ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛИРУЮЩАЯ СРЕДА
DIELECTRIC INSULATING MEDIUM

Настоящее изобретение относится к диэлектрической изолирующей среде, ее применению, и к устройству для генерирования, распределения, и/или передачи, и/или использования электрической энергии, согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Диэлектрические изолирующие среды в жидком или газообразном состоянии традиционно применяются для изоляции электрически активной части в самых различных электрических устройствах, таких как коммутационное оборудование или трансформаторы.
В средне- или высоковольтных коммутационных устройствах, заключенных в металлическую оболочку, например, электрически активную часть размещают в газонепроницаемом корпусе, который определяет изолирующее пространство, причем упомянутое изолирующее пространство содержит изолирующий газ, обычно под давлением вплоть до нескольких бар, и отделяет корпус от электрически активной части, тем самым предотвращая протекание электрического тока между корпусом и активными деталями. Заключенные в металлический корпус коммутационные устройства обеспечивают возможность создания гораздо более компактных конструкций, нежели коммутационные устройства, которые смонтированы вне помещений и изолированы окружающим воздухом. Для прерывания тока в высоковольтном коммутационном устройстве или для гашения дуги короткого замыкания, изолирующий газ дополнительно действует как дугогасящий газ.
6
6
4
Гексафторид серы (SF) представляет собой широко применяемый диэлектрический изолирующий газ с превосходной диэлектрической прочностью, будучи используемым для целей изоляции, и также с превосходной дугогасящей способностью, когда его применяют, например, в прерывателе цепи, для гашения дуги при переключении, или, например, в подстанции с газовой изоляцией (GIS) для гашения дуги короткого замыкания. Тетрафторметан в особенности пригоден для применения в ситуациях переключения, благодаря хорошим характеристикам прерывания дуги и очень низкой температуре кипения, -128°С при давления 1 бар (0,1 МПа). Диэлектрическая прочность, или величины напряженности поля пробоя при пониженном давлении, составляют около 84 кВ/(см × бар) для SF и около 31 кВ/(см × бар) для CF.
Например, патентный документ WO 2008/073790 раскрывает диэлектрическое газообразное соединение, которое - среди прочих характеристик - имеет низкую температуру кипения в диапазоне между -20°С до -273°С, предпочтительно не истощает озоновый слой, и которое имеет GWP менее, чем около 22200 в расчете на 100-летнюю временную шкалу. Более конкретно, патентный документ WO 2008/073790 раскрывает ряд различных соединений, которые не попадают в пределы одного родового химического определения.
Кроме того, патентный документ US-A-4175048 относится к газообразному изолятору, содержащему соединение, выбранное из группы перфторциклогексена и гексафторазометана, и патентный документ ЕР-A-0670294 раскрывает применение перфторпропана в качестве диэлектрического газа.
3
Патентный документ ЕР-A-1933432 упоминает трифториодметан (CFI) и его применение в качестве изолирующего газа в коммутационном устройстве с газовой изоляцией.
6
В поиске подходящей замены традиционным изолирующим газам, таким как SF и воздух, было обнаружено, что при использовании фторкетонов, имеющих от 4 до 12 атомов углерода, может быть получена изолирующая среда, которая имеет высокие изоляционные характеристики, в частности, высокую диэлектрическую прочность, и в то же время исключительно низкий потенциал глобального потепления. Настоящее изобретение было предварительно подано как международная патентная заявка № PCT/ЕР2009/057294.
Полезная модель Германии DE 10 2009 009 305 и патент Германии DE 20 2009 025 204 В3 также относятся к переключающему устройству, имеющему герметизированный корпус, который наполнен заполняющей средой, содержащей фторкетон или состоящей из него.
Несмотря на хорошую диэлектрическую прочность фторкетонов согласно международной патентной заявке № PCT/ЕР2009/057294, изоляционные характеристики соответствующей изолирующей среды, содержащей фторкетон, часто ограничены вследствие относительно высоких температур кипения фторкетонов.
В частности, это проявляется в вариантах применения в низкотемпературной окружающей среде. В этом случае только относительно низкое давление насыщенного пара фторкетона может поддерживаться без перехода фторкетона в жидкое состояние. Это ограничивает достижимое молярное отношение фторкетона в газообразной фазе и делало бы необходимым повышение давления заполняющей среды из традиционных изолирующих газов.
2
5
3
2
Например, минимально допустимая рабочая температура высоко- или средневольтного коммутационного устройства с газовой изоляцией (HV-GIS или MV-GIS) типично может составлять -5°С. При этой температуре для получения диэлектрических характеристик, сравнимых с общепринятыми высокоэффективными изолирующими средами, требуемое давление заполняющего газа изолирующей среды, содержащей, например, фторкетон, имеющий 6 атомов углерода, например, CFC(O)CF(CF), или додекафтор-2-метилпентан-3-он, может быть все еще относительно высоким, и могло бы превосходить давление заполняющего газа, которое выдерживали бы обычные корпусные конструкции, которые типично рассчитаны на величину около 7 бар (0,7 МПа) для вариантов применения в качестве HV-GIS.
2
5
3
2
Альтернативно или дополнительно, для повышения давления заполняющего газа система может быть нагрета (как показано в принадлежащем авторам настоящего изобретения патентном документе PCT/ЕР2009/057294). Например, если в качестве изолирующей среды используют чистый фторкетон, имеющий 6 атомов углерода, например, CFC(O)CF(CF), или додекафтор-2-метилпентан-3-он, то понадобилось бы нагревание до температуры более 50°С для достижения достаточного давления насыщенного пара фторкетона и для получения желательных изоляционных характеристик для более требовательных вариантов высоковольтного применения. Такое нагревание не всегда осуществимо или рекомендовано как по экономическим, так и по экологическим соображениям.
4
8
4
8
4
8
В статье авторов Yamamoto и др., «Applying a Gas Mixture Containing c-CF as an Insulation Medium» («Применение газовой смеси, содержащей c-CF в качестве изолирующей среды»), в журнале «IEEE Transactions on Dielectrics and electrical Insulation», том 8, № 6, декабрь 2001 года, описано, что смеси c-CF вместе с азотом, воздухом или диоксидом углерода показывают нелинейное возрастание диэлектрической прочности сверх зависимой от концентрации арифметической суммы величин диэлектрической прочности компонентов.
Таким образом, задача, которая должна быть решена настоящим изобретением, состоит в обеспечении изолирующей среды с очень высокой диэлектрической прочностью даже в вариантах низкотемпературного применения, без необходимости активного нагревания системы.
Эта задача решается объектом независимых пунктов формулы изобретения, а именно, с помощью изолирующей среды, ее применения и электрического устройства согласно независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные или примерные варианты осуществления изобретения приведены в описании и в зависимых пунктах формулы изобретения и в любых их комбинациях. В частности, изолирующая среда может содержать смесь различных по меньшей мере частично фторированных фторкетонов. Другими словами, зависимые пункты патентной формулы или зависимости могут определять несколько различных веществ из по меньшей мере, частично фторированных фторкетонов, присутствующих в изолирующей среде.
Согласно пункту 1 формулы изобретения, настоящее изобретение тем самым относится к диэлектрической изолирующей среде, включающей:
6
4
а) гексафторид серы (SF) и/или тетрафторметан (CF) в смеси с
b) по меньшей мере, одним дополнительным компонентом, представляющим собой, по меньшей мере, частично фторированный фторкетон.
Термин «по меньшей мере, частично фторированный фторкетон», как используемый в контексте настоящего изобретения, следует понимать как соединение, которое является частично гидрированным и частично фторированным, или которое является полностью фторированным.
