DE102015121235A1

DE102015121235A1 - Switchgear cooling arrangement

Info

Publication number: DE102015121235A1
Application number: DE102015121235.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kaufmann; Oleksandr Sologubenko; Tilo Bühler; Klaus Kraft; Francoise Molitor; Hans-Peter Merkel
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Eine Anordnung zur Kühlung einer Schaltanlage, umfassend einen Leistungsschalter (1) und mindestens eine hohle stromführende Stromschiene (2), wobei innerhalb der Stromschiene (2) ein Kanal (2a) zur Führung eines Kühlmediums ausgebildet ist und wobei die Stromschiene (2) durch ein Leitungselement (3) elektrisch leitend mit dem Leistungsschalter (1) verbunden ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, bei welcher eine effektive Kühlung von Heißstellen ermöglicht ist, welche abgeschirmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leitungselement (3) und der Stromschiene (2) eine thermisch leitende Einrichtung (4) zugeordnet ist, durch welche Wärme mittels des Kühlmediums durch den Kanal (2a) in der Stromschiene (2) abführbar ist.An arrangement for cooling a switchgear comprising a circuit breaker (1) and at least one hollow current-carrying busbar (2), wherein within the busbar (2) a channel (2a) is designed for guiding a cooling medium and wherein the busbar (2) by a Conduit element (3) is electrically conductively connected to the circuit breaker (1), in view of the object to provide an arrangement in which an effective cooling of hot spots is possible, which are shielded, characterized in that the conduit element (3) and the busbar (2) is associated with a thermally conductive device (4) through which heat by means of the cooling medium through the channel (2a) in the busbar (2) can be discharged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanlagenkühlanordnung zur Kühlung einer Schaltanlage und insbesondere einer Heißstelle einer Schaltanlage mit einem Leistungselement, insbesondere einer Niederspannungsschaltanlage mit einem Leistungschalter, umfassend mindestens eine hohle stromführende Stromschiene beziehungsweise eine stromführende Hohlschiene, wobei innerhalb der Stromschiene ein Kanal zur Führung eines Kühlmediums ausgebildet ist und wobei die Stromschiene durch ein Leitungselement elektrisch leitend mit dem jeweiligen Leistungselement, insbesondere einem Leistungsschalter, verbunden ist. The invention relates to a switchgear cooling arrangement for cooling a switchgear and in particular a hot spot of a switchgear with a power element, in particular a low-voltage switchgear with a power switch, comprising at least one hollow current-carrying busbar or a current-carrying hollow rail, wherein within the busbar a channel for guiding a cooling medium is formed and wherein the busbar is electrically connected by a line element with the respective power element, in particular a circuit breaker.

Eine Anordnung, welche röhrenförmige Stromschienen aufweist, ist bereits aus der EP 0 811 265 B1 bekannt. An arrangement which has tubular bus bars, is already out of the EP 0 811 265 B1 known.

Schaltanlagen umfassen üblicherweise im Wesentlichen abgeschlossene Einfassungen, die elektrische Geräte, innere Anschlussleitungen und Schnittstellen für Installationen aufnehmen. Alle stromführenden Elemente erzeugen Wärme, welche letztlich nach außen, nämlich nach außerhalb der Einfassung, geführt werden muss. Switchgear typically includes substantially sealed enclosures that house electrical equipment, internal leads and interfaces for installations. All current-carrying elements generate heat, which ultimately has to be led to the outside, namely to the outside of the enclosure.

Die Wärme wird zwischen verschiedenen Elementen der Schaltanlage ausgetauscht, insbesondere mit der Luft im Inneren und deren Wänden durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. All diese Phänomene der Wärmeerzeugung und Wärmeübertragung führen zu einer komplexen Temperaturverteilung innerhalb einer Einfassung einer Schaltanlage. The heat is exchanged between various elements of the switchgear, in particular with the air inside and its walls by heat conduction, convection and radiation. All these phenomena of heat generation and heat transfer lead to a complex temperature distribution within a enclosure of a switchgear.

Die maximale Stromrate eines Leistungsschalters wird durch die maximal zulässige Temperaturbelastung verschiedener Elemente begrenzt. Die maximal zulässige Temperaturbelastung wird durch Standards festgelegt. The maximum current rate of a circuit breaker is limited by the maximum permissible temperature load of different elements. The maximum permissible temperature load is determined by standards.

Ein Anstieg der Stromrate eines Leistungsschalters ohne eine Neuauslegung des Gesamtsystems würde zu einer Erwärmung von Elementen des Leistungsschalters über zulässige Grenzen hinaus führen, wobei diese Grenzen wiederum durch Standards definiert werden. An increase in the current rate of a circuit breaker without a redesign of the overall system would lead to heating elements of the circuit breaker beyond allowable limits, which limits are again defined by standards.

Ein besonders hoher Temperaturanstieg wird in Elementen erwartet, welche einem hohen Wärmefluss unterworfen sind. Ein solches Element in einer Schaltanlage für Niederspannungen ist das Leitungselement, welches die elektrische Verbindung zwischen Stromschienen und einem Leistungsschalter herstellt. Der Standard IEC 61439-1 begrenzt den Temperaturanstieg von Verbindungsanschlüssen an einem Leistungsschalter auf 85 K. A particularly high temperature rise is expected in elements which are subjected to a high heat flux. One such element in a low voltage switchgear is the line element which establishes the electrical connection between busbars and a circuit breaker. Of the Standard IEC 61439-1 limits the temperature rise of connection terminals on a circuit breaker to 85 K.

