專利名稱：高壓套管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)的領域，具體地涉及此類配電系統(tǒng)中的高 壓套管的冷卻。
背景技術：
電氣器材和設備，尤其是配電系統(tǒng)中的高壓器材具有很高的發(fā)
熱量，并且因此需要足夠的冷卻。例如，傳統(tǒng)的HVDC (高壓直流) 換流器(converter)閥可以是空氣絕緣以及以水冷卻的。通常提供例 如包括冷卻水分配管道的冷卻系統(tǒng)，該分配管道在形狀上滿足某些 需要。外部冷卻系統(tǒng)的另一個示例是使用風扇。
然而，在配電系統(tǒng)內還存在不由任何外部冷卻系統(tǒng)冷卻的電氣 設備。那些缺少外部冷卻系統(tǒng)的設備繼而代之以自冷卻，即自然對 流空氣冷卻或通過散發(fā)熱輻射冷卻或使用其組合進行冷卻。此類自 冷卻設備的 一 個示例是穿墻套管。
高壓套管是這樣一種設備，其用于在高電勢承載電流通過接地 的屏障，屏障例如墻或諸如變壓器箱的電氣裝置的殼。該套管依靠
其絕緣性質保持電流不傳入接地屏障。
可以以多種不同的方式設計套管。 一個此類的套管是電容器式 套管，其包括至少部分地由電容芯子(condenser core )包圍的導體 以及包括諸如陶瓷或聚合物材料的介電材料的本體的外絕緣體殼。 在外絕緣體殼和具有包圍的電容芯子的導體之間的空間填充有絕緣 油或絕緣氣體。電容芯子包括兩側都由絕緣材料包圍的金屬層。電 容芯子負責在接近套管穿越建筑的墻壁或例如變壓器箱的容器的壁 的位置的空間中的均壓。
另 一 類型的套管包括導體、反射器和包括諸如陶瓷或聚合物材料的介電材料的本體的外絕緣體殼。反射器具有與電容芯子相同的 功能。導體、反射器和外絕緣體殼之間的空間通常填充有氣體，例 如六氟化硫或六氟化硫和其他氣體的混合物。這是典型的穿墻套管。
配電系統(tǒng)內的典型電壓水平的范圍從70 kV AC或DC直到約500 kV AC或DC。然而，電壓水平不斷增加并且對于DC可以總計為800 kV DC,并且在未來繼續(xù)增加到更高的電壓水平。而且，電流水平可以 高達4000-5000 A，甚至更高。自然地，這樣的高電壓和電流水平導 致了更高的發(fā)熱量。
Freeman等人在US 5466891中公開了一種高壓套管，在該高壓 套管中，其中浮接屏蔽，即既不電連接至地也不電連接至套管的高 電勢的屏蔽，通過置于該套管低電應力區(qū)域中的支撐絕緣體而懸掛 在套管殼內。Freeman等人在他們的發(fā)明中以及在背景技術中公開了 相對于本發(fā)明構成現(xiàn)有技術的那種高壓套管，并且認為US 5466891 構成最接近的現(xiàn)有技術。US 5466891中公開的套管傳送AC或DC 高壓和電流，包括可電連接的導電體、包括包圍該導體的絕緣體殼， 并且還包括在絕緣體殼和導體之間填充有電絕緣氣體的空間。
如果冷卻不充分，則散發(fā)的熱量將使套管的導體的溫度增加。 套管的導體通常由金屬(通常是鋁或銅)制成。由于穿墻套管通常 被安裝為相對于墻壁呈一定角度，使得雨水和濕氣將滴走(例如， 為了避免漏電故障)，套管的外部頂端相比于內部下端處于更高的 水平。這意味著當主要存在導體的對流冷卻時，在套管的外部頂端 和內部下端之間存在溫度差，因為較暖的氣體傾向于向上流動并且 較冷的氣體傾向于向下流動。該溫度差在套管的縱向方向上對外絕 緣體殼引起熱應力。而且，在套管的圓周方向上，沿外絕緣體殼的 內表面存在溫度差，因為在氣體流中存在圓周變化，如在垂直于導 體的平面中所看到的。這將對套管的外絕緣體殼引起圓周熱應力。 另一方面，如果通過輻射發(fā)射執(zhí)行冷卻，將不存在如上所述的此類 溫度差，因為，輻射冷卻是各向同性的，即，在垂直于導體的平面 中的所有方向上都相同。而且，在套管的縱向方向上將不存在任何
4溫度差，因為冷卻不依賴于從較暖部分到較冷部分或反向的氣體流。 增加輻射冷卻將因此減輕外絕緣體殼的熱應力，并且支持利用較高 電壓和電流的操作。
