一种灭弧和/或绝缘电气设备的制作方法

本发明属于电气设备技术领域，尤其涉及一种灭弧和/或绝缘电气设备。

背景技术：

气体绝缘介质被广泛应用在各种电气设备中且特别应用于气体的绝缘开关设备或其导电部件的绝缘，其中，六氟化硫(sf6)气体作为气体绝缘介质在中压和高压灭弧/绝缘电气设备应用最为广泛。

六氟化硫(sf6)气体具有优良的灭弧性能与相对较高的绝缘强度，在标准大气压下，其击穿电压将近空气的三倍。同时该气体呈现化学惰性、无毒、不可燃、无爆炸性以及热力学稳定等性能。基于以上优势，以sf6及其混合气体作为绝缘和灭弧介质的中压和高压电气设备在电网中占据主导地位。

但是，sf6是一种具有严重温室效应的气体，它的全球变暖潜能值(globalwarmingpotential，gwp)约为co2的23900倍，在大气中的存活时间约为3200年，被列入排放受限制的六种温室气体之一，同时也是六种气体中gwp最大的气体。

因此，寻找环境友好型的sf6替代气体作为绝缘气体介质用于电气设备中已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

在寻找绝缘气体介质替代sf6的研究过程中，需要着重考虑替代气体的相对电气强度(er，相对于sf6)、温室效应潜能值与液化温度(tb)，同时也要考虑其臭氧消耗潜能值(odp)、生态毒性、稳定性、热传导能力、灭弧性能、放电分解产物的性质等。

目前的研究主要集中在以下三个方面：一方面是利用常规气体替代sf6，如空气、n2和co2等(例如专利wo2008/073790)。通过研究发现虽然常规气体性质稳定，液化温度低，且具有较低的温室效应，但是常规气体的电负性较小，对电子的吸附能力远小于sf6，绝缘强度小于sf6的40％。常规气体作为绝缘介质可以在部分中低压设备中替代sf6，但一般需要增加设备中气体气压以及增大电气设备的尺寸，一定程度上造成电气设备占地面积的增加，经济成本也会相应的增加，影响电气设备大范围的推广使用。

其次通过在sf6中添加其它气体，在保证绝缘性能的前提下降低sf6气体的使用量和排放量，以减少它对环境的影响，如sf6/n2、sf6/co2与sf6/cf4等混合气体(例如专利wo2009/049144)。但是这种方法并不能完全杜绝sf6气体的使用，无法从根本上解决温室效应问题。sf6与其他气体混合后会降低其液化温度，可以一定程度上实现sf6混合气体在高寒地区的应用，在工程方面具有一定的意义。由于在sf6中添加其它气体，致使混合气体的灭弧和绝缘性能都有所降低，限制了其适用范围。

最后一方面则是寻找电负性强的绝缘替代气体或其混合气体，以完全替代sf6在气体绝缘设备中的应用，目前这些替代气体主要有：

1)pfc气体，如c-c4f8、c2f6、c3f8等，但这些气体的gwp仍然很高，同时在使用过程中还受到温度、气压等因素的影响；

2)cf3i气体，cf3i气体的gwp值与co2气体相当，在大气中的寿命只有1～2d，且其绝缘强度优于sf6气体，具有优势的介电强度和gwp值。但是，cf3i气体在应用的过程中容易分解，分解产物对灭弧和绝缘性能有影响，同时价格昂贵，平均职业接触水平在3-4ppm，被列入3级致癌物、生殖毒性物质以及诱导有机体突变物质中，在工业规模上禁止使用；

3)g³气体(七氟异丁腈气体c4f7n与co2的混合气体)和pfk气体(全氟酮气体c5f10o)，已经开发出相应的中高压电气设备并开展了示范应用中，但七氟异丁腈有一定的致癌风险且本身温室效应gwp指数仍然较高，全氟戊酮液化温度很高，应用环境受限，绝缘性能难以满足高电压等级设备的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种灭弧和/或绝缘电气设备，本发明灭弧和/或绝缘电气设备的气体介质为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体，能够替代sf6作为中压和高压灭弧和/或绝缘介质，具有良好的电绝缘和灭弧性能，gwp低。

