CH636221A5

CH636221A5 - Electrical conductor arrangement which can be highly stressed, especially for high-voltage bushings

Info

Publication number: CH636221A5
Application number: CH830878A
Authority: CH
Inventors: Fritz Dr Ing Hammer; Helmut Frielingsdorf; Wolfgang Dipl Phys Molt; Horst Stuermer
Original assignee: Felten & Guilleaume Carlswerk
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1983-05-13
Also published as: DE2757571A1; FR2412917A1; JPS5487900A

Description

Die Erfindung betrifft eine hochbelastbare Stromleiteranordnung, insbesondere für Hochspannungsdurchführungen, mit einem von einer leicht verdampfenden Flüssigkeit, die als Wärmetransportmittel dient, teilweise gefüllten rohrförmigen Leiter. The invention relates to a heavy-duty conductor arrangement, in particular for high-voltage bushings, with a tubular conductor partially filled with a readily evaporating liquid that serves as a heat transport medium.

Die Strombelastbarkeit eines elektrischen Leiters hängt von der Leitfähigkeit des Leiterwerkstoffes, von seinen Abmessungen, insbesondere von der Querschnittfläche, und von der Wirksamkeit der Massnahmen zur Ableitung der entstehenden Wärme ab. Die Verbesserung der Wärmeableitung kann bei vielen Anwendungen einen erheblichen Vorteil bringen. Beispielsweise werden die Kosten einer Hochspannungsdurchführung wesentlich bestimmt durch die Abmessungen des vorwiegend aus Porzellan bestehenden Isoliergehäuses. Seine Länge ist im allgemeinen durch die Spannung bestimmt, die der The current carrying capacity of an electrical conductor depends on the conductivity of the conductor material, its dimensions, in particular the cross-sectional area, and the effectiveness of the measures for dissipating the heat generated. Improving heat dissipation can bring significant benefits in many applications. For example, the cost of a high-voltage bushing is largely determined by the dimensions of the insulating housing, which is predominantly made of porcelain. Its length is generally determined by the tension that the

Innenleiter führt. Sein Durchmesser ist abhängig von der Feldverteilung zwischen Innenleiter und Isoliergehäuse. Diese Feldverteilung wird daher im allgemeinen durch einen Kondensatorwickel gesteuert. Ein weiterer Faktor, der den Durchmesser des Isoliergehäuses und des Kondensatorwickels wesentlich beeinflusst, ist der vom zu übertragenden Strom abhängige Durchmesser des Innenleiters. Da der Kondensatorwickel mit seiner oft grossen Wandstärke die im Innenleiter entstehende Stromwärme schlecht ableitet und meist auch temperaturempfindlich ist, muss der Innenleiter einer Durchführung meist reichlicher dimensioniert werden als eine entsprechende Freileitung. Inner conductor leads. Its diameter depends on the field distribution between the inner conductor and the insulating housing. This field distribution is therefore generally controlled by a capacitor winding. Another factor that significantly influences the diameter of the insulating housing and the capacitor winding is the diameter of the inner conductor, which is dependent on the current to be transmitted. Since the capacitor winding, with its often large wall thickness, dissipates the current heat generated in the inner conductor poorly and is usually also temperature-sensitive, the inner conductor of a bushing usually has to be dimensioned more generously than a corresponding overhead line.

Bekannt ist nun das Prinzip des Wärmeleitrohres, eines mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit teilweise gefüllten Rohres mit einer im Rohrinneren angeordneten Kapillarstruktur, für die Nutzung der Sonnenenergie («Wohnhaus mit Versuchsanlage für Nutzung von Sonnenenergie» von B. Dierich und H. Gehrke, «elektrowärme international», Nov. 1975, S. A 275-277). Diese bekannten Anwendungen des Wärmeleitrohres (heat pipe) geben aber keinen Hinweis für die Anwendung dieses Prinzips in elektrischen Leitern. The principle of the heat pipe, a pipe partially filled with a readily evaporating liquid and having a capillary structure arranged inside the pipe, is now known for the use of solar energy ("Dwelling house with test facility for using solar energy" by B. Dierich and H. Gehrke, "Elektrowärme." international », Nov. 1975, pp. A 275-277). However, these known applications of the heat pipe do not give any indication of the use of this principle in electrical conductors.