總之，希望實現(xiàn)高壓套管的輻射冷卻的改進。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在配電系統(tǒng)內提供套管的改進的輻射冷卻。特 別地，本發(fā)明的目的是提供對于非常高的電壓和電流也足夠的套管 的改進輻射冷卻，從而克服或至少減輕現(xiàn)有技術的上述缺陷，其中
非常高的電壓和電流諸如70和500 kV之間的電壓以及高達5000 A
的電流。
本發(fā)明的另一個目的是提供冷卻裝置，用于在由于電流和電壓 水平增加而在套管中增加散熱功率時冷卻套管，而不增加組成部分 的大小。
除其他之外，通過如權利要求1所述的高壓套管實現(xiàn)這些目的。 根據(jù)本發(fā)明，導電體涂敷有熱輻射率顯著大于所述導體的熱輻
射率的材料的表面層。
通過利用具有顯著大于導體本身的熱輻射率的導體上的表面層
冷卻套管的發(fā)明性方式，實現(xiàn)了具有成本效益并可靠的改進的冷卻。
借助于本發(fā)明，顯著簡化了套管的設計，因為外絕緣體殼中的溫度 差處于控制之下。特別地，即使利用較高電流和電壓，套管的大小 也不增加。而且，甚至針對高電流水平和高電壓水平也實現(xiàn)了套管 的足夠冷卻，例如，高電壓范圍高達500 kV,并且甚至進一步直到 非常高的電壓水平。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，高壓套管的導電體涂敷有表面層，該 表面層具有至少比導體的熱輻射率大3倍的熱輻射率，更優(yōu)選地具 有至少比導體的熱輻射率大5倍的熱輻射率，最優(yōu)選地具有至少比 導體的熱輻射率大7倍的熱輻射率。本發(fā)明的優(yōu)勢在于此類層可以 制作的很薄，并且將顯著增加導體的熱輻射率，而仍舊不改變套管任何尺寸上的需要。此類導體的示例是鋁導體，其中"商業(yè)鋁板
(commercial sheet)"材料的輻射率是ca.0.09。通過增強表面的氧 化，可以達到ca.0.3的輻射率。從而提供節(jié)約尺寸和具有成本效益
的方案。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，對由鋁制成的導電體進行陽極 化處理以達到顯著增加導電體冷卻性能的令人驚異的效果。經陽極 化處理的導體的輻射率約為0.8。對于由鋁制成的套管導體，該實施 方式是有優(yōu)勢的，因為利用商業(yè)上可獲得的和簡單的裝置使其更容 易，并且導體關于冷卻的效率得到了顯著改進。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，導電體涂敷有表面層，該表面 層基本上包括氧化物。此類氧化物的示例是氧化銅、氧化鉻和氧化 鎳。此類表面層的優(yōu)勢在于，可以達到非常高的輻射率。根據(jù) Handbookof Chemistry and Physics, 1971-1972,第52版，由Chemical Rubber公司出版，例如，氧化鎳的輻射率是0.85 - 0.96，這接近于 "商業(yè)鋁板，，的輻射率的IO倍。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，導電體涂敷有表面層，該表面 層基本上包括金屬。此類金屬的示例是鈦、錳和鉺。此類表面層的 優(yōu)勢在于，該層可以制作得非常薄。根據(jù)Handbookof Chemistry and Physics, 1971-1972,第52版，由Chemical Rubber公司出版，例如， 鈦的輻射率是0.63,其是"商業(yè)鋁板"的輻射率的7倍。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，導電體涂敷有表面層，該表面 層基本上包括氧化鋁。氧化鋁的優(yōu)勢在于，其固有地與通常用作導 體材料的鋁兼容。另 一個優(yōu)勢在于其非常惰性并且無毒。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，導電體涂敷有表面層，該表面 層基本上包括有機物或半有機物。此類物質的示例是丙烯酸聚合物 涂料和環(huán)氧涂料。此類層材料的優(yōu)勢在于，它們非常容易通過使用 刷子或噴涂設備來涂敷。另一個優(yōu)勢在于該表面層是不昂貴的，因 為材料和涂敷方法都是低成本的。
