CN100570781C - 具有大载流能力的真空开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空开关室，其具有两个接触件(11、12)并且设有至少一个用于释放热量的热管(1)。所述热管(1)包括工作介质(2)，用于通过在热管(1)的被称为蒸发器(3)的区段中蒸发工作介质(2)并且在热管(1)的被称为冷凝器(4)的区段中冷凝工作介质(2)来释放热量。有利地，所述蒸发器(3)与至少一个接触件(11、12)紧密热接触，特别地所述蒸发器(3)的至少一部分集成在所述第一接触件(11)或所述第二接触件(12)中。有利地，冷凝器(4)具有冷却肋装置(8)。

Description

具有大载流能力的真空开关
技术领域
本发明涉及开关技术领域，特别是高压和中压开关技术，并且更具体地说涉及一种真空开关室。本发明涉及一种真空开关室，其具有用于通断在关闭的开关状态下流经真空开关室的电流的第一接触件和第二接触件，并且具有至少一个包括工作介质的热管，所述热管用于释放真空开关室中电流所产生的热量，其中所述热管包括被称为蒸发器的区段和被称为冷凝器的区段。本发明还涉及一种冷却真空开关室的方法，其中工作介质在被称为蒸发器的地方吸收真空开关室中产生的热量而蒸发，并且在被称为冷凝器的地方释放热量而冷凝并且冷凝的工作介质又返回到蒸发器。
背景技术
从现有技术中已知为了提高载流能力需要被强制冷却的真空开关室。真空开关室设置在绝缘管中，借助于吹风机空气流过该绝缘管，使得即使在高电流负载时也能避免真空开关室的过度的加热。
这样布置的一个问题是，吹风机是有源的、即必须被驱动。吹风机需要维护并且可能失灵。
必要时吹风机具有冗余设计，从而可得到较大的可靠性。但是，人们期望得到更大的冷却可靠性。
此外，从DE 39 41 388 A1中已知一种真空开关室，该真空开关室使用带有冷却装置的热管用于释放接触件的热量，该热管耦合于固定的上接触件并且根据重力原理工作。在这种情况下，没有热管的下接触件经过折叠的波纹管以可运动的方式与外壳连接。
从US 4 005 297中已知一种真空开关室，在该真空开关室中产生的热量通过热管输出到冷却指，所述冷却指绕着热管径向地设置。此外，由于使用有助于冷凝的油绳，可以与相对于重力的定向无关地将热管应用于运动的接触件和不运动的接触件中。
在EP 1 002 758 A2中公开了一种真空开关室，其中在上提升导体中设置有用于容纳热管的轴向孔，该提升导体通过波纹管运动。热管的整个质量在接触件运动时一起运动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种开头所述类型的真空开关室和用于冷却真空开关室的方法，它们不具有上述的缺点。特别是提供一种具有小的待移动质量和有效的冷却系统的真空开关室。
该目的通过根据本发明的装置和方法实现。
根据本发明的真空开关室具有至少一个热管。热管主要用于释放通过在关闭状态下流过真空开关室的电流(额定电流)产生的热量。通常，真空开关室具有至少两个接触件，并且电流流经这两个接触件。
另外的热量在较短的时间间隔内通过在接通时在两个接触件之间燃烧的电弧产生。该另外的热量也可以部分地通过热管释放。
由于设置有热管，可以有效地释放热量，从而获得更高的载流能力。
热管是无源的冷却装置。它不需要电流供应也不需要其他供应。作为带有密封地封闭回路的冷却系统，它通常不需要任何维护并且通常在没有维护的情况下工作几年甚至几十年。
由于设置有热管，真空开关室的结构尺寸在高的额定载流能力的情况下能够保持为非常小。所以实现高载流能力下的紧凑结构设计。能够在真空开关室上设置有两个或多个热管。
有利地，热管与接触件中的至少一个紧密热接触。两个或多个热管也可以设置成与一个接触件紧密热接触。两个或者甚至多个——如果存在——接触件也可以分别与一个或多个热管紧密热接触。一个热管也可以与两个或多个接触件紧密热接触。
