CN102696086A - 特定的复合材料作为电气设备中的电弧消灭材料的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料在电气设备中作为电弧消灭材料的用途，所述复合材料包括聚合物基质和至少一种选自：氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3、及其混合物的金属氟化物填料。
Description
技术领域
本发明涉及一种用作电弧消灭(electric arc extinction)的复合材料，该复合材料包含可以为氟化聚合物基质的聚合物基质以及特定的金属氟化物填料。
这些材料可以应用于可能出现电弧的电气设备中，所述电气设备如开关设备(switchgear)，例如中压或高压开关(switch)或者中压或高压开关切断器(switch disconnector)。
因此，本发明的一般领域为电弧领域以及消灭电弧的手段。
背景技术
电弧是通常在绝缘介质中的可见电流，其产生于两个彼此靠近的导电表面之间，条件是所述两个表面之间存在足够的电势差。
电流一般通过电流其所穿过的绝缘介质的离子化而得到证实，并因此恰好构成可能达到高温如2000(K)至10000K的温度的等离子体。
当撞击时，电弧可以引起周围元素的分解，以及剧烈的电磁干扰，这可能已经证实为电气设备、特别是意在中断电流的电气设备(如断路器(circuitbreaker)、开关或开关切断器)中的问题。
意在中断电流的设备类型基于分离触头的原理进行工作。在所述触头被分开后，电流在回路中经由在所述分开的触头末端之间形成的电弧持续流动。为了中断该电流并且也防止由此产生的电弧损坏设备，已经开发了各种电弧消灭手段，实例例如有：
·通过在电弧形成区域中存在电弧灭弧气体(extinction gas)进行灭弧；
·通过在电弧形成区域中存在电弧灭弧液体进行灭弧；以及
·通过将电弧形成区域置于真空下进行灭弧。
使用灭弧气体进行电弧消灭的原理在于所用气体的固有性质；优选地，这些气体需具有以下性质：
·传送电弧产生的热能的能力，从而对外快速交换来自电弧核心的热；
·捕获气体中起导电作用的主要电子的能力；
·可逆地分解其分子，从而使得设备中工作气体的性质保持恒定，由此避免在设备寿命期间用气体重新装填该设备的任何需要。
电弧灭弧气体的有效的候选气体为六氟化硫SF6，其具有高的热导率，并且构成了真正的电子肼。这些性质表明该气体用于许多类型的开关设备中，特别是用于开关切断器类型的设备中，其中围绕电弧触头的气体存储在狭窄的室(cell)中(例如对于24kV的断开电压(cutoff voltage)为375mm)。然而，该气体存在对环境有害的缺点，这是因为该气体产生了可识别的温室效应。为了符合目前已生效的规定，因此这种气体的使用必须非常严格地监控，从其制备到其使用结束以及在该气体的循环期间。
为了解决该问题，已经使用一些气体代替六氟化硫SF6；它们包括环境空气、氮气N2和二氧化碳。但是由于它们的灭弧能力比六氟化硫SF6差，因此包括这些气体(特别是环境空气)的室必须具有更大的体积(例如，对于24kV切断电压，室的宽度为600mm至700mm)。
如上所述，电弧消灭可以用液体、特别是油来确保。从结构角度来考虑，弧触头(arcing contact)(在弧触头分离期间会在其中形成电弧)包含在置于金属槽或其他模式的油中，它们可以通过鼓吹蒸发的油而喷雾。在电弧作用期间，油分解成气体(主要是氢和乙炔)，并且因此用于该分解的弧的能量导致介质的冷却。
然而，此类中断技术在所需求的替换废油的常规操作方面存在较大的缺陷，因为其通过电弧的分解是不可逆的。进一步地，氢的形成必须被非常小心地监控，因为在氢与氧接触时可能会形成爆炸性混合物。
最后，在两个弧触头之间产生的电弧的消灭可以通过在触头之间产生真空环境而确保；真空是非常好的绝缘体。然而此类灭弧技术在实施时是复杂的，因为这需要将真空瓶串联置于包括所述弧触头的室中。
因此，本发明意在开发除了气体型电弧消灭手段之外的新的电弧消灭手段，其可以改进开关设备、特别是中压开关设备的灭弧性能。
本发明的一个目的在于开发一种新的电弧消灭手段，该手段不适用六氟化硫SF6作为灭弧气体。
