CN103715621B - 一种高压电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压电设备，包括一高压电器，所述高压电器具有一最低工作温度，当所述高压电器的温度低于所述最低工作温度时，所述高压电器停止工作，其中，所述高压电器由导热材料构成，所述高压电设备还包括附着于所述高压电器的外壳表面的相变材料，所述相变材料具有一相变温度，所述相变温度高于所述最低工作温度，当所述相变材料被热源加热至高于所述相变温度时，所述相变材料发生相变并吸收贮存热量，当所述相变材料冷却至低于所述相变温度时，所述相变材料发生相变、放热并将热传递给所述高压电器，以保持所述高压电器的温度始终高于所述最低工作温度。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备，特别涉及一种能保证高压电器在低温下正常运行的高压电设备。
背景技术
目前应用于高压电网中的高压电器一般都采用内部充六氟化硫气体的设备，而六氟化硫气体在低温下存在液化的问题，从而导致电器设备无法运行，特别是在高寒地区或高原地区由于较低的温度更容易令高压电器发生故障，使整个电网的运行处于不稳定的状态。
现有针对这一问题一种比较常见的解决方法是：使用加热器对高压电器加温并外辅保温衣来维持高压电器的内部温度。此种解决方案仅能应用于罐式断路器，但由于每套加热器有近十千瓦的功率，全天投入运行，对一个有几十台断路器的电站来说是很大的电力消耗。如果考虑到整个变电站事故断电，为了电网稳定的需要，需要对这些加热器准备备用电源，几百千瓦的发电机也是一笔很大的投资，并且这种方法的适用性也比较局限。
而目前全球使用的另一种比较常见的方法是：用混合气体来解决六氟化硫的低温液化问题。由于断路器或气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)需要在系统中长期运行，混合气体的混合比例很难控制，(例如：初期为50％SF6+50％N2；运行若干年后，气体泄漏，补气时不能很好控制充气比例，就会使设备中实际的气体成分比例发生变化，从而影响电器设备的性能)，用户不愿接受混合气体电器产品。
因此，本发明要解决如何在既节省成本又保持高压电器使用性能的前提下保证高压电器在低温地区的正常运行以及维持整个电网的稳定性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压电设备。
根据本发明的一个方面，提供一种高压电设备，包括一高压电器，所述高压电器具有一最低工作温度，当所述高压电器的温度低于所述最低工作温度时，所述高压电器停止工作，其特征在于，所述高压电器由导热材料构成，所述高压电设备还包括附着于所述高压电器的外壳表面的相变材料，所述相变材料具有一相变温度，所述相变温度高于所述最低工作温度，当所述相变材料被热源加热至高于所述相变温度时，所述相变材料发生相变并吸收贮存热量，当所述相变材料冷却至低于所述相变温度时，所述相变材料发生相变、放热并将热传递给所述高压电器，以保持所述高压电器的温度始终高于所述最低工作温度。
优选地，所述相变材料为固-固相变材料，其包敷于所述高压电器的整个外表面，通过所述相变材料与所述高压电器之间的热传导的方式进行热量传递。
优选地，所述相变材料为固-液相变材料和/或固-固相变材料，所述相变材料外具有由导热材料构成的包裹层，所述相变材料放出的热通过包裹层传递给所述高压电器。
优选地，所述相变材料的相变温度接近所述高压电器的最低工作温度；或者，所述相变材料在储热后和储热前体积变化率在10％以内。
优选地，在同一环境温度下，所述相变温度和所述高压电器的最低工作温度之间的温度差与所述相变材料的厚度呈正比。
优选地，所述高压电器的最低工作温度为-25℃，所述相变材料的相变温度为-12℃，在-30℃的环境温度下，每毫米厚度的外壳需要包裹所述相变材料的平均厚度至少为33.3mm。
优选地，所述高压电器的最低工作温度为-25℃，所述相变材料的相变温度为-20℃，在-30℃的环境温度下，每毫米厚度的外壳需要包裹所述相变材料的平均厚度至少为1.85mm。
