WO2011051196A1 - Dispositif de refroidissement d'un appareil moyenne tension utilisant des caloducs isoles - Google Patents

Dispositif de refroidissement d'un appareil moyenne tension utilisant des caloducs isoles Download PDF

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Jean-Marc Willieme
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Definitions

  • the invention relates to the field of circuit breakers or disconnectors of medium voltage generators, placed in a protective sheath and using "heat pipes" which are cooling devices operating with a heat transfer fluid phase change.
  • a heat pipe is in the form of an elongated hermetic enclosure containing a fluid in equilibrium with its gaseous phase and its liquid phase, in the absence of any other gas, except in the form of traces.
  • Heat pipe Thermal apparatus in the form of an elongated hermetic enclosure containing a fluid in equilibrium with its gas phase and its liquid phase. The heat is transferred from the hot part to the cold part of the tube by vaporization of the liquid phase and condensation of the vapor in the cold part.
  • One method, generally used, is to homogenize the temperature of the air in contact with the various heating and heated parts of the circuit breaker concerned.
  • the cooling inside of such a protective sheath can be done by natural or forced convection of the air enclosed in it and in which the circuit breaker is located, the temperature prevailing inside thereof being significantly higher than the temperature outside, that is, from 30 ° C to at least 40 ° C.
  • Another solution is to provide an increase in the current flow section in the various transmission elements, so to go through an increase in the size of the disjunctors parts.
  • FIG. 1 shows, in section, an embodiment described in this document. It represents mainly a medium voltage conductor 2 or the casing of a circuit breaker. This is surrounded by evaporators 3 forming part of a cooling assembly 1 thereof. Such an assembly is completed by an insulation sleeve 7 surrounding a heat pipe 5 for discharging the heat collected by the evaporators 3. An elastic sleeve 9 completes the assembly. The whole is placed inside a protective sheath 8. The cooling assembly opens onto the roof of this protective sheath 8 to lead to a condensation device 4, for example with fins.
  • the object of the invention is to propose a different solution for this type of installation.
  • the main object of the invention is a cooling device with phase change heat transfer fluids for an electrical appliance operating at medium voltage and comprising at least one heat pipe.
  • this or these heat pipe (s) is or are placed (s) so as to penetrate partially into the apparatus and is or are (are) electrically insulated, in this embedded part, by an electrically insulating sleeve and good conductor of heat.
  • the sleeve is made of sintered aluminum nitride.
  • the sleeve is sintered boron nitride.
  • the external portion of the heat pipe or pipes that do not penetrate the apparatus and result in a condenser is also provided with an electrically insulating sleeve.
  • Each heat pipe may have an insulating ring electrically placed on an outer portion of the electrically insulating sleeve.
  • each heat pipe may have, on its outer part, an electrically insulating sleeve.
  • FIG. 1 a portion of the housing 10 of a circuit breaker is shown, but has a certain thickness in which is stored the heat due to the passage of medium voltage electrical currents and high amperage.
  • the recessed portion 12A of the heat pipe in the housing 10 of the circuit breaker is heated.
  • the fluid in this heat pipe 12 vaporizes by storing energy.
  • This gas is then diffused inside the heat pipe 12 to the other unassembled end 12B, where it condenses.
  • the recessed end 12A is surrounded by an electrically insulating sleeve with respect to the casing 10 of the circuit breaker, but also a good thermal conductor.
  • the assembly can be completed, as shown by the heat pipe 12 of the left, a ring of electrically insulating material, surrounding the outer portion 14A of the electrically insulating sleeve to increase the creepage.
  • the outer portion 12B can also have a second electrically insulating sleeve 18 to increase the creepage line.
  • FIG. 3A a first implementation of such a principle in a circuit breaker 20 is shown. It uses, in the same vertical plane, two heat pipes 12 penetrating both by their recessed portion 12A in the housing of the circuit breaker 20. The end of the outer portion 12B of these heat pipes 12 is surrounded by a system of fins 26 to form a condenser 24 to allow the dissipation of heat outside an enclosure 22 in which is placed the circuit breaker 20.
