ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛИРУЮЩАЯ СРЕДА
DIELECTRIC INSULATING MEDIUM

Настоящее изобретение относится к диэлектрической изолирующей среде по п.1, к использованию конкретной смеси по пп.39, 40 в качестве диэлектрической изолирующей среды, а также к использованию диэлектрической изолирующей среды по п.44, к аппарату для генерации и/или передачи, и/или распределения, и/или использования электрической энергии по п.50, 63 и к способу для определения размеров электрического аппарата по п.66.
Диэлектрические изолирующие среды в жидком или газообразном состоянии обычно применяют для изоляции электрически активной части в широком спектре электрических аппаратов, таких как распределительное оборудование или трансформаторы.
В распределительном оборудовании среднего или высокого напряжения в металлической оболочке, например, электрически активную часть располагают в газонепроницаемом корпусе, который определяет изолирующее пространство, указанное изоляционное пространство содержит изоляционный газ обычно под давлением вплоть до нескольких бар и отделяет корпус от электрически активной части, таким образом, препятствуя протеканию электрического тока между корпусом и активными частями. Распределительное оборудование в металлической оболочке допускает значительно более компактную конструкцию, чем распределительное оборудование, которое устанавливают на улице и изолируют посредством окружающего воздуха. Для прерывания тока в распределительном оборудовании высокого напряжения изолирующий газ дополнительно выполняет функцию газа гашения электрической дуги.
Стандартные изоляционные газы с высокими изоляционными и распределительными рабочими параметрами оказывают некоторое влияние на окружающую среду после выброса в атмосферу. До сих пор с высоким потенциалом глобального потепления (GWP) этих изоляционных газов справлялись посредством строгого контроля за утечками газов в аппаратах с газовой изоляцией и посредством очень бережного обращения с газами.
2
Стандартные экологичные изоляционные газы, такие как сухой воздух или CO, обладают достаточно низкими изоляционными рабочими параметрами, таким образом, требуя очень неблагоприятного повышения давления газа и/или изоляционных расстояний.
По указанным выше причинам в прошлом были предприняты усилия для того, чтобы заменить стандартные изоляционные газы на подходящие заменители.
Например, в WO 2008/073790 раскрыто диэлектрическое газообразное соединение, которое среди других характеристик имеет низкую точку кипения в диапазоне между от -20°C до -273°C, предпочтительно является не сокращающим озоновый слой и имеет GWP приблизительно меньше, чем 22,200 на 100-летней шкале времени. В частности, в WO 2008/073790 раскрыто множество различных соединений, которые не охватываются общим химическим определением.
Кроме того, US-A-4175048 относится к газообразному изолятору, содержащему соединение, выбранное из группы перфторциклогексена и гексафторазометана, а в EP-A-0670294 раскрыто использование перфторпропана в качестве диэлектрического газа.
3
3
3
2
EP-A-1933432 относится к трифторйодметану (CFI) и его использованию в качестве изолирующего газа в распределительном оборудовании с газовой изоляцией. В этом отношении, в документе говорят как об электрической прочности, так и о рабочих параметрах прерывания, являющихся важными требованиями к изолирующему газу. Согласно EP-A-1933432 CFI имеет GWP 5 и, таким образом, считается оказывающим относительно низкое воздействие на окружающую среду. Однако, в силу его относительно высокой точки кипения -22°C, CFI смешивается с CO. Предложенные газовые смеси имеют только приблизительно 80% от удельных изоляционных рабочих параметров чистой стандартной изолирующей среды. Это приходится компенсировать посредством повышенного давления газа и/или посредством увеличенных изоляционных расстояний.
При поиске подходящего заменителя обнаружено, что за счет использования фторкетонов, имеющих от 4 до 12 углеродных атомов, можно получать изолирующую среду, которая обладает высокими изоляционными возможностями, в частности, высокой электрической прочностью, и одновременно чрезвычайно низким потенциалом глобального потепления. Это изобретение было подано ранее в виде международной патентной заявки № PCT/EP2009/057294.
Немецкая полезная модель DE 202009009305 U1 и немецкий патент DE 102009025204 B3 также относятся к распределительному устройству, имеющему оболочку, которая заполнена заполняющей средой, содержащей фторкетон.
Несмотря на хорошую электрическую прочность фторкетонов, согласно международной патентной заявке № PCT/EP2009/057294, изоляционные рабочие параметры соответствующей изолирующей среды, содержащей фторкетон, часто ограничены в связи с относительно высокими точками кипения фторкетонов.
В частности, это имеет место для применения в низкотемпературной окружающей среде. В этом случае только давление относительно низконасыщенного пара фторкетона можно поддерживать без превращения фторкетона в жидкость. Это ограничивает достижимое молярное отношение фторкетона в газообразной фазе и будет делать необходимым увеличенное давление наполнения стандартными изолирующими газами.
2
5
3
2
Например, минимально допустимая рабочая температура распределительного оборудования высокого или среднего напряжения с газовой изоляцией (HV-GIS или MV-GIS) типично может составлять -5°C. При этой температуре для получения диэлектрических рабочих параметров, сравнимых со стандартными изолирующими средами с высокими рабочими параметрами, требуемое давление наполнения изолирующей среды, содержащей, например, фторкетон, имеющий 6 углеродных атомов, например, CFC(O)CF(CF) или додекафтор-2-метилпентан-3-он, все еще может быть относительно высоким и может превышать давление наполнения, которое могут выдержать конструкции обыкновенных корпусов, которое типично составляет приблизительно 7 бар для применения в HV GIS.
2
5
3
2
Альтернативно или в дополнение к повышению давления наполнения, систему можно нагревать (как показано в PCT/EP2009/057294). Если использовать, например, чистый фторкетон, имеющий 6 углеродных атомов, например, CFC(O)CF(CF) или додекафтор-2-метилпентан-3-он, в качестве изолирующей среды, будет необходимо нагревание больше, чем до 50°C для того, чтобы достичь достаточного давления насыщенного пара фторкетона и чтобы получить желаемые изоляционные рабочие параметры для более жестких применений с высоким напряжением. Такое нагревание не всегда возможно или рекомендовано как по экономическим, так и по экологическим причинам и причинам надежности.
Цель, которая должна быть достигнута посредством настоящего изобретения, таким образом, состоит в том, чтобы предоставить изолирующую среду, имеющую очень низкий GWP, которая одновременно обладает высокими изоляционными возможностями также при относительно низких рабочих температурах и при умеренных давлениях наполнения, таким образом, позволяя достигать изоляционных рабочих параметров, сравнимых с одной из изолирующих сред с высокими рабочими параметрами, обладающих более высоким GWP.
Эту цель достигают посредством объекта независимых пунктов формулы изобретения, а именно посредством изолирующей среды по п.1, применения по пп.39, 40 и 44, аппарата по п.50 и 63 и способа определения размеров по п.66 для такого аппарата. Примеры вариантов осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Таким образом, по п.1 настоящее изобретение относится к диэлектрической изолирующей среде, содержащей
a) фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, который здесь кратко называют «фторкетон a)», в смеси с
b) компонентом диэлектрического изоляционного газа, который здесь кратко называют «компонент диэлектрического изоляционного газа b)», отличным от указанного фторкетона a).
В контексте настоящего изобретения термин «отличный от» следует понимать широко для того, чтобы охватывать другие компоненты диэлектрических изоляционных газов b), которые не происходят от группы химических соединений, подпадающих под определение фторкетонов, в частности, фторкетонов, имеющих точно 5 углеродных атомов. Другими словами, другой компонент диэлектрического изоляционного газа b) должен содержать какой-либо газ или компонент газа, который не представляет собой фторкетон, имеющий точно 5 углеродных атомов. Другими словами, диэлектрическая изолирующая среда состоит из менее чем 100% фторкетона a). С целью ясности, термин «компонент диэлектрического изоляционного газа b)» следует понимать так, что он может содержать всего один компонент газа или может содержать смесь по меньшей мере из двух элементов компонента газа b1), b2), … bn).
В частности, компонент диэлектрического изоляционного газа b) имеет низкую точку кипения, более конкретно - точку кипения при атмосферном давлении по меньшей мере на 50 K, предпочтительно по меньшей мере на 70 K, в частности, по меньшей мере на 100 K ниже точки кипения фторкетона a) при атмосферном давлении. Термин «точка кипения» или «точка кипения при атмосферном давлении», как используют в контексте настоящего изобретения, следует понимать как точку кипения при атмосферном давлении, т.е. приблизительно при 1 бар.
Типично, компонент диэлектрического изоляционного газа b) является инертным и/или нетоксичным и/или невоспламеняемым. Предпочтительно, он имеет электрическую прочность больше, чем 10 кВ/(см бар), предпочтительно больше, чем 20 кВ/(см бар), в частности больше, чем 30 кВ/(см бар). В примерах вариантов осуществления компонент диэлектрического изоляционного газа b) представляет собой газ-носитель, который сам имеет более низкую электрическую прочность, чем фторкетон a). Его потенциал сокращения озонового слоя предпочтительно составляет 0.
Изобретение основано на неожиданном открытии того, что, если фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, используют в качестве первого компонента диэлектрического изоляционного газа в смеси с дополнительным компонентом диэлектрического изоляционного газа, например, воздуха или диоксида углерода, получаемые диэлектрические изоляционные рабочие параметры или электрическая прочность смеси значительно выше, чем ожидают от линейного суммирования электрической прочности каждого отдельного компонента газа в смеси. Таким образом, сильное непропорциональное или нелинейное повышение электрической прочности изоляционной газовой смеси, содержащей фторкетон a) и отличающийся или дополнительный компонент газа b), предоставлено в первый раз. Такое нелинейное повышение электрической прочности смеси в соответствии с изобретением прежде было не известно.
Обнаружение нелинейного эффекта, достигаемого посредством диэлектрической изолирующей среды по настоящему изобретению, было удивительным; это видно, например, когда сравнивают электрическую прочность смеси по настоящему изобретению со смесями, раскрытыми на фиг.1.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, диэлектрическая изолирующая среда, в частности, диэлектрический изоляционный газ, таким образом, имеет нелинейно увеличенную электрическую прочность, которая больше, чем сумма электрических прочностей компонентов газа диэлектрической изолирующей среды. Тем самым, особенно предпочтительно, чтобы компонент диэлектрического изоляционного газа b) представлял собой газ-носитель, который присутствует в большем количестве, чем фторкетон a).
Другими словами, тип и количество компонента газа b) и количество фторкетона a) предпочтительно выбирают так, что достигают нелинейного увеличения электрической прочности изолирующей среды относительно суммы электрических прочностей компонентов газа диэлектрической изолирующей среды.
В примере варианта осуществления диэлектрической изолирующей среды в соответствии с настоящим изобретением в системе устанавливают напряженность поля при пробое Ebd, указанную Ebd определяют с помощью следующего уравнения:
a
crit,a
b
crit,b
Ebd=s⋅(p⋅E + p⋅E),
в котором
a
p представляет собой парциальное давление фторкетона a),
b
p представляет собой парциальное давление компонента диэлектрического изоляционного газа b),
crit,a
E представляет собой напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении фторкетона a),
crit,b
E представляет собой напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении компонента диэлектрического изоляционного газа b), и
measured
lin.calc.
measured
lin.calc
s представляет собой синергический коэффициент Ebd/Ebd, причем Ebd представляет собой измеренную или фактическую напряженность поля при пробое диэлектрической изолирующей среды, в частности, смеси ее газовых компонентов, и Ebd представляет собой линейно вычисляемую сумму электрических напряженностей поля при пробое для фторкетона a) и диэлектрического компонента газа b),
где смесь выбирают так, что синергический коэффициент s больше, чем 1.
