DE2554708C3

DE2554708C3 - Vorrichtung zum Kühlen erdverlegter Starkstromkabel

Info

Publication number: DE2554708C3
Application number: DE19752554708
Authority: DE
Inventors: Jacques Saint-Bruno Bonneville; Mazin A. Longueuil Kellow; James H. Chambly Vansant
Original assignee: Hydro Quebec
Current assignee: Hydro Quebec
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE2554708B2; DE2554708A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen erdverlegter Starkstromkabel mit einer Kühlflüssigkeit entsprechend den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des vorstehenden Patentanspruches 1.

Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung zur

Kabelkühlung im Umlaufsystem (US-PS 3111551) sind zwei geschlossene Kühlmittelkreisläufe zu unterscheiden: Eine erste Kabelkühlung erfolgt mit halbleitender Flüssigkeit auf hohem Potential innerhalb der Kabelisolation. In dem entsprechenden Kreislauf liegen eine Förderpumpe und ein Wärmetauscher. Eine zweite Kühlflüssigkeit fließt zwischen der inneren Kabelisolation und einem rohrförmigen Metallmantel, der am Erdpotential liegt. Für die zweite Flüssigkeit kann also in üblicher Weise Öl oder Wasser gewählt werden. Sie wird durch eine Pumpe durch jeweils einen Längsabschnitt des Kabelmantels im Umlaufsystem gepumpt.

Bei erdverlegten Starkstromkabeln ist die übertragbare elektrische Leistung durch die höchste Arbeitstemperatur des Kabels begrenzt. Die Temperatur des Kabels steht in direkter Beziehung zu der im Kabel umgesetzten Leistung und der Fähigkeit der Umgebung, die entstehende Wärme abzuführen. Die vorbeschriebene erzwungene Kühlung stellt daher dar eine vorteilhafte Ergänzung der Wärmeableitung in den umgebenden Boden, der nur eine geringe thermische Leitfähigkeit besitzt, die darüber hinaus örtlich, je nach Wetter und Bodenfeuchtigkeit schwankt und auch durch Hinterfüllungen mit größerer thermischer Leitfähigkeit und durch Verbesserung des Flüssigkeitsrückhaltvermögens nicht entscheidend verbessert werden kann. Bei der bekannten forcierten Kühlung wird jedoch zum ausreichenden Abführen der Wärme ein erheblicher Flüssigkeitsdurchsatz benötigt und die sektionsweise angeordneten Pumpen müssen entsprechend dimensioniert sein. Darüber hinaus wird bei langen Kabeln die zirkulierende Flüssigkeit beim Durchströmen des Rohres nach und nach wärmer, wodurch sie als Kühlmedium weniger wirkungsvoll wird.

Der Erfindung liegt, ausgehend von der vorbeschriebenen Kühlvorrichtung, die Aufgabe zugrunde, das äußere Umlaufsystem mit billigem apparativem Aufwand in seiner Kühlwirkung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemaß in den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Vorteilhaft erlaubt die nur teilweise Füllung der Kammer mit einer flüchtigen Flüssigkeit gegenüber der vorbeschriebenen bekannten vollständigen Füllung die Verdampfung der Flüssigkeit durch die Wärme, welche von den Starkstromkabeln entwickelt wird Die verdampfte Flüssigkeit wird durch einen Druckunterschied von der geschlossenen Kammer zum geschlossenen Wärmetauscher geführt, dort kondensiert und durch Schwerkraft zurück in die geschlossene Kammer geführt. Dabei ist keine äußere Energiequelle erforderlich, um diesen Verdampfungs-Kondensationsprozeß zu erhalten.

Es ist an sich im Zusammenhang mit der Kühlung einer gekapselten, druckgasisolicuen Hochspannungsleitung bekannt, eine das erste Rohr bzw. Kapselungsrohr umgebende Kammer vorzusehen, die nur teilweise mit der Kühlflüssigkeit gefüllt ist und mit einem oberhalb des Erdbodens angeordneten Wärmetauscher in Verbindung steht, wobei ebenfalls in der Kammer eine Verdampfung der Kühlflüssigkeit, innerhalb des Wärmetauschers eine Kondensation derselben erfolgt und das Kondensat durch Schwerkraft zur geschlossenen -Kummer zurückströmt (Db-OS 24 23 717). Die Kammer befindet sich dabei in einer als allseitig geschlossener Hohlkörper ausgebildeten Manschette, so daß die Flüssigkeit nicht

