CN116097374A - 重建中压或高压电气设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于重建中压或高压电气设备的方法。所述方法包括以下步骤：a)提供设计为使用含有SF6的绝缘介质的电气设备，b)从包含在所述设备中的绝缘空间中去除SF6，以及c)将替代的绝缘介质填充到所述绝缘空间中，其中所述替代的绝缘介质是至少一种有机氟化合物A与含氮气的载气的混合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于重建中压或高压电气设备的方法。本发明还涉及通过所述方法获得的电气设备。
背景技术
在上述类型的电气设备中，气态或液态的介电绝缘介质通常用于导电部件的绝缘。
中压或高压金属封装开关设备中，例如，导电部件布置在限定绝缘空间的气密壳体中，所述绝缘空间包含绝缘气体且将壳体与导电部件分开，而不让电流通过该绝缘空间。为了中断例如在高压开关设备中的电流，绝缘气体还起到灭弧气体的作用。
由于其出色的介电性能和化学惰性，六氟化硫(SF6)是公认的绝缘气体。尽管具有这些特性，仍需加强努力寻找替代的绝缘气体，特别要考虑全球变暖潜力(GWP)低于SF6的替代品。
为了提供一种非SF6的替代品，建议在介电绝缘介质中使用有机氟化合物。具体地，WO-A-2010/142346公开了一种包含含有4-12个碳原子的氟酮的介电绝缘介质。
氟酮已被证明具有高介电强度。同时，氟酮具有非常低的全球变暖潜力(GWP)和非常低的毒性。由于这些特性的结合，氟酮构成了一种可行的SF6替代品。
这方面的进一步发展反映在WO-A-2012/080246中，其公开了一种介电绝缘气体，所述气体包含含有恰好5个碳原子的氟酮(特别是1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)丁烷-2-酮)与载气(特别是空气或空气组分)的混合物，所述混合物与氟酮一起使绝缘介质的介电强度相对于绝缘介质的气体组分的介电强度之和呈非线性增加。
在寻找替代“非SF6”绝缘介质方面的进一步尝试反映在WO2013/151741中，其公开了使用七氟异丁腈(CF3)2CFCN或2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲氧基)丙腈(CF3CF(OCF3)CN作为介电液体。
在此基础上，WO-2015/040069描述了一种包括壳体的中高压电气设备，其含有包含七氟异丁腈、二氧化碳和氧气的气体介质。
尽管在环境友好性方面具有良好的性能，特别是低GWP，但上述替代的绝缘介质的介电强度在运行条件下低于SF6。至少对于一些可能的“非SF6”替代品来说，这是由于它们的沸点相对较高。为了提供足够的介电强度，通常需要额外的加热手段来实现“非SF6”替代品的足够高的气体密度。
此外，由于中压或高压电气设备的外壳或外围的设计压力在生产后是固定的(在外壳上印有各自的指示)，因此增加绝缘气体的压力以获得更高的气体密度并最终获得更高的介电强度的可能性是有限的。此外，压力升高往往伴随着绝缘气体泄漏出设备，最终导致设备无法保持安全运行的情况。具体地，这适用于WO/2015/040069中提出的众所周知的气体混合物，所述气体混合物含有七氟异丁腈和二氧化碳，已发现这种混合物可渗透传统上用于SF6的仪器的密封部件，即由EPDM制成的密封部件。技术人员知晓，如果使用主要由七氟异丁腈和二氧化碳组成的二元气体混合物，这些设备的安全运行就无法维持。
考虑到日益增长的需求，以将SF6的使用量减少到最低限度，特别是考虑到降低的全球变暖潜力，希望用环境友好性更好的设备来取代现有的SF6定制的设备。然而，由于上述原因，目前不可能在不影响设备安全运行和/或不需要对设备的整体设计进行实质性改变的情况下替代SF6。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种简单的方法，以符合改善的环境友好性，特别是降低的GWP的要求，但又不影响设备的安全性的方式，重新建立一种SF6定制设备。
该问题通过权利要求1所述的方法得到解决。本发明的优选实施方案在从属权利要求中定义。
