专利名称：介电绝缘介质的制作方法
介电绝缘介质本发明涉及根据权利要求1的前序部分的介电绝缘介质和根据权利要求9的前序部分的含氟酮在所述绝缘介质中的用途。本发明进一步涉及根据权利要求11的前序部分的用于产生、分配或使用电能的设备和权利要求23的确定参数的方法(dimensioning method)。液态或气态的介电绝缘介质通常用于诸如开关设备或变压器的各种电气设备中的电气有源元件的绝缘。在中压或高压金属封装的开关设备中，例如，电气有源元件布置在限定绝缘空间的气密外壳中，所述绝缘空间包含通常具有数巴压力的绝缘气体且将外壳与电气有源元件间隔开而不让电流穿过。因此，与安装在室外且仅由周围空气绝缘的开关设备相比，金属封装的开关设备的构造更加节省空间。为了中断高压开关设备中的电流，所述绝缘气体进一步充当消弧气体。具有高绝缘和开关性能的常规使用的绝缘气体在释放到大气时具有一些环境影响。至今，这些绝缘气体的高全球变暖潜力(GWP)已经通过对气体绝缘设备的严格气体泄漏控制和非常仔细的气体处理来解决。常规环境友好的绝缘气体(如干燥空气或CO2)具有相当低的绝缘性能，因此必须增加气体压力和/或绝缘距离。出于以上提到的原因，过去已经尝试用合适的代替物替代这些常规的绝缘气体。例如，WO 2008/073790公开了一种介电气态化合物，除了其他特性以外，其还具有在约-20°C至约-273°C范围内的沸点，其具有低(优选无)臭氧消耗且其具有小于约 22，200的GWP。具体地讲，WO 2008/073790公开了不落入通常化学定义的许多不同化合物。此外，US-A-4175048涉及包含选自全氟环己烯和六氟偶氮甲烷的化合物的气体绝缘体，且EP-A-0670294公开了全氟丙烷作为介电气体的用途。EP-A-1933432涉及三氟碘甲烷(CF3I)及其在气体绝缘的开关设备中用作绝缘气体的用途。在这方面，该文献提到了介电强度和中断性能两者均为绝缘气体的重要要求。 根据EP-A-1933432，CF3I的GWP为5且因此认为其导致相对较低的环境负担。然而，由于 CF3I的相对较高的沸点(_22°C )，教导了与(X)2的气体混合物。另外，纯CF3I气体具有与具有高绝缘和开关性能的常规绝缘介质大致相同的绝缘性能，因此所建议的气体混合物具有纯常规绝缘介质的特定绝缘性能的约80%，其将必须通过增加充填压力和/或增大绝缘距离来补偿。因此，存在对引起比CF3I甚至更少的环境负担且不需要使气体压力和/或绝缘距离增加到高于现今常用值的绝缘介质的持续需要。鉴于此，本发明的目标因此在于提供具有降低的GWP、但同时在不使气体压力和/ 或绝缘距离增加到高于现今适用值的情况下具有与已知绝缘介质相比相当或甚至改善的绝缘性质的绝缘介质。该目标通过权利要求1的绝缘介质实现。本发明的优选的实施方案在从属权利要求中给出。本发明基于通过使用具有4-12个碳原子的含氟酮可得到具有高绝缘能力、特别是高介电强度(或击穿场强)且同时具有极低全球变暖潜力(GWP)的绝缘介质的意外发现。概括地讲，根据本发明的含氟酮具有以下通用结构R1-C0-R2其中Rl和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链的且具有 1-10个碳原子。该定义涵盖全氟酮以及氢氟酮。一般来说，根据本发明使用的含氟酮在周围压力下具有至少_5°C的沸点，这与本领域现状的教导且特别是WO 2008/073790的教导形成明显对比，WO 2008/073790指出-20 0C或更低的沸点是可行的介电化合物的必要特征。优选所述含氟酮具有4-10个碳原子、更优选4-8个碳原子且最优选6个碳原子 (也称作C6-含氟酮)。如上所提到，所述C6-含氟酮可为全氟酮(具有分子式C6F12O)或氢氟酮。在使用中，绝缘介质可以液态和气态二者。具体地说，所述绝缘介质可为包含以液态和气态二者的含氟酮的两相体系。更详细地讲，所述绝缘介质可为包含分散在包含以气态的含氟酮的气相中的含氟酮液滴的气溶胶。对于许多应用，优选在操作条件下所述绝缘介质包含含有含氟酮的绝缘气体。对于用于在相应开关设备中的高压开关的绝缘介质特别是这种情况。