用于改進(jìn)中壓和高壓電氣設(shè)備中的內(nèi)弧阻抗的氫氟烯烴和氫氟烷的混合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氫氟烯烴和氫氟烷的混合物，其任選與另一種氟化氣體相結(jié)合作為中壓電氣設(shè)備中的電絕緣介質(zhì)和/或滅弧介質(zhì)的用途。本發(fā)明還涉及這樣的混合物在其中提供電絕緣和/或滅弧的中壓的或高壓的電氣設(shè)備。
【專利說(shuō)明】用于改進(jìn)中壓和高壓電氣設(shè)備中的內(nèi)弧阻抗的氫氟烯烴和氫氟烷的混合物

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在中壓設(shè)備中電絕緣和滅弧的領(lǐng)域。
[0002]更具體地，本發(fā)明涉及包括特定烯烴(即具有三個(gè)碳原子的氫氟烯烴)和氫氟烷烴(hydrofluorocarbide)(也稱作氫氟燒)的混合物在高壓或中壓變電站電氣設(shè)備中作為電弧絕緣(arc insulat1n)和/或滅弧的介質(zhì)的用途。該混合物可以包括全球暖化潛勢(shì)(global warming potential)非常小、特別是小于或等于I的其它氣體。
[0003]本發(fā)明還涉及中壓或高壓變電站電氣設(shè)備，其中通過包括至少一種氫氟烷和一種氫氟烯烴的氣體混合物來(lái)確保電絕緣和/或滅弧。
[0004]該電氣設(shè)備可以特別是例如主變壓器或互感器的電變壓器、用于輸送或分配電力的氣體絕緣線路、總線(bus)或者電氣連接/斷開設(shè)備(也稱為開關(guān)裝置)，例如斷路器、中斷器(interrupter)、中斷器/熔斷器組、斷電器、接地開關(guān)或接觸器。