direkt mit dem Kapselungsrohr in Berührung kommt. Um den Wärmeübergang zur Flüssigkeit zu verbessern, kann die Manschette mit Kupfenvolle gefüllt sein. Diese Konstruktion der Manschette erlaubt die Kühlung auf nur sehr kurzen Abschnitten der Hoch-Spannungsleitung. Die Flüssigkeit bildet in der Manschette ein Bad, das siedet, sobald das Kapselungsrohr durch den durch den Innenieiter fließenden Strom auf eine über dem Siedepunkt liegende Temperatur erwärcjt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung steht hingegen die flüchtige Kühlflüssigkeit in direktem Wärmekontakt mit dem ersten Rohr. Die vom zweiten Rohr umschlossene Kammer kann sich gegenüber der bekannten Manschettenkammer über einen η wesentlich größeren Längsabschnitt des Kabels erstrecken. Die das erste Rohr umgebende Kapillarstruktur sorgt für eine Flüssigkeitverteilung über die Oberfläche des ersten Rohres, so daß es zu einem Filmsieden kommt, das eine effektivere Wärmeabfuhr bewirkt als das Badsieden im bekannten Fall.

Bei einem Ausführungsbeispiel des bekannten Kühlsystems ist die Verbindungsleitung zwischen der Kammer und dem Wärmetauscher als Wärmerohr (heat pipe) ausgebildet. Es ist allgemein bekannt, daß ein Wärmerohr mit einer inneren Kapillarstruktur zum Rücktransport des Kondensats von seiner Kondensationsseite zu seiner Verdampfungsseite versehen sein kann.

Gemäß vorliegender Erfindung befindet sich die jo Kapillarstruktur hingegen auf dem ersten Rohr, wobei die geschlossene Kammer auf dem gesamten Längsabschnitt Teil des Wärmerohrsystems ist. Durch die Kapillarkraft wird vorteilhaft eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Oberfläche des ersten Rohres und zusätzlich der vorgenannte Rücktransport des Kondensats von der Verbindung zum Wärmetauscher zum gesamten Längsabschnitt erreicht.

Die Kap llarstrukiur ist mit ihrem unteren Teil derart in der geschlossenen Kammer angeordnet, daß dieser eine Flüssigkeitsphase der flüchtigen Flüssigkeit in der geschlossenen Kammer berührt. Der obere Teil der Kapillarstruktur ist derart in der geschlossenen Kammer angeordnet, daß er aus der Flüssigkeitsphase der flüchtigen Flüssigkeit ragt. Durch die Kapillarkraft wird somit vorteilhaft für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die Oberfläche z. B. eines mit der Kapillarstruktur beschichteten, die Starkstromkabel umschließenden Rohres gesorgt.

Bei einer Anordnung der geschlossenen Kammer mit Gefälle vom Wärmetauscher fort gemäß Anspruch 2 verteilt sich die Flüssigkeit gut und es ergibt sich vorteilhaft ein Gegenstrom von zugeführter Flüssigkeit und dem auf Grund des Druckunterschiedes zum Wärmetauscher strömenden Dampf, womit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil längs der Kammer entsteht, als es sich bei einer Parallelführung der Phasen ergäbe. Ein solches Gegenstromprinzip ist als solches mit innerhalb eines isolierten Stromleiters hinge- _&o führter und zwischen dem?"!'x;:i und einem äußeren Schlauch rückgeführter Flüssigkeit bekannt (DE-PS 8 89 768). Im bekannten Fall kommt eine Verdampfung der Flüssigkeit nicht in Betracht.

Bei einer Anwendung der Kühlvorrichtung bei-der b5 Stromversorgung von Laternen stellt es eine überraschend einfache bauliche Maßnahme dar, den Wärmetauscher im Laternenpfahl anzuordnen.

Die Erfindung wird ar. Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines geschlossenen Verdampfungs-Kondensations-Kreislaufsystems, zum Teil weggebrochen, um die innere Konstruktion des Verdampfungsabschnittes der Vorrichtung zu zeigen,

Fig. 2 einen vergrößerten vertikalen Querschnitt des Verdampfungsabschnittes der Fig. 1,

Fig. 3, 4 und 6 je eine schematische Darstellung eines Laternenpfahles, in welchem der Kondensations-Abschnitt eingebaut ist, und

Fig. 5 und 7 vergrößert den Querschnitt V-V durch Fig. 4 bzw. den Querschnitt VII-VII durch Fig. 6.