針對該表面，層厚度測量為考慮了平均偏差&的層的外表面和接觸導體本體的、考慮了平均偏差Ra的層的較低表面之間的差。對 層的研究已經示出，表面光潔度取決于精確度(參見，例如，
S.Jacobsson禾口 S.Hogmark的Tribologi, Karleboserien, Liber Utbildning AB, Arl6v 1996,第16頁)。
ra = 1/l ' / I z (jO I dx 具有下限X二O和上限X二L。 在從屬權利要求中定義了其他實施方式。
當閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的其他特征、優(yōu)勢和目的將變
得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方式的高壓套管的總視圖。
圖2是沿圖1中的線A-A的高壓套管的導體單元的示意性剖面圖。
具體實施例方式
貫穿全文，盡可能使用相同的參考標記以代表相同或相近的部分。
根據(jù)本發(fā)明實施方式的套管在圖1中示出。該套管包括高壓導 體單元10。在圖2中，示出了圖1的套管1的高壓導體單元10的剖 面圖。高壓導體單元10包括導電體11和具有熱輻射率顯著大于導 體11的熱輻射率的材料的輻射表面層12。高壓導體單元10穿過空 的套管絕緣體13的中心，該套管絕緣體13形成了圍繞高壓導體單 元10的殼。通常，對于室外應用，絕緣體殼13由陶瓷或例如環(huán)氧 物的聚合物材料制成，其外側包括硅外裙(silicone shed)。
在反射器套管中，為了均壓，在絕緣體殼13內提供旋轉對稱反 射器14。套管和其周圍結構上的電壓應力包括AC和DC分量。AC 分量均壓取決于絕緣材料的介電常數(shù)。DC分量均壓取決于絕緣材料 依賴于溫度的電阻系數(shù)。提供法蘭16以將套管的絕緣體殼13通過壁18連接至地。盡管在圖中示出了反射器套管，但是應該認識到， 本發(fā)明也可以用于非反射器套管。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，導電體ll由鋁制成，并且表面層12 由陽極氧化鋁制成。陽極氧化鋁的表面層12通過陽極化處理和對陽 極化處理的層的密封來應用。該層具有約0.8的熱輻射率，其顯著大 于約為0.09的鋁導體本身的熱輻射率。在該具體實施方式
中，層的 厚度約為20jum。該厚度還可以小于20|um,直到約5ium。還可以 大于20ium,直到約40jum。
在本發(fā)明另一個實施方式中，套管的高壓導體11由鋁制成并且 配備有有顏色的環(huán)氧涂料的表面層12。環(huán)氧涂料被刷在導電體11
上。該具體實施方式
中的顏料是氧化鋅。應該認識到，可以使用使 環(huán)氧涂料不透明的任何其他合適的顏料。該層具有約0.8的熱輻射 率，其顯著大于高壓導體本身的熱輻射率。在該具體實施方式
中， 此類層的厚度約為50y m。
在本發(fā)明另一個實施方式中，高壓導體11由鋁制成并且配備有 基于水的丙烯酸聚合物涂料的表面層12。基于水的丙烯酸聚合物涂 料包括氧化鈷顏料。應該認識到，可以使用使基于水的丙烯酸聚合 物涂料不透明的任何其他合適的顏料。該層具有約0.9的熱輻射率， 其顯著大于高壓導體本身的熱輻射率。在該具體實施方式
