介电绝缘介质的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包含氢氟单醚的介电绝缘介质，所述氢氟单醚含有至少3个碳原子。根据本发明的绝缘介质具有高绝缘能力、特别是高介电强度，且同时具有低GWP。本发明还允许提供在高于140℃的温度下也化学且热稳定的绝缘介质，其无毒或具有低毒性水平且其另外无腐蚀性且无爆炸性。
【专利说明】介电绝缘介质
[0001]本发明涉及根据权利要求1的介电绝缘介质及分别根据权利要求34和36的氢氟单醚在介电绝缘介质中的用途和所述介电绝缘介质供用于产生、分配和/或应用电能的设备用的用途。本发明还涉及根据权利要求37的用于产生、分配和/或应用电能的设备。
[0002]液态或气态的介电绝缘介质常规上用于诸如开关设备或变压器的各种电气设备中的电气活性元件的绝缘。
[0003]在中压或高压金属封装的开关设备中，例如，电气活性元件布置在限定绝缘空间的气密外壳中，所述绝缘空间包含通常处于数巴压力下且将外壳与电气活性元件间隔开、由此防止电流在外壳与活性元件之间流动的绝缘气体。与安装在室外且由周围空气绝缘的开关设备相比，金属封装的开关设备的构造更加节省空间。为了中断在高压开关设备中的电流，绝缘气体还充当消弧气体。
[0004]许多常规使用的绝缘介质具有数个缺点。
[0005]一方面，具有高绝缘和开关性能的常规绝缘气体在释放到大气中时常具有一些环境影响。至今，这些绝缘气体的高全球变暖潜力(GWP)已经通过对气体绝缘设备的严格气体泄漏控制和非常仔细的气体处理来克服。
[0006]另一方面，诸如干燥空气或CO2的常规环境友好的绝缘气体具有相当低的绝缘性能，因此需要增加气体压力和/或绝缘距离。
[0007]出于以上提到的原因，过去已经尝试用合适的代替物替代这些常规的绝缘气体。
[0008]例如，WO 2008/073790公开了一种介电气态化合物，除了其他特性之外，其还具有在-20°C至_273°C范围内的低沸点，优选不消耗臭氧且在100年的时标(time scale)下具有小于22，200的GWP。具体地讲，WO 2008/073790公开了不属于一般化学定义内的许多不同化合物。
[0009]另外，US-A-4175048涉及包含选自全氟环己烯和六氟偶氮甲烷的化合物的气态绝缘体，且EP-A-0670294公开了全氟丙烷作为介电气体的用途。
[0010]EP-A-1933432和同时待审的US-A-2009109604涉及三氟碘甲烷(CF3I)及其在气体绝缘的开关设备中用作绝缘气体的用途。
[0011]在EP-A-1146522中还概括性地公开了具有通式CxHyFzI的化合物且具体公开了具有CF3I的化合物作为用于电力传送和分配机器的绝缘介质的用途。
[0012]然而，尽管具有在这些文献中提到的绝缘性质，但CF3I具有相对低的热稳定性:在约100°C下，其开始分解成包括I2的危险产物，它们可形成固态导电残余物。
[0013]考虑到现有技术水平的绝缘介质的缺点且特别是CF3I的缺点，本发明的目标因此是提供对环境影响程度低的热稳定的介电绝缘介质。
[0014]根据权利要求1，本发明的目标通过包含含有至少3个碳原子的氢氟单醚的介电绝缘介质实现。本发明的优选实施方案在从属权利要求项中给出。
[0015]在本发明的上下文中使用的术语“氢氟单醚”是指具有一个且是唯一一个醚基的化合物，所述醚基连接两个烷基，这两个烷基可彼此独立地为直链或支链的。该化合物因此与在US-B-7128133中公开的化合物形成鲜明对比，US-B-7128133涉及含有两个醚基的化合物(即氢氟二醚)在传热流体中的用途。
[0016]在本发明的上下文中使用的术语“氢氟单醚”应进一步理解为部分氢化且部分氟代的化合物。
[0017]术语“氢氟单醚”应进一步理解为其可包括结构不同的氢氟单醚的混合物。术语“结构不同”将广泛涵盖在氢氟单醚的总式或结构式方面的任何不同。
[0018]本发明基于如下意外的发现，通过使用氢氟单醚，得到具有高绝缘能力、特别是高介电强度(或击穿场强)且同时具有低GWP的绝缘介质。
[0019]由于使用特定的氢氟单醚，本发明还允许提供对高于140°C的温度的化学稳定和热稳定、无毒或具有低毒水平并且另外无腐蚀性且无爆炸性的绝缘介质。
[0020]如上所述，已经发现，根据本发明的氢氟单醚具有相对高的介电强度。具体地讲，根据本发明的氢氟单醚的介电强度与SF6的介电强度的比率大于约0.4。
