CN1783608A - 高电压***以及具有冷却的高功率断路器 - Google Patents

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Abstract

一种高电压***，具有至少一个馈线(40)和至少一个高功率断路器(20)，该至少一个馈线(40)具有纵向伸展的馈线内导体(41)和围绕该馈线内导体(41)的馈线外导体(42)，且该高功率断路器(20)具有纵向伸展的断路器内导体(21)和以壳体的形式围绕该断路器内导体(21)的断路器外导体(22)，且内导体(21、41)和外导体(22、42)彼此导电连接。至少一个热管(1)被提供，用于耗散来自断路器内导体(21)的热能。热管(1)与沿断路器内导体(21)伸展的冷却气流(51)相互作用。

Description

高电压***以及具有冷却的高功率断路器
技术领域
本发明涉及高功率断路器技术领域。本发明涉及根据独立专利权利要求前序项的高电压***和高功率断路器以及用于冷却高功率断路器的内导体的方法。
背景技术
K.Albert等，Elektrischer Eigenbedarf/Energie-technik in Kraftwerkenund Industrie[Electrical power station services consumption/powerengineering in power stations and industry]，VDE Publishing House，ISBN3-8007-1586-4，Chapter 10.3(第431-455页)已经公开了具有强制冷却的发电机输出线(其也称为纵向吹送或空气冷却发电机输出线)。基本上同轴伸展的两个管状导体形成内导体和以壳体的形式围绕所述内导体的外导体。所述导体产生发电机和块(block)或机器变压器之间的电连接。外导体承载反向电流，其在与内导体中所流动的电流相反的方向上流动。为了冷却永久经受典型的20kA至25kA的内导体，借助于吹送器产生沿内导体伸展的空气流。发电机断路器被提供于发电机输出线中。
EP 1 022 830 A1也已公开了提供吹送器用于冷却高功率断路器的所容纳的内导体，借助于此吹送器产生围绕内导体基本上垂直于其延长(extent)而流动的循环流。以这种方式循环的气体吸收来自内导体的热损失，且然后将其排放到壳体内。壳体又将热排放到壳体外的周围空气。由于对内导体的冷却，实现了增加的电流承载能力。
理想的是提供一种高功率断路器和包含具有较大电流承载能力的高功率断路器的高电压***以及用于冷却高功率断路器的内导体的对应方法。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供最初所提及类型的高电压***、高功率断路器以及用于冷却高功率断路器的内导体的方法，其具有增加的电流承载能力。
该目的由具有独立专利权利要求的特征的设备和方法实现。
其内导体(其还可以称为有源部分)被冷却的高功率断路器可承载比未被冷却的高功率断路器高的电流，同时遵守由相关标准规定的温度限制值。所提供的冷却设备越有效地耗散在内导体产生的热损失，高功率断路器的电流承载能力可因此以越大的程度增加。
根据本发明的高电压***具有至少一个馈线和至少一个高功率断路器，该至少一个馈线具有纵向伸展的馈线内导体和围绕该馈线内导体的馈线外导体(有利地以壳体的形式)，且该高功率断路器具有纵向伸展的断路器内导体和以壳体的形式围绕该断路器内导体的断路器外导体。所述内导体和外导体彼此导电连接。
高电压***的特征在于以下事实，即提供至少一个热管，用于耗散来自至少一个内导体，尤其是断路器内导体的热能。
热管是一种用于通过在热管段(称为蒸发器)中蒸发工质和在热管段(称为冷凝器)中冷凝工质来耗散热的装置，用于将工质从冷凝器传递回到蒸发器的装置被提供。热管有利地被密闭地密封，使得可在其中产生闭合回路。热管的伸长或管状形状是有利的但不是必要的。作为用于将工质从冷凝器传递回到蒸发器的装置，空心体可以被简单采用且设置，使得液体工质由于重力而被传递回，或不然可以使用由于毛细作用力而使工质被送回的材料。
