阅读说明：本技术 包括用于co吸附的金属有机框架材料的电路断路器 (Circuit breaker comprising a metal-organic framework material for CO adsorption ) 是由 Y.基费尔 L.马克苏德 于 2018-05-16 设计创作，主要内容包括：一种电路断路器,所述电路断路器包括外壳,所述外壳包括：-在电路断路器的打开位置和电路断路器的闭合位置之间相对于彼此轴向可移动的至少两个电弧接触部,在所述打开位置中电弧接触部彼此分离,在所述闭合位置中电弧接触部彼此接触；以及-配置成吹送电弧控制气体以便中断有可能在电弧触头从电路断路器的闭合位置移动到打开位置期间形成的电弧的气体入口,其中电弧控制气体包括至少80%的二氧化碳；其中外壳还包括吸附材料,所述吸附材料吸附在电弧放电期间二氧化碳电离之后形成的一氧化碳,所述吸附器是包括镍和/或铁的金属有机框架。(A circuit breaker comprising a housing, the housing comprising: -at least two arcing contacts axially movable relative to each other between an open position of the circuit breaker, in which the arcing contacts are separated from each other, and a closed position of the circuit breaker, in which the arcing contacts are in contact with each other; and-a gas inlet configured to blow an arc control gas in order to interrupt an arc that is likely to form during movement of the arc contact from the closed position to the open position of the circuit breaker, wherein the arc control gas comprises at least 80% carbon dioxide; wherein the housing further comprises an adsorption material that adsorbs carbon monoxide formed after ionization of carbon dioxide during arc discharge, the adsorber being a metal organic framework comprising nickel and/or iron.)

包括用于CO吸附的金属有机框架材料的电路断路器

技术领域和背景技术

本发明涉及中压和高压装置中的电弧的熄灭和电绝缘的领域。

更确切地说，本发明涉及包括吸附器的中压或高压电路断路器，所述吸附器吸附在电弧放电期间形成的一氧化碳。

电弧***(arc-blast)电路断路器包括在电路断路器的打开位置和电路断路器的闭合位置之间相对于彼此轴向可移动的至少两个电弧接触部（arcing contact），在所述打开位置中电弧接触部彼此分离，在所述闭合位置中电弧接触部彼此接触。在电路断路器中，电流通常通过分离电弧接触部来断开。从电路断路器的闭合位置到打开位置，电弧有可能在所述接触部之间形成。为了中断电弧，使绝缘介电气体在电弧上***，从而使冷却所述电弧并将它熄灭成为可能。

目前，用于这种类型的断路器的最常用的电弧控制气体为六氟化硫SF₆，因为所述气体的异常物理性质。然而，SF₆呈现以下的主要缺陷：SF₆是一种具有特别高的全球变暖潜能值（GWP）的非常强大的温室气体。

在使用SF₆作为电弧控制气体的备选方案之中，已知具有低于SF₆的全球变暖潜能值的全球变暖潜能值的各种气体，诸如干燥空气或者还有氮气。

特别有利的电弧控制气体是二氧化碳CO₂，因为它的强的电绝缘和灭弧能力。此外，CO₂是无毒的、不可燃的、具有非常低的GWP，并且还容易获得。

CO₂能够单独使用或采用气体混合物的形式使用，它构成气体混合物中的称为“载体气体”的主要气体。例如，气体介质（通常被阿尔斯通以g³（或‘绿色气体为绿色’（‘greengas for green’））的名义销售，(100-x)% 的CO₂和x%（x≤10%）的含氟气体的混合物）适用于替代SF₆。气体混合物呈现与SF₆的熄灭能力相当或者甚至好于SF₆的熄灭能力的熄灭能力，对环境影响很小或者没有影响（全球变暖潜能值（GWP）比SF₆的GWP低98%），与它在工业规模上制造开关设备中的使用相容的成本，并且对人和动物是无毒的。

但是，并且与具有在通过电弧放电分解之后重新组合的性质的SF₆相反，CO₂完全不会重新组合并且即产生大量的有毒气体一氧化碳CO和碳粉。因此，中和CO是关键的问题。中和一氧化碳能够在将一氧化碳吸附（俘获）在基材的表面上中被执行。

CO吸附能够利用沸石或利用金属有机框架（MOF）材料来实现。

那个第一个解决方案的缺陷在于以下事实：沸石不能够充分地除去CO，因为沸石还吸附绝缘CO₂气体。

MOF是多微孔固体、配位到有机配位体的金属原子的多维结构。它们是具有非常高的内表面面积和有序孔道的结构材料，这使得它们对于气体存储极具吸引力，尤其是对于小的气体分子，诸如H₂、CH₄。然而，市场中很少的现有MOF被证明是对于CO而不是CO₂有选择性。

在US 2012/0031268中，诸如SO₂、NH₃、Cl₂和CO之类的气体污染物已经利用不同MOF进行捕获：由对苯二甲酸盐、2-氨基对苯二甲酸盐、苯-1,3,5-三(4-苯甲酸盐)和二乙炔-1,4-双-(4-苯甲酸)链接的Zn₄O(CO₂)₆簇；由均苯三甲酸盐链接的Cu₂(CO₂)₄簇；以及由2,5-二羟基对苯二甲酸链接的1D Zn₂O₂(CO₂)₂链。然而，一氧化碳穿透曲线没有不同于对于空白样品池测量的曲线。

