CN101523516A - 高压套管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电系统和此类配电系统中高压设备的冷却的领域。特别地，本发明涉及在此类系统中使用的高压套管的冷却。

Description

高压套管

技术领域

本发明涉及配电系统的领域，具体地涉及此类配电系统中的高压套管的冷却。

背景技术

电气器材和设备，尤其是配电系统中的高压器材具有很高的发热量，并且因此需要足够的冷却。例如，传统的HVDC(高压直流)换流器(converter)阀可以是空气绝缘以及以水冷却的。通常提供例如包括冷却水分配管道的冷却系统，该分配管道在形状上满足某些需要。外部冷却系统的另一个示例是使用风扇。

然而，在配电系统内还存在不由任何外部冷却系统冷却的电气设备。那些缺少外部冷却系统的设备继而代之以自冷却，即自然对流空气冷却或通过散发热辐射冷却或使用其组合进行冷却。此类自冷却设备的一个示例是穿墙套管。

高压套管是这样一种设备，其用于在高电势承载电流通过接地的屏障，屏障例如墙或诸如变压器箱的电气装置的壳。该套管依靠其绝缘性质保持电流不传入接地屏障。

可以以多种不同的方式设计套管。一个此类的套管是电容器式套管，其包括至少部分地由电容芯子(condenser core)包围的导体以及包括诸如陶瓷或聚合物材料的介电材料的本体的外绝缘体壳。在外绝缘体壳和具有包围的电容芯子的导体之间的空间填充有绝缘油或绝缘气体。电容芯子包括两侧都由绝缘材料包围的金属层。电容芯子负责在接近套管穿越建筑的墙壁或例如变压器箱的容器的壁的位置的空间中的均压。

另一类型的套管包括导体、反射器和包括诸如陶瓷或聚合物材料的介电材料的本体的外绝缘体壳。反射器具有与电容芯子相同的功能。导体、反射器和外绝缘体壳之间的空间通常填充有气体，例如六氟化硫或六氟化硫和其他气体的混合物。这是典型的穿墙套管。配电系统内的典型电压水平的范围从70kV AC或DC直到约500kVAC或DC。然而，电压水平不断增加并且对于DC可以总计为800kVDC，并且在未来继续增加到更高的电压水平。而且，电流水平可以高达4000-5000A，甚至更高。自然地，这样的高电压和电流水平导致了更高的发热量。

Freeman等人在US 5466891中公开了一种高压套管，在该高压套管中，其中浮接屏蔽，即既不电连接至地也不电连接至套管的高电势的屏蔽，通过置于该套管低电应力区域中的支撑绝缘体而悬挂在套管壳内。Freeman等人在他们的发明中以及在背景技术中公开了相对于本发明构成现有技术的那种高压套管，并且认为US 5466891构成最接近的现有技术。US 5466891中公开的套管传送AC或DC高压和电流，包括可电连接的导电体、包括包围该导体的绝缘体壳，并且还包括在绝缘体壳和导体之间填充有电绝缘气体的空间。

如果冷却不充分，则散发的热量将使套管的导体的温度增加。套管的导体通常由金属(通常是铝或铜)制成。由于穿墙套管通常被安装为相对于墙壁呈一定角度，使得雨水和湿气将滴走(例如，为了避免漏电故障)，套管的外部顶端相比于内部下端处于更高的水平。这意味着当主要存在导体的对流冷却时，在套管的外部顶端和内部下端之间存在温度差，因为较暖的气体倾向于向上流动并且较冷的气体倾向于向下流动。该温度差在套管的纵向方向上对外绝缘体壳引起热应力。而且，在套管的圆周方向上，沿外绝缘体壳的内表面存在温度差，因为在气体流中存在圆周变化，如在垂直于导体的平面中所看到的。这将对套管的外绝缘体壳引起圆周热应力。另一方面，如果通过辐射发射执行冷却，将不存在如上所述的此类温度差，因为，辐射冷却是各向同性的，即，在垂直于导体的平面中的所有方向上都相同。而且，在套管的纵向方向上将不存在任何温度差，因为冷却不依赖于从较暖部分到较冷部分或反向的气体流。增加辐射冷却将因此减轻外绝缘体壳的热应力，并且支持利用较高电压和电流的操作。

总之，希望实现高压套管的辐射冷却的改进。

发明内容

本发明的目的是在配电系统内提供套管的改进的辐射冷却。特别地，本发明的目的是提供对于非常高的电压和电流也足够的套管的改进辐射冷却，从而克服或至少减轻现有技术的上述缺陷，其中非常高的电压和电流诸如70和500kV之间的电压以及高达5000A的电流。