真空开关室能够具有RMF接触件和/或AMF接触件。
通常，至少一个热管包括工作介质，用于通过在热管的被称为蒸发器的区段中蒸发工作介质并且在热管的被称为冷凝器的区段中冷凝工作介质而释放热量。工作介质应该被封闭在密封的封闭体积中，该体积包括蒸发器和冷凝器。
热管可以是热虹吸管的形式。在热管是热虹吸管的形式的情况下，冷凝的工作介质的向回传输(主要)借助于重力进行。因此冷凝器设置得比蒸发器更高(在重力场中)，并且在它们之间沿着热管必须存在一定的坡度。
在另一个实施方式中，热管包括一种装置，该装置借助于毛细管力将冷凝的工作介质返回到蒸发器中。在冷凝器设置在蒸发器下面时，优选地使用这种实施方式；但是它也可以与热虹吸管连接。借助于毛细管力将冷凝的工作介质返回到蒸发器的可能的装置例如是多孔材料。带有网状结构和/或编织结构的材料同样是合适的。优选地，这样的装置设置在热管的内表面上。由于设置有借助于毛细管力将冷凝的工作介质返回到蒸发器的装置，所以热管和真空开关室能够与它们位置无关地运行。
有利地，蒸发器与第一接触件紧密热接触。这允许在该接触件的区域中特别有效地冷却。同样可以将蒸发器与接触件几乎不直接热接触。例如，当接触件与接触杆连接时，蒸发器能够与接触杆紧密热接触。因此，虽然到接触件的热接触通常是更差，但是能更简单地制造带有热管的真空开关室。或者当接触杆又与接触载体连接时，蒸发器设置在接触载体中或者至少与接触载体紧密热接触。这样的接触载体通常是不移动的，从而也需要热管是不移动的。可移动的热管例如通过如下方式实现，优选地在蒸发器和冷凝器之间设置有热管的柔性可变形区段，例如通过由弹性可变形材料制成的波纹管或者软管。
相当有利地，蒸发器的至少一部分集成在第一接触件中。这确保在蒸发器和接触件之间非常好的热接触。另外或者可替代地，蒸发器的至少一部分集成在与第一接触件连接的接触杆中。
有利地，蒸发器的至少一部分通过在第一接触件中的空腔构成。例如空腔可以通过盲孔构成。
有利地，热管与固定的接触件紧密热接触。如上面所述，因此可以简化热管的结构。此外，降低在开断操作期间待移动的质量。
相当有利地，冷凝器具有用于散热的装置。用于散热的装置例如包括或者是热交换器、散热器或冷却肋装置。当设置有冷却肋时，这些冷却肋有利地以如下方式设置，即当真空开关室以给定的方式定向时，所述冷却肋基本上垂直地定向。通常，真空开关室基本上通过轴线旋转对称地构成，并且真空开关室通常为了装配设置有垂直定向的轴线。在这种情况下，冷却肋装置的冷却肋有利地基本上平行于轴线定向。
有利地，热管具有带有切割环的法兰并且该法兰能与接触杆气密和压力密封的螺接。这可以甚至在后来以简单的和成本有利的方式配备带有热管的真空开关室。
通常，真空开关室具有包括接触件的抽空体积。有利地，冷凝器或者冷凝器的至少一部分并且特别是用于散热的装置设置在该体积外面。
有利地，具有柔性可变形的区段的热管可以使得热管从其他部件中机械地脱耦。已经证明非常有利的是，在蒸发器和冷凝器之间设置有柔性可变形的区段，从而冷凝器与蒸发器机械地脱耦。
可运动的热管也可以以如下方式实现，即柔性可变形的区段的长度是可伸缩变化的。
在其中热管与第二接触件紧密热接触并且该第二接触件是可移动接触件的真空室中，有利地在开断过程时仅热管的包括蒸发器的部分移动。热管的包括冷凝器的部分和固定在冷凝器上的其他部分在开断过程期间保持固定，也就是说与蒸发器机械地脱耦。通过机械地脱耦，因此减小在开断过程期间待移动的质量，这导致真空室的开关惯量减小。
相当有利地，在第二接触件上的蒸发器的至少一部分集成到第二接触件中。这保证在蒸发器和接触件之间非常好的热接触。另外或者可替代地，蒸发器的至少一部分集成在与第二接触件连接的接触杆中。此外，非常有利的是蒸发器的至少一部分通过在第二接触件中的空腔构成。例如，该空腔通过盲孔构成。
