本發(fā)明涉及帶有滅弧或防弧裝置的高壓或大電流開關(guān)，尤其涉及一種原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、六氟化硫（sf6）絕緣性能是空氣的2.5倍，滅弧性能是空氣的約100倍，圍繞六氟化硫設(shè)計和開發(fā)的電力設(shè)備被廣泛使用。盡管六氟化硫具有諸多優(yōu)良的性質(zhì)，但是其本身具有極強的溫室效應(yīng)，是諸多環(huán)境公約中規(guī)定的限制性排放氣體，六氟化硫的使用和排放一直是環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的重點。近年來隨著電力工業(yè)的發(fā)展，六氟化硫作為最具代表的絕緣氣體，其使用量也呈現(xiàn)上升趨勢。為應(yīng)對全球變暖局面，電力行業(yè)開始采用對環(huán)境友好的含氟元素較多的大分子物質(zhì)作為六氟化硫的替代物質(zhì)，例如全氟戊酮（c5f10o）、全氟異丁腈（c4f7n）、反式六氟丁烯（hfo-1336mzz(e)）等。但以上替代氣體或存在沸點高，對于環(huán)境溫度較低的地區(qū)適用性差的缺陷；或存在全球增溫潛勢（global?warming?potential，gwp）較高，生物基因毒性較大的技術(shù)問題。在實際應(yīng)用中難以滿足替代六氟化硫的需求。

2、絕緣氣體中，三氟甲基三氟乙烯基醚（c3f6o；trifluoro(trifluoromethoxy)ethylene，tfe）的液化溫度在常壓下僅為-26?℃，且在與氮氣/二氧化碳背景氣體混合后能夠進(jìn)一步降低液化溫度。同時三氟甲基三氟乙烯基醚的絕緣性能優(yōu)異，穩(wěn)定性良好，具有應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備內(nèi)的能力?；诖耍_號為cn116635968a的中國發(fā)明專利提供了一種代替sf6氣體使用于電氣絕緣或者滅弧的絕緣氣體與利用該絕緣氣體的電氣裝置。該絕緣氣體是由1?mol.%-60?mol.%的三氟甲基三氟乙烯基醚與余量的二氧化碳，或由1?mol.%-30mol.%的氧氣及余量的二氧化碳構(gòu)成的載氣形成的混合氣體，具有沸點低、絕緣耐力高、毒性低及地球變暖指數(shù)低的特性?？纱媪?，在保持高絕緣能力與滅弧能力的同時使全球增溫潛勢降低，減少溫室氣體排放。

3、絕緣氣體在工頻擊穿后，當(dāng)外部施加電壓移除時，則絕緣氣體能夠快速恢復(fù)絕緣能力，保持工作性能。絕緣氣體在電氣應(yīng)用中通常需滿足10?kv以上的絕緣強度性能指標(biāo)。當(dāng)絕緣氣體中含有雜質(zhì)，如導(dǎo)電性蒸氣、導(dǎo)電性雜質(zhì)時，可使擊穿電壓降低。發(fā)明人在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中采用全氟戊酮、全氟異丁腈、反式六氟丁烯，或采用三氟甲基三氟乙烯基醚的技術(shù)方案，雖優(yōu)化了絕緣氣體在全球增溫潛勢、基因毒性、絕緣耐力方面的性能，卻普遍存在放電擊穿后碳析出較多的技術(shù)問題。碳作為一種導(dǎo)電性物質(zhì)，碳析出將嚴(yán)重劣化電氣設(shè)備的絕緣可靠性，即使移除外部施加電壓，析出的碳仍將作為導(dǎo)電性雜質(zhì)存在，降低絕緣氣體的性能。

4、綜上所述，在滿足絕緣性能優(yōu)異的使用需求下，降低氣體絕緣設(shè)備中碳析出含量，對拓展絕緣氣體的應(yīng)用而言具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，在本發(fā)明的第一方面，提供了一種絕緣性能優(yōu)異、碳析出量低的原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體，其組分包括三氟甲基三氟乙烯基醚、載氣；其中，三氟甲基三氟乙烯基醚的含量為70?mol.%-95?mol.%，載氣的含量為5?mol.%-30mol.%；所述載氣包括氮氣、二氧化碳、四氟化碳中的至少一種。

2、使用原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體（以下簡稱環(huán)保絕緣氣體）時，必須嚴(yán)格控制雜質(zhì)的含量，以確保其在電氣設(shè)備中的安全和高效運行。本發(fā)明中三氟甲基三氟乙烯基醚的來源是多樣的，適宜采用市售工業(yè)級或更高純度級別的三氟甲基三氟乙烯基醚，以提高安全性、絕緣強度等性能。此外，由于不同三氟甲基三氟乙烯基醚產(chǎn)品的品質(zhì)存在客觀差異，導(dǎo)致其沸點在一定范圍內(nèi)浮動。本發(fā)明的環(huán)保絕緣氣體為了適應(yīng)絕大多數(shù)場景的應(yīng)用需求，適宜選擇沸點低于-20?℃的三氟甲基三氟乙烯基醚?；谌谆蚁┗训幕瘜W(xué)性質(zhì)，載氣適宜采用在本領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境下與三氟甲基三氟乙烯基醚間呈化學(xué)惰性的氣體，例如惰性的二原子分子或非氧氣的空氣組分等。其中，氮氣、二氧化碳、四氟化碳來源廣泛，獲取容易，是尤其適合作為本發(fā)明載氣的選擇類型。

