CN115798787A - 一种气体绝缘介质及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体绝缘介质及其应用。气体绝缘介质包括如下按质量份计的组分：组元1反式‑1,1,1,4,4,4‑六氟‑2‑丁烯8.4份～76.7份、组元2八氟环丁烷23.3份～91.6份。本发明的气体绝缘介质绝缘强度和六氟化硫相比更加优异，液化温度低，具有更宽泛的温度应用范围。并且，在一定组成条件下性质上类似于单一物质的绝缘气体，当气体发生泄漏时，反式‑1,1,1,4,4,4‑六氟‑2‑丁烯与八氟环丁烷二者的比例不变，在电气设备维护时，可按一定比例直接补充反式‑1,1,1,4,4,4‑六氟‑2‑丁烯与八氟环丁烷，无需分析检测等其他操作。另外，本发明的气体绝缘介质环保性能好，GWP值低，ODP值为0。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统气体绝缘技术领域，尤其涉及一种气体绝缘介质及其应用。
背景技术
六氟化硫(SF6)是目前中国和国际上广泛使用的一种绝缘气体。由于其具有优良的绝缘与灭弧性能和优异的化学稳定性，在电力工业领域得到了广泛的应用。然而，SF6气体具有极高的温室效应，其全球变暖潜能值(GWP)约为二氧化碳的23900倍。在1997年签订的《京都议定书》中被列入排放受限制的6种温室效应气体之一。近年来，全球变暖愈演愈烈，为了应对气候变化，世界各国正在加紧推进温室气体的替代进程。国际社会先后签订了《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》等国际合约，要求签约国逐步消减并最终禁用六氟化硫。因此，寻找环保、高效的替代绝缘气体及相关技术已成为我国电力工业领域的紧迫任务。同时对其的替代物提出了更高的环保要求，除了要求新的绝缘气体具有良好的绝缘和灭弧性能，还要求新的绝缘气体具有尽可能低的GWP值，且无毒。
目前，为了减少中高压设备中SF6的使用，主要采用以下方法：采用SF6混合气体或使用新型的环保绝缘气体。SF6混合气体是指在对中高压设备充气时，将SF6与氮气、压缩空气混合使用，减少SF6的使用量。新型的环保绝缘气体主要包括全氟烃、全氟腈、全氟酮、氢氟烯烃类化合物，其中全氟戊酮(C5F10O)、全氟异丁腈(C4F7N)等新型绝缘气体已开展了不同程度的应用。但以上替代方案均存在不同的问题：(1)N2、压缩空气的绝缘强度较低；(2)SF6/N2混合气体的GWP仍然很高；(3)C5F10O、C4F7N等气体存在液化温度较高、有一定毒性等问题。因此，需要开发综合性能更优的新型绝缘气体。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种气体绝缘介质。该气体绝缘介质的绝缘强度与六氟化硫相比更加优异，液化温度低，在一定组成条件下性质上类似于单一物质的绝缘气体，GWP值低，ODP值为0，可替代六氟化硫。
本发明的另一目的在于提供上述气体绝缘介质的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种气体绝缘介质，包括组元1和组元2，所述组元1为反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯，所述组元2为八氟环丁烷。
所述气体绝缘介质中，所述组元1反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯的质量份数为8.4份～76.7份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为23.3份～91.6份。此配比下的气体绝缘介质液化温度低于单独的组元1和组元2，低于全氟戊酮、全氟异丁腈等气体。
优选地，所述气体绝缘介质中，所述组元1反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯的质量份数为17.1份～76.7份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为23.3份～82.9份。此配比下的气体绝缘介质绝缘强度明显优于六氟化硫。并且绝缘强度相比单一组元未明显下降，甚至组元配比在特定比例范围内时气体绝缘介质绝缘强度还有提升，而其他绝缘气体组合后相比组合前单一组分，绝缘强度会明显下降。
更优选地，所述气体绝缘介质中，所述组元1反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯的质量份数为17.1份～56份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为44份～82.9份。此配比下的气体绝缘介质还具有类似单一气体特性。
所述气体绝缘介质还可以包括组元3，所述组元3选自氮气、氧气、空气和二氧化碳中的至少一种；优选地，所述气体绝缘介质中组元1、组元2和组元3按照质量份计，分别为8.4份～76.2份、22.8份～90.6份、1份～30份。
本申请还公开了上述气体绝缘介质在气体绝缘开关设备、气体绝缘变压器、气体绝缘输电线路、气体绝缘套管等中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的气体绝缘介质中，组元1与组元2的配比在一定范围内时，形成的气体绝缘介质相比单独的组元1和组元2具有更低的液化温度，相对于全氟戊酮、全氟异丁腈等气体具有更低的液化温度。
