CN101599326A - 高压套管、包括此套管的高压设备及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明限定一种高压套管，其包括：中空绝缘体外壳(12)；设置于外壳内的高压导体(10)；第一连接装置(30)，导体能在第一连接装置(30)处连接到第一电力设备；以及第二连接装置(32)，导体能在第二连接装置(32)处连接到第二电力设备。进一步限定所述第一连接装置和所述第二连接装置中的至少一个设计为外部连接装置，导体(10)在所述外部连接装置中具有延伸端部(38)，套管包括出口(34)，导体的延伸端部(38)穿过出口(34)伸出套管，以使导体的延伸端部能被连接到电力设备，并且套管进一步包括用于冷却套管的冷却装置(40；50；60)。

Description

高压套管、包括此套管的高压设备及冷却方法

技术领域

本发明涉及高压电力系统的领域，具体地说涉及使用于形成这种系统的部件的高压设备中的高压套管。

背景技术

已知例如高压变压器、电抗器、开关设备等高压装备和设备通常配备有套管，这种套管适于穿过接地屏障输送高压电流，例如所述接地屏障可以是变压器箱等电力设备的壁或箱体。

传统的高压套管包括由陶瓷或复合材料所制成的绝缘体，所述绝缘体通常设置有裙部并且通常是中空的。在套管内，由穿有电导体的电容芯子或一些其它类型的均压设备进行均压作用。电导体将套管的连接高压电力设备的一侧与套管的连接另一电力设备的另一侧连接。例如，当第一电力设备是变压器时，套管装配在变压器箱体上，且套管的导体将变压器的内部和外部连接，在外部处可连接例如总线、电涌放电器或直流(DC)阀等另一电力设备。

现在参照图1描述适于与高压变压器一起使用的现有技术套管的示例，图1中示出安装于例如变压器情况下的箱壁等壁18中的套管1的示意性横剖视图。高压导体10延伸穿过中空套管绝缘体12的中心，中空套管绝缘体12形成绕高压导体的外壳。电容芯子14设置于绝缘体外壳内部，用于对形成在高压导体10周围的电压应力进行均压。在外壳12的外侧上设置有法兰16，套管的外壳借助于法兰16并经由变压器箱壁18接地。

在图1中还示出高压导体10的底部端部怎样形成设置成连接到变压器内部组件的底部触头20。为此目的，在变压器内部提供相匹配的内部触头22。在套管的与底部触头20端部相反的上端部处提供用于导体10的上部外端子24。外端子24通过接触面电连接到导体10，也形成套管的顶盖，以将导体以及因此将变压器电连接到外部电源或设备。

术语“高压”传统上用于指大约50kV以上的电压。现在，商用高压设备的上限通常是1100kV，但在不远的将来也可设想到更高电压，例如1200kV或甚至更高。电流等级也在提高，并且可达到4000-5000A或甚至更高。

对于800kV以及以上范围的高压以及2000A以及以上的额定电流，例如当涉及到套管的散热、冷却、电场、电绝缘等时，对于套管的要求自然也提高。在本文中，它必需具有低损耗并能进行有效地冷却，特别是能够达到目标电流。现在套管的损耗主要是由于导体内损耗以及套管的不同部件之间的电路内的各个触头或接头中的损耗而发生的。导体本身的损耗可通过选择导体的材料、形状以及尺寸而得到最优化。对于图1中所示的现有技术套管的外端子24内的损耗，电流被迫从导体10经由接触区域流到套管的顶盖并通过顶盖本身，然后经由顶盖外侧上的另一触头流到外端子24以及外部连接装置。已经认识到较少的接头将减少损失，则在高压和高电流应用中是有利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进现有技术的套管的高压套管，其可以达到上述的高的电压等级和高的额定电流。

