专利名称：在气体绝缘电路中的导电体的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体绝缘开关设备的导电体，尤其涉及气体绝缘高压或中压开关设备 的导电体。这种导电体用于在开关设备内部传递额定功率，所以它们也称为公称导体、初级 相导体或初级导体。
背景技术：
典型地，用于在以下简称为GIS的气体绝缘电路中传递额定电流的导电体在管形 罩壳中被引导。由于对于更小的但是强大的用于中压和高压设备的GIS的增加的需要，GIS的紧 凑性具有关键的意义。紧凑性可以这样实现，即导电体利用适合的绝缘气体，通常为六氟化 硫(SF6)，从经常位于地电位的罩壳电绝缘。因为罩壳中填充有处于多个巴压力下的绝缘气体或绝缘气体，所以尤其在高压开 关设备中出于压力技术的原因，罩壳经常使用环形横截面。对此，具有同样圆形的或环形的 导体横截面的柱形导电体通常用于每个电相。如果仅仅一个导电体布置在罩壳中，则这称为单相密封系统，而具有不同电位的 但是布置在共同罩壳中的三个导电体称为三相密封系统。当现在从具有相同的保护气体和相同的结构以及相同的材料的GIS中要求更高 的电功率时，这通常对GIS的尺寸产生负面效果，这是因为GIS由于增大的罩壳直径可变得 更不紧凑。
发明内容
因此本发明的目的是提供具有至少一个导电体的气体绝缘高压开关设备区段， 其使在初级导体中能够一定程度提升额定或公称功率，而不强制要求增大罩壳尺寸。另外 的目的是提供设置用于安装在存在的气体绝缘开关设备中的导电体，其使能够在相同的罩 壳中一定程度提升GIS的额定功率。另外的目的在于，提供用于冷却气体绝缘开关设备的 至少一个导电体的方法，其允许GIS的额定功率的功率提升，而由于功率提升罩壳尺寸的 增大不是不可避免的。关于高压开关设备区段和/或对于具有这种高压开关设备区段的气体绝缘开关 设备，该目的通过根据权利要求1或15的导电体而实现。根据欧姆定律，对于相同的导电体质量，即对于相同的导体材料，功率提升导致更 多的损失。该损失表现为热，其通常通过导电体的热辐射和热对流通过罩壳和围绕罩壳的 空气散发。在例如GIS应用中绝缘气体SF6的绝对压力通常等于或大于大约200000帕(大 约2巴)，那么导电体冷却的对流分量远大于热辐射分量。本发明的意图在于，尽管在开关设备区段中仅仅少量的导体结构空间供导电体的 布置和设计使用，但是尽可能利用现有隔离气体将至少一个导电体的更大的损失能量传递 到罩壳上。本发明由此利用两个物理效应。第一个物理效应在于，在GIS的布置成相对于地表面大致水平伸延的罩壳分段中，在操作情况下，即在公称负载(持续负载)的情况下， 绝缘气体具有温度梯度。由此，在气体绝缘开关设备的至少一个长度分段中在横截面中观 察，绝缘气体具有在与重力的方向相反的方向上伸延的温度梯度。由此，在横截面中通过罩 壳观察的罩壳上半部的温度高于罩壳下半部。趋肤效应形成第二个效应，其导致电流穿透 到导电体中的深度对于例如50到60Hz的更高频率的交变电流较小。
在基础实施例中，根据本发明的高压开关设备区段具有至少一个导电体，其借助 于绝缘气体电绝缘地布置在开关设备分段的金属密封罩壳中。绝缘气体例如为空气、02、 Ar、CO、CO2, He、N2, SeF6, NH3> C2F6, C3F8, CF3I> CF4或从这些气体的至少两种中的气体混合 物。高压开关设备区段理解为简称为GIS的绝缘气体开关设备的在公称导体的方向 上延伸的分段。作为这种高压开关设备区段的代表性示例，本文称为变电站的开关板或汇 流排。本文中高压理解为至少1000伏(IkV)的根据DIN VDE的操作或公称电压。由此导电体具有至少一个导体分段，其在纵向(Z)上延伸。导电体从具有恒定横 截面的轮廓(根据实施例从半成品轮廓)制造。由此，导电体的轮廓横截面具有至少两倍 于轮廓横截面的宽度的高度。在导电体的基础实施例中，它是具有矩形的或矩形状的轮廓 横截面的平坦导体，其中，它的在纵向方向上延伸的棱边/角由于介电原因而倒圆角。根据实施例，轮廓或半成品甚至可以是标准轮廓，例如为挤压铝或铜轮廓。至少一 个导体分段的外表面的尺寸(和相对于重力的取向)这样测定并且在罩壳中取向，使得在 至少一个导电体的公称操作中在外表面处自动产生绝缘气体的自由对流，具有在与重力的 作用方向相反的方向上的方向分量。