SE531237C2 - Kylning av högspänningsanordningar - Google Patents

Description

25 30 35 531 237 2 genomföring blir extremt höga. Storleken pà den elektriska isolationen begränsar kyleffektiviteten hos genomföringen, eftersom värmen måste ledas en längre sträcka till den omgi- vande kylluften på grund av sin ökade storlek. Självkylning- en blir därför otillräcklig vid de mycket höga spännings- och strömnivåerna.

Det skulle vara möjligt att utnyttja större ledare när man ökar spänningsnivåerna, vilket skulle minska den avgivna värmen, men detta skulle återigen medföra en förstoring av utrustningen. Detta innebär att storleken pá isolationen ända skulle bli betydande.

Med hänsyn till det ovanstående skulle det vara önskvärt att möjliggöra förbättrad kylning av högspänningsanordningar, såsom högspänningsgenomföringar. Vidare skulle det även vara önskvärt att tillhandahålla ett motsvarande förfarande för kylning av sådana genomföringar.

I den numera publicerade patentskriften WOZOO7/078226 A1 beskrivs ett vattenbaserat system för kylning av en högspän- ningsgenomföring.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhanda- hålla förbättrad kylning av högspänningsanordningar och i synnerhet kylning av genomföringar med gasformig vätska inom ett elektriskt kraftdistributionssystem. I synnerhet är ett ändamål med uppfinningen att tillhandahålla externa kylmedel för en genomföring för att på detta sätt avhjälpa eller åt- minstone mildra ovannämnda nackdelar hos känd teknik. Genom att utnyttja ett gasformigt medium som kylmedel, såsom torr luft eller annat lämpligt medium, undviks risken för vätske- läckage i högspänningsomgivningen.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att till- handahàlla en förbättrad kylning av genomföringar som är fullgod även för mycket höga spänningar och strömmar. I syn- 10 15 20 25 30 35 531 237 3 nerhet är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla externa kylmedel med förmåga att hantera höga spänningar och strömmar.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla kylmedel för kylning av genomföringar utan att öka storleken på beståndsdelarna vid ökning av den av- givna effekten i genomföringarna genom att öka ström- och spänningsniváerna.

Bland annat dessa ändamål uppfylls genom en högspännings- genomföring såsom anges i patentkrav 1 och genom ett för- farande såsom anges i patentkrav 14.

I enlighet med uppfinningen tillhandahålls en högspännings- genomföring för överföring av hög spänning och ström från en HVDC-ventil kyld med flytande vätska. Högspänningsgenomför- ingen innefattar en isolerkropp som omger en elektrisk leda- re, varvid den elektriska ledaren är elektriskt anslutnings- bar till en kopplingsdetalj hos HVDC-ventilen. Enligt upp- finningen innefattar den elektriska ledaren hos högspän- ningsgenomföringen en kylkanal förigasformig vätska som via en värmeväxlare är anslutningsbar till ett vätskekylsystem hos HVDC-ventilen. Det uppfinningsenliga sättet att kyla genomföringar genom att utnyttja redan befintlig och använd kylvätska, som via en värmeväxlare överförs till en gasfor- mig vätska, möjliggör en kostnadseffektiv och tillförlitlig kylning, vilket gör det möjligt att kyla genomföringen med en gasformig vätska.

Genom uppfinningen förenklas väsentligt konstruktionen av en genomföring då ledarens temperatur och genomföringens isola- tionsmaterial hålls under kontroll; I synnerhet ökar inte storleken på genomföringarna även om man utnyttjar högre strömmar och spänningar. Dessutom ástadkoms fullgod kylning av genomföringar även för höga strömmar och höga spännings- nivåer, t ex fràn 500 kV likspänníng till 800 kV likspänning och vidare upp mot mycket höga spänningsnivåer. 10 15 20 25 30 35 531 23? 4 Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar den elek- triska ledaren hos högspänningsgenomföringen en kylkanal som har en eller flera vätskekanaler. Éàdana vätskekanaler skulle kunna vara separata kanaler i vätskeformig förbin- delse med varandra i àtminstone en punkt och anordnade att motta cirkulerande gasformig kylvätska genom den elektriska ledaren kyld via värmeväxlaren av den flytande vätskan pà hög elektrisk potential fràn HVDC-ventilen. Högspännings- genomföringen kan sålunda vara ansluten till vätskekylsys- temet hos HVDC-ventilen via värmeväxlaren med hjälp av nämnda en eller flera vätskekanaler.

