CN101656406A - 带冷却的高压开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带冷却的高压开关，具体而言，封装式高压开关包括产生热量的导体、包围该导体的金属盒体、以及冷却单元。冷却单元的冷却器固定在盒体的实施成装配板的部件上并具有布置在盒体外的冷却肋。在冷却器的构造成冷却块的截段中，冷却肋的至少一部分布置成与装配板平行且如此地保持在固定于装配板处的热量分配器处，即，使得在热量分配器的两侧分别形成两组冷却槽中的一组，在这些组中，冷却槽分别按照三明治的样式而布置且相对于水平线倾斜地指向。通过冷却器的构造和布置实现尽可能地不依赖开关的周围环境的冷却能力。因此该开关以提高的额定电流承载能力而出众。

Description

带冷却的高压开关
技术领域
本发明涉及高压技术领域并涉及根据权利要求1的前序部分的高压开关。这种开关通常构造成功率开关、负荷开关或断路开关，并且，具有一个或多个多相交变电流导体、容纳该一个或多个导体的金属盒体(Metallkapselung)、以及至少一个冷却单元(Kuehlelement)，利用该冷却单元将高压设备中的开关运行期间由于该一个或多个导体中的电流损耗而产生的热量从盒体中除去。如果开关用于承载高电流的设备，例如发电机引线(Generatorableitung)，则其在介于1kV和70kV之间的额定电压下传导典型地在6kA和40kA之间的额定电流。如果开关应用在高压网的气体隔绝式封装式(gekapselten)开关设备中，则其在介于70kV和800kV之间的额定电压下传导典型地为2kA至6kA的额定电流。
在所提及的电流下由于欧姆损耗发生导体(其大部分为管状)的强烈的变热。导体通常包括高压开关的额定电流通路(Nennstrombahn)，因为在那里由于触点而出现比导体的材料中更高的电流损耗且由此还出现更高的热形成。在额定电流运行期间，在开关中不允许超过按标准规定的最高温度，例如105℃，并因此不允许超过由此得出的最大温升，例如65℃，从而，开关的最大额定电流受到限制。因此，通过导体的冷却而将损耗热量从设备中除去，以使导体的运行温度保持在所允许的最高温度之下。
背景技术
在文件EP 1 496 534B1和文件EP 1 657 731A1中描述了开头所提及类型的构造成三极发电机开关的开关极的高压开关。该开关具有布置在金属盒体中的相导体，在发电机引线中的开关的运行中，由于欧姆电流损耗，该相导体变热。因此，高压开关包括带有保持在金属盒体上的冷却器的冷却单元。冷却器固定在盒体的实施成装配板的部件上并具有布置在盒体外的冷却肋(Kuehlrippen)。在相导体中形成的热量通过盒体中所存在的空气(EP 1 496 534B1)或通过在相导体处蒸发的液体的蒸汽(EP 1 657 731A1)而输送给冷却器。通过空气的冷却或者相应地(resp.)通过蒸汽的冷凝而放出的热量由冷却器吸收并通过冷却肋而放出至环境空气。因此，在本质上不改变的尺寸下实现了开关的较高的电流承载能力。
发明内容
本发明的任务是，提供这样的开头所提及类型的高压开关，该开关尽管构造简单且金属盒体尺寸维持不变但以提升的额定电流承载能力而出众。
在根据本发明的高压开关中，在冷却器的构造成冷却块的截段中，冷却肋的至少一部分布置成与金属盒体的装配板平行且如此地保持在固定于装配板处的热量分配器处，即，使得在热量分配器的两侧分别形成两组冷却槽中的一组，在其中，冷却槽各自按照三明治的样式(nach Art eines Sandwichs)布置且相对于水平线倾斜地指向(ausrichten)。
