ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ОХЛАЖДЕНИЕМ
HIGH-VOLTAGE SWITCH WITH COOLING

Изобретение относится к области выключателей. Оно относится к выключателю и способу охлаждения его внутреннего проводника, которые соответствуют ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.
Выключатель и способ, близкие к заявляемому, известны, например, из ЕР 1022830 A1. В данном документе предусмотрены вентиляторы для охлаждения внутреннего проводника выключателя, расположенного в кожухе, вследствие чего вентиляторами создается круговой поток, который течет вокруг внутреннего проводника. Газ, циркулирующий таким образом, поглощает тепловые потери от внутреннего проводника и затем отдает их на внутреннюю поверхность кожуха. Кожух, в свою очередь, отдает тепло в воздух, окружающий кожух снаружи. Охлаждение внутреннего проводника означает, что он может проводить более сильные токи.
Такое устройство имеет тот недостаток, что оно активно, то есть для него необходим привод. Например, при перерыве в подаче электроэнергии на вентиляторы охлаждение прекращается, что может быстро привести к превышению значений максимальной допустимой температуры вентилятора. Кроме того, такая система охлаждения требует регулярного технического обслуживания, чтобы обеспечить нормальную работу вентиляторов.
Следовательно, одна из целей настоящего изобретения состоит в создании выключателя и способа охлаждения внутреннего проводника выключателя указанного выше типа, которые не имеют описанных в предыдущем разделе недостатков. Одна из конкретных целей заключается в создании выключателя с пассивной и не требующей (реально) технического обслуживания системой охлаждения.
Эта цель достигается в устройстве и способе, имеющих признаки, характеризуемые в независимых пунктах формулы изобретения.
Выключатель, внутренний проводник которого (его можно также назвать активной частью) охлаждается, может проводить более сильные токи, чем неохлаждаемый выключатель, не выходя в то же время за температурные пределы, указанные в соответствующих стандартах. Таким образом, можно тем больше увеличить предельно допустимый ток выключателя, чем более эффективно охлаждающее устройство будет рассеивать тепловые потери, исходящие из внутреннего проводника.
Выключатель, соответствующий изобретению, имеющий продолговатый внутренний проводник и внешний проводник (который можно также называть пассивной частью или обратным проводником), который окружает внутренний проводник наподобие кожуха, отличается тем, что в нем имеется по крайней мере одна тепловая труба, предназначенная для рассеяния энергии (в общем смысле, всех потерь тепла) от внутреннего проводника и имеющая изолирующее полое тело, так что образуется электрически изолирующий промежуток. Тепловая труба проходит от внутреннего проводника до места вблизи внешнего проводника, до внешнего проводника или, что особенно предпочтительно, за пределы внешнего проводника.
Тепловая труба представляет собой средство рассеяния тепла путем испарения рабочей среды в секции тепловой трубы, которая называется испарителем, и конденсации рабочей среды в секции тепловой трубы, которая называется конденсатором, причем имеется средство возвращения рабочей среды из конденсатора в испаритель. Тепловая труба предпочтительно герметична, что позволяет образовать в ней замкнутый контур. Желательно, но не обязательно, чтобы тепловая труба имела удлиненную или трубчатую форму. Полое тело трубы может использоваться просто как средство возврата рабочей среды из конденсатора в испаритель и может быть устроено так, что жидкая рабочая среда перемещается за счет силы тяжести; можно также использовать материал, который перемещает рабочую среду обратно благодаря действию капиллярных сил.
Тепловая труба как таковая с ее изолирующим полым телом может перекрывать разность потенциалов, которая присутствует между внутренним проводником и внешним проводником. Таким образом, испарение рабочей среды, происходящее в тепловой трубе, может иметь место при другом электрическом потенциале, чем конденсация рабочей среды.
Тепловая труба представляет собой пассивное охлаждающее устройство, которое не требует подачи электрической или другой энергии. Будучи охлаждающей системой с герметичным контуром, она в целом не требует технического обслуживания и, как правило, может работать без него годы и десятилетия.
Тепловая труба и внешний проводник не должны обязательно соприкасаться. Они предпочтительно механически соединены друг с другом или интегрированы друг в друга. Например, конденсаторная зона тепловой трубы может опираться на внешний проводник. Однако тепловая труба и внешний проводник электрически соединены друг с другом, в частности они заземлены.
Как правило, внутренний проводник имеет трубчатую или полую цилиндрическую форму. Внешний проводник, по которому течет обратный ток, образует оболочку, которая заземлена. Во время работы между внутренним проводником и внешним проводником существует высокое напряжение.