Vor diesem Hintergrund wird das Kühlen eines Leistungsschalters typischerweise durch natürliche Konvektion und Strahlung realisiert, wobei diese Arten der Kühlung nicht effektiv genug sein können, um eine ausreichende Kühlung zu bewirken. Against this background, the cooling of a circuit breaker is typically realized by natural convection and radiation, and these types of cooling may not be effective enough to provide sufficient cooling.

Insbesondere Stellen, die hinter einer elektrischen Isolierung verborgen sind, beispielsweise Durchführungen, werden von natürlicher Luftkonvektion nicht erreicht und neigen zur Überhitzung. Diese lokalen Heißstellen beschränken ein ganzes Gesamtsystem. In particular, places that are hidden behind electrical insulation, such as ducts, are not reached by natural air convection and tend to overheat. These local hot spots limit a whole system.

Bei einer Anwendung mit erhöhtem Stromratenbedarf und damit einhergehender höherer Wärmeabfuhr wird versucht, das Gesamtsystem dadurch zu kräftigen, dass Luft aktiv aus der Umgebung durch alle Räume gepumpt wird. Diese sogenannte lufterzwungene Lösung hat allerdings verschiedene Nachteile. Es muss nämlich auf eine Staubabdichtung des Gesamtsystems verzichtet werden. Hiermit geht ein Bedarf nach einem Filter einher. Des Weiteren ist der Energieverbrauch starker Gebläse relativ hoch. Vor allem aber erreicht der Luftstrom nicht effizient all jene lokalen Heißstellen, die in irgendeiner Weise hinter einer elektrischen Isolierung abgeschirmt sind. In an application with increased flow rate requirement and associated higher heat dissipation, an attempt is made to strengthen the overall system by actively pumping air from the environment through all rooms. However, this so-called air-forced solution has several disadvantages. It must namely be dispensed with a dust seal of the entire system. This is accompanied by a need for a filter. Furthermore, the energy consumption of strong blowers is relatively high. Most importantly, the airflow does not efficiently reach those local hot spots that are in any way shielded behind electrical insulation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, bei welcher eine effektive Kühlung von Heißstellen ermöglicht ist, welche abgeschirmt sind. The invention is therefore based on the object to provide an arrangement in which an effective cooling of hot spots is possible, which are shielded.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. According to the invention the above object is achieved by an arrangement with the features of claim 1.

Danach ist dem Leitungselement und der Stromschiene eine thermisch leitende Einrichtung zugeordnet, durch welche Wärme mittels eines Kühlmediums durch einen Kanal in der Stromschiene abführbar ist. Thereafter, the conduit element and the busbar is associated with a thermally conductive device, through which heat by means of a cooling medium through a channel in the busbar can be discharged.

Erfindungsgemäß wird eine Schaltanlagenkühlanordnung vorgeschlagen, welche eine Stromschiene als Leitung für ein Kühlmedium, insbesondere Luft, nutzt. Weiter wird erfindungsgemäß eine Stromschiene genutzt, um Wärme von einer thermisch leitenden Einrichtung abzuführen. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass hierdurch die Kühlung der Verbindung zwischen einem Leistungselement, insbesondere einem Leistungsschalter, und Stromschienen innerhalb der Schaltanlage verbessert werden kann. Konkret ist erkannt worden, dass so effektiv Wärme von einer kritischen Heißstelle, insbesondere in Niederspannungsräumen, abgeführt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der thermische Widerstand einer Wärmeleitung zwischen einer Stromschiene und einem Leistungselement wie einem Leistungsschalter reduziert wird. Die Anordnung ist dabei kostengünstig und problemlos beziehungsweise vergleichsweise einfach, insbesondere modular, montierbar. According to the invention, a switchgear cooling arrangement is proposed, which uses a busbar as a conduit for a cooling medium, in particular air. Further, according to the invention, a bus bar is used to dissipate heat from a thermally conductive device. According to the invention, it has been recognized that in this way the cooling of the connection between a power element, in particular a power switch, and busbars within the switchgear can be improved. Specifically, it has been recognized that heat can be effectively removed from a critical hot spot, especially in low voltage rooms. This is achieved according to the invention by reducing the thermal resistance of a heat conduction between a bus bar and a power element such as a circuit breaker. The arrangement is inexpensive and problem-free or comparatively simple, in particular modular, mountable.

Es wird eine erhebliche Reduzierung des Wärmeanstiegs in Schaltanlagen erreicht, wodurch wiederum die Kapazität stromführender Elemente der Schaltanlage effektiv gesteigert wird. Es kann sogar die Menge des Materials reduziert werden, welches für die Stromschienen benötigt wird. Die Anordnung erlaubt die Abfuhr eines großen Teils einer Wärmemenge von einem Leistungsschalter durch eine thermisch leitende Einrichtung mit großer Wärmeleitfähigkeit. So erzeugt die Anordnung einen effektiven Wärmepfad, der direkt mit einer Heißstelle verbunden ist. It achieves a significant reduction of the heat increase in switchgear, which in turn effectively increases the capacity of live elements of the switchgear. It can even reduce the amount of material needed for the busbars. The arrangement allows the removal of a large part of an amount of heat from a circuit breaker by a thermally conductive device with high thermal conductivity. Thus, the assembly creates an effective heat path that is directly connected to a hot spot.

