CN102592866A - 一种断路器蒸发冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种断路器蒸发冷却系统，包括断路器内导体(11)、外导体(12)和蒸发冷却散热器(13)；所述的断路器内导体(11)上至少有一个蒸发冷却散热器，所述蒸发冷却散热器(13)位于断路器内导体和外导体之间的空间内；所述蒸发冷却散热器由蒸发器、导气管、冷凝器及连接管路组成；所述的蒸发器顶部有一出口，此出口通过导气管与冷凝器进口连通；所述的蒸发器底部有一液体进口，此液体进口通过回液管与冷凝器的液体出口连通；所述冷凝器的位置高于蒸发器顶部，蒸发冷却散热器为密闭循环回路。

Description

一种断路器蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及一种高功率发电机断路器蒸发冷却装置。

背景技术

断路器正在向小型化、大容量和高电压方向发展，使得内部产生的热密度越来越高。额定和断路电流产生巨大的热量，即使微小的回路电阻也会导致欧姆损耗，这种欧姆损耗会产生数千瓦热量。在正常(闭合)运行状态中，热点稳态温升必须限定在105℃，因此，从热量上限制了最大允许额定电流的大小。同时，过高温升影响了导电体材料的机械强度，还影响电气性能，加速了绝缘件老化。其严重影响到高电压断路器性能和寿命。因此为了提高断路器额定电流，断路器热控制问题是必须解决。

以发电机断路器为例，当额定电流提高到18000A时，必须使用空气对空气的强制冷却设备，这种设备本身也是发热，而且增加了设备额外的重量，因此要想将断路器额定电流提高到23000A以上，只能通过改善断路器导体制环境之间的热传导效率的办法来实现，与此同时，还必须确保设备的温度保持在允许的范围内。由于热源(导体)处于24千伏以上的高电势的地方，而散热器由于大地连接，而且任何形式的强制风冷又会带来不理想的副作用，因此，解决断路器冷却难题就更严峻了。

理想的是提供一种能跨越如此大的电气绝缘间隔而获得高效的热传递的“无源”冷却系统，所谓“无源”冷却系统，就是运行时不需要泵、风机或电动机，取代所谓的“强迫”冷却系统，其使用泵、风机或电动机设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压大电流断路器的蒸发冷却系统，本发明可提高断路器承载电流的能力。采用本发明的高功率断路器比未使用本发明的断路器承载的电流大，可以满足相关标准规定的温度限值要求。

适用本发明的高功率断路器具有纵向伸展的断路器内导体和以壳体形式围绕该断路器内导体的断路器外导体。

本发明断路器蒸发冷却系统至少包含一个蒸发冷却散热器，主要用于冷却断路器内导体，带走内导体所产生的热能。

所述的断路器蒸发冷却系统包括：断路器的内导体、外导体、蒸发冷却散热器。蒸发冷却散热器设置在所述的内导体和外导体之间的空间内。所述蒸发冷却散热器由蒸发器、导气管、冷凝器及连接管路组成。所述的蒸发器为空心体，与内导体外表面紧密接触，或与内导体外表面为一体。所述的蒸发器顶部有一出口，此出口通过导气管与冷凝器进口连通；所述的蒸发器底部有一液体进口，此液体进口通过回液管与冷凝器的液体出口连通。所述冷凝器的位置高于蒸发器顶部。

蒸发冷却散热器是一种利用液体蒸发潜热进行热量传递的高效热交换元件，断路器内导体散发的热量将冷却介质温度升高，当达到冷却介质沸点温度，冷却介质由液态变为气态，上升到冷凝管内，气体将热输送到冷凝器，冷凝管内介质由气态变为液态，冷凝过程所放出的凝结潜热换热，将热量排散到空气中，实现自然循环过程。蒸发冷却器为密闭自循环系统。蒸发器作为实现冷却介质进行热传递的装置，其为空心体，使冷却工质由于重力而被传递回来。

所述的蒸发冷却散热器的蒸发器置于断路器内导体上，所述的蒸发冷却散热器的冷凝器的高度低于断路器外导体，由于断路器内外导体之间存在很高的电势，所述的蒸发冷却系统与外导体之间无电接触，可以降低所述的蒸发冷却系统的耐电压强度设计。