相当有利地，在第二接触件上的冷凝器具有用于散热的装置。用于散热的装置例如包括或者是热交换器、散热器或者冷却肋装置。当设置有冷却肋时，这些冷却肋有利地以如下方式设置，即当真空开关室以给定的方式定向时，所述冷却肋基本上垂直地定向。通常，真空开关室基本上通过轴线旋转对称地构成，并且真空开关室通常为了装配设置有垂直定向的轴线。在这种情况下，冷却肋装置的冷却肋有利地基本上平行于轴线定向。通常，真空开关室具有包括接触件的抽空体积。有利地，冷凝器或者冷凝器的至少一部分并且特别是用于散热的装置设置在该体积外面。
有利地，蒸发器和冷凝器设置在相同的电势上。但是根据本发明的热管能够具有中空绝缘体(例如陶瓷管或者玻璃管)，以便跨接在蒸发器和冷凝器之间的电势差，特别地如果冷凝器(并且特别是冷凝器的冷却肋装置)在高电压施加到真空开关室时应该是可触摸的，并且因此应该是地电位。如果热管形成这样的绝缘间隙，那么也需要设置电绝缘的工作介质。
有利地，特别地当仅设置热管时，蒸发器设置在真空开关室的中央附近。因此获得真空开关室的特别有效的冷却。
一种根据本发明的开关装置，例如高载电路开关、高压电力电路开关、发电机电路开关、中压电力电路开关或者类似物，具有至少一个根据本发明的真空开关室。
根据本发明的用于冷却真空开关室的方法的特征在于，工作介质在被称为蒸发器的地方吸收在真空开关室中产生的热量而蒸发，并且在被称为冷凝器的地方释放热量而冷凝并且冷凝的工作介质又返回到蒸发器，在开断过程中冷却时，在所述蒸发器和所述冷凝器之间的距离通过热管的柔性可变形的区段改变。吸收和释放的热量主要通过在关闭的开关状态下流经真空开关室的电流(额定电流)产生。
从下文和附图中可以得到其他有利的实施方式和优点。
附图说明
在下面，根据在附图中示出的优选的实施例详细描述本发明的主题。其中：
图1示出穿过根据现有技术的在外绝缘管中设置的带有刚性热管的真空开关室的剖视图；
图2示出垂直于轴线剖切的带有冷却肋装置的冷凝器；
图3示出平行于轴线剖切的带有集成的冷却肋装置的冷凝器；以及
图4示出根据本发明实施例的在外绝缘管中设置的真空开关室。
具体实施方式
在附图中使用的附图标记及其含义在附图标记列表中概括地列出。原则上，相同的或者功能相同的部件使用相同或者类似的附图标记。没有示出为了理解本发明所不需要的那些部件。所述实施例例如用于表示本发明的主题并且没有任何限制作用。
图1示意性地以剖视图示出在打开状态下的根据现有技术的带有刚性热管的真空开关室。
真空开关室基本上构成为通过轴线A旋转对称，并且包括两个接触件11和12。接触件12能借助于未示出的驱动器移动。接触件11是固定的。接触件11和12分别固定在接触杆21和22上。
真空开关室还具有通常由陶瓷制成的绝缘体50，该绝缘体构成为中空的圆柱形并且在端部分别通过盖41、42密封。封闭的体积10被抽空。可移动的接触杆22在中间插入折叠的波纹管70的情况下固定于盖42。固定的接触杆21固定于盖41。屏蔽件60防止绝缘体50失去其绝缘特性并且导电，绝缘体失去绝缘性能并导电的原因是其被汽化、主要是被在接触件11、12之间的电弧区域产生的金属蒸汽汽化。
接触件11、12以及接触杆21、22优选地由铜制成，并且接触件11、12在它们互相面对的面上设有由例如Cu/Cr的防锈材料制成的涂层15。接触件11、12也可以与接触杆21、22一体地构成。
为了释放在真空开关室中产生的热量，设置有在真空开关室中集成的热管1。当在关闭的开关状态下电流(额定电流)流过真空开关室(和接触件)时，热量主要通过在上述期间产生的欧姆损耗(电阻损耗)产生。
为了使得真空开关室电接触，杆状的固定接触载体31与接触杆21连接，例如借助于螺纹36连接，并且同样杆状的驱动接触载体32与接触杆22可滑动地连接。为了在可运动接触件22和驱动接触载体32之间建立电接触，例如在切口35中设置有弹簧接触环或者多接触片(未示出)。
