封裝式開關設備的制作方法

專利名稱：封裝式開關設備的制作方法
封裝式開關設備本發明涉及根據權利要求1的封裝式開關設備、根據權利要求15的用于提供封裝式開關設備的方法和根據權利要求18的具有高于_25°C的沸點的介電化合物在用于封裝式開關設備、特別是中壓封裝式開關設備的絕緣介質中的用途。在中壓或高壓封裝式開關設備中，電氣有源元件布置在限定絕緣空間的氣密外殼中，所述絕緣空間通常包含絕緣氣體且將外殼與電氣有源元件間隔開而不讓電流穿過。因此，與僅由周圍空氣絕緣的開關設備相比，金屬封裝式開關設備構造更加節省空間。對于常規封裝開關設備，使用包含具有低于_25°C的沸點的介電化合物的絕緣氣體以防止在完整操作溫度范圍冷凝。絕緣氣體的所需壓力和/或在所述絕緣氣體中所包含的介電化合物的量由氣體壓力測量(有或沒有溫度補償)或直接密度測量決定。用于氣體壓力測量的設備通常相對復雜且昂貴。另外，通常需要絕緣氣體具有略微過壓，在中壓開關設備中，該過壓常為約100毫巴-約500毫巴，以允許在開關設備的絕緣空間中的精確壓力測量。由于該過壓，開關設備的外殼可經受機械應力，且因此如果不采用適當技術措施，其易于泄漏氣體。然而，對于當前使用的開關設備的氣密性的要求非常嚴格，因為具有高絕緣和消弧性能的常規絕緣氣體在釋放到大氣中時具有一些環境影響，且特別是具有相對較高的全球變暖潛能(GWP)。為此，開關設備的外殼即使在以上提到的過壓情況下也必須非常堅固。同樣，為了允許在外殼內部進行修理工作，需要在打開外殼之前將其抽空且然后在可重新起動開關設備的操作之前再次引入絕緣氣體的設備。開關設備外殼的構造因此相對復雜，除了昂貴的氣體壓力測量設備之外，其還歸于常規開關設備的相對較高的成本。關于開關設備對環境的潛在影響和對于外殼的相應構造需要，過去已經嘗試用合適的代替物來替代常規絕緣氣體。例如，WO 2008/073790公開了一種介電氣態化合物，除了其他特性以外，其還具有在約-20°C至約-273°C范圍內的沸點，其具有低臭氧消耗、優選無臭氧消耗且其具有小于約22，200的GWP。具體地講，WO 2008/073790公開了不落入一般化學定義的許多不同化合物。此外，EP-A-0670294公開了全氟丙烷作為介電氣體的用途且EP-A-1933432涉及三氟碘甲烷(CF3I)及其在氣體絕緣的開關設備中用作絕緣氣體的用途。與標準絕緣介質相比，為了改善擊穿場強，US-A-4175048提出包含選自全氟環己烯和六氟偶氮甲烷的化合物的氣態絕緣體。然而，在封裝式開關設備中使用根據以上給出文獻的化合物需要如上指出的復雜的氣體壓力測量措施。并且，如果大量絕緣氣體從外殼中泄漏，用于建立足夠絕緣性質的反應時間常相對較久。在這種情況下，必須理解拆開面板以防止損壞開關設備。本發明的目標因此在于提供可以環境友好的方式操作且同時通過滿足最高安全性要求允許非常簡單且成本有效的設計的封裝式開關設備。
該目標由權利要求1的主題實現。本發明的優選實施方案在從屬權利要求中限定。根據本發明的術語“封裝式開關設備”包括空氣絕緣或氣體絕緣的金屬(或其他) 封裝式開關設備。在本發明的上下文中使用的術語“電氣有源元件”被解釋為廣泛包括導體、導線布置、開關、導電部件等。由于在絕緣介質中所包含的介電化合物包括具有高于_25°C的沸點的化合物的特征，本發明允許建立兩相體系。所述體系包含在操作條件下包含所述介電化合物的氣態部分的絕緣氣體。該氣態部分與所述介電化合物的液態部分平衡。由此，液態部分充當介電化合物的貯庫，其在極低氣體分壓下進入氣相。