由此冷却器的效率被提高，因为，由于冷却槽的相对于水平线倾斜的布置实现了烟囱效应(Kaminwirkung)。在冷却槽上端处流出的已变热的空气在此持续地被冷的环境空气所代替(该冷的环境空气在冷却槽的下端处被吸取且在此从冷却肋吸收热量)。由于该冷却过程主要地由设备的热参数(例如冷却肋的温度和外部空气的温度之间的差)所决定，因而该过程几乎与难以顾及的外部干扰因素(例如风和日射)无关。因此，即使在弱风下或在强日射下也可实现良好地产生的穿过冷却器的冷却空气流。因此，与在根据现有技术的、带有在其中冷却肋直接布置在金属盒体外侧面处且通常与金属盒体外侧面形成直角的冷却器的高压开关中相比，在根据本发明的高压开关中更多的热量可被导出。
此外，由于三明治结构，冷却肋不直接地遭受周围环境的影响且因此与根据现有技术的高压开关中的冷却肋相比明显更少地受污染。此外，通过三明治结构实现了这样的构造得相当紧凑的冷却器——与结合在根据现有技术的开关中的冷却器相比，在相同体积下，该冷却器具有更大的表面积且由此也具有更高的效率。在采用热管(Waermerohr)作为冷却单元时，根据本发明的开关的该有利的效果是尤其有利的，因为，热管的、由其冷却器的过低的性能(由于不利的环境影响、例如过于小的风或过于强烈的日射)所导致的失效被避免。
如果在根据本发明的开关中热量分配器构造成板且利用从冷却肋突出的棱(Kante)安置在装配板处，则导体中产生的热量尤其均匀地在相关联的冷却块中被分配。由于有足够空间可提供给板(相对于金属盒体而言在径向上)，所以大量的热量可被放出到环境空气中且因此更大的额定电流可被传导。
如果被引导穿过装配板的固定元件例如通过切削加工(尤其是例如铣削)而成形到棱中，则冷却块可在生产冷却器时以生产技术方面有利的方式(优选通过焊接)而安置在装配板处。
在导体中形成的热量典型地可通过辐射、金属盒体中的绝缘气体(尤其是例如空气)的对流(Konvektion)、金属盒体中的绝缘气体的强制循环，或通过在导体处蒸发的液体的蒸汽的冷凝而从导体到达冷却器。如果热量通过在导体处蒸发的液体的蒸汽的冷凝而到达冷却器(例如借助热管)，则可取的是，热量分配器具有用于将热量从金属盒体输送至冷却器中的蒸汽的冷凝的空腔。出于生产技术的原因，如果被引导穿过装配板并与装配板刚性地相连接的空心的凸耳被成形到棱中(空心的凸耳将空腔与冷却单元的布置在盒体内部的蒸发器相连接)，则是有利的。那么，一方面，热量分配器(且由此，相关联的冷却块也)利用该凸耳而被配合到装配板的开口中且例如通过焊接而真空密封地(vakuumdicht)附在装配板处。而另一方面，同时还实现了用于热量分配器的空腔和蒸发器之间的蒸汽和液体的真空密封的连接。
在一种适用于大量生产的且由此特别成本低廉的用于制造冷却块的方法中，热量分配器和冷却肋的固定在热量分配器处的部分应实施成挤压成的空心型材(stranggepresstes Hohlprofil)。如果冷却块具有该型材的按定尺剪切(abgelaengten)并在端面处与封闭片真空密封地相焊接的截段，则冷却块可特别简单地由该空心型材制成。
为达到特别高效的冷却能力，有利的是，在装配板处固定有至少两个构造成尽可能地相同的冷却块，且在装配板的背对冷却块的侧面处保持有空心的集流槽(Sammelkanal)，该集流槽与蒸发器且与两个冷却块中的每个的空腔真空密封地相连接。
为了保证冷却器的可靠的运行并由此确保根据本发明的高压开关的可靠的运行，集流槽具有真空密封地与蒸发器相连接的管接头(Rohrstutze)以及至少一个构造成空心的、用于辅助仪器(例如服务装置和/或过滤器)的真空密封的联结的连接件。
通过如下方式，即，在这些冷却块中的一冷却块的背对集流槽的那些端部处安装有布置在盒体外的、将热量分配器的空腔彼此连接的连接通道，则使得冷却器中的液体和蒸汽的循环变得容易且由此提高了冷却器的冷却能力。因此可额外地将热量从金属盒体中导出，且相应地，根据本发明的高压开关可承载进一步地更高的额定电流。
附图说明
接下来借助附图进一步解释本发明的实施例。其中：
图1显示了穿过根据本发明高压开关的、示意性地示出的实施形式的截面的平面图，该实施形式构造成三极发电机开关的开关极，
图2在透视图中显示了固定在装配板上的冷却器，该冷却器在分隔线T左侧结合到根据图1的开关极中，
