Результат интеллектуальной деятельности: ГЕРМЕТИЧНОЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Данное изобретение относится к герметичному распределительному устройству по пунктам 1, 14 и 27 формулы изобретения, к способу обеспечения герметичного распределительного устройства по пункту 41 формулы изобретения и к применению диэлектрического соединения с точкой кипения выше -25°C в изоляционной среде для герметичного распределительного устройства по пункту 45 формулы изобретения, в частности, герметичного распределительного устройства среднего напряжения.

В герметичных распределительных устройствах среднего или высокого напряжения электрическая активная часть расположена в газонепроницаемом корпусе, который образует изолирующее пространство, обычно содержащее изоляционный газ и отделяющее корпус от электрической активной части, не позволяя электрическому току проходить через него. Таким образом, заключенные в металлическую оболочку распределительные устройства обеспечивают намного более компактную конструкцию по сравнению с теми распределительными устройствами, которые изолированы только окружающим воздухом.

В традиционных герметичных распределительных устройствах (коммутационной аппаратуре) используются изоляционные газы, содержащие диэлектрическое соединение с точкой кипения ниже -25°С для того, чтобы предотвратить конденсацию во всем интервале рабочих температур. Требуемое давление изоляционного газа и/или количество диэлектрического соединения, содержащегося в изоляционном газе, регулируется с помощью измерения давления газа (с компенсацией температуры или без нее) или непосредственного измерения плотности.

Оборудование, применяемое для измерения давления газа, обычно довольно сложное и дорогое.

Кроме того, обычно требуется, чтобы изоляционный газ имел небольшое избыточное давление, которое в распределительных устройствах среднего напряжения типично составляет в интервале от примерно 100 мбар до примерно 500 мбар, для того, чтобы сделать возможным точное измерение давления в изолирующем пространстве распределительного устройства. В связи с этим избыточным давлением корпус распределительного устройства может подвергаться механической нагрузке и поэтому быть склонным к утечке газа, если не предприняты необходимые технические меры.

Однако требования к газонепроницаемости используемых на данный момент распределительных устройств очень жесткие, так как традиционные изоляционные газы с высокими свойствами изоляции и гашения дуги оказывают некоторое воздействие на окружающую среду при выпускании в атмосферу и, в частности, имеют относительно высокое значение потенциала глобального потепления (ПГП).

По этой причине корпус распределительного устройства должен быть очень надежным даже при условиях указанного выше избыточного давления.

Кроме того, для того чтобы можно было осуществить ремонтные работы внутри корпуса, требуются определенные средства для откачки корпуса перед его вскрытием и повторного введения изоляционного газа после этого, до того как работа распределительного устройства может быть возобновлена.

Конструкция корпуса распределительного устройства, таким образом, является относительно сложной, что - в дополнение к дороговизне оборудования для измерения давления газа - вносит дополнительный вклад в относительно высокую стоимость традиционных распределительных устройств.

С учетом потенциального воздействия распределительных устройств на окружающую среду и соответствующих конструктивных требований к корпусу, ранее были предприняты попытки заменить традиционные изоляционные газы подходящими заменителями.

Например, WO 2008/073790 раскрывает диэлектрическое газообразное соединение, которое - среди прочих характеристик - имеет точку кипения в интервале между примерно -20°С и примерно -273°C, которое слабо истощает озоновый слой, предпочтительно, вообще не истощает озоновый слой, и которое имеет ПГП менее примерно 22200. В частности, WO 2008/073790 раскрывает ряд различных соединений, которые не попадают под общее химическое определение.

Более того, EP-A-0670294 раскрывает использование перфторпропана в качестве диэлектрического газа, а EP-A-1933432 относится к трифториодометану (CF₃I) и его применению в качестве изолирующего газа (элегаза) в распределительном устройстве с газовой изоляцией.

Для увеличения напряженности поля пробоя по сравнению со стандартными изоляционными средами US-A-4175048 предлагает газообразный изолятор, содержащий соединение, выбранное из группы перфторциклогексена и гексафторазометана.

Тем не менее, применение соединений в соответствии с приведенными выше документами в герметичном распределительном устройстве требует сложных средств измерения давления газа, как указано выше. Кроме того, если из корпуса просачиваются большие количества изоляционного газа, время реагирования для установления достаточных изоляционных свойств часто является относительно длительным. В этом случае панель должна быть отсоединена немедленно во избежание повреждения распределительного устройства.