【背景技術(shù)】
[0005]在中壓(MV)電氣設(shè)備(例如交流電壓大于1000伏且小于52000伏和直流電壓大于1500伏且小于75000伏的電壓)或高壓(HV)電氣設(shè)備(特別是嚴(yán)格大于52000伏的交流電壓和大于75000伏的直流電壓)中，通常由限制在其腔室(chamber)內(nèi)的氣體來(lái)確保電絕緣和滅弧(如果適用的話)。目前，最常用的氣體是六氟化硫(SF6):該氣體具有相對(duì)高的介電強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和相對(duì)低的介電損耗。它是化學(xué)惰性的并對(duì)人和動(dòng)物是無(wú)毒的，以及經(jīng)由電弧分解后其可快速且基本完全地重新結(jié)合(recombine)。此外，六氟化硫是不易燃的，并在設(shè)備內(nèi)部故障(通常稱為內(nèi)燃弧(internal arc))的情況下，其性質(zhì)類似于空氣；其價(jià)格即使在今天也是適中的。
[0006]然而，SF6的主要缺點(diǎn)是=SF6的全球暖化潛勢(shì)為22800 (相對(duì)于CO2時(shí)間跨度100年)(relative to C02overl00years)和在大氣中的停留時(shí)間為3200年,這使得SF6成為具有強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)能力的氣體之一。因此，“京都協(xié)議書”(the Kyoto Protocol, 1997)已經(jīng)將SF6包括在必須予以限制排放的氣體列表中。
[0007]限制SF6排放的最佳方式包括限制這種氣體的使用，這必然導(dǎo)致廠家尋求SF6的替代物。事實(shí)上，其它解決方案，例如氣體絕緣與固體絕緣相結(jié)合的混合系統(tǒng)(EP1724802)，使得電器設(shè)備的尺寸比使用SF6絕緣所允許的電器設(shè)備尺寸有所增加；油或真空中的短路還要求對(duì)開關(guān)裝置進(jìn)行檢修。
[0008]介電氣體是已知的:參見例如WO 2008/073790。然而，對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響的“簡(jiǎn)單”氣體(例如空氣或氮?dú)?具有比SF6低的多的介電強(qiáng)度；SF6在取/1^設(shè)備中用于電絕緣和/或滅弧的用途牽涉到要大幅增加這些設(shè)備的尺寸和/或填充壓(filingpressure)，這與近幾十年為開發(fā)具有愈發(fā)縮小體積的緊湊型電氣設(shè)備而付出的努力背道而馳。
[0009]使用SF6和其它氣體(如氮?dú)饣蚨趸?的混合物來(lái)限制SF6對(duì)環(huán)境的影響 '參見例如WO 2009/049144。然而，鑒于SF6的高GWP，這些混合物的GWP仍然很高。因此，例如以10/90的體積比混合的SF6和氮?dú)獾幕旌衔镌诮涣麟妷?50Hz)下具有的介電強(qiáng)度等于SF6介電強(qiáng)度的59%，但是其GWP在8000?8650的范圍。因此，這樣的混合物不能用作具有低環(huán)境效應(yīng)的氣體。
[0010]可替代地，人們已經(jīng)測(cè)試了氟化氣體:參見特別是例如W02010/142346、DE20200900935或FR 2975820中所給出的氟酮。然而，仍希望找到這些化合物的可用備選物(alternatives),其在負(fù)向注入(negative inject1n)中的介電強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?。調(diào)查研究已經(jīng)引發(fā)了能夠用來(lái)取代通常填充在(目前市售的)中壓或高壓電氣設(shè)備中的SFf^A新型氣體和氣體混合物的設(shè)想，這是在所述設(shè)備的操作溫度的整個(gè)范圍、特別是低溫下的情形:參見例如FR 2977707和未授權(quán)的專利申請(qǐng)F(tuán)R 1158456。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明由此提供一種針對(duì)氣體的備選物，其具有良好電絕緣和滅弧性能、具有較低或?yàn)镺的環(huán)境效應(yīng)以及能確保設(shè)備的良好的內(nèi)燃弧耐受性(internal arc resistance)并從而能保護(hù)好工作人員。
[0012]具體地，本發(fā)明涉及包含至少一種氫氟烯烴和至少一種氫氟烷(氫氟烷烴)的氣體介質(zhì)在中壓或高壓設(shè)備中作為電絕緣介質(zhì)和/或滅弧介質(zhì)的用途，所述至少一種氫氟烯烴和至少一種氫氟烷的含量各為至少0.1體積％，且優(yōu)選至少I體積％。所述介質(zhì)的全球暖化潛勢(shì)比在相同壓力和溫度條件下的六氟化硫的全球暖化潛勢(shì)(GWP)減小90%、優(yōu)選95%或甚至99%。
[0013]所使用的氫氟烯烴(HFO)為具有含三個(gè)碳原子的碳鏈的含氟烯烴(fluorinatedalkene)，優(yōu)選為C3H2F4或C3HF5結(jié)構(gòu)形式，其是無(wú)毒的、非腐蝕性的、具有為O的ODP (臭氧消耗潛勢(shì)，Ozone Deplet1n Potential)和具有小于10的GWP。優(yōu)選使用HF01234ze，因?yàn)槠湓陔娀〈嬖诘那闆r下的分解不產(chǎn)生氫氟酸。
[0014]所使用的氫氟烷(HFC)為碳、氟和氫的化合物、碳氟化合物族的鹵代烷烴,其是無(wú)毒的、非腐蝕性的、非爆炸性的并且具有為O的0DP。優(yōu)選地，所使用的氫氟烷包括兩個(gè)或三個(gè)碳原子；特別地，它們是通常稱作HFC-227ea或R_227ea的七氟丙烷(C3HF7)、通常稱作HFC-125或R-125的五氟乙烷(C2HF5)或者通常稱作HFC-134a或R_134a的I, I, 1，2-四氟乙烷(C2H2F4)。優(yōu)選使用R_227ea，這是基于甚至在氧氣存在的情況下，其分解產(chǎn)物也不會(huì)包括八氟異丁烯PFIB。
[0015]事實(shí)上，向具有介電性質(zhì)的HFO中加入HFC，能夠使它們?nèi)〈鶶F6成為高壓或中壓變電站電氣設(shè)備中的電弧絕緣和/或滅弧氣體，并促進(jìn)所述設(shè)備的內(nèi)燃弧耐受性。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，所述混合物是這樣的:其組分在溫度和壓力條件下保持為氣體狀態(tài)，所述溫度和壓力條件是曾經(jīng)在電氣設(shè)備中所限制的希望該混合物經(jīng)受的條件。因此，氫氟烷和氫氟烯烴的混合物能夠單獨(dú)使用；然而，如果所述混合物的沸點(diǎn)不能保證該混合物在足以應(yīng)付特定應(yīng)用(例如，可能要求大于15Pa)的壓下能保持氣體狀態(tài)，那么通常會(huì)使用至少一種不屬于其家族的其它氣體來(lái)稀釋該混合物。
[0017]在這種情形下，根據(jù)本發(fā)明，在氣體介質(zhì)中使用的所述其它氣體具有小于等于I的全球暖化潛勢(shì)；載氣、稀釋氣或緩沖氣優(yōu)選具有非常低的沸點(diǎn)(即在標(biāo)準(zhǔn)壓力下通常小于或等于-50°C)和至少與二氧化碳的介電強(qiáng)度相等的介電強(qiáng)度。優(yōu)選地，該混合物包括空氣、優(yōu)選干燥空氣、氧氣或二氧化碳類型的氣體或者這些氣體的混合物；可選地，載氣可以包括氟酮、特別是具有五個(gè)碳的氟酮，例如C5FltlO,以便于增強(qiáng)正向注入(positiveinject1n)的介電性能。氣體介質(zhì)的總GWP與其各個(gè)組分的分壓相應(yīng)；即,根據(jù)本發(fā)明，該氣體介質(zhì)的總GWP比SF6的GWP減小90 %，優(yōu)選95 %，或者甚至99 %，例如為GWP ( 2000的量級(jí)，在可能的情況下，GffP ( 230。
[0018]有利的是，為了提出各個(gè)氣體的最大含量而不會(huì)在設(shè)備的最低使用溫度下產(chǎn)生液相，會(huì)根據(jù)拉烏爾定律(Raoult’ s law)針對(duì)設(shè)備的最低使用溫度、實(shí)際上甚至針對(duì)略高于該溫度的溫度、特別是高:TC的溫度來(lái)限定氣體介質(zhì)組合物。特別地，對(duì)于三元的氫氟烷(HFC)/氫氟烯烴(HFO)/稀釋氣體的混合物，每個(gè)組分的壓力符合以下方程式:
[0019]
P = P"FO+P"Fr , P
總計(jì)一 PP稀釋氣體

