CN112489852A - 一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质及其制备方法，混合气体灭弧介质主要由七氟异丁腈、八氟环丁烷(c‑C4F8)和四氟化碳(CF4)组成，其组分的体积百分比为：20％～25％的C4F7N，5％～10％的c‑C4F8，70％的CF4。所述混合气体灭弧介质可用于替代六氟化硫(SF6)作为新型环保型灭弧介质应用于中低压铠装式金属封闭开关设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种灭弧介质，尤其是涉及一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质及其制备方法。
背景技术
采用气体绝缘的中低压电气设备，通常都采用SF6作为灭弧介质。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。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，到2020年基本限用或禁用SF6气体。
因此亟须寻找到合适的环保型灭弧介质以替代SF6，既保证与SF6具有相近的灭弧性能，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。
鉴于此，有学者建议采用SF6与缓冲气体混合的方法来缓解SF6气体对环境的不利影响。但是由于混合后气体灭弧能力降低，反而需要增大压强以保证灭弧效果，这无疑将会增加制造工艺难度和成本，对设备的防泄漏水平和安全性指标提出更加苛刻的要求。要解决SF6气体温室效应严重，对环境不友好的问题，寻找到合适的 SF6替代绝缘气体是最为彻底和有效的解决办法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，包括以下体积百分比含量的组分：七氟异丁腈气体(C4F7N)20～25％，八氟环丁烷气体(c-C4F8)5-10％，其余为四氟化碳气体(CF4)。
优选的，所述的七氟异丁腈气体的纯度大于等于99％。
优选的，所述的八氟环丁烷气体的纯度大于等于99.99％。
优选的，所述的四氟化碳气体的纯度大于等于99.99％。
含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质的制备方法，优选包括以下步骤：
(1)取封闭容器，在其底部安装有一个高真空阀门和底部充气阀门，其顶部安装有顶部充气阀门；
(2)先通过高真空阀门将封闭容器抽真空，再将七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体从顶部充气阀门充入，四氟化碳气体从底部充气阀门充入，各气体组分按设定含量充入后混合均匀，即得到目的产物。
优选的，步骤(2)中，封闭容器内的真空度满足其抽至10Pa以下真空态。
优选的，步骤(2)中，充气过程中，先从顶部充气阀门充入七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体，再从底部充气阀门充入四氟化碳气体。
本发明采用C4F7N、八氟环丁烷和CF4组成的混合气体，其中，C4F7N在电气性能方面亦表现优异。相同气压下，绝缘强度可达到六氟化硫的2倍以上，灭弧能力根据开断电流的大小略有不同。该组分气体C4F7N在电流开断情况下的分解产物主要有C2F6,，C2F4,，C2F5I，C3F8,CHF3，C3F6都属于低毒或无毒物质。八氟环丁烷，是一种无色，无味，不可燃的气体；GWP值是SF6的1/3，为8700。与SF6相比对环境的影响较小。该气体完全无毒,无臭氧影响，纯净的c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘强度大约是SF6气体的1.3倍。组分CF4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灭弧性能。本发明最后形成的混合气体的液化温度可以降低至-40℃左右，可以满足我国绝大多数地区的使用要求。
本发明所提出的环保型混合气体灭弧介质能够很好的满足目前中压铠装式金属封闭开关设备的使用要求，具有灭弧性能优异，环保性能好的特点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)环保性能优异。C4F7N的温室效应指数为CO2的2100倍，和SF6的23900 相比，几乎可以忽略不计。同时，C4F7N和CF4都没有温室破坏潜能，不会对臭氧层造成任何破坏。
(2)灭弧能力优异。在开断峰值达1kA的近区短路故障电流时， C4F7N-c-C4F8-CF4混合气体的灭弧能力随C4F7N气体比例的增加呈指数增长。
(3)对人体危害小。本发明所提出的环保型混合气体灭弧介质在开断电流时的分解产物均为无毒或低毒性物质，不会对人体造成严重的危害。
本发明所提出的制备方法强调充气的先后顺序及位置，即密度大的C4F7N、 c-C4F8气体先从顶部充入封闭容器，密度小的CF4从底部充入，这样能减少混合静置时间并使气体混合更加均匀。
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，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。
图1为C4F7N/CF4混合气体的电流开断能力与SF6气体电路开断能力比较图。
图2为C4F7N/c-C4F8/CF4混合气体的电流开断能力与SF6气体电路开断能力比较图。
具体实施方式
一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，包括以下体积百分比含量的组分：七氟异丁腈气体(C4F7N)20～25％，八氟环丁烷气体(c-C4F8)5-10％，其余为四氟化碳气体(CF4)。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的七氟异丁腈气体的纯度大于等于99％。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的八氟环丁烷气体的纯度大于等于99.99％。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的四氟化碳气体的纯度大于等于99.99％。
含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质的制备方法，优选包括以下步骤：
(1)取封闭容器，在其底部安装有一个高真空阀门和底部充气阀门，其顶部安装有顶部充气阀门；
