ОХЛАЖДЕНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ
COOLING OF HIGH-VOLTAGE DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области систем распределения электрической энергии и охлаждению высоковольтных устройств в таких системах распределения энергии. В частности, изобретение относится к охлаждению высоковольтных вводов, используемых в таких системах. Изобретение также относится к соответствующему способу.
Уровень техники
Электротехническое оборудование и устройства и, в частности, высоковольтное оборудование в системе распределения электрической энергии, имеют высокое рассеяние тепла, и поэтому требуют соответствующего охлаждения. Например, обычный преобразовательный вентиль HVDC (постоянного тока высокого напряжения) может быть с воздушной изоляцией и водяным охлаждением. Обычно обеспечивается система охлаждения, содержащая, например, трубы распределения охлаждающей воды, которые имеют такую форму, чтобы выполнять некоторые требования. Другим примером системы внешнего охлаждения является использование вентиляторов.
Однако также существуют электротехнические устройства в системе распределения энергии, которые не охлаждаются никакой системой внешнего охлаждения. Эти устройства, не имеющие системы внешнего охлаждения, являются тогда, вместо этого, только самоохлаждаемыми, т.е. с естественным конвективным воздушным охлаждением. Одним примером такого самоохлаждаемого устройства являются высоковольтные вводы, например ввод преобразовательного трансформатора.
Типовые уровни напряжения в системах распределения электрической энергии достигают примерно 500 кВ DC (постоянного тока). Однако уровни напряжения постоянно повышаются и также могут достигать 800 кВ DC и, предположительно, даже более высоких уровней напряжения в будущем. Также уровни тока могут составлять до 4000-5000 А или даже больше. Естественно, такие высокие уровни напряжения и тока приводят к еще более высоким рассеяниям тепла, и требования к электрической изоляции высоковольтного ввода становятся очень высокими. Размер электрической изоляции ограничивает эффективность охлаждения ввода, так как тепло вынуждено проходить большее расстояние до окружающего охлаждающего воздуха из-за ее увеличенного размера. Самоохлаждение, таким образом, оказывается неэффективным при очень высоких уровнях напряжения и тока.
Было бы целесообразным использовать большие проводники при повышении уровней напряжения, таким образом уменьшая рассеиваемое тепло, но это снова вызвало бы увеличение размеров оборудования. Т.е. размеры изоляции, по-прежнему, были бы большими.
Публикация патента US 2953629 касается предотвращения перекрытий в конденсаторном вводе, но также описывает попытку охлаждения вводов посредством механизма принудительного охлаждения. Механизм охлаждения состоит из наполнения жидкостью, такой как вода, отверстия в центральном проводнике. Когда конденсаторный ввод нагревается, жидкость закипает и пары поднимаются вверх и конденсируются, после чего конденсат возвращается в нижнюю часть проводника. Тепло тогда передается от внутренней части ввода при помощи теплообменных трубок в атмосферу.
Вышеописанные приспособления охлаждения известного уровня техники вызывают ряд недостатков. Например, точка кипения жидкости определяет температуру охлаждения, которая означает, что в случае, когда жидкостью является вода, температура охлаждения ограничивается 100°С. Было бы целесообразным изменять температуру охлаждения посредством изменения давления, но это влечет за собой размещение сосудов высокого давления, которые сделали бы механизм охлаждения громоздким и дорогим. В частности, такое решение включало бы в себя ряд устройств, требующих высоких первоначальных затрат, а также имеющих высокие затраты на обслуживание. Другим недостатком является опасность отложений на оборудовании из-за испарения воды.
С учетом вышесказанного, было бы желательным улучшить охлаждение высоковольтных устройств и, в частности, охлаждение высоковольтных вводов. Кроме того, было бы также желательно обеспечить соответствующий способ для охлаждения таких вводов.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного охлаждения высоковольтных вводов в системе распределения электрической энергии. Более конкретно, задачей изобретения является обеспечение средства внешнего охлаждения для ввода, таким образом преодолевая или по меньшей мере частично устраняя вышеупомянутые недостатки известного уровня техники.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного охлаждения вводов, которое также является пригодным для очень высоких напряжений и токов. В частности, задачей настоящего изобретения является обеспечение средства внешнего охлаждения, способного выдерживать высокие напряжения и токи.
Еще другой задачей настоящего изобретения является обеспечение средства охлаждения для охлаждения вводов без увеличения размеров составляющих элементов при увеличении рассеиваемой мощности в вводе в результате повышения уровней тока и напряжения.
