Смесь декафтор-2-метилбутан-3-она и газа-носителя в качестве среды для электрической изоляции и/или для гашения электрической дуги при среднем напряжении
Изобретение относится к использованию смеси, включающей в себя декафтор-2-метилбутан-3-он и газ-носитель или газ-разбавитель, в качестве среды для электрической изоляции и/или для гашения электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения. Изобретение также относится к электрическому устройству среднего или высокого напряжения, в котором электрическая изоляция и/или гашение электрических дуг осуществляется (осуществляются) посредством смеси, включающей декафтор-2-метилбутан-3-он и газ-носитель или газ- разбавитель. Применения: электрические трансформаторы, газоизолированные линии для транспортировки или распределения электричества, набор сборных шин, устройства электрического соединения/разъединения (устройства отключения, переключатели, выключатели с плавким предохранителем, разъединители, переключатели сети заземления, пускатели и т.д.). Технический результат - создание смеси с удовлетворительными свойствами электрической изоляции и гашения электрических дуг, имеющей низкое или нулевое воздействие на окружающую среду. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил., 7 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электрической изоляции и гашения электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к использованию смеси, включающей в частности фторкетон, а именно декафтор-2-метилбутан-3-он, и газ-носитель, такой как воздух, азот или двуокись углерода, в качестве среды для электрической изоляции и/или для гашения электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения.
Настоящее изобретение также относится к электрическому устройству среднего или высокого напряжения, в котором электрическая изоляция и/или гашение электрических дуг осуществляется (осуществляются) посредством смеси, включающей декафтор-2-метилбутан-3-он и газ-носитель.
Это электрическое устройство особенно может быть электрическим трансформатором, таким как силовой или измерительный трансформатор, газоизолированной линией (gas-insulated line, GIL) для транспортировки или распределения электричества, набором сборных шин или устройством электрического соединения/разъединения (также называемым распределительным оборудованием), таким как устройство отключения, переключатель, выключатель с плавким предохранителем, разъединитель, переключатель сети заземления или пускатель.
Описание предшествующего уровня техники
В электрических устройствах среднего или высокого напряжения электрическая изоляция и, если это применимо, гашение электрических дуг обычно осуществляются газом, который заключен в пределах этих устройств.
В предшествующем и в последующем тексте термины "среднее напряжение" и "высокое напряжение" используются в их обычно принятом значении, а именно термин "среднее напряжение" обозначает напряжение выше 1000 вольт для переменного тока и выше 1500 вольт для постоянного тока, но которое не превышает 52000 вольт для переменного тока и 75000 вольт для постоянного тока, тогда как термин "высокое напряжение" обозначает напряжение, которое строго больше чем 52000 вольт для переменного тока и больше чем 75000 вольт для постоянного тока.
Газ, чаще всего используемый в этом типе устройств в настоящее время, представляет собой гексафторид серы (SF6). Этот газ действительно имеет относительно высокую диэлектрическую прочность, удовлетворительный коэффициент теплопроводности и низкие диэлектрические потери. Он является химически инертным и нетоксичным для людей и животных и после того, как он ассоциирован электрической дугой, он рекомбинирует быстро и почти полностью. В дополнение к этому, он является невоспламеняющимся, и его цена, даже сегодня, является умеренной.
Однако один главный недостаток гексафторида серы заключается в том, что он имеет потенциал глобального потепления (GWP), равный 22800 (по отношению к двуокиси углерода более чем за 100 лет), и время нахождения в атмосфере 3200 лет, что делает его одним из газов с сильным парниковым эффектом.
По этой причине гексафторид серы был включен Киотским протоколом (1997) в список газов, выбросы которых должны быть ограничены.
Наилучшее средство ограничения выбросов гексафторида серы заключается в ограничении использования этого газа, что привело промышленные компании к поиску альтернатив гексафториду серы.
Так называемые "простые" газы, такие как воздух или азот, которые не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду, имеют намного более низкую диэлектрическую прочность, чем гексафторид серы. Таким образом, например, диэлектрические прочности при переменном напряжении (50 Гц) воздуха и азота составляют примерно одну треть от диэлектрической прочности гексафторида серы.
Использование этих простых газов для электрической изоляции и/или гашения электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения следовательно подразумевает, что объем или давление наполнения этих устройств должны быть значительно увеличены, что идет вразрез с усилиями, предпринятыми за прошедшие десятилетия для того, чтобы разработать компактные электрические устройства, занимающие все более и более малые объемы.
Смеси гексафторида серы и азота используются для того, чтобы ограничить воздействие гексафторида серы на окружающую среду. Действительно, добавление гексафторида серы в количестве 10-20% по объему может значительно улучшить диэлектрическую прочность азота.
Однако из-за высокого потенциала глобального потепления гексафторида серы потенциал глобального потепления этих смесей остается очень высоким. Так, например, смесь гексафторида серы и азота в объемном соотношении 10/90 имеет диэлектрическую прочность при переменном напряжении (50 Гц), равную 59% диэлектрической прочности гексафторида серы, но ее потенциал глобального потепления имеет величину порядка 8000-8650.