蒸发冷却器无外部辅助设备，即它不需要电源供电或任何其他供给。作为一种密闭循环回路的冷却系统，它不需要任何维护且一般可以在没有任何维护的情况下工作数年甚至数十年。

所述的断路器上主要的发热源是由内导体的电阻损耗产生的，另外还会有其他损耗，例如，由电流集肤效应导致的损耗，涡流损耗或磁滞损耗。

所述的蒸发冷却散热器的冷凝器与冷却气流相互作用，可以实现对断路器内导体的有效冷却，这是因为冷凝器可以被冷却气冷却而保持在较低温度，这样可以实现对管内冷却工质的有效冷凝，实现蒸发冷却器的高效率。因此，在沿断路器内导体与外导体之间的空间内，至少有一个冷却气流可以被利用，冷却气流速及温度影响断路器电流承载能力，冷却气流速高及温度低，可实现显著增加电流在和能力。

所述的蒸发冷却散热器的蒸发器与断路器内导体紧密热接触，或为一体，蒸发器内充有冷却工质，可以使内导体产生的大量热损耗及时被耗散。蒸发器与内导体接触面有强化沸腾传热的多孔结构，使在相同的过热度下可以得到更大的沸腾对流换热系数和传热速率。

所述的冷凝器是热排放设备，其包含有至少一根用以流通冷却介质的冷凝管，冷凝管的外表面上安装有增加换热能力的翅片，翅片与冷凝管为一体或焊接一体，冷凝管沿着断路器内导体或外导体的轴向延伸排列，有利于排放热的设备与冷却气流相互作用。

对于具有三个极的高压断路器系统，每个极具有至少一个断路器，每个断路器至少安装有一个蒸发冷却散热器。本发明特别适用于发电机出线端，若发电机出线端具有强迫风，有利于冷凝器的热量排放。

高功率断路器具有轴向伸展的断路器内导体和以壳体的形式围绕断路器内导体的断路器外导体，对于高功率断路器，至少有一个蒸发冷却器用于耗散来自于断路器内导体的热能。所述的蒸发冷却器内注有冷却工质，冷却工质在蒸发器内蒸发，上升到冷凝器中。由于断路器内导体和外导体之间的空间内有冷空气流，所述的冷凝器与冷气流进行热交换，将冷凝器内的气态工质冷凝为液体，将内导体的热能耗散出去。

本发明改善了内导体的冷却，增加了电流载荷能力。

附图说明

图1a为发电机一个极的断路器的截面示意图，图1b、图1c为发电机一个极的断路器侧视图，其中，图1b为一个内导体上安装有多个相对独立的蒸发冷却散热器的冷却结构，图1c为回路型蒸发冷却结构示意图；

图2为蒸发冷却散热结构示意图；

图中：11内导体、12外导体、13蒸发冷却散热器、21蒸发器、22导汽管、23冷凝器、24回液管、25冷却介质、26均流器。

具体实施方式

图1a为断路器的截面示意图，发电机断路器的每个极具有管状内导体11，管状内导体11被断路器外导体12围绕。在工作状态时，高电压施加于内导体11和外导体12之间，外导体12处于地电势，通常内导体11承载电流的横截面积比外导体12小，因此，内导体11上产生的热损耗比外导体12大。蒸发冷却散热器13的蒸发器21的换热面与内导体紧密接触，带走内导体所产生热损耗。

本发明的一个实施例是蒸发冷却散热器为单管形式，如图1b所示，断路器内导体上安装至少一个蒸发冷却散热器，蒸发冷却散热器13由蒸发器21、导气管22、冷凝器23等组成，冷凝器23安装在高于蒸发器的位置。蒸发冷却散热器的蒸发器21与内导体11的发热面紧密接触。

如图2所示，蒸发冷却散热器13为了耗散内导体11上所产生的热能，在内导体11上至少安装一个蒸发冷却散热器13，所述的蒸发冷却散热器13还包含冷却工质25，冷却工质25在蒸发器21内蒸发，在冷凝器23内被冷凝。蒸发器21与冷凝器23之间通过导汽管22连通，蒸发冷凝的液体介质通过回液管24流回到蒸发器21内，形成蒸发冷却循环回路。蒸发器顶部通过导汽管22与冷凝器23底部连通，蒸发器21的垂直高度低于冷凝器23，回流管24一端与冷凝器23的底部最低位置相连通，另一端与蒸发器21相连通。