Другими словами, смесь должна содержать по меньшей мере один конкретный диэлектрический компонент газа b), в частности газ-носитель, который вместе с фторкетоном a) обеспечивает нелинейное увеличение электрической прочности относительно арифметической суммы электрических прочностей компонентов газа, присутствующих в смеси, результатом чего является синергический коэффициент s больше 1 в приведенном выше уравнении.
a
b
В примере варианта осуществления выраженное нелинейное увеличение достигают для фторкетона a), содержащего точно 5 углеродных атомов в смеси с воздухом в качестве компонента диэлектрического изоляционного газа b) в соотношении p к p в диапазоне от 0,04:1 до 0,6:1.
crit,a
crit,b
В приведенном выше уравнении напряженность поля при пробое Ebd диэлектрической изолирующей среды, в частности, смеси ее газовых компонентов, напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении E для фторкетона a) и напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении E для компонента диэлектрического изоляционного газа b) определяют в первом схожем, предпочтительно первом идентичном, измерительном аппарате, и, в частности, определяют в электрическом аппарате, в котором диэлектрическая изолирующая среда подлежит использованию.
measured
lin.calc
Кроме того, при определении синергического коэффициента (или синергического показателя), измеряемую напряженность поля при пробое Ebd диэлектрической изолирующей среды, в частности, смеси ее газовых компонентов, и линейно вычисляемую сумму Ebd напряженностей поля при электрическом пробое для фторкетона a) и диэлектрического компонента газа b) определяют во втором схожем, предпочтительно втором идентичном, измерительном аппарате и, в частности, определяют в электрическом аппарате, в котором диэлектрическая изолирующая среда подлежит использованию. Кроме того, первый и второй измерительные аппараты могут являться одним и тем же.
crit,a
crit,b
crit,a
crit,b
Как отмечено, E и E определяют как независящую от давления напряженность поля при электрическом пробое для соответствующего компонента при определенных условиях измерения, таких как конфигурация электрода, неровность поверхности, полярность и т.д. Типично, значимый синергический коэффициент можно определять, если такие условия измерения сохраняются постоянными по мере того, как обменивают или смешивают компоненты газа a) и b). E и E, таким образом, обозначают напряженности поля при электрическом пробое, получаемые для компонентов a) и b) в их чистой форме и нормализованные к давлению 1 бар.
lin.calc.
a
crit,a
b
crit,b
a
b
crit,a
crit,b
Ebd также можно выражать как p⋅E + p⋅E, причем p, p, E и E имеют значения, указанные в настоящем документе.
a
b
Как подробно показано ниже, обнаружено, что синергический коэффициент s наиболее заметно зависит от отношения парциального давления p фторкетона a) к парциальному давлению p компонента диэлектрического изоляционного газа b).
В вариантах осуществления изобретения тип и количество компонента газа b) и количество фторкетона a) выбирают так, что синергический коэффициент s составляет больше, чем 101%, предпочтительно больше, чем 105%, более предпочтительно больше, чем 110% и наиболее предпочтительно больше, чем 115%. Таким образом, обнаружено, что синергический коэффициент также представляет собой функцию от типа компонента газа b).
Термин «фторкетон», как используют в настоящем документе, следует интерпретировать широко, и он должен охватывать как перфтор кетоны, так и гидрофторкетоны. Термин также должен охватывать как насыщенные соединения, так и ненасыщенные соединения, содержащие двойные и/или тройные связи. По меньшей мере частично фторированный углеродный остов и, соответственно, алкиловые цепи фторкетона могут быть линейными или разветвленными.
Термин «фторкетон» также должен охватывать фторкетоны, имеющие циклический углеродный остов. Термин «фторкетон» должен обозначать химическую композицию, которая содержит карбонильную группу и на каждой ее стороне алкильную группу. Термин «фторкетон» может включать дополнительные гетероатомы в цепи (т.е. гетероатомы, прикрепленные к химической структуре, содержащей карбонильную группу и на каждой ее стороне алкильную группу), например, может содержать по меньшей мере один гетероатом, представляющий собой часть углеродного остова и/или прикрепленный к углеродному остову. В примерах вариантов осуществления фторкетон a) и/или фторкетон c) не должен содержать гетероатом. Термин «фторкетон» также должен охватывать фтордикетоны, содержащие две карбонильные группы, или фторкетоны, содержащие больше, чем две карбонильные группы. В примерах вариантов осуществления фторкетон a) и/или фторкетон c) должны представлять собой фтормонокетоны.
Согласно конкретным вариантам осуществления, фторкетон a) представляет собой перфторкетон и/или фторкетон a) имеет разветвленную алкиловую цепь, в частности, по меньшей мере частично фторированную алкиловую цепь, и/или фторкетон a) представляет собой полностью насыщенное соединение. Понятно, что может содержаться один, полностью насыщенный фторкетон a), т.е. фторкетон без какой-либо двойной связи или тройной связи, или смеси из двух или более полностью насыщенных фторкетонов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, фторкетон a) представляет собой по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединений, определяемых следующими структурными формулами, в которых по меньшей мере один атом водорода замещен атомом фтора:
В других примерах вариантов осуществления компонент диэлектрического изоляционного газа b) представляет собой объемный газ или буферный газ или газ-носитель. Такой компонент газа-носителя b) может быть представлен в большем количестве, чем фторкетон a). В качестве дополнительного или альтернативного количественного ограничения, для этого в других вариантах осуществления молярное отношение фторкетона a) к компоненту газа b) может составлять больше, чем 1:20, предпочтительно больше, чем 1:10, более предпочтительно больше, чем 1:5, наиболее предпочтительно больше, чем 1:2. Кроме того, компонент газа-носителя b) должен представлять собой безвредный для окружающей среды газ. Например, компонент газа b) может иметь GWP на 100-летней временной шкале меньше чем 1000, предпочтительно меньше чем 300, предпочтительно меньше чем 100, предпочтительно меньше чем 50, предпочтительно меньше чем 10, более предпочтительно меньше чем 5, даже более предпочтительно меньше чем 3, еще более предпочтительно меньше чем 2 и наиболее предпочтительно меньше чем 1,5. Кроме того, компонент газа-носителя b) может содержать или состоять из двухатомных молекул, которые предпочтительно химически стабильны в условиях окружающей среды и, в частности, при нормальных рабочих условиях электрического оборудования с газовой изоляцией, например, в диапазоне температур от -40°C до +105°C и при давлении газа от небольшого давления до давления в несколько бар. Кроме того, компонент газа-носителя b) сам может представлять собой газовую смесь, такую как воздух или компонент воздуха и, например, азот, кислород, диоксид углерода или инертный газ. В контексте настоящей заявки на изобретение термин «воздух» должен охватывать и конкретно обозначать «технический воздух» или «сухой воздух».
Согласно дополнительному варианту осуществления, компонент диэлектрического изоляционного газа b) содержит молекулы с меньшим числом атомов, чем присутствует во фторкетоне a), в частности, содержит трехатомные и/или двухатомные молекулы или состоит из трехатомных и/или двухатомных молекул.
К удивлению обнаружено, что фторкетон, содержащий ровно 5 углеродных атомов, и/или фторкетон, содержащий ровно 6 углеродных атомов, когда присутствует в смеси с воздухом, азотом и/или диоксидом углерода, показывает явно выраженное нелинейное увеличение электрической прочности относительно арифметической суммы электрических прочностей компонентов смеси.
Это нелинейное увеличение имеет конкретное значение, когда используют фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов. Как указано выше, фторкетоны, содержащие 5 углеродных атомов, имеют преимущество в виде относительно низкой точки кипения, что позволяет иметь относительно большую молярную долю и относительно высокое парциальное давление, соответственно, фторкетона в изолирующей среде, не сталкиваясь с проблемой сжижения даже при низких температурах.
Следовательно, в предпочтительных вариантах осуществления фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, выбирают в смеси с воздухом, азотом, диоксидом углерода или их смесями в качестве компонента диэлектрической газовой изоляции b) для того, чтобы достигать желаемого нелинейного увеличения электрической прочности.
В частности, настоящее изобретение также относится к диэлектрической изолирующей среде, содержащей
а) фторкетон a), содержащий точно 5 углеродных атомов, в смеси с
b) компонентом диэлектрического изоляционного газа b), отличным от указанного фторкетона a), при этом
компонент диэлектрического изоляционного газа b) представляет собой или содержит воздух или компонент воздуха, в частности, азот.
Обнаружено, что используя воздух, азот и/или диоксид углерода в качестве компонента диэлектрического изоляционного газа b) можно достичь очень выраженного нелинейного эффекта; соответствующие смеси фторкетона a) с одним или несколькими из этих изоляционных компонентов газа b), таким образом, в частности, можно использовать для изоляционных целей.
Также обнаружено, что смесь, содержащая фторкетон a) и диоксид углерода в качестве диэлектрического изоляционного компонента b), является особенно эффективной для использования в качестве газа гашения электрической дуги, например, в прерывателе цепи, в частности, в прерывателе цепи высокого напряжения.
Таким образом, согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, компонент диэлектрического изоляционного газа b) содержит и, в частности, представляет собой диоксид углерода.
В этом отношении, кроме того, обнаружено, что в связи с использованием кислорода в газе гашения электрической дуги можно эффективно уменьшать или предотвращать отложение углерода на электродах.
Используя кислород в газе гашения электрической дуги, также можно снизить количество токсичных побочных продуктов горения дуги, таких как побочные продукты, которые иначе могут присутствовать после работы распределителя.
Таким образом, согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, компонент диэлектрического изоляционного газа b) содержит и, в частности, представляет собой кислород. Конечно, в этом отношении можно использовать чистый кислород, а также кислородсодержащую газовую смесь, в частности, воздух.
6
6
Предпочтительно, дополнительный диэлектрический компонент газа b), в частности, газ-носитель, не представляет собой SFили не содержит SF.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, возможный механизм нелинейного повышения электрической прочности в соответствии с данным изобретением может заключаться в том, что диэлектрический компонент газа b) служит для замедления электронов, которые образуются при диэлектрическом пробое, а фторкетон a) служит для захвата таких замедленных электронов, таким образом, обеспечивая особенно высокую электрическую прочность газовой смеси, содержащей фторкетон a) и газ-носитель b). Компонент диэлектрического изоляционного газа b) в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, в частности, должен охватывать газы, которые способны замедлять электроны.
3
3
2
Например, посредством добавления приблизительно 350 мбар, здесь более точно 325 мбар, 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-она (или декафтор-3-метилбутан-2-она) CFC(O)CF(CF)к 4650 мбар технического воздуха (содержащего приблизительно 80% азота и 20% кислорода), можно достичь значительно более высокого напряжения пробоя, чем ожидается, если учитывать только напряженности поля и молярные отношения отдельных компонентов газа в газовой смеси. Это показано более подробно ниже применительно к фигурам.
В связи с этим синергическим эффектом можно получать изолирующую среду, обладающую очень высокими изоляционными возможностями и одновременно очень низким GWP. В конечном итоге, это позволяет заменять стандартный изоляционный газ с высокими рабочими параметрами на изолирующую среду, которая имеет очень низкий GWP, не требуя нагревания системы или установления давления наполнения выше стандартно используемых значений давления.