在文献US 2008/0227634中，提到的是，与聚合物组合的MOF化合物能够用于吸附诸如一氧化碳之类的气体。框架材料包括通过配位到至少一个金属离子来结合的至少一个二齿有机化合物。材料的孔包括适用于吸附气体的聚合物，使得材料已经在气体的存储并且还有分离方面改善了性质。

在文献US 2016/0250618中，指示的是，包括4,6-二环氧-1,3-苯二羧酸基的链接部分的氧化物和/或羧酸盐链接簇的MOF适用于存储和/或分离气体分子，诸如包括氨、氩、二氧化碳、一氧化碳、氢和甲烷的气体。

这些文献全部聚焦于MOF和牵涉的配位体的合成。在它们之中，不存在对用于在中压或高压电路断路器的操作条件（即在低于105°C的温度下）用于选择性吸附CO₂中的CO的MOF的研究。

发明内容

本发明旨在提议一种包括在低温（低于100°C左右）下选择性地吸附主要利用CO₂形成的气体混合物中的CO气体的材料的电路断路器。

该材料应当对气体的所有其它成分是惰性的、具有可行的成本并且与其它成分相比具有对CO的好的选择性。

这些目标由提供电路断路器的本发明来实现，所述电路断路器包括外壳，所述外壳包括：

- 在电路断路器的打开位置和电路断路器的闭合位置之间相对于彼此轴向可移动的至少两个电弧接触部，在所述打开位置中电弧接触部彼此分离，在所述闭合位置中电弧接触部彼此接触，

- 配置成吹送电弧控制气体以便中断有可能在电弧接触部从电路断路器的闭合位置移动到打开位置期间形成的电弧的气体入口，电弧控制气体包括至少80%的二氧化碳，

外壳还包括吸附材料，所述吸附材料吸附在电弧放电期间二氧化碳电离之后形成的一氧化碳，所述吸附物是包括镍和/或铁的金属有机框架。

金属有机框架（MOF）由两个成分组成：链接到至少有机配位体的金属离子簇或金属离子。MOF能够包括用来形成二维或三维结构的若干个配位体。金属和配位体的选择对MOF的结构（孔隙率、大小）和性质具有显著影响。发明人已经强调的是，具有镍和/或铁的MOF在中压或高压电路断路器的操作条件下呈现非凡的吸附性质。

该材料使得能够甚至在低温（低于200°C，并且优选地低于105°C）下中和一氧化碳。

它选择性地吸附和保留一氧化碳而不是二氧化碳。含氟化合物没有被吸附到材料上。

不需要添加吸附聚合物，如现有技术中所描述的。

绝缘气体的成功净化保持它的性质并且提高它的寿命。

另外，该材料适用于安装电路断路器中而其体积没有任何增加，并且成本(即在制造过程方面)没有任何显著增加。

有利地，金属有机框架采用颗粒的形式。这使得能够增加表面面积。

有利地，颗粒具有从1 mm到10 mm、优选地从1 mm到5 mm的直径。相对容易通过传统和低成本方法来获得这样大小的颗粒。

根据另一个实施例，吸附材料由诸如堇青石基材或铝硅酸盐基材之类的陶瓷基材支撑。陶瓷基材具有高的热阻，这适用于电路断路器应用。

有利地，电弧控制气体由二氧化碳CO₂构成。

在本发明的第二个变体中，电弧控制气体是包括CO₂和至少含氟化合物的气体混合物，所述含氟化合物例如2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-2-丙腈或1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮、2,3,3,3-四氟丙烯、1,3,3,3-四氟丙烯或氟环氧乙烷。

吸附材料能够用来中和不同的电弧控制气体中的一氧化碳。

本发明还提供一种包括如之前所定义的电路断路器的空气绝缘开关设备（AIS）。

本发明还提供一种包括如之前所定义的电路断路器的气体绝缘开关设备（GIS）。

根据阅读以下给出的与根据本发明的电路断路器有关的附加描述能够更好地理解本发明。

然而，自然地，该附加描述仅仅通过本发明的说明性示例被给出并且决不对所述发明进行限制。

具体实施方式

电路断路器是中压或高压电路断路器。

在上文和在下文，术语“中压”和“高压”采用按照惯例接受的方式被使用，即，术语“中压”指的是在7.2 kV到52 kV范围中的电压，而术语“高压”指的是在52 kV到800 kV范围中的电压。