优选地，所述高压电设备为内部充有六氟化硫气体的设备、电气控制柜、中低压开关柜以及操作机构箱等设备中的任一种
优选地，所述相变材料由如下材料中的任一种或任多种制成：石蜡、石墨、醋酸、以及氯化钙
优选地，所述热源为所述高压电器运行产热、太阳能、或外界加热设备。
本发明通过在高压电器设备外壳上敷上一层太阳能相变材料，此种相变材料可以在设定的温度下由吸热变为放热。放出的热量加热电器设备本身，使高压电器设备整体温度提高，高于内部所充六氟化硫的液化温度，从而保证高压电器设备的安全运行。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本发明的第一实施例的高压电设备的内部结构图；以及
图2示出根据本发明的第二实施例的高压电设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。本发明全文中提及的“高压电器”是指应用于高压电网中的设备，包括(但不限于)发电厂设备、变电站设备、输电线路以及与此相连的其他设备等，例如罐式断路器、气体绝缘封闭开关设备(GIS)、电器控制柜、中低压开关柜、操作机构箱等。本发明是利用相变材料的相变潜热来使高压电器能在低温环境下保持正常运行。相变材料由高温相转变为低温相(例如液态变为固态)或由低温相转变为高温相(例如固态变为液态)的过程称为相变过程，相变材料在由高温相转变为低温相的过程中将吸收/贮存大量的潜热，而在由低温相转变为高温相(例如固态变为液态)的过程中将放出大量的潜热。
图1示出了根据本发明的第一实施例高压电设备的结构示意图。在本实施例中，所述高压电设备包括内部充有六氟化硫气体的罐式断路器1以及附着于罐式断路器1外壳表面上的相变材料2。罐式断路器1内的六氟化硫气体在低温下将会液化，导致断路器无法运行，因此罐式断路器1具有一最低工作温度Tmin，若所述罐式断路器1的温度低于最低工作温度Tmin，则罐式断路器1内部的六氟化硫气体液化，从而罐式断路器1会停止工作。
如图1所示实施例，罐式断路器1的外表面的相变材料2为固-固相变材料。相变材料2具有一相变温度T，若相变材料2被热源加热至高于相变温度T，相变材料2会发生由低温相转变成高温相的相变过程同时吸收并贮存热量，若相变材料2被冷却至低于相变温度T，相变材料2会发生由高温相转变成低温相的相变过程同时放热。在本实施例中，用于加热相变材料的热源是太阳能。
罐式断路器1的外壳材料为导热材料，包敷于所述罐式断路器1的外壳表面的相变材料2与所述罐式断路器1外表面相贴，从而两者之间通过热传导的方式进行热量传递。因此，相变材料2的相变温度T必须高于所述罐式断路器1的最低工作温度Tmin，从而相变材料2才可以保证其低于相变温度T时便开始释放自身内部储存的热量，进而罐式断路器1接受所述相变材料2所释放的温度并提高自身的温度，以确保罐式断路器1的温度始终高于最低工作温度Tmin，维持设备以及整个电网的正常运行。
相变材料2可以由石蜡、石墨、醋酸以及氯化钙等材料中的任一种或任多种制成。在本实施例中，相变材料2优选由石蜡以及石墨的混合材料制成。
在同等的环境条件下，包敷于所述罐式断路器1外表面的相变材料2的厚度与相变温度T以及所述罐式断路器的最低工作温度Tmin的温度差呈正比。包覆于所述罐式断路器1外表面的相变材料2的相变温度T不仅应高于罐式断路器1的最低工作温度Tmin，而且优选尽量靠近所述罐式断路器1的最低工作温度Tmin，以便在取得相同效果的同时降低所需的成本。
另外，优选地，相变材料2在储能后和储能前体积变化率在10％以内，从而有利于相变材料2在所述罐式断路器1上的固定。
优选地，相变材料2尽可能选择深颜色的材料(例如本实施例所选的石蜡/石墨混合材料制成的相变材料)，有利于对太阳能的吸收。
在-30℃环境温度下，第一实施例的最低工作温度Tmin为-25℃的罐式断路器1附着相变材料2(相变温度为-12℃)后形成的高压电器的运行过程是：