По сравнению с фторкетонами, имеющими более длинную цепь с больше, чем 5 углеродными атомами, фторкетоны, содержащие 5 углеродных атомов, обладают преимуществом в виде относительно низкой точки кипения, что позволяет иметь относительно большую молярную долю таких фторкетонов с 5 атомами углерода в изолирующей среде и избежать проблему сжижения даже при низких температурах.
Фторкетоны, содержащие 5 или более углеродных атомов, являются более благоприятными, поскольку они в целом нетоксичны. В этом состоит отличие от фторкетонов, которые имеют меньше чем 4 углеродных атома, таких как гексафторацетон (или гексафторпропанон), которые токсичны и обладают высокой реакционной способностью.
В вариантах осуществления по данному изобретению фторкетоны, имеющие разветвленную алкиловую цепь, предпочтительны, поскольку их точки кипения ниже, чем точки кипения соответствующих соединений (т.е. соединений с той же молекулярной формулой), имеющих неразветвленную алкиловую цепь.
5
10
Согласно предпочтительному варианту осуществления, фторкетон a) представляет собой перфторкетон, в частности, имеет молекулярную формулу CFO, т.е. является полностью насыщенным без двойных или тройных связей. Фторкетон a) более предпочтительно может быть выбран из группы, состоящей из 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-она (также называемого декафтор-3-метилбутан-2-оном), 1,1,1,3,3,4,4,5,5,5-декафторпентан-2-она, 1,1,1,2,2,4,4,5,5,5-декафторпентан-3-она, 1,1,1,4,4,5,5,5,-октафтор-3-бис(трифторметил)пентан-2-он; и наиболее предпочтительно представляет собой 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-он.
1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-он может быть представлен следующей структурной формулой (I):
3
3
2
5
10
Обнаружено, что 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-он, подпадающий под и здесь вкратце приводимый под обобщающим термином «C5-кетон» (то есть фторкетон, содержащий ровно 5 углеродных атомов), с молекулярной формулой CFC(O)CF(CF) или CFO, является особенно предпочтительным для применения в изоляции для высокого и среднего напряжений, поскольку он обладает преимуществами в виде высоких диэлектрических изоляционных рабочих параметров, в частности, в смесях с диэлектрическим компонентом газа-носителя b), обладает очень низким GWP и имеет низкую точку кипения. Он обладает потенциалом сокращения озонового слоя 0 и является практически нетоксичным.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, молярная доля C5-кетона в изолирующей среде находится в диапазоне приблизительно от 5% приблизительно до 15%, предпочтительно приблизительно от 6% приблизительно до 10%, когда используют стандартные значения давления наполнения GIS для высокого напряжения, и приблизительно от 10% до 40%, когда используют стандартные значения давления наполнения GIS для среднего напряжения. Такие диапазоны молярных отношений обладают таким преимуществом, что сжижение фторкетона не возникает, даже если изолирующую среду используют при низкой температуре окружающей среды, например, плоть до температур меньше чем 0°C, в частности вплоть до -5°C.
Согласно другим вариантам осуществления, молярная доля C5-кетона в изолирующей среде составляет больше, чем 1%, предпочтительно больше, чем 2%, более предпочтительно больше, чем 3%, даже более предпочтительно больше, чем 3,5%.
Согласно другим вариантам осуществления, C5-кетон находится в газовой фазе в изолирующей среде при рабочих условиях.
Предпочтительно, диэлектрическая изолирующая среда представляет собой диэлектрический изоляционный газ при повышенном давлении меньше чем 8 бар, предпочтительно меньше чем 7,5 бар, более предпочтительно меньше чем 7 бар, в частности, равном или меньше чем 6,5 бар; или диэлектрическая изолирующая среда представляет собой диэлектрический изоляционный газ при повышенном давлении меньше чем 2,5 бар, предпочтительно меньше чем 2,0 бар, более предпочтительно меньше чем 1,5 бар, в частности, равном или меньше чем 1,2 бар.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, даже более высоких изоляционных возможностей можно достичь посредством объединения смеси фторкетона a) и компонента диэлектрического изоляционного газа b) в соответствии с настоящим изобретением с
c) дополнительным фторкетоном, здесь вкратце называемым «фторкетон c)», отличным от фторкетона a), и предпочтительно также отличным от компонента диэлектрического изоляционного газа b).
Снова «отличный от» означает то, что он не подпадает под определение фторкетона a), имеющего точно 5 углеродных атомов, и предпочтительно то, что он не подпадает под определение изоляционного компонента газа b), в частности, то, что он не представляет собой объемный газ или буферный газ или газ-носитель.
Как показано ниже применительно к фигурам, выраженное нелинейное увеличение обнаружено для вариантов осуществления, для которых фторкетон c), в частности, фторкетон, содержащий 6 углеродных атомов, отличается от компонента диэлектрического изоляционного газа b), другими словами, для сред, которые помимо фторкетонов a) и c) содержат компонент диэлектрического изоляционного газа b), отличный от фторкетонов a) и c).
Таким образом, можно получить изолирующую среду, которая имеет больше, чем один фторкетон, каждый из которых сам по себе вносит вклад в электрическую прочность диэлектрической изолирующей среды. В этом варианте осуществления особенно предпочтительно, что каждый фторкетон, содержащийся в смеси, имеет парциальное давление, которое соответствует по меньшей мере его давлению насыщенного пара по меньшей мере при минимальной рабочей температуре диэлектрической изолирующей среды или электрического аппарата, содержащего диэлектрическую изолирующую среду, соответственно; таким образом, высокое общее молярное отношение фторкетона можно получать и поддерживать в газовой фазе, что позволяет добиваться очень высокой электрической прочности диэлектрической изолирующей среды.
Указанный дополнительный фторкетон c) предпочтительно содержит точно 5 углеродных атомов или точно 6 углеродных атомов, или точно 7 углеродных атомов, или точно 8 углеродных атомов и более предпочтительно содержит от 5 до 7 углеродных атомов, наиболее предпочтительно - точно 6 углеродных атомов.
Предпочтительно, дополнительный фторкетон c) представляет собой по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединений, определяемых следующими структурными формулами, в которых по меньшей мере один атом водорода замещен атомом фтора:
и/или представляет собой по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединений, определяемых следующими структурными формулами, в которых по меньшей мере один атом водорода замещен атомом фтора:
Настоящее изобретение относится к каждой комбинации любых из соединений согласно структурным формулам с Ia до Id с любыми из соединений согласно структурным формулам с IIa до IIg и/или с IIIa до IIIn.
Более предпочтительно, фторкетон c) содержит точно 6 углеродных атомов; такой фторкетон является нетоксичным, с большим запасом для безопасности людей.
В вариантах осуществления фторкетон c), подобно фторкетону a), представляет собой перфторкетон и/или фторкетон c) имеет разветвленную алкиловую цепь, в частности, по меньшей мере частично фторированную алкиловую цепь, и/или фторкетон c) содержит полностью насыщенные соединения.
6
12
В частности, фторкетон c) имеет молекулярную формулу CFO, т.е. является полностью насыщенным без двойных или тройных связей. Более предпочтительно, фторкетон c) может быть выбран из группы, состоящей из 1,1,1,2,4,4,5,5,5-нонафтор-2-(трифторметил)пентан-3-она (также называемого додекафтор-2-метилпентан-3-оном), 1,1,1,3,3,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)пентан-2-она (также называемого додекафтор-4-метилпентан-2-оном), 1,1,1,3,4,4,5,5,5-нонафтор-3-(трифторметил)пентан-2-она (также называемого додекафтор-3-метилпентан-2-оном), 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-бис-(трифторметил)бутан-2-она (также называемого додекафтор-3,3-(диметил)бутан-2-оном), додекафторгексан-2-она и додекафторгексан-3-она, и, в частности, представляет собой упомянутый 1,1,1,2,4,4,5,5,5-нонафтор-2-(трифторметил)пентан-3-он.
1,1,1,2,4,4,5,5,5-Нонафтор-2-(трифторметил)пентан-3-он (также называемый додекафтор-2-метилпентан-3-оном) может быть представлен следующей структурной формулой (II):
2
5
3
2
Обнаружено, что 1,1,1,2,4,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)пентан-3-он, подпадающий под и здесь вкратце приводимый посредством более общего термина «C6-кетон» (то есть фторкетон, содержащий ровно 6 углеродных атомов), с молекулярной формулой CFC(O)CF(CF) является особенно предпочтительным для применений в изоляции при высоком напряжении, в силу его высоких изолирующих свойств и его чрезвычайно низкого GWP. Он обладает потенциалом сокращения озонового слоя 0 и нетоксичен (LC50 4 часа приблизительно 100’000 м.д.). Таким образом, воздействие на окружающую среду значительно ниже, чем у стандартных изоляционных газов, и одновременно достигают значительного запаса безопасности людей.
Предпочтительно, молярная доля фторкетона c) в изолирующей среде будет находиться в диапазоне приблизительно от 1% приблизительно до 15%, предпочтительно приблизительно от 1% приблизительно до 10%, более предпочтительно приблизительно от 1% приблизительно до 4%, наиболее предпочтительно от 1% до 3%, во избежание сжижения фторкетона при низких температурах, например, вплоть до температур меньше чем 0°C, например, вплоть до -5°C.
В вариантах осуществления молярную долю фторкетона c) в изолирующей среде выбирают так, чтобы она была больше, чем 0,1%, предпочтительно больше, чем 0,5%, более предпочтительно больше, чем 1%, в частности, больше, чем 2%.
Предпочтительно, молярная доля фторкетона c) в изолирующей среде находится в диапазоне от 1% до 15%, более предпочтительно от 1% до 10%, наиболее предпочтительно от 1% до 3%.
6
К удивлению, обнаружено, что посредством смеси C5-кетона и C6-кетона с компонентом диэлектрического изоляционного газа b) создают изолирующую среду, которая показывает при умеренных давлениях наполнения, равных или меньше чем 7 бар, сравнимые изоляционные рабочие параметры, как у SF при 4,5 бар или менее. Такое умеренное давление наполнения в целом выдерживают стандартные конструкции корпусов, которые обычно классифицированы для того, чтобы выдерживать блокирующие давления приблизительно до 8 бар.
В конкретном варианте осуществления, когда смешивают C5-кетон с C6-кетоном и воздухом, получают диэлектрическую изолирующую среду, которая обеспечивает допустимое давление наполнения и достаточную электрическую прочность, не требуя какого-либо нагревания, даже при низких рабочих температурах, в частности, вплоть до минимальной рабочей температуры всего -5°C. В связи с очень низким GWP и нулевым ODP смесей фторкетонов с 5 атомами углерода и с 6 атомами углерода, получаемая изолирующая среда также полностью приемлема с точки зрения окружающей среды.
Как указано выше, изолирующую среду в соответствии с настоящим изобретением, в частности, можно использовать для электрических применений. Настоящее изобретение, таким образом, также относится к использованию описанной выше комбинации компонентов в качестве диэлектрической изолирующей среды в аппарате для генерации и/или передачи и/или распределения и/или использования электрической энергии.
Кроме того, на всем протяжении этой заявки, любое раскрытие и заявление диэлектрической изолирующей среды, содержащей фторкетон a) в соответствии с настоящим изобретением и с какими-либо вариантами осуществления, также представляет собой раскрытие применения такого фторкетона a) в или в качестве диэлектрической изолирующей среды, и это применение в явной форме раскрыто в данном описании и может быть заявлено как пункт формулы изобретения на применение, в частности, с помощью замены термина «диэлектрическая изолирующая среда, содержащая фторкетон a)», на термин «применение фторкетона a) в качестве диэлектрической изолирующей среды».