Такие смеси поэтому не могут использоваться в качестве газов с низким воздействием на окружающую среду.
То же самое относится к полностью фторированным углеводородам, которые вообще имеют полезные свойства диэлектрической прочности, но потенциал глобального потепления которых находится обычно в пределах диапазона 5000-10000 (6500 для CF4, 7000 для C3F8 и C4F10, 8700 для цикло-C4F8, 9200 для C2F6).
Недавно было предложено заменить гексафторид серы трифторйодметаном (CF3I) (Nakauchi et al., XVI International Conference on Gas Discharge and their Applications, China, 11-15 September 2006, [1]). Действительно, трифторйодметан имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем гексафторид серы, как в гомогенном поле, так и в гетерогенном поле, его потенциал глобального потепления имеет значение менее 5, а время пребывания в атмосфере составляет 0,005 лет.
К сожалению, в дополнение к тому, что CF3I дорог, он имеет средний уровень профессионального воздействия (Valeur Limite de Moyenne d'Exposition Professionnelle, VME) порядка 3-4 ч/млн и относится к третьей категории канцерогенных, мутагенных и вредных для потомства (CMR) веществ, что делает невозможным его использование в промышленных масштабах.
Также было предложено использовать гибридную изоляцию, сочетающую газовую изоляцию, например сухим воздухом, азотом или двуокисью углерода, с твердой изоляцией. Как описано в европейской патентной заявке, опубликованной под № 1724802 [2], эта твердая изоляция заключается, например, в покрытии электрически активных частей, которые имеют высокий электрический градиент, смолой эпоксидного или сопоставимого типа, позволяя снизить поле, воздействию которого подвергаются электрически активные части.
Однако изоляция, полученная таким способом, не эквивалентна изоляции, обеспечиваемой гексафторидом серы, и использование таких гибридных систем требует увеличения объема электрических устройств по сравнению с объемом, который может быть достигнут при использовании изоляции из гексафторида серы.
Что касается гашения электрических дуг без гексафторида серы, существуют различные решения, а именно гашение в масле, гашение в окружающем воздухе и гашение с вакуумным баллоном.
Однако устройства гашения в масле имеют тот главный недостаток, что они могут взорваться, если гашение не удалось или если происходит внутреннее короткое замыкание. Устройства гашения в окружающем воздухе вообще имеют большие габариты, дороги и чувствительны к окружающей среде (к влажности и загрязнениям), тогда как устройства, особенно выключатели-разъединители, использующие гашение с вакуумным баллоном, очень дороги, их мало и они редко встречаются на рынке.
Реально удовлетворительной альтернативы гексафториду серы в настоящее время не существует.
По этой причине изобретатели поставили перед собой цель найти такой газ, который, имея удовлетворительные свойства электрической изоляции и гашения электрических дуг, имел бы низкое или нулевое воздействие на окружающую среду и который, кроме того, не являлся бы ядом для людей и животных.
Изобретатели также поставили перед собой цель, чтобы использование этого газа в коммерчески доступных в настоящее время электрических устройствах среднего или высокого напряжения вместо гексафторида серы, которым эти устройства обычно заполнены, позволяло достичь эффективности, с точки зрения электрической изоляции и/или гашения электрических дуг, эквивалентной эффективности, обеспечиваемой гексафторидом серы, во всем диапазоне рабочих температур этих устройств, либо требовало бы для достижения такой эффективности лишь незначительных структурных модификаций упомянутых устройств.
Описание изобретения
Эти и другие цели достигаются настоящим изобретением, которое предлагает, во-первых, использование смеси, включающей фторкетон и газ-носитель в качестве электроизолирующей среды и/или среды для гашения электрических дуг в электрическом устройстве среднего или высокого напряжения, причем это использование отличается тем, что фторкетон является декафтор-2-метилбутан-3-оном и присутствует в смеси в количестве, по меньшей мере равном 95% от молярного процента М, определяемого следующей формулой (I):
M=(PC5K/Pmixture)Ч100 (I)
где:
- Pmixture представляет собой давление смеси при температуре 20°C в электрическом устройстве, выраженное в килопаскалях; а
- PC5K представляет давление, выраженное в килопаскалях, которое при температуре 20°C эквивалентно давлению насыщенных паров, которое декафтор-2-метилбутан-3-он имеет при минимальной рабочей температуре электрического устройства, где PC5K определяется следующей формулой (II):
PC5K=(PVSC5K Ч 293)/Tminimum (II)
где:
PVSC5K представляет собой давление насыщенных паров декафтор-2-метилбутан-3-она при минимальной рабочей температуре электрического устройства, выраженное в килопаскалях; и
Tminimum представляет собой минимальную рабочую температуру электрического устройства, выраженную в кельвинах.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением смесь, включающая декафтор-2-метилбутан-3-он и газ-носитель (который в дальнейшем также будет называться "газом-разбавителем", поскольку существенной функцией этого газа является разбавление этого фторкетона), используется в качестве электроизолирующей среды и/или среды для гашения электрических дуг.
