專利名稱：具有冷卻的高壓斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及斷路器技術(shù)領(lǐng)域。其涉及一種斷路器以及一種用于冷卻斷路器的內(nèi)導(dǎo)體的方法，如在獨(dú)立專利權(quán)利要求的前敘項(xiàng)中所要求的。
背景技術(shù)：
如此的斷路器和如此的方法例如從EP 1 022 830 A1得知。在該文檔中，提供風(fēng)扇以便于冷卻斷路器的在殼體內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)體，借助于所述風(fēng)扇產(chǎn)生繞內(nèi)導(dǎo)體流動(dòng)的環(huán)流。以該方式循環(huán)的氣體吸收來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體的熱損失，并且然后將這些熱損失排放到殼體的內(nèi)面。殼體又將熱排放到殼體外部的周圍空氣。內(nèi)導(dǎo)體的冷卻意味著可以承載較大的電流。
如此的設(shè)置具有這樣的缺點(diǎn)其是有源的，即其必須被驅(qū)動(dòng)。例如風(fēng)扇電源的故障導(dǎo)致冷卻故障，并可迅速導(dǎo)致超過(guò)斷路器的最大允許溫度限制值。如此的冷卻系統(tǒng)還需要定期維護(hù)以便確保風(fēng)扇的正確工作。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供不具有以上所述缺點(diǎn)的最初提及類型的斷路器和用于冷卻斷路器的內(nèi)導(dǎo)體的方法。一個(gè)特定目標(biāo)是創(chuàng)造一種帶有無(wú)源的和(實(shí)際上)免維護(hù)的冷卻系統(tǒng)的斷路器。
該目的通過(guò)具有獨(dú)立專利權(quán)利要求的特征的設(shè)備和方法而實(shí)現(xiàn)。
其內(nèi)導(dǎo)體(還可被稱為有源部分)被冷卻的斷路器可以承載比未冷卻的斷路器高的電流，同時(shí)服從由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的溫度限制值。所提供的冷卻設(shè)備越有效地耗散在內(nèi)導(dǎo)體上產(chǎn)生的熱損失，斷路器的電流承載能力可因此以越大的程度增加。
根據(jù)本發(fā)明的斷路器具有伸長(zhǎng)的內(nèi)導(dǎo)體和如殼體一樣包圍內(nèi)導(dǎo)體的外導(dǎo)體(其還可被稱為無(wú)源部分或返回導(dǎo)體)，特征在于至少一個(gè)熱管被提供以耗散來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體的熱能(通常針對(duì)所有熱損失)，并且具有絕緣空心體以形成電絕緣間隙。熱管有利地從內(nèi)導(dǎo)體延伸到接近于外導(dǎo)體，直到外導(dǎo)體為止，或者特別有利地到外導(dǎo)體之外。
熱管是用于通過(guò)在稱為蒸發(fā)器的熱管段中蒸發(fā)工質(zhì)，以及通過(guò)在稱為冷凝器的熱管段中冷凝工質(zhì)來(lái)耗散熱的裝置，具有被提供用于將工質(zhì)從冷凝器返回到蒸發(fā)器的裝置。熱管有利地被密閉地密封，由此使得有可能在其中產(chǎn)生閉合回路。伸長(zhǎng)的或管狀的熱管形狀是有利的，但不是必要的。空心體可簡(jiǎn)單的用作將工質(zhì)從冷凝器返回到蒸發(fā)器的裝置，并且可被如此設(shè)置以使液體工質(zhì)通過(guò)重力來(lái)載運(yùn)，或不然有可能使用借助于毛細(xì)作用力將工質(zhì)送回的材料。
具有絕緣空心體的如此的熱管可橋接電勢(shì)差，特別是存在于內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的高電壓。在熱管中提供的工質(zhì)的蒸發(fā)可因此發(fā)生在與工質(zhì)的冷凝不同的電勢(shì)。
熱管是無(wú)源冷卻設(shè)備，其不需要電源或任何其它供給。作為具有密閉地密封的回路的冷卻系統(tǒng)，其一般不需要維護(hù)且通?？刹恍杈S護(hù)地工作幾年或幾十年。
熱管和外導(dǎo)體不必要接觸。它們有利地彼此機(jī)械連接，或彼此成為整體。例如，外導(dǎo)體可有利地支持熱管的冷凝器段。然而，熱管和外導(dǎo)體有利地彼此電連接，特別是被接地。
通常，內(nèi)導(dǎo)體為管狀或空心圓柱狀。承載返回電流的外導(dǎo)體形成通常是接地的封裝。在工作期間，在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間存在高電壓。
斷路器的額定電壓大于1kV，或事實(shí)上具有10kV的數(shù)量級(jí)，或不然它們是幾十kV到幾百kV。(由雷擊(lightning strike)引起的)過(guò)壓典型地從100kV直到幾百kV。斷路器中的電流和返回電流具有1kA或10kA(額定電流)的數(shù)量級(jí)，且經(jīng)常是20kA到30kA；短路電流近似地大一個(gè)數(shù)量級(jí)。斷路器被設(shè)計(jì)用于100kW或幾百M(fèi)W數(shù)量級(jí)的功率水平，或高達(dá)千兆瓦范圍。如此的電流、電壓以及功率水平使斷路器的物理實(shí)施和例如中壓或低壓斷路器不需要的斷路器設(shè)計(jì)對(duì)稱性成為必要。