  • the return of the liquid is usually by gravity, which leads to the condenser 24 at the top. If the interior of the heat pipe 12 is provided with channels, the return of the liquid is accelerated by the capillary forces, which also allows, by accepting a loss of efficiency, to have the condenser 24 lower.
  • circuit breaker in vertical section, it is found that the circuit breaker can be placed on an insulating support 28.
  • condensers 24 are placed on the roof of the enclosure 22.
  • FIG. 3A represents an embodiment that incorporates the elements of the embodiment represented by FIG. 3A.
  • a ventilation device 30 is provided above the chamber 22 to promote the circulation of air in the condensers 24 and more precisely between the fins 26 thereof.
  • FIG. 3C shows a third embodiment which uses a third heat pipe 42A placed between the two lateral heat pipes 42B.
  • each heat pipe 42A and 42B each ends in at least one condenser 24.
  • FIG. 4 shows in longitudinal section how the heat pipes 42A and 42B can be installed in different locations of a circuit breaker 20, or even in other electrical appliances 50 associated with the circuit breakers 20 still placed inside the enclosure 22 , like bar disconnectors for example.
  • Each heat pipe 42A to 42B is always connected to a condenser 24 placed on the roof of the enclosure 22.
  • the main advantage of such a device is that it adapts to heat pipe technologies and various cooling elements already tested, without having the need to develop isolation processes to contain the coolant.

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Abstract

Le dispositif de refroidissement permet de s'adapter aux installations existantes, sans remettre en cause le développement de celles-ci. Il consiste à utiliser des caloducs (12) encastrés partiellement dans le carter (10) de l'appareil. Cette partie encastrée (12A) du caloduc (12) pénétrant dans le carter (10) possède un manchon (14) d'isolation électrique et bon conducteur de la chaleur. Application aux disjoncteurs d'une installation électrique moyenne tension et à fort ampérage.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D ' UN APPAREIL
MOYENNE TENSION UTILISANT DES CALODUCS ISOLES
DESCRIPTION Domaine de 1 ' invention et définition
L'invention concerne le domaine des disjoncteurs ou des sectionneurs de générateurs moyenne tension, placés dans une gaine de protection et utilisant des « caloducs » qui sont des dispositifs de refroidissement fonctionnant avec un fluide caloporteur à changement de phase.
On rappelle qu'un caloduc se présente sous la forme d'une enceinte allongée hermétique renfermant un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide, en l'absence de tout autre gaz, sauf sous forme de traces.
Définition
Caloduc : Appareil thermique se présentant sous la forme d'une enceinte allongée hermétique renfermant un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide. La chaleur est transférée de la partie chaude à la partie froide du tube par vaporisation de la phase liquide et condensation de la vapeur dans la partie froide. Art antérieur et problème posé
Le souci permanent des constructeurs de ce type de matériel est d'augmenter la capacité de ces appareils à passer des courants d'ampérage de plus en plus importants, notamment au niveau des disjoncteurs et sectionneurs placés à l'intérieur de jeux de barres à la sortie de centrales productrices ou de distribution de courant électrique. C'est notamment le cas des disjoncteurs d'alternateurs.
Une méthode, généralement utilisée, consiste à homogénéiser la température de l'air en contact avec les différentes parties chauffantes et chauffées du disjoncteur concerné. Le refroidissement à l'intérieur d'une telle gaine de protection peut se faire par convexion naturelle ou forcée de l'air enfermé dans celle-ci et dans laquelle se trouve le disjoncteur, la température régnant à l'intérieur de celle-ci étant notablement supérieure à la température régnant à l'extérieur, c'est-à-dire de 30°C à au moins 40°C.
Une autre solution consiste à prévoir une augmentation de la section de passage du courant dans les différents éléments de transmission, donc de passer par une augmentation de la taille des pièces des disj oncteurs .
