CN115938644A - 一种用于替代六氟化硫的绝缘混合气体及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统气体绝缘检测技术，具体涉及一种用于替代六氟化硫的绝缘混合气体及其应用。所述绝缘混合气体由组元1和组元2组成，所述组元1为八氟环丁烷；所述组元2选自反式‑1‑氯‑3,3,3‑三氟丙烯、2‑氯‑3,3,3‑三氟丙烯和顺式‑1,1,1,4,4,4‑六氟‑2‑丁烯中的一种。本发明的绝缘混合气体具有和六氟化硫相当甚至更加优异的绝缘性能，而且具更低的GWP值；由于组元1和组元2形成了具有类似单一气体特性，在降低液化温度的同时，保留了原有气体的绝缘强度、低GWP、低毒性的优势。该绝缘气体特别适用于中高压领域的气体绝缘电气变压器、输送或分配电力的气体绝缘线、或者连接器/切断器。
Description
技术领域
本发明属于电力系统气体绝缘检测技术领域，特别涉及一种用于替代六氟化硫的绝缘混合气体及其应用。
背景技术
六氟化硫是一种无色无味无毒的强电负性气体，它作为一种优良的绝缘与灭弧介质，常用于气体绝缘电气设备中。但是六氟化硫的全球变暖潜能值高，环保性能指标较低，按100年时间来估算，它的温室效应值约为二氧化碳的23900倍，是《京都协议书》中列出的六种禁止排放的温室气体之一。2016年，《巴黎协定》提出21世纪下半叶实现温室气体的净零排放。而目前，大气中六氟化硫的浓度正以每年8.7％的速率递增，且来自电力工业的六氟化硫排放量在六氟化硫排放总量中占比极高。因此，寻找绝缘性能与六氟化硫相当甚至优于六氟化硫，且具有良好环保特性与理化特性的气体作为绝缘介质替代六氟化硫，即发展六氟化硫替代技术，能从根源上减少六氟化硫的使用，具有十分重要的意义。
国内外研究者积极寻找六氟化硫(SF6)的替代气体。美国国家标准研究院(NIST)、美国电力研究协会(EPRI)、日本电气学会等机构从击穿特性、开断特性、化学分解特性等方面综合评价了近百种气体及其二元或多元混合气体，筛选出十几种潜在SF6替代气体并提出了应用性建议。目前，潜在的六氟化硫替代气体可主要分为三类：第一类：采用自然气体替代SF6气体，如二氧化碳、氮气、干燥空气，但这些天然气体的绝缘性能远不如SF6气体；第二类：采用六氟化硫混合气体替代六氟化硫气体，如SF6/N2、SF6/CO2、SF6/CF4等。然而，采用SF6混合气体不能从根本上替代SF6的使用。第三类：采用环保型绝缘气体替代SF6气体，如八氟环丁烷(c-C4F8)、三氟碘甲烷(CF3I)、七氟异丁腈(C4F7N)、全氟五碳酮(C5F10O)、1,3,3,3-四氟丙烯等。上述绝缘气体存在或GWP值偏高、或液化温度较高、或毒性较大等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了一种用于替代六氟化硫的绝缘混合气体。
为此，本发明所提供的绝缘混合气体由组元1和组元2组成，所述组元1为八氟环丁烷；所述组元2选自反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯、2-氯-3,3,3-三氟丙烯、顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯中的一种。
可选的方案中，所述绝缘混合气体具有类似单一气体特性，并且绝缘混合气体的液化温度小于混合气体中每种组元的液化温度。
可选的，所述组元1的质量百分数为12％～51％，组元2的质量百分数为49％～88％。
进一步的方案中，本发明的绝缘气体包含组元3，组元3选自氮气、氧气、空气和二氧化碳中的任意一种或两种以上的混合。
可选的方案中，以质量百分比为100％计，所述绝缘混合气体由组元1、组元2和组元3的质量百分数分别为：15.4％～43.6％：39.6％～84.1％：0.5％～23％。
本发明的绝缘混合气体在气体绝缘电气变压器、输送或分配电力的气体绝缘线、连接器或切断器中应用。
具体方案中，所述绝缘混合气体的工作电压为3kV-35kV。所述绝缘混合气体的工作电压可为35kV-330kV。所述绝缘混合气体的工作电压也可为330k V-1200kV。
本发明所采用的组元1和组元2均属于低GWP值的物质；组元1为八氟环丁烷，为无硫无氮的氟代环烷烃，GWP值为9540，大气寿命短，毒性低，绝缘强度高；组元2为反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯、2-氯-3,3,3-三氟丙烯、顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的一种。其中，反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯的GWP值为12，2-氯-3,3,3-三氟丙烯的GWP值为14，顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的GWP值为16，均远低于SF6的GWP值(23900)。
本发明混合气体中的组分及混合比例可基于具有类似单一气体特性的混合气体筛选方法确定，从而获得在宏观性质上类似于单一物质的绝缘气体即具有类似单一气体特性的绝缘混合气体，具备该特性的混合气体，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，且所得到的绝缘混合气体相对于单独的组元1和组元2具有更低的液化温度。