Согласно вариантам осуществления, по меньшей мере частично фторированный фторкетон имеет температуру кипения выше -20°С, предпочтительно выше -15°С, более предпочтительно выше -10°С, еще более предпочтительно выше -5°С, наиболее предпочтительно выше 0°С. Термин «температура кипения», как используемый в контексте настоящего изобретения, следует понимать как температуру кипения при атмосферном давлении, то есть, примерно при давлении 1 бар.
Согласно вариантам осуществления, по меньшей мере частично фторированный фторкетон имеет температуру кипения ниже 50°С, предпочтительно ниже 40°С, более предпочтительно ниже 30°С, еще более предпочтительно ниже 20°С, наиболее предпочтительно ниже 15°С.
6
2
2
2
Диэлектрическая изолирующая среда согласно вариантам осуществления может представлять собой газовую смесь, которая, кроме SF и также без учета фторкетона, предпочтительно содержит воздух и/или по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода (СО), кислорода (О) и азота (N), в качестве буферного газа или газа-носителя.
При использовании подходящего примешиваемого газа может быть достигнуто дополнительное повышение диэлектрической прочности изолирующей среды.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, подходящие примешиваемые газы выбирают из группы, состоящей из фторкетонов, содержащих от 4 до 12 атомов углерода, более предпочтительно фторкетонов, содержащих в точности 5 атомов углерода, и/или фторкетонов, содержащих в точности 6 атомов углерода. Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления, в качестве примешиваемого газа используют додекафтор-2-метилпентан-3-он и/или декафтор-2-метилбутан-3-он, так как было найдено, что они имеют очень высокие изоляционные характеристики и исключительно низкое значение GWP. Диэлектрическая изолирующая среда, содержащая такие фторкетоны, была раскрыта в ранее поданной Международной Патентной Заявке PCT/ЕР2009/057294, содержание которой настоящим включено ссылкой в данную заявку.
crit
В одном аспекте изобретения показано, что смеси, в частности газовые смеси, диэлектрической изолирующей среды из фторкетонов, в частности, фторкетонов, содержащих в точности 5 и/или в точности 6 атомов углерода, по меньшей мере, с одним диэлектрическим газовым компонентом, выбранным из группы, состоящей из: азота, воздуха, диоксида углерода, или их смесей, проявляют нелинейное возрастание диэлектрической прочности сверх зависимой от парциального давления арифметической суммы величин диэлектрической прочности компонентов. В качестве меры диэлектрической прочности может быть использована величина напряженности поля пробоя при пониженном давлении E.
Однако, кроме вышеуказанных вариантов осуществления газовых смесей, также возможно, что изолирующая среда или, по меньшей мере, один из ее компонентов находится в жидкой форме при определенных условиях работы, или даже постоянно. Здесь «жидкую форму» следует понимать в широком смысле как охватывающую любое состояние материала или смеси, которая содержит, по меньшей мере частично, жидкость в любом виде, например, жидкую фазу, аэрозольную фазу, пересыщенную паровую фазу, или их комбинации. Такая жидкая форма изолирующей среды, или, по меньшей мере, одного из ее компонентов, могла бы, например, присутствовать в вариантах применения в низкотемпературной окружающей среде. В частности, изолирующая среда может представлять собой двухфазную систему, содержащую фторкетон как в жидком, так и в газообразном состоянии. Более конкретно, изолирующая среда может представлять собой аэрозоль, содержащий капельки фторкетона, диспергированные в газовой фазе, включающей фторкетон в газообразном состоянии.
Изоляционные свойства изолирующего газа, и в частности, его величину напряженности поля пробоя, можно регулировать с помощью температуры, давления и/или состава системы. Если используют двухфазную систему, содержащую фторкетон как в жидкой, так и в газообразной фазе, повышение температуры приводит не только к возрастанию абсолютного давления, но и к увеличению концентрации фторкетона в изолирующем газе вследствие большего давления насыщенного пара.
6
Было обнаружено, что для многих вариантов применения изолирующего газа, таких как варианты применения в средне- или высоковольтном диапазоне, достаточное молярное отношение, то есть, молярное отношение фторкетона к остальным компонентам среды (в основном газу-носителю или буферному газу, включающему SF), и тем самым также достаточная величина напряженности поля пробоя, могут быть достигнуты даже при очень низких температурах работы, например, пониженных до около -30°С или даже -40°С, даже без дополнительных мер, таких как внешнее нагревание или испарение.
Как было упомянуто, изолирующая среда в таких вариантах осуществления является в особенности пригодной для электрических вариантов применения. Настоящее изобретение тем самым также относится к применению вышеописанного фторкетона в диэлектрической изолирующей среде для устройства, предназначенного для генерирования, передачи, распределения и/или использования электрической энергии.
Термин «фторкетон», как используемый в настоящей заявке, должен быть интерпретирован в широком смысле, и должен охватывать как перфторкетоны, так и гидрофторкетоны, и должен дополнительно охватывать как насыщенные соединения, так и ненасыщенные соединения, то есть, соединения, включающие двойные и/или тройные связи. По меньшей мере, частично фторированная алкильная цепь фторкетонов может быть линейной или разветвленной. В примерных вариантах осуществления фторкетон представляет собой перфторкетон, и/или фторкетон имеет разветвленную алкильную цепь, в частности, по меньшей мере частично фторированную алкильную цепь, и/или фторкетон содержит полностью насыщенные соединения. Выражение, что «фторкетон содержит полностью насыщенные соединения», означает, что сюда могут входить как одиночный полностью насыщенный фторкетон, то есть, фторкетон без любой двойной связи или тройной связи, так и смесь двух или больше полностью насыщенных фторкетонов.
Сравнительно с фторкетонами, имеющими более длинную цепь с более чем 5 атомами углерода, фторкетоны, содержащие 5 атомов углерода, имеют преимущество в относительно низкой температуре кипения, обеспечивая возможность создания относительно высокой мольной доли таких 5-углеродных фторкетонов в изолирующей среде и избегая проблем с переходом в жидкое состояние даже при низких температурах.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, фторкетон представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединений, описываемых следующими структурными формулами, в которых, по меньшей мере, один атом водорода замещен атомом фтора:
Фторкетоны, содержащие 5 или более атомов углерода, здесь сокращенно названные фторкетонами а), являются дополнительно благоприятными, поскольку они в основном нетоксичны, с очень высокими допустимыми пределами для охраны здоровья человека. Этим они отличаются от фторкетонов, имеющих менее 4 атомов углерода, таких как гексафторацетон (или гексафторпропанон), которые токсичны и очень реакционноспособны.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предпочтительны фторкетоны, в частности, фторкетоны а), имеющие разветвленную алкильную цепь, поскольку их температуры кипения являются более низкими, чем температуры кипения соответствующих соединений (то есть, соединений с такой же молекулярной формулой), имеющих линейную алкильную цепь.
5
10
Согласно вариантам осуществления, фторкетон а) представляет собой перфторкетон, в частности, имеет молекулярную формулу CFO, то есть, является полностью насыщенным без двойных или тройных связей. Фторкетон а) 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-2-метилбутан-3-оном), 1,1,1,3,3,4,4,5,5,5-декафторпентан-2-она и 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-она; 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
1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-он, сокращенно называемый здесь «С5-кетон», с молекулярной формулой CFC(O)CF(CF), или CFO, был найден особенно предпочтительным для изоляции в высоко- и средневольтных вариантах применения, поскольку он имеет преимущество в высоких характеристиках диэлектрической изоляции, в частности, в смесях с диэлектрическим компонентом b) газа-носителя, имеет очень низкое значение GWP и имеет низкую температуру кипения. Он имеет нулевой потенциал истощения озонового слоя и является особенно нетоксичным.
