СМЕСЬ ГИДРОФТОРОЛЕФИНА И ФТОРКЕТОНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ СРЕДЫ ИЗОЛЯЦИИ И/ИЛИ ГАШЕНИЯ ДУГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ С ГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, СОДЕРЖАЩЕЕ ЕЕ Российский патент 2017 года по МПК H01H33/22 H02B13/55 H01B3/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области электрической изоляции и гашения электрических дуг в устройствах среднего напряжения.

В частности, оно относится к использованию смеси, содержащей конкретный алкен, а именно, гидрофторолефин с тремя атомами углерода, и газ-носитель на основе фторкетона, а именно, декафторо-2-метилбутан-3-он, в качестве среды изоляции и/или гашения дуги в электрических устройствах подстанции и, в частности, в устройствах среднего напряжения. Смесь может содержать другие газы с более низким потенциалом глобального потепления, в частности, меньшим или равным единице.

Оно также относится к электрическим устройствам подстанции среднего напряжения, в которых электрическая изоляция и/или гашение электрической дуги обеспечены газообразной смесью, содержащей, по меньшей мере, один фторкетон и один гидрофторолефин, причем последнее соединение имеет наивысший потенциал глобального потепления из газов, присутствующих в газообразной среде.

Таким электрическим устройством, в частности, может быть электрический трансформатор, например, силовой или измерительный трансформатор, линия с газовой изоляцией для передачи или распределения электроэнергии, система шин или устройство электрического соединения/разъединения (также именуемое переключателем), например, прерывателем, переключателем, устройством, объединяющим переключатель с предохранителями, размыкателем, заземляющим переключателем или замыкателем.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В нижеследующем описании изобретения, термины "среднее напряжение" (MV) и "высокое напряжение" (HV) используются в их привычном смысле, а именно, термин "среднее напряжение" означает напряжение свыше 1000 вольт для переменного тока и 1500 вольт для постоянного тока, но не более 52000 вольт для переменного тока и 75000 вольт для постоянного тока, тогда как термин “высокое напряжение” означает напряжение, которое строго больше 52000 вольт для переменного тока и 75000 вольт для постоянного тока.

Электрическая изоляция и, возможно, гашение электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения обычно осуществляются за счет газа, заключенного внутри оболочки в устройствах. В настоящее время наиболее часто используемым газом является гексафторид серы (SF₆): этот газ обладает сравнительно высокой диэлектрической прочностью, хорошей теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями. Он химически инертен и не токсичен для человека и животных и, будучи диссоциирован электрической дугой, быстро и почти полностью рекомбинирует. Он также не горюч и не слишком дорог.

Однако главный недостаток SF₆ состоит в том, что его потенциал глобального потепления (GWP) составляет 22800 (относительно CO₂ за 100 лет), и его время пребывания в атмосфере составляет 3200 лет, из-за чего он относится к газам, имеющим сильный глобальный парниковый эффект. Поэтому SF₆ был включен при подписании Киотского протокола (1997) в перечень газов, выбросы которых подлежат ограничению.

Наилучший способ ограничения выбросов SF₆ состоит в ограничении использования этого газа, что заставляет производителей искать альтернативы SF₆. Фактически, другие решения, например, гибридные системы, объединяющие газовую изоляцию с твердой изоляцией (EP 1724802 - ссылка [1]), увеличивают объем электрических устройств относительно объема, который возможен при изоляции SF₆; отсечка в масле или в вакууме требует изменения конструкции устройств.

Диэлектрические газы известны: см., например WO 2008/073790 (ссылка [2]). Однако так называемые “простые” газы наподобие воздуха или азота, которые не оказывают негативного воздействия на окружающую среду, имеют значительно более низкую диэлектрическую прочность, чем SF₆; их применение для электрической изоляции и/или гашения электрических дуг в устройствах HV/MV потребует значительного увеличения объема и/или давления наполнения этих устройств, что сведет на нет усилия, предпринятые за последние несколько десятилетий, по разработке компактных и менее громоздких электрических устройств.