综上可见，本发明的绝缘混合气体环保性能好，ODP值为0，GWP值相对于六氟化硫大幅降低；并且，相对于全氟异戊酮(C5F10O)、全氟异丁腈等g3气体替代方案，具有更低的液化温度。
进一步优选的方案中，本发明的绝缘混合气体具有优异的绝缘强度，绝缘性能优于六氟化硫或与六氟化硫相当。
进一步的方案中，本发明的绝缘混合气体还包括组元3，组元3为稀释气体，氮气、氧气、空气或二氧化碳，这些气体均为低温室效应气体，其中氮气、氧气、空气的GWP值约为0，二氧化碳的GWP值为1。从而，本发明提供的由组元1、组元2和组元3组成的绝缘气体的GWP值远低于SF6。
附图说明
图1为本发明实施例所筛选混合气体的仿真验证及VLE实验测试结果，横坐标为xi的取值。
具体实施方案
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。在本发明所述组元1和组元2基础上，具体方案中可基于这些气体各自的绝缘性质、液化温度和温室效应，以降低液化温度和高环保性为目标，得到具体组元及具体配比的混合气体。
优选的方案中，本发明绝缘混合气体的组分及混合比例可基于具有类似单一气体特性的混合气体筛选方法确定。还有些方案中，可根据降低液化温度的需要再混合适量的组元3作为稀释气体。一种优选的示例，以质量百分比为100％计，所述绝缘混合气体由组元1、组元2和组元3的质量百分数分别为：15.4％～43.6％：39.6％～84.1％：0.5％～23％。
上述具有类似单一气体特性的混合气体筛选方法为：
S1，选择标准大气压力下、液化温度范围在-40℃～20℃的绝缘气体做为气体组元；获得多种气体组元；
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)～(16)的至少一组T、xi、yi、xj和yj；其中：气体组元i和j为步骤S1所得多种气体组元中的任意两种气体组元；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；yj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；
0.40000≤β6≤0.50000，
0.30000≤β7≤0.40000，
1.50000≤β8≤1.60000，
0.20000≤β9≤0.30000
式(1)-(16)中：
R为气体常数；
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为混合气体在P和T条件下的液相摩尔体积，单位为m3/mol；VV为混合气体在P和T条件下的气相摩尔体积，单位为m3/mol；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；
Nj为混合气体中气体组元j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均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；
ωj为气体组元j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；
Tcj为气体组元j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；
pcj为气体组元j的临界压力，单位为：MPa；
kij为二元相互作用参数，0<kij<5；
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的分子所拆分的所有基团；
Ngj为气体组元j的分子所拆分的所有基团；
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；
αjk为气体组元j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j分子中总基团数量的值；
αil为气体组元i的基团l的相对摩尔分数，取值为基团l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l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均为基团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。
上述方案中所述某气体组元分子拆分的基团，其中拆分的原则是：基团拆分数量尽可能少、各基团之间的电荷数尽量分布均匀。以八氟环丁烷、2,3,3,3-四氟丙烯和3,3,3-三氟丙烯为例，将两种气体拆分：八氟环丁烷的拆分结果是4个环状CF2基团；3,3,3-三氟丙烯的拆分结果是1个CF3基团和一个HC＝CH2基团。
