Электрическое устройство, имеющее газовую изоляцию, включающую в себя фторсодержащее соединение
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в обеспечении регулирования давления газа с одновременным ограничением потерь вырабатываемого тепла. Электрическое устройство (10) для средне- или высоковольтной линии передачи тока имеет газовую изоляцию и содержит герметизированный корпус (12), заполненный электрически изолирующим газом, включающим в себя по меньшей мере одно фторсодержащее соединение, такое как фторкетон, по меньшей мере один электрический компонент, расположенный в пределах внутреннего пространства корпуса (12), и средства для регулирования количества фторсодержащего соединения в пределах внутреннего пространства корпуса (12). Регулирующие средства содержат средства (22, 24, 38) для нагревания жидкости (20), получающейся в результате конденсации фторсодержащего соединения, присутствующего в изолирующем газе, чтобы вызвать испарение, по меньшей мере, части упомянутой жидкости (20). 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к электрическому устройству, имеющему газовую изоляцию, для средне- или высоковольтной линии электропередачи, содержащему средства для регулирования количества изолирующего газа во взвеси во внутреннем пространстве изолирующего корпуса.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В электрическом устройстве для средних или высоких напряжений функции электрической изоляции и гашения электрической дуги, как правило, выполняет изолирующий газ, который заключен внутри устройства. В том смысле, в какой их обычно понимают, термин «среднее напряжение» означает напряжение, которое больше 1000 вольт переменного тока и строго больше 1500 вольт постоянного тока, но которое не превышает 52000 вольт переменного тока или не превышает 75000 вольт постоянного тока, а термин «высокое напряжение» означает напряжение, которое строго больше 52000 вольт переменного тока и больше 75000 вольт постоянного тока.
В соответствии с одним известным вариантом осуществления, изолирующий газ, используемый внутри этих устройств, содержит гексафторид серы SF6. Хотя он обладает очень хорошими свойствами, особенно - диэлектрическими и химическими свойствами, гексафторид серы вреден для окружающей среды; в частности, его потенциал глобального потепления (ПГП) очень высок.
В качестве замены гексафторида серы предложены фторкетоны, как описано, например, в документе WO 2010/142346. Фторкетоны обладают приемлемой электрической прочностью диэлектрика и лучшими экологическими характеристиками, чем гексафторид серы. Можно также предусмотреть другие фторсодержащие газы, используемые по отдельности или в смеси благодаря их электрической прочности диэлектрика и их экологическим характеристикам, в частности, гидрофторолефины (неопубликованная заявка FR 1156062), гидрофторуглероды, фтороксираны (неопубликованная заявка FR 1160971), а также гидрохлоролефины или простые гидрофторэфиры.
Однако температура кипения этих фторсодержащих соединений является высокой, особенно если их молекула является крупной, в частности, в случае фторкетона. В настоящее время, некоторые электрические устройства предназначены для наружного монтажа, при котором температура может упасть до столь низких отрицательных температур, как -40°C. При таких отрицательных температурах возможно поддержание давления фторсодержащих газов, особенно фторкетонов в газообразном виде, лишь в течение ограниченного времени, что снижает их эффективность: фактически при таких температурах фторкетон, например, конденсируется, образуя жидкость на дне корпуса.
В документе W0 2010/142346 описано электрическое устройство, содержащее средства для регулирования давления газообразного фторкетона. Эти регулирующие средства содержат средства для нагнетания газообразного фторкетона и средства для нагревания, по меньшей мере, части внешнего корпуса устройства; частичное нагревание корпуса делает возможным нагревание газообразного фторкетона и ограничение конденсации последнего.
Вместе с тем, когда температура окружающей среды снаружи корпуса является относительно низкой, затем происходит обмен большей частью тепла, вырабатываемого для нагревания корпуса, с пространством снаружи него, и это тепло превращается в значительные тепловые потери. Следовательно, такая система потребляет значительное количество энергии на нагревание корпуса и изолирующего газа на основе фторкетона.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения состоит в том, чтобы разработать электрическое устройство, содержащее средства для регулирования давления газа, которое присуще фторсодержащему газу, с одновременным ограничением потерь вырабатываемого тепла.