Перфторуглероды (C_nF_2n+2, c-C₄F₈), в общем случае, имеют привлекательные свойства диэлектрической прочности, но их GWP обычно составляет от 5000 до 10000. Другие альтернативы, например, трифториодометан (CF₃I), обладающий перспективными электрическими характеристиками и GWP, классифицируются среди канцерогенных, мутагенных и репротоксичных веществ как относящиеся к категории 3, что делает их непригодными для использования в промышленном масштабе.

Смеси SF₆ и других газов, например, азота или диоксида азота используются для ограничения воздействия SF₆ на окружающую среду; см., например WO-A-2009/049144 (ссылка [3]). Тем не менее, вследствие высокого GWP SF₆, GWP этих смесей остается очень высоким. Так, например, диэлектрическая прочность для переменного тока (50 Гц) смеси SF₆ и азота с отношением по объему 10:90 составляет 59% диэлектрической прочности SF₆, но ее GWP равна примерно от 8000 до 8650. Поэтому такие смеси нельзя применять в качестве газа с низким воздействием на окружающую среду.

Таким образом, только смеси с высоким GWP обладают примерно такой же диэлектрической прочностью, как SF₆, при низкой температуре; все смеси с низким GWP, известные в уровне техники, можно использовать для достижения не более 80% характеристик устройств с SF₆ для самых низких рабочих температур; чтобы приблизиться к характеристикам SF₆, эти газообразные смеси требуют новой конструкции устройств MV или HV с учетом увеличенных расстояний изоляции и, возможно, добавления особых устройств, например, экранов, дефлекторов или покрытий.

Авторы изобретения, таким образом, поставили перед собой задачу найти газ, который, обладая хорошими свойствами электрической изоляции и гашения электрической дуги, имеет низкое или нулевое воздействие на окружающую среду. Исследования привели к открытию новой смеси газов, которую можно использовать в продаваемых в настоящее время электрических устройствах среднего или высокого напряжения вместо SF₆, которым обычно наполняются такие устройства, на протяжении всего их диапазона рабочих температур и, в частности, при низких температурах.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эти и другие цели достигаются благодаря изобретению, которое предусматривает, прежде всего, применение газообразной среды, содержащей, по меньшей мере, один гидрофторолефин и один фторкетон в качестве среды электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в устройстве среднего напряжения.

В качестве фторкетонов используются кетоны, углеродная цепь которых имеет пять атомов углерода, предпочтительно, с атомами водорода, полностью замененными атомами фтора и, еще более предпочтительно, типа декафторо-2-метилбутан-3-она, которые не токсичны, не вызывают коррозии, не взрывоопасны, которые очень быстро разлагаются в атмосфере вследствие чувствительности двойной связи -C=O кетонной группы к ультрафиолету и, таким образом, имеет GWP, близкий к 1.

В качестве гидрофторолефинов используются фторированные алкены, углеродные цепи которых содержат три атома углерода, предпочтительно, типа C₃H₂F₄ или C₃HF₅, которые не являются токсичными, не являются коррозионными, не являются взрывоопасными, имеют ODP (потенциал озонного истощения), равный 0, GWP менее 20 или даже менее 10.

Эти два типа соединения обладают диэлектрическими свойствами, позволяющими использовать их вместо SF₆ в качестве изолирующего и/или дугогасящего газа в электрических устройствах среднего напряжения подстанции.

Согласно изобретению, смесь такова, что ее компоненты остаются в газообразном состоянии в условиях температуры и давления, в которых они окажутся, будучи заключены в электрическое устройство. Таким образом, можно использовать смесь только фторкетона и гидрофторолефина; тем не менее, смесь обычно разводится, по меньшей мере, еще одним газом, который не принадлежит их семействам, если точка кипения не позволяет гарантировать поддержку ее в газообразном состоянии при полном давлении, достаточном для определенных применений, которые, например, могут требовать более 10⁵ паскаль (Па).

