混合气体绝缘介质、气体绝缘开关设备及其制备方法与流程

1.本发明涉及气体绝缘开关设备技术领域，更具体地，涉及一种混合气体绝缘介质、气体绝缘开关设备及其制备方法。


背景技术：

2.采用气体绝缘的电气设备，通常都采用sf6作为绝缘介质。但sf6是一种很强的温室气体，其全球变暖潜势(global warming potential，gwp)是co2的23900倍，并且由于sf6的化学性质极为稳定，在大气中的存在时间可长达3200年之久，一旦泄漏到大气中基本不会自然分解，因此对全球变暖的影响具有累积效应。据监测，全球大气环境中的sf6含量已由1994年的3.67
×
10-7
％增加到2020年的10.41
×
10-7
％，增长了265％，仅过去五年sf6的全球大气环境含量增加了16.3％，由sf6引起的全球温升达到了0.004℃，且呈现上升趋势。在1997年签署的《京都议定书》中，明确了co2，ch4，n2o，pfc，hfc和sf6等属于温室气体的范围，并要求发达国家首先将温室气体的排放量冻结在20世纪90年代的水平。因此亟须寻找到合适的环保型绝缘介质以替代sf6，既保证与sf6具有相近的绝缘性能，又满足无毒害、不易燃等工业使用要求，同时不会对环境产生负面影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术存在的使用sf6气体带来的温室效应问题，提供一种包含环保型气体cf3so2f的混合气体绝缘介质、气体绝缘开关设备及其制备方法，可以有效降低温室效应，同时绝缘强度与sf6相当，可以保证电力设备的安全运行。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种混合气体绝缘介质，包括以下体积百分比的气体组分：20％～25％的cf3so2f、3％～5％的o2以及70％～77％的n2。
6.本发明还公开了一种气体绝缘开关设备，包括密封容器和密封于所述密封容器内的如上所述的混合气体绝缘介质。
7.本发明还公开了一种气体绝缘开关设备的制备方法，包括以下过程：
8.提供一密封容器，将所述密封容器抽真空；
9.向所述密封容器中充入cf3so2f、o2和n2，其中，所述密封容器中，所述cf3so2f的体积百分比为20％～25％，所述o2的体积百分比为3％～5％，所述n2的体积百分比为70％～77％；
10.静置，得到所述气体绝缘开关设备。
11.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
12.本发明实施例通过选择cf3so2f作为绝缘介质，首先，cf3so2f是一种环保型绝缘气体，其无色、无味、不燃不爆，在电流开断情况下的分解产物都属于低毒或无毒物质，不会对人体造成严重的危害，对温室效应的影响也极小，同时不含制冷剂中常见的氯元素和溴元素，也不会对臭氧层造成破坏；第二，cf3so2f在电气性能方面表现优异，相同气压下，绝缘强
度可达到sf6的1.7倍以上，完全可替代sf6，同时相比sf6气体更环保，全球变暖潜势值只有sf6气体全球变暖潜势值的0.2
‰
；n2为缓冲气体，主要用于降低混合气体的液化温度并增强整体的绝缘性能，本发明最后形成的混合气体的液化温度可以降低至-30℃左右，可以满足我国绝大多数地区的使用要求；使用o2是为了抑制cf3so2f放电分解产生碳单质的固体析出物以及抑制气体分解产物的生成，提升混合气体应用的可靠性。
附图说明
13.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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.其中：
15.图1是cf3so2f的分子结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
17.本发明公开了一种混合气体绝缘介质，包括以下体积百分比的气体组分：20％～25％的cf3so2f、3％～5％的o2以及70％～77％的n2。