Декафтор-2-метилбутан-3-он имеет молекулярную формулу C5F10O и развернутую формулу CF3-CO-CF-(CF3)2. В дальнейшем для краткости он будет называться C5K.
В дополнение к этому, в соответствии с настоящим изобретением C5K присутствует в используемой смеси в количестве, которое по меньшей мере равно 95% от молярного процента М (то есть по меньшей мере равно 0,95 от этого количества) C5K, что означает, что при минимальной рабочей температуре устройства пропорция C5K в той части этой смеси, которая находится в газообразном состоянии, гарантированно является максимальной, принимая во внимание, что смесь может быть полностью или частично в газообразном состоянии.
Такая максимальная пропорция C5K дает при минимальной рабочей температуре электрического устройства, то есть при самых неблагоприятных условиях использования этого устройства, оптимальные свойства электрической изоляции и/или гашения электрической дуги, близкие к свойствам гексафторида серы.
Нижеприведенная таблица I показывает давления насыщенных паров, обозначенные как PVSC5K, которые C5K имеет при температурах 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C, -30°C, -35°C и -40°C, которые являются обычными минимальными рабочими температурами для электрических устройств среднего и высокого напряжения.
Таблица I также показывает значения давления, обозначенные как PC5K, которые соответствуют при температуре 20°C этим давлениям насыщенных паров и которые получены путем применения вышеприведенной формулы (II).
| Таблица I | ||
| Температура | PVSC5K | PC5K |
| 0°C (273,15 K) | 41,3 кПа | 44,3 кПа |
| -5°C (268,15 K) | 33,6 кПа | 36,7 кПа |
| -10°C (263,15 K) | 27,1 кПа | 30,2 кПа |
| -15°C (258,15 K) | 21,7 кПа | 24,7 кПа |
| -20°C (253,15 K) | 17,3 кПа | 20,0 кПа |
| -25°C (248,15 K) | 13,6 кПа | 16,0 кПа |
| -30°C (243,15 K) | 10,6 кПа | 12,7 кПа |
| -35°C (238,15 K) | 8,1 кПа | 10,0 кПа |
| -40°C (233,15 K) | 6,2 кПа | 7,8 кПа |
Если электрическое устройство является устройством среднего напряжения, тот факт, что декафтор-2-метилбутан-3-он может присутствовать в этом устройстве частично в газообразном состоянии и частично в жидком состоянии, не создает каких-либо связанных со стандартами проблем. В этом случае поэтому возможно использовать смесь, в которой декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в количестве большем, чем молярный процент М.
В электрическом устройстве среднего напряжения декафтор-2-метилбутан-3-он, следовательно, предпочтительно присутствует в смеси в количестве от 95% до 130% и, еще лучше, от 95% до 110%, и идеально от 99% до 110% от молярного процента М. Другими словами, декафтор-2-метилбутан-3-он предпочтительно присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 0,95 до 1,3, еще лучше от 0,95 до 1,1, и идеально от 0,99 до 1,1 от молярного процента М.
Напротив, если электрическое устройство является электрическим устройством высокого напряжения типа бронированной подстанции (PSEM), то для того, чтобы оно могло удовлетворять действующим в настоящее время стандартам Международной электротехнической комиссии, желательно, чтобы декафтор-2-метилбутан-3-он присутствовал в этом устройстве исключительно или почти исключительно в газообразном состоянии во всем диапазоне рабочих температур этого устройства.
В электрическом устройстве высокого напряжения типа бронированной подстанции (PSEM) поэтому предпочтительно, чтобы декафтор-2-метилбутан-3-он присутствовал в смеси в количестве, которое не превышает 100% от молярного процента М (то есть этого молярного процента) для того, чтобы он не имел жидкой фазы. Количество декафтор-2-метилбутан-3-она тогда должно находиться между 95% и 100% от молярного процента М (то есть между 0,95 от этого молярного процента и этим молярным процентом).
В соответствии с настоящим изобретением газ-разбавитель предпочтительно выбирается из числа газов, которые имеют, во-первых, очень низкую точку кипения, то есть обычно равную или меньше чем -50°C при нормальном давлении, и, во-вторых, диэлектрическую прочность, которая по меньшей мере равна диэлектрической прочности двуокиси углерода при условиях испытания, строго идентичных (то же самое оборудование, та же самая геометрическая конфигурация, те же самые эксплуатационные настройки, и т.д.) используемым для того, чтобы измерить диэлектрическую прочность упомянутого газа.
В дополнение к этому, предпочтительно, чтобы газ-разбавитель не был токсичным, то есть он не должен входить в список веществ, которые рассматриваются как канцерогенные, мутагенные и/или вредные для потомства Регламентом (EC) № 1272/2008 Европейского парламента и Совета от 16 декабря 2008, и должен также иметь низкий потенциал глобального потепления, то есть обычно равный самое большее 500.
