CN102386580A - 载流节段、用于冷却该载流节段的方法以及电气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及载流节段、用于冷却该载流节段的方法以及电气设备，具体而言，载流节段(1)包括：至少一个电流导体(2)，防护罩(3)，其至少部分围绕该电流导体；以及用于该电流导体的壳体(4)。壳体围绕防护罩。利用绝缘流体填充在电流导体和防护罩之间的第一间隙(5)和在防护罩和壳体之间的第二间隙(6)。载流节段包括至少一个用于冷却电流导体的管(9)，管至少布置在第一间隙之内并且包括至少一个第一管区段(1a)和至少一个第二区段分(1b)。第一管区段延伸穿过防护罩。第二管区段围绕至少该电流导体的至少一个局部(2a)。

Description

载流节段、用于冷却该载流节段的方法以及电气设备
技术领域
本发明属于中压和高压技术领域并且涉及载流节段(current-carrying segment)、电气设备(例如气体绝缘的开关装置)、以及用于冷却载流节段的方法，所有主题根据相应独立权利要求的前序部分。
背景技术
气体绝缘的开关装置具有保护供电系统的主要功能，例如在发生短路和过载故障电流的情况下维持对未受影响的电路的服务时。开关装置也提供电路与电源的绝缘。其也通过允许多于一个源供给负载而被用于加强系统可用性。存在多种类型的开关装置，气体绝缘的开关装置为其中一个类型。优选的用于隔绝导体和触点(contact)的气体为SF6(六氟化硫)，但是也使用其它流体，例如绝缘油。在设计开关装置时考虑的一个方面是这样的事实，即，在不同部分之间在导体和触点电阻上的电阻的或欧姆的损耗导致该开关装置的加热并可进一步导致系统失效。除了其它因素(amongst others)，加热水平取决于与电阻损耗相关的流过导体的电流值。因此，在某些情况下强制提供导体的合适冷却以用于防止损坏并遵守限定用于可接受的温度极限的标准。例如，在低电流时绝缘气体的自然对流对于冷却导体可为充分的。然而，在耗散功率范围具有矩形应用电流时，在一定电流水平之上需要更强力的冷却机构。
德高专利申请文件DE 10 2008 049 435 A1公开了汇流排布置，其包括至少两个在其之间带有间隙的部分导体(partial conductor)。汇流排被装入封装(encapsulating)壳体中且被绝缘气体包围。由于部分导体的所公开的布置，得到气体的更好的流动并且相应地引起部分导体的更好的冷却性。所提出的加强方式(enhancement)的不足是，部分导体被限制在一定的结构(configuration)上。此外，该布置不能说明加强了单个导体的冷却。
发明内容
本发明的目的为，提供载流节段和带有具有加强的冷却机构的这种载流节段的电气设备。
根据本发明，该目的通过提供载流节段实现，该载流节段包含至少一个电流导体、至少部分地围绕该电流导体的防护罩(shield)以及用于该电流导体的壳体(尤其为用于相对于环境封装该电流导体的气密性壳体)。壳体围绕防护罩。利用绝缘流体填充在电流导体和防护罩之间的第一间隙以及在防护罩和壳体之间的第二间隙。载流节段包括至少一个用于冷却电流导体的管，其至少布置在第一间隙之内。管包括至少一个具有用于流体的进入口的第一管区段和至少一个具有用于流体的出口的第二管区段。第一管区段延伸穿过防护罩，并且第二管区段至少围绕电流导体的一部分。
此外，该目的通过提供包括至少一个根据本发明的载流节段的电气设备实现。尤其地，该电气设备为气体绝缘的开关装置、发电机断路器、高压断路器或负载切断分离器(load-break disconnector)。
本发明的另一目的为，提供用于高效地冷却电气设备的方法。该目的通过用于冷却根据本发明的电气设备的至少一个电流导体的方法实现。在第一步中，将电流施加到电流导体，以使得其由于其损耗(例如电阻损耗或感应损耗)而加热。在第二步中，通过以这样的方式产生绝缘流体的对流而冷却电流导体，即，相对于重力来自第二间隙的底部部分的冷的流体基本上与重力的方向相反地流入较低的管区段，随后进入第二管区段，穿过在第二管区段的内壁和在电流导体的被包围的局部(portion)中的外壁和/或切口之间的间隙，最后离开进入第一或第二间隙。