18.在本发明中，cf3so2f的分子结构示意图如图1所示，它受到分子内卤族元素f、s的影响，对自由电子具有较强的吸附作用，可以在放电初期电子崩产生的过程中，吸附自由电子，抑制碰撞电离的产生，从而实现绝缘。
19.cf3so2f是一种环保型绝缘气体，其无色、无味、不燃不爆，在电流开断情况下的分解产物都属于低毒或无毒物质，不会对人体造成严重的危害，对温室效应的影响也极小，同时不含制冷剂中常见的氯元素和溴元素，也不会对臭氧层造成破坏；而且，cf3so2f在电气性能方面表现优异，相同气压下，绝缘强度可达到sf6的1.7倍以上，完全可替代sf6，同时相比sf6气体更环保，全球变暖潜势值只有sf6气体全球变暖潜势值的0.2
‰
。
20.针对cf3so2f混合气体放电分解特性的试验研究表明：cf3so2f在电子碰撞电离主导的局部放电以及碰撞电离、高温热电离共同主导的火花、电弧放电条件下均会发生分解，产生co、全氟化碳等诸多小分子分解产物，以及单质碳，o2的加入能够在一定程度上抑制固体析出物及部分气体分解产物的生成，提升混合气体应用的可靠性。n2为缓冲气体，主要用于降低混合气体的液化温度并增强整体的绝缘性能，本发明最后形成的混合气体的液化温度可以降低至-30℃左右，可以满足我国绝大多数地区的使用要求。
21.在一较佳实施例中，混合气体绝缘介质包括以下体积百分比的组分：25％的cf3so2f、5％的o2以及70％的n2。
22.在一些实施例中，cf3so2f的纯度大于99.99％，o2的纯度大于99.99％，n2的纯度大于99.99％。
23.在一些实施例中，混合气体绝缘介质的液化温度为-40℃～-28℃，可以满足我国绝大多数地区的使用要求。
24.本发明还公开了一种气体绝缘开关设备，包括密封容器和密封于密封容器内的如上所述的混合气体绝缘介质。
25.在一些实施例中，密封容器的上部设有第一充气接口，第一充气接口用于向密封容器内充入cf3so2f和o2，密封容器的下部设有第二充气接口，第二充气接口用于向密封容器内充入n2，密度大的cf3so2f和o2从上部充入，密度小的n2从下部充入，能减少混合后的静置时间，以及使气体混合更加均匀。
26.在一些实施例中，密封容器的下部还设有抽气接口，抽气接口用于将密封容器抽真空。
27.值得注意的是，上述“上部”是指密封容器的靠上的部分，包括密封容器的顶部以及侧壁的上部，上述“下部”是指密封容器的靠下的部分，包括密封容器的底部以及侧壁的下部。
28.在一具体实施例中，在第一充气接口处设置第一充气阀门，在第二充气接口处设置第二充气阀门，在抽气接口处设置抽真空阀门。
29.本发明还公开了一种上述气体绝缘开关设备的制备方法，包括以下过程：
30.s1：提供一密封容器，将密封容器抽真空。
31.具体地，使抽真空阀门连接真空发生器，将密封容器抽真空，将密封容器抽真空的真空度可以为小于10pa。抽真空阀门的设置位置和连接关系参考在前叙述。
32.s2：向密封容器中充入cf3so2f、o2和n2，其中，密封容器中，cf3so2f的体积百分比为20％～25％，o2的体积百分比为3％～5％，n2的体积百分比为70％～77％。
33.较优的，在本步骤中，向密封容器中充入cf3so2f、o2和n2，包括以下过程：
34.s21：将cf3so2f、o2从密封容器的上部充入密封容器。
35.具体地，通过第一充气阀门将cf3so2f、o2分别充入密封容器。
36.s22：将n2从密封容器的下部充入密封容器。
37.具体地，通过第二充气阀门将n2充入密封容器。
38.s3：静置，使密封容器内的混合气体充分混合均匀，得到气体绝缘开关设备。
39.在一些实施例中，静置的时间为12小时～16小时。
40.参考表1，其为具体实施例的混合气体绝缘介质的配方，其中，％是指体积百分比。
41.表1：各实施例的混合气体绝缘介质的配方