电路断路器包括具有容纳在所述外壳内的一定数量的电气和/或机械组件的封闭外壳。外壳是密封的外壳。

外壳的体积能够是从50 L到1000 L。

外壳包括配置成将电弧控制气体吹在电弧上以熄灭电弧的气体入口。气体能够在喷嘴中注入。外壳还包含气体出口。

吸附材料被设置以便与包含CO分子的气流接触。它能够位于电弧接触部附近。

根据另一个实施例，它位于电路断路器的气体出口中。

电路断路器中的电弧控制气体是介电绝缘气体。

它包含按体积计至少80%的二氧化碳，并且优选地按体积计至少90%的二氧化碳。例如，它能够是二氧化碳（80-100%）和一个或多个含氟化合物（0-20%）的混合物。优选地，它是二氧化碳（90-97，优选地90-96%）和一个或多个含氟化合物（3-10%，优选地4-10%）的混合物。为了说明性目的，含氟化合物能够是由阿尔斯通以Novec 4710（分子式(CF₃)₂CFCN的2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-2-丙腈）或Novec 5110（分子式CF₃C(O)CF(CF₃)₂的1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮）的名义商业化的化合物。它还能够是2,3,3,3-四氟丙烯（HFO-1234yf）、1,3,3,3-四氟丙烯（HFO-1234ze）或氟代环氧乙烷。

诸如七氟异丁腈和四氟甲烷之类的两个含氟化合物还能够联合使用。

应当注意的是，吸附材料能够用于具有更低CO₂量的气体。只要在气体混合物中存在CO₂，就能够由于高压电路断路器中的电弧放电而形成CO。

根据另外的实施例，气体混合物包括氧气。氧气能够进一步促进减少有害的副产物。例如，气体混合物包含至少80%的二氧化碳和氧气的混合物。其中氧气含量优选地在1%到25%的范围中。

在另一个实施例中，气体能够由二氧化碳组成。

电弧控制气体是无氧的。通过无氧，应当理解的是，电弧控制气体包含按体积计少于0.1%的氧气气体，并且优选地少于0.02%的氧气气体。

有利地，无论设备的利用温度是什么，介电绝缘气体都采用完全气体形式存在于设备中。因此，可取的是，设备内部的气体压力被选择为在所述设备的最低利用温度下由气体呈现的饱和蒸汽压（SVP）的函数。

在电弧放电期间，二氧化碳被电离成一氧化碳。所形成的CO的量取决于操作的物理条件和过程中涉及的化学反应。它从几ppm直到百分之几（例如从1 ppm到5%）变化。

使用吸附材料实现一氧化碳中和。吸附材料是MOF。

每次熄灭电弧并且形成一氧化碳，吸附材料就吸附一氧化碳。

MOF的性能和应用取决于金属并且取决于配位体。选择性能够在10%（对于CO非常低的选择性）和100%（专用吸附CO）之间演变。在本发明中，MOF的结构已经被修改以便在中压或高压电路断路器的操作条件下对于CO而不是CO₂有选择性。

具有铁和/或镍的MOF呈现对于包括CO和CO₂的气体混合物中的CO的吸附选择性。

该测试包括采用：在分钟/小时/天期间，包含与MOF接触的样品（气体混合物）的密闭测试池内CO（以及CO₂）的量的演变。本发明的若干MOF材料已经使用光谱学和气体色谱法被成功地执行和测试。

吸附材料能够是颗粒的粉末。颗粒可具有几毫米例如从1 mm到10 mm、优选地从1mm到5 mm的直径。

本发明的MOF材料可涂覆到任何适合基材的表面。

有利地，基材呈现高的特定表面。例如，基材能够是具有“蜂窝”或“整体（monolithic）”形状的基材。蜂窝结构还对俘获碳粉有用处。

基材能够是诸如堇青石基材或铝硅酸盐基材之类的陶瓷制品。

备选地，中和材料能够分散在诸如丸粒或颗粒等的颗粒支撑上。

这种MOF能够在中压或高压电路断路器中原位使用。

当形成电弧时，采用气态存在于外壳内部的CO₂部分的一部分被分解成比CO₂更小的分子质量的并且因此更小的尺寸的分子物质。这具有以下的影响：提高存在于外壳内部的总压力，同时降低CO₂的分压力到低于它的SVP。因此，以这种方式形成的一氧化碳分子由吸附材料俘获，并且这具有以下的影响：将CO₂的分压力返回到等于它的SVP的值。

本领域技术人员将能够根据要处理的CO气体的体积和电路断路器的涉及的外壳的内部几何形状来选择吸附材料的合适量。例如，吸附材料的量根据在电路断路器寿命内模拟的电弧放电之后电路断路器内形成的CO的潜在量来计算。它取决于电弧放电的能量并且因此取决于电路断路器类型。为了说明性目的，能够期望每20年进行维护，在所述维护期间，打开电路断路器，并且如果必要的话，吸附材料然后可由新的吸附材料替换。

根据本发明的电路断路器具有紧凑结构。上面描述的各种实施例的概念能够有效地应用于各种电路断路器，诸如例如具有轴向或横向***类型的或混合横向-轴向***类型的中断室的电路断路器。

为了说明性目的，电路断路器能够用于采用CO2气体电绝缘的任何电气装置，即电变压器、输电线路或配电线路、母线组、开关、连接器/隔离开关（还称为开关设备）、将电路断路器与熔断器组合的单元、接地开关或接触器中。

电路断路器对于空气绝缘开关设备（AIS）或气体绝缘开关设备（GIS）并且更优选地对于高电压AIS或GIS是特别有价值的。