因此，本发明人意外地发现：与使用包含如氟化镁或氟化钡等无机填料的复合材料相比，通过使用含有特定无机填料的复合材料可以在电弧消灭方面获得更好的结果。
发明内容
因此，本发明提供了一种复合材料在电气设备中作为电弧消灭材料的用途，所述复合材料包括聚合物基质和至少一种选自：氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3、及其混合物的金属氟化物填料。
这些材料在开关设备、特别是中压开关设备(即，常规在1kV至数十千伏的电压、例如在1kV至52kV范围的电压下工作的设备)中提供了出色的结果。
根据本发明使用的材料有利的包括氟化聚合物基质(fluorinatedpolymeric matrix)，即包含氟原子的聚合物。
适于本发明的氟化聚合物可以为聚四氟乙烯(缩写为PTFE)、四氟乙烯-四氟丙烯共聚物(缩写为FEP)或四氟乙烯-全氟化的乙烯基醚(perfluorinatedvinyl ether)共聚物(缩写为PFA)。
如上所述选自氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3及其混合物的金属氟化物型填料可以分散在如上述所定义的聚合物基质中，其用量可以为2%至35重量%，以所述复合材料的总重计，例如5重量%，以所述复合材料的总重计。
从功能角度来看，在与电弧接触时，上文定义的材料释放出绝缘的电负性原子，在此实例中为氟原子，该原子吸收相当于其释放所需能量的部分电弧能量，并因此有助于弧的消灭。
由于其功效问题，这些材料可以用于如下气体环境中：该气体环境包括效率低于六氟化硫SF6但是对环境破坏更小的灭弧气体，如二氧化碳，CO2。
根据本发明可以使用的具体材料为：
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的CeF3的复合材料；
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的CeF4的复合材料；
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的LaF3的复合材料。
根据本发明特别有利的材料为包含三氟化铈CeF3或四氟化铈CeF4作为金属氟化物填料的材料，所述填料还具有吸收从电弧中散发的紫外辐射的能力，所述三氟化铈或所述四氟化铈CeF4可以与PTFE、FEP或PFA一起联用。
除了上文所述的填料之外，在第一实施方案中，该材料可以包含一种或多种吸收紫外辐射(下文缩写为UV)的填料，如氮化硼BN、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、CoOAl2O3、二氧化钛TiO2、硫化钼MoS2、三氟化铈CeF3、四氟化铈CeF4(其能够转化为CeF3，并释放出氟气F2)、及其混合物。
根据第二实施方案，上述定义的复合材料还可以与另一种复合材料联合使用，该另一种复合材料包含聚合物基质(如由氟化聚合物形成的聚合物基质)和至少一种吸收紫外辐射的填料(如包含氮化硼BN、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、CoOAl2O3、二氧化钛TiO2、硫化钼MoS2、三氟化铈CeF3、四氟化铈CeF4、及其混合物的填料)。
因此，在该第二实施方案中，在其所使用的电气设备中，这两种材料可以是以不同的部分的形式存在，例如：
·由如下的复合材料形成的部分：该复合材料包含聚合物基质(例如氟化聚合物基质)和至少一种选自氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3及其混合物的金属氟化物填料，该部分位于例如电弧的底部，形式为例如围绕设备的一个弧触头的垫圈(washer)；
·由如下的复合材料形成的部分：该复合材料包含聚合物基质(例如氟化聚合物基质)和至少一种吸收紫外辐射的填料，该部分位于例如电弧路径上。
还使用吸收UV的填料的优势在于其可以吸收从电弧发出的紫外辐射，并且因此可以促进其消灭。
上述材料可以用于中压或高压电气设备，具体地，用于开关设备如断路器、开关或开关切断器。
具体地，上述材料适合用于开关设备单元中，该开关设备单元还包括除了六氟化硫SF6之外的灭弧气体，例如包括二氧化碳CO2、氮气N2或其混合物的开关设备。