Номинальные напряжения выключателя составляют более 1 кВ; фактически они имеют порядок величины 10 кВ или даже от нескольких десятков кВ до нескольких сот кВ. Перенапряжения (вызываемые ударом молнии) обычно бывают от 100 кВ до нескольких сот кВ. Токи и обратные токи в выключателях имеют порядок величины 1 кА или 10 кА (номинальный ток), а часто и от 20 кА до 30 кА; токи короткого замыкания приблизительно на порядок величины больше. Выключатель предназначен для уровней мощности порядка 100 кВт или нескольких сот МВт или достигают уровня гигаватт. Такие уровни токов, напряжений и мощностей требуют особой физической реализации и симметрии конструкции выключателя, которые не требуются для выключателей среднего или низкого напряжения.
Тепло, которое необходимо рассеивать, в основном возникает вследствие омических потерь во внутреннем проводнике. Могут возникать также дополнительные потери, например, вследствие скин-эффекта, потери на вихревые токи и на гистерезис.
Тепловая труба содержит рабочую среду для рассеивания тепловой энергии путем испарения рабочей среды в секции тепловой трубы, которая называется испарителем, и конденсации рабочей среды в секции тепловой трубы, которая называется конденсатором, причем конденсатор находится в тесном тепловом контакте с внешним проводником и/или имеет устройство для теплоотдачи, а испаритель находится в тесном тепловом контакте с внутренним проводником.
Тесный тепловой контакт приводит к особенно эффективному охлаждению. В качестве устройств для теплоотдачи можно использовать пассивные охлаждающие устройства. Тепло отдается в воздух, окружающий внешний проводник. Например, можно использовать систему охлаждающих ребер, прикрепленных к внешнему проводнику, или же охлаждающие ребра могут быть сформированы из внешней стенки тепловой трубы путем ее гофрирования.
В одном из вариантов осуществления изобретения тепловая труба имеет гибко деформируемую секцию. В выключателе во время процессов переключения обычно возникает вибрация, что приводит к относительным движениям между внутренним проводником и внешним проводником. Во избежание больших механических нагрузок на тепловую трубу, которые, например, могут привести к возникновению утечек в тепловой трубе, в частности в области изолирующего полого тела, труба может содержать средство механического разъединения, например сильфон или эластичную секцию, например кусок гибкой трубки, в качестве гибко деформируемой секции. Это средство может одновременно служить средством поглощения термомеханических напряжений (возникающих вследствие теплового расширения), или же для этой цели может быть предусмотрено отдельное средство (как, например, сильфон или эластичная секция, такая как кусок гибкой трубки). Такое средство и/или средство механического разъединения можно использовать также для компенсации допусков на элементы и допусков при изготовлении.
В одном из вариантов осуществления изобретения тепловая труба имеет форму термосифона. В случае трубы, имеющей форму термосифона, конденсированная рабочая среда перемещается обратно (главным образом) за счет силы тяжести. Конденсатор, таким образом, расположен выше (в гравитационном поле), чем испаритель, а труба, расположенная между ними, должна иметь равномерный уклон.
Еще в одном варианте осуществления изобретения тепловая труба содержит средство для подачи конденсированной рабочей среды обратно на испаритель за счет капиллярных сил. Такой вариант предпочтительно используется, когда конденсатор расположен ниже испарителя; однако его можно применять также в сочетании с термосифоном. Например, в качестве средства для подачи конденсированной рабочей среды обратно в испаритель за счет капиллярных сил можно использовать пористые материалы, которые являются электрически изолирующими. Пригодны также материалы, имеющие структуру сетки и/или ткани. Такие средства предпочтительно располагаются на внутренней поверхности тепловой трубы.
В одном из вариантов осуществления изобретения испаритель интегрирован во внутренний проводник. Например, внутренний проводник может быть спроектирован таким образом, что он содержит один или более объемов, которые составляют часть тепловой трубы и полностью или частично заполнены рабочей жидкостью. Это обеспечивает очень хорошую тепловую связь между тепловой трубой и внутренним проводником.
В еще одном варианте осуществления изобретения выключатель имеет опорный изолятор, который поддерживает внутренний проводник, и одна секция тепловой трубы проходит внутри опорного изолятора. Часть тепловой трубы составляет одно целое с опорным изолятором или по крайней мере находится в опорном изоляторе. Одно из преимуществ этого варианта заключается в том, что тепловая труба не нарушает или почти не нарушает симметрии расположения внутреннего проводника и внешнего проводника. Опорный изолятор служит электрически изолированным механическим соединением между внутренним проводником и внешним проводником.
В одном особо предпочтительном варианте осуществления изобретения тепловая труба содержит также, помимо рабочей среды, вспомогательный газ, что позволяет увеличить электрическую прочность (изолирующего промежутка).
max
min
max
max
min
max
min
Тепловая труба спроектирована таким образом, что к изолирующему промежутку может быть постоянно приложено высокое электрическое напряжение до HV при температурах в диапазоне от T до T, измеренных на испарителе, что не приведет к пробоям в области изолирующего промежутка. В тепловой трубе имеется парциальное давление вспомогательного газа, который отличается от рабочей среды; наличие вспомогательного газа приводит к отсутствию пробоев в области изолирующего промежутка при высоком напряжении HV на изолирующем промежутке при температуре T, тогда как в отсутствие вспомогательного газа, напротив, случаются пробои при наличии высокого напряжения HV на изолирующем промежутке при температуре T.
