專利名稱：介電絕緣介質(zhì)的制作方法
介電絕緣介質(zhì)本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的介電絕緣介質(zhì)和根據(jù)權(quán)利要求9的前序部分的含氟酮在所述絕緣介質(zhì)中的用途。本發(fā)明進一步涉及根據(jù)權(quán)利要求11的前序部分的用于產(chǎn)生、分配或使用電能的設備和權(quán)利要求23的確定參數(shù)的方法(dimensioning method)。液態(tài)或氣態(tài)的介電絕緣介質(zhì)通常用于諸如開關設備或變壓器的各種電氣設備中的電氣有源元件的絕緣。在中壓或高壓金屬封裝的開關設備中，例如，電氣有源元件布置在限定絕緣空間的氣密外殼中，所述絕緣空間包含通常具有數(shù)巴壓力的絕緣氣體且將外殼與電氣有源元件間隔開而不讓電流穿過。因此，與安裝在室外且僅由周圍空氣絕緣的開關設備相比，金屬封裝的開關設備的構(gòu)造更加節(jié)省空間。為了中斷高壓開關設備中的電流，所述絕緣氣體進一步充當消弧氣體。具有高絕緣和開關性能的常規(guī)使用的絕緣氣體在釋放到大氣時具有一些環(huán)境影響。至今，這些絕緣氣體的高全球變暖潛力(GWP)已經(jīng)通過對氣體絕緣設備的嚴格氣體泄漏控制和非常仔細的氣體處理來解決。常規(guī)環(huán)境友好的絕緣氣體(如干燥空氣或CO2)具有相當?shù)偷慕^緣性能，因此必須增加氣體壓力和/或絕緣距離。出于以上提到的原因，過去已經(jīng)嘗試用合適的代替物替代這些常規(guī)的絕緣氣體。例如，WO 2008/073790公開了一種介電氣態(tài)化合物，除了其他特性以外，其還具有在約-20°C至約-273°C范圍內(nèi)的沸點，其具有低(優(yōu)選無)臭氧消耗且其具有小于約 22，200的GWP。具體地講，WO 2008/073790公開了不落入通?；瘜W定義的許多不同化合物。此外，US-A-4175048涉及包含選自全氟環(huán)己烯和六氟偶氮甲烷的化合物的氣體絕緣體，且EP-A-0670294公開了全氟丙烷作為介電氣體的用途。EP-A-1933432涉及三氟碘甲烷(CF3I)及其在氣體絕緣的開關設備中用作絕緣氣體的用途。在這方面，該文獻提到了介電強度和中斷性能兩者均為絕緣氣體的重要要求。 根據(jù)EP-A-1933432，CF3I的GWP為5且因此認為其導致相對較低的環(huán)境負擔。然而，由于 CF3I的相對較高的沸點(_22°C )，教導了與(X)2的氣體混合物。另外，純CF3I氣體具有與具有高絕緣和開關性能的常規(guī)絕緣介質(zhì)大致相同的絕緣性能，因此所建議的氣體混合物具有純常規(guī)絕緣介質(zhì)的特定絕緣性能的約80%，其將必須通過增加充填壓力和/或增大絕緣距離來補償。因此，存在對引起比CF3I甚至更少的環(huán)境負擔且不需要使氣體壓力和/或絕緣距離增加到高于現(xiàn)今常用值的絕緣介質(zhì)的持續(xù)需要。鑒于此，本發(fā)明的目標因此在于提供具有降低的GWP、但同時在不使氣體壓力和/ 或絕緣距離增加到高于現(xiàn)今適用值的情況下具有與已知絕緣介質(zhì)相比相當或甚至改善的絕緣性質(zhì)的絕緣介質(zhì)。該目標通過權(quán)利要求1的絕緣介質(zhì)實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明基于通過使用具有4-12個碳原子的含氟酮可得到具有高絕緣能力、特別是高介電強度(或擊穿場強)且同時具有極低全球變暖潛力(GWP)的絕緣介質(zhì)的意外發(fā)現(xiàn)。