[0042] cf3so2f(％)o2(％)n2(％)125570220377322.5473.5415580525075
[0043]
对表1的各实施例的混合气体绝缘介质进行性能测试。
[0044]
在相同的实验装置(高度小于5m的金属密封容器)中进行绝缘试验，先将密闭容器抽至10pa以下真空态，然后依次冲入cf3so2f、o2和n2气体，混合气体静置24小时混合均匀。
对混合气体绝缘介质进行绝缘试验，以sf6气体为对比例，试验电压分别为工频电压及雷电冲击电压，电极为球板电极，电极间隙距离为5mm，实验气压为0.1mpa-0.7mpa。实验结果如表2所示。
[0045]
表2：各实施例的混合气体绝缘介质的绝缘实验结果
[0046][0047]
从表2可以看到：实施例1～3的混合气体的击穿电压值相比同等条件下sf6的要好，至少为1.06倍，具有较好的绝缘特性。实施例4的混合气体中cf3so2f的含量相比实施例1～3、5较少，因此，各个气压下的击穿电压值相比实施例1～3、5均低。因此，20％～25％的cf3so2f能提供较佳的击穿电压值。
[0048]
根据各气体组分的全球变暖潜势值(gwp)计算混合气体绝缘介质的全球变暖潜势值gwp，结果参见表3。已知，cf3so2f的gwp
cf3so2f
为3687，n2的gwp
n2
为0，o2的gwp
o2
为0，按体积分数计算混合气体绝缘介质的全球变暖潜势值gwp，其计算公式如下：
[0049]
gwp＝v
cf3so2f
*gwp
cf3so2f
v
n2
*gwp
n2
v
o2
*gwp
o2
[0050]
式中，v
cf3so2f
表示cf3so2f的体积百分数，v
n2
表示n2的体积百分数，v
o2
表示o2的体积百分数。
[0051]
混合气体的液化温度由蒸气压测试仪测试获得，结果见表3。
[0052]
放电试验前后，使用采样袋取气体进行气体色谱质谱检测，可以得到气体成分在试验前后的变化，可以得到气体分解率，结果见表3。
[0053]
每次放电试验使用的平板状电极大小相同，每次实验后使用毛刷刮取板状电极表面的附着固体颗粒与粉尘，进行重量测量，得到固体析出物的质量，结果见表3。
[0054]
表3：各实施例的混合气体绝缘介质的性能指标
[0055] gwp液化温度(℃)分解率固体析出量1921.75-285％32mg2737.4-409％39mg3829.575-347％33mg4553.05-495％20mg5921.75-2811％43mgsf623900-62不分解无析出物
[0056]
从表3可以看到：1)实施例1～5的混合气体绝缘介质的gwp值仅为sf6气体的3.85％左右，可见，本发明用cf3so2f代替sf6，可以显著降低gwp；2)实施例5的混合气体绝缘介质不含o2，分解率为11％，固体析出量为43mg，分解率与固体析出量均比添加了o2的实施例1～4要高；3)将实施例1～3与实施例4相比，实施例1～3的cf3so2f体积含量为20％～25％，然而实施例4的cf3so2f体积含量为15％，从表3可见，实施例4由于cf3so2f体积含量少，因此，分解率和固体析出量均低，可见，cf3so2f含量过高，会导致分解率和固体析出量过高，影响绝缘气体的使用稳定性；4)将实施例1与实施例5相比，实施例1和实施例5的cf3so2f体积含量相同，然而，实施例5由于缺少o2组分，分解率和固体析出量相比实施例1明显高得多，可见，在本发明中，o2组分的增加可以抑制cf3so2f的分解和抑制固体析出；5)参考实施例1～5，其中，实施例4中的n2组分含量最高，其具有最低的液化温度，随着n2组分含量的减少，液化温度有所增加。
[0057]
综上，同时满足击穿电压较高、液化温度满足我国大部分地区使用需求、分解率低以及固体析出物少，优选的，cf3so2f体积含量为20％～25％，o2体积含量为3％～5％以及n2体积含量为70％～77％。
[0058]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。