ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИОННАЯ СРЕДА Российский патент 2014 года по МПК H01B3/56 

Настоящее изобретение относится к диэлектрической изоляционной среде и применению фторкетона в такой изоляционной среде, к аппарату для генерации, распределения или использования электрической энергии и способу определения размеров по независимым пунктам формулы изобретения.

Диэлектрические изоляционные среды в жидком или газообразном состоянии обычно применяются для изоляции электрической активной части в широком многообразии электрических аппаратов, таких как распределительные устройства (коммутационная аппаратура) и трансформаторы.

В заключенных в металлическую оболочку распределительных устройствах среднего или высокого напряжения, например, электрическая активная часть расположена в газонепроницаемом корпусе, который образует изолирующее пространство, содержащее изоляционный газ обычно под давлением несколько бар и отделяющее корпус от электрической активной части, не позволяя электрическому току проходить сквозь него. Таким образом, заключенные в металлическую оболочку распределительные устройства обеспечивают гораздо более пространственно экономичную конструкцию, чем распределительные устройства, которые крепятся снаружи и изолируются только окружающим воздухом. При прерывании тока в высоковольтном распределительном устройстве изолирующий газ дополнительно функционирует как газ гашения электрической дуги.

Обычно применяемые изоляционные газы с высокими характеристиками изоляции и переключения оказывают некоторое воздействие на окружающую среду при выделении в атмосферу. До сих пор с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) этих изоляционных газов справлялись за счет строгого контроля утечки газов в аппаратуре с газовой изоляцией и очень тщательного обращения с газами. Традиционные благоприятные для окружающей среды изоляционные газы, подобные, например, сухому воздуху или CO₂, имеют довольно низкие характеристики изоляции, так что давление газа и/или изоляционные расстояния необходимо было увеличивать.

По указанным выше причинам в прошлом предпринимались усилия по замене этих традиционных изоляционных газов подходящими заместителями.

Например, WO 2008/073790 раскрывает диэлектрическое газообразное соединение, которое - среди прочих характеристик - имеет точку кипения в интервале от примерно -20°C до примерно -273°C, которое является малоистощающим, предпочтительно не истощающим озон и которое имеет ПГП меньше чем примерно 22200. Более конкретно, WO 2008/073790 раскрывает ряд различных соединений, которые не подпадают под общее химическое определение.

Кроме того, US-A-4175048 относится к газообразному изолятору, содержащему соединение, выбранное из группы перфторциклогексена и гексафторазометана, а EP-A-0670294 раскрывает использование перфторпропана в качестве диэлектрического газа.

EP-A-1933432 относится к трифториодометану (CF₃I) и его применению в качестве изолирующего газа в распределительном устройстве с газовой изоляцией. В этой связи, данный документ указывает, что для изоляционного газа важными требованиями являются и диэлектрическая прочность, и характеристики прерывания. CF₃I имеет, согласно EP-A-1933432, ПГП, равный 5, и, таким образом, считается оказывающим относительно низкую нагрузку на окружающую среду. Однако, из-за относительно высокой точки кипения CF₃I (-22°C) предлагаются газовые смеси с CO₂. Кроме того, чистый СРз1-газ имеет примерно такие же изоляционные характеристики, как и традиционная изоляционная среда с высокими характеристиками изоляции и переключения, так что предложенные газовые смеси обладают примерно 80% от удельных изоляционных характеристик чистой традиционной изоляционной среды, что должно компенсироваться увеличением давления заполнения и/или большим изоляционным расстоянием.

Следовательно, существует сохраняющаяся необходимость в изоляционной среде, которая оказывает еще меньшую нагрузку на окружающую среду, чем СРз1, и не требует увеличения давления газа и/или изоляционных расстояний выше сегодняшних обычных величин.

Ввиду этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить изолирующую среду, имеющую пониженный ПГП, но имеющую в то же время сравнимые или даже улучшенные изоляционные свойства по сравнению с известными изоляционными средами без увеличения давления газа и/или изоляционных расстояний выше применяемых сегодня величин.

Эта задача решается с помощью изоляционной среды по соответствующим независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации данного изобретения даны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Данное изобретение основано на неожиданном открытии того, что путем использования фторкетона, имеющего от 4 до 12 атомов углерода, может быть получена изоляционная среда с высокой изоляционной способностью, в частности, высокой диэлектрической прочностью (или напряженностью поля пробоя), и в то же время очень низким потенциалом глобального потепления (ПГП).

В общем, фторкетон согласно настоящему изобретению имеет общую структуру

R1-CO-R2,

где R1 и R2 представляют собой по меньшей мере частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи являются независимо друг от друга линейными или разветвленными и имеют от 1 до 10 атомов углерода. Данное определение охватывает как перфторированные кетоны, так и гидрофторированные кетоны.

В общем, фторкетон, используемый согласно настоящему изобретению, имеет точку кипения по меньшей мере -5°C при окружающем давлении, что явно противоречит указаниям уровня техники и, в частности, WO 2008/073790, который предусматривает точку кипения -20°C или ниже в качестве существенного признака подходящего диэлектрического соединения.

Предпочтительно, фторкетон имеет от 4 до 10 атомов углерода, более предпочтительно от 4 до 8 атомов углерода, а наиболее предпочтительно 6 атомов углерода (также обозначается как C6-фторкетон). Как указано выше, упомянутый С6-фторкетон может быть перфторированным кетоном (имеющим молекулярную формулу C₆F₁₂O) или гидрофторированным кетоном.