2、本发明的气体绝缘介质中组元1与组元2的配比在一定范围内时，宏观性质上类似于单一物质的绝缘气体。当气体发生泄漏时，气体的组分含量不变，在电气设备维护时，可直接补充气体，无需分析检测等其他操作。
3、本发明的气体绝缘介质在绝缘强度方面具有极强的协同效应，相对于单独的组元1和组元2具有明显更高的绝缘强度，绝缘强度优于六氟化硫。
4、本发明的气体绝缘介质中，组元1反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯属于无硫无氮的氢氟烯烃，GWP值为18，大气寿命短，绝缘强度高，几乎无毒性；组元2八氟环丁烷属于环氟烯烃，GWP值为9540；组元3稀释气体为低温室效应气体，其中，氮气、氧气、空气的GWP值为0，二氧化碳的GWP值为1。从而，本发明的气体绝缘介质的GWP值远低于SF6的GWP值(23900)，环保性能好。另外，气体绝缘介质的ODP值为0。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
本发明的气体绝缘介质的筛选过程为：
S1、选择标准大气压力下、液化温度范围在-40至20℃的绝缘气体做为组元气体，获得多种组元。
S2、求取给定平衡压力P条件下，任意两种气体组元i和j的混合气体在气液平衡状态下：满足以下公式(1)～(14)的至少一组T、xi、yi、xj和yj，其中，给定平衡压力P取SF6气体的工作压力，P的单位为MPa；T为气液平衡温度，单位为℃；xi为气体组元i在混合气体液相中的摩尔百分数；yi为气体组元i在混合气体气相中的摩尔百分数；xj为气体组元j在混合气体液相中的摩尔百分数；yi为气体组分j在混合气体气相中的摩尔百分数；-40℃≤T≤20℃，0＜xi＜1，0＜yi＜1，0＜xj＜1，0＜yj＜1，且xi+xj＝1，yi+yj＝1；步骤S2计算所需要的各气体组元相关参数见表2。
式中：
ZL为混合气体的气相压缩因子，
ZV为混合气体的液相压缩因子，
VL为混合气体的液相摩尔体积，单位为m3；
VV为混合气体的气相摩尔体积，单位为m3；
V为混合气体在P和T条件下的体积，单位为m3；
Ni为混合气体中气体组元i的摩尔量，单位为mol；
N为混合气体的总摩尔量，单位为mol；
a和b分别为混合气体的状态方程参数；
ai为气体组元i的分子能量常数；
bi为气体组元i的体积修正常数；
ωi为气体组元i的偏心因子；
Tri为气体组元i的对比态温度；
Tci为气体组元i的临界温度；单位为K；
pci为气体组元i的临界压力，单位为MPa；
kij为二元相互作用参数，kij≥2；
Pi sat为气体组元i的在温度T时的饱和蒸汽压，单位为MPa；
Vi L为气体组元i的液相体积，单位为m3；
T/K为平衡温度T换算成开尔文后的温度；
Ngi为气体组元i的分子所拆分的基团的数量；
Ngj为气体组元j的分子所拆分的基团的数量；
k代表气体组元i的分子所拆分基团中的任一基团；
l代表气体组元j的分子所拆分基团中的任一基团；
αik为气体组元i的基团k的相对摩尔分数，取值为基团k的数量除以气体组元i分子中总基团数量的值；
αjl为气体组元j的基团1的相对摩尔分数，取值为基团l的数量除以气体组元j分子中总基团数量的值；
Akl与Bkl为基团k与基团l的基团参数；
S3、根据S2计算的结果，筛选给定平衡压力P条件下，存在xi＝yi的条件下，平衡温度T为最小平衡温度，且最小平衡温度小于混合气体中每种气体组元液化温度的混合气体。
遵循上述步骤S1～S3，本发明在现有的氢氟烯烃、氢氟烷烃、烷烃、全氟烃、全氟腈、全氟酮等气体中，通过步骤S1～S3筛选满足要求的组元1和组元2。
氢氟烯烃、氢氟烷烃、烷烃、全氟烃、全氟腈、全氟酮中的部分待选气体的液化温度计算结果见表1(表1中所列气体为本发明初筛筛选气体中部分气体，其并不限定本发明的筛选范围)；其中，二氟甲烷的液化温度超出了-40～20℃的温区范围，不在筛选范围；步骤S1筛选出的结果是：八氟环丁烷(A)、3，3，3-三氟丙烯(B)、反式-1，-3，3，3-四氟丙烯(C)、2，3，3，3-四氟丙烯(D)、反式-1-氯-3，3，3-三氟丙烯(E)、顺式1，3，3，3-四氟丙烯(F)、1，1，1，2-四氟乙烷(H)、七氟异丁腈(I)、1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷(J)、丙烷(K)、反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯(L)、顺式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯(M)共13种气体。
经步骤S1所筛选的各气体组元的相关参数如表2所示。
表1步骤S1筛选气体组合结果
表2步骤S1所筛选的各气体组元的相关参数
在13种二元混合气体中，在MATLAB软件中采用上述步骤S2和S3的方法筛选混合气体，过程中P取P＝0.1MPa(其他具体方案中P可根据绝缘气体的工作压力取值，此处选用0.1MPa作为示例对本发明做详细解释说明；本发明所述绝缘混合气体常见的工作压力的是0.1MPa～0.5MPa)；筛选结果见表3。
经步骤S2和S3条件筛选出的结果：八氟环丁烷+反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯、八氟环丁烷+七氟异丁腈共2种混合气体。
