Применение смеси, содержащей гидрофторолефин, в качестве дугогасящего и/или изолирующего газа для среднего напряжения и содержащее ее электрическое устройство среднего напряжения
Изобретение относится к применению смеси, содержащей гидрофторолефин с тремя атомами углерода, причем упомянутая смесь имеет более низкий потенциал глобального потепления (GWP), чем потенциал глобального потепления гидрофторолефина, в качестве газообразной среды для электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в электрическом устройстве подстанции среднего напряжения. Причем гидрофторолефин присутствует в смеси в молярном проценте (MHFO), по меньшей мере равном 95% молярного процента M, определяемого по формуле M=(PHFO/Pmixture)×100, в которой Pmixture является давлением смеси при 20°C в электрическом устройстве, и PHFO является давлением, которое при 20°C эквивалентно давлению насыщенного пара (SVP) гидрофторолефина при минимальной рабочей температуре (Tmin) электрического устройства. Изобретение также относится к электрическому устройству среднего напряжения, содержащему герметичную оболочку, в которой электрические компоненты расположены совместно с указанной газообразной средой, которая обеспечивает электрическую изоляцию и/или гашение электрической дуги в этой оболочке. Технический результат - низкое воздействие на окружающую среду газообразной смеси с повышенной диэлектрической прочностью. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электрической изоляции и гашения электрических дуг в устройствах среднего напряжения.
В частности, оно относится к использованию смесей, которые содержат конкретный алкен, а именно, гидрофторолефин с тремя атомами углерода, в качестве изолирующего и/или дугогасящего газа в электрических устройствах подстанции и, в частности, в устройствах среднего напряжения. Гидрофторолефин можно использовать в смеси с другим гидрофторолефином или с разбавляющим газом, который имеет более низкий потенциал глобального потепления, чем он сам, и, в частности, меньший или равный единице.
Оно также относится к электрическим устройствам подстанции среднего напряжения, в которых электрическая изоляция и/или гашение электрической дуги осуществляются за счет газообразной среды, содержащей, по меньшей мере, один гидрофторолефин, причем это соединение имеет наивысший потенциал глобального потепления из газов, присутствующих в газообразной среде.
Таким электрическим устройством может быть, в частности, электрический трансформатор, например, силовой или измерительный трансформатор, линия с газовой изоляцией для передачи или распределения электроэнергии, система шин или устройство электрического соединения/разъединения (также именуемое переключателем), например, прерывателем, переключателем, устройством, объединяющим переключатель с предохранителями, размыкателем, заземляющим переключателем или замыкателем.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В нижеследующем описании изобретения, термины "среднее напряжение" (MV) и "высокое напряжение" (HV) используются в их привычном смысле, а именно, термин "среднее напряжение" означает напряжение свыше 1000 вольт для переменного тока и 1500 вольт для постоянного тока, но не более 52000 вольт для переменного тока и 75000 вольт для постоянного тока, тогда как термин “высокое напряжение” означает напряжение, которое строго больше 52000 вольт для переменного тока и 75000 вольт для постоянного тока.
Электрическая изоляция и, возможно, гашение электрических дуг в электрических устройствах среднего или высокого напряжения обычно осуществляются за счет газа, заключенного внутри оболочки в устройствах. В настоящее время, наиболее часто используемым газом является гексафторид серы (SF6): этот газ обладает сравнительно высокой диэлектрической прочностью, хорошей теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями. Он химически инертен и не токсичен для человека и животных и, будучи диссоциирован электрической дугой, быстро и почти полностью рекомбинирует. Он также не горюч и не слишком дорог.
Однако главный недостаток SF6 состоит в том, что его потенциал глобального потепления (GWP) составляет 22800 (относительно CO2 за 100 лет), и его время пребывания в атмосфере составляет 3200 лет, из-за чего он относится к газам, имеющим сильный глобальный парниковый эффект. Поэтому SF6 был включен при подписании Киотского протокола (1997) в перечень газов, выбросы которых подлежат ограничению.
Наилучший способ ограничения выбросов SF6 состоит в ограничении использования этого газа, что заставляет производителей искать альтернативы SF6. Фактически, другие решения, например, гибридные системы, объединяющие газовую изоляцию с твердой изоляцией (EP-A-1724802), увеличивают объем электрических устройств относительно объема, который возможен при изоляции SF6; отсечка в масле или в вакууме требует изменения конструкции устройств.