В изобретении предложено электрическое устройство, имеющее газовую изоляцию, для средних и/или высоких напряжений, содержащее газонепроницаемый корпус, внутреннее пространство которого заполнено электрически изолирующим газом, включающим в себя, по меньшей мере, одно фторсодержащее соединение с ПГП менее 3500, а именно фторкетон, гидрофторолефин, гидрофторуглерод и/или фтороксиран, или даже гидрохлоролефин или простой гидрофторэфир. Во внутреннем пространстве корпуса расположен, по меньшей мере, один электрический компонент, который выполнен так, что жидкость, образующаяся посредством конденсации, в частности, из фторсодержащего соединения, собирается в баке, внутреннее пространство которого сообщается с внутренним пространством корпуса. Электрическое устройство также содержит средства для регулирования количества фторсодержащего соединения во внутреннем пространстве корпуса, которые содержат средства для нагревания жидкости, получающейся в результате конденсации фторсодержащего соединения, присутствующего в изолирующем газе.
Нагревание жидкости, образующейся посредством конденсации, заставляет эту жидкость испаряться и тем самым увеличивает давление газа в корпусе. Тогда потери тепла, вырабатываемого нагревательными средствами, оказываются ограниченными, что повышает эффективность средств для регулирования давления изолирующего газа.
Жидкость конденсации предпочтительно течет под действием силы тяжести к баку, а средства для нагревания жидкости расположены, по меньшей мере - частично, в этом баке.
В частности, нагревательные средства могут содержать резистор, делающий возможным нагревание внутренности бака; в альтернативном варианте, нагревательные средства содержат соленоид и сердечник, предпочтительно - ферромагнитный, делающий возможным нагревание внутренности бака.
В еще одном варианте осуществления, нагревательные средства содержат компонент, являющийся проводником тепла, который проходит сквозь стенку бака, причем часть проводника тепла находится снаружи бака, а другая часть проводника тепла заключена внутри бака. Упомянутый проводник тепла предпочтительно находится в трубке, гарантирующей заполнение внутреннего пространства корпуса изолирующим газом. Проводник тепла связан со средствами, обеспечивающими изменение его температуры, в частности, с резистором и, соответственно, соленоидом и связанным с ним сердечником, расположенными снаружи бака и корпуса, и этот проводник тепла выполнен с возможностью нагревания упомянутой части проводника тепла, которая находится снаружи бака; часть проводника тепла или трубки может находиться внутри средств для изменения его (ее) температуры, в частности - внутри соленоида там, где это уместно.
В еще одном варианте осуществления, нагревательные средства расположены в полости, открытой наружу, которая выступает вверх относительно нижней стенки дна бака. Внутреннее пространство полости предпочтительно заполнено теплопередающей текучей средой, которая способна проводить тепло, вырабатываемое резистором, к стенке полости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и преимущества изобретения станут ясными по прочтении следующего подробного описания, пониманию которого будет способствовать обращение к прилагаемым чертежам, среди которых:
Фиг.1 - схематическое изображение в перспективе электрического устройства, содержащего регулирующие средства в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - сечение вдоль вертикальной продольной плоскости от дна корпуса, показанного на Фиг.1;
Фиг.3А, 3B и 3C - представленные в увеличенном масштабе подробности бака, показанного в сечении на Фиг.2, демонстрирующие три варианта осуществления нагревательных средств;
Фиг.4 - схематическое изображение в перспективе корпуса в еще одном варианте осуществления;
Фиг.5 - сечение бака, представленного на Фиг.4, демонстрирующее еще один вариант осуществления нагревательных средств.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электрическое устройство, показанное на Фиг.1, представляет собой прерыватель, обеспечивающий включение и выключение линии электропередачи со средним и/или высоким напряжением; применительно к прерывателю для изобретения можно рассмотреть устройства и/или геометрию других типов.
Устройство 10 содержит, в частности, внешний корпус 12 с продольной главной осью, ограничивающий пустое пространство, в котором расположен электрический компонент (не показан). Внутреннее пространство корпуса 10 уплотнено с достижением газонепроницаемости и заполнено электрически изолирующим газом с ПГП, предпочтительно составляющим менее 85% или 95% или даже 99% от ПГП SF6. В частности, диэлектрический изолирующий газ включает в себя фторсодержащее соединение с ПГП менее 3500, отдельно или в смеси, выбранное обладающим наилучшими изолирующими качествами, а также имеющее достаточно высоко-насыщенные пары. В подробнее проработанном варианте осуществления корпус заполнен газом, содержащим по меньшей мере один фторкетон, но в альтернативном варианте это может быть гидрофторолефин, такой как HFO 1234 zeE и HFO 1234 yf, или даже HFO 1336 mzzzM, гидрофторуглерод, такой как HFC R-125 или HFC R-236cb, и/или фтороксиран, такой как C4F8O, а также гидрофторолефин, такой как HCFO транс-1233zd, или простые гидрофторэфиры, такие как HFE 245fa.