Таким образом, задачей данного изобретения является предоставление герметичного распределительного устройства, которое может эксплуатироваться благоприятным для окружающей среды образом и которое в то же время делает возможной очень простую и экономичную конструкцию при удовлетворении самых высоких требований безопасности.

Эта задача решается с помощью объектов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Термин «герметичное распределительное устройство» в соответствии с данным изобретением включает в себя заключенное в металлическую (или иную) оболочку распределительное устройство с воздушной изоляцией или газовой (элегазовой) изоляцией.

Термин «электрическая активная часть», применяемый в контексте данного изобретения, должен интерпретироваться в широком смысле, включая проводник, проводящую конструкцию, выключатель, проводящий элемент и тому подобное.

Благодаря тому признаку, что диэлектрическое соединение, содержащееся в изоляционной среде, содержит диэлектрическое соединение с точкой кипения выше -25°С, данное изобретение позволяет установить двухфазную систему. Упомянутая система содержит при рабочих условиях изоляционный газ, содержащий газообразную часть диэлектрического соединения. Эта газообразная часть находится в равновесии с жидкой частью диэлектрического соединения. Таким образом, жидкая часть служит в качестве резерва диэлектрического соединения, который при слишком низком парциальном давлении газа переходит в газообразную фазу.

Данное изобретение основано на открытии того, что при правильном выборе диэлектрического соединения может быть достигнута такая концентрация диэлектрического соединения в изолирующем газе данной двухфазной системы, которая достаточна для большинства применений герметичного распределительного устройства и, в частности, для герметичного распределительного устройства среднего напряжения.

В виду этого, особенно предпочтительны диэлектрические соединения, имеющие относительно высокое давление паров. Примеры таких диэлектрических соединений будут подробно описаны ниже.

Если изоляционный газ просачивается из корпуса, равновесие между газообразной и жидкой фазой - а значит, и требуемая концентрация диэлектрического соединения в изоляционном газе - поддерживается или легко восстанавливается. Следовательно, требуемые изоляционные свойства поддерживаются даже в случае, когда корпус дает течь. Таким образом, нет необходимости в немедленном прерывании работы, что делает распределительное устройство очень безопасным.

Учитывая тот факт, что достаточная концентрация диэлектрического соединения, а значит, и достаточная изоляционная способность могут быть легко установлены при условии, что по меньшей мере часть диэлектрического соединения находится в жидкой фазе, может быть исключено сложное оборудование для измерения давления газа. Напротив, достаточна простая проверка наличия жидкой части для гарантирования того, что изоляционный газ содержит диэлектрическое соединение в достаточной концентрации и, таким образом, имеет требуемую высокую изоляционную способность.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации распределительное устройство по данному изобретению содержит резервуар, предназначенный для содержания по меньшей мере доли жидкой части диэлектрического соединения, содержащейся в корпусе. Это делает возможной проверку требуемой изоляционной способности просто путем проверки уровня жидкости в резервуаре.

Резервуар обычно расположен в изолирующем пространстве.

Для того чтобы гарантировать, что присутствие содержащейся в корпусе жидкой части может быть определено путем проверки уровня жидкости в резервуаре, также предпочтительно, чтобы корпус содержал собирающие средства для сбора по меньшей мере доли жидкой части диэлектрического соединения и для переноса ее в резервуар. В соответствии с особенно предпочтительным вариантом реализации внутренняя поверхность донной стенки корпуса по меньшей мере частично наклонена, тем самым формируя сток, ведущий в резервуар. Таким образом, резервуар предпочтительно расположен в самой нижней точке изолирующего пространства. В процессе работы жидкость, собравшаяся на дне корпуса, стекает вниз по наклонной внутренней поверхности донной стенки корпуса и попадает в резервуар.

Кроме того, распределительное устройство предпочтительно содержит указатель для определения количества жидкой части диэлектрического соединения в изолирующем пространстве, причем упомянутый указатель расположен в камере, которая отделена от изолирующего пространства и соединена с резервуаром каналом. Как правило, указатель образован частью канала, которая проходит в отдельную камеру.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом реализации корпус содержит прозрачную область, позволяющую видеть снаружи резервуар и/или указатель. Таким образом, определение достаточной изоляционной способности изоляционного газа может быть осуществлено просто путем наблюдения через прозрачную область и визуальной проверки того, наличествует ли жидкая фаза или нет. Прозрачная область может, например, быть в виде часового стекла, на котором обозначен минимальный рабочий уровень жидкости.