В этом случае, согласно изобретению, другие газы, используемые в газообразной среде, имеют более низкий потенциал глобального потепления, чем гидрофторолефины; газ-носитель, или разбавляющий газ, или буферный газ, предпочтительно, имеет очень низкую точку кипения, таким образом, обычно, меньшую или равную -50°C при стандартном давлении, и диэлектрическую прочность, по меньшей мере, равную диэлектрической прочности азота или диоксида углерода. Предпочтительно, смесь содержит газ типа азота, воздуха, преимущественно, сухого воздуха, кислорода, диоксида углерода, или смесь этих газов. Глобальный GWP газообразной среды определяется относительно парциальных давлений каждого из ее компонентов и поэтому составляет менее 10, и, предпочтительно, менее 5.

Преимущественно, для размещения максимального количества каждого из газов без образования жидкой фазы при минимальной рабочей температуре устройства, состав газообразной среды будет задан согласно закону Рауля для минимальной рабочей температуры устройства, или даже для температуры немного выше последней, в частности, на 3°C. В частности, для тройной смеси фторкетона (FK)/гидрофторолефина (HFO)/разбавляющего газа, давление каждого компонента, таким образом, будет задаваться формулой: где PVS = давление насыщенного пара рассматриваемого газа. Таким образом, диэлектрические свойства газообразной среды на прямой линии и в трекинге являются максимально возможными и, насколько возможно, приближаются к диэлектрическим свойствам SF₆.

В предпочтительных вариантах осуществления, минимальная рабочая температура T_min выбирается из: 0, -5, -10, -15, -20, -25, -30, -35 и -40°C. Преимущественно, парциальное давление фторкетона составляет от 80 до 120 гПа, в частности для минимальной рабочей температуры -25°C, с дополнением в HFO и N₂ согласно закону Рауля, применяемому при -22°C.

Другим объектом изобретения является электрическое устройство среднего напряжения, которое содержит герметичную оболочку, в которой электрические компоненты расположены совместно с газообразной средой, обеспечивающей электрическую изоляцию и/или гашение электрической дуги в этой оболочке, причем эта газообразная среда содержит, по меньшей мере, один гидрофторолефин и один фторкетон. Характеристики газообразной среды соответствуют вышеприведенному раскрытию в отношении ее применения. Устройство, предпочтительно, содержит молекулярное сито CaSO₄.

В соответствии с изобретением, это электрическое устройство может представлять собой электрический трансформатор с газовой изоляцией, например силовой трансформатор или измерительный трансформатор. Электрическое устройство также может быть линией с газовой изоляцией, надземной или подземной, или системой шин для передачи или распределения электроэнергии. Наконец, оно также может быть устройством электрического соединения/разъединения (также именуемым переключателем), например прерывателем, переключателем, размыкателем, устройством, объединяющим переключатель с предохранителями, заземляющим переключателем или замыкателем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие преимущества и характеристики явствуют из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, представленных в целях иллюстрации, но не ограничения, в прилагаемых чертежах.

Фиг. 1A и 1B демонстрируют давление насыщенного пара в смеси, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, как функция температуры: фиг. 1A иллюстрирует развитие полного давления газа для тройной смеси, пропорции которой заданы законом Рауля для теоретического возникновения жидкой фазы при -25°C, фиг. 1B - для теоретического возникновения при -22°C.

Фиг. 2A - вид в продольном разрезе устройства для трекинговых испытаний, результаты которых приведены на фиг. 2B.

Фиг. 3A - устройство, в котором испытания на диэлектрическую прочность на прямой линии осуществлялись в газообразной среде, согласно изобретению, результаты которых приведены на фиг. 3B.

Фиг. 4 - сводка результатов, полученных в ходе испытаний на частичный разряд.

Фиг. 5 - сводка результатов, полученных в ходе испытаний нагревом.

