CN116564676B

CN116564676B - 一种替代sf6的环保绝缘混合气体及其配制方法和应用

Info

Publication number: CN116564676B
Application number: CN202310450803.6A
Authority: CN
Inventors: 杨晗; 李涵; 任书波; 邱睿
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2023-04-24
Filing date: 2023-04-24
Publication date: 2025-09-26
Anticipated expiration: 2043-04-24
Also published as: US20240355538A1; CN116564676A

Abstract

本发明公开了一种替代SF₆的环保绝缘混合气体及其配制方法和应用，所述环保绝缘混合气体包括碳氟类气体和He气；所述替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法，包括在抽真空的密闭容器中充入碳氟类气体和He气。在相同充气压力下，本发明的环保绝缘混合气体的绝缘强度接近SF₆气体，可以通过略微调整充气压力得到与SF₆同等的绝缘性能；本发明的绝缘混合气体具有良好的导热性能，和传统的SF₆气体相比，绝缘强度相当，导热性能可提高20％以上；和工程上常用的SF₆替代气体(C₄F₇N和CO₂混合气体)相比，导热性能可提高16％以上。本发明的环保绝缘混合气体可用做气体绝缘变压器的绝缘和冷却介质，提升气体绝缘变压器的容量，具有广泛的应用价值。

Description

一种替代SF6的环保绝缘混合气体及其配制方法和应用

技术领域

本发明涉及绝缘气体技术领域，特别涉及一种替代SF₆的环保绝缘混合气体及其配制方法和应用。

背景技术

随着城市建设的发展，防灾型变压器的推广和应用成为一种必然趋势。在所有防灾型变压器中，气体绝缘变压器最有潜力向高压大容量发展。电压等级的提高、容量的增大意味着对气体介质的绝缘和导热性能提出了更高的要求，寻找高导热型绝缘气体的需求十分迫切。

SF₆气体具有良好的绝缘和灭弧能力，是高压电力设备常用的绝缘气体。但是，SF₆气体的全球变暖潜能值(GWP)约为CO₂气体的24300倍，是一种强烈的温室气体。因此亟须寻找到合适的环保型绝缘介质以替代SF₆，既保证与SF₆具有相近的绝缘性能，同时不会对环境产生负面影响。

作为碳氟类气体中典型代表，C₄F₇N气体是美国3M公司于2014年推出的一种新型环保绝缘气体，研究表明C₄F₇N气体的绝缘强度约为纯SF₆气体的2倍，全球增温潜能值约为SF₆气体的九分之一，是一种极具潜力的SF₆替代气体。但是C₄F₇N气体的液化温度高(大气压下液化温度为-4.7℃)，无法单独应用于户外气体绝缘电力设备中，需要与低液化温度的缓冲气体混合使用。实际工程应用中，通常选用CO₂气体作为缓冲气体。众多分析和试验表明C₄F₇N/CO₂混合气体中C₄F₇N占比为20％左右时绝缘性能与SF₆气体相当、环保性能优异，但导热性能并没有明显改善。

因此，研究与碳氟类气体混合形成环保、导热性能好的环保绝缘混合气体是很有必要的。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明以He气作为碳氟类气体的缓冲介质，以降低环保绝缘混合气体液化温度、提高其散热性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种替代SF₆的环保绝缘混合气体，包括He气和碳氟类气体，其中碳氟类气体包括：全氟碳类气体(C₂F₆、C₃F₈、c-C₄F₁₀等)，全氟化酮(C₅F₁₀O和C₆F₁₂O等)，全氟化腈(C₄F₇N等)。

进一步地，所述He气的占比小于等于70％。

进一步地，所述He气的占比小于等于60％。

进一步地，所述He气的占比大于等于50％。

本发明还提供了一种替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法，包括在抽真空的密闭容器中充入碳氟类气体和He气。

进一步地，先充入碳氟类气体后充入He气。

进一步地，充入碳氟类气体和He气之前还包括将抽真空的密闭容器进行排除杂质气体处理。

进一步地，充入碳氟类气体和He气混合得到混合气体后，还包括升高混合气体压力。

进一步地，所述混合气体中He气的占比大于等于50％。

本发明也提供了上述替代SF₆的环保绝缘混合气体的应用，将其应用在防灾型变压器中。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明的环保绝缘混合气体与SF₆气体相比，具有较低的GWP值；