待耗散的熱基本上由內(nèi)導(dǎo)體中的電阻損失產(chǎn)生。還可發(fā)生另外的損失，例如，如趨膚效應(yīng)(skin effect)導(dǎo)致的損失，或渦電流損失以及滯后損失。
熱管有利地包含工質(zhì)，用于通過(guò)在稱為蒸發(fā)器的熱管段中蒸發(fā)工質(zhì)并且通過(guò)在稱為冷凝器的熱管段中冷凝工質(zhì)來(lái)耗散熱能，其中冷凝器與外導(dǎo)體緊密熱接觸和/或具有用于熱排放的設(shè)備，并且其中蒸發(fā)器與內(nèi)導(dǎo)體緊密熱接觸。
緊密熱接觸得到特別有效的冷卻。無(wú)源冷卻設(shè)備可有利地用作用于熱排放的設(shè)備。熱有利地排放到包圍外導(dǎo)體的周圍空氣。例如，可提供冷卻肋裝置，其附著到外導(dǎo)體，或者熱管的外壁可例如通過(guò)折疊來(lái)形成冷卻肋。
在一個(gè)有利的實(shí)施例中，熱管具有撓性可變形段。振動(dòng)通常在開關(guān)過(guò)程期間發(fā)生在斷路器中，導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的相對(duì)移動(dòng)。為了避免熱管上的例如可導(dǎo)致熱管中、特別是絕緣空心體區(qū)域中的泄漏的高機(jī)械負(fù)荷，可提供用于機(jī)械去耦的裝置作為撓性可變形段，例如波紋管(bellows)或彈性段，如撓性管材件。該裝置還可以同時(shí)是用于吸收(由熱膨脹導(dǎo)致的)熱機(jī)械應(yīng)力的裝置，或者為此可提供單獨(dú)的裝置(同樣，例如波紋管或彈性段，如撓性管材件)。如此的裝置和/或用于機(jī)械去耦的裝置還可用于補(bǔ)償部件和制造容差。
在一個(gè)有利實(shí)施例中，熱管是以熱虹吸管(thermal siphon)的形式。在以熱虹吸管形式的熱管的情況下，經(jīng)冷凝的工質(zhì)(主要)通過(guò)重力送回。冷凝器因此被設(shè)置得(在重力場(chǎng)中)高于蒸發(fā)器，并且在它們之間沿?zé)峁鼙仨氂袉握{(diào)梯度。
在另一個(gè)有利實(shí)施例中，熱管包含用于借助于毛細(xì)作用力將經(jīng)冷凝的工質(zhì)饋回到蒸發(fā)器的裝置。當(dāng)冷凝器被設(shè)置在蒸發(fā)器以下時(shí)優(yōu)選地使用如此的實(shí)施例；然而，其還可結(jié)合熱虹吸管來(lái)使用。舉例來(lái)說(shuō)，電絕緣的多孔材料可用作借助于毛細(xì)作用力將經(jīng)冷凝的工質(zhì)饋回到蒸發(fā)器的裝置。類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料和/或類似織物的材料同樣適合。如此的裝置優(yōu)選地提供在熱管的內(nèi)表面上。
在一個(gè)有利實(shí)施例中，蒸發(fā)器結(jié)合在內(nèi)導(dǎo)體中。例如，內(nèi)導(dǎo)體可以以如此方式設(shè)計(jì)，使得其包含一個(gè)或多個(gè)體積，該體積表示熱管的部分并整體或部分填充有工質(zhì)。這導(dǎo)致熱管和內(nèi)導(dǎo)體之間很好的熱耦合。
在另一個(gè)有利實(shí)施例中，斷路器具有支撐絕緣體以便支撐內(nèi)導(dǎo)體，并且熱管的一段延伸在所述支撐絕緣體中。熱管的部分結(jié)合在支撐絕緣體中，或至少設(shè)置在支撐絕緣體中。該實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是熱管不妨礙或極少妨礙內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的設(shè)置的對(duì)稱性。支撐絕緣體有利地是內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的電絕緣機(jī)械連接。
在一個(gè)特別有利的實(shí)施例中，除了工質(zhì)，熱管還包含輔助氣體，以便實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的(絕緣間隙的)介電強(qiáng)度。
熱管有利地以如此方式設(shè)計(jì)，使得在可測(cè)量于蒸發(fā)器的從Tmin到Tmax的溫度范圍內(nèi)，高達(dá)HVmax的高電壓可被永久施加在絕緣間隙上，而這不導(dǎo)致絕緣間隙的區(qū)域中的任何擊穿。熱管包含不同于工質(zhì)的輔助氣體的局部壓力，其中輔助氣體的提供導(dǎo)致當(dāng)在溫度Tmin在絕緣間隙上存在高壓HVmax時(shí)在絕緣間隙的區(qū)域中不發(fā)生擊穿，而與此相反，當(dāng)輔助氣體不存在但在溫度Tmin在絕緣間隙上存在高壓HVmax時(shí)在絕緣間隙的區(qū)域中發(fā)生擊穿。
以不同的觀點(diǎn)來(lái)看，本發(fā)明還可被視為提供如此的具有輔助氣體的熱管，在這種情況下所述熱管還可獨(dú)立于斷路器而使用并用于任何所需的其它冷卻用途。例如，其可用于任何高壓設(shè)備中，例如變壓器或高壓設(shè)施中。