В вышеуказанном варианте реализации, в котором указатель образован частью канала, проходящей в отдельную камеру, упомянутая часть является в целом прозрачной. Как и в этом варианте реализации, содержащая указатель камера, как правило, помещается в соответствии с высотой изолирующего пространства, и возможно непосредственное измерение, так как под одним и тем же давлением жидкость в камере будет иметь тот же уровень, что и жидкость в изолирующем пространстве.

Теоретически, диэлектрическое соединение и, необязательно, газ-носитель, могут вводиться в изолирующее пространство в любом месте. Для того чтобы сделать возможным введение в систему диэлектрического соединения во время работы, могут быть предусмотрены соответствующие средства. Например, в стенке корпуса предусмотрены могут быть сопла, через которые аэрозоль, в котором капельки жидкого диэлектрического соединения диспергированы в газе-носителе, может вводиться в изолирующее пространство. Как альтернативный вариант, жидкое диэлектрическое соединение может вводиться без газа-носителя через впускное отверстие в донной части изолирующего пространства и, предпочтительно, в резервуар.

Данное изобретение позволяет использовать диэлектрическое соединение, которое имеет отличные изоляционные свойства, в частности, высокую напряженность поля пробоя, и которое в то же время не токсично и не оказывает воздействия на окружающую среду при выпускании в атмосферу. Оно также делает возможной более простую конструкцию распределительного устройства по той причине, что не нужно обеспечивать средства для откачивания и повторного введения изоляционной среды. Если необходимо провести ремонтные работы и поэтому корпус распределительного устройства необходимо открыть, изоляционный газ просто выпускается в атмосферу. Жидкая часть диэлектрического соединения, которая обычно довольно мала, может быть удалена посредством простого выпускного отверстия, может храниться в простом сосуде и может быть повторно введена путем заливки ее обратно в изолирующее пространство после завершения ремонтных работ и до возобновления работы распределительного устройства.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации диэлектрическое соединение является фторкетоном, имеющим от 4 до 12 атомов углерода. Тем самым может быть обеспечена изоляционная среда, имеющая очень хорошие изоляционные свойства и очень низкий ПГП.

В общем, фторкетон в соответствии с данным вариантом реализации имеет общую структуру

R1-CO-R2,

где R1 и R2 представляют собой по меньшей мере частично фторированные цепи, причем упомянутые цепи являются независимо друг от друга линейными или разветвленными и имеют от 1 до 10 атомов углерода. Это определение охватывает как фторированные кетоны, так и гидрофторированные кетоны. Обычно эти фторкетоны имеют точку кипения по меньшей мере -5°C при окружающем давлении.

Сейчас было обнаружено, что для многих применений изоляционного газа, таких как применения в интервале средних напряжений, достаточная концентрация или мольная доля, т.е. отношение числа молекул фторкетона к числу молекул остальных компонентов среды (обычно газа-носителя или буферного газа), а значит, и достаточная напряженность поля пробоя могут быть достигнуты даже при очень низких рабочих температурах, например, вплоть до примерно -5°C или даже ниже, без дополнительных мер, таких как внешнее нагревание или испарение.

Предпочтительно, фторкетон имеет от 4 до 10 атомов углерода, более предпочтительно - от 4 до 8 атомов углерода, а наиболее предпочтительно - 6 атомов углерода (также называемый С6-фторкетоном). Как было указано выше, упомянутый С6-фторкетон может быть перфторированным кетоном (имеющим молекулярную формулу C₆F₁₂O) или гидрофторированным кетоном.

Среди наиболее предпочтительных фторкетонов, имеющих 6 атомов углерода, особенно предпочтительным оказался додекафтор-2-метилпентан-3-он.

Додекафтор-2-метилпентан-3-он (также называемый 1,1,1,2,2,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)-3-пентанон, перфтор-2-метил-3-пентанон или CF₃CF₂C(O)CF(CF₃)₂) ранее считали полезным только для совершенно других применений, а именно обработки расплавленных реакционноспособных металлов (что указано в WO 2004/090177), для очистки парового реактора (что указано в WO 02/086191) и в системах тушения огня, или в жидкой форме для охлаждения электронных систем, или для процесса Ренкина на малых электростанциях (что указано в EP-A-1764487).