С другой точки зрения, изобретение можно рассматривать так же как создание тепловой трубы данного типа с вспомогательным газом, причем в этом случае тепловую трубу можно применять независимо от выключателя, для других целей, связанных с охлаждением. Например, ее можно использовать в таких высоковольтных приборах, как трансформаторы, или в других высоковольтных установках.
Электрическая прочность газов как функция давления газа имеет минимум, что демонстрирует, например, так называемая кривая Пашена; такой минимум выступает как минимальное напряжение пробоя. В диапазоне температур приблизительно от -40°С до+60°С, который представляет особый интерес для выключателей, электрическая прочность для типичной рабочей среды и типичных давлений рабочего газа (от 100 мбар до 1000 мбар) при более низких температурах (приблизительно от -50°С до -10°С) весьма низка, так что потребуется относительно длинный изолирующий промежуток, например 50 см или более. Желательно, чтобы изолирующий промежуток был более коротким, чтобы уменьшить размеры тепловой трубы.
Находящийся в тепловой трубке вспомогательный газ, имеющий парциальное давление, например, порядка 100-500 мбар, позволяет даже при низких температурах обеспечить минимальное давление и таким образом соответствующую электрическую прочность в тепловой трубе. Рабочая жидкость не начинает кипеть, пока не будет достигнута температура, при которой давление ее паров превысит давление вспомогательного газа.
min
max
min
На кривой Пашена это соответствует сдвигу кривой и тем самым (также) минимальному напряжению пробоя влево, то есть к более низким значениям (полного) давления, умноженного на длину изолирующего промежутка. Если длина изолирующего промежутка постоянна, то либо выключатель может выдерживать более высокие приложенные к нему напряжения благодаря (не бесконечно низкому) парциальному давлению вспомогательного газа в том же диапазоне температур от T до T выключателя, либо выключатель, рассчитанный на такие же высокие напряжения, можно использовать в более широком температурном диапазоне (при более низкой T). Можно также сделать более короткий изолирующий промежуток для выключателя, который будет работать в том же температурном диапазоне и при тех же напряжениях.
min
max
Вспомогательный газ находится в газообразном состоянии по всему диапазону температур от T до T. Вспомогательный газ таким образом может рассеивать лишь очень небольшое количество тепла, и он перемещается испаряющейся рабочей средой в направлении конденсатора. В условиях работы таким образом можно создать в конденсаторе объем, содержащий вспомогательный газ, большая часть которого или весь этот объем заполнены вспомогательным газом. Это позволяет предотвратить ситуацию, когда зона, доступная для конденсации рабочей среды, не блокирована или лишь в незначительной степени блокирована вспомогательным газом. При этом достигается эффективное охлаждение. Объем, содержащий вспомогательный газ, может быть жестким (объем с постоянным содержанием). Однако желательно, чтобы объем, содержащий вспомогательный газ, был переменным и увеличивался с увеличением температуры и внутреннего давления в тепловой трубе. Такой содержащий вспомогательный газ объем проектируется способным к деформации (например, в виде сильфона) и, например, выполняется из деформируемого материала.
max
Парциальное давление вспомогательного газа выбирается таким, чтобы в условиях эксплуатации (обычно при T) (полное) внутреннее давление тепловой трубы соответствовало наружному давлению вокруг тепловой трубы, то есть оно обычно должно быть равно приблизительно 1 бар (1000 мбар плюс/минус 100-250 мбар) или, предпочтительно, ровно 1 бар. Можно также обеспечить более низкие или, предпочтительно, более высокие давления внутри тепловой трубы. Два или более бар, или же несколько десятков бар, например, при использовании аммония в качестве рабочей среды могут компенсировать необходимое усложнение конструкции (герметизацию давления) за счет возможности сделать изолирующий промежуток более коротким.
Внутренний проводник может иметь несколько секций, каждая из которых снабжена по крайней мере одной тепловой трубой. В частности, в случае очень длинных выключателей с очень длинными внутренними проводниками, возможно весьма эффективное охлаждение, если по крайней мере одна тепловая труба связана с множеством секций выключателя, которые расположены одна за другой в продольном направлении вдоль внутреннего проводника.
Выключатель, соответствующий изобретению, имеет множество полюсов, каждый из которых имеет внутренний проводник и внешний проводник, а также по крайней мере одну тепловую трубу.
В одном предпочтительном варианте осуществлении изобретения выключатель является выключателем генератора.
