CN114365361A

CN114365361A - 气体绝缘设备

Info

Publication number: CN114365361A
Application number: CN201980100339.XA
Authority: CN
Inventors: 长谷川朋宽; 井上彻; 加藤纪光; 真岛周也; 内井敏之
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2022-04-15
Also published as: JPWO2021100194A1; US12199413B2; WO2021100194A1; EP4064481A4; JP7228714B2; US20220166198A1; EP4064481A1

Abstract

本发明实施方式的气体绝缘设备具有密闭容器、绝缘气体、高电压部和除去材。绝缘气体被填充于密闭容器中，以CO₂及O₂作为主要成分。高电压部被收纳于上述密闭容器中。除去材使绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度减少。

Description

气体绝缘设备

技术领域

本发明的实施方式涉及气体绝缘设备。

背景技术

在电力系统中进行送配电的气体绝缘设备中，以往，作为绝缘气体使用了六氟化硫(以下记载为SF₆)。

SF₆由于GWP(全球变暖潜能值)为23500(AR5；基于IPCC第5次评价报告书的最新值)，漏泄时对于环境的影响大，因此使用了环境负荷更低的二氧化碳(以下记载为CO₂)作为绝缘气体的替代的气体绝缘设备受到关注。已知在使用CO₂作为绝缘气体时，通过混合氧(以下记载为O₂)，可得到阻断性能/绝缘耐力的提高这样的效果。

因被封入气体绝缘设备内的绝缘气体被暴露于开闭动作时的电弧中而产生分解产物。在该分解产物中，包含对设备的性能造成不良影响的无用物质，变得需要通过利用吸附剂的吸附等从绝缘气体中去除的对策。此外，还需要在维护时确保分解产物对于人体的安全性。作为分解产物，例如对于CO、HF、O₃，分别设定LC50等值，由于在一定值以上的浓度下对于人体变得有害，因此需要降低它们。

在气体绝缘设备中设置吸附剂时的吸附剂的使用环境主要为常温、静置状态，通过绝缘气体进行对流而与吸附剂相接触并引起吸附。因此，无法期待积极的对象气体的流入。作为那样的吸附剂，要求在特殊的使用环境中也必要充分地吸附分解产物。

以往的使用了SF₆气体的绝缘设备中的分解产物中特别成为问题的是被视为SOF₂、HF、SO₂等无用物质。SOF₂来源于SF₆和气体中微量地包含的H₂O，HF来源于SOF₂及设备构成部件的PTFE和气体中微量地包含的H₂O，SO₂来源于SOF₂和气体中微量地包含的H₂O。

上述的无用物质由于与作为绝缘气体的SF₆相比分子径较小，因此通过按照成为SF₆>吸附剂细孔径>无用物质的方式选定吸附剂，能够通过利用了分子筛作用的物理吸附将无用物质优先吸附。

另一方面，使用了CO₂气体的气体绝缘设备中的主要无用物质为HF、CO及O₃。HF来源于气体中微量地包含的H₂O和设备构成部件的PTFE。特别是作为绝缘气体在CO₂中混合O₂的情况下，CO的产生被抑制到可吸附的程度，另一方面，存在O₃的产生增加的倾向。CO₂分子由于分子径为0.33nm左右，与0.550nm的SF₆相比较小，是与无用物质(HF、CO、O₃)相同程度的分子径，因此在利用了基于吸附剂细孔径的分子筛作用的物理吸附中，将作为绝缘气体的CO₂吸附，无法将上述的无用物质充分地吸附。

需要说明的是，HF与气体中微量地包含的H₂O键合，与金属材料(Fe，Al)发生反应而引起腐蚀，并且在大气释放时具有对人体的有毒性。此外，CO在大气释放时具有对人体的有毒性。此外，如果CO大量地生成(vol％等级)，则有可能绝缘耐力降低。进而，O₃有可能通过臭氧断裂而显著损害润滑剂、密封材(树脂)的寿命，此外，在大气释放时具有对人体的有毒性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4660407号公报

专利文献2：日本专利第5238622号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明所要解决的课题是提供减少绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度的气体绝缘设备。

用于解决课题的手段

实施方式的气体绝缘设备具有密闭容器、绝缘气体、高电压部和除去材。

绝缘气体被填充于密闭容器中，以CO₂及O₂作为主要成分。

高电压部被收纳于上述密闭容器中。

除去材使绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度减少。

附图说明

图1是表示第1实施方式的气体绝缘阻断器的截面的示意图。

图2是表示除去材1的HF、CO及O₃的除去性能的图表。

图3是表示除去材2的HF、CO及O₃的除去性能的图表。

图4是表示除去材3的HF、CO及O₃的除去性能的图表。

图5是表示除去材4的HF、CO及O₃的除去性能的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的气体绝缘设备进行说明。