D'autre part, par le document de brevet EP 1 657 731, on connaît un dispositif et un procédé de refroidissement d'un disjoncteur ou d'un sectionneur moyenne tension. La figure 1 montre, en coupe, une réalisation décrite dans ce document. Elle représente principalement un conducteur moyenne tension 2 ou le carter d'un disjoncteur. Celui-ci est entouré d ' évaporateurs 3 faisant partie d'un ensemble de refroidissement 1 de celui-ci. Un tel ensemble se complète d'un manchon d'isolation 7 entourant un caloduc 5 pour évacuer la chaleur collectée par les évaporateurs 3. Un manchon élastique 9 complète l'ensemble. Le tout est placé l'intérieur d'une gaine de protection 8. L'ensemble de refroidissement débouche sur le toit de cette gaine de protection 8 pour aboutir à un dispositif de condensation 4, par exemple à ailettes .
Le but de l'invention est de proposer une solution différente de ce type d'installation.
Résumé de 1 ' invention
A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif de refroidissement à fluides caloporteurs à changement de phase pour un appareil électrique fonctionnant à moyenne tension et comprenant au moins un caloduc.
Selon l'invention, ce ou ces caloduc (s) est ou sont placé (s) de manière à pénétrer en partie dans l'appareil et est ou sont isolé (s) électriquement, dans cette partie encastrée, par un manchon isolant électriquement et bon conducteur de la chaleur.
Dans une première réalisation envisagée, le manchon est en nitrure d'aluminium fritté.
Dans une deuxième réalisation selon l'invention, le manchon est en nitrure de bore fritté. De manière préférentielle, la partie externe du ou des caloduc(s) ne pénétrant pas dans l'appareil et aboutissant à un condenseur est munie également d'un manchon isolant électriquement.
Chaque caloduc peut posséder une bague isolante électriquement placée sur une partie externe du manchon isolant électriquement.
De même, chaque caloduc peut posséder, sur sa partie externe, un manchon isolant électriquement.
Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de trois réalisations de l'invention. Elle est accompagnée de six figures représentant respectivement :
figure 1, un dispositif de refroidissement selon l'art antérieur ;
- figure 2, en coupe partielle, la technologie utilisée dans le dispositif selon 1 ' invention ;
figures 3A, 3B et 3C, en coupe transversale, trois réalisations de l'invention ; et
- figure 4, en coupe longitudinale, le dispositif selon l'invention, notamment celui de la figure 3C. Description détaillée de trois réalisations de 1 ' invention
En référence à la figure 1, une partie du carter 10 d'un disjoncteur est représentée, mais possède une certaine épaisseur dans laquelle s'emmagasine la chaleur due au passage des courants électriques de moyenne tension et à fort ampérage.
Sur cette figure 2, deux caloducs sont représentés en pénétrant en partie dans le carter 10 du disj oncteur .
Sur la figure 2, la partie encastrée 12A du caloduc dans le carter 10 du disjoncteur est donc chauffée. Le fluide se trouvant dans ce caloduc 12 se vaporise en emmagasinant de l'énergie. Ce gaz se diffuse alors à l'intérieur du caloduc 12 jusqu'à l'autre extrémité non encastrée 12B, où il se condense. L'extrémité encastrée 12A est entourée d'un manchon isolant électriquement par rapport au carter 10 de disjoncteur, mais également bon conducteur thermique. On peut citer, en particulier, l'utilisation du nitrure d'aluminium fritté et l'utilisation du nitrure de bore fritté pour constituer ces manchons isolants électriquement 14.
L'ensemble peut se compléter, comme le montre le caloduc 12 de gauche, d'une bague en matériau isolant électriquement, entourant la partie externe 14A du manchon isolant électriquement pour augmenter la ligne de fuite.
Comme le montre le caloduc 12 de droite, la partie externe 12B peut également posséder un deuxième manchon isolant électriquement 18 pour augmenter la ligne de fuite.