作為氣體壓力的函數(shù)的氣體介電強(qiáng)度通常具有最小值，如也在例如所謂的Paschen曲線中表示為擊穿電壓的最小值那樣。在對(duì)于斷路器來(lái)說(shuō)特別感興趣的約-40℃與約+60℃之間的溫度范圍內(nèi)，對(duì)于較低溫度(約-50℃至-10℃)、對(duì)于典型工質(zhì)和典型工作氣體壓力(在冷卻操作期間100毫巴(mbar)至1000毫巴)的介電強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，使得將需要例?0cm或以上的相對(duì)長(zhǎng)的絕緣間隙。較短的絕緣間隙將是理想的，以便減小熱管的尺度。
熱管中的例如處于100毫巴至500毫巴數(shù)量級(jí)的局部壓力的輔助氣體允許即使在低溫也確保最小壓力，以及由此的熱管中的對(duì)應(yīng)介電強(qiáng)度。工作液體不開始沸騰，直到其蒸汽壓力超過(guò)輔助氣體壓力時(shí)的溫度。
結(jié)合Paschen曲線，這對(duì)應(yīng)于曲線，以及由此(還有)擊穿電壓最小值向著左邊的移位，即向著(總)壓力乘以絕緣間隙長(zhǎng)度的低值。如果絕緣間隙長(zhǎng)度恒定，斷路器可因此通過(guò)針對(duì)斷路器的相同溫度范圍Tmin至Tmax提供輔助氣體的(非無(wú)窮低的)局部壓力而使較高的電壓施加給它，或者如果斷路器被設(shè)計(jì)用于相同的高壓，可用于較寬的溫度范圍(具有較低的Tmin)?？商鎿Q地，對(duì)于相同溫度范圍和相同電壓可提供較短的絕緣間隙長(zhǎng)度。
輔助氣體在整個(gè)溫度范圍Tmin至Tmax內(nèi)有利地是氣態(tài)的。輔助氣體可以因此僅耗散很小量的熱，并且其通過(guò)冷凝器方向上的汽化工質(zhì)而移動(dòng)。因此有利地有可能在冷凝器提供輔助氣體保持體積，其在工作條件下基本上被填充以大部分輔助氣體，或填充以全部輔助氣體。這使得有可能防止可用于工質(zhì)冷凝的區(qū)域不被輔助氣體阻塞或僅以較小的程度阻塞。有效的冷卻得以實(shí)現(xiàn)。輔助氣體保持體積可以是剛性的(恒定體積容量)。輔助氣體保持體積的體積容量有利地是可變的，并且隨熱管中的溫度和內(nèi)部壓力而增大。如此的輔助氣體保持體積有利地被設(shè)計(jì)為可變形的(例如以波形管的形式)，并且例如由可變形材料形成。
輔助氣體的局部壓力被有利地選擇，使得在工作條件下(典型地在Tmax)熱管的(總)內(nèi)部壓力對(duì)應(yīng)于(剛好)包圍熱管的外部壓力，即典型地是約1巴(bar)(1000毫巴加/減100毫巴至250毫巴)或有利地實(shí)際上為1巴。還有可能在熱管內(nèi)提供較低的或有利地較高的壓力。例如通過(guò)利用氨作為工質(zhì)，兩個(gè)或更多巴或不然數(shù)十巴可以通過(guò)使得有可能提供較短的絕緣間隙來(lái)例如彌補(bǔ)必要的設(shè)計(jì)復(fù)雜性(壓力密封)。
內(nèi)導(dǎo)體可有利地具有多個(gè)段，每個(gè)提供有至少一個(gè)熱管。特別是在具有長(zhǎng)的內(nèi)導(dǎo)體的很長(zhǎng)的斷路器的情況下，通過(guò)在每種情況下使至少一個(gè)熱管與斷路器的多個(gè)段相關(guān)聯(lián)，很有效的冷卻是可能的，所述多個(gè)段沿內(nèi)導(dǎo)體的縱向范圍在縱向上一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置。
根據(jù)本發(fā)明的斷路器有利地具有多個(gè)開關(guān)極(switch pole)，每個(gè)具有內(nèi)導(dǎo)體且每個(gè)具有外導(dǎo)體，并且每個(gè)具有至少一個(gè)熱管。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，斷路器是發(fā)電機(jī)斷路器。
根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻斷路器的如殼體一樣的外導(dǎo)體所包圍的伸長(zhǎng)內(nèi)導(dǎo)體的方法，特征在于工質(zhì)通過(guò)吸收來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體的熱能(通常，特別是熱損失)而蒸發(fā)，并且在熱被排放時(shí)冷凝，其中蒸發(fā)和冷凝發(fā)生在不同的電勢(shì)。
進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)將從從屬專利權(quán)利要求和附圖而變得明顯。


將參考在附圖中說(shuō)明的優(yōu)選示范性實(shí)施例在以下文本中更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的主題，在附圖中示意性地圖1以截面的形式示出三極發(fā)電機(jī)斷路器，說(shuō)明了三種不同類型的熱管設(shè)置；圖2以平面圖的形式示出斷路器或開關(guān)極，其具有擁有多個(gè)段的內(nèi)導(dǎo)體，并具有主要以截面示出的多個(gè)熱管；圖3示出具有撓性可變形段、輔助氣體以及輔助氣體保持體積的熱管；圖4示出有或無(wú)輔助氣體的工質(zhì)的Paschen曲線；并且圖5以截面的形式示出絕緣空心體(細(xì)節(jié))的一個(gè)可能的改進(jìn)。