所述Akl与Bki为的具体取值取决于k和l两个基团的分子结构，可采用文献：“Fluid-phase-equilibrium prediction of fluorocompound-containing binarysystems with the predictive E-PPR78 model”中公开的方法计算。以八氟环丁烷和3,3,3-三氟丙烯为例，其中的环状CF2基团和HC＝CH2基团的Akl与Bki的计算方法详解文献中的“3.Database and reduction procedure”部分。
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。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下实施例中各组元在液相条件下混合，采用该混合方式是基于更易称重的考虑，但本发明并不限于此，本发明的组元气体可以以气相方式混合，也可以以气相+液相混合。
实施例1：
该实施例采用上述步骤S1～S3在表1所示物质(表1中所列气体为本发明初筛筛选气体中部分气体或示例性候选范围，其并对本发明的初始筛选范围起限定作用)中确定组元气体1和组元气体2的具体组分及配比；
上述步骤S1～S3，本发明在现有的氢氟烯烃、氢氟烃、烷烃、氢氟腈等气体中，通过步骤S1～S3筛选满足要求的组元气体1和组元气体2：
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12种气体；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；
表1步骤S1筛选气体组合结果表
经步骤S1所筛选的各气体组元的相关参数如表2所示：
表2
在12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)；β1＝-0.62323,β2＝0.37464,β3＝1.54226,β4＝0.26992,β5＝0.07780，β6＝0.45724,β7＝0.37464,β8＝1.54226，β9＝0.26992；筛选结果见表3；
经步骤S2和S3条件筛选出的部分结果是：八氟环丁烷+反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯、八氟环丁烷+2-氯-3,3,3-三氟丙烯、八氟环丁烷+顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，共3种混合气体，各组分的配比见表3所示。
需要说明的是，经上述步骤S1-S3确定的配比可作为本发明的一种具体配比选择，本领域技术人员在该具体配比基础上结合使用环境的允许误差、加工损耗等因素的考虑对组元1和组元2的具体的配比做合理调整。例如，具体方案中，八氟环丁烷的可选摩尔分数为10％～40％(质量分数为12％～51％)，其余为组元2。
表3步骤S2和S3筛选气体组合在0.1MPa下的计算结果表
表3中xi为气体组元八氟环丁烷的摩尔分数。
实施例2：
基于上述实施例1基础上，该实施例进一步采用上述S4所述方法计算八氟环丁烷+反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯、八氟环丁烷+2-氯-3,3,3-三氟丙烯、八氟环丁烷+顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯3组气体组合的绝缘强度，计算结果见表4；三组气体组合的绝缘强度均大于SF6。具体方案中，所述八氟环丁烷的可选摩尔分数为0.13％～0.38％(质量分数为15.5％～48.5％)，其余为组元2。
表4步骤S3筛选气体组合结果表
仿真计算实验
在MATLAB软件中采用步骤S2方法，验证计算了八氟环丁烷(组元i)+2-氯-3,3,3-三氟丙烯混合气体在100KPa条件下的汽液平衡；验证计算结果见表5和图1。
采用VLE1000相平衡测量仪，进一步对八氟环丁烷+2-氯-3,3,3-三氟丙烯进行了的汽液相平衡实验；结果见表5和图1，实验结果与仿真结果一致，说明本发明筛选出的结果可靠。
表5八氟环丁烷+2氯-3,3,3-三氟丙烯的实验验证结果表
同时从表5可知，本发明所筛选的八氟环丁烷+2-氯-3,3,3-三氟丙烯气体组合，在100KPa条件下，符合xi＝yi、且最小平衡温度T小于混合气体中每种气体组元液化温度的条件。
实施例3：
在-15℃的温度条件下，取质量百分比为30％的八氟环丁烷与质量百分比为70％的反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，得到混合绝缘气体。
实施例4：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为15.5％的八氟环丁烷与质量百分比为84.5％的顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在液相条件下物理混合，完全气化后，得到混合绝缘气体。
实施例5：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为45.2％的八氟环丁烷与质量百分比为54.8％的2-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，得到混合绝缘气体。