Диэлектрические газы известны: см., например WO-A-2008/073790. Однако так называемые “простые” газы наподобие воздуха или азота, которые не оказывают негативного воздействия на окружающую среду, имеют значительно более низкую диэлектрическую прочность, чем SF6; их применение для электрической изоляции и/или гашения электрических дуг в устройствах HV/MV потребует значительного увеличения объема и/или давления наполнения этих устройств, что сведет на нет усилия, предпринятые за последние несколько десятилетий, по разработке компактных и менее громоздких электрических устройств.
Перфторуглероды (CnF2n+2, c-C4F8), в общем случае, имеют привлекательные свойства диэлектрической прочности, но их GWP обычно составляет от 5000 до 10000. Другие альтернативы, например, трифториодометан (CF3I), обладающий перспективными электрическими характеристиками и GWP, классифицируются среди канцерогенных, мутагенных и репротоксичных веществ как относящиеся к категории 3, что делает их непригодными для использования в промышленном масштабе.
Смеси SF6 и других газов, например, азота или диоксида азота используются для ограничения воздействия SF6 на окружающую среду; см., например WO-A-2009/049144. Тем не менее, вследствие высокого GWP SF6, GWP этих смесей остается очень высоким. Так, например, диэлектрическая прочность для переменного тока (50 Гц) смеси SF6 и азота с отношением по объему 10:90 составляет 59% диэлектрической прочности SF6, но ее GWP равна примерно от 8000 до 8650. Поэтому такие смеси нельзя применять в качестве газа с низким воздействием на окружающую среду.
Таким образом, только смеси с высоким GWP обладают примерно такой же диэлектрической прочностью, как SF6, при низкой температуре; все смеси с низким GWP, известные в уровне техники, можно использовать для достижения не более 80% характеристик устройств с SF6 для самых низких рабочих температур, но, в частности, посредством увеличения давления газа, добавления диэлектрических дефлекторов и покрытия некоторых деталей изолирующими слоями, что требует новой конструкции устройств MV или HV с учетом увеличенных расстояний изоляции и, возможно, добавления особых устройств, например, экранов, дефлекторов или покрытий.
Авторы изобретения поставили перед собой задачу найти газ, который, обладая хорошими свойствами электрической изоляции и гашения электрической дуги, имеет низкое или нулевое воздействие на окружающую среду. Исследования привели к открытию нового семейства газов, которые можно использовать в продаваемых в настоящее время электрических устройствах среднего или высокого напряжения вместо SF6, которым обычно наполняются такие устройства, на протяжении всего их диапазона рабочих температур и, в частности, при очень низких температурах.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение решает эти и другие задачи, прежде всего, за счет обеспечения применения смеси, содержащей, по меньшей мере, один гидрофторолефин в качестве газообразной среды, для электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в устройстве среднего напряжения.
В качестве гидрофторолефинов используются алкены, углеродные цепи которых содержат три атома углерода, предпочтительно, типа C3H2F4, которые не являются токсичными, не являются коррозионными, не являются взрывоопасными, имеют ODP (потенциал озонного истощения) равный 0, GWP менее 20 или даже менее 10 и обладают диэлектрическими свойствами, позволяющими использовать их вместо SF6 в качестве изолирующего и/или дугогасящего газа в электрических устройствах среднего напряжения подстанции.
Согласно изобретению смесь такова, что ее компоненты остаются в газообразном состоянии в условиях температуры и давления, в которых они окажутся, будучи заключены в электрическое устройство. Гидрофторолефин можно использовать в смеси с, по меньшей мере, еще одним гидрофторолефином той же формы. Однако гидрофторолефины будут наиболее часто использоваться в смеси с, по меньшей мере, еще одним газом, который не принадлежит их семейству, в частности, если точка кипения этого (этих) гидрофторолефина(ов) не позволяет гарантировать, что он остается (они остаются) в газообразном состоянии.