相变材料2在借助日照提供太阳能后升温至高于-12℃后，发生由低温相至高温相的相变过程并吸热，从而将太阳能提供的热能贮存在高温相中。当日照结束后，相变材料冷却至低于-12℃后，发生由高温相至低温相的相变过程并放出贮存的潜热，从而将放出的潜热提供给罐式断路器1使其保持在-25℃以上。
图2示出了根据本发明的第二实施例的高压电设备的结构示意图。在本实施例中，所述高压电设备包括母线管道31以及附着于母线管道31外壳表面上的相变材料。母线管道31包括导体311和环绕在导体311外周的金属外壳312，导体311和金属外壳312之间充以例如SF6气体作为绝缘介质。
在此实施例中，所述相变材料选用石蜡与石墨的混合材料32，其为一种固-固相变材料，其相变温度为-12℃，所述母线管道31的最低工作温度为-25℃，环境温度为-30℃。至少需要包敷于所述罐式断路器1外部的储满热量的所述相变材料2的平均厚度为33.3mm才能保证所述罐式断路器1的正常运行。具体计算如下：
常用的固-固相变材料每千克能储存100-160KJ的能量，中国高原及东北地区年平均日照强度为不小于5kW.h/天，即18000kJ/天。目前常用的材料是由有机材料混合而成，密度不大于1。
1)假设相变材料的厚度为10毫米，则每平方米约为10千克相变材料。所述母线管道31为圆筒状，理论上，太阳照射到所述母线管道31上的面积为整个所述母线管道31面积的50％，假设太阳能转化为热能的效率为15-30％，取15％，所述母线管道31上总有一半面积照射不到。故计算出每天太阳能可为每平方米包敷在管道上的相变材料提供18000×15％×50％/2＝675千焦的能量。按照所述石蜡与石墨的混合材料32的相变潜热可达140-160kJ计算，理论上太阳能每天可以为675/160＝4.2毫米厚的石蜡与石墨的混合材料32(相变潜热可达160kJ)储满能。(已考虑到包敷在管道的一边受不到太阳照射的情况)。
2)在阴天，如果没有太阳照射，所述母线管道31的发热还可以给所述石蜡与石墨的混合材料32储能：
如图2所示，假设所述母线管道31为4000A电流流过中心导体311，同样在外壳上也会有4000A回流流过。其壳体312外径为580mm，每米电阻为5微欧。从而可以算出每米的发热功率为：
40002×2×5×10-6＝160W；24小时所发出的热为：160×3600×24/1000＝13824kJ.
假设所述石蜡与石墨的混合材料32的厚度为10毫米，每平方米约为10千克。每米所述母线管道31所需的石蜡与石墨的混合材料32为3.14×(0.580)×10＝18.21千克。所述石蜡与石墨的混合材料32可储存的能量为：18.21×160＝2913.6kJ.
假设电流所产生的热量有一半被所述石蜡与石墨的混合材料32吸收，发热每天可以给所述石蜡与石墨的混合材料32储满能的厚度为：
13824×50％/2913.6×10＝23.7mm.
3)1kg铝合金升高10度需要9.17kJ。每米所述母线管道31包含外径180mm、厚12mm的导体，8mm厚的外壳。铝合金重量为：55.89kg。
每米所述母线管道31温升10度需要热量为：55.89×9.17＝512.5kJ.
从-30℃到-12℃所需的热量为：18/10×512.5＝922.5kJ.
4)假设环境温度为-30℃，采用所述石蜡与石墨的混合材料32，其相变温度为-12℃左右，假设所述石蜡与石墨的混合材料32使所述管道母线管道31整体升温到-12℃。已知铝与空气的换热系数α＝3～10W/(m*m*C)，实际计算中，我们取所述石蜡与石墨的混合材料32与环境的散热系数为α＝3W(m2*℃)，此时每米在24小时向空气中所释放的热量为：
Q＝S*α*(T-Te)*Γ＝3.14×(0.58+0.02)×3×(-12+30)×3600×24/1000＝8790.0kJ.(其中Γ为散热时间，S是散热面积)。
5)最严重情况下，如果设备断电，所述石蜡与石墨的混合材料32需要加热设备从-30℃到-12℃，同时要考虑向环境中的散热，此时所需要的能量为3)+4)：即
922.5+8790.0＝9712.5kJ
换算成所述石蜡与石墨的混合材料32(相变潜热可达160kJ/kg)的储能，可得
9712.5/160＝60.7(kg).
