高压电载流管及具有其的高压套管的制作方法

1.本发明涉及高压电传输设备技术领域，具体涉及一种高压电载流管及具有其的高压套管。


背景技术：

2.随着我国特高压输电技术的不断发展，输电容量需求不断增大，高压输电设备的电压电流等级要求不断提高，特高压直流输电电压已由
±
800kv提升至
±
1100kv，输电电流已由5000a提升至6250a。高压设备在长期运行中承受着高电压、大电流以及强机械负荷的叠加作用，内部存在很高的电、热及机械应力。高压设备的电、热性能相互影响，实际运行中所发生的设备电气绝缘失效与其热性能有直接联系。为了输送更大功率的电能，需要加大输送电流与电压，造成高压电气设备运行过程中产生更高的电应力及热损耗，严重制约了电气设备在特高压工程的应用。例如超/特高压干式套管运行电压等级高，电能传输功率大，套管中心载流导体的载流量大、发热量高，套管内部均热问题突出，实际运行经验表明大部分干式套管的绝缘失效是由套管内部温度过高而导致其绝缘材料发生热膨胀所引起。
3.为了克服此问题，目前通常采用两种技术路线，一是增大电气设备的体积和重量，例如套管，通过将导电杆做粗从而降低发热量(芯体内径也将同步增大)、芯体厚度尺寸变大从而可以减小电应力的方式，确保套管绝缘材料的电应力和运行温度在安全运行范围内；二是在采取有效的热管理方式，例如换流阀，通过将给发热元件配备散热器的方式，由散热器中循环流动的去离子水不断将元件的热量带到室外散发的方式，保证元件维持在设计温度范围内。
4.对于高压套管而言，目前采用增大组部件的体积、重量以及采用更优质的进口原材料来克服高电压、大电流下套管遇到电应力大和温升控制难的问题，但这样又导致套管出现环氧绝缘芯子尺寸过大、套管重量增加过多、制造成本高昂、良品率低和运行温度高、运行可靠性低的新问题，极大地影响了单条输电容量占北京近一半半用电量的特高压工程的推广和应用。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的载流管通电后发出的热量难以排出的缺陷，从而提供一种高压电载流管及具有其的高压套管。通过设计一种新的套管结构降低套管电应力和热应力，降低套管整体的运行温度。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种高压电载流管，包括：管体；第一流通通道和第二流通通道，设置在管体内并适于使冷却介质流动，并且第一流通通道和第二流通通道均沿管体的径向方向延伸；第一连通腔体和第二连通腔体，设置在管体内，第一流通通道的第一端和第二流通通道的第一端通过第一连通腔体连通，第一流通通道的第二端和第二流通通道的第二端通过第二连通腔体连通；冷却结构，设置在管体上，并位于第一连通腔体处；单向流通结构，设置在第二流通通道内，单向流通结构配置为使冷却介质由第一连通腔
体至第二连通腔体的方向单向流动。
7.可选地，管体为中空结构，第一流通通道和第二流通通道设置在管体的侧壁上。
8.可选地，第一流通通道为多个，多个第一流通通道沿管体的周向间隔设置，第二流通通道设置在相邻的两个第一流通通道之间。
9.可选地，管体为中空结构，第一流通通道设置在管体的侧壁上，管体的中空部分形成第二流通通道。
10.可选地，第一流通通道为多个，多个第一流通通道沿管体的周向间隔设置。
11.可选地，冷却结构包括多个间隔设置的散热翅片。
12.可选地，高压电载流管还包括套设在管体外的均压环，散热翅片的两端分别与管体的外侧壁和均压环的内侧壁连接，多个散热翅片呈放射状设置。
13.可选地，管体上设置有与第一连通腔体连通的排气阀。
14.本发明还提供了一种高压套管，包括高压电载流管以及套设在高压电载流管外的绝缘套，高压电载流管为上述的高压电载流管。
15.可选地，高压套管被配置为至少穿过一个接地平面，且高压套管的至少一端与换流阀连接。
16.可选地，高压套管的一端与换流阀连接，另一端与变压器连接，以使高压套管适于传输高电压和高电流。