Vidare är företrädesvis nämnda en eller flera kanaler för gasformíg vätska integrerade med den elektriska ledaren hos högspänningsgenomföringen. Därvid àstadkoms en storleks- och kostnadseffektiv lösning.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar den elektriska ledaren ett inre vätskerör, varvid separata kana- ler anordnas. Röret är anordnat att leda gasformig kylvätska i en riktning inom dess inre, och vätskan leds tillbaka genom de kanaler som skapas mellan utsidan av vätskeröret och den elektriska ledarens kylkanal. Därmed àstadkoms ett enkelt medel för att cirkulera kylvätskan.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen tillhandahålls en turbin driven av den flytande kylvätskan, vilken turbin är anordnad att driva en gaspump för att cirkulera den gas- formiga vätskan fràn värmeväxlaren till genomföringen och tillbaka till värmeväxlaren.

Ytterligare utföringsformer anges i de osjälvständiga pa- tentkraven.

Uppfinningen innefattar också ett sådant förfarande, varvid fördelar motsvarande ovanstående uppnås. 10 15 20 25 30 35 531 237 5 Ytterligare kännetecken, fördelar och ändamål med uppfin- ningen kommer att framgà av nedanstående detaljerade be- skrivning.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 är en översiktsvy över en högspänningsgenomföring enligt teknikens ståndpunkt.

Figur 2 är en tvärsnittsvy av genomföringen enligt figur 1 sammansatt till ett transformatorhus.

Figur 3 illustrerar schematiskt med hjälp av exempel en ut- föringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 3a illustrerar schematiskt med hjälp av exempel en ut- föringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 4 illustrerar ledaren i figur 3 inom en genomföring.

Figur 5 illustrerar ledaren och utföringsformer av kylkana- lerna mer i detalj.

Figur 6 illustrerar med hjälp av exempel en ventilhall där föreliggande uppfinning med fördel kan realiseras.

DETALJERAD BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRMER När sá är tillämpligt används samma hänvisningssiffror genom hela beskrivningen för att beteckna samma eller liknande delar.

En högspänningsgenomföring är en anordning som används för att leda ström på hög potential genom en jordad barriär, exempelvis en vägg eller ínneslutning hos en elektrisk appa- rat, sàsom en transformatorbehàllare. Genomföringen förhind- rar att ström kommer in i den jordade barriären i kraft av dess isolerande egenskaper. 10 15 20 25 30 35 531 237 6 En konventionell genomföring visas i figur 1 och 2, där den principiella strukturen hos en genomföring 1 visas i figur 1. I figur 2 visas en tvärsnittsvy av genomföringen 1 enligt figur 1 monterad i ett transformatorhus 18. En högspännings- ledare 10 går genom centrum av en ihålig genomföringsisola- tor 12, vilken bildar ett hus runt högspänningsledaren 10.

För utomhustillämpning görs isolatorn 12 i typfallet anting- en av porslin eller silikongummi.

I en kondensatorgenomföring anordnas en kondensatorkärna 14 inom isolatorhuset för spänningsstyrning. Spänningspàkän- ningen pà genomföringen och dess omgivande struktur inne- fattar bade växelströms- och likströmskomponenter. Växel- strömmens spänningsstyrning är beroende av dielektricitets- konstanten hos isolationsmaterialet. Likströmmens spännings- styrning är beroende av den temperaturberoende resistivite- ten hos isolationsmaterialen. En fläns 16 är anordnad för att ansluta genomföringens hus 12 till jord genom ett trans- formatorhus 18. Även om en kondensatorgenomföring illustre- ras i figuren inses det att föreliggande uppfinning lika väl skulle kunna användas i en kondensatorlös genomföring.

Anslutningen av genomföringen 1 till inre komponenter hos en transformator visas också schematiskt i figur 2. Den som exempel angivna anslutningen innefattar en bottenkontakt 20 bildad av bottenpartiet i högspänningsledaren 10. Bottenkon- takten 20 anordnas vid nedre änden av genomföringen 1 och anordnas att anslutas till en passade inre kontakt 22 anord- nad i transformatorhuset 18. Vidare anordnas ett övre yttre uttag 24 vid den ände av genomföringen 1 som är anordnad mittemot bottenkontaktänden 20. Det yttre uttaget 24 är elektriskt anslutet till högspänningsledaren 10 genom en väsentligen plan gränsyta och är anordnat för att elektriskt ansluta transformatoranordningen till externa källor. Det inses att vilka andra lämpliga anslutningsmedel som helst för anslutning av genomföringen till andra elektriska appa- rater kan utnyttjas. 10 15 20 25 30 35 531 237 7 Figur 3 illustrerar schematiskt en utföringsform av före- liggande uppfinning. I synnerhet illustrerar figuren en genomföring 30 enligt föreliggande uppfinning. Genomföringen 30 kan vara en genomföring sásom ovan beskrivits eller någon annan högspänningsgenomföring. En högspänningsledare 31 är inrymd inom genomföringen 30. I enlighet med uppfinningen är genomföringens 30 högspänningsledare 31 försedd med en eller flera kanaler 32 för att leda gasformig kylvätska, i före- liggande exempel kylande torr luft, vilket ska beskrivas utförligare med hänvisning till figur 4 och 5.