Bekannt ist auch eine elektrische Durchführung, bei der ein üblicher Innenleiter von einer mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllten Kammer umgeben ist, die eine gleichmäs-sige Wärmeverteilung entlang des Innenleiters erreichen soll (US-PS 3 627 899). Diese Anordnung hat den Nachteil, dass sie den Durchmesser des Innenleiters und damit den des Kondensatorwickels und weiter des Isoliergehäuses noch weiter ver-grössert und im Vergleich zum erzielten Nutzen sehr aufwendig ist. Der Nutzen ist gering, da keine Abführung der entstehenden Wärme vorgesehen ist. Also known is an electrical feedthrough in which a conventional inner conductor is surrounded by a chamber filled with a readily evaporating liquid, which chamber is intended to achieve an even heat distribution along the inner conductor (US Pat. No. 3,627,899). This arrangement has the disadvantage that it further increases the diameter of the inner conductor and thus that of the capacitor winding and further of the insulating housing and is very complex in comparison with the benefits achieved. The benefit is low, since the heat generated is not intended to be dissipated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochbelastbare Stromleiteranordnung der eingangs genannten Art, insbesondere für Kondensatordurchführungen, mit möglichst geringem Durchmesser des Stromleiters und damit geringen Kosten unter bestmöglicher Abführung der entstehenden Wärme zu schaffen. The invention has for its object to provide a heavy-duty conductor arrangement of the type mentioned, in particular for capacitor bushings, with the smallest possible diameter of the conductor and thus low cost with the best possible dissipation of the heat generated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Stromleiter als Wärmeleitrohr mit einer Kapillarstruktur ausgebildet ist, und dass er an einem Ende mit einer Einrichtung zur Wärmeabgabe versehen ist. This object is achieved according to the invention in that the current conductor is designed as a heat pipe with a capillary structure and in that it is provided at one end with a device for heat dissipation.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass es mit der beschriebenen Gestaltung möglich ist, beispielsweise die Strombelastung einer Durchführung etwa zu verdoppeln, und den Durchmesser des Isoliergehäuses um etwa 25% zu vermindern. Daraus ergibt sich eine entsprechende Verminderung der Kosten für die gesamte Durchführung. The advantages achieved by the invention consist in particular in the fact that it is possible with the described design to approximately double the current load of a bushing, for example, and to reduce the diameter of the insulating housing by approximately 25%. This results in a corresponding reduction in costs for the entire implementation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:

Fig. 1 eine Durchführung schematisch im Schnitt, 1 is a schematic implementation in section,

Fig. 2 eine Durchführung im Teilschnitt. Fig. 2 shows an implementation in partial section.

In Fig. 1 ist eine Durchführung mit als Wärmeleitrohr gestaltetem Innenleiter im Längsschnitt schematisch dargestellt. Der rohrförmige Innenleiter 1 trägt an seinem freien Ende 2 eine Kühlrippenanordnung 3. Die Innenwand 4 des Innenleiters 1 ist mit längsverlaufenden Rillen 5 versehen, die in der Figur nur angedeutet sind. Im unteren Teil des Innenleiters 1 befindet sich eine leicht verdampfende Wärmetransportflüssigkeit 6. Hierfür kann Wasser, ein handelsübliches Kühlmittel oder eine andere geeignete Flüssigkeit gewählt werden. Der Innenleiter 1 ist an seiner Aussenseite von einem Kondensatorwickel 7 umgeben, der für die gewünschte Verteilung des elektrischen Feldes sorgt. Ein den Kondensatorwickel 7 umgebendes Isoliergehäuse, wie es für Freiluft-Anordnungen der Durchführung erforderlich wäre, ist in der Figur nicht gezeichnet. Der die Durchführung mit einer Wand verbindende In Fig. 1, a bushing with an inner conductor designed as a heat pipe is schematically shown in longitudinal section. The tubular inner conductor 1 carries at its free end 2 a cooling fin arrangement 3. The inner wall 4 of the inner conductor 1 is provided with longitudinal grooves 5, which are only indicated in the figure. In the lower part of the inner conductor 1 there is a readily evaporating heat transfer liquid 6. Water, a commercially available coolant or another suitable liquid can be selected for this. The inner conductor 1 is surrounded on its outside by a capacitor winding 7, which ensures the desired distribution of the electric field. An insulating housing surrounding the capacitor winding 7, as would be required for outdoor arrangements of the implementation, is not shown in the figure. The one connecting the implementation with a wall

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

636 221 636 221

Durchführungsflansch 9 liegt hier direkt auf der Aussenseite des Kondensatorwickels 7. Der Anschluss der Stromleiter erfolgt an den Anschlussbolzen 8 und 8a. Feed-through flange 9 lies here directly on the outside of the capacitor winding 7. The current conductors are connected to the connecting bolts 8 and 8a.