因此，在第二个方面，本发明提供了一种电气设备，其包括至少一个第一弧触头和至少一个第二弧触头、以及作为电弧消灭手段的至少一种如上定义的材料，其中在所述第一弧触头和第二弧触头分开期间于它们之间产生电弧，所述材料还任选包括如下定义的一种或多种吸收紫外辐射的填料或者该材料任选与另一种复合材料联合使用，该另一种复合材料包括聚合物基质(例如氟化聚合物形式的基质)和至少一种如上所定义的吸收紫外辐射的填料。
所述包含金属氟化物型填料的复合材料可以置于弧的底部，即，围绕至少一个所述弧触头，例如，以围绕上述设备的至少一个电弧触头的垫圈的形式，或者位于电弧路径上的带状物形式。
上述设备可以为开关设备，如断路器、开关或开关切断器，所述设备可以为中压设备。
该设备可以包括灭弧气体，例如选自二氧化碳、氮气及其混合物的灭弧气体。有利地，该灭弧气体不含六氟化硫，SF6。
下面参考具体的实施例以非限制性方式描述本发明。
附图的简要说明
图1为根据第一实施方案的开关设备的示意图。
图2为图1中的开关设备的详细视图。
图3为根据第二实施方案的开关设备的示意图。
具体实施方式
图1显示了绝缘腔1，在其边缘具有两个沿直径相对的静触头3,5，并且含有动触头7，其沿中心绕轴A以与绝缘腔1同心的方式安装。
动触头7为杆形式，其长度比绝缘腔1的内径略短，具有可以同时与静触头3,5的末端11接触的末端9，静触头3,5穿透进入绝缘腔1内部。
输入电流通过第一静触头3处的第一箭头13表示；输出电流通过离开与第一静触头沿直径相对的另一静触头5处的第二箭头15表示。
垫圈(图1中未示出)围绕各静触头3,5的末端11设置；其由根据本发明的复合材料形成，即包含聚合物基质(有利的为氟化聚合物基质)和一种或多种选自以下类型的金属氟化物型填料：氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3、及其混合物。垫圈位于绝缘腔1的内壁处，使得各触头3,5的末端11可穿透进入绝缘腔1的内部。各垫圈可以被由复合材料形成的带状物围绕，所述复合材料包含聚合物基质(有利的为氟化聚合物基质)和一种或多种吸收紫外辐射的填料(例如，氮化硼BN、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、CoOAl2O3、二氧化钛TiO2、硫化钼MoS2、三氟化铈CeF3、四氟化铈CeF4及其混合物)，所述带状物为环状弧的形式，抵接齐平(flush against)绝缘腔1的内表面；其的一端包围盘(disk)。该带状物的形状相应于动触头7的末端9中的一个的运动(movement)，该动触头7以围绕中心轴A可旋转的方式安装。
应当理解，另一末端9也可以设置有垫圈。
绝缘腔和动触头之间的空间被气体如二氧化碳，CO2占据。
当动触头开始旋转(引起动触头和静触头各末端的机械分离)时，在静触头3,5的末端11和动触头7的末端9之间产生电弧。由于电弧，位于弧底部的各垫圈部分地升华，由此释放出高电负性的绝缘元素(特别地，氟原子)，其吸收存在于构成电弧的等离子体中的离子(如来自接头材料(contactmaterials)和周围气体中的离子)，这有助于冷却等离子体并因此使电弧衰减。
由于其结构，上述带状物可以吸收从等离子体发出的紫外辐射的一部分(并因此吸收其能量的一部分)，并且因此有助于与垫圈材料一起消灭电弧。
在二氧化碳气体CO2存在下的测试证实了电流安培数方面的有效性。
因此，例如使用Fluokit开关型电气设备，其包括填充有5重量%的三氟化铈CeF3的PTFE保护带状物，可以在12kV、1.3bar的CO2相对压力下中断630A的电流，平均燃弧时间(arc time)为7.6ms，而具有填充有5重量%的氟化镁MgF2的PTFE保护带状物的相同测试引起特别高的平均燃弧时间(为13.6ms)，证实了CeF3比MgF2的效率更高。
另一方面，使用Fluokit开关型电气设备，其包括填充有5重量%的三氟化铈CeF3的PTFE保护带状物，可以在24kV、1bar的CO2/氟代酮(fluoroketone)相对压力下中断645A的电流，平均燃弧时间为8.9ms，而具有填充有5重量%的氟化镁MgF2的PTFE保护带状物的测试在24kV、电流为320A时引起更高的燃弧时间(为9.7ms)，再次证实了CeF3比MgF2的效率更高。
