CN104037627B - 一种固体绝缘开关设备的散热装置及其散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体绝缘开关设备的散热装置及其散热方法，固体绝缘开关设备的散热装置，包括一次导体，一次导体外包覆有固体绝缘层，固体绝缘层外包覆有正六边形蜂窝散热器，正六边形蜂窝散热器上下端的固体绝缘层外紧密套装有均压环，均压环与正六边形蜂窝散热器紧密接触，在固体绝缘设备中的一次导体工作时产生的热量将热传导传递到固体绝缘层，固体绝缘层中的热量经热传导、热辐射、热对流从正六边形蜂窝散热器及均压环把热量散发出去，降低固体绝缘设备温升，提高固体绝缘设备的额定电流，满足电力工业大电流设备的要求。
Description
技术领域：
本发明涉及高压开关设备领域，尤其涉及一种固体绝缘开关设备的散热装置及其散热方法。
背景技术：
在高压开关设备领域，固体绝缘是未来的发展方向。本发明所涉及的是固体绝缘设备的散热问题。在高压电器中，最棘手的两个问题，一个是绝缘问题，一个是发热问题。由于固体绝缘减小了整个结构的尺寸，导体之间的连接变得很紧凑，距离也很短，导体封闭在固体绝缘内部，散热困难，严重制约了固体绝缘的载流水平。
在7.2kV～40.5kV高压领域，近几年，国内外著名的大公司都开展了固体绝缘开关设备的研发，最有代表意义的是日本东芝公司最新研制出中压固体绝缘开关设备（SIS)。国内也有数家著名大公司开始智能化环保型固体绝缘开关设备的探索研究。
固体绝缘开关设备的导体封闭在固体绝缘内部，散热困难，严重制约了固体绝缘的载流水平，而现有的固体绝缘散热还是传统的直接空气散热，目前世界领先水平的10kV产品,最大额定电流只能达到1200A，远远的不能满足电力工业的要求。
固体绝缘技术:以多层介电常数不同的绝缘层用于真空灭弧室（见附图1）为例，露出真空灭弧室16两端的主电路导体端部，首先用环氧树脂之类的绝缘材料模制设置第一绝缘层17，然后在第一绝缘层17的表面上进行如喷砂处理，提高了接合性后，用环氧树脂之类的绝缘材料模制设置第二绝缘层18。在第二绝缘层18的外壳上设置例如喷涂碳涂料之类的导电性涂料而形成的接地层19。
可见开关设备的导体封闭在固体绝缘内部，散热困难，严重制约了固体绝缘的载流水平，而现有的固体绝缘散热还是传统的直接空气散热。
发明内容：
为了弥补现有技术问题，本发明的目的是提供一种固体绝缘开关设备的散热装置及其散热方法，通过合理新颖的散热结构，配合固体绝缘技术，通过热传导、热辐射、热对流技术，把热量散发出去，降低固体绝缘设备的温升，提高设备的额定电流，满足电力工业大电流设备的要求。
本发明的技术方案如下：
固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：包括一次导体，所述的一次导体外包覆有固体绝缘层，固体绝缘层外包覆有正六边形蜂窝散热器，正六边形蜂窝散热器上下端的固体绝缘层外紧密套装有均压环，均压环与正六边形蜂窝散热器紧密接触。
所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的均压环采用金属导热材料制成的金属环，六边形蜂窝散热器也采用金属导热材料制成，金属环与六边形蜂窝散热器接触面为平面，其外壁及中心孔两端均圆弧过渡。
所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的正六边形蜂窝散热器由若干个正六边形蜂窝单元组合构成筒体形，正六边形蜂窝单元截面为正六边形的柱状筒体，正六边形蜂窝单元轴线方向朝向整流板型蜂窝散热器轴线方向垂直。
所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的正六边形蜂窝散热单元的高度和其截面的正六边形外接圆直径比值一般为0.5~1。
所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的正六边形蜂窝散热器在大电流设备中应用时，外壁上还可设有倾斜且间隔分布的导流风槽。
一种固体绝缘开关设备的散热装置的散热方法，其特征在于，包括如下步骤：在固体绝缘设备中的一次导体工作时产生的热量将热传导传递到固体绝缘层，固体绝缘层中的热量经热传导、热辐射、热对流从正六边形蜂窝散热器及均压环把热量散发出去，降低固体绝缘设备温升，提高固体绝缘设备的额定电流。
本发明的优点是：
本发明通过六边空柱窝状结构的散热结构，配合固体绝缘技术，通过热传导、热辐射、热对流技术，把热量散发出去，降低固体绝缘设备的温升，提高设备的额定电流，满足电力工业大电流设备的要求。
附图说明：
图1为真空灭弧室的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的大电流结构示意图。
图4为本发明正六边形蜂窝单元的外接圆直径d对散热和电场分布影响曲线图。
图5为本发明正六边形蜂窝单元高径比η=h/d对蜂窝当量导热系数的影响曲线图。
具体实施方式：