本发明的另一目的是提供一种包括此种高压套管的高压设备，并另外提供一种用于冷却高压套管的方法。

这些目的以及其它目的由独立权利要求中限定的高压套管和高压设备来实现。

依据本发明，一种高压套管被限定为包括：中空绝缘体外壳；设置于外壳内的高压导体；第一连接装置和第二连接装置，所述导体在第一连接装置处能够连接到第一电力设备，并且所述导体在第二连接装置处能够连接到第二电力设备，其特征在于，所述第一连接装置和所述第二连接装置中的至少一个设计为外部连接装置，其中所述导体具有延伸端部，并且套管包括出口，所述导体的延伸端部穿过出口伸出套管，以使导体的延伸端部能够连接到电力设备，以及套管进一步包括用于冷却套管的冷却装置。

本发明的优点在于因为减小了接触表面并减少接合处，所以降低了损耗。根据本发明，因为电流不必流过顶盖，而是可从导体直接流到安装在导体上并位于外壳外部的触头，所以现有技术的外部端子的接触区域中的至少一个是多余的。损耗降低将减少对套管进行冷却的需要。

另一优点是通过将热量直接传递到周围空气而改进对导体的冷却，这在导体延伸到套管外侧时是可行的。改善后的冷却效果将使得通过套管能够传递更高的功率，即增加电压和/或电流。

又一优点是，因为需要具有电流接触功能的部件更少，所以增加了对于高电流的稳定性。

另外，用于冷却套管的专用冷却装置的特征将进一步改善冷却并有助于增加电压的可能性。

依据本发明的一个实施方式，冷却装置可包括热连接到导体的延伸端部的散热器，热量通过散热器从套管传导走并因此实现冷却。来自套管内的损耗的热量传递到导体，然后传递到散热器，因此可被传导走。

依据一个替代方案，散热器可与延伸端部直接热接触。

依据再一替代方案，散热器可热连接到将导体保持在出口处的设备。

依据又一替代方案，散热器可热连接到套管的外壳。

依据本发明的一个方面，散热器包括由具有高导热性的材料所制成的本体。

散热器可设置有散热片。

依据另一实施方式，散热器热连接到设置在套管上的冠状罩体。为了进一步改善冷却效果，冷却装置可包括将散热器与冠状罩体连接的导热管。

依据又一实施方式，散热器包括沿径向设置在导体的延伸端部外侧的冠状罩体。如果在套管上已经存在冠状罩体，则将它用作散热器非常实用。

依据本发明另一方面，散热器包括由轻质材料制成的中空本体。此种本体的形状和尺寸将适配于各种具体情况下的条件。

散热器中的热量可通过自然对流传递到周围空气。

替代地，散热器中的热量通过强制对流传递到周围空气。为此目的，冷却装置可包括设置用来提供强制对流的风扇。

依据另一替代方案，散热器中的热量由冷却流体移走。

散热器可包括内部循环有冷却流体的至少一个通道，并且所述通道可设置有用于将所述通道连接到外部冷却系统的连接设备。

当散热器是冠状罩体时，冠状罩体可为内部循环有冷却流体的环形管。

依据本发明的另一方面，套管包括形成外壳的一部分的盖，且用于导体的出口设计为盖中的孔，导体的延伸端部穿过所述孔伸出套管。通过使导体穿过盖，与现有技术相比，接合处的数量减少，并降低了热损耗。盖可设计为分离部件，或设计为外壳的一体部分。

本发明性高压套管主要应用为直流套管。但是，它也可为交流(AC)套管。

本发明性高压套管可为气体绝缘套管。

本发明性套管的外部连接装置可为外部空气触头，即将套管的发明性细节应用于套管的触头，所述触头位于套管上与周围空气接触的端部处，例如对应于图1中现有技术的外部端子的端部处。