真空开关室的主要部分设置在外绝缘管80中，该外绝缘管用于电屏蔽和机械稳定性。
热管1具有包含工作介质2的体积。有利地，热管1的该体积在填充工作介质2之前被抽空，使得该体积仅包含工作介质。
该体积通过多个分体积构成，这些分体积设置在接触件11、接触杆21、法兰5和管7中。热管1的设置在接触件11和接触杆21中的区域用作蒸发器3：由于吸收接触件11的热量，最初液体的工作介质2被蒸发。在热管1的被称为冷凝器4的区段中，气体的工作介质2释放吸收的热量并且冷凝，从而工作介质流回到蒸发器3。
一侧密封的管7优选地由铜制成并且例如与法兰5焊接，该法兰为了容纳管7有利地具有接头。法兰5例如与接触杆21螺接并且为了保证气密和压力密封的连接具有切割环6，该切割环与接触杆21共同作用。
优选地接触杆21由软退火的铜制成，由于真空开关室的加工过程这通常总是这样的情况。法兰5由硬化的材料制成，优选地同样由铜制成，例如由拉硬质量的铜制成。
本发明也可以设置，接触件21的材料比法兰5的材料更硬，在这种情况下切割环6有利地设置在接触件21上。
管7或者至少其上部用作冷凝器4。为了增大用于冷凝工作介质2的表面，也可以在冷凝器中设有热管1的管道系统。为了改进在蒸发器3中的热量吸收，也可以在那里设置有热管1的管道系统。
为了在冷凝器4处有效地排放热量，在管7上设置有冷却肋装置8。有利地，基本上平行于轴线A定向的冷却肋绕着管成大约星形(径向)设置。图2示意性并且平行于轴线A剖切地示出这样可行的冷却肋装置。各个冷却肋也可以是分叉的(未示出)。
也可以例如借助于吹风机提供冷却肋8的强制冷却。
图3示意性地并且平行于轴线A剖切地示出冷凝器4的另一种可行的结构。冷却肋集成在冷凝器4中。冷凝器4具有多个长形或者扁平延伸的空腔8a。以这种方式，一方面实现从外面用空气(周围空气，必要时强制)冷却冷凝器4的大表面，并且另一方面实现工作介质从里面冷凝的大表面。
图4以示意性的剖视图示出在打开状态的根据本发明的实施方式的真空开关室。与图1中的真空开关室的区别在于，在图4中示出带有两个可移动的接触杆22的真空开关室。在两个可移动的接触件22中的一个中为了释放在真空开关室中产生的热量设置有集成的热管1。在另一个未示出的实施方式中，与图4的区别在于，没有设置热管的那个可移动接触杆被固定的接触杆21替代。
热管1的体积通过多个分体积构成，所述分体积设置在接触件12、接触杆22、柔性可变形的区域90、法兰5和管7中。热管1的设置在接触件12和接触杆22中的区域用作蒸发器3。由于吸收接触件12的热量，初始液体的工作介质2被蒸发并且通过柔性可变形的区段90上升到热管1的被称为冷凝器4的区段中，在冷凝器中气体工作介质2释放吸收的热量并且冷凝，从而工作介质返回到蒸发器3。
在额定电流中断的跳闸期间，接触件12和接触杆22通过未示出的驱动器被拉回并且将柔性可变形区段90挤压在一起并且靠在法兰5上。因此缩短了热管的长度。管7、冷凝器4以及冷却肋装置8在跳闸时没有被移动。由于蒸发器3和冷凝器4机械地脱耦，所以能够保持小的可移动质量。
热管1能够有利地如此设计，使得如果接触件11、12具有流经它们的电流时，在热管1中的内压力大约在900mbar和1300mbar之间。但是几个巴的压力也是可以的，特别是如果热管1大体上是金属的，并且因此能够容易的抵抗高压力并且保持气密。
合适的工作介质2例如是水、丙酮、例如3M公司的“FC-72”的二氢碳氟化合物，或者例如3M公司的“HFE-7100”的氢化氟代醚。
如图1所示的真空开关室的制造可以在两个分开的步骤中进行，在第一步骤中，组装构成体积10的部件和设置在体积10中的部件，并且有利地例如附连接触载体31、32以及外绝缘管80。在第二步骤中，然后填充工作介质2，并且附连属于热管1的其他部件(法兰5、管7、冷却肋装置8)。
所示的实施方式的一个优点在于，真空开关室能够使用热管或者不使用热管，通过简单的执行第二制造步骤或者放弃第二制作步骤。