本發明基于以下發現通過適當選擇介電化合物可實現介電化合物在這種兩相體系的絕緣氣體中的一定濃度，其對于封裝開關設備的大部分應用且特別是對于中壓封裝開關設備來說足夠。鑒于此，特別優選具有相對較高蒸氣壓的介電化合物。這類介電化合物的實例將在下文詳細描述。如果絕緣氣體從外殼中泄漏，則氣相與液相之間的平衡(且因此介電化合物在絕緣氣體中的所需要濃度)得以維持或容易地重新建立。因此，即使外殼泄漏，也維持所需要的絕緣性能。因此，不需要立即中斷操作，這使得開關設備非常安全。已知這么一個事實，只要至少一部分介電化合物處于液相中，就可容易地建立足夠濃度的介電化合物且因此足夠的絕緣性能，則可避免復雜的氣體壓力測量設備。相比之下，對液態部分存在的簡單檢查足以保證絕緣氣體包含足夠濃度的介電化合物且因此具有所需要的高絕緣性能。根據一個優選的實施方案，本發明的開關設備包括確定用于包含在外殼中所包含的介電化合物的液態部分的至少一部分的容器。這允許通過簡單檢查在所述容器中的液位來檢查所需要的絕緣性能。所述容器通常布置在絕緣空間中。為了保證可通過檢查在容器中的液位確定外殼內所包含的液態部分的存在，進一步優選所述外殼包括用于收集介電化合物的液態部分的至少一部分并將其轉移到容器的收集設備。根據一個特別優選的實施方案，外殼底壁的內表面至少部分傾斜，因此形成通向容器的噴口。所述容器因此優選布置在絕緣空間的最低點。在操作期間，在外殼底部收集的液體向下流到外殼底壁的傾斜內表面且由容器接收。另外，所述開關設備優選包括用于確定在絕緣空間中介電化合物的液態部分的量的指示器，所述指示器布置在隔室中，所述隔室與所述絕緣空間間隔開且通過通道與容器連接。一般來說，所述指示器由所述通道的一部分形成，所述通道伸進單獨的隔室。根據又一實施方案，所述外殼包括允許從外部觀察容器和/或指示器的透明區。 因此，絕緣氣體的足夠絕緣性能的確定可通過透過透明區簡單觀察且目視檢查液相是否存在來進行。所述透明區例如可以表面玻璃形式，在其上指示液體的最低操作液位。在以上提到的實施方案中，其中指示器由伸進單獨隔室的通道的部分形成，所述部分通常為透明的。如在該實施方案中，包括指示器的隔室通常根據絕緣空間的高度置放，
4可以進行直接量測，原因是在相同的壓力下在隔室中的液體與絕緣空間中的液體將具有相同的液位。理論上，所述介電化合物和任選的載氣可在絕緣空間的任何位置引入。為了允許在操作期間將介電化合物引入系統中，可提供相應的設備。例如，可在外殼壁中提供噴嘴， 氣溶膠可經所述噴嘴引入絕緣空間中，在所述氣溶膠中液態介電化合物的小液滴分散在載氣中。或者，液態介電化合物可在沒有載氣的情況下經入口引入絕緣空間的底部部分中且優選引入容器中。本發明允許使用這樣的介電化合物，其具有優異的絕緣性質，特別是高擊穿場強， 且其同時為無毒的且在釋放到大氣中時對環境沒有影響。這還使得開關設備的設計更簡單，理由是并非必須提供用于抽出和再次引入絕緣介質的設備。如果必須進行修理工作且因此必須打開開關設備的外殼，則絕緣氣體簡單釋放到大氣中。介電化合物的液態部分 (通常相當少)可利用簡單出口移出，儲存在簡單貯器中且在完成修理工作之后且在再次起動開關設備的操作之前通過將其傾注回到絕緣空間而再次引入。根據一個優選的實施方案，所述介電化合物為具有4-12個碳原子的含氟酮。由此，可提供具有高絕緣能力和極低GWP的絕緣介質。一般來說，根據該實施方案的含氟酮具有以下通用結構R1-C0-R2其中Rl和R2為至少部分氟化的鏈，所述鏈彼此獨立地為直鏈或支鏈且具有1-10 個碳原子。