В этом случае, согласно изобретению, другие газы, используемый в смеси, имеют более низкий потенциал глобального потепления, чем гидрофторолефины; газ-носитель, или разбавляющий газ, или буферный газ, предпочтительно, имеет очень низкую точку кипения, таким образом, обычно, меньшую или равную -50°C при стандартном давлении, и диэлектрическую прочность, по меньшей мере, равную диэлектрической прочности азота или диоксида углерода. Предпочтительно, гидрофторолефин смешивается с таким газом, как азот, воздух (предпочтительно, сухой), кислород, диоксид углерода, или смесью этих газов. Глобальный GWP газообразной среды определяется относительно парциальных давлений каждого из ее компонентов и поэтому составляет менее 10 или 20 и, предпочтительно, менее 5.
Согласно изобретению гидрофторолефин присутствует в смеси в молярном проценте MHFO, который, по меньшей мере, равен 95% молярного процента M (другими словами, составляет, по меньшей мере, 0,95 этого молярного процента M), определяемого по формуле M=(PHFO/Pmixture)×100, где Pmixture является давлением смеси в электрическом устройстве при 20°C, и PHFO является давлением, выраженным в тех же единицах, которое при 20°C эквивалентно давлению насыщенного пара гидрофторолефина при минимальной рабочей температуре электрического устройства. Фактически, PHFO определяется согласно PHFO=(PVSHFO×293)/Tmin, где PVSHFO представляет давление насыщенного пара гидрофторолефина при минимальной температуре Tmin, выраженной в кельвинах, при которой используется электрическое устройство. Таким образом, диэлектрические свойства смеси максимально высоки, почти такие же, как у SF6. В предпочтительных вариантах осуществления, минимальная рабочая температура Tmin выбирается из 0, -5, -10, -15, -20, -25, -30, -35, -40, -45 и -50°C.
Частичное присутствие среды в жидком состоянии не будет приводить ни к каким нормативным проблемам в случае, когда электрическое устройство является устройством среднего напряжения. Поэтому можно использовать смесь, в которой гидрофторолефин присутствует в молярном проценте MHFO, более высоком, чем молярный процент M. Предпочтительно, молярный процент гидрофторолефина MHFO составляет от 95% до 130%, предпочтительно, от 95% до 120% и, в идеале, от 99% до 110% молярного процента M. Другими словами, гидрофторолефин, предпочтительно, присутствует в смеси в молярном проценте от 0,95 до 1,3, предпочтительно, от 0,95 до 1,2 и, в идеале, от 0,99 до 1,1 молярного процента M.
В случае, когда электрическое устройство относится к типу металлизированных устройств подстанции среднего или высокого напряжения, желательно, чтобы смесь находилась исключительно или почти исключительно в газообразном состоянии на протяжении диапазона рабочих температур этого устройства, чтобы оно могло удовлетворять принятым в настоящее время стандартам IEC. Поэтому, предпочтительно, чтобы гидрофторолефин присутствовал в молярном проценте MHFO, которое не превышает 100% молярного процента M (другими словами, которое не превышает этого молярного процента M), и, таким образом, не будет иметь сжиженной фазы. Предпочтительно, молярный процент гидрофторолефина MHFO составляет от 98% до 100% молярного процента M (другими словами, от 0,98 до 1 этого молярного процента M).
Другим объектом изобретения является электрическое устройство среднего напряжения, которое содержит герметичную оболочку, в которой электрические компоненты расположены совместно с газообразной средой, обеспечивающей электрическую изоляцию и/или гашение электрической дуги в этой оболочке, причем эта газообразная среда образована смесью, содержащей, по меньшей мере, один гидрофторолефин. Характеристики смеси раскрыты выше для ее использования.
В соответствии с изобретением, это электрическое устройство может представлять собой электрический трансформатор с газовой изоляцией, например, например, силовой трансформатор или измерительный трансформатор. Электрическое устройство также может быть линией с газовой изоляцией, надземной или подземной, или системой шин для передачи или распределения электроэнергии. Наконец, оно также может быть устройством электрического соединения/разъединения (также именуемым переключателем), например, например, прерывателем, переключателем, размыкателем, устройством, объединяющим переключатель с предохранителями, заземляющим переключателем или замыкателем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества и характеристики явствуют из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, представленных в целях иллюстрации, но не ограничения в прилагаемых чертежах.
Фиг. 1 - представляет давление насыщенного пара двух HFO как функцию температуры.
Фиг. 2 - кривая демонстрирующая изменение нормализованной диэлектрической прочности смеси HFO-1234ze и N2 как функцию молярного процента HFO в этой смеси.