Фиг. 6 представляет давление насыщенного пара двух HFO и C5K как функцию температуры.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение основано на применении, с разбавляющим газом (“буферным” газом, например, N₂, CO₂, воздухом и т.д.) или без него, фторкетонов с пятью атомами углерода (C5K) и гидрофторолефинов (HFO) с, по меньшей мере, тремя атомами углерода. C5K представляют собой кетоны, с атомами водорода, замененными атомами фтора, негорючие и с очень низким GWP; в частности, используемый C5K имеет эмпирическую формулу C₅F₁₀O, и, в частности, выбирается декафторо-2-метилбутан-3-он, который удовлетворяет частично развернутой формуле CF₃-CO-CF-(CF₃)₂, с потенциалом глобального потепления GWP=1. C5K не токсичны для человека, при этом предел воздействия на рабочем месте (средняя предельная концентрация, которой может регулярно подвергаться большинство работников, работая по 8 часов в день 5 дней в неделю, без вреда для здоровья) OEL=1000 млн.ч., и смертельная доза DL₅₀, приводящая к гибели 50% популяции животных, составляет более 200000 млн.ч.

HFO представляют собой алкены, где атомы водорода заменены атомами фтора, с общей формулой C_n(H,F)_2n; в частности, используемые HFO содержат 3 атома углерода; они являются негорючими, и их GWP меньше 10. В частности, гидрофторолефин HFO-1234ze или транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропен, который удовлетворяет частично развернутой формуле CHF=CH-CF₃, используется для следующих сравнительных примеров. Его воздействие на окружающую среду GWP=6, и он не токсичен для человека с OEL=1000 млн.ч. и DL₅₀>200000 млн.ч. Кроме того, в большинстве традиционных применений при очень низкой температуре (-30°C или даже -40°C), HFO разбавляется, иногда до менее 20%, в нейтральном газе-носителе типа азота: смесь, таким образом, не токсична. HFO-1234yf или 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропен, и HFO-1225ye или 1,2,2,5-пентафторо-1-пропен, также может быть предусмотрен для смеси, согласно изобретению.

Согласно изобретению, смесь HFO и C5K используется в газообразной форме независимо от рабочей температуры электрического устройства. Поэтому парциальное давление каждого из этих двух компонентов должно быть меньше или равно давлению, вычисленному согласно закону Рауля. Фактически, поскольку молекулы фторкетонов и гидрофторолефинов весьма аналогичны в силу их состава, ограничение их давлением насыщенного пара для данной рабочей температуры будет приводить к образованию жидкой фазы при температурах выше рабочей температуры, желаемой исходя из взаимодействий.

В зависимости от устройства, рекомендованное внутреннее давление среды изоляции и/или гашения дуги изменяется; в частности, по разным техническим причинам, предпочтительно иметь достаточно высокое полное давление, в общем случае, строго больше 10⁵ Па. Поскольку смесь HFO/C5K, согласно изобретению, находится полностью в газообразной форме при самой низкой температуре электрического устройства, для удовлетворения заданных условий давления наполнения, при необходимости добавляется разбавляющий газ, или буферный газ. Предпочтительно, разбавляющий газ имеет очень низкую точку кипения, меньшую или равную минимальной рабочей температуре T_min устройства, и диэлектрическую прочность, большую или равную диэлектрической прочности CO₂ или воздуха в условиях испытания (то же устройство, та же геометрическая конфигурация, те же рабочие параметры и т.д.), идентичных используемым для измерения диэлектрической прочности упомянутого газа. Кроме того, согласно изобретению, в качестве разбавляющего газа используется газ с низким GWP типа воздуха или CO₂: таким образом, газообразная среда, используемая в качестве среды изоляции и гашения дуги в электрических устройствах, имеет GWP, меньший или равный GWP эталонного HFO. Предпочтительно, для устройств с неоднородным полем, используется диоксид углерода; альтернативно, используется разбавляющий газ с нулевым GWP, азот N₂.