表3步骤S2和S3筛选气体组合在0.1MPa下的计算结果
表3中xi为气体组元八氟环丁烷的摩尔分数。
为满足较高绝缘强度的使用场景，进一步优选的方案中，采用步骤S4筛选绝缘强度大于或等于1的混合气体作为SF6气体的替代气体。
S4、在S3所筛选的混合气体中筛选绝缘强度大于或等于1的混合气体作为SF6气体的替代气体；混合气体的绝缘强度E＝Eixi+Ejxj，该式中，Ei为气体组元i的绝缘强度，Ej为气体组元j的绝缘强度，xi和xj取步骤S3中所述筛选条件中的相应取值。
基于上述示例，进一步采用S4所述方法计算八氟环丁烷+反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯、八氟环丁烷+七氟异丁腈混合气体的绝缘强度，计算结果见表4。
通过计算与试验的方法，本发明获得了反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯和八氟环丁烷的气体组合，实验和仿真计算的结果显示，该气体组合在降低液化温度和提供绝缘强度方面具有双重的协同效应，具体表现为：
(1)气体组合的绝缘强度优于八氟环丁烷(c-C4F8)和反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯的任意一种，且绝缘强度优于六氟化硫。
(2)反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与八氟环丁烷的配比在一定范围内时，气体绝缘介质具有更低的液化温度，绝缘强度优于八氟环丁烷(c-C4F8)和反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯的任意一种，且气体组合相对于八氟环丁烷(c-C4F8)、全氟戊酮(C5F10O)、全氟异丁腈等气体替代方案，具有更低的液化温度。
(3)反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与八氟环丁烷的配比在一定范围内时，气体组合物宏观上可认为是单一气体。当气体发生泄漏时，气体的组分含量不变。在电气设备维护时，可直接补充气体，无需分析检测等其他操作。
实施例1
取质量份为8.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为91.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例2
取质量份为17.1份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为82.9份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例3
取质量份为26.1份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为73.9份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例4
取质量份为35.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为64.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例5
取质量份为55.5份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为44.5份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例6
取质量份为76.7份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为23.3份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例7
取质量份为88.1份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为11.9份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后得到气体绝缘介质。
实施例8
取质量份为8.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为90.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后，加入质量份为1份的二氧化碳，得到气体绝缘介质。
实施例9
取质量份为76.2份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为22.8份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后，加入质量份为1份的二氧化碳，得到气体绝缘介质。
实施例10
取质量份为18.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为51.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后，加入质量份为30份的氮气，得到气体绝缘介质。
实施例11