附圖中使用的參考符號(hào)及其含義在參考符號(hào)列表中概要地列出?；旧希嗤糠只蚓哂邢嗤Ч牟糠衷诟綀D中提供有相同的參考符號(hào)。對(duì)于理解本發(fā)明不是必要的部分在一些情況下未示出。所描述的示范性實(shí)施例代表本發(fā)明的主題的實(shí)例，并且沒(méi)有限制作用。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地并以截面的形式示出三極發(fā)電機(jī)斷路器。開關(guān)極20R、20S、20T的每個(gè)都具有管狀內(nèi)導(dǎo)體21R、21S、21T，其由相應(yīng)的類似殼體的外導(dǎo)體22R、22S、22T包圍。在工作期間，高壓HV存在于內(nèi)導(dǎo)體與相應(yīng)的外導(dǎo)體之間，其中外導(dǎo)體處于地電勢(shì)G且承載返回電流。通常，與圖1所示的情形相對(duì)照，三個(gè)極在公共星點(diǎn)接地。由于內(nèi)導(dǎo)體被罩住且通常具有比外導(dǎo)體小的橫截面，需要耗散的熱損失在內(nèi)導(dǎo)體上產(chǎn)生，而經(jīng)受周圍空氣的外導(dǎo)體以相對(duì)較小的程度被加熱。
內(nèi)導(dǎo)體21R、21S、21T的每個(gè)借助于(至少)一個(gè)熱管1來(lái)冷卻，以便耗散來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體的熱損失。斷路器的每個(gè)極典型地借助于以類似形式設(shè)置和設(shè)計(jì)的熱管1來(lái)冷卻；然而，圖1示出在每個(gè)極中不同的熱管設(shè)置。每個(gè)熱管1包含工質(zhì)，其在稱為蒸發(fā)器3的熱管1的段中蒸發(fā)，并在稱為冷凝器4的熱管1的段中冷凝。
R極(在圖1的左邊)蒸發(fā)器3具有兩個(gè)金屬元件(例如由鋁構(gòu)成)，所述金屬元件基本是空心圓柱段的形式并且其形狀與內(nèi)導(dǎo)體21R的形狀匹配，并且其附著到內(nèi)導(dǎo)體21R，與它良好地?zé)峤佑|。這些元件是空心體的形式并且被填充有主要是液體的工質(zhì)?？招捏w借助于優(yōu)選的金屬管而彼此連接，所述金屬管是熱管1的部分。
在熱管的輪廓的其余部分中，具有絕緣空心體5，其用于蒸發(fā)器3與冷凝器4之間的電隔離。絕緣空心體5可以例如是玻璃管(例如由硼硅酸鹽玻璃(borosilicate glass)組成，具有相鄰科伐合金(adgacent covar))以及陶瓷管(例如由Al2O3組成)，其以氣密方式連接到熱管的另外部分。如圖1中示意性示出的，絕緣空心體5可具有例如由硅酮(silicone)或陶瓷組成的屏蔽。絕緣空心體5形成絕緣間隙7(在圖1的中部針對(duì)S極示出)。其必須能夠經(jīng)受住永久施加到斷路器的額定電壓(典型地約10kV至40kV)以及短暫施加到斷路器的短路電壓或雷涌(lightning surge)電壓(典型地是100kV或幾百kV)。
另外、優(yōu)選的金屬管材件將絕緣空心體5連接到冷凝器4。蒸發(fā)器3與冷凝器4之間的該金屬管材件和絕緣空心體5的設(shè)置次序可以顛倒。絕緣空心體5與熱管1的相鄰部分之間的連接可以例如借助于從真空斷路器(vacuum interrupter)的生產(chǎn)中已知的連接技術(shù)(焊接)而建立。如此的接合還可通過(guò)密封和法蘭來(lái)提供。為了避免在如此的接合附近的場(chǎng)峰值(field peak)，可以靠近如此的接合提供屏蔽電極。
冷凝器4具有優(yōu)選的金屬冷卻肋裝置8，其安裝在外導(dǎo)體21R的頂部斜面上且有利地具有管系統(tǒng)(未示出)，氣態(tài)工質(zhì)可在其中傳播以便于然后在其中冷凝并再次流回蒸發(fā)器3。如此的管系統(tǒng)的部分有利地設(shè)置在至少一些冷卻肋中。
冷卻肋裝置8與外導(dǎo)體22R以及周圍空氣熱接觸，從而允許熱的有效耗散。冷卻肋裝置8也可以省去；冷凝器4和外導(dǎo)體22R之間的熱接觸和/或冷凝器4到外導(dǎo)體的附著同樣可省去。冷凝器的至少部分設(shè)置在外導(dǎo)體22R之外是有利的。作為對(duì)冷卻肋裝置8的替換，其它設(shè)備也可用于熱排放8，例如熱交換器。在這種情況下強(qiáng)制冷卻也是可行的，例如借助于風(fēng)扇。
S極(在圖1的中部)蒸發(fā)器3具有二乘二個(gè)金屬元件，其基本是空心圓柱段的形式且其形狀與內(nèi)導(dǎo)體21S匹配，并且其附著到內(nèi)導(dǎo)體21S，與它良好地?zé)峤佑|。這些元件被填充有主要是液體的工質(zhì)且借助于優(yōu)選的金屬管而彼此連接，所述金屬管是熱管1的部分。可以在外導(dǎo)體22S上提供平面的平段，在其上所述元件例如通過(guò)螺紋連接而達(dá)到與內(nèi)導(dǎo)體21S接觸。
