CN117501385A - 仪用互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种设计用于使用包含SF6的绝缘介质的仪用互感器，所述仪用互感器包括包围绝缘空间的外壳，并且还包括布置在绝缘空间中的电气有源部件，所述绝缘空间包含介电绝缘介质。所述仪用互感器的特征在于，介电绝缘介质包含气体混合物，所述气体混合物包含3‑5摩尔％的七氟异丁腈、4‑11摩尔％的氧气(O2)和84‑93摩尔％的氮气(N2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的仪用互感器。
背景技术
仪用互感器在本领域众所周的。具体而言，高压仪用互感器设计用于以最终用户指定的已知和准确的比例，将高电流和高电压水平转换为低电流和低电压输出。除了高压仪用互感器，仪用互感器还包括电流互感器和变电站电压互感器。
通常使用六氟化硫(SF6)对仪用互感器中包含的导电部件进行绝缘。
由于其突出的介电特性和化学惰性，SF6是一种公认的绝缘气体。由于SF6在介电强度方面的突出特性，现有的仪用互感器具有相对紧凑的尺寸。当SF6在6巴或更高的高压下使用时，可以实现特别紧凑的设计。这是由于SF6在高气体密度下可实现非常高的介电性能，最终使得仪用互感器内部的间隙非常小。
尽管有这些特性，仍在加强努力寻找替代绝缘气体，特别是考虑全球变暖潜能值(GWP)低于SF6的替代品。
考虑到提供非SF6替代品，已有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提出了一种介电绝缘介质，其包括含有4至12个碳原子的氟酮。
氟酮已经显示出具有高介电强度。同时，它们具有非常低的GWP和非常低的毒性。由于兼具这些特性，氟酮成为SF6的可行的替代品。
WO-A-2012/080246反映了这方面的进一步发展，其中提出了一种介电绝缘气体，其包括包含恰好5个碳原子的氟酮(特别是1,1,1,3,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-丁-2-酮)与载气的混合物，所述载气与氟酮一起提供了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总和的非线性增加。
US2018/197656 A1涉及一种中压或高压气体绝缘开关设备，其包括电弧控制机构，用于熄灭开关设备的两个触点之间在运动期间形成的电弧，所述电弧控制机构是旋转电弧型。开关设备的外壳填充有介电气体，该介电气体至少包含体积比例在0％至20％范围内的氟腈。
尽管上述替代绝缘介质在环境友好性方面具有有利的性质，但是它们的介电强度在操作条件下低于SF6的介电强度。至少对于某些提议的“非SF6”替代品，这是由于它们的沸点相对较高。因此，在上述高压水平(即6巴或以上)下，与使用SF6相比，这些替代绝缘介质无法达到相同的性能水平。
尽管理论上可以通过增加替代绝缘介质的压力来实现性能水平的提高，但是这极大地提高了互感器的最低工作温度，因为在高压下，绝缘介质或其组分会在更高的温度下发生不希望的冷凝。相反，当使用替代绝缘介质时，如果要达到使用SF6时可达到的最低工作温度，介电性能将大大降低。
此外，增加绝缘介质的压力会导致后者从通常使用的气体密封材料(如EPDM)泄漏。对于包含二氧化碳的绝缘介质来说尤其如此，二氧化碳由于其相对高的介电强度，尤其是其良好的灭弧特性，通常被认为是合适的载气。对于这种含二氧化碳的绝缘介质，必须采用专用的气体密封(或其他复杂的方法)来避免泄漏。否则，不能保证仪用互感器的安全运行。
具体而言，当使用WO 2015/040069中提出的包含七氟异丁腈和二氧化碳的气体混合物时，会出现这个问题，因为已经发现该气体混合物会透过由EPDM制成的密封部件。