取质量份为18.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为51.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后，加入质量份为30份的氧气，得到气体绝缘介质。
实施例12
取质量份为18.4份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯与质量份为51.6份的八氟环丁烷在液相条件下物理混合，完全气化后，加入质量份为30份的空气，得到气体绝缘介质。
对比例1
以质量份为100份的反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯作为气体绝缘介质。
对比例2
以质量份为100份的八氟环丁烷作为气体绝缘介质。
对比例3
以质量份为100份的全氟戊酮(C5F10O)作为气体绝缘介质。
对比例4
以质量份为100份的全氟异丁腈作为气体绝缘介质。
对比例5
以质量份为100份的六氟化硫作为气体绝缘介质。
性能检测
1、将气体绝缘介质填充到电力设备，在25℃下，极间距为0.1英寸，压力为1标准大气压的条件下，分别测试实施例1-12和对比例1 5的绝缘强度，计算各实施例或对比例相对于SF6绝缘强度的倍数、反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯和八氟环丁烷纯气体绝缘强度的倍数，检测结果如表4所示。
2、在标准大气压下，采用相平衡测量仪(型号VLE100)检测实施例1 14和对比例15气体绝缘介质的液化温度，检测结果如表5所示。
3、检测实施例1 12和对比例1 5的气体绝缘介质的GWP值，GWP值以CO2作为基准值1.0(100年)，检测结果如表5所示。
4、在标准大气压下，采用相平衡测量仪(型号VLE100)检测实施例1-7气体绝缘介质在10℃和0℃时，部分液化后的气相质量分数和液相质量分数，检测结果如表6所示。
表4
表5
表6
表4中可以看出，气体绝缘介质绝缘强度明显优于六氟化硫，并且绝缘强度相比单一组元反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯和八氟环丁烷未明显下降，甚至组元配比在特定范围内时气体绝缘介质的绝缘强度还有提升，而目前其他绝缘气体组合后绝缘强度下降明显。
表5比较了上述实施例1-12和对比例1-5气体绝缘介质的液化温度，可以看出，组元八氟环丁烷(c-C4F8)和反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯质量比为17.1～76.7∶23.3～82.9时，本发明的气体绝缘介质液化温度低于八氟环丁烷(c-C4F8)和反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯，以及全氟戊酮(C5F10O)、全氟异丁腈，具有更宽泛的温度应用范围。
表5中实施例和对比例气体绝缘介质的GWP值显示，本发明的气体绝缘介质GWP值远小于六氟化硫，更符合当前减小全球变暖效应的环境保护要求。
表6比较了上述实施例1-7气体绝缘介质在部分液化后，气相组分与液相组分的改变情况。实施例2、3、4、5在发生液化后，反式-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯和八氟环丁烷气体的气相质量比与液相质量比几乎相等，且气体组合的比例在部分液化后不改变，性质与纯气体相似，宏观上可认为是单一气体。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种气体绝缘介质，其特征在于，所述气体绝缘介质包括组元1和组元2，所述组元1为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，所述组元2为八氟环丁烷；
所述组元1反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的质量份数为8.4份～76.7份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为23.3份～91.6份。
2.如权利要求1所述气体绝缘介质，其特征在于，所述气体绝缘介质中，所述组元1反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的质量份数为17.1份～76.7份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为23.3份～82.9份。
3.如权利要求2所述气体绝缘介质，其特征在于，所述气体绝缘介质中，所述组元1反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的质量份数为17.1份～56份，所述组元2八氟环丁烷的质量份数为44份～82.9份。
4.如权利要求1所述气体绝缘介质，其特征在于，所述气体绝缘介质包括组元3，所述组元3选自氮气、氧气、空气和二氧化碳中至少一种。
5.如权利要求4所述的气体绝缘介质，其特征在于，所述气体绝缘介质中组元1、组元2和组元3按照质量份计，分别为8.4份～76.2份、22.8份～90.6份、1份～30份。
6.权利要求1-5任一项所述气体绝缘介质在气体绝缘开关设备、气体绝缘变压器、气体绝缘输电线路、气体绝缘套管中应用。
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