При применении изоляционная среда может находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии. В частности, изоляционная среда может быть двухфазной системой, содержащей фторкетон и в жидком, и в газообразном состоянии. Более конкретно, изоляционная среда может быть аэрозолем, содержащим капли фторкетона, диспергированные в газовой фазе, содержащей фторкетон в газообразном состоянии.

Для многих применений предпочтительно, чтобы изоляционная среда содержала изоляционный газ, содержащий этот фторкетон при рабочих условиях. Это, в частности, имеет место в случае изоляционной среды, применяемой для высоковольтного переключения в соответствующем распределительном устройстве.

Если используется изоляционный газ, то он может также быть газовой смесью, которая кроме фторкетона предпочтительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода (CO₂), кислорода (O₂) и азота (N₃), в качестве буфера или газа-носителя. Альтернативно, изоляционный газ может практически состоять из фторкетона.

Изоляционные свойства изоляционного газа и, в частности, его напряженность поля пробоя, могут регулироваться температурой, давлением и/или составом изоляционной среды. Если используется двухфазная система, содержащая фторкетон и в жидком, и в газообразном состоянии, то увеличение температуры приводит не только к увеличению абсолютного давления, но и к увеличению концентрации фторкетона в изоляционном газе из-за более высокого давления паров.

Было обнаружено, что для многих применений изоляционного газа, таких как применения в диапазоне средних напряжений, достаточная мольная доля, т.е. отношение числа молекул фторкетона к числу молекул остальных компонентов среды (обычно газа-носителя или буферного газа), а значит, и достаточная напряженность поля пробоя могут быть достигнуты даже при очень низких рабочих температурах, например, до примерно -30°C или даже -40°C, без дополнительных мер, таких как внешний нагрев или испарение.

Если желательна более высокая концентрация фторкетона в изоляционном газе, чтобы увеличить напряженность поля пробоя, что может иметь место, в частности, в случае высоковольтных применений, давление, состав и/или температура изоляционной среды могут быть соответственно адаптированы. То, как вывести параметры, требуемые для получения желаемой напряженности поля пробоя, будет далее показано в качестве примера в контексте фигур ниже.

Диэлектрическая изоляционная среда по настоящему изобретению может быть применена в любом аппарате для генерации, распределения или использования электрической энергии, особенно в распределительном устройстве или его части и/или компоненте.

Для высоковольтного переключения, например, особую важность имеет прерывающая способность (или способность гашения электрической дуги) изоляционной среды. Неожиданно было обнаружено, что среда согласно настоящему изобретению не только имеет сравнимую или даже улучшенную изоляционную способность по сравнению с вышеуказанными традиционными изоляционными средами, но и достаточную способность гашения электрической дуги. Без какого-либо намерения быть связанными теорией, считаем, что эта способность гашения электрической дуги может быть по меньшей мере частично приписана рекомбинации продуктов диссоциации фторкетона внутри дугогасительной области, главным образом тетрафторметана (CF₄), который хорошо известен как высокоэффективная среда гашения электрической дуги.

Другим важным аспектом во время прерывания дуги является увеличение температуры переключающего газа во всем сосуде, что может приводить к повреждениям изоляции в заземленном сосуде даже после успешного прерывания дуги внутри коммутационного промежутка, особенно после прерывания тяжелого короткого замыкания в заключенных в металлическую оболочку прерывателях цепи. Из-за разложения фторкетонов при умеренных температурах (например, примерно от 550°C до 570°C для C6-фторкетона) до низших фторуглеродов, подведенная тепловая энергия в разряженных объемах не приводит к температурам выше этих температур диссоциации, пока все фторкетоны не диссоциируют. Если имеется достаточно фторкетона, то температура разреженного газа поэтому не может превышать вышеуказанные температуры, приводя к хорошим характеристикам изоляции также сразу после прерывания тока тяжелого короткого замыкания в заключенном в металлическую оболочку высоковольтном прерывателе цепи.

Среди наиболее предпочтительных фторкетонов, имеющих 6 атомов углерода, додекафтор-2-метилпентан-3-он оказался особенно предпочтительным благодаря своим высоким изоляционным свойствам и своему исключительно низкому ПГП.

Додекафтор-2-метилпентан-3-он (также называемый 1,1,1,2,2,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)-3-пентанон, перфтор-2-метил-3-пентанон или CF₃CF₂C(O)CF(CF₃)₂) ранее считали полезным только для совершенно других применений, а именно обработки расплавленных реакционноспособных металлов (как указано в WO 2004/090177), для очистки парового реактора (как указано в WO 02/086191) и в системах тушения огня, или в жидкой форме для охлаждения электронных систем, или для процесса Ренкина в малых электростанциях (как указано в EP-A-1764487).

Додекафтор-2-метилпентан-3-он является прозрачным, бесцветным и почти не имеет запаха. Его структурная формула описывается следующим образом:

Додекафтор-2-метилпентан-3-он имеет среднее время жизни в атмосфере примерно 5 дней, и его ПГП составляет только примерно 1. Кроме того, его потенциал озонового истощения (ПОИ) является нулевым. Таким образом, нагрузка на окружающую среду гораздо ниже, чем у традиционных изоляционных газов.

Кроме того, додекафтор-2-метилпентан-3-он является нетоксичным и демонстрирует выдающиеся пределы по безопасности для людей. Это контрастирует с фторкетонами, имеющими меньше чем 4 атома углерода, такими как гексафторацетон (или гексафторпропанон), которые обычно токсичны и очень реакционноспособны.