3、優(yōu)選的，所述三氟甲基三氟乙烯基醚的純度≥98?wt.%。

4、優(yōu)選的，所述三氟甲基三氟乙烯基醚的沸點＜-20?℃。

5、優(yōu)選的，所述原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體的全球增溫潛勢＜1。

6、在本發(fā)明的第二方面，提供了本發(fā)明第一方面的原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體的應(yīng)用，具體是作為基本電氣元件的絕緣介質(zhì)用于滅弧或防弧。

7、優(yōu)選的，所述基本電氣元件的結(jié)構(gòu)包括用于密封儲存原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體的絕緣空間；基本電氣元件的類型包括電開關(guān)、繼電器、選擇器、緊急保護(hù)裝置。

8、制備絕緣空間的材料需具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與環(huán)保絕緣氣體或其分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)。為了取得最佳的使用效果，將環(huán)保絕緣氣體充入電開關(guān)、繼電器、選擇器、緊急保護(hù)裝置等基本電氣元件的絕緣空間后，適宜靜置一段時間，使氣體混合并均勻的分布于絕緣空間內(nèi)部。在少數(shù)極端使用情況下，環(huán)保絕緣氣體在重力等因素作用下可能會出現(xiàn)靜置分層現(xiàn)象，影響其分布的均勻性，因此絕緣空間的垂直高度不宜過高。

9、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述基本電氣元件中，構(gòu)成絕緣空間的材料與原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體或與原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體在應(yīng)用中生成的分解產(chǎn)物間呈化學(xué)惰性。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體充入絕緣空間并密封儲存后，所得基本電氣元件于使用前靜置20-24?h。

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述絕緣空間的垂直高度≤10?m。

12、從技術(shù)方案的設(shè)計考慮，要解決現(xiàn)有技術(shù)（cn116635968a）存在的缺陷，本發(fā)明需要克服的技術(shù)難點主要在于，如何利用簡便的方式實現(xiàn)在提高工頻絕緣強度的同時減少碳析出現(xiàn)象。由于現(xiàn)有技術(shù)的方案并未涉及到碳析出的技術(shù)問題，并且本領(lǐng)域中絕緣氣體的具體性能指標(biāo)可能受到多方因素的影響，因此在研發(fā)中本領(lǐng)域技術(shù)人員難以對合適的解決手段進(jìn)行預(yù)期或簡單聯(lián)想。尤其在同步滿足多元指標(biāo)中，平衡各方面的應(yīng)用需求需要付出創(chuàng)造性勞動。

13、在研發(fā)階段，發(fā)明人基于氣體組分研究了三氟甲基三氟乙烯基醚及其同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用效果。如本發(fā)明一個或多個對比例所呈現(xiàn)的，三氟甲基三氟乙烯基醚的同分異構(gòu)體難以滿足本發(fā)明的工頻絕緣強度指標(biāo)。具有相同化學(xué)式的分子，由于官能團(tuán)及分子結(jié)構(gòu)的不同，其效果各異，未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性或可預(yù)期的效果。

14、在現(xiàn)有技術(shù)公開的技術(shù)方案中，為了滿足絕緣耐力協(xié)同效應(yīng)，三氟甲基三氟乙烯基醚的含量需控制在1?mol.%-60?mol.%的范圍內(nèi)；當(dāng)載氣為二氧化碳及氧氣時，從絕緣性及安全性方面考慮，三氟甲基三氟乙烯基醚的和氧氣含量則適宜控制在更低的范圍內(nèi)，否則存在可燃乃至爆炸的風(fēng)險。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，該方案產(chǎn)生碳析出現(xiàn)象的原因在于三氟甲基三氟乙烯基醚分子在擊穿過程中，于高能電弧的作用下分解形成活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)重組形成包括游離碳在內(nèi)的穩(wěn)定產(chǎn)物，部分游離碳附著于電氣零件（如電極）表面，造成碳析出。在綜合考慮現(xiàn)有技術(shù)的缺陷后，發(fā)明人提出上述技術(shù)方案，本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思及原理在于，通過調(diào)節(jié)組分含量，提高環(huán)保絕緣氣體的絕緣耐受能力，降低產(chǎn)生高能電弧的可能性，從而減少放電分解產(chǎn)生的游離碳，使環(huán)保絕緣氣體的穩(wěn)定性上升。關(guān)于碳析出現(xiàn)象，本領(lǐng)域有技術(shù)方案（cn103415895a）采用氧氣或空氣，利用氧氣與碳的反應(yīng)實現(xiàn)電極上碳沉積的減少。但三氟甲基三氟乙烯基醚可與氧氣產(chǎn)生劇烈氧化還原反應(yīng)，尤其在如本發(fā)明的高濃度含量下，為了杜絕使用中可能存在的燃燒及爆炸等風(fēng)險，其使用需嚴(yán)格控氧；因此通過氧氣氧化的方式無法解決本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境下的碳析出現(xiàn)象。如本發(fā)明一個或多個實施例所呈現(xiàn)的，在載氣中加入三氟甲基三氟乙烯基醚后，混合氣體的絕緣耐受能力提升且碳析出情況受到抑制。發(fā)明人考慮三氟甲基三氟乙烯基醚的液化溫度超過-25?℃，為限制混合氣體擊穿后板電極表面碳析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過或近似20%，同時滿足工程應(yīng)用液化溫度以及絕緣耐受能力，本發(fā)明確定三氟甲基三氟乙烯基醚的含量為70?mol.%-95?mol.%，載氣的含量為5?mol.%-30?mol.%。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

16、本發(fā)明提供了一種原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體，其絕緣耐受能力優(yōu)異，兼具高工頻絕緣強度及碳析出量低的優(yōu)勢。

17、本發(fā)明提供了一種原位替換六氟化硫的環(huán)保絕緣氣體的應(yīng)用，發(fā)揮了優(yōu)異的絕緣功能，在基本電氣元件的滅弧或防弧中有良好的使用前景。