[发明专利]一种断路器蒸发冷却系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率发电机断路器蒸发冷却装置。

背景技术

断路器正在向小型化、大容量和高电压方向发展，使得内部产生的热密度越来越高。额定和断路电流产生巨大的热量，即使微小的回路电阻也会导致欧姆损耗，这种欧姆损耗会产生数千瓦热量。在正常(闭合)运行状态中，热点稳态温升必须限定在105℃，因此，从热量上限制了最大允许额定电流的大小。同时，过高温升影响了导电体材料的机械强度，还影响电气性能，加速了绝缘件老化。其严重影响到高电压断路器性能和寿命。因此为了提高断路器额定电流，断路器热控制问题是必须解决。

以发电机断路器为例，当额定电流提高到18000A时，必须使用空气对空气的强制冷却设备，这种设备本身也是发热，而且增加了设备额外的重量，因此要想将断路器额定电流提高到23000A以上，只能通过改善断路器导体制环境之间的热传导效率的办法来实现，与此同时，还必须确保设备的温度保持在允许的范围内。由于热源(导体)处于24千伏以上的高电势的地方，而散热器由于大地连接，而且任何形式的强制风冷又会带来不理想的副作用，因此，解决断路器冷却难题就更严峻了。

理想的是提供一种能跨越如此大的电气绝缘间隔而获得高效的热传递的“无源”冷却系统，所谓“无源”冷却系统，就是运行时不需要泵、风机或电动机，取代所谓的“强迫”冷却系统，其使用泵、风机或电动机设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压大电流断路器的蒸发冷却系统，本发明可提高断路器承载电流的能力。采用本发明的高功率断路器比未使用本发明的断路器承载的电流大，可以满足相关标准规定的温度限值要求。

适用本发明的高功率断路器具有纵向伸展的断路器内导体和以壳体形式围绕该断路器内导体的断路器外导体。

本发明断路器蒸发冷却系统至少包含一个蒸发冷却散热器，主要用于冷却断路器内导体，带走内导体所产生的热能。

所述的断路器蒸发冷却系统包括：断路器的内导体、外导体、蒸发冷却散热器。蒸发冷却散热器设置在所述的内导体和外导体之间的空间内。所述蒸发冷却散热器由蒸发器、导气管、冷凝器及连接管路组成。所述的蒸发器为空心体，与内导体外表面紧密接触，或与内导体外表面为一体。所述的蒸发器顶部有一出口，此出口通过导气管与冷凝器进口连通；所述的蒸发器底部有一液体进口，此液体进口通过回液管与冷凝器的液体出口连通。所述冷凝器的位置高于蒸发器顶部。

蒸发冷却散热器是一种利用液体蒸发潜热进行热量传递的高效热交换元件，断路器内导体散发的热量将冷却介质温度升高，当达到冷却介质沸点温度，冷却介质由液态变为气态，上升到冷凝管内，气体将热输送到冷凝器，冷凝管内介质由气态变为液态，冷凝过程所放出的凝结潜热换热，将热量排散到空气中，实现自然循环过程。蒸发冷却器为密闭自循环系统。蒸发器作为实现冷却介质进行热传递的装置，其为空心体，使冷却工质由于重力而被传递回来。

所述的蒸发冷却散热器的蒸发器置于断路器内导体上，所述的蒸发冷却散热器的冷凝器的高度低于断路器外导体，由于断路器内外导体之间存在很高的电势，所述的蒸发冷却系统与外导体之间无电接触，可以降低所述的蒸发冷却系统的耐电压强度设计。

蒸发冷却器无外部辅助设备，即它不需要电源供电或任何其他供给。作为一种密闭循环回路的冷却系统，它不需要任何维护且一般可以在没有任何维护的情况下工作数年甚至数十年。

所述的断路器上主要的发热源是由内导体的电阻损耗产生的，另外还会有其他损耗，例如，由电流集肤效应导致的损耗，涡流损耗或磁滞损耗。

所述的蒸发冷却散热器的冷凝器与冷却气流相互作用，可以实现对断路器内导体的有效冷却，这是因为冷凝器可以被冷却气冷却而保持在较低温度，这样可以实现对管内冷却工质的有效冷凝，实现蒸发冷却器的高效率。因此，在沿断路器内导体与外导体之间的空间内，至少有一个冷却气流可以被利用，冷却气流速及温度影响断路器电流承载能力，冷却气流速高及温度低，可实现显著增加电流在和能力。

所述的蒸发冷却散热器的蒸发器与断路器内导体紧密热接触，或为一体，蒸发器内充有冷却工质，可以使内导体产生的大量热损耗及时被耗散。蒸发器与内导体接触面有强化沸腾传热的多孔结构，使在相同的过热度下可以得到更大的沸腾对流换热系数和传热速率。