Аналогичным образом, настоящее изобретение также относится к аппарату для генерации и/или передачи, и/или распределения, и/или использования электрической энергии, указанный аппарат содержит корпус, определяющий изолирующее пространство и электрически активную часть, расположенную в изолирующем пространстве. Это изолирующее пространство содержит изолирующую среду, описанную выше.
Термин «электрически активная часть» в этой заявке следует широко интерпретировать, включая какой-либо тип проводника, конструкцию проводника, распределитель, проводящий компонент, разрядник и т.п., и, кроме того, его следует понимать как какую-либо часть, которую можно активировать электрически, т.е. на нее можно подавать напряжение, по меньшей мере в одном рабочем состоянии, т.е. другие временно неактивные рабочие состояния или локально неактивные рабочие состояния части все еще могут иметь место.
В частности, аппарат по настоящему изобретению относится к распределительному оборудованию, в частности, к распределительному оборудованию в металлической (или иной) оболочке с воздушной изоляцией или с газовой изоляцией или к гибридному (т.е. частично с воздушной изоляцией и частично с газовой изоляцией) распределительному оборудованию или к блочному распределительному оборудованию среднего напряжения, или к кольцевому основному блоку, или к баковому прерывателю, или к модулю PASS (модуль штепселя и переключателя), или к его части и/или компоненту, в частности, к электрической шине, выводу, кабелю, кабелю с газовой изоляцией, кабельному соединению, токовому трансформатору, трансформатору напряжения и/или разряднику. Также возможна линия передач с газовой изоляцией (GITL).
Распределительное оборудование, в частности, распределительное оборудование с газовой изоляцией (GIS), как таковое хорошо известно специалистам в данной области. Пример распределительного оборудования, для которого настоящее изобретение особенно хорошо подходит, представляет собой, например, показанное в EP-A-1933432, параграфы с [0011] по [0015], описание которого включено в данное описание посредством ссылки.
4
Кроме того, предпочтительно, что аппарат представляет собой переключатель, в частности, заземляющий переключатель (например, быстродействующий заземляющий переключатель), разъединитель, комбинированный разъединитель и заземляющий переключатель, прерыватель нагрузки или прерыватель цепи, в частности прерыватель цепи среднего напряжения, прерыватель цепи генератора и/или прерыватель цепи высокого напряжения. В частности, прерыватель цепи высокого напряжения может иметь камеру подъема давления, например, камеру сжатия и/или нагревательную камеру для предоставления эффекта дутья, где при работе распределителя фторкетон или фторкетоны разлагаются на фторуглеродные соединения, имеющие более низкое число углеродных атомов, предпочтительно, в камере подъема давления и/или в области горения электрической дуги, во время фазы гашения дуги. Такое молекулярное разложение смеси или смесей фторкетонов может делать возможным дальнейшее повышение числа молекул и, таким образом, давления, которое доступно для гашения дуги. Также молекулярное разложение фторкетона(ов) также происходит в области горения электрической дуги, которое дополнительно повышает давление дутья для гашения электрической дуги. Смесь или смеси фторкетонов также помогают в области выхлопа прерывателя цепи, поскольку достаточно низкая температура диссоциации не диссоциировавших фторкетонов от приблизительно 400°C до приблизительно 600°C или даже 900°C выполняет функцию температурного барьера в выхлопном газе. Другими словами, тепловую энергию в выхлопном газе можно поглощать посредством диссоциации недиссоциировавших фторкетонов в выхлопе, что предотвращает дальнейшее повышение температуры в области выхлопа выше температуры диссоциации фторкетона. Таким образом, диэлектрическая изоляция согласно этому применению имеет хорошую способность гашения электрической дуги. Без какого-либо намерения ограничиваться теорией, допускают, что эта способность гашения электрической дуги может быть по меньшей мере частично приписана рекомбинации продуктов диссоциации фторкетона внутри области горения электрической дуги, например, преимущественно в тетрафторметан (CF), который хорошо известен как высокоэффективная среда гашения электрической дуги.
В частности, при использовании в качестве среды гашения электрической дуги диэлектрическая изолирующая среда в соответствии с настоящим изобретением содержит диоксид углерода и/или воздух или кислород. Как отмечено выше, присутствие кислорода или воздуха позволяет добиться уменьшения отложений углерода на электродах, в частности, когда диоксид углерода используют в качестве дополнительного компонента газа.
Количество токсичных побочных продуктов электрической дуги, которые могут специфически образовываться в связи с разложением фторкетона и затем будут присутствовать после работы распределителя, также можно снизить или предотвратить с помощью воздуха или кислорода.
Предпочтительно, отношение молярной доли кислорода к молярной доле по меньшей мере одного фторкетона a) и необязательно c) составляет по меньшей мере 2:1, более предпочтительно по меньшей мере 2,5:1, даже более предпочтительно по меньшей мере 3:1.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, объемная доля кислорода составляет 40% или менее, предпочтительно менее 30%, более предпочтительно менее 20%.
В частности, когда диэлектрическую изолирующую среду, содержащую фторкетон в смеси с диоксидом углерода и/или воздухом или кислородом, используют в качестве среды гашения электрической дуги, отношение количества диоксида углерода к количеству воздуха или кислорода предпочтительно составляет самое большее 20:1, более предпочтительно самое большее 15:1, даже более предпочтительно самое большее 10:1, наиболее предпочтительно самое большее 5:1. Как указано выше, отношение молярной доли кислорода к молярной доле фторкетона a) и необязательно дополнительного фторкетона c) предпочтительно составляет по меньшей мере 2:1, более предпочтительно по меньшей мере 2,5:1, наиболее предпочтительно по меньшей мере 3:1.
4
В вариантах осуществления тетрафторметан (CF) также можно использовать в качестве компонента диэлектрического изоляционного газа b) или в качестве элемента компонента диэлектрического изоляционного газа b1).
Как отмечено, помимо диэлектрической изолирующей среды и применения, описанных выше, настоящее изобретение также относится к аппарату для генерации и/или передаче, и/или распределения, и/или использования электрической энергии, указанный аппарат содержит корпус, определяющий изолирующее пространство и электрически активную часть, размещенную в изолирующем пространстве, указанное изолирующее пространство содержит изолирующую среду, отличающуюся диэлектрической изолирующей средой, как определено выше.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, аппарат представляет собой распределительное оборудование, в частности, распределительное оборудование в металлической оболочке с воздушной изоляцией или с газовой изоляцией или гибридное распределительное оборудование, или блочное распределительное оборудование среднего напряжения, или кольцевой основной блок, или баковый прерыватель, или модуль PASS (модуль штепселя и переключателя) или его часть или компонент, в частности, электрическую шину, вывод, кабель, кабель с газовой изоляцией, кабельное соединение, токовый трансформатор, трансформатор напряжения и/или разрядник.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления, аппарат представляет собой переключатель, в частности, заземляющий переключатель, разъединитель, комбинированный разъединитель и заземляющий переключатель, прерыватель нагрузки и/или прерыватель цепи.
Как указано выше, особенно предпочтительно, чтобы аппарат представлял собой прерыватель цепи высокого напряжения, который имеет камеру подъема давления для предоставления газа гашения электрической дуги под давлением, в частности содержащего
a) фторкетон a) в смеси с
b1) диоксидом углерода и/или
b2) с воздухом или с кислородом,
и чтобы при работе распределителя фторкетон разлагался на фторуглеродные соединения, содержащие более низкое число углеродных атомов, во время фазы гашения дуги. Также, как указано выше, комбинированное использование диоксида углерода с воздухом или кислородом является особенно предпочтительным в связи с уменьшением отложений углерода на электродах и количества токсичных побочных продуктов электрической дуги, которое тем самым достигается.
Аналогично указанному выше, особенно предпочтительный газ гашения электрической дуги дополнительно может содержать дополнительный фторкетон c), в частности, содержащий 6 углеродных атомов, в дополнение к диоксиду углерода и/или воздуху или кислороду.
Согласно другому варианту осуществления, аппарат может представлять собой трансформатор, в частности, распределительный трансформатор или силовой трансформатор.
Согласно другим вариантам осуществления, аппарат также может представлять собой, например, электрическую вращающуюся машину, генератор, двигатель, привод, полупроводниковое устройство, силовое электронное устройство и/или его компонент.
Изобретение, в частности, относится к среде или аппарату высокого напряжения. Термин «среднее напряжение», как используют в настоящем документе, относится к напряжению в диапазоне от 1 кВ до 72 кВ, тогда как термин «высокое напряжение» относится к напряжению больше, чем 72 кВ. Также возможны применения в диапазоне низких напряжений ниже 1 кВ.
Для того, чтобы добиться желаемого диэлектрического класса аппарата, таких как необходимая диэлектрическая устойчивость и рабочий диапазон температур, аппарат может содержать блок управления (также обозначаемый как «система управления текучим веществом») для управления отдельно или в комбинации: композицией, в частности, химической композицией или физическим фазовым составом, таким как двухфазная система газ/жидкость и/или температурой изолирующей среды и/или абсолютным давлением наполнения, плотностью газа, парциальным давлением и/или парциальной плотностью газа изолирующей среды или по меньшей мере одного из ее компонентов, соответственно. В частности, блок управления может содержать нагреватель и/или испаритель для того, чтобы управлять давлением пара компонентов изолирующей среды в соответствии с изобретением, которое имеет особое значение для применения при низкой температуре окружающей среды ниже приблизительно до -20°C. Испаритель может представлять собой, например, ультразвуковой испаритель или может содержать распыляющее сопло для распыления изолирующей среды внутрь аппарата.
В примере варианта осуществления, в частности, для применений при высоком напряжении в окружающей среде с низкой температурой, парциальное давление фторкетона(ов), в частности, фторкетона a) и/или c), можно обеспечивать в изолирующей среде посредством нагревания и/или испарения так, что парциальное давление фторкетона поддерживают на желаемом уровне давления.
Если используют испаритель, он также должен содержать дозирующий блок для того, чтобы задавать концентрацию фторкетона(ов), в частности, фторкетона a) и/или c), в изолирующей среде в соответствии с необходимой диэлектрической изоляционной способностью или электрической прочностью. Термин «диэлектрическая изоляционная способность» или «электрическая прочность» в этой заявке следует понимать широко и они могут включать более конкретное определение характеристик посредством напряженности поля при электрическом пробое, которую можно определять при конкретных условиях измерения. Это показано в качестве примера более подробно ниже для среды или распределительного оборудования высокого напряжения с газовой изоляцией. Кроме того, блок управления может содержать измерительный блок для измерения параметров управления, таких как температура, плотность, давление и/или композиция, в частности, уровень жидкой фазы - и/или блок мониторинга для мониторинга таких параметров.