17.本发明具有以下优点：
18.利用本发明的技术方案，当高压套管工作时，高压电载流管的管体发出热量，由于管体的位于第一连通腔体的冷却介质通过冷却结构进行冷却，因此第二连通腔体内的冷却介质的温度大于第一连通腔体内的冷却介质的温度。通过温度差使得冷却介质产生压力差，冷却介质通过第一流通管道从第二连通腔体流动至第一连通腔体，并在第二连通腔体进行冷却。由于第二流通通道内设置有单向流通结构，因此冷却后的冷却介质在压力的推动下通过第二流通通道，从第一连通腔体流回至第二连通腔体，并重新吸收管体发出的热量。由此可见，当高压套管工作时，第一流通通道和第二流通通道内的冷却介质在温差的作用下形成自循环，从而持续不断的对管体进行冷却，保证高压套管始终处于一个合理的温度区间内。因此本发明的技术方案解决了现有技术中的载流管通电后发出的热量难以排出的缺陷。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1示出了本发明的高压电载流管的实施例一的结构示意图；
21.图2示出了图1中高压电载流管的剖视示意图；
22.图3示出了图1中高压电载流管的管体与均压环的配合示意图；
23.图4示出了图1中高压电载流管的均压环与散热翅片的结构示意图；以及
24.图5示出了本发明的高压电载流管的实施例二的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.10、管体；20、第一流通通道；30、第二流通通道；40、第一连通腔体；50、第二连通腔体；60、冷却结构；61、散热翅片；70、单向流通结构；80、均压环；90、排气阀。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.实施例一
32.如图1所示，本实施例的高压电载流管包括管体10、第一流通通道20、第二流通通道30、第一连通腔体40、第二连通腔体50、冷却结构60以及单向流通结构70。其中，第一流通通道20和第二流通通道30设置在管体10内并适于使冷却介质流动，并且第一流通通道20和第二流通通道30均沿管体10的径向方向延伸。第一连通腔体40和第二连通腔体50设置在管体10内，第一流通通道20的第一端和第二流通通道30的第一端通过第一连通腔体40连通，第一流通通道20的第二端和第二流通通道30的第二端通过第二连通腔体50连通。冷却结构60设置在管体10上，并位于第一连通腔体40处。单向流通结构70设置在第二流通通道30内，单向流通结构70配置为使冷却介质由第一连通腔体40至第二连通腔体50的方向单向流动。
33.利用本实施例的技术方案，当高压套管工作时，高压电载流管的管体10发出热量，由于管体10的位于第一连通腔体40的冷却介质通过冷却结构60进行冷却，因此第二连通腔体50内的冷却介质的温度大于第一连通腔体40内的冷却介质的温度。通过温度差使得冷却介质产生压力差，冷却介质通过第一流通通道20从第二连通腔体50流动至第一连通腔体40，并在第一连通腔体40进行冷却。由于第二流通通道30内设置有单向流通结构70，因此冷却后的冷却介质在压力的推动下通过第二流通通道30，从第一连通腔体40流回至第二连通腔体50，并重新吸收管体10发出的热量。由此可见，当高压套管工作时，第一流通通道20和第二流通通道30内的冷却介质在温差的作用下形成自循环，从而持续不断的对管体10进行冷却，保证高压套管始终处于一个合理的温度区间内。
34.需要说明的是，本领域技术人员可以理解，高压套管在工作时实际是倾斜放置的。
本实施例中的高压电载流管在工作时，管体10倾斜设置，并且第一连通腔体40的高度要高于第二连通腔体50。因此冷却介质在第二连通腔体50内吸收热量后密度降低，会沿着第一流通通道20上升至第一连通腔体40(由于第二流通通道30内设置有单向流通结构70，因此冷却介质无法沿着第二流通通道30上升)。冷却介质在第一连通腔体40内通过冷却结构60进行冷却后其密度降低，因此沿着第二流通通道30下降。由此可见，本实施例中的冷却介质是通过温度差形成的压力以及液体密度变化的共同作用来形成自循环。