Konventionellt kyls HVDC-ventiler av avjoniserat vatten som cirkuleras i ett slutet system. Värmen överförs till en se- kundär krets som kan kylas i utomhuskylare. Föreliggande uppfinning kan förverkligas i anslutning till en HVDC-ventil som använder avjoniserat vatten som kylmedel.

I figur 3 illustreras schematiskt en HVDC-ventil och anges med hänvisningssiffran 34. Vattenrör hos HVDC-ventilens 34 kylsystem anges med hänvisningssiffran 39. Pilarna I och II anger riktningen hos kylvattnet. Särskilt visas hur vid I kylvatten fràn HVDC-ventilen 34 leds till värmeväxlaren 300, och hur vid II nàgot uppvärmt kylvatten àtervänder till HVDC-ventilens kylsystem. Sásom är välkänt inom detta område kan HVDC-ventilens 34 kylsystem vidare innefatta en avjoni- serare, en pump, en värmeväxlare osv. Sådana delar av kyl- systemet visas schematiskt vid 40. circulationsluft frän genomföringen.

I värmeväxlaren 300 kyls I figur 3a illustreras schematiskt kylsystemet (39, 40) innefattande en turbin (301) anordnad att drivas av vätskan i vätskekylsystemet, och systemet med gasformig vätska inne- fattar en gaspump (302) för cirkulation av den gasformiga vätskan, och att nämnda gaspump (302) drivs av nämnda turbin (301) med hjälp av en transmission illustrerad av 303.

Den flytande kylvätskan i HVDC-ventilen 34 kan vara pà samma eller en annan elektrisk potential:än genomföringens 30 ledare 31. I enlighet med uppfinningen används endast en 10 15 20 25 30 35 531 237 8 bràkdel av det vatten som används för att kyla HVDC-ventilen 34 för att kyla genomföringen 30 genom den gasformiga vät- skan via värmeväxlaren 300. Denna bràkdel av vattnet skulle t ex kunna vara mellan 1/5000 och 1/500, även om mer eller mindre vatten kan behövas i beroende av den aktuella till- ämpningen.

Figur 4 illustrerar ledaren 31 i figur 3 inom genomföringen 30. Hänvisningssiffran 35 anger ett jordat hus, t ex en transformatorbehàllare eller en vägg. Hänvisningssiffran 36 anger anslutningsmedel för anslutning av genomföringen 30 till inkapslade elektriska apparater, sásom inre komponenter hos en transformator. Hänvisningssiffran 37 anger anslutning till exempelvis ett högspänningsnät, Genomföringen 30 skulle sålunda kunna tjäna till att ansluta en inkapslad elektrisk apparat till ett högspänningsnät, även om andra tillämpning- ar är tänkbara. Vid 32 visas de gasformiga kylmedlen, och dubbelpilen överst i genomföringen 30 anger strömmande gas- formig kylvätska.

Figur 5 illustrerar ledaren 31 hos.högspänningsgenomföringen 30 och kylkanalerna mer i detalj. En eller flera kylkanaler 32 anordnas integrerade med ledaren 31. Ett rör 38 anordnas företrädesvis inom kylkanalen 32. Gasformig kylvätska kan sedan ledas genom röret 38, vilket medger att gasformig vätska kan komma in innanför röret 38 och ledas ut pá utsi- dan av röret 38. Röret 38 anordnas alltsà att leda gasformig kylvätska i en riktning inom röret 38; och den gasformiga vätskan leds sedan genom kanalerna 32a, 32b som skapas mellan utsidan av röret 38 och det inre av kylkanalen 32.