rIIFO + 1 HFC ^

CVP ?νρ
O V ΓΗ--0 O V I mc
[0020]其中SVP =相關(guān)氣體的飽和蒸氣壓。更通常地，對(duì)于稀釋氣體和N氟化氣體的混合物，N氟化氣體的分壓Pi符合以下方程式:
[0021]


N

Σρι
P __L.P
f總計(jì)—............N...............................?.................................~r [釋釋氣體

1P M


tf SVP1
[0022]其中SVPi =氟化氣體i的飽和蒸氣壓。
[0023]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所使用的最低溫度Ti +選自O(shè)、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35 和-40°C。
[0024]本發(fā)明的另一個(gè)主題是高壓或中壓電氣設(shè)備，其包括含有電器組件的密封室和確保在該室中電絕緣和/或滅弧的氣體介質(zhì)，所述氣體介質(zhì)包括至少一種氫氟烯烴和至少一種氫氟烷。如上所描述的，該氣體介質(zhì)的性質(zhì)和它的用途相關(guān)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，該電氣設(shè)備可以是使用氣體絕緣的電變壓器，例如主變壓器或互感器。該電氣設(shè)備也可以是使用氣體絕緣的架空線或地下線，或者用于輸送或分配電力的總線。最后，該電氣設(shè)備還能夠是連接/斷開電氣設(shè)備(也稱作開關(guān)裝置)，例如斷路器、中斷器(interrupter)、斷電器、中斷器/熔斷器組、接地開關(guān)或接觸器。