Соответствующий изобретению способ охлаждения продолговатого внутреннего проводника выключателя, который окружен внешним проводником как кожухом, отличается тем, что в нем рабочая среда испаряется за счет поглощения тепловой энергии (как правило, в особенности тепловых потерь) от внутреннего проводника и конденсируется при отдаче тепла, причем испарение и конденсация происходят при различных электрических потенциалах.
Другие предпочтительные варианты и преимущества изобретения станут очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и из чертежей.
Краткое описание чертежей.
Предмет изобретения более подробно объясняется в нижеследующем тексте со ссылкой на предпочтительные примеры осуществления изобретения, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, где схематически показано следующее:
фиг.1 - вид в разрезе трехполюсного выключателя генератора, иллюстрирующий три различных типа расположения тепловой трубы;
фиг.2 - вид в плане выключателя или переключающего полюса, имеющего внутренний проводник, который включает множество секций и имеет множество тепловых труб, в основном разделенных на секции;
фиг.3 - тепловая труба с гибкой деформируемой секцией, вспомогательным газом и объемом, содержащим вспомогательный газ;
фиг.4 - кривые Пашена для рабочей среды с вспомогательным газом и без него; и
фиг.5 - одно возможное усовершенствование конструкции полого тела, показанное в разрезе.
Позиции, показанные на чертежах, и их значения представлены в списке условных обозначений. В принципе одинаковые части или части, имеющие одинаковые функции, обозначены на чертежах одними и теми же позициями. Части, которые несущественны для понимания изобретения, в некоторых случаях не показаны. Описанные примеры осуществления изобретения носят лишь иллюстративный характер и не являются ограничительными.
Подходы к осуществлению изобретения.
На фиг.1 показан, схематически и в разрезе, трехполюсный выключатель генератора. Каждый из полюсов 20R, 20S, 20Т выключателя имеет трубчатый внутренний проводник 21R, 21S, 21T, который окружен соответственным кожухообразным внешним проводником 22R, 22S, 22Т. Во время работы между внутренним и соответственным внешним проводником присутствует высокое напряжение HV, причем внешний проводник имеет потенциал земли G и проводит обратный ток. Обычно, в отличие от ситуации, изображенной на фиг.1, три полюса заземлены в общей нейтрали звезды. Поскольку внутренний проводник заключен в кожух и вообще имеет меньшее поперечное сечение, чем внешний проводник, тепловые потери, которые нужно рассеять, исходят из внутреннего проводника, тогда как внешний проводник, находящийся в контакте с окружающим воздухом, нагревается до относительно незначительной степени.
Каждый из внутренних проводников 21R, 21S, 21Т охлаждается посредством (по крайней мере) одной тепловой трубы 1, чтобы рассеивать тепловые потери от внутреннего проводника. Обычно все полюса выключателя охлаждаются посредством тепловых труб 1, которые сконструированы и расположены одинаково; однако на фиг.1 каждый полюс имеет свою конфигурацию трубы. Каждая тепловая труба 1 содержит рабочую среду, которая испаряется в секции тепловой трубы 1, называемой испарителем 3, и конденсируется в секции тепловой трубы 1, называемой конденсатором 4.
Полюс R (слева на фиг.3)
Испаритель 3 имеет два металлических элемента (например, выполненных из алюминия), имеющих вид полых цилиндрических сегментов, форма которых согласуется с формой внутреннего проводника 21R и которые прикреплены к внутреннему проводнику 21R таким образом, что имеют с ним хороший термический контакт. Эти элементы выполнены в форме полых тел и наполнены в основном жидкой рабочей средой. Полые тела соединены друг с другом с помощью предпочтительно металлических трубок, которые являются частью тепловой трубы 1.
2
3
Что касается остального профиля тепловой трубы, она имеет изолирующее полое тело 5, которое используется в качестве электрической изоляции между испарителем 3 и конденсатором 4. Изолирующее полое тело 5 может быть, например, стеклянной трубкой (выполненной, например, из боросиликатного стекла с соединениями из ковара) или керамической трубкой (состоящей, например, из AlO), которая соединена газонепроницаемым способом с другими частями тепловой трубы. Как схематически показано на фиг.1, изолирующее полое тело 5 может иметь экран, например кремниевый или керамический. Изолирующее полое тело 5 образует изолирующий промежуток 7 (показанный для полюса S в центре фиг.1). Он должен выдерживать номинальное напряжение (обычно приблизительно от 10 кВ до 40 кВ), которое постоянно приложено к выключателю, а также напряжение короткого замыкания или напряжение от удара молнии (обычно 100 кВ или несколько 100 кВ), которое действует на выключатель краткосрочно.
