ОХЛАЖДЕНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2012 года по МПК H01B17/54 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области электрических энергораспределяющих систем и охлаждению высоковольтных устройств в таких энергораспределяющих системах. В частности, изобретение относится к охлаждению вводов, применяемых в таких системах. Изобретение также касается соответствующего способа.

Уровень техники изобретения

Электрическое оборудование и устройства и, в частности, высоковольтное оборудование в электрической энергораспределяющей системе имеет высокую теплоотдачу и, следовательно, требует адекватного охлаждения. Например, обычный HVDC (высоковольтный постоянный ток) преобразовательный вентиль может быть воздушно изолированным и водоохлаждаемым. Обычно обеспечивается охлаждающая система, содержащая, например, распределительные трубы с холодной водой, которые сформированы так, чтобы удовлетворять определенным требованиям. Другим примером внешней охлаждающей системы является применение вентиляторов.

Однако есть также электрические устройства в энергораспределяющей системе, которые не охлаждаются какой-либо внешней охлаждающей системой, такой как вышеупомянутые водяные распределительные трубы. Эти устройства, лишенные внешней охлаждающей системы, имеют вместо этого только естественное охлаждение, т.е. естественное конвективное воздушное охлаждение. Одним примером такого устройства с естественным охлаждением является ввод преобразовательного трансформатора.

Типичные уровни напряжения в электрических энергораспределяющих системах составляют до приблизительно 500 кВ постоянного тока. Однако данные уровни напряжения постоянно увеличиваются и могут составлять вплоть до 800 кВ постоянного тока и, предположительно, еще более высоких уровней напряжения в будущем. Также уровни тока могут быть до 4000-5000 А или еще выше. Естественно, такие высокие уровни напряжения и тока приводят к еще более высокой теплоотдаче, и требования электрической изоляции ввода становятся исключительно высокими. Размер электрической изоляции ограничивает эффективность охлаждения ввода, так как тепло должно проходить более длинное расстояние до окружающего охлаждающего воздуха вследствие его увеличенного размера. Естественное охлаждение, таким образом, является недостаточным при очень высоких уровнях напряжения и тока.

Можно использовать большие проводники при увеличении уровней напряжения, тем самым снижая теплоотдачу, но это снова вызовет укрупнение оборудования. То есть размер изоляции все еще будет большим.

Ввиду вышесказанного было бы желательно обеспечить улучшенное охлаждение высоковольтных устройств, таких как высоковольтные вводы. Кроме того, также было бы желательно обеспечить соответствующий способ для охлаждения таких вводов.

В находящейся на рассмотрении (еще не опубликованной) РСТ заявке SE 2006/000977, зарегистрированной 2006-08-25, описана водяная охлаждающая система высоковольтного ввода.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечить улучшенное охлаждение высоковольтных устройств и, в частности, газовое проточное охлаждение вводов в электрической энергораспределяющей системе. В частности, целью данного изобретения является обеспечить средство внешнего охлаждения ввода, тем самым преодолевая или, по меньшей мере, ослабляя вышеуказанные недостатки предшествующего уровня техники. Используя газовую среду в качестве охлаждающей среды, такую как сухой воздух или другие подходящие газы, устраняется опасность утечек жидкой среды в высоковольтное окружение.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечить улучшенное охлаждение вводов, что важно также для очень высоких напряжений и токов. В частности, целью настоящего изобретения является обеспечить средство внешнего охлаждения, способное обходиться с высокими напряжениями и токами.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечить средство охлаждения для охлаждения вводов без увеличения размера составляющих частей при увеличении рассеиваемой энергии во вводе при увеличении уровней тока и напряжения.

Эти цели, среди прочих, достигаются с помощью высоковольтного ввода согласно п.1.

Согласно данному изобретению обеспечивается высоковольтный ввод для передачи высокого напряжения и тока от HVDC вентиля с жидкостным охлаждением. Данный высоковольтный ввод содержит изолирующее тело, окружающее электрический проводник, где данный электрический проводник электрически соединяется с соединителем HVDC вентиля. Согласно данному изобретению электрический проводник высоковольтного ввода содержит вентиляционный канал для газовой текучей среды, который посредством теплообменника соединяется с жидкостной системой охлаждения HVDC вентиля. Предлагаемый путь охлаждения вводов путем использования уже существующей и применяемой охлаждающей текучей среды, которое посредством теплообменника передается газовой текучей среде, делает возможным экономичное и надежное охлаждение, делающее возможным охлаждение ввода газовой текучей средой.