Додекафтор-2-метилпентан-3-он является прозрачным, бесцветным и почти не имеет запаха. Его структурная формула описывается следующим образом:

.

Додекафтор-2-метилпентан-3-он имеет среднее время жизни в атмосфере примерно 5 дней, и его ПГП составляет лишь примерно 1. Кроме того, его потенциал озонового истощения (ПОИ) равен нулю. Таким образом, нагрузка на окружающую среду гораздо ниже по сравнению с традиционными изоляционными газами.

Кроме того, додекафтор-2-метилпентан-3-он является нетоксичным и демонстрирует выдающиеся пределы по безопасности для человека.

Додекафтор-2-метилпентан-3-он имеет точку кипения 49,2°C при 1 бар. Давление его пара, т.е. давление пара в равновесии с его непаровыми фазами, составляет примерно 40 кПа при 25°C. Учитывая высокое давление паров додекафтор-2-метилпентан-3-она, может в целом быть также получен изоляционный газ с напряженностью поля пробоя, достаточной для многих применений, в частности, в интервале средних напряжений, при очень низких температурах вплоть до, например, -30°C.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации данного изобретения изоляционный газ является смесью газов, которая, помимо диэлектрического соединения, и, в частности, фторкетона, дополнительно содержит газ-носитель (или буферный газ). В особенно предпочтительном варианте реализации смесь газов содержит или представляет собой воздух, в частности, сухой воздух, или содержит или представляет собой по меньшей мере один компонент воздуха, в частности, выбранный из группы, состоящей из диоксида углерода (CO₂), кислорода (O₂) и азота (N₂). Как вариант, изоляционный газ может практически состоять из диэлектрического соединения.

На основании того обнаруженного факта, что при температуре 550°C или выше додекафтор-2-метилпентан-3-он разлагается на очень реакционноспособные фторуглеродные соединения, имеющие меньшее число атомов углерода, предпочтительно, чтобы изолирующий газ содержал достаточно кислорода (О₂), с которым образовавшиеся фторуглеродные соединения могут реагировать, образуя инертные соединения, такие как, например, CO₂.

Изоляционные свойства изоляционного газа и, в частности, его напряженность поля пробоя, могут регулироваться температурой, давлением и/или составом изоляционной среды. При использовании двухфазной системы, содержащей диэлектрическое соединение, в частности, фторкетон, как в жидкой, так и в газообразной фазе, увеличение температуры приводит не только к увеличению абсолютного давления, но и к увеличению концентрации диэлектрического соединения в изоляционном газе из-за более высокого давления паров.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом реализации данного изобретения мольная доля фторкетона, в частности, додекафтор-2-метилпентан-3-она, в изоляционном газе составляет по меньшей мере 1%, предпочтительно, по меньшей мере 2%, более предпочтительно, по меньшей мере 5%, более предпочтительно, по меньшей мере 10%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере 15%. Эти предпочтительные мольные доли относятся к некому данному стандартному или предписанному условию работы. При отклоняющихся условиях мольная доля может все же отклоняться от этих предпочтительных значений.

Значимость изолирующей среды, содержащей додекафтор-2-метилпентан-3-он с мольной долей по меньшей мере 1% или 2% соответственно, основана на том обнаруженном факте, что изоляционный газ с этой мольной долей может также быть получен при очень низкотемпературных условиях вплоть до -30°С для 2% и вплоть до -40°C для 1% и что этот изоляционный газ имеет достаточную диэлектрическую прочность для, например, распределительных устройств среднего напряжения с элегазовой изоляцией, которые работают при давлении изоляционного газа ниже 1,5 бар, в частности, при около 1 бар.

Кроме распределительного устройства, описанного выше, данное изобретение также относится к способу, при котором диэлектрическое соединение вводят в изолирующее пространство распределительного устройства, причем количество вводимого диэлектрического соединения таково, что при рабочих условиях изоляционная среда содержит изоляционный газ, содержащий газообразную часть диэлектрического соединения, причем упомянутая газообразная часть находится в равновесии с жидкой частью диэлектрического соединения. Таким образом, в изолирующем пространстве распределительного устройства может устанавливаться система из двух частей, имеющая перечисленные выше преимущества.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации данного способа диэлектрическое соединение вводят в жидком виде, после чего лишь часть диэлектрического соединения испаряется в изолирующем пространстве. Таким образом, система из двух частей может быть установлена очень простым и непосредственным образом.

