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Direkt forciert gekühlte Generatorableitung - Dokument DE19818193A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19818193A1 28.10.1999
Titel Direkt forciert gekühlte Generatorableitung
Anmelder Asea Brown Boveri AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Blatter, Richard, Ennetbaden, CH
Vertreter Lück, G., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 79761 Waldshut-Tiengen
DE-Anmeldedatum 23.04.1998
DE-Aktenzeichen 19818193
Offenlegungstag 28.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1999
IPC-Hauptklasse H01B 7/34
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Kühlung von elektrischen Leitersystemen (1) mit Hilfe von Kühlströmen (2) beschrieben, umfassend mindestens eine Leiteranordnung (3) mit einem ersten inneren Hohlleiter (4), welcher einen Hohlraum (5) begrenzt und einem zweiten, den ersten Hohlleiter (4) umschließenden äußeren Hohlleiter (6), wobei der erste und der zweite Hohlleiter (4, 6) durch Stützisolatoren (7) elektrisch voneinander getrennt sind, welches sich dadurch auszeichnet, daß der Kühlstrom (2) durch den Hohlraum (5) des inneren Hohlleiters (4) der mindestens einen Leiteranordnung (3) geleitet wird.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung von elektrischen Leitersystemen mit Hilfe von Kühlströmen, umfassend mindestens eine Leiteranordnung mit einem ersten inneren Hohlleiter, welcher einen Hohlraum begrenzt und einem zweiten, den ersten Hohlleiter umschliessenden äusseren Hohlleiter, wobei der erste und der zweite Hohlleiter durch Stützisolatoren elektrisch voneinander getrennt sind. Derartige Verfahren werden beispielsweise zur Kühlung von Generatorableitungen eingesetzt. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Die Strombelastbarkeit von Leiteranordnungen wird im allgemeinen durch die Kühlverhältnisse der Anordnung limitiert. Die im Leiter entstehende Wärme verhält sich dabei proportional zum Quadrat der Stromstärke, so dass insbesondere bei hohen Strömen die benötigte Kühlleistung stark ansteigt.

Während bei geringen Stromstärken der Wärmeaustausch der Leiteranordnung mit der Umgebung aufgrund freier Konvektion noch ausreicht, die zugelassenen Grenztemperaturen einzuhalten, müssen für höhere Ströme (oberhalb von etwa 25 kA) spezielle Verfahren zur Kühlung der Leiteranordnung eingesetzt werden.

So ist es beispielsweise aus dem "Taschenbuch für Schaltanlagen", Brown Boveri Corporation (BBC), 6. Auflage 1977, bekannt, einphasig gekapselte Generatorableitungen forciert zu belüften. Dies geschieht mit Hilfe eines geschlossenen Umluftsystems, in dem die Luft in einem Kühlaggregat abgekühlt und durch Lüfter in den Bereich zwischen dem inneren Hohlleiter und dem äusseren Hohlleiter, welcher auch als Kapselrohr bezeichnet wird, geleitet wird. Die erwärmte Abluft gelangt über Leitungen wieder in das Kühlaggregat, wo ihr in einem Wärmetauscher die Abwärme entzogen wird. Dieses Verfahren erweist sich jedoch als aufwendig und kostspielig, da die strömende Luft die Isolation der Hohlleiter beeinträchtigt. Es sind daher zur Sicherung des Isolationsniveaus Zusatzmassnahmen, wie beispielsweise Deionisierer, Filter zur Eliminierung von Staub und Einrichtungen zur Trocknung der Luft erforderlich, welche Überschläge zwischen dem Leiter und dem Kapselrohr verhindern sollen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kühlverfahren für Leiteranordnungen, insbesondere für Generatorableitungen zu entwickeln, welches eine grosse Kühlwirkung erzielt und gleichzeitig einen hohen Schutz vor Überschlägen bietet.

Zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe ist vorgesehen, dass der Kühlstrom durch den Hohlraum des inneren Hohlleiters der mindestens einen Leiteranordnung geleitet wird. Als Kühlmedium kann Luft, insbesondere Frischluft, aber auch ein anderes geeignetes Medium, wie beispielsweise ein Edelgas gewählt werden.

Ein derartiges Verfahren bringt wesentliche Vorteile mit sich. Es erfolgt eine strikte Trennung der Funktionen "Kühlung" und "Isolation" in der Leiteranordnung. Während der Kühlstrom ausschliesslich im Hohlraum des ersten Hohlleiters fliesst, bleibt der Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlleiter den Stützisolatoren vorbehalten. Der Kühlstrom überstreicht somit nur solche Oberflächen, die auf gleichem Potential liegen. Die Gefahr von Überschlägen kann folglich nicht mehr von dem Kühlstrom ausgehen, so dass an die Trockenheit und Staubfreiheit des Kühlstroms geringere Anforderungen gestellt werden können. Dies führt zu einer Systemvereinfachung und somit zu einer Kostenersparnis. Da ausserdem die Wärme direkt am Entstehungsort abgeführt wird, kann die erforderliche Kühlleistung minimiert werden.

Der Einsatz von Frischluft ist deswegen vorteilhaft, weil die tiefste natürliche Wärmesenke ausgenutzt wird. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass im allgemeinen die Temperaturdifferenz zwischen der angesaugten Luft und der erwärmten Leiteranordnung ausreichend gross ist, so dass sich weitere Kühlmassnahmen, wie beispielsweise Kühlaggregate erübrigen.

Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des Hohlraums Vorrichtungen zur Vergrösserung der Oberfläche, wie Rippen oder dgl. vorgesehen. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und der inneren Oberfläche des inneren Hohlleiters gefördert und die benötigte Kühlleistung weiter herabgesetzt.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Leitersystem zwei oder mehr Leiteranordnungen und die Hohlräume der jeweiligen Leiteranordnungen stehen miteinander in Strömungsverbindung. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Leiteranordnungen gleichzeitig kühlen, da die Kühlströme durch das gesamte Leitungssystem zirkulieren, so dass eine zentrale Kühlstromerzeugung und Kühlstromableitung möglich werden.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung wird die Kühlleistung durch Veränderung der Durchflussmenge des Kühlstroms derart dosiert, dass eine vorgewählte Temperatur der Oberflächen des ersten inneren und/oder des zweiten äusseren Hohlleiters konstant gehalten wird. Die Kühlleistung kann so optimal an die Gegebenheiten angepasst und weiter minimiert werden.

Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Leitersystem vorgesehen, umfassend mindestens eine Leiteranordnung mit einem ersten inneren Hohlleiter und einem zweiten äusseren, den ersten Hohlleiter umschliessenden Hohlleiter, wobei der erste Hohlleiter einen Hohlraum begrenzt und wobei erster und zweiter Hohlleiter durch Stützisolatoren elektrisch voneinander getrennt sind, dass wenigstens eine Kühlstromerzeugungsvorrichtung vorgesehen ist, welche mit wenigstens einer Kühlstromeintrittsöffnung in Strömungsverbindung steht, durch die das Kühlmedium in den Hohlraum des inneren Hohlleiters eindringt und dass wenigstens eine Kühlstromaustrittsöffnung vorgesehen ist, durch die das Kühlmedium aus dem Hohlraum abgeführt wird.

Ferner ist das erfindungsgemässe Kühlverfahren auch derart kombinierbar, dass sich auch andere Komponenten im Energieexportstrang, wie beispielsweise Generatorschalter gleichzeitig ohne zusätzliche Kühlvorrichtungen kühlen lassen.