套管可为如下这种套管，即其外壳是密封外壳，因此套管的内部与套管的周围密封隔离。这在套管内存在不能泄漏到周围环境中的绝缘介质时是必需的。

依据本发明，进一步限定了一种高压设备，其包括如限定套管的权利要求中的任一项所述的套管，并且所述高压设备是能够连接导体的第一电力设备或第二电力设备中的任何一个。

最后，依据本发明限定了一种用于冷却高压套管的方法，其特征在于，将套管导体延伸到套管的外侧。

根据本发明的以下详细描述，其它特征、优点以及目的将变得很显然。

附图说明

现参照图示本发明实施方式的附图并仅以示例的方式对本发明进行描述，其中：

图1以横剖视图的形式示意性地图示现有技术的高压套管；

图2a以横剖视图的形式示意性地图示本发明的高压套管的实施方式；

图2b以横剖视图的形式示意性地图示图2a中所示实施方式的变型；

图3是以横剖视图的形式图示依据本发明的套管的上部在设置有冷却装置的第一实施方式时的示意性放大图；

图4是以横剖视图的形式图示依据本发明的套管的上部在设置有冷却装置的第二实施方式时的示意性放大图；

图5是以横剖视图的形式图示依据本发明的套管的上部在设置有冷却装置的第三实施方式时的示意性放大图；以及

图6是以横剖视图的形式图示依据本发明的套管的上部在设置有冷却装置的第四实施方式时的示意性放大图。

具体实施方式

在本说明书中，术语“高压”(HV)将用于指50kV以及以上的电压。当前商用高压的上限是1100kV，但可以预见本发明也可用于更高的电压，达到1200kV或甚至更高。一般而言，本发明将应用于大约200kV以上的电压。

在图2a中示意性地图示依据本发明的套管的实施方式。除了具有外端子24的上部以及本发明不限于具有电容器14的套管之外，这种实施方式的套管的主要部件大体上与图1的现有技术的套管的相同。在以下描述中，在任何适当的时候，相同附图标记在不同附图中用于标示相同或对应的部件。

图2a中的发明性套管包括形成外壳12的中空套管绝缘体。高压导体10穿过外壳的中心延伸。绕外壳设置有法兰16，以通过接触壁18将套管的外壳连接到地电势。壁18可以是使用高压套管的任何类型的高压电力设备的壁。例如，当电力设备为变压器时，壁18将为变压器箱壁。在套管内部，围绕导体10也设置有一些类型的均压设备14。

在套管的底部处有呈触头形式的第一连接装置30，其用于将导体与位于套管该侧上的电力设备的相应触头22连接。下面将位于套管该第一侧上的电力设备称作第一电力设备。在第一电力设备为变压器的情况下，呈触头形式的第一连接装置30将位于变压器内侧，且变压器将具有相匹配的内部触头22。在套管的上端处，在壁18的另一侧上，设置有呈外部连接装置形式的第二连接装置32，其包括位于壳体12中的出口34，导体10通过出口34从套管中伸出。该出口设置有具有孔36的顶盖35，导体10穿过孔36延伸到套管的外侧。在下述中将该侧称为套管的第二侧。通过该导体具有形成导体的延伸自由端的延伸端部38，导体10可被描述为延伸到套管外壳的外部。延伸到套管外部的导体端部38适于与第二电力设备接触。在套管被装配到变压器的情况下，套管的第二侧例如可连接到外部设备、总线或电缆。

在图2b中图示出图2a中的实施方式的变型，并且使用相同的附图标记。图2b中的变型与图2a中的实施方式的不同之处在于外壳12的壁延伸超过导体10的延伸自由端部38。另一描述图2b中变型的方式是具有导体的突出延伸端部38的盖35设置为凹进套管的外壳12的上端内。

在图3中图示依据本发明的套管的上部，该套管包括冷却装置的第一实施方式。该套管本身大体上基于图2a中所示的套管。相同的附图标记用于标示与图2a和图2b的实施方式中相应的特征，且在此不再对这些特征重复描述。这一方式也适用于图示其它实施方式的附图。套管的导体10具有延伸到套管外部的延伸端部38。绕该延伸端部设置有散热器40。例如通过直接连接到该端部、或通过连接到将导体保持在出口34处正确位置的一些种类的保持设备或夹持设备，散热器被热连接到导体的端部38。替代地，散热器可与外壳12热接触，如果有分离的盖则在大多数情况下经由盖35与外壳12接触。当然也可以对所述用于实现导体和散热器之间热接触的替代方案进行组合。