为了解决上述的课题，进行了各种研究及试验，结果确认：通过使用包含具备基于极性的选择吸附作用、及催化作用的吸附剂或催化剂的除去材，能够使绝缘气体中的HF、CO或O₃的浓度充分减少，确保使用了以CO₂及O₂作为主要成分的绝缘气体的气体绝缘设备的长期运用中的寿命、可靠性。本发明基于该认识。

(第1实施方式)

对于第1实施方式，使用图1进行说明。本实施方式的气体绝缘设备为鼓气形气体绝缘阻断器。图1是本实施方式的气体绝缘设备(气体绝缘阻断器)的局部概略截面图。

如图1中所示的那样，在接地的由金属或瓷管等制成的密闭容器1内，填充有绝缘气体2。在密闭容器1内，相向地配置有固定接触部31及可动接触部41，在固定接触部31及可动接触部41上分别设置有固定引弧辅助触点32及可动引弧辅助触点42。通过固定接触部31及可动接触部41来构成高电压部。在密闭容器1的密封部位中配置有O型圈等，成为气密结构。

引弧辅助触点32、42在通常运转时处于接触导通状态，在阻断动作时通过相对移动而离开，同时在两触点32、42间的空间中产生电弧7。进而，在可动接触部41侧设置有对于电弧7吹附绝缘气体2作为灭弧性气体的气流产生机构。

作为气流产生机构，这里设置有活塞43、汽缸44、绝缘喷嘴45。此外，在固定接触部31侧安装有热气流8可通过的金属制的排气筒33。在可动接触部41侧与可动引弧辅助触点42相连地设置有热气流8可通过的排气杆46。在活塞43、汽缸44的滑动部上，涂布用于降低摩擦的润滑脂。

作为填充于密闭容器1内也作为灭弧性气体发挥功能的绝缘气体，使用以CO₂及O₂作为主要成分的气体。CO₂以体积％计包含50％以上，以体积％计以不超过50％的范围包含O₂。具体而言，可例示出CO₂(70％)+O₂(30％)的混合气体。

此外，以绝缘耐力的提高为目的而在绝缘气体中混合了分子径与CO₂相比较大的气体的情况下，也能够得到本实施方式的效果。作为所混合的气体的例子，可列举出氢氟单醚、全氟酮、氢氟烯烃、全氟腈、三氟碘甲烷这样的包含氟及碘的化合物。

在密闭容器1内，设置具有减少绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度的功能的除去材6。除去材6通过壳体5被保持于密闭容器1内。关于除去材6的配置，通过设定为排气筒33的出侧的灭弧气体的流路上，能够获得更积极地减少HF、CO及O₃的浓度的效果。

除去材6通过将HF、CO及O₃吸附、氧化或还原，从而减少这些物质在绝缘气体中的浓度。除去材6例如可例示出二氧化硅/氧化铝的摩尔比为5以上的合成沸石(以下，有时称为高硅合成沸石)、具有质子(H)作为阳离子的合成沸石(以下，有时称为质子交换合成沸石)、金属氧化物。此外，除去材6也可以是将高硅合成沸石、质子交换合成沸石、金属氧化物中的2种以上组合而得到的物质。

进而，除去材6也可以是由高硅合成沸石、质子交换合成沸石、金属氧化物以外的材料的组合制成的物质。例如，也可以使用对于HF具有除去性能的材料、对于CO具有除去性能的材料及对于O₃具有除去性能的材料的混合物作为本实施方式的除去材6。

作为高硅合成沸石，例如可例示出细孔径为

阳离子为质子的高硅沸石。此外，作为质子交换合成沸石，例如可例示出细孔径为

的沸石。进而，作为金属氧化物，可例示出CuO、Co₃O₄、MnO₂。

关于沸石，一般而言，已知二氧化硅(SiO₂)与氧化铝(Al₂O₃)的mol比越高，则作为固体酸的强度/反应活性变得越高。通过使用二氧化硅氧化铝比为5以上的高硅沸石作为除去材6，从而除去材6作为固体酸而具有将CO氧化成CO₂的催化作用。此外，使O₃通过自反应而变化为O₂的速度加速。HF通过由沸石的极性产生的分子间力(范德华力)而被物理吸附于细孔内。由此，通过高硅合成沸石，能够将HF、CO、O₃这三种无用物质有效地吸附、氧化、还原。

此外，通过将合成沸石的阳离子设定为质子(H⁺)，能够作为固体酸来使用，具有将CO氧化成CO₂的催化作用。此外，使O₃通过自反应而变化为O₂的速度加速。HF通过由沸石的极性产生的分子间力(范德华力)而被物理吸附于细孔内。由此，通过质子交换合成沸石，能够将HF、CO、O₃这三种无用物质有效地吸附、氧化、还原。

进而，CuO、Co₃O₄、MnO₂等金属氧化物在至少-30℃～50℃的温度范围内具有催化功能。这些金属氧化物由于为氧化催化剂，因此具有将CO氧化成CO₂的催化作用。此外，使O₃通过自反应而变化成O₂的速度加速。HF通过由极性产生的分子间力(范德华力)而被物理吸附于催化剂表面。由此，通过金属氧化物，能够将HF、CO、O₃这三种无用物质有效地吸附、氧化、还原。