这样的热管可以被设置在断路器内导体和断路器外导体之间的空间内，在这种情况下，有可能省去设置在蒸发器和冷凝器之间的绝缘路径。热管可以有利地基本上处于内导体的电势。
热管是无源冷却设备。它不需要电流供给或任何其他供给。作为具有密闭密封的回路的冷却***，它一般不需要任何维护且一般可以在没有任何维护的情况下工作数十年。
馈线内导体和断路器内导体一般是管状的或空心圆柱状的。承载反向电流的相应外导体形成一般接地的封装。在工作期间，高电压施加在内导体和外导体之间。
对于高功率断路器和馈线，额定电压大于1kV或更确切地，是10kV的数量级，或它们是几个10kV至几个100kV。过电压(由于闪电脉冲)典型地从100kV至几个100kV。电流和反向电流为1kA或10kA的数量级(额定电流)，通常从20kA至30kA；短路电流大近似一个数量级。高功率断路器和对应的馈线被设计用于100kW或几个100MW的数量级或高达千兆瓦范围内的功率。这样的电流、电压和功率实现了高功率断路器和馈线的物理实施和设计对称性，其例如对于中电压或低电压断路器是不必要的。由于该设计，出现在高电压***外且由高电流感生的磁场可以被保持很低。
待耗散的热基本上是由内导体中的电阻损失产生的。然而，可以增加其他损失，例如，如由趋肤效应(skin effect)导致的损失，或涡电流损失和滞后损失。
至少一个冷却气流产生装置被有利地提供，借助于它，基本上沿断路器内导体的延长伸展的冷却气流，尤其是空气流可在断路器外导体内产生。至少一个冷却气流产生装置被特别有利地提供，借助于它，基本上沿断路器内导体的延长伸展的冷却气流，尤其是空气流可在断路器内导体和断路器外导体之间的空间内产生。由于强制冷却，可实现显著增加的电流承载能力。
冷凝器特别有利地与冷却气流相互作用。结果，可实现对断路器内导体的很有效的冷却，这是因为冷凝器可以由冷凝器的冷却气冷却而被保持在低温，作为其结果，可实现对工作气体的有效冷凝以及由此的热管的高度效率。
以同样特别有利的方式，蒸发器与断路器内导体紧密热接触。结果，来自内导体的特别大量的热损失可被耗散。
冷凝器有利地具有用于排放热的设备。该设备可以包含，例如冷却肋装置。特别地，冷却肋装置的一些或全部冷却肋可基本上沿断路器内导体的延长伸展。用于排放热的设备很有利地与冷却气流相互作用。
冷却气流有利地在断路器外导体内和馈线外导体内伸展。冷却气流尤其有利地在断路器内导体和断路器外导体之间的空间内以及馈线内导体和馈线外导体之间的空间内伸展。冷却气流有利地基本上沿相应内导体的延长伸展。
内导体和馈线外导体优选地基本上为空心圆柱状的。断路器外导体也可以基本上为空心圆柱状的。断路器内导体有利地基本上相对于断路器外导体同轴伸展，和/或馈线内导体有利地基本上相对于馈线外导体同轴伸展。
高电压***优选地具有多个，特别是三个极，每个具有至少一个馈线，特别是两个馈线，以及至少一个高功率断路器极。每个高功率断路器极具有至少一个热管。总而言之，断路器极可以称为高功率断路器。
高电压***有利地可以是发电机输出线，特别是具有强制冷却的发电机输出线。
根据本发明的具有纵向伸展的断路器内导体和以壳体的形式围绕断路器内导体的断路器外导体的高功率断路器的特征在于以下事实，即至少一个热管被提供用于耗散来自断路器内导体的热能，所述热管包含工质，用于通过在热管段(称为蒸发器)中蒸发工质和在热管段(称为冷凝器)中冷凝工质来耗散热能，且冷凝器被提供用于与在断路器外导体内伸展的冷却气流相互作用。该冷凝器尤其有利地被设想成与在断路器内导体和断路器外导体之间的空间内伸展的冷却气流相互作用。
改善的内导体的冷却和增加的电流承载能力得以实现。
根据本发明的用于冷却高功率断路器的、由以壳体形式的断路器外导体围绕的纵向伸展断路器内导体的方法的特征在于以下事实，即工质通过所吸收的来自断路器内导体的热能而蒸发且利用热排放在热管段(称为冷凝器)中冷凝，冷凝器通过基本上沿断路器内导体的延长伸展的冷却气流在断路器外导体内得以冷却。通过基本上沿断路器内导体的延长伸展的冷却气流，冷凝器有利地在断路器内导体和断路器外导体之间的空间内得以冷却。