Det ihåliga innerutrymmet i ledaren 31 som inrymmer kylka- nalen 32 är företrädesvis inte ett genomgående häl, vilket därigenom minskar risken att gasformig vätska rör sig till elektriska anordningar såsom en transformator. Nämnda en eller flera kylkanaler 32a, 32b är anslutna till kylsystemet för kylning av HVDC-ventilerna via.värmeväxlaren 300. 10 15 20 25 30 35 531 23? 9 I enlighet med en utföringsform av uppfinningen hàlls leda- rens 31 temperatur ungefärligen mellan 40 °C och 80 °C, före- trädesvis kring 60 °C. Det inses att temperaturen även kan övervakas och hàllas vid andra temperaturer.

Figur 6 illustrerar en HVDC-ventilhall och visar schematiskt hur föreliggande uppfinning lätt skulle kunna realiseras i sådan tillämpning. HVDC-strömriktartransformatorer är an- slutna till HVDC-ventilen med hjälp av en genomföring för en strömriktartransformator. Konventionellt är strömriktar- transformatorn anordnad direkt utanför HVDC-ventilhallen med sina genomföringar inträngande i ventilhallen. Genomföring~ ens övre del ansluts sedan direkt till HVDC-ventilen. Pilen II anger elektriska anslutningar och kylvattenanslutningar.

Pilen IV anger en av ett flertal HVDC-ventiler innanför ven- tilhallen.

Det enligt uppfinningen angivna sättet att kyla genomföring- ar genom att utnyttja redan befintligt och använt kylvatten via en värmeväxlare medger en kostnadseffektiv och tillför- litlig kylning. Med hjälp av uppfinningen blir konstruktio- nen av genomföringen avsevärt förenklad, dà ledarens tempe- ratur och genomföringens isolationsmaterial halls under kon- troll. För högre spänningar, exempelvis 800 kv likspänning, skulle en genomföring enligt teknikens ståndpunkt behöva bli mycket stor för att kunna leda t ex 4000 A. Den uppfinnings- enliga kylningen av genomföringen ger en lägre diameter hos ledaren och därmed minskad storlek hos hela genomföringen.

Vidare àstadkoms fullgod kylning av genomföringar även för höga strömmar och höga spänningsnivàer, t ex fràn 500 kV likspänning till 800 kV likspänning och vidare upp till mycket höga spänningsniváer.

Föreliggande uppfinning är tillämpbar t ex pà en genomföring för en strömriktartransformator, en genomföring för en ven- tilhallsvägg och en genomföring för en glättningsreaktor för inomhusbruk. 10 531 237 10 I föregående detaljerade beskrivning beskrivs uppfinningen under hänvisning till specifika, som exempel angivna utför- ingsformer av denna. Olika modifieringar och ändringar kan göras av den utan att man gör avsteg fràn uppfinningens ram sàsom den anges i patentkraven. Beskrivningen och ritningen ska följaktligen betraktas som illustrativ snarare än re- striktiv. Även om vatten har beskrivits som föredragen fly- tande kylvätska är sålunda olja ett möjligt alternativ till detta.

Som gasformig kylvätska kan torr luft men även andra lämp- liga, företrädesvis miljövänliga gaser, sàsom kvävgas, användas.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 531 237 ll PATENTKRAV

1. Högspänningsgenomföring (30) för överföring av hög spänning och ström fràn en vätskekyld HVDC-ventil (34), varvid nämnda högspänningsgenomföring (30) innefattar en isolerkropp (12) som omger en elektrisk ledare (31) vilken är elektriskt anslutningsbar till en kopplingsdetalj hos nämnda HVDC-ventil (34). kännatecknat av att nämnda elek- triska ledare (31) hos nämnda högspänningsgenomföring (30) innefattar en kylkanal (32) som via en värmeväxlare (300) är anslutningsbar till ett vätskekylsystem (39, 40) hos nämnda HVDC-ventil (34).

2. Högspänningsgenomföring (30) enligt patentkrav 1, varvid nämnda kylkanal (32) innefattar åtminstone tva separata ka- naler (32a, 32b) vilka är i vätskeformig förbindelse med varandra åtminstone i en punkt och anordnade att motta cir- kulerande gasformig kylvätska som kyls via värmeväxlaren (300) av den flytande vätskan pà hög elektrisk potential fràn nämnda HVDC-ventil (34).

3. Högspänningsgenomföring (30) enligt patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda kylkanal (32) är integrerad med nämnda elek- triska ledare (31) hos nämnda högspänningsgenomföring (30).