Додекафтор-2-метилпентан-3-он имеет точку кипения 49,2°C при 1 бар. Давление его пара, т.е. давление пара в равновесии с его непаровыми фазами, составляет примерно 40 кПа при 25°C. Учитывая высокое давление пара додекафтор-2-метилпентан-3-она, может в целом быть также получен изоляционный газ с напряженностью поля пробоя, достаточной для многих применений, в частности, в диапазоне средних напряжений, при очень низких температурах вплоть до -30°C.

Если изоляционная среда представляет собой изоляционный газ, как это предпочтительно имеет место, например, в случае прерывателя цепи высоковольтного распределительного устройства, додекафтор-2-метилпентан-3-он может также обеспечиваться в газовой смеси, которая предпочтительно дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, действующий в качестве газа-носителя или буферного газа. Альтернативно, изолирующий газ может практически состоять из додекафтор-2-метилпентан-3-она.

На основании того обнаруженного факта, что при температуре 550°C или выше додекафтор-2-метилпентан-3-он разлагается на очень реакционноспособные фторуглеродные соединения, имеющие меньшее число атомов углерода, предпочтительно, чтобы изолирующий газ содержал достаточно кислорода (O₂), с которым образовавшиеся фторуглеродные соединения могут реагировать, образуя инертные соединения, такие как, например, CO₂.

Согласно особенно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, мольная доля фторкетона, в частности додекафтор-2-метилпентан-3-она, в изоляционном газе составляет по меньшей мере 1%, предпочтительно, по меньшей мере 2%, более предпочтительно, по меньшей мере 5%, более предпочтительно, по меньшей мере 10%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере 15%. Эти предпочтительные мольные доли относятся к некому данному стандартному или установленному рабочему условию. При отклоняющихся условиях мольная доля может также изменяться от этих предпочтительных значений.

Важность изолирующей среды, содержащей додекафтор-2-метилпентан-3-он с мольной долей по меньшей мере 1% или 2% соответственно, основана на том обнаруженном факте, что изоляционный газ с этой мольной долей может также быть получен при очень низкотемпературных условиях вплоть до -30°C для 2% и вплоть до -40°C для 1% и что этот изоляционный газ имеет достаточную диэлектрическую прочность для, например, аппаратов среднего напряжения, таких как распределительные устройства среднего напряжения с газовой изоляцией, которые работают при давлении изоляционного газа примерно 1 бар и, в особенности, ниже 1,5 бар.

Как будет дополнительно проиллюстрировано с помощью примеров, изолирующая способность изоляционного газа, имеющего мольную долю додекафтор-2-метилпентан-3-она по меньшей мере 15%, даже выше (при 1 бар), чем у традиционных изолирующих газов. Этот вариант реализации, таким образом, является особенно предпочтительным.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить улучшенную диэлектрическую изоляцию и улучшенные электрические аппараты, содержащие описанную выше изоляционную среду. Эта задача решается согласно независимому пункту формулы изобретения на применение вышеописанного фторкетона для диэлектрической изоляции и, в частности, для гашения электрической дуги, и согласно независимому пункту формулы изобретения на аппарат, содержащий вышеописанный фторкетон. Предпочтительные варианты реализации раскрыты и заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следовательно, в дополнение к описанной выше изоляционной среде, настоящее изобретение дополнительно относится к аппарату для генерации, распределения и использования электрической энергии, содержащему корпус, образующий изолирующее пространство, и электрическую активную часть, расположенную в изолирующем пространстве. Это изолирующее пространство содержит изоляционную среду, описанную выше.

Термин "или" в выражении "аппарат для генерации, распределения или использования электрической энергии" в данном контексте не следует понимать как исключающий комбинации, а следует читать как "и/или".

Также термин "электрическая активная часть" в данном контексте следует истолковывать широко, включая проводник, конструкцию проводов, выключатель (переключатель), проводящий компонент, импульсный разрядник (разрядник для защиты от атмосферных перенапряжений) и тому подобное.

В частности, аппарат по настоящему изобретению включает в себя распределительное устройство, в частности, заключенное в металлическую (или иную) оболочку распределительное устройство с воздушной или газовой изоляцией, или его часть и/или компонент, в частности, шину, ввод, кабель, кабель с газовой изоляцией, кабельную муфту, трансформатор тока, трансформатор напряжения, импульсный разрядник, заземляющий выключатель, разъединитель, выключатель нагрузки и/или прерыватель цепи.

Распределительные устройства, в частности, распределительные устройства с газовой изоляцией (ГИР) или, иначе говоря, коммутационная аппаратура с газовой изоляцией, хорошо известны специалистам в данной области техники. Пример распределительного устройства, для которого настоящее изобретение особенно хорошо подходит, показан, например, в EP-A-1933432, абзацы [0011]-[0015], содержание которых включено сюда посредством ссылки.

Более предпочтительно, когда данный аппарат представляет собой выключатель, в частности, заземляющий выключатель (например, быстродействующий заземляющий выключатель), разъединитель, выключатель нагрузки или прерыватель цепи, в частности, прерыватель цепи среднего напряжения, прерыватель цепи генератора и/или высоковольтный прерыватель цепи.

Согласно другому предпочтительному варианту реализации данный аппарат может представлять собой трансформатор, в частности, распределительный трансформатор или силовой трансформатор.