Газами, которые имеют все эти свойства, являются, например, воздух, предпочтительно сухой воздух (потенциал глобального потепления равен 0), азот (потенциал глобального потепления равен 0), закись азота (потенциал глобального потепления равен 310), двуокись углерода (потенциал глобального потепления равен 1), смеси двуокиси углерода и кислорода в объемном отношении в пределах от 90/10 до 97/3, а также смеси этих различных газов.
Предпочтительно газ-разбавитель является воздухом, предпочтительно сухим воздухом, двуокисью углерода или смесью этих газов.
Другой целью настоящего изобретения является электрическое устройство среднего или высокого напряжения, которое включает в себя герметичное замкнутое пространство, содержащее электрические компоненты и смесь, включающую фторкетон и газ-носитель для электрической изоляции и/или гашения электрических дуг, которые могут создаваться внутри этого устройства, причем это устройство отличается тем, что фторкетон является декафтор-2-метилбутан-3-оном и присутствует в смеси в количестве, по меньшей мере равном 95% от молярного процента М, определяемого следующей формулой (I):
M=(PC5K/Pmixture)Ч100 (I)
где:
- Pmixture представляет собой давление смеси при температуре 20°C в электрическом устройстве, выраженное в килопаскалях; а
- PC5K представляет давление, выраженное в килопаскалях, которое при температуре 20°C эквивалентно давлению насыщенных паров, которое декафтор-2-метилбутан-3-он имеет при минимальной рабочей температуре электрического устройства, где PC5K определяется следующей формулой (II):
PC5K=(PVSC5K Ч 293)/Tminimum (II)
где:
PVSC5K представляет собой давление насыщенных паров декафтор-2-метилбутан-3-она при минимальной рабочей температуре электрического устройства, выраженное в килопаскалях; и
Tminimum представляет собой минимальную рабочую температуру электрического устройства, выраженную в кельвинах.
Характерные особенности смеси, включающей декафтор-2-метилбутан-3-он и газ-носитель, которая присутствует в этом устройстве, описаны ранее относительно использования этой смеси.
В соответствии с настоящим изобретением это электрическое устройство может быть, во-первых, газоизолированным трансформатором, таким как, например, силовой трансформатор или измерительный трансформатор.
Оно также может быть газоизолированной линией, воздушной или проложенной в грунте, или набором сборных шин для транспортировки или распределения электричества.
Наконец, оно также может быть устройством электрического соединение/разъединения (также называемым распределительным оборудованием), таким как, например, устройство отключения, переключатель, разъединитель, выключатель с плавким предохранителем, переключатель сети заземления или пускатель.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут освещены в дополнительном описании, приведенном ниже.
Самоочевидно, однако, что это дополнительное описание дано только для того, чтобы проиллюстрировать цель настоящего изобретения, и никоим образом не составляет ограничение этой цели.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 в форме кривой иллюстрирует изменения нормализованной диэлектрической прочности смеси декафтор-2-метилбутан-3-она и двуокиси углерода как функции содержания декафтор-2-метилбутан-3-она в этой смеси.
Фиг.2 в форме кривой иллюстрирует изменения нормализованной диэлектрической прочности смеси декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха как функции содержания декафтор-2-метилбутан-3-она в этой смеси.
Фиг.3 в форме гистограммы иллюстрирует изменения диэлектрической прочности в гомогенном поле, полученные для смеси декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха как функции содержания декафтор-2-метилбутан-3-она в этой смеси; на этой диаграмме диэлектрическая прочность смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух выражена как процент диэлектрической прочности, полученной при тех же самых температуре и давлении для гексафторида серы, а содержание декафтор-2-метилбутан-3-она выражено как процент от молярного процента М, как было определено ранее.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Обратимся сначала к фиг.1 и фиг.2, которые в форме кривых иллюстрируют изменения нормализованной диэлектрической прочности смесей, состоящих соответственно из декафтор-2-метилбутан-3-она и двуокиси углерода (фиг.1), и декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха (фиг.2), как функции содержания декафтор-2-метилбутан-3-она в этих смесях.
В предшествующем и в дальнейшем термин "нормализованная диэлектрическая прочность" смеси, состоящей из декафтор-2-метилбутан-3-она и газа-носителя или газа-разбавителя, понимается как диэлектрическая прочность этой смеси, отнесенная к диэлектрической прочности газа-носителя или газа-разбавителя, когда этот газ используется при тех же самых условиях.
Изменения нормализованной диэлектрической прочности, проиллюстрированные на фиг.1 и фиг.2, показывают увеличение диэлектрической прочности, которое непосредственно связано с увеличением содержания декафтор-2-метилбутан-3-она в смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/двуокись углерода (фиг.1) и в смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух (фиг.2).
Следует отметить, что значения диэлектрической прочности, показанные на фиг.1 и фиг.2, даны для конфигурации с гомогенным электрическим полем.
