绝缘介质。

关于高压开关，如下可为特别有利的：实现安全地灭弧，其中还可实现改善的使用寿命。

高压开关以本身已知的方式包括也被称为流体容纳室的绝缘室。在该绝缘室中布置有第一开关单元，所述第一开关单元尤其可被设计成接地开关或隔离开关(断开开关，Trennschalter)或者设计成接地开关和隔离开关。在断开第一开关单元的接触元件时可产生因此由第一开关单元导致的并且另外应被熄灭的电弧。

为此规定：在绝缘室自身中，即优选永久性地并且独立于进行的开关操作，或者例如在即将进行开关操作时可连接至绝缘室的存储器中设置绝缘介质。所述绝缘介质可利用其特性原则上、但特别有利地在适合此目的的开关设计中(例如开关单元的布置、移动的触点的速度等)灭弧并且因此确保高压开关的安全运行。

通过如上述使用绝缘介质，能够防止或者至少显著减少绝缘介质自身的分解。原则上，可例如通过减少炭黑的形成使得能够显著改善长期稳定性。

特别优选地，对于高压开关可规定：除第一开关单元之外，在绝缘室中还布置第二开关单元并且任选地布置有第三开关单元，其中第一开关单元和第三开关单元各自具有隔离开关和接地开关中的至少一种，并且其中第二开关单元具有断路器、例如尤其是真空开关。因此在该设计方案中提供接地开关、隔离开关和断路器、尤其是真空开关，其中接地开关和隔离开关可彼此分开或者可被设计成统一的开关单元。

在此，能够独立于隔离开关和接地开关触发断路器、尤其是真空开关，例如当电网中出现诸如短路的故障并且必须中断高短路电流时。

隔离开关和接地开关是特别安全相关的开关设备并且相较而言更不常被触发，例如当进行维护工作或者在母线之间进行更换时。断路器的配电通常发生在隔离开关和接地开关的配电之前。

换句话说，在该设计方案中，隔离开关和接地开关位于绝缘室中，优选这两个(种)开关都被绝缘介质围绕。另外，在绝缘室中设置真空开关，其中真空开关的接触元件不与绝缘介质接触，而是处于真空气氛中。在此可规定：例如通过流体密封(例如气体密封)的或者流体可渗透(例如气体可渗透)的隔断将绝缘室分隔成多个区域，其中将绝缘室的每个区域整体地或者仅部分地用绝缘介质填充，然而，尤其是绝缘室的包围第一开关单元的区域和任选地绝缘室的包围第三开关单元的区域整体地或者仅部分地用绝缘介质填充。

在此，断路器尤其可为真空断路器并且用于中断高电流、尤其是短路电流，而隔离开关和接地开关可用于中断小电流、尤其是换向电流

充电电流和感应电流，其中将绝缘介质用作用于隔离开关和接地开关的灭弧介质。

断路器例如真空开关可断开在25000A至80000A的范围内的电流或者可在断路器上施加在72500V至800000V的范围内的电压。

另外，隔离开关可断开在0.1A至8000A的范围内的电流或者可在隔离开关上施加在10V至1000V的范围内的电压。

另外，接地开关可断开在0.4A至500A的范围内的电流或者可在接地开关上施加500V至70000V的范围内的电压。

在此，不应将上述的值理解为限制性的。

在此，可特别有效地通过以下方式提高开关设备的使用寿命：使用真空断路器，其中使用尤其不易燃烧(耐燃)的材料，例如钨-铜或者铜-铬合金。此外，由于真空因而不存在或者仅存在少量的可能用于使接触元件燃烧的并且另外自身能够分解的分子。换句话说，由于气体分子的“不存在”，不会发生气体老化。由此能够进一步改善长期稳定性。

另外，通过使用前述的绝缘介质特别可在接地开关或者隔离开关的情况下进一步地改善长期稳定性，因为在接地开关或者隔离开关中能够防止含炭黑的分解产物的形成。

因此，尤其将前述的绝缘介质的使用与真空开关的结合作为优选的断路器可为具有高使用寿命的开关设备的最佳方案，这尤其适用于高压技术中的应用。

对于真空开关，如下可为有利的：在真空开关的开关腔室中或者在第二开关单元中存在在10^-10巴至10^-6巴的范围内的压力。

另外，对于绝缘室特别优选的是：绝缘室中的绝缘介质具有在大于或等于4巴(绝对值)至小于或等于10巴(绝对值)的范围内的压力。

关于电能传输装置的其他的技术特征和优点，参考涉及绝缘介质和涉及用途的实施方式以及参考附图和附图说明，反之亦然。

本发明的主题的其他细节、特征和优点由从属权利要求以及以下的附图说明和相关的实施例给出。在附图中，

图1示意性地示出了作为根据本发明的电能传输装置的高压开关的设计。

在图1中示意性地示出了根据本发明的高压开关10形式的电能传输装置的设计的实施例。

高压开关10包括气体密封的封闭的绝缘室12，在该绝缘室中布置有如以下详细描述的绝缘介质13。

另外示出了，在绝缘室12中布置有包括第一开关单元16的第一装置14。另外，在绝缘室12中布置有包括第一开关单元16的第二装置18。第一开关单元16在此被设计成组合的接地开关和隔离开关。因此，第一装置14和第二装置18分别携带具有接地开关和隔离开关的开关单元16。