需要说明的是，金属氧化物通过添加到涂料中并涂装于密闭容器1的内表面，还能够使密闭容器1的内表面具有催化功能。

在具有以上的构成的气体绝缘阻断器的阻断过程中，如果使可动接触部41沿图1的左方向进行动作，则固定的活塞43将汽缸44的内部空间即鼓气室47压缩而使同部的压力上升。而且，存在于鼓气室47内的绝缘气体2成为高压力的气流而被导入绝缘喷嘴45中，对于在引弧辅助触点32、42间产生的电弧7强力地吹附。由此，在引弧辅助触点32、42间产生的导电性的电弧7消失而电流被阻断。

如果在包含CO₂的气体中混合O₂而使电弧触发，则有可能生成HF、CO及O₃。HF是特别对于金属具有腐蚀性的气体，对人体是有害的。CO是具有中毒性的气体，此外，使绝缘气体的绝缘耐力降低。O₃也是反应性高且对人体有毒的气体。此外，O₃会使为了使密闭容器1保持气密结构而使用的O型圈、活塞43及汽缸44的滑动部所涂布的润滑脂劣化。通过在密闭容器1内设置具有减少绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度的功能的除去材6，能够将这些有毒的气体进行吸附、氧化或还原，提高安全性，延长设备的寿命。

表1中示出各种除去材的性能。除去材1为二氧化硅/氧化铝的摩尔比为5且细孔径为

的质子交换合成沸石，除去材2为二氧化硅/氧化铝的摩尔比低于5且细孔径为

的钾交换合成沸石，除去材3为二氧化硅/氧化铝的摩尔比低于5且细孔径为

的钠交换合成沸石，除去材4为二氧化硅/氧化铝的摩尔比低于5且细孔径为

的锂交换合成沸石。表1中的○标记表示在图1中所示的气体绝缘阻断器中使用的情况下能够发挥充分的性能，×标记表示无法发挥充分的性能。此外，图2～图5中以图表示出除去材1～4的除去性能。图2～图5的横轴为时间，纵轴为图1中所示的HF、CO及O₃的浓度，是气体绝缘阻断器中的每1MJ阻断电流能量的产生浓度(体积ppm)。如表1及图2～图5中所示的那样，可知除去材1对于HF、CO及O₃的全部都能够发挥充分的浓度降低效果。

表1

	HF	CO	O<sub>3</sub>
				除去材1	○	○	○
除去材2	×	×	×
				除去材3	○	×	○
除去材4	○	×	○

对于本实施方式的气体绝缘设备，包含气体绝缘开闭装置。对于气体绝缘开闭装置，包含阻断器、断路器、接地开闭器、避雷器。

根据以上说明的至少一个实施方式，能够提供通过使用除去材而减少绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度的气体绝缘设备。由此，能够确保使用了以CO₂及O₂作为主要成分的绝缘气体的气体绝缘设备的长期运用中的寿命、可靠性，此外，还能够确保维护时的安全性。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他的各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含于发明的范围、主旨中，同样地包含于权利要求书中记载的发明和其同等的范围内。

符号的说明

1…密闭容器、2…绝缘气体、6…除去材、31…固定接触部(高电压部)、41…可动接触部(高电压部)。

Claims

1.一种气体绝缘设备，其具备：

密闭容器；

绝缘气体，其被填充于所述密闭容器中，以CO₂及O₂作为主要成分；

高电压部，其被收纳于所述密闭容器中；和

除去材，其使所述绝缘气体中的HF、CO及O₃的浓度减少。

2.根据权利要求1所述的气体绝缘设备，其中，所述除去材是二氧化硅/氧化铝的摩尔比为5以上的合成沸石。

3.根据权利要求1所述的气体绝缘设备，其中，所述除去材是具有质子(H)作为阳离子的合成沸石。

4.根据权利要求1所述的气体绝缘设备，其中，所述除去材为金属氧化物。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的气体绝缘设备，其中，所述除去材由2种以上的材料的组合制成。

6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的气体绝缘设备，其中，在所述绝缘气体中包含分子径大于CO₂的气体成分。

7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的气体绝缘设备，其特征在于，所述气体绝缘设备为开闭装置，

所述高电压部具备：

固定触点；

可动触点，其相对于所述固定触点可接离，按照与所述固定触点在同轴上相对配置、在离开时在与所述固定触点之间可产生电弧放电的方式构成；和

绝缘喷嘴，其为了对所述电弧放电吹附所述绝缘气体，按照将所述电弧放电包围的方式配置。

8.根据权利要求7所述的气体绝缘设备，其特征在于，所述绝缘喷嘴包含氟系树脂。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的气体绝缘设备，其特征在于，所述除去材被配置于下述位置：所述绝缘气体被吹附至所述电弧放电后可流动的位置。