CN110660549A - 避雷器及输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种避雷器及输电系统，涉及电力设备技术领域，用于提高避雷器的散热效率，使避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统或者其他输电系统中以高荷电率长时间正常运行。该避雷器包括：壳体，壳体内安装有由多个电阻阀片层叠构成的避雷器芯柱，壳体的顶部设有第一接口，壳体的底部设有第二接口；冷凝器，设置于壳体外、并通过管路串联于第一接口与第二接口之间；其中，壳体内设置有蒸发冷却介质，避雷器芯柱浸泡在蒸发冷却介质中。通过本发明的技术方案，提高了避雷器的散热效率，使避雷器的电阻阀片不易发生热损坏，进而提高了避雷器耐电压能力。

Description

避雷器及输电系统

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种避雷器及输电系统。

背景技术

目前，避雷器主体通常由环氧树脂与硅橡胶绝缘子层层包裹封闭。由于避雷器结构密闭，导致避雷器内的热量不能及时散发，散热效率极低。进而导致避雷器内的零部件容易因温度过高而老化或者损坏，而且限制了避雷器的荷电率。因此现有的避雷器难以适应输电电压等级的不断提升，难以在输电系统中以高荷电率持续长时间正常运行，同时降低避雷器的老化损耗和故障率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避雷器及输电系统，用于提高避雷器的散热效率，使避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中以高荷电率长时间正常运行，同时降低避雷器的老化损耗和故障率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种避雷器，该避雷器包括：壳体，壳体内安装有由多个电阻阀片层叠构成的避雷器芯柱，壳体的顶部设有第一接口，壳体的底部设有第二接口；冷凝器，设置于壳体外、并通过管路串联于第一接口与第二接口之间；其中，壳体内设置有蒸发冷却介质，避雷器芯柱浸泡在蒸发冷却介质中。

可选地，冷凝器包括连通于第一接口与第二接口之间的第一通道，以及与第一通道间隔设置的第二通道。

可选地，避雷器还包括：外循环管，外循环管的两端与第二通道的两端分别对接以形成闭环通路，闭环通路内设置有冷却水；水机，设置于外循环管上。

可选地，避雷器还包括分别设置于第二通道两端的进水管和出水管，进水管和出水管分别与第二通道连通，且进水管和出水管可接入换流阀塔的水冷循环管路。

可选地，避雷器还包括设置于进水管上的分液喷头，分液喷头的进液口与进水管连通，分液喷头的喷液口朝向冷凝器。

可选地，避雷器还包括设置于冷凝器下方的集液盘，集液盘的底部设有排液孔。

可选地，避雷器还包括连通排液孔与出水管的排液管。

可选地，冷凝器所处的位置高于壳体内的蒸发冷却介质的液面。

可选地，避雷器还包括多个金属垫块，各个金属垫块与各个电阻阀片依次交替叠加设置。

基于上述避雷器的技术方案，本发明的第二方面提供了一种输电系统，该输电系统包括如上述任一项技术方案中的避雷器。

与现有技术相比，本发明提供的避雷器及输电系统具有如下有益效果：

本发明提供的避雷器，包括壳体及安装于壳体中的多个电阻阀片，由多个电阻阀片层叠构成避雷器芯柱，使用时避雷器芯柱的多个电阻阀片能够连接在输电系统内，用以保护电器设备免受瞬态过电压危害。由于壳体内设置有蒸发冷却介质，避雷器芯柱浸泡在蒸发冷却介质中，当避雷器通过极大短路电流时，电阻阀片发热，蒸发冷却介质汽化吸热，从而能够快速降低避雷器芯柱的温度，有效降低电阻阀片过热烧毁的风险，大大提高了避雷器暂态吸收能力。此外，通过在壳体的顶部设置第一接口，在壳体的底部设置第二接口，将冷凝器设置于壳体外，并将冷凝器通过管路串联于第一接口与第二接口之间，还能够通过压差使壳体内汽化的蒸发冷却介质从第一接口流入冷凝器中，然后在冷凝器中液化放热后再通过第二接口回到壳体内，从而使蒸发冷却介质得以循环利用，进一步提高了避雷器的散热效率，使电阻阀片上的热量迅速散发，有效降低电阻阀片的温度，使避雷器不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间以高荷电率正常稳定的运行，同时降低避雷器的老化损耗和故障率。