通过将热管或者热管1的部件集成到真空开关室的载流导体中，能够实现小结构尺寸和大载流能力的真空开关室。
附图标记列表
1热管
2工作介质，工作流体
3蒸发器
4冷凝器
5法兰
6切割环，切割边缘
7管，一端封闭的管
8用于散热的装置，热交换器，冷却肋装置，散热器
8a长形或扁平延伸的空腔
10抽空的体积，真空
11接触件，固定的接触件
12接触件，可移动的接触件
15由防腐蚀材料制成的涂层
21接触杆，固定的接触杆
22接触杆，可移动的接触杆
31接触载体，固定的接触载体，杆
32接触载体，驱动的接触载体，杆
35切口，用于多接触片的切口，用于接触弹簧的切口
36螺纹
41盖，上室盖
42盖，下室盖
50绝缘体，绝缘管，陶瓷
60屏蔽件
70波纹管，折叠的波纹管
80外绝缘管
90柔性可变形的区段
A轴线，旋转轴线

Claims (17)

1.一种真空开关室，具有用于通断在关闭的开关状态下流经真空开关室的电流的第一接触件(11)和第二接触件(12)，并且具有至少一个包括工作介质(2)的热管(1)，所述热管用于释放真空开关室中电流所产生的热量，其中所述热管(1)包括被称为蒸发器(3)的区段和被称为冷凝器(4)的区段，其特征在于，所述热管(1)具有柔性可变形的区段(90)。
2.如权利要求1所述的真空开关室，其特征在于，所述柔性可变形的区段(90)设置在所述蒸发器(3)和所述冷凝器(4)之间。
3.如权利要求1或2所述的真空开关室，其特征在于，所述柔性可变形的区段(90)是由弹性可变形的材料制成的波纹管和软管。
4.如权利要求1或2所述的真空开关室，其特征在于，所述柔性可变形的区段(90)的长度能够伸缩变化。
5.如权利要求1或2所述的真空开关室，其特征在于，所述蒸发器(3)与所述第二接触件(12)紧密热接触。
6.如权利要求5所述的真空开关室，其特征在于，所述第二接触件(12)是可移动的接触件(12)。
7.如权利要求1所述的真空开关室，其特征在于，所述蒸发器(3)与所述第一接触件(11)紧密热接触。
8.如权利要求7所述的真空开关室，其特征在于，所述第一接触件(11)是固定的接触件(11)。
9.如权利要求7或8所述的真空开关室，其特征在于，所述蒸发器(3)的至少一部分集成在所述第一接触件(11)中。
10.如权利要求7或8所述的真空开关室，其特征在于，所述蒸发器(3)的至少一部分由所述第一接触件(11)中的空腔形成。
11.如权利要求7或8所述的真空开关室，其特征在于，所述冷凝器(4)具有用于散热的装置(8)。
12.如权利要求11所述的真空开关室，其特征在于，所述用于散热的装置(8)包括冷却肋装置(8)。
13.如权利要求12所述的真空开关室，其特征在于，所述真空开关室设计为基本上围绕轴线(A)旋转对称，并且所述冷却肋装置(8)的冷却肋基本上平行于轴线(A)定向。
14.如权利要求7或8所述的真空开关室，其设置有至少一个接触杆(21)，其特征在于，所述热管(1)具有带切割环(6)的法兰(5)，并且所述法兰(5)能与所述接触杆(21)气密和压力密封地螺接。
15.如权利要求7或8所述的真空开关室，其特征在于，其具有包括接触件(11、12)的抽空体积(10)，并且所述冷凝器(4)的至少一部分设置在所述体积(10)的外面。
16.一种开关装置，包括至少一个如前述权利要求中任一项所述的真空开关室。
17.一种借助于热管(1)冷却真空开关室的方法，其中工作介质(2)在被称为蒸发器(3)的地方吸收真空开关室中产生的热量而蒸发，并且在被称为冷凝器(4)的地方释放热量而冷凝并且冷凝的工作介质(2)又返回到蒸发器(3)，其特征在于，在开断过程中冷却时，所述蒸发器(3)和所述冷凝器(4)之间的距离通过热管(1)的柔性可变形的区段改变。
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