此外，公开了至少一个根据本发明的用于提供发电机断路器、高压断路器或负载切断分离器的冷却的载流节段的用途。
所述载流节段或设备的优点分别为，通过利用这样的事实(即，流体的密度随着温度的增加而降低)高效地冷却电流导体的可能性。因此，当流体被导体加热时，在管之内的流体上升。结果，来自第一和/或第二间隙底部的冷的流体被吸入管中。向上行进的加热的流体离开管，再次冷却并且朝向第一和/或第二间隙的底部落下。以这种方式，流体流或流体循环形成。
尤其地，在流体为气体的情况中，管作为“烟筒”起作用，在管中使用烟囱效应以用于冷却电流导体。如已知的那样，冷的气体比热的气体重。相应地，在壳体中的冷的绝缘气体倾向于集中在壳体和防护罩的底部。与此相反地，热的气体上升到壳体和防护罩的顶部。在开关装置之内存在不均匀的温度时(这经常由于所述热部位(hot spot)引起)，存在自然的气体循环或热对流，分别发生在第一间隙和第二间隙之内。记住这点并考虑没有本发明的管子的导体，位于在导体的表面处的热区域附近的气体加热并且立刻仅仅上升到防护罩的顶部或仅仅上升到壳体的顶部。因此，对于冷却导体合适的气体传输，仅仅可发生在第一或第二间隙的上半部。因此，传统的冷却是低效的，因为在壳体的底部的最冷的气体(其具有最高的冷却潜力)没有被使用，并且至少在一些情况中，自然对流仅仅独立地发生在防护罩之内，并且如有可能完全(if at all)发生在防护罩之外。
通过使用本发明的管可能的是，“泄放(tap)”在壳体底部的较冷的流体池，并且同样使用其高冷却潜能。通过在管之内围绕导体的局部(优选地热区域)且使管在其纵向上从壳体的底部的附近朝向壳体或防护罩的顶部延伸，可能的是，强迫在底部处的冷的气体行进穿过管并且高效地冷却导体的热的区域。这已经实现，因为来自在热的区域中的导体表面周围的热的流体将朝向顶部上升穿过管并将在其之前的位置处产生负压，从而较冷的流体通过第一管区段的进入口(进入口到达第二间隙的较低的部分)被吸入，并且以对流的方式输送通过管，从而使压力分配平衡(level out)。由此，通过管产生泵效应(pumpingeffect)，因为管在其进入口处延伸到在封装的较低区域处的较冷的气体储存器中，并且在其出口处进入在封装的较高的区域处的较暖的气体储存器中。
附图说明
从从属权利要求和现在借助于附图的以下描述中得到本发明的其它实施例、优点以及应用。其中：
图1显示了简化的流体绝缘的电气设备的横截面，
图2显示了根据现有技术的载流节段的纵向剖面图，
图3显示了根据本发明的载流节段的第一实施例的纵向剖面图，
图4显示了根据本发明的载流节段的第一实施例的透视图，以及
图5-8显示了根据本发明的载流节段的第二、三、四和五实施例的纵向剖面图。
部分地未示出对于理解本发明不必要的元件。相同的元件由相同的参考标号命名，为了简化在随后的附图中其也可被省略。所解释的实施例是本发明对象的示例并且其不具有限制效果；可在权利要求的范围内以不同方式实施本发明，例如，为了描述附图，将绝缘流体假设为气体，然而，也可使用其它合适的绝缘流体、例如油。
具体实施方式
图1显示了简化的气体绝缘的开关装置的横截面。电流导体2在纵向方向Z上延伸。防护罩3部分地围绕该电流导体2。用于相对于环境封闭或封装导体节段的壳体4围绕该防护罩3。在电流导体2和防护罩3之间的第一间隙5和在防护罩3和壳体4之间的第二间隙6充填有绝缘气体、优选为SF6。防护罩3防止在导体2和壳体4之间的放电。方向y相应于垂直方向。
图2显示了根据现有技术的载流节段的纵向剖面图。由保持元件7支撑防护罩3。位于第一和第二间隙5，6中的绝缘气体冷却电流导体2。在图2中以简化的方式示出如何实现冷却。箭头代表气体流动的路径。如已知的那样，由于在整体布置之内的温度不同，在第一和第二间隙5，6中存在气体循环。对于该附图和以下附图，虚线箭头代表热的气体并且直线箭头代表冷的或冷却的气体。位于导体外表面附近的气体由导体加热，上升到防护罩3的上部并且通过在防护罩3中的开口漏到(escape)壳体4的上部。这通过虚线箭头表示。在该循环期间，气体再次冷却并且落下到略低于导体2的水平。在其下落期间，该气体再次被导体2加热并再次上升。因此，位于第一间隙5和第二间隙6的下部的气体几乎不循环，但是更确切地说排除在气体循环之外。
