DE102015213604A1

DE102015213604A1 - Gas-insulated switchgear

Info

Publication number: DE102015213604A1
Application number: DE102015213604.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hammer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Es wird eine gasisolierte Schaltanlage angegeben, die einen Isoliergasraum mit wenigstens einem Schaltelement zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung aufweist, wobei der Isoliergasraum mit Isoliergas angefüllt ist und das Isoliergas das Schaltelement umgibt und wobei wenigstens eines der Bauteile des Schaltelements ein Material aufweist, das mit dem Isoliergas in Kontakt steht und offenporös ist mit einem spezifischen Porenvolumen von wenigstens 0,01 cm^3/g. Im normalen Betrieb kondensiert das Isoliergas innerhalb der Poren des Materials. Tritt ein Schaltlichtbogen auf, wird das Material und damit das kondensierte Isoliergas erhitzt und verdampft. Dadurch wird das Bauteil gekühlt und der Druck des Isoliergases um das Bauteil erhöht, wodurch der Lichtbogen schneller verlischt.It is specified a gas-insulated switchgear having an insulating gas space with at least one switching element for producing and separating an electrical connection, wherein the Isoliergasraum is filled with insulating gas and the insulating gas surrounds the switching element and wherein at least one of the components of the switching element comprises a material with the insulating gas is in contact and is open-pored with a specific pore volume of at least 0.01 cm ^ 3 / g. During normal operation, the insulating gas condenses within the pores of the material. If a switching arc occurs, the material and thus the condensed insulating gas is heated and evaporated. As a result, the component is cooled and the pressure of the insulating gas is increased by the component, whereby the arc extinguishes faster.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasisolierte Schaltanlage mit einem Isoliergas in einem Isoliergasraum. The invention relates to a gas-insulated switchgear with an insulating gas in a Isoliergasraum.

Die Unterbrechung von Lastströmen und insbesondere von Kurzschlussströmen ist für den zuverlässigen, sicheren Betrieb von elektrischen Anlagen und Netzen erforderlich. Im Bereich der Niederspannung werden hierfür typischerweise Leistungsschalter eingesetzt, die mit Luft als Betriebsmedium arbeiten. Im Bereich der Mittel- und Hochspannung hingegen kommen gasisolierte Schaltanlagen und insbesondere gasisolierte Leistungsschalter zum Einsatz, die durch die Verwendung von SF6 als Lösch- und Isoliergas, auch in einem Gasgemisch mit beispielsweise N2, CO2, oder CF4, deutlich schneller schalten können und gleichzeitig kompakter aufgebaut sind. Bekannte Konzepte, die das Verlöschen des beim Leistungsschalten gebildeten Schaltlichtbogens beschleunigen und so die Schaltgeschwindigkeit weiter erhöhen können, sind eine zeitlich selektive Druckerhöhung oder Beblasung des Schaltlichtbogens mit dem Lösch- und Isoliergas. The interruption of load currents and in particular of short-circuit currents is required for the reliable, safe operation of electrical installations and networks. In the field of low voltage typically circuit breakers are used, which operate with air as the operating medium. In the area of medium and high voltage, however, gas-insulated switchgear and in particular gas-insulated circuit breakers are used, which can switch considerably faster by using SF6 as extinguishing and insulating gas, even in a gas mixture with, for example, N2, CO2, or CF4, and at the same time more compact are constructed. Known concepts that can accelerate the extinction of the switching arc formed during power switching and thus can further increase the switching speed are a time-selective increase in pressure or blowing the switching arc with the extinguishing and insulating gas.

Derzeit gibt es Bestrebungen, das SF6 in diesen Anwendungen aufgrund seiner ausgeprägten Wirkung als Treibhausgas zu ersetzen. Als Ersatz kommen elektronegative Isolier- und Löschgase mit niedrigerem Treibhauspotential wie beispielsweise Fluorketone, Fluornitrile, Fluorolefine in Frage. Diese weisen allerdings höhere Siedepunkte bei Normaldruck als SF6 auf und müssen deshalb mit wesentlich niedrigeren Konzentrationen als SF6 in die Anlagen eingefüllt werden, um eine Kondensation großer Mengen innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches zu vermeiden. Dadurch wird unter der Voraussetzung gleicher konstruktiver Randbedingungen (Bauraum und Arbeitsdruck) die Schaltzeit verlängert. Das belastet sowohl den gasisolierten Schalter als auch – im Falle eines Kurzschlusses – das elektrische Netz. Efforts are currently underway to replace the SF6 in these applications because of its pronounced greenhouse gas (GHG) effect. As substitute come electronegative insulating and extinguishing gases with lower global warming potential, such as fluoroketones, fluoronitriles, fluoroolefins in question. However, these have higher boiling points at normal pressure than SF6 and must therefore be filled into the systems at much lower concentrations than SF6 in order to avoid condensation of large quantities within the working temperature range. As a result, the switching time is extended provided that the same structural boundary conditions (installation space and working pressure) are met. This loads both the gas-insulated switch and - in the case of a short circuit - the electrical network.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gasisolierte Schaltanlage anzugeben, bei der eine Verbesserung des Schaltvermögens sowie eine Reduzierung der Schädigung von Komponenten durch den Schaltlichtbogen oder Heißgasströmungen als Folge des Schaltlichtbogens bewirkt wird, insbesondere beim Einsatz neuartiger elektronegativer Isoliergase mit Siedebereichen oberhalb des Siedepunktes von SF6. Diese Aufgabe wird durch eine gasisolierte Schaltanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der gasisolierten Schaltanlage. It is an object of the present invention to provide a gas-insulated switchgear, in which an improvement of the switching capacity and a reduction in the damage of components caused by the switching arc or hot gas flows as a result of the switching arc, especially when using novel electronegative insulating gases with boiling ranges above the boiling point of SF6 , This object is achieved by a gas-insulated switchgear with the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous embodiments of the gas-insulated switchgear.