在一个有利的实施例中，热管是以热虹吸管(thermosiphon)的形式。当热管是以热虹吸管的形式时，经冷凝的工质(主要)由于重力被送回。冷凝器因此被设置得高于(在重力场中)蒸发器，且需要沿所述冷凝器和所述蒸发器之间的热管存在单调下降。
在一个更有利的实施例中，热管包括用于由于毛细作用力而将经冷凝的工质传递回到蒸发器的装置。当冷凝器设置在蒸发器之下时优选使用这样的实施例；然而，它还可以连同热虹吸管一起使用。例如多孔材料可以用作由于毛细作用力而将经冷凝的工质传递回到蒸发器的装置。网状的和/或编织的材料同样适合。这样的装置优选地提供在热管的内表面上。取决于是否想要形成蒸发器和冷凝器之间的绝缘路径，仅电绝缘材料或不然导电材料是适合的。
在另一个有利的实施例中，蒸发器被结合在内导体中。例如，内导体可以被设计成使其包含一个或多个容积，其表示热管的部分且由工质完全或部分填充。结果，热管和内导体之间很好的热耦合得以提供。
内导体可以有利地具有多个段，其每个被提供有至少一个热管。尤其在具有长内导体的很长的断路器或馈线的情况下，由于高功率断路器或馈线的在纵向上一个接一个设置的多个段沿内导体的纵向延长各与至少一个热管相关联的事实，很有效的冷却是可能的。
在一个优选实施例中，高功率断路器是发电机断路器。
还可以被看出本发明是如下事实，即提供了具有至少一个馈线和/或至少一个高功率断路器的高电压***，其在馈线中和/或高功率断路器中具有至少一个热管，所述热管用于冷却馈线的内导体和/或高功率断路器的内导体。尤其是，热管的蒸发器和热管的冷凝器可处于相同电势和/或免去在蒸发器和冷凝器之间提供的绝缘路径。用于冷却馈线的内导体或高功率断路器的内导体的对应方法的特征在于借助于热管来冷却内导体的事实。
进一步优选的实施例及优点在从属专利权利要求和附图中加以描述。
附图说明
下面参考附图中示出的优选示范性实施例来更详细地说明本发明的主题，在附图中：
图1示出通过三极发电机断路器的截面示意图，热管的三种不同类型的设置被示出；
图2示出具有高功率断路器或断路器极和两个馈线的高电压***的主要以截面示出的平面示意图，高功率断路器的内导体具有多个段且被提供有多个热管；
图3示出具有冷却肋装置和用于热耦合蒸发器与内导体的装置的热管的示意图；以及
图4示出用于三极高电压***的通风方案的示意图，内导体未被示出。
附图中所使用的参考及其含义通过汇总的方式被列在参考列表中。原则上，相同的部分或具有相同功能的部分在图中被提供有相同的参考。为了对本发明的理解，非基本部分有时未被示出。所描述的示范性实施例通过实例的方式来表示本发明的主题且不具有限制作用。
具体实施方式
图1示出通过三极发电机断路器的截面示意图。断路器极20R、20S、20T的每个具有管状断路器内导体21R、21S、21T，其在每种情况下都由类似壳体的断路器外导体22R、22S、22T围绕。在工作期间，高电压HV被施加在断路器内导体和相应的断路器外导体之间，外导体处于地电势G且承载反向电流。一般地，三个极在公共星点被接地，这不同于图1中所示的设计。由于断路器内导体被容纳且一般具有比外导体小的横截面，待耗散的热损失在断路器内导体产生，而经受周围空气的外导体以相对小的程度被加热。在可以接触到的点，高功率断路器一般应不热于70℃或80℃。
用于产生到高功率断路器20的电连接的馈线没有在图1中示出。这样的馈线具有馈线内导体和围绕该馈线内导体的馈线外导体。在下文中，字眼内导体和外导体在没有前缀“断路器”或“馈线”的情况下也被使用，在这种情况下，其语境规定了意指馈线内导体/外导体或断路器内导体/外导体或者两种类型都意指。
为了耗散来自内导体的热损失，内导体21R、21S、21T的每个借助于(至少)一个热管1来冷却。典型地，高功率断路器的每个极借助于相似设置和设计的热管1来冷却；然而，在图1中，另一个热管设置被示出于每个极中。每个热管1包含工质，其在热管1段(称为蒸发器3)中被蒸发，且在热管1段(称为冷凝器4)中被冷凝。
R极(图1中的左手侧)：