根据权利要求1，本发明涉及一种重建中压或高压设备的方法。本发明所指的电气设备可以是任何类型的用于发电、输电、配电和/或使用电能的设备。在本发明的上下文中，“中压”是指1kV至52kV的电压等级范围，而“高压”是指高于52kV的电压等级范围。
根据权利要求1，该方法包括第一步a)提供设计为使用含有SF6的绝缘介质的电气设备，即一种设备，其组件及其布置(包括组件之间的间隙距离)是针对SF6的使用定制的。也就是说，该方法从使用含有SF6的介质的设备开始，所述介质包含在设备的绝缘空间中，并且具有绝缘介质的功能，并且还任选地具有灭弧介质的功能。这种类型的设备是技术人员所熟知的。对于设备的绝缘空间中存在的SF6来说，设备是气密的。在这些设备中，通常使用EPDM橡胶(乙丙二烯单体橡胶)作为密封材料来密封含有SF6的绝缘空间。上述类型的设备还具有从电气部件有效散热的能力。在这些设备中使用的含SF6的介质可以是纯的SF6，但也包括这样的介质，其中除了SF6以外还存在杂质。作为替代的，含SF6介质还可以涉及这样的混合物，其中含有SF6与例如载气或其他介电化合物的组合。
本发明的方法还包括以下步骤：
b)从包含在所述设备中的绝缘空间中去除至少部分含SF6的绝缘介质，以及
c)将替代的绝缘介质填充到所述绝缘空间中。
令人惊讶地发现，通过使用至少一种有机氟化合物A和含氮气的载气的混合物，可以在不影响设备安全性的情况下实现提高的环境友好性。
特别地，已经发现，不需要改变设备的整体设计以及所使用的部件和材料的选择。
具体地，本发明的方法能够获得一种电气设备，与相同配置但使用含SF6介质的设备相比，所述电气设备具有更低的GWP。因此，本发明涉及一种用于降低步骤a)中提供的电气设备的GWP的方法。
如果有机氟化合物A选自氟醚，特别是氢氟单醚；氟酮，特别是全氟酮；氟烯烃，特别是氢氟烯烃；以及氟腈，特别是全氟腈及其混合物，则本发明实现的技术效果特别显著。
根据一个特别优选的实施方案，有机氟化合物A是氟腈，特别是全氟腈。
更特别地，氟腈可以是全氟烷基腈，具体地，是全氟乙腈、全氟丙腈(C2F5CN)和/或全氟丁腈(C3F7CN)。
优选地，氟腈可以是全氟异丁腈(式(CF3)2CFCN)和/或全氟-2-甲氧基丙腈(式CF3CF(OCF3)CN)。其中，全氟异丁腈由于其低毒性而特别优选。
对于上述具体的替代的绝缘介质，除了氮气之外，还含有七氟异丁腈作为有机氟化合物A。已经发现，在预定的混合气体总压力下，可以获得有机氟化合物A的分压，该分压高于在达到相同的露点或最低工作温度的总压力下含有二氧化碳的混合气体中可获得的化合物的分压。正如下文进一步详细指出的那样，在含氟腈的混合气体中使用氮气可以实现坡印廷效应(Poynting effect)，这部分地补偿了由于使用具有相对高沸点的七氟异丁腈而导致的露点提高。与氮气固有的相对高的介电强度相结合，可通过替代的绝缘介质实现类似于SF6的介电绝缘性能。
此外，已经发现有机氟化合物A，特别是七氟异丁腈，与设备中包含的其他材料表现出高兼容性。特别是对于通常用于使用SF6的电气设备中的密封部件，已经发现替代的绝缘介质的渗透率相对较低。因此，存在于绝缘空间的电介质绝缘特性可以长期保持，这也有助于根据本发明重新建立的设备的高安全性。
如上所述，最终可以获得改善的环境友好性的电气设备，以取代使用SF6的电气设备，而不需要改变设备的整体设计以及所使用的部件和材料的选择。因此，本发明的概念与EP-A-3118955中公开的概念有明显的区别，根据EP-A-3118955，为了允许将来从SF6切换到生态高效的绝缘气体，改变了设备的设计。
优选的是，在步骤c)之后，有机氟化合物A的分压为至少5kPa，优选至少10kPa，更优选至少15kPa，以及最优选至少20kPa。
根据本发明，在本发明的替代的绝缘介质中使用含有氮气的载气。所使用的载气可以基本上由氮气组成。作为替代地，载气可以含有至少一种除氮气以外的其他载气成分，特别是含量低于氮气的成分。具体地，至少一种另外的载气组分可以是用于防止烟尘形成的氧化气体。
根据本发明的优选的实施方案，载气的量为替代的绝缘介质的总气压的60％以上，优选70％以上，以及最优选80％以上。
根据特别优选的实施方案，替代的绝缘介质中氮气的摩尔百分比为50％以上，更优选60％以上，甚至更优选70％以上，以及最优选80％以上。