同样地，在绝缘室12中布置有第二开关单元20。第二开关单元20包括断路器并且第二开关单元优选地被设计成真空开关。真空开关具有带可断开的触点的开关腔室，其中在该开关腔室存在例如小于等于10^-6巴的压力。在此示出，通过气体密封或者气体可渗透设计的隔断11，将绝缘室12分隔成多个区域15，其中在该设计方案中绝缘室12的所有区域15均填充有绝缘介质13。

作为该设计方案的替代，可规定：第一开关单元16仅表示接地开关并且相应地可提供包括隔离开关的第三开关单元。第三开关单元于是可为第一装置14和第二装置18的部件，或者其他未示出的装置的部件。

另外示出了控制柜22，借助控制柜可控制高压开关10并且该控制柜位于控制台24上。

为了操作作为第二开关单元20的真空开关，另外提供具有断路器控制驱动的弹簧储能驱动(Federspeicherantrieb)26。还示出了变压器28和快速接地刀(Schnellerder)30。最后，图1还示出了具有另外的隔离开关和接地开关的输出组件(输出模块)32以及电缆终端接头34。

回到绝缘室12或者布置在其中的绝缘介质13，规定其存在超压，其中超压例如可在大于或等于4巴至小于或等于10巴的范围内。因此，整个绝缘室12也在相应的超压下是气体密封的。

另外，绝缘介质13具有以下成分：

-含量≥50体积％至≤98体积％的合成空气；和

-含量≥2体积％至≤50体积％的有机氟化合物，其中氟化合物可具有例如氟腈，如全氟腈；氟醚，如氢氟单醚；氟烯烃，如氢氟烯烃；以及氟酮，如全氟酮。

绝缘介质13例如可由合成空气和至少一种有机氟化合物组成，从而绝缘介质13基本上不含以下的至少一种：水、二氧化碳和六氟化硫。

另外，例如可在此规定，合成空气具有以下成分：

-含量≥70体积％至≤90体积％的氮气；和

-含量≥10体积％至≤30体积％的氧气。

成分的单独组合和已经阐述的实施方式的特征是示例性的；还明确考虑了将这些教导与包含在本公开文本中的其他教导与被引用的出版物进行交换和代替。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，同样可出现这里描述的变化、修改和其他的实施方式，

相应地，以上描述应视为示例性的而不是限制性的。在权利要求中使用的词语包括且不排除其他的成分或者步骤。不定冠词“一种(一个)”不排除复数的含义。在互不相同的权利要求中记载了某些措施的这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。本发明的范围在所附的权利要求和相关的等同物中定义。

Claims

1.用于电能传输装置的绝缘介质，其中所述绝缘介质(13)在室温和大气压下为流体，并且其中所述绝缘介质(13)至少具有以下成分：

-含量≥50体积％至≤98体积％的合成空气；和

-含量≥2体积％至≤50体积％的有机氟化合物。

2.根据权利要求1所述的绝缘介质，其特征在于，

所述绝缘介质(13)由合成空气和至少一种有机氟化合物组成。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘介质，其特征在于，

所述绝缘介质(13)基本上不含以下的至少一种：水、二氧化碳和六氟化硫。

4.根据权利要求1至3之一所述的绝缘介质，其特征在于，

所述合成空气具有以下成分：

-含量≥70体积％至≤99体积％的氮气；

-含量≥1体积％至≤30体积％的氧气。

5.根据权利要求1至4之一所述的绝缘介质，其特征在于，

所述至少一种有机氟化合物选自：氟腈、氟代醚、氟代烯烃和含氟酮。

6.根据权利要求1至5之一所述的绝缘介质(13)作为高压开关(10)中的灭弧介质的用途。

7.流体绝缘的电能传输装置，其具有流体密封式封闭的绝缘室(12)，其中在所述绝缘室(12)中或者在可连接至所述绝缘室(12)的存储器中布置有绝缘介质(13)，其特征在于，

根据权利要求1至5之一设计所述绝缘介质(13)。

8.根据权利要求7所述的电能传输装置，其特征在于，

所述电能传输装置具有高压开关和流体绝缘的管导体中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的电能传输装置，其特征在于，

所述电能传输装置具有高压开关，其中在所述高压开关的所述绝缘室(12)中布置有第一开关单元(16)以及除所述第一开关单元之外还布置有第二开关单元(20)并且任选地布置有第三开关单元，其中所述第一开关单元(16)和所述第三开关单元各自具有隔离开关和接地开关中的至少一个，并且其中所述第二开关单元(20)具有断路器。

10.根据权利要求7至9之一所述的电能传输装置，其特征在于，

所述断路器被设计成真空开关。