Die erfindungsgemäße gasisolierte Schaltanlage weist einen Isoliergasraum mit wenigstens einem Schaltelement zum Herstellen und Trennen einer elektrischen Verbindung auf. Der Isoliergasraum ist mit Isoliergas angefüllt und das Isoliergas umgibt das Schaltelement. The gas-insulated switchgear according to the invention has an insulating gas space with at least one switching element for producing and disconnecting an electrical connection. The insulating gas space is filled with insulating gas and the insulating gas surrounds the switching element.

Wenigstens eines der Bauteile des Schaltelements weist ein Material auf, das mit dem Isoliergas in Kontakt steht und offenporös ist mit einem spezifischen Porenvolumen von wenigstens 0,05 cm^3/g. At least one of the components of the switching element comprises a material which is in contact with the insulating gas and is open-pored with a specific pore volume of at least 0.05 cm 3 / g.

Die Erfindung schafft eine gasisolierte Schaltanlage, deren Schaltvermögen gesteigert ist, indem Schaltlichtbögen schneller gelöscht werden. Der Einfachheit halber wird im Folgenden vom Kondensieren des Isoliergases gesprochen, obwohl das Isoliergas gewöhnlich ein Gasgemisch ist und auch Komponenten wie Stickstoff enthalten kann, die bei keinem realen Betriebszustand kondensieren werden. Gemeint sind dabei immer jene Teile des Isoliergases, bei denen der Partialdruck nahe oder über dem Dampfdruck liegt, so dass ein Kondensieren in messbarer Menge vorkommen kann. The invention provides a gas-insulated switchgear, the switching capacity is increased by switching arcs are deleted faster. For the sake of simplicity, although the insulating gas is usually a gas mixture and may also contain components such as nitrogen which will not condense in any real operating condition, the following is referred to as condensing the insulating gas. This always means those parts of the insulating gas, in which the partial pressure is near or above the vapor pressure, so that condensation in measurable amount can occur.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass das Isoliergas besonders gut in den Poren des offenporösen Materials kondensiert. Weiterhin wird dort bedingt durch das spezifische Porenvolumen eine vergleichsweise große Menge an kondensiertem Isoliergas gespeichert. Tritt nun ein Schaltlichtbogen auf, wird das Material in der Umgebung des Schaltlichtbogens oder wo heiße Gase anströmen erhitzt. Dadurch verdampft das in den Poren kondensierte Isoliergas und erhöht somit in der engen Umgebung der Oberfläche des Materials den Druck des Isoliergases und die Konzentration der elektronegativen Anteile des Isoliergases. Dadurch sinkt die elektrische Leitfähigkeit, was dem Lichtbogen entgegenwirkt. For the invention it was recognized that the insulating gas condenses particularly well in the pores of the open-porous material. Furthermore, due to the specific pore volume, a comparatively large amount of condensed insulating gas is stored there. Now, when a switching arc occurs, the material is heated in the vicinity of the switching arc or where hot gases flow. As a result, the insulating gas condensed in the pores evaporates, thus increasing the pressure of the insulating gas and the concentration of the electronegative portions of the insulating gas in the vicinity of the surface of the material. This reduces the electrical conductivity, which counteracts the arc.

Weiterhin bewirkt das Verdampfen des Isoliergases aus den Poren eine erhebliche Kühlung des Materials und damit indirekt auch dem Schaltlichtbogen bzw. anströmenden heißen Gases. Da die Verdampfungsenthalpie typischerweise sehr groß ist gegenüber der spezifischen Wärmekapazität, kann die Verdampfung des Isoliergases viel Energie aufnehmen, die dann zu keiner Temperaturerhöhung führt. Furthermore, the evaporation of the insulating gas from the pores causes a considerable cooling of the material and thus indirectly also the switching arc or inflowing hot gas. Since the evaporation enthalpy is typically very large compared to the specific heat capacity, the evaporation of the insulating gas can absorb a lot of energy, which then leads to no increase in temperature.