該定義涵蓋全氟酮以及氫氟酮。一般來說，這些含氟酮在周圍壓力下具有至少-5 °C的沸點。現在已經發現，對于絕緣氣體的許多應用，諸如在中壓范圍的應用，即使在例如降至約-5°C或甚至更低的極低操作溫度下、在沒有諸如外部加熱或汽化的額外措施的情況下，也可獲得足夠的濃度或摩爾比，即含氟酮的分子數目與介質的剩余組分(通常為載氣或緩沖氣體)的分子數目之間的比率，且因此還獲得足夠的擊穿場強。優選所述含氟酮具有4-10個碳原子、更優選4-8個碳原子且最優選6個碳原子 (也稱作C6-含氟酮)。如上所提到，所述C6-含氟酮可為全氟酮(具有分子式C6F12O)或氫氟酮。在具有6個碳原子的最優選含氟酮之中，已經發現特別優選十二氟-2-甲基戊-3-酮。先前僅認為十二氟-2-甲基戊-3-酮(也稱為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-戊酮或CF3CF2C (0) CF (CF3) 2)可用于完全不同的應用， 艮口，加工熔融活性金屬(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清潔蒸氣反應器(如在WO 02/086191中所提到)和用在滅火系統中或以液態用于冷卻電子系統或在小型發電成套設備中用于Rankine過程(如在EP-A-1764487中所提到)。十二氟-2-甲基戊-3-酮為透明、無色且幾乎無味的。其結構式如下iFi
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ο十二氟-2-甲基戊-3-酮在大氣中具有約5天的平均壽命且其GWP僅為約1。另夕卜，其臭氧消耗潛能(ODP)為零。因此，環境負擔比任一常規絕緣氣體低得多。另外，十二氟-2-甲基戊-3-酮無毒性且提供人類安全性的突出容限。十二氟-2-甲基戊-3-酮在1巴下具有49.2°C的沸點。在25°C下，其蒸氣壓(即， 蒸氣與其非氣相平衡時的壓力)為約40kPa。鑒于十二氟-2-甲基戊-3-酮的該高蒸氣壓， 在低至例如-30°C的極低溫度下通常也可獲得具有對于許多應用、特別是在中壓范圍的應用足夠的擊穿場強的絕緣氣體。根據本發明的一個優選的實施方案，所述絕緣氣體為氣體混合物，除了所述介電化合物且特別是含氟酮以外，所述氣體混合物還包含載體(或緩沖)氣體。在一個特別優選的實施方案中，所述氣體混合物包含空氣或為空氣，特別是干燥空氣，或包含至少一種空氣組分或為至少一種空氣組分，所述空氣組分特別是選自二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和氮氣 (N2)。或者，所述絕緣氣體可基本由介電化合物組成。基于在550°C或更高的溫度下十二氟-2-甲基戊-3-酮分解成具有較低數目的碳原子的很大反應性的氟烴化合物這一發現，優選絕緣氣體包含足夠的氧氣(O2)，氟烴化合物可與其反應以形成惰性化合物，諸如C02。所述絕緣氣體的絕緣性質且特別是其擊穿場強可由絕緣介質的溫度、壓力和/或組成控制。通過使用包含以液相和氣相二者的介電化合物、特別是含氟酮的兩相體系，溫度增加不僅引起絕對壓力增加，而且由于較高蒸氣壓而引起絕緣氣體中的介電化合物濃度增加。根據本發明的一個特別優選的實施方案，在絕緣氣體中含氟酮、特別是十二氟-2-甲基戊-3-酮的摩爾比為至少1 %、優選為至少2%、更優選為至少5%、更優選為至少10%、最優選為至少15%。這些優選的摩爾比參照給定的標準或規定的操作條件。