本发明提供的输电系统所能实现的有益效果，与上述技术方案提供的避雷器所能达到的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一个实施例的避雷器的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的冷凝器的结构示意图；

图3为本发明的另一个实施例的冷凝器的结构示意图；

图4为本发明的另一个实施例的避雷器的结构示意图；

图5为本发明的再一个实施例的避雷器的结构示意图；

图6为本发明的又一个实施例的避雷器的结构示意图。

附图标记：

102-壳体， 104-电阻阀片， 106-避雷器芯柱，

108-第一接口， 110-第二接口， 112-冷凝器，

114-蒸发冷却介质， 116-外循环管， 118-水机，

120-金属垫块， 122-第一通道， 124-第二通道，

126-进水管， 128-出水管， 130-第一电极，

132-第二电极， 134-分液喷头， 136-集液盘，

138-排液管， 20-换流阀塔， 202-水冷循环管路。

具体实施方式

为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的避雷器及输电系统进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的避雷器包括：壳体102，壳体102内安装有由多个电阻阀片104层叠构成的避雷器芯柱106，壳体102的顶部设有第一接口108，壳体102的底部设有第二接口110；冷凝器112，设置于壳体102外、并通过管路串联于第一接口108与第二接口110之间；其中，壳体102内设置有蒸发冷却介质114，避雷器芯柱106浸泡在蒸发冷却介质114中。

本发明提供的避雷器，包括壳体102及安装于壳体102中的多个电阻阀片104，由多个电阻阀片104层叠构成避雷器芯柱106，使用时避雷器芯柱106的多个电阻阀片104串联于电网与地线之间，用以保护电器设备免受瞬态过电压危害。由于壳体102内设置有蒸发冷却介质114，避雷器芯柱106浸泡在蒸发冷却介质114中，当避雷器通过极大短路电流时，电阻阀片104发热，蒸发冷却介质114汽化吸热，从而能够快速降低避雷器芯柱106的温度，有效降低电阻阀片104过热烧毁的风险，大大提高了避雷器暂态吸收能力。此外，通过在壳体102的顶部设置第一接口108，在壳体102的底部设置第二接口110，将冷凝器112设置于壳体102外，并将冷凝器112通过管路串联于第一接口108与第二接口110之间，还能够通过压差使壳体102内汽化的蒸发冷却介质114从第一接口108流入冷凝器112中，然后在冷凝器112中液化放热后再通过第二接口110回到壳体102内，从而使蒸发冷却介质114得以循环利用，进一步提高了避雷器的散热效率，使电阻阀片104上的热量迅速散发，有效降低电阻阀片104的温度，使避雷器不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间以高荷电率正常稳定的运行。

值得一提的是，随着特高压输电技术的不断发展，结合电网换相换流阀(LineCommutated Converter，以下简称为LCC)以及电压源型换流阀(Voltage SourceConverter，以下简称为VSC)的输电系统已成为电网运行不可缺少的一部分。例如，在输电系统的一种常见结构中，其逆变侧通常设有级联的至少一级LCC以及至少一级VSC；其中，LCC用于承载高压段电压，比如400kV～800kV；VSC用于承载低压段电压，比如0kV～400kV。该输电系统中的LCC对受端交流系统的依赖性较强，容易在受端交流系统出现交流故障时，发生换相失败，电压跌落为零，形成短路通路。而VSC在受端交流系统出现交流故障时并无电流通路形成，也就使得LCC会对级联的VSC进行电压电流转移，对VSC内的电容进行充电。因此随着故障电流的增大，VSC内的电容上的电压会迅速增大。通过将该避雷器设置于上述输电系统中，由于该避雷器散热效率高，具有较高的荷电率，在持续工作状态下的电流可以更大，残压更低，泄流效果更好，使得VSC上承载的电压电流不易超过其耐压耐流能力，改善了对VSC的保护效果。

本发明实施例提供的避雷器具有结构紧凑、自循环无需动力、换热效率高等优点。需要说明的是，蒸发冷却介质114达到沸点即相变为蒸汽向上流动，因此在壳体102顶部的第一接口108与壳体102底部的第二接口110两者之间会产生压差，这使得蒸发冷却介质114能够在冷凝器112与壳体102之间循环流动，从而能够通过冷凝器112对蒸发冷却介质114进行冷却。