本发明的具体技术方案如下：

一种灭弧和/或绝缘电气设备，所述灭弧和/或绝缘电气设备为中压设备或高压设备；

所述灭弧和/或绝缘电气设备的气体介质为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含所述反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体；

所述混合气体还包括干燥空气、氮气、氧气、二氧化碳和稀有气体中的一种或多种；

若所述电气设备为中压设备，所述气体介质的压强为1.0bar～1.8bar，所述气体介质的最低温度为-30℃～0℃；

若所述电气设备为高压设备，所述气体介质的压强为4.0bar～8.5bar，所述气体介质的最低温度为-20℃～0℃。

本发明中，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分子中含有六个氟原子，分别在分子的两端，同时对称存在，使其具有优良的灭弧性能与相对较高的绝缘强度，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯毒性低(急性吸入毒性lc50(大鼠):>25400ppm，无急性吸入毒性)、不具有爆炸性、odp(theozonedepletionpotential，大气臭氧损耗潜能值)为0、gwp为18，对环境影响很小或没有影响，其液化温度为7.5℃，饱和蒸气压较高，同时具有优良的灭弧性能与相对较高的绝缘强度，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯从元素构成、化合物的结构和气体的理化性质等方面，作为sf6替代气体都具有明显的优势，以反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体作为中压和高压灭弧和/或绝缘介质，具有良好的电绝缘和灭弧性能，能够极大地提升绝缘能力，取代sf6在灭弧和/或绝缘电气设备中的填充，减少sf6排放对环境的影响，能够从根本上解决sf6的排放问题，并扩展灭弧和/或绝缘电气设备应用的温度范围。

本发明中，混合气体的gwp值低于反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的gwp值，在混合气体中加入干燥空气、氮气、氧气、二氧化碳和/或稀有气体，能够使得气体介质在受到压力和温度的影响依然能够保持气态状态。并且，干燥空气、氮气、氧气、二氧化碳和稀有气体无毒、不具爆炸性、odp值为0、gwp值低，对环境影响很小或者没有影响，液化温度低。

本发明中，电气设备为中压设备时，气体介质的压强为1.0bar～1.8bar，气体介质的最低温度为-30℃～0℃；电气设备为高压设备，气体介质的压强为4.0bar～8.5bar，气体介质的最低温度为-20℃～0℃，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的分压小于或等于其最低温度下的饱和蒸汽压，能够使得电气设备无论在何种温度下，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯一直会以气态形式存在于电气设备中。

本发明中，中压设备中的直流电超过1kv但不超过75kv，中压设备中的交流电超过1kv但不超过52kv；高压设备中的直流电超过75kv，高压设备中的交流电严格超过52kv。

优选的，所述混合气体为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯和干燥空气。

采用干燥空气与反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯形成混合气体具有如下优点：

1)干燥空气与反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯具有很好的协同效应，绝缘能力更强；

2)在放电或过热等不利情况下，采用干燥空气能对反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分解出碳粉的过程产生抑制作用，从而保障设备的绝缘能力和使用的安全性；

3)对于中压设备，使用干燥空气就无需对设备抽真空或冲洗置换气体，使用更加方便友好。

本发明中，干燥空气、氮气、氧气、二氧化碳和/或稀有气体为填充气体。

在中压设备中，以反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体压强为1.2bar时，温度为-30～0℃时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯为气态时的分压如表1所示。

表1中压设备中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯饱和蒸汽压

在高压设备中，以反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体压强为7.0bar时，温度为-20～0℃时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯为气态时的分压如表2所示。

表2高压设备中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯饱和蒸汽压

本发明中，灭弧和/或绝缘电气设备中的气体介质的内部压力受电气设备的影响，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在电气设备中最低温度下完全或者几乎完全呈现气体形式，填充气体被添加在电气设备中来达到给定的填充压力。例如，在-30℃条件下，中压设备必须填充至1.2bar(即120kpa)，则在常温下需要将0.17bar反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯和1.03bar的填充气体混合。

由于反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯比填充气体具有更优良的灭弧性能与相对较高的绝缘强度，通过反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯来优化填充。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为中压设备；

所述反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在所述混合气体中的摩尔百分数为5％～60％。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为中压设备；