С помощью данного изобретения конструкция ввода существенно упрощается, так как температура проводника и изолирующего материала ввода остается под контролем. В частности, размер ввода не увеличивается несмотря на использование более высоких токов и напряжений. Кроме того, адекватное охлаждение вводов осуществляется даже для высоких токов и высоких уровней напряжения, например в диапазоне от 500 кВ постоянного тока до 800 кВ постоянного тока и далее до очень высоких уровней напряжения.

Согласно одному варианту осуществления данного изобретения электрический проводник высоковольтного ввода содержит вентиляционный канал, имеющий один или несколько проточных каналов. Такие проточные каналы могут быть отдельными каналами в проточном сообщении друг с другом в, по меньшей мере, одной точке, расположенными так, чтобы принимать циркулирующую охлаждающую газовую текучую среду через электрический проводник, охлаждаемый посредством теплообменника с помощью жидкой текучей среды на высоком электрическом потенциале от HVDC вентиля. Высоковольтный ввод, таким образом, может соединяться с жидкостной системой охлаждения HVDC вентиля посредством теплообменника с помощью одного или нескольких проточных каналов.

Кроме того, данные один или несколько газовых проточных каналов предпочтительно интегрированы с электрическим проводником высоковольтного ввода. Тем самым обеспечивается эффективное по размеру и стоимости решение.

Согласно другому варианту осуществления данного изобретения электрический проводник содержит внутреннюю проточную трубу, посредством чего обеспечиваются отдельные каналы. Данная труба расположена так, чтобы проводить охлаждающую газовую текучую среду в одном направлении внутри себя, и данная текучая среда направляет обратно через каналы, образованные между внешней стороной данной проточной трубы и вентиляционным каналом электрического проводника. Тем самым обеспечивается простое средство для циркуляции охлаждающей текучей среды.

Согласно другому варианту осуществления данного изобретения обеспечивается турбина, движимая жидкой охлаждающей текучей средой, которая организована так, чтобы приводить в действие газовый насос для циркуляции газовой текучей среды от теплообменника к вводу и обратно в теплообменник.

Дополнительные варианты осуществления задаются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Данное изобретение также содержит способ, посредством которого достигаются преимущества, соответствующие вышесказанному.

Дополнительные признаки, преимущества и цели данного изобретения станут видны при чтении следующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой общий вид высоковольтного ввода предшествующего уровня техники.

Фиг.2 представляет собой вид в разрезе ввода на фиг.1, вставленного в корпус трансформатора.

Фиг.3 схематично изображает в качестве примера один вариант осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3а схематично изображает в качестве примера один вариант осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 изображает проводник на фиг.3 внутри ввода.

Фиг.5 изображает проводник и варианты осуществления охлаждающих каналов более подробно.

Фиг.6 схематично изображает в качестве примера вентильный холл, в который может быть внедрено настоящее изобретение.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Когда это применимо, одинаковые численные обозначения используются в описании для обозначения одинаковых или подобных частей.

Высоковольтный ввод представляет собой устройство, применяемое для переноса тока при высоком потенциале через заземленный барьер, например стену или оболочку электрического аппарата, такого как бак трансформатора. Ввод предохраняет ток от прохождения в заземленный барьер в силу его изолирующих свойств.

Обычный ввод показан на фиг.1 и 2, где общая структура ввода 1 показана на фиг.1. На фиг.2 вид в разрезе ввода 1 на фиг.1 показан установленным в корпус 18 трансформатора. Высоковольтный проводник 10 проходит сквозь центр полого изолятора 12 ввода, который образует корпус вокруг высоковольтного проводника 10. Обычно для применения на открытом воздухе изолятор 12 изготавливают из фарфора или силиконового каучука.

В конденсаторном вводе конденсаторная сердцевина 14 обеспечивается внутри корпуса изолятора для выравнивания напряжения. Градиент напряжения на вводе и окружающей его структуре включает в себя компоненты переменного (АС) и постоянного (DC) тока. Выравнивание АС компонента напряжения зависит от диэлектрической проницаемости изолирующего материала. Выравнивание DC компонента напряжения зависит от температурно-зависимого сопротивления изолирующих материалов. Фланец 16 обеспечивается, чтобы соединять корпус 12 ввода с землей через корпус 18 трансформатора. Хотя на фигуре показан конденсаторный ввод, настоящее изобретение может быть использовано также в неконденсаторном вводе.

