專利名稱：一種斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率發(fā)電機(jī)斷路器蒸發(fā)冷卻裝置。
背景技術(shù)：
斷路器正在向小型化、大容量和高電壓方向發(fā)展，使得內(nèi)部產(chǎn)生的熱密度越來(lái)越高。額定和斷路電流產(chǎn)生巨大的熱量，即使微小的回路電阻也會(huì)導(dǎo)致歐姆損耗，這種歐姆損耗會(huì)產(chǎn)生數(shù)千瓦熱量。在正常(閉合)運(yùn)行狀態(tài)中，熱點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫升必須限定在105°C，因此， 從熱量上限制了最大允許額定電流的大小。同時(shí)，過(guò)高溫升影響了導(dǎo)電體材料的機(jī)械強(qiáng)度， 還影響電氣性能，加速了絕緣件老化。其嚴(yán)重影響到高電壓斷路器性能和壽命。因此為了提高斷路器額定電流，斷路器熱控制問(wèn)題是必須解決。以發(fā)電機(jī)斷路器為例，當(dāng)額定電流提高到18000A時(shí)，必須使用空氣對(duì)空氣的強(qiáng)制冷卻設(shè)備，這種設(shè)備本身也是發(fā)熱，而且增加了設(shè)備額外的重量，因此要想將斷路器額定電流提高到23000A以上，只能通過(guò)改善斷路器導(dǎo)體制環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)效率的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)， 與此同時(shí)，還必須確保設(shè)備的溫度保持在允許的范圍內(nèi)。由于熱源(導(dǎo)體)處于24千伏以上的高電勢(shì)的地方，而散熱器由于大地連接，而且任何形式的強(qiáng)制風(fēng)冷又會(huì)帶來(lái)不理想的副作用，因此，解決斷路器冷卻難題就更嚴(yán)峻了。理想的是提供一種能跨越如此大的電氣絕緣間隔而獲得高效的熱傳遞的“無(wú)源” 冷卻系統(tǒng)，所謂“無(wú)源”冷卻系統(tǒng)，就是運(yùn)行時(shí)不需要泵、風(fēng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，取代所謂的“強(qiáng)迫” 冷卻系統(tǒng)，其使用泵、風(fēng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高壓大電流斷路器的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，本發(fā)明可提高斷路器承載電流的能力。采用本發(fā)明的高功率斷路器比未使用本發(fā)明的斷路器承載的電流大， 可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度限值要求。適用本發(fā)明的高功率斷路器具有縱向伸展的斷路器內(nèi)導(dǎo)體和以殼體形式圍繞該斷路器內(nèi)導(dǎo)體的斷路器外導(dǎo)體。本發(fā)明斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)至少包含一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器，主要用于冷卻斷路器內(nèi)導(dǎo)體，帶走內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱能。所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)包括斷路器的內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、蒸發(fā)冷卻散熱器。蒸發(fā)冷卻散熱器設(shè)置在所述的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的空間內(nèi)。所述蒸發(fā)冷卻散熱器由蒸發(fā)器、導(dǎo)氣管、冷凝器及連接管路組成。所述的蒸發(fā)器為空心體，與內(nèi)導(dǎo)體外表面緊密接觸，或與內(nèi)導(dǎo)體外表面為一體。所述的蒸發(fā)器頂部有一出口，此出口通過(guò)導(dǎo)氣管與冷凝器進(jìn)口連通；所述的蒸發(fā)器底部有一液體進(jìn)口，此液體進(jìn)口通過(guò)回液管與冷凝器的液體出口連通。所述冷凝器的位置高于蒸發(fā)器頂部。蒸發(fā)冷卻散熱器是一種利用液體蒸發(fā)潛熱進(jìn)行熱量傳遞的高效熱交換元件，斷路器內(nèi)導(dǎo)體散發(fā)的熱量將冷卻介質(zhì)溫度升高，當(dāng)達(dá)到冷卻介質(zhì)沸點(diǎn)溫度，冷卻介質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，上升到冷凝管內(nèi)，氣體將熱輸送到冷凝器，冷凝管內(nèi)介質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，冷凝過(guò)程所放出的凝結(jié)潛熱換熱，將熱量排散到空氣中，實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)過(guò)程。蒸發(fā)冷卻器為密閉自循環(huán)系統(tǒng)。蒸發(fā)器作為實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱傳遞的裝置，其為空心體，使冷卻工質(zhì)由于重力而被傳遞回來(lái)。