Также предпочтительно, чтобы диэлектрическое соединение вводилось в донную часть изолирующего пространства. Это позволяет следить за уровнем заполнения диэлектрического соединения сразу после введения. Кроме того, в соответствии с этим вариантом реализации может быстро устанавливаться равномерное распределение газообразной части в изолирующем пространстве.

Таким образом, изобретение в особенности относится к герметичному распределительному устройству среднего напряжения. Используемый здесь термин «среднее напряжение» относится к напряжению в интервале от 1 кВ до 72 кВ. Тем не менее, также осуществимы применения в интервале высоких напряжений (более 72 кВ) и в интервале низких напряжений (ниже 1 кВ).

Герметичные распределительные устройства среднего напряжения, для которых данное изобретение подходит особенно хорошо, известны специалистам в данной области техники. В качестве примеров здесь указываются распределительные устройства среднего напряжения серии ZX (ABB AG), GHA типа (AREVA T&D), или типа NXPLUS C (Siemens AG).

Данное изобретение далее описано подробно с помощью следующих примеров в связи с Фиг. 1, которая схематически изображает герметичное распределительное устройство среднего напряжения в соответствии с данным изобретением.

В соответствии с Фиг. 1 распределительное устройство 2 содержит корпус 4, образующий изолирующее пространство 6, и электрическую активную часть 8, расположенную в изолирующем пространстве 6. В изображенном варианте реализации электрическая активная часть 8 содержит коммутационный элемент (переключатель) 9 и три электрические шины 11a, 11b, 11c, соединенные с коммутационным элементом 9. Изолирующее пространство 6 содержит изоляционную среду, содержащую изоляционный газ. Этот изоляционный газ содержит газовую часть диэлектрического соединения, которая находится в равновесии с жидкой частью диэлектрического соединения.

Капли 10 жидкой части, сконденсировавшиеся на стенках 12 корпуса 4, стекают или падают вниз в направлении донной стенки 12' (что указано стрелкой). В варианте реализации, приведенном на Фиг. 1, донная стенка 12' имеет ступенчатую конфигурацию, при которой участки 12'a наклонены, в частности, слабо наклонены, вниз попеременно с сильно наклоненными, в частности, вертикальными участками 12'b, и ведет к резервуару 14. Таким образом, жидкость, скопившаяся на дне корпуса, стекает вниз по внутренней поверхности донной стенки 12' и попадает в резервуар 14. Таким образом, внутренняя поверхность донной стенки 12' служит собирающим средством 15 для сбора жидкой части диэлектрической среды.

Из резервуара 14 канал 16, предпочтительно в форме трубки, ведет к указателю 18, который в изображенном на Фиг. 1 варианте реализации содержится в камере 20, расположенной в передней панели 21, и поэтому является отдельным от изолирующего пространства 6.

В изображенном варианте реализации указатель 18 образован частью канала 16, проходящей в камеру 20, причем упомянутая часть является прозрачной. Кроме того, внешняя стенка 20' камеры 20 является прозрачной, таким образом формируя часовое стекло.

Так как камера 20, содержащая указатель 18, расположена соответствующей высоте резервуара 14, возможно непосредственное измерение уровня заполнения резервуара 14 путем наблюдения через внешнюю стенку 20' камеры 20.

Как вариант, часовое стекло может быть также образовано прозрачной частью самого корпуса. В этом варианте реализации часовое стекло расположено так, что резервуар в изолирующем пространстве можно видеть снаружи. В качестве особого решения само часовое стекло может быть резервуаром.

Список ссылочных номеров

2 - распределительное устройство

4 - корпус

6 - изолирующее пространство

8 - электрическая активная часть

9 - коммутационный элемент

11a, 11b, 11c - электрические шины

12 - стенка корпуса

12' - донная стенка корпуса

12'a - наклоненный участок донной стенки

12'b - вертикальный участок донной стенки

14 - резервуар

15 - собирающие средства

16 - канал

18 - указатель

20 - камера

20' - внешняя стенка камеры

21 - передняя панель