熱管1的撓性可變形段9也被示意性地示出，并且例如借助于波紋管9而形成。如在斷路器連接或斷開時(shí)發(fā)生的機(jī)械振動(dòng)對(duì)熱管1的影響可以因此減小。熱管1且特別是絕緣空心體5與熱管1的另外部分之間的接合點(diǎn)上的機(jī)械負(fù)荷可因此大大減小，從而有助于熱管1的密封和壽命。金屬-玻璃和金屬-陶瓷接合對(duì)機(jī)械負(fù)荷特別敏感。
在S極20S的情況下，冷凝器4被裝配到外導(dǎo)體22S的頂部(覆蓋)。如此的外導(dǎo)體的部分通常被設(shè)計(jì)成使其可以移動(dòng)/移除/樞轉(zhuǎn)以使開關(guān)極的內(nèi)部可接近，從而使熱管有利地以如此方式設(shè)計(jì)，使得冷凝器相對(duì)于蒸發(fā)器的對(duì)應(yīng)移動(dòng)例如借助于至少一個(gè)撓性連接元件而成為可能。舉例而言，還可能使熱管通過(guò)外導(dǎo)體的(固定)壁且仍然設(shè)置在外導(dǎo)體的移動(dòng)部分上(例如在可有利地樞轉(zhuǎn)的頂部上)，在該情況下熱管的撓性連接元件然后有利地允許通過(guò)移動(dòng)部分的移動(dòng)來(lái)打開外導(dǎo)體，而無(wú)需打開熱管。
但是通常冷凝器4將通過(guò)外導(dǎo)體和/或?qū)?yōu)選地在組裝或維護(hù)工作期間相對(duì)于內(nèi)導(dǎo)體不移動(dòng)的點(diǎn)與它接觸。
替代在圖1的左邊和中部示出的2和4個(gè)元件，熱管1還可具有吸收來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體21的熱的1、3、5、6、7、8或更多個(gè)元件。
T極(在圖1的右邊)在T極中，蒸發(fā)器5以優(yōu)選的管狀體積形式結(jié)合在內(nèi)導(dǎo)體21T中，所述管狀體積在內(nèi)導(dǎo)體橫截面內(nèi)提供。這提供了內(nèi)導(dǎo)體21T與蒸發(fā)器3之間很好的熱耦合。盡管在R極的情況下和在S極的情況下，冷凝器4總是設(shè)置在蒸發(fā)器3以上，使得對(duì)應(yīng)的熱管1處于熱虹吸管的形式，但T極示出了其中冷凝器4設(shè)置在蒸發(fā)器3以下的情形。在這種情況下，必須提供用于將經(jīng)冷凝的工質(zhì)饋回蒸發(fā)器的裝置。這可以優(yōu)選地借助于毛細(xì)作用力來(lái)工作。至少在絕緣間隙7的區(qū)域中，用于將經(jīng)冷凝的工質(zhì)饋回蒸發(fā)器的裝置必須是電絕緣的。
熱管1的一個(gè)段延伸在支撐內(nèi)導(dǎo)體21T的支撐絕緣體24內(nèi)。這使得有可能避免影響內(nèi)導(dǎo)體/外導(dǎo)體設(shè)置的對(duì)稱性，而不管熱管1的安裝。冷凝器4提供在外導(dǎo)體22T的底部中或底部上。
圖2示意性地示出斷路器或開關(guān)極20的部分地以截面示出的平面圖，所述斷路器或開關(guān)極以類似于圖1(在左邊)所示的R極的方式來(lái)設(shè)計(jì)。內(nèi)導(dǎo)體21具有多個(gè)段23a至23e，其多個(gè)(三個(gè))被提供有基本對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)熱管1。
段23a是用于將斷路器20連接到發(fā)電機(jī)外出線(outgoer)的連接殼體23a。連接殼體23a借助于兩個(gè)熱管1來(lái)冷卻，所述熱管在每種情況下在外導(dǎo)體22的一個(gè)側(cè)壁上具有冷卻肋8。段23b是熄滅室(quenchingchamber)，其用于接觸斷開并用于電弧熄滅。其后是驅(qū)動(dòng)殼體23c，其中設(shè)置了驅(qū)動(dòng)以便允許熄滅室23b中的接觸斷開。驅(qū)動(dòng)殼體23c通過(guò)兩個(gè)熱管1冷卻，其每個(gè)具有附著于驅(qū)動(dòng)殼體23c并與其良好熱接觸的兩個(gè)元件(空心體)。
移動(dòng)隔離體管(moving isolator tube)23d然后提供在驅(qū)動(dòng)殼體23c上并用于產(chǎn)生可見的絕緣間隙。其后是用于容納隔離體管的隔離體殼體23d。隔離體殼體23e以與連接殼體23a相同的方式被冷卻。
熱管1在圖4中示意性地示出，且被密閉地密封以便在熱管中產(chǎn)生閉合回路，且不需要維護(hù)。蒸發(fā)器3包含用于熱耦合到待冷卻的體(例如斷路器內(nèi)導(dǎo)體)的元件。如所示，用于橋接任何電勢(shì)差并形成絕緣間隙7的絕緣空心體5有利地被提供有屏蔽。
此外，圖3中示出的熱管1具有由波紋管形成的撓性區(qū)域9。因此，熱管在區(qū)域9的兩側(cè)上延伸的那些部分可相對(duì)于彼此而移動(dòng)，使得如在振動(dòng)時(shí)可發(fā)生的過(guò)度機(jī)械應(yīng)力被吸收且不導(dǎo)致熱管1中的泄漏。熱管1的撓性可變形段9還可例如通過(guò)由彈性材料組成的空心體形成。圖3中示出的熱管的冷凝器4被提供有冷卻肋8。蒸發(fā)器3與冷凝器4之間的撓性可變形段9和絕緣空心體5的設(shè)置次序還可顛倒。
