CN101346779B - 高压设备的冷却 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力分配***和这种电力分配***中的高压设备的冷却的领域。具体来说，本发明涉及用于这种***中的套管的冷却。本发明还涉及相应的方法。

Description

高压设备的冷却

技术领域

本发明涉及的领域是电力分配***以及这种电力分配***中的高压设备的冷却。具体来说，本发明涉及这种***内使用的套管的冷却。本发明还涉及相应的方法。

背景技术

电气设备和装置-特别是电力分配***中的高压设备散发出很多热量，因而需要充分冷却。例如，传统的HVDC(高压直流)换流阀可以是空气绝缘和水冷型。通常情况下设置冷却***，该冷却***包括例如构形为满足特定要求的冷却水分配管线。外部冷却***的另一个示例是使用风扇。

然而，电力分配***中还有一些电气设备没有通过任何外部冷却***进行冷却。那些缺少外部冷却***的设备于是仅靠自身冷却，即自然对流的空气冷却。这种自身冷却设备的一个示例是高压套管，例如换流变压器套管。

电力分配***内的一般电压等级可达大约500千伏直流电。然而，电压等级会持续升高，可累计达到800千伏直流电，而且将来可能达到更高的电压等级。同时，电流等级会达到4000-5000安或更高。这种高电压和高电流等级必然会导致更多的热量排放，而且对于套管电绝缘的要求会变得极高。电绝缘体的尺寸限制了套管的冷却效率，这是因为由于尺寸增加，热量必须被引导一段更长的距离到周围的冷却气体。所以在电压和电流等级非常高时自身冷却的效率变得很低。

当电压等级增加时，采用较大的导体是可行的，从而减少了散发出的热量，但是这又将导致设备尺寸增大。也就是说，绝缘体的尺寸还会很大。

美国专利公报US 2,953,629致力于防止电容式套管内发生闪络，但是该文献还描述了通过强制冷却机构冷却套管的尝试。该冷却机构的原理在于将诸如水之类的流体密封在中央导体的孔腔内。当电容式套管变热时，该液体被煮沸，蒸气上升并冷凝，冷凝液又返回导体底部。于是热量通过热交换管从套管内部转移到大气中。

上述现有技术的冷却装置存在很多缺陷。例如，流体的沸点决定了冷却温度，这意味着，当流体是水的时候，冷却温度将限于100℃。虽然通过改变压力来改变冷却温度是可行的，但是这需要配置压力容器，结果将造成冷却机构笨重且昂贵。具体来说，这种解决方案将涉及很多装置，这些装置需要高昂的初始成本和维护成本。另一个缺点是，由于水的蒸发，设备上会有产生沉淀物的风险。

基于上述考虑，希望能改进高压设备的冷却，特别是高压套管的冷却。进一步地，还希望提供一种相应的冷却这种套管的方法。

发明内容

本发明的一个目的是改进电力分配***内的高压套管的冷却。更具体的说，本发明的目的是为套管提供外部冷却装置，从而克服或至少缓解上述现有技术的缺陷。

本发明的另一个目的是改进套管的冷却，所述冷却对于非常高的电压和电流来说也是充分的。具体的说，本发明的目的是提供能够应对高电压和高电流的外部冷却装置。

本发明的又一个目的是提供一种用于冷却套管的冷却装置，该冷却装置在套管内的耗散功率随电流和电压等级的增大而增大时不会增加组成部件的尺寸。

这些目的通过独立权利要求中请求保护的高压套管和方法来实现。

根据本发明，提供一种高压套管，该高压套管可以通过外部冷却***进行冷却。该套管例如适用于从流体冷却的HVDC换流阀传输高电压和高电流。该高压套管包括环绕电导体的绝缘体，其中，电导体能够电连接到高压设备，例如能够连接到HVDC换流阀的连接器。根据本发明，高压套管的电导体能够连接到外部冷却***，例如连接到HVDC换流阀的冷却***。通过本发明，套管的设计大大简化，因为套管的导体和绝缘材料的温度得到了控制。具体来说，尽管使用了更高的电流和电压，但是套管的尺寸不必增加。进一步地，即使对于高电流和高电压等级-例如500到800千伏直流电以及更高的电压等级来说，也可以实现套管的充分冷却。