图2显示了由图1中所述的垫圈和带状物形成的组件，带状物的附图标记为17，相关垫圈的附图标记为19。可以看出固定片21凸出进入绝缘腔1的内部，并且穿透进入带状物17的腔23中。
现在参考图3，可以看出电气设备包括本发明的材料，所述设备包括两个静触头25,27，这两个静触头面对面，并且分开预定的距离。垫圈29由类似之前实施方案中针对垫圈所述的材料形成，并围绕触头的一末端设置，向内弯曲的带状物31邻接垫圈设置，所述带状物由类似于上述实施方案中针对带状物描述的材料形成。该带状物31的直径等于动触头33的长度，动触头33其本身围绕旋转轴B在中心安装，置于第一静触头27上或与其接触。因此，可以沿中心移动的触头能够与第二静触头25分开，静触头25的远端沿带状物31的内壁移动。
当动触头33与静触头25分离时，在动触头的一末端和静触头25的一末端之间产生电弧，该电弧的底部与垫圈29接触，并围绕所述带状物31运动，其中垫圈29和带状物31起到了降低所述电弧的消灭时间的作用。
Claims (17)
1.复合材料在电气设备中作为电弧消灭材料的用途，所述复合材料包括聚合物基质和至少一种选自：氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3、及其混合物的金属氟化物填料。
2.根据权利要求1的用途，其中所述聚合物基质为氟化聚合物基质。
3.根据权利要求2的用途，其中所述氟化聚合物基质选自：聚四氟乙烯、四氟乙烯-四氟丙烯共聚物、或四氟乙烯-全氟化的乙烯基醚共聚物。
4.根据权利要求1至3中任一项的用途，其中所述复合材料中包含的金属氟化物填料的量在2重量%至35重量%的范围，以所述复合材料的总重计。
5.根据权利要求1至4中任一项的用途，其中所述金属氟化物填料为三氟化铈CeF3。
6.根据权利要求1至4中任一项的用途，其中所述金属氟化物填料为四氟化铈CeF4。
7.根据权利要求1至4中任一项的用途，其中所述复合材料选自以下材料：
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的CeF3的复合材料；
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的CeF4的复合材料；
·包含PTFE基质和占复合材料总重的5重量%的LaF3的复合材料。
8.根据权利要求1至6中任一项的用途，其中所述复合材料还包含一种或多种吸收紫外辐射的填料。
9.根据权利要求1至7中任一项的用途，其中所述复合材料与另一种复合材料联合使用，所述另一种复合材料包含聚合物基质和至少一种吸收紫外辐射的填料。
10.根据权利要求8或权利要求9的用途，其中所述吸收紫外辐射的填料选自：氮化硼BN、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、CoOAl2O3、二氧化钛TiO2、硫化钼MoS2、三氟化铈CeF3、四氟化铈CeF4、及其混合物。
11.电气设备，其包括至少一个第一弧触头和至少一个第二弧触头、以及作为电弧消灭材料的至少一种复合材料，其中在所述第一弧触头和第二弧触头分开期间于它们之间产生电弧，并且所述复合材料包括聚合物基质和至少一种选自：氟化铈CeF3和/或CeF4、氟化镧LaF3、及其混合物的金属氟化物填料。
12.根据权利要求11的电气设备，其中权利要求11设定的材料还包含一种或多种吸收紫外辐射的填料，或者权利要求11设定的材料与另一种复合材料联合使用，所述另一种复合材料包含聚合物基质和至少一种吸收紫外辐射的填料。
13.根据权利要求11或权利要求12的电气设备，其为开关设备。
14.根据权利要求11至13中任一项的电气设备，其为断路器、开关或开关切断器。
15.根据权利要求11至14中任一项的电气设备，包括灭弧气体。
16.根据权利要求15的电气设备，其中所述灭弧气体为二氧化碳、氮气、或其混合物。
17.根据权利要求15或权利要求16的电气设备，其中所述灭弧气体不含六氟化硫SF6。
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