保持體積11提供在冷凝器4的區(qū)域中，在熱管1內(nèi)部壓力變化的情況下所述體積可有利地變化。除了工質(zhì)2，在熱管中還有輔助氣體6。輔助氣體6應(yīng)在針對(duì)熱管1所規(guī)定的整個(gè)溫度范圍上為氣態(tài)。如此的輔助氣體6的優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合圖4在以下進(jìn)一步說(shuō)明。
由于輔助氣體可以僅僅很輕微地有助于冷卻，且在冷凝器4的方向上由(在冷卻過(guò)程期間)連續(xù)蒸發(fā)的工作氣體2驅(qū)動(dòng)，輔助氣體6可阻塞可用于冷凝工作氣體2的冷凝器4中的那個(gè)表面，從而減小熱管1的冷卻功率。如果如圖3所示提供用于熱排放的設(shè)備8，其應(yīng)當(dāng)還能夠與工作氣體2在盡可能大的區(qū)域上進(jìn)行盡可能好的熱接觸。因此，提供保持體積11以便容納輔助氣體6。在最優(yōu)情況下，在典型的冷卻過(guò)程期間(要耗散典型的熱功率)保持體積11應(yīng)包含全部輔助氣體6且實(shí)際上不包含工作氣體。這意味著提供有冷卻肋8的熱管1的整個(gè)內(nèi)部區(qū)域總是可用于冷凝工作氣體2，并且在保持體積11內(nèi)，工作氣體2完全不冷凝或極少冷凝。
將參考圖4以便于說(shuō)明輔助氣體6的用途。在圖4中由粗體實(shí)線示出的曲線30示意性地表示Paschen曲線，用于在熱管1中僅有工作氣體2且無(wú)輔助氣體6存在的情形。Ptot·d在x軸上標(biāo)繪，其中Ptot是熱管1內(nèi)的總壓力，且d是絕緣間隙長(zhǎng)度(處于不同電勢(shì)的兩個(gè)體之間的距離；在該情況下基本是絕緣空心體5的長(zhǎng)度)。HVmax在y軸上標(biāo)繪，其中HVmax是一高壓，處于該高壓，在與對(duì)應(yīng)Ptot·d值和對(duì)應(yīng)絕緣間隙長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的壓力處、在對(duì)應(yīng)的氣體混合物中發(fā)生電擊穿，其中HVmax在所述對(duì)應(yīng)絕緣間隙長(zhǎng)度上下降。Paschen曲線具有最小值，在該最小值處氣體混合物(在這種情況下工作氣體2)的介電強(qiáng)度特別低。
如果Paschen曲線涉及熱管1，則絕緣間隙長(zhǎng)度d是恒定的，且假設(shè)沒(méi)有保持體積11或其體積容量基本是恒定的，則壓力通過(guò)連續(xù)函數(shù)與接近于蒸發(fā)器3的氣態(tài)工質(zhì)2的溫度相聯(lián)系(工質(zhì)的蒸汽壓力隨該溫度上升而上升)。近似對(duì)應(yīng)于特定Ptot·d值的溫度Tmin和Tmax可因此在x軸上標(biāo)繪，以熱管1的最小和最大工作溫度來(lái)指示，對(duì)應(yīng)于接近于蒸發(fā)器3的工質(zhì)2的最小和最大氣體溫度。在特定應(yīng)用中，設(shè)計(jì)熱管1所針對(duì)的工作溫度范圍可通過(guò)預(yù)先確定該溫度范圍來(lái)預(yù)先確定。例如，對(duì)于典型斷路器，例如發(fā)電機(jī)斷路器中的應(yīng)用，Tmin＝-40℃和Tmax＝+60℃或Tmin＝-25℃和Tmax＝+60℃的范圍是可能的。
對(duì)于典型的工質(zhì)，溫度范圍位于Paschen曲線最小值的右邊，其中Tmin相對(duì)接近于最小值。因此，如也在圖4中示出的，這導(dǎo)致相對(duì)低的HVmax。這意味著僅小電壓HV可被施加到絕緣間隙，或者絕緣間隙的長(zhǎng)度必須選擇為大的。在熱管1的閉合系統(tǒng)中的工質(zhì)2的氣體壓力單獨(dú)由溫度控制。在斷路器應(yīng)用中，可在絕緣間隙7上下降而不擊穿的電壓HV通常被預(yù)先確定，并且絕緣間隙長(zhǎng)度d有利地相對(duì)小，特別是如果內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間的距離小。短絕緣間隙長(zhǎng)度d具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即熱管的物理尺寸較小且對(duì)應(yīng)短的絕緣空心體通常具有較好的機(jī)械特性。
還為熱管1提供改善的介電強(qiáng)度的發(fā)明選項(xiàng)包括在熱管1中另外提供不同于工質(zhì)2的輔助氣體6，以及工質(zhì)2本身。特定最小壓力以及由此的預(yù)定最小介電強(qiáng)度可由此針對(duì)低溫和工質(zhì)2的對(duì)應(yīng)低壓力而預(yù)先確定。在Paschen曲線表示中，這以第一近似被示出為向Paschen曲線30的左邊的移位，由此得到由粗體虛線示出的新Paschen曲線31。根據(jù)哪種工質(zhì)2和哪種氣體被用作輔助氣體6，新Paschen曲線具有稍微不同的形狀并且稍微向上或向下移位(例如見圖4中的Paschen曲線31’和31”)。
圖4示出，當(dāng)曲線31是工質(zhì)/輔助氣體混合物的相關(guān)曲線時(shí)，已經(jīng)顯著增加了ΔHVmax的擊穿電壓是通過(guò)添加輔助氣體6來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輔助氣體6因此使得有可能縮短絕緣間隙7以便加寬工作溫度范圍和/或增加可施加的電壓。