如上所述，载气还可以包含氧化气体，特别是氧气。如上所述，在这方面，还优选氧化剂的量低于氮气的量。优选地，替代的绝缘介质中氧化气体的摩尔百分比在1至25％的范围内，更优选2至20％的范围内，甚至更优选3至15％的范围内，以及最优选4至10％的范围内。
根据另一优选实施方案，替代的绝缘介质中的二氧化碳的量低于氮气的量。优选地，替代的绝缘介质中二氧化碳的摩尔百分比为5％以下，更优选为2％以下。最优选地，替代的绝缘介质至少几乎不含二氧化碳。
优选地，替代的绝缘介质中所含的有机氟化合物A的摩尔百分比为0.5％至35％，更优选1％至30％，以及最优选1.5％至25％。最终，通过使用上述定义的混合物作为介电绝缘或灭弧介质，可以实现非常高的介电性能。
如上所述，已发现特别优选使用含有七氟异丁腈和氮气的混合物。该混合物可以是仅含有七氟异丁腈和氮气的二元混合物。此外，还可以包含更多的成分，特别是氧气。
同样如上所述，已经发现，与氮气结合，含氟腈的替代的绝缘介质具有比氟腈本身露点的更低的露点。这可以通过氟腈(更具体地说是七氟异丁腈)与氮气的特定混合物实现的实质性波因廷效应(Poynting effect)来解释。更具体地，对含有七氟异丁腈与含氮气和氧气的载气的混合的替代的绝缘介质进行露点测量，显示其露点为-33℃，低于混合物中使用的相同分压下分离出的七氟异丁腈的露点(约为-30℃)，并且实质上低于如上述定义的三元混合物(但其中使用二氧化碳代替氮气)的露点(约为-27℃)。
根据特定且高度优选的实施方案，替代的绝缘介质含有约85％的氮气、约10％的七氟异丁腈以及约5％的氧气，所有百分比均与各自组分的摩尔百分比有关。
如下面还将讨论的，考虑到本发明的替代的绝缘介质(特别是上面定义的组合物)与包含在所使用的电气设备中的其他材料(例如密封件、固体绝缘体等)的高度兼容性，本发明的替代的绝缘介质是有利的。特别地，替代的绝缘介质与选自EPDM橡胶、丁腈橡胶和丁基橡胶的密封材料相容，这些橡胶通常用于设计为使用SF6的电气设备中。对于这些密封材料，还发现本发明的替代的绝缘介质的渗透率相对较低。
作为上述特定绝缘介质中所含氟腈的替代或补充，替代的绝缘介质可以含有氟酮，更特别是全氟酮。
本申请中使用的术语“氟酮”应作广义解释，应包括全氟酮和氢氟酮，还应包括饱和化合物和不饱和化合物，即，碳原子之间包含双键和/或三键的化合物。氟酮的至少部分氟化的烷基链可以是直链或支链的，或者可以形成环，其任选地被一个或多个烷基取代。在示例性实施方案中，氟酮是全氟酮。在另一示例性实施方案中，氟酮具有支链烷基链，特别是至少部分氟化的烷基链。在进一步的示例性实施方案中，氟酮是完全饱和的化合物。
特别优选的是，有机氟化合物A是恰好含五个碳原子或恰好含六个碳原子的氟酮或其混合物。与链长大于六个碳原子的氟酮相比，含五个或六个碳的氟酮具有沸点相对较低的优点。因此，即使在低温下使用该设备，也可以避免液化可能带来的问题。
优选含五个或更多碳原子的氟酮，因为它们通常无毒，对人体安全具有显著的优势。这与具有少于四个碳原子的氟酮形成对比，例如六氟丙酮(hexafluoroacetone或hexafluoropropanone)，其有毒且反应性很强。特别地，恰好含五个碳原子的氟酮和恰好含六个碳原子的氟酮在高达500℃时是热稳定的。
在有机氟化合物A作为氟酮的实施方案中，特别优选氟酮具有支链烷基链，因为其沸点低于具有直链烷基链的相应化合物的沸点。
根据另一优选实施方案，所述方法包括安装气体密度监测器的进一步步骤，所述气体密度监测器设计为用于监测替代的绝缘介质的密度。
在本发明的上下文中，术语“气体密度监测器”包括用于监测气体组分密度的任何装置，特别是包括用于直接测量每体积气体分子量的装置以及使用温度补偿压力传感器的装置。
如果用于监测SF6的气体密度监测器采用的压力传感器与用于监测替代的绝缘介质的气体密度监测器的压力传感器在不同的阈值压力下被触发，就有必要安装一个新的气体密度监测器。另外，如果是基于与不同替代的绝缘介质的参考气体的对比，则需要更换待重建设备中使用的气体密度监测器。虽然不是强制性的，但气体密度监测器的安装优选在步骤b)之后以及步骤c)之前进行。
对于上述实施方案，进一步优选的是，在安装气体密度监测器之后以及在步骤c)之前，至少部分排空绝缘空间。