散热器40由具有高导热性的材料制成，例如合适的金属，诸如铜、铝等。散热器可为实心的，或如下文将进一步描述的那样具有冷却通道。散热器可具有适用于各实际情况下的任何形状，且它的尺寸/质量可根据情况不同而调整为适合具体需要。为了进一步提高冷却效果，散热器的表面可设置有散热片(未示出)。套管内部损失的热量经由导体10传递到散热器40，并且可或者通过自然对流或者通过使用对流强制冷却而从散热器传导到周围空气或气体，使用对流的强制冷却可由包括设置用来将空气或气体吹送到散热器上的风扇的冷却装置来实现。其它替代方案可包括用某些其它种类的冷却介质围绕散热器。

在图4所示的实施方式中，套管包括用于冷却的装置的第二实施方式。在这种实施方式中，图3的散热器与沿径向设置在导体10的延伸端部38外侧的冠状罩体42组合在一起。冠状罩体可为金属或一些其它导电材料制成的例如环形的中空体或实心体。冠状罩体热连接到套管1的外壳12，并因此热连接到导体10。在大多数情况下，冠状罩体将由包括板、杆或类似物的支撑设备52连接到外壳的盖35。冠状罩体经常具有很大的体积，并因此提供用于将热传递到周围的大的表面。对于这种实施方式，也可利用自然对流、强制对流等。作为选择，可提供用于改善散热器和冠状罩体之间热传递性能的附加设备，例如设置于散热器40和冠状罩体42之间的导热管44。

在图5的示意性图示中，套管包括用于冷却的装置的第三实施方式。这种用于冷却的装置仅包括冠状罩体50，且它沿径向设置在导体10的延伸端部38的外侧。如上所述，冠状罩体可为金属或某些其它导电材料制成的中空或实心的环。在此将它图示为中空管，其例如由诸如铝等轻质材料所制成。冠状罩体经由连接到盖35的支撑设备52热连接到套管1的外壳12并因此热连接到导体10。当冠状罩体是管时，管的内部可用于循环冷却介质，例如气体、空气、或诸如水或油等液体。为此目的，它可连接到外部冷却系统。当然，对于图4中的实施方式也可想到类似的解决方案。作为替代方案，可使用导热材料制成的轻质体，其没有冠状罩体的功能，而是仅具有增强冷却的功能。此种轻质体可具有适于这种情况的任何可设想到的形状，且它也可能是中空的以使得可以循环诸如空气等冷却流体。

在图6中示出冷却装置的第四实施方式，其中图示出与图3的相似的散热器60。在这种散热器60中设置有在其内可循环冷却流体的通道62。为此目的，该通道经由连接装置连接到外部冷却系统(未图示)。这种通道也可分成若干个通道，以实现来自冷却系统的冷却流体的良好循环。冷却流体可为液体或气体，例如空气、水或油等。

应当理解，所述实施方式的组合当然也是可以的。还应当提及的是，尽管所给示例主要是基于图2a中所示的套管类型，但图2b中所示的变型也可改型以包括冷却装置，例如根据图5中的实施方式的装置，反之亦然。

在图2a、2b、3、4、5以及6中的实施方式中，示出外壳12包括位于其上端处的分离的盖35。这种盖设置有出口34，导体10的端部38通过出口34伸出套管。替代地，所述盖可一体地形成在外壳内，并与外壳形成单件。

因为导体延伸穿过盖、或外壳上相应的一体部分，所以热量可从导体传递到盖、外壳、冠状罩体并传递到周围空气。并且也确保了导体、盖、外壳以及冠状罩体之间的电接触。

在所示的实施方式中，套管仅设置有一个依据本发明的外部连接装置，即位于上端处的第二连接装置32。第一连接装置30图示为现有技术中使用的常规触头。但是非常明显，在任何适当的时候，第一连接装置30也可以与所示第二连接装置32相同的方式设计。例如当该套管是阀厅之间的穿壁套管时就可以是这种情况。

