CN115206707A - 一种户内式断路器冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开适用于直流配电网领域，提供了一种户内式断路器冷却系统及方法，所述系统包括：油箱、柜体和循环冷却机构，所述油箱和循环冷却机构集成安装在柜体内；所述油箱内注入有绝缘液，所述绝缘液没过放置于油箱内的断路器；所述绝缘液吸收断路器产生的热量汽化成气体，气体经过循环冷却机构液化成绝缘液回流至油箱中，对断路器进行循环冷却。整个循环系统为完全密闭系统，内部绝缘液受热不均产生密度差和压差，使得绝缘液在汽态和液态之间转化，自动循环流动。实现了断路器整机的外形结构、尺寸的大幅度减少，降低了断路器整机体积，降低设备占地面积，适用于户内安装运行。

Description

一种户内式断路器冷却系统及方法

技术领域

本公开属于直流配电网领域，特别涉及一种户内式固态直流断路器冷却系统及方法。

背景技术

直流配用电网可支撑分布式新能源和多元负荷灵活可控接入，是解决传统交流配电网存在问题的有效手段。其中，直流断路器是直流配用电网的核心关键装备，它具备持续通流和开断直流稳态、故障电流的能力。随着中低压直流配电网的发展，直流断路器在配电网中使用需求数量多，市场潜力巨大。

基于全控电力电子器件的固态直流断路器，由于具有拓扑结构简单、开断速度快（小于100μs）、动作无噪音、动作寿命次数不小于10万次等优势，在未来中低压直流配电网中具有很强的技术优势。但固态直流断路器在运行过程中，损耗导致的发热所引起的散热问题一直制约其技术发展和产品应用。

关于电力电子器件的散热冷却主要包括两种，一是通过去离子水强迫循环冷却，简称“水冷”，另外一种是通过风机抽风或吹风的直接风冷方式，直接将热量带走。前者结构设计复杂，本体内水冷循环管路接头多，渗漏水故障率高，整体设备占地面积大，运维复杂，不适合在散热功率需求小、独立冷却系统数量多且安装分布比较分散的场合应用；后者散热效率低，噪音大。目前较为成熟的混合式直流断路器，拓扑结构复杂、分断时间长、寿命短、成本昂贵、外形尺寸大。

发明内容

针对上述问题，一方面，本公开提供了一种户内式断路器冷却系统，所述系统包括：

油箱、柜体和循环冷却机构，所述油箱和循环冷却机构集成安装在柜体内；

所述油箱内注入有绝缘液，所述绝缘液没过放置于油箱内的断路器；所述绝缘液吸收断路器产生的热量汽化成气体，气体经过循环冷却机构液化成绝缘液回流至油箱中，对断路器进行循环冷却。

其中，所述油箱的上部留有供绝缘液汽化的缓冲空间。

其中，所述循环冷却机构包括安装在油箱上的蒸汽汇集管以及安装在油箱上的回液管，所述蒸汽汇集管和回液管连通。

其中，所述系统还包括冷凝器，所述冷凝器安装在柜体顶部，所述冷凝器的内部安装有循环管路，所述循环管路之间设置有外风道，所述蒸汽汇集管和回液管与冷凝器内的循环管路连通，所述冷凝器的顶部安装有冷却风机，所述冷却风机带动叶片转动，迫使冷凝器空气流通，带走内部热量。