Das Porenvolumen bzw. die Porengrößenverteilung wird gemessen durch Adsorptions- und Desorptions-Isothermen unter Verwendung des Isoliergases, das in der Anlage verwendet wird und adsorbiert werden soll, beispielsweise gemäß S. Nagappan, et al., J. Ind. Eng. Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.07.022 . The pore volume or the pore size distribution is measured by adsorption and desorption isotherms using the insulating gas used in the plant and to be adsorbed, for example according to Nagappan, S., et al., J. Ind. Eng. Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.07.022 ,

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Schaltanlage noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

– Das Material kann als Oberflächenbeschichtung des Bauteils vorliegen. Dadurch wird der prinzipielle Aufbau des Bauteils nicht wesentlich verändert, aber trotzdem die gewünschte Speicherung des Isoliergases erreicht. Je nach Porosität des Materials kann eine Dicke von wenigen 100 µm bereits die maximale Dicke sein, die das Isoliergas überhaupt in das Material eindringt. Bei anderen Materialien kann die Dicke der Beschichtung auch 1 mm, 5 mm oder 1 cm oder mehr betragen. Die Oberflächenbeschichtung kann dabei Teile der Oberfläche des Bauteils überziehen oder das ganze Bauteil.
– Das Material kann auch als Oberflächenüberzug über Teile des Bauteils oder das ganze Bauteil vorliegen. Der Oberflächenüberzug ist wenigstens mehrere cm dick. In diesem Fall kann man nicht von einer Beschichtung sprechen und der Aufbau des Bauteils wird insgesamt deutlich verändert. Jedoch weist das Bauteil immer noch Teile aus unporösem Material auf.
– Besonders bevorzugt ist das Bauteil komplett oder nahezu komplett aus dem porösen Material gefertigt sein. Hierdurch wird erreicht, dass die Oberfläche des Bauteils auch bei Verlust von porösem Material, der bei Schaltvorgängen auftritt, immer weiterhin das poröse Material aufweist.
– Das spezifische Porenvolumen kann wenigstens 0,1 cm^3/g, insbesondere wenigstens 1 cm^3/g betragen. Ein erhöhtes Porenvolumen erhöht vorteilhaft die gespeicherte Menge an kondensiertem Isoliergas und somit die kühlende Wirkung bei Verdampfen des Isoliergases aus den Poren.
– Das Material ist bevorzugt mesoporös. Gemäß der hier verwendeten Definition weist das Material also Porengrößen im Bereich von 2 nm bis 50 nm auf. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Porengrößen eine Verteilung aufweisen, also Poren verschiedener Größen vorhanden sind. Porengrößen in diesem Bereich ergeben ein hohes Volumen an Poren pro Materialgewicht. Eine Porengrößenverteilung erlaubt eine Kondensation des Isoliergases in einem weiten Temperaturbereich bei gleichzeitig schneller Freisetzung des Isoliergases bei Erhitzung.
– Das Material kann eines oder ein Gemisch aus mehreren der folgenden Materialien umfassen: Silikat, Aluminosilikat, Zeolith, insbesondere MCM-41, MCM-48, SBA-15, poröses Glas, insbesondere Vycor, KIT-6, Organosilica. Da das Ergebnis einer Bestimmung des spezifischen Porenvolumens des Materials und/oder der Porengrößenverteilung des Materials erheblich von der verwendeten Methode der Bestimmung abhängt, umfasst die Erfindung als Alternative auch eine Schaltanlage, bei der wenigstens eines der Bauteile des Schaltelements eines der vorgenannten Materialien in einer offenporösen Form aufweist, unabhängig von einem konkreten Porenvolumen. Die genannten Materialien weisen vorteilhaft die gewünschte Porosität und Stabilität für den Einsatz in einer Schaltanlage auf.
– Das Material kann hydrophob gestaltet sein, beispielsweise durch eine Behandlung bei der Herstellung oder Beimengungen im Material. Dadurch wird vorteilhaft die unerwünschte Kondensation von Wasser in den Poren des Materials verringert.

Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. In this case, the embodiment according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims be combined. Accordingly, the following features can additionally be provided for the switchgear:

- The material may be present as a surface coating of the component. As a result, the basic structure of the component is not significantly changed, but still achieved the desired storage of the insulating gas. Depending on the porosity of the material, a thickness of a few 100 microns may already be the maximum thickness that penetrates the insulating gas in the material at all. For other materials, the thickness of the coating may also be 1 mm, 5 mm or 1 cm or more. The surface coating can cover parts of the surface of the component or the entire component.
- The material can also be present as a surface coating over parts of the component or the whole component. The surface coating is at least several cm thick. In this case, one can not speak of a coating and the structure of the component is significantly changed overall. However, the component still has parts of nonporous material.
- Particularly preferably, the component is completely or almost completely made of the porous material. This ensures that the surface of the component, even with loss of porous material, which occurs during switching operations, always has the porous material.
- The specific pore volume may be at least 0.1 cm ^ 3 / g, in particular at least 1 cm ^ 3 / g. An increased pore volume advantageously increases the stored amount of condensed insulating gas and thus the cooling effect on evaporation of the insulating gas from the pores.
The material is preferably mesoporous. According to the definition used here, the material thus has pore sizes in the range from 2 nm to 50 nm. It is advantageous if the pore sizes have a distribution, so pores of different sizes are available. Pore sizes in this range give a high volume of pores per weight of material. A pore size distribution allows condensation of the insulating gas in a wide temperature range with simultaneous rapid release of the insulating gas when heated.
The material may comprise one or a mixture of several of the following materials: silicate, aluminosilicate, zeolite, especially MCM-41, MCM-48, SBA-15, porous glass, in particular Vycor, KIT-6, organosilica. Since the result of a determination of the specific pore volume of the material and / or the pore size distribution of the material depends considerably on the method of determination used, the invention alternatively comprises a switchgear in which at least one of the components of the switching element of one of the aforementioned materials in an open-porous Form, regardless of a specific pore volume. The materials mentioned advantageously have the desired porosity and stability for use in a switchgear.
- The material may be hydrophobic, for example, by a treatment in the production or admixtures in the material. This advantageously reduces the unwanted condensation of water in the pores of the material.

Das Material kann eine Porengrößenverteilung aufweisen, deren Maximum bei einer Porengröße zwischen 1 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 50 nm, insbesondere zwischen 3 nm und 10 nm liegt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Großteil der Poren, insbesondere wenigstens 90% der Porengrößenverteilung, im Bereich zwischen 1 nm und 100 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 50 nm liegt.

– Das Isoliergas kann eines oder mehrere der folgenden Löschgastypen umfassen:
– fluorierte Ketone, insbesondere perfluorierte Ketone, insbesondere solche mit wenigstens fünf Kohlenstoffatomen,
– fluorierte Nitrile, insbesondere perfluorierte Nitrile mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
– fluorierte Olefine,
– fluorierte Cyclo-Olefine, insbesondere perfluorierte Cyclo-Olefine mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
– fluorierte Oxirane, insbesondere mit wenigstens vier Kohlenstoffatomen,
– fluorierte Ether.

The material may have a pore size distribution whose maximum lies at a pore size between 1 nm and 100 nm, in particular between 2 nm and 50 nm, in particular between 3 nm and 10 nm. Furthermore, it is advantageous if the majority of the pores, in particular at least 90% of the pore size distribution, is in the range between 1 nm and 100 nm, in particular between 2 nm and 50 nm.

- The insulating gas may comprise one or more of the following extinguishing gas types:
Fluorinated ketones, in particular perfluorinated ketones, in particular those having at least five carbon atoms,
Fluorinated nitriles, in particular perfluorinated nitriles having at least four carbon atoms,
- fluorinated olefins,
Fluorinated cyclo-olefins, in particular perfluorinated cyclo-olefins having at least four carbon atoms,
Fluorinated oxiranes, in particular having at least four carbon atoms,
- fluorinated ethers.

Diese sind elektronegativ und in ihrer Treibhausgaswirkung besser als das herkömmlich verwendete SF6.

– Die Menge des Anteils von Löschgastypen im Isoliergasraum kann wenigstens so groß gewählt werden, dass bei der höchsten möglichen Betriebstemperatur der Schaltanlage wenigstens 3% Anteil des Gases in flüssiger Form vorliegt. Dadurch wird erreicht, dass auch bei der maximalen Betriebstemperatur der Schaltanlage noch ein kondensierter Anteil des Isoliergases vorliegt. Weiterhin wird erreicht, dass auch bei einem gewissen Verlust von Isoliergas im laufenden Betrieb immer noch ein kondensierter Anteil vorliegt.

These are electronegative and better in their greenhouse gas effect than the conventionally used SF6.

- The amount of the proportion of extinguishing gas types in Isoliergasraum can be chosen at least so large that at the highest possible operating temperature of the switchgear is at least 3% proportion of the gas in liquid form. This ensures that even at the maximum operating temperature of the switchgear still a condensed portion of the insulating gas is present. Furthermore, it is achieved that even with a certain loss of insulating gas during operation, there is still a condensed fraction.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form Further advantageous embodiments of the switchgear are apparent from the above-mentioned subclaims. The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to the drawings. In each case show in schematic form

1 einen Leistungsschalter nach Art eines Blaskolbenschalters mit porösem Speicher für isolierendes Fluid, 1 a circuit breaker in the manner of a blow piston switch with porous storage for insulating fluid,

2 einen Heißgasschirm mit porösem Speicher für isolierendes Fluid. 2 a hot gas screen with porous storage for insulating fluid.