在偏離的情況下，所述摩爾比還可不同于這些優選的值。包含分別以至少或2%的摩爾比的十二氟-2-甲基戊-3-酮的絕緣介質的意義基于以下發現具有該摩爾比的絕緣氣體還可在低至-30°C的極低溫度條件下得到(對于2% )及在低至_40°C的極低溫度條件下得到(1% )且該絕緣氣體具有對于例如中壓氣體絕緣的開關設備來說足夠的介電強度，所述中壓氣體絕緣的開關設備在低于1. 5巴、特別是約1巴的絕緣氣體壓力下操作。除了以上所述的開關設備以外，本發明還涉及其中將介電化合物引入開關設備的絕緣空間中的方法，所述介電化合物的引入量使得在操作條件下絕緣介質包含含有所述介電化合物的氣態部分的絕緣氣體，所述氣態部分與所述介電化合物的液態部分平衡。因此， 可在開關設備的絕緣空間中建立具有以上提到的優勢的兩相體系(two-part system)。根據該方法的一個優選的實施方案，所述介電化合物以液態引入，因此僅一部分所述介電化合物在所述絕緣空間中蒸發。因此，所述兩相體系可以非常簡便易行的方式確立。進一步優選將所述介電化合物引入絕緣空間的底部部分中。這使得在引入之后立即監測介電化合物的充填液位。此外，根據該實施方案可容易地建立氣態部分在絕緣空間中的均勻分布。本發明因此特別地涉及中壓封裝式開關設備。本文使用的術語“中壓”是指在 lkV-72kV范圍內的電壓。然而，在高壓范圍(大于72kV)和在低壓范圍(低于IkV)的應用同樣可行。技術人員已知本發明特別適合的中壓封裝式開關設備。例如，在此提到ZX系列的中壓開關設備(ABB AG)、GHA型的中壓開關設備(AREVA T&D)或NXPLUS C型的中壓開關設備(Siemens AG)。本發明經由以下實施例結合

圖1進一步詳細描述，圖1示意性表示根據本發明的中壓封裝式開關設備。根據圖1，開關設備2包括確定絕緣空間6的外殼4和布置在絕緣空間6中的電氣有源元件8。在所示的實施方案中，電氣有源元件8包括開關元件9和連接到所述開關元件 9的三個匯流條lla、llb、llc。所述絕緣空間6包含含有絕緣氣體的絕緣介質。所述絕緣氣體包含介電化合物的氣態部分，所述氣態部分與所述介電化合物的液態部分平衡。在外殼4的壁12上冷凝的液態部分的液滴10在朝向底壁12’的方向上(如由箭頭所指示)向下流下或落下。在圖1中給出的實施方案中，底壁12’具有多級構造，其中段 12’ a傾斜(具體是微傾斜)，向下變為強傾斜(具體是垂直)的段12’ b且通向容器14。 因此，在外殼底部收集的液體流下底壁12’的內表面且排放到容器14中。底壁12’的內表面充當用于收集電介質的液態部分的收集設備15。優選以管形式的通道16從容器14通向指示器18，在附圖中所示的實施方案中，指示器18包括在布置在面板前部21中的隔室20中且因此與絕緣空間6間隔開。在所示的實施方案中，指示器18由伸進隔室20的通道16的一部分形成，所述部分為透明的。并且，所述隔室20的外壁20’為透明的，因此形成表面玻璃。因為包括指示器18的隔室20對應于容器14高度布置，可以透過隔室20的外壁 20’觀察來進行容器14的充填液位的直接量測。或者，所述表面玻璃也可由外殼本身的透明部分形成。在該實施方案中，布置所述表面玻璃使得可從外部觀察絕緣空間中的容器。作為一個特別的方案，所述表面玻璃本身可為容器。附圖標記列表2開關設備4夕卜殼6絕緣空間8電氣有源元件9開關元件11a,lib,Ilc 匯流條12外殼壁
7
12，外殼底壁12’ a底壁的傾斜段12’ b底壁的垂直段14容器15收集設備16通道18指示器20隔室20’隔室的外壁21面板前部