合適的工質(zhì)2例如是丙酮(acetone)，氟化烴(fluoridized hydrocarbon)，如來(lái)自3M公司的“FC-72”，或氫氟醚(hydrofluoro ether)，如來(lái)自3M公司的“HFE-7100”。合適的輔助氣體6可以例如是SF6、空氣或氮或氣體混合物。工質(zhì)和輔助氣體兩者都必須是電絕緣的且必須具有合適的介電強(qiáng)度。工質(zhì)2的電導(dǎo)率應(yīng)典型地小于1·10-6(Ω·cm)-1，或至少小于5·10-6(Ω·cm)-1。
典型的輔助氣體壓力為100毫巴至400毫巴。典型的絕緣間隙長(zhǎng)度7近似為50mm至400mm。借助于熱管1耗散的熱功率典型地在0.5kW和1.5kW之間。
圖5示意性地并以截面的形式示出絕緣空心體5的一個(gè)有利實(shí)施例的細(xì)節(jié)。該絕緣空心體5是絕緣材料12的管件，例如玻璃-纖維-強(qiáng)化塑料，其用作載體材料12且在其中結(jié)合了擴(kuò)散抑制體13。載體管12是電絕緣的且具有某個(gè)量的機(jī)械撓性。就此而言，已基于撓性材料制造的如此的絕緣空心體還可實(shí)施熱管1的撓性段9的功能，使得不需要提供任何這樣的單獨(dú)段9。
在如此的材料12的情況下，擴(kuò)散抑制體13通常是必要的或者至少是有利的，因?yàn)榈湫偷墓べ|(zhì)2和輔助氣體6可通過(guò)它們擴(kuò)散，和/或空氣和/或水蒸汽可擴(kuò)散到熱管中，使得熱管的熱傳輸特性將隨時(shí)間變化。擴(kuò)散抑制體13防止分子擴(kuò)散出熱管(擴(kuò)散壁壘；擴(kuò)散的阻擋)。金屬層13或金屬箔13可有利地用作擴(kuò)散抑制體13，并且有利地是管狀的。例如以膜形式的聚合物也可用作擴(kuò)散抑制體13。至少二或三、四、五、六或更多個(gè)這樣的擴(kuò)散抑制體13以高度有利的方式，確切地說(shuō)，以如此方式引入到載體管12中，使得它們?yōu)樵噲D從熱管1的內(nèi)部通過(guò)絕緣空心體5向外擴(kuò)散的分子提供很長(zhǎng)的擴(kuò)散路徑。例如如圖5所示，可使用以大的程度彼此重疊并具有稍微不同的直徑的管狀擴(kuò)散抑制體13。假設(shè)擴(kuò)散抑制體13是電傳導(dǎo)的，處于不同電勢(shì)的擴(kuò)散抑制體13之間必須維持最小的間距，以便實(shí)現(xiàn)合適的介電強(qiáng)度。還可能有必要的是考慮擴(kuò)散抑制體和絕緣間隙的端之間的距離。舉例而言，最內(nèi)的擴(kuò)散抑制體管13和最外的擴(kuò)散抑制體管13可以以電容器的形式連接到高壓HV或地電勢(shì)G，而位于中間的擴(kuò)散抑制體管13用作分壓器，以便僅高壓HV的一小部分在兩個(gè)相鄰擴(kuò)散抑制體管13之間下降。然而，可替換地，例如相鄰擴(kuò)散抑制體管13還可以各處于地電勢(shì)或在熱管上存在的高壓電勢(shì)。
熱管還可具有彼此連接的多個(gè)空心部分，例如以環(huán)形式彼此連接的兩個(gè)空心部分。舉例而言，蒸發(fā)的工質(zhì)可在一個(gè)空心部分中流動(dòng)到冷凝器，而經(jīng)冷凝的工質(zhì)在另一個(gè)空心部分中流回到蒸發(fā)器。事實(shí)上，在如此的熱管的情況下則將必須提供多個(gè)絕緣空心體。
參考符號(hào)列表1 熱管2 工質(zhì)3 蒸發(fā)器4 冷凝器5 絕緣空心體、玻璃管、陶瓷管6 輔助氣體7 絕緣間隙8 用于熱排放的設(shè)備、熱交換器、冷卻肋裝置、輻射器9 熱管的撓性可變形段10用于借助于毛細(xì)作用力將經(jīng)冷凝的工質(zhì)饋回到蒸發(fā)器的裝置11用于輔助氣體的保持體積12載體材料、載體管、玻璃-纖維-強(qiáng)化塑料13擴(kuò)散抑制體、金屬箔、金屬圓柱20斷路器、開關(guān)極、發(fā)電機(jī)斷路器20R、20S、20T 開關(guān)極21內(nèi)導(dǎo)體、管狀導(dǎo)體21R、21S、21T 內(nèi)導(dǎo)體22外導(dǎo)體、封裝、殼體22R、22S、22T 外導(dǎo)體23內(nèi)導(dǎo)體的段23a 連接殼體23b 熄滅室23c 驅(qū)動(dòng)殼體23d 移動(dòng)隔離體管
23e隔離體殼體24 支撐絕緣體30 無(wú)輔助氣體的工質(zhì)的Paschen曲線31、31’、31”有輔助氣體的工質(zhì)的Paschen曲線d 絕緣間隙長(zhǎng)度、處于不同電勢(shì)的兩個(gè)體之間的距離G 地電勢(shì)HV 高壓HVmax高壓p 輔助氣體的局部壓力ptot總壓力Tmin溫度Tmax溫度。
權(quán)利要求
1.一種斷路器(20)，具有伸長(zhǎng)的內(nèi)導(dǎo)體(21)和象殼體一樣包圍所述內(nèi)導(dǎo)體(21)的外導(dǎo)體(22)，特征在于至少一個(gè)熱管(1)被提供以便耗散來(lái)自所述內(nèi)導(dǎo)體(21)的熱能，從所述內(nèi)導(dǎo)體(21)延伸到所述外導(dǎo)體(22)，并且具有絕緣空心體(5)以便形成電絕緣間隙(7)。