Преимущественно, для максимизации количества каждого из фторированных газов, составляющих смесь, при этом без образования жидкой фазы при минимальной рабочей температуре устройства для тройной смеси фторкетона C5K, гидрофторолефина HFO и разбавляющего газа, давление каждого компонента, таким образом, будет задаваться следующей формулой, полученной из закона Рауля (где P_X - давление рассматриваемого газа и PVS_X - его давление насыщенного пара):

например, для минимальной рабочей температуры T_min=-25°C, несколько составов смесей можно использовать для наполнения, без формирования жидкости, электрического устройства с герметичной оболочкой, в которой полное давление наполнения при 20°C равно 1,3 бар, другими словами 1,3⋅10⁵ Па, как показано в нижеприведенной таблице I.

Таблица I Пропорции смеси C5K HFO-1234ze+N₂ при 1,3⋅10⁵ Па P_C5K P_HFO P_N2 0,15⋅10⁵ Па 0,05⋅10⁵ Па 1,10⋅10⁵ Па 0,14⋅10⁵ Па 0,12⋅10⁵ Па 1,04⋅10⁵ Па 0,13⋅10⁵ Па 0,18⋅10⁵ Па 0,99⋅10⁵ Па 0,12⋅10⁵ Па 0,25⋅10⁵ Па 0,93⋅10⁵ Па 0,11⋅10⁵ Па 0,31⋅10⁵ Па 0,88⋅10⁵ Па 0,10⋅10⁵ Па 0,37⋅10⁵ Па 0,83⋅10⁵ Па 0,09⋅10⁵ Па 0,43⋅10⁵ Па 0,78⋅10⁵ Па 0,08⋅10⁵ Па 0,49⋅10⁵ Па 0,73⋅10⁵ Па 0,07⋅10⁵ Па 0,55⋅10⁵ Па 0,68⋅10⁵ Па 0,06⋅10⁵ Па 0,62⋅10⁵ Па 0,62⋅10⁵ Па 0,05⋅10⁵ Па 0,68⋅10⁵ Па 0,57⋅10⁵ Па 0,04⋅10⁵ Па 0,74⋅10⁵ Па 0,52⋅10⁵ Па 0,03⋅10⁵ Па 0,8⋅10⁵ Па 0,47⋅10⁵ Па 0,02⋅10⁵ Па 0,86⋅10⁵ Па 0,42⋅10⁵ Па 10³ Па 0,92⋅10⁵ Па 0,37⋅10⁵ Па 10² Па 0,98⋅10⁵ Па 0,319⋅10⁵ Па

Однако при наполнении такой смесью оболочки, снабженной прозрачным окном, было установлено, что при температуре, меньшей или равной -28°C, для этих смесей образуется только жидкая фаза: таким образом, закон Рауля не применяется полностью.

Кроме того, диэлектрическая прочность каждого из двух фторированных соединений, используемых в смеси, чистый HFO и чистый C5K, выше, чем у разбавляющего газа (см. также фиг. 3B). Таким образом, для улучшения диэлектрических свойств смеси, которые вытекают непосредственно из ее молярного состава, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, смесь оптимизируется для включения большего количества фторированного соединения, чем вышеуказанное теоретическое значение; преимущественно, теоретический состав увеличивается за счет добавления C5K для улучшения диэлектрических свойств газообразной смеси, в частности, в отношении трекинга, в пропорциях, исключающих возможность возникновения жидкой фазы.

В частности, как показано на фиг. 1A, смесь, содержащая C5K при 40 гПа, HFO-1234ze при 740 гПа и азот при 520 гПа следует, при высокой температуре, в большей или меньшей степени, кривой, заданной законом идеального газа; она отклоняется от нее при низкой температуре, в частности, ниже -28°C (и иногда до этого вследствие пределов использования испытательных устройств, например, при -20°C), соответствующей пересечению с кривой, иллюстрирующей поведение этой смеси согласно закону Рауля. По этой причине, при самых низких температурах, соответствие значениям, заданным законом Рауля, является более консервативным и позволяет гарантировать отсутствие возникновения жидкой фазы, зона под кривой Рауля.