Эти задачи, среди прочих, достигаются посредством высоковольтного ввода и способа, заявленных в независимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению обеспечивается высоковольтный ввод, который может охлаждаться посредством системы внешнего охлаждения. Ввод, например, пригоден для передачи высокого напряжения и тока от охлаждаемого жидкостью вентиля HVDC. Высоковольтный ввод содержит изолирующий корпус, окружающий электрический проводник, причем электрический проводник является электрически соединяемым с высоковольтным устройством, например, соединяемый с соединителем вентиля HVDC. Согласно изобретению, электрический проводник высоковольтного ввода является соединяемым с системой внешнего охлаждения, например системой охлаждения вентиля HVDC. Посредством изобретения конструкция ввода существенно упрощается, так как температура проводника и изоляционного материала высоковольтного ввода поддерживается под контролем. В частности, нет необходимости увеличивать размеры вводов, хотя используются более высокие токи и напряжения. Кроме того, соответствующее охлаждение вводов осуществляется даже для уровней больших токов и высоких напряжений, например, в диапазоне от 500 кВ DC до 800 кВ DC и далее до очень высоких уровней напряжения.
Согласно варианту осуществления изобретения системой внешнего охлаждения является система охлаждения вентиля HVDC. Это обеспечивает обладающий признаками изобретения способ охлаждения вводов посредством использования уже существующей и используемой охлаждающей жидкости вентиля HVDC, и поэтому делает возможным получить эффективное по затратам и надежное охлаждение.
Согласно другому варианту осуществления изобретения электрический проводник высоковольтного ввода содержит охлаждающий проход, имеющий один или несколько каналов жидкости. Такие каналы жидкости могут быть отдельными каналами с соединением по жидкости друг с другом по меньшей мере в одной точке и предназначены для приема циркулирующей охлаждающей жидкости при высоком электрическом потенциале от вентиля HVDC через электрический проводник. Высоковольтный ввод, таким образом, может быть соединен с системой жидкостного охлаждения системы внешнего охлаждения при помощи одного или нескольких каналов жидкости.
Кроме того, один или несколько каналов жидкости, предпочтительно, выполнены за одно целое с электрическим проводником высоковольтного ввода. Таким образом, обеспечиваются размеры и эффективное по затратам решение.
Согласно еще другому варианту осуществления изобретения электрический проводник содержит внутреннюю трубу для жидкости, посредством чего обеспечиваются отдельные каналы. Труба предназначена для направления охлаждающей жидкости в одном направлении в ее внутренней части, и жидкость направляется обратно по каналам, созданным между внешней частью трубы для жидкости и охлаждающим проходом электрического проводника. Таким образом, обеспечивается простое средство для циркуляции охлаждающей жидкости.
Согласно другому варианту осуществления изобретения электрический проводник обеспечивается с уплотнением, непроницаемым для жидкости, на его верхнем торце. Предпочтительно, что уплотнение приваривается на торец электрического проводника. Этот признак обеспечивает повышенную безопасность с помощью обеспечения средства для предотвращения перемещения охлаждающей жидкости в трансформатор или другое чувствительное оборудование. Кроме того, так как крышка, предпочтительно, приваривается на его торце, обеспечивается постоянное соединение, которое может тестироваться под давлением и делает возможным обнаружение утечек, еще дополнительно повышая надежность и также облегчая локализацию неисправностей.
Дополнительные варианты осуществления определяются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение также содержит такой способ, посредством которого достигаются преимущества, соответствующие вышесказанному.
Другие характеристики, преимущества и задачи изобретения станут очевидными при чтении следующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой общий вид высоковольтного ввода.
Фиг.2 представляет собой вид в поперечном разрезе ввода по фиг.1, смонтированного на трансформаторном кожухе.
Фиг.3 схематически иллюстрирует вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 иллюстрирует проводник по фиг.3 в вводе.
Фиг.5 иллюстрирует более подробно проводник и инновационные охлаждающие каналы.
Фиг.6 иллюстрирует вентильный участок, в котором настоящее изобретение может быть выгодно реализовано.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Когда применимо, одинаковые позиции используются по всему описанию для обозначения одинаковых или подобных элементов.
Высоковольтный ввод представляет собой устройство, используемое для передачи тока с высоким потенциалом через заземленный экран, например стенку или оболочку электрической установки, такой как бак трансформатора. Ввод предохраняет от протекания тока на заземленный экран благодаря его изолирующим свойствам.
Обычный ввод показан на фиг.1 и 2, причем общая конструкция ввода 1 показана на фиг.1.
На фиг.2 вид в поперечном разрезе ввода 1 по фиг.1 показан смонтированным на трансформаторном кожухе 18. Высоковольтный проводник 10 проходит через центр полого проходного изолятора 12, который формирует кожух вокруг высоковольтного проводника 10. Обычно, для применения на открытом воздухе, изолятор 12 выполняется из фарфора или силиконового каучука.