En référence à la figure 3A, une première implantation d'un tel principe dans un disjoncteur 20 est représentée. On y utilise, dans un même plan vertical, deux caloducs 12 pénétrant tous les deux par leur partie encastrée 12A dans le carter du disjoncteur 20. L'extrémité de la partie externe 12B de ces caloducs 12 est entourée d'un système d'ailettes 26 pour former un condenseur 24 afin de permettre la dissipation de la chaleur à l'extérieur d'une enceinte 22 dans laquelle est placé le disjoncteur 20.
Le retour du liquide se fait généralement par gravité, ce qui conduit à disposer le condenseur 24 en partie haute. Si l'intérieur du caloduc 12 est muni de canaux, le retour du liquide est accéléré par les forces de capillarité, ce qui permet également, en acceptant une perte d'efficacité, de disposer le condenseur 24 plus bas.
Sur cette figure 3A, en coupe verticale, on constate que le disjoncteur peut être placé sur un support isolant 28. De plus, les condenseurs 24 sont donc placés sur le toit de l'enceinte 22.
Les deux caloducs 12, représentés sur cette figure 3A, sont implantés dans le disjoncteur 20, de façon légèrement latérale, chacun d'un côté, de manière à ce que leur extrémité externe s'éloigne l'une de l'autre. Ainsi, ils peuvent atteindre des condenseurs 24, placés sur l'enceinte 22 de manière relativement écartée. La figure 3B représente une réalisation qui reprend les éléments de la réalisation représentée par la figure 3A. Par contre, un dispositif de ventilation 30 est prévu au-dessus de l'enceinte 22 pour favoriser la circulation de l'air dans les condenseurs 24 et plus précisément entre les ailettes 26 de ces derniers.
La figure 3C montre une troisième réalisation qui utilise un troisième caloduc 42A, placé entre les deux caloducs latéraux 42B.
Dans cette réalisation de la figure 3C, chaque caloduc 42A et 42B aboutit chacun à au moins un condenseur 24.
La figure 4 montre en coupe longitudinale la manière dont les caloducs 42A et 42B peuvent être implantés dans différents endroits d'un disjoncteur 20, voire dans d'autres appareils électriques 50 associés aux disjoncteurs 20 toujours placés à l'intérieur de l'enceinte 22, comme des sectionneurs de barre par exemple. Chaque caloduc 42A à 42B est toujours relié à un condenseur 24 placé sur le toit de l'enceinte 22.
L'adjonction de matériaux adaptés sur les parois internes des caloducs 12, 42A et 42B peut permettre de les implanter également la tête en bas, ce qui multiplie les possibilités de refroidissement.
Le principal avantage d'un tel dispositif est qu'il s'adapte à des technologies de caloducs et différents éléments de refroidissement déjà éprouvées, sans avoir le besoin de développer des procédés d'isolation devant contenir le liquide de refroidissement .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de refroidissement à fluide caloporteur à changement de phase d'un appareil électrique à moyenne tension, comprenant :
- au moins un caloduc (12, 42A, 42B) , caractérisé en ce que le au moins un caloduc (12, 42A, 42B) pénètre en partie dans l'appareil et est isolé électriquement dans cette partie encastrée (12A) par un manchon isolant électriquement (14) et bon conducteur de la chaleur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon isolant électriquement (14) est en nitrure d'aluminium fritté.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon isolant électriquement (12, 42A, 42B) est en nitrure de bore fritté.
4. Dispositif selon la revendication 1, l'ensemble étant placé dans une gaine (22), caractérisé en ce que la partie externe (12B) des caloducs (12, 42A, 42B) ne pénétrant pas dans l'appareil aboutissant à des condenseurs (24) possède un manchon isolant électriquement (18).
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque caloduc (12) possède une bague isolante électriquement (16) placée sur une partie externe (14A) du manchon isolant électriquement (14) .
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque caloduc (12, 42A, 42B) possède sur sa partie externe un manchon isolant électriquement (18).
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