Alle diese Faktoren führen zu einer Reduzierung des Temperaturanstiegs innerhalb des Leitungselements oder an diesem verglichen mit bestehenden Kühlungsverfahren, welche natürliche Konvektion und Strahlungskühlung nutzen. Des Weiteren ist eine einstellbare und anpassbare Kühlung ermöglicht. All of these factors result in a reduction in or compared to the temperature rise within the ducting element compared to existing cooling methods that use natural convection and radiant cooling. Furthermore, an adjustable and customizable cooling is possible.

Vorteilhaft weist die thermisch leitende Einrichtung mindestens ein Verdunsterelement oder mehrere Verdunsterelemente auf, welches bzw. welche in das Leitungselement ganz oder teilweise eingebettet ist bzw. sind. Hierdurch wird ein direkter thermischer Zugang zu einer kritischen Heißstelle durch eine modular aufgebaute thermisch leitende Einrichtung geschaffen. Durch das Verwenden mehrerer Verdunsterelemente wird eine Wärmespreizung erzielt. Advantageously, the thermally conductive device has at least one evaporator element or several evaporator elements, which is or are completely or partially embedded in the line element. This creates a direct thermal access to a critical hot spot through a modular thermally conductive device. By using multiple Verdunsterelemente a heat spread is achieved.

Weiter vorteilhaft ist mindestens ein Verdunsterelement länglich und/ oder als Stift, Stab oder Rohr ausgebildet, von welchem Lamellen abragen, die innerhalb des Kanals zur Führung des Kühlmediums angeordnet sind. Die Lamellen können von Luft umströmt werden und die Wärme abführen, die durch die Verdunsterelemente in die Lamellen geführt wird. Die Lamellen bieten daher eine große effektive Wärmeaustauschfläche zwischen der Luft und dem Leitungselement. So kann Wärme zwischen einer Hauptwärmequelle und dem Luftstrom als Wärmesenke ausgetauscht werden. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass die thermisch leitende Einrichtung ein Wärmerohr ist. Further advantageously, at least one Verdunsterelement elongated and / or formed as a pin, rod or tube, protrude from which slats, which are arranged within the channel for guiding the cooling medium. The lamellae can be flowed around by air and dissipate the heat that is passed through the Verdunsterelemente in the slats. The fins therefore provide a large effective heat exchange area between the air and the duct element. So heat can be exchanged between a main heat source and the air flow as a heat sink. Against this background, it is conceivable that the thermally conductive device is a heat pipe.

Die thermisch leitende Einrichtung, die als Wärmerohr ausgebildet sein kann, bewirkt eine Aufspreizung der Wärmemenge und ist durch die Zahl der Verdunsterelemente und Lamellen leicht skalierbar. Diese Technologie ist ausgereift, kostengünstig und problemlos erhältlich. The thermally conductive device, which may be formed as a heat pipe, causes a spread of the amount of heat and is easily scalable by the number of Verdunsterelemente and slats. This technology is mature, cost-effective and readily available.

Vorteilhaft ist mindestens ein Gebläse vorgesehen, welches einen Luftstrom erzeugt, um die thermisch leitende Einrichtung durch das Kühlmedium Luft zu kühlen. Die Luft kann hierdurch von einem Raum, insbesondere einer Wärmesenke, direkt in die Nähe der Hauptwärmequelle, nämlich der Kontaktstelle zwischen Leistungselement, insbesondere Leistungsschalter, und Stromschiene, geführt werden. So kann das Verdunsterelement effektiv gekühlt werden, indem die Lamellen von Luft aus dem Gebläse umströmt werden. Des Weiteren ist das Maß der Kühlung durch ein Gebläse einstellbar. Die Kühlung kann gemäß der Wärmebelastung des Leistungselementes und insbesondere des Leistungsschalters eingestellt werden. Die Luftstromrate ist vorteilhaft um Größenordnungen geringer als bei bestehenden Konzepten, die eine lufterzwungene Kühlung nutzen. Advantageously, at least one fan is provided which generates an air flow in order to cool the thermally conductive device through the cooling medium air. The air can thereby be led from a space, in particular a heat sink, directly into the vicinity of the main heat source, namely the contact point between the power element, in particular circuit breaker, and busbar. Thus, the Verdunsterelement can be effectively cooled by the lamellae are flowed around by air from the fan. Furthermore, the degree of cooling is adjustable by a blower. The cooling can be adjusted according to the heat load of the power element and in particular of the circuit breaker. The air flow rate is advantageously orders of magnitude lower than in existing concepts that use air-forced cooling.

Weiter vorteilhaft ist die Stromschiene als Rohr oder röhrenartig ausgebildet. Hierdurch wird in der Stromschiene ein ringsum abgeschlossener Kanal mit rundem Querschnitt bereit gestellt, durch den Luft eines Gebläses strömen kann. Die Verwendung solcher Stromschienen erlaubt die Realisierung eines vollständig abgedichteten Systems. Des Weiteren erfolgt eine Kühlung längs des gesamten Stromleitungssystems durch die Luft, wobei ebenso angrenzende Elemente gekühlt werden. Die Stromschiene wird als Luftleitung verwendet, um Wärme von einem Kondensatorabschnitt eines Wärmerohrs, nämlich von den oben genannten Lamellen, abzuführen. Further advantageously, the busbar is designed as a tube or tubular. As a result, in the busbar a round closed channel is provided with a round cross-section, can flow through the air of a fan. The use of such bus bars allows the realization of a completely sealed system. Furthermore, there is a cooling along the entire power line system through the air, as well as adjacent elements are cooled. The bus bar is used as an air duct to remove heat from a condenser portion of a heat pipe, namely, the above-mentioned fins.