Согласно другим вариантам реализации данный аппарат также может представлять собой, например, электрическую вращающуюся машину, генератор, двигатель, привод, полупроводниковое устройство, вычислительную машину, устройство силовой электроники и/или их компонент.

Данное изобретение, в особенности, относится к аппарату среднего или высокого напряжения (средне- или высоковольтному). Используемый здесь термин "среднее напряжение" относится к напряжению в диапазоне от 1 кВ до 72 кВ, тогда как термин "высокое напряжение" относится к напряжению более чем 72 кВ. Применения в диапазоне низкого напряжения ниже 1 кВ также возможны.

Чтобы установить соответствующие параметры на требуемое значение для достижения желаемой напряженности поля пробоя, аппарат может содержать блок управления (также называемый "системой управления текучей средой") для регулирования индивидуально или в комбинации состава - в частности, химического состава или физического фазового состава, такого как двухфазная система газ/жидкость -и/или температуры изоляционной среды, а также абсолютного давления, плотности газа, парциального давления и/или парциальной плотности газа изоляционной среды или по меньшей мере одного из ее компонентов соответственно. В частности, блок управления может содержать нагреватель и/или испаритель для того, чтобы регулировать давление пара фторкетона согласно изобретению. Испаритель может быть, например, ультразвуковым испарителем или может содержать распыляющие сопла для распыления изоляционной среды в аппарат.

В примерном варианте реализации для высоковольтных применений парциальное давление фторкетона может быть обеспечено в изолирующей среде путем нагрева и/или испарения, так что парциальное давление фторкетона поддерживается на уровне давления по меньшей мере 0,6 бар в шинах распределительных средств с газовой изоляцией (ГИР) или линиях передачи с газовой изоляцией (ГИЛП), соответствующем традиционным изоляционным расстояниям (с приблизительными требуемыми напряженностями поля примерно 300 кВ/см) и традиционным уровням давления, например, примерно 4 бар. Соответственно, в высоковольтном прерывателе цепи нагрев и/или испарение необходимо адаптировать так, что парциальное давление фторкетона поддерживается на уровне давления по меньшей мере 0,9 бар, соответствующем традиционным изоляционным расстояниям (с приблизительными требуемыми напряженностями поля примерно 440 кВ/см) и традиционным уровням давления, например, примерно 6 бар.

Если используется испаритель, он обычно также содержит блок дозирования для установления концентрации фторкетона в изоляционной среде согласно потребностям напряженности поля пробоя. Это будет иллюстративно показано более подробно ниже для высоковольтного распределительного устройства с газовой изоляцией. Кроме того, блок управления может содержать измерительный блок для измерения регулируемых параметров, таких как температура, давления и/или состав - в частности, уровень жидкой фазы - и/или блок контроля для отслеживания этих параметров.

Изобретение дополнительно иллюстрируется с помощью следующего примера в сочетании с фигурами, на которых:

Фигура 1a показывает графическое представление поля пробоя при пониженном давлении изолирующей среды согласно настоящему изобретению как функцию мольной доли в ней додекафтор-2-метилпентан-3-она в сравнении с полем пробоя традиционных изоляционных газов;

Фигуры 1b, 1c показывают абсолютное давление изоляционной среды как функцию парциального давления додекафтор-2-метилпентан-3-она;

Фигура 2 показывает графическое представление давления пара додекафтор-2-метилпентан-3-она как функцию температуры;

Фигуры 3a, 3b, 3c показывают, для различных уровней концентрации, т.е. мольных долей, додекафтор-2-метилпентан-3-она в воздухе в качестве газа-носителя, соответствующие величины давления и температуры, при которых достигается примерная напряженность поля пробоя 440 кВ/см или 50 кВ/см;

Фигура 4 показывает чисто схематичное представление высоковольтного распределительного устройства с газовой изоляцией согласно настоящему изобретению, содержащего блок управления температурой; и

Фигура 5 показывает чисто схематичное представление высоковольтного распределительного устройства с газовой изоляцией согласно настоящему изобретению, содержащего блок управления текучей средой.

Примеры

Для измерения напряженности поля пробоя изоляционной среды согласно настоящему изобретению тестовый сосуд, содержащий додекафтор-2-метилпентан-3-он (Novec 649, доступный от ЗМ), вакуумировали до примерно 140 мбар, и данное давление затем увеличивали путем добавления окружающего воздуха в качестве буферного газа вплоть до примерно 5 бар. Для выбранных мольных долей додекафтор-2-метилпентан-3-она в получившемся изоляционном газе, напряженность поля пробоя определяли в приспособлении с электродами игла-пластина при подаче постоянного напряжения.

Как показано на фиг.1a, напряженность поля пробоя при пониженном давлении для изоляционной среды согласно настоящему изобретению линейно увеличивается как функция увеличивающейся мольной доли фторкетона по настоящему изобретению, здесь выбранного представляющим собой додекафтор-2-метилпентан-3-он. При мольной доле выше 15% изоляционная среда согласно настоящему изобретению имеет напряжение пробоя выше, чем самый традиционный изоляционный газ согласно уровню техники.

Фиг.1b и 1c показывают абсолютное давление заполнения изоляционной среды согласно настоящему изобретению как функцию мольной доли фторкетона по настоящему изобретению, здесь выбранного представляющим собой додекафтор-2-метилпентан-3-он. Фиг.1b и 1c получали из фиг.1а выбором допустимой напряженности поля электрического аппарата, преобразованием абсциссы (оси y) фиг.1а делением величин допустимой напряженности поля и обращением полученных величин, чтобы прийти к шкале абсолютного давления и, следовательно, кривой абсолютного давления, и умножением ординаты (оси x) на кривую абсолютного давления, чтобы прийти к парциальному давлению фторкетона по изобретению, здесь предпочтительно додекафтор-2-метилпентан-3-она. Допустимую напряженность поля выбирали составляющей в качестве примера 440 кВ/см на фиг.1b и 50 кВ/см на фиг.1c.