在这方面，特别优选的是，在步骤b)之后以及在安装气体密度监测器之前，更换绝缘空间中包含的一个或多个吸附器、吸收器和/或气体填充阀的至少一部分。关于吸附器和/或吸收器的更换，可以通过打开设备的相应端口来实现，该端口允许移除包含吸附器和/或吸收器的相应容器(例如杯子或小袋)，并允许包含未消耗的吸附器和/或吸收器的新容器放置在绝缘空间中。关于气体填充阀的更换，特别优选的是，相比被更换的气体填充阀，新的气体填充阀线程不同。这确保了用于填充替代的绝缘介质的气体供给可以正确地归因于气体填充阀；因此可以有效地降低误操作(可能导致错误地填充SF6而不是替代的绝缘介质)的风险。
作为上述实施方案的替代方案，其中在步骤b)之后和步骤c)之前安装气体密度监测器，也可以在步骤c)之后和设备运行期间安装气体密度监测器，例如通过止逆阀。
除了上述方法之外，本发明还涉及通过该方法获得的电气设备。
根据另一方面，本发明因此涉及一种中压或高压电气设备，其通过使用包含SF6的绝缘介质的方式进行配置，但其通过包含上述替代的绝缘介质(即，至少一种有机氟化合物A和含氮气载气的混合物)的方式重建。
具体地，含有替代的绝缘介质的绝缘空间被包含密封材料的密封部件密封，所述密封材料选自EPDM橡胶(乙丙二烯单体橡胶)、丁腈橡胶和丁基橡胶。
如上所述，令人惊讶地发现，替代的绝缘气体与密封材料高度相容，并表现出对这些材料的低渗透率。
通常，密封绝缘空间的密封部件是O形环的形式。用于密封部件的密封材料优选为EPDM橡胶(乙丙二烯单体橡胶)，但也可以是丁腈橡胶和丁基橡胶，包括未改性的丁基橡胶和改性丁基橡胶，特别是氯丁基橡胶(CIIR)或溴丁基橡胶(BIIR)。
具体地，本发明的设备，特别是气体绝缘设备，是开关设备，特别是气体绝缘开关设备(GIS)，或其零件和/或组件、气体绝缘线路(GIL)、母线或套管。
根据本发明的另一实施方案，所述设备还可以是电缆、气体绝缘电缆、电缆接头、变流器、变压器、传感器、湿度传感器、电涌放电器、电容器、电感器、电阻器、绝缘体、空气绝缘绝缘体、气体绝缘金属封装绝缘体、限流器、高压开关、接地开关、断开器、组合的断开器和接地开关、负载断路开关、电路断路器、气体电路断路器、发电机电路断路器、气体绝缘真空断路器、中压开关、环形主单元、自动继电器、分段器、低压开关、和/或任何类型的气体绝缘开关、变换器、分配变换器、功率变换器、抽头变换器、变换器进线套管、旋转电机、发电机、电机、驱动器、半导体装置、计算机、功率半导体装置、功率转换器、换流站、换流器建筑以及此类装置的组件和/或组合。
本发明通过以下实施例进一步说明。
实施例
提供ELK-3420kV型气体绝缘开关设备(ABB Power Grids Switzerland Ltd.)，其设计为使用SF6作为介电绝缘介质，并且通过连接至绝缘空间壳体的通风口，移除设备绝缘空间中包含的SF6。
通过连接到封闭绝缘空间的壳体上的相应插座的进料管，将含有85.5％的氮气、10％的七氟异丁腈和约4.5％的氧气的替代的绝缘介质填入绝缘空间。
根据本发明重新建立的设备成功地通过了IEC关于雷电冲击耐压、开关冲击耐压、工频耐压以及部分放电测量的电介质测试。
混合物的露点是通过不断地缓慢冷却液体和监测液体的各自压力来确定的，压力的下降表明凝结开始的点。因此，该混合物的露点确定为-33℃，即，低于相同分压下分离的七氟异丁腈的露点(-30℃)。
进一步发现替代的气体混合物与已安装的非动能部件中使用的所有材料兼容，即，与所用的油漆、密封部件、吸附器和吸收器兼容。
关于气密性，在设备中，作为标准SF6密封部件而使用的EPDM O形环对所使用的替代的气体混合物的渗透程度是可以接受的。具体地，发现与二氧化碳的渗透相比，氮气通过EPDM O形环的渗透减少了7倍。
Claims (20)
1.用于重建中压或高压电气设备的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供设计为使用含有SF6的绝缘介质的电气设备，
b)从包含在所述设备中的绝缘空间中去除至少部分含SF6的绝缘介质，以及
c)将替代的绝缘介质填充到所述绝缘空间中，
其中所述替代的绝缘介质是至少一种有机氟化合物A与含氮气的载气的混合物。