根据本发明的一个实施例，外部冷却***是HVDC换流阀的冷却***。这提供了一种通过利用现有且被使用的HVDC换流阀的冷却流体来冷却套管的创造性方式，从而实现成本合算且可靠的冷却。

根据本发明的另一个实施例，高压套管的电导体包括具有一个或多个流体通道的冷却管道。这些流体通道可以是独立通道，这些通道在至少一处彼此流体连通并设置成穿过所述电导体从HVDC换流阀接收高电位的循环冷却流体。高压套管因此可以通过一个或多个流体通道连接到外部冷却***的流体冷却***。

进一步地，该一个或多个流体通道优选地与高压套管的电导体设置为一体。从而提供一种尺寸和成本都合算的解决方案。

根据本发明的又一个实施例，电导体包括其中设置有独立通道的内部流体管。该内部流体管设置成在其内部沿着一个方向引导冷却流体，流体通过流体管的外部和电导体的冷却管道之间生成的通道被导引回去。从而提供了使冷却流体循环的简单装置。

根据本发明的另一个实施例，电导体在其上端设置有能够防止流体渗漏的密封件。优选地，该密封件是焊接到电导体端部的。该技术特征通过设置阻止冷却流体进入变压器或其它敏感设备的装置而增强了安全性。进一步地，由于将盖优选地焊接在其端部，因此得以提供一种永久性连接，该连接可以进行压力测试和泄露检测，还进一步增强了安全性并且便于故障定位。

进一步的实施例限定在从属权利要求中。

本发明还包括这种方法，依据该方法可以获得对应于上述优点的优点。

通过阅读下文的详细描述，本发明进一步的特征、优点和目的将变得显而易见。

附图说明

图1是高压套管的总体图。

图2是装配到变压器外壳上的图1中套管的截面图。

图3示意性地示出了本发明的实施例。

图4示出了图3中的套管内的导体。

图5更详细地示出了导体和新型冷却通道。

图6示出了可在其中有利地实施本发明的换流阀厅。

具体实施方式

在可能的情况下，说明书全文中用相同的附图标记表示相同或相似的部件。

高压套管是一种用于穿过接地障碍物传输高电位电流的装置，该接地障碍物可以是例如墙壁或诸如变压器箱之类的电力设备的外壳。该套管借助其绝缘性能阻止电流进入接地障碍物。

传统的套管如图1和2所示，其中，图1中示出了套管1的总体结构。在图2中，示出了图1中的套管1安装到变压器外壳18的截面图。高压导体10穿过中空的套管绝缘体12的中心，该套管绝缘体形成环绕高压导体10的外壳。通常情况下，对于露天应用场合来说，该绝缘体12由瓷料或硅橡胶制成。

在电容式套管中，绝缘体外壳内设有用于电压递减的电容器芯部14。套管及其周围结构上的电压应力包括交流(AC)和直流(DC)分量。AC分量电压递减取决于绝缘材料的电容率。DC分量电压递减取决于绝缘材料的随温度而变化的电阻率。凸缘16设置为连接套管的外壳12从而使其穿过变压器外壳18。尽管图中示出了电容式套管，但是应该认识到本发明同样可以应用在非电容式套管中。

图2中还示意性地示出了套管1到变压器内部组件的连接。这种示例性连接包括由高压导体10的底端部分形成的底部触点20。该底部触点20设置在套管1的下部底端并配置为与设置在变压器外壳18中的相匹配的内部触点22相连接。此外，上部外端子24设置在套管1的与底部触点20一端相反的一端处。外端子24通过大体上呈平面状的界面电连接到高压导体10，设置外端子24的目的是为了将变压器设备连接到外部电源。

除了图示的换流变压器套管以外，其它套管也可以采用本发明。在此情况下，值得注意的是，可以采用其它合适的连接装置将套管和其它电气设备连接起来。例如，如果本发明的教导被用于构造墙壁套管，那么其连接装置应该适用于这种目的，而不是能够与变压器外壳18连接。

