[发明专利]一种液氮和液化四氟化碳的混合绝缘介质及其配制方法

说明书

一种液氮和液化四氟化碳的混合绝缘介质及其配制方法，由纯度均大于等于99％的氮气和纯度均大于等于99％的四氟化碳气体配制。液氮和液化四氟化碳的比例为(2％～90％)：(98％～10％)，为摩尔比。在液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45％‑90％的情况下，所制备的混合绝缘介质的凝固点可调控到52K‑60K，满足液氮以下温区电工装备冷却要求；在液氮和液化四氟化碳的摩尔比为2％‑20％的情况下，所制备的混合绝缘介质的常压沸点可调控到89K‑120K，满足液化天然气温区电工装备冷却需求。本发明混合绝缘介质采用液氮换热器或液氮温区的制冷机对高纯氮气和高纯CF₄进行液化；根据混合绝缘介质凝固点和泡点的要求确定高纯氮气和高纯CF₄气的比例。所述的混合绝缘介质可用于液氮以下温区和液化天然气温区电工装备。

技术领域

本发明涉及一种液氮和液化CF₄混合绝缘介质及其配制方法。

背景技术

液氮是一种重要的低温制冷剂，也是一种液体绝缘材料，主要用于各种超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能装置等电工装备中。通过浸泡冷却超导电工装备，为超导电工装备提供一个正常工作的低温环境，同时也起到提高电气绝缘强度的作用，对超导电工装备的正常运行有着直接的影响。

四氟化碳(CF₄)常温下是一种无色、无臭、不燃、不溶于水的可压缩性气体，可用作低温制冷剂和绝缘气体。四氟化碳常压下的沸点约为145K，熔点89.6K，液化四氟化碳有良好的电气绝缘性能，能够和液氮形成共晶混合物，如图1所示，其凝固点可以达到52K左右，如图2所示，其泡点最高可以达到145K左右。

常压下，液氮的沸点大约是77K，大部分高温超导材料在此温度都能够正常工作。超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机等电工装备当前通常采用液氮直接冷却，而超导储能(SMES)、磁共振(MRI/NMR)成像系统等利用了强磁场的电工装备，则主要采用液氦(4.2K)、液氖(20K)、以及制冷机直接传导的方式来冷却。氦气和氖气在地球上含量很低，液化成本高昂，限制了其大规模推广。制冷机直接传导冷却的电工装备相对液体直接浸泡其热稳定性较差，且存在低真空下的绝缘问题，也限制了大规模推广。一般而言，高温超导材料在液氮凝固点65K的临界电流是77K下的2倍，如果继续降温，则当前没有合适的低温液体绝缘材料，利用液氮和液化CF₄混合绝缘介质，其凝固点可继续降低到52K左右，高温超导材料在50K自场下临界电流是77K下的3-4倍，如图3所示，超导电工装备的载流能力和磁场都会得到很大提升，另外，氮气和CF₄气体的成本较低，绝缘能力比氦气和氖气耐压高很多，对于超导电工装备的小型化及降低成本具有重要意义。

另外，随着超导技术的发展，超导材料的临界温度不断提高，可以在液化天然气温区(90K-120K)乃至更高温区工作。在这个温区，可以用比液氮制冷机效率更高的混合工质节流制冷机或逆布雷顿制冷机来冷却。然而，在更高的温度下，缺少相应的液体绝缘材料来进行超导电工装备的绝缘和冷却。液氮在90K时，其压力超过0.3MPa，在100K时，压力超过0.6Mpa，给压力容器和超导电工装备的设计、制造和运维带来困难。急需一种可以运行在90K-120K温区的低温绝缘冷却介质。目前有很多氟利昂制冷剂如R124、R32、R125、R134a及其混合制冷剂的低温绝缘性能都比较差，在强电场下存在析碳现象，而且有些低温制冷剂对臭氧层有破坏，无法广泛应用于高压电工装备中。

因此，有必要开发一种绿色环保、制备工艺简便、工作温度为50K～140K的新型低温液体绝缘材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有的低温液体绝缘介质难以工作在50K～60K等液氮以下温区和90K-120K液化天然气温区、电气绝缘性能差、且制备工艺复杂等缺陷，提供一种液氮和液化四氟化碳混合绝缘介质及其配制方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：