Die im folgenden beschriebene Ausführungsform betrifft eine rohrartige Übertragungsanlage, doch kann die Erfindung auch auf andere Typen erdverlegter Kabel angewandt werden, wie beispielsweise auf einzeln ummantelte Kabel.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist eine Hochdruckrohranlage zum Übertragen einer hohen Spannung mehrere Kabel IO auf, welche mit unter hohem Druck stehenden Öl gefüllt und in einem länglichen Stahlrohr 12 angeordnet sind. Der Raum zwischen den Kabeln 10 im Rohr 12 ist mit einem Öl 14 ausgefüllt, das unter einem Druck von 14 atü (200 psig) steht. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind Kabelanschlüsse und Kabelenden weggelassen, obgleich ein ähnliches Kühlsystem an diese Teile der Anlage angepaßt werden kann. In elektrischen Anlagen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, wird das die Kabel 10 umgebende Öl 14 zwischen Unterstationen hin- und herbewegt, um die Entwicklung heißer Stellen längs der Kabel zu vermeiden. Darüber hinaus erhöht die Hin- und Herbewegung des Öls die Funktionssicherheit des Kühlsystems, wie dies nachfolgend dargelegt wird.

Der Verdampfungsabschnitt der Vorrichtung weist eine geschlossene Kammer 16 auf, welche in Fig. 1 und 2 als rundes Rohr 18 dargestellt ist, welches auf das Stahlrohr 12 geschoben ist. An jedem Ende des Rundrohres 18 ist eine runde Platte 20 durch Schweißen oder auf ähnliche Weise befestigt. Die runden Platten 20 haben Öffnungen, durch welche sich das Stahlrohr 12 erstreckt. Jede Endplatte 20 ist auf dem Stahlrohr 12 durch Schweißen oder ähnliche Mittel befestigt, um einen dichten Abschluß zwischen dem Stahlrohr 12 und dem Inneren des Rundrohres 18 zu erzielen.

Bevor man die Endplatten 20 am Stahlrohr 12 und am Rundrohr 18 anbringt, beschichtet man den Teil des Stahlrohres 12, der in der geschlossenen Kammer 16 angeordnet werden soll, außen mit einer porösen Materialschicht 22 als Kapillarstruktur. Diese Schicht 22 umschließt einen Raum 13 zum Einbringen eines Starkstromkabels und der zugehörigen Elemente. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist natürlich der Raum 13 vom Rohr 12, den drei Kabeln 10 und dem Öl 14 eingenommen. Die Schicht 22 weist einen unteren Bereich 23a auf. der mit der flüchtigen Flüssigkeit 24 in Berührung steht, sowie einen oberen Bereich 23b. Beide Bereiche zusammen bewirken eine gleichförmige Verteilung der flüchtigen Flüssigkeit 24, die sich am Boden der geschlossenen Kammer befindet, über die Wärmeübertragungsfläche des Stahlrohres 12, und vermeiden somit die Notwendigkeit, in anderer Weise die geschlossene Kammer 16 mit Flüssigkeit zu beschicken. Das verwendete poröse

Material hat, in bezug auf die spezielle verwendete flüchtige Flüssigkeit, eine hohe kapillare Pumpfähigkeit und verträgt sich chemisch mit der flüchtigen Flüssigkeit und den Rohren, in denen sich die Flüssigkeit befindet. Ea ne geeignete poröse Schicht weist unbehandelte Glaswolle auf, welche chemisch inert ist und deren Kapillarität abhängig von der Dichte des Gewebes und der Dicke der porösen Schicht verändert werden kann. Auch können andere gewobene Materialien und Metallgeflechte verwendet werden.

Der Kondensationsabschnitt der Vorrichtung weist einen geschlossenen Wärmetauscher 26 auf. Dieser ist an einem Verbindungspunkt mit dem einen Ende der geschlossenen Kammer mittels eines geeigneten Verbindungsgliedes verbunden, beispielsweise mittels einer flexiblen Kupplung 28 gemäß Fig. 1. Die flexible Kupplung 28 trägt an ihren Enden Flansche 30, deren unterer lösbar mit einem Flanschkopplungsstück 32 verbunden ist, welches starr am oberen Teil der geschlossenen Kammer 16 befestigt ist. Der obere Flansch 30 der flexiblen Kupplung 28 ist mit einem weiteren Flanschkopplungskstück 33 verbunden, welches am unteren Ende des geschlossenen Wärmetauschers 26 befestigt ist. Der geschlossene Wärmetauscher ist senkrecht über der geschlossenen Kammer 16 angeordnet, damit im Wärmetauscher 26 kondensierte flüchtige Flüssigkeit durch Schwerkraft zur geschlossenen Kammer 16 zurückfließen kann. Die geschlossene Kammer 16 kann, vom geschlossenen Wärmetauscher hinweg, nach unten geneigt sein, um das Fließen der flüchtigen Flüssigkeit 24 zu demjenigen Ende der geschlossenen Kammer 16 zu begünstigen, welches vom geschlossenen Wärmetauscher 26 entfernt ist. Darüber hinaus ist der Wärmetauscher 26 i. a. über dem Niveau des Bodens angeordnet, um seine Wärmeabgabe zu begünstigen.