Vorteilhaft umfasst das Leitungselement eine Klemme und einen Klemmenhalter, welche die Stromschiene zwischen sich aufnehmen. Die Klemme und der Klemmenhalter sind bevorzugt aus Kupfer gefertigt. Das Innere des Leitungselements ist durch dessen zweiteilige Ausgestaltung leicht zugänglich. Advantageously, the line element comprises a terminal and a terminal holder, which receive the busbar between them. The clamp and the clamp holder are preferably made of copper. The interior of the conduit element is easily accessible through its two-part design.

Weiter vorteilhaft ist im Leitungselement mindestens eine Ausnehmung ausgebildet, um die thermisch leitende Einrichtung aufzunehmen. Hierdurch kann das Verdunsterelement problemlos im Leitungselement angeordnet werden und mit diesem einen guten thermischen Kontakt halten. Further advantageous at least one recess is formed in the conduit element to receive the thermally conductive device. As a result, the Verdunsterelement can be easily arranged in the line element and keep a good thermal contact with this.

Vorteilhaft ist die Ausnehmung hierzu länglich und/ oder konkav ausgebildet. So kann ein Stab, Stift oder Rohr gut aufgenommen werden. Advantageously, the recess for this purpose is elongated and / or concave. So a rod, pin or tube can be well received.

Weiter vorteilhaft sind zwei koaxial angeordnete Stromschienen über eine elektrisch isolierte Strömungsführung miteinander strömungsverbunden. So kann Kühlmedium von einer Stromschiene in deren gegenüberliegende Stromschiene geführt werden. Further advantageously, two coaxially arranged busbars are flow-connected to one another via an electrically insulated flow guide. So cooling medium can be guided by a busbar in the opposite busbar.

Die hier beschriebene Anordnung wird bevorzugt in Niederspannungs- und Mittelspannungs-Schaltanlagen verwendet, kann aber in jeglicher Vorrichtung genutzt werden, bei welcher Stromschienen durch hohle Stromschienen ersetzt werden können. The arrangement described here is preferably used in low-voltage and medium-voltage switchgear, but can be used in any device in which busbars can be replaced by hollow busbars.

Die Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft verwendbar, wenn eine konventionelle Kühlung einer Niederspannungs-Schaltanlage durch Rücken-an-Rücken-Aufbauten oder Duplex-Aufbauten von Schaltanlagengehäusen behindert würde. Die Verwendung der hier beschriebenen Anordnung würde dann keine Herabsetzung der Parameter des Leistungsschalters erfordern. The arrangement can be advantageously used in particular if conventional cooling of a low-voltage switchgear would be impeded by back-to-back assemblies or duplex assemblies of switchgear cabinets. The use of the arrangement described here would then require no reduction of the parameters of the circuit breaker.

Da die Wärme der Leitungselemente durch eine erzwungene Luftströmung bzw. Konvektion innerhalb einer hierfür bestimmten Leitung nach außerhalb der Einfassung der Schaltanlage verbracht wird, ist die Durchschnittstemperatur innerhalb der Einfassung niedriger als in konventionellen Schaltanlagen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für alle Elemente der Schaltanlage. Since the heat of the line elements is spent by a forced air flow or convection within a dedicated line to the outside of the enclosure of the switchgear, the average temperature within the enclosure is lower than in conventional switchgear. This is particularly advantageous for all elements of the switchgear.

In der Zeichnung zeigen In the drawing show

1 eine Anordnung mit sechs röhrenförmigen oder tubusartigen Stromschienen, die über sechs Klemmen und Klemmenhalter aus Kupfer elektrisch und thermisch leitend mit einem Leistungsschalter verbunden sind, wobei Luft von unten durch ein nicht gezeigtes Gebläse durch das Innere der Stromschienen geblasen wird, wobei das Gebläse bevorzugt auf einer Einfassung einer nicht weiter dargestellten Schaltanlage angeordnet ist, wobei zwischen den drei unteren und den drei oberen koaxial angeordneten Stromschienen drei elektrisch isolierte röhrenförmige oder tubusartige Strömungsführungen angeordnet sind, um den Luftstrom von einer Stromschiene zu deren vertikal gegenüberliegendem Gegenstück zu führen und hierdurch die Wärme, die im Leistungsschalter, in den Klemmen, Klemmenhaltern und Stromschienen erzeugt wird, effektiv aus der Einfassung der Schaltanlage herauszuführen, wobei der Luftstrom aufgrund des Gebläses verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen kann, 1 an arrangement with six tubular or tubular busbars, which are electrically and thermally conductively connected to a circuit breaker via six terminals and terminal holders made of copper, wherein air is blown from below through a not shown blower through the inside of the busbars, the fan preferably on a Enclosed a switchgear, not shown, wherein between the three lower and the three upper coaxial busbars, three electrically insulated tubular or tubular flow guides are arranged to guide the air flow from a busbar to its vertically opposite counterpart and thereby the heat in the circuit breaker, in the terminals, clamps and busbars is effectively led out of the enclosure of the switchgear, wherein the air flow due to the fan may have different speeds,