Согласно вариантам осуществления, мольная доля С5-кетона в изолирующей среде варьирует от около 5% до около 15%, предпочтительно от около 6% до около 10%, когда используют традиционные значения давления заполняющего газа в высоковольтных GIS, и от около 10% до 40%, когда применяют традиционные значения давления заполняющего газа в средневольтных GIS. Такие диапазоны мольной доли имеют то преимущество, что не происходит переход фторкетона в жидкое состояние, даже если изолирующую среду используют в низкотемпературной окружающей среде, например, до температур ниже 0°С, в частности, до -5°С. В примерных вариантах осуществления мольная доля фторкетона также может составлять более 1%, предпочтительно более 2%, более предпочтительно свыше 3%, в частности, более 3,5%.
Согласно вариантам осуществления, еще более высокие изоляционные характеристики могут быть достигнуты объединением смеси из различных фторкетонных компонентов. В вариантах осуществления фторкетон, содержащий в точности 5 атомов углерода, как описанный выше и здесь сокращенно называемый фторкетоном а), и фторкетон, содержащий в точности 6 атомов углерода, как описанный выше и здесь сокращенно называемый фторкетоном с), могут благоприятно составлять часть диэлектрической изоляции в одно и то же время.
Таким образом, может быть достигнута изолирующая среда, имеющая более чем один фторкетон, каждый из которых вносит свой собственный вклад в диэлектрическую прочность диэлектрической изолирующей среды. В этом варианте осуществления в особенности предпочтительно, чтобы каждый фторкетон, включенный в смесь, имел парциальное давление, которое соответствует, по меньшей мере, приблизительно, давлению его насыщенного пара, по меньшей мере, при минимальной рабочей температуре диэлектрической изолирующей среды или электрического устройства, содержащего диэлектрическую изолирующую среду, соответственно; таким образом, высокое общее молярное отношение фторкетонов может быть получено и может поддерживаться в газовой фазе, что позволяет получить очень высокую диэлектрическую прочность диэлектрической изолирующей среды.
Такие дополнительные фторкетоны предпочтительно содержат в точности 4 атома углерода, и/или в точности 5 атомов углерода, и/или в точности 6 атомов углерода, и/или в точности 7 атомов углерода, и/или в точности 8 атомов углерода.
В вариантах осуществления дополнительный фторкетон с) представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединений, описываемых 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, описываемых следующими структурными формулами, в которых, по меньшей мере, один атом водорода замещен атомом фтора.
(IIIn), называемый додекафторциклогептаноном.
Настоящее изобретение охватывает каждую и всякую комбинацию любого из соединений, выбранных из группы, состоящей из соединений со структурными формулами от Ia до Id, от IIa до IIg, от IIIa до IIIn.
Более предпочтительно, фторкетон содержит в точности 6 атомов углерода; такой фторкетон является нетоксичным, с очень высокими допустимыми пределами для охраны здоровья человека.
6
12
В вариантах осуществления фторкетон с), подобно фторкетону а), представляет собой перфторкетон, и/или имеет разветвленную алкильную цепь, в частности, по меньшей мере, частично фторированную алкильную цепь, и/или фторкетон с) содержит полностью насыщенные соединения. В частности, фторкетон с) имеет молекулярную формулу CFO, то есть, является полностью насыщенным, без двойных или тройных связей. Более предпочтительно, фторкетон с) 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), 1,1,1,4,4,4-гексафтор-3,3-бис-(трифторметил)бутан-2-она (также называемого додекафтор-3,3-(диметил)бутан-2-оном), додекафторгексан-2-она и додекафторгексан-3-она, и декафторциклогексанона, 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,
-1
1,1,1,2,4,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)пентан-3-он (здесь сокращенно называемый «С6-кетон»), с молекулярной формулой CFC(О)CF(CF) был найден в особенности предпочтительным для изоляции в высоковольтных вариантах применения, благодаря его высоким изоляционным характеристикам и его исключительно низкому значению GWP. Он имеет нулевой потенциал истощения озонового слоя и нетоксичен (LC50 (4 часа) около 100000 млн). Таким образом, его воздействие на окружающую среду является гораздо меньшим, чем в случае традиционных изолирующих газов, и в то же время достигнуты очень высокие допустимые пределы для охраны здоровья человека.Мольная доля фторкетона с) в изолирующей среде предпочтительно должна варьировать от около 1% до около 15%, предпочтительно от около 1% до около 10%, более предпочтительно от около 1% до около 4%, наиболее предпочтительно от 1% до 3%, во избежание перехода фторкетона в жидкое состояние при низких температурах, например, до температур менее 0°С, например, ниже -5°С. В вариантах осуществления мольная доля также может быть выше, чем 0,1%, предпочтительно выше 0,5%, более предпочтительно свыше 1%, в частности, более 2%.
Как было упомянуто выше, изолирующая среда согласно настоящему изобретению является в особенности пригодной в электрических вариантах применения. Настоящее изобретение тем самым также относится к применению вышеописанной комбинации компонентов в качестве диэлектрической изолирующей среды в устройстве для генерирования, и/или передачи, и/или распределения, и/или использования электрической энергии.
Подобным образом, настоящее изобретение также относится к устройству для генерирования, и/или передачи, и/или распределения, и/или использования электрической энергии, причем упомянутое устройство содержит корпус, определяющий изолирующее пространство и электрически активную часть, размещенную в изолирующем пространстве. Это изолирующее пространство содержит изолирующую среду, описываемую на всем протяжении настоящей заявки.
Термин «электрически активная часть» в настоящей заявке должен толковаться в широком смысле как включающий проводник любого типа, компоновку проводников, переключатель, проводящий компонент, разрядник для защиты от искровых перенапряжений, и тому подобные, и, кроме того, должен пониматься как любая часть, которая может быть приведена в действие электрическим путем, то есть, может быть подвергнута воздействию напряжения, по меньшей мере, в одном рабочем состоянии, то есть, могут по-прежнему иметь место другие временно неактивные рабочие состояния или локально неактивные рабочие состояния части.
В частности, устройство согласно настоящему изобретению включает в себя коммутационное устройство, в частности, с воздушной изоляцией или коммутационное устройство с газовой изоляцией в металлической (или иным образом) герметизирующей оболочке, или гибридное коммутационное устройство, или средневольтный коммутатор выключения, или блок кольцевой сети, или баковый выключатель, или PASS-модуль (модуль «plug-and-switch»), или часть и/или компонент его, в частности, токопроводящую шину, проходной изолятор, кабель, кабель с газовой изоляцией, соединение кабелей, трансформатор тока, трансформатор напряжения, и/или разрядник для защиты от искровых перенапряжений.
Коммутационные устройства, в частности, коммутационные устройства с газовой изоляцией (GIS), как таковые хорошо известны квалифицированному специалисту в этой области технологии. Один пример коммутационного устройства, для которого в особенности хорошо пригодно настоящее изобретение, представляет собой, например, показанный в патентном документе ЕР-А-1933432, абзацы от [0011] до [0015], содержание которого тем самым включено здесь ссылкой.