Фиг. 3 - устройство, в котором испытания на диэлектрическую прочность были проведены со смесью, согласно изобретению.
Фиг. 4 - изменение диэлектрической прочности смеси HFO-1234ze и N2 как функция молярного процента HFO-1234ze в этой смеси, в форме столбиковой диаграммы.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение основано на применении гидрофторолефинов (HFO) с по меньшей мере 3 атомами углерода, с разбавляющим газом ("буферным" газом, например, N2, CO2, воздухом и т.д.) или без него; HFO являются алкенами, замененными фтором с общей формулой Cn(H,F)2n. В частности, используемые HFO содержат 3 атома углерода; они являются негорючими, и их GWP меньше 10.
В частности, гидрофторолефин HFO-1234ze, или транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропен, который удовлетворяет формуле CHF=CH-CF3, используется для следующих сравнительных примеров. Его воздействие на окружающую среду выражается GWP=6, и он не токсичен для человека, при этом предел воздействия на рабочем месте (средняя предельная концентрация, которой может регулярно подвергаться большинство работников, работая по 8 часов в день 5 дней в неделю, без вреда для здоровья) OEL=1 000 млн.ч., и смертельная доза DL50, приводящая к гибели 50% популяции животных, составляет более 200 000 млн.ч. Кроме того, в большинстве традиционных применений при очень низкой температуре (-30°C или даже -40°C), HFO разбавляется, иногда до менее 20%, нейтральным газом-носителем наподобие азота; поэтому смесь не токсична.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, HFO используется в газообразной форме независимо от рабочей температуры электрического устройства. Поэтому его парциальное давление должно быть меньше или равно его давлению насыщенного пара (SVP) при самой низкой температуре. Однако, поскольку устройства обычно наполняются при температуре окружающей среды, используется эквивалентное давление PHFO, например при 20°C, для получения результата, согласующегося с рекомендациями, согласно изобретению. Таким образом, в Таблице I приведены значения давления HFO-1234ze как функции температуры (см. также фиг. 1).
| Таблица I | ||
| Давление насыщенного пара HFO-1234ze | ||
| Температура (°C) | Оцененное SVP (кПа) | PHFO при 20°C (кПа) |
| 0°C | 220 | 236 |
| -10°C | 150 | 167 |
| -20°C | 100 | 116 |
| -25°C | 83 | 98 |
| -30°C | 66 | 80 |
| -40°C | 41 | 52 |
Рекомендованное внутреннее давление в среде изоляции и/или гашения дуги изменяется в зависимости от устройства. Поскольку HFO, согласно изобретению, полностью или почти полностью пребывает в газообразной форме при самой низкой температуре электрического устройства, разбавляющий газ, или буферный газ, добавляется для удовлетворения данных условий давления наполнения. В частности, если предусмотрено применение при -20°C, устройство типа, которое подлежит наполнению до 5 бар (т.е. 500 кПа), HFO-1234ze при 1,16 бар (т.е. 116 кПа) смешивается с буферным газом при 3,84 бар (т.е. 384 кПа) при температуре окружающей среды.
Предпочтительно, разбавляющий газ имеет очень низкую точку кипения, меньшую или равную минимальной рабочей температуре Tmin устройства, и диэлектрическую прочность, большую или равную диэлектрической прочности CO2 или воздуха при таких же условиях испытания (одно и то же устройство, одна и та же геометрическая конфигурация, одинаковые рабочие параметры и т.д.), которые используются для измерения диэлектрической прочности упомянутого газа. Кроме того, согласно изобретению, в качестве разбавляющего газа используется газ с низким GWP, например, воздух или CO2: таким образом, GWP газообразной среды, используемой для изоляции и гашения дуги в электрических устройствах, меньше или равен GWP эталонного HFO. Предпочтительно использовать разбавляющий газ с нулевым GWP, азот N2.