Еще одна, предпочтительно металлическая, трубка соединяет изолирующее полое тело 5 с конденсатором 4. Последовательность расположения этой металлической трубки и изолирующего полого тела 5 между испарителем 3 и конденсатором 4 может быть изменена на обратную. Соединения между изолирующим полым телом 5 и примыкающими частями тепловой трубы 1 могут быть выполнены методами (например, пайкой), известными в производстве вакуумных прерывателей. Такое соединение можно выполнять также с помощью фланцев с уплотнениями. Во избежание возникновения пиковых величин поля вблизи такого соединения можно установить возле него экранирующий электрод.
Конденсатор 4 предпочтительно имеет систему металлических охлаждающих ребер 8, которая установлена на верхней наклонной поверхности внешнего проводника 21R и имеет систему труб (не показана), где может распространяться газообразная рабочая среда, которая затем в ней конденсируется и стекает обратно в испаритель 3. Части такой трубной системы устроены по крайней мере в некоторых из охлаждающих ребер.
Система охлаждающих ребер 8 находится в тепловом контакте с внешним проводником 22R и окружающим воздухом, что создает возможность эффективного рассеяния тепла. Устройство может также не содержать системы охлаждающих ребер 8; можно также исключить тепловой контакт между конденсатором 1 и внешним проводником 22R и/или крепление конденсатора 4 к внешнему проводнику. Предпочтительно, чтобы по крайней мере часть конденсатора была расположена вокруг внешнего проводника 22R. В качестве альтернативы системе охлаждающих ребер 8 можно использовать другие устройства теплоотдачи 8, например теплообменники. В этом случае возможно также принудительное охлаждение, например, с помощью вентиляторов.
Полюс S (в центре на фиг.1)
Испаритель 3 имеет два раза по два металлических элемента, имеющих вид полых цилиндрических сегментов, форма которых согласуется с формой внутреннего проводника 21S и которые прикреплены к внутреннему проводнику 21S и находятся в хорошем тепловом контакте с ним. Эти элементы наполнены в основном жидкой рабочей средой и соединены друг с другом посредством предпочтительно металлических трубок, которые являются частью тепловой трубы 1. На внешнем проводнике 22S могут быть предусмотрены плоские секции, где данные элементы приводятся в контакт с внутренним проводником 21S, например, с помощью винтов.
На иллюстрации схематически показана также гибко деформируемая секция 9 тепловой трубы 1, выполненная, например, в виде сильфона 9. Она позволяет снизить влияние механической вибрации, которая возникает, например, при замыкании или размыкании выключателя. Таким образом, можно намного уменьшить механическую нагрузку на тепловую трубу 1 и в особенности на точки соединений между изолирующим полым телом 5 и другими частями тепловой трубы 1, что позволяет дольше сохранить герметичность и продлить срок службы тепловой трубы 1. Особенно чувствительны к механическим нагрузкам соединения металла со стеклом и металла с керамикой.
В случае S-полюса 20S конденсатор 4 крепится к верху (крышке) внешнего проводника 22S. Часть такого внешнего проводника спроектирована таким образом, что ее можно перемещать/снимать/поворачивать, чтобы обеспечить доступ внутрь полюса выключателя, при этом тепловая труба спроектирована таким образом, что возможно соответствующее движение конденсатора относительно испарителя, например, посредством по крайней мере одного гибкого соединительного элемента. Например, тепловая труба может проходить через (неподвижную) стенку внешнего проводника и тем не менее быть закрепленной на движущейся части внешнего проводника (например, на ее верху, который может быть поворотным); в этом случае гибкий соединительный элемент тепловой трубы позволяет открывать внешний проводник посредством перемещения движущейся части, не открывая тепловую трубу.
Как правило, однако, конденсатор 4 будет проходит через внешний проводник и/или будет в контакте с ним предпочтительно в точке, которая не перемещается относительно внешнего проводника при сборке или техническом обслуживании.
Вместо элементов 2 и 4, показанных слева и в центре на фиг.1, тепловая труба 1 может иметь 1, 3, 5, 6, 7, 8 или более элементов, поглощающих тепло от внутреннего проводника 21.
Полюс Т (справа на фиг.1)
В полюсе Т испаритель 5 интегрирован во внутренний проводник 21T в виде предпочтительно трубчатых объемов, которые предусмотрены внутри поперечного сечения внутреннего проводника. Это обеспечивает очень хорошую тепловую связь между внутренним проводником 21T и испарителем 3. В то время, как в случае полюса R и полюса S, конденсатор 4 расположен над испарителем 3, так что соответствующая тепловая труба 1 имеет форму термосифона, в случае полюса Т, конденсатор 4 расположен под испарителем 3. В этом случае необходимо предусмотреть средство для подачи конденсированной рабочей среды обратно в испаритель.
Предпочтительно это может осуществляться посредством капиллярных сил. Средство для подачи конденсированной среды обратно в испаритель должно быть электрически изолирующим по крайней мере в области изолирующего промежутка 7.