外表面在导电体的周向方向上延伸。这使例如在利用 SF6绝缘的高压GIS应用中，通过自由对流，至少一个导电体的通过电损失产生的热量的至 少60%能够借助于热对流从至少一个导体分段的外表面散发到绝缘气体处并且从绝缘气 体散发到罩壳处。电损失由此理解为导体损失和存在的任何接触损失。换言之，在开关设备的操作中，通过对流产生的气体运动将稍微更冷的绝缘气体 从在被罩壳包围的气体室的内部的邻近地中点的地点、在罩壳的内部的远离地中点的地点 (在此处存在稍微更高的温度)的方向上运输。如图所示，对流至少在气体绝缘开关设备的 公称操作中将较冷的绝缘气体没有抽吸地并且自动地从冷气池运输到高压开关设备区段 的更暖区。导体横截面根据需要可选择并且可具有广泛不同的横截面形式。根据实施例和 要求，导体横截面也可由不同的轮廓或混合的轮廓分段形成。此外，导电体还可在多于一个 方向上延伸，诸如在支路、支撑件、套管等等中。只要需要，导电体也可通过围绕它的纵轴线 旋转而产生(扭曲的)。导电体的这种旋转的实施例在导电体的垂直取向中从热观点尤其 有意义。当它的纵轴线布置在诸如重力的作用方向上时，因此这意味着如此。唯一关键的是，导电体的至少一个分段满足关于自由气体对流的形成的产生/促 进的条件。而且还要注意，根据本发明的高压开关设备区段不仅仅限制于导体的流径在地表 面的方向上水平地延伸的应用，而且在垂直方向上或在与重力的作用方向成角度伸延的方 向上。对于具有增加的垂直分量的导电体的取向，即与重力的方向成角度，轮廓横截面的可能的横截面形式的自由度增加，这是因为自由对流至少部分地在轮廓建立的方向上伸延并 且因此环流和因此在外表面的分段中的冷却效果不会或至少仅仅略微受到损害。具有从半成品，尤其是轮廓中制造的导电体的根据本发明的高压开关设备区段导 致以下优点第一，由半成品制造的导电体典型地比特殊轮廓或模制轮廓在形状和尺寸上更加 稳定。这允许更好地利用用于在高压开关设备区段中相排的布置的经常受限制的结构空 间。第二，由半成品制造的导电体典型地非常适合于弯曲，例如为了直角地从剩余的 导体主体制造联接柄。这在具有平坦轮廓的导电体的实施例中特别有利。第三，作为平坦轮廓的导电体的实施例使能够非常简单并且因此成本低地加工， 例如以打孔或铣削的形式等等。第四，作为平坦轮廓的导电体的实施例使存储和装配简便。第五，在翻新改进过程期间在保留旧的罩壳情况下通过将一个/多个旧导电体更 换成根据本发明的一个/更多个导电体可实现公称功率的增加或提高。在以标准轮廓的形式的导电体的应用中，还产生附加优点，例如a)标准轮廓甚至在小批量中，也就意味着需要更少的仪器，比特殊轮廓或模制轮 廓成本低很多。b)在具有广泛不同的电导和广泛不同的质量中典型地可利用电工业的标准轮廓。 相反，不是所有的导体合金能够同样经济地进行铸造。因此，选择标准轮廓用于导体/多个 导体造成更大的设计自由，这允许在铸造的导体部件中不可能的优化。c)标准轮廓比铸造的轮廓典型地具有更高电导。在至少一个导电体被分割的这种情况中，产生另外的优点，其中，通过导电体引导 通过更高的公称功率。因为根据趋肤效应在更高的频率中电流主要在导电体的边缘区域流 动并且几乎不/不在轮廓中心，这在一些情况下可能是有利的以将导电体细分成多个单独 轮廓并且设计为导体组。导电体的由此增大的外表面面积另外有利于从导电体到绝缘气体 上的热传递。如果单个导电体的两个邻近的单独轮廓布置成彼此相距确定的距离，由此产 生的烟囱效应另外可用于导电体的冷却效果的支持。此外，由于增大的、更加有效的冷却面 积(外表面面积)冷却效果可进一步改进或可专门用于热传递。根据需要和各自的要求，特征可替代地或累积地彼此组合。根据本发明的开关设备区段证实特别对于高压应用特别有效。由此，绝缘气体 (SF6)在开关设备区段的操作中在超过50kV的情况下处于至少200000帕的绝对压力下。尤其在高压应用中示出，在至少一个导电体的公称操作中，产生至少一个导电体 (10)的冷却效果，它的第一热分量借助于热对流可传递到绝缘气体处并且从绝缘气体可传 递到罩壳上，其大于借助于热辐射可传递到罩壳上的第二热分量。