На фиг.2 показано давление пара додекафтор-2-метилпентан-3-она как функция температуры. Это (абсолютное) давление изолирующего газа следует выбирать так, чтобы, учитывая парциальное давление газа фторкетона (заданное минимальной рабочей температурой согласно фигуре 2), получалась желаемая напряженность поля пробоя.

Также, рабочая температура может быть определена для данной напряженности поля пробоя и абсолютного давления в системе. Например, напряженность поля пробоя в 440 кВ/см при абсолютном давлении 2,5 бар достигается согласно фиг.1 при мольной доле додекафтор-2-метилпентан-3-она 0,5. Парциальное давление додекафтор-2-метилпентан-3-она в изоляционном газе составляет при этом 1,25 бар. Согласно фиг.2 это парциальное давление получается при температуре 56°C.

Из фигур 1b или 1c в сочетании с фигурой 2 может быть выведен способ выбора параметров изоляционной среды, таких как абсолютное давление заполнения, мольная доля или парциальное давление фторкетона, и управления текучей средой, в частности, нагреванием и/или испарением жидкофазного фторкетона, и/или управления резервом текучей среды жидкофазного фторкетона.

Данный способ содержит этапы:

- определения для данного электрического аппарата допустимой напряженности электрического поля желаемой изоляционной среды и минимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды,

- определения по напряженности поля пробоя при пониженном давлении желаемой изоляционной среды как функции мольной доли фторкетона по изобретению (смотри, например, фиг.1а), далее предпочтительно с 6-9 С-атомами и более предпочтительно додекафтор-2-метилпентан-3-она, а по допустимой напряженности поля - кривой абсолютного давления изоляционной среды как функции парциального давления фторкетона (смотри, например, фиг.1b или фиг.1с),

- выбора желаемого абсолютного давления заполнения изоляционной среды (которое обычно задается для некоторых стандартных условий и может быть основано, например, на конструктивных и/или эксплуатационных ограничениях электрического аппарата),

- определения по кривой абсолютного давления минимального требуемого парциального давления фторкетона, а по кривой давления пара - соответствующей температуры испарения фторкетона, и

- определения, выше ли эта температура испарения минимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, и

- только если эта температура испарения ниже минимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, обеспечение системы управления текучей средой, в частности, средства для нагревания и/или испарения и/или управления запасом текучей среды жидкофазного фторкетона, для поддержания парциального давления выше минимального требуемого парциального давления.

Дополнительный подробный пример показан на фиг.1 с в связи с фиг.2 для аппарата среднего напряжения, относящегося к данному уровню напряжения, исходя из которого может быть выведена допустимая напряженность электрического поля желаемой изоляционной среды (например, 50 кВ/см), и относящегося к окружающей температуре, исходя из которого может быть выведена минимальная допустимая рабочая температура желаемой изоляционной среды (например, -25°C). Согласно фиг.2, экстраполированной до -25°C, парциальное давление фторкетона по изобретению, здесь в качестве примера додекафтор-2-метилпентан-3-она, при -25°C составляет приблизительно 0,025 бар, что согласно фиг.1 с требует приблизительно 0,95 бар абсолютного давления заполнения. Это ниже допустимого (например, зависящего от аппарата) давления заполнения, например, 1,2 бар, так что никакого активного испарения жидкого фторкетона не требуется.

Еще одно правило определения размеров относится к максимальной допустимой рабочей температуре желаемой изоляционной среды, например, 105°C в высоковольтных или средневольтных аппаратах. Согласно фиг.2 точка 105°C соответствует парциальному давлению фторкетона 5 бар, что может приводить к абсолютному давлению, превышающему все допустимые (например, зависящие от аппарата) пределы давления. Этого следует избегать путем ограничения количества имеющегося жидкого фторкетона и/или ограничения температуры, например, путем активного охлаждения. Следовательно, в аппарате резервный объем жидкого фторкетона и/или максимальная допустимая рабочая температура желаемой изоляционной среды должны быть ограничены так, что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже некого данного предела давления в аппарате (максимальное допустимое рабочее давление). Аппарат должен, таким образом, иметь резервный объем жидкого фторкетона и/или средство ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так чтобы абсолютное давление заполнения поддерживалось ниже данного предела давления в аппарате.

Фиг.3a, 3b и 3c дополнительно показывают соотношение между абсолютным давлением заполнения и температурой изоляционного газа, требуемыми, чтобы получить некую данную напряженность поля пробоя (=допустимой напряженности электрического поля, здесь в качестве примера 440 кВ/см и 50 кВ/см соответственно), для разных мольных долей М фторкетона по изобретению. Очевидно, что напряженность поля в диэлектрике изоляционного газа может быть увеличена путем увеличения мольной доли М фторкетона, в данном конкретном случае - додекафтор-2-метилпентан-3-она, и/или путем увеличения общего или абсолютного давления заполнения. На фиг.3a, например, напряженность поля пробоя высокого напряжения 440 кВ/см достигается при давлении примерно 7 бар и температуре примерно 22°C, причем мольная доля фторкетона составляет 5%. Такая же напряженность поля пробоя достигается при давлении меньше чем 2 бар, но при температуре 60°C, причем мольная доля фторкетона составляет 100%.