上述蒸发冷却介质114是绝缘的，且沸点低。通过低沸点的蒸发冷却介质114蒸发时的汽化潜热可以带走各电阻阀片104的热量，使其降温。在运行时，各电阻阀片104产生的热量传递给蒸发冷却介质114，蒸发冷却介质114吸收热量，温度升高，当达到一定压力下的饱和温度时，开始沸腾，蒸发冷却介质114汽化吸热，汽化后的介质蒸汽在冷凝器112中将热量传递给二次冷却水，同时介质蒸汽被冷却为液体，回到避雷器的壳体中，继续循环。通过上述方案，使避雷器具有极高的冷却效率。

示例性的，上述蒸发冷却介质114为Vertrel XF(HFC-4310mee，十氟戊烷)。

上述壳体102选用绝缘壳体102，其能够对避雷器芯柱106进行保护，使避雷器芯柱106不易受到外界环境的干扰，外部灰尘、污水等各种杂质不易附着在避雷器芯柱106的表面，提高了避雷器芯柱106的安全性和可靠性。

示例性的，绝缘壳体102可为采用环氧树脂材料制作的环氧树脂壳体102，或为采用陶瓷材料制作的瓷质壳体102；当绝缘壳体102为环氧树脂壳体102时，环氧树脂壳体102上可套设硅橡胶伞裙，环氧树脂壳体102可与硅橡胶伞裙一体成型；当绝缘壳体102为瓷质壳体102时，瓷质壳体102上可套设瓷质伞裙，瓷质壳体102可与瓷质伞裙一体成型。

示例性的，冷凝器112包括换热盘管，换热盘管的形状包括但不限于螺旋形、S形与N形等。此外，为了增强换热盘管与外界环境的换热效果，还可以在换热盘管上设置多个散热翅片，并设置任意两个散热翅片之间留有间隔。

在一些实施例中，如图2所示，冷凝器112包括连通于第一接口108与第二接口110之间的第一通道122，以及与第一通道122间隔设置的第二通道124。

在该实施例中，通过在冷凝器112中设置间隔设置的第一通道122与第二通道124，并将第一通道122连通于第一接口108与第二接口110之间，能够通过向第二通道124内通入流体介质，例如水、氮气、制冷剂等，实现对流经第一通道122的蒸发冷却介质114进行降温，该冷凝器112具有结构简单，热交换效率高，便于安装维护及实用性高的优点。通过上述方案，进一步提高了避雷器的散热效率，有效降低电阻阀片104的温度，使电阻阀片104不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间正常稳定的运行，改善对VSC的保护效果。

参见图3，为了增强第二通道124内的流体介质对流经第一通道122的蒸发冷却介质114的降温效果，可以设置第一通道122穿设于第二通道124内，这样能够使第二通道124内的流体介质直接与第一通道122的外表面接触，从而能够更好的对流经第一通道122的蒸发冷却介质114进行降温，热交换效率更高。

在一些实施例中，参见图1，避雷器还包括：外循环管116，外循环管116的两端与第二通道124的两端分别对接以形成闭环通路，闭环通路内设置有冷却水；水机118，设置于外循环管116上。

在该实施例中，通过设置外循环管116，将外循环管116的两端与第二通道124的两端分别对接形成闭环通路，然后再闭环通路内设置冷却水，并在外循环管116上设置水机118，能够通过水机118使冷却水在闭环通路中循环流动，即在外循环管116与第二通道124循环流动，冷却水在流经第二通道124时实现与第一通道122内的蒸发冷却介质114进行换热，降低蒸发冷却介质114的温度，然后换热后的冷却水从第二通道124流入外循环管116中，以通过外循环管116将热量散热至外部环境中。通过上述方案，进一步提高了避雷器的散热效率，有效降低电阻阀片104的温度，使电阻阀片104不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间正常稳定的运行，改善对VSC的保护效果。

在一些实施例中，参见图4至图6，避雷器还包括分别设置于第二通道124两端的进水管126和出水管128，进水管126和出水管128分别与第二通道124连通，且进水管126和出水管128可接入换流阀塔20的水冷循环管路202。