概括地講，根據(jù)本發(fā)明的含氟酮具有以下通用結(jié)構(gòu)R1-C0-R2其中Rl和R2為至少部分氟化的鏈，所述鏈彼此獨立地為直鏈或支鏈的且具有 1-10個碳原子。該定義涵蓋全氟酮以及氫氟酮。一般來說，根據(jù)本發(fā)明使用的含氟酮在周圍壓力下具有至少_5°C的沸點，這與本領域現(xiàn)狀的教導且特別是WO 2008/073790的教導形成明顯對比，WO 2008/073790指出-20 0C或更低的沸點是可行的介電化合物的必要特征。優(yōu)選所述含氟酮具有4-10個碳原子、更優(yōu)選4-8個碳原子且最優(yōu)選6個碳原子 (也稱作C6-含氟酮)。如上所提到，所述C6-含氟酮可為全氟酮(具有分子式C6F12O)或氫氟酮。在使用中，絕緣介質(zhì)可以液態(tài)和氣態(tài)二者。具體地說，所述絕緣介質(zhì)可為包含以液態(tài)和氣態(tài)二者的含氟酮的兩相體系。更詳細地講，所述絕緣介質(zhì)可為包含分散在包含以氣態(tài)的含氟酮的氣相中的含氟酮液滴的氣溶膠。對于許多應用，優(yōu)選在操作條件下所述絕緣介質(zhì)包含含有含氟酮的絕緣氣體。對于用于在相應開關設備中的高壓開關的絕緣介質(zhì)特別是這種情況。如果使用絕緣氣體，則其可為氣體混合物，除了含氟酮以外，所述氣體混合物優(yōu)選還包含作為緩沖氣體或載氣的空氣或特別是選自二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和氮氣( )的至少一種空氣組分?；蛘撸鼋^緣氣體可基本由含氟酮組成。所述絕緣氣體的絕緣性質(zhì)且特別是其擊穿場強可由絕緣介質(zhì)的溫度、壓力和/或組成控制。如果使用包含以液態(tài)和氣態(tài)二者的含氟酮的兩相體系，溫度增加不僅引起絕對壓力增加，而且由于較高蒸氣壓而引起在絕緣氣體中的含氟酮濃度增加。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于絕緣氣體的許多應用，諸如在中壓范圍的應用，在沒有諸如外部加熱或汽化的額外措施的情況下即使在極低操作溫度(例如低至約-30°C或甚至_40°C )下也能實現(xiàn)足夠的摩爾比(即，含氟酮的分子數(shù)目與介質(zhì)的剩余組分(通常為載氣或緩沖氣體)的分子數(shù)目之比)且因此還能實現(xiàn)足夠的擊穿場強。如果希望在絕緣氣體中有較高濃度的含氟酮來增加擊穿場強，在高壓應用下可能尤其如此，則可相應調(diào)節(jié)絕緣介質(zhì)的壓力、組成和/或溫度。如何推導得到所需擊穿場強所需要的參數(shù)的方式將在以下有關附圖
的上下文中進一步舉例說明。本發(fā)明的介電絕緣介質(zhì)可用于用以產(chǎn)生、分配或使用電能的任何設備中，特別是用于開關設備或其元件和/或部件中。對于高壓開關來說，例如，絕緣介質(zhì)的中斷能力(或消弧能力)尤其重要。已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的介質(zhì)不僅具有與如上提到的常規(guī)絕緣介質(zhì)相比相當或甚至改善的絕緣能力，而且具有足夠的消弧能力。在不希望受理論約束的情況下，假設該消弧能力可至少部分地歸于在電弧區(qū)域內(nèi)含氟酮的分解產(chǎn)物再結(jié)合主要地為四氟化碳(CF4),眾所周知其為高度有效的消弧介質(zhì)。在斷弧期間的另一重要方面為在整個容器中的開關氣體的溫度增加，這可導致即使在開關間隙內(nèi)部成功斷弧之后、特別在金屬封裝的電路斷路器中的嚴重故障斷路之后接地容器的絕緣失效。