На фиг.3b, например, напряженность поля пробоя среднего напряжения 50 кВ/см достигается при абсолютном давлении заполнения примерно 0,8 бар и температуре примерно -20°C, причем мольная доля фторкетона составляет 5%. Такая же напряженность поля пробоя достигается при давлении примерно 0,1 бар и температуре примерно 5°C, причем мольная доля М фторкетона составляет 100%.

Фиг.3c еще раз показывает допустимый диапазон параметров для случая напряженности поля пробоя высокого напряжения 440 кВ/см. Горизонтальная пунктирная линия между точками 1 и 2 представляет зависящее от аппарата максимальное допустимое абсолютное давление, здесь, например, 6 бар. Вертикальная пунктирная линия между точками 2 и 3 представляет максимальную допустимую рабочую температуру, здесь, например, 105°C. Ограничивающая кривая абсолютного давления для мольной доли М=100% простирается между точками 4 и 3. Проведенная кривая между точками 1 и 4 представляет собой кривую абсолютного давления как функции температуры и мольной доли фторкетона по изобретению, здесь, например, додекафтор-2-метилпентан-3-она, взятую из фиг.3a. Очерченная область, т.е. область, ограниченная линиями, соединяющими последовательно точки 1-2-3-4-1, задает диапазон допустимых параметров, а именно абсолютные давления заполнения, рабочие температуры желаемой изоляционной среды и мольные доли (или соответственно парциальные давления) фторкетона по изобретению для выбранной напряженности поля пробоя или допустимой напряженности электрического поля.

Как указано выше, электрический аппарат по настоящему изобретению может содержать блок управления (или "систему управления текучей средой") для того, чтобы адаптировать давление, состав и/или температуру изолирующей среды.

В качестве примера, высоковольтное распределительное устройство, содержащее блок управления температурой, показано на фиг.4. Распределительное устройство 2 содержит корпус 4, образующий изолирующее пространство 6, и электрическую активную часть 8, расположенную в изолирующем пространстве 6. Распределительное устройство 2 дополнительно содержит блок 10а управления температурой для установления корпуса 4, или по меньшей мере части корпуса 4, распределительного устройства и, таким образом, изоляционной среды, содержащейся в изолирующем пространстве 6, на желаемую температуру. Конечно, может нагреваться любая другая часть в контакте с изоляционной средой для того, чтобы доводить изоляционную среду до желаемой температуры. Таким образом, давление пара фторкетона - и следовательно его мольная доля в изоляционном газе - а также абсолютное давление изоляционного газа могут быть соответственно адаптированы. Как показано на фиг.4, фторкетон в этом варианте реализации не распределен равномерно по изолирующему пространству из-за температурного градиента, заданного в изоляционном пространстве. Концентрация фторкетона, таким образом, выше вблизи стенок 4' корпуса 4.

Альтернативный блок управления или система управления текучей средой схематично показан(а) на фиг.5, где блок 10b управления текучей средой придан распределительному устройству с газовой изоляцией в качестве блока управления. Согласно этому блоку управления, состав изолирующей среды и, в частности, концентрация фторкетона в ней регулируются в соответствующем блоке дозирования, содержащемся в блоке 10b управления текучей средой, и получившаяся изоляционная среда впрыскивается или вводится, в частности распыляется, в изолирующее пространство 6. В показанном на фиг.5 варианте реализации изоляционная среда распыляется в изолирующее пространство в форме аэрозоля 14, в котором мелкие капельки жидкого фторкетона диспергированы в соответствующем газе-носителе. Аэрозоль 14 распыляется в изолирующее пространство 6 посредством сопел 16, и фторкетон легко испаряется, таким образом, приводя в изолирующем пространстве 6 к неравномерной концентрации фторкетона, более конкретно, относительно высокой концентрации вблизи содержащей сопла 16 стенки 4' корпуса. Альтернативно, изоляционная среда, в частности ее концентрация, давление и температура, могут регулироваться в блоке 10b управления текучей средой до впрыскивания в изоляционное пространство. Чтобы обеспечить циркуляцию газа, в верхней стенке 4'' корпуса 4 предусмотрены дополнительные отверстия 18, ведущие к каналу 20 в корпусе 4 и позволяющие удалять изолирующую среду из изолирующего пространства 6. Распределительное устройство с блоком 10b управления текучей средой, показанное на фиг.5, может быть скомбинировано с блоком 10a управления температурой, описанным в связи с фиг.4. Если блок управления температурой не предусмотрен, может происходить конденсация фторкетона. Конденсированный фторкетон может быть собран и повторно введен в циркуляцию изоляционной среды.

В контексте распределительных устройств, показанных на фиг.4 и 5, заметим, что номинальная нагрузка по току обычно способствует испарению фторкетона за счет омического нагрева токонесущих проводников.

Список ссылочных обозначений

2 - распределительное устройство

4 - корпус

4' - стенка корпуса

4'' - верхняя стенка корпуса

6 - изолирующее пространство

8 - электрическая активная часть

10a - блок управления температурой

10b - блок управления текучей средой

14 - аэрозоль

16 - сопло

18 - отверстие

М - мольная доля фторкетона.