Соединение ввода 1 с внутренними компонентами трансформатора также схематично указано на фиг.2. Типичное соединение содержит нижний контакт 20, образованный нижней концевой частью высоковольтного проводника 10. Нижний контакт 20 обеспечивается на нижнем конце ввода 1 и организован так, чтобы соединяться с сопряженным внутренним контактом 22, обеспеченным в корпусе 18 трансформатора. Кроме того, верхний внешний наконечник 24 обеспечивается на конце ввода 1, противоположном концу с нижним контактом 20. Внешний наконечник 24 электрически соединяется с высоковольтным проводником 10 через, по существу, плоскую поверхность раздела и обеспечивается, чтобы электрически соединять трансформаторное устройство с внешними источниками. Он выполняется так, что любое другое подходящее средство соединения для соединения ввода с другими электрическими аппаратами может быть использовано.

Фиг.3 схематично изображает один вариант осуществления настоящего изобретения. В частности, данная фигура изображает ввод 30 согласно настоящему изобретению. Ввод 30 может быть вводом, описанным выше, или любым другим высоковольтным вводом. Высоковольтный проводник 31 находится внутри ввода 30. Согласно данному изобретению высоковольтный проводник 31 ввода 30 обеспечивается одним или несколькими каналами 32 для пропускания охлаждающей газовой текучей среды, в настоящем примере охлаждающего сухого воздуха, как описывается более подробно со ссылкой на фиг.4 и 5.

Обычно HVDC вентили охлаждаются дистиллированной водой, циркулирующей в замкнутой кольцевой системе. Тепло переносится во вторичный контур, который может охлаждаться во внешних охладителях. Настоящее изобретение может быть выполнено в соединении с HVDC вентилем, который использует деионизированную воду в качестве охлаждающей среды.

На фиг.3 HVDC вентиль схематично изображен и обозначен под численным обозначением 34. Водяные трубы системы охлаждения HVDC вентиля 34 указаны с помощью численного обозначения 39. Стрелки I и II показывают направление охлаждающей воды. В частности, по I охлаждающая вода из HVDC вентиля направляется в теплообменник 300, а по II слегка нагретая охлаждающая вода возвращается в систему охлаждения HVDC вентиля. Как хорошо известно в данной области техники, охлаждающая система HVDC вентиля 34 может дополнительно содержать деионизатор, насос, теплообменник и т.д. Эти части системы охлаждения схематично показаны под номером 40. В теплообменнике 300 циркулирующий воздух из ввода охлаждается.

На фиг.3а схематично изображена система (39, 40) охлаждения, содержащая турбину (301), организованную так, чтобы приводиться в действие жидкостью в жидкостной проточной системе охлаждения, а газовая проточная система содержит газовый насос (302) для циркуляции газовой текучей среды, и этот упомянутый газовый насос (302) приводится в действие с помощью упомянутой турбины (301) посредством передачи, показанной под 303.

Охлаждающая жидкая текучая среда HVDC вентиля 34 может быть при таком же или другом электрическом потенциале, как проводник 31 ввода 30. Согласно данному изобретению только часть воды, используемой для охлаждения HVDC вентиля 34, используется, чтобы охлаждать ввод 30 с помощью газовой текучей среды посредством теплообменника 300. Например, данная часть воды может составлять от 1/5000 до 1/500, хотя больше или меньше воды может быть необходимо в зависимости от конкретного приложения.

Фиг.4 изображает проводник 31 по фиг.3 внутри ввода 30. Численное обозначение 35 указывает заземленный корпус, например трансформаторный бак и стену. Численное обозначение 36 указывает средство соединения для соединения ввода 30 с инкапсулированным электрическим аппаратом, таким как внутренние компоненты трансформатора. Численное обозначение 37 указывает соединение с, например, высоковольтной сетью. Ввод 30 может служить для соединения инкапсулированного электрического аппарата с высоковольтной сетью, хотя возможны другие применения. Под 32 показано средство газового охлаждения, и двунаправленная стрелка в верхней части ввода 30 указывает течение охлаждающей газовой текучей среды.