本发明的另一个目的是提供冷却装置，用于在由于电流和电压水平增加而在套管中增加散热功率时冷却套管，而不增加组成部分的大小。

除其他之外，通过如权利要求1所述的高压套管实现这些目的。

根据本发明，导电体涂敷有热辐射率显著大于所述导体的热辐射率的材料的表面层。

通过利用具有显著大于导体本身的热辐射率的导体上的表面层冷却套管的发明性方式，实现了具有成本效益并可靠的改进的冷却。借助于本发明，显著简化了套管的设计，因为外绝缘体壳中的温度差处于控制之下。特别地，即使利用较高电流和电压，套管的大小也不增加。而且，甚至针对高电流水平和高电压水平也实现了套管的足够冷却，例如，高电压范围高达500kV，并且甚至进一步直到非常高的电压水平。

根据本发明的实施方式，高压套管的导电体涂敷有表面层，该表面层具有至少比导体的热辐射率大3倍的热辐射率，更优选地具有至少比导体的热辐射率大5倍的热辐射率，最优选地具有至少比导体的热辐射率大7倍的热辐射率。本发明的优势在于此类层可以制作的很薄，并且将显著增加导体的热辐射率，而仍旧不改变套管任何尺寸上的需要。此类导体的示例是铝导体，其中“商业铝板(commercial sheet)”材料的辐射率是ca.0.09。通过增强表面的氧化，可以达到ca.0.3的辐射率。从而提供节约尺寸和具有成本效益的方案。

根据本发明的另一个实施方式，对由铝制成的导电体进行阳极化处理以达到显著增加导电体冷却性能的令人惊异的效果。经阳极化处理的导体的辐射率约为0.8。对于由铝制成的套管导体，该实施方式是有优势的，因为利用商业上可获得的和简单的装置使其更容易，并且导体关于冷却的效率得到了显著改进。

根据本发明的另一个实施方式，导电体涂敷有表面层，该表面层基本上包括氧化物。此类氧化物的示例是氧化铜、氧化铬和氧化镍。此类表面层的优势在于，可以达到非常高的辐射率。根据Handbook of Chemistry and Physics，1971-1972，第52版，由ChemicalRubber公司出版，例如，氧化镍的辐射率是0.85-0.96，这接近于“商业铝板”的辐射率的10倍。

根据本发明的另一个实施方式，导电体涂敷有表面层，该表面层基本上包括金属。此类金属的示例是钛、锰和铒。此类表面层的优势在于，该层可以制作得非常薄。根据Handbook of Chemistry andPhysics，1971-1972，第52版，由Chemical Rubber公司出版，例如，钛的辐射率是0.63，其是“商业铝板”的辐射率的7倍。

根据本发明的另一个实施方式，导电体涂敷有表面层，该表面层基本上包括氧化铝。氧化铝的优势在于，其固有地与通常用作导体材料的铝兼容。另一个优势在于其非常惰性并且无毒。

根据本发明的另一个实施方式，导电体涂敷有表面层，该表面层基本上包括有机物或半有机物。此类物质的示例是丙烯酸聚合物涂料和环氧涂料。此类层材料的优势在于，它们非常容易通过使用刷子或喷涂设备来涂敷。另一个优势在于该表面层是不昂贵的，因为材料和涂敷方法都是低成本的。

针对该表面，层厚度测量为考虑了平均偏差R_a的层的外表面和接触导体本体的、考虑了平均偏差R_a的层的较低表面之间的差。对层的研究已经示出，表面光洁度取决于精确度(参见，例如，S.Jacobsson和S.Hogmark的Tribologi，Karleboserien，Liber UtbildningAB，

 1996，第16页)。

R_a＝1/L·∫|z(x)|dx

具有下限x＝0和上限x＝L。

在从属权利要求中定义了其他实施方式。

当阅读以下详细描述时，本发明的其他特征、优势和目的将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的高压套管的总视图。

图2是沿图1中的线A-A的高压套管的导体单元的示意性剖面图。

具体实施方式

贯穿全文，尽可能使用相同的参考标记以代表相同或相近的部分。

根据本发明实施方式的套管在图1中示出。该套管包括高压导体单元10。在图2中，示出了图1的套管1的高压导体单元10的剖面图。高压导体单元10包括导电体11和具有热辐射率显著大于导体11的热辐射率的材料的辐射表面层12。高压导体单元10穿过空的套管绝缘体13的中心，该套管绝缘体13形成了围绕高压导体单元10的壳。通常，对于室外应用，绝缘体壳13由陶瓷或例如环氧物的聚合物材料制成，其外侧包括硅外裙(silicone shed)。