图3显示了根据图2的冷却器的俯视图，
图4在放大视图中显示了包括在根据图2和图3的冷却器中的冷却块的俯视图，而
图5显示了穿过根据图3的冷却器的沿V-V截切的截面的、在箭头方向上的平面图。
参考标号列表
10        导体
20        金属盒体
21        顶部斜坡
22        装配板
23        间隔块
24        包边
30，30’  冷却单元
31        蒸发器
32        绝缘体
33        柔性软管
40        冷却块
41        冷却肋
42        热量分配器
43        冷却槽
44        棱
45        空腔
46        集流槽
47        管接头
48，48’  连接件
49        连接通道
50        固定元件
51        空心的凸耳
52，52’  封闭片
53        穿透部
K，K’    冷却器
L         包围在金属盒体中的空气的上升暖气流
R         肋
T         分隔线
W         由冷却器放出的热量
在附图中使用的参考标号及其含义总结在参考标号列表中。原则上，在图中，相同的或起相同作用的部件设有相同的参考标号。对本发明的理解而言不重要的部件部分地未示出。所描述的实施例以示例性的方式代表本发明对象而不具有限制作用。
具体实施方式
图1中所示的开关极具有管状的导体10，该导体10被按照房屋样式构造而成的填充有空气的金属盒体20(优选基于铝)所包围。于在发电机引线中的运行期间，被保持在限定的电位(例如地电位)上的导电的盒体20与该导体10之间存在典型地为10kV至40kV的高压，且导体传导典型地为6kA至40kA的高的工作电流。由于导体10的材料中的以及开关极的触点(如额定电流触点)处的欧姆损耗，导体10典型地变热至超过100℃。
为了导出损耗热量，利用两个冷却单元30、30’来冷却导体10，其中，在分隔线T左侧示出的冷却单元30构造成热管而在分隔线右侧示出的冷却单元30’利用由箭头L所标记的、金属盒体中被加热空气的上升暖气流(Thermik)以用于传热。每个冷却单元30、30’包括保持在盒体20上的冷却器K、K’，其将热量W放出至环境空气。构造成热管的冷却器30包含液态的工作介质，该工作介质在其液相中在热管的被称为蒸发器31的截段中伴随着导体中所形成损耗热量的吸收而蒸发，且由此形成的该工作介质的蒸汽在热管的包括冷却器K的截段中伴随着冷凝热的放出而冷凝。此外，热管具有空心的绝缘体32，该绝缘体32用于蒸发器31与冷却器K之间的或者相应地与柔性软管33(该柔性软管33与冷却器的空腔相连接)之间的电隔绝，并且使得处于液相和气相的工作介质的引导成为可能。冷却器K和K’分别布置在金属盒体20的顶部斜坡(Dachschraege)21处且分别与环境空气成热接触，从而，热量的有效的导出是可能的。
冷却器K的结构从图2到图5中显而易见。从图2到图4可得知，冷却器K固定在盒体20的实施成装配板22的部件上。显而易见，装配板22具有间隔块23，利用该间隔块，板(且由此冷却器K也)在顶部斜坡21的区域中尽可能密封地拧在金属盒体20处；并且装配板22还具有高出板平面且额外地保护盒体的内部的包边(Umrandung)24。
冷却器K显而易见地包括并排地固定在装配板22处的、构造成尽可能地相同的五个冷却块40。当然也可设置更多或更少的冷却块40来代替五个冷却块。每个冷却块40具有布置在盒体外的冷却肋41，其布置成平行于装配板22。冷却肋41保持在相对冷却肋41成直角地延伸且构造成板的热量分配器42处。这样，在热量分配器42的两侧分别形成冷却槽43的两个组中的一个，它们按照三明治的样式布置且相对于水平线倾斜地指向。由于装配板22固定在金属盒体20的顶部斜坡21处，所以冷却槽43的倾斜角度由顶部斜坡21的倾斜决定。热量分配器42中的每个包括从冷却肋41突出的棱44，该棱44具有与冷却槽43相同的倾斜角且与顶部斜坡21或者相应地与冷却槽43平行地延伸。