(2)在相同充气压力下，本发明的环保绝缘混合气体的绝缘强度接近SF₆气体，将其应用于气体绝缘变压器的绝缘介质，可以通过略微调整充气压力得到与SF₆同等的绝缘性能；

(3)本发明的环保绝缘混合气体具有良好的导热性能，和传统的SF₆气体相比，绝缘强度相当，导热性能可提高20％以上；和工程上常用的SF₆替代气体(C₄F₇N和CO₂混合气体)相比，导热性能可提高16％以上；

(4)本发明的环保绝缘混合气体可用做气体绝缘变压器的绝缘和冷却介质，提高变压器散热能力，同时缓解SF₆气体泄漏带来的温室效应，有望进一步提升气体绝缘变压器的容量，在电气设备领域具有广泛的应用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的步骤或测试结果来实现和获得。

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示出了本发明实施例2～6配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体以及SF₆气体的工频放电试验结果测试曲线和拟合曲线图；

图2示出了本发明实施例1配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体、18％C₄F₇N/CO₂混合气体以及SF₆气体的变压器绕组的温升曲线和降温曲线图。

具体实施方式

本发明的设计构思在于：He气的GWP为0，将He气与碳氟类气体通过合理的比例调控，混合后可以将环保绝缘混合气体的GWP降低至2000以下；环保绝缘混合气体通过调整工艺参数可以使其达到SF₆同等的绝缘性能，在不改变设计的前提下，满足气体绝缘变压器的绝缘性能要求；同时基于He气具有良好的导热性能，将环保绝缘混合气体为气体绝缘变压器内部的冷却介质，可有效降低变压器绕组温度，进一步提升气体绝缘变压器的通流容量。

为此，本发明提供了一种替代SF₆的环保绝缘混合气体，包括碳氟类气体和He气。

在本发明的一种实施方式中，He气的占比小于等于70％。优选地，当He气的占比等于70％时，为了在相同气压下使得替代SF₆的环保绝缘混合气体的绝缘强度达到SF₆绝缘强度的80％。

在本发明的一种实施方式中，He气的占比小于等于60％。优选地，当He气的占比等于60％时，替代SF₆的环保绝缘混合气体可以直接替代SF₆气体满足气体变压器绝缘设计要求。

在已有的防灾型气体变压器中，采用SF₆气体作为绝缘和散热介质。本发明的一些实施方式中将He气的占比设置为60～70％，即碳氟类气体的占比为30～40％，这样的配比设置有利于技术人员在不改变现有的变压器的参数基础上，更好地实施本发明的方案。

在本发明的优选实施方式中，He气的占比大于等于50％。本发明通过大量的试验以及数据模拟，结果显示He气的占比小于50％时将会使替代SF₆的环保绝缘混合气体的导热性能大幅下降、液化温度上升，不满足气体变压器的设计标准。

在本发明的一种优选实施方式中，通过将替代SF₆的环保绝缘混合气体的压力升高至同等状态下SF₆气体压力的1.2倍，在最低的碳氟类气体占比下(30％)，可以使得替代SF₆的环保绝缘混合气体的绝缘强度提升至与SF₆绝缘强度相当。因此，在不提升碳氟类气体占比的情况下，可以通过简单的气压调整以满足气体变压器绝缘设计要求。

在本发明的一种实施方式中，在0.3MPa的绝对压力下，当替代SF₆的环保绝缘混合气体中碳氟类气体的占比为40％时，替代SF₆的环保绝缘混合气体的散热性能优于碳氟类和CO₂混合气体(碳氟类气体占比18％)和SF₆气体。

在本发明的一种实施方式中，碳氟类气体可以为全氟碳类、全氟化酮和全氟化腈气体。

在本发明的一种优选实施方式中，碳氟类气体选为C₄F₇N气体。

本发明也提供了替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法，包括在抽真空的密闭容器中充入碳氟类气体和He气。

在本发明的一种实施方式中，为了在配制好替代SF₆的环保绝缘混合气体后更好地应用，密闭容器为变压器，变压器的密闭性合格。密闭容器当然也可以选取为气体槽或是其他容器，但需要满足气密性要求以及一定的抗压强度。