中，此類 層的厚度約為40iam。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，高壓導體ll由銅制成并且配備 有鈦的表面層12。應該認識到，可以使用任何其他合適的金屬或合 金。該層具有約0.6的熱輻射率，其顯著大于約為0.1的高壓銅導體 本身的熱輻射率。在該具體實施方式
中，此類層的厚度約為lOiam。
通過利用表面層增加熱輻射率的冷卻套管的發(fā)明性方式能夠實 現(xiàn)具有成本效益和可靠的改進的冷卻。借助于本發(fā)明，顯著簡化了 套管的設計，因為導體的溫度和套管的絕緣殼的溫度差保持在較低 水平。對于較高的電壓，例如800 kVDC,現(xiàn)有技術套管將必然變得 非常大，以便承栽例如4000A。對高壓套管的發(fā)明性冷卻給出了較小導體直徑，并且從而減小了整個套管的大小。
而且，甚至針對高電流水平和高電壓水平也實現(xiàn)了套管的足夠
冷卻，例如，高電壓范圍從500 kVDC直到800 kVDC,并且進一 步直到非常高的電壓水平。
本發(fā)明例如可用于閥廳(valve hall )穿墻套管和室內平波電抗器套管。
在前面詳細的描述中，參考其具體示例性實施方式描述了本發(fā) 明。在不脫離如權利要求書中記載的本發(fā)明的范圍的情況下，可以 對本發(fā)明做出各種修改和改變。因而，將說明書和附圖看作是說明 性的，而不是限制意義。因此，盡管氧化物、有機涂料和金屬已經 描述為是用于高壓導體上的表面層的優(yōu)選材料，但是其他材料也可 能替換用來它們。
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權利要求
1. 一種高壓套管(1)，用于傳送AC或DC高電壓和電流，所述套管包括可電連接的導電體、包圍所述導體的絕緣體殼(13)以及在所述絕緣體殼和所述導體之間填充有電絕緣氣體的空間，其特征在于，所述導電體涂敷有具有熱輻射率顯著大于所述導體的熱輻射率的材料的表面層(12)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高壓套管(1)，其中所述表面層(12) 具有至少比所述導體的熱輻射率大3倍的熱輻射率。
3. 根據(jù)權利要求1所述的高壓套管(1 )，其中所述表面層(12) 具有至少比所述導體的熱輻射率大5倍的熱輻射率。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高壓套管(1 ),其中所述表面層(12)
5. 根據(jù)前述任一權利要求所述的高壓套管(1)，其中所述表面 層(12)基本上包括金屬。
6. 根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的高壓套管(1),其中所述 表面層(12)基本上包括氧化物。
7. 根據(jù)權利要求6所述的高壓套管(1 )，其中所述表面層(12) 基本上包括氧化鋁。
8. 根據(jù)權利要求l-4所述的高壓套管(1 ),其中所述表面層(12) 包括陽極氧化鋁。
9. 根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的高壓套管(1),其中所述 表面層(12)基本上包括有機物或半有機物。
全文摘要
本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)和此類配電系統(tǒng)中高壓設備的冷卻的領域。特別地，本發(fā)明涉及在此類系統(tǒng)中使用的高壓套管的冷卻。
文檔編號H01B7/42GK101523516SQ200780036777
公開日2009年9月2日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權日2006年10月31日
發(fā)明者C·托恩克維斯特, O·維德倫德 申請人:Abb研究有限公司