Одна секция тепловой трубы 1 проходит внутри опорного изолятора 24, на который опирается внутренний проводник 21Т. Это позволяет избежать воздействия на симметрию системы внутренний проводник/внешний проводник, несмотря на установку тепловой трубы 1. Конденсатор 4 расположен внутри или на нижней части внешнего проводника 22Т.
На фиг.2 схематично показан вид в плане и частично в разрезе выключателя или полюса выключателя 20, имеющего конструкцию, аналогичную полюсу R, показанному на фиг.1 (слева). Внутренний проводник 21 имеет множество секций 23а-23е, множество (три) из которых снабжены двумя тепловыми трубами 1, расположенными в основном симметрично.
Секция 23а представляет собой соединительный кожух 23а, служащий для соединения выключателя 20 с выходом генератора. Соединительный кожух 23а охлаждается посредством двух тепловых труб 1, которые имеют охлаждающие ребра 8, расположенные в каждом случае на одной боковой стенке внешнего проводника 22. Секция 23b представляет собой гасильную камеру, которая служит для отсоединения контактов и для гашения дуги. За ней следует кожух привода 23с, в котором находится привод, позволяющий отсоединять контакты в гасильной камере 23b. Кожух привода 23 с охлаждается двумя тепловыми трубами 1, каждая из которых имеет два элемента (полых тела), прикрепленных к кожуху привода 23с и находящихся в хорошем тепловом контакте с ним.
На кожухе привода 23 с предусмотрена подвижная изолирующая трубка 23d, которая образует видимый изолирующий промежуток. Затем следует изолирующий кожух 23d, в котором размещена изолирующая трубка. Изолирующий кожух 23е охлаждается таким же способом, как и соединительный кожух 23а.
Тепловая труба 1 схематически показана на фиг.4; она герметически закрыта, так что внутри тепловой трубы образуется замкнутый контур, при этом не требуется никакого технического обслуживания. Испаритель 3 содержит элемент, который служит для тепловой связи с охлаждаемым телом (например, внутренним проводником выключателя). Изолирующее полое тело 5, которое перекрывает разность электрических потенциалов и образует изолирующий промежуток 7, снабжено экраном, как показано на чертеже.
Кроме того, тепловая труба 1, показанная на фиг.3, имеет гибкий участок 9, образованный сильфоном. Вследствие этого части тепловой трубы 1, расположенные по обе стороны участка 9, могут двигаться относительно друг друга, так что избыточные механические напряжения, возникающие, например, при вибрации, поглощаются и не приводят к утечкам в тепловой трубе 1. Гибко деформируемая секция 9 тепловой трубы 1 может также представлять собой, например, полое тело, выполненное из эластичного материала. Конденсатор 4 тепловой трубы 1, показанной на фиг.3, снабжен охлаждающими ребрами 8. Последовательность расположения гибко деформируемой секции 9 и изолирующего полого тела 5 между испарителем 3 и конденсатором 4 может также быть изменена на обратную.
В области конденсатора 4 имеется содержащий газ объем 11, величина которого может изменяться при изменениях давления внутри тепловой трубы 1. Кроме рабочей среды 2, в тепловой трубе содержится также вспомогательный газ 6. Вспомогательный газ 6 должен быть газообразным по всему диапазону температур, которые предусмотрены для тепловой трубы 1. Преимущества такого вспомогательного газа 6 будут объяснены ниже, в связи с фиг.4.
Поскольку вспомогательный газ вносит лишь очень малый вклад в охлаждение и приводится в движение рабочим газом 2, который непрерывно испаряется (во время процесса охлаждения) в направлении конденсатора 4, то вспомогательный газ 6 может заблокировать ту поверхность конденсатора 4, которая может использоваться для конденсации рабочего газа 2, тем самым снижая охлаждающую способность тепловой трубы 1. Если, как показано на фиг.3, для теплоотдачи используется устройство 8, оно должно иметь как можно более хороший контакт с рабочим газом 2 на как можно большей площади. Поэтому предусмотрен объем для содержания газа 11, который вмещает вспомогательный газ 6. В оптимальном случае объем 11 должен содержать весь вспомогательный газ 6 и практически не содержать рабочего газа во время типичных процессов охлаждения (когда рассеиваются типичные тепловые мощности). Это означает, что вся внутренняя поверхность тепловой трубы 1, которая снабжена охлаждающими ребрами 8, всегда доступна для конденсации рабочего газа 2, и рабочий газ 2 не конденсируется или почти не конденсируется внутри содержащего газ объема 11.