在反射器套管中，为了均压，在绝缘体壳13内提供旋转对称反射器14。套管和其周围结构上的电压应力包括AC和DC分量。AC分量均压取决于绝缘材料的介电常数。DC分量均压取决于绝缘材料依赖于温度的电阻系数。提供法兰16以将套管的绝缘体壳13通过壁18连接至地。尽管在图中示出了反射器套管，但是应该认识到，本发明也可以用于非反射器套管。

根据本发明的实施方式，导电体11由铝制成，并且表面层12由阳极氧化铝制成。阳极氧化铝的表面层12通过阳极化处理和对阳极化处理的层的密封来应用。该层具有约0.8的热辐射率，其显著大于约为0.09的铝导体本身的热辐射率。在该具体实施方式中，层的厚度约为20μm。该厚度还可以小于20μm，直到约5μm。还可以大于20μm，直到约40μm。

在本发明另一个实施方式中，套管的高压导体11由铝制成并且配备有有颜色的环氧涂料的表面层12。环氧涂料被刷在导电体11上。该具体实施方式中的颜料是氧化锌。应该认识到，可以使用使环氧涂料不透明的任何其他合适的颜料。该层具有约0.8的热辐射率，其显著大于高压导体本身的热辐射率。在该具体实施方式中，此类层的厚度约为50μm。

在本发明另一个实施方式中，高压导体11由铝制成并且配备有基于水的丙烯酸聚合物涂料的表面层12。基于水的丙烯酸聚合物涂料包括氧化钴颜料。应该认识到，可以使用使基于水的丙烯酸聚合物涂料不透明的任何其他合适的颜料。该层具有约0.9的热辐射率，其显著大于高压导体本身的热辐射率。在该具体实施方式中，此类层的厚度约为40μm。

在本发明的另一个实施方式中，高压导体11由铜制成并且配备有钛的表面层12。应该认识到，可以使用任何其他合适的金属或合金。该层具有约0.6的热辐射率，其显著大于约为0.1的高压铜导体本身的热辐射率。在该具体实施方式中，此类层的厚度约为10μm。

通过利用表面层增加热辐射率的冷却套管的发明性方式能够实现具有成本效益和可靠的改进的冷却。借助于本发明，显著简化了套管的设计，因为导体的温度和套管的绝缘壳的温度差保持在较低水平。对于较高的电压，例如800kV DC，现有技术套管将必然变得非常大，以便承载例如4000A。对高压套管的发明性冷却给出了较小导体直径，并且从而减小了整个套管的大小。

而且，甚至针对高电流水平和高电压水平也实现了套管的足够冷却，例如，高电压范围从500kV DC直到800kV DC，并且进一步直到非常高的电压水平。

本发明例如可用于阀厅(valve hall)穿墙套管和室内平波电抗器套管。

在前面详细的描述中，参考其具体示例性实施方式描述了本发明。在不脱离如权利要求书中记载的本发明的范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和改变。因而，将说明书和附图看作是说明性的，而不是限制意义。因此，尽管氧化物、有机涂料和金属已经描述为是用于高压导体上的表面层的优选材料，但是其他材料也可能替换用来它们。

Claims (9)

1.一种高压套管(1)，用于传送AC或DC高电压和电流，所述套管包括可电连接的导电体、包围所述导体的绝缘体壳(13)以及在所述绝缘体壳和所述导体之间填充有电绝缘气体的空间，其特征在于，所述导电体涂敷有具有热辐射率显著大于所述导体的热辐射率的材料的表面层(12)。

2.根据权利要求1所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)具有至少比所述导体的热辐射率大3倍的热辐射率。

3.根据权利要求1所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)具有至少比所述导体的热辐射率大5倍的热辐射率。

4.根据权利要求1所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)具有至少比所述导体的热辐射率大7倍的热辐射率。

5.根据前述任一权利要求所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)基本上包括金属。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)基本上包括氧化物。

7.根据权利要求6所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)基本上包括氧化铝。

8.根据权利要求1-4所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)包括阳极氧化铝。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的高压套管(1)，其中所述表面层(12)基本上包括有机物或半有机物。

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