Zusätzliche Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der zugehörigen Beschreibung.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Leitersystems und

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäss gekühlten Leitersystems.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Das in Fig. 1 skizzierte Verfahren dient der Kühlung von Leitersystemen 1, insbesondere von einphasig gekapselten Generatorableitungen, welche Leiteranordnungen 3 umfassen, die einen ersten inneren Hohlleiter 4 aufweisen, der von einem zweiten äusseren Hohlleiter 5 umschlossen ist. Dabei haben die Hohlleiter 4 bzw. 6 vorzugsweise eine zylindrische Form, können jedoch auch mit eckigen, wie beispielsweise rechteckigen Querschnitten ausgebildet sein. Der innere Hohlleiter 4 kann ferner konzentrisch in dem äusseren Hohlleiter 6 angeordnet sein.

Die beiden Hohlleiter 4 bzw. 6 sind durch eine Vielzahl von Stützisolatoren 7 beabstandet, welche auf der äusseren Umfangsfläche 9 des inneren Hohlleiters 4 angeordnet sind und radial nach aussen in Richtung der inneren Umfangsfläche 10 des zweiten Hohlleiters 6 weisen. Die Anzahl der Stützisolatoren 7 kann dabei je nach Gesamtlänge der Leiteranordnung 3 variieren. Die elektrische und mechanische Verbindung des inneren Hohlleiters 4 mit Klemmen oder dgl. erfolgt durch Anschlussteil 16.

In Fig. 2 ist perspektivisch ein dreiphasiges Leitersystem 1 dargestellt, welches mit einem erfindungsgemässen Verfahren gekühlt wird. Derartige Anordnungen werden beispielsweise als gekapselte Generatorableitungen eingesetzt.

Fig. 3 zeigt exemplarisch die Zuleitung des Kühlstroms in die Hohlräume 5 der Leiteranordnungen 3 in einem dreiphasigen Leitersystem 1 gemäss Fig. 2. Eine Kühlstromerzeugungsvorrichtung 11, wie beispielweise ein Ventilator, erzeugt einen oder mehrere Kühlluftströme 2, welche über jeweils ein elektrisch nichtleitendes Verbindungsstück 14, welches mit einer Kühlstromeintrittsöffnung 12 in Strömungsverbindung steht, in den jeweiligen Hohlraum 5 des inneren Hohlleiters 4 geführt werden und vorzugsweise dessen gesamte Länge überstreichen.

Der Einsatz von Frischluft als Kühlmedium nutzt die maximal zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz aus, welche im allgemeinen für eine Wärmeübertragung ausreichend ist. Bei sehr hohen Aussentemperaturen (ca. 40° und höher) kann es jedoch nötig sein, der Kühlstromerzeugungsvorrichtung 11 ein Kühlaggregat vorzuschalten.

Der Kühlstrom 2 wird nach der dargestellten Ausgestaltung der erfinderischen Idee nicht, wie in herkömmlichen geschlossenen Systemen, rückgeführt, abgekühlt und erneut verwendet, sondern es wird Frischluft aus der Umgebung in den Hohlraum 5 des inneren Hohlleiters 4 eingeführt und wieder in diese abgelassen. Dazu steht der Hohlraum 5 analog zu dem Kühlstromeintritt mit einem nichtleitenden Verbindungsstück 14 über eine Kühlstromaustrittsöffnung 13 in Strömungsverbindung.

Der Kühlstrom kann, beispielsweise bei der Verwendung von Stickstoff oder sonstigen geeigneten Kühlmedien, auch in einem geschlossenen System geführt werden. Zur Abkühlung des Kühlmediums sind in diesem Fall Kühlaggregate oder dgl. vorzusehen.

Es existieren verschiedene Möglichkeiten, den Kühlstrom 2 durch ein Leitersystem 1 zu führen. So kann der Kühlstrom 2 beispielsweise nacheinander durch alle Leiteranordnungen 3 strömen oder er kann in eine Vielzahl von Teilkühlströmen aufgespalten und parallel durch die Leiteranordnung 3 geführt werden. Letzteres erlaubt ein weitgehend symmetrisches Kühlen des Leitersystems 1. Je nach gewähltem Kühlverfahren werden die jeweiligen Leiteranordnungen 3 gegensinnig oder gleichsinnig durchströmt.