Рабочая характеристика изолирующего газа, такого, как фторкетон, всегда важнее, когда его молекула велика, т.е. когда она содержит большое количество атомов углерода и фтора, и когда молекула является разветвленной. С другой стороны, чем больше молекула фторкетона, тем выше его температура кипения, т.е. давление его насыщенных паров при заданной температуре является низким. Например, температура кипения в случае молекулы C5F10O составляет примерно 22°C, температура кипения в случае молекулы C6F12O составляет примерно 49°C и температура кипения в случае молекулы C7F18O составляет примерно 73°C. Следовательно, при заданной температуре изолирующий газ может содержать большее количество фторкетона, имеющего малую молекулу, чем фторкетона, имеющего большую молекулу, но у этой меньшей молекулы хуже способность гасить дугу.
Когда устройство 10 используют вне помещения, происходит конденсация части фторсодержащего продукта, присутствующего в изолирующем газе, вследствие относительно низкой температуры окружающей среды, что приводит к снижению его парциального давления в изолирующем газе и последующему снижению эффективности газовой изоляции. Поэтому, чтобы поддержать парциальное давление используемого фторсодержащего соединения на адекватном уровне, устройство 10 сдержит средства для регулирования давления изолирующего газа внутри корпуса 12, а в частности - нагревательные средства для компенсации конденсации фторкетона и поддержания его в виде газа.
В соответствии с изобретением, регулирующие средства состоят из средств для восстановления в заданном месте жидкости, получающейся в результате конденсации изолирующего газа, и сбора жидкости в баке 14. В нижеследующем описании, для определения жидкости, получающейся в результате конденсации изолирующего газа, будет употребляться термин «конденсат».
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, корпус 12 устройства 10 выполнен так, что конденсат течет под действием силы притяжения Земли и восстанавливается баком 14, к которому конденсат вынужден течь. В частности, в варианте осуществления, показанном на Фиг.1 и 2, дно 16 корпуса 12 является вогнутым и открытым кверху; нижняя поверхность дна 16 скруглена, а дно 16 наклонено относительно горизонтали таким образом, что конденсат 18, который стек ко дну, также течет к продольному концу дна 16 корпуса 12. Как следствие, все капли конденсата 18 появляются под действием силы тяжести на нижней части продольного конца дна 16 корпуса.
Бак 14 в соответствии с изобретением расположен на уровне этого продольного конца дна 16, и поэтому конденсат 20, собранный таким образом, стекает в бак 14. Поэтому бак 14 находится в вертикальном положении, которое ниже, чем самая низкая точка дна 16 корпуса 12, и бак 14 открыт кверху. Бак 14 выполнен так, что его внутреннее пространство сообщается непосредственно с внутренним пространством корпуса 12.
На Фиг.4 показан еще один вариант осуществления корпуса 12, в котором все стенки являются целиком плоскими и наклоненными книзу. Тогда бак 14 находится у нижнего вертикального конца корпуса 12 и центрован горизонтально по отношению к корпусу 12. Поэтому все стенки корпуса 12 ориентированы в направлении бака 14 таким образом, что капли 18 конденсировавшегося фторкетона текут в бак 14. Возможны и другие альтернативы.
Сам корпус 12 выполнен из теплоизолирующего материала, что дает возможность ограничить эффекты внешних погодных условий (Фиг.1). В альтернативном варианте, чтобы снизить общую стоимость устройства 10, корпус 12 можно выполнить из теплопроводного материала, например из металла (Фиг.4).
Электрическое устройство 10 также содержит средства для регулирования давления изолирующего газа во внутреннем пространстве корпуса 12. Эти регулирующие средства содержат средства (не показаны) для измерения количества фторкетона, присутствующего во внутреннем пространстве корпуса 12, которые состоят, например, по меньшей мере, из одного датчика давления, средств для измерения плотности фторкетона или средств для измерения температуры изолирующего газа.
Регулирующие средства также содержат нагревательные средства, способные вызывать испарение фторкетона во внутреннем пространстве корпуса 12. Управление этими нагревательными средствами также осуществляют в зависимости от количества фторкетона, измеряемого измерительными средствами, охарактеризованными выше. Нагревательные средства выполнены так, что нагревают только концентрат 20, который восстанавливается в баке 14. Поэтому нагревательные средства инициируют испарение конденсата 20, собранного в баке 14, обеспечивая тем самым увеличение количества фторкетона в форме газа, присутствующего в изолирующем газе.