Согласно дополнительному аспекту настоящее изобретение также относится к способу определения размеров электрического аппарата, при этом способ определения размеров отличается стадиями
app
min
max
max
а) выбора аппарата, имеющего класс, отличающийся параметрами классификации, которые включают напряженность электрического поля E, необходимую в пространстве, подлежащем заполнению диэлектрической изолирующей средой, минимально допустимую рабочую температуру T, максимальную допустимую рабочую температуру T и максимальное допустимое давление газа p,
b) выбора диэлектрического изоляционного газа, содержащего фторкетон в смеси с компонентом диэлектрического изоляционного газа b), отличного от указанного фторкетона, при этом смесь имеет нелинейно увеличенную электрическую прочность, характеризующуюся синергическим коэффициентом s,
a
a
crit,a
b
b
crit,b
с) при этом диэлектрический изоляционный газ, в частности, смесь, имеет характеристические параметры, определяемые типом, парциальным давлением p или, в частности, соответствующей численной плотностью или объемной концентрацией, или молярной долей m, и напряженностью E поля при электрическом пробое при пониженном давлении фторкетона, и типом, парциальным давлением p или, в частности, соответствующей численной плотностью или объемной концентрацией, или молярной долей m, и напряженностью E поля при электрическом пробое при пониженном давлении компонента газа b),
lin.calc.
a
crit,a
crit,b
d) вычисления линейной напряженности Ebd поля при пробое при пониженном давлении диэлектрического изоляционного газа, в частности смеси, как функции парциального давления p фторкетона посредством взвешенной по парциальному давлению суммы напряженностей E и E поля при электрическом пробое при пониженном давлении,
app
lin.calc.
abs
a
a
e) определения по напряженности E электрического поля и по линейной напряженности Ebdполя при пробое при пониженном давлении кривой абсолютного давления p(p) диэлектрического изоляционного газа в качестве функции парциального давления p фторкетона,
abs
abs
a
a1
a1
f) выбора абсолютного давления наполнения p изоляционного газа при стандартной температуре и определения по нему и по кривой абсолютного давления p(p) первого парциального давления p или, в частности, первой соответствующей численной плотности или молярной доли m, фторкетона, и
g) расширения по меньшей мере одного из параметров классификации электрического аппарата за счет синергического коэффициента смеси, составляющего больше, чем 1.
Поскольку в целом предпочтительно, чтобы не происходило сжижение фторкетона, способ дополнительно содержит стадии:
a2
min
a) определения второго парциального давления p или, в частности, второй соответствующей численной плотностифторкетона так, чтобы температура конденсации фторкетона в изоляционном газе была ниже минимально допустимой рабочей температуры T, и
a
a1
a
a2
a1
a2
b) выбора парциального давления p фторкетона в таком диапазоне, что p≤p≤p, если первое парциальное давление p равно второму парциальному давлению p или ниже него, или
a1
a2
c) если первое парциальное давление p больше, чем второе парциальное давление p, то:
a
a2
abs
abs
abs
a2
b
i. выбор парциального давления p фторкетона, которое меньше или равно второму парциальному давлению p, и повышение абсолютного давления p, в частности, повышение абсолютного давления p, равного p(p), посредством повышения парциального давления p компонента диэлектрического изоляционного газа b), и/или
min
a2
a2
a1
a
a1
a
a2
ii. повышение минимальной или минимально допустимой рабочей температуры T посредством нагревания и тем самым повышение второго парциального давления p до более высокого значения и, в частности, повышение второго парциального давления p до значения, которое равно первому парциальному давлению p или выше него, и затем выбор парциального давления p фторкетона в таком диапазоне, что p≤p≤p.
abs
a
Следует отметить, что кривая абсолютного давления p(p) представляет собой возрастающую функцию при снижении парциального давления фторкетона, поскольку и до тех пор пока напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении больше для фторкетона, чем для диэлектрического изоляционного компонента b).
min
Если в дополнение к фторкетону a) используют дополнительный фторкетон c), способ следует осуществлять аналогично с дополнительной стадией, на которой парциальные давления обоих фторкетонов следует вычислять для того, чтобы гарантировать, что оба фторкетона останутся в газовой фазе по меньшей мере вплоть до T аппарата.
В примерах вариантов осуществления способ дополнительно содержит стадии:
a
b
а) определения значения синергического коэффициента s для смеси, в частности, для отношения парциального давления p фторкетона к парциальному давлению p диэлектрического компонента газа b), и
app
min
abs
a
a
b) осуществления расширения класса посредством по меньшей мере одной из следующих стадий: повышения напряженности электрического поля E, снижения минимально допустимой рабочей температуры T, снижения абсолютного давления наполнения p, уменьшения парциального давления p или молярной доли m фторкетона, увеличения запаса безопасности и их сочетаний.
app
max
В указанном выше максимальная напряженность электрического поля E может быть определена так, чтобы иметь запас безопасности. Абсолютное давление наполнения должно быть выбрано ниже максимально допустимого давления газа p. Кроме того, фторкетон предпочтительно может представлять собой фторкетон a), содержащий точно 5 углеродных атомов, и/или он может представлять собой фторкетон, содержащий точно 6 углеродных атомов. Предпочтительно, диэлектрический компонент газа b) может содержать по меньшей мере одно из: воздуха, азота, диоксида углерода и их смесей.
Кроме того, изложенные выше стадии способа определения размеров также представляют собой характерные признаки самого электрического аппарата, соответствующие пунктам формулы изобретения, настоящим изложенные в качестве части этого описания.
Изобретение дополнительно проиллюстрировано посредством следующих фигур, на которых
на фиг.1 изображено графическое представление измеренных и вычисленных напряжений пробоя воздуха и диэлектрических изоляционных газовых смесей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения в виде функции от полного абсолютного давления наполнения системы;
6
на фиг.2 приведено графическое представление давления наполнения, необходимого для достижения тех же изоляционных рабочих параметров, что и у SF при 4,5 бар, при использовании фторкетона, содержащего 5 углеродных атомов, в воздухе, фторкетона, содержащего 6 углеродных атомов, в воздухе, и фторкетона, содержащего 5 углеродных атомов, и фторкетона, содержащего 6 углеродных атомов, в воздухе в качестве изолирующей среды;
на фиг.3 представлено чисто схематическое представление распределительного оборудования высокого напряжения с газовой изоляцией согласно одному из вариантов осуществления, содержащего блок управления температурой;
на фиг.4 представлено чисто схематическое представление распределительного оборудования высокого напряжения с газовой изоляцией согласно одному из вариантов осуществления, содержащего блок манипуляций текучим веществом;
на фиг.5 представлен стандартный разъединитель, заполненный примером варианта осуществления диэлектрической изолирующей среды;
на фиг.6 представлено время горения электрической дуги (произвольные единицы) в тесте на переключение передачи тока по шине с использованием стандартного разъединителя, заполненного примером варианта осуществления диэлектрической изолирующей среды (ромбы) и заполненного стандартной изолирующей средой (треугольники);
на фиг.7a, 7b представлены результаты тестов подъема температуры в секции электрической шины, заполненной образцовой изолирующей средой (ромбы) и заполненной стандартной изолирующей средой (треугольники);
на фиг.8 представлена схематическая диаграмма токсичности (произвольные единицы, слева) и точек кипения (справа) в качестве функции от числа углеродных атомов, содержащихся во фторкетоне;
на фиг.9 представлено схематическое изображение поперечных сечений для рассеивания электронов в газе-носителе для ионизации фторкетона в качестве функции энергии электрона,
на фиг.10 приведено графическое представление синергического коэффициента s в качестве функции от полного давления для различных диэлектрических изолирующих сред с воздухом или без него;
на фиг.11a и 11b приведены графические представления измеренных и вычисленных напряжений пробоя U50 примеров диэлектрических изолирующих сред согласно этому применению в однородных полях в качестве функции давления или содержания фторкетона, соответственно, и
на фиг.12 приведено графическое представление напряженности поля при электрическом пробое для примеров диэлектрических изолирующих сред, содержащих фторкетон и воздух с различными отношениями парциальных давлений в качестве функции температуры конденсации.
Далее рассмотрены примеры вариантов осуществления изобретения:
Электрические напряженности поля для чистых газов, необходимые в качестве входных данных для вычисления графического представления полей пробоя нескольких газовых смесей, приведенных на фиг.1, определяли посредством осуществления диэлектрических тестов с использованием тестового устройства, которое предоставляет условия репрезентативных полей, и, в частности, примеры условий однородных полей. Вычисленные значения приведены пунктирными линиями.
Согласно фиг.1, напряжение пробоя, достигаемое посредством добавления приблизительно 100 мбар, более точно 96 мбар, C6-кетона в воздух (смесь I), как вычисляли, было повышено приблизительно на от 10% до 15% по сравнению с чистым воздухом (и при 4,0 бар составляет приблизительно 140 кВ/см); напряжение пробоя, получаемое посредством добавления приблизительно 350 мбар, более точно 325 мбар, C5-кетона к воздуху (смесь II), как вычисляли, было повышено приблизительно на от 30% до 40% по сравнению с чистым воздухом (и при 4,0 бар составляет приблизительно 170 кВ/см), и напряжение пробоя, получаемое посредством добавления приблизительно 100 мбар C6-кетона и приблизительно 350 мбар C5-кетона к воздуху (смесь III), как вычисляли, было повышено приблизительно на от 40% до 50% по сравнению с чистым воздухом (и при 4,0 бар составляет приблизительно 190 кВ/см).
bd
bd
Однако для изолирующих сред согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, в частности, для газовой смеси II, измеряемые значения напряжения пробоя значительно выше, чем вычисляемые значения, как представлено на фиг.1 непрерывными линиями. Это доказывает, что между C5-кетоном и воздухом или схожим газом имеет место сильное нелинейное взаимодействие, которое значительно улучшает диэлектрическую изоляционную способность, здесь представленную электрическими напряженностями поля E в кВ/см газовой смеси при пробое, относительно арифметической суммы диэлектрических изоляционных способностей, здесь представленных электрическими напряженностями поля E в кВ/см, отдельных компонентов газовой смеси. Схожие результаты обнаружены для смеси I.
В частности, измеряемое поле пробоя, получаемое для газовой смеси II, приблизительно на от 60% до 80% выше, чем поле пробоя чистого воздуха (и при 4,0 бар составляет приблизительно 230 кВ/см), и измеряемое поле пробоя, получаемое для газовой смеси III, приблизительно на от 75% до 95% выше, чем поле пробоя чистого воздуха (и при 4,0 бар составляет приблизительно 260 кВ/см). Эти улучшения, таким образом, значительно выше, чем улучшения, ожидаемые от линейного суммирования полей пробоя компонентов газовой смеси, которое приводило бы к диэлектрическим полям пробоя, повышенным только на от 30% до 40% для газовой смеси II и на от 40% до 50% для газовой смеси III по сравнению с чистым воздухом.
Также измеренное поле пробоя, получаемое для газовой смеси I, приблизительно на от 30% до 50% выше, чем поле пробоя чистого воздуха (и при 4,0 бар составляет приблизительно 180 кВ/см), которое выше, чем ожидаемые улучшения на от 10% до 15% для газовой смеси I по сравнению с чистым воздухом.
Значения поля пробоя согласно фиг.1 измеряли при осуществлении стандартного диэлектрического теста с грозовым импульсом отрицательной полярности, используя тестовое устройство с однородной конфигурацией поля.
2
Осуществляли стандартные диэлектрические тесты с грозовым импульсом положительной полярности и диэлектрические тесты с переменным током с использованием схожих газовых смесей I, II и III, при различных комбинациях конфигураций полей, давлений наполнения и контактных расстояний, которые давали схожие результаты, подтверждающие синергический эффект между C5-кетоном и C6-кетоном с воздухом и другими газами, такими как CO.