在本发明的一种实施方式中，充入碳氟类气体和He气之前还包括将抽真空的密闭容器进行排除杂质气体处理。作为一种可选的方式，可以使用CO₂气体对变压器的腔体和管道进行多次洗气处理，去除腔体和管道内的其他气体杂质。

在本发明的一种实施方式中，先充入碳氟类气体后充入He气。

在本发明的一种优选实施方式中，充入碳氟类气体和He气混合得到混合气体后，还包括升高混合气体压力。

本发明还提供了上述的替代SF₆的环保绝缘混合气体的在气体绝缘变压器中的应用，将其应用在防灾型变压器中。

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法，包括以下的步骤：

(1)对气密性合格的变压器进行抽真空，表压降到-0.1MPa(绝对压力0MPa)后继续抽10分钟；

(2)用CO₂气体对变压器的腔体和管道进行3次洗气处理，去除变压器的腔体和管道内的其他气体杂质；

(3)洗气后对变压器的腔体抽真空60分钟，首先充入饱和蒸汽压较小、占比40％的C₄F₇N气体至表压为0.02Mpa(绝对压力0.12MPa)，静置5分钟等待示数稳定；此时关闭连接变压器腔体的阀门，将管道抽真空后，然后再向腔体内充入占比60％的He气体直至表压为0.2MPa(绝对压力0.3MPa)，静置5分钟等待示数稳定，替代SF₆的环保绝缘混合气体配制完成。需要说明的，绝对压力是直接作用于容器或物体表面的压力；绝对压力值以绝对真空作为起点，是相对零压力而言的压力。表压是指总绝对压力超过周围大气压力(一个大气压即为0.1MPa)的那部分压力。此步骤中，表压0.2MPa等于绝对压力为0.3MPa。

实施例2～实施例6

替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法与实施例基本相同，区别之处在于：按照表1中的C₄F₇N气体与He气体的占比进行配制。

表1 C₄F₇N气体与He的占比

	C₄F₇N气体占比(％)	He气体占比(％)
			实施例2	5	95
实施例3	15	85
			实施例4	25	75
实施例5	50	50
			实施例6	75	25
实施例7	30	70
			实施例8	35	65

测试例

为了研究本发明配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体的绝缘性能，将其进行了工频击穿试验，并与SF₆气体进行对比，试验的绝对气压在0.1～0.2MPa之间(气体变压器常用气压范围)，试验电极为2.5mm间距的球-球电极，电场不均匀度为1.21。具体的气体间隙的工频放电试验流程遵循IEC60243-1:2013及GB/T 16927.1-2011“附录A.1.3第三类连续放电试验”方法开展，结果如图1所示。

在绝对气压0.1～0.2MPa条件下，实施例2～6配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体工频放电试验结果如图1中的实线部分所示。由图1分析可知，在绝对气压0.1～0.2MPa之间变化时，SF₆气体的绝缘强度介于C₄F₇N占比25％(实施例4)和C₄F₇N占比50％(实施例5)的环保绝缘混合气体之间，且实施例2～6工频放电电压随气压的改变近似呈线性变化。将实施例2～6的工频放电电压随气压变化的曲线做线性拟合，得到绝对气压在0.2～0.3MPa之间变化时，实施例2～6的工频放电电压随气压的变化曲线，如图1的虚线部分所示。

在实施例2～6的工频放电试验基础上，可通过线性拟合推算出绝对气压为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa时，实施例1和实施例7～8的替代SF₆的环保绝缘混合气体的工频绝缘强度，结果如表2所示。

表2绝对气压为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa时，实施例1和实施例7～8的推算结果

从表2的推算结果进行分析可以得出，在绝对气压为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa时，实施例1和实施例7～8的替代SF₆的环保绝缘混合气体的工频绝缘强度都能达到SF₆气体的绝缘强度的80％以上；通过升高混合气体压力至同等状态下SF₆气体压力的1.2倍，可达到与SF₆气体相同的绝缘性能，满足气体变压器绝缘设计要求。