[0021]根据本发明的氢氟单醚可参与包括由OH基夺氢的非常有效的对流层(tropospheric)去除过程。最终，这导致该化合物相对低的大气寿命。
[0022]由于其相对低的大气寿命，本发明的氢氟单醚还具有如已经提到的相对低的GWP。具体地讲，根据本发明可以获得具有经100年小于I’ 000、更具体地经100年小于700的GffP的绝缘介质。
[0023]根据本发明的氢氟单醚具有相对低的大气寿命且另外没有在臭氧破坏催化循环中起作用的卤素原子，即Cl、Br或I。因此，根据本发明的介电绝缘介质具有零ODP的另外优点，从环境观点来看，这非常有利。
[0024]根据权利要求1 ，本发明的氢氟单醚含有至少3个碳原子。
[0025]在环境压力下，含有至少3个碳原子的氢氟单醚通常具有高于_20°C的沸点。这与现有技术水平且特别是WO 2008/073790的教导形成鲜明对比，WO 2008/073790教导_20°C或更低的沸点是可用的介电化合物的必要特征。
[0026]对于含有至少3个碳原子且因此具有大于_20°C的相对高的沸点的氢氟单醚的优先选择基于较高沸点的氢氟单醚通常具有较高介电强度的发现。
[0027]在下文中，给出本发明的一些例示性实施方案，它们可单独或组合存在。
[0028]在实施方案中，所述介电绝缘介质包含不同于所述氢氟单醚的气体组分a)，且特别是，所述气体组分a)包括至少两种气体组分成分al)、a2)、……an)的混合物。
[0029]在实施方案中，所述介电绝缘介质包含具有至少50K、优选至少70K、特别是至少100K的常压沸点，其常压沸点低于所述氢氟单醚的常压沸点。
[0030]在实施方案中，所述介电绝缘气体组分a)具有大于IOkV/(cm bar)、优选大于20kV/(cm bar)、特别是大于30kV/(cm bar)的介电强度。在实施方案中，所述介电绝缘气体组分a)为本身具有比所述氢氟单醚低的介电强度的载气。在这方面，术语“介电强度”应理解为“减压介电强度(pressure-reduced dielectric strength) ”或“在标准温度和压力下的介电强度”。例如，所述标准温度由此限定为25°C且所述标准压力限定为I巴。
[0031]在实施方案中，所述介电绝缘气体组分a)包含具有比在所述氢氟单醚中存在的原子少的原子的分子，特别是包含三原子和/或二原子分子或者由三原子分子和/或二原子分子组成。
[0032]根据本发明的一个实施方案，所述氢氟单醚含有3或4或5或6个碳原子，特别是含有3或4个碳原子，最优选正好含有3个碳原子。
[0033]更详细地讲，根据本发明的氢氟单醚因此为选自由以下结构式限定的化合物中的至少一种化合物，其中一部分氢原子被氟原子替代:
【权利要求】
1.介电绝缘介质，其包含氢氟单醚，其特征在于所述氢氟单醚含有至少3个碳原子。
2.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，所述氢氟单醚包括结构不同的氢氟单醚的混合物。
3.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，所述介电绝缘介质包含不同于所述氢氟单醚的气体组分a)，且特别是，所述气体组分a)包括至少两种气体组分成分al)、a2)、……an)的混合物。
4.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚含有3或4个碳原子，优选正好含有3个碳原子。
5.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚具有高于_20°C的沸点。
6.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚具有低于55°C、优选低于40°C、更优选低于30°C的沸点。
7.前述权利 要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚的氟原子数与氟原子和氢原子的总数的比率为至少5:8。
8.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚的氟原子数与碳原子数的比率为1.5:1至2:1。
9.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚具有经100年小于I’ 000、优选经100年小于700的全球变暖潜力。