1 zeigt einen Leistungsschalter 1 nach dem Blaskolbenprinzip. Der Leistungsschalter 1 umfasst in bekannter Weise eine elektrisch isolierende Wand 2, die eine Kammer umschließt, in der ein Festkontakt 3 und ein beweglicher Blaszylinderkontakt 4 angeordnet sind. 1 shows a circuit breaker 1 after the blow piston principle. The circuit breaker 1 includes in a known manner an electrically insulating wall 2 which encloses a chamber in which a fixed contact 3 and a movable blowing cylinder contact 4 are arranged.

Während der Ausschaltbewegung wird ein Volumen 7 des Blaszylinders stetig verkleinert und somit der Druck des eingeschlossenen Isoliergases erhöht, bis sich der Fest- und Blaszylinderkontakt 3, 4 trennen. Durch die Kontakttrennung wird ein Schaltlichtbogen 9 erzeugt, der eine weitere Drucksteigerung des Isoliergases zur Folge hat. During the switch-off movement becomes a volume 7 of the blowing cylinder steadily reduced and thus increases the pressure of the enclosed insulating gas until the fixed and Blaszylinderkontakt 3 . 4 separate. The contact separation becomes a switching arc 9 generated, which has a further increase in pressure of the insulating gas result.

Für eine weitere Kompression des Gases sorgt beim Blaskolbenschalter der Schalterantrieb 5. Bei genügend hohem Druck kann das komprimierte Isoliergas ausströmen und durch die Strömbewegung dem Schaltlichtbogen 9 Energie entziehen und ihn schließlich ausblasen. For further compression of the gas ensures the blow piston switch the switch drive 5 , At sufficiently high pressure, the compressed insulating gas can flow out and by the flow movement of the switching arc 9 Remove energy and finally blow it out.

Im Gegensatz zu bekannten Blaskolbenschaltern weist der Leistungsschalter 1 jedoch einen mesoporösen Speicher 10 für isolierendes Fluid auf, der als Schicht auf Isolierstoffdüsen 6 ausgebildet ist und aus superhydrophobem Polymethylhydroxysiloxan aufgebaut ist. Diese Schicht 8 wird mittels Sol-Gel Verfahren hergestellt und ist 0,1 mm dick. Unlike known poppet switches, the circuit breaker 1 however, a mesoporous memory 10 for insulating fluid, which acts as a layer on insulating material nozzles 6 is formed and constructed from superhydrophobic polymethylhydroxysiloxane. This layer 8th is made by sol-gel method and is 0.1 mm thick.

Als beispielhaftes Isoliergas soll in diesem Ausführungsbeispiel das Gas 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluoro-4-(trifluoromethyl)-3-pentanone verwendet werden. Dieses ist ein perfluoriertes Keton mit 6 Kohlenstoffatomen, das im Folgenden als C6-PFK bezeichnet wird. C6-PFK ist nicht giftig, nicht entflammbar, nach derzeitigen Kenntnissen nicht umweltgefährdend, hat ein niedriges Treibhauspotenzial und eine dielektrische Festigkeit, die dem 1,75-fachen von SF6 entspricht. Der Stoff wird beispielsweise als Mittel zum Ersticken von Bränden unter dem Namen Novec 1230 eingesetzt sowie weiterhin als Schutzgas bei der Magnesium-Herstellung und Verarbeitung unter dem Namen Novec 612. As an exemplary insulating gas to be used in this embodiment, the gas 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones. This is a perfluorinated ketone with 6 Carbon atoms, which is referred to below as C6-PFK. C6-PFK is non-toxic, non-flammable, currently not environmentally hazardous, has low global warming potential and dielectric strength equivalent to 1.75 times SF6. The substance is used, for example, as a means for suffocation of fires under the name Novec 1230 and also as a protective gas in the magnesium production and processing under the name Novec 612.

Der Siedepunkt von C6-PFK liegt bei 49 °C. Da Mittelspannungs- und Hochspannungs-Anlagen unter verschiedensten klimatischen Bedingungen arbeiten können sollten, schränkt das den Partialdruck der Gasfüllung für solche Anlagen deutlich ein: Die Befüllung von Anlagen, die bis –10 °C arbeitsfähig sein sollen, darf bei dieser unteren Arbeitstemperatur einen C6-PFK Partialdruck von 7,685 kPa nicht überschreiten. Bei Arbeitsfähigkeit bis –30°C hinunter sinkt dieser Wert sogar auf 2,346 kPa. Diese Druckwerte liegen weit unter dem Gesamtdruck, mit dem die gasisolierten Leistungsschalter gefüllt werden. The boiling point of C6-PFK is 49 ° C. Since medium-voltage and high-voltage systems should be able to work under a wide variety of climatic conditions, this clearly limits the partial pressure of the gas filling for such systems: The filling of systems which are to be able to operate at -10 ° C may be carried out at this lower operating temperature. PFK do not exceed partial pressure of 7.685 kPa. At working capacity down to -30 ° C, this value even drops to 2.346 kPa. These pressures are well below the total pressure at which the gas-insulated circuit breakers are filled.