考虑到越来越需要将SF6的使用减少到最低限度，将现有的SF6专用的仪用互感器替换为更环保的仪用互感器(特别是降低GWP)是期望的。然而，由于上述原因，在不损害互感器的安全运行和/或不需要对互感器的整体设计进行实质性改变的情况下，目前无法替换SF6。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种设计用于使用包含SF6的绝缘介质的类型的仪用互感器(instrument transformer)，其符合改善环境友好性的要求，特别是降低GWP，但不损害互感器的安全性。换句话说，对于“SF6定制”的互感器，不需要对其设计进行实质性的改变，就可以实现改善的环境友好性和相似的绝缘性能的综合效果。
根据权利要求1的仪用互感器解决了这一问题。从属权利要求中定义了本发明的优选实施方案。
具体实施方式
根据权利要求1，本发明的仪用互感器是设计用于使用包含SF6的绝缘介质的类型。
具体地，仪用互感器为设计用于在5巴绝对压力或以上、优选6巴绝对压力或以上使用SF6的类型。如上所述，由于可实现的小间隙，这种特定类型的仪用互感器具有非常紧凑的设计。
更具体地，仪用互感器是高压仪用互感器、电流互感器和变电站电压互感器中的一种，后者具有每相200VA以上、优选每相200VA至333kVA的额定输出。
最优选地，本发明的仪用互感器是高压仪用互感器。在本发明的上下文中，“高压”是指高于52kV的电压水平范围(区别于“中压”，指从1kV至52kV的电压水平范围)。
由于是为使用包含SF6的绝缘介质而设计的类型，仪用互感器的设计和尺寸适合于SF6的介电特性，这意味着仪用互感器的组件以及它们的布置(包括组件之间的间隙距离)是为SF6的使用而定制的。这种类型的仪用互感器对于技术人员来说是公知的。它们对于存在于互感器绝缘空间中的SF6而言是气密的。
在上述类型的仪用互感器中，通常使用EPDM橡胶(乙烯丙烯二烯单体橡胶)作为密封材料来密封包含SF6的绝缘空间。这种类型的仪用互感器还具有从电气部件中有效散热的能力。这些仪用互感器中使用的包含SF6介质可以是纯的形式的SF6，但也涵盖除SF6外还存在杂质的介质。可选地，包含SF6的介质也可以涉及混合物，该混合物包含SF6与例如载气或另外的介电化合物的组合。在至少5巴压力下，在设计用于使用包含SF6或由SF6组成的绝缘介质的仪用互感器的特定情况下，如上所述并且为本领域技术人员所知，这反映在设备的非常紧凑的设计上。
仪用互感器包括包围绝缘空间的外壳，并且还包括布置在绝缘空间中的电气有源部件(electrical active part)，所述绝缘空间包含介电绝缘介质。
根据本发明，本发明的介电绝缘介质包含气体混合物，其包含3-5摩尔％的七氟异丁腈、4-11摩尔％的氧气(O2)和84-93摩尔％的氮气(N2)。
令人惊讶地发现，通过使用如权利要求1所定义的混合物，可以实现更高的环境友好性，而不会损害仪用互感器的安全性和性能。特别地，已经发现，不需要对仪用互感器的整体设计以及所使用的部件和材料的选择进行明显改变。这也适用于设计用于在20℃下绝对压力为6巴使用SF6的现有仪用互感器；同样对于这些仪用互感器，本发明的混合物能够实现与在所述压力水平下使用SF6时相同的绝缘性能。
具体地，本发明能够实现一种仪用互感器，与具有相同配置但使用包含SF6介质的互感器相比，该仪用互感器具有较低的GWP。
在本发明的上下文中，已经发现，通过使用如权利要求1所定义的绝缘介质，可以实现七氟异丁腈的分压，该分压高于在达到相同露点或最低操作温度的总压力下，在包含二氧化碳的气体混合物中可实现的该化合物的分压。不希望受到理论的束缚，在包含氟腈的气体混合物中使用氮气能够实现坡印亭效应(Poynting effect)，这部分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的增加。结合氮气固有的相对高的介电强度，通过根据本发明的绝缘介质可以实现类似于SF6的介电绝缘性能。
此外，已经发现七氟异丁腈与设备中包含的其他材料具有高相容性。特别是对于使用SF6的电气设备中通常使用的密封部件，已经发现本发明的绝缘介质的渗透率相对较低。因此，绝缘空间中存在的介电绝缘特性可以随着时间保持，这也有助于根据本发明重建的设备的高安全性。