In den Fig. 3 bis 7 ist dargestellt, daß der geschlossene Wärmetauscher in einem Laternenpfahl 40 angeordnet sein kann. Andere Anordnungen sind selbstverständlich denkbar, und die Größe und Gestalt des geschlossenen Wärmetauschers 26 hängen davon ab, wo er angebracht wird. Die Konstruktion eines Kondensators, welcher in Laternenpfählen angeordnet ist, wird bei größeren erdverlegten Leitungen verwendet, die große Städte versorgen und Unterstationen verbinden, die normalerweise an größeren Straßen liegen.

Gemäß Fig. 5 und 7 findet die Kondensation an der Innenfläche 34 oder den Innenflächen 34 der Laternenpfahlkonstruktion statt, wogegen die Außenfläche (Außenflächen) Rippen 36 aufweist (aufweisen), welche der Atmosphäre eine größere Wanneübertragungsfläche bieten. Der Laternenpfahl der Fig. 7 kann darüber hinaus einen zur Außenfläche führenden Durchgang 38 aufweisen, um die elektrischen Leitungen für die Lampe aufzunehmen. Abhängig von der Stellung des in einem Laternenpfahl angeordneten Kondensators zur Länge der Anlage kann seine Verbindung zur geschlossenen Kammer entweder durch eine feste oder durch eine geeignet lange flexible Rohrverbindung gegeben sein, solange der Strom des Dampfes und des Kondensats nicht behindert wird. Die verwendete flüchtige Flüssigkeit 24 sollte den folgenden Anforderungen genügen:

a) Sie sollte chemisch mit den Wandungen der geschlossenen Kammer 16 und des geschlossenen Wärmetauschers 26 sowie mit der porösen Materialschicht 22 verträglich sein;

b) sie sollte einen Dampfdruck von weniger als 12,6 atü (180 psig) bei einer maximalen Arbeitstemperatur von etwa 60° C haben;

c) sie sollte eine hohe latente Verdampfungswärme, eine hohe Dampfdichte und eine hohe Oberflächenspannung aufweisen.

Die folgenden Flüssigkeiten genügen den genannten Anforderungen in unterschiedlichem Ausmaß: Ammoniak, Propan, ' Fluorkohlenstoff-Kühlmittel

ίο (Fluorcarbon refrigerants) und Wasser.

Diejenigen Flüssigkeiten, mit denen man das System bei Überdruck betreiben kann, haben den zusätzlichen Vorteil, daß nach einer Leckage das System so lange weiterarbeiten kann, bis die gesamte flüchtige Flüssigkeit 24 als Dampf ausgetreten ist. Arbeitsdrucke unter 14 atü (200 psig) vermeiden eine Verschmutzung des Öles 14, falls das Stahlrohr 12 undicht werden sollte.

Ein Druckprüfer kann jeder Verdampfungs-Kondensations-Vorrichtung zugeordnet und mit der nächsten Unterstation verbunden sein, um den Betriebszustand und den möglichen Ausfall jeder Einheit zu prüfen. Der Strom des Öles 14 im Stahlrohr 12 unterstützt die Verteilung der längs dem Starkstromkabel entwickelten Wärme, solange die Verdampfungs-Kondensations-Vorrichtung repariert wird.

Die Funktion der Verdampfungs-Kondensations-Vorrichtung basiert auf der Verdampfung der flüchtigen Flüssigkeit 24 an der Starkstrom-Kabel-Ummantelung 12 auf Grund der in dieser entwickelten Wärme. Durch Kapillarwirkung wird die am Boden der geschlossenen Kammer befindliche und den unteren Bereich 23a der porösen Materialschicht 22 berührende flüchtige Flüssigkeit 24 in den oberen Bereich 23 b der porösen Materialschicht 22 gezogen, welche die Starkstromkabel-Ummantelung 12 umgibt. Der entwickelte Dampf strömt längs der geschlossenen Kammer 16 in Richtung des Pfeiles 38 in Fig. 1, dann durch das Kupplungsstück 32, die flexible Kupplung 28 und das Kupplungsstück 33 in den geschlossenen Wärmetauscher 26. Der Dampfstrom in der angegebenen Richtung wird durch einen leichten Druckunterschied bewirkt, welcher zwischen dem geschlossenen Wärmetauscher 26 und der geschlossenen Kammer 16 besteht und sich aus der niedereren Temperatur im geschlossenen Wärmetauscher ergibt. Innerhalb des geschlossenen Wärmetauschers 26 kondensiert der Dampf durch Abgabe seiner Wärme an das kühlende Medium, z. B. zirkulierende Umgebungsluft oder Kühlwasser. Das erhaltene Kondensat strömt dann durch Schwerkraft in die geschlossene Kammer 16 zurück und schließt so den Kreislauf. Ein vollständiger Arbeitskreislauf wird auf diese Weise ohne Verwendung von Pumpen oder anderen Antriebsaggregaten erzielt.