2 eine thermisch leitende Einrichtung, die im Wesentlichen als Wärmerohr ausgebildet ist und drei Verdunsterelemente aufweist, die teilweise in einer Klemme eingebettet sind, wobei der Klemmenhalter nicht dargestellt ist, wobei die drei Verdunsterelemente thermisch leitend mit Lamellen verbunden sind, die innerhalb einer Stromschiene angeordnet sind, und wobei die drei Verdunsterelemente eine Aufspreizung der Wärmeleitung und dadurch einen Wärmepfad mit geringem thermischem Widerstand ausbilden, 2 a thermally conductive device substantially formed as a heat pipe and having three evaporator elements partially embedded in a clamp, the clamp holder not shown, the three evaporator elements being thermally conductively connected to fins disposed within a bus bar, and wherein the three evaporator elements form a spreading of the heat conduction and thereby a heat path with low thermal resistance,

3 die thermisch leitende Einrichtung gemäß 2 in isolierter Darstellung, wobei links eine Ansicht auf die Lamellen in Längserstreckungsrichtung der drei Verdunsterelemente gezeigt ist, wobei rechts eine hierzu orthogonale Ansicht in Längserstreckungsrichtung der Lamellen gezeigt ist, wobei eine Vielzahl von Lamellen vorgesehen ist, welche alle in thermisch leitendem Kontakt mit den drei Verdunsterelementen stehen, wobei die Lamellen aus einem thermisch hochleitenden Material gefertigt sind und wobei die Breiten der Lamellen so gewählt sind, dass sie in den Kanal innerhalb der Stromschienen passen, und 3 the thermally conductive device according to 2 in an isolated view, wherein on the left a view is shown on the slats in the longitudinal direction of the three Verdunsterelemente, on the right an orthogonal view in the longitudinal direction of the slats is shown, wherein a plurality of fins is provided, all in thermally conductive contact with the three Verdunsterelementen stand, wherein the fins are made of a thermally highly conductive material and wherein the widths of the fins are selected so that they fit into the channel within the busbars, and

4 ein Diagramm, in welchem Temperaturanstiege mit und ohne thermisch leitender Einrichtung in einer Anordnung dargestellt sind, wobei der maximale Temperaturanstieg gegen die Wärmebelastung aufgetragen ist, die durch die heiße linke, leistungsschalterseitige Seite der Klemme gemäß 2 eingetragen wird und wobei die Geschwindigkeit des Luftstroms am Einlass einer Stromschiene als Parameter variiert ist. 4 a diagram in which temperature rises are shown with and without thermally conductive device in an arrangement, wherein the maximum temperature rise is plotted against the heat load, by the hot left, breaker side of the terminal according to 2 is entered and wherein the velocity of the air flow at the inlet of a bus bar is varied as a parameter.

1 zeigt eine Anordnung zur Kühlung einer nicht weiter dargestellten Schaltanlage, umfassend einen Leistungsschalter 1 und mindestens eine hohle stromführende Stromschiene 2, wobei innerhalb der Stromschiene 2 ein Kanal 2a zur Führung eines Kühlmediums ausgebildet ist und wobei die Stromschiene 2 durch ein Leitungselement 3 elektrisch leitend mit dem Leistungsschalter 1 verbunden ist. 1 shows an arrangement for cooling a non-illustrated switchgear, comprising a circuit breaker 1 and at least one hollow live busbar 2 , being inside the busbar 2 a channel 2a is designed for guiding a cooling medium and wherein the busbar 2 through a conduit element 3 electrically conductive with the circuit breaker 1 connected is.

Dem Leitungselement 3 und der Stromschiene 2 ist eine thermisch leitende Einrichtung 4 zugeordnet, durch welche Wärme mittels des Kühlmediums durch den Kanal 2a in der Stromschiene 2 abführbar ist. Die thermisch leitende Einrichtung 4 ist in 3 dargestellt. The conduit element 3 and the busbar 2 is a thermally conductive device 4 assigned by which heat by means of the cooling medium through the channel 2a in the power rail 2 is deductible. The thermally conductive device 4 is in 3 shown.

Konkret sind drei untere Stromschienen 2 und drei obere Stromschienen 2 nebeneinander und koaxial angeordnet, so dass sich je zwei Stromschienen 2 vertikal gegenüberliegen. Die einander vertikal gegenüberliegenden zwei Stromschienen 2 sind jeweils von einem Leitungselement 3 thermisch und elektrisch leitend mit dem Leistungsschalter 1 verbunden. Es sind sechs Leitungselemente 3 aus Kupfer vorgesehen. Die Stromschienen 2 sind ebenfalls sämtlich aus Kupfer gefertigt. Specifically, there are three lower busbars 2 and three upper busbars 2 arranged side by side and coaxially, so that each two busbars 2 vertically opposite each other. The vertically opposite two busbars 2 are each of a conduit element 3 thermally and electrically conductive with the circuit breaker 1 connected. There are six pipe elements 3 made of copper. The busbars 2 are also all made of copper.

Jede Stromschiene 2 ist als Rohr oder röhrenartig ausgebildet. Zwei koaxial angeordnete Stromschienen 2 sind über eine elektrisch isolierte Strömungsführung 5 miteinander strömungsverbunden. Es sind drei Strömungsführungen 5 vorgesehen. Each busbar 2 is designed as a tube or tubular. Two coaxial busbars 2 are via an electrically insulated flow guide 5 fluidly connected to each other. There are three flow guides 5 intended.