最终，如上所述，可以实现用改进的环境友好性的仪用互感器代替使用SF6的仪用互感器，而不需要改变互感器的整体设计以及所用部件和材料的选择。因此，本发明的概念与EP-A-3118955中公开的概念明显不同。根据EP-A-3118955，为了允许将来能够从SF6切换到环保高效的绝缘气体，改变了设备的设计。
如果气体混合物中七氟异丁腈的量为3.5-4.5摩尔％，且优选为约4摩尔％，则本发明实现的技术效果特别显著。
根据特别优选的实施方案，气体混合物中氧气(O2)的量为4-6摩尔％，优选约5摩尔％。
根据进一步优选的实施方案，气体混合物中氮气(N2)的量为89.5-92.5摩尔％，且优选为约91摩尔％。
所有百分比均参考气体混合物的总摩尔含量。实际上，气体混合物的制备总是会受到公差影响。只要给出气体混合物的范围，该范围也涵盖公差。如果没有给出范围，该值是指标称值。
如上所述，本发明允许仪用互感器在低温下工作，而不会面临介质冷凝的问题。特别是，仪用互感器的额定最低工作温度为-5℃或更低，这通常适用于仪用互感器的室内应用。在另一种室外应用的情况下，仪用互感器的额定最低工作温度优选为-25℃或更低，更优选为-30℃或更低。最优选地，仪用互感器室外应用的额定最低工作温度为-30℃，但也可以是-40℃、-50℃或-60℃。
仪用互感器可以实现特别高的绝缘性能，其中介电绝缘介质以从3巴绝对压力至12巴绝对压力、优选从3巴绝对压力至11巴绝对压力、更优选从8巴绝对压力至11巴绝对压力的范围的压力存在于绝缘空间中，该压力是指20℃的参考温度下的压力。已经令人惊讶地发现，即使在这些高压范围下，绝缘介质也不会发生冷凝或者仅发生可忽略的冷凝。
还如上所述，本发明的介电绝缘介质与使用它的仪用互感器中包含的其它材料(特别是密封件、固体绝缘体等)的高兼容性的方面是有利的。特别地，介电绝缘介质与在设计用于使用SF6的电气设备中通常使用的密封材料兼容，所述密封材料选自EPDM橡胶和丁腈橡胶，也与由丁基橡胶组成的密封材料兼容。对于这些密封材料，还发现本发明的绝缘介质的渗透率相对较低。具体来说，对于EPDM密封件，测量到的泄漏率仅为0.1％/年。
通常地，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(三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer rubber))，但也可以是丁腈橡胶和丁基橡胶，包括未改性丁基橡胶和改性丁基橡胶，尤其是氯化丁基橡胶(CIIR)或溴化丁基橡胶(BIIR)。
如果介电绝缘介质仅包含少量二氧化碳或者不含二氧化碳，情况尤其如此。根据优选实施方案，因此介电绝缘介质包含少于5摩尔％的二氧化碳，优选少于2摩尔％的二氧化碳，最优选至少基本上不含二氧化碳。
考虑到通过使用本发明的介电绝缘介质可实现高材料兼容性，绝缘空间优选由密封部件密封，所述密封部件包含选自EPDM橡胶、丁腈橡胶和丁基橡胶的密封材料。同样如上所述，已发现当与氮气组合时，包含氟腈绝缘介质的露点低于氟腈本身的露点。更具体地说，包含七氟异丁腈与载气(其包含氮气和氧气)的混合物的替代绝缘介质的露点测量显示露点为-36℃，低于混合物中使用的相同分压下单独的七氟异丁腈的露点(约-29℃)，并且显著低于如上定义的使用二氧化碳代替氮气的三元混合物的露点(约-27℃)。
由于介电绝缘介质的低露点，通过从各自的存储和运输设备直接引入气体混合物，仪用互感器的填充可以在现场进行。因此，现场调试非常简单，并且不需要复杂的混合方法来制备含有正确量的组分的组合物。
附图说明
本发明通过以下实施例并结合图1-3进一步说明。
图1示出本发明的电流互感器形式的仪用互感器的侧视图；
图2示出图1的仪用互感器通过第一截面的纵向截面图；以及
图3示出图1的仪用互感器通过第二截面的纵向截面图。
实施例
本发明提供一种设计用于使用SF6作为介电绝缘介质的仪用互感器。