具有带有矩形横截面的单独导电体的基础实施例具有外表面，外表面具有第一外 表面分段和面对第一外表面分段布置的第二外表面分段，其中第一和第二外表面分段优 选地由尺寸更大的轮廓侧翼形成。换言之，第一外表面分段和第二外表面分段在矩形轮廓 横截面中形成矩形轮廓横截面的更大侧面。外表面分段是在导电体的周向方向上延伸的外 表面的部分外表面。在导电体的方向上，外表面分段/部分外表面相应地位于至少一个导体分段中。为了实现至少一个导电体的显著的热冷却效果，第一和/或第二外表面分段相对 于重力的作用方向这样取向，使得在导电体的公称操作中绝缘气体沿第一和/或第二外表 面分段具有至少0. 01m/s的造成的流速。由此，冷却流具有在与重力的作用方向相反的方 向上作用的流动方向分量，其提供冷却流的造成的流速的至少50%。如果至少一个导电体至少部分地具有这样形成的表面，使得在导电体的公称操作 中在第一和/或第二外表面分段中的对流主要是紊流的，则从至少一个导电体到绝缘气体 中的热传递可进一步改进。由此，可达到至少一个导电体的有利的冷却值。与分层的气流 相比，紊流的气流具有以下优点，即在紊流的气流中比在分层的气流中绝缘气体可吸收更 多热量，这是因为在紊流的气流中更多气体体积可成功与第一和/或第二外表面分段直接 接触。作为用于适合的表面结构的示例，本文中代表地称为具有导电体的某种表面结构或 某种粗糙度的导电体的涂层。重要的是，表面结构的突出部可能介电地优化。对此补充和 /或替代，还可实现具有涡流元件的实施例，例如具有安装在导电体上(或者甚至集成)的 短段状的点、棱柱或条带。通常下面通常已知的公式给出散发的热能Q Qab = α · A · Δ T其中，α表示热传递系数，A表示表面积以及ΔΤ表示温度变化量。概念散发的热 量由此理解为通过热传递从导电体表面到绝缘气体中散发的热量。热传递系数包括辐射的 以及对流的效应。由几何值组成的理论测量变量示出优化地限定材料成本/结构空间比例 的有利的导体构造。如果导电体轮廓的表面应该具有尽可能大的表面积，那么导体横截面不能保持环 形，而是它将具有长形横截面。如果轮廓的高度大于轮廓横截面的宽度，则在方形横截面的 基础上，导电体的表面面积(外表面面积)可进一步增大。最佳值可以是导电体的最大高 度和最小宽度，使得后者几乎只能是片形的。因为片形的平坦导电体特别在对于导体结构 空间的限制的位置比例中不合适，所以在宽度对高度之间存在第一最佳值。而且在交变电流导电体的操作中，产生趋肤效应，其随着增加的电流频率越来越 显著并且所以尤其在高频设备和设备部件中对于导电体的设计必须注意。一方面，趋肤效 应传统优化的横截面形式的解决方案在于具有环形导体横截面的导电体。由于尤其在高频 负载中电流几乎唯一地仅仅集中在外表面面积的事实，环形导体横截面通常具有相对大的 外径。但是可惜的是具有大外径的导电体不适合于小尺寸的导体结构空间比例。另一方面， 然而，具有非常大的高度和同时最小的宽度的片形的平坦导电体同样完全不适合于趋肤效 应优化的横截面形状。因此当应该优化地充分利用导体结构空间时，导电体的与趋肤效应的热作用表面 的尽可能理想的平衡起作用。对于已知空心导体不能达到该平衡。如果它的高度与它的宽度的比并且因此在导电体的纵向方向上导电体的每个分 段中它的表面积与它的导体横截面积的比保持在已知界限内，则在以实心轮廓导体的或在 内部具有在电气方面可忽略的空腔的空心导体的形式的导电体中，其典型地不与绝缘气体 接触，相反可达到良好的平坦衡。该界限是商Z的限值，从在导体分段中对于轮廓横截面的 每单位面积(轮廓横截面面积)轮廓横截面的周长导出。
根据具有单独导电体的开关设备区段的示例，其具有矩形轮廓横截面，商如下计 算
2*L*{H + B)
权利要求