Поэтому, для определения состава смеси для наполнения, определяется давление наполнения Pmixture электрического устройства. Эквивалентный молярный процент M в HFO задается формулой M=(PHFO/Pmixture)×100, где PHFO является давлением, эквивалентным при рассматриваемой температуре (таким образом, обычно, температуре наполнения, соответствующей давлению наполнения), давлению насыщенного пара SVP HFO при минимальной рабочей температуре Tmin устройства (PHFO=(PVSHFO×293)/Tmin). Этот процент M представляет максимальное количество HFO, при котором в оболочке отсутствует жидкость. В ряде случаев, важно не превышать этот порог M для предотвращения присутствия какой-либо жидкости; например, при среднем напряжении, иногда возможно присутствие небольшого количества жидкости при низкой или очень низкой температуре, и молярный процент MHFO наполнения может достигать 110% или даже 130% M. Кроме того, поскольку HFO имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем газы-носители, желательно оптимизировать наполнение посредством HFO: поэтому, MHFO выбирается большим или равным 95% молярного процента M и, предпочтительно, MHFO≥0,98∙M или MHFO=0,99∙M.
Фактически, диэлектрическая прочность чистого HFO близка к диэлектрической прочности чистого SF6, выше, чем у разбавляющих газов. Как показано на фиг. 2, измерение HFO-1234ze отдельно или в смеси с азотом, на устройстве типа GIS 145 кВ при переменном напряжении 50 Гц демонстрирует, что смесь, согласно изобретению, удовлетворяет условиям применения для существующих устройств.
В частности, диэлектрическая прочность HFO, отдельно или в смеси с "нейтральным" разбавляющим газом, была найдена для удовлетворения требуемым условиям. В частности:
- на прямой линии, испытания при грозовом перенапряжении (волна 1,2 - 50 мкс) от фазы к земле были проведены внутри эпоксидной оболочки 1 (типа Fluokit M24+, т.е. «переключателя с воздушной изоляцией») между двумя контактами 2 радиусом 12 мм, выполненными из посеребренной меди на расстоянии d=134 мм, показанными на фиг. 3, при температуре окружающей среды. Результаты приведены в таблице II: в одной неоднородной конфигурации электрического поля, HFO-1234ze имеет примерно такую же диэлектрическую прочность, как SF6.
- при отслеживании, испытания при грозовом перенапряжении (волна 1,2-50 мкс) осуществлялись внутри той же оболочки, которая показана на фиг. 3, причем расстояние разделения контактов равно d=317 мм, при температуре окружающей среды. Среднее электрическое поле (Upeak/317 мм), обусловленное инициированием между контактами 2 путем отслеживания, равно 814 В/мм, что лишь на 10% меньше значения, измеренного при тех же условиях для устройства, наполненного SF6 под тем же давлением.
Аналогично, в неоднородной конфигурации электрического поля, сходной с представленной в таблице III, HFO-1234ze имеет примерно такое же сопротивление частичного разряда, как SF6; испытания на сравнительное сопротивление частичным разрядам (эффект короны) осуществлялись в той же камере, что и испытания на диэлектрическую прочность на прямой линии (фиг. 3, d=134 мм).
| Таблица II | |||
| Диэлектрическая прочность HFO-1234ze отдельно или в смеси | |||
| Газ | Абсолютное давление | Прочность для положительной полярности | Прочность для отрицательной полярности |
| SF6 | 300 кПа | 190 кВ | 185 кВ |
| HFO-1234ze | 300 кПа | 183 кВ | 208 кВ |
| Разность/SF6 | -3,6% | +12,4% | |
| N2 | 130 кПа | 118 кВ | 113 кВ |
| HFO-1234ze+N2 | 30 кПа+100 кПа (очень холодная смесь -45°C) | 254 кВ | 285 кВ |
| Разность/N2 | +215% | +252% |
| Таблица III | ||
| Сопротивление частичным разрядам HFO-1234ze отдельно или в смеси | ||
| Газ | Абсолютное давление | Порог гашения |
| SF6 | 200 кПа | 20 кВ |
| HFO-1234ze | 200 кПа | 26 кВ |
| Разность/SF6 | +6 кВ | |
| SF6 | 120 кПа | 65 кВ |
| HFO-1234ze+N2 | 20 кПа+100 кПа (очень холодная смесь -50°C) |
57 кВ |
| Разность/SF6 | -8 кВ |
Испытание на сравнительное сопротивление с ростом температуры, осуществляемое на устройстве типа AIS предусматривает измерение, на электрических контактах (в самых горячих точках), максимальных увеличений температуры на переключателе, через который проходит постоянный ток 630 А в среднеквадратическом выражении. Как показано в таблице IV, увеличения температуры, измеренные на средней из трех точек измерения с HFO-1234ze имеют такой же порядок величины, как измеренные с SF6.