按照前面计算，每米所述母线管道31铺10毫米需要18.21千克计算，最严重情况下，需要所述石蜡与石墨的混合材料32的厚度为：60.7/18.21＝33.3毫米。
因此在所述石蜡与石墨的混合材料32储满能的情况下，将所述母线管道31从-30℃的环境温度加热到所述相变温度，至少需要包敷于母线管道31外部的所述石蜡与石墨的混合材料32的平均厚度为33.3mm。
更进一步地，本领域技术人员理解，在一个变化例中，当所述高压电器的最低工作温度为-25℃，而所述相变材料的相变温度为-20℃，并且在-30℃的环境温度的情况下，使用上述计算方法，则可以得出每毫米厚外壳至少需要包敷于所述高压电器外部的储满热量的所述相变材料的平均厚度为1.85mm才能保证所述高压电器的正常运行，此处不予赘述。
综上，本发明的高压电设备的温控过程如下：由于高压电器的外表面附上相变材料，所述相变材料具有一个相变温度，因此，当所述相变材料高于所述相变温度且发生从低温相至高温相的相变，则所述相变材料处于吸热状态，其吸收所述高压电器的热量、太阳能和/或外界加热设备的热量，并储存于材料内部。当所述相变材料低于所述相变温度且发生从高温相至低温相的相变，所述相变材料处于放热状态，其将材料内部储存的热量向所述高压电器释放。进而，当所述相变材料再次高于所述相变温度，所述相变材料将停止放热，重新相变为吸热状态，吸收高压电器的热量、太阳能和/或以及外界加热设备的热量，从而有效的控制了所述高压电器的温度变化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种高压电设备，包括一高压电器，所述高压电器具有一最低工作温度，当所述高压电器的温度低于所述最低工作温度时，所述高压电器停止工作，其特征在于，所述高压电器由导热材料构成，所述高压电设备还包括附着于所述高压电器的外壳表面的相变材料，所述相变材料具有一相变温度，所述相变温度高于所述最低工作温度，当所述相变材料被热源加热至高于所述相变温度时，所述相变材料发生相变并吸收贮存热量，当所述相变材料冷却至低于所述相变温度时，所述相变材料发生相变、放热并将热传递给所述高压电器，以保持所述高压电器的温度始终高于所述最低工作温度。
2.根据权利要求1所述的高压电设备，其特征在于，所述相变材料为固-固相变材料，其包敷于所述高压电器的整个外表面，通过所述相变材料与所述高压电器之间的热传导的方式进行热量传递。
3.根据权利要求1所述的高压电设备，其特征在于，所述相变材料为固-液相变材料和/或固-固相变材料，所述相变材料外具有由导热材料构成的包裹层，所述相变材料放出的热通过包裹层传递给所述高压电器。
4.根据权利要求1所述的高压电设备，其特征在于，所述相变材料的相变温度接近所述高压电器的最低工作温度；或者，所述相变材料在储热后和储热前体积变化率在10％以内。
5.根据权利要求2所述的高压电设备，其特征在于，在同一环境温度下，所述相变温度和所述高压电器的最低工作温度之间的温度差与所述相变材料的厚度呈正比。
6.根据权利要求1所述的高压电设备，其特征在于，所述高压电器的最低工作温度为-25℃，所述相变材料的相变温度为-12℃，在-30℃的环境温度下，每毫米厚度的外壳需要包裹所述相变材料的平均厚度至少为33.3mm。
7.根据权利要求1所述的高压电设备，其特征在于，所述高压电器的最低工作温度为-25℃，所述相变材料的相变温度为-20℃，在-30℃的环境温度下，每毫米厚度的外壳需要包裹所述相变材料的平均厚度至少为1.85mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的高压电设备，其特征在于，所述高压电设备为如下设备中的任一种：
-内部充有六氟化硫气体的设备；
-电气控制柜；
-中低压开关柜；以及
-操作机构箱。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的高压电设备，其特征在于，所述相变材料由如下材料中的任一种或任多种混合制成：石蜡、石墨、醋酸、高分子材料以及氯化钙。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的高压电设备，其特征在于，所述热源为所述高压电器运行产生的热、太阳能、或外界加热设备。
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