由于含氟酮在中等溫度(例如，對于C6-含氟酮，約550°C -570°C )分解成低級含氟烴，所以直至所有含氟酮分解在排氣容積中注入的熱能才導致溫度高于這些分解溫度。如果提供足夠的含氟酮，則排氣溫度因此不會超過以上提到的溫度，使得在中斷金屬封裝的高壓電路斷路器中的嚴重故障電流之后不久還產(chǎn)生優(yōu)良絕緣性能。在具有6個碳原子的最優(yōu)選的含氟酮之中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)十二氟-2-甲基戊-3-酮由于其高絕緣性質(zhì)及其極低的GWP而特別優(yōu)選。先前僅考慮十二氟-2-甲基戊-3-酮(也稱為1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4_(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮即CF3CF2C (0) CF (CF3) 2)可用于完全不同的應用， 艮口，加工熔融活性金屬(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清潔蒸氣反應器(如在WO 02/086191中所提到)和用在滅火系統(tǒng)中或以液態(tài)用于冷卻電子系統(tǒng)或在小型發(fā)電成套設備中用于Rankine過程(如在EP-A-1764487中所提到)。十二氟-2-甲基戊-3-酮為透明、無色且?guī)缀鯚o味的。其結(jié)構(gòu)式如下
權(quán)利要求
1.介電絕緣介質(zhì)，其特征在于所述絕緣介質(zhì)包含具有4-12個碳原子的含氟酮。
2.權(quán)利要求1的絕緣介質(zhì)，其特征在于所述含氟酮具有以下通用結(jié)構(gòu)R1-C0-R2其中Rl和R2為至少部分氟化的鏈，所述鏈彼此獨立地為直鏈或支鏈的且具有1-10個碳原子。
3.權(quán)利要求1或2的絕緣介質(zhì)，其特征在于所述含氟酮在周圍壓力下具有至少-5°C的沸點。
4.前述權(quán)利要求中任一項的絕緣介質(zhì)，其特征在于所述含氟酮具有6個碳原子。
5.權(quán)利要求4的絕緣介質(zhì)，其特征在于所述含氟酮為十二氟-2-甲基戊-3-酮。
6.前述權(quán)利要求中任一項的絕緣介質(zhì)，其特征在于在操作條件下所述絕緣介質(zhì)包含含有所述含氟酮的絕緣氣體。
7.權(quán)利要求6的絕緣介質(zhì)，其特征在于在所述絕緣氣體中所述含氟酮的摩爾比為至少 1 %、優(yōu)選為至少2%、更優(yōu)選為至少5%、更優(yōu)選為至少10%、最優(yōu)選為至少15%。
8.權(quán)利要求6或7的絕緣介質(zhì)，其特征在于所述絕緣氣體為氣體混合物，所述氣體混合物還包含空氣或至少一種空氣組分，所述空氣組分特別是選自二氧化碳、氧氣和氮氣。
9.權(quán)利要求1-8中任一項的含氟酮用于介電絕緣介質(zhì)的用途。
10.權(quán)利要求9的含氟酮的用途，其特征在于所述絕緣介質(zhì)用于消除在電子開關中、特別是在低壓開關、中壓開關或高壓開關、特別是電路斷路器中的電弧。
11.用于產(chǎn)生、分配或使用電能的設備，所述設備包括限定絕緣空間的外殼和布置在所述絕緣空間中的電氣有源元件，所述絕緣空間包含絕緣介質(zhì)，其特征在于權(quán)利要求1-8中任一項的介電絕緣介質(zhì)。
12.前述權(quán)利要求中任一項的設備，所述設備為中壓或高壓設備。
13.權(quán)利要求10或11的裝置，其特征在于所述設備為開關設備，特別是空氣絕緣或氣體絕緣的金屬封裝的開關設備，或其元件和/或部件，特別是匯流條、絕緣套管、電纜、氣體絕緣的電纜、電纜接頭、電流變壓器、電壓變壓器和/或避雷器。