В конденсаторном вводе, конденсаторный сердечник 14 обеспечивается внутри кожуха изолятора для выравнивания распределения напряжения. Усилие напряжения на вводе и его окружающая конструкция включает в себя оба компонента переменного тока (AC) и (DC). Выравнивание распределения напряжения компонента AC зависит от диэлектрической проницаемости изоляционного материала. Выравнивание распределения напряжения компонента DC зависит от зависимого от температуры удельного сопротивления изоляционных материалов. Обеспечивается фланец 16 для соединения кожуха 12 ввода с заземлением через трансформаторный кожух 18. Хотя на фигуре изображен конденсаторный ввод, понятно, что настоящее изобретение может быть применено также в неконденсаторном вводе.
Соединение ввода 1 с внутренними компонентами трансформатора также указывается схематически на фиг.2. Примерное соединение содержит нижний контакт 20, сформированный нижней торцевой частью высоковольтного проводника 10. Нижний контакт 20 обеспечивается на нижнем донном торце ввода 1 и предназначен для соединения с сопряженным внутренним контактом 22, предусмотренным в трансформаторном кожухе 18. Далее, верхняя внешняя клемма 24 обеспечивается на торце ввода 1 напротив торца нижнего контакта 20. Внешняя клемма 24 электрически соединяется с высоковольтным проводником 10 при помощи, по существу, плоской зоны контакта и обеспечивается для того, чтобы электрически соединять трансформаторное устройство с внешними источниками.
Другие вводы, кроме изображенного ввода преобразовательного трансформатора, также могут извлекать пользу из настоящего изобретения. В таком случае, отмечается, что могут использоваться другие подходящие средства соединения для соединения ввода с другими электротехническими установками. Например, если идеи настоящего изобретения используются для выполнения ввода для прохода через стенку, средство соединения должно подходить для этой цели, вместо соединения с трансформаторным кожухом 18.
Фиг.3 схематически иллюстрирует вариант осуществления настоящего изобретения, иллюстрируя инновационный ввод 30. Ввод 30 может представлять собой ввод, как описано выше, или любой другой высоковольтный ввод. Высоковольтный проводник 31 размещается внутри ввода 30. Согласно изобретению высоковольтный проводник 31 ввода 30 обеспечивается с одним или несколькими каналами 32 для подвода охлаждающей жидкости, в настоящем примере охлаждающей воды, что более подробно описывается со ссылкой на фиг.4 и 5.
В нижеследующем система охлаждения вентиля HVDC используется для иллюстрации настоящего изобретения. Обычно вентили HVDC охлаждаются деионизированной водой, циркулируемой в системе с замкнутым контуром. Тепло передается вторичному контуру, который может охлаждаться в наружных охладителях. Настоящее изобретение может быть реализовано в соединении с вентилем HVDC, который использует деионизированную воду в качестве охлаждающей среды. Средство охлаждения для охлаждения вентиля HVDC может также использоваться для охлаждения ввода.
На фиг.3 вентиль HVDC схематически изображается и указывается позицией 34. Трубы для воды системы охлаждения вентиля 34 HVDC указываются позицией 39. Стрелки I и II указывают направление охлаждающей воды (или другой жидкости). В частности, в I охлаждающая вода от вентиля 34 HVDC направляется в ввод 30, и в II слегка нагретая охлаждающая вода возвращается в систему охлаждения вентиля HVDC. Как известно в области техники, система охлаждения вентиля 34 HVDC может дополнительно содержать деионизатор, насос, теплообменник и т.д. Такие составляющие системы охлаждения схематически указываются позицией 40.
Охлаждающая жидкость вентиля 34 HVDC может быть с таким же или другим электрическим потенциалом, что и проводник 31 ввода 30. Согласно изобретению только доля воды, используемой для охлаждения вентиля 34 HVDC, используется для охлаждения ввода 30. Например, доля воды может составлять от 1/5000 до 1/500, хотя может требоваться большее или меньшее количество воды в зависимости от конкретного применения.
В другом варианте осуществления изобретения, средство внешнего охлаждения представляет собой отдельную систему охлаждения, т.е. не систему охлаждения HVDC. Однако может использоваться система охлаждения, подобная системе охлаждения вентиля HVDC. Т.е. среда охлаждения может представлять собой циркулирующую систему с замкнутым контуром, причем система, однако, представляет собой отдельную систему для охлаждения ввода.
Фиг.4 иллюстрирует проводник 31 по фиг.3 в вводе 30. Позиция 35 указывает заземленный кожух, например бак трансформатора или стенку. Позиция 36 указывает соединительное средство для соединения ввода 30 с герметизированным электротехническим устройством, например, с внутренними компонентами трансформатора. Позиция 37 указывает соединение, например, с электрической сетью высокого напряжения. Ввод 30, таким образом, может служить для соединения герметизированной электротехнической установки с электрической сетью высокого напряжения, хотя возможны другие применения. Под позицией 32 показано инновационное средство жидкостного охлаждения, и двунаправленная стрелка в верхней части ввода 30 указывает протекающую охлаждающую жидкость.