热量分配器42构造成空心的且分别包括从图5中可见的空腔45。五个热量分配器42的空腔45在热量分配器42的或者说冷却块40的下端处与大多(vorwiegend)水平地延伸的集流槽46相连接。如从图2中清楚可见的，集流槽46在其底面处具有管接头47，该管接头47与从图1中清楚可见的柔性软管33相连接。在集流槽46的顶面上设置有分别用于辅助仪器的真空密封的联结的连接件48，48’。例如，用于冷却单元30的保养、供应和监控的服务仪器(Servicegeraet)可联结到连接件48处，利用该服务仪器，集流槽46和与之连通的冷却块40中的空腔、柔性软管33、绝缘体32及蒸发器31可被抽真空且工作介质可被注入到冷却单元30中或被从冷却单元30中除去。例如，可将用于工作介质的净化的过滤器插入到连接件48’中。空腔45在热量分配器42的或者说冷却块40的上端处与大多水平地延伸的连接通道49相连接。
从图5可得知，被引导穿过装配板22且与装配板刚性地相连接的固定元件50及同样地被引导穿过装配板且与装配板刚性地相连接的空心的凸耳51被成形到棱44中。凸耳51将空腔45与集流槽46且由此还与冷却单元30的、布置在盒体20内部的蒸发器31相连接。
在制造冷却器K时首先将包括热量分配器42和冷却肋41的挤压成的空心型材按定尺剪切。在凸出超过冷却肋41的棱44中铣削出固定元件50和凸耳51并钻出穿透部53，53’，其将集流槽46和连接通道49与空腔45相连接。这样地准备好的型材的空腔45在完成冷却块40时在端面与两个封闭片52，52’真空密封地相焊接。固定元件50和空心的凸耳51穿过精确配合地加工成的开口而插在装配板22中且冷却块40通过插穿而过的部件50和51的环绕的焊接而安置在装配板22处。在安置所有五个冷却块40后集流槽46在装配板22内侧处被焊接。由于用于工作介质的从蒸发器31到空腔45的连接路径必须是真空密封的，所以空心的凸耳51和集流槽46真空密封地与装配板22相焊接。必要时所设置的连接通道49在穿透部53的区域中真空密封地与冷却块40的上端相焊接。支撑冷却器K的装配板22借助于接合到间隔块23中的装配螺栓而固定在壳体20的顶部斜坡21处。
代替构造成热管的冷却单元30也可将冷却单元30’结合到根据本发明的开关中。但是在该冷却单元中，冷却器K’并非构造成空心的，而是具有被引导到内腔中的肋R(从图1中清楚可见)，该肋吸收通过对流而被输送的热量且将这些热量向外导引到与冷却器K相对应地构造和布置的冷却肋处。
在根据本发明的高压开关的运行中，在导体10中产生的热量被引导到冷却单元30或30’的冷却器K或者(相应地)K’处。在为冷却单元30的情况下，在蒸发器31中蒸发的工作介质经过空心绝缘体32、柔性软管33及管接头47而被引导到集流槽46中且从该处被分配到热量分配器42的空腔中。蒸汽在冷却器K的空腔中伴随着冷凝热的放出而冷凝。冷凝物由于重力重新流回至蒸发器31。通过连接通道49实现了各个空腔45中的所流入蒸汽的特别均匀的分配并由此实现了特别良好的冷却能力。在为冷却单元30’的情况下，热量通过包围在金属盒体20中的变热的空气的热对流L到达冷却器K’。