35.需要说明的是，本实施例中，冷却介质为水，当然冷却介质可以采用其他材料，并且冷却介质可以为液态，也可以为气态。进一步地，液态冷却介质，最好采用具有绝缘性能的液体，或者根据所要控制的温差进行调配，同时，要保证低温条件下不会对设备造成破坏。
36.如图2所示，在本实施例的技术方案中，管体10为中空结构，第一流通通道20和第二流通通道30设置在管体10的侧壁上。具体而言，管体10呈空心的管结构，其包括一个截面呈环形的侧壁。上述的第一流通通道20和第二流通通道30设置在管体10的侧壁上。在此基础上，本领域技术人员可以理解，上述的第一连通腔体40和第二连通腔体50为设置在管体10的侧壁上的空腔结构。空腔沿着管体10的侧壁的环形方向延伸，进而将第一流通通道20和第二流通通道30的端部连通。从图1可以看到，第一连通腔体40将第一流通通道20和第二流通通道30的左端连通，第二连通腔体50将第一流通通道20和第二流通通道30的右端连通。因此，第一流通通道20、第二流通通道30、第一连通腔体40和第二连通腔体50四者之间形成了循环结构。
37.如图2所示，在本实施例的技术方案中，第一流通通道20为多个，多个第一流通通道20沿管体10的周向间隔设置，第二流通通道30设置在相邻的两个第一流通通道20之间。具体而言，多个第一流通通道20可以在周向上对管体10进行全面冷却。同时，如上述所述，冷却介质在第一连通腔体40内被冷却后密度增加并下降，为了使得冷却介质能够更加顺利的从第二流通通道30流入，因此第二流通通道30位于下方位置，进而加强冷却介质的循环效果。
38.从图2可以看到，第二流通通道30的截面积要大于第一流通通道20的截面积。其中，第二流通通道30的截面应该超过所有第一流通通道20的面积之和。
39.如图1所示，需要进一步说明的是，从图1可以看到，管体10的右端的端面上设置有环形槽，并且固定连接(例如焊接)环形盖状结构，进而使得环形槽和环形盖状结构之间形成了上述的第二连通腔体50。管体10的左端设置有端盖结构，端盖结构内设置有上述的第一连通腔体40，并且端盖结构和管体10的左端固定连接(例如焊接)，因此实际上，上述的端盖结构也形成了对冷却介质进行冷却的冷凝器。且优选地，管体10更适宜采用铝合金材料制作，根据需要的长度一次挤压成型，包括挤压出全部通道。由于管体10、环形盖状结构和端盖结构固定连接在一起，因此三者在本实施例中一同被称为管体10。因此本领域技术人员可以理解，本实施例的管体10可以指的是一个管状结构的两端连接其他结构后，形成的一个整体结构。
40.如图4所示，在本实施例的技术方案中，冷却结构60包括多个间隔设置的散热翅片61。具体而言，散热翅片61可以吸收管体10左端的热量，并且与外部环境换热并将热量散发出去，进而使得管体10始终保持在一个合理的温度区间内。散热翅片61应根据循环速度要
求进行设计，保证在需要的时间内使高温液体的温度下降到合适的温度。事实上，高压套管的温度也并非越低越好。以夏天为例，环境的温度即使40℃，当温度接近70℃，这个温差就可以确保液体介质产生自循环，由此，就能使管体10的温度控制在略高于70℃的范围内，而这个温度，对高压电载流管来说，处于非常理想的工作范围内。当然，冷却结构60也可以采用其他常规的散热结构。
41.如图3和图4所示，在本实施例的技术方案中，高压电载流管还包括套设在管体10外的均压环80，散热翅片61的两端分别与管体10的外侧壁和均压环80的内侧壁连接，多个散热翅片61呈放射状设置。由于高压设备的外露部分是需要均压环来均匀电场、防止放电及电晕的产生，而冷却结构60稍微复杂、加上散热翅片61具有棱边或尖角，因此是必须要安装均压环的。从图3和图4可以看到，可以把散热翅片61与均压环80做成一体，再实现均匀电场的同时，既利用了均压环80进行散热，也保护了散热翅片61。