14.權(quán)利要求10-12中任一項的設備，其特征在于所述設備為開關，特別是接地開關、 斷路器、負載斷連開關和/或電路斷路器。
15.權(quán)利要求14的裝置，其特征在于所述設備為具有用于提供自爆效果的加熱腔的高壓電路斷路器，且在開關操作中，所述含氟酮在反加熱階段期間在所述加熱腔中分解成具有較低數(shù)目碳原子的氟烴化合物。
16.權(quán)利要求15的設備，其特征在于所述含氟酮具有6個碳原子，且特別是十二氟-2-甲基戊-3-酮。
17.權(quán)利要求10-12中任一項的設備，其特征在于所述設備為變壓器，特別是配電變壓器或電力變壓器。
18.權(quán)利要求10-12中任一項的設備，其特征在于所述設備為旋轉(zhuǎn)電機、發(fā)電機、發(fā)動機、驅(qū)動器、半導電裝置、計算機、電力電子裝置和/或其部件。
19.前述權(quán)利要求中任一項的設備，其特征在于其還包括用于單個或組合地控制絕緣介質(zhì)的組成、溫度、絕對壓力、分壓、氣體密度和/或分氣體密度或分別控制其組分中的至少一種的控制單元。
20.權(quán)利要求19的設備，其特征在于所述控制單元包括用于控制所述含氟酮的分壓且特別是用于維持所述分壓高于所需要的分壓水平的加熱器和/或汽化器。
21.權(quán)利要求19-20中任一項的設備，其特征在于所述控制單元(IOaUOb)包括用于調(diào)節(jié)所述設備的外殼(4)或所述外殼(4)的至少一部分到所需溫度的加熱系統(tǒng)的溫度控制單元(IOa)，和/或所述控制單元(IOaUOb)包括定量給予一定濃度的含氟酮且將所得絕緣介質(zhì)注入所述設備中的流體處理單元(10b)。
22.權(quán)利要求11-21中任一項的設備，其特征在于該設備具有一定儲備體積的液態(tài)含氟酮和/或用于限制所需絕緣介質(zhì)的最大容許操作溫度使得絕對充填壓力維持低于所述設備的給定壓力極限的裝置。
23.確定權(quán)利要求11-21中任一項的電氣設備的參數(shù)的方法，其特征在于以下步驟-針對所述設備確定所需絕緣介質(zhì)的容許電場強度和所需絕緣介質(zhì)的最低容許操作溫度，-根據(jù)所述所需絕緣介質(zhì)的壓力降低的擊穿場強與所述含氟酮的摩爾分數(shù)之間的函數(shù)關系且根據(jù)所述容許場強確定所述絕緣介質(zhì)的絕對壓力曲線與所述含氟酮的分壓之間的函數(shù)關系，-選擇所述絕緣介質(zhì)的所需絕對充填壓力，-根據(jù)所述絕對壓力曲線確定所述含氟酮的最低需要分壓且根據(jù)所述蒸氣壓曲線確定所述含氟酮的相應汽化溫度，和-確定所述汽化溫度是否高于所述所需絕緣介質(zhì)的最低容許操作溫度。
24.確定權(quán)利要求22的電氣設備的參數(shù)的方法，其特征在于以下另一步驟如果汽化溫度低于所需絕緣介質(zhì)的最低容許操作溫度，則提供優(yōu)選包括用于加熱和/或汽化和/或液相含氟酮的流體儲備管理的裝置的流體管理系統(tǒng)、特別是權(quán)利要求19-22中任一項的流體管理系統(tǒng)，以便維持所述分壓高于最低需要分壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及介電絕緣介質(zhì)。所述絕緣介質(zhì)的特征在于其包含具有4-12個碳原子的含氟酮。
文檔編號H01B3/56GK102460604SQ200980159946
公開日2012年5月16日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者M-S·克萊森斯, P·斯卡爾拜 申請人:Abb技術有限公司