其中，所述冷凝器中安装的冷却风机位于柜体顶部，所述叶片转动，带动空气从柜体内部向柜体外部流动，所述柜体上开设有进风口，所述柜体上的进风口远离冷凝器的排风侧。

其中，所述油箱的顶部设置有一个或多个进气口，一个或多个进气口与蒸汽汇集管连通。

其中，所述断路器包括多个电力电子器件和多个散热器，所述散热器吸收电力电子器件上的热量，并将热量传递给绝缘液。

其中，所述油箱内设置有一个或多个进液口，一个或多个所述进液口与回液管连通。

其中，所述进液口设置于散热器的底部，每个进液口与散热器一一对应。

其中，所述蒸汽汇集管与冷凝器和油箱连接处安装有法兰，所述回液管与冷凝器和油箱连接处安装有法兰。

其中，所述断路器内设置有断路器拓扑结构，所述拓扑结构包括全控电力电子开关组件和能量耗散组件，所述全控电力电子开关组件和能量耗散组件并联。

其中，所述能量耗散组件由非线性电阻片级联而成。

另外一方面，本公开还提供了一种户内式断路器冷却方法，采用上述户内式断路器冷却系统对断路器进行冷却。

与现有技术相比，本公开具有如下有益效果：

本公开提供的一种适用于户内安装运行的基于绝缘液浸没液冷与蒸发冷却相结合的新型冷却方法及系统，整个循环系统为完全密闭系统，内部绝缘液受热不均产生密度差和压差，使得绝缘液在汽态和液态之间转化，自动循环流动。利用绝缘液低沸点、高蒸发热参数特性，通过蒸发冷却方法实现主动循环独立冷却系统设计，提高冷却效率，解决了断路器电力电子器件及装备主动单体式散热和绝缘问题。上述冷却方法及其系统，散热均匀，不存在渗漏液风险；同时，实现了断路器整机的外形结构、尺寸的大幅度减少，降低了断路器整机体积，降低设备占地面积；实现直流断路器免维护或维护简单，提高断路器安全运行稳定性能，解决了全固态断路器市场推广瓶颈问题。

本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中一种户内式断路器冷却系统及方法内部结构示意图；

图2示出了本发明实施例中断路器拓扑结构示意图；

图3示出了本发明实施例中二极管混合桥电路图；

图4示出了本发明实施例中IGBT全桥电路图；

图5示出了本发明实施例中IGBT直串电路图；

图6示出了本发明实施例中IGCT电路图。

附图标记说明：

1、全控电力电子开关组件；2、能量耗散组件；3、断路器；4、散热器；5、油箱；6、蒸汽汇集管；7、冷凝器；8、冷却风机；9、回液管；10、进液口；11、法兰；12、绝缘液；13、气泡；14、气体；15、柜体；16、进气口；17、电力电子器件。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1示出了本发明实施例中一种户内式断路器冷却系统及方法内部结构示意图，所述系统包括：油箱5、柜体15和循环冷却机构，所述油箱5和循环冷却机构集成安装在柜体15内；所述油箱5内注入有绝缘液12，所述绝缘液12没过放置于油箱5内的断路器3；所述绝缘液12吸收断路器3产生的热量汽化成气体14，气体14经过循环冷却机构再次液化成绝缘液12回流至油箱5中，对断路器3进行循环冷却。所述油箱5的上部留有供绝缘液12汽化的缓冲空间。采用集成式设计，其中，断路器的二次控制系统、供能系统等全部集成在标准柜体15内。用于断路器3绝缘和冷却的绝缘液12具有沸点低、电阻率大、介电强度高、蒸发热参数大、与材料相容性好等特点。利用绝缘液12作为断路器3绝缘介质，减小绝缘设计距离，实现断路器整体体积大幅度降低，散热更均匀。所述柜体15为具有一定安全等级的防爆柜，将该冷却系统集成安装在柜体15中，整体结构紧凑，占地面积减小，适用于户内安装、运行。将断路器3浸没在绝缘液12中，利用绝缘液12的汽化，使得断路器3周围的环境维持在较为稳定的温度范围内，保证断路器3的性能和寿命，并且避免断路器3直接暴露在空气中使用，解决空气中爆炸危险介质、腐蚀气体或导电尘埃对断路器3工作性能的影响。

图2示出了本发明实施例中断路器拓扑结构示意图，上述断路器3内设置有断路器拓扑结构，所述拓扑结构包括全控电力电子开关组件1和能量耗散组件2，所述全控电力电子开关组件1和能量耗散组件2并联，可实现直流电流的双向开通和关断，在电网中，稳态运行工况下，持续导通稳态直流电流，全控半导体器件产生较大的热量。所述全控电力电子开关组件1电气拓扑结构主要包括但不限于如图3-图6所示的电路。所述能量耗散组件2由非线性电阻片级联而成，一般为避雷器阀片组。运行过程中发热元件主要为可控电力电子器件，如图3-图6所示的IGBT、IGCT、二极管等。