10.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，所述介电绝缘介质具有经100年小于1000、优选小于700、优选小于300、优选小于100、优选小于50、优选小于20、最优选小于10的全球变暖潜力GWP。
11.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚具有为O的臭氧消耗潜力。
12.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中所述氢氟单醚具有通用结构: CaHbFc-O-CdHeFf⑴， 其中a和d独立地为1-3的整数，其中a + d = 3或4或5或6，特别是3或4 ;b和c独立地为0-11、特别是0-7的整数，其中b + c = 2a + I ;且e和f独立地为0_11、特别是0-7的整数，其中e + f = 2d + 1，另外b和e中的至少一个为I或更大且c和f中的至少一个为I或更大。
13.权利要求12的介电绝缘介质，其中，在所述氢氟单醚的通用结构(I)中: a为I ;b和c独立地为0-3的整数；其中b + c = 3 ;d为2 ;e和f独立地为0_5的整数，其中b + C = 5，另外b和e中的至少一个为I或更大且c和f中的至少一个为I或更大。
14.权利要求12或13的介电绝缘介质，其中，在所述通用结构⑴中，正好c和f?中的一个为O。
15.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，所述氢氟单醚选自五氟-乙基-甲基醚和/或2，2，2-三氟乙基-三氟甲基醚。
16.前述权利要求中的任一项介电绝缘介质，其还包含混合气体，特别是含有4-15个碳原子、优选4-12个碳原子、更优选4-10个碳原子、甚至更优选4-8个碳原子、甚至还更优选5-8个碳原子的含氟酮，最优选正好含有5个碳原子和/或正好含有6个碳原子和/或正好含有7个碳原子和/或正好含有8个碳原子的含氟酮。
17.权利要求16的介电绝缘介质，所述混合气体包含至少一种含氟酮，所述含氟酮为全氟酮和/或具有支链烷基链和/或为完全饱和的化合物。
18.权利要求16-17中任一项的介电绝缘介质，所述混合气体包含具有分子式C5FltlO或C6F12O且选自以下各物的含氟酮:1，1，1，3，4，4，4-七氟-3-(三氟甲基)丁 -2-酮、1，I, I, 3，3，4，4，5，5，5-十氟戊-2-酮、1，I, I, 2，2，4，4，5，5，5-十氟戊-3-酮和1，1，1，4，4，5，5，5-八氟-3-双(三氟甲基)-戊-2-酮且所述含氟酮优选为I,I, I, 3, 4, 4, 4-七氟 _3_( 二氟甲基)丁-2-酮、I, I, I, 2, 4, 4, 5, 5, 5-九氟-2-(二氟甲基)戍_3_酮(还称为十二氟-2-甲基戍-3-酮)、1，1，1，3, 3, 4, 5, 5, 5-九氟-4- ( 二氟甲基)戊-2-酮(还称为十二氟-4-甲基戊-2-酮)、I, I, I, 3，4，4，5，5，5-九氟_3_ (三氟甲基)戊-2-酮(还称为十二氟-3-甲基戊-2-酮)、I, I, I, 3，4，4，4-七氟，3-双(三氟甲基)丁-2-酮(还称为十二氟_3，3-( 二甲基)丁-2-酮)、十二氟己-2-酮和十二氟己-3-酮及十氟环己酮；且特别为1，1，1，2，4，4，5，5，5-九氟_2_(三氟甲基)戊_3_酮。
19.权利要求16-18中任一项的介电绝缘介质，所述混合气体包含十氟-2-甲基丁 -3-酮和/或十二氟-2-甲基戊-3-酮。
20.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，在所述绝缘介质中所述氢氟单醚的摩尔分数大于1%，优选大于2%，更优选大于3%，特别是大于3.5%。
21.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中在操作条件下所述氢氟单醚在所述绝缘介质中为气相形式。
22.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质，其中在操作条件下所述氢氟单醚在所述绝缘介质中作为气溶胶(14)存在。