Durch ein nicht gezeigtes Gebläse wird ein Luftstrom durch die hohlen Stromschienen 2, nämlich durch deren Kanal 2a im Inneren, geblasen. Der Luftstrom durchströmt zuerst eine untere Stromschiene 2, durchläuft dann die Strömungsführung 5 und gelangt dann in die obere Stromschiene 2, welche der unteren Stromschiene 2 vertikal und koaxial gegenüberliegt. By a blower, not shown, an air flow through the hollow busbars 2 namely through its channel 2a inside, blown. The airflow first flows through a lower busbar 2 , then goes through the flow guide 5 and then enters the upper busbar 2 , which is the lower busbar 2 vertical and coaxial.

Jedes Leitungselement 3 umfasst eine Klemme 3a und einen Klemmenhalter 3b, welche eine Stromschiene 2 zwischen sich aufnehmen. Each conduit element 3 includes a clamp 3a and a terminal holder 3b which is a power rail 2 between them.

2 zeigt, dass die thermisch leitende Einrichtung 4 mindestens ein Verdunsterelement 6 oder mehrere Verdunsterelemente 6 aufweist, welches bzw. welche in das Leitungselement 3 ganz oder teilweise eingebettet ist bzw. sind. Konkret sind drei Verdunsterelemente 6 teilweise in die Klemme 3a eingebettet, welche um einen Klemmenhalter 3b ergänzt wird, um die Verdunsterelemente 6 vollständig in das Leitungselement 3 einzubetten. 2 shows that the thermally conductive device 4 at least one evaporator element 6 or more evaporator elements 6 has which or which in the conduit element 3 is completely or partially embedded. Concretely, there are three evaporator elements 6 partly in the terminal 3a embedded, which is a terminal holder 3b is added to the Verdunsterelemente 6 completely in the conduit element 3 embed.

Dann ist ein Ende der thermisch leitenden Einrichtung 4 zwischen der Klemme 3a und dem Klemmenhalter 3b verpresst, wogegen das andere Ende, nämlich ein Kondensator, welches mit Lamellen 7 versehen ist, im Kanal 2a der Stromschiene 2 positioniert ist. Then there is one end of the thermally conductive device 4 between the clamp 3a and the terminal holder 3b pressed, whereas the other end, namely a condenser, which lamellae 7 is provided in the canal 2a the busbar 2 is positioned.

2 zeigt, dass mindestens ein Verdunsterelement 6 länglich und/ oder als Stift, Stab oder Rohr ausgebildet ist, von welchem Lamellen 7 abragen, die innerhalb des Kanals 2a zur Führung des Kühlmediums angeordnet sind. Im Leitungselement 3 ist mindestens eine Ausnehmung 8 ausgebildet, um die thermisch leitende Einrichtung 4 aufzunehmen. Die Ausnehmung 8 ist länglich und konkav ausgebildet, um ein Verdunsterelement 6 aufzunehmen. 2 shows that at least one evaporator element 6 elongated and / or designed as a pin, rod or tube, of which slats 7 protrude within the channel 2a are arranged to guide the cooling medium. In the pipe element 3 is at least one recess 8th trained to the thermally conductive device 4 take. The recess 8th is elongated and concave to a Verdunsterelement 6 take.

Konkret sind in der Klemme 3a und im Klemmenhalter 3b je drei im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmungen 8 ausgebildet, um jeweils ein Verdunsterelement 6 aufzunehmen. Concretely, are in a bind 3a and in the terminal holder 3b three each in cross-section semicircular recesses 8th designed to each have a Verdunsterelement 6 take.

3 zeigt die thermisch leitende Einrichtung 4 in isolierter Darstellung. Um diese in das Leitungselement 3 gemäß 1 und 2 einzubetten, muss man zunächst den Klemmenhalter 3b entfernen und dann die thermisch leitende Einrichtung 4 derart einfügen, dass deren Verdunsterelemente 6 in den Ausnehmungen 8 sitzen, wobei die Lamellen 7 innerhalb der Stromschiene 2 zentriert werden. Darauf wird der Klemmenhalter 3b mit der Klemme 3a verschraubt oder anderweitig verbunden. 3 shows the thermally conductive device 4 in isolated form. To put these in the conduit element 3 according to 1 and 2 To embed, one must first the terminal holder 3b remove and then the thermally conductive device 4 insert so that their Verdunsterelemente 6 in the recesses 8th sit, with the slats 7 inside the busbar 2 be centered. Then the terminal holder becomes 3b with the clamp 3a bolted or otherwise connected.

Es ist mindestens ein nicht gezeigtes Gebläse vorgesehen, welches einen Luftstrom erzeugt, um die thermisch leitende Einrichtung 4 durch das Kühlmedium Luft zu kühlen. Die Pfeile in 2, welche der Stromschiene 2 zugeordnet sind, geben die Richtung des Luftstroms an. Der untere Pfeil ist einer kalten Seite zugeordnet. At least one fan (not shown) is provided, which generates an air flow to the thermally conductive device 4 to cool air through the cooling medium. The arrows in 2 , which the busbar 2 are assigned, indicate the direction of the air flow. The lower arrow is assigned to a cold side.

Der linke Pfeil zeigt den Wärmestrom, der von der leistungsschalterseitigen Heißstelle in das Leitungselement 3 eingetragen wird. Die Heißstelle wird durch den Kontakt des Leistungsschalters 1 mit einer Stromschiene 2 erzeugt. The left arrow shows the heat flow from the circuit breaker side hot spot in the line element 3 is registered. The hot spot is due to the contact of the circuit breaker 1 with a busbar 2 generated.