Комбинируя данные вышеприведенной таблицы I и данные фиг.1 и фиг.2, можно прогнозировать, что для электрического устройства с минимальной рабочей температурой, равной -30°C, использование смесей декафтор-2-метилбутан-3-он/двуокись углерода и декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, имеющих давление, равное 100, 200, 300, 400 или 500 кПа при температуре 20°C, и парциальное давление декафтор-2-метилбутан-3-она, равное 12,7 кПа при температуре 20°C (то есть соответствующее значению PC5K, данному в вышеприведенной Таблице I для температуры -30°C), приведет к нормализованным значениям диэлектрической прочности, показанным в таблице II ниже.
| Таблица II | ||||
| Давление смеси при температуре 20°C | Парциальное давление C5K при температуре 20°C | Молярная доля C5K в смеси | Нормализованная диэлектрическая прочность | |
| Смесь C5K/двуокись углерода | Смесь C5K/сухой воздух | |||
| 100 кПа | 12,7 кПа | 12,7% | 2,1 | 2,4 |
| 200 кПа | 6,4% | 1,7 | 2,0 | |
| 300 кПа | 4,2% | 1,5 | 1,8 | |
| 400 кПа | 3,2% | 1,4 | 1,6 | |
| 500 кПа | 2,5% | 1,3 | 1,5 |
Таким же образом можно прогнозировать, что для электрического устройства с минимальной рабочей температурой -15°C использование смесей декафтор-2-метилбутан-3-он/двуокись углерода и декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, имеющих давление, равное 100, 200, 300, 400 или 500 кПа при температуре 20°C, и парциальное давление декафтор-2-метилбутан-3-она, равное 24,7 кПа при температуре 20°C (то есть соответствующее значению PC5K, данному в вышеприведенной таблице I для температуры -15°C), приведет к нормализованным значениям диэлектрической прочности, показанным в таблице III ниже.
| Таблица III | ||||
| Давление смеси при температуре 20°C | Парциальное давление C5K при температуре 20°C | Молярная доля C5K в смеси | Нормализованная диэлектрическая прочность | |
| Смесь C5K/двуокись углерода | Смесь C5K/сухой воздух | |||
| 100 кПа | 24,7 кПа | 24,7% | 2,8 | 3,0 |
| 200 кПа | 12,4% | 2,1 | 2,4 | |
| 300 кПа | 8,2% | 1,9 | 2,2 | |
| 400 кПа | 6,2% | 1,7 | 2,0 | |
| 500 кПа | 4,9% | 1,6 | 1,9 |
Также можно прогнозировать, что для электрического устройства с минимальной рабочей температурой -5°C использование смесей декафтор-2-метилбутан-3-он/двуокись углерода и декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, имеющих давление, равное 100, 200, 300, 400 или 500 кПа при температуре 20°C, и парциальное давление декафтор-2-метилбутан-3-она, равное 36,7 кПа при температуре 20°C (то есть соответствующее значению PC5K, данному в вышеприведенной Таблице I для температуры -5°C), приведет к нормализованным значениям диэлектрической прочности, показанным в таблице IV ниже.
| Таблица IV | ||||
| Давление смеси при температуре 20°C | Парциальное давление C5K при температуре 20°C | Молярная доля C5K в смеси | Нормализованная диэлектрическая прочность | |
| Смесь C5K/двуокись углерода | Смесь C5K/сухой воздух | |||
| 100 кПа | 36,7 кПа | 36,7% | 3,2 | 3,8 |
| 200 кПа | 18,4% | 2,4 | 2,7 | |
| 300 кПа | 12,2% | 2,1 | 2,4 | |
| 400 кПа | 9,2% | 1,9 | 2,2 | |
| 500 кПа | 7,3% | 1,8 | 2,1 |
Пример 1
Применение для среднего напряжения
Два устройства типа GIS (газоизолированного распределительного оборудования) - в дальнейшем устройства 1 и 2 - с номинальным напряжением 24 кВ и предназначенные для использования при минимальной температуре -15°C, заполняются смесью декафтор-2-метилбутан-3-она и двуокиси углерода.
Устройство 1 имеет структуру, строго идентичную структуре устройства, которое продается под маркой FBX 24 кВ компанией Schneider Electric и которое заполнено в его текущей коммерческой версии гексафторидом серы под давлением 130 кПа.
Устройство 2 отличается от устройства 1 тем, что его обходные цепи заключены в термоусадочную оболочку, позволяющую предотвратить образование электрической дуги между ними, а также тем, что в него добавлен делитель электрического поля.
Так как устройства 1 и 2 предназначены для использования при минимальной температуре -15°C, они заполнялись смесью декафтор-2-метилбутан-3-она/двуокиси углерода таким образом, что:
полное давление смеси декафтор-2-метилбутан-3-она/двуокиси углерода в этих устройствах равно 130 кПа при температуре 20°C;
парциальное давление декафтор-2-метилбутан-3-она в этих устройствах равно 24,7 кПа при температуре 20°C; что дает молярный процент декафтор-2-метилбутан-3-она, равный 19%.