Предложенное изобретение относится к диэлектрической изоляционной среде, которая содержит фторкетон в газовом состоянии, необязательно с воздухом или по меньшей мере компонентом воздуха в качестве газа-носителя, которая может быть использована для изоляции высоковольтного оборудования, в частности распределительных устройств и трансформаторов. Предложенная изоляционная среда характеризуется тем, что содержит фторкетон, имеющий от 4 до 12 атомов углерода, с точкой кипения по меньшей мере -5°C. Использование предложенной диэлектрической нетоксичной среды позволяет повысить степень изоляционной защиты электрооборудования без увеличения давления газа и без негативного воздействия газа на окружающую среду. Предложено также средне- или высоковольтное распределительное устройство, в котором предложенная изоляционная среда, содержащаяся в изолирующем пространстве, распределена в нем в соответствии с температурным градиентом. 6 н. и 46 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Диэлектрическая изоляционная среда, содержащая изоляционный газ, причем упомянутый изоляционный газ содержит при рабочих условиях фторкетон, имеющий от 4 до 12 атомов углерода, отличающаяся тем, что фторкетон имеет точку кипения по меньшей мере -5°C при окружающем давлении.

2. Изоляционная среда по п.1, отличающаяся тем, что фторкетон имеет общую структуру
R1-CO-R2,
где R1 и R2 представляют собой по меньшей мере частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи являются независимо друг от друга линейными или разветвленными и имеют от 1 до 10 атомов углерода.

3. Изоляционная среда по п.1, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 10 атомов углерода.

4. Изоляционная среда по п.2, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 10 атомов углерода.

5. Изоляционная среда по п.1, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 8 атомов углерода.

6. Изоляционная среда по п.2, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 8 атомов углерода.

7. Изоляционная среда по п.1, отличающаяся тем, что фторкетон имеет 6 атомов углерода.

8. Изоляционная среда по п.2, отличающаяся тем, что фторкетон имеет 6 атомов углерода.

9. Изоляционная среда по п.7, отличающаяся тем, что фторкетон представляет собой додекафтор-2-метилпентан-3-он.

10. Изоляционная среда по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что мольная доля фторкетона в изоляционном газе составляет по меньшей мере 1%, предпочтительно, по меньшей мере 2%, более предпочтительно, по меньшей мере 5%, более предпочтительно, по меньшей мере 10%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере 15%.

11. Изоляционная среда по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

12. Изоляционная среда по п.10, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

13. Диэлектрическая изоляционная среда, содержащая изоляционный газ, причем упомянутый изоляционный газ содержит при рабочих условиях фторкетон, имеющий от 4 до 12 атомов углерода и имеющий общую структуру
R1-CO-R2,
где R1 и R2 представляют собой по меньшей мере частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи являются независимо друг от друга линейными или разветвленными и имеют от 1 до 10 атомов углерода.

14. Изоляционная среда по п.13, отличающаяся тем, что фторкетон имеет точку кипения по меньшей мере -5°C при окружающем давлении.

15. Изоляционная среда по п.13, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 10 атомов углерода.

16. Изоляционная среда по п.13, отличающаяся тем, что фторкетон имеет от 4 до 8 атомов углерода.

17. Изоляционная среда по п.13, отличающаяся тем, что фторкетон имеет 6 атомов углерода.

18. Изоляционная среда по п.17, отличающаяся тем, что фторкетон представляет собой додекафтор-2-метилпентан-3-он.

19. Изоляционная среда по любому из пп.13-18, отличающаяся тем, что мольная доля фторкетона в изоляционном газе составляет по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 2%, более предпочтительно по меньшей мере 5%, более предпочтительно по меньшей мере 10%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 15%.

20. Изоляционная среда по любому из пп.13-18, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

21. Изоляционная среда по п.19, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

22. Диэлектрическая изоляционная среда, содержащая изоляционный газ, причем упомянутый изоляционный газ содержит при рабочих условиях фторкетон, отличающаяся тем, что фторкетон имеет 6 атомов углерода.

23. Изоляционная среда по п.22, отличающаяся тем, что фторкетон имеет общую структуру
R1-CO-R2,
где R1 и R2 представляют собой по меньшей мере частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи являются независимо друг от друга линейными или разветвленными и имеют от 1 до 10 атомов углерода.

24. Изоляционная среда по п.22, отличающаяся тем, что фторкетон представляет собой перфторированный кетон C₆F₁₂O, в частности, додекафтор-2-метилпентан-3-он.

25. Изоляционная среда по п.23, отличающаяся тем, что фторкетон представляет собой перфторированный кетон C₆F₁₂O, в частности додекафтор-2-метилпентан-3-он.

26. Изоляционная среда по любому из пп.22-25, отличающаяся тем, что мольная доля фторкетона в изоляционном газе составляет по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 2%, более предпочтительно по меньшей мере 5%, более предпочтительно по меньшей мере 10%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 15%.

27. Изоляционная среда по любому из пп.22-25, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

28. Изоляционная среда по п.26, отличающаяся тем, что изоляционный газ представляет собой газовую смесь, которая дополнительно содержит воздух или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода, кислорода и азота.

29. Применение фторкетона по любому из пп.1-28 в диэлектрической изоляционной среде.

30. Применение фторкетона по п.29, отличающееся тем, что изоляционная среда применяется для гашения электрической дуги в электрическом выключателе, в частности в выключателе низкого напряжения, выключателе среднего напряжения или выключателе высокого напряжения, в частности прерывателе цепи.