如果使用绝缘气体，则其可为气体混合物，除了含氟酮以外，所述气体混合物优选还包含作为缓冲气体或载气的空气或特别是选自二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气( )的至少一种空气组分。或者，所述绝缘气体可基本由含氟酮组成。所述绝缘气体的绝缘性质且特别是其击穿场强可由绝缘介质的温度、压力和/或组成控制。如果使用包含以液态和气态二者的含氟酮的两相体系，温度增加不仅引起绝对压力增加，而且由于较高蒸气压而引起在绝缘气体中的含氟酮浓度增加。已经发现，对于绝缘气体的许多应用，诸如在中压范围的应用，在没有诸如外部加热或汽化的额外措施的情况下即使在极低操作温度(例如低至约-30°C或甚至_40°C )下也能实现足够的摩尔比(即，含氟酮的分子数目与介质的剩余组分(通常为载气或缓冲气体)的分子数目之比)且因此还能实现足够的击穿场强。如果希望在绝缘气体中有较高浓度的含氟酮来增加击穿场强，在高压应用下可能尤其如此，则可相应调节绝缘介质的压力、组成和/或温度。如何推导得到所需击穿场强所需要的参数的方式将在以下有关附图
的上下文中进一步举例说明。本发明的介电绝缘介质可用于用以产生、分配或使用电能的任何设备中，特别是用于开关设备或其元件和/或部件中。对于高压开关来说，例如，绝缘介质的中断能力(或消弧能力)尤其重要。已经意外地发现，根据本发明的介质不仅具有与如上提到的常规绝缘介质相比相当或甚至改善的绝缘能力，而且具有足够的消弧能力。在不希望受理论约束的情况下，假设该消弧能力可至少部分地归于在电弧区域内含氟酮的分解产物再结合主要地为四氟化碳(CF4),众所周知其为高度有效的消弧介质。在断弧期间的另一重要方面为在整个容器中的开关气体的温度增加，这可导致即使在开关间隙内部成功断弧之后、特别在金属封装的电路断路器中的严重故障断路之后接地容器的绝缘失效。由于含氟酮在中等温度(例如，对于C6-含氟酮，约550°C -570°C )分解成低级含氟烃，所以直至所有含氟酮分解在排气容积中注入的热能才导致温度高于这些分解温度。如果提供足够的含氟酮，则排气温度因此不会超过以上提到的温度，使得在中断金属封装的高压电路断路器中的严重故障电流之后不久还产生优良绝缘性能。在具有6个碳原子的最优选的含氟酮之中，已经发现十二氟-2-甲基戊-3-酮由于其高绝缘性质及其极低的GWP而特别优选。先前仅考虑十二氟-2-甲基戊-3-酮(也称为1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4_(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮即CF3CF2C (0) CF (CF3) 2)可用于完全不同的应用， 艮口，加工熔融活性金属(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清洁蒸气反应器(如在WO 02/086191中所提到)和用在灭火系统中或以液态用于冷却电子系统或在小型发电成套设备中用于Rankine过程(如在EP-A-1764487中所提到)。十二氟-2-甲基戊-3-酮为透明、无色且几乎无味的。其结构式如下
权利要求
1.介电绝缘介质，其特征在于所述绝缘介质包含具有4-12个碳原子的含氟酮。
2.权利要求1的绝缘介质，其特征在于所述含氟酮具有以下通用结构R1-C0-R2其中Rl和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链的且具有1-10个碳原子。
3.权利要求1或2的绝缘介质，其特征在于所述含氟酮在周围压力下具有至少-5°C的沸点。
4.前述权利要求中任一项的绝缘介质，其特征在于所述含氟酮具有6个碳原子。
5.权利要求4的绝缘介质，其特征在于所述含氟酮为十二氟-2-甲基戊-3-酮。
6.前述权利要求中任一项的绝缘介质，其特征在于在操作条件下所述绝缘介质包含含有所述含氟酮的绝缘气体。
7.权利要求6的绝缘介质，其特征在于在所述绝缘气体中所述含氟酮的摩尔比为至少 1 %、优选为至少2%、更优选为至少5%、更优选为至少10%、最优选为至少15%。