Чтобы достичь такого заполнения, каждое устройство сначала устанавливается в герметичном корпусе и затем создается вакуум (0-0,1 кПа) как внутри устройства, так и между устройством и стенками корпуса, так чтобы предотвратить деформирование стенок устройства.
Первой стадией является покрытие внутренней стенки бака устройства декафтор-2-метилбутан-3-оном путем впрыскивания в этот бак чистого CK5 под давлением от 0,3 до 0,5 кПа, используя "газовый" выход бака декафтор-2-метилбутан-3-она, который имеет "газовый" выход и "жидкостный" выход и который был предварительно слегка нагрет для того, чтобы ускорить скорость потока декафтор-2-метилбутан-3-она.
Затем бак продолжает заполняться посредством газового смесителя, снабженного двумя барботерами, поддерживая отношение между давлениями при температуре 20°C декафтор-2-метилбутан-3-она и двуокиси углерода, равное 19% во время всего процесса заполнения, с использованием точного массового расходомера. Во время этой операции декафтор-2-метилбутан-3-он помещается в два барботера, через которые проходит сжатая двуокись углерода, для того, чтобы достигнуть полного насыщения.
Устройства 1 и 2, заполненные таким способом, затем были подвергнуты следующим испытаниям диэлектрической прочности:
грозовой разряд (волна длительностью 1,2-50 мкс) между фазой и землей;
грозовой разряд (волна длительностью 1,2-50 мкс) над изоляционным расстоянием;
ток промышленной частоты (50 Гц, 1 минута) между фазой и землей; и
ток промышленной частоты (50 Гц, 1 минута) над изоляционным расстоянием.
Все эти испытания проводились в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 62271-200 при температуре окружающей среды и при температуре -15°C (в этом случае устройства 1 и 2 устанавливались в охлажденное замкнутое пространство).
Результаты этих испытаний показаны в таблице V ниже.
Для сравнения, диэлектрические прочности, полученные при тех же самых условиях для коммерческого устройства FBX 24 кВ, также приведены в этой таблице.
| Таблица V | |||
| Тип испытания электрической прочности диэлектрика | FBX 24 кВ | Устройство 1 | Устройство 2 |
| Грозовой разряд между фазой и землей | >125 кВс | 118 кВс | >125 кВс |
| Грозовой разряд над изоляционным расстоянием | >145 кВс | >145 кВс | >145 кВс |
| Ток промышленной частоты между фазой и землей | >50 кВ | >50 кВ | >50 кВ |
| Ток промышленной частоты над изоляционным расстоянием | >60 кВ | >60 кВ | >60 кВ |
Эта таблица показывает, что электрическое устройство среднего напряжения, которое заполнено смесью декафтор-2-метилбутан-3-она/двуокиси углерода в мольном отношении 19/81, в диапазоне температур от -15°C до +50°C имеет эффективность в терминах диэлектрической прочности, эквивалентную эффективности того же самого устройства, заполненного гексафторидом серы с тем же самым давлением, за исключением диэлектрической прочности при воздействии грозового разряда между фазой и землей.
Однако эта таблица также показывает, что несколько незначительных структурных модификаций, таких как покрытие обходных цепей и добавление делителя электрического поля, достаточны для того, чтобы это устройство также имело диэлектрическую прочность при воздействии грозового разряда между фазой и землей, эквивалентную диэлектрической прочности того же самого устройства, заполненного гексафторидом серы с тем же самым давлением.
Устройство 1 также было подвергнуто испытаниям на нагревание в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 62271-200.
Эти испытания показывают, что, когда через это устройство проходит непрерывный ток со среднеквадратичным значением 630А, максимальные величины нагрева, измеренные в электрических контактах (которые представляют собой самые горячие точки), всего на 1% выше, чем получаемые при тех же самых условиях для коммерческого устройства FBX 24 кВ, что является совершенно приемлемым.
Для сравнения, устройство со структурой, идентичной структуре коммерческого устройства FBX 24 кВ, но которое заполнено чистой двуокисью углерода, имеет в своей части максимальные величины нагрева, которые на 7,8% выше, чем величины нагрева, получаемые для серийного коммерческого устройства FBX 24 кВ.
Устройство 1 также было подвергнуто разрушающим испытаниям в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 60265-1.
Эти испытания показывают, что для этого устройства возможно выполнить более 100 размыканий при силе тока 400 ампер с номинальным напряжением 24 кВ и коэффициентом мощности 0,7.
Поскольку эти результаты менее хороши, чем полученные для серийного коммерческого устройства FBX 24 кВ, так как последнее допускает более 100 размыканий, но при силе тока 630 ампер, с номинальным напряжением 24 кВ и коэффициентом мощности 0,7, разрушающие испытания были повторены на устройстве 1 после того, как деталь (шайба), сделанная из газовыделяющего материала, в данном случае из политетрафторэтилена (тефлона), содержащего 5% масс. CeF3, была помещена в контакт с фиксированными электрическими контактами переключателя в разъединительной камере этого устройства.