蒸发器3具有两个金属元件(例如由铝制成)，其基本上以空心圆柱段的形式，其形状匹配于内导体21R的设计且其被固定到内导体21R，使得它们处于与所述内导体21R的良好热接触。所述元件是用于热耦合蒸发器与内导体的装置的一个可能实施例。在这种情况下，所述元件是以空心体的形式且被填充有主要为液体的工质。所述空心体在每种情况下是热管1的部分。
优选的金属管件在每种情况下将每个蒸发器3与一个冷凝器4连接。这样的冷凝器4具有优选的金属冷却肋装置8，其被设置在内导体21和外导体22之间的空间内且有利地具有管***(未示出)，在其中气态工质可传播，以便之后在其中冷凝且再次流回至蒸发器3。这样的管***的部分被有利地设置在至少一些冷却肋中。
例如热交换器还可以用作用于排放热的装置8。
冷却肋装置8与冷却气体热接触，该冷却气体沿着内导体21的延长移动，以实现强制冷却。空气典型地被用作冷却气体。冷却气流借助于吹送器(未示出)产生。被提供有叉或点(在图1的中部)的回路指示冷却气流51的方向：进入图的平面或从图的平面出来。至少一个蒸发器3被设置在内导体21内也是可以设想的，且在这种情况下冷却气流(也)有利地被提供在内导体21内。
用于排放热的装置8被取向和设计成使它们经受高水平的流动51，其结果是可实现最优化的冷却性。然而，冷凝器4和用于排放热的装置8的尺寸和设置严格受限于如下事实，即如此的过度的场不应被产生在内导体21和外导体22之间的电介质负载空间(dielectrically loaded space)中，所述过度的场可导致不期望的闪络(flashover)。由于冷却肋装置8一般处于与内导体21相同的电势，它们被有利地设置为接近于内导体21且也被有利地圆化(round off)，也如图1中所示出的。
S极(图1中的中心)：
蒸发器3具有二乘二个金属元件，其基本上以空心圆柱段的形式，其形状匹配于内导体21S的设计且其被固定到内导体21S，使得它们处于与所述内导体21S的良好热接触。这些元件被填充有主要为液体的工质且借助于属于热管1的优选金属管彼此连接。平面的平坦段可以被提供在外导体22S上，在这些段上，所述元件例如借助于螺钉达到与内导体21S接触。
取代图1中的左手侧和中心所示出的1个和4个元件，热管1还可以具有2、3、5、6、7、8或更多个元件，其吸收来自内导体21的热。
中心极(S极)中的流动方向有利地处于与其他极中的流动51的方向相反的方向(参见参考51)。对应的通风方案被示出于图4中。
T极(图1中的右手侧)：
在T极的情况下，蒸发器3以优选管状容积的形式被结合在内导体21T中，所述容积被提供在内导体横截面内。结果，内导体21T和蒸发器3之间的很有效的热耦合得以提供。(在T极的情况下，内导体21T被示出为比在图1中的其他极的情况大且粗)。
尽管在图1中冷凝器4总是被设置在蒸发器3以上，以便对应的热管1是以热虹吸管的形式，然而冷凝器4被设置在蒸发器3以下也是可以设想的。至少在这种情况下，用于将经冷凝的工质传递回到蒸发器的装置被提供。这可借助于毛细作用力优选地发生。在T极的情况下，柱绝缘体(post insulator)24被示出，其支持内导体21T。
图2示出高电压***的部分以截面示出的平面示意图，该高电压***具有断路器或断路器极20，其具有类似于图1中的R极的设计。断路器内导体21具有多个段23a至23e，其多个(三个)被提供有两个基本上对称设置的热管1。
段23a是连接壳体23a，其用于将断路器20连接到发电机输出线。连接壳体23a借助于具有冷却肋8的两个热管1来冷却。段23b是熄灭室(quenching chamber)，其用于接触隔离和将弧熄灭。与其连接的是驱动壳体23c，在其中驱动被设置用于使得在熄灭室23b中接触隔离是可能的。驱动壳体23c由两个热管1来冷却，其每个都具有两个被固定到驱动壳体23c且处于与所述驱动壳体23c的良好热接触的元件(空心体)。
紧接着驱动壳体23c提供的是移动隔离体管23d，其用于产生可见的隔离路径。紧接于此提供的是隔离体壳体23e，其用于容纳隔离体管。隔离体壳体23e在此情况下以与连接壳体23a相同的方式来冷却。
空气流51及其方向由空箭头来符号化。
高功率断路器或断路器极20被连接到两个馈线40，其每个具有管状内导体41和同轴地围绕内导体41的管状外导体42。