蒸发器21为长方形或半圆弧形的空心金属体，其外部形状与内导体11匹配，并紧密固定在内导体11的外表面，蒸发器21与内导体11处于良好的导热状态。或者，蒸发器21与断路器内导体11为一体，即蒸发器21的一个面与内导体11的外表面为一体，以减小内导体11散热热阻。蒸发器21的空心体内注入液体冷却介质25。

冷凝器23为金属带肋片的散热装置，安装在内导体11与外导体12之间的空间内，或者安装在外导体12上，液体冷却介质25在蒸发器21内受热沸腾，变为气态介质，通过导气管22上升到冷凝器23中，气态冷却介质在其内流动并冷凝后，经由回流管24流到蒸发11内。

一个断路器内导体至少安装有一个蒸发冷却散热器。尤其是在具有较长内导体的断路器情况下，沿内导体轴向延伸方向至少安装一个蒸发冷却散热器，使内导体得到有效冷却，并且沿轴向温度分布均匀。

蒸发冷却介质25其沸点温度的设置应于发电机断路器所要求的温升标准一致，一般断路器温升要求不超过65k，因此，需用的蒸发冷却介质25其沸点温度一般小于80℃，使得断路器最高温升控制在60k以内，达到国家标准要求。蒸发冷却介质25一般为氟碳化合物，例如：CFC113，HFC4310，FLa等，使单只蒸发冷却散热器能耗散的功率达到1.5kw左右，根据冷凝器的优化设计，可以提高热耗散功率。

本发明的另一个实施例回路型蒸发冷却结构如图1c所示，蒸发冷却散热器11由多个蒸发器21彼此相连接，即多个蒸发器21通过均流器26连通至冷凝器23，多个蒸发器21共用一个冷凝器；使整个管路系统彼此连通。例如，一个蒸发器21内蒸发的介质通过冷凝可能回到另一个蒸发器21中，彼此连通，可以自调节流量，使温度分布更均匀，连接管路减少，使结构设计简化。

本发明的另一个实施例是，蒸发器与内导体结合为一体，内导体内包含有一个或多个蒸发器21，蒸发器21内填充有冷却介质，形成蒸发冷却器，使蒸发冷却器与内导体之间有很好的热耦合，减少内导体的散热热阻，蒸发冷却器与冷凝器联通，形成冷却介质密闭循环回路。

Claims (8)

1.一种断路器蒸发冷却系统，其特征在于，所述的断路器蒸发冷却系统包括断路器的内导体(11)、外导体(12)和蒸发冷却散热器(13)；所述的内导体(11)上至少安装有一个蒸发冷却散热器(13)，所述蒸发冷却散热器(13)位于所述的内导体(11)和外导体(12)之间的空间内；所述蒸发冷却散热器(13)由蒸发器(21)、导气管(22)、冷凝器(23)及连接管路组成；所述的蒸发器(21)顶部有一出口，此出口通过导气管(22)与冷凝器(23)的进口连通；所述的蒸发器(21)为空心体，其底部有一液体进口，此液体进口通过回液管与冷凝器的液体出口连通；所述冷凝器(23)的位置高于蒸发器(21)的顶部，但不高于所述断路器的外导体(12)。

2.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发器(21)与内导体(11)的外表面紧密接触。

3.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发器(21)的一面与内导体(11)的外表面为一体。

4.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发器(21)与内导体(11)结合为一体，内导体(11)内包含有一个或多个蒸发器(21)，蒸发器(21)内填充有冷却介质，形成蒸发冷却器。

5.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发冷却散热器(11)中的多个蒸发器(21)彼此相连接，多个蒸发器(21)与冷凝器(23)之间通过均流器(26)或导汽管(22)连通。

6.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发器(21)为长方形或半圆弧形的空心金属体，蒸发器(21)内填充有冷却介质(25)。

7.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发器与内导体接触面有多孔结构。

8.如权利要求1所述的断路器蒸发冷却系统，其特征在于所述的蒸发冷却散热器(13)为密闭循环回路，冷却介质在蒸发器(21)、导气管(22)、冷凝器(23)、回流管(24)内流动，完成一个自循环过程。

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