Таким образом, на фиг. 1B показано поведение предыдущей смеси, в которую был добавлен C5K при 20 гПа; очевидно, кривая смещается пропорционально ниже кривой идеального газа при высоких температурах. Если, теоретически, возникновение жидкости должно происходить при -22°C, экспериментально (см. также разрыв реальной кривой) формирование жидкости происходит при температуре -25°C.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, состав каждого из компонентов тройной смеси определяется законом Рауля во избежание возникновения жидкой фазы при температуре, которая может оказываться равной минимальной рабочей температуре устройства или немного более высокой, например, при упомянутой минимальной температуре минус 10%, или, предпочтительно, при предполагаемой минимальной рабочей температуре плюс 3°C.

Газообразная среда, согласно изобретению, удовлетворяет условиям использования существующих устройств, и ее свойства выше, чем у двойных смесей каждого фторированного газа, даже SF₆, с синергетическим эффектом между двумя молекулами гидрофторолефина и фторкетона. В частности, испытания на трекингостойкость осуществлялись в устройстве, показанном на фиг. 2A, при 1,3÷2 бар (другими словами 1300÷2 гПа) между двумя электродами, отстоящими друг от друга на 251 мм, с медными проводниками и эпоксидной смолой с наполнителем в виде оксида кремния в качестве изолятора. Как показано на фиг. 2B, можно отметить, что тройные смеси, образованные из HFO, C5K и разбавляющего газа, согласно изобретению, имеют более высокую трекингостойкость, чем SF₆ (более 1000 В/мм, по сравнению с менее чем 930 В/мм) на эпоксидной смоле с наполнителем в виде оксида кремния, и чем двойные смеси каждого из компонентов (эти компоненты изоляции имеют более низкие свойства, чем SF₆).

Аналогично, испытания на диэлектрическую прочность на прямой линии при 1,3 бар (другими словами 1300 гПа) демонстрируют, что характеристики смеси, согласно изобретению, выше, чем у отдельных компонентов, уникально связанных с разбавляющим газом: на фиг. 3A показана эпоксидная оболочка, наполненная до 1,3 бар (т.е. 1300 гПа) SF₆ или смесью N₂ с HFO и/или C5K, для измерения диэлектрической прочности между двумя контактами радиусом 12 мм, на расстоянии 12 мм. Существует заметный синергетический эффект между HFO и C5K для измеренной диэлектрической прочности: фиг. 3B.

Преимущество тройной смеси, согласно изобретению, по сравнению с двойной смесью также заметно для частичных разрядов (фиг. 4): для тройной смеси порог гашения даже больше чем при 65 кВ SF₆, тогда как для двойных смесей он был ниже.

С учетом характеристик фторированной смеси, согласно изобретению, отдельно или совместно с простым разбавляющим газом типа воздуха или азота, можно предусмотреть использование в существующем устройстве. В частности, создав вакуум (от 0 до 0,1 кПа) с использованием маслонаполненного вакуумного насоса, можно наполнить электрическое устройство среднего напряжения типа GIS (например, устройство FBX 24 кВ производства Schneider Electric, наполненное в своем современном коммерческом варианте исполнения SF₆ под давлением 1300 гПа), предназначенное для применения при -25°C, смесью газов C5K, HFO-1234ze и CO₂, предпочтительных в этом случае, когда электрические поля не являются однородными. Кроме того, во избежание зажиганий между производными, преимущественно заключать их в термообжимной рукав.