所述套管可用于直流应用和交流应用中。

在本说明书中已经指出变压器可为其上使用有该发明性高压套管的高压设备。但是，应当强调的是，该发明性高压套管也可与其它类型的高压设备一起使用，例如电抗器、断路器、发电机、开关设备或任何其它合适的可应用于高压系统中的设备。另外，在本发明的上下文中，术语“电力设备”和“高压设备”也应该解释为包括电缆、总线、电涌放电器、直流阀等。

当该发明性套管用于变压器中时，在变压器内部使用油作为绝缘介质，而在套管的另一侧，例如在高压直流(HVDC)阀厅中，介质为空气。这种套管通常被称为空气-油液套管。但是，如上所述，依据本发明的套管适用于很多电力设备中，而无需考虑套管各侧的介质，例如空气-空气(穿壁套管)、空气-气体(气体开关设备)等。还应当提及的是，本发明在套管内部的绝缘介质的选择方面不受到任何限制。它例如可为气体、油、胶凝或其组合。

本领域技术人员可以理解，本发明并不局限于上述仅以示例方式给出的实施方式，而是可在所附的权利要求的范围内以多种方式进行变型和改型。

Claims (18)

1.一种高压套管，包括：

中空绝缘体外壳(12)；

设置于所述外壳内的高压导体(10)；

第一连接装置(30)和第二连接装置(32)，所述导体在所述第一连接装置(30)处能够连接到第一电力设备，并且所述导体在所述第二连接装置(32)处能够连接到第二电力设备，

其特征在于，所述第一连接装置和所述第二连接装置中的至少一个设计为外部连接装置，其中

所述导体(10)具有延伸端部(38)，

所述套管包括出口(34)，所述导体的所述延伸端部(38)穿过所述出口(34)伸出所述套管，以使所述导体的所述延伸端部能够连接到电力设备，以及

所述套管进一步包括用于冷却所述套管的冷却装置(40；50；60)。

2.如权利要求1所述的高压套管，其特征在于，所述冷却装置包括热连接到所述导体(10)的延伸端部(38)的散热器(40；50；60)，热量通过所述散热器从所述套管传导走并因此实现冷却。

3.如权利要求2所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)与所述延伸端部(38)直接热接触。

4.如权利要求2所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)热连接到将所述导体保持在所述出口(34)处的设备。

5.如权利要求2所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)热连接到所述套管的外壳。

6.如权利要求2至5中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)包括由具有高导热性的材料所制成的本体。

7.如权利要求6所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40)热连接到设置在所述套管上的冠状罩体(42)。

8.如权利要求7所述的高压套管，其特征在于，所述冷却装置包括将所述散热器(40)与所述冠状罩体(42)连接的导热管(44)。

9.如权利要求2至5中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器包括沿径向设置在所述导体(10)的延伸端部(38)外侧的冠状罩体(50)。

10.如权利要求2至5中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器包括由轻质材料制成的中空本体。

11.如权利要求2至10中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)中的热量通过自然对流传递到周围空气。

12.如权利要求2至10中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)中的热量通过强制对流传递到周围空气。

13.如权利要求2至10中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(40；50；60)中的热量被冷却流体带走。

14.如权利要求13所述的高压套管，其特征在于，所述散热器(50；60)包括内部循环有冷却流体的至少一个通道，并且所述通道设置有用于将所述通道连接到外部冷却系统的连接设备。

15.如权利要求9所述的高压套管，其特征在于，所述冠状罩体(50)是内部循环有冷却流体的环形管。

16.如权利要求1至15中任一项所述的高压套管，其特征在于，所述套管包括形成所述外壳(12)的一部分的盖(35)，且用于所述导体(10)的所述出口(34)设计为所述盖中的孔(36)，所述导体(10)的延伸端部(38)穿过所述孔(36)伸出所述套管。

17.一种包括如权利要求1至16中任一项所述的高压套管的高压设备，并且所述高压设备是能够连接所述导体的所述第一电力设备或所述第二电力设备中的任何一个。

18.一种用于冷却高压套管的方法，其特征在于，将套管的导体延伸到所述套管的外侧。

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