然后，通过连接到包围绝缘空间的外壳中的各自的填充阀的进料管，包含91摩尔％的氮气、4摩尔％的七氟异丁腈和5摩尔％的氧气的替代绝缘介质被填充到绝缘空间中。
如此填充的仪用互感器成功地通过了根据IEC关于雷电冲击耐受电压、操作冲击耐受电压、工频耐受电压和局部放电测量的介电测试。
混合物的露点通过不断缓慢冷却流体并监测流体的各自压力来确定，压力下降指示开始冷凝的点。因此，确定了混合物的露点为-36℃，即低于相同分压下单独的七氟异丁腈的露点(其为-29℃)。
还发现替代气体混合物与设计用于使用SF6作为介电绝缘介质的仪用互感器中使用的大多数材料兼容。因此，不需要进行设计变更和主要材料变更。
关于气密性，在设备中用作标准SF6密封部件的EPDM O形环已经显示出使用的替代气体混合物的可接受的渗透度。具体地，发现与二氧化碳的渗透相比，发现氮气通过EPDMO形环的渗透减少7倍。
在图1所示的具体实施方案中，绝缘互感器(1)在其底部包括填充阀(2)。如图2和3所示，经由该填充阀(2)，绝缘介质被引入到由外壳(6)包围的绝缘空间(4)中，以包围布置在绝缘空间中的电气有源部件，特别是线圈(8)和主导体(10)布置在绝缘空间中的部分。绝缘空间由多个密封部件密封，其中的主密封部件(12)在图3中示出。
Claims (11)
1.设计用于使用包含SF6的绝缘介质的类型的仪用互感器，所述仪用互感器包括包围绝缘空间的外壳，并且还包括布置在所述绝缘空间中的电气有源部件，所述绝缘空间包含介电绝缘介质，其特征在于，所述介电绝缘介质包含气体混合物，其包含3-5摩尔％的七氟异丁腈、4-11摩尔％的氧气(O2)和84-93摩尔％的氮气(N2)。
2.根据权利要求1所述的仪用互感器，其中所述气体混合物中氧气(O2)的量为4-6摩尔％，优选约5摩尔％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述气体混合物中七氟异丁腈的量为3.5-4.5摩尔％，优选约4摩尔％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述气体混合物中氮气(N2)的量为89.5-92.5摩尔％，优选约91摩尔％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述仪用互感器的额定最低工作温度为-5℃或更低。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的仪用互感器，其中所述仪用互感器的额定最低工作温度为-30℃。
7.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述介电绝缘介质以3巴绝对压力至12巴绝对压力的范围存在于所述绝缘空间中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述仪用互感器为设计用于在5巴绝对压力或以上、优选6巴绝对压力或以上使用SF6的类型。
9.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述介电绝缘介质包含少于5摩尔％的二氧化碳，优选少于2摩尔％的二氧化碳，并且最优选至少基本上不含二氧化碳。
10.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述绝缘空间由密封部件密封，所述密封部件包含选自EPDM橡胶、丁腈橡胶和丁基橡胶的密封材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的仪用互感器，其中所述仪用互感器是高压仪用互感器、电流互感器和变电站电压互感器中的一种。
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2023
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