所述反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在所述混合气体中的摩尔百分数为20％～50％。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为中压设备；

所述气体介质的压强为1.2bar～1.3bar。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为高压设备；

所述反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在所述混合气体中的摩尔百分数为4％～18％。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为高压设备；

所述反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在所述混合气体中的摩尔百分数为6％～12％。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为高压设备；

所述气体介质的压强为5.0bar～7.0bar。

本发明中，在最低应用温度为-30℃时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯以0.17bar的分压存在于混合气体中，而不出现液化。在最低应用温度为0℃时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯以0.74bar的分压存在于混合气体中，而不出现液化。在中高压设备中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在混合气体中的分压范围为0.17bar-0.74bar之间。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备为气体绝缘变压器、气体绝缘组合电器、气体绝缘线路、母线组或电力开关。

本发明中，气体绝缘变压器可为测量变压器或电源变压器；气体绝缘组合电器、气体绝缘线路、母线组或电力开关可用于配电或电力输送，可为断路器、开关、开关与保险丝间的熔断器组、接地开关、分离器和触点。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备包括母线、仪表室、柜体、气体密度传感器、三位置隔离开关、三位置隔离开关操动机构、控制和保护单元、断路器、断路器操动机构、电压互感器、zno避雷器、电流互感器、电缆终端、泄压通道、上充气壳体和下充气壳体，上述电气部件相互连接形成灭弧和/或绝缘电气设备；

所述气体介质密封于所述上充气壳体和所述下充气壳体中。

优选的，所述灭弧和/或绝缘电气设备中的金属材料选自铁、银、铜和/或铝；

所述灭弧和/或绝缘电气设备中的绝缘材料选自环氧树脂、氟塑料、全氟乙烯丙烯共聚物和/或三元乙丙橡胶；

所述灭弧和/或绝缘电气设备中的密封材料选自丁腈橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、聚氯乙烯和/或聚醚醚酮。

综上所述，本发明提供了一种灭弧和/或绝缘电气设备，所述灭弧和/或绝缘电气设备为中压设备或高压设备；所述灭弧和/或绝缘电气设备的气体介质为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体；所述混合气体包括干燥空气、氮气、氧气、二氧化碳和稀有气体中的一种或多种；若所述电气设备为中压设备，所述气体介质的压强为1.0bar～1.8bar，所述气体介质的最低温度为-30℃～0℃；若所述电气设备为高压设备，所述气体介质的压强为4.0bar～8.5bar，所述气体介质的最低温度为-20℃～0℃。

本发明灭弧和/或绝缘电气设备中，以反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体作为中压和高压灭弧和/或绝缘介质，具有良好的电绝缘和灭弧性能，能够极大地提升绝缘能力，取代sf6在灭弧和/或绝缘电气设备中的填充，减少sf6排放对环境的影响，能够从根本上解决sf6的排放问题，并扩展灭弧和/或绝缘电气设备应用的温度范围。电气设备为中压设备时，气体介质的压强为1.0bar～1.8bar，气体介质的最低温度为-30℃～0℃；电气设备为高压设备，气体介质的压强为4.0bar～8.5bar，气体介质的最低温度为-20℃～0℃，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的分压小于或等于其最低温度下的饱和蒸汽压，能够使得电气设备无论在何种温度下，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯一直会以气态形式存在于电气设备中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)在反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分压为0.6bar，充气压力7bar时，工频击穿电压随电极距离变化的曲线图；

图2为实施例2中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)固定反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分压0.7bar，工频击穿电压随充气压力变化的曲线图；

图3为实施例3中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)和sf6的工频击穿电压试验结果图；

图4为本发明实施例4中混合气体工频击穿电压随反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在混合气体中摩尔百分数变化的曲线图，其中，hfo-1336mzz(e)+co2代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体，hfo-1336mzz(e)+air代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/干燥空气混合气体；

图5为本发明实施例5中绝缘气体sf6、g³/co2、c5-pfk/air、hfo-1336mzz(e)/co2和hfo-1336mzz(z)/co2的工频击穿电压随充气压力变化的曲线图，其中，sf6代表纯气体sf6，g³/co2代表七氟异丁腈c4f7n保持在-25℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体，c5-pfk/air代表全氟酮保持在0℃饱和蒸气压的分压不变增加干燥空气的混合气体，hfo-1336mzz(e)/co2代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯保持0℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体；hfo-1336mzz(z)/co2代表顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯保持0℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体。