图3显示了电气设备11(例如气体绝缘的开关装置、断路器或分离器)的第一实施例的纵向剖面图，其包含至少一个根据本发明的导体节段1。电流导体2、防护罩3以及壳体4的布置与以上所描述的相同。此外，用于冷却导体2的局部2a的管9布置在防护罩3之内。管9包括第一管区段1a和第二管区段1b。管是敞开的(典型地在端面处)，并且可传输流体。优选地，管布置成基本上垂直。尤其地，第一和/或第二管区段1a，1b在基本上垂直的方向上延长，然而其也可相对于垂直轴线y倾斜地延伸。两个管区段1a，1b延伸穿过防护罩3。第二管区段1b围绕该电流导体2的局部2a，并且尤其地密封地围绕电流导体2的所述局部2a。图3同样以使用与图2相同的箭头类型显示了气体流动；虚线箭头代表热的气体并且直线箭头代表冷的气体。对于所有后续附图，将导体2的至少一个热的区域假定为位于导体2的局部2a之内。热的区域定义为导体2的温度高于特定水平的部分。尤其地，热的区域产生在导体2的触点附近或材料杂质附近。优选地，借助于尤其地计算机辅助的热力学模拟确定该热的区域。
如可在图3中看出的那样，从导体2的被围绕的局部2a的上表面开始，气体被加热并上升。因为气体通道仅仅穿过管9，因此其直接漏出到第二间隙6中并且继续基本上沿着冷的壳体4循环。当然，以简化方式示出该气流，然而，实际上气流可不同并且例如可包含漩涡或小漩涡。在循环接近壳体4的上部内壁时气体再次冷却。这也因为这样的事实，即，壳体4将上升的热的气体的热的一部分传导到环境10中。在冷却过程期间，该气体在朝向壳体4的底部的方向上落下。同时，由于在管9中的负压，来自壳体的底部的“冷气海(cold gas sea)”的冷的气体通过一个或多个进入口被吸入管中并且冷却被围绕的局部2a。如可通过比较图2和图3看出的那样，本发明使用位于壳体4的底部的更冷的气体以用于更高效地冷却导体局部2a。
第二管区段1b延伸穿过防护罩3是尤其优选的，因为其额外地加速气体并将其带出到第二间隙，以使得该气体具有更多时间冷却。
对于高效的冷却所必须的沿着其纵向范围延伸的管9的横截面或横截面分布可取决于至少一个电气和/或材料参数而确定，例如在载流节段中或周围的欧姆损失、在给定压力下的冷却气体的密度和热容量、和/或流体的速度。
作为本发明的作用，通过管9的壁提供附加的冷却效应实现附加的冷却。由于第一和第二间隙5，6以热的方式互相连接，管壁将热量从管9辐射到外部，从而在管9的外侧上产生附加的气体循环，这同样在图3中示出。
流入第二间隙6的上部的气体被引导回到第二间隙6的下部。
在该实施例中，可选地，管9附加地包括翅片(fin)8，其延伸到管9中，并且优选地垂直延伸。翅片8增加到达壁的热量传输。当然，多个翅片8可附接到管9的壁上，也可在下区段1a中。(多个)翅片8也可布置成从管9中延伸出来并伸出到第一间隙5中。此外，翅片8可布置在管9的壁处的内侧和外侧上。在另一实施例中，翅片8可基本上螺旋地伸延，然而通常优选的是，翅片基本垂直地伸延，以防止阻碍气体上升。
管9机械连接到电流导体2和防护罩3(未示出)，因而形成用于防护罩3的支撑。有利地，管也代替图2的保持元件7，由此同时满足两个功能，即，冷却导体2和独立地支撑防护罩3。
图4显示了根据本发明的载流节段1的第一实施例的透视图。该图以更说明性的方式示出了管9在防护罩3中的位置。由于清楚性的原因，省略了壳体4。同样，可以更好的方式看出在管9之内的气体循环的路径；点划线的箭头显示出加热的气体如何绕着导体2的被围绕的局部2a流动。如所显示的那样，在该实施例中，管9的第二管区段1b在导体2周围围绕基本上环形的(toroidal)间隙。备选地或附加地，第二管区段1b可围绕载流节段1的局部2a，其具有切口(未示出)、优选垂直的切口以用于流体经过。气体循环的大部分通过第二间隙6发生。在此，出于清楚性的原因未示出在图3的第一间隙5之内的附加的循环。