4
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство представляло собой переключатель, в частности, заземляющий переключатель (например, быстродействующий заземляющий переключатель), разъединитель, объединенный разъединитель и заземляющий переключатель, выключатель 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 сжатия, например, компрессионную камеру и/или нагревательную камеру, для создания самовзрывного эффекта, в котором при операции переключения по меньшей мере частично фторированный фторкетон или фторкетоны разлагается или разлагаются до фторуглеродных соединений, имеющих меньшее число атомов углерода, предпочтительно в камере сжатия и/или в зоне образования дуги, во время фазы дугогашения. Такое молекулярное разложение смеси или смесей по меньшей мере частично фторированных фторкетонов позволяет дополнительно увеличить число молекул и тем самым давление, которое является доступным для гашения дуги. Кроме того, разложение молекул по меньшей мере частично фторированного(-ных) фторкетона(-нов) также происходит в зоне образования дуги, что дополнительно повышает давление взрывного дугогашения. Примешанный или примешанные по меньшей мере частично фторированный(-ные) фторкетон(-ны) также полезны в зоне выпуска газов прерывателя цепи, поскольку довольно низкая температура диссоциации недиссоциированного по меньшей мере частично фторированного фторкетона действует как температурный барьер в отходящем газе. Другими словами, тепловая энергия отходящего газа может быть поглощена диссоциацией недиссоциированного фторкетона в отходящем газе, что предотвращает дальнейшее повышение температуры в зоне выпуска газов выше температуры диссоциации фторкетона. Таким образом, диэлектрическая изоляция согласно настоящей заявке имеет хорошую способность гасить дугу. Без любого намерения вдаваться в теорию, представляется, что эта способность гасить дугу может быть, по меньшей мере, частично, обусловлена рекомбинацией продуктов диссоциации, например, фторкетона, внутри зоны образования дуги, например, главным образом до тетрафторметана (CF), который хорошо известен как высокоэффективная дугогасящая среда.
Согласно еще одному варианту осуществления, устройство может представлять собой трансформатор, в частности, распределительный трансформатор или силовой трансформатор.
Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, устройство также может быть, например, электрической вращающейся машиной, генератором, двигателем, приводом, полупроводниковым устройством, силовым электронным устройством, и/или их компонентом.
В частности, изобретение относится к средне- или высоковольтному устройству. Термин «средневольтный», как используемый здесь, имеет отношение к напряжению в диапазоне от 1 кВ до 72 кВ, тогда как термин «высоковольтный» имеет отношение к напряжению свыше 72 кВ. Возможны также варианты применения в низковольтном диапазоне ниже 1 кВ.
Для достижения желательных номинальных диэлектрических параметров устройства, таких как требуемая электрическая прочность диэлектрика и диапазон рабочих температур, устройство может содержать блок управления (также называемый «системой контроля и очистки текучих сред») для регулирования по отдельности или в сочетании: состава - в частности, химического состава или физического фазового состава, такого как двухфазная система газ/жидкость, и/или температуры изолирующей среды, и/или абсолютного давления заполняющего газа, плотности газа, парциального давления и/или парциальной плотности газа изолирующей среды или, по меньшей мере, одного из ее компонентов, соответственно. В частности, блок управления может содержать нагреватель и/или испаритель, чтобы регулировать давление паров компонентов изолирующей среды согласно изобретению, которое в особенности соответствует вариантам применения в низкотемпературной окружающей среде вплоть до -20°С. Испаритель может представлять собой, например, ультразвуковой испаритель, или может содержать распылительные форсунки для разбрызгивания изолирующей среды в устройство.
В одном примерном варианте осуществления, в частности, для высоковольтных вариантов применения в низкотемпературной окружающей среде, парциальное давление по меньшей мере частично фторированного(-ных) фторкетона(-нов) может быть обеспечено в изолирующей среде нагреванием и/или испарением, чтобы парциальное давление фторкетона поддерживалось на желательном уровне давления.
В примерных вариантах осуществления устройство содержит контрольно-измерительное устройство и/или дозатор для задания концентрации по меньшей мере частично фторированного(-ных) фторкетона(-нов), в частности, согласно любому зависимому пункту формулы изобретения, в изолирующей среде соответственно необходимым диэлектрической изоляционной способности или диэлектрической прочности.
Термин «диэлектрическая изоляционная способность» или «диэлектрическая прочность» в настоящей заявке должен пониматься в широком смысле и может включать в себя более конкретную характеристику с использованием величины напряженности электрического поля пробоя, которая может быть определена при заданных условиях измерения. Это будет в порядке примера более подробно показано ниже для средне- или высоковольтного коммутационного устройства с газовой изоляцией. Кроме того, блок управления может содержать измерительное устройство для измерения параметров управления, таких как температура, плотность, давления и/или состав - в частности, уровень жидкой фазы - и/или контрольно-измерительный блок для контроля этих параметров.
Однако диэлектрическая изолирующая среда предпочтительно имеет такой состав, что не присутствуют ни дозатор, ни блок регулирования температуры, ни активное регулирование температуры, ни испаритель. Другими словами, диэлектрическая изолирующая среда должна оставаться газообразной и сохранять свою диэлектрическую прочность при всех рабочих условиях, и, в частности, при всех рабочих температурах.
6
4
6
4
Иначе говоря, конденсация диэлектрической изолирующей среды согласно изобретению должна быть исключена в условиях эксплуатации электрического устройства, в частности, даже при низких рабочих температурах. Это достигается с использованием SF и/или CF, в смеси с фторкетоном. SF и/или CF в ней представляют собой газы, имеющие очень низкие температуры кипения и хорошую диэлектрическую прочность или способность дугогашения, однако имеют недостаток в повышенном GWP. Фторкетон или фторкетоны обеспечивает или обеспечивают превосходную диэлектрическую прочность и превосходный GWP, близкий к 1, и имеют все еще достаточно низкие температуры кипения (при давлении 1 бар), так что они могут присутствовать в газообразной фазе с достаточными парциальными давлениями при всех рабочих температурах.
6
6
В одном дополнительном аспекте изобретения, с использованием гексафторида серы SF в смеси с фторкетоном и дополнительным диэлектрическим газовым компонентом, выбранным из группы, состоящей из азота и воздуха, диэлектрическая прочность повышается в два раза, с одной стороны, в результате первого нелинейного возрастания диэлектрической прочности фторкетона с азотом или воздухом, и, с другой стороны, второго нелинейного возрастания диэлектрической прочности гексафторида серы SF с азотом или воздухом.
4
8
4
8
В еще одном дополнительном аспекте изобретения диэлектрическая изолирующая среда и электрическое устройство, включающее с-CF в смеси с фторкетоном и дополнительным диэлектрическим газовым компонентом, выбранным из группы, состоящей из азота, воздуха, диоксида углерода, и их смесей, проявляют диэлектрическую прочность, которая повышена, по меньшей мере, в два раза или многократно, а именно, с одной стороны, в результате, по меньшей мере, одного первого нелинейного возрастания диэлектрической прочности фторкетона с азотом, и/или воздухом, и/или диоксидом углерода, и, с другой стороны, по меньшей мере, одного третьего нелинейного возрастания диэлектрической прочности с-CF с азотом, и/или воздухом, и/или диоксидом углерода. В комбинациях, содержащих три или более соединений, объединенное нелинейное возрастание диэлектрической прочности может отличаться по величине от попарных нелинейных возрастаний диэлектрической прочности.
6
4
2
6
3
8
4
8
3
2
2
6
4
3
В еще одном дополнительном аспекте изобретения представлены диэлектрическая изолирующая среда, электрическое устройство и применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, содержащей первый диэлектрический изолирующий газовый компонент L), выбранный из первой группы, состоящей из: гексафторида серы SF, перфторуглеродов, тетрафторметана CF, CF, CF, c-CF, трифториодметана CFI, диоксида азота NO, оксида азота NO, закиси азота NO, и их смесей, в частности, гексафторида серы (SF), и/или тетрафторметана (CF), и/или трифториодметана (CFI), в смеси, по меньшей мере, с одним газообразным по меньшей мере частично фторированным фторкетоном в диэлектрической изолирующей среде, в частности, как обсуждалось выше, для устройства для генерирования, и/или передачи, и/или распределения, и/или использования электрической энергии.