31. Аппарат для генерации, распределения или использования электрической энергии, в частности аппарат среднего или высокого напряжения, причем упомянутый аппарат содержит корпус, образующий изолирующее пространство, и электрическую активную часть, расположенную в изолирующем пространстве, причем это изолирующее пространство содержит изоляционную среду, характеризующуюся как диэлектрическая изоляционная среда по любому из пп.1-28.

32. Аппарат по п.31, отличающийся тем, что аппарат представляет собой распределительное устройство, или его часть, или компонент.

33. Аппарат по п.32, отличающийся тем, что аппарат представляет собой заключенное в металлическую оболочку распределительное устройство с воздушной или газовой изоляцией, или шину, ввод, кабель, кабель с газовой изоляцией, кабельную муфту, трансформатор тока, трансформатор напряжения и/или импульсный разрядник.

34. Аппарат по п.31, отличающийся тем, что аппарат представляет собой выключатель, в частности, заземляющий выключатель, разъединитель, выключатель нагрузки и/или прерыватель цепи.

35. Аппарат по п.34, отличающийся тем, что аппарат представляет собой прерыватель цепи высокого напряжения, имеющий нагревательную камеру для обеспечения эффекта самоподдува, и что при операции переключения фторкетон разлагается до фторуглеродных соединений с меньшим числом атомов углерода в нагревательной камере во время фазы саморазогрева.

36. Аппарат по п.35, отличающийся тем, что фторкетон имеет 6 атомов углерода, а в частности, представляет собой додекафтор-2-метилпентан-3-он.

37. Аппарат по п.31, отличающийся тем, что аппарат представляет собой трансформатор.

38. Аппарат по п.32, отличающийся тем, что аппарат представляет собой трансформатор.

39. Аппарат по п.31, отличающийся тем, что аппарат представляет собой распределительный трансформатор или силовой трансформатор.

40. Аппарат по п.31, отличающийся тем, что аппарат представляет собой электрическую вращающуюся машину, генератор, двигатель, привод, полупроводниковое устройство, вычислительную машину, устройство силовой электроники и/или их компонент.

41. Аппарат по любому из пп.31-40, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок управления для регулирования индивидуально или в комбинации состава, температуры, абсолютного давления, парциального давления, плотности газа и/или парциальной плотности газа изоляционной среды или по меньшей мере одного из ее компонентов соответственно.

42. Аппарат по п.41, отличающийся тем, что блок управления содержит нагреватель и/или испаритель для регулирования парциального давления фторкетона и, в частности, для поддержания его выше требуемого уровня парциального давления.

43. Аппарат по п.41, отличающийся тем, что блок (10a, 10b) управления содержит блок (10a) управления температурой, содержащий систему нагрева для установления корпуса (4) или по меньшей мере части корпуса (4), аппарата на желаемую температуру, и/или блок (10a, 10b) управления содержит блок (10b)управления текучей средой для дозирования концентрации фторкетона или для впрыскивания получившейся изоляционной среды в аппарат.

44. Аппарат по п.42, отличающийся тем, что блок (10а, 10b) управления содержит блок (10а) управления температурой, содержащий систему нагрева для установления корпуса (4) или по меньшей мере части корпуса (4) аппарата на желаемую температуру, и/или блок (10а, 10b) управления содержит блок (10b) управления текучей средой для дозирования концентрации фторкетона или для впрыскивания получившейся изоляционной среды в аппарат.

45. Аппарат по любому из пп.31-40, отличающийся тем, что аппарат имеет резервный объем жидкого фторкетона и/или средство для ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже заданного предела давления аппарата.

46. Аппарат по п.41, отличающийся тем, что аппарат имеет резервный объем жидкого фторкетона и/или средство для ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже заданного предела давления аппарата.

47. Аппарат по п.42, отличающийся тем, что аппарат имеет резервный объем жидкого фторкетона и/или средство для ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже заданного предела давления аппарата.

48. Аппарат по п.43, отличающийся тем, что аппарат имеет резервный объем жидкого фторкетона и/или средство для ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже заданного предела давления аппарата.

49. Аппарат по п.44, отличающийся тем, что аппарат имеет резервный объем жидкого фторкетона и/или средство для ограничения максимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, так что абсолютное давление заполнения поддерживается ниже заданного предела давления аппарата.

50. Способ определения размеров электрического аппарата по любому из пп.31-49, характеризующийся этапами, на которых
- определяют для этого аппарата допустимую напряженность электрического поля желаемой изоляционной среды и минимальную допустимую рабочую температуру желаемой изоляционной среды,
- определяют по напряженности поля пробоя при пониженном давлении желаемой изоляционной среды как функции мольной доли фторкетона и по допустимой напряженности поля кривую абсолютного давления изоляционной среды как функцию парциального давления фторкетона,
- выбирают желаемое абсолютное давление заполнения изоляционной среды,
- определяют по кривой абсолютного давления минимальное требуемое парциальное давление фторкетона, а по кривой давления пара - соответствующую температуру испарения фторкетона и
- определяют, выше ли эта температура испарения минимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды.

51. Способ определения размеров электрического аппарата по п.50, характеризующийся дополнительным этапом, на котором, если температура испарения ниже минимальной допустимой рабочей температуры желаемой изоляционной среды, обеспечивают систему управления текучей средой, предпочтительно содержащую средство для нагревания, и/или испарения, и/или управления запасом текучей среды жидкофазного фторкетона, для поддержания парциального давления выше минимального требуемого парциального давления.

52. Способ определения размеров электрического аппарата по п.51, характеризующийся тем, что система управления текучей средой выполнена по любому из пп.41-49.