一个馈线40有利地产生到发电机的连接，而另一个馈线40产生到块变压器或机器变压器的连接。
图3示出热管1的示意图。所述热管1被密闭地密封以便闭合回路存在于热管内且(实际上)无需维护。蒸发器3具有元件，用于将蒸发器3热耦合至要冷却的体(例如断路器内导体)。工质被提供有参考2。它处于流体状态(用虚线加阴影)和处于气体状态(未加阴影)。图3中所示的热管1的冷凝器4被提供有冷却肋8。
设计热管1所针对的工作温度范围可以由下述事实规定：在设想的应用中，该温度范围由最小(Tmin)和最大(Tmax)工作温度来规定。例如，在例如发电机断路器的典型高功率断路器中的应用中，一范围是可能的，其中Tmin＝-40℃且Tmax＝+60℃或Tmin＝-25℃且Tmax＝+60℃。
合适的工质2是，例如水，丙酮(acetone)，氟化烃(fluorinatedhydrocarbon)，如由3M制造的“FC-72”，或氢氟醚(hydrofluoroether)，如由3M制造的“HFE-7100”。借助于热管1来耗散的热功率典型地处于0.5kW和1.5kW之间。
有可能在蒸发器3和冷凝器4之间提供电绝缘路径，使得蒸发和冷凝可发生在不同的电势。例如，冷凝器然后可以被电连接至外导体，而蒸发器被电连接至内导体。然而，这样的绝缘路径也可以被省去。
作为在断路器内导体上提供至少一个热管的替换或除此之外，还可以在馈线内导体上提供至少一个热管，以增加馈线的电流承载能力。
热管还可以具有多个彼此连接的空心部分，例如两个以叶片形式彼此连接的空心部分。例如，所蒸发的工质可流至一个空心部分中的冷凝器，而经冷凝的工质流回至另一个空心部分中的蒸发器。
图4示出对于在每种情况下每极(R、S、T)具有两个馈线和一个断路器极的三极高电压***的通风方案的示意图。它是使用空气作为冷却气体的封闭的通风***。仅外导体22、42被示出，因为已经为了示例的清晰而省去了内导体的示例。
有利地具有一个或多个扇的吹送器50将空气有利地移动通过电绝缘通风线70进入两个外断路器极(R和T)。在那里，空气流51基本上沿内导体的延长移动，以便之后经由另外的通风线70到达中央断路器极(S极)。在那里，空气流51同样基本上沿内导体的延长移动，但处于与两个其他极相反的方向。然后，冷却气体经由另外的通风线70从断路器极出来，且借助于冷却单元60来冷却。一旦气体在冷却单元中已经再次排放了在内导体吸收的热能，它就借助于吹送器50再次加速且被传递到两个外极R、T，且回路再次开始。
可以设想用于产生冷却气流51的另外的可能性。例如，还可以提供直通通风(through-ventilation)，其吸入周围空气且将其吹入外导体中，且然后一旦来自一个(多个)内导体的热损失已被吸收，空气就再次从外导体出来。在这种情况下，冷却气流的方向有利地在所有极中沿相同的方向伸展。
通过断路器极每单位时间移动的空气量典型的是在2m3/s和10m3/s之间，有利地是在4m3/s和8m3/s之间。
典型的内导体的管直径是在30cm和60cm之间，尤其是在40cm和50cm之间。典型的外导体直径是80cm到1.3m。
参考列表
1                热管
2                工质
3                蒸发器
4                冷凝器
8                用于排放热的设备、热交换器、冷却肋装置、散热器
20               高功率断路器、断路器极、发电机断路器
20R、20S、20T    断路器极
21               断路器内导体、管状导体
21R、21S、21T    断路器内导体
22               断路器外导体、断路器封装、断路器壳体
22R、22S、22T    断路器外导体
23               内导体段
23a              连接壳体
23b              熄灭室
23c              驱动壳体
23d              移动隔离体管
23e              隔离体壳体