Der thermische Widerstand des Wärmepfads zwischen diesem Kontakt, nämlich der Hauptwärmequelle, und der Raumluft, nämlich der Wärmesenke, wird durch die hier beschriebenen konstruktiven Maßnahmen reduziert. The thermal resistance of the heat path between this contact, namely the main heat source, and the room air, namely the heat sink, is reduced by the design measures described here.

In Experimenten wurde eine Stromschiene 2 aus Kupfer verwendet, welche einen Außendurchmesser von 80 mm und einen Innendurchmesser von 50 mm aufwies. Die Länge der Stromschiene betrug 600 mm. An einer Seite der Stromschiene 2 wurde ein Schnitt vorgesehen, um die thermisch leitende Einrichtung 4 gemäß 3 anzuordnen. Die Klemme 3a und der Klemmenhalter 3b waren aus Kupfer gefertigt. In der Klemme 3a und dem Klemmenhalter 3b waren je drei Ausnehmungen 8 ausgebildet, die sich zu drei Zylindern von je 6 mm Durchmesser ergänzten, um die drei Verdunsterelemente 6 aufzunehmen, von denen jedes einen Durchmesser von 6 mm aufwies. Die Lamellen 7 waren aus Aluminium gefertigt. In experiments, a busbar was 2 made of copper, which had an outer diameter of 80 mm and an inner diameter of 50 mm. The length of the busbar was 600 mm. On one side of the busbar 2 a cut was made to the thermally conductive device 4 according to 3 to arrange. the clamp 3a and the terminal holder 3b were made of copper. In a tight spot 3a and the terminal holder 3b were each three recesses 8th formed, which complemented each other to three cylinders of 6 mm diameter, around the three Verdunsterelemente 6 each of which had a diameter of 6 mm. The slats 7 were made of aluminum.

Die einen Enden der 115 mm langen thermisch leitenden Einrichtung 4, nämlich die Enden der drei Verdunsterelemente 6, waren in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle, nämlich mit dem Leitungselement 3. Das andere Ende der thermisch leitenden Einrichtung 4 war mit 16 Lamellen 7 aus Aluminium versehen. Die Lamellen 7 hatten eine Dicke von 0,4 mm, eine Länge von 106 mm und einen Abstand untereinander von 2,5 mm. Die Breiten der Lamellen 7 variierten zwischen 23 und 44 mm, nämlich derart, dass der Satz aus Lamellen 7 in eine Stromschiene 2 mit einem Innendurchmesser von 48 mm passt. The one ends of the 115 mm long thermally conductive device 4 namely the ends of the three evaporator elements 6 , were in thermal contact with the heat source, namely with the conduit element 3 , The other end of the thermally conductive device 4 was 16 lamellae 7 made of aluminum. The slats 7 had a thickness of 0.4 mm, a length of 106 mm and a distance of 2.5 mm. The widths of the slats 7 varied between 23 and 44 mm, namely such that the set of lamellas 7 in a power rail 2 with an inside diameter of 48 mm.

4 zeigt Daten zu den oben genannten Experimenten, wobei Experimente mit und ohne thermisch leitende Einrichtung 4 durchgeführt wurden. Im Diagramm gemäß 4 sind Temperaturanstiege mit und ohne thermisch leitende Einrichtung 4 in einer Anordnung dargestellt, wobei der maximale Temperaturanstieg in Kelvin gegen die Wärmebelastung in Watt aufgetragen ist. Die Wärmebelastung wird durch die linke, leistungsschalterseitige Heißstelle der Klemme 3a gemäß 2 eingetragen. Die Geschwindigkeit des Luftstroms am Einlass der Stromschiene 2 wurde variiert. 4 shows data for the above experiments, using experiments with and without thermally conductive device 4 were carried out. In the diagram according to 4 are temperature increases with and without thermally conductive device 4 shown in an arrangement, wherein the maximum temperature increase in Kelvin is plotted against the heat load in watts. The heat load is through the left, circuit breaker side hot spot of the terminal 3a according to 2 entered. The speed of airflow at the inlet of the busbar 2 was varied.

Aus den Experimenten geht hervor, dass die thermisch leitende Einrichtung 4, welche in das Leitungselement 3 eingebettet ist, eine starke Reduzierung des maximalen Temperaturanstiegs bewirkt. Konkret ist die Reduzierung etwa zweimal besser verglichen mit einer erzwungenen Konvektion ohne thermisch leitende Einrichtung und viel besser verglichen mit einer rein natürlichen Konvektion. The experiments show that the thermally conductive device 4 which are in the conduit element 3 embedded, causing a large reduction in maximum temperature rise. Specifically, the reduction is about twice better compared to forced convection without thermally conductive means and much better compared to natural convection.

Das Diagramm zeigt einen Vergleich des Temperaturanstiegs an der heißesten Stelle bei Verwendung röhrenförmiger Stromschienen 2 mit einer thermisch leitenden Einrichtung 4 (gefüllte Symbole) und ohne thermisch leitende Einrichtung 4 (ungefüllte Symbole) bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Luftstroms am Einlass der Stromschiene 2 und bei verschiedenen Wärmebelastungen durch den Leistungsschalter 1. The graph shows a comparison of the temperature rise at the hottest point using tubular bus bars 2 with a thermally conductive device 4 (filled symbols) and without thermally conductive device 4 (unfilled symbols) at different airflow velocities at the inlet of the busbar 2 and at different heat loads through the circuit breaker 1 ,

Die gefüllten und ungefüllten Dreiecke repräsentieren eine natürliche Konvektion, die gefüllten und ungefüllten Quadrate eine erzwungene Konvektion bei einer Geschwindigkeit von 3,2 m/s und die gefüllten und ungefüllten Kreise eine erzwungene Konvektion bei einer Geschwindigkeit von 5,9 m/s. The filled and unfilled triangles represent a natural convection, the filled and unfilled squares a forced convection at a speed of 3.2 m / s, and the filled and unfilled circles a forced convection at a speed of 5.9 m / s.