6
6
6
6
На фиг.2 представлено давление наполнения, необходимое для газовых смесей I, II и III, соответственно, для достижения тех же изоляционных рабочих параметров, что и у SF при 4,5 бар. На фиг.2 представлено требуемое давление наполнения для различных смесей в качестве функции от температуры. Следовательно, фиг.2 можно использовать для того, чтобы определять диэлектрическую изолирующую среду для работы без сжижения посредством: на первой стадии определения минимальной рабочей температуры диэлектрической изолирующей среды или электрического аппарата, соответственно; на второй стадии определения давления пара каждого фторкетонового компонента в смеси, которое обеспечивает отсутствие сжижения фторкетона(ов) при минимальной рабочей температуре; на третьей стадии использования фиг.2 для определения полного давления газа, необходимого для достижения тех же или схожих изоляционных рабочих параметров, как у SF при 4,5 бар; и на четвертой стадии добавления газа-носителя, здесь воздуха или компонентов воздуха, в таком количестве, что сумма парциальных давлений фторкетонов и давления газа-носителя достигает полного давления газа. Кроме того, фиг.2 подтверждает, что желаемые изоляционные рабочие параметры, соответствующие 4,5 бар чистого SF при -5°C, достижимы с использованием изолирующей среды, содержащей воздух, C5-кетон и C6-кетон при давлении наполнения приблизительно 6,5 бар. Такое давление наполнения находится в обычном диапазоне давлений современных распределительных аппаратов с газовой изоляцией или их части и/или компонента. При минимально допустимой рабочей температуре, например, -5°C, указанная изолирующая среда, таким образом, позволяет достичь изоляционных возможностей, схожих с таковыми у SF при 4,5 бар, не требуя какой-либо модификации стандартных электрических аппаратов, в частности, оболочек или корпусов, чтобы выдержать такие давления, которые не выше, чем стандартные давления наполнения. Для электрического оборудования, такого как распределительное оборудование высокого напряжения или его часть и/или компонент, экологически очень привлекательный и эквивалентный в отношении изоляционных рабочих параметров заменитель для стандартных изолирующих сред с высокими рабочими параметрами, таким образом, можно предоставить, задавая давление наполнения газовой смеси, содержащей воздух и фторкетон с 5 атомами углерода и необязательно фторкетон с 6 атомами углерода, приблизительно до 6,5 бар.
Помимо конкретной диэлектрической изолирующей среды, настоящее изобретение также относится к электрическому аппарату, как указано выше. Предпочтительно, аппарат содержит блок управления (или «систему управления текучим веществом») для того, чтобы адаптировать давление, композицию и/или температуру изолирующей среды. Это имеет особое значение для применений в окружающей среде с температурой всего -20°C.
min
a
a
abs
В качестве примера, распределительное оборудование высокого напряжения, содержащее блок управления температурой, представлено на фиг.3. Распределительное оборудование 2 содержит корпус 4, определяющий изолирующее пространство 6, и электрически активную часть 8, расположенную внутри изолирующего пространства 6. Распределительное оборудование 2 дополнительно содержит блок 10a управления температурой для того, чтобы задавать в корпусе 4, или по меньшей мере в части корпуса 4, распределительного оборудования 2 и, таким образом, в изолирующей среде, содержащейся в изолирующем пространстве 6, желаемую температуру или минимальную (или минимально допустимую) рабочую температуру T. Конечно, какую-либо другую часть в контакте с изолирующей средой можно нагревать для того, чтобы доводить изолирующую среду до желаемой температуры. Таким образом, давление пара фторкетона и, следовательно, его парциальное давление p или молярную долю m в изоляционном газе, а также абсолютное давление p изоляционного газа можно адаптировать соответствующим образом. Также, как показано на фиг.4, фторкетон в этом варианте осуществления не равномерно распределен на всем протяжении изолирующего пространства в связи с температурным градиентом, заданным в изоляционном пространстве 6. Таким образом, концентрация фторкетона выше в непосредственной близости к стенкам 4’ корпуса 4.
Альтернативный блок управления или система управления текучим веществом схематически представлена на фиг.4, на которой блок 10b манипуляций текучим веществом относится к распределительному оборудованию 2 с газовой изоляцией в качестве блока управления. В соответствии с этим блоком управления 10b, композиция изолирующей среды и, в частности, концентрация фторкетона в ней, в частности, фторкетона a) и/или фторкетона c), корректируют в дозирующем блоке, содержащемся в блоке 10b манипуляций текучим веществом, и получаемую изолирующую среду инжектируют или вводят, в частности, распыляют, внутрь изолирующего пространства 6. В варианте осуществления, представленном на фиг.4, изолирующую среду распыляют внутрь изолирующего пространства в форме аэрозоля 14, в котором маленькие капельки жидкого фторкетона диспергированы в соответствующем газе-носителе. Аэрозоль 14 распыляют в изолирующее пространство 6 посредством сопел 16 и происходит быстрое испарение фторкетона, результатом чего, таким образом, является изолирующее пространство 6 с неоднородной концентрацией фторкетона, в частности, с относительно высокой концентрацией в непосредственной близости от стенки 4’ корпуса, содержащей сопла 16. Альтернативно, изолирующей средой, в частности, концентрацией, давлением и/или температурой фторкетона a) и/или диэлектрического изоляционного газа b) и/или фторкетона c), можно управлять в блоке 10b манипуляций текучим веществом до инжектирования в изоляционное пространство. Для того, чтобы обеспечить циркуляцию газа, дополнительные отверстия 18 предоставлены в верхней стенке корпуса 4, указанные отверстия ведут в канал 20 в корпусе 4 и позволяют удалять изолирующую среду из изолирующего пространства 6. Распределительное оборудование 2 с блоком 10b манипуляций текучим веществом, как показано на фиг.4, можно комбинировать с блоком 10a управления температурой, описанным применительно к фиг.4. Если блок управления температурой не предоставлен, может происходить конденсация фторкетона. Конденсированный фторкетон можно собирать, если необходимо, фильтровать и повторно вводить в циркуляцию изолирующей среды. Кроме того, аппарат 2 может иметь резервный объем жидкого фторкетона, в частности, фторкетона a) (или C5-кетона) и/или фторкетона c) (или C6-кетона), и/или средство для ограничения максимально допустимой рабочей температуры желаемой изолирующей среды так, что абсолютное давление наполнения поддерживают ниже заданного предела давления аппарата 2.
В контексте распределительного оборудования 2, представленного на фиг.3 и фиг.4, следует отметить, что номинальная токовая нагрузка в целом облегчает испарение фторкетона, в частности, фторкетона a) (или C5-кетона) и/или фторкетона c) (или C6-кетона), посредством омического нагревания токонесущих проводников. Таким образом, использование блока управления температурой обычно необходимо только когда оборудование или аппарат (проводящий номинальный ток) не обеспечивает необходимую температуру для желаемого парциального давления фторкетона(ов), например, при очень низкой температуре окружающей среды.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления, термин «диэлектрическая изолирующая среда» в этом применении следует понимать широко для того, чтобы охватывать газовую фазу и, возможно, жидкую фазу диэлектрической изолирующей среды. Однако предпочтительно диэлектрическая изолирующая среда, т.е. все компоненты диэлектрической изолирующей среды должны присутствовать полностью и исключительно в газообразном состоянии при всех рабочих условиях, в частности, при всех рабочих температурах электрического аппарата. Кроме того, этот термин должен охватывать среду, которая обладает отличной диэлектрической изоляционной способностью или электрической прочностью, например, в распределительном оборудовании с газовой изоляцией (GIS) или в линиях передач с газовой изоляцией (GITL), и/или обладает высокими рабочими параметрами для гашения электрической дуги, например, дугового замыкания в GIS или GITL или переключательной дуги в переключателе, разъединителе, прерывателе цепи любого вида или тому подобном.
Осуществляли различные диэлектрические тесты для того, чтобы доказать исключительно высокую и нелинейно возрастающую электрическую прочность диэлектрической изолирующей среды в соответствии с данным изобретением. В частности, диэлектрическую среду, содержащую смесь фторкетона, содержащего точно 5 углеродных атомов, и фторкетона, содержащего точно 6 углеродных атомов, и воздух, в частности C5-фторкетон, C6-фторкетон и технический воздух, здесь кратко называемую смесью FCK-воздух, использовали в диэлектрическом тесте, который осуществляли в стандартном разъединителе распределительного оборудования с газовой изоляцией (GIS).
На фиг.5 представлен вариант осуществления распределительного оборудования 2, здесь в качестве примера комбинированный разъединитель и заземляющий переключатель 22, который имеет корпус 4, стенку 4’ корпуса, заключающего в оболочку изолирующее пространство 6, заполненное указанной выше газовой смесью FCK-воздух, и активные части 8. Также может присутствовать газовый датчик 24. Разъединитель 22 на первой стадии откачивали; на второй стадии C6-фторкетоном заполняли разъединитель 22 вплоть до давления приблизительно 100 мбар; на третьей стадии C5-фторкетоном дополнительно заполняли разъединитель 22 вплоть до полного давления приблизительно 460 мбар, т.е. при парциальном давлении C5-фторкетона 360 мбар; и на четвертой стадии техническим воздухом заполняли вплоть до полного абсолютного давления 7 бар. Эту смесь здесь вкратце называют FCK-воздух. Предпочтительно, газовый датчик 24, например, датчик 24 плотности газа или датчик 24 давления газа, присутствует и позволяет управлять давлением наполнения и/или парциальными давлениями газа в диэлектрической изолирующей среде. В принципе, порядок по меньшей мере второй и третьей стадии заполнения может быть изменен.
6
Разъединитель 22 представляет собой стандартную деталь (ELK-TK14), разработанную для расчетного напряжения 300 кВ, напряжения грозового импульса 1050 кВ и выдерживаемого напряжения промышленной частоты 460 кВ, согласно стандартам IEC 62271-203 и 62271-1, с давлением наполнения SF 4,5 бар абсолютное при 20°C.
Диэлектрические тесты, которые выполняли с этим разъединителем 22, заполненным указанной выше смесью FCK-воздух при 7 бар, подтвердили способность выдерживать диэлектрические тесты согласно стандарту IEC для расчетного напряжения 300 кВ. Все диэлектрические тесты осуществляли также согласно IEC 60060-1 (способы тестирования под высоким напряжением), который дополнительно регулирует условия тестирования и процедуры тестирования.
Разъединитель 22 с FCK-воздухом 7 бар успешно проходил без поверхностных пробоев тест на выдерживаемое напряжение промышленной частоты короткой длительности при СКЗ фазового напряжения 460 кВ, тест на выдерживаемое напряжение промышленной частоты короткой длительности при СКЗ 595 кВ для изолирующего расстояния, т.е. через разомкнутые контакты разъединителя 22, и тест на выдерживаемое напряжение грозового импульса для пикового напряжения 1050 кВ. Это дополнительно доказывает, что смесь FCK-воздух, содержащая фторкетон точно с 5 углеродными атомами, показывает исключительно высокую электрическую прочность или диэлектрические выдерживаемые напряжения также в конфигурациях неоднородных электрических полей, например, при распределении электрического поля, присутствующем в разъединителе 22 (ELK-TK14).
6
6
6.
6
На фиг.6 представлено время горения дуги в произвольных единицах в тесте на переключение передачи тока по шине согласно IEC 62271-102, который осуществляли в разъединителе 22, заполненном указанной выше смесью FCK-воздух 7 бар (ромбы). Использовали стандартные условия теста согласно IEC 62271-102, в частности, использовали передаваемый по шине ток 1600 A при передаваемом по шине напряжении 20 V. Результаты теста со стандартным диэлектрическим изоляционным газом SF при абсолютном давлении 4,5 бар показаны для сравнения (треугольники). Для улучшенного визуального сравнения средние значения для 10 точек измерения показаны в виде непрерывной линии для FCK-воздух и в виде штриховой линии для SF. Фиг.6 доказывает, что новая диэлектрическая изолирующая среда FCK-воздух имеет по меньшей мере те же рабочие параметры переключения передаваемого по шине тока, как у стандартно используемого SFКроме того, фиг.6 доказывает, что новая диэлектрическая изолирующая среда, содержащая FCK-воздух при абсолютном давлении 7 бар, обладает превосходной способностью гашения электрической дуги, в частности, здесь в контексте переключения передаваемого по шине тока, которая сравнима с или даже лучше, чем таковая у SF при абсолютном давлении 4,5 бар.