Фиг.5 изображает проводник 31 высоковольтного ввода 30 и охлаждающие каналы более подробно. Один или несколько охлаждающих каналов 32 обеспечиваются интегрированными с проводником 31. Труба 38 предпочтительно обеспечивается внутри охлаждающего канала 32. Охлаждающая газовая текучая среда может направляться через трубу 38, позволяя газовой текучей среде входить внутрь трубы 38 и выходить по внешней стороне трубы 38. То есть труба 38 организована так, чтобы направлять охлаждающую газовую текучую среду в одном направлении внутри трубы 38, и газовая текучая среда затем направляется через каналы 32а, 32b, образованные между внешней стороной трубы 38 и внутренней частью охлаждающего канала 32.

Полая внутренность проводника 31, размещающего охлаждающий канал 32, предпочтительно не является сквозным отверстием, тем самым снижая риск миграции газовой текучей среды в электрические устройства, такие как трансформатор. Один или несколько охлаждающих каналов 32а, 32b соединяются с системой охлаждения для охлаждения HVDC вентилей через теплообменник 300.

Согласно одному варианту осуществления данного изобретения температура проводника 31 поддерживается приблизительно в диапазоне 40-80°С, предпочтительно около 60°С. Реализовано так, что температура может контролироваться и поддерживаться также при других температурах.

Фиг.6 изображает холл HVDC вентиля и схематично показывает, как настоящее изобретение может быть легко осуществлено в таком приложении. HVDC преобразовательный трансформатор соединяется с HVDC вентилем посредством ввода преобразовательного трансформатора. Обычно преобразовательный трансформатор расположен непосредственно на внешней стороне холла HVDC вентиля, причем его вводы проникают в холл вентиля. Вершина ввода затем непосредственно соединяется с HVDC вентилем. Стрелка II указывает электрическое и охлаждающее водяное соединение. Стрелка IV указывает один из нескольких HVDC вентилей внутри холла вентилей.

Предлагаемый путь охлаждения вводов путем использования уже существующей и применяемой охлаждающей воды через теплообменник делает возможным экономичное и надежное охлаждение. С помощью данного изобретения конструкция ввода будет существенно упрощаться, так как температура проводника и изолирующего материала ввода поддерживается под контролем. Для более высоких напряжений, например 800 кВ постоянного тока, ввод предшествующего уровня техники должен становиться очень большим, чтобы переносить, например, 4000 А. Предлагаемое охлаждение ввода обеспечивает меньший диаметр проводника и тем самым снижает размер всего ввода.

Кроме того, адекватное охлаждение вводов выполняется даже для высоких токов и высоких уровней напряжения, например в диапазоне от 500 кВ постоянного тока до 800 кВ постоянного тока и далее до очень высоких уровней напряжения.

Настоящее изобретение применимо, например, для ввода преобразовательного трансформатора, ввода стены вентильного холла и ввода домашнего сглаживающего реактора.

В предыдущем подробном описании данное изобретение описано со ссылкой на его конкретные типичные варианты осуществления. Различные модификации и изменения могут быть сделаны в нем без отклонения от объема данного изобретения, установленного в формуле изобретения. Данное описание и чертежи соответственно следует рассматривать скорее в иллюстративном, чем в ограничивающем смысле. Так, хотя вода описана в качестве предпочтительной охлаждающей жидкой текучей среды, масло является ее возможной альтернативой.

В качестве охлаждающей газовой текучей среды может быть использован сухой воздух, но также другие подходящие газы, предпочтительно другие, дружественные для окружающей среды газы, такие как азот.