8.权利要求6或7的绝缘介质，其特征在于所述绝缘气体为气体混合物，所述气体混合物还包含空气或至少一种空气组分，所述空气组分特别是选自二氧化碳、氧气和氮气。
9.权利要求1-8中任一项的含氟酮用于介电绝缘介质的用途。
10.权利要求9的含氟酮的用途，其特征在于所述绝缘介质用于消除在电子开关中、特别是在低压开关、中压开关或高压开关、特别是电路断路器中的电弧。
11.用于产生、分配或使用电能的设备，所述设备包括限定绝缘空间的外壳和布置在所述绝缘空间中的电气有源元件，所述绝缘空间包含绝缘介质，其特征在于权利要求1-8中任一项的介电绝缘介质。
12.前述权利要求中任一项的设备，所述设备为中压或高压设备。
13.权利要求10或11的装置，其特征在于所述设备为开关设备，特别是空气绝缘或气体绝缘的金属封装的开关设备，或其元件和/或部件，特别是汇流条、绝缘套管、电缆、气体绝缘的电缆、电缆接头、电流变压器、电压变压器和/或避雷器。
14.权利要求10-12中任一项的设备，其特征在于所述设备为开关，特别是接地开关、 断路器、负载断连开关和/或电路断路器。
15.权利要求14的装置，其特征在于所述设备为具有用于提供自爆效果的加热腔的高压电路断路器，且在开关操作中，所述含氟酮在反加热阶段期间在所述加热腔中分解成具有较低数目碳原子的氟烃化合物。
16.权利要求15的设备，其特征在于所述含氟酮具有6个碳原子，且特别是十二氟-2-甲基戊-3-酮。
17.权利要求10-12中任一项的设备，其特征在于所述设备为变压器，特别是配电变压器或电力变压器。
18.权利要求10-12中任一项的设备，其特征在于所述设备为旋转电机、发电机、发动机、驱动器、半导电装置、计算机、电力电子装置和/或其部件。
19.前述权利要求中任一项的设备，其特征在于其还包括用于单个或组合地控制绝缘介质的组成、温度、绝对压力、分压、气体密度和/或分气体密度或分别控制其组分中的至少一种的控制单元。
20.权利要求19的设备，其特征在于所述控制单元包括用于控制所述含氟酮的分压且特别是用于维持所述分压高于所需要的分压水平的加热器和/或汽化器。
21.权利要求19-20中任一项的设备，其特征在于所述控制单元(IOaUOb)包括用于调节所述设备的外壳(4)或所述外壳(4)的至少一部分到所需温度的加热系统的温度控制单元(IOa)，和/或所述控制单元(IOaUOb)包括定量给予一定浓度的含氟酮且将所得绝缘介质注入所述设备中的流体处理单元(10b)。
22.权利要求11-21中任一项的设备，其特征在于该设备具有一定储备体积的液态含氟酮和/或用于限制所需绝缘介质的最大容许操作温度使得绝对充填压力维持低于所述设备的给定压力极限的装置。
23.确定权利要求11-21中任一项的电气设备的参数的方法，其特征在于以下步骤-针对所述设备确定所需绝缘介质的容许电场强度和所需绝缘介质的最低容许操作温度，-根据所述所需绝缘介质的压力降低的击穿场强与所述含氟酮的摩尔分数之间的函数关系且根据所述容许场强确定所述绝缘介质的绝对压力曲线与所述含氟酮的分压之间的函数关系，-选择所述绝缘介质的所需绝对充填压力，-根据所述绝对压力曲线确定所述含氟酮的最低需要分压且根据所述蒸气压曲线确定所述含氟酮的相应汽化温度，和-确定所述汽化温度是否高于所述所需绝缘介质的最低容许操作温度。
24.确定权利要求22的电气设备的参数的方法，其特征在于以下另一步骤如果汽化温度低于所需绝缘介质的最低容许操作温度，则提供优选包括用于加热和/或汽化和/或液相含氟酮的流体储备管理的装置的流体管理系统、特别是权利要求19-22中任一项的流体管理系统，以便维持所述分压高于最低需要分压。
全文摘要
本发明涉及介电绝缘介质。所述绝缘介质的特征在于其包含具有4-12个碳原子的含氟酮。
文档编号H01B3/56GK102460604SQ200980159946
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者M-S·克莱森斯, P·斯卡尔拜 申请人:Abb技术有限公司