具体实施方式

本发明提供了一种灭弧和/或绝缘电气设备，本发明灭弧和/或绝缘电气设备的气体介质为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯或含反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的混合气体，能够替代sf6作为中压和高压灭弧和/或绝缘介质，具有良好的电绝缘和灭弧性能，gwp低。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例检测了反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在不同电极距离组配的工频绝缘特性。请参阅图1，为实施例1中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)在反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分压为0.6bar，充气压力7bar时，工频击穿电压随电极距离变化的曲线图。图1表明，随着电极距离的增加，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体的工频击穿电压近似线性上升，电极距离为1mm时，工频击穿电压为51kv，当电极距离上升到5mm时，工频击穿电压为140kv，上升率26.25kv/mm。结果表明，在均匀电场下，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体工频绝缘强度随着电极距离的升高而线性升高，上升速率快。

实施例2

本实施例检测了反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在不同气压组配的工频绝缘特性。请参阅图2，为实施例2中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)固定反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分压0.7bar，工频击穿电压随充气压力变化的曲线图。图2表明，随着充气压力的升高，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体的工频击穿电压近似线性上升，在3bar时，工频击穿电压为92.3kv，当气压上升到5bar时，工频击穿电压为124.5kv，上升率16.1kv/bar。结果表明，在均匀电场下，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体工频绝缘强度随着充气压力的升高而线性升高，上升速率快。

实施例3

本实施例进行反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体和sf6的工频击穿电压试验，结果请参阅图3，为实施例3中反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体(hfo-1336mzz(e)/co2)和sf6的工频击穿电压试验结果图，结果表明，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯分压为0.6bar，充气压力为1.2bar时的工频击穿电压为52.7kv，与sf6在该充气压力条件下的工频击穿电压相当，表明反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯具有很好的绝缘性能。

实施例4

本实施例检测了反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体与反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/干燥空气混合气体在平板电极下的工频绝缘特性，电极距离5.0mm，气压1.2bar，结果请参阅图4，为本发明实施例4中混合气体工频击穿电压随反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯在混合气体中摩尔百分数变化的曲线图，其中，hfo-1336mzz(e)+co2代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体，hfo-1336mzz(e)+air代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/干燥空气混合气体。结果表明，混合气体的工频击穿电压随反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯摩尔百分数增大而线性增大。当反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体的18.89％时，工频击穿电压为30.72kv；当反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体的50％时，工频击穿电压为48.5kv；其他条件不变时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数每增加1％，工频击穿电压增加0.57kv。当反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/干燥空气混合气体的18.89％时，工频击穿电压为38.7kv；当反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数为反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体的50％时，工频击穿电压为59.6kv；其他条件不变时，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的摩尔百分数每增加1％，工频击穿电压增加0.67kv。结果表明，反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/干燥空气混合气体的绝缘性能要优于反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯/co2混合气体。

实施例5

本实施例在平板电极中检测了绝缘气体sf6、g³/co2、c5-pfk/air、hfo-1336mzz(e)/co2和hfo-1336mzz(z)/co2的工频击穿电压随充气压力变化的情况，电极距离为5mm。结果请参阅图5，为本发明实施例5中绝缘气体sf6、g³/co2、c5-pfk/air、hfo-1336mzz(e)/co2和hfo-1336mzz(z)/co2的工频击穿电压随充气压力变化的曲线图，其中，sf6代表纯气体sf6，g³/co2代表七氟异丁腈c4f7n保持在-25℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体，c5-pfk/air代表全氟酮保持在0℃饱和蒸气压的分压不变增加干燥空气的混合气体，hfo-1336mzz(e)/co2代表反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯保持0℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体；hfo-1336mzz(z)/co2代表顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯保持0℃饱和蒸气压的分压不变增加co2的混合气体。结果表明，hfo-1336mzz(e)/co2与g³/co2在相同充气压力条件下的工频击穿电压接近，远优于c5-pfk/air和hfo-1336mzz(z)/co2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。