在该实施例中，进水管126和出水管128的形状及其具体设置位置，均可按照实际需要自行设置，比如进水管126和出水管128采用圆形结构或弧形结构，进水管126和出水管128位于冷凝器112的同一侧或相对两侧。进水管126和出水管128分别与第二通道124连通，且进水管126和出水管128可接入换流阀塔20的水冷循环管路202中，这也就是说，冷凝器112的第二通道124可以与换流阀塔20的水冷循环管路202一体集成，可以利用水冷循环管路202中的冷却水对流经第一通道122的蒸发冷却介质114进行冷却，从而方便统一管理冷却水的流动循环，实现对避雷器和换流阀塔20所在输电系统的水冷进行统一控制，实用性和可靠性高。

在一些实施例中，参见图5，避雷器还包括设置于进水管126上的分液喷头134，分液喷头134的进液口与进水管126连通，分液喷头134的喷液口朝向冷凝器112。

在该实施例中，通过在进水管126上设置分液喷头134，将分液喷头134的进液口与进水管126连通，分液喷头134的喷液口朝向冷凝器112，能够将进水管126内的部分冷却水通过分液喷头134喷淋在冷凝器112上，从而能够进一步降低流经第一通道122的蒸发冷却介质114的温度，大幅提高蒸发冷却介质114对电阻阀片104的蒸发冷却效果。通过上述方案，大幅提高了避雷器的散热效率，能够有效降低电阻阀片104的温度，使电阻阀片104不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间正常稳定的运行，改善对VSC的保护效果。

在一些实施例中，参见图5，避雷器还包括设置于冷凝器112下方的集液盘136，集液盘136的底部设有排液孔。

在该实施例中，通过在冷凝器112的下方安装集液盘136，能通过集液盘136收集喷淋在冷凝器112上的冷却水，并使冷却水从排液孔集中排出，实现对冷凝水的集中收集和处理，使冷却水不易对避雷器及其附近的其他电器设备造成损害，提高了安全性和可靠性，该集液盘136具有结构简单、实用的优点。

示例性的，集液盘136与冷凝器112可拆卸连接，例如通过螺钉、螺栓、卡扣等连接件进行固定。当然，为了提高集液盘136与冷凝器112之间的相对稳定性，进一步降低冷凝器112上的冷却水落在集液盘136的范围之外的情况，还可以设置集液盘136与冷凝器112为一体式结构，例如一体铸造成型或者焊接成型等。

在一些实施例中，参见图5，避雷器还包括连通排液孔与出水管128的排液管138。

在该实施例中，通过设置排液管138连通排液孔与出水管128，使集液盘136收集到的冷却水能够依次通过排液孔、排液管138、出水管128，然后回到水冷循环系统中，方便统一管理冷却水的流动循环，实现对避雷器和换流阀塔20所在输电系统的水冷进行统一控制，实用性和可靠性高。

在一些实施例中，参见图1和图4～图6，冷凝器112所处的位置高于壳体102内的蒸发冷却介质114的液面。这样，可以使冷凝器112的第一通道122内基本上全是气态的蒸发冷却介质114，同时使气态的蒸发冷却介质114液化放热后能够在重力的作用下通过管路及第二接口110回到壳体102的底部，提高了蒸发冷却介质114的循环流动效果，由于流动性高，因此有利于进一步增强对电阻阀片104的冷却效果，使避雷器在承受过电压时，电阻阀片104不容易过热烧毁。

在一些实施例中，避雷器还包括多个金属垫块120，各个金属垫块120与各个电阻阀片104依次交替叠加设置。

在该实施例中，通过设置多个金属垫块120，并设置金属垫块120与电阻阀片104依次交替叠加设置，一方面能够作为导电体将多个电阻阀片104串联在一起，另一方面能够使两个电阻阀片104具有间隙，提高了电阻阀片104的散热效果。而且可以将电阻阀片104上的部分热量传导至相应的金属垫块120上，从而能够进一步降低电阻阀片104的温度，减少电阻阀片104过热烧毁的情况发生。

上述金属垫块120作为电压电流的传输介质，通常采用铜或铝材料等导电材料制作形成。

在一些实施例中，参见图4～6，避雷器还包括与避雷器芯柱106轴向方向的两端分别连接的第一电极130和第二电极132，第一电极130和第二电极132分别延伸至壳体102外。本方案中，通过设置第一电极130和第二电极132，便于将避雷器与外部设备连接，例如便于将避雷器连接在电网与地线之间。