In dem Leitersystem 1 können eine unterschiedliche Anzahl von Kühlstromerzeugungsvorrichtungen 11 verwendet werden. Ausgehend von dem einfachsten Fall nur einer Kühlstromerzeugungsvorrichtung 11 für das gesamte Leitersystem 1 ist es denkbar, für jede Leiteranordnung 3 eine Kühlstromerzeugungsvorrichtung 11 vorzusehen. Es ist aber auch möglich, jeder Leiteranordnung 3 mehrere Kühlstromerzeugungsvorrichtungen 11 zuzuordnen.

Werden mehrere Kühlstromerzeugungsvorrichtungen 11 in einem Leitersystem 1 eingesetzt, so kann es von Vorteil sein, Trennscheiben 15 in den Querschnitt Q des Hohlraums 5 einzusetzen, die die Kühlströme 2 voneinander separieren. Auf diese Weise werden Kühlstromabschnitte S gebildet, welchen beispielsweise jeweils eine zugehörige Kühlstromeintrittsöffnung 12 und eine Kühlstromeintrittsöffnung 13 sowie eine Kühlstromerzeugungsvorrichtung 11 zugeordnet werden kann, so dass jeder Kühlstromabschnitt S gezielt und unabhängig von den weiteren Kühlstromabschnitten S gekühlt werden kann.

Zur Bestimmung der Oberflächentemperatur der inneren und äusseren Hohlleiter 4, 6 können Temperaturfühler 17a, 17b eingesetzt werden, deren Signale in einer Verarbeitungseinrichtung 18 zur Regelung der Kühlleistung verwendet werden.

Insgesamt ergeben sich mit dem vorgenannten Verfahren zur Kühlung von Leiteranordnungen sowie der Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens folgende Vorteile:

  • - Höhere Strombelastbarkeit bei sonst gleichen Ableitungsausführungen als bei ungekühlten Ableitungen.
  • - Einfaches System mit weniger Komponenten als bei der Kühlung mit Umluftsystem.
  • - Die Kühlung erfolgt mit Frischluft aus der Umgebung; es steht also die tiefste natürliche Wärmesenke zur Verfügung.
  • - Die Kühlung kann auch durch andere gasförmige Medien erfolgen.
  • - Die Kühlluft wird nicht durch die elektrisch beanspruchten Lufträume geleitet; die Funktionen "Kühlung" und "Isolation" bleiben strikt getrennt.
  • - Alle drei Leiteranordnungen eines dreiphasigen Leitersystems haben gleiche Kühlbedingungen.
  • - Die Wärme wird direkt am Entstehungsort abgeführt; so werden auch Verbindungsstellen optimal gekühlt.
  • - Die forcierte Kühlung kann mit weiteren Kühlaufgaben im Energieexportstrang, z. B. der Kapselungskühlung des Generatorschalters kombiniert werden.
  • - Der Kühlluftstrom kann so bemessen werden, dass nur die Wärmemenge forciert abgeführt wird, welche nicht via Abstrahlung an die Umgebung geleitet wird; die Ventilationsstärke, d. h. die Kühlleistung kann in Funktion der Temperatur geregelt werden.
Bezugszeichenliste 1Leitersystem

2Kühlstrom

3Leiteranordnung

4Innerer Hohlleiter

5Hohlraum

6Äusserer Hohlleiter

7Stützisolator

8Vorrichtung

9Umfangsfläche (innerer Hohlleiter)

10Umfangsfläche (äusserer Hohlleiter)