图5示出了根据本发明的载流节段1的第二实施例的纵向剖面图。布置方案大体上与图3中的布置方案相同，除了管9的下区段1a。第一，第一管区段1a伸出超过防护罩3并且在该处进入第二间隙6。有利地，这延长了气体路径并且允许来自第二间隙6的较低或最低区域(较冷的或最冷的气体位于该处)的“泄放的”气体。第二，第一管区段1a具有面向壳体4的两个进入口1d。有利地，这允许来自较大的区域的泄放的冷的气体，即，来自第二间隙6的最低区域的较大局部或区域或轴向范围。在另一实施例中，第二管区段1b尤其地伸出超过防护罩3并且进入第二间隙6的上部分。此外，第二管区段1b具有至少两个面向壳体4的出口1c。这具有的优点为，在第二间隙6的上部或顶部中产生不太紊乱的流或气流并且因此热量进一步和/或更快地从烟囱或管9的区域导入。
图6示出了根据本发明的载流节段1的第三实施例的纵向剖面图。布置方案大体上与图3的布置方案相同，除了管9的第二管区段1b。第二管区段1b包括柱体1e，其布置成相对于电流导体2的局部2a基本上同心，并且在局部2a周围形成围绕的间隙。第一管区段1a基本上连接到柱体1e的一个轴向的端部。在该实施例中，包括柱体1e的第二管区段1b也包括这样的延长，即，从柱体1e的另一轴向的端部延伸穿过防护罩3，优选地在垂直向上的方向上。
通过本发明，借助于管9冷却电流导体2的至少一个热部位，但是借助于单个的管9可尤其地冷却多个热部位。以上描述的第三实施例有利于冷却这样的多个热部位。取决于柱体1e的长度、因此取决于气体必须行进以用于漏出到顶部的水平路径和在该区域中待耗散的温度，选择在柱体1e的内壁到导体之间的径向距离。
图7显示了根据本发明的载流节段1的第四实施例的纵向剖面图。布置方案大体上与图3的布置方案相同，除了管9的第二管区段1b。在此，分别围绕电流导体2的不同的局部2a的两个第二管区段1b连接到第一管区段1a。当然，同样更多的第二管区段1b也是可行的。尤其地，本实施例说明，借助于根据本发明的前述实施例之一的单个的管高效冷却这样的热部位，即，其位于彼此之间很长的间距处，但是，仍然在允许使用带有单个第一管区段1a和两个或更多第二管区段1b的单个管9的共有的间距处。
图8显示了根据本发明的载流节段1的第五实施例的纵向剖面图。布置方案大体上与图3的布置方案相同，除了管9的第二管区段1b。在此，第二管区段1b仅仅伸出进入第一间隙5。在这种情况中，气体朝向防护罩3的上部区域上升，并且通过连接第一和第二间隙5，6的开口漏出或进入第二间隙6，如在载流节段1的左侧和右侧示出的那样。可选地或附加地，如果第二管区段1b在第一间隙5之内结束，在防护罩3中可基本上在第二管区段1b的出口1c之上提供其它开口1f，以使得气体可直接上升穿过这些开口1f并进入第二间隙6。箭头再次以简化的方式代表气流。
本发明的载流导体节段1也可用于发电机断路器或其任何热部分。另一应用为使用载流导体节段1用于高压断路器或负载切断绝缘器(load-break isolator)或其任何热部分，或用于其它需要且从通过管9提供的被动烟囱效应冷却中获益的高压或中压设备。

Claims (16)

1.一种载流节段(1)，包括：至少一个电流导体(2)；防护罩(3)，其至少部分围绕所述电流导体(2)；以及用于所述电流导体(2)的壳体(4)，所述壳体(4)围绕所述防护罩(3)，其中，利用绝缘流体填充在所述电流导体(2)和所述防护罩(3)之间的第一间隙(5)以及在所述防护罩(3)和所述壳体(4)之间的第二间隙(6)，其特征在于，所述载流节段(1)包括至少一个用于冷却所述电流导体(2)的管(9)，所述管(9)至少布置在所述第一间隙(5)之内并且包括至少一个具有用于流体的进入口(1d)的第一管区段(1a)和至少一个具有用于流体的出口(1c)的第二管区段(1b)，所述第一管区段(1a)延伸穿过所述防护罩(3)，并且所述第二管区段(1b)围绕所述电流导体(2)的至少一个局部(2a)。
2.根据权利要求1所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第二管区段(1b)延伸穿过所述防护罩(3)，并且尤其地，伸出超过所述防护罩(3)并且进入所述第二间隙(6)，尤其地，其中，所述第二管区段(1b)具有至少两个面向所述壳体(4)的出口。