| Таблица IV | ||
| Сопротивление с ростом температуры HFO отдельно или в смеси | ||
| Газ | Рост температуры контакта | |
| (При абсолютном давлении) | Абсолютная температура | Относительно SF6 |
| SF6 (138 кПа) | 50,63 К | / |
| N2 (138 кПа) | 53,6 К | +5,8% |
| HFO-1234ze (138 кПа) | 50,13 К | -1% |
| HFO-1234ze (98 кПа)+N2 (40 кПа) (очень холодная смесь -25°C) | 50,8 К | +0,3% |
Например, гидрофторолефин HFO-1234ze с небольшим количеством азота будет использоваться в очень холодных устройствах (Tmin≤-40°C), причем количество добавки отчетливо определяется как функция минимальной рабочей температуры электрического устройства.
В более общем случае, поскольку содержание HFO-1234ze связано с его давлением насыщенного пара, диэлектрическую прочность разных смесей HFO-1234ze/N2 (с разными содержаниями HFO) при 50 Гц (U_50 Гц) можно определять для разных минимальных температур от -30°C до 0°C: см. Таблицу V, где также приведено сравнение со свойствами SF6 для проверки выполнения условий использования. Например, для устройства, которое будет использоваться при минимальной температуре -30°C, где давление насыщенного пара HFO-1234ze равно 66 кПа, которое представляет давление 80 кПа, измеренное при 20°C, и если полное давление газовой смеси в устройстве этого типа равно 5 бар в абсолютном выражении (а именно 500 кПа), молярное отношение будет равно 0,8/5, т.е. 16% HFO в азоте. GWP смеси составляет порядка 2: смесь HFO-1234ze в молярном отношении 16% и GWP=6 с азотом сильно снижает воздействие на окружающую среду.
| Таблица V | |||||
| Характеристики смеси HFO-1234ze/N2 | |||||
| Температура (°C) |
SVP HFO-1234ze (кПа абс.) |
Полное давление (кПа) | Отношение HFO-1234ze (%) | U_50 Гц (кВ в среднеквадратическом выражении) | % SF6 |
| -30 | 66 | 500 | 15,9 | 296 | 65 |
| -25 | 83 | 500 | 19,6 | 312 | 69 |
| -20 | 102 | 500 | 23,6 | 327 | 72 |
| -10 | 152 | 500 | 33,9 | 354 | 78 |
| 0 | 220 | 500 | 47,2 | 379 | 84 |
Характеристики HFO отдельно или в смеси с разбавляющим газом типа простого воздуха или азота объясняют возможность применения в существующем устройстве. В частности, после создания вакуума с применением масляного вакуумного насоса, продаваемое устройство, развивающее давление 5 бар, можно наполнять для использования при -30°C посредством газового смесителя для регулировки отношения между HFO-1234ze и газом-носителем N2, причем это отношение остается постоянным и равным 16% давления на протяжении наполнения вследствие использования точного массового расходомера; предпочтительно, чтобы в устройстве был заранее создан вакуум (от 0 до 0,1 кПа).
Например, это может быть устройство типа 145 кВ GIS с номинальным напряжением и с точно такой же конструкцией, как у устройства, продаваемого Alstom Grid под названием B65 и в настоящее время наполняемого SF6. Затем устройство, наполняемое таким образом раскрытой смесью, подвергается испытаниям на диэлектрическую прочность при температуре окружающей среды при грозовых перенапряжениях (волна 1,2-50 мкс) с положительной волной и отрицательной волной, в соответствии со стандартом IEC 62271-1, как описано выше. Диэлектрическая прочность при частоте питания достигает значения 296 кВ в среднеквадратическом выражении, что представляет 65% диэлектрической прочности этого устройства при SF6 под тем же давлением и, по меньшей мере, на 68% больше диэлектрической прочности того же устройства, наполненного сухим воздухом или азотом под тем же давлением. Поэтому характеристики весьма приемлемы и гораздо выше, чем характеристики, полученные для других изолирующих газов с низким GWP.