11Kühlstromerzeugungsvorrichtung

12Kühlstromeintrittsöffnung

13Kühlstromaustrittsöffnung

14Verbindungsstück

15Trennscheibe

16Anschlussteil

17a, bTemperaturfühler

18Verarbeitungseinrichtung

QQuerschnitt

SStrömungsabschnitt


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Kühlung von elektrischen Leitersystemen (1) mit Hilfe von Kühlströmen (2), umfassend mindestens eine Leiteranordnung (3) mit einem ersten inneren Hohlleiter (4), welcher einen Hohlraum (5) begrenzt und einem zweiten, den ersten Hohlleiter (4) umschliessenden äusseren Hohlleiter (6), wobei der erste und der zweite Hohlleiter (4, 6) durch Stützisolatoren (7) elektrisch voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlstrom (2) durch den Hohlraum (5) des inneren Hohlleiters (4) der mindestens einen Leiteranordnung (3) geleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Luft, insbesondere Frischluft, als Kühlmedium verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlraums (5) Vorrichtungen (8) zur Vergrösserung der Oberfläche, wie Rippen oder dgl., vorgesehen sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersystem (1) zwei oder mehr Leiteranordnungen (3) umfasst und dass die Hohlräume (5) der jeweiligen Leiteranordnungen (3) miteinander in Strömungsverbindung stehen.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zweiten äusseren Hohlleiter (6) der Leiteranordnungen (3) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung durch Veränderung der Durchflussmenge des Kühlstroms (2) derart dosiert wird, dass eine vorgewählte Temperatur der Oberflächen (9, 10) des ersten inneren und/oder des zweiten äusseren Hohlleiters (4, 6) konstant gehalten wird.
  7. 7. Vorrichtung für die Durchführung eines Verfahrens gemäss den Ansprüchen 1 bis 6 mit einem Leitersystem (1), umfassend mindestens eine Leiteranordnung (3) mit einem ersten inneren Hohlleiter (4) und einem zweiten äusseren, den ersten Hohlleiter (4) umschliessenden Hohlleiter (6), wobei der erste Hohlleiter (4) einen Hohlraum (5) begrenzt und wobei erster und zweiter Hohlleiter (4, 6) durch Stützisolatoren (7) elektrisch voneinander getrennt sind, dass wenigstens eine Kühlstromerzeugungsvorrichtung (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstromerzeugungsvorrichtung (11) mit wenigstens einer Kühlstromeintrittsöffnung (12) in Strömungsverbindung steht, durch die das Kühlmedium in den Hohlraum (5) des inneren Hohlleiters (4) eindringt und dass wenigstens eine Kühlstromaustrittsöffnung (13) vorgesehen ist, durch die das Kühlmedium aus dem Hohlraum (5) abgeführt wird.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstromeintrittsöffnung (12) bzw. die Kühlstromaustrittsöffnung (13) durch ein elektrisch nichtleitendes Verbindungsstück (14) gebildet wird, welches in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum (5) des inneren Hohlleiters (4) und mit der Kühlstromerzeugungsvorrichtung (11) steht.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsstück (14) ein Stützisolator (7) vorgesehen ist, welcher einen Hohlraum begrenzt.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitersystem (1) eine Vielzahl von Kühlstromeintrittsöffnungen (12) und Kühlstromaustrittsöffnungen (13) aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung unabhängiger Strömungsabschnitte S Trennscheiben (15) abdichtend in dem Querschnitt Q der inneren Hohlleiter (4) aufgenommen sind und dass jedem Strömungsabschnitt S mindestens jeweils eine Kühlstromeintrittsöffnung (12) und eine Kühtstromaustrittsöffnung (13) zugeordnet sind.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturfühler (17a, 17b) zur Messung der Temperatur der Umfangsflächen (9, 10) der inneren und/oder äusseren Hohlleiter (4, 6) vorgesehen sind, dass die Temperaturfühler (17a, 17b) Signale an eine Verarbeitungsvorrichtung (18) leiten, welche Verarbeitungsvorrichtung (18) die Kühlstromerzeugungsvorrichtung (11) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur regelt.






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