23.前述权利要求中任一项的介电绝缘介质,其中所述介电绝缘介质为处于小于8巴、优选小于7.5巴、更优选小于7巴、特别是等于或小于6.5巴的过压下的介电绝缘气体；或其中所述介电绝缘介质为处于小于2.5巴、优选小于2.0巴、更优选小于1.5巴、特别是等于或小于1.2巴的过压下的介电绝缘气体。
24.权利要求3-23中任一项的介电绝缘介质,所述介电绝缘气体组分a)为具有比所述氢氟单醚低的介电强度的载气。
25.权利要求3-24中任一项的介电绝缘介质，所述介电绝缘介质包含具有至少50K，优选至少70K、特别是至少100K的常压沸点，其常压沸点低于所述氢氟单醚的常压沸点。
26.权利要求3-25中任一项的介电绝缘介质,所述介电绝缘气体组分a)为惰性和/或无毒和/或不易燃的。
27.权利要求3-26中任一项的介电绝缘介质,所述介电绝缘气体组分a)具有大于IOkV/ (cm bar)、优选大于20kV/ (cm bar)、特别是大于30kV/ (cm bar)的介电强度；和/或所述介电绝缘气体组分a)为本身具有比所述氢氟单醚低的介电强度的载气。
28.权利要求3-27中任一项的介电绝缘介质，所述介电绝缘气体组分a)为空气或特别是选自氮气、氧气和二氧化碳的空气组分和/或惰性气体。
29.权利要求3-28中任一项的介电绝缘介质,所述介电绝缘气体组分a)包含具有比在所述氢氟单醚中存在的原子少的原子的分子，特别是包含三原子和/或二原子分子或由三原子分子和/或二原子分子组成。
30.权利要求3-29中任一项的介电绝缘介质，其包含与选自由以下各物组成的第一集合的至少一种气体组分a)或气体组分成分al)混合的所述氢氟单醚:一氧化氮NO、二氧化氮NO2、一氧化二氮N2OXF31、氩气、甲烷、六氟化硫SF6 ;全氟化碳、特别是四氟化碳CF4、C2F6、C3F8或C-C4F8 ;全氟醚且特别是全氟单醚；及其混合物。
31.权利要求3-30中任一项的介电绝缘介质，其包含与选自由以下各物组成的第二集合的至少一种气体组分a)或气体组分成分a2)混合的所述氢氟单醚:CHF3、(C2F5)2O,(CF3) 20 ;另外的全氟化碳且特别是 C2F4、C3F6、C4F10、C4F6、C4F8、C6F10、C6F12、C6F14、C6F6、C2F5COF、C5F8O2' C-C4F7I' CF3CF(CF3) CF(CF3) CF2I, CF3CF2CF2CF2I' CF3CF2CF2I' CF3CF2I' CF3CHFCF2I'CF3SF5、CH2F2、CH3-C-C4F6I, CH3CF (CF3) CF (CF3) CF2I, CH3CF2CF2I, CH3CHFCF (CF2CF3) CF2I, CO ；惰性气体且特别是He、Kr、Ne ;N2、全氟二乙基硫醚、全氟甲基乙基硫醚、全卤代有机化合物、十四烷基氟己烷、XeF2、XeF4 ;及其混合物。
32.权利要求3-31中任一项的介电绝缘介质，所述气体组分a)为以比所述氢氟单醚大的摩尔分数存在的大体积气体或缓冲气体或载气，特别是，所述气体组分a)以占所述绝缘介质大于60%、优选大于70%、更优选大于80%、甚至更优选大于90%、特别优选大于95%、甚至更特别优选大于97%的量存在。
33.权利要求3-31中任一项的介电绝缘介质，所述气体组分a)、特别是SF6和/或CF4以比所述氢氟单醚小的摩尔分数存在，特别是，所述气体组分a)以占所述绝缘介质小于40%、优选小于30%、更优选小于20%、甚至更优选小于10%、特别优选小于5%、甚至更特别优选小于3%且最优选小于1%的量存在。
34.含有至少3个碳原子的氢氟单醚、特别是如前述权利要求中任一项限定的氢氟单醚在供用于产生、分配和/或应用电能的电气设备(2)用的介电绝缘介质中的用途。
35.权利要求34的用途 ，所述氢氟单醚为气态的且与选自以下各物的气体组分a)混合使用:空气、空气组分、氮气、氧气、二氧化碳、一氧化氮NO、二氧化氮NO2、一氧化二氮N20、CF3I ;惰性气体，特别是氩气；甲烷；六氟化硫SF6 ;全氟化碳，特别是四氟甲烷CF4、C2F6、C3F8或C-C4F8 ;含氟酮，特别是正好含有5或6或7或8个碳原子的含氟酮；全氟醚，特别是全氟单醚；及其混合物。
36.权利要求1-33中任一项的介电绝缘介质在用于产生、分配和/或应用电能的电气设备(2)中用于介电绝缘的用途。