(2)先通过高真空阀门将封闭容器抽真空，再将七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体从顶部充气阀门充入，四氟化碳气体从底部充气阀门充入，各气体组分按设定含量充入后混合均匀，即得到目的产物。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(2)中，封闭容器内的真空度满足其抽至10Pa以下真空态。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(2)中，充气过程中，先从顶部充气阀门充入七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体，再从底部充气阀门充入四氟化碳气体。
本发明中各气体的种类以及添加量的选择原因如下：C4F7N/CF4混合气体， C4F7N/c-C4F8/CF4混合气体的电流开断能力与SF6气体电流开断能力情况的如图1 与图2所示，从图中可以看出C4F7N/CF4混合气体的电流开断能力在C4F7N含量为 20％时已基本达到饱和，当C4F7N含量超过20％后，再持续增加C4F7N气体含量电流开断能力基本保持不变。在C4F7N/CF4混合气体中固定CF4气体为70％后，减少C4F7N气体含量，加入c-C4F8后混合气体的电流开断能力如图2所示，从图中可以看出，加入了c-C4F8气体后混合气体的电流开断能力得到了提高，在c-C4F8混合气体达到10％时混合气体的电流开断能力基本饱和，因此c-C4F8含量高于10％以后对提高混合气体电流开断能力整体提升较小，由于c-C4F8气体的GWP为8700，过多增加该气体含量还会降低混合气体环保性能。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为20％，c-C4F8的体积分数为10％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
实施例2
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为21％，c-C4F8的体积分数为9％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
实施例3
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为22％，c-C4F8的体积分数为8％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
实施例4
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为23％，c-C4F8的体积分数为7％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
实施例5
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为24％，c-C4F8的体积分数为6％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
实施例6
取C4F7N、c-C4F8和CF4在常温下进行物理混合，获得一种环保的混合气体灭弧介质，在该灭弧介质中，C4F7N的体积分数为25％，c-C4F8的体积分数为5％， CF4的体积分数为70％。获得该环保型灭弧介质的方法为，在任意高度小于30m 的金属密封容器内，先将封闭容器抽至10Pa以下真空态，然后依次冲入c-C4F8、 C4F7N、CF4气体。混合气体静置48小时混合均匀。
将上述实施例1-6制备的混合气体灭弧介质与常规的SF6的相关性质对比分析，其结果如下表所示：
由此可以看出，本发明所提供的环保型混合绝缘气体，不仅能达到和SF6相当的灭弧性能，而且环境影响显著降低甚至消除，同时液化温度也能够满足目前的工程应用的要求。
对比例1
与实施例1相比，除了灭弧介质中各组分气体的体积百分含量为：C4F7N体积分数为10％，c-C4F8的体积分数为20％，CF4为70％外，其余均一样。
对比例2
与实施例1相比，除了灭弧介质中各组分气体的体积百分含量为：C4F7N体积分数为29％，c-C4F8的体积分数为1％，CF4为70％外，其余均一样。
对比例3
与实施例1相比，除了灭弧介质中各组分气体的体积百分含量为：C4F7N体积分数为30％，CF4为70％外，其余均一样。
对比例4
与实施例1相比，除了灭弧介质中各组分气体的体积百分含量为：c-C4F8的体积分数为30％，CF4为70％外，其余均一样。
将上述对比例1-4制备的混合气体灭弧介质与常规的SF6的相关性质对比分析，其结果如下表所示：
从上表可知，当c-C4F8比例较低时(对比例2和对比例3)，相对与同等条件下SF6的灭弧能力较低，只有0.86左右，当c-C4F8含量较高而C4F7N气体比例较低时(对比例1和对比例4)，混合气体GWP值较高，对环境影响较大，环保性能降低并且其灭弧能力基本饱和没有显著提升。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，其特征在于，包括以下体积百分比含量的组分：七氟异丁腈气体20～25％，八氟环丁烷气体5-10％，其余为四氟化碳气体。
2.根据权利要求1所述的一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，其特征在于，所述的七氟异丁腈气体的纯度大于等于99％。
3.根据权利要求1所述的一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，其特征在于，所述的八氟环丁烷气体的纯度大于等于99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质，其特征在于，所述的四氟化碳气体的纯度大于等于99.99％。
5.如权利要求1-4任一所述的含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取封闭容器，在其底部安装有一个高真空阀门和底部充气阀门，其顶部安装有顶部充气阀门；
(2)先通过高真空阀门将封闭容器抽真空，再将七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体从顶部充气阀门充入，四氟化碳气体从底部充气阀门充入，各气体组分按设定含量充入后混合均匀，即得到目的产物。
6.根据权利要求5所述的一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，封闭容器内的真空度满足其抽至10Pa以下真空态。
7.根据权利要求5所述的一种含环保型气体七氟异丁腈的混合气体灭弧介质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，充气过程中，先从顶部充气阀门充入七氟异丁腈气体、八氟环丁烷气体，再从底部充气阀门充入四氟化碳气体。
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