В то же время, это может быть устройство среднего напряжения, например, Fluokit M24+, продаваемое Schneider Electric: этот переключатель-разъединитель типа AIS можно наполнять смесью HFO-1234ze (98 кПа в абсолютном выражении) и N2 (40 кПа в абсолютном выражении), и испытания на пробой можно осуществлять в условиях, заданных в цикле TD1 стандарта IEC 60265-1, для оценивания характеристик HFO-1234ze при пробое путем их сравнения с характеристиками SF6. Таким образом, переключатель имеет отсечку 630 А/12 кВ с временами дуги аналогичными измеренным для SF6; постепенное увеличение напряжения и тока до пробойного разрушения демонстрирует, что предварительные пределы (безо всякой предосторожности и/или адаптации в результате этой новой смеси) устройства при 811 А/16 кВ, априори немного лучше, чем значения, полученные для SF6.
Заметим также, что, поскольку существующие устройства уже снабжены молекулярными ситами типа безводного сульфата кальция (CaSO4), которые поглощают малые молекулы, созданные в ходе пробоя, токсичность газа не увеличивается после частичных разрядов за счет молекул, которые могут обладать некоторой токсичностью.
Кроме того, при испытаниях на исчерпание ресурса стойкости или послепробойных испытаниях, газ восстанавливается с использованием традиционных методов восстановления с использованием компрессора и вакуумного насоса. Затем гидрофторолефин HFO-1234ze отделяется от буферного газа с использованием цеолита, способного захватывать только молекулы буферного газа, меньшие по размеру; альтернативно, мембрана избирательного разделения пропускает азот и удерживает HFO-1234ze, который имеет более высокую молярную массу; все остальные варианты также подлежат рассмотрению.
Влияние молярного процента гидрофторолефина в смеси на диэлектрическую прочность этой смеси было проверено посредством дополнительных испытаний на диэлектрическую прочность в однородном поле, которые осуществлялись при температуре окружающей среды на нескольких устройствах среднего напряжения типа Fluokit M24+.
Эти устройства были наполнены либо смесями HFO-1234ze/азот, в которых молярный процент HFO-1234ze был разным для разных устройств, принимая значения 53%, 81%, 100% и 120% молярного процента M для HFO-1234ze, соответственно, что позволяло гарантировать, что пропорция HFO-1234ze, который находится в газообразном состоянии, достигает максимума при -25°C, либо чистым HFO-1234.
Результаты этих испытаний приведены ниже в таблице VI, в которой диэлектрическая прочность, полученная для смеси HFO-1234ze/азот или чистого HFO-1234, выражается в форме соотношения диэлектрической прочности, полученной при той же температуре и для того же типа устройства, когда оно наполнено SF6 при том же полном давлении.
| Таблица VI | |||
| Влияние молярного процента HFO-1234ze на диэлектрическую прочность | |||
| Полное давление при 20°C (кПа) |
Давление HFO-1234ze при 20°C (кПа) | Молярный процент HFO-1234ze | Диэлектрическая прочность (в % от полученной для SF6) |
| 130 | 51,6 | 39,7 (т.е. 53% M) |
57 |
| 130 | 79,6 | 61,2 (т.е. 81% M) |
68 |
| 130 | 98,1 | 75,5 (т.е. 100% M) |
79 |
| 130 | 118,1 | 90,8 (т.е. 120% M) |
89 |
| 130 | 130 | 100 (т.е. 133% M) |
98 |
| 142 | 142 | 100 (т.е. 146% M) |
106 |
Результаты этих испытаний также показаны на фиг. 4 в форме столбиковой диаграммы, демонстрирующей:
- по оси абсцисс, молярный процент HFO-1234ze, выраженный как процент молярного процента M; и
- по оси ординат, полученную диэлектрическую прочность, выраженную как процент прочности, полученной для SF6.
Таблица VI и фиг. 4 отчетливо показывают, что когда гидрофторолефин наподобие HFO-1234ze используется в смеси с газом-носителем, например азотом, желательно, чтобы этот гидрофторолефин присутствовал в этой смеси в молярном проценте, составляющем, по меньшей мере, 95% молярного процента M, если требуется достичь характеристик диэлектрической прочности, близких к SF6, или превысить эти характеристики.
Хотя вышеприведенные примеры касались HFO-1234ze, существуют альтернативы этому газу. В частности, можно использовать изомер HFO-1234yf или 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропена, который удовлетворяет формуле CH2=CF-CH3, с адаптациями, присущими свойствам этого газа: в частности, как показано на фиг. 1, поскольку точка кипения равна -30°C (по сравнению с -19°C для HFO-1234ze), можно использовать на 50% больше HFO-1234yf, чем HFO-1234ze, для той же рабочей температуры -30°C. Диэлектрическая прочность возрастает, поскольку для данного давления наполнения, увеличение количества HFO снижает количество буферного газа, и свойства изоляции и гашения дуги зависят от смеси.