4
2
Кроме того, первая группа диэлектрических изолирующих газовых компонентов L) также может содержать: метан СН, монооксид углерода СО, водород Н, инертные газы, в частности, Не, Ar, Kr; и их смеси.
3
3
3
6
4
3
Таким образом, настоящим также раскрыта диэлектрическая изолирующая среда, применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическое устройство, которое содержит смесь, в частности, газовую смесь, содержащую фторкетон вместе с трифториодметаном CFI. Поэтому в одном аспекте изобретения диэлектрическая изолирующая среда может состоять из трифториодметана (CFI) в смеси, по меньшей мере, с одним дополнительным компонентом, представляющим собой, по меньшей мере, частично фторированный фторкетон. Трифториодметан (CFI) может присутствовать в качестве альтернативы или в дополнение к гексафториду серы (SF) и/или тетрафторметану (CF). CFI имеет такое преимущество, как низкая температура кипения и высокая диэлектрическая прочность, и тем самым может благоприятно сочетаться с фторкетоном.
2
2
2
2
Кроме того, настоящим также раскрыта диэлектрическая изолирующая среда, применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическое устройство, которое содержит смесь, в частности, газовую смесь, содержащую фторкетон вместе с оксидами азота NO, NO, NO, в частности, NO. Предполагается, что эти оксиды азота содействуют нелинейному возрастанию диэлектрической прочности вместе с фторкетонами, в частности, С5-фторкетонами и/или С6-фторкетонами, как результат их сечений захвата электронов, подобных азоту N.
В еще одном дополнительном аспекте изобретения раскрыты диэлектрическая изолирующая среда, применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическое устройство, содержащее новые газовые смеси, содержащие
6
4
2
6
3
8
4
8
3
6
4
- по меньшей мере, один первый газовый компонент L1), выбранный из первой группы, состоящей из: гексафторида серы SF, перфторуглеродов, тетрафторметана CF, CF, CF, c-CF, CFI, и их смесей, в частности, гексафторида серы (SF), и/или тетрафторметана (CF), вместе с
- по меньшей мере, одним вторым газовым компонентом L2), выбранным из второй группы L2), состоящей из: по меньшей мере частично фторированного фторкетона, фторкетона, содержащего в точности 5 атомов углерода, фторкетона, содержащего в точности 6 атомов углерода, и их смесей, вместе с
- по меньшей мере, одним третьим газовым компонентом L3), выбранных из третьей группы, состоящей из: азота, воздуха, диоксида углерода, и их смесей.
2
2
Необязательно, третья группа также может содержать диоксид азота NO, оксид азота NO, и/или закись азота NO.
Такие новые газовые смеси обеспечивают хорошие величины напряженности поля пробоя и/или хорошие характеристики гашения дуги, имеют относительно низкие температуры кипения или низкие температуры конденсации, и могут по-прежнему поддерживать приемлемые уровни GWP смеси.
Кроме того, в таких диэлектрической изолирующей среде, применении в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическом устройстве, смеси по меньшей мере одного первого газового компонента L1) с фторкетоном или фторкетонами, и, в дополнение, вместе с азотом, и/или воздухом, и/или диоксидом углерода, показывают по меньшей мере одно нелинейное возрастание диэлектрической прочности. Такое, по меньшей мере, одно нелинейное возрастание диэлектрической прочности может быть достигнуто разнообразными комбинациями газовых компонентов L1), L2), L3), например, L2)/L3), L1)/L3), L1)/L2)/L3). В частности, предпочтительные третьи газовые компоненты L3) представляют собой воздух и азот для диэлектрической изоляции как таковой, и диоксид углерода для гашения дуги.
3
2
5
2
3
2
2
4
3
6
4
10
4
6
4
8
6
10
6
12
6
14
6
6
2
5
5
8
2
4
7
3
3
3
2
3
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
3
5
2
2
3
4
6
3
3
3
2
3
2
2
3
2
3
2
2
2
4
В вариантах осуществления любого из вышеуказанных аспектов изобретения, диэлектрическая изолирующая среда, применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическое устройство могут дополнительно содержать диэлектрический изолирующий газовый компонент М), выбранный из четвертой группы, состоящей из: CHF, (CF)O, (CF)O; дополнительных перфторуглеродов, и в частности, CF, CF, CF, CF, CF, CF, CF, CF, CF; CFCOF, CFO, c-CFI, CFCF(CF)CF(CF)CFI, CFCFCFCFI, CFCFCFI, CFCFI, CFCHFCFI, CFSF, CHF, CH-c-CFI, CHCF(CF)CF(CF)CFI, CHCFCFI, CHCHFCF(CFCF)CFI, CO, N, простого перфтордиэтилового тиоэфира, простого перфторметилэтилового тиоэфира, пергалогенированных органических соединений, тетрадецилфторгексана, XeF, XeF; и их смесей.
На всем протяжении настоящей заявки нелинейное возрастание диэлектрической прочности означает, что смесь, в частности, газовая смесь, имеет диэлектрическую прочность, которая является большей, чем зависимая от концентрации или зависимая от давления арифметическая сумма величин диэлектрической прочности ее компонентов.
Однако в примерных вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда не должна включать гидрофторированный простой моноэфир; и/или диэлектрическая изолирующая среда не должна включать гидрофторированный простой диэфир; и/или диэлектрическая изолирующая среда не должна включать гидрофторированный простой полиэфир.
Однако в других примерных вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда не должна включать фторкетон, содержащий в точности 5 атомов углерода; и/или диэлектрическая изолирующая среда не должна включать фторкетон, содержащий в точности 6 атомов углерода.
Однако в других дополнительных примерных вариантах осуществления электрическое устройство не должно представлять собой трансформатор, в частности, не быть распределительным трансформатором, или не быть силовым трансформатором.
Однако в дополнительных примерных вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда не должна представлять собой рабочую среду для тепловой трубы, в частности, не должна быть рабочей средой для тепловой трубы в трансформаторе.
В примерных вариантах осуществления вышеупомянутые отрицания пунктов патентной формулы также должны быть применимы к применению диэлектрической среды и к устройству, содержащему такую изолирующую среду.
Далее изобретение иллюстрировано с помощью следующих примерных фигур, на которых:
Фиг. 1 показывает схематическое представление высоковольтного коммутационного устройства с газовой изоляцией согласно одному варианту осуществления; и
Фиг. 2 показывает схематическое представление высоковольтного коммутационного устройства с газовой изоляцией согласно одному варианту осуществления, содержащему блок обработки текучей среды;
Фиг. 3 показывает графическое представление коэффициента «s» синергии как функции общего давления для разнообразных диэлектрических изолирующих сред, включающих примерные смеси фторкетона с воздухом; и
Фиг. 4 показывает графическое представление измеренных и вычисленных значений U50 напряжения пробоя диэлектрической изолирующей среды, содержащей примерную смесь фторкетона с диоксидом углерода.
Впоследствии обсуждаются примерные варианты осуществления изобретения:
6
4
6
4
В примерном устройстве согласно Фиг. 1, диэлектрическая изолирующая среда должна включать SF и/или CF, и/или любые газ или газовые смеси из упомянутых здесь типов газов, которые отличаются от фторкетонов и SF и CF, вместе, по меньшей мере, с одним компонентом, представляющим собой по меньшей мере частично фторированный фторкетон, в частности, перфторкетон, содержащий в точности 5 атомов углерода и/или содержащий в точности 6 атомов углерода.