В первом варианте осуществления, изображенном на Фиг.3А, нагревательные средства содержат резистор 22, например, электрический резистор, который вырабатывает тепло, передаваемое конденсату; тепло, вырабатываемое резистором 22, передается конденсату посредством проводника 24 тепла. Эта передача тепла выгодна, в частности, в случае, когда корпус 12 выполнен из теплоизолирующего материала, потому что лишь проводник 24 тепла позволяет теплу, вырабатываемому резистором 22, достичь конденсата 20. Тем не менее, будет ясно, что проводник 24 тепла можно также можно использовать для варианта осуществления, в котором корпус 12 выполнен из теплопроводного материала.
Поэтому резистор 22 расположен снаружи бака 14, предпочтительно - снаружи корпуса 12, а проводник 24 тепла проходит сквозь стенку бака 14. Первый конец 26 проводника тепла находится снаружи корпуса 12 и нагревается резистором, а второй конец 28 проводника 24 тепла находится внутри бака 14 и нагревает конденсат 20: тепло, вырабатываемое резистором, передается конденсату 20 посредством проводника 24 тепла.
Проводник 24 тепла может быть трубкой, используемой для заполнения внутреннего пространства корпуса 12 изолирующим газом. Это делает возможным формирование единственного отверстия в корпусе 12 для выполнения двух функций, то есть снижения рисков утечек газа, а также общей стоимости устройства 10.
В варианте, изображенном на Фиг.3B, резистор 22 заключен непосредственно в баке 14. Можно также отметить, что бак 14 состоит из цилиндрического элемента, нижний осевой конец которого уплотнен газонепроницаемым образом посредством пробки 30, которая несет резистор.
Во втором варианте осуществления, показанном на Фиг.3C, нагревательные средства 22' содержат соленоид 22'1 и его сердечник 22'2. Вырабатываемое тепло передается конденсату 20, предпочтительно - посредством проводника 24 тепла, который также может быть наполнительной трубкой: поэтому соленоид 22'1 и его сердечник 22'2 расположены снаружи бака 14 снаружи корпуса 12, а проводник 24 тепла проходит сквозь стенку бака 14, причем первый конец 26 проводника 24 тепла находится снаружи корпуса 12 и нагревается средствами 22', а второй конец 28 находящийся внутри бака 14, нагревает конденсат 20. Таким образом, тепло, вырабатываемое соленоидом и его сердечником, передается конденсату 20 посредством проводника 24 тепла.
В еще одном варианте осуществления, изображенном на Фиг.5, бак 14 конденсата 20 содержит нижнюю стенку 32 дна, в которой выполнена полость. Полость 34 выступает вертикально вверх по отношению к стенке 32 дна: следовательно, она проходит вовнутрь бака 14. Полость 34 открывается ко дну и выполнена таким образом, что ее внутреннее пространство не сообщается с внутренним пространством бака 14. Резистор 22 для нагревания конденсата 20 расположен внутри полости 34, будучи отстоящим от стенки 36 полости 34. Пробка 30 блокирует нижнее отверстие полости 34 газонепроницаемым образом и несет резистор 22. Пространство, отделяющее резистор 22 от стенок полости 34, заполнено теплопередающей текучей средой 38, которая передает тепло, вырабатываемое резистором 22, стенкам 36 полости.
Этот вариант пригоден, в частности, для корпуса 12, стенки которого выполнены из теплопроводного материала. Поэтому стенки бака 14 и стенки полости 34 тоже выполнены из теплопроводного материала, чтобы проводить тепло, вырабатываемое резистором 22 и поступающее из теплопередающей текучей среды по направлению к конденсату 20 фторкетона. Тепло, передаваемое таким образом по направлению к конденсату 20 фторкетона, затем испаряет его, увеличивая давление изолирующего газа.
Как возможный вариант осуществления, средства для нагревания конденсата 20 состоят из средств, использующих магнитное и/или электрическое поля внутри электрического устройства 10, и эти средства дают возможность обойтись без внешнего источника энергии; тогда устройство 10 является автономным применительно к нагреванию конденсата 20. Можно также предусмотреть тепловые трубки или капиллярные испарители.
Электрическое устройство в соответствии с изобретением выгодно, в частности, благодаря тому, что нагревательными средствами нагревается малая доля внутреннего пространства корпуса 12. Следовательно, эти нагревательные средства потребляют малое количество энергии.