Die Funktion eines Wärmeleitrohres (heat pipe) kann als bekannt vorausgesetzt werden und braucht hier nur kurz angedeutet zu werden. Die Wärmeleitflüssigkeit 6 verdampft an den erwärmten Stellen des Innenleiters 1 und entzieht dem Innenleiter 1 die dafür nötige Verdampfungswärme. Die verdampfte Wärmeflüssigkeit 6 kondensiert an den kühleren Stellen des Innenleiters 1, hier am freiliegenden Ende 2 und gibt dort die Verdampfungswärme wieder ab. In den Rillen 5 wird die kondensierte Flüssigkeit 6 durch Kapillarwirkung gesammelt und, vorwiegend durch die Einwirkung der Schwerkraft, wieder in den unteren Teil des Innenleiters 1 geleitet. Die im freiliegenden Teil 2 des Innenleiters 1 durch Kondensation abgegebene Wärme wird durch die Kühlplattenanordnung 3 an die umgebende Luft abgegeben. Durch diese Anordnung ist es möglich, den durch die Strombelastung gegebenen Querschnitt und damit den Durchmesser des Innenleiters 1 wesentlich zu verringern, ohne dass der Kondensatorwickel 7 eine unzulässig hohe Temperatur annimmt. Der verringerte Aussendurchmesser des Innenleiters 1 erlaubt es, auch einen kleineren Kondensatorwickel 7 zu benutzen, so dass auch eine kleinere Aussenisolie-rung verwendet werden kann. Es ist ersichtlich, dass dadurch beträchtliche Kosten gespart werden können. The function of a heat pipe can be assumed to be known and only needs to be briefly mentioned here. The heat-conducting liquid 6 evaporates at the heated points of the inner conductor 1 and extracts the necessary heat of vaporization from the inner conductor 1. The evaporated heat liquid 6 condenses at the cooler points of the inner conductor 1, here at the exposed end 2, and releases the heat of vaporization there again. The condensed liquid 6 is collected in the grooves 5 by capillary action and, again mainly by the action of gravity, is passed back into the lower part of the inner conductor 1. The heat given off by condensation in the exposed part 2 of the inner conductor 1 is given off to the surrounding air by the cooling plate arrangement 3. This arrangement makes it possible to significantly reduce the cross section given by the current load and thus the diameter of the inner conductor 1 without the capacitor winding 7 adopting an impermissibly high temperature. The reduced outer diameter of the inner conductor 1 also allows a smaller capacitor winding 7 to be used, so that a smaller outer insulation can also be used. It can be seen that this can save considerable costs.