37.用于产生、分配和/或应用电能的设备(2)，所述设备(2)包括限定绝缘空间(6)的外壳(4)和布置在所述绝缘空间(6)中的电气活性元件(8)，所述绝缘空间(6)包含绝缘介质，其以权利要求1-33中任一项的介电绝缘介质为特征。
38.权利要求37的设备(2)，其特征在于，在所述介电绝缘介质中，所述氢氟单醚以使得所述氢氟单醚的冷凝温度低于所述设备(2)的额定操作温度，特别是低于+5°C、优选低于_5°C、更优选低于-20°C、甚至更优选低于-30°C、最优选低于-40°C的量存在。
39.权利要求37-38中任一项的设备(2)，其特征在于所述介电绝缘介质包含气态组分，所述气态组分的摩尔体积使得所述气态组分的混合物的冷凝温度低于所述设备(2)的额定操作温度，特别是低于+5°C、优选低于_5°C、更优选低于_20°C、甚至更优选低于_30°C、最优选低于_40°C。
40.权利要求37-39中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备为开关设备(2)，特别是空气绝缘或气体绝缘的金属封装的开关设备(2)或混合的开关设备或中压闭塞开关设备或环网柜或接地箱壳断路器或PASS模块(插头-和-开关模块)或其元件和/或组件，特别是汇流条、绝缘套管、电缆、气体绝缘的电缆、电缆接头、电流变压器、电压变压器和/或避雷器。
41.权利要求37-40中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备(2)为开关，特别是接地开关、断路器、组合的断路器和接地开关、负载断连开关和/或电路断路器。
42.权利要求37-41中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备为具有用于提供加压的灭弧气体的压力累积室的高压电路断路器，使得在开关操作中，所述氢氟单醚在灭弧期期间在所述压力累积室和/或燃弧区域中分解。
43.权利要求41-42中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备包含与作为灭弧气体、特别是用于减少在电极上的碳沉积且用于减少毒性燃弧副产物的量的选自二氧化碳、空气和氧气的组分混合的氢氟单醚。
44.权利要求37-39中任一项的设备，其特征在于所述设备为变压器，特别是配电变压器或电力变压器。
45.权利要求37-39中任一项的设备,其特征在于所述设备为旋转电机、发电机、发动机、驱动器、半导体器件、大功率电子装置和/或其部件。
46.权利要求37-45中任一项的设备(2)，其特征在于其还包括用于单个或组合地控制所述绝缘介质或其各个组分中的至少一种的组成、温度、绝对压力、分压、气体密度和/或分气体密度的控制单元(10a、10b)。
47.权利要求46的设备，其特征在于所述控制单元(IOaUOb)包括用于控制所述氢氟单醚的分压且特别是用于保 持所述分压高于所需要的分压水平的加热器和/或蒸发器(16)。
48.权利要求46-47中任一项的设备(2)，其特征在于所述控制单元(IOaUOb)包括温度控制单元(10a)，所述温度控制单元(IOa)包括用于将所述设备(2)的外壳(4)或所述外壳(4)的至少一部分设定到所需温度的加热系统，和/或所述控制单元(IOaUOb)包括流体处理单元(IOb),所述流体处理单元(IOb)用于设定所述介电绝缘介质、特别是在所述绝缘介质中所述氢氟单醚的浓度且用于将所得绝缘介质注入所述设备(2)中。
49.权利要求37-48中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备(2)具有一定储备量的液态氢氟单醚和/或含氟酮、特别是含有4-12个碳原子的含氟酮；和/或限制所述绝缘介质的最大容许操作温度使得绝对填充压力保持低于所述设备(2)的给定压力极限的设备。
50.权利要求37-49中任一项的设备(2)，其特征在于所述设备(2)具有用六氟化硫SF6填充的常规压力设计且作为替代用权利要求1-33中任一项的介电绝缘介质填充。
【文档编号】H01B3/56GK103430244SQ201180067508
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年12月13日 优先权日:2010年12月14日
【发明者】N.马迪扎德, T.A.保罗, J.凯斯勒, M.布乔泽克, P.斯托勒, M-S.克拉伊森斯, P.斯卡拜 申请人:Abb研究有限公司