Die Anlage oder Schaltkomponente wird daher mit einer solchen C6-PFK Menge gefüllt, dass das C6-PFK bei der minimalen Betriebstemperatur nicht vollständig verdampft. Damit bleibt bei minimaler Betriebstemperatur ein kleiner Rest flüssiges C6-PFK in der Anlage, der mit steigender Betriebstemperatur verdampft und so zu einem gegenüber dem minimalen Auslegungsdruck erhöhten C6-PFK Partialdruck führt, der durch die Antoine-Gleichung log₁₀p = A – B / C + T (1) beschrieben werden kann, in der A, B und C Materialparameter sind und T die Temperatur. Da wie durch die Kelvin-Gleichung

mit der Oberflächenspannung des Isoliergas-Kondensats σ_liq, der allgemeinen Gaskonstante R₀,
der Differenz der Massendichten des kondensierten und des gasförmigen Isoliergases ∆ρ_lg,
und der Filmdicke des Adsorbates auf der Poren- oder Kapillaroberfläche d_film The plant or switching component is therefore filled with such a C6-PFK amount that the C6-PFK does not completely vaporize at the minimum operating temperature. Thus, at minimum operating temperature, a small amount of liquid C6 PFK remains in the system which vaporizes with increasing operating temperature resulting in a C6-PFK partial pressure raised above the minimum design pressure, as determined by the Antoine equation

log ₁₀ p = A - B / C + T (1)

can be described in which A, B and C are material parameters and T is the temperature. Because as by the Kelvin equation

with the surface tension of the insulating gas condensate σ _liq , the general gas constant R ₀ ,
the difference between the mass densities of the condensed and the gaseous insulating gas Δρ _lg ,
and the film thickness of the adsorbate on the pore or capillary surface d _film

beschrieben in den Poren des mesoporösen Materials das C6-PFK abhängig von Temperatur T und Porendurchmesser D_p bereits bei deutlich niedrigerem Partialdruck p_cc(T, D_p) < p_sat(T) beginnt zu kondensieren als im freien Gasvolumen, ist das mesoporöse Material mit kondensiertem C6-PFK nicht nur unterhalb sondern auch oberhalb des Taupunktes mit C6-PFK beladen, wobei der Grad der Beladung vom C6-PFK Partialdruck, Temperatur und Porengrößenverteilung abhängt. described in the pores of the mesoporous material, the C6-PFK depending on temperature T and pore diameter D _p already at much lower partial pressure p _cc (T, D _p ) <p _sat (T) begins to condense than in the free gas volume, is the mesoporous material loaded with condensed C6-PFK not only below but also above the dew point with C6-PFK, the degree of loading depends on the C6-PFK partial pressure, temperature and pore size distribution.

Wenn beispielsweise die C6-PFK-Füllung auf einen Taupunkt von –20°C eingestellt ist, beträgt der C6-PFK Partialdruck bei –30°C noch 54 % des Partialdrucks bei –20°C. Das mesoporöse Isoliermaterial ist unter diesen Bedingungen vollständig mit C6-PFK beladen, d.h. das Porenvolumen ist gefüllt mit kondensiertem C6-PFK. Steigt die Temperatur auf –10°C, dann erhöht sich die C6-PFK Konzentration auf den maximal möglichen Wert von 3,9 Volumen-%. Der Partialdruck beträgt dann noch 56,7 % des Sättigungsdampfdrucks. Für Porendurchmesser zwischen 2 nm und 5 nm ist damit eine Porenkondensation gewährleistet, und bei passender Porengrößenverteilung wird eine vollständige Beladung des mesoporösen Isoliermaterials mit C6-PFK erreicht. Mit weiter steigender Temperatur sinkt dann die Beladung. For example, if the C6 PFK charge is set to a dew point of -20 ° C, the C6 PFK partial pressure at -30 ° C is still 54% of the partial pressure at -20 ° C. The mesoporous insulating material is fully loaded with C6 PFK under these conditions, i. the pore volume is filled with condensed C6-PFK. When the temperature rises to -10 ° C, the C6-PFK concentration increases to the maximum possible value of 3.9% by volume. The partial pressure is then still 56.7% of the saturation vapor pressure. For pore diameters between 2 nm and 5 nm, pore condensation is thus ensured, and with suitable pore size distribution, complete loading of the mesoporous insulating material with C6-PFK is achieved. As the temperature continues to rise, the load will drop.