1.一种高压或中压开关设备区段(l，la，lb，lc，ld，le，lf，lg)，其具有至少一个导电 体(2，2a，2b，2c，2d，2e，2f，2g，2h，2i,2k, 2m, 2n，2p，2q，2r)，所述导电体借助于绝缘气体 电绝缘地布置在所述开关设备区段(l，la，lb，lC，ld，le，lf，lg)的金属密封的罩壳G，4a， 4b)中，其中，所述导电体包括至少一个导体分段(37)，其在纵向方向(Y)上延伸，并且其中，所述导电体从具有恒定轮廓横截面的至少一个轮廓中制造，并且所述轮廓横截 面具有高度(6)，其至少是所述轮廓横截面的宽度(7)的两倍，并且其中，所述至少一个导体分段(37)的在所述高度(6)的方向上延伸的至少一个外表面 分段(9，10)具有定向在重力(13)的作用方向上的方向分量(18)，并且其中，对于在所述至少一个导体分段(37)中的每个轮廓横截面(C)，由所述导电体的 与所述绝缘气体接触的轮廓横截面的周长(U)形成的商(Z)，对于所述至少一个导体分段 (37)的每米长度至少是75并且至多是300。
2.根据权利要求1所述的开关设备区段，其特征在于，所述绝缘气体在所述开关设备 区段(l，la，lb，lc，ld，le，lf，lg)的操作中具有至少200000帕的绝对压力。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备区段，其特征在于，所述至少一个导体分段 (37)的外表面(8)具有第一外表面分段(9)和面对所述第一外表面分段(9)布置的第二外 表面分段(10)。
4.根据权利要求3所述的开关设备区段，其特征在于，所述第一外表面分段(9)和/或 所述第二外表面分段(10)相对于所述重力(1 的作用方向这样取向，使得在所述导电体 (2，2a，2b，2c，2d，2e, 2f，2g，2h，2i,2k, 2m, 2n，2p，2q，2r)的公称操作中所述绝缘气体沿所 述第一外表面分段(9)和/或所述第二外表面分段(10)具有造成的至少0. 01m/s的流速， 尤其其中，在与所述重力(13)的作用方向相反的方向上作用的流动方向分量(18，19)提供 所述造成的流速的至少50%。
5.根据权利要求3或4所述的开关设备区段，其特征在于，所述至少一个导电体(2， 2a，2b，2c，2d，2e，2f，2g，2h，2i，2k，2m，2n，2p，2q，2r)至少部分地具有所述外表面(8)的这 样制造的表面，使得在所述导电体的公称操作中在所述第一外表面分段(9)和/或在所述 第二外表面分段(10)中对流主要是紊流的。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的开关设备区段，其特征在于，所述至少一个导 电体0，2a，2c，2iJk)的至少一个导体分段(37)具有矩形轮廓横截面，其中，所述第一外 表面分段(9)和所述第二外表面分段(10)在所述矩形轮廓横截面中形成所述矩形轮廓横 截面的更大侧面。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的开关设备区段，其特征在于，所述至少一个 导电体OiJk，2m，2n，2p，2q，2r)的由气体接触的表面(8)在所述导体分段(37)中这样 增大，使得所述导电体(2i,2k,2m,2n,2p,2q,2r)成形为具有至少两个单独导体(25,25a, 25b, 26a, 26b, 32)的导体组，其通过用于所述绝缘气体的至少一个对流通道08)布置成彼 此分离，使得在所述至少一个导电体(2i，2k，2m, 2η，2ρ，2q，2r)的公称操作中，所述绝缘气 体的对流09)在所述对流通道08)中自动产生，具有在与所述重力(1 的作用方向相反 的方向上作用的流动方向分量(18)的。
8.根据权利要求7所述的开关设备区段，其特征在于，每个单独导体05，25a，25b，26a, 26b, 32)具有至少一个侧翼(9，10)，其在所述高度(6)的方向上延伸并且具有在端侧 与其邻近的端部区域(33，34)，使得两个邻近单独导体05，25a，25bJ6aJ6b，32)的两个 邻近侧翼(9，10)侧向地限制位于其间的至少一个对流通道08)。
9.根据权利要求8所述的开关设备区段，其特征在于，至少一个单独导体05，25a， 25b, 26a, 26b, 32)的至少一个端部区域(33，34)具有在纵向方向(Y)上延伸的导电成形件 (3 ，3 ，35c，35d，3 ),其在所述高度(6)的和/或所述宽度(7)的方向上增大所述一个 或多个单独导体(25，25a，25b，26a，26b，32)并且与所述单独导体(25，25a，25b，26a，26b， 32)导电地连接。