Полное давление газа внутри устройства со смесью, согласно изобретению, также выбирается при 1,3 бар (P_tot=1300 гПа) для 20°C, и смесь удовлетворяет условиям, заданным законом Рауля, например, при парциальном давлении от 80 до 120 гПа для C5K по мере возможности. С учетом размера оболочки этого устройства (объем более 100 литров), предпочтительно, для ускорения гомогенизации газообразной смеси, использовать барботеры; очевидно, этот вариант не является обязательным, в частности, в случае более компактных устройств или достаточной задержки до проведения эксперимента.

Кроме того, поскольку помимо повышения диэлектрической прочности на прямой линии, фторкетоны позволяют повысить диэлектрическая прочность системы в отношении трекинга, предпочтительно поглощать их на стенках изоляторов. Прежде всего, для облицовки внутренних стенок устройства C5K, это соединение инжектируется прямо в оболочку, например, между 3 и 10 гПа; преимущественно, между 80 и 120 гПа C5K, предпочтительно, при температуре выше температуры окружающей среды для повышения расхода (например, можно нагревать резервуар, содержащий C5K), инжектируются через “газовый” выход устройства. После этого первого этапа, позволяющего фторкетону абсорбироваться на стенках, происходит наполнение устройства посредством газовой смеси с двойным барботером, что позволяет регулировать отношение между C5K, HFO-1234ze и CO₂, причем это отношение поддерживается постоянным по давлению при 20°C на протяжении наполнения благодаря использованию точного массового расходомера; например, C5K помещается в два барботера, через которые под давлением пропускаются CO₂ и гидрофторолефин для достижения полного насыщения.

Испытания на этом типе устройства, в котором течет постоянный электрический ток 630 A в среднеквадратическом выражении, показали, что тепло на уровне электрических контактов (наиболее горячих точек) аналогично SF₆ для тройной смеси согласно изобретению (как для двойных смесей): см. фиг. 5, что приводит к изменению нагрева по сравнению с SF₆.

Кроме того, следует отметить, что устройства, предпочтительно, снабжены одним или более молекулярными ситами типа безводного сульфата кальция (CaSO₄), которые поглощают малые молекулы, созданные в ходе пробоя. Токсичность газа не увеличивается после частичных разрядов за счет молекул, которые могут обладать некоторой токсичностью.

Кроме того, при испытаниях на исчерпание ресурса стойкости или послепробойных испытаниях, газ восстанавливается с использованием традиционных методов восстановления с использованием компрессора и вакуумного насоса. Затем, гидрофторолефин HFO-1234ze и фторкетон C5K отделяются от буферного газа с использованием цеолита, способного захватывать только молекулы буферного газа, меньшие по размеру; альтернативно, мембрана избирательного разделения допускает выход азота и/или CO₂, и/или воздуха и удерживает C5K и HFO-1234ze, которые имеют больший размер и более высокую молекулярную массу; все остальные варианты также подлежат рассмотрению.

Хотя вышеприведенные примеры касались HFO-1234ze, возможны альтернативы этому газу. В частности, можно использовать изомер HFO-1234yf (2,3,3,3-тетрафторо-1-пропена), с адаптациями, присущими свойствам этого газа: в частности, как показано на фиг. 6, поскольку его точка кипения равна -30°C (по сравнению с -19°C для HFO-1234ze), можно использовать на 50% больше HFO-1234yf, чем HFO-1234ze, для той же рабочей температуры -30°C. Поскольку для данного давления наполнения, чем больше количество HFO, тем меньше количество буферного газа, и поскольку свойства изоляции и гашения дуги зависят от смеси, диэлектрическая прочность возрастает.

Решение, предложенное согласно изобретению, таким образом, позволяет предложить газообразную смесь с низким воздействием на окружающую среду (GWP снижается более чем на 99,9% по сравнению с изоляцией на основе SF₆), совместимую с минимальными рабочими температурами электрического устройства и с диэлектрическими, пробойными и теплорассеивающими свойствами, аналогичными полученным на существующих устройствах. Эта смесь может непосредственно заменять SF₆, используемый в устройствах, не изменяя или только немного изменяя их конструкцию: производственные линии можно оставить без изменения, просто заменяя заполняющий газ и, в необязательном порядке, добавляя системы облегчения пробоя или газогенерирующие материалы.