42.如图1所示，在本实施例的技术方案中，管体10上设置有与第一连通腔体40连通的排气阀90。排气阀90的作用是防止上述的通道和腔体内产生过多的气体，致使压力过大产生破坏作用。此外，管体10上还设置有用于冷却介质充入与排放的接口(图中未示出)。
43.优选地，上述的单向流通结构70，其具体结构可以是两端面积不等的柱塞结构、或者利用弹簧进行单向阻断的结构，也可以选择标准的单向阀产品
44.实施例二
45.如图5所示，实施例二中的高压电载流管与实施例一的区别在于，管体10为中空结构，第一流通通道20设置在管体10的侧壁上，管体10的中空部分形成第二流通通道30。第一流通通道20为多个，多个第一流通通道20沿管体10的周向间隔设置。具体而言，实例二中利用管体10的中部通道作为第二流通通道30，也即第二流通通道30不再设置在管体10的侧壁上。同时从图5还可以看到，第一流通通道20为多个，多个第一流通通道20环绕着第二流通通道30设置。
46.实施例二的结构与实施例一相比，制造工艺更加简单，但是实施例一的结构具有整体结构更轻的优点。
47.本实施例还提供了一种高压套管，高压套管包括高压电载流管以及套设在高压电载流管外的绝缘套，二者之间浇筑有环氧树脂，高压电载流管为上述的高压电载流管。
48.优选地，本实例中的为了保证高压套管的绝缘性，因此在绝缘套和高压电载流管之间填充了绝缘材料，绝缘材料可以为环氧树脂等等。
49.本实施例中，高压套管用于连接在变压器和换流阀之间，并用于传输高电压和高电流。高压套管穿过墙壁，也即穿过一个接地平面，进而使得具有较高电位的载流管能够穿过接地电位的墙壁。进一步地，上述的变压器为换流变压器，上述连接在换流变压器和换流阀之间的高压套管也被称作换流变压器阀侧套管。
50.进一步地，现有技术中还有将高压套管的两端均与换流阀连接的使用方式，此种方式下，高压套管被称作为穿墙套管，本领域技术人员可以理解，穿墙套管也可以采用上述实施例中的高压电载流管以及高压套管的结构。
51.根据上述结构，上述两个实施例中的高压电载流管具有以下特点：
52.在管道的截面上，布置若干个小孔(也即第一流通通道20)作为高温液体回流孔、以及一个大孔(也即第二流通通道30)作为低温液体进口，低温液体进口端部安装一个单向
阀，当管道的温度升高时，第一流通通道20中被加热的高温液态介质进入左端的第一连通腔体40，并通过冷却结构60进行冷却，冷却后的液态介质沉降于第一连通腔体40底部，通过单向阀再进入第二流通通道30，到达右端的第二连通腔体50后，被加热后通过第一流通通道20回到第一连通腔体40，如此进行循环。
53.当管道的温度与环境的温差较小时，循环停止，温差过大时，自动启动循环过程。单向阀确保左端的第一连通腔体40与右端的第二连通腔体50形成压力差。
54.根据上述结构，上述两个实施例中的高压电载流管具有以下优点：
55.1、结构紧凑，利用了管道的内部空间，一次挤压成型完成全部通道；
56.2、结构简单，不需额外的泵提供动力、也不需要远处连接管道；
57.3、安全可靠，利用温差产生循环，能确保载流管的温升在合理范围内。
58.4、用于冷却的液态介质选择范围较广。
59.本实施例提供了一种新型的含有热管组件的高压套管技术，解决高电压、大电流套管电应力、热应力过高的问题，并且可以避免当前技术导致的环氧绝缘芯子尺寸过大、套管重量增加过多、制造成本高昂、良品率低和运行温度高、运行可靠性低的问题，实现高压套管的紧凑化轻量化设计、基础材料的国产替代、良品率的改善以及运行可靠性的提升；通过该技术还可以改善套管芯体温度分布均一性和大幅降低套管运行温度，提高套管的电压电流应用等级，满足后续更大容量，更高电压等级的特高压工程需求。本发明广泛适用于高压领域的套管，例如换流变阀侧套管，特别适合大电流工况下的套管。为大功率特高压工程的建设及可靠运行奠定技术基础。
60.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。