В результате для этого устройства стало возможно выполнить более 100 размыканий при силе тока 630 ампер с номинальным напряжением 24 кВ и коэффициентом мощности 0,7.
Опять же, здесь просто созданием незначительной структурной модификации, такой как добавление газовыделяющего материала типа фторированного полимера (например, перфторалкоксисополимера, фторированного этиленпропилена или политетрафторэтилена) плюс фторированный наполнитель (например CaF2, CeF3, CeF4 или MgF2) к устройству 1, получается эффективность, эквивалентная, в терминах размыкания, эффективности того же самого устройства, заполненного гексафторидом серы с тем же самым давлением.
Пример 2
Применение для высокого напряжения
Устройство типа GIS (газоизолированное распределительное оборудование) - в дальнейшем устройство 3 - с номинальным напряжением 145 кВ, предназначенное для использования при минимальной температуре -30°C, заполнялось смесью декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха.
Устройство 3 имеет структуру, строго идентичную структуре устройства, которое продается под маркой B65 компанией Alstom Grid и которое заполнено в его текущей коммерческой версии гексафторидом серы.
Так как устройство 3 предназначено для использования при минимальной температуре -30°C, оно заполнялось смесью декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух таким образом, что:
- полное давление смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух в этом устройстве равно 500 кПа при температуре 20°C;
- парциальное давление декафтор-2-метилбутан-3-она в этом устройстве равно 12,7 кПа при температуре 20°C; что дает молярный процент декафтор-2-метилбутан-3-она, равный 2,54%.
Устройство 3 заполнялось смесью декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух с использованием той же самой процедуры, которая описана в примере 1, за исключением того, что вместо двуокиси углерода использовался сухой воздух, а отношение между давлениями декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха при температуре 20°C составляло 2,5%.
Устройство 3, заполненное таким способом, затем было подвергнуто испытаниям на диэлектрическую прочность при температуре окружающей среды посредством грозового разряда (волна длительностью 1,2-50 мкс) с положительной волной и с отрицательной волной в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 62271-1.
Результаты этих испытаний показаны в таблице VI ниже.
Для сравнения эта таблица также показывает диэлектрические прочности, полученные при тех же самых условиях для устройства со структурой, идентичной структуре устройства B65, но которое было заполнено сухим воздухом под давлением 500 кПа.
| Таблица VI | ||
| Тип испытания электрической прочности диэлектрика | Устройство, заполненное сухим воздухом | Устройство 3 |
| Разряд молнии с положительной волной | 334 кВ | 534 кВ |
| Разряд молнии с отрицательной волной | 369 кВ | 552 кВ |
Эта таблица показывает, что устройство высокого напряжения, которое заполнено смесью декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух в мольном отношении 19/81, имеет эффективность в терминах диэлектрической прочности, намного превосходящую эффективность того же самого устройства, когда оно заполнено сухим воздухом под тем же самым давлением.
Пример 3
Влияние выбора молярного процента декафтор-2-метилбутан-3-она в смеси на диэлектрическую прочность этой смеси
Группа устройств того же самого типа, что и ранее использованное устройство 1, была заполнена смесью декафтор-2-метилбутан-3-она и сухого воздуха (минимальная рабочая температура: -15°C; полное давление смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух: 130 кПа) с изменением от одного устройства к другому молярному проценту декафтор-2-метилбутан-3-она в смеси так, что этот молярный процент был соответственно равен 0%, 31,2%, 64%, 95%, 100% и 146,8% от молярного процента М декафтор-2-метилбутан-3-она, что означает, что можно быть уверенным, что при температуре -15°C пропорция декафтор-2-метилбутан-3-она в той части упомянутой смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, которая находится в газообразном состоянии, максимальна.
Эти устройства затем были подвергнуты испытаниям на диэлектрическую прочность в однородном поле при температуре окружающей среды, и полученные результаты сравнивались с результатами, полученными при той же самой температуре и для того же самого типа устройства, когда оно заполнено гексафторидом серы под давлением 130 кПа.
Результаты этих испытаний показаны в таблице VII ниже, в которой диэлектрическая прочность, полученная для смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, выражена как процент от диэлектрической прочности, полученной для гексафторида серы.
| Таблица VII | |||
| Парциальное давление C5K при температуре 20°C | Молярная доля M | Молярная доля C5K в смеси | Электрическая прочность диэлектрика (по сравнению с гексафторидом серы) |
| 0 кПа | 0% | 0% (т.е. 0% M) | 54% |
| 7,8 кПа | 6% | 1,87% (т.е. 31,2% M) | 64% |
| 16 кПа | 12,3% | 7,87% (т.е. 64% M) | 81% |
| 23,75 кПа | 18,3% | 17,38% (т.е. 95% M) | 96% |
| 25 кПа | 19,2% | 19,2% (т.е. 100% M) | 98% |
| 36,7 кПа | 28,2% | 41,4% (т.е. 146,8% M) | 102% |
Результаты этих испытаний также проиллюстрированы в форме гистограммы на фиг.3, на которой:
по оси абсцисс отложены молярные проценты декафтор-2-метилбутан-3-она в смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, выраженные как процент от молярного процента М; и
по оси ординат отложена диэлектрическая прочность, полученная для смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, выраженная как процент от диэлектрической прочности, полученной для гексафторида серы.