In Fig. 2 ist eine ausgeführte Durchführung, teilweise im Längsschnitt dargestellt. Entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1. Die dargestellte Durchführung in einer Länge von über 4 m ist für eine Betriebsspannung von 400 kV und einen Dauerstrom von 4000 A vorgesehen. Der Durchmesser des Befestigungsflansches 9 beträgt etwa 70 cm, der des für die Freiluftausführung vorgesehenen Isolators 10 etwa 55 cm. Ohne die erfindungsgemässe Ausführung des Innenleiters 1 als Wärmeleitrohr könnten maximal 2000 A zugelassen werden. Eine Durchführung für 4000 A ohne Kühlung würde einen Isolator 10 von etwa 75 cm Durchmesser benötigen und entsprechende Kosten verursachen. Der untere Leiteranschluss 8a und der Befestigungsflansch 9 sind für die Verbindung mit SFö- gefüllten Höchstspannungskabeln ausge-5 legt. Dementsprechend sind alle Hohlräume zwischen Innenleiter und dem Isolator 10 mit SFe gefüllt. Der Innenraum des Innenleiters 1 ist evakuiert, teilweise mit einem Kühlmittel, beispielsweise mit einem für diesen Zweck geeigneten Halogenderivat des Methan gefüllt, und dann hermetisch verschlos-,0 sen. Die mechanische Verbindung zwischen Innenleiter 1 und dem Isoliergehäuse 10 erfolgt am oberen Ende über das mit dem Isoliergehäuse 10 verkittete Verbindungsstück 11. Mit ihm verschraubt ist die Kühlrippenanordnung 3 und der mehrteilige obere Leiteranschluss 8, der für den Anschluss von Bündel-15 leitern, wie sie heute in Höchstspannungs-Leitungen zur Verminderung von Sprühverlusten üblich sind, ausgelegt ist. Diese Anordnung ist von einem leitenden und mit abgerundeten Aussenkanten ausgeführten Schutzgehäuse 12 umgeben, um die bei den hohen Betriebsspannungen auftretenden Glimm- und 20 Sprüherscheinungen zu vermeiden. Das Schutzgehäuse 12 ist an seinem isolatorseitigem Ende offen und hat zwischen den Leiferanschlüssen 8 Öffnungen, um den Luftstrom an den Kühlrippen 3 möglichst wenig zu behindern. In Fig. 2, an implementation is shown, partially in longitudinal section. Corresponding parts have the same reference numerals as in Fig. 1. The illustrated implementation in a length of over 4 m is intended for an operating voltage of 400 kV and a continuous current of 4000 A. The diameter of the mounting flange 9 is approximately 70 cm, that of the insulator 10 provided for the outdoor version is approximately 55 cm. Without the inventive design of the inner conductor 1 as a heat pipe, a maximum of 2000 A could be permitted. A bushing for 4000 A without cooling would require an insulator 10 of approximately 75 cm in diameter and would cause corresponding costs. The lower conductor connection 8a and the mounting flange 9 are designed for connection with SFo-filled extra-high voltage cables. Accordingly, all cavities between the inner conductor and the insulator 10 are filled with SFe. The interior of the inner conductor 1 is evacuated, partially filled with a coolant, for example with a halogen derivative of methane suitable for this purpose, and then hermetically sealed. The mechanical connection between the inner conductor 1 and the insulating housing 10 takes place at the upper end via the connecting piece 11 cemented to the insulating housing 10. The cooling fin arrangement 3 and the multi-part upper conductor connection 8, which conductors for connecting bundles of 15 conductors, are screwed to it are currently used in ultra-high-voltage lines to reduce spray losses. This arrangement is surrounded by a conductive protective housing 12 with rounded outer edges in order to avoid the glow and spray phenomena that occur at the high operating voltages. The protective housing 12 is open at its insulator end and has 8 openings between the Leifer connections in order to obstruct the air flow at the cooling fins 3 as little as possible.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Kapillar-25 struktur als Docht oder als Drahtnetz im Innern des Wärmeleitrohres ausgebildet. Der Stromleiter besteht dabei aus Kupfer oder Aluminium. Das Wärmetransportmittel ist ein sich gegen das Wandmaterial neutral verhaltendes Halogenderivat des Methans. Im Falle dass der Stromleiter aus Kupfer gefertigt ist, 30 ist das Wärmetransportmittel chemisch reines Wasser. Die Kühleinrichtung ist als Wärmetauscher ausgebildet. Die Längsachse der Stromleiteranordnung bildet mit der Vertikalen einen Winkel von 0 bis maximal 90 °, m.a.W., sie kann vertikal, zur Vertikalen geneigt oder horizontal verlaufen. In another exemplary embodiment, the capillary structure is designed as a wick or as a wire mesh in the interior of the heat pipe. The conductor is made of copper or aluminum. The heat transport medium is a halogen derivative of methane that is neutral towards the wall material. In the event that the current conductor is made of copper, 30 the heat transport medium is chemically pure water. The cooling device is designed as a heat exchanger. The longitudinal axis of the current conductor arrangement forms an angle with the vertical of 0 to a maximum of 90 °, m.a.W., it can run vertically, inclined to the vertical or horizontally.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

TÎ 221 PATENT CLAIMS

1. Heavy-duty conductor arrangement, especially for high-voltage bushings, with one of a light

. evaporating liquid, which serves as a heat transport medium, partially filled tubular conductor, characterized in that the current conductor (1) is designed as a heat pipe with a capillary structure and is provided at one end (2) with a device for heat dissipation.

2. Conductor arrangement according to claim 1, characterized in that the capillary structure is formed by longitudinal grooves (5) on the ninenwand of the heat pipe.

3. conductor arrangement according to claim 1, characterized

■ Knows that the capillary structure is designed as a wick or as a wire mesh inside the heat pipe.

4. A conductor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the current conductor (1) is made of copper or aluminum.

5. Conductor arrangement according to claim 4, characterized in that the heat transport means (6) is a refrigerant which is neutral towards the wall material, for example

; is the halogen derivative of methane.

6. A conductor arrangement according to claim 5, characterized in that the heat transport means (6) is a liquid which is electrically non-conductive in the chemically pure state.

7. A conductor arrangement according to claim 6, characterized in that the heat transport means (6) in the case of the copper conductor (1) is chemically pure water.

8. A conductor arrangement according to one of claims 5 or 6, characterized in that the device for heat emission is an air cooler provided with cooling fins (3), which is surrounded by an open, metallic housing (12) with rounded edges.

9. conductor arrangement according to one of claims 5 or 6, characterized in that the device for heat emission is designed as a heat exchanger.

10. Use of the current conductor arrangement according to claim 1 in a high-voltage condenser bushing, characterized in that a housing (12) surrounding the device for heat output is electrically conductively connected to said one current conductor end (2) and the housing on its bushing insulator ( 10) on the opposite side carries several connecting bolts (8) for connection to high-voltage bundle conductor ropes.

11. Use according to claim 10, characterized in that the housing (12) is open at its end facing the bushing insulator and in that the air flow-guiding openings are formed in the housing part carrying the connecting bolts (8).