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明基于在稀釋氣體(“緩沖”氣體，例如CO2、空氣等)存在或不存在的情況下，在氟酮存在或不存在的情況下，具有至少3個(gè)碳原子的氫氟烷(HFC)和氫氟烯烴(HFO)的應(yīng)用。
[0027]氟酮是由氟取代的酮，其是不易燃的并具有非常小的GWP;特別地，所使用的氟酮具有五個(gè)碳原子(C5K)，經(jīng)驗(yàn)式為C5FltlO;以及特別為十氟-2-甲基丁-3-酮(decafluoro-2-methylbutan-3-one)，其對(duì)應(yīng)于半展開的化學(xué)式CF3-CO-CF-(CF3)2,以及所具有的全球暖化潛勢(shì)GWP = I。C5K對(duì)人無(wú)毒,其平均接觸限值A(chǔ)EV(average exposure value)(大多數(shù)工作者能夠以8小時(shí)的工作頻率每周持續(xù)5天定期接觸而不會(huì)受到有害影響的平均極限含量)為100ppm和導(dǎo)致動(dòng)物種群50%死亡的致死量LD5tl大于200000ppm。HFO是由氟取代的烯烴，通式為Cn(H，F(xiàn))2n;特別地，所使用的HFO包含3個(gè)碳原子；它們是不易燃的并且它們的GWP小于10。特別地，使用氫氟烯烴HF0-1234ze或反式-1，3，3，3-四氟+丙烯(trans-1, 3, 3, 3-tetraf luoro-1-propene),對(duì)應(yīng)于半展開的化學(xué)式 CHF = CH-CF3O 其環(huán)境效應(yīng)(environmental impact)為GWP = 6,并對(duì)人無(wú)毒(具有的AEV = 100ppm和LD5Q>200000ppm)。事實(shí)上，在大多數(shù)的極低溫(_30°C，甚至_40°C )的常規(guī)應(yīng)用中，有時(shí)在氮?dú)忸惖闹行暂d氣中HFO會(huì)被稀釋至小于20%:該混合物由此是無(wú)毒的。還可設(shè)想將HF0-1234yf或2，3，3，3-四氟-1-丙烯和HF0_1225ye或I, 2，2，5-五氟-1-丙烯用于本發(fā)明的混合物。HFC是氟碳化合物家族中的鹵代烴。優(yōu)選其中氟原子數(shù)除以氟原子數(shù)和碳原子數(shù)的總和之后的數(shù)值盡可能大的HFC，并且在各種情形下為大于等于66% ;此外，優(yōu)選的HFC對(duì)人無(wú)毒并具有盡可能低的沸點(diǎn)和最低的成本(即在世界各地的市場(chǎng)都易于獲得)。盡管其ODP為0，但是HFC的GWP大于1000，并因此優(yōu)選的HFC會(huì)具有盡可能小的GWP，特別是來(lái)自:
[0028]-半展開的化學(xué)式為C3HF7且通常被稱作HFC_227ea或R_227ea的七氟丙烷，其沸點(diǎn)為-16.5°C 且 GWP 為 3500 ；
[0029]-半展開的化學(xué)式為C2HF5且通常被稱作HFC-125或R-125的五氟乙烷，其沸點(diǎn)為-48 °C 且 GWP 為 3500 ；
[0030]-半展開的化學(xué)式為C2H2F4且通常被稱作HFC_134a或R_134a的1，1，1，2_四氟乙烷，其沸點(diǎn)為-26.4°C且GWP為1430。根據(jù)本發(fā)明，介電氣體滿足嚴(yán)格的環(huán)境條件，特別是其環(huán)境效應(yīng)(environmental impact)的減少a為0.10的量級(jí)、甚至為0.05或甚至為0.01,即GWP減小90 %，甚至95 %或甚至99 %，相對(duì)于目前使用的SF6的環(huán)境效應(yīng)。特別地，考慮到所使用的氟化氣體，觀察到以下關(guān)系:
[0031 ] ΣΡ? *M.* GWPi ^ 3.pSF6.MSF,.gwSF6
?
[0032]其中i為本發(fā)明混合物中的氟化氣體、a為效應(yīng)的減少(小于0.10), Pi為分壓以及Mi為摩爾質(zhì)量。
[0033]根據(jù)本發(fā)明，不論電氣開關(guān)裝置使用溫度如何，所使用的HFO和HFC呈氣體形式。因此，這兩個(gè)組分各自的分壓最好是小于或等于其飽和蒸氣壓；如果載氣包含氟酮，那么所述氟酮也應(yīng)滿足該條件。特別是滿足:
[0034]
i bv Fi
[0035]其中Pi為分壓以及SVPi為氟化氣體i的飽和蒸氣壓。
[0036]建議電弧絕緣和/或滅弧介質(zhì)的內(nèi)部壓力根據(jù)不同的設(shè)備來(lái)變化；特別地，鑒于不同的技術(shù)原因，優(yōu)選具有足夠高的總壓力，其通常大于105Pa。根據(jù)本發(fā)明，由于HF0/HFC混合物在電氣設(shè)備的最低溫度下完全呈氣體形式，視需要可加入稀釋氣體或緩沖氣體，以滿足所給出的填充壓條件。優(yōu)選，稀釋氣體具有小于或等于設(shè)備的最低使用溫度的非常低的沸點(diǎn)，并且該稀釋氣體的介電強(qiáng)度大于或等于CO2的介電強(qiáng)度或在測(cè)試條件下的空氣的介電強(qiáng)度，所述測(cè)試條件等同于用于測(cè)量所述氣體的介電強(qiáng)度的測(cè)試條件(相同的開關(guān)裝置、相同的幾何構(gòu)造、相同的操作參數(shù)等)。稀釋氣能夠和另一種氟化化合物、特別是C5K結(jié)合以增強(qiáng)正向注入的介電性能。有利的是，為了使組成混合物的各種N氟化氣體的含量最大化而不使包含N氟代化合物(包括HFO和HFC)和稀釋氣的混合物在設(shè)備的最低使用溫度產(chǎn)生液相，因此，每個(gè)組分的壓力會(huì)通過由拉烏爾定律導(dǎo)出的以下公式來(lái)限定:
[0037]