4. Högspänningsgenomföring enligt nagot av patentkrav 1-3, varvid nämnda högspänningsgenomföring (30) är anslutningsbar till nämnda vätskekylsystem (39, 40) hos nämnda HVDC-ventil (34) via värmeväxlaren (300) med hjälp av nämnda en eller flera kanaler (32a, 32b) för gasformig vätska.

5. Högspänningsgenomföring (30) enligt nagot av patentkrav 1-4, varvid nämnda kylkanal (32) hos nämnda elektriska le- dare (31) innefattar ett vätskerör (38) anordnat att leda gasformig kylvätska.

6. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-5, varvid nämnda högspänningsgenomföring (30) är anordnad för 10 15 20 25 30 35 531 237 12 överföring av hög spänning och ström genom åtminstone ett jordat plan (35) till en transformator.

7. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-6, varvid temperaturen hos nämnda elektriska ledare (31) hålls inom området 40 °C till 80 °C.

8. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-7, varvid en bråkdel av den flytande kylvätskan hos nämnda HVDC-ventilkylsystem (39, 40) utnyttjas för kylning av den gasformiga vätskan via värmeväxlaren (300) för kylning av nämnda högspänningsgenomföring (30).

9. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-8, varvid vätskekylsystemet (39, 40) innefattar en turbin (301) anordnad att drivas av vätskan i vätskekylsystemet. systemet med gasformig vätska innefattar en gaspump (302) för cirkulation av den gasformiga vätskan, och att nämnda gaspump (302) drivs av nämnda turbin (301) genom en trans- mission (303). och

10. Högspänningsgenomföring enligt något av Patefltkräv 1-9, varvid värmeväxlaren (300), turbinen (301) och gaspumpen (302) samt transmissionen (303) bildar en integrerad enhet.

11. Högspänningsgenomföring enligt nagot av patentkrav 1-10, varvid den flytande vätskan i vätskekylsystemet (39, 40) är vatten.

12. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-11, varvid den gasformiga vätskan är luft.

13. Högspänningsgenomföring enligt något av patentkrav 1-11, varvid den gasformiga vätskan är kvävgas.

14. Förfarande för kylning av en högspänningsgenomföring (30) som överför hög spänning och ström från en vätskekyld HVDC-ventil (34), varvid nämnda högspänningsgenomföring (30) innefattar en isolerkropp (12) som omger en elektrisk ledare“ 10 15 20 25 30 35 5311237 13 (31) vilken är elektriskt anslutningsbar till en kopplings- detalj hos nämnda HVDC-ventil (34), kännetecknat av steget att kyla nämnda högspänningsgenomföring (30) genom att an- sluta nämnda elektriska ledare (31) hos nämnda högspännings- genomföring (30) via en vätske-/gasvärmeväxlare till ett vätskekylsystem (39, 40) hos nämnda HVDC-ventil (34).

15. Förfarande enligt patentkrav 14, varvid nämnda elek- triska ledare (31) innefattar en kylkanal (32) som har àt- minstone tvà separata kanaler (32a, 32b) vilka är i förbin- delse med varandra via gasformig vätska åtminstone i en punkt, varvid förfarandet innefattar steget att i nämnda kanaler (32a, 32b) motta cirkulerande gasformig kylvätska som kyls via värmeväxlaren medelst den flytande vätskan pä hög elektrisk potential fràn nämnda HVDC-ventil (34).

16. Förfarande enligt patentkrav 14 eller 15, varvid nämnda elektriska ledare (31) av den gasformiga vätskan hàlls pà en temperatur inom området 40 °C till 80 °C.

17. Förfarande enligt nagot av patentkrav 14-16, varvid en bråkdel av den flytande kylvätskan hos nämnda HVDC-ventil- kylsystem (39, 40) utnyttjas för kylning av den gasformiga vätskan via värmeväxlaren för kylning av nämnda högspän- níngsgenomföring (30).

18. Förfarande enligt något av patentkrav 14-17, varvid vätskekylsystemet innefattar en turbin och systemet med gas- formig vätska innefattar en gaspump, varvid nämnda förfaran- de innefattar steget att driva turbinen genom cirkulerande flytande vätska och steget att cirkulera den gasformiga vät- skan medelst gaspumpen, samt steget att driva nämnda gaspump medelst nämnda gasturbin.

19. Förfarande enligt nagot av patentkrav 14-18. varvid den flytande vätskan är vatten.

20. Förfarande enligt nàgot av patentkrav 1-19, varvid den gasformiga vätskan är luft. 531 237 14

21. Förfarande enligt något av patentkrav 14-19, varvid den gasformiga vätskan är kvävgas.