所述的蒸發(fā)冷卻散熱器的蒸發(fā)器置于斷路器內(nèi)導(dǎo)體上，所述的蒸發(fā)冷卻散熱器的冷凝器的高度低于斷路器外導(dǎo)體，由于斷路器內(nèi)外導(dǎo)體之間存在很高的電勢(shì)，所述的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與外導(dǎo)體之間無(wú)電接觸，可以降低所述的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的耐電壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)。蒸發(fā)冷卻器無(wú)外部輔助設(shè)備，即它不需要電源供電或任何其他供給。作為一種密閉循環(huán)回路的冷卻系統(tǒng)，它不需要任何維護(hù)且一般可以在沒(méi)有任何維護(hù)的情況下工作數(shù)年甚至數(shù)十年。所述的斷路器上主要的發(fā)熱源是由內(nèi)導(dǎo)體的電阻損耗產(chǎn)生的，另外還會(huì)有其他損耗，例如，由電流集膚效應(yīng)導(dǎo)致的損耗，渦流損耗或磁滯損耗。所述的蒸發(fā)冷卻散熱器的冷凝器與冷卻氣流相互作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器內(nèi)導(dǎo)體的有效冷卻，這是因?yàn)槔淠骺梢员焕鋮s氣冷卻而保持在較低溫度，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)冷卻工質(zhì)的有效冷凝，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻器的高效率。因此，在沿?cái)嗦菲鲀?nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間的空間內(nèi)，至少有一個(gè)冷卻氣流可以被利用，冷卻氣流速及溫度影響斷路器電流承載能力，冷卻氣流速高及溫度低，可實(shí)現(xiàn)顯著增加電流在和能力。所述的蒸發(fā)冷卻散熱器的蒸發(fā)器與斷路器內(nèi)導(dǎo)體緊密熱接觸，或?yàn)橐惑w，蒸發(fā)器內(nèi)充有冷卻工質(zhì)，可以使內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的大量熱損耗及時(shí)被耗散。蒸發(fā)器與內(nèi)導(dǎo)體接觸面有強(qiáng)化沸騰傳熱的多孔結(jié)構(gòu)，使在相同的過(guò)熱度下可以得到更大的沸騰對(duì)流換熱系數(shù)和傳熱速率。所述的冷凝器是熱排放設(shè)備，其包含有至少一根用以流通冷卻介質(zhì)的冷凝管，冷凝管的外表面上安裝有增加換熱能力的翅片，翅片與冷凝管為一體或焊接一體，冷凝管沿著斷路器內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體的軸向延伸排列，有利于排放熱的設(shè)備與冷卻氣流相互作用。對(duì)于具有三個(gè)極的高壓斷路器系統(tǒng)，每個(gè)極具有至少一個(gè)斷路器，每個(gè)斷路器至少安裝有一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器。本發(fā)明特別適用于發(fā)電機(jī)出線端，若發(fā)電機(jī)出線端具有強(qiáng)迫風(fēng)，有利于冷凝器的熱量排放。高功率斷路器具有軸向伸展的斷路器內(nèi)導(dǎo)體和以殼體的形式圍繞斷路器內(nèi)導(dǎo)體的斷路器外導(dǎo)體，對(duì)于高功率斷路器，至少有一個(gè)蒸發(fā)冷卻器用于耗散來(lái)自于斷路器內(nèi)導(dǎo)體的熱能。所述的蒸發(fā)冷卻器內(nèi)注有冷卻工質(zhì)，冷卻工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，上升到冷凝器中。由于斷路器內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的空間內(nèi)有冷空氣流，所述的冷凝器與冷氣流進(jìn)行熱交換，將冷凝器內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)冷凝為液體，將內(nèi)導(dǎo)體的熱能耗散出去。本發(fā)明改善了內(nèi)導(dǎo)體的冷卻,增加了電流載荷能力。


圖Ia為發(fā)電機(jī)一個(gè)極的斷路器的截面示意圖，圖lb、圖Ic為發(fā)電機(jī)一個(gè)極的斷路器側(cè)視圖，其中，圖Ib為一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體上安裝有多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的蒸發(fā)冷卻散熱器的冷卻結(jié)構(gòu)，圖Ic為回路型蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為蒸發(fā)冷卻散熱結(jié)構(gòu)示意圖中11內(nèi)導(dǎo)體、12外導(dǎo)體、13蒸發(fā)冷卻散熱器、21蒸發(fā)器、22導(dǎo)汽管、23冷凝器、 24回液管、25冷卻介質(zhì)、26均流器。