Der Verdampfungsabschnitt und der Kondensationsabschnitt sind als geschlossenes System aufgebaut, welches die flüchtige Flüssigkeit im Gleichgewicht mit ihrem Dampf enthält. Da Flüssigkeiten bei der gleichen Temperatur verdampfen und kondensieren, haben die beiden Abschnitte des Systems etwa die gleichen Temperaturen. Auch geschieht der Übertragungsprozeß bei nahezu konstantem Volumen, woraus sich ein Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Druck ergibt. Infolgedessen arbeitet das System bei beliebiger Temperatur oberhalb dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit. Im Einzelfall kann eine wirkungsvollere Kühlung bei höheren Arbeitstempe-

raturen erzielt werden. Dieses Phänomen kehrt sich bei Annäherung an die kritische Temperatur um. Das Kühlsystem bewirkt an sich große Wärmeübertragungsraten bei großen Längen der Anlage und erfordert nur einen kleinen Temperaturunterschied zur Umgebung. Auch spricht das System schnell auf thermische Übergänge an auf Grund der relativ kleinen

beteiligten Massen. Der Hoden kann nach wie vor einen Teil der erzeugten Wärme verteilen, wobei das hohe Wärmespeichervermögen des Bodens sogar dazu dient, Ungleichmäßigkeiten der Kabeltemperatuf, wegen ungleichmäßiger Strombelastungen über den Tag auszugleichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

!. Vorrichtung zum Kühlen erdverlegter Starkstromkabel mit einer Kühlflüssigkeit, wobei ein geschlossenes Umlaufsystem zwischen einer sich über einen l.ängsabschnitt des Kabels erstreckenden, außerhalb eines das bzw. die Kabel mit Zwischenraum umschließenden ersten Rohres und innerhalb eines zweiten Rohres befindlichen geschlossenen Kammer und weiteren Kreislaufgliedern für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Kammer (16) nur zum Teil mit einer flüchtigen Kühlflüssigkeit (24) gefüllt und mit einem oberhalb des Erdbodens angeordneten geschlossenen Wärmetauscher (26) verbunden ist, daß diese Verbindung und der geschlossene Wärmetauscher (26) oberhalb des Flüssigkeitsniveaus der flüchtigen Flüssigkeit (24) in der geschlossenen Kammer (16) angeordnet sind und daß eine Kapillarstrukiur (22) das erste Rohr (12) auf dem Längsabschnitt umgibt, wobei ein unterer Bereich (23 α) der Kapillarstruktur (22) zwecks Fiüssigkeitsververleilung über die Rohroberfiäche die Flüssigkeit (24)"berührt, wobei die flüchtige Flüssigkeit (24) in der geschlossenen Kammer (16) durch die in dem Kabel (10) entwickelte Wärme verdampft, der Dampf durch einen Druckunterschied von der geschlossenen Kammer (16) dem geschlossenen Wärmetauscher (26) zugeführt wird, in diesem kondensiert und das Kondensat durch Schwerkraft zur geschlossenen Kammer (16) zurückströmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Wärmetauscher (26) mit dem einen Ende der geschlossenen Kammer (16) verbunden ist und die geschlossene Kammer (16) in Richtung von dem Wärmetauscher (26) hinweg nach unli:n geneigt ist.
3. Vorrichtung nach \iispuich I oder 2, dadurch gekennzeichnet. daB der geschlossene Wärmetauscher (26) in einen Laternenpfahl (40) eingebaut ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (22) ein unbchandelles Fiberglas aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die llüchtige Flüssigkeit (24) Ammoniak, Propan, Fluorkohlenstuff-Kühlmiltel oder Wasser ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 «der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung /wischen der geschlossenen Kammer (16) und dem geschlossenen Wärmetauscher (26) eine flexible Kupplung (28) aufweist.