3.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述管(9)布置成基本上垂直，并且尤其地，其中，所述第一管区段(1a)和/或所述第二管区段(1b)布置成基本上垂直。
4.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述管(9)机械连接到所述电流导体(2)和所述防护罩(3)，并且形成用于所述防护罩(3)的支撑、尤其地单独的支撑。
5.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第一管区段(1a)伸出超过所述防护罩(3)并进入所述第二间隙(6)，并且尤其地，其中，所述第一管区段(1a)具有至少两个面向所述壳体(4)的进入口(1d)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第一管区段(1a)延伸进入所述第二间隙(6)的底部部分，和/或所述第二管区段(1b)延伸进入所述第二间隙(6)的上部部分。
7.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第二管区段(1b)在所述电流导体(2)的所述局部(2a)周围围绕基本上环形的间隙，和/或其中所述第二管区段(1b)围绕具有用于流体经过的切口、优选地垂直的切口的载流节段(1)的部分。
8.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第二管区段(1b)包括布置成相对于所述电流导体(2)的所述局部(2a)基本上同心的柱体(1e)，并且所述第一管区段(1a)基本上连接到所述柱体(1e)的一个轴向端部。
9.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述第二管区段(1b)具有至少两个面向所述壳体(4)的出口(1c)，和/或存在至少两个第二管区段(1b)，其分别围绕所述电流导体(2)的不同局部(2a)，并且以流体的方式连接到所述第一管区段(1a)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)，其特征在于，所述管(9)包括至少一个翅片(8)，并且尤其地，其中，所述翅片(8)延伸进入所述管中和/或在所述管的外部进入所述第一间隙(5)中。
11.根据权利要求9所述的载流节段(1)，其特征在于，所述翅片(8)基本上垂直地(y)延伸或基本上螺旋伸延。
12.一种电气设备，包含根据上述权利要求中任一项所述的载流节段(1)。
13.根据权利要求12所述的电气设备(11)，其特征在于，所述电气设备(11)为气体绝缘的开关装置、发电机断路器、高压断路器或负载切断分离器。
14.一种用于冷却根据权利要求12或13所述的电气设备(11)的至少一个导体(2)的方法，包括步骤：
a)将电流施加到所述导体(2)上，从而其由于损耗而加热；并且
其特征在于，随后的步骤：
b)通过以这样的方式产生绝缘流体的对流而冷却所述电流导体(2)，即，相对于重力来自所述第二间隙(6)的底部部分的流体基本上与重力的方向(y)相反地流入所述第一管区段(1a)，随后进入所述第二管区段(1b)，并且穿过在所述第二管区段(1b)的内壁和在所述电流导体(2)的被包围的局部(2a)中的外壁和/或切口之间的间隙，最后离开进入所述第一间隙(5)或所述第二间隙(6)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，流入所述第二间隙(6)的顶部部分中的流体被引回到所述第二间隙(6)的底部部分。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，借助于所述管(9)冷却所述导体(2)的至少一个热部位，并且尤其地，其中，借助于单个的管(9)冷却多个热部位。
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