2.如權(quán)利要求1的斷路器，特征在于所述熱管(1)包含工質(zhì)(2)，用于通過(guò)在稱為蒸發(fā)器(3)的所述熱管(1)的段中蒸發(fā)工質(zhì)(2)以及通過(guò)在稱為冷凝器(4)的所述熱管(1)的段中冷凝工質(zhì)(2)來(lái)耗散所述熱能，并且在于所述冷凝器(4)與所述外導(dǎo)體(22)緊密熱接觸和/或具有用于熱排放的設(shè)備(8)，并且在于所述蒸發(fā)器(3)與所述內(nèi)導(dǎo)體(21)緊密熱接觸。
3.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述熱管(1)延伸到所述外導(dǎo)體(2)以外。
4.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述熱管(1)具有撓性可變形段(9)。
5.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述熱管(1)是熱虹吸管的形式。
6.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述熱管(1)包含借助于毛細(xì)作用力將經(jīng)冷凝的工質(zhì)(2)饋回到所述蒸發(fā)器(3)的裝置(10)。
7.如權(quán)利要求2-6之一的斷路器，特征在于所述蒸發(fā)器(3)結(jié)合在所述內(nèi)導(dǎo)體(21)中。
8.如權(quán)利要求2-7之一的斷路器，特征在于所述斷路器具有支撐絕緣體(24)以便支撐所述內(nèi)導(dǎo)體(21)，并且在于所述熱管(1)的一個(gè)段延伸在所述支撐絕緣體(24)內(nèi)。
9.如權(quán)利要求2-8之一的斷路器，特征在于除所述工質(zhì)(2)以外，所述熱管(1)還包含輔助氣體(6)，以便增加所述絕緣間隙(7)的介電強(qiáng)度。
10.如權(quán)利要求2-8之一的斷路器，特征在于所述熱管(1)以如此方式被設(shè)計(jì)，使得在可測(cè)量于所述蒸發(fā)器(3)的從Tmin至Tmax的溫度范圍內(nèi)，高達(dá)HVmax的高電壓(HV)可以永久施加到所述絕緣間隙(7)上，而這不導(dǎo)致所述絕緣間隙(7)的區(qū)域中的任何擊穿，特征在于所述熱管(1)包含與所述工質(zhì)(2)不同的輔助氣體(6)的局部壓力(p)，其中所述輔助氣體(6)的提供導(dǎo)致當(dāng)在所述溫度Tmin在所述絕緣間隙(7)上存在所述高壓HVmax時(shí)在所述絕緣間隙(7)的區(qū)域中不發(fā)生擊穿，而相反當(dāng)不存在所述輔助氣體(6)但在所述溫度Tmin在所述絕緣間隙(7)上存在所述高壓HVmax時(shí)在所述絕緣間隙(7)的區(qū)域中發(fā)生擊穿。
11.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述內(nèi)導(dǎo)體(21)具有多個(gè)段(23)，其每個(gè)被提供有至少一個(gè)熱管(1)。
12.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述斷路器具有多個(gè)開關(guān)極(20R、20S、20T)，每個(gè)具有內(nèi)導(dǎo)體(21R、21S、21T)，且每個(gè)具有外導(dǎo)體(22R、22S、22T)，且每個(gè)具有至少一個(gè)熱管(1)。
13.如前述權(quán)利要求之一的斷路器，特征在于所述斷路器是發(fā)電機(jī)斷路器。
14.一種用于冷卻斷路器的類似殼體的外導(dǎo)體(22)所包圍的伸長(zhǎng)內(nèi)導(dǎo)體(21)的方法，特征在于工質(zhì)(2)通過(guò)吸收來(lái)自所述內(nèi)導(dǎo)體(21)的熱能而蒸發(fā)，并在熱被排放時(shí)冷凝，其中所述蒸發(fā)和冷凝發(fā)生在不同的電勢(shì)。
全文摘要
為了耗散來(lái)自內(nèi)導(dǎo)體(21)的熱損失，具有伸長(zhǎng)的內(nèi)導(dǎo)體(21)和象殼體一樣包圍內(nèi)導(dǎo)體(21)的外導(dǎo)體(22)的斷路器(20)具有從內(nèi)導(dǎo)體(21)延伸到外導(dǎo)體(22)的至少一個(gè)熱管(1)，且具有絕緣空心體(5)以便形成電絕緣間隙(7)。熱管(1)有利地具有撓性可變形段(9)。熱管(1)可延伸在支撐內(nèi)導(dǎo)體(21)的支撐絕緣體(24)中。除了工質(zhì)，熱管(1)還有利地包含輔助氣體，其導(dǎo)致低溫下的增強(qiáng)的介電強(qiáng)度。
文檔編號(hào)H02B1/56GK1776982SQ200510114948
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者馬丁·拉克納, 丹尼爾·沙爾圖尼, 吉恩-克勞德·莫魯, 托馬斯·舍內(nèi)曼, 約亨·基弗, 盧卡斯·策恩德, 馬克·默倫科普夫 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司