Таблица VII и фиг.3 ясно подтверждают, что для того, чтобы получить диэлектрическую прочность, равную по меньшей мере 95% от диэлектрической прочности, полученной для гексафторида серы, должны использоваться смеси декафтор-2-метилбутан-3-она и газа-носителя, такого как сухой воздух, в которых декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в количестве, по меньшей мере равном 95% от молярного процента М декафтор-2-метилбутан-3-она, который позволяет гарантировать, что при минимальной рабочей температуре электрического устройства пропорция декафтор-2-метилбутан-3-она в той части упомянутой смеси декафтор-2-метилбутан-3-он/сухой воздух, которая находится в газообразном состоянии, максимальна.
ЦИТИРУЕМЫЕ ССЫЛКИ
[1] S. Nakauchi, D. Tosu, S. Matsuoka, A. Kumada and K. Hidaka, "Breakdown characteristics measurement of non-uniform field gap in SF6-N2, CF3I-N2 and CF3I-CO2 gas mixtures by using square pulse voltage”, XVI International Conference on Gas Discharge and their Applications, China, 11-15 September 2006.
[2] EP-A-1724802.
1. Применение смеси, включающей фторкетон и газ-носитель в качестве электроизолирующей среды и/или среды для гашения электрических дуг в электрическом устройстве среднего напряжения, отличающееся тем, что фторкетон является декафтор-2-метилбутан-3-оном и присутствует в смеси в количестве, по меньшей мере равном 95% от молярного процента М, определяемого следующей формулой (I):
M = (PC5K/Pmixture) × 100 (I)
где:
- Pmixture представляет собой давление смеси при температуре 20°C в электрическом устройстве, выраженное в килопаскалях; а
- PC5K представляет давление, выраженное в килопаскалях, которое при температуре 20°C эквивалентно давлению насыщенных паров, которое декафтор-2-метилбутан-3-он имеет при минимальной рабочей температуре электрического устройства, где PC5K определяется следующей формулой (II):
PC5K = (PVSC5K × 293)/Tminimum (II),
где:
PVSC5K представляет собой давление насыщенных паров декафтор-2-метилбутан-3-она при минимальной рабочей температуре электрического устройства, выраженное в килопаскалях; и
Tminimum представляет собой минимальную рабочую температуру электрического устройства, выраженную в кельвинах.
2. Применение по п. 1, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 95% до 130% от молярного процента М.
3. Применение по п. 2, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 99% до 110% от молярного процента М.
4. Применение по п. 1, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 95% до 100% от молярного процента М.
5. Применение по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что газ-носитель выбирается из числа воздуха, азота, закиси азота, двуокиси углерода, смеси двуокиси углерода и кислорода в объемном отношении от 90/10 до 97/3, и смесей этих газов.
6. Электрическое устройство среднего напряжения, которое включает герметичное замкнутое пространство, содержащее электрические компоненты и смесь, включающую фторкетон и газ-носитель для электрической изоляции и/или гашения электрических дуг, которые могут создаваться внутри этого устройства, причем это устройство отличается тем, что фторкетон является декафтор-2-метилбутан-3-оном и присутствует в смеси в количестве, по меньшей мере равном 95% от молярного процента М, определяемого следующей формулой (I):
M = (PC5K/Pmixture) × 100 (I)
где:
Pmixture представляет собой давление смеси при температуре 20°C в электрическом устройстве, выраженное в килопаскалях; а
PC5K представляет давление, выраженное в килопаскалях, которое при температуре 20°C эквивалентно давлению насыщенных паров, которое декафтор-2-метилбутан-3-он имеет при минимальной рабочей температуре электрического устройства, где PC5K определяется следующей формулой (II):
PC5K = (PVSC5K х 293)/Tminimum (II)
где:
PVSC5K представляет собой давление насыщенных паров декафтор-2-метилбутан-3-она при минимальной рабочей температуре электрического устройства, выраженное в килопаскалях; и
Tminimum представляет собой минимальную рабочую температуру электрического устройства, выраженную в кельвинах.
7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 95% до 130% от молярного процента М.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 99% до 110% от молярного процента М.
9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что декафтор-2-метилбутан-3-он присутствует в смеси в количестве, которое составляет от 95% до 100% от молярного процента М.
10. Устройство по любому из пп. 6-9, отличающееся тем, что газ-носитель выбирается из числа воздуха, азота, закиси азота, двуокиси углерода, смеси двуокиси углерода и кислорода в объемном отношении от 90/10 до 97/3, и смесей этих газов.
11. Устройство по любому из пп. 6-9, отличающееся тем, что оно представляет собой газоизолированный трансформатор, газоизолированную линию для транспортировки или распределения электричества, или устройство электрического соединения/разъединения.