6
Диэлектрическая прочность изолирующей среды предпочтительно должна быть выше, чем диэлектрическая прочность чистого SF. Кроме того, предпочтительно, изолирующая среда предпочтительно должна быть газообразной без любой необходимости в испарении и/или нагревании изолирующей среды. Другими словами, газовая смесь или, по меньшей мере, фторкетон или фторкетоны предпочтительно должны присутствовать в газообразном состоянии при всех рабочих условиях, в частности, при всех рабочих температурах. В частности, конденсация фторкетона или фторкетонов должна быть исключена при всех рабочих условиях электрического устройства. Это позволяет поддерживать определенную минимальную концентрацию или парциальное давление фторкетона или фторкетонов в газовой фазе при всех рабочих температурах. В других дополнительных вариантах осуществления даже некоторая конденсация фторкетона или фторкетонов может быть допустимой в такой степени, насколько определенная минимальная концентрация или парциальное давление фторкетона или фторкетонов в газовой фазе поддерживается при всех рабочих температурах.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда может дополнительно содержать двухатомные молекулы, которые предпочтительно являются химически стабильными в условиях окружающей среды, и, в частности, при нормальных рабочих условиях электрического оборудования с газовой изоляцией, таких как в диапазоне температур от -40°С до +105°С, и при давлении газа от немногих до нескольких бар. Например, такая газовая смесь может содержать воздух или компонент воздуха, и, например, азот, кислород, диоксид углерода, оксид азота, или инертный газ; или их смеси.
Помимо конкретной диэлектрической изолирующей среды, настоящее изобретение также относится к электрическому устройству, как упомянуто выше. Возможно, устройство содержит блок управления (или «систему контроля и очистки текучих сред»), чтобы корректировать давление, состав и/или температуру изолирующей среды.
На Фиг. 1 коммутационное устройство 2 содержит корпус 4, определяющий изолирующее пространство 6 и электрически активную часть 8, размещенную внутри изолирующего пространства 6. Коммутационное устройство 2 дополнительно содержит блок 10а регулирования температуры для настройки корпуса 4, или по меньшей мере части корпуса 4, коммутационного устройства 2, и тем самым изолирующей среды, заключенной в изолирующем пространстве 6, на желательную температуру. Конечно, любая другая часть в контакте с изолирующей средой может быть нагрета, чтобы довести изолирующую среду до желательной температуры. Таким образом, соответственно могут быть приспособлены давление пара по меньшей мере частично фторированного фторкетона - и, следовательно, его мольная доля в изолирующем газе - а также абсолютное давление изолирующего газа. Как также показано на Фиг. 2, по меньшей мере частично фторированный фторкетон в этом варианте осуществления не распределяется равномерно по всему изолирующему пространству вследствие градиента температур, созданному в изолирующем пространстве 6. Концентрация по меньшей мере частично фторированного фторкетона тем самым является более высокой в тесной близости к стенкам 4' корпуса 4.
Альтернативный блок управления, или система контроля и очистки текучих сред, схематически показан на Фиг. 2, на котором блок 10b обработки текучей среды встроен в коммутационное устройство с газовой изоляцией в качестве блока управления. Согласно этому блоку 10b управления, состав изолирующей среды, и, в частности, концентрация в ней по меньшей мере частично фторированного фторкетона а) и/или фторкетона с) регулируется в дозаторе, включенном в блок 10b обработки текучей среды, и полученная в результате изолирующая среда нагнетается или вводится, в частности, распыляется, в изолирующее пространство 6. В варианте осуществления, показанном в Фиг. 2, изолирующая среда распыляется в изолирующее пространство в виде аэрозоля 14, в котором мелкие капельки жидкого фторкетона диспергированы в соответствующем газе-носителе. Аэрозоль 14 распыляется в изолирующее пространство 6 с помощью форсунок 16, и по меньшей мере частично фторированный фторкетон легко испаряется, тем самым с образованием изолирующего пространства 6 с неоднородной концентрацией по меньшей мере частично фторированного фторкетона, более конкретно, относительно высокой концентрацией в тесной близости к стенке 4' корпуса, включающей форсунки 16. В альтернативном варианте, изолирующая среда, в частности, концентрация, давление и/или температура по меньшей мере частично фторированного фторкетона а) и/или фторкетона с), может регулироваться в блоке 10b обработки текучей среды перед нагнетанием ее в изолирующее пространство. Для обеспечения циркуляции газа в верхней стенке корпуса 4 предусмотрены дополнительные отверстия 18, причем упомянутые отверстия ведут в канал 20 в корпусе 4 и создают возможность удаления изолирующей среды из изолирующего пространства 6. Коммутационное устройство 2 с блоком 10b обработки текучей среды, как показано в Фиг. 2, может быть объединено с блоком 10а регулирования температуры, описанным в связи с Фиг. 1. Если блок регулирования температуры не предусмотрен, может происходить конденсация некоторого количества по меньшей мере частично фторированного фторкетона. Сконденсированный компонент может быть собран и вновь введен в циркуляцию изолирующей среды. Кроме того, устройство 2 может иметь резервный объем жидкого по меньшей мере частично фторированного фторкетона, жидкого фторкетона а) (или С5-кетона) и/или фторкетона с) (или С6-кетона), и/или средство для ограничения максимально допустимой рабочей температуры желательной изолирующей среды таким образом, чтобы абсолютное давление заполняющего газа поддерживалось ниже данного предела давления для устройства 2.
abs
а
Фиг. 3 показывает нелинейность, или коэффициент «s» синергии, достигаемый примерной диэлектрической изолирующей средой согласно настоящему изобретению. Коэффициент «s» синергии показан для первой смеси С5-фторкетона плюс воздух (ромбики), второй смеси С6-фторкетона плюс воздух (квадратики), и третьей смеси С5-фторкетона плюс С6-фторкетон плюс воздух (треугольники), как функция общего давления p, с парциальным давлением р фторкетона, которое поддерживается постоянным.
a
a
Для смесей, содержащий С5-фторкетон (первая и третья смеси), коэффициент «s» синергии возрастает с увеличением общего давления приблизительно до 2 бар общего давления, и затем остается почти постоянным при значении приблизительно s=1,23, по меньшей мере до 3 бар общего давления. Напротив, вторая смесь имеет относительно более высокие коэффициенты «s» синергии около 1,3 по всему диапазону общих давлений. Как правило, коэффициент «s» синергии является относительно низким, когда отношение фторкетона к воздуху является высоким, и повышается со снижением отношения мольных долей m или парциальных давлений p фторкетона(-нов) к компоненту b) диэлектрического газа, здесь воздуху.
2
С6
abs
2
а
a
Фиг. 4 показывает существование синергического или нелинейного эффекта, достигаемого в диэлектрической изолирующей газовой смеси из С6-фторкетона с диоксидом углерода СО. Фиг. 4 показывает напряжение U50 пробоя в кВ, измеренное по грозовым импульсам в другом измерительном устройстве, как функцию парциального давления р С6-фторкетона, при общем давлении p, которое поддерживается постоянным на уровне 1 бар. Опять же, подтверждается сильное нелинейное возрастание измеренной диэлектрической прочности смеси (ромбики) сверх линейно вычисленной суммы величин диэлектрической прочности отдельных компонентов, С6 и СО, (квадратики). Значительный коэффициент синергии на уровне приблизительно s=1,35 показан по широкому диапазону парциальных давлений р, или, эквивалентно, молярным отношениям m, С6-фторкетона.
Кроме того, в других измерениях синергический или нелинейный эффект также был показан в диэлектрических изолирующих газовых смесях, включающих С6-фторкетон, С5-фторкетон и диоксид углерода.