Im Falle der Wechselwirkung eines Lichtbogens oder einer Heißgasströmung mit der Oberfläche des porösen Isolators wird C6-PFK-Kondensat erwärmt und schlagartig verdampft. Dadurch werden der C6-PFK Partialdruck und die Gasdichte und damit auch die dielektrische Festigkeit im oberflächennahen Bereich erhöht. Gleichzeitig wird durch Verdunstungskühlung dem Lichtbogen oder der Heißgasströmung Energie entzogen. Beides führt zu einem beschleunigten Lichtbogenlöschen und zu einer Reduzierung der Auswirkungen der Heißgasströmung. Da die spezifischen Wärmen sowohl des C6-PFKs als auch von mesoporösen Materialien wie z.B. Silica-Gel im Bereich 1 kJ/(kg K) liegen, die Verdampfungsenthalpie von C6-PFK jedoch 88 kJ/kg beträgt, entzieht die Verdunstungskühlung dem Lichtbogen bzw. der Heißgasströmung wesentlich effizienter Energie als Temperaturerhöhung der Materialien. In the case of the interaction of an arc or hot gas flow with the surface of the porous insulator, C6-PFK condensate is heated and vaporized abruptly. This increases the C6-PFK partial pressure and the gas density and thus the dielectric strength in the near-surface region. At the same time, energy is extracted from the arc or hot gas flow by evaporative cooling. Both lead to an accelerated arc extinguishing and to a reduction of the effects of the hot gas flow. Since the specific heats of both C6-PFKs and mesoporous materials such as silica gel are in the range of 1 kJ / (kg K), but the enthalpy of vaporization of C6-PFK is 88 kJ / kg, the evaporative cooling withdraws from the arc or the hot gas flow much more efficient energy than increasing the temperature of the materials.

Mit anderen Worten werden also durch Ausnutzung von Adsorptions- und Kondensationseffekten in porösen Isolierstoffen Lichtbögen bei niedrigen Lösch- und Isoliergas-Partialdrücken schneller gelöscht. Ausschlaggebend dafür ist Absenkung des Partialdruckes für die Kondensation elektronegativer, molekularer Isoliergaskomponenten in den offenen Poren des Isolierstoffes. Die Speicherkapazität des Isolierstoffes wird dabei wesentlich durch die Porengrößenverteilung bestimmt. Die Funktionen Gasdichtheit und dielektrische Festigkeit lassen sich durch dichte Isoliermaterialien beschichtet mit porösen Isolierstoffen erreichen. In other words, by utilizing adsorption and condensation effects in porous insulating materials arcs are erased faster at low extinguishing and insulating gas partial pressures. Decisive for this is lowering of the partial pressure for the condensation of electronegative, molecular insulating gas components in the open pores of the insulating material. The storage capacity of the insulating material is determined essentially by the pore size distribution. The functions of gas-tightness and dielectric strength can be achieved by means of dense insulating materials coated with porous insulating materials.

Vorteilhaft lassen sich elektrische Anlagen durch solche Isolatoren (bei Verwendung der gleichen Isoliergasgemische) kompakter bauen. Die elektrische Betriebssicherheit wird erhöht. Die Erosion von Löschdüsen, die die Lebensdauer von Schaltern begrenzt, wird verhindert. Die Lösch- und Isolierfähigkeit regeneriert sich nach Löschen des Schalt- oder Störlichtbogens durch Abkühlung. Der Einsatz hochsiedender Lösch- und Isoliergaskomponenten ist besonders günstig, weil einerseits der Partialdruck (= temperaturabhängiger Sättigungsdampfdruck) dieser Komponente selbst bei maximaler Betriebstemperatur so niedrig ist, dass der maximal zulässige Gesamtdruck der gasisolierten Schaltanlage bzw. des Leistungsschalters durch Verdampfung dieses Stoffes nicht überschritten wird, anderseits das Vorliegen eines flüssigen Reservoirs dieser Komponente gewährleistet, dass der poröse Isolierstoff vollständig mit dieser Lösch- und Isoliergaskomponente durch Porenkondensation beladen werden kann und die Beladung nach jedem Schaltvorgang bzw. Heißgaskontakt regeneriert wird. Advantageously, electrical systems can be made more compact by using such insulators (when using the same insulating gas mixtures). The electrical reliability is increased. The erosion of extinguishing nozzles, which limits the life of switches, is prevented. The extinguishing and insulating ability is regenerated after quenching of the switching or arc fault by cooling. The use of high-boiling extinguishing and insulating gas components is particularly favorable because, on the one hand, the partial pressure (= temperature-dependent saturation vapor pressure) of this component is so low even at maximum operating temperature that the maximum permissible total pressure of the gas-insulated switchgear or of the circuit breaker is not exceeded by evaporation of this substance, on the other hand, the presence of a liquid reservoir of this component ensures that the porous insulating material can be completely loaded with this extinguishing and insulating gas component by pore condensation and the load is regenerated after each switching or hot gas contact.