另一方面，参见图6本发明的实施例提供了一种输电系统，该输电系统包括如上述任一项技术方案中的避雷器。

本发明提供的输电系统，避雷器可以通过进水管126和出水管128接入换流阀塔20的水冷循环管路202中，这也就是说，冷凝器112的第二通道124可以与换流阀塔20的水冷循环管路202一体集成，可以利用水冷循环管路202中的冷却水对流经第一通道122的蒸发冷却介质114进行冷却，从而方便统一管理冷却水的流动循环，实现对避雷器和换流阀塔20所在输电系统的水冷进行统一控制，实用性和可靠性高。通过上述方案，还能够进一步提高避雷器的散热效率，有效降低电阻阀片104的温度，使电阻阀片104不易因温度过高而损坏，进而提高避雷器的耐电压能力，使该避雷器能够在输电电压等级不断提升的输电系统中长时间正常稳定的运行，改善对VSC的保护效果。

综上，本发明提供的避雷器在用于输电系统时，无需单独设置水冷系统，通过在阀冷设计时将冷却容量及流量进行相应的调整，进阀厅主水管分支路引入避雷器的进水管126，即可与阀冷系统(即换流阀塔20的水冷循环管路202)共用冷却水。

值得一提的是，上述实施例中提到的冷却水通常为高纯度水，其电导率小于或等于0.3μs/cm。为了确保冷却水的冷却效率，在上述实施例的基础上，可选的，在进水管126上设置液体泵，利用液体泵增加进入第二通道124内冷却水的压力，能够加快冷却水在第二通道124内的输送流动，从而确保冷却水对流经第一通道122的蒸发冷却介质114的冷却效率，进一步提高电阻阀片104的散热效率。此外，可选的，本实施例在进水管126上设置流量控制器，在出水管128上设置温度检测仪，还可以利用流量控制器对冷却水的流量和流速进行即时控制，以满足电阻阀片104在不同温度时的冷却需求。需要补充的是，流量控制器可采用流量控制阀或节流阀等。

为了实现自动化控制，在上述实施例的基础上，可选的，还设置有自动控制单元，将自动控制单元的输入端与上述温度检测仪信号连接，以通过温度检测仪获取出水管128处冷却水的温度；将自动控制单元的输出端分别与上述液体泵和上述流量控制器信号连接，以根据其所获取的出水管128处冷却水的温度，对液体泵和流量控制器的工作状态进行自动控制，进而对冷却水的流量和流速进行自动控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种避雷器，其特征在于，所述避雷器包括：

壳体，所述壳体内安装有由多个电阻阀片层叠构成的避雷器芯柱，所述壳体的顶部设有第一接口，所述壳体的底部设有第二接口；

冷凝器，设置于所述壳体外、并通过管路串联于所述第一接口与所述第二接口之间；

其中，所述壳体内设置有蒸发冷却介质，所述避雷器芯柱浸泡在所述蒸发冷却介质中。

2.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述冷凝器包括连通于所述第一接口与所述第二接口之间的第一通道，以及与所述第一通道间隔设置的第二通道。

3.根据权利要求2所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括：

外循环管，所述外循环管的两端与所述第二通道的两端分别对接以形成闭环通路，所述闭环通路内设置有冷却水；

水机，设置于所述外循环管上。

4.根据权利要求2所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括分别设置于所述第二通道两端的进水管和出水管，所述进水管和所述出水管分别与所述第二通道连通，且所述进水管和所述出水管可接入换流阀塔的水冷循环管路。

5.根据权利要求4所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括设置于所述进水管上的分液喷头，所述分液喷头的进液口与所述进水管连通，所述分液喷头的喷液口朝向所述冷凝器。

6.根据权利要求5所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括设置于所述冷凝器下方的集液盘，所述集液盘的底部设有排液孔。

7.根据权利要求6所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括连通所述排液孔与所述出水管的排液管。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的避雷器，其特征在于，所述冷凝器所处的位置高于所述壳体内的蒸发冷却介质的液面。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的避雷器，其特征在于，所述避雷器还包括多个金属垫块，各个所述金属垫块与各个所述电阻阀片依次交替叠加设置。

10.一种输电系统，其特征在于，包括如权利要求1～9中任一项所述的避雷器。

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