tot
tot
max
tot
max
Чтобы объяснить цель использования вспомогательного газа 6, обратимся к фиг.4. Кривая 30, показанная на фиг.4 жирной сплошной линией, схематически представляет кривую Пашена для ситуации, когда в тепловой трубе 1 присутствует только рабочий газ 2 и нет вспомогательного газа 6. На оси Х отложено p·d, где p - полное давление внутри тепловой трубы 1, a d - длина изолирующего промежутка (расстояния между двумя телами, имеющими разные электрические потенциалы; в данном случае: длина изолирующего полого тела 5). На оси Y отложено HV, которое представляет собой то высокое напряжение, при котором происходит электрический пробой в соответствующей газовой смеси при соответствующем давлении с соответствующим значением p·d и при соответствующей длине изолирующего промежутка, через который действует HV. Кривая Пашена имеет минимум, в котором электрическая прочность газовой смеси (в данном случае рабочего газа 2) особенно низка.
min
max
tot
min
max
min
max
Если кривая Пашена относится к тепловой трубе 1, то длина изолирующего промежутка d постоянна, и при условии, что нет содержащего газ объема 11 или его содержимое в основном постоянно, давление связано непрерывной функцией с температурой газообразной рабочей среды 2 вблизи испарителя 3 (давление паров рабочей среды возрастает с повышением температуры). Следовательно, можно отметить температуры T и T, которые соответствуют приблизительно конкретным значениям p·d, на оси Х, где отмечается минимальная и максимальная рабочая температура тепловой трубы 1, соответствующая минимальной и максимальной температуре газа рабочей среды 2 вблизи испарителя 3. Диапазон рабочих температур, для которого можно рассчитывать тепловую трубу 1, можно определить заранее, определив этот температурный диапазон для конкретного применения. Например, для применения в типичном выключателе, например выключателе генератора, возможен диапазон от T=-40°С и T=+60°С или T=-25°С и T=+60°С.
min
max
Для типичной рабочей среды температурный диапазон располагается справа от минимума кривой Пашена, причем T находится сравнительно близко к минимуму. Как показано на фиг.4, это приводит к сравнительно низкому HV. Это означает, что либо к изолирующему промежутку можно прикладывать лишь небольшие напряжения HV, либо нужно выбрать большую длину изолирующего промежутка. Газовое давление рабочей среды 2 в замкнутой системе тепловой трубы 1 зависит только от температуры. В применении к размыкающим выключателям напряжение HV, которое может быть приложено к изолирующему промежутку 7 без пробоев, обычно задается, а длина d изолирующего промежутка должна быть относительно малой, особенно если расстояние между внутренним проводником и внешним проводником мало. Малая длина d изолирующего промежутка имеет то преимущество, что в этом случае физический размер тепловой трубы будет меньше, и соответственно более короткое изолирующее полое тело будет иметь лучшие механические характеристики.
Вариант изобретения, в котором обеспечивается повышенная электрическая прочность тепловой трубы 1, содержит дополнительно использование вспомогательного газа 6, который отличен от рабочей среды 2, в тепловой трубе 1, а также в самой рабочей среде 2. Конкретное минимальное давление и таким образом задаваемая минимальная электрическая прочность могут быть заданы для низких температур и соответственно низких давлений рабочей среды 2. На кривой Пашена это представлено в первом приближении как сдвиг влево кривой Пашена 30, что дает новую кривую Пашена 31, показанную жирной штриховой линией. В зависимости от рабочей среды 2 и от того, какой газ используется в качестве вспомогательного газа 6, новая кривая Пашена имеет несколько другую форму и несколько сдвинута вверх или вниз (см., например, кривые Пашена 31' и 31'' на фиг.4).
max
На фиг.4 видно, что, когда кривая Пашена 31 относится к смеси 31 рабочей среды и вспомогательного газа, применение вспомогательного газа 6 позволяет получить значительно более высокое, увеличенное на ΔHV, напряжение пробоя. Таким образом, вспомогательный газ 6 позволяет укоротить изолирующий промежуток 1, расширить диапазон рабочих температур и/или увеличить напряжение, которое может быть приложено.
6
-6
-1
-6
-1
Пригодными рабочими средами 2 являются, например, ацетон, фторированные углеводороды, такие как "FC-72" компании 3М или эфир фтористоводородной кислоты, такой как "HFE-7100" компании 3М. Пригодными вспомогательными газами 6 могут быть, например SF, воздух или азот, или смесь газов. Как рабочая среда, так и вспомогательный газ должны быть электрически изолирующими и должны иметь достаточную электрическую прочность как диэлектрики. Электропроводность рабочей среды 2 должна обычно быть меньше 1·10 (Ω·cm) или по крайней мере меньше 5·10 (Ω·cm).
Типичные давления вспомогательного газа составляют от 100 мбар до 400 мбар. Типичные длины изолирующих промежутков 7 составляют приблизительно от 50 мм до 400 мм. Тепловая мощность, рассеиваемая посредством тепловой трубы 1, обычно составляет от 0,5 кВт до 1,5 кВт.