После осуществления 100 операций переключения передаваемого по шине тока диэлектрическую изоляционную способность подтверждали посредством осуществления проверки диэлектрического состояния согласно IEC 62271-203.
На фиг.7a, 7b представлены результаты тестов подъема температуры в секции электрической шины, заполненной образцом изолирующей средой (ромбы), здесь C5-фторкетоном при парциальном давлении 360 мбар плюс C6-фторкетон при парциальном давлении 100 мбар плюс приблизительно 4,0 бар технического воздуха; и для сравнения заполненной стандартной изолирующей средой (треугольники), здесь - SF6 при абсолютном давлении 4,5 бар. Тесты подъема температуры осуществляли при температуре окружающей среды приблизительно 20°C. Тесты осуществляли согласно IEC 62271-203 и IEC 62271-1.
6
На фиг.7a, 7b представлен подъем температуры относительно температуры окружающей среды для активных частей (верхняя фиг.7a) и для оболочки (нижняя фиг.7b) в качестве функции местоположения термоэлементов. Фиг.7a, 7b доказывают, что тепловые рабочие параметры или способность теплопереноса смеси FCK-воздух сравнима со способностью теплопереноса стандартного SF. Для смеси FCK-воздух при более высоком номинальном абсолютном давлении, например, при полном абсолютном давлении 7 бар, можно ожидать еще более высокой способности теплопереноса.
В примерах вариантов осуществления диэлектрическая изолирующая среда должна содержать фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в жидкой фазе в форме, отличной от непрерывного объема жидкости, по меньшей мере в изоляционном пространстве 6, например, в форме капель жидкости, аэрозоля, тумана или спрея, в изоляционном пространстве 6. Такие варианты осуществления могут содержать диэлектрическую изолирующую среду с фторкетоном, содержащим точно 5 углеродных атомов, которая должна находиться в форме непрерывного объема жидкости за пределами изоляционного пространства 6 электрического аппарата 2, например, имеющего систему управления текучим веществом 10a, 10b.
В примерах вариантов осуществления какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, для других целей, отличных от диэлектрической изолирующей среды, следует отрицать в качестве объекта этой заявки, в частности, в качестве объекта, заявленного в каком-либо независимом пункте формулы изобретения и/или в каком-либо зависимом пункте формулы изобретения или комбинации пунктов формулы изобретения, в частности, в качестве заявленной диэлектрической изолирующей среды, в качестве заявленного применения диэлектрической изолирующей среды и в качестве заявленного аппарата, содержащего диэлектрическую изолирующую среду. Например, его следует отрицать в качестве объекта этой заявки, в частности, в качестве какого-либо пункта формулы изобретения или комбинации пунктов формулы изобретения:
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, для способа обработки расплавленного реакционно-способного металла, в частности, для защиты указанного реакционно-способного металла от реакции с кислородом или воздухом; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в качестве очищающего средства, в частности, для очистки парового реактора или электронных систем; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в качестве среды для тушения огня или для использования в системах тушения огня; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в качестве охлаждающего средства в жидкой форме, в частности, для охлаждения электронных систем; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, для процесса Ранкина, в частности, в маленьких силовых агрегатах; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в качестве смазывающего средства; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, в виде жидкости: например в виде жидкости в электрическом аппарате или в трансформаторе, в качестве жидкого охлаждающего средства, в качестве жидкого охлаждающего средства в электрическом аппарате, в качестве жидкого охлаждающего средства в трансформаторе и/или в качестве жидкости для гидравлических систем или механических приводов с гидравлическим соединением; и/или
- какой-либо фторкетон, содержащий точно 5 углеродных атомов, выбранный из группы, состоящей из хлордифторметилперфторизопропилкетона и дифторметилперфторизопропилкетона; и/или
- какая-либо диэлектрическая изолирующая среда, содержащая, помимо фторкетона a), фторкетон, выбранный из группы, состоящей из β-хлорперфторэтил перфторизопропилкетона, дифторметилперфтор-трет-бутилкетона и додекафтор-2-метил-пентан-3-она.
В примерах вариантов осуществления диэлектрическая изолирующая среда по данному изобретению или ее использование или электрический аппарат по данному изобретению, в частности, как заявлено в каком-либо независимом пункте формулы изобретения и/или в каком-либо зависимом пункте формулы изобретения, или в комбинации пунктов формулы изобретения, среда не должна представлять собой диэлектрическую изолирующую среду для трансформатора или аппарат не должен представлять собой трансформатор, например, распределительный трансформатор, силовой трансформатор, в других примерах газовый трансформатор, жидкостной трансформатор, сухой трансформатор и/или какую-либо комбинацию газового трансформатора, жидкостного трансформатора и сухого трансформатора.
В дополнительных примерах вариантов осуществления диэлектрическая изолирующая среда по данному изобретению, в частности, как заявлено в каком-либо независимом пункте формулы изобретения и/или в каком-либо зависимом пункте формулы изобретения, или в комбинации пунктов формулы изобретения, не должна представлять собой рабочую среду для тепловой трубы, в частности рабочую среду для тепловой трубы в трансформаторе.
3
2
3
2
p
В одном конкретном варианте осуществления диэлектрическая изолирующая среда в соответствии с данным изобретением, в частности, как заявлено в каком-либо независимом пункте формулы изобретения и/или в каком-либо зависимом пункте формулы изобретения или в комбинации пунктов формулы изобретения, не содержит фторкетон, содержащий точно 6 углеродных атомов, в частности, не содержит додекафтор-2-метилпентан-3-он (CFCFC(O)CF(CF)) с торговым названием Novec 1230 компании 3M. Такие варианты осуществления могут получать пользу от преимущества в виде более низкой точки кипения только фторкетона, имеющего точно 5 углеродных атомов. На фиг.8 схематически представлена токсичность (слева) в произвольных единицах и точки кипения или температуры точки кипения T (справа) в качестве функции от числа углеродных атомов, содержащихся во фторкетоне, в частности, во фторкетоне a) и/или фторкетоне c). Уровень максимально допустимой токсичности показывает горизонтальная жирная штрихпунктирная линия, и максимально допустимый уровень точки кипения показан горизонтальной тонкой штриховой линией. В качестве общего правила, токсичность повышается с повышением числа углеродных атомов, так что фторкетоны, имеющие 5 или более углеродных атомов, допустимы в связи с тем, что являются достаточно нетоксичными. В качестве дополнительного общего правила, точка кипения возрастает с увеличением числа углеродных атомов, так что фторкетоны, имеющие 7 или менее углеродных атомов, можно использовать в типичных технических применениях, тогда как фторкетоны, имеющие 8 или более углеродных атомов, считают менее эффективными или не эффективными в связи со слишком высокими точками кипения. Следовательно, ввиду нетоксичности и низкой точки кипения фторкетоны, имеющие от 5 до 7 углеродных атомов, являются предпочтительными.
2
На фиг.9 представлено схематическое изображение поперечных сечений (измеренных, например, в м) для рассеивания электронов в газе-носителе, в частности, в компоненте диэлектрического изоляционного газа b), и для ионизации во фторкетоне, в частности, во фторкетоне a) и/или фторкетоне c), в качестве функции энергии электрона (измеренной, например, в эВ).
Не ограничиваясь теорией: возможный механизм нелинейного увеличения электрической прочности в соответствии с данным изобретением может состоять в том, что диэлектрический компонент газа b) (который представляет собой или содержит газ-носитель) служит для замедления электронов, которые берут начало из диэлектрического пробоя, и фторкетон a), и, возможно, фторкетон c), служит для захвата таких замедленных электронов, таким образом, создавая чрезмерно высокую электрическую прочность газовой смеси, содержащей фторкетон a), и, возможно, фторкетон c), а также газ-носитель b). Компонент диэлектрического изоляционного газа b) в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, в частности, должен охватывать газы, которые способны замедлять электроны. Такой механизм может иметь место, предпочтительно, если газ-носитель имеет высокое поперечное сечение неупругого рассеивания электронов при энергиях ниже порога ионизации фторкетона, в частности, фторкетона a) и/или c). Такая ситуация в качестве примера показана на фиг.9, где пик поперечного сечения рассеивания электронов газом-носителем лежит энергетически ниже порога ионизации, этот порог обозначает нижнюю энергетическую границу основного подъема характеристики поперечного сечения ионизации фторкетона.
С целью ясности, газ-носитель или объемный газ может быть таким же как компонент диэлектрического изоляционного газа b), или может представлять собой один из элементов b2) компонента диэлектрического изоляционного газа b).
В вариантах осуществления аппарат 2 имеет диэлектрическую изолирующую среду, в которой фторкетон, в частности, по меньшей мере один фторкетон a) и необязательно дополнительный фторкетон c), присутствует в таком количестве, что температура конденсации этого фторкетона составляет ниже +5°C, предпочтительно ниже -5°C, более предпочтительно ниже -20°C, даже более предпочтительно ниже -30°C, наиболее предпочтительно ниже -40°C.
a
a
В дополнительных вариантах осуществления аппарат 2 имеет диэлектрическую изолирующую среду, которая содержит газообразные компоненты в молярных долях или объемных концентрациях, или численных плотностях, или молярных долях m, или парциальных давлениях p так, что температура конденсации смеси газообразных компонентов ниже +5°C, предпочтительно ниже -5°C, более предпочтительно ниже -20°C, даже более предпочтительно ниже -30°C, наиболее предпочтительно ниже -40°C.
С целью ясности: точка кипения или температура точки кипения относится к кривой давления пара компонента изолирующей среды в качестве функции температуры и, в частности, к точке кипения (температуре) при атмосферном давлении, т.е. приблизительно при 1 бар. Это является свойством компонента как такового и описывает его поведение при испарении и сжижении, в частности, в условиях атмосферного окружающего давления.
В отличие от этого, температура конденсации относится к конкретному аппарату, в котором предусмотрен объем для приема диэлектрической изолирующей среды, к его заполнению конкретной диэлектрической изолирующей средой, в частности, к типу и количеству компонента или компонентов диэлектрической изолирующей среды, при заданной температуре, например, рабочей температуре или минимально допустимой рабочей температуре, и к соответствующему полному давлению диэлектрической изолирующей среды и парциальным давлениям ее компонентов. Такая конкретная окружающая среда аппарата может включать неровность поверхности, неоднородности электрического поля и другие факторы, имеющие отношение к диэлектрической устойчивости или электрической прочности. В таком конкретном аппарате, заполненном конкретным выбором диэлектрической изолирующей среды, температура конденсации определяет температуру, при которой газообразная часть или фаза диэлектрической изолирующей среды, в частности, группа компонентов в газовой фазе диэлектрической изолирующей среды, начинает конденсироваться в капли, которые оседают на внутренних поверхностях аппарата и образуют жидкое «море» на них. Такая конденсация может происходить при обыкновенной температуре конденсации, вкратце называемой температурой конденсации, компонентов диэлектрической изолирующей среды, даже если точки кипения таких компонентов в их чистой форме могут отличаться, например, на несколько 10 K или даже на несколько 50 K. В результате различных точек кипения и обыкновенной температуры конденсации молярные доли компонентов в газовой фазе и в жидкой фазе могут варьировать, когда начинается конденсация.