24               柱绝缘体
40               馈线
41               馈线内导体、管导体
42               馈线外导体、管导体
42R、42S、42T    馈线外导体
50               冷却气流产生装置、空气流产生装置、吹送器、扇
51               冷却气流、空气流
60               冷却单元
70               冷却气体线、通风线
G                    地电势
HV                   高电压、高电压电势
R、S、T              极。

Claims (12)

1.一种高电压***，具有至少一个馈线(40)和至少一个高功率断路器(20)，所述至少一个馈线(40)具有纵向伸展的馈线内导体(41)和围绕该馈线内导体(41)的馈线外导体(42)，且所述高功率断路器(20)具有纵向伸展的断路器内导体(21)和以壳体的形式围绕该断路器内导体(21)的断路器外导体(22)，且内导体(21、41)和外导体(22、42)彼此导电连接，特征在于提供了至少一个热管(1)，用于耗散来自至少一个内导体(21；41)的热能。
2.如权利要求1所述的高电压***，特征在于提供了至少一个冷却气流产生装置(50)，借助于其可在断路器外导体(22)内产生基本上沿断路器内导体(21)的延长伸展的冷却气流(51)。
3.如权利要求1或2所述的高电压***，特征在于所述热管(1)包含工质(2)，用于通过在热管(1)段(称为蒸发器(3))中蒸发工质(2)和在热管(1)段(称为冷凝器(4))中冷凝工质(2)来耗散热能，且蒸发器(3)与断路器内导体(21)紧密热接触，且冷凝器(4)与冷却气流(51)相互作用。
4.如权利要求3所述的高电压***，特征在于所述冷凝器(4)具有用于排放热的设备(8)，其与冷却气流(51)相互作用。
5.如权利要求4所述的高电压***，特征在于所述用于排放热的设备(8)是冷却肋装置(8)，其具有基本上沿断路器内导体(21、41)的延长伸展的冷却肋。
6.如上述权利要求的一项所述的高电压***，特征在于所述冷却气流(51)基本上沿断路器外导体(22)内和馈线外导体(42)内的相应内导体(21、41)的延长伸展。
7.如上述权利要求的一项所述的高电压***，特征在于所述断路器内导体(21)、馈线内导体(41)和馈线外导体(42)是基本上空心圆柱状的。
8.如上述权利要求的一项所述的高电压***，特征在于所述断路器内导体(21)相对于所述断路器外导体(22)基本上同轴伸展和/或所述馈线内导体(41)相对于所述馈线外导体(42)基本上同轴伸展。
9.如上述权利要求的一项所述的高电压***，特征在于它包含多个极(R、S、T)，每个具有两个馈线(40R、408、40T)和具有至少一个热管(1)的高功率断路器(20R、20S、20T)。
10.如上述权利要求的一项所述的高电压***，特征在于它是纵向被吹的发电机输出线。
11.一种高功率断路器(20)，具有纵向伸展的断路器内导体(21)和以壳体的形式围绕该断路器内导体(21)的断路器外导体(22)，
特征在于
提供了至少一个热管(1)，用于耗散来自断路器内导体(21)的热能，该热管(1)包含工质(2)，用于通过在热管(1)段(称为蒸发器(3))中蒸发工质(2)和在热管(1)段(称为冷凝器(4))中冷凝工质(2)来耗散热能，且冷凝器(4)被提供用于与在断路器外导体(22)内伸展的冷却气流(51)相互作用。
12.一种用于冷却高功率断路器(20)的由以壳体形式的断路器外导体(22)围绕的纵向伸展的断路器内导体(21)的方法，特征在于工质(2)通过所吸收的来自断路器内导体(21)的热能而蒸发且利用热排放在热管(1)段(称为冷凝器(4))中冷凝，冷凝器(4)在断路器外导体(22)内由基本上沿断路器内导体(21)的延长伸展的冷却气流(51)来冷却。
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