На фиг.5 схематически в разрезе показан один из предпочтительных вариантов исполнения изолирующего полого тела 5. Это изолирующее тело 5 представляет собой трубчатую деталь из изолирующего материала 12, например из стеклопластика, который используется как материал-носитель 12, куда введены ингибиторы диффузии. Трубка-носитель 12 является электрически изолирующей и обладает некоторой механической гибкостью. Благодаря этому такое изолирующее тело, изготовленное из гибкого материала, может также выполнять функцию гибкой секции 9 тепловой трубы 1, так что нет необходимости в отдельной секции 9.
Если используются такие материалы 12, то обычно бывают необходимы или, по крайней мере, желательны, ингибиторы диффузии 13, поскольку типичные рабочие среды 2 и вспомогательные газы 6 могут диффундировать через них, и/или воздух и/или водяной пар могут диффундировать в тепловую трубу, и характеристики теплопереноса тепловой трубы со временем изменятся. Ингибиторы диффузии 13 препятствуют диффузии молекул из тепловой трубы (диффузионный барьер; блокирование диффузии). В качестве ингибиторов диффузии можно использовать слои металла 13 или слои металлической фольги 13, имеющие трубчатую форму. Аналогичным образом в качестве ингибиторов диффузии 13 можно использовать полимеры. По меньшей мере два или три, четыре, пять, шесть или более таких ингибиторов диффузии 13 вводятся весьма эффективным образом в трубку-носитель 12, точнее таким образом, что они создают очень длинные пути диффузии для молекул, которые стремятся диффундировать наружу через изолирующее полое тело 5 из внутреннего пространства тепловой трубы 1. Например, как показано на фиг.5, можно использовать трубчатые ингибиторы диффузии 13, которые в большой степени перекрывают друг друга и имеют чуть-чуть различные диаметры. При условии, что ингибиторы диффузии являются электропроводными, необходимо выдерживать минимальные интервалы между ингибиторами диффузии 13, имеющими разные электрические потенциалы, чтобы получить необходимую электрическую прочность. Возможно, понадобится также учитывать расстояние между ингибиторами диффузии и концами изолирующего промежутка. Например, крайняя изнутри ингибирующая диффузию трубка 13 и крайняя снаружи ингибирующая диффузию трубка 13 могут быть подключены к высокому напряжению HV или к потенциалу земли G в виде электрического конденсатора, в то время как ингибирующие диффузию трубки 13, расположенные между ними, действуют как делители напряжения, так что лишь часть высокого напряжения HV присутствует между двумя ингибирующими диффузию трубками 13. В альтернативном варианте, однако, соседние ингибирующие диффузию трубки 13 могут каждая иметь потенциал Земли или потенциал высокого напряжения, который присутствует на тепловой трубе.
Тепловая труба может также иметь множество полых частей, которые соединены друг с другом, например две полые части, соединенные друг с другом в виде петли. Например, испарившаяся рабочая среда может течь в конденсатор по одной полой части, тогда как конденсированная рабочая среда может течь обратно в испаритель по другой полой части. Фактически в этом случае в такой тепловой трубе будет иметься множество полых тел.
Список условных обозначении
1 - Тепловая труба
2 - Рабочая среда
3 - Испаритель
4 - Конденсатор
5 - Изолирующее полое тело, стеклянная трубка, керамическая трубка
6 - Вспомогательный газ
7 - Изолирующий промежуток
8 - Устройство для теплоотдачи, теплообменник, система охлаждающих ребер, радиатор
9 - Гибко деформируемая секция тепловой трубы
10 - Средство для подачи конденсированной рабочей среды в испаритель посредством капиллярных сил
11 - Объем, содержащий вспомогательный газ
12 - Материал-носитель, трубка-носитель, стеклопластик
13 - Ингибитор диффузии, металлическая фольга, металлический цилиндр
20 - Выключатель, полюс выключателя, выключатель генератор
20R, 20S, 20Т - Полюс выключателя
21 - Внутренний проводник, трубчатый проводник
21R, 21S, 21Т - Внутренний проводник
22 - Внешний проводник, оболочка, кожух
22R, 22S, 22Т - Внешний проводник
23 - Секция внутреннего проводника
23а - Соединительный кожух
23b - Гасильная камера
23с - Кожух привода
23d - Подвижная изолирующая трубка
23е - Изолирующий кожух
24 - Опорный изолятор
30 - Кривая Пашена для рабочей среды без вспомогательного газа
31, 31', 31'' - Кривая Пашена для рабочей среды с вспомогательным газом
d - Длина изолирующего промежутка, расстояние между телами, имеющими разный электрический потенциал
G - Потенциал
HV - Высокое напряжение
max
HV - Высокое напряжение
p - Парциальное давление вспомогательного газа
tot
P - Полное давление
min
T - Температура
max
T - Температура