2.权利要求1所述的方法，其中
所述有机氟化合物A选自氟醚，特别是氢氟单醚；氟酮，特别是全氟酮；氟烯烃，特别是氢氟烯烃；以及氟腈，特别是全氟腈；及其混合物；并且特别是全氟酮和/或全氟腈。
3.权利要求1或2所述的方法，其中
所述替代的绝缘介质含有七氟异丁腈作为有机氟化合物A。
4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
在步骤c)之后，所述有机氟化合物A的分压为至少5kPa，优选至少10kPa，更优选至少15kPa，以及最优选至少20kPa。
5.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述载气的量为所述替代的绝缘介质的总气压的60％以上，优选70％以上，以及最优选80％以上。
6.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述替代的绝缘介质中氮气的摩尔百分比为50％以上，优选60％以上，更优选70％以上，以及最优选80％以上。
7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述载气还含有氧化气体，优选氧气。
8.权利要求7所述的方法，其中
所述替代的绝缘介质中氧化气体的摩尔百分比在1至25％的范围内，优选在2至20％的范围内，更优选在3至15％的范围内，以及最优选在4至10％的范围内。
9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述替代的绝缘介质中的二氧化碳的量低于氮气的量，所述替代的绝缘介质中的二氧化碳的摩尔百分比为优选5％以下，更优选2％以下。
10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述替代的绝缘介质中所含的有机氟化合物A的摩尔百分比为0.5％至35％，更优选1％至30％，以及最优选1.5％至25％。
11.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述绝缘空间被包含密封材料的密封部件密封，所述密封材料选自EPDM橡胶、丁腈橡胶以及丁基橡胶。
12.前述权利要求中任一项所述的方法，其中
所述方法包括安装气体密度监测器的进一步步骤，所述气体密度监测器设计为用于监测所述替代的绝缘介质的密度。
13.权利要求12所述的方法，其中
在步骤b)之后以及步骤c)之前进行所述安装气体密度监测器的步骤。
14.权利要求13所述的方法，其中
在安装气体密度监测器之后以及在步骤c)之前，至少部分排空所述绝缘空间。
15.权利要求13或14所述的方法，其中
在步骤b)之后以及安装气体密度监测器之前，更换所述绝缘空间中包含的一个或多个吸附器、吸收器和/或气体填充阀的至少一部分。
16.权利要求12所述的方法，其中
在设备运行期间，通过止逆阀进行安装气体密度监测器的步骤。
17.中压或高压电气设备，其通过前述权利要求中任一项所述的方法获得。
18.权利要求17所述的电气设备，其中
含有替代的绝缘介质的绝缘空间被包含密封材料的密封部件密封，所述密封材料选自EPDM橡胶、丁腈橡胶以及丁基橡胶。
19.权利要求17或18所述的电气设备，其中
所述设备是开关设备，特别是气体绝缘开关设备(GIS)或其零件和/或组件、气体绝缘线(GIL)、母线或套管。
20.权利要求17或18所述的电气设备，其中
所述设备是电缆、气体绝缘电缆、电缆接头、变流器、变压器、传感器、湿度传感器、电涌放电器、电容器、电感器、电阻器、绝缘体、空气绝缘绝缘体、气体绝缘金属封装绝缘体、限流器、高压开关、接地开关、断开器、组合的断开器和接地开关、负载断路开关、电路断路器、气体电路断路器、发电机电路断路器、气体绝缘真空断路器、中压开关、环形主单元、自动继电器、分段器、低压开关、和/或任何类型的气体绝缘开关、变换器、分配变换器、功率变换器、抽头变换器、变换器进线套管、旋转电机、发电机、电机、驱动器、半导体装置、计算机、功率半导体装置、功率转换器、换流站、换流器建筑以及此类装置的组件和/或组合。
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