具體實(shí)施例方式圖Ia為斷路器的截面示意圖，發(fā)電機(jī)斷路器的每個(gè)極具有管狀內(nèi)導(dǎo)體11，管狀內(nèi)導(dǎo)體11被斷路器外導(dǎo)體12圍繞。在工作狀態(tài)時(shí)，高電壓施加于內(nèi)導(dǎo)體11和外導(dǎo)體12之間，外導(dǎo)體12處于地電勢(shì)，通常內(nèi)導(dǎo)體11承載電流的橫截面積比外導(dǎo)體12小，因此，內(nèi)導(dǎo)體11上產(chǎn)生的熱損耗比外導(dǎo)體12大。蒸發(fā)冷卻散熱器13的蒸發(fā)器21的換熱面與內(nèi)導(dǎo)體緊密接觸，帶走內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生熱損耗。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是蒸發(fā)冷卻散熱器為單管形式，如圖Ib所示，斷路器內(nèi)導(dǎo)體上安裝至少一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器，蒸發(fā)冷卻散熱器13由蒸發(fā)器21、導(dǎo)氣管22、冷凝器23等組成，冷凝器23安裝在高于蒸發(fā)器的位置。蒸發(fā)冷卻散熱器的蒸發(fā)器21與內(nèi)導(dǎo)體11的發(fā)熱面緊密接觸。如圖2所示，蒸發(fā)冷卻散熱器13為了耗散內(nèi)導(dǎo)體11上所產(chǎn)生的熱能，在內(nèi)導(dǎo)體11 上至少安裝一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器13，所述的蒸發(fā)冷卻散熱器13還包含冷卻工質(zhì)25，冷卻工質(zhì)25在蒸發(fā)器21內(nèi)蒸發(fā)，在冷凝器23內(nèi)被冷凝。蒸發(fā)器21與冷凝器23之間通過(guò)導(dǎo)汽管 22連通，蒸發(fā)冷凝的液體介質(zhì)通過(guò)回液管24流回到蒸發(fā)器21內(nèi)，形成蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路。 蒸發(fā)器頂部通過(guò)導(dǎo)汽管22與冷凝器23底部連通，蒸發(fā)器21的垂直高度低于冷凝器23，回流管24 —端與冷凝器23的底部最低位置相連通，另一端與蒸發(fā)器21相連通。蒸發(fā)器21為長(zhǎng)方形或半圓弧形的空心金屬體，其外部形狀與內(nèi)導(dǎo)體11匹配，并緊密固定在內(nèi)導(dǎo)體11的外表面，蒸發(fā)器21與內(nèi)導(dǎo)體11處于良好的導(dǎo)熱狀態(tài)?；蛘?，蒸發(fā)器 21與斷路器內(nèi)導(dǎo)體11為一體，即蒸發(fā)器21的一個(gè)面與內(nèi)導(dǎo)體11的外表面為一體，以減小內(nèi)導(dǎo)體11散熱熱阻。蒸發(fā)器21的空心體內(nèi)注入液體冷卻介質(zhì)25。冷凝器23為金屬帶肋片的散熱裝置，安裝在內(nèi)導(dǎo)體11與外導(dǎo)體12之間的空間內(nèi)，或者安裝在外導(dǎo)體12上，液體冷卻介質(zhì)25在蒸發(fā)器21內(nèi)受熱沸騰，變?yōu)闅鈶B(tài)介質(zhì)，通過(guò)導(dǎo)氣管22上升到冷凝器23中，氣態(tài)冷卻介質(zhì)在其內(nèi)流動(dòng)并冷凝后，經(jīng)由回流管24流到蒸發(fā)11內(nèi)?！獋€(gè)斷路器內(nèi)導(dǎo)體至少安裝有一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器。尤其是在具有較長(zhǎng)內(nèi)導(dǎo)體的斷路器情況下，沿內(nèi)導(dǎo)體軸向延伸方向至少安裝一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器，使內(nèi)導(dǎo)體得到有效冷卻，并且沿軸向溫度分布均勻。蒸發(fā)冷卻介質(zhì)25其沸點(diǎn)溫度的設(shè)置應(yīng)于發(fā)電機(jī)斷路器所要求的溫升標(biāo)準(zhǔn)一致， 一般斷路器溫升要求不超過(guò)65k，因此，需用的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)25其沸點(diǎn)溫度一般小于80°C， 使得斷路器最高溫升控制在60k以內(nèi)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。蒸發(fā)冷卻介質(zhì)25—般為氟碳化合物，例如CFC113，HFC4310, FLa等，使單只蒸發(fā)冷卻散熱器能耗散的功率達(dá)到1.5kw左右，根據(jù)冷凝器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高熱耗散功率。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例回路型蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)如圖Ic所示，蒸發(fā)冷卻散熱器11由多個(gè)蒸發(fā)器21彼此相連接，即多個(gè)蒸發(fā)器21通過(guò)均流器26連通至冷凝器23，多個(gè)蒸發(fā)器 21共用一個(gè)冷凝器；使整個(gè)管路系統(tǒng)彼此連通。