Фиг.5 более подробно иллюстрирует проводник 31 высоковольтного ввода 30 и инновационные охлаждающие проходы. Один или несколько охлаждающих проходов 32 обеспечиваются выполненными за одно целое с проводником 31. Труба 38 для воды, предпочтительно, обеспечивается в охлаждающем проходе 32. Охлаждающая вода затем может направляться по трубе 38 для воды, делая возможным поступление воды в трубу 38 для воды и вывод вне трубы 38 для воды. Т.е. труба 38 для воды предназначена для того, чтобы направлять охлаждающую воду в одном направлении в трубе 38 для воды, и вода затем направляется через каналы 32а, 32b, созданные между внешней стороной трубы 38 для воды и внутренней частью охлаждающего прохода 32.
Полая внутренняя часть проводника 31, размещающая охлаждающий проход 32, предпочтительно, не представляет собой сквозное отверстие, таким образом снижая опасность перемещения воды в электротехнические устройства, такие как трансформатор. Один или несколько каналов 32а, 32b охлаждающей воды соединены с системой охлаждения для охлаждения вентилей HVDC.
Согласно одному варианту осуществления изобретения температура проводника 31 поддерживается, примерно, в диапазоне от 40°С до 80°С, предпочтительно около 60°С. Понятно, что температура также может контролироваться и поддерживаться на других значениях температуры.
Необходимо заметить, что следует внимательно конструировать и осуществлять настоящее изобретение, чтобы предотвратить перемещение охлаждающей воды в трансформатор или другое чувствительное оборудование. В варианте осуществления изобретения, высоковольтный проводник 31 обеспечивается с крышкой, приваренной на его торце. Сварка обеспечивает постоянное соединение, которое, например, может быть протестировано под давлением, что позволит выполнить обнаружение утечек.
Понятно, что могут использоваться другие уплотнения, непроницаемые для воды, как и могут использоваться другие средства крепления таких уплотнений. Фиг.6 иллюстрирует вентильный участок HVDC и схематически показывает, как настоящее изобретение легко может быть реализовано при таком применении. Преобразовательные трансформаторы HVDC соединяются с вентилем HVDC при помощи ввода преобразовательного трансформатора. Обычно преобразовательный трансформатор располагается непосредственно вне вентильного участка HVDC, причем его вводы проходят в вентильный участок. Верхняя часть ввода тогда непосредственно соединяется с вентилем HVDC. Стрелка II указывает электрическое соединение и подключение охлаждающей воды. Стрелка IV указывает один из нескольких вентилей HVDC на вентильном участке.
Как указано ранее, охлаждающая жидкость системы внешнего охлаждения может быть при таком же или другом электрическом потенциале, что и проводник 31 ввода 30. Необходимо, однако, рассматривать нежелательные токи, которые могут возникать из-за разности электрических потенциалов ввода и охлаждающей жидкости. Система охлаждения, например, может обеспечиваться электродами для отвода таких нежелательных токов.
Обладающий признаками изобретения вариант охлаждения вводов посредством использования уже существующей и используемой охлаждающей воды позволяет получить эффективное по затратам и надежное охлаждение. Посредством изобретения конструкция ввода существенно упрощается, так как температура проводника и изоляционного материала ввода поддерживается под контролем. Для более высоких напряжений, например, 800 кВ DC, ввод известного уровня техники стал бы очень большим, чтобы выдерживать, например, 4000 А. Обладающее признаками изобретения охлаждение ввода дает меньший диаметр проводника и, таким образом, уменьшенные размеры всего ввода.
Кроме того, соответствующее охлаждение вводов осуществляется даже для уровней больших токов и высокого напряжения, например, в диапазоне от 500 кВ DC до 800 кВ DC и, дополнительно, до очень высоких уровней напряжения.
Настоящее изобретение применимо, например, для вводов преобразовательного трансформатора, вводов для прохода через стену вентильного участка и вводов внутреннего сглаживающего реактора.
В предшествующем подробном описании изобретение описывается со ссылкой на его конкретные примерные варианты осуществления. Различные модификации и изменения могут быть сделаны в нем без отступления от объема изобретения, как изложено в формуле изобретения. Описание изобретения и чертежи, следовательно, должны рассматриваться в иллюстративном, а не в ограничительном смысле. Таким образом, хотя вода была описана в качестве предпочтительной охлаждающей жидкости, ее возможной альтернативой является масло.