其中，图3示出了本发明实施例中二极管混合桥电路图，在该二极管混合桥电路中，电容C1的一端与电阻R1一端相连，二极管D1的阴极与二极管D4的阴极相连，二极管D2的阳极和二极管D3的阳极相连，电容的另一端、二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极三者相连，电阻R1的另一端、二极管D4的阳极以及二极管D3的阴极三者相连；全控器件T1先与一个二极管并联，构成全控支路，所述全控支路的一端与二极管D1的阴极相连，另一端与二极管D2的阳极相连。图4示出了本发明实施例中IGBT全桥电路图，在IGBT全桥电路中，每个全控单元包括一个全控器件T与一个二极管，每两个全控单元串联构成一个全控支路，两个全控支路并联之后，然后再与一个电容C并联。图5示出了本发明实施例中IGBT直串电路图，在该IGBT直串电路中，一个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）与一个二极管并联，构成一个全控单元，两个全控单元串联，每个全控单元均与一个二极管和一个电容并联，且全控单元中的二极管与全控单元并联的二极管反向连接；例如图中IGBT1并联一个二极管构成第一个全控单元，该全控单元与电容C2和二极管D5并联，全控单元中的二极管与二极管D5的方向相反；IGBT2并联一个二极管构成第二个全控单元，该全控单元与电容C3和二极管D6并联，全控单元中的二极管与二极管D6的方向相反；电容C2与二极管D5的连接处与电阻R2的一端相连，电容C3与二极管D6的连接处与电阻R3的一端相连，电阻R2的另一端和电阻R3的另一端相连；电阻R2和电阻R3的连接处与二极管D5和二极管D6的连接处之间设置有一根连接导线。图6示出了本发明实施例中IGCT电路图，在该IGCT电路中，两个IGCT（集成门极换流晶闸管）反向并联，然后再与一个避雷器MOV和一个电容C4并联，所述避雷器MOV与电容C4串联。

在本发明的一种实施例中，所述油箱5中注入的绝缘液12没过断路器3，并且油箱5中注入绝缘液12之后，油箱5的上部仍留有空间。所述油箱5为盛装绝缘液12和安装断路器3及其辅助电路的载体；常温静止状态下，绝缘液12没过断路器3并超过一定的液位，绝缘液12未完全装满油箱5，上部留有一定的空间，作为绝缘气体14缓冲和汇集空间，有利于油箱内蒸汽向上运动。

所述断路器3采用低沸点、高绝缘强度的绝缘液12全浸没式绝缘冷却，利用绝缘液12高绝缘强度特性，作为断路器电气绝缘介质，与传统空气绝缘介质相比，单位距离绝缘强度提高约10倍，实现断路器及柜体整体外形尺寸大幅缩小，减小占地面积，降低建设成本。固态断路器整体浸没在绝缘液体中，与传统水冷相比，冷却系统更简单，不存在管路复杂、接头繁多、渗漏隐患等问题，设备运行可靠性提高，运行维护简单或免维护。断路器3采用油箱5及自循环、全密封式冷却系统，实现了断路器3单体独立系统冷却，散热效率高，成本低、维护简单或免维护，不存在渗漏隐患，使中压、低压固态直流断路器工程应用成为可能，与传统直流断路器相比，具有很强的技术优势和经济优势。断路器的电气一次系统、二次供系统、控制系统、冷却系统等集成于柜体内，便于运输、安装和调试等。