In den Experimenten wurden drei horizontal orientierte Verdunsterelemente 6 mit rechteckigen Lamellen 7 verwendet. Es ist jedoch auch denkbar, die Zahl der Verdunsterelemente 6, ihre Orientierung, die Zahl und Geometrie der Lamellen 7 und andere Parameter zu modifizieren und unterschiedlichen Wärmebelastungen, Stromraten und verschiedenen Anforderungen an einen Druckabfall anzupassen. In the experiments, three horizontally oriented evaporator elements were used 6 with rectangular slats 7 used. However, it is also conceivable, the number of Verdunsterelemente 6 , their orientation, the number and geometry of the slats 7 and modify other parameters to accommodate different heat loads, flow rates, and various pressure drop requirements.

In den Experimenten zeigten die Stromschienen 2 eine im Querschnitt kreisförmige oder besser kreisringförmige Querschnittsfläche. Es ist jedoch auch denkbar, die Stromschienen 2 im Querschnitt rechteckig oder anders geeignet zu formen. In the experiments showed the busbars 2 a cross-sectionally circular or better annular cross-sectional area. However, it is also conceivable, the busbars 2 rectangular in shape or otherwise suitable for shaping.

In den Experimenten fand der Luftstrom innerhalb der zylindrischen Stromschienen 2 statt. Es ist jedoch auch denkbar, dieses Prinzip auf flache Stromschienen anzuwenden, wobei dann eine luftführende Leitung, beispielsweise eine Kunststoffröhre, vorgesehen sein sollte, um den Luftstrom von außerhalb einer Einfassung der Schaltanlage zu den Lamellen 7 zu führen. In the experiments, the air flow found inside the cylindrical busbars 2 instead of. However, it is also conceivable to apply this principle to flat busbars, in which case an air-carrying line, for example a plastic tube, should be provided to prevent the air flow from outside an enclosure of the switchgear to the fins 7 respectively.

In den Experimenten wurde von außerhalb der Einfassung der Schaltanlage Luft durch ein Gebläse oder eine Vielzahl von Gebläsen eingebracht. Es ist jedoch auch denkbar, ein anderes Fluid, entweder als Gas oder als Flüssigkeit, zu verwenden, um Wärme von den Lamellen 7 abzuführen, wobei das Fluid durch ein geeignetes Verfahren bewegt werden kann. In the experiments, air was introduced from outside the enclosure of the substation by a blower or a plurality of blowers. However, it is also conceivable to use another fluid, either as a gas or as a liquid, to remove heat from the fins 7 remove, wherein the fluid can be moved by a suitable method.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Leistungsschalter breakers
2 2: Stromschiene conductor rail
2a2a: Kanal channel
3 3: Leitungselement line element
3a3a: Klemme clamp
3b3b: Klemmenhalter Tool holders
4 4: therm. leitende Einrichtung thermally conductive device
5 5: Strömungsführung flow guidance
6 6: Verdunsterelement Verdunsterelement
7 7: Lamellen slats
8 8th: Ausnehmung recess

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0811265 B1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Standard IEC 61439-1 [0007]

Claims

Switchgear cooling arrangement for cooling a switchgear, in particular a low-voltage switchgear, and in particular for cooling a hot spot of a switchgear, with a power element, in particular with a circuit breaker ( 1 ), wherein at least one hollow current-carrying busbar ( 2 ) and within the busbar ( 2 ) a channel ( 2a ) is designed for guiding a cooling medium and wherein the busbar ( 2 ) by a conduit element ( 3 ) electrically conductively connected to the hot spot and / or the respective power element, in particular the circuit breaker ( 1 ), characterized in that the conduit element ( 3 ) and the busbar ( 2 ) a thermally conductive device ( 4 ), by which heat by means of the cooling medium through the channel ( 2a ) in the busbar ( 2 ) is dissipatable.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the thermally conductive device ( 4 ) at least one evaporator element ( 6 ) or several evaporator elements ( 6 ), which or which in the line element ( 3 ) is or are embedded wholly or partly.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that at least one Verdunsterelement ( 6 ) of the thermally conductive device ( 4 ) is elongated and / or designed as a pin, rod or tube, from which lamellae ( 7 ) projecting within the channel ( 2a ) are arranged to guide the cooling medium.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one fan is provided, which generates an air flow to the thermally conductive device ( 4 ) to cool air through the cooling medium.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the busbar ( 2 ) is designed as a tube or tubular.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the conduit element ( 3 ) a clamp ( 3a ) and a terminal holder ( 3b ), which the busbar ( 2 ) between them.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the line element ( 3 ) at least one recess ( 8th ) is formed to the thermally conductive device ( 4 ).

Arrangement according to claim 7, characterized in that the recess ( 8th ) is elongated and / or concave.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that two coaxially arranged busbars ( 2 ) via an electrically insulated flow guide ( 5 ) are fluidly connected to each other.

Switchgear, in particular a low-voltage switchgear, comprising a power element, in particular a circuit breaker ( 1 ), and at least one switchgear cooling arrangement according to one of claims 1 to 9.