Следовательно, термин «температура конденсации» представляет собой интегральный параметр, описывающий конкретный аппарат, имеющий конкретное наполнение диэлектрической изолирующей средой, при конкретных рабочих условиях.
3
a
Другими словами, температуру конденсации определяют только свойства и численная плотность или молярный объем (м/моль), или объемная концентрация рассматриваемого компонента или компонентов диэлектрического изоляционного газа. Численная плотность или молярный объем или молярная доля соответствует парциальным давлениям (например, p), присутствующим в аппарате при заданной температуре. Таким образом, параметры «тип диэлектрического компонента газа или компонентов газа» и «численная плотность или молярные объемы или парциальные давления» определяют, при какой температуре будет происходить конденсация газа или группы компонентов газа.
min
В вариантах осуществления предполагается избегать конденсации посредством выбора диэлектрической изолирующей среды, в частности, посредством выбора типов и количеств компонентов, и посредством выбора давлений, т.е. парциальных давлений компонентов и полного давления, возможно, посредством дополнительного заполнения газом-носителем или объемным газом, и посредством выбора рабочих условий, таких как температура. Предотвращение конденсации выражено посредством того факта, что температура конденсации должна быть ниже, чем минимальная рабочая температура или минимальная допустимая рабочая температура T аппарата, например, ниже, чем +5°C, или -5°C, или -20°C, или -30°C, или -40°C, как установлено выше.
abs
a
На фиг.10 представлен нелинейный или синергический коэффициент s, достигаемый посредством примеров диэлектрических изолирующих сред в соответствии с настоящим изобретением. Синергический коэффициент s представлен для первой смеси C5-фторкетона плюс воздух (ромбы), второй смеси C6-фторкетона плюс воздух (квадраты) и третьей смеси C5-фторкетон плюс C6-фторкетон плюс воздух (треугольники) в качестве функции от полного давления p, с парциальным давлением p фторкетона, которое сохраняют постоянным.
a
a
Для смесей, содержащих C5-фторкетон (первая и третья смесь), синергический коэффициент s возрастает с увеличением полного давления приблизительно вплоть до полного давления 2 бар и затем остается довольно постоянным приблизительно при s=1,23, по меньшей мере вплоть до полного давления 3 бар. В отличие от этого, вторая смесь имеет относительно более высокие синергические коэффициенты приблизительно 1,3 в широком диапазоне полных давлений. В качестве правила, синергический коэффициент s является относительно низким, когда отношение фторкетона к воздуху высоко, и возрастает при снижении отношения молярных долей m или парциальных давлений p фторкетона(ов) к диэлектрическому компоненту газа b), здесь - к воздуху.
Следует отметить, что имеют место компоненты газа b), возможно, которые не создают какого-либо нелинейного увеличения электрической прочности и, следовательно, имеют синергический коэффициент 1.
2
2
2
2
На фиг.11a представлено напряжение пробоя U50 в кВ в качестве функции абсолютного давления p в бар для чистого газообразного диоксида углерода CO, когда проводили измерения (круги), для смеси газообразного диоксида углерода газ CO с фторкетонами, когда рассчитывали линейно (квадраты), т.е. предполагали синергический коэффициент = 1, и для такой смеси CO + фторкетоны, когда проводили измерения (ромбы). Напряжение пробоя U50 определяют как 50% вероятность пробоя, когда типичный грозовой импульс, например, подъем 1,2 мкс и падение 50 мкс, с положительной полярностью подают на принципиальное тестовое устройство с гомогенной конфигурацией электродов. В экспериментах парциальные давления фторкетонов FK сохраняли постоянными и в качестве примера выбирали равными 0,1 бар для C6-фторкетона и 0,36 бар для C5-фторкетона. Содержание CO затем повышали вплоть до полного давления p, отложенного по оси x. Линии линейной экстраполяции изображены для того, чтобы показать линию тренда для более низких абсолютных давлений p.
Нелинейный эффект, который достигали посредством диэлектрической изолирующей среды, содержащей C5-фторкетон и C6-фторкетон в смеси с диоксидом углерода, ясно виден на фиг.11a. При 7 бар достигали синергический коэффициент s=1,2, получаемый делением измеряемой напряженности поля при пробое или напряжения пробоя U50, соответственно, на линейно вычисляемое значение.
2
C6
abs
2
a
a
На фиг.11b также показано существование синергического или нелинейного эффекта, достигнутого посредством настоящего изобретения для диэлектрической изоляционной газовой смеси C6-фторкетона с диоксидом углерода CO. На фиг.11b показано напряжение пробоя U50 в кВ, измеряемое с использованием грозовых импульсов, на другом измерительном аппарате, в качестве функции парциального давления p C6-фторкетона, при полном давлении p, сохраняемом на постоянном уровне 1 бар. Снова доказано сильное нелинейное увеличение измеряемой электрической прочности смеси (ромбы) относительно линейно вычисляемой суммы электрических прочностей отдельных компонентов, C6 и CO (квадраты). Сильный синергический коэффициент приблизительно s=1,35 находят в широком диапазоне парциальных давлений p или эквивалентных молярных отношений m для C6-фторкетона.
cond
1
5
C5
air
i
C5
air
i
C5
air
C5
crit,C5
air
crit,air
C5
air
i
C5
air
i
C5
air
i
C5
air
i
i
C5
air
i
На фиг.12 дополнительно проиллюстрировано нелинейное увеличение электрической прочности газовой смеси C5-фторкетона с воздухом. Здесь напряженность поля при пробое Ebd, соответствующая напряжению пробоя U50 в данной измерительной установке, определяют в качестве функции температуры конденсации T для множества отношений от r до r парциальных давлений p C5-фторкетона к парциальным давлениям p воздуха, т.е. r=(p/p), где i = число измерений. Эти два компонента газа отображают синергистический эффект в соответствии с синергическим коэффициентом s=Ebd(измеренный)/Ebd(линейно вычисленный), который для данной геометрии приблизительно представляет собой функцию отношения парциальных давлений r. Эти измерения осуществляли, начиная с заполнения C5-фторкетоном до 360 мбар, который последовательно дополняли воздухом для каждого нового измерения. В результате этого выполняли измерения для различных отношений p/p, для которых измеряли синергические коэффициенты. Ebd в качестве функции температуры T вычисляли для различных температур конденсации, используя уравнение Ebd=[p*E + p*E] * s(p/p) для фиксированных отношений r=(p/p), полученных с помощью различных измерений i=1, …, 5. В настоящем документе p = давление пара C5-фторкетона при температуре T, p = парциальное давление воздуха, и s=s(r)=s((p/p)) = синергический коэффициент s для отношений смешивания r=(p/p).
lin.calc.
Ebd(линейно вычисленную) или Ebd можно выражать в соответствии со следующим уравнением:
lin.calc.
a
crit,a
b
crit,b
Ebd= p⋅E + p⋅E
в котором
a
p представляет собой парциальное давление фторкетона a),
b
p представляет собой парциальное давление компонента диэлектрического изоляционного газа b),
crit,a
E представляет собой напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении фторкетона a),
crit,b
E представляет собой напряженность поля при электрическом пробое при пониженном давлении компонента диэлектрического изоляционного газа b).
crit,a
crit,b
В качестве конкретного примера, E C5-фторкетона составляет 180 кВ/(см*бар), и E воздуха составляет 30 кВ/(см*бар).
Температура конденсации данной газовой смеси зависит от давления пара компонента с высокой температурой кипения, здесь C5-фторкетона. Таким образом, для минимальной рабочей температуры электрического аппарата -5°C парциальное давление компонента с высокой температурой кипения должно быть равным или ниже его давления пара при -5°C.
cond
a
a
cond
a
a
b
b
Другими словами, температура конденсации T на оси y соответствует парциальному давлению p или молярной доле m фторкетона, здесь C5-фторкетона, это соответствие устанавливают через кривую давления пара фторкетона, здесь C5-фторкетона. Такая температура конденсации T также может соответствовать минимальной рабочей температуре электрического аппарата, как рассмотрено выше, когда следует избегать сжижения. Следует отметить, что в целом на всем протяжении этой заявки обозначения p = парциальное давление и m = молярная доля фторкетона, например, фторкетона a) и/или фторкетона c), и p = парциальное давление и m = молярная доля диэлектрического компонента газа b), здесь воздуха, также применимы.
1
C5
air
1
C5
air
a
b
На фиг.12 маленькие ромбы показывают измеренные значения электрических прочностей смеси, а линии показывают линии трендов, вычисленные с помощью кривой давления пара C5-фторкетона. Сплошная нижняя линия показывает для r=(p/p)=0,8 смесь, которая не проявляет какого-либо нелинейного увеличения и, следовательно, имеет синергический коэффициент s=1. При снижении отношения r=p/p, например, здесь, когда повышают количество воздуха, при этом сохраняя количество C5-фторкетона постоянным, синергический коэффициент начинает быть больше, чем s=1 в диапазоне отношений 0,04<r<0,8, достигает максимума приблизительно s=1,23 в диапазоне отношений 0,1<r<0,3, и затем снова падает. В частности, в примере, представленном на фиг.12, есть синергический коэффициент выше 1, который получен для отношения парциальных давлений p к p 0,04:1, 0,14:1, 0,22:1 и 0,56:1. В частности, отношение r можно выбирать в диапазоне 0,01<r<0,8, предпочтительно 0,02<r<0,7, более предпочтительно 0,04<r<0,6.
В итоге, высокая или сверхнизкая доля C5-фторкетона ведет к низкому синергическому коэффициенту (близкому к 1). Промежуточная или ниже, чем высокая доля C5-фторкетона ведет к синергическому коэффициенту s значительно выше 1. Как результат, присутствие синергизма, выраженного в виде синергического коэффициента s больше 1, делает возможной работу электрического аппарата при боле высоких напряженностях поля при электрическом пробое Ebd и/или вплоть до более низких температур, чем если бы синергизм отсутствовал. Также количество фторкетона и/или диэлектрического компонента газа b) можно уменьшать, когда имеет место синергический коэффициент больше 1.
На всем протяжении этой заявки следует применять следующее:
cond
Термин «газ-носитель» или «объемный газ» или «буферный газ», который может содержаться в или может представлять собой указанный выше компонент газа b) или элемент компонента газа b1), b2), … bn), отличный от фторкетона, должен означать газообразную часть диэлектрической изолирующей среды, которая вносит вклад в электрическую прочность, но типично имеет электрическую прочность, которая ниже, чем диэлектрически более активный или более сильный фторкетон(ы). Такой газ-носитель, например, воздух, азот или диоксид углерода, типично имеет температуру конденсации значительно ниже температуры конденсации T фторкетона(ов).
Настоящим в явной форме раскрыто, что составляющие или компоненты диэлектрической изолирующей среды, такие как различные типы фторкетонов и газов-носителей, могут или должны присутствовать в каких-либо комбинациях, будь это двойные комбинации, тройные комбинации, четверные комбинации или тому подобное. Следовательно, какие-либо списки всех таких комбинаций настоящим сделаны частью раскрытия.
Термины «предпочтительный», «более предпочтительный», «в частности» должны означать лишь приведенный в качестве примера и, следовательно, должны означать только варианты осуществления или примеры, т.е. их следует понимать как необязательные.
Список номеров позиций
2 распределительное оборудование
4 корпус
4 стенка корпуса
6 изолирующее пространство
8 электрически активная часть
10а блок управления температурой
10b блок манипуляций текучим веществом
14 аэрозоль
16 сопло
18 отверстие
20 канал
22 разъединитель
24 газовый датчик, датчик давления газа, датчик плотности газа