参见附图：
固体绝缘开关设备的散热装置，包括一次导体1，一次导体1外包覆有固体绝缘层2，固体绝缘层2外包覆有正六边形蜂窝散热器4，正六边形蜂窝散热器4上下端的固体绝缘层2外紧密套装有均压环3，均压环3与正六边形蜂窝散热器4紧密接触。
均压环3采用金属导热材料制成的金属环，金属环与六边形蜂窝散热器接触面为平面，其外壁及中心孔两端均圆弧过渡。
正六边形蜂窝散热器4由若干个正六边形蜂窝单元组合构成筒体形，正六边形蜂窝单元截面为正六边形的柱状筒体，正六边形蜂窝单元轴线方向朝向整流板型蜂窝散热器轴线方向垂直。
正六边形蜂窝散热单元的高度和其截面的正六边形外接圆直径比值一般为0.5~1。
正六边形蜂窝散热器在大电流设备中应用时，外壁上还可设有倾斜且间隔分布的导流风槽5。
一种固体绝缘开关设备的散热装置的散热方法，包括如下步骤：在固体绝缘设备中的一次导体工作时产生的热量将热传导传递到固体绝缘层，固体绝缘层中的热量经热传导、热辐射、热对流从正六边形蜂窝散热器及均压环把热量散发出去，降低固体绝缘设备温升，提高固体绝缘设备的额定电流。
主要部件及实验应用分析：
1、均压环：在高压电器技术中，绝缘是个重要的指标，所有可导电部件必须圆滑过度，不允许有尖角突变等，影响电场分布，尖端放电，造成绝缘下降。因此，在正六边形蜂窝散热器紧紧的套上均压环，改善电场分布，加强产品绝缘水平。
2、正六边形蜂窝散热器：增加散热面积最常见也是最基本的方式,在有限的空间内，散热面积并不能无限制的增大，当设置对流散热结构受到空间限制时，传导成为有效散热的主要措施。即设计有效的导热结构，增加散热面积以便热能够快速被传递，然后配合辐射、对流等散热技术实现热量的耗散。蜂窝结构因其良好的散热性受到了重视。合理的蜂窝类型和蜂窝排布，使总的热交换量最大化，蜂窝侧壁面导热和蜂窝内表面间辐射换热是金属蜂窝内热量传递的主要方式。
2．1正六边形蜂窝单元的高度为h，外接圆直径d对散热曲线K和电场分布曲线E影响曲线图（参见附图4），因此不光要考虑散热效率，更要兼顾电场分布，保证绝缘水平。
在不同电压等级下，外接圆直径d选择不同。外接圆直径d，对散热曲线K和电场分布曲线E的综合影响，在交点N附近选择一个合适的d值。
2．2在单位面积蜂窝重量不变的前提下，正六边形蜂窝单元高径比η=h/d对蜂窝当量导热系数的影响曲线图（参见附图5）中可以看出，在所研究的温度范围内，随着高径比减少，蜂窝当量导热系数在增大。同时温度越高，这种变化越明显。这是由于随着高径比η的增大，上下表面间角系数减小，辐射换热量减小。此外，高径比增加，必然导致蜂窝壁面厚度减小，蜂窝导热面积变小，从而使蜂窝内导热减弱。因此，结合电场分布。通过大量的试验，选择一个合适比值在0.5~1之间。
3、对于超过2000A的大电流，仅仅采用上述的热传导和热辐射方式是远远不够的，必须配合自动力热对流来强化散热。针对大电流，散热器采用附图3中的大电流结构示意图，散热器表面导流风槽5，导流风槽5的宽度N同样受到附图4中对电场分布的影响，导流风槽对称中心线与横截面的圆周的夹角α对自然对流影响曲线图（参见附图6）。
结合正六边形蜂窝散热器的结构特点，考虑自然热对流效能，α角度为60度。2000A-2500A开设2道沟槽,3000A开设4道沟槽,4000A开设6道沟槽。以上开槽数为推荐数据，实际应用时结合电压等级等实际进行调整。
4、此外，对于超过3500A的电流还需强迫风冷。
Claims (4)
1.一种固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：包括一次导体，所述的一次导体外包覆有固体绝缘层，固体绝缘层外包覆有正六边形蜂窝散热器，正六边形蜂窝散热器上下端的固体绝缘层外紧密套装有均压环，均压环与正六边形蜂窝散热器紧密接触；所述的均压环为采用金属导热材料制成的金属环，正六边形蜂窝散热器也采用金属导热材料制成，均压环与正六边形蜂窝散热器接触面为平面，其外壁及中心孔两端均圆弧过渡；所述的正六边形蜂窝散热器由若干个正六边形蜂窝单元组合构成筒体形，正六边形蜂窝单元截面为正六边形的柱状筒体，正六边形蜂窝单元轴线方向与正六边形蜂窝散热器轴线方向垂直。
2.根据权利要求1所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的正六边形蜂窝散热单元的高度和其截面的正六边形外接圆直径比值为0.5~1。
3.根据权利要求1所述的固体绝缘开关设备的散热装置，其特征在于：所述的正六边形蜂窝散热器在大电流设备中应用时，外壁上还设有倾斜且间隔分布的导流风槽。
4.一种应用权利要求1所述的散热装置的散热方法，其特征在于，包括如下步骤：在固体绝缘设备中的一次导体工作时产生的热量将热传导传递到固体绝缘层，固体绝缘层中的热量经热传导、热辐射、热对流从正六边形蜂窝散热器及均压环把热量散发出去，降低固体绝缘设备温升，提高固体绝缘设备的额定电流。
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