Эти измерения приведены только как примеры, которые подтверждают, по меньшей мере, одно синергическое или нелинейное возрастание диэлектрической прочности в смесях, в частности, газовых смесях, содержащих:
6
4
2
6
3
8
4
8
3
2
2
6
4
- по меньшей мере, один первый диэлектрический газовый компонент L1), выбранный из первой группы, состоящей из: гексафторида серы SF, перфторуглеродов, тетрафторметана CF, CF, CF, c-CF, CFI, диоксида азота NO, оксида азота NO, закиси азота NO, в частности, гексафторида серы (SF) и/или тетрафторметана (CF), и их смесей, вместе с
- по меньшей мере, одним вторым диэлектрическим газовым компонентом L2), выбранным из второй группы L2), состоящей из: по меньшей мере частично фторированного фторкетона, фторкетона, содержащего в точности 5 атомов углерода, фторкетона, содержащего в точности 6 атомов углерода, и их смесей, вместе с
- по меньшей мере, одним третьим диэлектрическим газовым компонентом L3), выбранным из третьей группы, состоящей из: азота, воздуха, диоксида углерода, и их смесей.
Более конкретно, в одном примерном варианте осуществления одного аспекта настоящего изобретения, диэлектрическая изолирующая среда всегда содержит фторкетон FK, в частности, C5-FK или C6-FK, и в системе устанавливается напряженность Ebd поля пробоя, причем упомянутая Ebd определяется следующими уравнениями:
Если два газовых компонента создают нелинейный синергический эффект:
a
b
crit,a
b
crit,b
c
crit,c
Ebd=s(p, p)·(pa·E+p·E)+p·E
a
b
2
2
2
2
в котором p, p представляют парциальные давления попарных нелинейно взаимодействующих диэлектрических газовых компонентов «а» и «b», например: C5-FK/N, C6-FK/N, C5-FK/воздух, C6-FK/воздух, C5-FK/CO, C6-FK/CO;
c
p равен нулю или представляет парциальное давление еще одного компонента «с» без нелинейного синергического эффекта;
crit,a
crit,b
crit,c
E, E, E представляют величины напряженности электрического поля пробоя при пониженном давлении диэлектрических газовых компонентов «a», «b», «c», соответственно, и
a
b
measured
s(p, p)·представляет парный коэффициент синергии диэлектрических газовых компонентов «a», «b», с величиной Ebd, измеренной или фактической напряженностью поля пробоя диэлектрической изолирующей среды, содержащей диэлектрические газовые компоненты «a», «b», «c», и
lin.calc
a
crit,a
b
crit,b
c
crit,c
Ebd=(p·E+p·E+p·E);
в которой смесь выбрана таким образом, что коэффициент «s» синергии составляет более 1.
или если три газовых компонента создают нелинейный синергический эффект:
1
2
3
1
crit,1
2
crit
2
3
crit
3
Ebd=s(p, p, p)∙(p E+p E,+p E,)
1
2
3
6
2
6
2
4
8
2
4
8
2
6
6
4
8
4
8
6
2
6
2
4
8
2
4
8
2
2
2
в которой p, p, p представляют парциальные давления тройных комбинаций нелинейно взаимодействующих диэлектрических газовых компонентов 1, 2 и 3, например, SF/C5-FK/N, SF/C6-FK/N; c-CF/C5-FK/N, c-CF/C6-FK/N; SF/C5-FK/воздух, SF/C6-FK/воздух; c-CF/C5-FK/воздух, c-CF/C6-FK/воздух; SF/C5-FK/CO, SF/C6-FK/CO; c-CF/C5-FK/CO, c-CF/C6-FK/CO; C5-FK/C6-FK/N, C5-FK/C6-FK/воздух, C5-FK/C6-FK/CO;
crit,1
crit2
crit,3
E, E, E представляют величины напряженности электрического поля пробоя при пониженном давлении газовых компонентов 1, 2, 3, соответственно, и
1
2
3
measured
lin.calc
measured
lin.calc
1
crit,1
2
crit,2
3
crit,3
s(p, p, p) представляет тройной коэффициент синергии Ebd/Ebd., причем Ebd представляет измеренную или фактическую напряженность поля пробоя диэлектрической изолирующей среды, содержащей три диэлектрических газовых компонента 1, 2, 3, и Ebd=(p·E+p·E+p·E);
причем смесь выбирают таким образом, что коэффициент «s» синергии составляет более 1.
4
8
2
Также возможны квадруплетные и т.д. синергии, например, в системе c-CF/C5-FK/воздух/CO, и т.д., и могут быть описаны аналогично.
Другими словами, смесь должна содержать, по меньшей мере, один конкретный второй диэлектрический газовый компонент L2), в частности, С5-фторкетон, который вместе с третьим диэлектрическим газовым компонентом L3), в частности, газом-носителем, и первым газовым компонентом L1) обеспечивает нелинейное возрастание диэлектрической прочности сверх арифметической суммы величин диэлектрической прочности газовых компонентов, присутствующих в смеси. Это проявляется в коэффициенте «s» синергии в вышеуказанных уравнениях, который составляет больше 1.
В контексте коммутационного устройства, показанного на Фиг. 1 и Фиг. 2, термин «по меньшей мере частично фторированный фторкетон» должен включать любой вариант согласно любому пункту или комбинации пунктов формулы изобретения. Следует отметить, что номинальная токовая нагрузка в основном облегчает испарение по меньшей мере частично фторированного фторкетона, в частности, фторкетона а) (или С5-кетона) и/или фторкетона с) (или С6-кетона), в результате омического нагрева токонесущих проводников.
Согласно вышеприведенным вариантам осуществления, термин «диэлектрическая изолирующая среда» в настоящей заявке следует понимать в широком смысле как охватывающий газообразную фазу и, возможно, жидкую фазу диэлектрической изолирующей среды. Однако диэлектрическая изолирующая среда, то есть, все компоненты диэлектрической изолирующей среды, предпочтительно должны присутствовать полностью и исключительно в газообразном состоянии при всех рабочих условиях, в частности, при всех температурах работы электрического устройства. Кроме того, этот термин должен охватывать среду, которая имеет выдающиеся характеристики диэлектрической изоляции или диэлектрической прочности, например, в коммутационном устройстве с газовой изоляцией (GIS), или линиях передачи электроэнергии с газовой изоляцией (GITL), и/или имеет высокие характеристики для гашения электрической дуги, например, дуги короткого замыкания в GIS или GITL, или дуги при переключении в переключателях любого типа, разъединителе, прерывателе цепи, или тому подобном.
6
6
6
6
6
4
3
2
2
6
4
3
2
2
Присутствие SF, или любого соединения или комбинации соединений, выбранных из упомянутых здесь типов газов, которые отличаются от фторкетона и SF, может быть в комбинации с SF или без SF - но всегда, когда в комбинации с фторкетоном или фторкетонами -, может быть в большом или малом количестве. В первых вариантах осуществления гексафторид серы (SF), и/или тетрафторметан (CF), и/или CFI, и/или оксиды азота (NO, NO, NO), могут составлять основной объем газа, или буферный газ, или газ-носитель, который присутствует в большем количестве, нежели по меньшей мере частично фторированный фторкетон. В частности, гексафторид серы (SF), и/или тетрафторметан (CF), и/или CFI, и/или оксиды азота (NO, NO, NO), присутствует в количестве, превышающем 60%, предпочтительно более 70%, более предпочтительно свыше 80%, еще более предпочтительно более 90%, в особенности предпочтительно свыше 95%, еще более особенно предпочтительно более 97%, и наиболее предпочтительно более 99%, изолирующей среды.