图3示意性地示出了本发明的实施例，其中示出了新型套管30。套管30可以是如上所述的套管或者任何其它高压套管。高压导体31容纳在套管30内。根据本发明，套管30的高压导体31设有一个或多个用于导通冷却流体的通道32，该冷却流体在本示例中是冷却水，该通道将参照图4和5进行更详细的描述。

接下来用HVDC换流阀的冷却***来说明本发明。常规情况下，HVDC换流阀通过在闭环***中循环的去离子水来进行冷却。热量被转移到次级电路，该次级电路可以在室外冷却器中冷却。本发明可以与利用去离子水作为冷却介质的HVDC换流阀结合起来实施。冷却HVDC换流阀的冷却装置也可用于冷却套管。

在图3中，HVDC换流阀被示意性地示出并由附图标记34表示。HVDC换流阀34的冷却***的水管由附图标记39表示。箭头I和II表示冷却水(或其它流体)的方向。具体来说，在I方向上，来自HVDC换流阀34的冷却水被导向套管30，而在II方向上，被稍微加热的冷却水返回HVDC换流阀冷却***。本领域内公知的是，HVDC换流阀34的冷却***可进一步包括去离子器、泵、热交换器等。冷却***的这些部件以40示意性地标示。

HVDC换流阀34的冷却流体可以与套管30的导体31的电位相同或不同。根据本发明，仅有一部分用于冷却HVDC换流阀34的水被用于冷却套管30。例如，这部分水的比例在1/5000到1/500的范围内，尽管根据具体应用场合可能需要更多或更少的水。

在本发明的另一个实施例中，外部冷却装置是独立的冷却***，即不是HVDC的冷却***。然而，可以采用与HVDC换流阀的冷却***类似的冷却***。也就是说，冷却介质可以在闭环***中循环，不过该***是用于冷却套管的独立***。

图4示出了图3中位于套管30内的导体31。附图标记35表示接地外壳，例如变压器箱或墙壁。附图标记36表示用于将套管30连接到诸如变压器内部组件等的封闭的电气设备的连接装置。附图标记37表示与例如高压电网相连的连接部。套管30可因此用于将封闭的电气设备连接到高压电网，尽管它也可以用在其它应用场合。在32处示出了新型流体冷却装置，套管30顶部的双箭头表示流动的冷却流体。

图5更详细地示出了高压套管30的导体31和该新型冷却管道。一个或多个冷却管道32与导体31一体设置。水管38优选地设置在冷却管道32内。于是冷却水可通过水管38导引，从而允许水进入水管38内且被导出水管38之外。也就是说，水管38设置为在水管38内沿着一个方向导引冷却水，然后该水被引导通过水管38的外部与冷却管道32的内部之间生成的通道32a、32b。

容纳冷却管道32的导体31的中空内部优选的不是通孔，从而减少了水进入诸如变压器之类的电气设备的风险。该一个或多个冷却水通道32a、32b连接到用于冷却HVDC换流阀的冷却***。

根据本发明的一个实施例，导体31的温度大约保持在40℃到80℃之间的范围内，优选的是60℃左右。应该认识到，该温度可以被监控并且可以保持在其它温度下。

值得注意的是，在设计和实施本发明的过程中应该小心，以防止冷却水进入变压器或其它敏感设备中。在本发明的一个实施例中，高压导体31设有焊接在其末端的盖。焊接提供了一种永久性连接，可以对该连接进行例如压力测试并能够进行泄露检测。

应该意识到的是，可以采用其它能够防止水渗漏的密封件，以及其它用于紧固这种密封件的装置。图6示出了HVDC换流阀厅，并且示意性地示出了在这种应用场合中如何容易地实施本发明。HVDC换流变压器通过换流变压器套管连接到HVDC换流阀。通常情况下，换流变压器直接布置在HVDC换流阀厅外部，而其套管伸入换流阀厅内。然后套管的顶部直接连接到HVDC换流阀。箭头II表示电气和冷却水连接。箭头IV表示换流阀厅内的若干HVDC换流阀之一。

如前所述，外部冷却***的冷却流体可以与套管30的导体31的电位相同或不同。不过需要对套管和冷却流体的电位差引起的非期望电流进行处理。冷却***可以设置例如导出这种非期望电流的电极。