2 zeigt einen stark schematisierten gasisolierten Strömungsschalter 11 mit einem Heißgasschirm 16. Dieser schirmt Bereiche der Schaltanlage gegen Heißgasströmung ab, die entweder gegenüber hoher Temperatur empfindliche Bauteile enthalten oder in denen die Einströmung von Heißgas zu einem elektrischen Durchschlag führen kann. Der Heißgasschirm 16 ist dabei in drei verschiedenen Ansichten dargestellt, um seine kühlkörperartige Form zu zeigen. 2 shows a highly schematic gas-insulated flow switch 11 with a hot gas screen 16 , This shields areas of the switchgear against hot gas flow, which either contain components sensitive to high temperatures or in which the inflow of hot gas can lead to an electrical breakdown. The hot gas screen 16 is shown in three different views to show its heat sink-like shape.

Der gasisolierte Strömungsschalter 11 umfasst dabei einen ersten und zweiten Schaltkontakt 12, 13. Ein beim Schalten zwischen den Schaltkontakten 12, 13 auftretender Schaltlichtbogen 14 wird von einer Gasströmung 15 in Richtung des Heißgasschirms 16 gebogen. The gas-insulated flow switch 11 includes a first and second switching contact 12 . 13 , On when switching between the switch contacts 12 . 13 occurring switching arc 14 is from a gas flow 15 in the direction of the hot gas screen 16 bent.

Der Heißgasschirm weist Kühlrippen 18 auf, die aus einem mesoporösen MCM-41-Material aufgebaut sind. Wie bereits für 1 beschrieben, kondensiert in den Poren des MCM-41-Materials ein Teil des Isoliergases. Der Schaltlichtbogen 14, der für eine starke Erwärmung sorgt, führt damit zu einem Verdampfen des kondensierten Isoliergases aus dem Material. Das führt einerseits zu einer starken Kühlung und andererseits zu einem lokal kurzfristig erhöhten Partialdruck des Isoliergases. Beides trägt zu einer schnellen und schadlosen Löschung des Schaltlichtbogens 14 bei. The hot gas screen has cooling fins 18 on, which are composed of a mesoporous MCM-41 material. As already for 1 described, condensed in the pores of the MCM-41 material, a portion of the insulating gas. The switching arc 14 , which provides a strong warming, thus leading to evaporation of the condensed insulating gas from the material. This leads on the one hand to a strong cooling and on the other hand to a local short-term increased partial pressure of the insulating gas. Both contribute to a quick and harmless deletion of the switching arc 14 at.

Der Heißgasschirm mit dem mesoporösen Material agiert somit als Wärmetauscher mit einer erheblich verstärkten Wirkung durch die Verdampfung des kondensierten Isoliergases. The hot gas screen with the mesoporous material thus acts as a heat exchanger with a significantly enhanced effect by the evaporation of the condensed insulating gas.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Nagappan, S., et al., J. Ind. Eng. Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.07.022 [0010]

Claims

Gas-insulated switchgear ( 1 ) with an insulating gas space ( 2 ) with at least one switching element for producing and separating an electrical connection, in which the insulating gas space ( 2 ) is filled with insulating gas and the insulating gas surrounds the switching element, wherein at least one of the components ( 6 ) of the switching element comprises a material which is in contact with the insulating gas and is open-pored with a specific pore volume of at least 0.05 cm ^ 3 / g.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to claim 1, wherein the specific pore volume is at least 0.1 cm 3 / g, in particular at least 1 cm 3 / g.

Gas-insulated line arrangement ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the material is mesoporous.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the material comprises one or a mixture of several of the following materials: - silicate, - aluminosilicate, - zeolite, in particular MCM-41, MCM-48, SBA-15, - porous glass, in particular Vycor , KIT-6, - Organosilica.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the material is made hydrophobic.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the material has a pore size distribution whose maximum lies at a pore size between 1 nm and 100 nm, in particular between 2 nm and 50 nm, in particular between 3 nm and 10 nm.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the insulating gas comprises one or more of the following extinguishing gas types: fluorinated ketones, in particular perfluorinated ketones, in particular those having at least five carbon atoms, fluorinated nitriles, in particular perfluorinated nitriles having at least four carbon atoms, fluorinated olefins, Fluorinated cyclo-olefins, in particular perfluorinated cyclo-olefins having at least four carbon atoms, fluorinated oxiranes, in particular having at least four carbon atoms, fluorinated ethers.

Gas-insulated switchgear ( 1 ) according to claim 7, wherein the amount of the proportion of extinguishing gas types in the insulating gas space is at least so large that at the highest possible operating temperature of the switchgear present at least 3% of the gas in liquid form.