Изобретение относится к области электрических энергораспределяющих систем и охлаждению высоковольтных устройств в таких энергораспределяющих системах. Высоковольтная система содержит HVDC вентиль (34), включающий в себя жидкостную проточную систему (39, 40) охлаждения для охлаждения данного HVDC вентиля, и высоковольтный ввод (30) для передачи высокого напряжения и сильного тока от охлаждаемого текучей средой HVDC вентиля (34), причем высоковольтный ввод (30) содержит изолирующее тело (12), окружающее электрический проводник (31), электрически соединяемый с соединителем упомянутого HVDC вентиля (34). Электрический проводник (31) содержит вентиляционный канал (32), который приспособлен для охлаждения ввода с помощью циркулирующей газовой текучей среды. Высоковольтная система содержит теплообменник (300), соединенный с вентиляционным каналом и приспособленный для охлаждения газовой текучей среды. Теплообменник соединен с системой охлаждения HVDC вентиля и приспособлен принимать охлаждающую воду из системы (39, 40) охлаждения HVDC вентиля и возвращать нагретую охлаждающую воду в систему охлаждения. Технический результат - улучшение охлаждения высоковольтных устройств. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Высоковольтная система, содержащая:
HVDC вентиль (34), включающий в себя жидкостную проточную систему (39, 40) охлаждения для охлаждения данного HVDC вентиля, и
высоковольтный ввод (30) для передачи высокого напряжения и сильного тока от охлаждаемого текучей средой HVDC вентиля (34), причем упомянутый высоковольтный ввод (30) содержит изолирующее тело (12), окружающее электрический проводник (31), электрически соединяемый с соединителем упомянутого HVDC вентиля (34), отличающаяся тем, что упомянутый электрический проводник (31) упомянутого высоковольтного ввода (30) содержит вентиляционный канал (32), который приспособлен для охлаждения данного ввода с помощью циркулирующей газовой текучей среды,
данная высоковольтная система содержит теплообменник (300), соединенный с вентиляционным каналом и приспособленный для охлаждения упомянутой газовой текучей среды, и
данный теплообменник соединен с системой охлаждения HVDC вентиля и приспособлен принимать охлаждающую воду из системы (39, 40) охлаждения упомянутого HVDC вентиля и возвращать нагретую охлаждающую воду в данную систему охлаждения.

2. Высоковольтная система по п.1, в которой упомянутый вентиляционный канал (32) содержит, по меньшей мере, два раздельных канала (32а, 32b), которые находятся в проточном соединении друг с другом, по меньшей мере, в одной точке и организованы так, чтобы принимать циркулирующую охлаждающую газовую текучую среду, которая охлаждается посредством теплообменника (300) с помощью жидкой текучей среды на высоком электрическом потенциале от упомянутого HVDC вентиля (34).

3. Высоковольтная система по п.1, в которой упомянутый вентиляционный канал (32) интегрирован с упомянутым электрическим проводником (31) упомянутого высоковольтного ввода (30).

4. Высоковольтная система по п.1, в которой упомянутый высоковольтный ввод (30) способен соединяться с упомянутой жидкостной проточной системой охлаждения (39, 40) упомянутого HVDC вентиля (34) через теплообменник (300) посредством упомянутого одного или нескольких (25) газовых проточных каналов (32а, 33b).

5. Высоковольтная система по п.1, в которой упомянутый вентиляционный канал (32) упомянутого электрического проводника (31) содержит проточную трубу (38), организованную так, чтобы направлять охлаждающую газовую текучую среду.

6. Высоковольтная система по п.1, где упомянутый высоковольтный ввод (30) приспособлен для переноса высокого напряжения и тока через, по меньшей мере, одну заземленную плоскость (35) в трансформатор.

7. Высоковольтная система по п.1, в которой температура упомянутого электрического проводника (31) поддерживается в диапазоне 40-80°C.

8. Высоковольтная система по п.1, в которой часть охлаждающей жидкой текучей среды упомянутой системы (39, 40) охлаждения HVDC вентиля используется для охлаждения газовой текучей среды через теплообменник (300) для охлаждения упомянутого высоковольтного ввода (30).

9. Высоковольтная система по п.1, в которой жидкостная проточная система охлаждения (39, 40) содержит турбину (301), организованную так, чтобы приводиться в действие жидкостью в жидкостной проточной системе охлаждения, и газовая проточная система содержит газовый насос (302) для циркуляции газовой текучей среды, и упомянутый газовый насос (302) приводится в действие упомянутой турбиной (301) с помощью передачи (303).

10. Высоковольтная система по п.1, в которой теплообменник (300), турбина (301) и газовый насос (302), и передача (303) образуют объединенный блок.

11. Высоковольтная система по п.1, где жидкая текучая среда в жидкостной системе (39, 40) охлаждения представляет собой воду.

12. Высоковольтная система по п.1, в которой газовая текучая среда представляет собой воздух.

13. Высоковольтная система по п.1, в которой газовая текучая среда представляет собой азот.