例如，一個(gè)蒸發(fā)器21內(nèi)蒸發(fā)的介質(zhì)通過(guò)冷凝可能回到另一個(gè)蒸發(fā)器21中，彼此連通，可以自調(diào)節(jié)流量，使溫度分布更均勻，連接管路減少，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是，蒸發(fā)器與內(nèi)導(dǎo)體結(jié)合為一體，內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)包含有一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器21，蒸發(fā)器21內(nèi)填充有冷卻介質(zhì)，形成蒸發(fā)冷卻器，使蒸發(fā)冷卻器與內(nèi)導(dǎo)體之間有很好的熱耦合，減少內(nèi)導(dǎo)體的散熱熱阻，蒸發(fā)冷卻器與冷凝器聯(lián)通，形成冷卻介質(zhì)密閉循環(huán)回路。
權(quán)利要求
1.一種斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)包括斷路器的內(nèi)導(dǎo)體(11)、外導(dǎo)體(12)和蒸發(fā)冷卻散熱器(13);所述的內(nèi)導(dǎo)體(11)上至少安裝有一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器(13)，所述蒸發(fā)冷卻散熱器(13)位于所述的內(nèi)導(dǎo)體(11)和外導(dǎo)體(12)之間的空間內(nèi)；所述蒸發(fā)冷卻散熱器(13)由蒸發(fā)器(21)、導(dǎo)氣管(22)、冷凝器(23)及連接管路組成；所述的蒸發(fā)器(21)頂部有一出口，此出口通過(guò)導(dǎo)氣管(22)與冷凝器(23)的進(jìn)口連通；所述的蒸發(fā)器(21)為空心體，其底部有一液體進(jìn)口，此液體進(jìn)口通過(guò)回液管與冷凝器的液體出口連通；所述冷凝器(23)的位置高于蒸發(fā)器(21)的頂部，但不高于所述斷路器的外導(dǎo)體(12)。
2.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)器(21)與內(nèi)導(dǎo)體(11)的外表面緊密接觸。
3.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)器(21)的一面與內(nèi)導(dǎo)體(11)的外表面為一體。
4.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)器(21)與內(nèi)導(dǎo)體(11)結(jié)合為一體，內(nèi)導(dǎo)體(11)內(nèi)包含有一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器(21)，蒸發(fā)器(21)內(nèi)填充有冷卻介質(zhì),形成蒸發(fā)冷卻器。
5.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)冷卻散熱器(11) 中的多個(gè)蒸發(fā)器(21)彼此相連接，多個(gè)蒸發(fā)器(21)與冷凝器(23)之間通過(guò)均流器(26) 或?qū)?22)連通。
6.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)器(21)為長(zhǎng)方形或半圓弧形的空心金屬體，蒸發(fā)器(21)內(nèi)填充有冷卻介質(zhì)(25)。
7.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)器與內(nèi)導(dǎo)體接觸面有多孔結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求I所述的斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的蒸發(fā)冷卻散熱器(13) 為密閉循環(huán)回路，冷卻介質(zhì)在蒸發(fā)器(21)、導(dǎo)氣管(22)、冷凝器(23)、回流管(24)內(nèi)流動(dòng)， 完成一個(gè)自循環(huán)過(guò)程。
全文摘要
一種斷路器蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，包括斷路器內(nèi)導(dǎo)體(11)、外導(dǎo)體(12)和蒸發(fā)冷卻散熱器(13)；所述的斷路器內(nèi)導(dǎo)體(11)上至少有一個(gè)蒸發(fā)冷卻散熱器，所述蒸發(fā)冷卻散熱器(13)位于斷路器內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的空間內(nèi)；所述蒸發(fā)冷卻散熱器由蒸發(fā)器、導(dǎo)氣管、冷凝器及連接管路組成；所述的蒸發(fā)器頂部有一出口，此出口通過(guò)導(dǎo)氣管與冷凝器進(jìn)口連通；所述的蒸發(fā)器底部有一液體進(jìn)口，此液體進(jìn)口通過(guò)回液管與冷凝器的液體出口連通；所述冷凝器的位置高于蒸發(fā)器頂部，蒸發(fā)冷卻散熱器為密閉循環(huán)回路。
文檔編號(hào)H01H9/52GK102592866SQ20121002311
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者傅德平, 國(guó)建鴻, 王海峰, 顧國(guó)彪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所