ССЫЛКИ

[1] EP 1 724 802

[2] WO 2008/073790

[3] WO 2009/049144

Изобретение относится к применению смеси, содержащей гидрофторолефин и фторкетон, необязательно совместно с разбавляющим газом, в качестве среды электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в электрическом устройстве среднего напряжения. Предложенная газообразная среда может быть использована в электрическом устройстве среднего напряжения, в котором электрическая изоляция и/или гашение электрической дуги обеспечивается(ются) смесью, содержащей гидрофторолефин и фторкетон, необязательно совместно с разбавляющим газом. Высокая диэлектрическая прочность предложенной смеси в качестве электрической изоляции, низкие токсичность и горючесть, возможность использования ее при рабочей температуре до – 40°С обеспечивают повышение надежности электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в электрическом устройстве среднего напряжения на подстанции, что является техническим результатом изобретения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Применение газообразной среды, содержащей гидрофторолефин с тремя атомами углерода и фторкетон с пятью атомами углерода в качестве среды электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в электрическом устройстве среднего напряжения на подстанции.

2. Применение по п. 1, в котором гидрофторолефин представляет собой транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропен (HFO-1234ze), 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропен (HFO-1234yf) или 1,2,2,5-пентафторо-1-пропен (HFO-1225ye).

3. Применение по п. 1, в котором фторкетон представляет собой декафторо-2-метилбутан-3-он.

4. Применение по п. 1, в котором газообразная среда дополнительно содержит разбавляющий газ.

5. Применение по п. 4, в котором разбавляющий газ представляет собой воздух, азот, кислород, диоксид углерода или смесь этих газов.

6. Применение по любому из пп. 1-5, в котором парциальные давления фторкетона и гидрофторолефина в смеси выбраны как функция минимальной температуры устройства во избежание формирования жидкой фазы согласно закону Рауля при температуре на 3°C выше минимальной рабочей температуры устройства.

7. Применение по п. 6, в котором парциальное давление фторкетона составляет от 80 до 120 гПа.

8. Применение по п. 6, в котором минимальная температура (T_min) составляет -40°C, -35°C, -30°C, -25°C, -20°C, -15°C, -10°C, -5°C или 0°C.

9. Электрическое устройство среднего напряжения, содержащее герметичную оболочку, в которой расположены электрические компоненты совместно с газообразной средой, обеспечивающей электрическую изоляцию и/или гашение электрических дуг, с вероятностью возникающих в упомянутой оболочке, отличающееся тем, что газообразная среда содержит гидрофторолефин с тремя атомами углерода и фторкетон с пятью атомами углерода.

10. Электрическое устройство по п. 9, в котором гидрофторолефин представляет собой транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропен (HFO-12134ze), 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропен (HFO-1234yf) или 1,2,2,5-пентафторо-1-пропен (HFO-1225ye), и фторкетон представляет собой декафторо-2-метилбутан-3-он.

11. Электрическое устройство по п. 9, в котором газообразная среда дополнительно содержит разбавляющий газ.

12. Электрическое устройство по п. 11, в котором разбавляющий газ представляет собой воздух, азот, кислород, диоксид углерода или смесь этих газов.

13. Электрическое устройство по любому из пп. 9-12, в котором гидрофторолефин и фторкетон присутствуют в среде в пропорциях, заданных согласно закону Рауля во избежание формирования жидкой фазы при температуре на 3°C выше минимальной рабочей температуры устройства.

14. Электрическое устройство по п. 9, которое является электрическим трансформатором с газовой изоляцией, линией с газовой изоляцией для передачи или распределения электроэнергии или устройством электрического соединения/разъединения.

15. Электрическое устройство по любому из пп. 9-12, которое содержит молекулярное сито CaSO₄.