【權(quán)利要求】
1.包含至少一種具有三個(gè)碳原子的氫氟烯烴和至少一種氫氟烷的氣體介質(zhì)在高壓或中壓變電站電氣設(shè)備中作為電絕緣介質(zhì)和/或滅弧介質(zhì)的用途，所述介質(zhì)的全球暖化潛勢(shì)(GffP)小于相同壓力和溫度條件下的90%的六氟化硫(SF6)的全球暖化潛勢(shì)。
2.權(quán)利要求1所述的介質(zhì)用途，其中所述氫氟烯烴為反式-1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)、2，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO_1234yf)或 I, 2，2，5-五氟-1-丙烯(HFO-1225ye)。
3.權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)用途，其中所述氫氟烷為1，I,I, 2，3，3，3-七氟丙烷(HFC-227ea)、五氟乙烷(HFC125)或 I, I, I, 2-四氟乙烷(HFC_134a)。
4.權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)用途，所述介質(zhì)進(jìn)一步包括氟酮，特別是十氟-2-甲基丁 -3-酮(C5K)。
5.權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)用途,所述介質(zhì)還包括選自空氣、氧氣、二氧化碳或這些氣體混合物的稀釋氣體。
6.權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)用途，其中選擇所述氣體介質(zhì)中的所述氫氟烷和所述氫氟烯烴的分壓作為所述設(shè)備的最底溫度的函數(shù)，以便根據(jù)拉烏爾定律在所述設(shè)備的最低使用溫度下不會(huì)形成液相。
7.權(quán)利要求6所述的介質(zhì)用途，其中所述最低溫度選自-30°C、-25°C、-15°C和(TC。
8.中壓電氣設(shè)備，其包括含電氣組件的密封室和氣體介質(zhì)，所述氣體介質(zhì)確保可能發(fā)生在所述室中的電絕緣和/或滅弧，其特征在于，所述氣體介質(zhì)包括具有三個(gè)碳原子的氫氟烯烴和氫氟烷，所述介質(zhì)的全球暖化潛勢(shì)小于相同壓力和溫度條件下的90%的六氟化硫的全球暖化潛勢(shì)。
9.權(quán)利要求8所述的電氣設(shè)備，其中所述氫氟烯烴為反式_1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)或 2，3，3，3_ 四氟-1-丙烯(HFO_1234yf)或 I, 2，2，5-五氟-1-丙烯(HFO-1225ye)，以及所述氫氟烷為1，1，1，2，3，3，3_七氟丙烷(HFC_227ea)、五氟乙烷(HFC-125)或 I, I, I, 2-四氟乙烷(HFC_134a)。
10.權(quán)利要求8或9中所述的電氣設(shè)備，其中所述氣體介質(zhì)還包括稀釋氣體。
11.權(quán)利要求10所述的電氣設(shè)備，其中所述稀釋氣體選自空氣、氧氣、二氧化碳或這些氣體的混合物。
12.權(quán)利要求8?11中任一項(xiàng)所述的電氣設(shè)備，其中所述氫氟烯烴和所述氫氟烷以根據(jù)拉烏爾定律定義的比例存在于所述介質(zhì)中，以使在所述設(shè)備的最低使用溫度不會(huì)生成液相。
13.權(quán)利要求8?12中任一項(xiàng)所述的電氣設(shè)備,其為具有氣體絕緣的電變壓器、用于輸送或分配電力的具有氣體絕緣的線路或連接/斷開電設(shè)備。
【文檔編號(hào)】H01H33/22GK104137210SQ201380011218
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】D.皮科茲, R.馬拉登, M.弗雷拉達(dá)科斯塔 申請(qǐng)人:施耐德電器工業(yè)公司