Решение, предложенное согласно изобретению, таким образом, раскрывает газ или газовую смесь с низким воздействием на окружающую среду (GWP более чем на 99,9% меньше, чем у изоляции SF6), совместимую с минимальными рабочими температурами электрического устройства и с диэлектрическими, пробойными и теплорассеивающими свойствами, аналогичными полученным на существующих устройствах. Этот газ, отдельно или в смеси, можно применять взамен SF6, используемого в устройствах, не изменяя или только немного изменяя их конструкцию; производственные линии можно оставить без изменения, все, что нужно, это просто заменить заполняющий газ.
Ссылки
EP-A-1 724 802.
WO-A-2008/073790.
WO-A-2009/049144.
1. Применение смеси, содержащей гидрофторолефин с тремя атомами углерода, причем упомянутая смесь имеет более низкий потенциал глобального потепления (GWP), чем потенциал глобального потепления гидрофторолефина, в качестве газообразной среды для электрической изоляции и/или гашения электрической дуги в электрическом устройстве подстанции среднего напряжения,
причем гидрофторолефин присутствует в смеси в молярном проценте (MHFO), по меньшей мере равном 95% молярного процента M, определяемого по формуле M=(PHFO/Pmixture)×100, в которой Pmixture является давлением смеси при 20°C в электрическом устройстве, и PHFO является давлением, которое при 20°C эквивалентно давлению насыщенного пара (SVP) гидрофторолефина при минимальной рабочей температуре (Tmin) электрического устройства.
2. Применение смеси по п. 1, причем гидрофторолефин является транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропеном (HFO-1234ze).
3. Применение смеси по п. 1, причем гидрофторолефин является 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропеном (HFO-1234yf).
4. Применение по любому из пп. 1-3, причем смесь также содержит разбавляющий газ.
5. Применение по п. 4, причем разбавляющим газом является воздух, азот, кислород, диоксид углерода или их смесь.
6. Применение по п. 1, причем молярный процент гидрофторолефина (MHFO) составляет от 99% до 110% молярного процента M.
7. Применение по любому из пп. 1-3, в котором минимальная температура (Tmin) равна -50°C, -45°C, -40°C, -30°C, -25°C, -20°C, -15°C, -10°C, -5°C или 0°C.
8. Электрическое устройство среднего напряжения, содержащее герметичную оболочку, в которой электрические компоненты расположены совместно с газообразной средой, обеспечивающей электрическую изоляцию и/или гашение электрической дуги в этой оболочке, отличающееся тем, что газообразная среда состоит из смеси, содержащей гидрофторолефин с тремя атомами углерода, имеет более низкий потенциал глобального потепления (GWP), чем потенциал глобального потепления гидрофторолефина, и тем, что гидрофторолефин присутствует в смеси в молярном проценте (MHFO), по меньшей мере равном 95% молярного процента M, определяемого по формуле: M=(PHFO/Pmixture)×100, где Pmixture является давлением смеси при 20°C в электрическом устройстве, и PHFO является давлением, которое при 20°C эквивалентно давлению насыщенного пара (SVP) гидрофторолефина при минимальной рабочей температуре (Tmin) электрического устройства.
9. Электрическое устройство по п. 8, в котором гидрофторолефин является транс-1,3,3,3-тетрафторо-1-пропеном (HFO-1234ze) или 2,3,3,3-тетрафторо-1-пропеном (HFO-1234yf).
10. Электрическое устройство по пп. 8 или 9, в котором смесь также содержит разбавляющий газ.
11. Электрическое устройство по п. 10, в котором разбавляющим газом являются воздух, азот, кислород, диоксид углерода или их смесь.
12. Электрическое устройство по п. 8, в котором молярный процент гидрофторолефина (MHFO) составляет от 99% до 110% молярного процента M.
13. Электрическое устройство по п. 8 или 9, которое является электрическим трансформатором с газовой изоляцией, линией с газовой изоляцией для передачи или распределения электроэнергии или устройством электрического соединения/разъединения.