为了研究本发明配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体的导热性能，将其进行了变压器短路温升试验，按照标准GB/T 1094.15-2020电力变压器第15部分：充气式电力变压器的11.5.1节进行测试。试验变压器额定输入电压200V，额定容量为15kVA，最大输出电压为50kV。具体的试验过程为，在绝对压力0.3MPa下，向试验变压器分别充入SF₆气体、18％C₄F₇N/CO₂混合气体(C₄F₇N气体占比18％，CO₂气体占比82％)和40％C₄F₇N/He混合气体(C₄F₇N气体占比40％，He气体占比60％，即实施例1)进行变压器短路温升试验。试验时低压端接升流器，输入电流20A，高压端短路，温升时间大约为5小时，当变压器温度达到稳定值时断开升流器输入。在整个温升试验过程中，变压器绕组的平均稳态温升变化曲线如图2所示(变压器绕组的平均稳态温升指的是变压器绕组的平均稳态温度和周围环境温度的差值)，其中降温过程(下降曲线)为试验实测值，升温过程(上升曲线)为气体绝缘变压器热路模型预测值。

在绝对压力0.3MPa下，气体绝缘变压器低压端输入电流20A，高压端短路运行5.2小时后，气体绝缘变压器绕组的平均稳态温升结果如表3所示。

表3气体绝缘变压器绕组的平均稳态温升

充入气体种类	40％C₄F₇N/He	SF₆	18％C₄F₇N/CO₂
				平均稳态温升	37.01℃	49.33℃	44.41℃

从表3的结果可以看出，相同试验条件下试验变压器在实施例1配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体(C₄F₇N气体占比40％，He气体占比60％，此条件下绝缘强度与SF₆气体相当)，变压器绕组的平均稳态温升相较于充入相同气压的SF₆气体变压器降低20％以上，相较于充入18％ C₄F₇N/CO₂混合气体降低16％以上。

此外，本发明的实施例5中He气的占比等于50％，此时变压器短路温升试验结果显示，相对于实施例1，实施例5的平均稳态温升有所升高，但整体性能仍然优于相同气压的SF₆气体。因此，为了保持替代SF₆的环保绝缘混合气体的导热性能，He气的占比应大于等于50％。

综上所述，本发明通过He气作为C₄F₇N气体的缓冲介质，以降低环保绝缘混合气体液化温度、提高散热性能，配制了替代SF₆的环保绝缘混合气体。本发明配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体在C₄F₇N气体占比为30％时，其绝缘性能可达SF₆气体的80％，进一步可通过调整压力使其达到SF₆气体同等的绝缘性能；在C₄F₇N气体占比为40％时，可直接替代SF₆气体满足气体变压器绝缘设计要求。本发明配制的替代SF₆的环保绝缘混合气体中C₄F₇N气体的占比为40％时，在0.3MPa的绝对压力下，散热性能优于C₄F₇N和CO₂混合气体(C₄F₇N气体占比18％)和SF₆气体。本发明的环保绝缘混合气体可用做气体绝缘变压器的绝缘和冷却介质，提高变压器散热能力，同时缓解SF₆气体泄漏带来的温室效应，有望进一步提升气体绝缘变压器的容量，在电气设备领域具有广泛的应用价值。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种替代SF₆的环保绝缘混合气体，其特征在于，由碳氟类气体和He气组成，所述He气的占比为60%~70%、碳氟类气体的占比为30%~40%，所述碳氟类气体选为C₄F₇N气体；

所述混合气体的导热能力较SF₆提升20%及以上；

所述环保绝缘混合气体的绝缘强度在升高混合气体压力后与SF₆相当。

2.一种替代SF₆的环保绝缘混合气体的配制方法，其特征在于，包括在抽真空的密闭容器中充入碳氟类气体和He气；

所述He气的占比为60%~70%、碳氟类气体的占比为30%~40%，所述碳氟类气体选为C₄F₇N气体，所述混合气体的导热能力较SF₆提升20%及以上。

3.根据权利要求2所述的配制方法，其特征在于，先充入碳氟类气体后充入He气。

4.根据权利要求2所述的配制方法，其特征在于，充入碳氟类气体和He气之前还包括将抽真空的密闭容器进行排除杂质气体处理。

5.一种权利要求1所述的替代SF₆的环保绝缘混合气体的在防灾型变压器中的应用。