实施例6：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为48.5％的八氟环丁烷与质量百分比为61.9％的2-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，得到混合绝缘气体。
实施例7：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为29.8％的八氟环丁烷与质量百分比为69.65％的反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，充入质量百分比为0.5％的氮气，得到混合绝缘气体。
实施例8：
在-15℃的温度条件下，取质量百分比为15.4％的八氟环丁烷与质量百分比为84.1％的顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在液相条件下物理混合，完全气化后，充入质量百分比为0.5％的二氧化碳，得到混合绝缘气体。
实施例9：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为37.3％的八氟环丁烷与质量百分比为39.6％的2-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，充入质量百分比为23.1％的二氧化碳，得到混合绝缘气体。
实施例10：
在-20℃的温度条件下，取质量百分比为37.3％的八氟环丁烷与质量百分比为39.6％的2-氯-3,3,3-三氟丙烯在液相条件下物理混合，完全气化后，充入质量百分比为23.1％的氮气，得到混合绝缘气体。
对比例1：
以质量百分比为100％的反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯作为绝缘气体。
对比例2：
以质量百分比为100％的反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯作为绝缘气体。
对比例3：
以质量百分比为100％的2-氯-3,3,3-三氟丙烯作为绝缘气体。
对比例4：
以质量百分比为100％的八氟环丁烷作为绝缘气体。
对比例5：
以质量百分比为100％的全氟异戊酮(C5F10O)作为绝缘气体。
对比例6：
以质量百分比为100％的全氟异丁腈作为绝缘气体。
对比例7：
以质量百分比为100％的六氟化硫作为绝缘气体。
进一步待上述实施例3-10的液态混合物温度升至室温完全气化后，在极间距为0.1英寸条件下，分别测试上述实施例3-10和各对比例中气体相对于SF6气体的绝缘强度，结果见表6；其中，GWP值以CO2作为基准值1.0(100年)，绝缘强度以六氟化硫作为基准值。
采用观察法测量实施例1-10和对比例1-7的液化温度，结果见表6；从表6中可知，相对于全氟异戊酮(C5F10O)、全氟异丁腈等g3气体替代方案，本发明具有更低的液化温度。
表6环境性能与绝缘强度比较表
从表1中可以看出，在绝缘性能方面，上述实施例的绝缘强度与六氟化硫相当或优于六氟化硫；在环保性能方面，温室效益潜质(GWP)值也远小于六氟化硫，更符合当前减小全球变暖效应的环境保护要求。
Claims (9)
1.一种用于替代六氟化硫的绝缘混合气体，其特征在于，所述绝缘混合气体由组元1和组元2组成，所述组元1为八氟环丁烷；所述组元2选自反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯、2-氯-3,3,3-三氟丙烯和顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯中的一种。
2.如权利要求1所述的绝缘混合气体，其特征在于，所述绝缘混合气体具有类似单一气体特性，并且绝缘混合气体的液化温度小于混合气体中每种组元的液化温度。
3.如权利要求1所述的绝缘混合气体，其特征在于，所述组元1的质量百分数为12％～51％，组元2的质量百分数为49％～88％。
4.根据权利要求1所述的绝缘混合气体，其特征在于，所述绝缘气体包含组元3，组元3选自氮气、氧气、空气和二氧化碳中的任意一种或两种以上的混合。
5.根据权利要求3所述的绝缘混合气体，其特征在于，以质量百分比为100％计，所述绝缘混合气体由组元1、组元2和组元3的质量百分数分别为：15.4％～43.6％：39.6％～84.1％：0.5％～23％。
6.权利要求1-5任一所述的绝缘混合气体在气体绝缘电气变压器、输送或分配电力的气体绝缘线、连接器或切断器中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述绝缘混合气体的工作电压为3kV-35kV。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述绝缘混合气体的工作电压为35kV-330kV。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述绝缘混合气体的工作电压为330k V-1200kV。
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|---|---|---|---|
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