在本发明的一种实施例中，所述循环冷却机构包括安装在油箱5上的蒸汽汇集管6以及安装在油箱5上的回液管9，所述蒸汽汇集管6和回液管9连通。所述油箱5的顶部设置有一个或多个进气口16，一个或多个进气口16与蒸汽汇集管6连通，油箱5顶盖采用多点出气，集中汇集到蒸汽汇集管6后进入冷凝器7中冷却液化，可降低油箱5内蒸汽局部聚集形成循环死角的现象。所述油箱5内设置有一个或多个进液口10，一个或多个所述进液口10与回液管9连通。所述断路器3包括多个电力电子器件17和多个散热器4，所述散热器4吸收电力电子器件17上的热量，并将热量传递给绝缘液12。所述进液口10设置于散热器4的底部，每个进液口10与散热器4一一对应。经过冷凝器7液化后的液体利用重力作用自然回流到油箱5底部，有利于冷却系统中绝缘液12在汽态-液态之间转化，进行自然主动循环，形成动态平衡。所述油箱5顶部设置有进气口16，通过连接法兰11、蒸汽汇集管6与冷凝器7进口相连；冷凝器7出口通过连接法兰11、回液管9与油箱5底部连通，油箱5底部进液口10直通断路器3的每个散热器4底部，形成密闭的循环系统。

所述系统还包括冷凝器7，所述冷凝器7安装在柜体15顶部，所述冷凝器7的内部安装有循环管路，所述循环管路之间设置有外风道，所述蒸汽汇集管6和回液管9与冷凝器7内的循环管路连通，所述冷凝器7的顶部安装有冷却风机8，所述冷却风机8带动叶片转动。所述冷凝器7中安装的冷却风机8位于柜体15顶部，所述叶片转动，带动空气从柜体15内部向柜体15外部流动，所述柜体15上开设有进风口，所述柜体15上的进风口远离冷凝器7的排风侧，油箱5安装在柜体15的底部，蒸汽汇集管6和回液管9设置在油箱5与冷凝器7之间，柜体15上的进风口可以设置在柜体15的底部以及两侧，并且进风口的高度低于冷凝器7的高度。所述冷凝器7的热交换形式为汽-液-风交换形式，冷却风机8及其散风叶片为抽风运行方式，空气流通方式为下进上出，有利于带走柜体15内聚集的热量、蒸汽汇集管6和回液管9散发的热量以及冷凝器7内部管路中绝缘液蒸汽的热量，使内部绝缘液蒸汽液化。这种空气流动方式更有利于冷凝器7内绝缘液蒸汽液化，回液管9内液体温度更低，蒸汽液化更彻底。

在本发明的一种实施例中，为方便管道与其他设备的接口快速连接，所述蒸汽汇集管6与冷凝器7和油箱5连接处安装有法兰11，所述回液管9与冷凝器7和油箱5连接处安装有法兰11。法兰11也可以在进行设备维护的时候，短暂的切断循环通路，防止绝缘液12泄露。

一种户内式断路器冷却方法，采用如上述所述的户内式断路器冷却系统对断路器进行冷却。全固态直流断路器新型冷却方法为：利用绝缘液12的物理特性、以全浸没形式、利用蒸发冷却原理相结合的冷却方法，具体冷却循环原理为：将断路器3整体浸没在绝缘液12中，运行过程，电力电子器件17产生的热量以传导的方式传递到散热器4表面，散热器4吸收热量后再以传导的方式传递给周围的绝缘液12；绝缘液12吸热后产生密度差，温度较高的绝缘液12向上运动，反之温度较低的绝缘液向下运动，从而形成自然循坏带走热量。绝缘液12从散热器4吸热达到沸腾状态后，产生气体形成气泡13，利用液体蒸发热参数大的特性，带走散热器4大量的热量，气泡向上运动进入油箱5上部形成气体14，气体14经顶部进气口16进入蒸汽汇集管6，然后进入到冷凝器7中；在冷凝器7中遇冷后，由汽态液化为液态，利用管路中压力差和重力差通过回液管9回流到油箱5底部，并通过进液口10进入到散热器4的底端。

油箱5与冷凝器7、循环管路等采用密闭式主动循环设计。整个循环系统为完全密闭系统，内部绝缘液受热不均产生密度差和压差，使得绝缘液在汽态和液态之间转化，自动循环流动。利用绝缘液低沸点、高蒸发热参数特性，通过蒸发冷却方法实现主动循环独立冷却系统设计，提高冷却效率，解决了断路器电力电子器件及装备主动单体式散热和绝缘问题。并将低沸点、高绝缘强度和高电阻率的冷却液作为冷却、绝缘介质，应用到中低压直流配电网电力电子装备冷却系统和电气绝缘设计中。