6
4
3
6
4
3
Во вторых вариантах осуществления гексафторид серы (SF), и/или тетрафторметан (CF), и/или CFI, представляет собой газ, который присутствует в меньшем количестве, чем по меньшей мере частично фторированный фторкетон. Гексафторид серы (SF), и/или тетрафторметан (CF), и/или CFI, предпочтительно присутствует в количестве менее 40%, предпочтительно менее 30%, более предпочтительно менее 20%, еще более предпочтительно менее 10%, в особенности предпочтительно менее 5%, еще более особенно предпочтительно менее 3%, и наиболее предпочтительно менее 1%, изолирующей среды.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда имеет нелинейное возрастание диэлектрической прочности сверх суммы величин диэлектрической прочности газовых компонентов изолирующей среды. В других вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда имеет потенциал глобального потепления (GWP) в расчете на 100 лет в диапазоне от 20000 до 15000, или в диапазоне от 15000 до 10000, или в диапазоне от 10000 до 5000, или в диапазоне от 5000 до 3000, или в диапазоне от 3000 до 2000, или в диапазоне от 2000 до 1000, или в диапазоне от 1000 до 500, или ниже 500.
В вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда содержит по меньшей мере частично фторированный фторкетон, который имеет температуру кипения выше -20°C, предпочтительно выше -15°C, более предпочтительно выше -10°C, еще более предпочтительно выше -5°C, наиболее предпочтительно выше 0°C. В дополнительных вариантах осуществления диэлектрическая изолирующая среда содержит по меньшей мере частично фторированный фторкетон, который имеет температуру кипения ниже 50°C, предпочтительно ниже 40°C, более предпочтительно ниже 30°C, еще более предпочтительно ниже 20°C, наиболее предпочтительно ниже 15°C.
В одном из вариантов осуществления диэлектрической изолирующей среды, по меньшей мере, частично фторированный фторкетон имеет общую структуру
R1-CO-R2
в которой радикалы R1 и R2 представляют по меньшей мере, частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи независимо друг от друга являются линейными или разветвленными, и имеющими от 1 до 10 атомов углерода.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии упомянутое устройство представляет собой высоковольтный прерыватель цепи, имеющий камеру сжатия для обеспечения сжатого дугогасящего газа, и что в операции переключения по меньшей мере частично фторированный фторкетон разлагается до фторуглеродных соединений, имеющих меньшее число атомов углерода во время фазы дугогашения.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии упомянутое устройство содержит диэлектрическую изолирующую среду в смеси с компонентом, выбранным из группы, состоящей из диоксида углерода, воздуха и кислорода, в качестве дугогасящего газа, в частности, для сокращения отложения углерода на электродах, и/или для уменьшения количества токсичных побочных продуктов, образованных дугой.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии в диэлектрической изолирующей среде по меньшей мере частично фторированный фторкетон присутствует в таком количестве, что температура конденсации по меньшей мере частично фторированного фторкетона ниже минимальной рабочей температуры устройства, в частности, ниже +5°C.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии диэлектрическая изолирующая среда содержит газообразные компоненты в таких объемных концентрациях, что температура конденсации смеси газообразных компонентов ниже минимальной рабочей температуры устройства, в частности, ниже +5°C.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии температура конденсации по меньшей мере частично фторированного фторкетона ниже -20°C.
В одном из вариантов осуществления устройства для генерирования, распределения, и/или использования электрической энергии температура конденсации смеси газообразных компонентов ниже -20°C.
Некоторые конкретные примеры реализации диэлектрической изолирующей среды согласно настоящему изобретению включают в себя:
6
6
12
1. среду, содержащую гексафторид серы (SF), имеющий мольную долю в 60% в изолирующей среде, и фторкетон, имеющий молекулярную формулу CFO (например, один 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 декафторциклогексанона) и имеющий мольную долю в 40% в изолирующей среде;
4
5
10
2. среду, содержащую тетрафторметан (CF), имеющий мольную долю в 85% в изолирующей среде, и фторкетон, имеющий молекулярную формулу CFO (например, один из группы состоящей из 1,1,1,3,4,4,4-гептафтор-3-(трифторметил)бутан-2-она, 1,1,1,3,3,4,4,5,5,5-декафторпентан-2-она и 1,1,1,2,2,4,4,5,5,5-декафторпентан-3-она, и 1,1,1,4,4,5,5,5-октафтор-3-бис(трифторметил)-пентан-2-она) и имеющий мольную долю в 15% в изолирующей среде;
6
2
6
12
3. среду, содержащую гексафторид серы (SF), имеющий мольную долю в 30% в изолирующей среде, оксид азота NO,, имеющий мольную долю в 30% в изолирующей среде, и фторкетон, имеющий молекулярную формулу CFO и имеющий мольную долю в 40% в изолирующей среде; и т.д.
Дополнительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах или в произвольных комбинациях зависимых пунктов формулы изобретения, и настоящим полностью цитированы в этом описании.
6
4
3
2
2
Компоненты диэлектрической изолирующей среды, такие как разнообразные типы SF, и/или CF, и/или CFI, фторкетоны и газы-носители, такие как азот, и/или воздух, и/или диоксид углерода, и/или оксиды азота (NO, NO, NO), настоящим подробно раскрыты как возможные или присутствующие в любых комбинациях, будь то парные комбинации, тройные комбинации, квадруплетные комбинации, или тому подобные, однако всегда в комбинации с фторкетоном или фторкетонами. Поэтому любые перечисления всех таких комбинаций настоящим сделаны частью изобретения.
6
4
2
6
3
8
4
8
3
2
2
Таким образом, в общих выражениях, изобретение охватывает диэлектрическую изолирующую среду, применение в качестве диэлектрической изолирующей среды, и электрическое устройство, которое включает: по меньшей мере, один частично фторированныйфторкетон в смеси с компонентом, выбранным из группы, состоящей из: гексафторида серы SF, перфторуглеродов, тетрафторметана CF, CF, CF, c-CF, трифториодметана CFI, диоксида азота NO, оксида азота NO, закиси азота NO, и их смесей. В частности, по меньшей мере, один фторкетон представляет собой фтормонокетон. Кроме того, в частности, по меньшей мере, один фторкетон представляет собой фтормонокетон, содержащий по меньшей мере 5 атомов углерода, предпочтительно в точности 5 атомов углерода, или в точности 6 атомов углерода, или их смеси.
Термины «предпочтительно», «предпочтительный», «более предпочтительно», «в частности», должны означать исключительно «примерный», и поэтому должны обозначать только варианты осуществления или примеры, то есть, должны пониматься как необязательные.
Кроме того, на всем протяжении настоящей заявки любое раскрытие или притязание на диэлектрическую изолирующую среду, содержащую по меньшей мере частично фторированный фторкетон согласно настоящему изобретению, и на любые варианты осуществления, также представляет собой раскрытие применения такого по меньшей мере частично фторированного фторкетона в диэлектрической изолирующей среде или в качестве таковой, и это применение подробно раскрыто настоящим и может быть заявлено как притязание на применение, в частности, заменой термина «Диэлектрическая изолирующая среда, содержащая по меньшей мере, частично фторированный фторкетон» на термин «Применение по меньшей мере частично фторированного фторкетона в качестве диэлектрической изолирующей среды или в диэлектрической изолирующей среде». И наоборот, притязание на применение также является раскрытым и может быть сформулировано как притязание на диэлектрическую изолирующую среду или устройство, содержащее компоненты, используемые для диэлектрической изоляции.
Список условных обозначений
2 Коммутационное устройство
4 Корпус
4' Стенка корпуса
6 Изолирующее пространство
8 Электрически активная часть
10а Блок регулирования температуры
10b Блок обработки текучей среды
14 Аэрозоль
16 Форсунка
18 Отверстие
20 Канал