10.根据权利要求9所述的开关设备区段，其特征在于，所述成形件(35a，35b)至少部 分地集成到所述单独导体Ofe，26a)中。
11.根据权利要求9所述的开关设备区段，其特征在于，至少两个邻近单独导体05， 26)在端侧通过至少一个共同成形件(35e)彼此电连接。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的开关设备区段，其特征在于，多个单独导 体(25，25a，25b，26a，26b，32)在端侧这样与至少一个成形件(35a，35b，35c，35d，35e)连 接，使得在所述导电体横截面中观察，所述导电体Om，2n，2p，2q，2r)的优选为圆形的包线 (36)至少在某些位置切向地接触所述至少一个成形件(3 ，3 ，35c，35d，3k)。
13.一种气体绝缘高压开关设备，其具有根据上述权利要求中的任一项所述的开关设 备区段(1，la, lb, lc，Id, le，If, lg)。
14.一种用于冷却气体绝缘高压或中压开关设备区段(l，la，lb，lC，ld，le，lf，lg)的 至少一个导电体(2，2a，2b，2c，2d，2e, 2f，2g，2h，2i,2k, 2m, 2n，2p，2q，2r)的方法，包括以 下步骤a)提供具有至少一个导电体(2，2a，2b,2c, 2d，2e，2f，2g，2h，2i,2k, 2m，2n，2p，2q，2r) 的气体绝缘高压或中压开关设备区段(1，la, lb, lc, Id, le, If, lg)，所述导电体借助于绝缘 气体电绝缘地布置在所述开关设备区段的金属密封的罩壳G，4a，4b)中，其中，所述至少一个导电体包括至少一个导体分段(37)，其在由所述导电体限定的纵 向方向(Y)上延伸，并且所述导电体从具有恒定轮廓横截面的至少一个轮廓中制造并且所 述轮廓横截面具有高度(6)，其至少是所述轮廓横截面的宽度(7)的两倍，并且所述至少一 个导体分段(37)的在所述高度(6)的方向上延伸的至少一个外表面分段(9，10)具有在重 力(13)的作用方向上的方向分量(18)，并且对于在所述至少一个导体分段(37)中的每个 轮廓横截面(C)，由所述导电体的与所述绝缘气体接触的轮廓横截面的周长(U)形成的商 (Z)，对于所述导体分段(37)的每米长度至少是75并且至多是300，b)在所述开关设备区段的公称操作中施加电负载到所述至少一个导电体上，c)借助于所述导电体的通过所述电负载产生的电阻加热所述至少一个导电体和所述 至少一个导体分段(37)，d)借助于所述对流(14a，14b，16a,16b，29)冷却在所述至少一个导体分段(37)中的外 表面(8)，所述对流由所述绝缘气体的在所述罩壳G，4a，4b)的内部的自由气体对流自动 产生，具有在与所述重力(13)的作用方向相反的方向上的方向分量(18)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，可借助于所述自由对流驱散的第一热 分量大于可借助于热辐射驱散的第二热分量，其从所述至少一个导体分段(37)的外表面(8)到所述绝缘气体处并且从所述绝缘气体到所述罩壳(43a，4b)处。
全文摘要
本发明涉及在气体绝缘电路中的导电体。具有至少一个导电体(10)的高压或中压开关设备区段(1)，其借助于绝缘气体电绝缘地布置在开关设备区段的金属密封的罩壳中。导电体(10)包括至少一个导体分段，其在纵向方向(Y)上延伸并且从具有恒定横截面的至少一个轮廓中制造。导电体(10)的轮廓横截面具有高度(16)，其至少是轮廓横截面的宽度(18)的两倍。至少一个导体横截面的外表面这样设计它的尺寸和相对于重力的作用方向的取向并且在罩壳中取向，使得在导电体(10)的公称操作中，在外表面上自动产生绝缘气体的自由对流，其具有在与重力的作用方向相反的方向上的方向分量。
文档编号H02B13/00GK102130428SQ20111002779
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者D·萨西尔 申请人:Abb技术有限公司