为解决全固态直流断路器散热问题，克服电力电子器件水冷系统节点多、渗漏隐患大，故障率高、运维复杂等缺点；以及直接风冷散热效率低及噪音问题。通过设计上述一种适用于户内安装运行的基于绝缘液浸没液冷与蒸发冷却相结合的新型冷却方法及系统，解决了固态断路器功率器件的散热难题。上述冷却方法及其系统，散热均匀，不存在渗漏液风险；同时，实现了断路器整机的外形结构、尺寸的大幅度减少，降低了断路器整机体积，降低设备占地面积；实现直流断路器免维护或维护简单，提高断路器安全运行稳定性能，解决了全固态断路器市场推广瓶颈问题。

尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种户内式断路器冷却系统，所述系统包括：

油箱（5）、柜体（15）和循环冷却机构，所述油箱（5）和循环冷却机构集成安装在柜体（15）内；

所述油箱（5）内注入有绝缘液（12），所述绝缘液（12）没过放置于油箱（5）内的断路器（3）；所述绝缘液（12）吸收断路器（3）产生的热量汽化成气体（14），气体（14）经过循环冷却机构液化成绝缘液（12）回流至油箱（5）中，对断路器（3）进行循环冷却。

2.根据权利要求1所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述油箱（5）的上部留有供绝缘液（12）汽化的缓冲空间。

3.根据权利要求1所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述循环冷却机构包括安装在油箱（5）上的蒸汽汇集管（6）以及安装在油箱（5）上的回液管（9），所述蒸汽汇集管（6）和回液管（9）连通。

4.根据权利要求3所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述系统还包括冷凝器（7），所述冷凝器（7）安装在柜体（15）顶部，所述冷凝器（7）的内部安装有循环管路，所述循环管路之间设置有外风道，所述蒸汽汇集管（6）和回液管（9）与冷凝器（7）内的循环管路连通，所述冷凝器（7）的顶部安装有冷却风机（8），所述冷却风机（8）带动叶片转动，迫使冷凝器（7）空气流通，带走内部热量。

5.根据权利要求4所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述冷凝器（7）中安装的冷却风机（8）位于柜体（15）顶部，所述叶片转动，带动空气从柜体（15）内部向柜体（15）外部流动，所述柜体（15）上开设有进风口，所述柜体（15）上的进风口远离冷凝器（7）的排风侧。

6.根据权利要求3所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述油箱（5）的顶部设置有一个或多个进气口（16），一个或多个进气口（16）与蒸汽汇集管（6）连通。

7.根据权利要求3所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述断路器（3）包括多个电力电子器件（17）和多个散热器（4），所述散热器（4）吸收电力电子器件（17）上的热量，并将热量传递给绝缘液（12）。

8.根据权利要求7所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述油箱（5）内设置有一个或多个进液口（10），一个或多个所述进液口（10）与回液管（9）连通。

9.根据权利要求8所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述进液口（10）设置于散热器（4）的底部，每个进液口（10）与散热器（4）一一对应。

10.根据权利要求4所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述蒸汽汇集管（6）与冷凝器（7）和油箱（5）连接处安装有法兰（11），所述回液管（9）与冷凝器（7）和油箱（5）连接处安装有法兰（11）。

11.根据权利要求1-10任一所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述断路器（3）内设置有断路器拓扑结构，所述拓扑结构包括全控电力电子开关组件（1）和能量耗散组件（2），所述全控电力电子开关组件（1）和能量耗散组件（2）并联。

12.根据权利要求11所述的户内式断路器冷却系统，其中，

所述能量耗散组件（2）由非线性电阻片级联而成。

13.一种户内式断路器冷却方法，采用如权利要求1-12任一所述的户内式断路器冷却系统对断路器进行冷却。

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