这种采用现有且已被使用的冷却水来冷却套管的创造性方式使得能够实现成本合算且可靠的冷却。通过本发明，套管的设计将大幅度简化，因为套管的导体和绝缘材料的温度处于控制中。对于较高电压-例如800千伏直流电来说，现有技术的套管将不得不变得非常巨大以便传输例如4000安电流。对套管的这种创造性冷却可使导体直径较小，从而减小整个套管的尺寸。

更进一步的，即使是高强度电流和高电压等级，例如500到800千伏甚至更高电压等级的直流电，也能实现套管的充分冷却。

本发明适用于例如换流变压器套管、换流阀厅墙壁套管和室内平波电抗器套管。

在先前的详细描述中，已参照本发明具体的示例性实施例对本发明进行了说明。在不背离权利要求限定的范围的情况下可以做出本发明的各种改型和变型。因此，说明书和附图应理解为示例性的而非限制性的。因而，尽管水被描述为优选的冷却流体，但是油也是一种可行的替代物。

Claims (14)

1.一种高压套管(30)，包括环绕电导体(31)的绝缘体(12)，所述电导体(31)具有中空内部，该中空内部包括至少两个独立通道(32a，32b)，所述至少两个独立通道(32a，32b)至少在一处彼此流体连通，所述电导体(31)能够电连接到高压设备(34)，其特征在于，所述高压套管(30)的所述电导体(31)的所述中空内部容纳冷却管道(32)，水管(38)设置在所述冷却管道内，用于使得水进入所述水管内且被导出至所述水管的外部和所述冷却管道的内部之间，并且所述高压套管(30)的所述电导体能够经由所述冷却管道(32)连接到外部流体冷却***，并且设置成穿过所述电导体(31)从所述外部流体冷却***接收闭环的循环冷却水。

2.如权利要求1所述的高压套管(30)，其中，从所述外部流体冷却***接收的所述循环冷却水处于高电位。

3.如权利要求1或2所述的高压套管(30)，其中，所述冷却管道(32)与所述高压套管(30)的所述电导体(31)设置成一体。

4.如权利要求1或2所述的高压套管(30)，其中，所述外部流体冷却***是高压直流换流阀(34)的流体冷却***(39，40)。

5.如权利要求1或2所述的高压套管，其中，所述高压套管(30)包括用于从流体冷却的高压直流换流阀(34)传输高电压和高电流的装置。

6.如权利要求4所述的高压套管，其中，所述高压直流换流阀冷却***(39，40)的冷却水的一部分用于冷却所述高压套管(30)。

7.如权利要求4所述的高压套管，其中，所述高压套管(30)能够通过所述至少两个独立通道(32a，32b)连接到所述高压直流换流阀(34)的所述流体冷却***(39，40)。

8.如权利要求1或2所述的高压套管，其中，所述高压套管(30)设置成用于穿过至少一个接地平面(35)将高电压和高电流传输给变压器。

9.如权利要求1或2所述的高压套管，其中，所述电导体(31)在其上端设置有能够防止流体渗漏的密封件。

10.如权利要求9所述的高压套管，其中，所述密封件焊接到所述上端。

11.如权利要求1或2所述的高压套管，其中，所述电导体(31)的温度保持在40℃到80℃的范围内。

12.一种冷却高压套管(30)的方法，所述高压套管(30)包括环绕电导体(31)的绝缘体(12)，所述电导体(31)具有中空内部，该中空内部包括至少两个独立通道(32a，32b)，所述至少两个独立通道(32a，32b)至少在一处彼此流体连通，所述电导体能够电连接到高压设备(34)，该方法的特征在于所述电导体(31)的所述中空内部容纳冷却管道(32)，水管(38)设置在所述冷却管道内，并且包括下列步骤：通过经由所述冷却管道(32)将所述高压套管(30)的所述电导体(31)连接到外部流体冷却***来冷却所述高压套管(30)，并且在所述通道(32a，32b)内容纳来自该外部流体冷却***且流过所述电导体(31)的闭环的循环冷却水，以用于使得水进入所述水管内且被导出至所述水管的外部和所述冷却管道的内部之间。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述电导体(31)的温度保持在40℃到80℃的范围内。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中，所述外部冷却***的冷却流体的一部分用于冷却所述高压套管(30)。

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