通过如下做法，即，在两个冷却器K和K’中冷却肋41平行于装配板22且由此也平行于金属盒体20的顶部斜坡21地布置、并且如此地保持在固定于装配板22处的热量分配器42处，即，使得在热量分配器的两侧分别地形成按照三明治样式而布置且相对于水平线倾斜地指向的冷却槽43，则，冷却器K或K’的效率有效地被提高。现在，在冷却槽43中实现了烟囱效应。在冷却槽43上端处流出的已变热的空气持续地被冷的环境空气所代替，该冷的环境空气在冷却槽43的下端处被吸取且在此从冷却肋41吸收热量W。由于该冷却过程最主要地由设备的热参数(例如冷却肋的温度和外部空气的温度之间的差)所决定，所以该过程几乎与通常难以顾及的外部干扰因素、例如风和日射无关。因此，即使在弱风下或在强日射下也可实现良好地产生的穿过冷却器K或者(相应地)K’的冷却空气流。因此，与在根据现有技术的高压开关中相比，在根据本发明的高压开关中更多的热量被导出。此外，由于三明治结构，冷却肋不直接地遭受周围环境的影响且因此与在根据现有技术的高压开关中的冷却肋相比明显更少地受污染。此外，通过三明治结构实现了这样的构造得相当紧凑的冷却器——与结合在根据现有技术的开关中的冷却器相比，该冷却器在相同体积下具有更大的表面积且由此也具有更高的效率。

Claims (10)

1.一种封装式高压开关，其包括产生热量的导体(10)，包围所述导体(10)的金属盒体(20)，以及带有冷却器(K，K’)的冷却单元(30，30’)，该冷却器(K，K’)固定在所述盒体(20)的实施成装配板(22)的部件上且具有布置在所述盒体外的冷却肋(41)，其特征在于，在所述冷却器的构造成冷却块(40)的截段中所述冷却肋(41)的至少一部分布置成平行于所述装配板(22)且如此地保持在固定于所述装配板处的热量分配器(42)处，即，使得在所述热量分配器(42)的两侧分别形成冷却槽(43)的两个组中的一个组，在所述组中，所述冷却槽(43)分别地按照三明治的样式而布置且相对于水平线倾斜地指向。
2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述热量分配器(42)构造成板且利用从所述冷却肋(41)中突出的棱(44)而固定在所述装配板(22)处。
3.根据权利要求2所述的开关，其特征在于，被引导穿过所述装配板(22)且与所述装配板刚性地相连接的固定元件(50)被成形到所述棱(44)中。
4.根据权利要求2或3所述的开关，其特征在于，所述热量分配器(42)具有用于将热量从所述盒体(20)输送到所述冷却器(K)中的蒸汽的冷凝的空腔(45)。
5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，被引导穿过所述装配板(22)且与所述装配板刚性地相连接的空心的凸耳(51)被成形到所述棱(44)中，该空心的凸耳(51)将所述空腔(45)与所述冷却单元(30)的布置在所述盒体(20)内部的蒸发器(31)相连接。
6.根据权利要求4或5所述的开关，其特征在于，所述热量分配器(42)和所述冷却肋(41)的、固定在所述热量分配器处的部分作为挤压成的空心型材而被制造。
7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述冷却块(40)具有所述挤压成的型材的、按定尺剪切且在端面与封闭片(52，52’)真空密封地相焊接的截段。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的开关，其特征在于，在所述装配板(22)处固定有至少两个构造成尽可能相同的冷却块(40)，并且，在所述装配板(22)的背对所述冷却块(40)的面处保持有空心的集流槽(46)，该集流槽(46)与所述两个冷却块(40)中的每个的空腔(45)且与所述蒸发器(31)真空密封地相连接。
9.根据权利要求8所述的开关，其特征在于，所述集流槽(46)具有真空密封地与所述蒸发器(31)相连接的管接头(47)以及至少一个构造成空心的、用于辅助仪器的真空密封的联结的连接件(48，48’)。
10.根据权利要求8或9所述的开关，其特征在于，在所述冷却块(40)中的一者的、远离所述集流槽(46)的那些端部处安装有布置在所述盒体(20)之外的连接通道(49)，该连接通道(49)将所述热量分配器(42)的空腔(45)彼此连接。
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