1. Электрическое устройство (10), имеющее газовую изоляцию, для средних и/или высоких напряжений, содержащее:
газонепроницаемый корпус (12), внутреннее пространство которого заполнено электрически изолирующим газом, включающим в себя по меньшей мере одно фторсодержащее соединение с потенциалом глобального потепления (ПГП) менее 3500;
по меньшей мере один электрический компонент, расположенный во внутреннем пространстве корпуса (12);
средства для регулирования количества фторсодержащего соединения во внутреннем пространстве корпуса (12);
отличающееся тем, что содержит бак (14), внутреннее пространство которого сообщается с внутренним пространством корпуса (12), причем корпус (12) выполнен таким образом, что жидкость (20), образующаяся посредством конденсации, собирается в баке (14), и тем, что регулирующие средства содержат средства (22, 22′, 24, 38) для нагревания жидкости (20), получающейся в результате конденсации фторсодержащего соединения, присутствующего в изолирующем газе, чтобы вызвать испарение, по меньшей мере, части упомянутой жидкости (20),
причем средства (22, 22′, 24, 38) для нагревания жидкости (20) содержат компонент (24) проводника тепла, который проходит сквозь стенку бака (14), при этом часть (26) проводника (24) тепла находится снаружи бака (14), а другая часть (28) проводника (24) тепла скрыта внутри бака (14).
2. Электрическое устройство (10) по п. 1, в котором средства (22, 22′, 24, 38) для нагревания жидкости (20) расположены, по меньшей мере, частично в баке (14).
3. Электрическое устройство (10) по п. 2, в котором нагревательные средства содержат резистор (22), делающий возможным нагревание внутренности бака (14).
4. Электрическое устройство (10) по п. 2, в котором нагревательные средства (22′) содержат соленоид (22′1) и его сердечник (22′2), делающие возможным нагревание внутренности бака (14).
5. Электрическое устройство (10) по п. 1, в котором упомянутый проводник (24) тепла состоит из трубки, позволяющей наполнять внутреннее пространство корпуса (12) изолирующим газом.
6. Электрическое устройство (10) по п. 1, в котором нагревательные средства содержат резистор (22), расположенный снаружи бака (14) и снаружи корпуса (12) и способный нагревать упомянутую часть (26) проводника (24) тепла, которая находится снаружи бака (14).
7. Электрическое устройство (10) по п. 6, в котором упомянутый проводник (24) тепла состоит из трубки, позволяющей наполнять внутреннее пространство корпуса (12) изолирующим газом.
8. Электрическое устройство (10) по п. 6, в котором нагревательные средства содержат узел (22′) соленоида/сердечника, расположенный снаружи бака (14) и снаружи корпуса (12) и способный нагревать упомянутую часть (26) проводника (24) тепла, которая находится снаружи бака (14).
9. Электрическое устройство (10) по п. 8, в котором упомянутый проводник (24) тепла состоит из трубки, позволяющей наполнять внутреннее пространство корпуса (12) изолирующим газом.
10. Электрическое устройство (10) по п. 1, в котором бак (14) содержит нижнюю стенку (32) дна, образующую полость (34), открывающуюся наружу и выступающую вовнутрь бака (14), причем нагревательные средства расположены в упомянутой полости (34), по меньшей мере, стенка (36) которой выполнена из проводящего материала.
11. Электрическое устройство (10) по п. 10, в котором внутреннее пространство полости (34) заполнено теплопередающей текучей средой (38), причем нагревательные средства отстоят от стенки полости (34).
12. Электрическое устройство (10) по п. 11, в котором нагревательные средства содержат резистор (22) или узел (22′) соленоида/сердечника, отстоящий от стенки полости (34), причем упомянутая теплопередающая текучая среда (38) делает возможной передачу вырабатываемого тепла к стенке (36).
13. Электрическое устройство по любому из пп. 1-12, в котором фторсодержащее соединение выбрано из фторкетонов, гидрофторолефинов, фтороксиранов, гидрофторуглеродов или смеси этих соединений.
14. Электрическое устройство (10) по любому из пп. 1-12, в котором корпус (12) выполнен так, что упомянутая жидкость (20) течет под действием силы тяжести к баку (14).
15. Электрическое устройство по п. 14, в котором фторсодержащее соединение выбрано из фторкетонов, гидрофторолефинов, фтороксиранов, гидрофторуглеродов или смеси этих соединений.