權利要求
1.封裝式開關設備，其包括限定絕緣空間(6)的外殼(4)和布置在所述絕緣空間(6) 中的電氣有源元件(8、9、lla、llb、llc)，所述絕緣空間(6)包含絕緣介質，其特征在于所述絕緣介質包含具有高于_25°C的沸點的介電化合物。
2.權利要求1的封裝式開關設備，所述介電化合物具有高于_20°C、優選高于_5°C的沸點ο
3.權利要求1或2的封裝式開關設備，其特征在于所述介電化合物為具有4-12個碳原子的含氟酮。
4.權利要求3的封裝式開關設備，其特征在于所述含氟酮具有6個碳原子。
5.權利要求4的封裝式開關設備，其特征在于所述含氟酮為十二氟-2-甲基戊-3-酮。
6.前述權利要求中任一項的封裝式開關設備，其特征在于在操作條件下所述絕緣介質包含含有所述介電化合物的氣態部分的絕緣氣體，所述氣態部分與所述介電化合物的液態部分平衡。
7.權利要求6的封裝式開關設備，其特征在于所述絕緣氣體為氣體混合物，所述氣體混合物還包含載氣。
8.權利要求7的封裝式開關設備，其特征在于所述載氣包含空氣或至少包含一種空氣組分，所述空氣組分特別是選自二氧化碳、氧氣和氮氣。
9.權利要求6-8中任一項的封裝式開關設備，其特征在于其包括確定用于包含在所述外殼中所包含的所述介電化合物的液態部分的至少一部分的容器(14)。
10.權利要求9的封裝式開關設備，其特征在于其還包括用于收集所述介電化合物的液態部分的至少一部分且將其轉移到所述容器(14)的收集設備(15、12’、12a’、12b’)。
11.權利要求6-10中任一項的封裝式開關設備，其特征在于其還包括用于確定在所述絕緣空間(6)中所述介電化合物的液態部分的量的指示器(18)，所述指示器(18)布置在與所述絕緣空間(6)間隔開且與所述容器(14)連接的空間中。
12.權利要求9-11中任一項的封裝式開關設備，所述外殼(4)包括允許從外部分別觀察所述容器(14)和/或所述指示器(18)的透明區。
13.前述權利要求中任一項的封裝式開關設備，所述開關設備為金屬封裝式開關設備。
14.前述權利要求中任一項的封裝式開關設備，所述開關設備為中壓封裝式開關設備。
15.提供權利要求6-14中任一項的封裝式開關設備的方法，其通過將介電化合物引入所述開關設備的絕緣空間(6)中來進行，其中所述介電化合物的引入量使得在操作條件下所述絕緣介質包含含有所述介電化合物的氣態部分的絕緣氣體，所述氣態部分與所述介電化合物的液態部分平衡。
16.權利要求15的方法，其中所述介電化合物以液態引入，因此僅一部分所述介電化合物蒸發到所述絕緣空間(6)中。
17.權利要求16的方法，其中所述介電化合物引入所述絕緣空間(6)的底部部分中。
18.在絕緣介質中的具有高于_25°C的沸點的介電化合物用于封裝式開關設備、特別是用于中壓封裝式開關設備的用途。
全文摘要
本發明涉及封裝式開關設備，其包括限定絕緣空間(6)的外殼(4)和布置在所述絕緣空間(6)中的電氣有源元件(8、9、11a、11b、11c)，所述絕緣空間(6)包含絕緣介質。所述開關設備的特征在于所述絕緣介質包含具有高于-25℃的沸點的介電化合物。
文檔編號H01B3/56GK102460605SQ200980159950
公開日2012年5月16日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年6月12日
發明者M·海倫巴赫, M-S·克萊森斯, O·格蘭豪格, P·斯卡爾拜 申請人:Abb技術有限公司